김봉수 연구실의 핵심 연구 축 가운데 하나는 전하 이동이 가능한 공액고분자와 유기 반도체 화합물을 분자 수준에서 설계하고 합성하는 것이다. 연구실은 고분자화학을 기반으로 사슬 골격의 평면성, 공액 길이, 측쇄의 극성 및 분포, 분자량, 도핑 친화성 등을 정밀하게 조절하여 전기전도도와 기계적 유연성을 동시에 확보하는 소재를 개발한다. 이러한 접근은 기존 무기 반도체가 가지기 어려운 유연성, 경량성, 대면적 공정성의 장점을 살리면서도 실제 소자에 필요한 안정적 전하 수송 특성을 구현하려는 방향으로 이어진다. 특히 연구실의 논문과 특허에서는 분자 와이어의 전기저항, 유기 반도체 박막, 정공 주입·수송용 카바졸 기반 화합물, 자가도핑 공액고분자 등 유기 전자재료의 전하 전달 메커니즘을 깊이 있게 다루고 있다. 이는 단순한 소재 합성에 그치지 않고, 분자의 결합 구조와 공액성의 변화가 터널링과 호핑 같은 수송 메커니즘에 어떤 영향을 미치는지 이해하려는 연구로 확장된다. 또한 전하이동도, 에너지 준위 정렬, 열적·광학적 안정성 같은 물성이 실제 트랜지스터, 발광소자, 태양전지 성능에 어떻게 연결되는지도 함께 분석한다. 이 연구는 차세대 유기전자소자의 성능 한계를 높이는 데 중요한 기반이 된다. 전도성 고분자와 유기 반도체 소재의 정밀 설계가 가능해지면, 저전압 구동 트랜지스터, 고효율 발광소자, 웨어러블 전자소자, 신축성 바이오인터페이스 등 다양한 응용으로 확장할 수 있다. 더 나아가 화학 구조와 소자 성능 사이의 상관관계를 체계화함으로써, 고성능 유기 전자재료의 합리적 설계 원리를 제시하는 것이 이 연구 주제의 중요한 의의다.

연구실은 용액공정이 가능한 전자재료를 손상 없이 미세 패터닝하고 소자화하는 기술 개발에 강점을 보인다. 최근 수행 중인 특허와 학회 발표를 보면 범용 3차원 광가교제, 이온 침투 유도형 고분자 반도체, 고체 전해질 형성용 가교성 화합물, 가교강화형 디스플레이 소재 등 다양한 가교 화학을 활용해 전자재료의 공정 적합성과 구조 안정성을 높이고 있다. 이러한 연구는 유기재료의 가장 큰 장점인 용액공정성과 인쇄 가능성을 유지하면서도, 기존 포토리소그래피와 정밀 패터닝 공정에 대응할 수 있도록 만드는 데 목적이 있다. 대표적으로 이온젤 게이트 절연체를 이용한 저전압 고분자 박막 트랜지스터, 투명 전극용 은 나노와이어 기반 도전성 조성물, 유기 전기화학 트랜지스터용 패터닝 기술, 크로스톡이 억제된 양자점 디스플레이 화소 공정 등은 연구실의 응용 방향을 잘 보여준다. 여기서 핵심은 재료가 공정 중 용매, 광, 열, 이온 환경에 견디면서도 원하는 위치에서만 선택적으로 반응하고 기능을 발현하도록 설계하는 것이다. 즉, 화학적 가교와 계면 제어를 통해 패턴 해상도, 기계적 내구성, 전기적 연속성, 소자 재현성을 동시에 확보하는 것이 연구의 중심이다. 이 주제는 플렉서블 디스플레이, 웨어러블 센서, 인쇄형 반도체, 마이크로디스플레이와 같은 차세대 전자산업에 직접 연결된다. 특히 비파괴 패터닝과 전면 용액공정 기술은 제조 비용 절감과 대면적 확장성 측면에서 큰 장점을 가진다. 연구실의 접근은 소재 개발과 공정 기술을 분리하지 않고 함께 최적화한다는 점에서 의미가 크며, 향후 고해상도·저전력·유연 전자소자 상용화의 핵심 기반 기술로 발전할 가능성이 높다.

김봉수 연구실은 유기 및 고분자 기반 에너지 전환 소재를 개발하여 열, 빛, 전기를 효율적으로 변환하는 소자 연구를 폭넓게 수행하고 있다. 연구 프로젝트와 논문을 종합하면 웨어러블 유기 열전소자, 유기 태양전지, 페로브스카이트/유기 탠덤 태양전지, 염료감응 태양전지, OLED 및 양자점 디스플레이용 전하전달 소재까지 아우르는 연구 포트폴리오를 갖추고 있다. 이는 유기재료의 분자 설계 능력을 활용해 에너지 변환 효율과 공정 유연성을 동시에 높이려는 전략으로 이해할 수 있다. 열전 분야에서는 자가도핑성과 신축성을 동시에 갖는 공액고분자를 설계하여 웨어러블 환경에 적합한 고전도도·고신축성 소재를 구현하려 한다. 태양전지 분야에서는 비풀러렌 수용체, 정공 선택층, 고광안정성 공여체-수용체 고분자, 친환경 용매 공정, 페로브스카이트와 유기층의 계면 제어 등을 통해 효율과 안정성을 함께 개선하는 연구가 두드러진다. 발광소자 분야에서도 용액공정형 인광 OLED, RGB OLED 패턴 형성, 양자점 디스플레이용 가교강화형 전하전달 소재 개발을 통해 고해상도 디스플레이 구현을 목표로 한다. 즉, 동일한 고분자·유기재료 화학을 다양한 에너지 및 광전자 소자에 확장 적용하는 것이 특징이다. 이 연구의 중요성은 차세대 지속가능 전자기술 구현에 있다. 유기 열전소자는 체열 회수형 웨어러블 전원으로, 고효율 태양전지는 경량·유연 에너지 공급원으로, 발광소자는 저전력 고색재현 디스플레이로 활용될 수 있다. 연구실은 소재 구조, 도핑, 미세형상, 계면, 공정 조건을 통합적으로 조절하여 실제 응용에 필요한 효율·안정성·내구성을 동시에 확보하려 한다. 따라서 이 연구 주제는 에너지와 전자재료를 연결하는 응용화학적 연구로서 산업적 파급력이 매우 크다.