한국연구재단은 지난 9월 25일 장재영 에너지공학과 교수 연구팀이 기존 한계를 극복한 신규 ‘유기 도펀트’ 소재 군을 개발했다고 밝혔다. 장 교수의 연구는 과학기술정보통신부의 재원으로 한국연구재단의 지원을 받아 수행됐다. 이번 연구는 화학 분야의 세계적인 권위지인 ‘Angewandte Chemie International Edition’에 지난 9월 11일 자 게재됐으며, 표지 논문으로 선정됐다. 새로운 유기 p-도펀트 개발로 유기 반도체 시장에 혁신을 일으킨 장재영 교수를 만나 이야기를 나눴다.

도펀트(dopant)는 반도체의 전기적, 광학적, 구조적 특성을 제어하기 위해 반도체에 의도적으로 첨가하는 불순물이다. 그중 유기 도펀트(organic dopant)는 탄소계 유기 분자 형태의 도펀트다. 도펀트의 종류에 따라 n형 반도체와 p형 반도체로 나뉘는데, 특히 p-형 반도체의 특성을 향상하는 유기 도펀트가 바로 ‘유기 p-도펀트’다.

장 교수는 “유기 p-도펀트는 그램당 가격이 수십만 원에 달할 정도로 비싸고 제 기능을 하기 위한 화학적 구조가 굉장히 복잡한 한계를 지녔다”고 말했다. 그는 “특정 업체가 상업적으로 유기 p- 도펀트의 독점적인 지위를 갖고 있어 새로운 도펀트의 개발이 필요하다고 생각했다”고 밝혔다.

기존의 유기 p-마스터 토토사이트는 어떤 분자 하나를 둘러싸는 곁가지를 서로 다르게 붙이면서 새로운 탄소계 유기 분자를 만드는 방법으로 제작됐다. 그러나 신규 유기 p-마스터 토토사이트에서는 이전의 개발 방법과 다르게 분자에 곁가지처럼 붙어 소재의 특성을 제어하는 새로운 전자 구인성 작용기를 개발한 것이다.

즉 기존 전자 구인성 작용기인 시아노(CN)기 내의 질소(N) 원자를 루이스 산과 반응시키면 강한 산화성과 안정성을 동시에 지닌 유기 P-도펀트를 합성할 수 있다는 사실을 밝혀낸 것이다. 장 교수는 “새로운 유기 p-도펀트 개발을 통해 도펀트 크기가 증가해 도펀트의 고정성이 높아졌으며 도핑 안정성 또한 비약적으로 향상됐다”고 말했다.

장 교수는 “새로운 도펀트의 개발은 반도체 소자를 연구하는 모든 분야에 수요가 있는 연구다”고 말했다. 장 교수와 연구실 학생들이 기존에 연구한 분야는 폐열을 이용해 전기를 생산하는 열전소자다. 그의 연구실은 공액고분자라는 반도체 특성을 띠는 플라스틱을 분자 도핑해 전기전도성을 크게 향상하고 이를 열전소자 제작에 활용했다. 하지만 고액 고분자 분자 도핑을 위해선 매우 강한 특성의 도펀트가 필요해 무기염 형태의 강한 도펀트를 이용했다.

그는 “무기염 도펀트는 열전소자 구동 과정에서 온도 차로 인해 쉽게 확산하고 대기 중의 수분과 쉽게 반응해 도핑 안정성을 떨어뜨리는 문제를 포착했다”며 “이 문제를 해결하기 위해 직접 새로운 도펀트를 직접 개발하기 시작했다”고 밝혔다.

새로운 도펀트를 개발하는 과정은 쉽지만은 않았다. 장 교수는 “연구하며 여러 어려움을 마주했지만, 도펀트의 강력함이 연구의 어려움 중 하나였다”고 말했다. 그는 “도펀트가 너무 강력해 대기 중의 수분과 산소와 반응했다”며 “이는 도펀트의 화학적, 광학적 구조를 분석하는 데 있어 걸림돌이 됐다”고 설명했다. 장 교수는 이를 극복하기 위해 대기 중에 노출되지 않도록 도펀트를 유리 보호층으로 덮거나, 도펀트 시료를 두껍게 만들어 표면층을 희생하는 등의 여러 방식을 사용했다.

새로운 도펀트 소재군은 OLED와 태양전지를 비롯한 다양한 전지에너지 소자에 활용될 수 있다. 그는 “이 소재군을 실용화하기 위해선 현재 주로 OLED에 사용되고 있는 진공증착공정이나 태양전지에서 사용되고 있는 용액 공정 응용 기술 개발이 필요하다”고 설명했다. 또한 소자 성능을 극대화하고 소재 비용을 절감하기 위한 연구도 이뤄져야 한다.

장 교수의 연구실은 앞으로도 새로운 도펀트 기술을 가지고 다양한 후속 연구를 진행할 예정이다. 그는 공정 과정과 특성에 따른 최적화 방법을 연구 중이다. 장 교수는 “현재는 실험실 규모에서 연구하고 있지만 앞으로는 다양한 기업들과의 공동연구를 진행하고 싶다”며 “도핑 특성을 향상하고 양산 공정 개발을 통해 실용화가 잘될 수 있도록 최선을 다할 것이다”고 이야기했다.

한양대에 부임한 지 9년 차인 장 교수는 이전의 교수 생활을 되돌아보며 교육자와 연구자 간의 양립에 관해 이야기했다. 장 교수는 “부임 초기에는 연구보다 강의와 교육에 더 많은 시간을 투자했을 정도로 교육에 많은 공을 들였다”며 “그 결과 학생들의 좋은 반응과 함께 여러 상도 수상할 수 있었다”고 이야기했다. 이어 그는 “앞으로도 교육자로서의 소명과 연구자로서의 목표를 모두 잃지 않으며 양립해 나갈 예정이다”고 밝혔다.

장 교수의 향후 목표는 '자신을 믿고 따라와 준 학생들이 잘되는 것'이다. 그는 “개인적으로 이루고자 하는 원대한 목표는 없다”며 “그저 학생들이 좋은 연구를 해 무사히 졸업하고 원하는 목표를 이뤄 사회의 튼실한 한 축을 담당하길 바란다”고 말했다.

그는 연구자를 꿈꾸는 학생들에게 “꿈을 포기하지 않으면 언젠가는 그 꿈을 이룰 수 있을 것이다”고 격려의 메시지를 전했다. 장 교수는 “연구자의 길은 포기하지 않는 끈기와 의지가 가장 중요하다”며 “목표를 이룰 때까지 꾸준히 노력하길 바란다”고 전했다.