[한국대학신문 이정환 기자] 서울시립대학교(총장 원용걸) 물리학과(지능형반도체학과 겸임) 서정화 교수 연구팀은 금속 이온 기반 고분자 전해질 물질을 개발하고 금속이온 선택성에 따른 소재의 전자구조를 성공적으로 규명했다고 발표했다. KIST 박수형 박사 연구팀, 경희대 브라이트 워커 교수 연구팀과 공동으로 진행된 이번 연구는 금속 이온이 도핑된 고분자 전해질을 합성하고 광전자 분광법을 활용해 새로운 하이브리드 소재의 물성과 전자구조를 밝혀냈다.

계면 제어 물질은 광전자 소자의 활성층인 반도체와 전극에서 전자나 정공의 이동을 제어하는 물질로 반도체와 전극 사이의 접촉 불균형을 맞춰주는 역할을 한다. 반도체 소자의 성능과 안정성 확보를 위해 활성층과 전극 사이의 불균형을 해소하고 전자와 정공의 이동이 용이한 계면 제어 물질들의 개발이 매우 중요하다.

워커 교수 연구팀은 금속 이온 기반 고분자 전해질 15종을 계면 제어 물질로 성공적으로 합성했으며, 박수형 박사와 서정화 교수 연구팀은 광전효과를 이용한 X선, 자외선 분광 기법을 도입해 금속 이온 종류에 따른 전자구조를 연구하고, 그 결과 계면 제어 소재로서의 역할을 명확히 규명했다.

OLED, 태양전지 등 광전자 소자에 널리 사용되고 있는 전도성 고분자인 PEDOT:PSS의 전도성을 담당하는 PEDOT 부분을 금속이온으로 대체해 Metal:PSS를 개발했으며, 이를 위해 금속 이온은 알칼리 금속(Li, Cs), 알칼리 토금속(Mg), 4주기 전이금속(V, Mn, Co, Ni, Cu, Zn), 5주기 전이금속(Ag, Pd), 전이후 금속(Pb) 등 다양하게 연구했다.

금속이온의 종류에 따라 비슷한 경향을 보이는데 알칼리 금속과 알칼리 토금속의 경우 전극의 일함수가 전체적으로 감소하는 경향을 보여 실질적으로 전자수송층으로서의 잠재력을 보였고 4주기 전이금속, 5주기 전이금속에서 전극의 일함수가 증가하고 그 중 Cu, Ag가 일함수의 증가가 두드러지게 관찰되어 정공수송층으로서의 가능성을 보였다.

해당 연구 결과는 세계적 권위를 가진 국제 학술지인 Wiley의 재료 분야 상위 5% 저널인 〈Advanced Functional Materials〉(Impact factor : 19.924）에 ‘Photoelectron Spectroscopic Study of the Interfacial Electronic Structures of Metal-Ion Containing Polyelectrolytes on ITO substrates’라는 제목으로 1월 24일온라인 게재됐다. 본 연구는 한국연구재단 중견연구자 사업과 기초연구실 지원으로 수행됐디.