센터 개요
히거 신소재 연구센터는 광주과학기술원의 교육 및 연구역량 강화를 통한 세계적 교육 연구기관으로의 도약을 위한 노벨상 수상자 유치 사업의 일환으로 2005년 7월 광주과학기술원에 설립되었다. 센터의 설 립 목적은 미래 신소재로 주목 받고 있는 유기 태양전 지, 유기 트랜지스터, 고분자 레이저, 유연한 디스플레 이 등 플라스틱 전자공학분야의 공동연구를 주로 수 행하는 것이며 이를 위해 광주과학기술원은 University of California Santa Barbara의 Alan J.
Heeger 교수[그림 1]를 센터장으로한 히거 신소재
연구센터를 광주과학기술원과 University of California Santa Barbara 양측에 설치하여 공동연구 를 수행하고 있다. Heeger 교수는 1977년 전기를 통 하는 고분자를 발견하여 플라스틱 전자공학분야를 개 척하고 선도적인 연구를 이끈 공로를 인정받아 지난 2000년 노벨화학상을 수상한 이 분야 연구의 세계적 인 거장이며 선구자이다. 그는 현재까지도 이러한 전 도성 고분자의 기초물성과 응용연구에 있어서 우수한 연구결과를 내놓고 있으며 이 분야를 이끌어 나가고 있다. 히거 신소재 연구센터는 현재 Heeger 교수의 지휘하에 플라스틱 전자공학의 실현을 위한 제반 소 재 및 소자에 관한 핵심연구를 공동 수행하여 플라스 틱 전자공학 분야에서 세계적인 연구결과를 창출하고 선도하고 있다.
센터 설립 배경
21세기 유비쿼터스 기술의 핵심 소재인 플라스틱 전자소재는 최근 OLEDs(Organic Light Emitting Diodes)의 상업화로 인해서 활발히 연구되고 있다. 이 런 플라스틱 전자소재는 기존의 실리콘을 중심으로 하는 무기물 전자소재에 비해 저렴한 공정비용과 환 경친화성 때문에 상업적으로 큰 장점을 가지고 있다.
특히 저온 공정이 가능하여 플렉서블 디스플레이에 적용이 가능하므로 앞으로의 시장성은 무궁무진하다 고 볼 수 있다. 하지만 유기전자소재는 재료의 특성상 공정조건에 따라서 응용된 소자의 성능 변화가 심해
히거 신소재 연구센터
(Heeger Center for Advanced Materials)
http://www.heegercenter.com
그림 1. Prof. Alan J. Heeger.
서 많은 고가의 장비와 오랜 실험적 노하우가 절실히 필요한 기술이다. 따라서 히거 신소재 연구센터는 이 런 플라스틱 전자소재의 창시자로 불리우는 University of California Santa Barbara의 Alan J.
Heeger 교수를 센터장으로 초빙하여 선진 핵심기술 의 습득 시간을 획기적으로 단축하고 실험에 관한 중 요한 경험들을 공유하여 조기에 관련분야에서 세계 최고의 연구소로 성장하기 위해서 국제 공동연구를 추진하게 되었다.
연구분야
히거 신소재 연구센터에서는 유기물 반도체물질을 이용하여 유기물 광전자소자를 제작하고 이에 대한 특성을 평가하여 가장 효율적인 물질 구조를 발견하 는 연구를 수행하고 있다. 구체적으로는 새로운 유기 물 반도체 물질을 개발하고 이를 이용한 태양전지나 트랜지스터, 발광 다이오드를 제작하여 저온 공정을 통한 효율적인 유기물 광전자 소자의 제작방법을 개 발하는데 그 목적을 가진다.
1) 유기 태양전지
현재 히거 신소재 연구센터에서는 기존의 실리콘 및 화합물반도체 태양전지의 대체용으로 각광 받고 있는 유기태양전지(organic solar cell)와 염료감응 태 양전지(dye-sensitized solar cell)에 관한 연구를 진행 하고 있다. 특히 태양전지가 구동하는 태양빛 하에서
산화 안정성을 가지는 spiroanthracenefluorene과 thiophene의 공중합체 고분자와 TiO2나 ZnO와 같은 밴드갭이 큰 산화물 나노입자 및 규칙성 있는 일차원 또는 이차원의 나노 구조체를 하이브리드 형태로 제 작하여 고효율의 태양전지를 개발하는데 초점을 두고 연구를 진행하고 있다[그림 2]. 이 외에도 유기 반도 체 수용성 고분자를 개발 및 적용함으로써 공정비용 이 저렴하며 환경친화적인 새로운 개념의 태양전지를 구현하고자 노력하고 있다. 또한 본 센터에서는 유기 태양전지 분야에서 가장 각광을 받고 있는 P3HT/PCBM bulk heterojunction 태양전지의 효율 을 높이기 위한 신재료 및 신공정 개발에 관한 연구를 진행중이다. 구체적으로는 금속 나노 입자의 표면 플 라즈마 공명을 이용한 유기 태양전지의 성능을 향상 시키고 그 상관 관계를 규명하는 연구를 진행중이며 그 이외도 기존의 스핀 코팅이나 screen print 방법과 다른 새로운 용액 공정을 도입하여 저렴한 비용으로 용이한 제조공정을 통한 고효율의 유기 태양전지를 제작하는 연구를 진행중에 있다.
2) 유기 트랜지스터
히거 신소재 연구센터의 유기 트랜지스터 그룹에서 는 우선 강한 분자상호간의 인력을 얻기 위한 다양한 작용단을 도입한 새로운 유기 반도체 재료를 설계, 합 성하고 이러한 물질의 전기적 특성을 측정하여 OTFT에 응용 가능한 최적의 물질을 찾아내는 연구
그림 2. (A) 규칙성을 갖는 타이타니아 나노 구조체 및 (B) 금속 나노 입자의 형태를 보여주는 SEM 사진.
(A) (B)
를 시행하고 있다. 또한 정공의 축적(accumulation) 이나 고갈(depletion) 현상을 이용한 P형 유기반도체 뿐 아니라 전자를 통한 N형 및 전자와 정공 모두를 통한 ambipolar 유기반도체에 이르기까지 새로운 유 기 반도체 물질을 얻기 위한 연구를 활발히 진행하고 있다. 이와 같은 연구를 통해 개발된 유기 반도체 물 질을 고집적, 고효율의 유기발광트랜지스터, CMOS 소자, 인버터, 오실레이터 등과 같은 다양한 형태의 소 자로 제작하고 있으며, 이를 통한 유기전자 회로의 집 적화를 꾀하고 있다[그림 3].
또한 본 센터에서는 무기물 재료와는 다른 유기물 반도체 물질의 장점을 살린 새로운 형태의 유기전자 소자에 대한 연구도 시행하고 있다. 그 예로 게이트 절연층 위에 유기물 분자의 배향을 조절할 수 있는 배 향막을 도입하고 그것을 이용해 유기 분자들이 특정 방향으로의 배열하도록 함으로써 전자나 정공의 이동 도를 높이기 위한 노력을 하고 있다. 이 외에 높은 유 전상수를 갖는 유기 절연물질을 개발 활용함으로써, 그로 인해 낮은 전압에서 구동이 가능한 OTFT 소자 를 구현하는데도 힘을 쏟고 있다. 더불어 기존의 OTFT 소자를 기반으로 한 고효율의 유기물 포토트 랜지스터나, 게이트 절연층 내에 저장되는 전하에 의 한 게이트 전압의 조절 현상을 이용한 비휘발성 유기 물 트랜지스터 메모리에 대한 연구도 진행하고 있다.
유기 포토트랜지스터의 경우, OTFT 소자의 반도체
층에 조사된 UV 빛에 의해 트랜지스터 특성 구현이 가능하다. 또한 최근에는 유기반도체 및 절연 물질의 전기적 쌍안정성(bistability) 현상을 이용한 저가의 고성능 유기메모리 소자에 대한 연구도 진행중이다.
3) 유기 발광 다이오드
히거 신소재 연구센터 유기발광소자(OLED) 연구 분야의 목표는 최적의 발광 효율을 얻기 위한 청색 발 광 고분자 유기EL물질이나, 전자나 정공의 이동도가 빨라서 정공 전달층에 응용 가능한 유기물 반도체 물 질을 개발하는 것이다. 이에 본 센터에서는 열안정성 및 색순도를 개선시킬 수 있는 spiroanthracene구조 를 polyfluorene에 도입하여 우수한 열적 특성 및 발 광특성을 갖는 청색 발광 고분자 물질을 개발하였고 이를 polymer light emitting diodes(PLEDs)에 응용 하여 우수한 성능을 얻었으며 그 구조를 기존의 polyfluorene에 비해 사람의 눈에 좀더 높은 감도의 영역에 발광영역을 가지면서 높은 색순도를 갖는 polyindenofluorene에 도입하여 역시 우수한 열적 특 성 및 높은 색순도와 발광특성을 갖는 물질을 개발하 였다. 또한 안정성과 더불어 우수한 정공 전달 및 주 입 특성을 갖는 spiro-truphenylamine구조를 도입하 여 기존 소자에 비해 낮은 구동 전압 및 우수한 소자 특성을 보고하기도 하였다[그림 4]. 뿐만 아니라, 정 공 주입층으로서 광범위하게 사용되는 PEDOT:PSS
그림 3. (A) 유기포토트랜지스터의 구조 및 작동 원리와 (B) UV 빛에 의한 유기박막트랜지스터의 IV 특성 변화.
(A) (B)
의 대체 물질로서 가교특성을 갖는 perfluorocyclobutane (PFCB)를 triphenylamine에 도입하여 열 안정성과 화학적 안정성을 향상시킨 정공전달 고분자를 개발하 여 보고하였다[그림 5]. 최근에는 새로운 수용성 공액 고분자를 개발하고 이를 전자 주입층으로 응용하는 연구를 진행중에 있다. 이 연구는 발광 고분자층을 녹 여내지 않으면서 스핀 코팅이라는 간단한 필름 형성 방법으로 전극과 발광 고분자층 사이에 삽입함으로써 높은 효율의 유기 EL 소자를 구현을 가능하게 해주 었다. 소자 구조적인 측면에서는 상용 OLED 구조에 기존에 시도되지 않았던 금속 나노 구조체를 도입, 즉 suface plasmons(SPs)를 이용하여 보다 높은 효율의
소자를 구현하는데 성공하였다. 이 금속 나노체는 단 순하고 쉬운 공정으로 제작이 가능하여 상용 소자 적 용 가능성 또한 높게 평가되고 있다.
센터 보유 장비 현황
현재 히거 신소재 연구센터에서는 고효율의 유기 태양전지와 트랜지스터, 발광 다이오드의 제작과 특 성평가를 성공적으로 이루어내기 위한 여러가지 장비 들을 보유하고 있다. 특히 본 센터의 장비는 질소로 충진된 글로브 박스 시스템 하에서 소자를 제작하고 자동 시료 이동 시스템을 통하여 공기 중에 노출 없이 측정까지 가능하게 하므로 산소와 수분에 쉽게 그 성
그림 4. 열적 안정성 및 우수한 정공전달 특성을 갖는 청색 발광 고분자.
그림 5. PFCB기가 도입된 정공전달 고분자.
능이 저하되는 유기물 반도체 소자의 제작에 매우 유 용하게 활용되고 있다. 실제 이곳 히거 신소재 연구센 터에서 제작된 유기태양전지는 에너지 전환 효율이 약 5%에 달하며 이는 유기 태양전지를 연구하는 국 내외 최고의 우수연구그룹의 효율과 같은 수준이다.
또한 유기 박막 트랜지스터 연구에 있어서도 국내외 최고수준 연구그룹의 연구결과에 필적할만한 좋은 트 랜지스터 성능을 구현하였다. 특히, 용액 공정을 통한 n형 유기 박막 트랜지스터 성능의 경우, n형 유기 반 도체 물질의 본질적인 공기 및 수분에 대한 민감성으 로 인해 소자 구현에 어려움이 많았으나, 위의 장비들
을 활용함으로써, 전하이동도가 0.1cm2/Vs에 근접하 는 등 탁월한 연구 성과를 낼 수 있었다[그림 6].
히거 신소재 연구센터의 기대성과
우선 히거 신소재 연구센터에서 연구중인 플라스틱 태양전지와 트랜지스터, 플렉서블 디스플레이 등은 낮은 생산단가와 무게의 경량화 등으로 인해서 각종 휴대성 기기를 통해 실현 가능할 유비쿼터스 기술의 핵심 요소들이다. 이러한 기술 등이 실현되면 RFID, 휴대용 두루마리 TV, 경량의 접을 수 있는 휴대폰이 나 PDA 단말기, 입을 수 있는 영상 광고판, 전력공급
그림 6. 히거 신소재 연구센터 보유 주요 연구장비.
이 가능한 경량의 텐트나 개인용 휴대 전원공급기 등 다양한 응용분야에 적용될 수 있을 것이다.
또한 Heeger 교수는 전도성 고분자 및 유기EL과 같은 차세대 디스플레이 분야에서 세계적 인지도를 가지고 있으며, 현재도 활발하게 학술 연구, 개발 및 산업화 활동을 보여주고 있으며 flexible display 분야 를 기술적으로 리드하고 있는 등 응용 및 기술의 상업 화에 있어서도 여타 노벨상 수상자 중에서도 선도적 인 위치를 점하고 있다. 따라서 Heeger 교수의 이러
한 활동들은 LED, 태양전지와 같은 광주의 광산업 및 solar town프로그램과도 밀접한 관계를 가지고 있 어 지역 주력 산업의 활성화 및 신산업 창출 및 지역 인재 양성에서도 훌륭한 역할을 담당할 것으로 보인다 [그림 7].
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