국내 연구진이 유기물 익센(ixene) 분자를 최초로 합성하는데 성공했다.
실리콘(Silicone) 반도체를 대신할 유기반도체에 관한 연구가 활발히 진행되고 있는 가운데 UNIST 박영석·이근식·신형준 교수 공동연구팀이 다환 방향족 탄화수소(PAHs: Polycyclic Aromatic Hydrocarbon) 물질인 익센 분자를 존재가 밝혀진 지 79년만에 최초로 합성하는데 성공해 주목된다.
이밖에 질소(N)와 붕소(B)가 첨가(도핑)된 익센을 추가적으로 합성함으로써 익센을 유기반도체 소재로 사용할 수 있다는 결론도 도출했다.
탄소를 기반으로 하는 유기반도체는 상용화된 실리콘 반도체 소재와 달리 유연하고 가공성이 우수해 플렉서블(Flexible) 소자에 사용돌 수 있다.
대표적인 유기반도체 소재로는 탄소 원자가 여러개의 육각형 고리모양을 이루고 있는 다환 방향족 탄화수소가 있다. 분자 내부에 자유롭게 움직일 수 있는 전자가 있기 때문으로 파악되고 있다.
공동 연구팀이 합성한 익센도 다환 방향족 탄화수소의 일종이며 1941년 이름과 함께 분자 구조가 제안됐으나 당시 알려진 방법으로는 합성이 어려워 실제로 만들어지지는 못했다.
연구팀은 다이아세틸렌(Diacetylene) 분자의 고리화 반응과 팔라듐 촉매를 사용한 탄소-수소 아릴화 반응을 이용해 익센을 합성하는데 성공했고 익센 분자의 특정 위치에 질소와 붕소를 도입해 익센보다 에너지 갭이 좁은 B2N2-ixene을 합성했다.
박영석 교수는 “붕소와 질소를 동시에 도핑해 탄소-탄소(C-C) 결합 같은 등전자 구조를 가지면서도 에너지 갭은 더 좁은 B2N2-ixene 분자를 합성했다”고 설명했다.
신형준·이근식 교수 연구팀은 자외선-가시광선 분광법을 이용해 B2N2-ixene이 익센보다 긴 파장대의 빛을 흡수하는 것을 관찰하고 이론계산을 통해 B2N2-ixene 분자가 익센과 비교해 좁은 에너지 갭을 가진다는 것을 입증했다.
박영석 교수는 “익센이라는 새로운 물질을 현대 유기화학을 이용해 합성했을 뿐만 아니라 분자의 특정 위치에 원하는 물질을 정확하게 첨가해 물리적 성질을 제어하는 방식을 제안했다는 점에서 의의가 큰 연구”라며 “연구에 사용된 팔라듐 촉매와 탄소-수소 아릴화 반응은 더 큰 분자 크기를 갖는 다환 방향족 탄화수소를 합성하는 전략으로도 응용할 수 있을 것”이라고 강조했다.
연구는 한국연구재단(NRF)이 추진하는 기본연구 및 기초연구실 사업의 지원을 받아 진행됐고 앙게반테케미(Angewandte Chemie International Edition) 8월24일자에 게재됐다. (K)