이대 연구진, 신축성 반도체 소재 개발…"세 배 늘려도 전하 이동도 유지"

이화여대·아주대·취리히연방공대 공동 연구팀
학술지 '앙게반테 케미 인터내셔널 에디션' 게재
"300% 이상 늘어나도 균열 없이 전기적 특성 유지"
차세대 웨어러블 등 신축성 전자소재 가능성 제시

아주대 양희성 박사, 이화여대 유현진 학생, 이화여대 김예진 석사과정 졸업생, 취리히연방공과대학교 최태림 교수, 이화여대 이병훈 교수, 아주대 이인환 교수 사진(왼쪽부터). 이화여대

[파이낸셜뉴스] 고무처럼 세 배 이상 늘어나도 전기 성능이 유지되는 신축성 반도체 소재가 개발됐다.

이화여자대학교 화공신소재공학과 이병훈 교수 연구팀은 아주대학교 화학과 이인환 교수, 스위스 취리히연방공과대학교(ETH Zurich) 최태림 교수 연구팀과 공동연구를 통해 300% 이상 늘어나면서도 높은 전하 이동도를 유지하는 신축성 반도체 소재를 개발했다고 10일 밝혔다.

이번 연구는 화학 분야의 권위 있는 국제학술지 ‘앙게반테 케미 인터내셔널 에디션(Angewandte Chemie International Edition)’에 게재됐다.

최근 웨어러블 전자기기와 전자피부(electronic skin) 기술이 빠르게 성장하면서 신축성 반도체 소재에 대한 관심도 커지고 있다. 하지만 기존 유기 반도체는 구조가 단단해 큰 변형이 가해질 경우 쉽게 균열이 발생하는 한계가 있었다.

반대로 유연성을 높이기 위해 고분자 구조를 바꾸면 전자가 이동하는 통로가 끊어지면서 전기적 성능이 떨어지는 문제가 있었다.

연구진은 이러한 ‘신축성과 전기 성능의 상충 관계’를 해결하기 위해 '다중블록 공중합체(multiblock copolymer)' 구조를 설계했다. 전기가 흐르는 공액 고분자 블록과 외부 힘을 흡수하는 탄성 블록을 분자 수준에서 정밀하게 연결하는 방식이다.

전도 특성이 뛰어난 폴리(3-헥실티오펜)(P3HT) 블록을 정밀한 리빙 중합(living polymerization) 방식으로 합성해 구조적 정밀도를 확보하고, 이를 유연한 폴리디메틸실록산(PDMS) 블록과 결합했다. 이를 통해 높은 신축성과 전하 이동도를 동시에 확보했다.

실험 결과 개발된 소재는 300% 이상 늘어나도 균열이 발생하지 않았으며 반복적인 기계적 변형에서도 안정적인 전기적 특성을 유지한다는게 연구진의 설명이다. 또한 PDMS 블록의 내열 특성 덕분에 고온 열처리 공정 이후에도 전하 이동도가 안정적으로 유지됐다.

연구진은 열과 기계적 변형에 취약했던 기존 신축성 전자소자의 한계를 보완할 수 있는 가능성을 보여주는 결과라고 설명했다.

이병훈 교수는 “이번 연구에서 제시한 신축성 반도체 설계 전략은 향후 웨어러블 디바이스나 소프트 로보틱스 등 다양한 신축성 전자소자의 핵심 소재로 활용될 수 있을 것"이라고 말했다.

이번 연구는 과학기술정보통신부 국가연구소(NRL2.0) 지원사업, 중견연구자 지원사업, 기초연구실 지원사업, 교육부 대학기초연구소 지원사업, 뇌질환융합센터 등의 지원을 받아 수행됐다.

논문 제목은 ‘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)’이며 양희성 박사(아주대 에너지시스템학과 박사 졸업)가 제1저자로 참여했다.

공동 제1저자로 유현진씨(이화여대 화공신소재공학과 석박통합과정), 김예진씨(이화여대 화공신소재공학과 석·박사 졸업)가 참여했다.

[e-mail] 이보미 기자