이병훈 교수 공동연구팀, 신축성 반도체 분야 원천기술 개발
이병훈 교수
화공신소재공학과
300% 이상 늘어나도 높은 전하이동도 유지...차세대 웨어러블 전자소재 제시
국제 저명 학술지 『앙게반테 케미(Angewandte Chemie)』 게재
화공신소재공학과 이병훈 교수팀이 이인환 교수(아주대)와 최태림 교수(취리히연방공과대) 연구팀과의 공동연구를 통해 차세대 웨어러블 전자소재로 이용될 수 있는 신축성 반도체 소재를 개발했다.
다중블록 공중합체 플랫폼을 통해 300% 이상 늘어나면서도 높은 전하이동도를 유지하는 차세대 신축성 반도체 소재를 개발한 이번 연구는 세계적 권위의 학술지 『앙게반테 케미(Angewandte Chemie International Edition)』에 게재되며 우수성을 인정받았다.
최근 웨어러블 전자기기와 전자피부(electronic skin) 기술의 급성장과 함께 신축성 반도체 소재에 대한 연구가 활발하게 진행되고 있다. 그러나 기존 유기 반도체 소재는 기계적으로 단단하고 쉽게 균열이 발생하는 특성으로 인해 큰 변형이 요구되는 환경에 적용하기 어렵다는 한계가 있었다. 이를 개선하기 위해 유연한 화학 성분을 도입할 경우 신축성은 향상되지만, 전하이동 경로가 차단돼 전기적 성능이 저하되는 ‘상충관계(tradeoff)’ 문제가 발생해 높은 전하이동도와 신축성을 동시에 구현하는 것은 오랜 난제로 남아 있었다.
(위, 왼쪽부터) 아주대 이인환 교수, 양희성 박사과 이화여대 유현진 석박통합과정생, 이병훈 교수
(아래) 신축성 반도체 원천기술 개념도
공동연구팀은 전기가 흐르는 공액 고분자 블록과 응력을 흡수하는 탄성 블록을 분자 수준에서 정밀하게 연결한 ‘다중블록 공중합체’ 플랫폼을 구축했다. 특히 폴리(3-헥실티오펜)(Poly(3-hexylthiophene), P3HT) 블록을 정교한 리빙 중합(living polymerization) 기법으로 합성해 높은 구조적 정밀도를 확보하고, 이를 유연한 폴리디메틸실록산(polydimethylsiloxane, PDMS) 블록과 공중합함으로써 전하이동도 감소 없이 높은 신축성을 구현했다.
개발된 소재는 300% 이상 늘리더라도 균열이 전혀 발생하지 않았으며, 기계적 변형에도 안정적인 전기적 특성을 유지했다. 또한 PDMS 블록의 강한 내열성 덕분에 고온 열처리 후에도 전하이동도가 안정적으로 유지되는 것으로 확인됐다. 이는 열에 취약한 신축성 전자소자의 단점을 극복할 수 있는 중요한 단초로 평가된다.
이번 연구는 정밀 중합 전략을 통해 공액 고분자의 구조적 요소와 소자 성능 간의 상관관계를 체계적으로 규명하고, 신축성과 전하이동도 간 상충관계를 효과적으로 극복한 사례라는 점에서 의의가 크다. 이병훈 교수는 “본 연구를 통해 제시된 신축성 반도체 설계 전략은 추후 웨어러블 디바이스, 소프트 로보틱스 등 차세대 신축성 전자소자의 핵심 소재로 활용될 것”이라고 연구의 의의를 설명했다.
(왼쪽부터) 아주대 양희성 박사, 이화여대 유현진 석박통합과정생과 김예진 석사과정 졸업생, 취리히연방공과대학교 최태림 교수, 이화여대 이병훈 교수, 아주대 이인환 교수
이번 연구는 △과학기술정보통신부 국가연구소(NRL2.0) 지원사업 △중견연구자 지원사업 △기초연구실 지원사업 △교육부 대학기초연구소 지원사업 △뇌질환융합센터 등의 지원을 받아 수행됐다. 연구 논문은 『리빙 중합 전략을 활용한 공액성 멀티블록 공중합체 개발: 신축성과 전하 수송에서의 구조–물성 상관관계에 대한 체계적 연구(Living Polymerization Strategy for Conjugated Multiblock Copolymers: A Systematic Study of Structure–Property Relationships in Stretchability and Charge Transport)』이라는 제목으로 발표되었으며, 제1저자로는 양희성 박사(아주대 에너지시스템학과 박사 졸업)와 함께 유현진(이화여대 화공신소재공학과 석박통합과정 학생), 김예진(이화여대 화공신소재공학과 석·박사 졸업) 씨가 참여했다.