용매증기열처리 공정을 통한 배위가교결합 유도… 면심입방 분자결정 형성

GIST(광주과학기술원, 총장 문승현) 신소재공학부 이재석 교수팀이 전도성 플라스틱 소재의 분자배열 제어 및 박막 제조에 성공했다.

유비쿼터스 시대에 들어서 각종 첨단소자에 응용되는 플라스틱은 플렉시블(flexible)·웨어러블(wearable)·프린터블(printable) 등의 특성 이외에 전기전도성, 에너지저장 및 광학적 특성 등의 고기능성이 요구되고 있다. 하지만 선형 사슬구조의 거대분자, 즉 고분자로 구성된 플라스틱 내부에는 금속과 세라믹 소재와는 달리 고분자 사슬 얽힘 현상으로 인한 불규칙적인 구조가 존재하며, 이는 각종 소자에 적용 시 결함(defect)으로 작용하여 소자 효율을 극감시키는 단점이 있다.

최근 많은 연구기관에서 금속 및 세라믹 소재처럼 규칙적인 구조를 갖는 플라스틱 소재연구가 진행되었지만, 소자제작을 위한 박막 공정과정에서 실타래 같이 얽혀있는 고분자 사슬구조의 규칙적인 정렬, 즉 플라스틱 결정구조를 제어하기가 매우 어렵다. 이에 플라스틱 결정구조에 대한 추가적인 연구가 필요한 상황이다.

이재석 교수팀은 간단한 용매증기열처리(solvent-vapor thermal an nealing) 공정으로 전도성 고분자*와 금속이온과의 가교결합을 유도하여 분자스케일*에서 정렬된 플라스틱 박막 제조에 성공하였으며, 이번 성과는 향후 미래 전자, 에너지 및 광학 소자에 활용되는 플라스틱 기반소재의 실용화를 앞당기는데 기여할 것으로 기대된다.

* 전도성 고분자(Conducting polymer) : 전기가 통하는 고분자(플라스틱). 다른 소재에 비해 가볍고 유연하며, 제조 및 가공이 용이한 전도성 고분자는 차세대 전자소재로 각광받고 있다.

* 분자스케일 : 분자크기 수준. 나노미터 미만, 즉 100억분의 1미터 수준을 의미함.

이재석 교수팀은 전도성 플라스틱 소재인 폴리아닐린에 아연(zinc, Zn) 금속이온을 도입하여 플라스틱기반 분자결정 박막 제조법을 개발했으며, 한국기초과학지원연구원의 선도 연구 장비인 초고압전자현미경*으로 분자크기 수준에서 정렬된 플라스틱 결정구조를 분석했다.

* 초고압전자현미경 : 가속전압이 1000V 이상인 전자빔을 이용해 물질의 미세구조, 즉 결정 내 원자 혹은 분자 배열(0.12㎚)까지 판별할 수 있는 전자현미경

뿐만 아니라 폴리아닐린*과 아연 이온의 혼합물로 100나노미터 두께의 박막을 형성한 후 간단한 용매증기열처리 공정으로 폴리아닐린 구조 내 질소원자(N)와 아연 이온간 배위결합을 유도하였다. 용매증기열처리동안 혼합물 박막 내 아연 이온은 폴리아닐린 고분자 사슬 사이에 위치하면서, 배위결합에 의한 가교구조를 형성시켜 고분자 사슬의 무작위한 운동성을 떨어뜨리고 규칙적인 배열 제어를 유도한다.

* 폴리아닐린 : 벤젠에 아민(amine, NH2)이 도입된 아닐린(aniline)이라는 소재를 중합하여, 아닐린 구조가 반복되어 있는 고분자를 말하며, 가공이 용이하고 전기전도성을 갖는 등 많은 장점으로 인해 현재 많은 연구가 진행되고 있다.

폴리아닐린-아연 배위결합체의 정밀한 초고압전자현미경 이미징 분석결과 분자스케일에서 규칙적으로 배열된 격자구조가 관찰되었다. 또한 형성된 격자는 금속의 주요결정구조 중 하나인 면심입방구조를 갖는 것으로 확인되었다. 이렇게 형성된 배위결합체의 전기 전도도는 대조군 플라스틱(혼합물 박막) 대비 30배 이상 증가했다.

이재석 교수는 “이번 연구는 상용화된 전도성 고분자를 손쉬운 공정을 통해 분자스케일 수준에서 규칙적인 배열성을 제어하고 관찰한 것으로, 본 기술이 향후 전자, 에너지 및 광학 소자 응용에 적용될 수 있는 잠재성을 보여주었다”며, “이러한 분자스케일 결정구조제어 및 분석 연구를 통해 전도성 플라스틱 소재의 특성을 극대화시킬 수 있을 것으로 기대한다”고 말했다.

이재석 교수(교신저자)가 주도하고 이홍준 박사과정(제1저자) 및 허상욱, 안민균 학생이 공동으로 수행한 이번 연구는 미래창조과학부 중견연구자지원사업의 지원으로 진행됐으며, 영국왕립화학회가 출판하는 나노기술 분야 권위지인 나노스케일(Nanoscale)에 5월 21일자에 최종 게재됐다.

* 논문명 : In situ formation of molecular-scale ordered polyaniline film by zinc coordination