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[사이언스] 커피링(coffee-ring) 효과 이용, 고분자 배향 기술 개발

소프트리소그래피 기반 고배향 유기 반도체 소자 제작

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특허뉴스 선우정 기자
기사입력 2020/11/17 [12:45]

▲ 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     ©특허뉴스

 

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.

 

이러한 시기, 일상생활에서 쉽게 관찰되는 커피 얼룩효과를 이용해 유기고분자의 방향을 제어하는 연구가 각광받고 있다.

 

한국연구재단은 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 17일 밝혔다.

 

배향(orientation)은 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 트랜지스터는 전하이동성을 좌우하는 전기적 이방성이 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.

 

이번 연구의 성과는 국제학술지 에이씨에스 나노(ACS Nano) 1016일 온라인에 게재되었다.

 

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