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안녕하세요. 고분자 연구실에서 석사 과정을 밟고 있는 김성수입니다. 저희 연구실은 광운대학교 화학과 소속으로 새로운 공액 전도성 고분자(Conjugated Conducting polymer) 합성과 성질 그리고 광전지 특성에 대해 연구하고 있습니다. 연구실의 주 연구분야는 태양전지소자의 전자주개층(Donor layer)에 적용될 전도성 고분자 합성으로 새로운 전도성 고분자 합성을 위해 구조를 디자인하고 단위체합성부터 고분자 합성까지 진행하고 있습니다. 국가과제 또한 태양전지에 응용가능한 새로운 공액 전도성 고분자 소재개발, 우수한 반도체 금형 세정효율성을 지닌 대전성 시트형 열경화성 조성물 개발 등 전도성 고분자뿐만아니라 감광성, 대전성 고분자등을 연구하였고 최근 아이오노머 수지를 기반으로 한 엔지니어링 플라스틱에 대한 연구도 진행하고 있습니다. 저희 연구실은 현재 저를 포함하여 교수님과 함께 석사 과정5명과 4학년 학부생 3명이 활발한 분위기 속에서 연구를 진행하고 있으며, 현재까지 28명의 석사와 2명의 박사를 배출하였습니다.

앞서 연구실 소개에서 말했듯이 저희 연구실은 전도성 고분자에 대한 연구를 진행하고 있습니다.전도성 고분자란 전기가 흐르는 플라스틱으로 1970년대 알렌 히거와 다른 교수진에 의해 폴리아세틸렌의 발견으로 시작되어, 지금까지 디스플레이, 트랜지스터, 바이오센서, 태양전지 등 수많은 연구분야로 뻗어가고 있습니다.
 

전도성고분자의 실생활 응용분야 (OLED, Bio-sensor, Transistor, Solar cell etc)

 2.1) 전도성 고분자의 원리

그 중 저희 연구실에서 중심으로 진행하고 있는 것은 태양전지소자에 응용될 수 있는 고분자를 합성하는 것으로 태양광으로부터 에너지(h)을 받게 되면 엑시톤(exiton)이 형성되는데 이것이 전자주개층(Donor layer)와 전자받개층(Acceptor layer)로 이동하게 되면 엑시톤이 전자(electron)와 정공(hole)으로 분리되어 전자는 전자받개층으로 정공은 전자주개층으로 이동하게 되면서 태양전지로 작용하게 되고 이러한 원리를 PV effect (Photovoltaic effect)라 합니다. PV effect가 잘 일어나기 위해서는 서로간의 표면적을 넓혀 엑시톤이 보다 분리가 잘 일어나게 해주는 것과 전자주개층에 사용되는 고분자와 전자받개층에 사용되는 고분자의 밴드갭(Band-gap)이 잘 맞아야 되는 것 2가지 방법이 있습니다. 전자주개층과 전자받개층의 표면적을 넓히는 방법으로는 각각의 층을 코팅하는 것이 아니라 섞어주어 함께 코팅하는 것, 즉 단일층(냐Single layer)가 아닌 Bulk hetero junction(BHJ)구조로 만들어줍니다. 또 하나는 전자주개층과 전자받개층의 밴드갭을 조절하여 전자의 이동이 수월하게 만들어주는 것으로 저희 연구실에서 진행하고 있는 주 연구분야입니다.

전자받개층은 주로 플러렌(Fullerene) 중 PC60BM, PC70BM, PC71BM을 사용하고 있으며 이에 적합한, 전자주개층에 사용할 수 있는 고분자를 합성하고 있습니다. 고분자태양전지(PSC)의 효율(Power Conversion Effeciency; PCE)을 살펴보면 2005년도 P3HT고분자 5.7%로부터 2017년 지금까지는 11% 내외를 기록하고 있습니다. 실리콘 또는 페로브스카이트(Perovskite)와 같은 무기물 태양전지의 경우 20% 이상의 효율을 내고 있어 아직 고분자 태양전지의 상용화는 어렵지만 상대적으로 가격이 저렴하고 중량이 가벼우며 환경적으로도 우수하기 때문에 발전가능성이 크다고 볼 수 있습니다

 2.2) 낮은 밴드갭을 가지는 전도성 고분자의 합성과 성질 그리고 광학적 특성연구

저희 연구실에서 합성을 진행하고 있는 고분자는 앞서 말씀드린 전자주개층에 사용되는 고분자로 기존에 알려져 있는 고분자로부터 영감을 받아 새로운 구조를 디자인하여 단위체 합성을 하고 고분자 중합과정을 거치고 있습니다. 전자의 이동을 수월하게 하기 위해 낮은 밴드갭을 가지는 고분자를 중합하는 것이 목적이므로 새로운 고분자의 구조 또한 전자의 이동이 수월하도록 공액성(Conjugation)을 가지며 분자간의 Inductive effect를 이뤄야 합니다. 즉, 전자받개 작용기(Electron Withdrawing group; EWG)를 가진 유기화합물과 전자주개 작용기(Electron Donating group; EDG)을 가진 유기화합물이 반복구조를 이룰 수 있도록 디자인을 하고 있습니다. 각각 합성된 유기화합물은 Palladium catalyzed cross coupling reaction 중 Stille cross coupling reaction과 Hermann’s catalyst를 이용한 DArP(Direct Arylation polymerization)를 이용하여 고분자 중합을 하고 있습니다. Stille cross coupling reaction은 주석(Tin; 원소기호Sn)을 이용한 금속반응으로 상대적 비용이 높고 부산물 제거과정과 유해성분으로 인해 다루기 어려운 점이 있으나 합성효율이 높다는 장점이 있어 여러 번의 정제과정을 거쳐서 고분자 중합을 이루고 있습니다. 이에 반해 DArp는 금속반응의 단점을 완벽히 보완한 합성방법으로 주석, 아연, 마그네슘과 같은 금속반응을 거치지 않고 수소와 할로젠 원소를 Hermann’s catalyst를 이용하여 합성하기 때문에 경제적, 환경적으로 우수한 합성방법입니다.

다음과 같이 중합된 고분자들을 NMR, FT-IR, UV-vis, GPC, TGA 등의 데이터 분석을 거쳐 저희와 함께 co-work을 하고 있는 한양대학교 최효성 교수님 연구실을 통해 태양전지소자로 제작하여 효율 측정을 진행하고 있습니다.

 2.3) 전도성 고분자와 이온성 액체간의 상호작용에 대한 연구

또 다른 한가지 연구분야는 전도성 고분자와 이온성 액체간의 상호작용을 이용하여 전도도를 높여 고분자태양전지의 효율증대를 연구하는 것입니다. 이온성 액체란 양이온과 음이온이 크기의 비대칭성으로 인해 결정체를 이루지 못하고 분자성 용매를 전혀 함유하고 있지 않은 액체 상태로 존재하는 물질을 말하며 기존 염과는 달리 100℃이하의 온도에서 액체로 존재하는 특성이 있고 일반적으로 질소를 포함하는 링 구조의 유기 양이온과 보다 작은 크기의 무기 음이온으로 이루어져 있는 용융염 구조를 가지고 있습니다.

양이온, 음이온의 조합을 목적에 따라 선택적으로 합성하여 사용할 수 있는데 약 1,018종의 이온성 액체로 합성이 가능하여 “친환경 용매”로 널리 도입되어 우수한 화학적, 전기화학적 안정성, 비가연성, 비휘발성 그리고 높은 이온전도도를 지니고 있을 뿐 아니라 극성이 커서 무기 및 유기 금속 화합물을 잘 용해시키며 넓은 온도 범위에서 액체로 존재하는 특성을 갖고 있어 높은 전도도를 필요로 하는 고분자태양전지에 도입하려는 연구입니다. 일반적으로 전도성 고분자를 소자로 코팅을 진행하였을 때, 발생할 수 있는 핀홀(Pin-hole)현상을 채워주기 위해 도펀트(Dopant)를 이용, 표면거칠기를 평탄화시켜주어 전도도를 높여주는 것입니다. I2를 많이 사용하며 저희 연구실에서는 이온성 액체를 dopant역할을 해주도록 연구하고 있습니다. 이온성 액체를 1wt% 로 기준을 두고 고분자와 용매상에서 장시간 혼합하여 NMR, FT-IR, UV-vis, AFM 등 데이터를 측정해본 결과 일부 고분자에서는 특정 작용기와 이온성 액체간 상호작용이 일어나 작용기의 활성화 또는 분해로 Inductive Effect에 따른 UV-vis에서 Red shift 또는 Blue shift가 발생하였으며 FT-IR에서도 특정 작용기 peak가 사라지거나 더 강해지는 등의 변화가 나타났습니다. 이 중 고분자 태양전지로 응용하기 위해 Red shift가 발생한 혼합물을 고분자 태양전지소자로 제작을 진행하고 있습니다.

 

저희 연구실에서는 선후배를 막론하고 필요한 것에 대해 토론을 하며 서로에게 부족한 점을 채워주며 화목한 연구실 생활을 하고 있습니다. 개인으로 약 3년간의, 길게는 2년 짧게는 1년동안 함께 지내는 연구실 생활을 보다 즐겁게 하기 위해 다양한 단합 활동을 하고 있습니다. 실험활동과 국가과제연구 등 앉아서 하거나 많은 이동을 필요로 하지 않기에 종종 주말을 이용하여 활동적인 여가활동을 즐기거나 식사 후 티타임을 가지며 서로의 연구 또는 개인생활에 대해 얘기하고 상담해주는 등 커뮤니케이션을 통해 서로를 이해하며 자율적이고 창의적인 연구실 생활을 지향하고 있습니다. 또한 다른 연구실들과도 친분이 두터워 함께 단합활동을 즐기는 편입니다. 학기 중에는 정기적으로 춘/추계 대한화학회에 꾸준히 참여하여 우수 포스터상 또한 받고 있으며, 조교활동을 통해 석사과정을 생각하고 있는 학부 학생들과의 커뮤니케이션을 통해 연구실에 대한 설명도 하고 있습니다. 방학 중에는 해외 학회 등에 참여하여 전도성 고분자뿐만 아니라 다양한 화학에 대해 견문을 넓히고 있으며, 국가과제를 진행하고 있는 외부기관과 워크샵을 통해 국가과제진행과 교류를 하고, 학기 중 진행하던 연구를 보다 빠르게 방학 중에 진행하여 결과를 내는 등 연구실 생활을 하고 있습니다. 스승의 날이나 송년회 등 정기적으로 졸업생들과의 모임을 가지고 있으며 선후배간의 친분을 다지고 있습니다.

연구실은 서울 노원구에 위치하고 있습니다. 광운대역 또는 석계역으로부터 5분정도 걸어 (구)정문으로 들어오셔서 언덕길을 따라 올라오시면 보이는 흰색 건물이 옥의관이고, 해당 건물 4층에 화학과 연구실들이 있고 그 중 가장 안쪽인 403호에 위치하고 있습니다.

■ 주소  : 서울특별시 노원구 광운로 20 광운대학교 옥의관 403호 고분자연구실
■ 전화  : 02-940-5248
■ 이메일  : zero1521@kw.ac.kr