서론
유기 전자 재료는 분자 설계를 통해 전기 및 광학적 특성을 손쉽게 제어하고 변화시킬 수 있으며 용액 공 정과 대량합성이 용이할 뿐만 아니라, 경량성 및 유연 성이 우수하고 바이오 분야로의 응용에 있어서도 생 체 재료와의 친화성이 높은 장점을 지닌다는 점에서 차세대 전자 및 광전자 소자의 핵심소재로 많은 관심 을 받고 있다. 특히, 유기 반도체 및 전도성 고분자 기 반 나노소재는 벌크 소재에 비해 부피대비 표면적이 매우 크며, 전하 이동 특성에 결정적 영향을 미치는 분자 패킹에 있어서도 단결정 또는 결정성이 매우 높 은 소재를 용이하게 제조할 수 있는 장점을 지닌다.
유기 반도체 및 전도성 고분자 나노재료는 발광다이 오드, 전계효과 트랜지스터, 태양전지, 광스위치, 나노 규모 레이저, 광도파관, 메모리, 센서 등의 다양한 전 자 및 광학 소자들에 적용 가능한 것으로 실험적으로 입증되면서 최근 많은 관심을 끌고 있다.
본 기고문에서는 일차원 구조의 유기 나노소재 합 성과 기능화 방법, 더 나아가 다양한 형태의 나노구조 체들의 제조 방법 및 이를 이용한 유기 광전자 소자 응용에 대해 살펴보고, 기존의 벌크 및 박막 소자와 비교하여 나노소재 기반의 소자가 지니는 장점에 대 해 기술하고자 한다.
본론
1) 유기 나노소재의 제조법
① 용액상 자기 조립
유기 반도체 재료의 자기 조립 현상은 분자의 공액 구조 주골격인π-평면간에 발생하는 π-π stacking 상 호작용과 알킬계 곁사슬 간의 소수성 상호작용의 균형 도에 의존하여 주로 진행된다. 일반적으로 저분자 유 기 반도체의 경우 곁사슬 간의 소수성 상호작용에 의 한 측면 성장을 억제하고π-평면간에 발생하는 π-π stacking 상호작용을 지배적으로 발생하도록 유도하여 용액상으로부터의 일차원 구조 자기 조립체를 제조할 수 있다. 이 경우 분자간π-오비탈의 중첩이 일차원 구 조체의 장축 방향으로 주로 발생하여, 최적화된 전하 수송 방향이 와이어의 장축이 되는 특성이 생긴다. 유 기 반도체 분자 구조에 따라 다양한 제조 방법을 적용 할 수 있다. 유기 반도체의 용액상 자기조립법은 최소 한의 장비로 많은 양의 나노구조체를 제조할 수 있고 용액의 농도나 용매/비용매의 비율, 온도 등을 제어함 에 따라 나노구조체의 크기 및 길이를 제어할 수 있다.
상온에서 유기 용매에 대한 용해도가 매우 낮은 고 도의π-공액 구조의 유기 반도체 재료 또는 곁사슬이 존재하지 않거나 매우 짧은 유기 반도체 재료의 경우 에 매우 강한π-π stacking 상호작용을 지니려는 경 향이 있으며, 이러한 경우 재결정법을 통해 나노와이 어를 제조할 수 있다. 대표적 n-형 유기 반도체인 N,N’-bis(2-phenylethyl)-perylene-3,4:9,10- tetracarboxylic diimide(BPE-PTCDI) 의 경우 상온 에서는 benzonitrile 또는 o-dichlorobenzene과 같은 유기 용매에 거의 녹지 않지만, 환류(reflux) 장치를 이용하여 가열을 할 경우 유기 반도체의 용매에 대 유호정, 오준학
UNIST 나노생명화학공학부, [email protected]
한 용해도가 현저히 증가하게 된다. 완전히 용해된 용액의 냉각속도 조절을 통해 길이 범위는 수 밀리 미터(mm) 이상에서 수 센티미터(cm)까지, 직경은 수십 나노미터(nm)에서 수 마이크로미터(μm) 범 위에 이르는 와이어의 제조가 가능하다. 또한 재결 정화가 발생하는 초기 단계에 메탄올과 같은 비용매 를 첨가한 후 냉각속도를 조절하게 되면 유기 반도 체 나노와이어를 제조할 수 있다. 이러한 방법으로 제조한 BPE-PTCDI 나노와이어는 단결정 분석을 통하여π-면간 거리 3.4 Å의 규칙적인 분자 패킹을 가짐을 확인할 수 있었다[그림 1].[1]이렇게 유기 반 도체의 용매에 대한 용해도를 제어하여 나노와이어 를 제조하는 방법은 고도의π-공액 구조 p-형 유기 반도체인 hexathiapentacene(HTP) 에도 적용이 가
능하며, 자기 조립에 의해 얻어진 나노와이어 용액은 여과장치를 통해 분리 후 비용매에 분산시켜두면 나 노와이어 현탁액을 통한 용액공정 또한 가능하게 된 다.[2] 또한 가용성 용매와 비가용성 용매의 혼합으로 부터 나노와이어를 제조할 수 있는데, 바이페닐 시아 노스틸벤 화합물의 말단에 자기조립 형성을 돕는 CF3
기를 도입한 물질인 1-cyano-trans-1,2-bis-(3′,5′- bis-trifluoromethyl-biphenyl)ethylene(CN- TFMBE)의 경우, o-dichlorobenzene 과 메탄올의 혼 합 용액으로부터 재결정법이나 스핀 코팅, 드롭 캐스 팅(drop-casting) 등을 통해 손쉽게 형광체 나노와이 어를 제조할 수 있다.[3,4]
상온에서 유기 용매에 대한 용해도가 높은 유기 반 도체 재료의 경우, 좋은 용매로부터 극히 제한적인 용
그림 1. BPE-PTCDI 나노와이어의 (a) 광학 현미경 이미지, (b) 투과 전자 현미경 (TEM) 이미지 및 (inset) 선택영역 전자 회
절 (SAED) 패턴, (c) 나노와이어 분자패킹 분석. (d) CN-TFMBE 나노와이어의 SEM 이미지, (e) 형광 현미경 이미지 및 (inset)
분자 상과 제조된 나노구조체의 용액 상 형광 이미지 (f) 나노와이어 분자 패킹 분석. (g) TIPS-PEN 마이크로 리본의 SEM
이미지 및 (h) SAED 패턴을 통한 (i) 마이크로 리본의 분자패킹 분석.
해도를 보이는 비용매로 분자를 이동시킴에 따라 분 자간 자기조립을 유도하는 방법을 이용해 나노와이어 를 제조할 수 있다. 이 방법은 급속 용액 분산법이라 고도 불리는데, propoxylethyl-PTCDI 분자들이 용해 된 고농도의 chloroform 용액 소량을 메탄올과 같은 비용매로 옮겨주면서 충분히 교반을 시키게 되면 용 액 속 분산된 나노벨트 결정을 제조할 수 있다.[5]
Triisopropylsilylethynyl pentacene(TIPS-PEN) 의 경우도 좋은 용매인 toluene에 녹은 용액을 비용매인 acetonitrile에 옮김으로써 마이크로 리본을 제조할 수 있다.[6]
유기 반도체 재료가 두 가지 다른 용매에 대한 용해 도가 다를 경우에는 이중 용매 계면 자기 조립법을 통 해 자기 조립체를 제조할 수 있다. 곁사슬 간의 상호 작용이 매우 강한 일부 분자들의 경우 비용매 교환법
으로 자기 조립을 유도하게 되면 빠른 결정화로 인해 주로 덩어리진 침전물이 생성된다. 따라서 곁사슬로 긴 알킬사슬을 지니는 PTCDI 분자들의 경우 극성 및 밀도 차가 있는 두 가지 용매를 사용하여 자기 조립 속도를 낮추어 줌으로써 계면에서 분자 간의 결정화 를 일으키게 한다. 이 방법은 phase transfer 방법으로 도 불린다.
단분자 물질뿐만 아니라, π-공액 구조를 가진 고분자 물질도 용액상 자기 조립을 통해 일차원 나노구조체를 제조할 수 있다. 고분자 물질 기 반의 나노와이어는 주로 입체 규칙성을 가지는 poly-(3-alkylthiophene)s(P3AT)s의 자기 조립체 를 제조하는 연구가 진행되어 왔으며, 일반적으로 매우 희석된 P3AT 용액(0.05~1 %)을 비용매와 섞은 후 용액상에서 온도를 높였다가 서서히 낮춰
그림 2. (a) DAAQ 나노와이어를 제조하기 위한 증기상 자기 조립법의 모식도. (b) 수직 방향으로 정렬된 DAAQ 나노와이
어의 SEM 이미지 및 (c) 단일 와이어 TEM 이미지. (d) 텅스텐 팁에 성장시킨 DAAQ 나노와이어. (e) CuPc-H
2TPyP 기반의
p-n 접합 나노와이어 및 (f) F
16CuPc-CuPc기반의 나노리본.
결정화를 유도하는 방법으로 나노와이어를 제조한 다. 알킬 사슬의 길이나 분자량, 용액의 농도, 결정화 온도, 용매의 종류 및 고분자 물질의 입체규칙성 (regioregularity) 등에 따라서 다양한 형태의 P3AT 나노와이어 구조체를 조립할 수 있다.[7]
② 증기상 자기 조립
용해도가 매우 낮은 유기 반도체 재료의 경우, 물 리적 증기 운송법(physical vapor transport)과 같은 진공 공정을 통해 결정을 성장시킨다. 석영관 내 온 도 변화 구간을 설정해두고, 고온 영역에서는 초기 유기 반도체를 승화시키고 승화된 유기 반도체 분자 가 운반 기체에 의해 이동되다가 상대적으로 저온 영 역에 도달했을 때 결정화가 일어나도록 유도하는 방 법을 통해 유기 반도체 재료의 정제 및 단결정 성장 을 유도할 수 있다. 용액 공정의 경우 용매 분자들에 의한 의도하지 않은 도핑 효과 등 불순물로 작용할 수 있는 단점이 있으나, 진공 공정으로 제조한 나노 와이어는 용해도에 구애 받지 않으면서도 더욱 순수 한 유기 반도체 단결정을 얻을 수 있으며, 기판 위에 직접적인 성장이 가능하기 때문에 유기 반도체의 고 유한 전자 및 광학적 특성을 연구하는데 유용하게 사 용될 수 있다. 또한 증기상 자기 조립법으로 [그림 2]
에서와 같이 기판 위에 수직 방향으로 정렬된 1,5- diaminoanthraquinone(DAAQ) 나노와이어를 제조 할 수 있으며, 표면 에너지가 높은 뾰족한 팁 위에도 나노와이어를 성장시킬 수 있다는 장점이 있다.[8] 뿐 만 아니라, 다성분 나노구조체의 제조 또한 가능하여 p-형 유기 반도체인 copper phthalocyanine(CuPc) 와 n-형 유기 반도체인 5,10,15,20-tetra(4-pyridyl)- porphyrin(H2TPyP)를 사용한 p-n 접합 나노와이어
[9] 및 F16CuPc-CuPc기반의 나노리본 제조에 관한 연구가 보고된바 있다.[10]
③ 주형 합성법(Template-assisted synthesis) 분자 내에π-π stacking을 일으키는 평면구조의 공
액 분자들이 부족하거나, 거의 존재하지 않는 고분자 재료의 경우에는 주형을 사용하여 나노구조체를 제조 할 수 있는데 이는 크게 하드주형(hard templates)과 소프트 주형(soft templates)으로 나뉜다. 파티클 트 랙-에칭 막(particle track-etched membranes)이라 불리는 폴리카보네이트(polycarbonate) 막과 같은 나 노다공성 고분자막은 나노와이어 합성을 위해 쓰이는 대표적인 하드주형으로, 다양한 pore 사이즈의 막을 사용함으로써 제조되는 나노와이어의 직경을 조절할 수 있다. 그 외에도 대표적으로 사용되는 하드 주형으 로 anodic aluminumoxide(AAO) 막 및 기타 메조다 공성 실리카(mesoporous silica)[11,12]를 들 수 있다. 하 드 주형을 기반으로 한 기상 증착 중합(vapor deposition polymerization: VDP)은 나노튜브 형태 의 구조체를 제작하는데 사용되는 손쉬운 방법 중 하 나로, 사용하는 주형에 따라 직경과 길이의 조절이 가 능하며 pore density 조절을 통해 정렬된 나노와이어 를 얻을 수도 있다. 또한 단량체의 주입량을 조절함에 따라 나노튜브의 두께를 나노미터 수준에서 조절할 수 있고 나아가 다중겹 나노와이어의 제작 또한 가능 하다[그림 3].[13]하드 주형에 서로 다른 농도의 고분 자 용액을 wetting시킨 후 모세관 현상이나 중력, 전 기화학적 방법을 이용하면 나노튜브 형태뿐만 아니라, 일차원 나노구조체의 합성 또한 가능하다.[14]그 외에 도 대표적인 소프트 주형으로 블록공중합체(block copolymer)[15]를 사용할 수 있는데, 각 고분자 블록의 조성비와 분자량에 따라 다양한 형태의 자기조립 나 노구조체를 형성하는 것으로 알려져 있다. 이 외에도 계면활성제,[16] 액정,[17,18] 고분자 나노섬유체 등이 일 차원 나노구조체를 합성하기 위한 소프트 주형으로 사용되고 있다.
④ 전기 방사법(Electrospinning)
전기 방사(Electrospinning)란, 전기장를 이용하여 용융 상태의 고분자를 섬유 형태로 뽑아내는 기술으 로 균일하고 연속적이며, 재료의 조성비율에 따라 다
양한 특성을 나타낼 수 있는 나노섬유를 대량으로 가 장 쉽게 제조할 수 있는 방법 중 하나이다. 용액이나 용융 상태의 고분자를 노즐(nozzle)에 담고 고전압을 가하면 접지가 되어있는 콜렉터 부분과 노즐 끝의 고 분자 표면에 전기장이 생기게 되고 이때의 힘이 고분 자의 표면장력보다 커지게 되면 분사가 이루어져 나 노섬유를 제조할 수 있게 된다. [그림 4]는 전기 방사 법이 적용된 고분자 반도체 물질의 화학 구조 및 제조 된 및 나노섬유의 형광 현미경 이미지를 보여준다.[19]
사용하는 용액의 농도나 전압 변화를 통해 나 노섬유의 사이즈를 조절할 수 있으며, 다성분 재 료 기반 전기 방사의 경우 [그림 5]에서처럼 고
분자 물질의 상분리 현상을 이용하거나 복합 재 료로부터 제조된 나노섬유로부터 선택적으로 특 정 재료를 제거하게 되면 다공성 나노섬유의 제조 또한 가능하다. Dichloromethane에 녹은 poly-L- lactide(PLLA) 용액으로부터 전기 방사를 시키거나
[20] PLLA와 poly(vinyl pyrrolidone)(PVP)의 혼합
액으로부터 방사시킨 나노 섬유 구조체에서 구성물 중 하나인 PVP를 제거함으로써 다공성 PLA 나노섬 유를 얻을 수 있다.[21]또한 서로 섞이지 않는 두 액체 를 사용하여 hollow 구조의 나노섬유를 제조할 수 있 는데 미네랄 오일과 에탄올 기반의 PVP와 titanium tetraisopropoxide 용액을 co-spinning시킨 후 octane
그림 3. 기상 증착 중합 (VDP) 을 통한 폴리피롤 (polypyrrole) 나노튜브의 두께 조절. 단량체의 주입량을 (a) 0.07 mL (b) 0.14
mL (c) 0.21 mL 로 증가시킴에 따라 제조된 나노튜브의 TEM 이미지. (d) 기상 증착 중합을 통한 다중겹 코어-쉘 형태 나노
튜브의 제조 방법 및 제조된 PAN/rhodamine B/PAN 나노튜브의 (e) TEM 이미지와 (f) 공초점 레이저 주사 현미경 이미지.
처리를 하면 오일이 제거된 TiO2/PVP 속이 빈 나노 섬유를 제조할 수 있다.[22]같은 방법으로, 두 가지 서 로 다른 두 고분자물질을 사용하여 전기방사를 시키 면 코어-쉘 형태의 나노섬유도 제조할 수 있다.[23]전 기방사를 통해 얻어진 나노섬유는 기판 위에 직접적 으로 성장시킬 수 있으며, 나노섬유 간의 미세한 기공 크기를 자유롭게 조절할 수 있고, 서로 다른 소재와의
복합화가 가능하다는 점에서 다양한 응용이 가능하다 는 장점을 가진다. 또한 패터닝을 통한 정렬도 가능하 여 필름상으로 도포하고자 할 때 매우 높은 부피 대비 표면적 비율을 가질 수 있다.[24]
이 외에도 나노구조체를 패터닝시키는 기술로 나노 리소그래피(nano-lithography),[25] 소프트 리소그래 피(soft lithography)[26-28]등이 존재하며, 나노와이어
그림 4. 전기 방사법을 통해 제조된 고분자 반도체 나노섬유의 형광 현미경 이미지.
그림 5. (a) Dichloromethane 에 녹은 poly-L-lactide (PLLA) 용액으로부터 전기 방사시켜 얻은 다공성 PLLA 나노섬유 및 (b)
PLLA와 poly(vinyl pyrrolidone) (PVP)의 혼합액으로부터 방사시킨 나노 섬유에서 PVP를 제거한 후 얻은 다공성 PLA 나노
섬유의 SEM 이미지 (c) 미네랄 오일과 에탄올 기반 PVP/ titanium tetraisopropoxide용액의 co-spinning을 통해 제조한 TiO
2/PVP
hollow 나노섬유의 TEM 이미지 (d) Poly(ethylene oxide) (PEO)-Poly(dodecylthiophene) (PDT) 코어-쉘 나노섬유의 TEM 이미지
(e,f) 정렬된 PVP나노섬유의 SEM 이미지.
및 나노구조체를 제조하는 다른 방법으로 single particle nanofabrication technique(SPNT)이 있다.
이를 이용하여 풀러렌(fullerene, C60) 유도체 기반의 나노와이어 및 PFO/PC61BM 기반의 p-n 접합 나노 와이어를 제조한 결과가 보고된 바 있다[그림 6].[29]
2) 유기 나노소재의 광전자 소자 응용
일반적으로 유기 반도체 나노와이어는 박막 소자에 비해 높은 전하 이동도를 보이는데 이는 나노와이어 의 장축방향인π-π stacking되는 방향으로 전하 이동 이 용이하게 일어나기 때문이다. 비용매 핵매개 재결 정법으로 제조된 BPE-PTCDI 나노와이어와 마이크 로와이어는 단일 나노와이어의 전하 이동도가 최대 1.4 cm2V-1s-1에 이르며 공기 중에서도 안정한 특성을 보인다.[1]더 나아가, 유기 나노와이어를 정렬할 수 있 는 기술인 filtration-and-transfer(FAT) 방법을 개 발하여 고밀도로 정렬된 BPE-PTCDI 나노/마이크 로와이어는 진공 증착으로 제조된 박막 트랜지스터의 최고 성능을 능가하는 것으로 보고되었다.
또한 BPE-PTCDI 나노와이어를 기반으로 한 광트 랜지스터를 제작하여 기존 박막 형태의 반도체 소자
와의 광전자적 특성을 정량적으로 비교 분석하였다.
BPE-PTCDI 나노와이어 기반 광트랜지스터는 광활 성 층의 빛 흡수영역 대에 속하는 광원을 입사광으로 사용함으로써 비교적 낮은 빛의 강도에서도 매우 향 상된 소자 특성과 증폭된 광전류가 발생하여 고성능 유기 나노와이어 광트랜지스터로서의 활용 가능성을 보여주었다[그림 7]. 기존의 박막 형태의 반도체 소자 대비 높은 전하 이동도 및 외부 양자 효율을 보였으 며, 결정 결함이 최소화된 양질의 자기 조립체인 나노 와이어의 고유한 특성이 고효율의 광전자 소자의 제 조를 가능하게 하였음을 실험적으로 증명하였다.[30]
이와 같은 맥락으로 용액상에서 페릴렌 다이이미드계 나노와이어를 합성하여 나노와이어 한 가닥 혹은 여 러 가닥 기반의 광트랜지스터 특성을 박막 기반의 광 트랜지스터 특성과 비교 분석한 연구에서도 광반응성 이 나노와이어 광트랜지스터에서 더욱 뛰어나다는 연 구가 보고된 바 있다.[31]나노와이어 기반 광트랜지스 터 응용 외에도 BPE-PTCDI 나노와이어를 메모리 소자에 응용하여 나노와이어의 직경이 줄어들수록 메 모리 성능이 향상하는 결과를 도출하였으며, 반복적 인 write-read-erase-read(WRER) 구동에도 안정적
그림 6. Single particle nanofabrication technique (SPNT) 법을 이용해 제조한 (a) 풀러렌 (fullerene, C
60) 유도체 기반의 나노
와이어 및 (b) PFO/PC
61BM 기반의 p-n 접합 나노와이어.
인 나노와이어 기반 비휘발성 플래시 메모리로서의 응용가능성을 보여주었다. 또한 곁사슬에 알킬기가 존재하는 n-형 유기 반도체인 PTCDI 물질을 이중용 매 계면 자기 조립법을 통해 나노와이어를 제조하고, 이를 재결정법을 통해 제조된 p-형 유기 반도체인 HTP 나노와이어와 함께 사용함으로써 유기 나노와 이어 기반의 우수한 진폭이득을 보이는 인버터를 구 현한 연구도 보고되었다.[2]
이외에도 유기 나노와이어를 태양전지에 응용하는 연구가 학계의 많은 관심을 받고 있다. 나노와이어의 직경 및 규모단위는 유기 반도체 재료의 엑시톤 확산 거리(5~10 nm) 와 상응하며, 우수한 결정화도로 인 해 더 긴 엑시톤 확산거리를 지니는 것으로 알려져 있
어 유기 반도체 나노와이어를 활용한 태양전지의 제 조는 유기 태양전지의 성능을 향상시킬 수 있는 방법 으로 기대된다. 특히 수직 정렬된 나노와이어를 기반 으로 하는 태양전지의 경우, 빛의 흡수로 생성된 정공 과 전자가 각각 음극과 양극으로 분리되어 흐를 때, 수직적 이동 경로의 확보로 인해 엑시톤의 재결합 가 능성이 낮아지게 되고, 그에 따라 높은 광전류를 얻을 수 있다는 장점이 있다. [그림 8]은 고분자 사슬 간 교차 결합이 가능한 물질인 [6,6]-phenyl-C61-butyric styryl dendronester(PCBSD)를 광활성층으로 사용 하여 수직으로 정렬된 나노와이어 층을 효과적으로 태양전지에 응용한 결과를 보여준다.[32] 또한 imprinting을 이용하여 나노 규모로 정렬된
그림 7. (a) BPE-PTCDI 단일 나노와이어 기반 광트랜지스터의 모식도 및 (b) 다양한 입사광에 따른 transistor 특성. (c) 전
압이 가해짐에 따른 증폭된 광전류로부터 얻어진 외부 양자 효율. (d) PDI 기반 나노와이어 광트랜지스터의 모식도 및
(e) 다양한 입사광에 따른 transistor 특성. (f) BPE-PTCDI 나노와이어 메모리 소자의 모식도 및 (g) 반복적인 write-read-erase-
read (WRER) 구동 그래프.
poly((9,9-dioctylfluorene)-2,7-diyl-alt-[4,7-bis(3- hexylthien-5-yl)-2,1,3-benzothiadiazole]-2′,2′′- diyl)(F8TBT) / poly(3-hexylthiophene)(P3HT) 기반의 광활성층을 제조하였고, 이를 통해 블렌드된 필름 대비 태양 전지 효율에서 50%의 증가율를 보이 는 것으로 보고되었다.[33]
단성분 유기 나노소재의 응용뿐만 아니라, 새로운
구조를 가지는 나노소재의 개발 또한 매우 활발히 진 행되고 있는데 다성분 나노소재는 p-n 접합 구조에서 부터 코어-쉘 구조, 도깨비 방망이 구조 등 다양한 형 태의 나노구조체를 개발할 수 있다는 점과 그 광전자 적 특성이 단성분일 때와 상이하다는 점에서 학술적 의의가 크다. 아직까지는 다성분형 나노구조체에 대 한 형성 메커니즘 및 전하 수송 메커니즘에 대한 연구
그림 8. (a) 고분자 사슬 간 교차 결합이 이루어진 PCBSD 나노구조체를 광활성층으로 사용한 유기태양전지의 모식도 및 성능 비교 그래프. (b) Imprinting을 이용하여 나노 규모로 정렬시킨 F8TBT/ P3HT기반의 유기 태양전지 및 제조된 나노구 조체의 SEM 이미지.
그림 9. (a) Physical vapor transport 방법을 통한 F
16CuPc-CuPc 나노리본의 제조 방법 및 (b) 트랜지스터의 제작에 따른
F
16CuPc-CuPc 나노리본의 transfer와 output 특성.
가 부족한 실정이나 광전자 소자로의 다양한 응용 가 능성 및 복합체 내에서의 전하 중첩, 에너지 전달 등 에 관한 연구에 있어 중요한 모델 시스템이 될 수 있 다는 점에서 매우 중요한 연구 분야로 사료된다.
[그림 9]는 물리적 증기 운송법을 통한 F16CuPc- CuPc 나노리본의 제조 방법 및 제작된 F16CuPc- CuPc 나노리본 기반의 트랜지스터 제작에 따른
transfer와 output 특성을 보여준다. 제조된 나노리본 트랜지스터는 공기안정성을 지닌 양극성 트랜지스터 로 작동할 수 있음을 확인하였으며, 나아가 태양전지 로의 적용을 통해 단일 F16CuPc-CuPc 나노리본으로 부터 0.007%의 광전환 효율을 얻을 수 있었다.[10]
또한 Alq3와이어의 표면에 DAAQ 와이어를 가지 형태로 성장시켜 wire-on-wire 구조의 다성분형 유기
그림 10. (a) Alq
3-DAAQ wire-on-wire 구조의 모식도 및 (b) UV영역 광원으로부터 얻은 photoluminescence (PL) 현미경 이미 지. (c) 351 nm 레이져 빔으로부터 얻은 PL 현미경 이미지 및 (d) excited spot에 대한 PL spectra.
그림 11. (a) 나노 규모 채널 기반의 나노와이어 트랜지스터 제조 기술 모식도. (b) Ion-gel dielectric을 도입한 P3HT:PEO 블
렌드 나노와이어 트랜지스터의 SEM 이미지 및 (c) output과 transfer 특성 (d) 고집적화 된 대면적 나노와이어 트랜지스터
및 인버터 소자 이미지.
나노와이어를 제조하여, 입사광이 줄기 와이어를 지 나서 다방향성의 가지 나노와이어 방향으로 나오게 되는 광채널로서의 waveguiding특성을 확인한 보고 가 있다[그림 10]. 이러한 에너지 전달에 의해 일어나 는 엑시톤의 커플링 현상은 다중 출력 광채널로의 응 용뿐만 아니라, 전자 회로 내에서 신호광의 광경로를 변경해주는 광 라우터 등으로 응용될 수 있다는 가능 성을 제시하였다.[34]
또한 전기유체역학을 이용한 나노와이어 프린팅 기 술 및 높은 캐패시턴스를 가지는 ion-gel dielectric의 도입을 통해 한 가닥의 P3HT:PEO 블렌드 나노와이 어 트랜지스터로부터 최고 9.7 cm2V-1s-1의 전하 이동 도를 보고한 바 있다[그림 11].[35]이는 또한 매우 빠 른 속도로 대면적의 나노와이어 트랜지스터 및 인버 터array구현이 가능한 장점을 보였다.
결론
유기 나노소재는 저비용 대량생산이 용이하며 고유 연성을 지니며, 박막 대비 우수한 광전자적 성능을 보 이므로, 차세대 소프트 일렉트로닉스 소자에 적합하 며 플렉시블 직물 전자소자의 핵심 소재 및 기술로서 향후 응용 가치가 매우 클 것으로 예상된다. 특히, 유 기 반도체 재료의 일차원 나노소재 제조에 대한 연구 는 최근 전세계적으로 매우 활발히 진행되고 있으며, 나노규모와 높은 결정성으로 인해 전하 이동도 및 효 율이 우수한 광전자 나노소자 제조를 가능하게 하는 장점을 지니고 있어서 전자소자의 소형화, 유연화 및 고집적화를 실현시킬 수 있는 차세대 나노소자의 핵 심소재로서 활용가치가 매우 클 것으로 예상된다. 유 기 나노소재의 구조 분석 및 전하 수송 메커니즘에 대 한 연구는 소재의 본질적인 광전자적 특성을 파악할 수 있게 한다는 점에서 학술적으로 큰 의미를 지닌다.
더 나아가, 다성분 구조체로의 응용 연구는 단일 성분 에서는 얻을 수 없는 화학 및 물리학적 특성을 부여하 여 새로운 개념의 광전자 소자를 제조할 수 있는 기회 를 열어 줄 것으로 사료된다. 또한 나노소재의 패터닝
기술 및 신규한 형상의 나노구조체 제조 기술은 유기 및 고분자 기반 나노소재의 응용을 실질적으로 더욱 다양한 분야로 확대시킬 수 있을 것으로 기대된다.
참고문헌
