전기를 전도할 수 있는 규칙을 깨는 다채로운 실리콘

미시간 대학 연구진은 새롭게 발견된 실리콘 변종이 반도체라는 사실을 밝혀냈습니다. 이는 이 물질이 전적으로 절연체라는 가정을 뒤집는 것입니다.

"이 소재는 새로운 유형의 평판 디스플레이, 유연한 태양광 패널, 웨어러블 센서, 심지어 다양한 패턴이나 이미지를 표시할 수 있는 의류에까지 가능성을 열어줍니다."라고 최근 Macromolecular Rapid Communications에 게재된 이 연구의 책임 저자이자 UM 재료 과학 및 공학과, 거대 분자 과학 및 공학과 교수인 리처드 레인이 말했습니다.

실리콘 오일과 고무(폴리실록산과 실세스퀴옥산)는 전통적으로 절연 재료로 사용되어 전기나 열의 흐름을 차단합니다. 방수 특성 덕분에 생체 의료 기기, 실란트, 전자 코팅 등에 유용하게 사용됩니다.

한편, 기존 반도체는 일반적으로 단단합니다. 반도체 실리콘은 레인이 설명한 것처럼 유연한 전자 장치를 구현할 수 있는 잠재력을 가지고 있으며, 다양한 색상의 실리콘도 마찬가지입니다.

분자 수준에서 실리콘은 규소와 산소 원자(Si -- O -- Si)가 교대로 배열된 골격 구조로 이루어져 있으며, 이 골격 구조에는 유기(탄소 기반) 작용기가 부착되어 있습니다. 이러한 고분자 사슬들이 서로 연결되면서 다양한 3차원 구조가 형성되는데, 이를 가교라고 하며, 이는 재료의 강도나 용해도와 같은 물리적 특성을 변화시킵니다.

연구팀은 실리콘의 다양한 가교 구조를 연구하던 중 공중합체에서 전기 전도성의 잠재력을 발견했습니다. 공중합체는 두 가지 유형의 반복 단위(이 경우에는 케이지 구조의 실리콘과 선형 실리콘)를 포함하는 폴리머 사슬입니다.

전도성의 가능성은 전자가 Si-O-Si 결합을 통해 서로 겹치는 오비탈을 가지고 이동할 수 있는 방식에서 비롯됩니다. 반도체는 두 가지 주요 상태를 가지고 있습니다. 전기가 통하지 않는 바닥 상태와 전기가 통하는 전도 상태입니다. 들뜬 상태라고도 하는 전도 상태는 일부 전자가 다음 전자 오비탈로 점프할 때 발생하며, 이 오비탈은 금속처럼 물질 전체에 걸쳐 연결되어 있습니다.

일반적으로 Si-O-Si 결합각은 이러한 연결을 허용하지 않습니다. 110°에서는 180° 직선과는 거리가 멉니다. 그러나 연구팀이 발견한 실리콘 공중합체에서는 이러한 결합이 바닥 상태에서 140°에서 시작하여 들뜬 상태에서 150°까지 늘어납니다. 이는 전하가 흐를 수 있는 고속도로를 만들기에 충분했습니다.

"이것은 이러한 공중합체에서 Si-O-Si 결합을 포함한 여러 결합을 가로지르는 전자들 사이에 예상치 못한 상호작용을 가능하게 합니다."라고 레인은 말했다. "사슬 길이가 길수록 전자가 더 먼 거리를 이동하기 쉬워지고, 빛을 흡수한 후 더 낮은 에너지로 방출하는 데 필요한 에너지가 줄어듭니다."

실리콘 공중합체의 반도체 특성은 다양한 색상 스펙트럼을 가능하게 합니다. 전자는 광자(빛 입자)를 흡수하고 방출함으로써 바닥 상태와 여기 상태 사이를 이동합니다. 빛 방출은 공중합체 사슬의 길이에 따라 달라지는데, 레인 연구팀은 이를 제어할 수 있습니다. 사슬 길이가 길수록 이동 거리가 짧고 광자 에너지가 낮아져 실리콘이 붉은색을 띱니다. 사슬 길이가 짧을수록 전자의 이동 거리가 더 길어지므로 스펙트럼의 파란색 끝부분에서 더 높은 에너지의 빛을 방출합니다.

사슬 길이와 빛의 흡수 및 방출 사이의 연관성을 보여주기 위해, 연구진은 사슬 길이가 서로 다른 공중합체들을 분리하여 시험관에 긴 사슬부터 짧은 사슬 순으로 배열했습니다. 시험관에 자외선을 비추면 각 시험관이 서로 다른 에너지로 빛을 흡수하고 방출하면서 무지개가 나타납니다.

공중합체 사슬 길이에 따른 다채로운 배열은 특히 독특합니다. 지금까지 실리콘은 절연 특성으로 인해 많은 빛을 흡수할 수 없기 때문에 투명하거나 흰색으로만 알려져 있었기 때문입니다.

"우리는 모두가 전기적으로 불활성이라고 생각했던 소재에 새로운 생명을 불어넣었습니다. 차세대 부드럽고 유연한 전자 장치에 전력을 공급할 수 있는 소재입니다."라고 UM 재료 과학 및 공학 박사과정생이자 이 연구의 주저자인 Zijing(Jackie) Zhang이 말했습니다.

이 연구는 인적자원 및 기관 개발, 연구 및 혁신을 위한 프로그램 관리 부서(B16F640099)를 통해 미국 국립과학재단(2103628)과 태국 국립과학연구혁신기금(NSRF)의 자금 지원을 받았습니다.

출처: https://www.sciencedaily.com/releases/2025/05/250522183211.htm