단량체 구조만으로 공액고분자의 사슬 평면성과 결정성을 유도할 수 있는가?
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플렉시블 디스플레이, 웨어러블 센서, 저전력 친환경 전자소자는 가볍고 휘어지는 유기반도체 소재를 필요로 함
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OFET에서 전하 이동도가 낮으면 구동 전압 증가, 응답 속도 저하, 소자 간 편차 확대가 발생
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공액고분자는 용액 공정성은 유리하지만 박막에서 사슬 배열이 불규칙해지기 쉬움
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비공유 잠금 단량체와 열처리 공정을 통해 결정성을 극대화하여 소자 전하 이동도를 10배 이상 향상함
기존 방식의 문제점
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주쇄가 뒤틀리면 π-공액 길이가 짧아짐
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낮은 결정성은 전자 트랩과 문턱 전압 불안정성을 유발함
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용해도 또는 기능성을 위해 과도한 치환기를 넣으면 오히려 나선형구조가 유도될 수 있음
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나선형 액정 구조는 전하 경로를 일관되게 유지하기 어렵게 함
핵심 아이디어
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비공유 결합성 locking : 주쇄의 회전 자유도를 낮춰 막대형 구조로 전이하기 쉬운 조건을 만듦
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250℃ 수준의 annealing : 고결정성 Edge-on packing을 유도
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정렬된 π-공액 주쇄: source-drain 방향의 전하 이동 경로를 연속적으로 제공 → 전하 이동도 증가와 성능 편차 감소
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용액 가공성 향상: 옥틸옥시 측쇄 도입으로 가공성을 확보하여 소자의 상온 상용 공정 가능성을 제시
활용된 핵심 기술 또는 이론
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유기화학 및 고분자 합성: Suzuki/Stille 커플링 반응을 활용한 공액고분자 단량체 합성 및 재결정 정제 기술
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고분자 물성 및 반도체 소자 공학: 비공유 결합성 분자내 상호작용 메커니즘과 OFET 소자의 전하 수송 이론
기존 방식과의 차별성
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배향 제어 메커니즘(S···O locking)을 통한 규칙적인 박막 packing이 가능함
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열처리공정을 통해 나선형 뒤틀림과 무작위 배향을 줄이고, 주쇄가 더 규칙적으로 배열된 Edge-on packing을 유도함
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단량체 측쇄에 도입된 옥틸옥시 사슬을 통해 난용성 고분자의 가공성을 높여 저비용 용액 공정을 원활하게 구현함
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박막의 규칙적인 전하 이동 통로 형성으로 소자 간 성능 편차를 최소화하고 최대 10배의 전하 이동도 향상을 달성함
문제 해결 과정
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유기 용매 가공성 및 비공유 잠금 기능을 가진 핵심 단량체 1,4-Dibromo-2,5-bis(octyloxy)benzene을 성공적으로 합성함
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합성된 단량체의 고순도 확보를 위해 다단계 용매 세척 및 재결정 공정을 거쳐 불순물을 정제함
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인용 문헌 분석을 통해 비공유 상호작용 메커니즘을 규명하고, 박막 조제를 위한 최적의 스핀코팅 용액 조건을 수립함
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250℃ 임계 열처리 공정을 적용하여 고결정성 Edge-on 배향을 유도하고 전하 이동 성능을 10배 향상시킴
최종 사용자
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유기 반도체(OFET) 및 차세대 전자소자 공정 연구원
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친환경 디스플레이·차세대 소자 개발자
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플렉시블 웨어러블 센서 및 유기태양전지 응용 산업체
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고부가가치 유기 공액고분자 신소재 설계 및 합성 연구자
기대효과
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알콕시 사슬 도입을 통해 고분자의 유기 용매 용해도를 획기적으로 높여 저비용 용액 공정 가공성을 구현함
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벤젠-티오펜 간 비공유 상호작용 잠금 효과로 복잡한 공정 없이 사슬 뒤틀림을 억제하고 주쇄 평면성을 유지함
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열처리 공정 제어로 고결정성 Edge-on 배향을 유도하여 유기 반도체 박막 전하 이동도를 기존 대비 10배 이상 향상함
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소자 간 전하 이동 경로를 규칙적으로 배열함으로써 성능 균일화를 달성하고 차세대 융합 소자의 불량률을 저하시킴
참여 정보
팀명
방구윤
수강 교과목
에너지∙환경융합소재 캡스톤디자인
지도 교수
진형민
참여 개발자
방규성(유기재료공학과), 구자혁(유기재료공학과), 윤지환(유기재료공학과)
