도쿄대, 높은 전도특성을 가진 도전성 고분자를 개발
산화력이 강한 라디칼염 도판트를
독자적으로 개발
도쿄대 연구진은 2021년 4월 기존에 비해 높은 결정성과 전도 특성을 가진 도전성 고분자를 개발했다고 발표했다.
종전보다 산화력이 강한 라디칼염 도판트를 자체 개발해 이를 고분자 반도체에 작용시킴으로써 실현됐다.
고분자 반도체는 인쇄기술을 이용해 성막이 가능하기 때문에 차세대 일렉트로닉스 재료로 주목받고 있다.
다만 고분자반도체를 도전성 재료로 사용하려면 높은 전도특성을 실현할 필요가 있기 때문에 고분자의 결정성을 높이는 연구 등이 진행되어 왔다.
전기전도특성 향상을 위해 일반적으로 고분자 반도체와 산화환원반응을 일으키는 도판트 분자를 고분자막에 도입하는 기법이 이용된다.
그런데 이 방법대로라면 도판트 분자는 음이온으로 고분자막 내부에 남지만 랜덤하게 배치된다.
이로인해 고분자 반도체의 결정성이 훼손돼 전기전도 특성이 억제됐을 수도 있다는 것.
거기서 연구진은 종래에 비해 산화력이 강한 라디칼염 도판트를 개발했다.
이 용액에 고분자 반도체의 얇은 막을 담가 도핑을 한 결과 고분자의 반복 단위당 1개의 도판트 분자가 도입되는 매우 높은 도핑량을 실현할 수 있었다.
게다가 X선회절상을 측정했는데 강도 패턴의 소실도 관측되었다고 한다.
강도 패턴을 시뮬레이션한 결과 고분자 반도체와 도판트 분자가 1 대 1의 공결정 구조를 형성하고 있는 것으로 나타나 고분자 결정 중에 존재하는 도판트 분자의 위치를 0.5nm 수준의 정밀도로 정할 수 있었다는 것.
통상 고분자 반도체의 결정성 구조에는 나노미터급 공극이 주기적으로 존재한다.
반면 이번에 제작한 공결정 구조에서는 틈새로 도판트 분자가 높은 밀도로 충전돼 있는 것으로 나타났다.
산화력이 강한 라디칼염 도판트를 사용하여 "균질한 밀도와 배치로 도판트 분자가 배열한 것"이라고 분석하고 있다.
이번에 제작한 박막의 대부분은 높은 배향성을 가진 공결정 구조인 것으로 밝혀졌다.
도판토 분자종을 최적화하는 것으로 대기 안정성을 향상시킬 수도 있었다고 한다.
이번 연구는 도쿄대학 대학원 신영역 창성 과학 연구과, 동제휴연구기구 머티리얼 이노베이션 연구센터, 물질·재료연구기구(NIMS), 국제 나노 아키텍트닉스 연구거점(WPI-MANA), 과학기술진흥기구(JST)를 앞세워 산업기술종합연구소(산총연) 산업종합연구소·도쿄대 첨단오퍼랜드 계측기술 오픈 이노베이션 라보라토리가 공동으로 수행하였다.
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