캠브리지대(University of Cambridge)의 연구자들이 저비용으로 쉽게 프로세싱되는 반도체 고분자(semiconducting polymer)를 만드는데 성공했다. 이 고분자들은 보기에는 정렬되지 않은 내부 구조를 지녔지만 실제로는 비싼 결정형 무기 반도체(crystalline inorganic semiconductor)만큼 효과적으로 전자를 전달할 수 있다.

이 새로운 고분자에서 자유롭게 돌아다니는 전자의 비율이 약 70%가 되는 반면, 일반적인 고분자에서는 그 수치가 50%에 미치지 못한다. 내부의 무질서도 제한 수치에 접근하는 물질들은 보다 빠르고 효율적이며 유연한 전자기기나 디스플레이를 만드는데 있어서 중요한 역할을 한다. 이 결과들은 저명한 과학저널인 네이처(nature)지에 게재되었다.

수년 동안, 연구자들은 용액 처리되거나 프린트될 수 있으며 (보다 저렴한 비용으로 전자기기를 만들 수 있다) 뛰어난 전기기기의 속성을 지닌 반도체 고분자(semiconducting polymers)를 찾고 있었다. 이러한 물질들은 프린트된 전기 회로, 대면적 태양전지, 플렉서블 LED 디스플레이 등에 이용될 수 있다. 하지만, 이러한 물질들이 지니고 있는 주요한 문제는 -특히, 이들이 복잡한 습식 코팅, 빠른 드라이 프린팅 공정을 겪는 경우-이들이 대부분의 전자기기나 광전자 기기에서 보이는 정렬된 형태의 결정 격자를 지닌다기 보다는 스파게티가 담긴 사발같은 내부 구조를 지니고 있기 때문이다.

이러한 문제들이 기기의 성능을 저하시키기 때문에 연구자들은 전자들을 위한 가장 적합한 구조를 만들고자 하고 있다. 중합체 분자들은 적어도 하나의 긴 길이의 뼈대(backbone chain)와 옆 쪽의 곁사슬들로 구성된다. 이 옆사슬들이 공유결합 된 고분자들의 프로세스가 쉽도록 해준다. 하지만 이러한 현상은 또한 사로잡혀 있는 전자들의 양을 증가시켜 기능을 저하시킨다.

이제, 캠브리지의 연구자들이 지금까지 옆 사슬에 의해 도입되는 무질서의 형태에 극도로 저항성을 지니는 일종의 공유결합 고분자를 발견했다. 이에 대해 동 대학의 카벤디쉬연구소(Cavendish Laboratory) 소속의 Mark Nikolka는 "이러한 물질들에 있어서 가장 놀라운 것은 이들이 미세구조의 수준에서 무질서하다는 것이다. 하지만 전자 수준에서, 이들은 결정형 무기 반도체에서처럼 자유롭게 전자가 이동할 수 있게 해 준다"고 말했다.

분자 시뮬레이션과 결합된 전기적, 광학적 측정을 이용해, Henning Sirringhaus가 이끄는 연구팀은 전자적으로 그 물질들이 무질서도의 한계에 근접하고 있으며 고분자 사슬에 따라 존재하는 모드 분자들이 전하의 이동에 참여할 수 있다는 것을 보여주었다. 연구자들은 이 결과를 이용해 다양한 종류의 무질서도 공유결합 고분자들을 만들 계획을 지니고 있다. 이에 대한 보다 자세한 연구 결과는 [Approaching disorder-free transport in high-mobility conjugated polymers, Nature. DOI: 10.1038/nature1385]를 참고하기 바란다.

출처 KISTI 미리안 『글로벌동향브리핑』