발명의 배경과 필요성

기술의 배경과 문제점

• 유기 반도체는 유연성, 경량성, 분자 구조 제어의 용이성 등으로 인해 실리콘과 같은 무기 반도체를 대체할 수 있는 소재로 주목받고 있습니다.

• 특히, 전도성 2차원 고분자(C2P)는 기존 유기 반도체 소재의 낮은 전기전도도 문제를 해결할 차세대 소재로 각광받고 있습니다.

• 하지만 기존 2차원 고분자는 대부분 골격 내 회전 가능한 단일 결합을 포함하여 전기전도도가 저하되는 한계가 있었습니다.

• 이를 해결하기 위해 융합된 방향족 골격을 가진 2차원 고분자가 제안되었으나, 강한 적층 현상으로 인해 용해도가 크게 낮아져 제조가 어렵고 상용화에 어려움이 있었습니다.

기술의 필요성

• 기존 기술의 한계를 극복하기 위해, 높은 전기전도도와 우수한 용해도를 동시에 만족하는 새로운 전도성 2차원 고분자 개발이 필요합니다.

• 실질적인 산업 적용 및 상용화를 위해, 제조 공정이 용이하면서도 높은 성능을 발휘하는 차세대 유기 반도체 소재의 확보가 시급합니다.

구현 방법

기술의 원리

• 본 발명은 높은 전도성을 위한 '융합된 방향족 골격'과 용해도 개선을 위한 '부피가 큰 펜던트(bulk pendant)' 구조를 동시에 채택하여 기존의 상충 관계를 해결했습니다.

• 디케톤기를 포함하는 화합물(화학식 1)과 디아민기를 포함하는 화합물(화학식 2)의 축합 반응을 통해 디이민기를 형성하여 고분자 골격을 만듭니다.

• 이때, 부피가 큰 알킬 치환기를 포함하는 펜던트가 고분자 사슬 간의 강한 적층을 효과적으로 억제하여 용해도 저하 문제를 개선하고, 결과적으로 높은 중합도를 달성할 수 있습니다.

구체적인 구현 방법

1. 1단계 (화합물 (1)-A 합성): 1,5,9-트리아미노-2,3,6,7,10,11-헥사메톡시트리메틸렌, 메시트알데히드, 아세트산을 혼합하여 환류(reflux)시킨 후 DDQ를 투입하여 화합물 (1)-A를 합성합니다.

2. 2단계 (화합물 (1) 합성): 합성된 화합물 (1)-A를 아세트산에 용해하고 HBr을 투입하여 환류시킨 후, DDQ를 이용해 정제하여 최종 단량체인 화합물 (1)을 합성합니다.

3. 3단계 (C2P-9 합성): 화합물 (1)과 2,3,6,7-테트라아미노페나진(TAP)을 특정 용매와 촉매(아세트산) 하에 혼합하고, 120℃에서 24시간 동안 반응시켜 전도성 2차원 고분자(C2P-9)를 합성합니다.

4. 4단계 (정제): 합성된 고체를 메탄올 세척, 속실렛 추출, 증류수 투석, 초임계 CO2 처리 등 다단계 정제 과정을 거쳐 고순도의 최종 생성물 C2P-9을 수득합니다.

기술의 장점

• 탁월한 전기전도도와 개선된 유기용매 용해도를 동시에 만족시켜, 고성능과 공정 용이성을 모두 확보했습니다.

• 요오드(I2) 도핑 시, 전기전도도가 2.5 x 10⁻¹ S/cm까지 비약적으로 향상되어 고전도성 소재로 활용이 가능합니다.

• 저온(10K)에서 그래핀과 유사한 수준의 초고속 전자이동도(3,200 cm²V⁻¹s⁻¹)를 구현하여 차세대 반도체 소자로의 잠재력을 입증했습니다.

• 높은 종횡비(20 ~ 1,000)를 가지는 평면 내 결정(in-plane crystal) 구조를 형성하여 효율적인 전하 이동 경로를 제공합니다.

• 분자 내 부정결합율이 낮아 구조적 안정성이 뛰어나며, 소자의 신뢰성 및 수명 향상에 기여할 수 있습니다.

실험 및 결과

실험의 목적

본 실험은 새롭게 합성된 전도성 2차원 고분자(C2P-9)의 구조적, 광학적, 전기적 특성을 종합적으로 분석하여 그 성능과 잠재력을 평가하는 것을 목적으로 합니다. 특히, 도핑에 따른 전기전도도 변화와 온도에 따른 전하 이동도 특성을 규명하여 차세대 전자소재로서의 가능성을 검증하고자 했습니다.

실험 방법 및 과정

1. 구조 분석: FT-IR 분광법과 고체 NMR(CP-MAS 13C-NMR) 분석을 통해 고분자 합성을 확인했으며, 투과 전자 현미경(TEM)으로 육각형의 장거리 정렬 구조를 직접 관찰했습니다.

2. 광학 특성 분석: UV-Vis-NIR 분광법으로 흡수 스펙트럼을 분석하고, Tauc plot을 통해 광학 밴드 갭이 1.71eV임을 확인했습니다.

3. 전기 특성 측정: 반데르 포우(van der Pauw) 방법 기반의 4-프로브 측정을 이용하여 C2P-9(도핑 전)과 I2@C2P-9(도핑 후) 펠렛의 상온 전기전도도를 측정하고 비교 분석했습니다.

실험 결과

실험 결과, C2P-9은 요오드(I2) 도핑 후 전기전도도가 비약적으로 향상되는 것을 확인했습니다. 이는 C2P-9이 효과적인 p형 도핑을 통해 전도성 물질로 기능할 수 있음을 보여줍니다.

또한, 구조 분석을 통해 C2P-9이 의도된 대로 육각형 구조의 평면 주기성을 가지는 것을 확인하였으며, 광학 밴드 갭은 1.71eV로 반도체 특성을 나타냈습니다. 특히 도핑된 I2@C2P-9는 10K의 저온에서 전자 이동도가 3,200 cm²V⁻¹s⁻¹에 달해, 그래핀에 버금가는 초고속 전하 이동 특성을 가짐을 입증했습니다.

활용 방안 및 기대효과

활용 방안

• 유기태양전지(OPV)의 전극 또는 활성층 재료

• 유기트랜지스터(OTFT)의 반도체 채널

• 차세대 유기 메모리 소자

• 고감도 유기감광체 또는 유기광센서

기대효과

• 실리콘과 같은 기존 무기 반도체를 대체하여 유연하고 가벼운 차세대 전자 소자 개발을 선도할 수 있습니다.

• 높은 전기전도도와 용해도 특성을 바탕으로, 기존 유기 소재의 상용화 한계를 극복하고 다양한 산업 분야로의 응용을 확대할 수 있습니다.

• 다양한 유기 전자 소자의 성능, 안정성, 가격 경쟁력을 획기적으로 향상시키는 데 기여할 것으로 기대됩니다.

시장 동향

시장 규모 및 성장 전망

전도성 2차원 고분자가 속한 차세대 유기 반도체 소재 시장은 빠른 속도로 성장하고 있습니다. 관련 시장인 전도성 투명 필름 세계 시장은 2016년 약 34억 5,680만 달러에서 연평균 9.4% 성장하여 2026년에는 약 84억 6,160만 달러에 이를 것으로 전망됩니다. (출처: KISTI 보고서)

• 차세대 전자소자 시장: 2020년 약 277억 달러 규모로, 연평균 65.8%의 고속 성장이 예상됩니다.

• OLED 유기재료 시장: 세계 시장은 2023년 20억 달러 규모로 증가할 전망이며, 국내 시장이 세계 시장의 약 75.6%를 차지할 것으로 예상됩니다.

주요 플레이어 및 경쟁 환경

유기 반도체 시장은 재료 과학의 발전과 경량의 유연한 전자 장치에 대한 수요 증가에 힘입어 크게 확장되고 있습니다. 현재 시장은 OLED 기술을 중심으로 디스플레이 산업에서 상용화가 활발히 이루어지고 있으며, 향후 유기 태양전지, 유기 메모리 등으로 응용 분야가 확대될 전망입니다. 핵심 경쟁력은 저비용 대면적 생산 기술과 플렉서블 기판 적용 가능성에 있습니다.

산업 동인 및 기회 요인

1. 재료 과학의 발전 및 OLED 기술 고도화: OLED 디스플레이의 성공적인 상용화가 유기 반도체 전반의 기술 발전을 견인하고 있습니다.

2. 웨어러블 및 플렉서블 기기 수요 증가: 유연하고 가벼운 유기 반도체의 특성은 차세대 웨어러블 및 플렉서블 전자기기 시장의 핵심 요구사항과 일치합니다.

3. 지속 가능성 및 친환경 소재 강조: 친환경 공정이 가능한 유기 소재에 대한 관심이 높아지면서 시장 성장의 기회 요인으로 작용하고 있습니다.

4. 유기 광전지(OPV) 등 신규 응용처 확대: 건물 일체형 태양전지(BIPV) 등 새로운 분야에서 유기 반도체의 적용이 확대되고 있습니다. (출처: GM Insights)