발명의 배경과 필요성

기술의 배경과 문제점

• 일반적으로 유기 고분자는 이를 이루고 있는 분자의 배열이 균일하지 않습니다.

• 시간, 온도, 반응 크기 등 다양한 반응 조건에 따라 형성이 달라지기 때문에 분자 배열을 조절하기가 매우 어렵습니다.

• 이러한 불균일성 문제는 소재의 물리적, 전기적 특성을 효율적으로 발현시키기 어렵게 만들어 응용에 한계를 가져옵니다.

기술의 필요성

• 기존 유기 고분자의 결함을 보완할 수 있는 자가 보수성(self-reparing)을 이용하여, 비교적 균일한 분자 배열을 갖는 새로운 소재 개발에 대한 연구가 필요합니다.

• 고분자 스스로 분자 배열을 유지하고 보완하여 중합체를 형성하는 새로운 제조 방법을 제공할 필요가 있습니다.

• 고분자 내 분자들의 부정결합률을 낮추고, 더 높은 안정성을 가지는 2차원 공액중합체 및 이를 이용한 박막 필름이 요구됩니다.

구현 방법

기술의 원리

• 본 발명은 결함을 보완할 수 있는 자가 보수성(self-reparing) 원리를 이용하여 고분자 스스로가 분자적 배열을 유지하고 보완하여 중합체를 형성합니다.

• 6개의 결합 자리가 있는 트리페닐렌계 화합물과 가역적 결합이 가능한 이민(imine) 결합을 활용하여, 결함이 적고 안정적인 2차원 고분자를 구현합니다.

• 구체적으로 트리페닐렌 구조의 화합물과 디아민을 포함하는 화합물을 반응시켜, 전기적 및 광학적 특성이 우수한 신규 고분자 소재를 제공합니다.

구체적인 구현 방법

1. 중합조성물 준비: 화학식 1 화합물, 화학식 2~4 화합물, 산촉매(예: 트리플루오로아세트산), 그리고 용매(예: N-메틸-2-피롤리돈)를 포함하는 중합조성물을 준비합니다.

2. 박막 도포: 준비된 중합조성물을 실리콘 웨이퍼와 같은 기재 위에 드롭 캐스팅 등 다양한 코팅 방법으로 도포합니다.

3. 가열 및 중합: 산소 분위기 하에서 150 ~ 300 ℃의 온도로 가열하여 2차원 공액중합체 박막을 형성합니다.

4. 후처리: 필요에 따라 가열 후, 화학적 또는 물리적 도핑 단계를 추가하여 전기적 물성을 더욱 향상시킬 수 있습니다.

기술의 장점

• 높은 전하 이동도: 평균 정공 이동도가 2.5 cm²V⁻¹s⁻¹이며, 최대 4.0 cm²V⁻¹s⁻¹에 달해 기존 유기박막에 비해 매우 우수한 전기적 특성을 보입니다.

• 우수한 광학적 특성: UV, Vis, IR 등 넓은 빛 파장 영역에서 높은 광민감성을 가집니다.

• 구조적 안정성: 자가 보수성(self-reparing)을 통해 결함을 스스로 보완하여 분자 배열의 균일성을 확보하고 구조적 안정성을 높였습니다.

• 다양한 응용성: 우수한 전기적, 광학적 특성을 바탕으로 유기 전자소재, 광기반 전기 소재 등 다양한 분야에 적용 가능합니다.

실험 및 결과

실험의 목적

본 실험은 자가 보수성(self-reparing)을 가지며 우수한 전기적·광학적 특성을 갖는 고분자 소재를 개발하기 위해 진행되었습니다. 구체적으로 트리페닐렌 구조의 화합물과 디아민 포함 화합물을 반응시켜, 안정적인 구조와 뛰어난 특성을 지닌 신규 고분자 소재(C2P-5)를 성공적으로 합성하고 그 특성을 검증하는 것을 목표로 하였습니다.

실험 방법 및 과정 (C2P-5 기준)

1. 2,3,6,7,10,11-헥사하이드록시트리페닐렌(4.0 mg), 2,3,6,7,10,11-헥사아미노트리페닐렌(6.6 mg), 트리플루오로아세트산(1 ㎕)을 N-메틸-2-피롤리돈 10 mL에 용해했습니다.

2. 혼합물을 압력 튜브에 넣고 밀봉한 뒤, 10분간 초음파 처리했습니다.

3. 산소 분위기 하에서 180℃에서 2일 동안 가열하여 반응시켰습니다.

4. 반응물을 냉각시킨 후, 투석(dialysis)을 통해 미반응 단량체, 올리고머 및 산촉매를 제거했습니다.

5. 마지막으로 메탄올로 세척하고 건조시켜 최종 생성물인 결정질 2차원 공액중합체(C2P-5)를 암갈색 고체 형태로 수득했습니다.

실험 결과

실시예 1(C2P-5)을 통해 제조된 2차원 공액중합체는 성공적으로 합성되었으며(수율 75%), FT-IR, XPS 분석을 통해 목표했던 피라진 모티프가 형성되었음을 확인했습니다. 특히 OFET 소자 테스트 결과, 기존 유기박막 대비 매우 높은 수준의 정공 이동도를 나타내 우수한 전기적 특성을 입증했습니다.

활용 방안 및 기대효과

활용 방안

• 차세대 전자부품 소재: 유기 발광 다이오드(OLED), 유기 전계효과 트랜지스터(OFET) 등 다양한 유기 전자소자의 핵심 소재로 활용될 수 있습니다.

• 광기반 전기 소재: 넓은 파장 영역에서 나타나는 높은 광민감 특성을 이용하여 고효율 광센서 및 광기반 전기 소재로 적용 가능합니다.

• 에너지 및 환경 소재: 우수한 특성을 바탕으로 유기 반도체, 전극 소재, 수소 발생 광촉매 및 관련 첨가제 등으로 활용될 수 있습니다.

기대효과

• 고성능·고안정성 소재 확보: 기존 유기 고분자의 한계였던 부정결합률을 낮추고 안정성을 획기적으로 개선한 2차원 공액중합체 및 박막 필름을 제공합니다.

• 기술 경쟁력 강화: 우수한 전기적, 광학적 특성을 통해 다양한 응용 분야에서 기술적 우위를 확보하고 경쟁력을 강화할 수 있습니다.

• 고부가가치 산업 적용: 성능이 입증된 본 기술을 바탕으로 반도체와 같은 고부가가치 산업에 성공적으로 진입하고 시장을 선도할 수 있습니다.

시장 동향

시장 규모 및 성장 전망

유기 전자소재 시장은 폭발적인 성장이 기대되는 분야입니다. 전체 유기 전자소자 시장은 2027년까지 약 3,000억 달러 규모로 성장이 예측되며, 특히 인쇄전자 시장은 2027년 1,250억 달러에 이를 것으로 전망됩니다. 과거 유기 태양전지(OPV) 시장이 연평균 63%의 높은 성장률을 보인 바 있어, 본 기술과 같은 고성능 유기 반도체 소재의 시장 잠재력은 매우 크다고 할 수 있습니다.

• 유기 태양전지(OPV) 시장: 2012년부터 5년간 연평균 63% 성장

• 인쇄전자 시장: 2013년 45억 달러 → 2017년 180억 달러 → 2027년 1,250억 달러 전망

• 웨어러블 센서 시장: 2014년 1억 8천만 달러 → 2020년 8억 달러 규모로 성장 예측

주요 플레이어 및 경쟁 환경

현재 '2차원 공액중합체' 시장의 특정 주요 플레이어에 대한 정보는 제한적이지만, \Frost & Sullivan\, \NanoMarkets\와 같은 시장 분석 기관들은 관련 유기 전자 소재 시장의 높은 성장 잠재력을 보고하고 있습니다. 경쟁 환경은 특정 기업의 독점보다는, 롤투롤(roll-to-roll) 대량 인쇄 기술, 소재 안정성, 에너지 효율 등 핵심 기술을 선점하려는 연구 개발 경쟁이 치열한 양상을 띨 것으로 보입니다.

산업 동인 및 기회 요인

1. 공정 단순성 및 가격 경쟁력: 기존 무기물 기반 소자에 비해 공정이 단순하고 저비용 생산이 가능하여 새로운 시장 창출이 기대됩니다.

2. 플렉서블/웨어러블 기기 수요 증가: 플렉서블 디스플레이, 웨어러블 센서 등 유연성이 요구되는 차세대 전자기기 시장의 성장이 핵심 동력입니다.

3. 다양한 응용 분야 확장: 디스플레이, 센서, 태양전지를 넘어 환경 모니터링, 의료 진단, 스마트 농업 등 다양한 산업으로의 적용 가능성이 제시되고 있습니다.

4. 롤투롤(Roll-to-roll) 인쇄 기술의 발전: 신문처럼 저렴하게 대량 생산할 수 있는 롤투롤 인쇄 기술의 상용화는 유기 전자소자 시장의 폭발적인 성장을 이끌 기회 요인입니다.

출처: KISTI, Koreascience, ETRI