화학공학소재연구정보센터
  • 상호 대립적인 특성들을 동시에 가진 유기 반도체등록일 : 2015/12/14
  • 유기 반도체 재료의 경우에, 빛을 방출하는 능력과 전하를 전도하는 능력 간에 항상 거래가 존재했다. 현재, 중국과 영국 연구진은 단일 재료 속에 높은 형광과 높은 이동도를 동시에 가진 새로운 유형의 유기 반도체를 디자인하고 합성하는데 성공했다. 이번 연구진은 저널 Nature Communications의 최신호에 새로운 유기 반도체에 대한 내용을 게재했다.

    “높은 이동도와 강한 방출을 가진 유기 반도체의 개발은 새로운 유기 반도체의 디자인 및 합성에 새로운 문을 열 것”이라고 중국 과학원(Chinese Academy of Sciences)과 베이징항공항천대학(Beihang University)의 Huanli Dong은 말했다.

    현재, 높은 발광을 가진 모든 유기 반도체 재료들은 낮은 이동도를 가지고 있다. 단일 유기 반도체 속에 두 개의 특성들을 결합시키는 것은 유기 광발광 트랜지스터와 같은 새로운 종류의 광전자장치에 필수적이다.

    높은 이동도와 높은 발광을 동시에 구현할 수 없는 이유는 그들이 독특한 반대 유형의 분자 구조를 필요로 하기 때문이다. 높은 이동도는 분자들이 서로 조밀하게 결합되게 하고, 조밀한 분자들은 형광 소광(fluorescence quenching)을 불러온다. 형광은 전자가 기저 상태로 떨어질 때 발생하고, 이 프로세스에서 광자를 방출한다. 그러나 조밀한 분자들은 전자들이 기저 상태로 전환하는 것을 막는 강한 분자간 상호작용을 가지는 경향이 있다. 이것은 광자 방출을 방지한다.

    DPA(2,6-diphenylanthracene)라고 불리는 새로운 유기 반도체 화합물을 디자인할 때, 이번 연구진은 높은 이동도를 보장하기 위해서 분자들을 조밀하게 유지했다. 분자들을 전략적인 방법으로 서로 조밀하게 만듦으로써, 이번 연구진은 형광 소광을 매우 감소시킬 수 있었다.

    이번 연구진은 이 새로운 분자 배열을 “herringbone packing”이라고 불렀다. 이것은 분자들이 매우 조밀하지만 다른 유형의 배열보다 더 약한 분자간 상호작용을 가지는 지그재그 패턴을 가진다. 더 약한 상호작용은 전자들이 기저상태로 전환되게 한다. 그래서 분자는 높은 이동도와 함께 높은 발광을 가진다.

    이러한 특성을 증명하기 위해서, 이번 연구진은 밝은 청색 발광을 하는 유기 발광 다이오드를 제조하고 우수한 전하 전달을 가지는 유기 전계 효과 트랜지스터를 제조하는데 DPA 반도체를 사용했다. 또한 이번 연구진은 이런 두 개의 장치들을 결합시켰다. 이것은 유기 전계 효과 트랜지스터로 구동되는 유기 광발광 다이오드 어레이를 생성시켰고, 이것들은 동일한 유기 반도체를 기반으로 만들어졌다. DPA는 유기 광전자장치를 위한 새로운 재료로서 큰 각광을 받을 수 있을 것이다.

    이 연구결과는 저널 Nature Communications에 “High mobility emissive organic semiconductor” 라는 제목으로 게재되었다(DOI: 10.1038/ncomms10032).

    그림 1. 자외선 하에서, 밝은 모서리 방출을 가지면서 청색 방출을 하는 DPA 결정.
    그림 2. (왼쪽) DPA의 분자 구조. (오른쪽) 자외선 하에서, DPA 분말은 강한 청색 방출을 생성한다.
  • 키워드 : 유기 반도체, 형광, 이동도
  • 출처 : KISTI 미리안 글로벌동향브리핑