커피얼룩 효과를 이용한 고분자 배향 기술 개발
- -소프트리소그래피 기반 고배향 유기 반도체 소자 제작 -
□ 일상생활에서 쉽게 관찰되는 커피 얼룩효과를 이용해 유기고분자의 방향을 제어하는 연구가 각광받고 있다.
○ 한국연구재단(이사장 노정혜)은 윤동기 교수, 김형수 교수(KAIST), 김봉수 교수(UNIST) 연구팀이 커피 방울이 종이에 떨어지면 방울 끝으로 커피 알갱이가 모여 방울의 외곽부분에 커피 얼룩이 생기는 커피링(coffee-ring) 효과를 이용하여 반도체 고분자 구조의 배향(orientation)을 조절했다고 밝혔다.
※ 배향 : 막대기 보양의 분자가 일정한 방향으로 배열되어 있는 것을 뜻하며, 한 방향으로 나란히 있을수록 배향도가 높다고 한다. 배향에 따라 구조체의 광학적, 전기적 성질이 다르다.
□ 사물인터넷(IoT)용 유연소자는 유연한 유기반도체(유연성)를 용액상, 액체상태에서 고체인 박막으로 만들어 패터닝하는 기술이 중요하다.
○ 하지만 용매가 증발하면서 용질인 유기반도체 분자들의 배열이 달라질 수 있어 이에 대한 정확한 이해가 필요한 상황이었다.
□ 연구팀은 용매만 통과할 수 있는 소재로 만들어진 마이크로 크기의 벽과 벽의 공간 사이에 유기반도체 용액을 채워 넣고, 벽 사이 폭을 5마이크로미터와 10마이크로미터로 다르게 했을 때,
○ 용매의 확산속도가 달라진다는 점에 착안하여 용매와 함께 움직이는 긴 사슬모양의 반도체 고분자가 벽에 수직, 수평방향으로 달라짐을 관찰했다.
□ 그 결과 폭이 좁을수록 용매의 확산이 빨라지면서 빠르게 용매가 흡수되면서 채널에 수직한 방향으로 유기고분자가 배열했다.
○ 이는 마치 연필들을 굴리면 연필의 길이방향이 아니라 그 수직 방향으로 굴러가고, 연필들을 손가락으로 살살 긁으면 연필이 길이방향으로 제어되는 것과 비슷하다.
□ 실제 이를 이용해 만들어진 트랜지스터*는 전하이동성을 좌우하는 전기적 이방성*이 높게 나타났다. 고분자 사슬이 정렬되는 방향에 따라 고분자와 고분자 사이에 전하가 잘 이동할 수 있는 분자체의 실제적 거리가 가까워지면서 일어나는 현상이다.
※ 유기 전계효과 트랜지스터: 전류의 증폭 작용과 스위칭 역할을 하는 트랜지스터 소자의 활성층에 유기 반도체 물질을 사용하여 만든 반도체 소자
※ 이방성 : 방향에 따른 물질의 다른 성질. 동그란 공의 성질을 등방성이라고 하면, 연필처럼 가로와 세로 길이가 다른 성질을 이방성이라고 한다.
□ 기존 한 방향으로 배열된 유기반도체 고분자가 아니라 다양한 방향으로의 고분자 집합체 배향이 가능함을 보여, 향후 유기반도체가 활용되는 디스플레이 소자, 광학소자, 화학센서 등에 도움이 될 것으로 기대된다.
□ 과학기술정보통신부와 한국연구재단이 추진하는 중견연구사업의 지원으로 수행된 이번 연구의 성과는 국제학술지 에이씨에스 나노(ACS Nano) 10월 16일 온라인에 게재되었다.
