GIST, 2D 구조 COF 합성 기술 개발…광전자 소자·OFET 성능 획기적 개선 기대

매끄러운 표면을 가진 COF 필름.

최근 현미경으로 생체 조직을 관찰하는 바이오 이미징과 약물 치료제 등으로 활용하는 공유-유기 골격체(COF)에 대한 관심이 높아지고 있는 가운데 국내 연구진이 혁신적인 2차원(2D) 구조 COF 합성 기술을 개발했다. 빛과 유체 흐름을 활용한 광전자 소자와 유기 전계효과 트랜지스터(OFET) 성능을 획기적으로 향상시킬 수 있을 것으로 평가받고 있다.

광주과학기술원(GIST)은 임현섭 화학과 교수팀이 기존 2D COF 합성 방식의 문제점을 극복한 새로운 합성 방식을 개발해 매끈한 표면을 가진 고품질의 패턴화된 필름 합성에 성공했다고 9일 밝혔다.

COF는 강한 공유 결합과 금속이 없는 유기 환경으로 높은 화학적 안정성과 생체 적합성, 낮은 밀도, 영구적인 다공성, 넓은 표면적의 특성을 갖고 있다. 전기화학 응용 분야에서 기대를 모으고 있다.

기존 2D COF 필름 합성법에서는 고체 표면, 액체·액체 계면 또는 액체·기체 계면에서 유기 빌딩 블록 간의 반응성을 선택적으로 향상시키는 방법을 주로 사용한다. 필름의 오염 흡착, 미반응 화학종의 흡착, 물리적 손상 등 여러 가지 문제가 단점으로 지적돼 왔다.

연구팀은 이를 해결하기 위해 전사 과정이 필요 없는 고체·액체 계면에서 합성 과정 동안 유체의 흐름을 유지하는 새로운 방식을 택했다. 합성 중 발생할 수 있는 오염을 방지하고, 원자 수준의 매끄러운 표면을 가진 고품질의 2D COF 필름을 생산하는 데 성공했다.

왼쪽부터 시계방향으로 임현섭 화학과 교수, 안종국 박사과정생, 오주희 석박사통합과정생, 김태웅 석박사통합과정생.

특히 합성의 에너지원으로 사용된 빛을 마스크를 이용해 위치 선택적으로 입사시켜 패턴화된 2D COF 필름을 합성했다. 이 방법은 복잡한 리소그래피 공정이 필요 없어 장치 제작 프로세스를 단순화함으로써 광전자 소자로의 활용이 더욱 용이하다는 장점을 갖고 있다. 리소그래피 공정은 빛을 이용해 반도체나 전자기기 기판에 미세한 패턴을 전사하는 복잡한 공정으로, 이를 대체할 수 있는 새로운 방법의 개발은 의미가 크다.

연구팀은 결정학적 분석으로 육방정계 질화붕소(h-BN) 위에서 2D COF 필름이 정면 배향을 선호한다는 사실도 규명했다. 육방정계 질화붕소 위에서 2D COF 필름이 향상된 결정성을 가지며, 광학 및 전기적 특성에 대해 잠재적인 이점을 나타낸다는 점을 밝혀냈다. 고성능 광전자 소자 개발에 중요한 역할을 할 수 있을 것으로 기대하고 있다.

임현섭 교수는 “이번 연구 성과를 통해 두께 조정이 가능한 고품질 2D COF 필름 생산 가능성을 열었다”며 “향후 광전자 소자 개발 및 효과적인 이미징 및 치료, OFET 등 다양한 분야에 걸쳐 광범위하게 적용할 수 있을 것으로 예상한다”고 말했다.

이번 연구는 한국연구재단의 우수신진연구지원사업, 기초과학연구실, 미래소재디스커버리 사업의 지원을 받아 이뤄졌다. 재료과학 및 화학 분야의 저명 국제학술지 '스몰 메소드'에 최근 온라인으로 게재됐다.

광주=김한식 기자 hskim@etnews.com