서울대 이태우 교수팀, 세계최초 불화고분자산으로 그래핀 도핑법 개발

서울대 공대(학장 차국헌)는 재료공학부 이태우 교수 연구팀이 세계 최초로 불화 고분자산을 이용해 그래핀 전극의 도핑 안정성을 상업화에 용이한 수준으로 개선시키는 방법을 개발하고, 이를 통해 고효율의 유연 유기 발광 소자를 구현했다고 24일 밝혔다.

그래핀은 탄소 원자 한 개정도 두께의 층이 육각형 벌집 모양으로 연결돼 이루어진 세상에서 가장 얇은 전도체다. 그래핀은 플렉서블 디스플레이, 태양전지, 배터리 등 다양한 분야에 응용 가능한 신소재로 각광받고 있다. 그래핀이 우수한 전기적, 광학적, 기계적 특성으로 인듐주석산화물(ITO)과 같은 산화물 전극을 대체할 유연성 투명 전극 재료로 부각되고 있기 때문이다.

기존 저분자에 기초한 화학적 도핑법은 도핑 특성은 뛰어나 전기전도도는 증가시킬 수 있으나 공기 중에서 수분과 반응하는 성질 등으로 인해 도핑 능력을 잃어버리는 난제가 있었다. 연구진은 이를 해결하기 위해 불화 고분자 도핑법을 개발했다. 연구진이 개발한 방법을 이용하면 전도도 향상뿐 아니라 대기 안정성 60일 이상 유지되며, 300도의 고온이나 산과 유기용매에 대한 안정성까지 확보할 수 있다. 즉, 고효율의 유기 발광 다이오드의 제작을 통해 유기전자소자로의 적용이 가능함을 증명한 것이다.

연구진은 이러한 전도성 고분자가 저분자산 도핑에서 고분자산 도핑으로 상업화에 성공한 역사에 착안해 그래핀 도핑의 연구 방향도 저분자에서 고분자 형태의 도펀트를 사용해야 한다고 생각했다. 이를 통해 그래핀에 도핑 특성을 유도하면서 화학적으로 안정한 불소기로만 구성된 불화 고분자 산을 구상해 그래핀의 도펀트로 적용했다.

공기 중에 불안정한 저분자 도펀트의 도핑 효과와는 달리 그래핀에 불화 고분자산을 도핑할 경우, 2달 이상 공기 중에서 도핑 효과가 안정하게 유지됨은 물론 다양한 유기용매와 산 용액 환경에서도 도핑 효과가 안정적으로 유지됨을 확인했다.

특히, 기존의 도펀트를 이용한 도핑효과는 열에 취약한 반면, 고분자 도펀트를 이용한 도핑 효과는 열에 의해 오히려 강화되는 특성을 보였고 이에 대한 원리를 규명했다. 또한, 고분자산 도핑된 그래핀을 유기발광다이오드(Organic Light-Emitting Diodes, OLED)의 전극으로 적용해 고효율의 OLED를 구현하게 됐다. 연구 결과는 학술적 중요성을 인정받아 국제적 학술지 '네이처 커뮤니케이션즈'(Nature Communications) 5월 23일 자로 게재됐다.

논문의 교신저자인 이태우 교수는 "이번 연구는 그래핀 전극 기반 유연 유기 광전 소자 연구가 상용화로 진행되기에 가장 큰 난제 중 하나였던 그래핀 도핑 안정성을 크게 개선함으로 인해서 그래핀 전극기반 유연 광전소자 연구의 큰 도약을 이끌 수 있는 기반 기술이라는 데 의의가 있다"며, "유연 디스플레이 및 태양전지 등에 사용되는 그래핀 전극의 상용화를 크게 앞당길 것으로 주목을 모았다"고 설명했다.

이번 연구는 공동 제1저자인 권성주 포스텍 박사과정과 서울대 한태희 박사를 비롯, 포스텍 류순민 교수 연구팀, 서울대 홍병희 교수 연구팀, UNIST 김광수 교수 연구팀 등의 다학제간 공동 연구를 통해 이루어진 연구 성과다.

또한 이번 연구는 미래창조과학부와 한국연구재단이 추진하는 리더연구자지원사업과 나노기술소재원천사업, 산업기술자원부가 추진하는 미래성장동력사업, LG디스플레이-SNU 인큐베이션 프로그램의 지원으로 수행됐다. 이규화 선임기자 david@dt.co.kr