커피얼룩 효과를 이용한 고분자 배향 기술 개발-소프트리소그래피 기반 고배향 유기 반도체 소자 제작

커피얼룩 효과를 이용한 고분자 배향 기술 개발-소프트리소그래피 기반 고배향 유기 반도체 소자 제작

 

등록일 2020.11.18.

 

 

커피얼룩 효과를 이용한 고분자 배향 기술 개발
- 소프트리소그래피 기반 고배향 유기 반도체 소자 제작 -

□ 일상생활에서 쉽게 관찰되는 커피 얼룩효과를 이용해 유기고분자의 방향을 제어하는 연구가 각광받고 있다.
○ 한국연구재단(이사장 노정혜)은 윤동기 교수, 김형수 교수(KAIST), 김봉수 교수(UNIST) 연구팀이 커피 방울이 종이에 떨어지면 방울 끝으로 커피 알갱이가 모여 방울의 외곽부분에 커피 얼룩이 생기는 커피링(coffee-ring) 효과를 이용하여 반도체 고분자 구조의 배향(orientation)을 조절했다고 밝혔다.
※ 배향 : 막대기 보양의 분자가 일정한 방향으로 배열되어 있는 것을 뜻하며, 한 방향으로 나란히 있을수록 배향도가 높다고 한다. 배향에 따라 구조체의 광학적, 전기적 성질이 다르다.

□ 사물인터넷(IoT)용 유연소자는 유연한 유기반도체(유연성)를 용액상, 액체상태에서 고체인 박막으로 만들어 패터닝하는 기술이 중요하다.
○ 하지만 용매가 증발하면서 용질인 유기반도체 분자들의 배열이 달라질 수 있어 이에 대한 정확한 이해가 필요한 상황이었다.

□ 연구팀은 용매만 통과할 수 있는 소재로 만들어진 마이크로 크기의 벽과 벽의 공간 사이에 유기반도체 용액을 채워 넣고, 벽 사이 폭을 5마이크로미터와 10마이크로미터로 다르게 했을 때,
○ 용매의 확산속도가 달라진다는 점에 착안하여 용매와 함께 움직이는 긴 사슬모양의 반도체 고분자가 벽에 수직, 수평방향으로 달라짐을 관찰했다.

□ 그 결과 폭이 좁을수록 용매의 확산이 빨라지면서 빠르게 용매가 흡수되면서 채널에 수직한 방향으로 유기고분자가 배열했다.
○ 이는 마치 연필들을 굴리면 연필의 길이방향이 아니라 그 수직 방향으로 굴러가고, 연필들을 손가락으로 살살 긁으면 연필이 길이방향으로 제어되는 것과 비슷하다.

□ 실제 이를 이용해 만들어진 트랜지스터*는 전하이동성을 좌우하는 전기적 이방성*이 높게 나타났다. 고분자 사슬이 정렬되는 방향에 따라 고분자와 고분자 사이에 전하가 잘 이동할 수 있는 분자체의 실제적 거리가 가까워지면서 일어나는 현상이다.
※ 유기 전계효과 트랜지스터: 전류의 증폭 작용과 스위칭 역할을 하는 트랜지스터 소자의 활성층에 유기 반도체 물질을 사용하여 만든 반도체 소자
※ 이방성 : 방향에 따른 물질의 다른 성질. 동그란 공의 성질을 등방성이라고 하면, 연필처럼 가로와 세로 길이가 다른 성질을 이방성이라고 한다.

□ 기존 한 방향으로 배열된 유기반도체 고분자가 아니라 다양한 방향으로의 고분자 집합체 배향이 가능함을 보여, 향후 유기반도체가 활용되는 디스플레이 소자, 광학소자, 화학센서 등에 도움이 될 것으로 기대된다.

□ 과학기술정보통신부와 한국연구재단이 추진하는 중견연구사업의 지원으로 수행된 이번 연구의 성과는 국제학술지 에이씨에스 나노(ACS Nano) 10월 16일 온라인에 게재되었다.

주요내용 설명

<작성 : 한국과학기술원 윤동기 교수>

논문명
Orientation Control of Semiconducting Polymers Using Microchannel Molds
저널명
ACS Nano
키워드
Organic Semiconductors(유기 반도체), Solution process(용액 공정), Patterning(패터닝), Orientation(배향), Organic field effect transistors(유기 전계효과 트랜지스터)
DOI
10.1021/acsnano.0c04138
저 자
윤동기 교수(교신저자/한국과학기술원), 한문종 박사(제1저자/한국과학기술원), 김준규(공동저자/한국과학기술원), 김보미(공동저자/울산과학기술원), 박순모(공동저자/한국과학기술원), 안형주(공동저자/포항가속기연구소), 김봉수(공동교신저자/울산과학기술원), 김형수(공동교신저자/한국과학기술원)

1. 연구의 필요성
○ 사물인터넷(IoT)을 위한 유연한 전자소자가 개발되면서 유기 반도체의 용액 공정을 통한 박막 공정 및 패터닝(patterning)이 큰 주목을 받고 있다.
○ 하지만 전하 이동도 측면에서 기존의 금속 산화물, 실리콘 기반의 반도체의 성능보다 많이 부족하다. 특히, 유기 반도체의 용액 공정 중에 발생하는 용매의 증발을 제어하지 못한다면 전기적 특성에 악영향을 끼친다.
○ 따라서 소자의 전기적 특성을 향상시킬 뿐만 아니라 다양한 기능의 소자를 보장하기 위해서는 용액 공정 중에 발생하는 용매 증발의 원리를 정확하게 이해하고 제어하는 것이 관건이다.

2. 연구내용
○ 본 연구진은 기존 패터닝에만 집중을 했던 소프트리소그래피 관련 연구에서 벗어나, 채널 폭을 조절하여 패턴을 이루는 유기 분자들의 배향을 제어하는 데 성공했다. 특히, 폭에 따른 흡수 속도 차이와 그들의 배향 관계에 대해 규명하였고, 배향에 따른 광학적 및 이방성 이방성을 보여주었다.
○ 경화된 폴리디메틸실옥산(polydimetylsiloxane) 몰드의 경우, 다공성 구조를 갖고 있기 때문에 용매의 흡수가 일어나는데 채널 폭(5마이크로미터, 10 마이크로미터)에 따라 그 흡수속도가 다른 것을 관찰하였다.
○ 채널 안에서 형성된 모세관력으로 인해, 채널 벽 방향으로 용매 흡수가 일어나며 벽 쪽에서부터 핵생성 부분(nucelation site)이 형성되었다. 실시간 편광 현미경 분석을 통해 5마이크로미터 폭일 때가 10마이크로미터 폭 일 때보다 약 3.2배 빠르다는 것을 알 수 있었다.
○ 즉, 5마이크로미터 폭일 때에는 용매 흡수로 인한 유체 역학 효과의 영향이 컸고, 10마이크로미터 폭일 때에는 유체 역학 효과보다는 고분자 집합체가 형성되는 충분한 시간이 보장되었기 때문에 이로 인한 탄성 에너지의 영향을 크게 받았다고 규명하였다.
○ 배향 방향의 경우, 위상지연판(retardation plate)이 추가된 편광현미경의 관찰과 2차원 스침각 엑스선 회절법을 통해서 5마이크로미터 폭과 10마이크로미터 폭의 채널에서 채널 방향에 각각 수직 혹은 수평으로 고분자 집합체가 배향되어 있는 것을 확인할 수 있었다.
○ 서로 수직으로 배향된 고분자 집합체에 기반을 하는 유기전계효과 트랜 지스터를 제작하여 전하 이동도를 비교할 수 있었다. 5 마이크로미터와 10 마이크로미터 폭의 조건에서는 각각 파이-공액 뼈대(π-conjugated backbone)을 따라 이동하는 분자 내 전하 이동과 파이-파이 쌓임을 따라 이동하는 분자 간 전하 이동을 유도할 수 있었다. 전달곡선(transfer curves)와 출력 곡선(output curves)에서 계산한 전하이동도 값의 비교를 통해 5 마이크로미터 폭의 조건에서 배향된 구조체의 전하이동도가 10 마이크로미터 폭의 전하이동도 값보다 약 3배 높다는 것을 알 수 있었다.

3. 연구성과/기대효과
○ 간단한 소프트리소그래피 기술에서 채널의 폭을 조절, 용매 흡수 속도를 조절하였고 결과적으로 반도체 고분자의 배향 및 전기적 특성을 제어하는 데 성공하였다. 용액 공정이 가능한 반도체 고분자의 다양하게 제어된 배향을 제시함으로써, 이들 재료의 차세대 디스플레이, 광학 및 화학 센서로의 응용에 기여할 것으로 기대한다.

그림 설명

 

(그림1) 실시간 편광 광학 현미경 분석을 통한 채널 폭에 따른 용매의 흡수속도 및 고분자 집합체 형성속도 예측
시간이 흐를수록 붉은 선(고분자 집합체가 형성되는 것을 의미)이 밝아지는 것을 볼 수 있다. 채널 폭이 좁을수록 빠른 용매의 흡수가 일어나 빠르게 고분자 집합체가 형성되는데, 이는 빠르게 선이 밝아짐 및 포화되는 것에서 유추하였다.
그림 및 그림설명 제공 : KAIST 윤동기 교수

 

(그림2) 마이크로채널 폭에 따라 배향 조절된 고분자 집합체 형성
편광 현미경 관찰을 통해 관찰한 5마이크로미터 및 10마이크로미터 채널 폭에 따른 고분자 집합체의 서로 수직인 배향.
그림 및 그림설명 제공 : KAIST 윤동기 교수

 

연구 이야기

<작성 : 한국과학기술원 윤동기 교수>
□ 연구를 시작한 계기나 배경은?

소프트리소그래피 기반 패터닝에서 용매가 흡수되는 현상에 대해 흥미롭게 생각하였다. 특히, 유기 반도체의 경우 용매의 흡수를 조절함으로써 배향을 제어할 수 있기 때문에, 흡수속도에 따른 배향 원리에 대해 여러 의문점이 생겼다. 이에 본 연구팀은 채널 몰드의 채널 폭에 따른 용매의 흡수속도와 수직 배향의 관계를 현미경을 통해 직접 눈으로 관찰하였고, 이에 기반을 하는 소자에서 나타나는 전기적 이방성과의 관계 연구를 진행하였다.

□ 연구 전개 과정에 대한 소개

다공성 구조를 갖는 고분자 몰드에 용매가 흡수될 때 특히, 라인 패턴의 경우 폭에 따라 흡수 속도가 어떻게 다른지에 대해 파악하였다. 본 연구팀은 과거에 용매의 증발 속도에 따른 유기 분자의 배향 조절에 대한 연구를 진행한 바 있었기 때문에, 이번 플랫폼의 경우에도 용매의 흡수 속도가 배향에 직접적인 영향을 줄 것이라고 생각했다. 실시간 편광현미경 관찰을 통한 실험 결과와 채널 안에서의 흡수 속도에 관한 이론적인 시뮬레이션 결과의 경향을 통해 폭이 좁을수록 흡수가 빠르게 진행되는 것을 확인하였다. 빠르게 고분자 집합체가 형성될수록 채널 방향에 수직인 방향으로 배향되었고 이를 기반으로 서로 수직 배향 기반 유기전계효과 트랜지스터를 제작하여 전기적 특성을 제어하였다.

□ 이번 성과, 무엇이 다른가?

유기 반도체 분야에서 분자의 배향은 광학적 및 전기적 특성과 직접적인 관련이 있기 때문에 이를 원하는 방향으로 제어하는 것은 아주 중요하다. 패터닝에만 집중을 했던 기존 소프트리소그래피 관련 연구에서 벗어나, 각 공정에서 중요한 변수들에 대한 이해를 바탕으로 처음으로 패턴을 이루는 유기 분자들의 배향을 조절하는 데 성공했다. 이번 연구를 통해서, 고성능 유기 소자를 위해서 분자 구조에 대한 연구의 중요뿐만 아니라 배향을 유도하는 각 시스템에서 일어나는 현상에 대한 이해 또한 중요하며, 이러한 다양한 분석과 이해는 차세대 유기 전자 소자의 설계 및 집적 회로 등에 있어서 중요한 역할을 할 것이다.

□ 실용화된다면 어떻게 활용될 수 있나? 실용화를 위한 과제는?

유기 반도체의 경우, 구조적 이방성을 갖고 있어 광학적 및 전기적 이방성을 갖고 있다. 따라서 배향을 원하는 방향으로 조절할 경우 이진법의 사고 체계에서 벗어나 다진법 체계에서 광전자 소자 및 센서의 특성을 제어할 수 있다. 또한, 용액 공정을 기반으로 하고 있기 때문에 롤투롤 공정을 통한 유연 소자에서도 사용되어 저비용 및 대면적 소자 제작에 기여할 수 있을 것이다.