□   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, 에너지 저장 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 annealing) 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 앞당기는 데 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 폴리아닐린*에 아연(zinc, Zn) 금속이온을 도입하여 플라스틱 기반 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 100 나노미터 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)가 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 분석 결과 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 박사과정생(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