UNIST, 유기반도체 골격 바꾸는 새 합성법 개발

보론-산소 결합 연속 도입한 펜타센 유도체 합성
유연 전자소자·차세대 광전자 소재 응용 기대
유기반도체 분자 설계 자유도 크게 확대

UNIST 연구진이 유기반도체 분자의 골격 자체를 정밀하게 바꿀 수 있는 새로운 합성 기술을 개발했다. 기존에는 어려웠던 헤테로원자의 연속 도입을 가능하게 하면서 차세대 유기반도체와 광전자 소재 개발에 새로운 가능성을 열었다는 평가가 나온다.

UNIST 화학과 박영석·민승규 교수 연구팀은 유기반도체 물질인 펜타센 골격 가장자리에 보론-산소 결합을 연속적으로 삽입할 수 있는 반복 합성법을 개발했다고 밝혔다.

유기반도체는 실리콘 반도체를 보완하거나 대체할 수 있는 소재로, 가볍고 휘어지는 디스플레이와 센서, 태양전지 등에 활용된다. 특히 분자 구조와 원자 배열에 따라 광학·전자적 성질이 달라져 원하는 특성을 설계할 수 있다는 장점이 있다.

다만 기존 유기반도체 연구는 주로 분자 골격 외부에 작용기를 붙이거나 곁사슬을 조절하는 방식이 중심이었다. 분자 골격 내부에 원하는 원소를 연속적으로 삽입하는 기술은 합성 난도가 높아 구현이 쉽지 않았기 때문이다.

연구팀은 벤젠고리 5개가 직선 형태로 연결된 펜타센 구조에 보론과 산소 원자를 반복적으로 삽입하는 새로운 합성 전략을 제시했다.

핵심은 아이오딘화 반응과 스즈키 결합·축합 반응을 반복하는 2단계 공정이다. 연구진은 동일 반응 사이클을 반복하면서 융합고리 수를 단계적으로 늘리고, 동시에 연속적인 보론-산소 결합 구조를 구현하는 데 성공했다.

이를 통해 연구팀은 보론-산소 결합 배열이 서로 다른 펜타센 유도체 3종을 합성했다.

실험 결과 이들 물질은 결합 구조에 따라 빛을 흡수하거나 방출하는 파장이 달라졌으며, 형광 양자수율도 모두 0.70 이상을 기록했다. 형광 양자수율은 흡수한 빛을 다시 빛으로 방출하는 효율을 의미한다.

연구진은 해당 수치가 고발광 특성이 요구되는 발광 유기반도체와 형광 센서, 광전자 소재 등에 활용 가능성을 보여준다고 설명했다.

박영석 교수는 “이번 연구는 반복 합성을 통해 연속적인 보론-산소 결합 구조를 단계적으로 구현할 수 있는 새로운 합성법을 제시한 것”이라며 “분자의 길이와 배열을 정밀하게 설계할 수 있어 유기반도체 분자의 화학적 다양성을 크게 넓힐 수 있을 것으로 기대한다”고 말했다.

이번 연구 성과는 국제학술지 앙게반테케미 인터내셔널 에디션(Angewandte Chemie International Edition)에 지난 4월 16일 온라인 게재됐다. 연구는 과학기술정보통신부 한국연구재단(NRF)과 산업통상자원부 지원을 받아 수행됐다.

차세대 디스플레이와 웨어러블 전자기기, 유연 광전자 산업이 빠르게 성장하면서 유기반도체 소재 기술 중요성도 커지고 있다. 특히 분자 구조를 정밀하게 설계할 수 있는 합성 기술은 향후 고효율·고기능성 유기전자 소재 개발 경쟁력과 직결될 가능성이 높다.

이번 연구는 기존 한계로 꼽혔던 헤테로원자 연속 도입 문제를 반복 합성 전략으로 해결했다는 점에서 학계의 관심을 받을 전망이다. 향후 OLED와 광센서, 유연 전자소자 분야로 응용 연구가 확대될 가능성도 거론된다. 

울산=송희숙 기자 bitmul1@viva100.com