Researches
연구 소개
오늘날 유기반도체 재료는 단순한 탄화수소를 넘어서 질소, 황 및 산소 같은 헤테로 원자의 퓨전 및 측쇄의 기능화를 통해 밴드갭, 전도도, 발광 스펙트럼, 용해도 등을 변모시킬 수 있으며, 용도에 따라 이러한 구조에 따른 기능을 더 폭넓게 응용할 수 있다.
예를 들어, 유기반도체 재료들은 태양전지의 광활성층, 발광소자의 발광층, 다이오드의 전하전달층, 트랜지스터의 반도체층 뿐만 아니라 소수의 연구 팀에 의해 배터리, 커패시터, 레이저에도 응용되는 등 무궁무진한 연구가 진행되고 있다. 본 “유기광전자재료 연구실’은 설립된 이후, 수많은 유기반도체 재료의 디자인, 합성을 토대로 유기반도체 재료가 구조에 따라 보일 수 있는 여러 특성을 다각도로 분석하고, 전자 소자에 응용하는 연구를 수행해오고 있다.
유기태양전지 (Organic photovoltaics, OPV)
유기태양전지(OPV)는 광활성층으로 이용되는 유기반도체에서 태양광에 의한 여기로 엑시톤이 분리된 후 각 전극으로 추출돼 전력을 생산하는 소자이다. 광활성층은 전자를 주는 도너 재료와 전자를 받는 억셉터 재료로 구성되며, 활성층 내에서 전하분리 및 전하이동을 강화하기 위해 도너와 억셉터가 무작위적인 형태로 혼합돼 도너-억셉터간 넓은 계면을 갖는 bulk heterojunction(BHJ) 형태로 제작된다. 우리 연구실에서는 다양한 특성을 지닌 도너와 억셉터들을 개발하고 특성과 소자 성능 간의 상관 관계를 분석하는 연구를 진행 중이다.
Y6는 광활성층에 쓰이는 대표적인 억셉터 물질로, 근래 높은 광전효율을 보이는 소자들에 다수 이용되었다. 그러나 Y6의 복잡한 합성 과정으로 인해 대량 생산에 제한이 있으며, Y6 core에 있는 undecyl 알킬 작용기에 의한 입체적 장애 때문에 말단 간의 패킹을 지배적으로 나타나 전자 이동도가 제한되는 등 여전히 신규 억셉터 개발에 대한 수요가 계속해서 존재한다. 이에 따라 우리 연구실에서는 새로운 억셉터의 개발 및 기능화에 초점을 맞추고 있는 중이다.
유기광검출기 (Organic photodetector, OPD)
유기광검출기(OPD)는 OPV와 비슷한 구조를 가지나, 특정 파장에서의 광활성이 요구되며 역 바이어스에서 구동한다는 차이점이 있다. 일반적인 OPV에서는 BHJ 형태의 광활성층이 선호되는 반면, OPD에서는 암전류를 최소화하기 위해 역 바이어스 하에서 유입되는 전자 주입을 차단하는 데에 효과적인 이중층 구조가 유리하다. 그러나 공정에서 도너와 억셉터를 연속으로 코팅하기 위해서는 둘 간의 용해도 반전이 필요하기 때문에 용액공정으로는 비슷한 용해도를 갖는 도너와 억셉터의 조합이 제한되는 단점이 있다.
우리 연구실에서는 UV에 의해 가교가능한 공액고분자 도너 재료를 개발하여 이중층 구조가 형성된 OPD를 개발하였다. 개발한 도너를 코팅한 후 광 가교를 유도할 시, 내용매성이 향상되어 그 위에 억셉터 물질을 용액공정으로 도입할 수 있다. 가교가 가능한 도너를 도입한 이중층 구조의 OPD는 기존의 BHJ로 제작된 OPD 보다 월등한 성능을 보였으며, 암전류가 10-2 A cm-2로 줄어드는 것을 확인하였다. 현재 가교 가능한 OPD의 심층적인 분석을 더 진행 중이며, 적외선 흡수, 좁은 흡수 스펙트럼, 등 여러 특성의 유기 광활성재료들을 개발 중에 있다.
유기 전기화학 트랜지스터 (Organic electrochemical transistor, OECT)
유기 전기화학 트랜지스터 (Organic ElectroChemical Transistor, OECT)는 일반적인 유기 박막 트랜지스터(OTFT)와 유사하게 소스, 드레인, 게이트 전극, 유기 반도체 박막(채널)으로 구성되어 있으며, 유전체 대신 전해질을 사용하는 트랜지스터로 바이오센서, 논리회로, 시냅스 모방 메모리 장치, 뉴로모픽 컴퓨팅 등 다양한 응용 분야에 적용하기 위해 연구되고 있다. OTFT가 유전체의 field-effect를 이용하는 것과는 다르게 OECT는 게이트 전극에 전압이 인가되면 채널과 전해질 사이의 이온의 이동으로 인해 채널의 전기화학적 산화환원 반응을 유도한다. 이러한 전기화학적 산화환원 반응을 전기화학적 도핑(electrochemical doping) 이라고 하며, 이는 채널 물질의 전도성을 변화시킬 수 있다.
본 연구진은 diketopyrrolopyrrole(DPP) 기반 고분자인 PDPPODT-TT를 합성하고 AuCl3, FeCl3, CuCl3를 도펀트로 사용하여 선택적 도핑을 진행시킨 결과, AuCl3로 도핑 시 PDPPODT-TT의 전기 전도도가 100 S cm-1까지 향상됨을 확인하였다. 높은 전기전도도의 공액고분자는 기존의 금속 전극을 대체할 수 있어, 결과적으로 소자와 금속 계면을 없앤 homojunction OECT를 구현하였다.
현재 본 연구진은 CPE의 측쇄와 짝이온을 달리하면서 전해질의 종류(이온젤 또는 수용액)에 따라 도핑 효율이 다른 CPE를 개발하였으며, CPE의 구조와 이온전도도에 관련된 OECT 성능의 상관관계를 연구하고 있다.
페로브스카이트 광전소자 재료
페로브스카이트는 ABX3 구조를 갖는 이온성 결정구조로, 특히 2가 양이온인 B에 납 혹은 주석을, X에 할라이드를 갖는 페로브스카이트 결정은 원소의 종류 및 조성에 따라 밴드갭을 자유자재로 조절할 수 있다. 또한, 가시광선~자외선의 흡수 영역대에서 높은 흡광 계수를 가지며, 분리된 엑시톤의 전하캐리어가 매우 긴 확산거리를 보여 태양전지 재료로 널리 연구되고 있다. 한편, 유기반도체 재료는 반도체 소자에서 광활성 혹은 전도층 뿐만 아니라 전하전달층으로서 대단히 높은 입지를 지니고 있다. 특히 PEDOT:PSS, PTAA, Poly-TPD 등은 대표적인 고분자 정공수송층들로, 광활성층/발광층으로 전하를 전달 혹은 그로부터 전하를 추출하는 중요한 역할을 한다.
본 연구진은 페로브스카이트의 결정 성장을 향상시킬 수 있는 정공수송층으로 공액고분자 전해질(conjugated polyelectrolyte, CPE)를 개발하여 응용하고 있다. 일반적인 공액고분자 재료는 소수성을 띠어 페로브스카이트를 그 위에 코팅할 시 계면에서의 낮은 상호작용으로 인해 결함과 핀홀이 많은 낮은 결정질의 페로브스카이트가 생성되는 반면, CPE는 이온성 작용기의 높은 극성으로 인해 페로브스카이트 태양전지의 광활성층 밑에 존재할 시 결정성을 상당히 개선시킬 수 있다. 본 연구진은 PTAA 위에 계면층으로 CPE를 도입하여 페로브스카이트 태양전지의 효율이 상당부분 향상되는 것을 확인하였으며, 이 결과를 기반으로 새로운 CPE들을 계면층, 정공수송층, 첨가제로 페로브스카이트 태양전지 및 LED에 도입하여 효율 개선의 성과들을 발표하였다. 현재 정공수송층, 계면층, 첨가제뿐만이 아니라 이온성 작용기를 지닌 다양하고 새로운 CPE 재료를 개발하여 페로브스카이트 태양전지 및 LED의 전자수송층, 전극층 등 새로운 요소로 적용시키려 지속적인 연구를 수행하고 있다.
그린수소 생산 광촉매 재료 (Photocatalyst)
최근 탄소중립과 에너지 위기에 높은 에너지 밀도를 가지는 수소 연료를 활용하는 수소 경제 활성화에 대한 사회적 관심이 증가하고 있다. 수소연료는 연소 시 공해물질이 발생하지 않아 탄소중립에 따른 화석연료 대체제로 가장 유력한 에너지원으로 주목받고 있지만 정작 청정 수소인 그린 수소(Green hydrogen) 수급에 대한 기술은 미비하다.
유기반도체 기반 나노입자 광촉매는 도너-억셉터 분자 디자인에 따라 밴드갭을 조절할 수 있어 태양광 전 파장영역을 활용하는 것이 가능하고, 높은 몰 흡광 계수를 가지며, 화학적 안정성이 높아 수소 생산을 재료로 각광받고 있다. 광촉매로 사용되는 유기 반도체 재료들은 수용액상 분산 안정성 및 전하 전달 능력을 동시에 확보하는 것이 중요하다. 유기반도체 측쇄에 극성이 높은 oligoethylene glycol (OEG)를 도입하면 광촉매의 분산성이 향상되며 유기광촉매 내부로 수용액의 침투성이 더 높아져 향상된 수소 발생 효율을 기대할 수 있다. 본 연구실은 고분자 주쇄의 결정성 제어 및 OEG 사슬 도입을 통한 수용액 분산성 향상을 통해 최대 26 mmol g-1 h-1의 높은 수준의 수소 발생을 확인하였으며 이후 OEG 사슬 뿐만 아니라 이온성 측쇄를 가지는 CPE 기반 나노 광촉매의 응용에 대한 확장 연구를 진행 하고 있다. 일반적인 부도체 계면활성제에 비해 CPE층을 통한 광전하의 이동이 효과적으로 제어되는 것을 기대할 수 있다. 이러한 재료 개발 및 광촉매 적용 기술 연구를 통해 그린수소 생산 효율을 증대시키는 연구를 지속적으로 진행해 나가고 있다.
