유기반도체 물질 '익센' 79년만에 첫 합성 성공

박영석 울산과학기술원(UNIST) 화학과 교수(위에서 왼쪽 세번째)와 신형준 신소재공학과 교수(위에서 왼쪽 첫번째), 이근식 화학과 교수(위에서 왼쪽 두번째), 최원영 화학과 교수(위에서 오른쪽) 등 공동연구팀은 다환 방향족 탄화수소(PAHs) 물질 중 하나인 익센 분자를 처음으로 합성하는 데 성공했다고 이달 26일 밝혔다.

국내 연구진이 79년간 합성할 수 없던 유기반도체 재료 ‘익센’을 처음으로 합성했다.

박영석 울산과학기술원(UNIST) 화학과 교수와 이근식 교수, 신형준 신소재공학과 교수 공동연구팀은 다환 방향족 탄화수소(PAHs) 물질 중 하나인 익센 분자를 처음으로 합성하는 데 성공했다고 이달 26일 밝혔다.

탄소 유기 반도체는 실리콘 반도체 소재와 달리 유연하고 가공하기도 쉬운 장점이 있다. 탄소 원자가 여러 개의 육각형 고리모양을 이룬 PAHs는 대표적 유기반도체 소재다. 반도체 소재는 자유롭게 움직일 전자가 필요한데 PAHs도 분자 속에 자유롭게 움직이는 전자를 갖고 있다. 1941년 처음 구조가 제안된 익센도 PAHs의 한 종류다.

연구팀은 다이아세틸렌 분자에 이중 고리화 반응을 일으켜 우선 중간물질을 만들었다. 이후 팔라듐 촉매를 써 일으킨 ‘탄소-수소 아릴화 반응’을 이용해 익센을 합성했다. 아릴화 반응은 첨가반응을 활용해 방향족 탄화수소에서 수소원자 하나를 제거한 작용기를 만드는 반응이다.

익센의 합성 과정이다. UNIST 제공

연구팀은 같은 방법을 이용해 유기 반도체 재료로 쓸 수 있는 B₂N₂-익센 분자를 만들고 성질을 밝히는 데도 성공했다. 익센 분자에 질소(N)와 붕소(B)를 도입해 익센보다 에너지 갭이 좁은 물질을 합성했다. 에너지 갭은 반도체 소재에서 전자가 움직이는 문턱 역할을 한다. 이를 줄이면 반도체 재료로 활용하는 데 유리해진다.

박 교수는 “익센이라는 새로운 물질을 현대 유기화학을 이용해 합성했다는 점뿐만 아니라 분자의 특정 위치에 원하는 물질을 정확하게 첨가해 물리적 성질을 제어하는 방식을 제안했다는 점에서 의의가 큰 연구”라며 “이번 연구에 사용된 팔라듐촉매와 탄소-수소 아릴화 반응은 더 큰 분자 크기를 갖는 다환 방향족 탄화수소를 합성하는 전략으로도 응용할 수 있을 것”이라고 말했다.

연구 결과는 이달 24일 국제학술지 ‘앙게반테 케미’에 실렸다.

[조승한 기자 shinjsh@donga.com]