우한영 연구실

 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(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(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)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 것