휘어지는 투명 디스플레이의 핵심 원천

유기전자소재 첫 개발

 

-상온서 유기분자 자동정렬기술 개발…전하이동도 100배 향상,상용화 앞당길 듯
- GIST 이광희 교수팀, Nature Communications 6월 18일자 논문 게재

 

 

(왼쪽부터) 권순철 박사과정생, 이광희 교수, 김희주 박사

 

 

□ 국내 연구진이 유기 전자소자의 성능을 획기적으로 향상시키는 핵심 원천 유기전자소재를 세계 최초로 개발했다. 유기 반도체의 분자배열을 자동적으로 정렬시키는 기술을 개발함으로써 전하 이동도를 최대 100배 향상시켰고, 기존의 고온 공정 대신 상온에서도 제작할 수 있어 유기태양전지, 휘어지는 디스플레이, 유기트랜지스터 등 유기 전자소자의 성능 개선과 상용화 시기를 크게 앞당길 것으로 기대되고 있다.

 

  o 지스트(GIST․광주과학기술원․총장 김영준) 신소재공학부 이광희 교수와 지스트 차세대에너지연구소(RISE) 김희주 박사가 주도(공동 교신저자)하고, 나노바이오전자재료공학과 권순철 박사과정(제1저자)이 수행한 이번 연구는 미래창조과학부와 한국연구재단이 추진하는 선도연구센터사업(NCRC)과 지스트 차세대태양전지 기술개발사업의 지원으로 수행되었으며, 연구 결과는 네이처(Nature) 자매지인 Nature Communications 지 6월 18일자 온라인 논문으로 게재되었다. (논문명: Template-mediated nano-crystallite networks in semiconducting polymers)

 

□ (연구배경) 유기반도체는 무기물을 기반으로 한 전자소자와 달리 용액 공정을 통해 플라스틱과 같은 유기물에 코팅할 수 있어 휘어지는 디스플레이나 유기태양전지 등에 널리 활용되고 있다.

 

  o 고성능의 유기 전자소자를 제작하기 위해서는 반도체속의 전자가 원활히 이동되도록 유기분자가 규칙적으로 정렬되어야 한다. 하지만, 유기반도체는 특성상 분자배열이 무질서해 고성능 유기 전자소자 개발에 많은 어려움이 있어 왔다. 이를 해결하기 위해 200℃ 이상의 고온처리 방법이 대안으로 시도되었지만, 플라스틱 기판에 적용하기 어려워 휘어지는 유기 전자소자를 구현하는 데 한계가 있었다.

 

□ (연구결과) 연구팀은 정전기 원리에 착안하여 유기분자의 규칙적 배열을 시도하였다. 즉, 용액상태의 유기반도체에 정전기 특성을 가지고 있는 고분자 지지체를 혼합해 화학적 결합을 유도한 결과, 유기 분자를 고분자 지지체에 규칙적으로 정렬시키는 데 성공하였고, 전하 이동도는 최소 10배에서 최대 100배까지 향상되었다.

 

  o 또한 기존의 고온 공정과 달리 상온에서도 자유롭게 유기 분자를  제어할 수 있게 되어, 유기태양전지나 휘어지는 디스플레이 등 다양한 구조의 유기 전자소자에도 적용할 수 있게 되었다.

 

□ 이광희 교수는 “이번 연구결과는 기존의 유기분자 정렬방법을 뛰어넘는 혁신적인 정렬방법을 제시하였을 뿐만 아니라 상온에서도 고성능의 유기 전자소자를 제작할 수 있게 되어, 향후 차세대 유기전자소자 및 웨어러블 디바이스의 상용화를 앞당길 수 있을 것으로 기대된다”라고 밝혔다.      <끝>

 

 

 

(그림 1) 기능기를 가지는 지지체를 통한 유기 반도체 분자의 물리적 변화 및 시간별 모폴로지 변화

a. 고분자 지지체를 유기 반도체 분자에 넣은 뒤 광학적 흡수 변화. (삽입 그림은 유기 반도체 분자의 폴라론 흡수(polaron transition)를 보여준다.)
b. 고분자 지지체를 유기 반도체 분자에 넣은 뒤 전자 스핀 공명 측정 (Electron Spin Resonance, ESR)법 을 통한 유기 반도체 분자의 polaron state 존재 증거.
c. 고분자 지지체를 유기 반도체 분자에 넣은 뒤 X-ray 광전자 분광 (X-ray Photoelectron Spectroscopy, XPS)를 통한 유기 반도제 분자의 화학적 변화.
d. 고분자 지지체를 유기 반도체 분자에 넣은 뒤 High-angle Annular Dark Field Scanning Transmission Electron Microscopy (HAADF-STEM) 측정을 통한 시간별 모폴로지 변화 (0 hrs -> 72 hrs)
e. 고분자 지지체를 유기 반도체 분자에 넣은 뒤 24시간이 지난후 생긴 불규칙한 모양의 검은 점에 대한 Energy Dispersive X-ray Spectroscopy (EDS) 성분 분석.
f. 고분자 지지체를 유기 반도체 분자에 넣은 뒤 72시간이 지난후 생긴 실타래 모양의 하얀 선에 대한 Energy Dispersive X-ray Spectroscopy (EDS) 성분 분석.

 

 

 

 

(그림 2) 고분자 지지체에 의한 유기 반도체 분자의 결정도 변화

 

a. 유기 반도체 분자 박막의 Grazing Incidence Wide Angle X-ray Scattering (GIWAXS) 2차원 이미지.
b. 고분자 지지체를 유기 반도체 분자에 넣은 박막의  Grazing Incidence Wide Angle X-ray Scattering (GIWAXS) 2차원 이미지.
c. 유기 반도체 분자와 지지체를 넣은 유기 반도체 박막에 대해 수직방향의 Grazing Incidence Wide Angle X-ray Scattering (GIWAXS) 1차원 그래프.
d. 유기 반도체 분자와 지지체를 넣은 유기 반도체 박막에 대해 수평방향의 Grazing Incidence Wide Angle X-ray Scattering (GIWAXS) 1차원 그래프.

 

 

 

 

 

(그림 3) 다양한 첨가제에 따른 유기 반도체 분자의 특성 변화

 

a. 다양한 지지체의 기능에 따른 분류 다이어그램.
b. 다양한 지지체를 유기 반도체 분자에 넣은 용액의 전자 스핀 공명 측정 (Electron Spin Resonance, ESR)법 을 통한 유기 반도체 분자의 polaron state 존재 변화.
c. 다양한 지지체를 유기 반도체 분자에 넣은 박막의 전하 농도 변화.
d. 다양한 지지체를 유기 반도체 분자에 넣은 박막을 사용한 유기 전자 소자의 전기적 특성 변화.
e. 다양한 지지체를 유기 반도체 분자에 넣은 박막의 고분해능 X-ray Diffraction (HR-XRD)  사용한 유기 전자 소자의 구조적 특성 변화.

 

 

 

 

(그림 4) 고분자 지지체와 유기 반도체 분자를 포함한 유기전자소자 특성 변화

 

a. 유기 반도체 박막 (P3HT) 및 고분자 지지체를 유기 반도체에 넣은 박막 (P3HT:PSS)의 전기적 특성 변화.
b. 유기 반도체 박막 (PDVT-10) 및 고분자 지지체를 유기 반도체에 넣은 박막 (PDVT-10:PSS)의 전기적 특성 변화.
c. 유기 반도체 박막 (DTS(PTTh2)2) 및 고분자 지지체를 유기 반도체에 넣은 박막 (DTS(PTTh2)2:PSS)의 전기적 특성 변화.
d. 휘어지는 유기 전계트랜지스터의 구조 및 실제 소자 사진 (4.4 x 4.4 cm2).
e. P3HT:PSS 박막을 사용한 휘어지는 유기 전계 트랜지스터의 전기적 특성 변화 (transfer characteristics).
f. P3HT:PSS 박막을 사용한 휘어지는 유기 전계 트랜지스터의 전기적 특성 변화 (output characteristics).

 

 

 

 

 

 

(그림 5) 고분자 지지체를 통한 유기 반도체 분자의 화학적 도핑 및 구조적 정렬 메커니즘.

 

a. 고분자 지지체와 유기 반도체 분자 사이에서 수소 결합, 프로톤 부가 반응, 폴라론 형성을 통한 정전기적 인력 형성 메커니즘.
b. 무정형의 유기반도체 분자가 고분자 지지체를 통해 구조적 정렬을 하는 과정을 나타낸 개략도.

 

 

 

 

차세대에너지연구소‧홍보기금팀