[연구실 소개] 이화여자대학교 고분자전자재료연구실

연구실 소개

198 … NICE, 제38권 제2호, 2020

연구실 소개

이화여자대학교 공과대학 화학신소재공학부에 소속되어 있는 고분자전자재료연구실은 다양한 고 분자 소재를 활용한 유연 전자재료 및 소자 관련 연 구들을 수행하고 있으며, 특히 다양한 방식으로 결 정 구조가 제어된 유기 전자 소재 내에서의 전하 이 동 및 광 특성을 이해하고 이를 활용하는 연구들을 수행하고 있다. 현재 본 연구실에서 수행 중인 연구 는 다음과 같이 크게 세 가지 주제로 요약될 수 있다.

(1) 나노 구조물을 활용한 고분자 반도체 배향 및 배 향된 고분자 내에서의 전하이동 특성 규명, (2) 고전 도도/고신축성 투명 전극을 활용한 생체신호 측정용

유연 센서 개발, (3) 전자 피부(electronic skin)용 근적 외선 유연 광센서 개발. 각각의 연구 주제를 성공적 으로 수행하기 위해 국/내외 다양한 연구 그룹들과 공동 연구를 진행 중에 있으며, 고성능 신소재 설계/

합성에서부터 신개념 유연 소자 개발에 이르기까지 폭 넓은 연구를 수행하고 있다.

주요 연구분야

(1) 나노 구조물 기반 고분자 반도체 배향

공액 구조를 갖는 고분자 반도체는 유연 디스플 레이, 전자 피부와 같은 차세대 전자 소자의 핵심 소 재로서 많은 연구가 이어져오고 있으나 고분자 소재

이화여자대학교 고분자전자재료연구실

(Polymer Electronics Laboratory, Ewha Womans University)

이병훈

이화여자대학교 화학신소재공학부 [email protected]

그림 1. (a) 나노-홈에 의한 배향 특성을 보이는 PCDTPT 고분자 반도체의 화학 구조 및 나노-홈을 갖는 실리콘 산화막 기판 표면의 원 자힘 현미경 이미지, (b) 배향된 PCDTPT 사슬 대비 수직(perpendicular) 또는 평행한(parallel) 방향으로 입사하는 X-선에 의한 GIWAXS 패턴, (c) 유기전계효과트랜지스터 소자 구조 및 전하 이동 방향에 따른 전류-전압 특성 곡선.

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NEWS & INFORMATION FOR CHEMICAL ENGINEERS, Vol. 38, No. 2, 2020 … 199 의 낮은 결정도로 인해 전기적/광학적 특성이 무기

물 소재 대비 현저히 낮은 문제를 지니고 있다. 화학 구조 개선을 통해 상대적으로 높은 결정도를 갖는 고분자들이 개발되고 있으나, 스핀 코팅과 같은 기 존 공정에 의해 제작되는 고분자 박막은 대부분 고 분자 사슬의 무질서함(disorder)으로 인해 여전히 무 기물 대비 낮은 전하이동도(charge carrier mobility) 를 보이게 된다. 이는 유기 전자소자의 상용화에 있 어 큰 걸림돌로 작용하고 있으며, 본 연구실에서는 고분자 반도체의 결정도 및 전하이동도를 향상시키 기 위해 표면에 나노미터 크기의 홈(nano-groove)을 갖는 기판을 이용하여 고분자 용액이 나노-홈과 평 행한 방향으로 서서히 흐르게 함으로써 고분자 사슬 을 원하는 방향으로 배향 시킬 수 있는 기술을 개발 한 바 있다. 배향된 고분자 박막을 활용한 유기전계 효과트랜지스터(organic field-effect transistor)는 기 존 스핀 코팅을 이용하여 제작된 소자 대비 약 50- 100배 가까이 향상된 전하이동도를 보이며, 더욱 흥 미로운 점은 나노-홈과 평행한 방향의 전하이동도 및 흡수도가 나노-홈과 수직인 방향의 측정값에 비 해 10배 이상 높은 수치를 보인다는 점이다. 이와 같 이 높은 이색비(dichroic ratio)는 특정 방향으로 배향 된 소재의 전형적인 특성을 나타내며 향후 특정 방 향으로의 편광을 감지할 수 있는 광센서 등 다양한 응용 분야에 활용될 수 있을 것으로 보인다. 현재는 고분자의 화학 구조 및 절연층 개질, 소자 구조 개선

을 통해 나노 구조물에 의한 고분자 반도체 배향 공 정을 이해하고 배향된 고분자 반도체 내에서의 전하 이동 원리를 규명하는 연구를 진행 중에 있다. 궁극 적으로는 외부 구조물의 도움 없이 배향 특성이 제 어되는 신개념의 고분자 소재를 개발하는 것을 목표 로 연구 역량을 집중하고 있다.

(2) 신축성 고분자 투명전극

전자 피부용 유연 전자소자 개발에 있어 필수적 인 핵심 소재 중 하나는 유연하고 늘어날 수 있는 투명전극 소재이다. 피부와 같은 신체 부위에 부착 해야 하는 소자의 특성상 높은 전기전도도, 광학적 투과도, 기계적 신축성과 더불어 생체적합성을 갖 춘 소재를 필요로 하며 탄소나노튜브 및 전도성 고 분자와 같은 유기물 기반의 탄소 소재가 큰 관심을 받고 있다. 그 중 poly(3,4-ethylenedioxythiophene):

poly(styrenesulfonate)(PEDOT: PSS)는 수용성 전도성 고분자 소재로서 높은 광학적 투과도, 수용액 기반 환경 친화적 공정 등의 장점으로 인해 전자 피부용 투명 전극 소재로서 주목받고 있다. 하지만, 부도체 인 PSS의 존재로 인해 소재 자체의 전기전도도는 매 우 낮으며(약 1 S/cm), 그 자체로 전극 소재로서 활용 되기에는 어려움이 있다. PEDOT: PSS의 전기전도도 는 극성 용매 및 황산 등을 활용하여 향상될 수 있으 나, 첨가되는 화학 물질의 독성 문제로 인해 신체에 적용되기에는 어려움이 있다. 또한 수용성 소재의

그림 2. (a) PEDOT:PSS 고분자의 화학 구조 및 나노 입자 모식도, (b) 기존(conventional) PEDOT:PSS 박막 대비 향상된 내수성을 갖 는 표면 경화된(crosslinked) PEDOT:PSS 박막의 안정적인 일함수(work function) 변화 그래프 및 박막 이미지.

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특성 상 물에 잘 녹는 성질로 인해 피부 부착 후 땀이 나 물에 노출되었을 경우 소자가 정상적으로 작동하 지 않는 문제가 예상되며, 안정적인 소자의 동작을 위해서는 박막 제작 후에는 물에 녹지 않으며 전기 적 특성을 유지해야 하는 모순적인 조건을 만족해야 만 한다. 본 연구실에서는 이온성 액체(ionic liquid)의 혼합 또는 표면 경화를 통해 상기 기술된 조건을 모 두 만족하는 PEDOT: PSS 기반 신축성 투명전극 소 재를 개발하기 위해 노력하고 있으며, 개발된 신축 성 투명 전극을 활용하여 다중 생체 신호 측정용 유 연 센서를 개발하는 연구를 수행하고 있다. 궁극적 으로는 PEDOT: PSS를 단순 개질하는 방식에서 벗어 나 PSS와 같은 부도체 또는 첨가제가 전혀 포함되지 않는 자가-도핑된(self-doped) 전도성 고분자 소재 를 설계/합성하고 이를 통해 생체 친화형 ‘고순도’ 투 명전극 소재를 개발하는 것을 목표로 연구를 진행할 계획이다.

(3) 유연 적외선 광센서

유기전계효과트랜지스터와 더불어 생체 신호 측 정용 전자 피부에 활용 가능한 소자로서 다이오드 기반 유기 광센서에 관한 연구가 활발히 진행되고

있다. 특히 신체 투과도가 높은 근적외선 영역의 빛 에 대한 민감도가 큰 유/무기 소재를 활용한 유연 광 센서 연구가 큰 관심을 받고 있으며, 본 연구실에서 는 낮은 밴드갭(low-bandgap)을 갖는 고분자 반도체 의 나노 구조 제어를 통해 다양한 환경에서 활용 가 능한 다기능 유연 광센서 개발에 관한 연구를 수행 하고 있다. 특히 배향된 고분자 또는 단결정 유기 나 노 소재를 활용하여 편광된 빛을 감지하거나 또는 활용하는 연구에 중점을 두고 있으며, 매우 얇은 신 축성 기판을 활용하여 피부 부착형 생체 신호 측정 용 광센서 개발을 위한 연구를 수행 중이다. 현재는 연구 초기 단계로서 신축성 유연 기판을 활용한 태 양광전지/광센서 제작/분석 조건 확립을 위한 연구 가 진행 중이며, 향후 다양한 고분자 나노 소재를 적 용하여 다기능 유연 광센서 개발을 위해 노력할 계 획이다.

연구실 구성원

이화여자대학교 화학신소재공학부의 고분자전자 재료연구실은 2020년 3월 현재 석사과정 학생 3명, 학사과정 학생 7명 등 총 10명으로 구성되어 있다.

그림 3. (a) 유연 벌크이종접합(bulk-heterojunction; BHJ) 태양광전지/광센서 소자 구조, (b) Indium Tin Oxide(ITO) 또는 PEDOT: PSS 전극을 활용한 유연 태양광전지의 반복적인 구부림에 의한 광전변환효율 변화 비교 그래프.