| 화학연구소 분자재료와 부품연구 성과리뷰 | ||
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 과기부, 국가자연과학기금위원회와 중국과학원의 지원을 받아 화학연구소 유기고체연구원 중점실험실의 연구진은 분자재료와 부품연구에서 새로운 성과를 올려 국제학술계의 주목을 받고 있다. 논문은 여러차례 Chem. Rev.과 Chem. Soc. Rev.에 발표되었다. 유기 전계효과 트랜지스터(OFET)의 경우 유전체/반도체 계면상태가 부품성능에 중요한 영향을 미친다. 현재 OFET의 계면연구에서 많은 계면변수의 계산과 측정은 대부분이 평균 통계방법을 채택한다. 표면에너지는 중요한 유전체/반도체 계면영향요소로서 그 균일도가 부품성능에 미치는 영향은 과거의 계면연구에서 소홀히 하였으며 표면에너지의 불균일성이라는 핵심요인을 고려하지 않은 점 역시 계면연구에서 상반된 이견을 발생시킨 근본 원인이기도 하다. 본 과제팀은 유전체표면에너지의 불균일성으로 인한 실험현상을 충분히 연구한데 이어, 실험을 통해 표면에너지 불균일성이 OFET 성능에 광범위하게 영향을 미친다는 점을 입증하였으며, 표면에너지 불균일성과 OFET 전이율간에 선형 반비례관계가 존재한다는 점도 발견하였다. 관련 연구성과는 Adv. Mater. (2011, 23, 1009-1014)에 삽화형태로 발표되었다. 그후 과제팀은 또 위의 연구결과를 바탕으로 유전체 표면에너지 불균일성을 이용해 유기반도체층 생장형태를 제어하고 최적화하였으며 홀 이동성(hole mobility)은 3.6cm2/Vs되는 펜타센(Pentacene) OFET를 제작하였는데, 국제적으로 보도된 펜타센 유연성 박막부품가운데 최고 성능을 나타내었다. 연구원들은 또 이러한 고성능의 트랜지스터로 고성능 유연성 링 발진기를 제작하였는데 진동주파수는 1kHz이상이다. 관련 연구성과는 Adv. Mater.(2011, 23, 3128-3133)에 발표되었다. 그래핀(Graphene)은 탄소원자 육각구조로 촘촘하게 배열된 2차원 단층 흑연층으로 풀러린(Fullerenes), 탄소나노튜브와 다이아몬드와 같은 기타 차원의 탄소재료를 구성하는 기본 구조단위이다. 따라서 고품질, 대면적의 형태제어가 가능한 그래핀을 만드는 것은 핵심문제가 되었다. 화학기상증착법(CVD)은 비용이 저렴하면서도 대규모제조가 가능한 것이 장점이며, 최근 몇 년간 급속히 발전하면서 그래핀을 제조하는 중요한 수단이 되고 있다. 과제팀은 CVD법으로 금속동을 촉매제로 하여 생장조건을 정밀하게 제어하여 규칙적인 모양의 육각구조 그래핀을 제조하는데 성공했고 전기화학특성연구도 수행했다. 육각구조의 그래핀가 발견되면서 그래핀분야의 연구내용이 크게 다양해졌고 연구범위도 확장되었다. 관련 연구내용은 Adv. Mater.(2011, 23, 3522-3525)에 발표되었다. 그래핀의 새로운 구조에 기반한 탐구는 그래핀연구영역의 중요한 연구내용이다. 연구팀은 액체질소조건에서 마이크로웨이브 불꽃법을 이용해 천연흑연을 박리하여 고품질, 고순도의 탄소나노코일(carbon nanocoil)을 획득했다. 이러한 탄소나노코일은 소수층이거나 단층 그래핀을 롤링하여 만든 것으로 촘촘한 구조를 하고 있다. 이 탄소나노코일로 만든 부품은 대기와 질소기체에서 안정된 양극성 행위를 지니며 질소기체가운데 최고의 홀 이동성은 3117cm2/Vs에 달하며, 전자 전이율은 4595 cm2/Vs에 달한다. 탄소나노코일은 또 안정된 선형 전류/전압 곡선을 지니며 최고 전류밀도는 7 × 107 A/cm2에 달한다(Adv. Mater.2011, 23, 2460-2463). 최근에는 중국농업대학의 연구원과 전기화학법을 이용해 유연성 기판에서 양전극 간에 일보법에 의해 산화그래핀의 환원을 실현하였고 농약감지용 센서에도 성공적으로 응용시켰다. 이 센서의 자주 사용되는 농약인 디메토에이트(Dimethoate)에 대한 감응 민감도는 7.6 ppb이며, 농약분자의 활성은 질소, 황과 인 원자가 공동작용한 결과에서 비롯된다는 점을 분석하였다. 관련 연구성과는 Adv. Mater. (2011, 23, 4626–4630)에 발표되었다. 그동안 연구원은 탄소나노튜브 및 특성연구를 통해 탄소나노튜브 제어제조, 생장메커니즘과 전기성능 연구에서 성과를 올렸고 학술계의 인정을 받았다. 미국왕립화학회는 Tutorial Review (Chem. Soc. Rev., 2011, 40, 1324-1336)의 형태로 최근 몇 년간 탄소나노튜브 분리와 농축에 관한 성과를 소개하였다. OFET는 잠재성이 있는 대면적의 저렴하며 유연성 전자부품으로서 지난 10년간 본격적인 연구와 발전에 힘입어 응용단계에 들어서고 있다. OFET은 박막형 부품위주이기에 박막의 제조기술, 특징기술은 박막의 품질과 부품성능에 크게 영향 미친다. 과제팀은 분자재료의 화학구조와 부품성능간의 관계에 큰 관심을 돌렸고 박막의 응집체구조와 부품성능간의 관계연구에서도 일부 성과를 올렸다. Chem. Rev.지의 초청에 응해 ‘OFET용 유기박막제조와 특징 실험기술’ 제목의 리뷰를 작성하여 발표했다(Chem. Rev. 2011, 111, 3358-3406). |
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