경상국립대 화학과 김윤희 교수.(사진=경상국립대 제공)

경상국립대학교는 자연과학대학 화학과 김윤희 교수팀이 ‘글리콜 사이드체인이 유기 전자 소자 성능 향상에 미치는 영향’을 규명해 지난 7월 22일 세계적으로 저명한 국제학술지 '네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications)'에 게재했다고 밝혔다.

이번 연구는 임페리얼 칼리지 런던(Imperial College London) 김지선 교수팀과 국제공동연구를 통해 진행했다. 논문 제목은 ‘느린 진동완화 글리콜 사이드 체인으로 공액폴리머의 광여기 폴라론 생성 촉진 연구(Slow vibrational relaxation drives ultrafast formation of photoexcited polaron pair states in glycolated conjugated polymers)’이다.

공액 고분자의 사이드체인 엔지니어링은 고분자 백본에 측쇄라고 하는 화학 그룹을 추가하는 과정을 의미하며 이는 공액 고분자의 물리적·전기적·광학적 특성을 개선하는 데 사용되는 중요한 설계 전략이다.

이번 연구에서 연구자들은 글리콜 사이드체인의 도입이 소자 성능에 미치는 영향을 규명하기 위해 사이클로펜타디티오펜(CPDT) 단위로 구성된 동일한 백본을 갖지만 글리콜 사이드체인 함량이 0%, 25%, 50%, 그리고 100%로 다른 4종의 고분자 공여체를 설계 합성했다.

연구 결과, 글리콜 사이드체인은 고분자의 재조직화 에너지를 증가시켜 전자 상태 형성을 느리게 하지만 강력한 진동 결합을 유도해 폴라론 쌍 형성을 촉진하는 것으로 나타났다. 폴라론 쌍이 빠르게 형성될 경우 전하 이동이 원활해지면서 소자의 효율이 향상될 수 있다.

따라서 공액 고분자 백본의 구조적 변형 없이 사이드체인의 변화를 통해 전자 상태 형성을 제어할 수 있는 가능성을 열어줬으며 유기 전자 소자의 성능을 최적화하는 데 중요한 설계 규칙을 제공했다.

예를 들어 효율적인 CT 상태 생성 및 분리가 요구되는 유기 태양전지(OPV)나 장수명 광생성 전하의 빠른 형성 및 높은 수율이 요구되는 수소 발생 광촉매에서 소자 효율성의 추가적인 개선으로 이어질 수 있고 결과적으로 이는 다양한 유기 전자 소자의 효율성을 높일 수 있는 가능성을 제시했다.

교신저자로 연구를 수행한 김윤희 교수는 “경상국립대와 임페리얼 칼리지 런던 연구팀의 이번 성과는 유기 반도체 분자 구조와 전자 상태 형성 간의 관계에 대한 근본적인 이해를 통해 분자 설계에 대한 새로운 통찰을 제공하며 향후 고성능 유기 전자 소자의 개발에 중요한 기초 자료가 될 것으로 기대된다”고 말하고 “또한 이번 연구는 난제 해결에 있어 소재-소자 그룹 간의 체계적인 융합 연구와 국제공동연구의 중요성을 잘 보여주는 사례”라고 소개했다.

이번 연구는 한국연구재단 램프(G-LAMP) 사업과 글로벌형 중견연구 지원을 받아 수행했다.

김윤희 교수 연구실은 유기 반도체 소재 설계 및 개발을 전문으로 연구하고 있으며 소자 및 평가를 전문으로 하는 다양한 국제공동연구 및 국내공동연구를 추진하고 있다. 이번 연구도 그 성과 중 하나다. 김윤희 교수 연구실에서 배출한 인력들은 삼성디스플레이를 비롯해 다국적 기업인 머크, 국내 중견기업 동진세미캠, 덕산 네오룩스, LT 소재, SFC, 일본 이데미츠코산, 중국 및 인도 교수 등으로 활동하고 있다.