전도성 및 전기활성 고분자

전도성 및 전기활성 고분자는 접합된 주쇄(conjugated backbone)로 인해 전하를 운반하거나 전기적으로 반응합니다. 이 주쇄는 도핑될 때 반도체 또는 준금속이 되어 플라스틱을 활성 전자 재료로 전환시킵니다.

Definition

전도성 및 전기활성 고분자는 유기 고분자로서, 도핑 후 접합된 주쇄가 전하를 전도하거나 가역적인 산화환원 및 광학적 변화를 겪어 반도체에서 금속에 이르는 전기적 거동을 나타냅니다.

Scope

이 주제는 폴리아세틸렌, 폴리피롤, 폴리티오펜, 폴리아닐린, PEDOT와 같은 본질적으로 전도성 고분자를 다룹니다. 주쇄 접합의 역할, 도핑의 메커니즘 및 화학, 폴라론 및 바이폴라론을 포함한 전하 운반체, 그리고 장치에 활용되는 결과적인 전자적, 광학적, 전기화학적 거동에 대해 설명합니다.

Core questions

• 주쇄 접합이 고분자 사슬을 따라 전하가 이동하도록 허용하는 이유는 무엇입니까?
• 도핑은 어떻게 절연성 접합 고분자를 전도체로 전환합니까?
• 폴라론과 바이폴라론은 무엇이며 어떻게 전하를 운반합니까?
• 이러한 고분자는 전자 및 전기화학 장치에서 어떻게 사용됩니까?

Key theories

접합 및 밴드 형성

주쇄를 따라 교대로 배열된 단일 결합과 이중 결합은 파이(π) 전자를 원자가 밴드 및 전도 밴드와 유사한 확장된 상태로 비편재화하여, 전하 운반체가 추가되면 전도를 지원하는 전자 구조를 제공합니다.

도핑 및 전하 운반체

산화적 또는 환원적 도핑은 전자를 제거하거나 추가하여 사슬에 전하를 띠는 이동성 결함(폴라론 및 바이폴라론)을 생성하고 전도도를 여러 자릿수 높입니다. 이 과정은 종종 전기화학적으로 가역적입니다.

Mechanisms

접합 고분자에서 p 오비탈의 중첩은 주쇄를 따라 전자를 비편재화하지만, 중성 사슬은 채워진 밴드를 가지며 절연체 또는 반도체처럼 거동합니다. 화학적 산화 또는 환원, 또는 전기화학적 충전을 통한 도핑은 폴라론 및 바이폴라론 형태의 전하 운반체를 도입합니다. 이들은 사슬을 따라 그리고 사슬 사이에서 이동하는 국소화된 전하 왜곡입니다. 재료의 전도도, 광학 흡수 및 색상은 도핑 수준에 따라 가역적으로 변하며, 이는 전기활성 거동의 기초가 됩니다. 전하 수송은 전반적으로 사슬 간의 호핑에 의해 제한되므로, 형태와 배열이 성능에 크게 영향을 미칩니다.

Clinical relevance

전도성 및 전기활성 고분자는 유기 전자 장치 및 에너지 장치를 가능하게 합니다. PEDOT 기반 필름은 투명 전극 및 정전기 방지 코팅으로 사용되며, 접합 고분자는 유기 발광 다이오드, 트랜지스터 및 태양 전지의 활성층으로 작용하고, 산화환원 활성 고분자는 센서, 전기변색 창, 슈퍼커패시터 및 배터리 전극에 사용됩니다.

History

Heeger, MacDiarmid, Shirakawa는 1977년 폴리아세틸렌 도핑이 전도도를 여러 자릿수 높인다는 것을 발견하여 접합 고분자를 전자 재료로 확립했으며, 이 공로로 2000년 노벨 화학상을 수상했습니다. 이후 수십 년 동안 폴리아닐린 및 PEDOT와 같은 가공 가능하고 안정적인 전도체가 개발되어 이 분야를 상업용 장치로 발전시켰습니다.

Key figures

• Alan Heeger
• Alan MacDiarmid
• Hideki Shirakawa

Seminal works

• heeger2001
• young2011

Frequently asked questions

전도성 고분자는 자체적으로 전도성을 가집니까?

중성 상태에서 대부분의 접합 고분자는 반도체 또는 절연체입니다. 이들은 도핑 후에만 높은 전도성을 띠게 되는데, 도핑은 전자를 추가하거나 제거하여 주쇄를 따라 이동성 전하 운반체를 생성합니다.

전도성 고분자는 어디에 사용됩니까?

이들은 유기 발광 다이오드, 태양 전지 및 트랜지스터, 투명 및 정전기 방지 전극 코팅, 센서, 전기변색 디스플레이 및 에너지 저장 전극에 사용되며, 여기서 이들의 조절 가능하고 가공 가능한 전자적 거동이 중요하게 활용됩니다.