[대학저널 이희재 기자] GIST(총장 문승현) 신소재공학부 이재석 교수팀이 최근 전도성 플라스틱 소재의 분자배열 제어 및 박막 제조에 성공했다.
이번 연구는 영국왕립화학회의 나노기술 분야 권위지인 나노스케일(Nanoscale) 지난 5월 21일자에 최종 게재됐다.
각종 첨단소자에 응용되는 플라스틱은 전기전도성, 에너지 저장 및 광학적 특성 등의 고기능성이 요구된다. 하지만 선형 사슬구조의 고분자로 구성된 플라스틱 내부에는 금속과 세라믹 소재와는 달리 고분자 사슬 얽힘 현상으로 인한 불규칙적인 구조가 존재한다. 이는 각종 소자에 적용 시 결함으로 작용해 소자 효율을 극감시키는 단점이 있다.
최근 많은 연구기관에서 금속 및 세라믹 소재처럼 규칙적인 구조를 갖는 플라스틱 소재연구가 진행됐다. 하지만 소자제작을 위한 박막 공정과정에서 실타래 같이 얽혀있는 플라스틱 결정구조를 제어하기가 매우 어렵다. 이에 플라스틱 결정구조에 대한 추가적인 연구가 필요한 상황이다.
이재석 교수팀은 간단한 용매증기열처리(solvent-vapor thermal annealing) 공정으로 전도성 고분자와 금속이온과의 가교결합을 유도해 분자스케일에서 정렬된 플라스틱 박막 제조에 성공했다. 이번 성과는 향후 미래 전자, 에너지 및 광학 소자에 활용되는 플라스틱 기반소재의 실용화를 앞당기는 데 기여할 것으로 전망된다.
또한 이재석 교수팀은 전도성 플라스틱 소재인 폴리아닐린에 아연(zinc, Zn) 금속이온을 도입해 플라스틱 기반 분자결정 박막 제조법을 개발했다. 한국기초과학지원연구원의 선도 연구 장비인 초고압전자현미경으로 분자크기 수준에서 정렬된 플라스틱 결정구조를 분석했다.
뿐만 아니라 폴리아닐린과 아연 이온의 혼합물로 100 나노미터 두께의 박막을 형성한 후 폴리아닐린 구조 내 질소원자(N)와 아연 이온간 배위결합을 유도했다. 용매증기열처리 동안 혼합물 박막 내 아연 이온은 폴리아닐린 고분자 사슬 사이에 위치하면서 배위결합에 의한 가교구조를 형성시킨다. 이를 통해 고분자 사슬의 무작위한 운동성을 떨어뜨리고 규칙적인 배열 제어를 유도한다.
폴리아닐린-아연 배위결합체의 정밀한 초고압전자현미경 이미징 분석 결과 분자스케일에서 규칙적으로 배열된 격자구조가 관찰됐다. 또한 형성된 격자는 금속의 주요결정구조 중 하나인 면심입방구조를 갖는 것으로 확인됐다. 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 것"이라며 "본 기술이 향후 전자, 에너지 및 광학 소자 응용에 적용될 수 있는 잠재성을 보여줬다. 향후 전도성 플라스틱 소재의 특성을 극대화시킬 수 있을 것"이라고 말했다.
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