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공업화학 전망, 제16권 제3호, 2013
NIMS, 2차원 유기 재료 두께 3.5 nm의 티오펜 나노시트를 세계 최초로 합성 - 저비용으로 간편하게 제작할 수 있는 유기 일렉트로닉스용 박막 재료로서 기대 -
일본 물질·재료연구기구(NIMS) 고분자재료유닛 전자기능 재료그룹의 이케다 타이치(池田太一) 연구원 은 독일 Max Planck Institute for Polymer Research의 Hans-Jürgen Butt 교수의 그룹과 공동으로 두께 3.5 nm의 2차원 시트형 유기 재료, 초분자 티오펜 나노시트를 세계 최초로 개발했다.
최근 그래핀 등 2차원 시트 구조를 갖는 전자 재료가 주목을 받고 있는데, 그래핀은 크기의 제어가 어렵 고 표면 화학 수식에 의한 고차 기능화가 불가능하다. 한편 티오펜은 전계 효과 트랜지스터, 유기 태양전 지, 유기 발광재료(유기 EL) 등의 전자 재료로서 활발하게 연구되고 있는데 그 박막 제조방법에는 문제가 많다. 예를 들어 진공 증착법은 많은 에너지가 필요하며 생산 비용도 높다. 또 고분자 용액을 이용한 습식 법에서는 결정성이 높은 박막을 얻기가 어려웠다. 이번 연구에서는 이러한 문제를 극복하고 2차원 결정성 티오펜 나노시트를 용액 중에서 간편하게 조제하는 데 세계 최초로 성공했다.
연구진은 티오펜 유도체와 유연한 에틸렌글리콜 사슬을 교차시킨 고분자가 특정 유기 용매 중에서 티오 펜들이 겹치듯이 접히고, 또 접힌 고분자들끼리 자발적으로 모여(자기조직화) 2차원 시트 구조를 형성하는 것을 발견했다. 사용된 고분자는 약 80 nm의 길이였지만 잘 접혀있기 때문에 시트의 두께는 3.5 nm밖에 되지 않는다. 시트 안에서의 티오펜 배열을 볼 때 저분자 티오펜 화합물을 진공 증착법으로 제막한 경우의 구조와 마찬가지로 전자기능 재료로의 응용이 기대된다. 나노 시트의 크기는 용액의 농도를 조절함으로써 제어하고, 분자의 말단을 화학 수식함으로써 나노 시트 표면의 고차 기능화도 가능하다는 것을 확인했다.
고분자를 용매에 녹이는 것만으로 진공증착 막 같은 단층 막을 제작할 수 있기 때문에 간편하면서도 에 너지도 절약하고 저비용으로 전자 장치를 제조하는 기술 개발로 이어질 것으로 기대된다. 또 이번 연구에 서 보고된 고분자가 접히는 자기조직화는 생체 단백질이 접히는 조직화를 인공적으로 재현한 것으로 학술 적으로도 흥미롭다.
본 성과는 3월 26일 독일 과학지 Angewandte Chemie International Edition 온라인 판에 게재되었다 (※ 발표논문 참조).
Figure. 티오펜 초분자 시트 형성 과정의 모식도.
KIC News, Volume 16, No. 3, 2013
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