건국대 연구팀, 저분자 유기반도체와 절연체 블렌드에서 분자 구조에 따른 최적 용액공정 조건 규명

건국대학교 이위형 교수(화학공학부, 교신저자)팀, 이훈경 교수(물리학과, 교신저자)팀, 노스웨스턴대 이정훈 박사(재료공학과, 제1저자)가 저분자 유기반도체와 폴리머 블렌드 시스템에서 분자 구조에 따른 최적의 용액공정 조건이 존재함을 규명했다. 이번 논문은 지난 9월 30일 나노분야 대표 권위지인 ‘Small’(IF = 13.0)에 게재됐다.

현재 IoT(사물인터넷) 시대가 열리며 웨어러블 기기나 플렉시블 디스플레이와 같은 유연한 전자 제품의 수요가 빠르게 증가하고 있다. 이러한 전자 소자들은 기존의 딱딱한 기판 대신 유연한 기판 위에서 제작되기 때문에 성능은 유지하면서도 물리적 변형을 견딜 수 있어야 한다. 이를 위해 저온에서 공정이 가능하고 대면적 기판에도 적용할 수 있는 용액공정 기술의 중요성이 커지고 있다.

이번 연구는 저분자 유기반도체와 폴리머 블렌드 시스템에서 각 유기반도체의 분자 구조에 따라 최적의 공정 조건이 다르게 나타남을 규명한 것으로, 연구팀은 스핀 코팅 시간과 같은 공정 변수를 체계적으로 분석했다. 그 결과, 유기반도체가 최적의 스핀 코팅 시간을 통해 가장 높은 결정화도를 달성하고, 전기적 성능을 극대화할 수 있다는 사실을 확인했다.

연구팀은 유기반도체의 분자 구조가 용액의 농도, 점도, 결정화도 등 다양한 요소에 어떤 영향을 미치는지 심도 있게 분석했다. 특히 유기반도체가 코팅 후 남아있는 용매와 상호작용을 하는 방식이 결정화 과정에 결정적인 역할을 한다는 점을 규명했다. 이는 고성능 유기반도체 필름을 제작하기 위한 최적의 공정 조건을 제시하는 데 중요한 단서를 제공했다.

건국대 이훈경 교수팀은 밀도 범함수 이론(DFT) 계산을 통해 분자 간 상호작용을 분석해 유기반도체 필름의 전기적 성능과 분자 구조 사이의 상관관계를 밝혀냈다. 이 연구 결과는 유기 전자소자의 상용화 가능성을 크게 높이는 데 기여할 것으로 기대된다.

이번 연구는 고성능 유기박막트랜지스터 제작을 위한 대면적 반도체 박막 형성 전략을 제시함으로써 유연한 차세대 전자소자의 개발을 앞당기는 중요한 성과로 평가받고 있다. 연구의 교신저자인 건국대 이위형 교수는 “이번 연구가 유기반도체 공정 기술에 대한 이해를 한층 높였으며, 향후 유연 전자기기의 상용화에 중요한 역할을 할 것”이라고 말했다.

한편 제1저자인 이정훈 박사는 건국대학교 유기나노시스템공학과에서 학부와 석사 과정을 마치고, 서울대학교 재료공학부에서 박사 학위를 받은 후 현재 노스웨스턴대학에서 박사후 연구원으로 활동 중이다.

이번 연구는 과학기술정보통신부와 산업통상자원부의 지원을 받아 수행됐다.

※ 논문명: Crystal Engineering Under Residual Solvent Evaporation: A Journey Into Crystallization Chronicle of Soluble Acenes

웹사이트: http://www.konkuk.ac.kr