Elemental sulfur enables a thione-mediated, non-radical polycondensation toward poly(benzodifurandione)

유연한 전자 공학의 세계에서 과학자들은 오랫동안 구리만큼 효율적으로 전기를 전달하면서도 플라스틱과 같은 유연성을 가진 재료를 찾아왔습니다. 양전하를 운반하는 재료는 수십 년 동안 완성되어 온 반면, 그 상대역인 음전하를 운반하는 재료는 제조하기가 매우 까다로운 상태로 남아 있었습니다. 이러한 음전하 운반체는 균형 잡힌 고성능 회로를 구축하는 데 필수적이지만, 이를 만드는 과정은 종종 독성 화학 물질, 극한의 조건, 또는 수 주일이 걸리는 정제 단계를 필요로 했습니다. 이러한 병목 현상은 가장 유망한 음전하 재료들이 웨어러블 센서나 인쇄 회로와 같은 실제 기기에 도달하지 못한 채 작은 실험실 샘플 안에만 갇혀 있게 만들었습니다.

연구팀은 성냥 머리에 들어있는 유황만큼 흔하고 무해한 물질을 사용하여 이 교착 상태를 타파할 방법을 마침내 찾아냈습니다. 원소 유황을 활용함으로써, 그들은 전기를 매우 잘 전달하는 것으로 알려진 폴리(벤조디푸란디온), 즉 PBFDO라는 특정 유형의 고성능 플라스틱을 만드는 새로운 방법을 개발했습니다. 이 돌파구의 핵심은 몇 주간의 지루한 세척이나 위험한 첨가물을 피하는 화학 공정에 있습니다. 대신, 연구진은 플라스틱의 구성 요소들을 유황과 함께 하나의 용기 안에 섞고, 혼합물을 가열한 뒤, 결과물을 여과하여 즉시 사용할 수 있는 도전성 잉크를 얻었습니다. 이 접근 방식은 기록적인 수준의 전도성을 가진 재료를 생산할 뿐만 아니라, 이전 방식들이 가졌던 독성 부산물로부터 자유롭고 안전하며 확장 가능한 방식으로 수행됩니다.

이 해결책을 향한 여정은 기존의 플라스틱 제조 방식이 어려운 절충 상황에 처해 있다는 인식에서 시작되었습니다. 가장 높은 품질과 최고의 전도성을 가진 재료를 생산하는 방법들은 불순물을 제거하기 위해 디메틸 설폭사이드라는 용매로 수 주 동안 제품을 씻어내야 했는데, 이는 느리고 비용이 많이 드는 과정이었습니다. 다른 방법들은 더 빠르긴 했지만, 대규모 생산을 불가능하게 만드는 독성 금속이나 부식성 화학 물질에 의존했습니다. 연구진은 앞으로 나아가기 위해 풍부하고 독성이 없으며, 유해한 잔류물을 남기지 않고 반응을 주도할 수 있는 촉매가 필요하다는 것을 깨달았습니다. 그들은 시선을 원소 유황으로 돌렸습니다. 유황은 풍부하고 일반적으로 무해하다고 간주되는 물질입니다.

실험에서 팀은 플라스틱의 단량체 단위들을 용매 속의 유황과 함께 섞고 혼합물을 가열했습니다. 그들은 유황이 단순히 그 자리에 머물러 있는 것이 아니라, 구성 요소들을 긴 사슬 형태로 연결하는 화학적 춤에 적극적으로 참여한다는 것을 발견했습니다. 결정적으로, 이 과정은 제어하기 어려운 일반적인 라디칼 반응 특유의 혼란스럽고 고에너지를 동반한 충돌을 포함하지 않았습니다. 대신, 유황은 자신의 고리 모양 구조를 열어 구성 요소들이 질서 정연하게 결합할 수 있도록 하는 특정 중간체를 형성했습니다. 이 비라디칼 경로는 일반적으로 전기적 성능을 떨어뜨리는 결함 없이 깨끗하고 고품질의 폴리머를 만드는 핵심이었습니다.

사슬이 성장함에 따라, 유황은 두 번째로 똑같이 중요한 역할을 수행했습니다. 반응 과정에서 자연스럽게 발생하는 소량의 황화수소와 디메틸 설파이드는 재료의 전기적 특성을 높여주는 내부 부스터 역할을 하는 가스였습니다. 이 가스들은 플라스틱을 자발적으로 도핑했는데, 이는 재료에 추가 전자를 채워 전기를 훨씬 더 효율적으로 전도할 수 있게 하는 과정입니다. 이 도판트들이 반응 혼합물 내부에서 직접 생성되었기 때문에, 최종 생성물은 이미 고성능을 발휘할 준비가 된 상태로 나왔으며, 별도의 복잡한 도핑 단계를 생략할 수 있었습니다.

연구진은 완벽한 균형을 찾기 위해 다양한 조건에서 이 새로운 방법을 테스트했습니다. 그들은 아주 적은 양의 유황만으로도 전체 반응을 주도하기에 충분하다는 것을 발견했는데, 이는 유황이 화학적 순환 내에서 재활용될 수 있기 때문입니다. 온도와 농도를 최적화했을 때, 그들은 이 유형의 플라스틱 중 역대 최고 기록과 일치하는 2,059 S/cm(지멘스 퍼 센티미터)의 전도성을 달از성했습니다. 아마도 가장 인상적인 점은, 이 조제품이 이전 방식들이 요구했던 수 주간의 투석 과정을 건너뛰고 단순한 여과만으로 큰 덩어리들을 제거할 수 있었다는 것입니다. 그 결과물은 즉시 사용할 수 있는 검은색의 도전성 잉크였습니다.

이 방법이 더 큰 규모에서도 작동할 수 있음을 증명하기 위해, 팀은 실험실 시험관 수준에서 산업 생산에 적합한 부피인 500밀리리터 배치로 규모를 키웠습니다. 이 더 큰 규모에서도 재료는 1,300 S/cm 이상의 평균 전도도를 유지하며 우수한 성능을 보였습니다. 잉크는 공기 중에서 두 달 동안 안정적으로 유지되며 성능 저하가 거의 없었는데, 이는 제조에 있어 매우 중요한 요구 사항입니다. 이후 팀은 이 잉크를 사용하여 열을 전기로 변환하는 열전 발전기와 생체 신호를 감지할 수 있는 유기 전기화학 트랜지스터를 포함한 작동 가능한 전자 기기들을 제작했습니다. 이 장치들은 해당 범주의 재료들 중 보고된 최고 수준으로 작동하며, 새로운 합성법이 단순히 이론적인 호기심에 그치는 것이 아니라 실용적이고 고성능인 재료를 만들어낸다는 것을 입증했습니다.

이 연구의 함의는 단순히 더 나은 플라스틱을 만드는 것에 그치지 않습니다. 독성 촉매를 대체하고 에너지 집약적인 정제 과정을 제거함으로써, 연구진은 고성능 음전하 전자 공학의 대량 생산을 위한 길을 열었습니다. 저렴하고 안전한 물질인 원소 유황의 사용은, 유연한 전자 공학의 미래가 환경 친화적이면서도 산업적으로 실행 가능한 토대 위에 세워질 수 있음을 시사합니다. 제조 공정에 대한 이 단순하면서도 강력한 조정은 오랫동안 지속된 병목 현상을 해결하여, 첨단 균형 잡힌 전자 회로의 약속을 현실로 한 걸음 더 가깝게 가져다주었습니다.