유기 반도체의 결정 구조를 효율적으로 제어하는 고성능 유기 반도체 분자 설계가 가능하게
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2020
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63-64(2쪽)
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이화학연구소 응급물성과학연구센터 응급분자기능연구팀의 체규안ㆍ원 특별연구원, 瀧宮和男 팀 리더들의 공동연구그룹은 결정구조 중의 분자간 상호작용의 이방성에 주목, 유기분자의 구조를 정밀하게 설계함으로써 유기반도체의 배열 및 결정 구조를 유효하게 제어 할 수 있다는 것을 발견했다.
본 연구성과는 디스플레이백플레인과 ID태그 등의 전자 장치를 위한 고성능 유기반도체의 개발에 기여 할 것으로 기대된다.
지금까지 가볍고 유연한 전자장치 등의 제조를 위한 높은 캐리어 이동도를 가지는 유기반도체의 실현을 목표로 다양한 유기분자 혹은 고분자재료가 개발되어 왔다. 그러나 그들 중 대부분은 개별분자의 설계에 주안점을 두었고, 개별분자의 응집상태인 결정구조에 대한 제어에는 큰 관심이 없었다.
이번 공동연구그룹은 유기반도체로 자주 사용되는 황원자를 포함하는 방향족탄화수소화합물인 치에노아센의 유도체에 대해 단결정 X선 구조해석에서 얻어진 결정구조를 바탕 크리스탈 중 분자 사이에 작용하는 상호작용을 조사했다. 그 결과, 간단한구조의 치환기의 종류와 위치에 따라 분자 간 상호작용이 크게 영향을 받는 것으로부터, 그 작업은 높은 이동성 자료에 어울리는 결정 구조로 제어 할 수 있는 것을 발견했다. 그리고 새로 개발한 치에노아센 분자의 결정을 이용하여 유기전계 효과 트랜지스터를 제작했는데, 4 cm<sup>2</sup>/Vs 이상의 높은 이동성을 보여주었다.
유기반도체재료의 결정구조는 몇 가지 유형이 있으며, 그 중 가장 높은 이동도를 나타내는 것이 루브렌이라는 반도체 분자구조인 ‘경사형 π 적층구조’이다. 경사형 π 적층구조는 판 모양의 분자구조를 가진 유기반도체분자가 분자의 장축을 기울여 쌓인 결정구조에서 분자의 적층방향에 높은 이동도를 발현한다. 그러나 이런 형태의 결정 구조는 루부렌 이외의 유기반도체분자는 거의 보이지 않기 때문에 경사형 π 적층 구조를 갖는 반도체분자를 개발하는 것이 유기반도체재료 연구의 오랜 과제였다.
공동연구팀은 단결정 X선 구조분석을 통해 황원자를 포함하는 방향족탄화수소화합물(치에노아센)의 유도체가 경사형 π 적층구조를 갖는 것을 발견하고 그 결정구조 중에서 치에노아센 분자 사이에 작용하는 상호작용에 주목했다. 그리고 결정 중에서 분자의 형태와 방향에 따라 수행하는 방식이 다르다는 점에 착안하여 판데르발스힘 등의 약한 분자 간 상호 작용이 결정구조에 미치는 영향을 검토했다. 그 결과, 티오기(-SMe)라는 간단한 구조의 치환기를 분자의 특정 위치에 도입하면 분자가 공간적으로 접근, 분자 간 상호작용이 유효작동 방향을 제어 할 수 있는 것을 발견했다.
그렇다면 이 분자설계 지침하에 π 확장 치에노아센 분자를 새롭게 합성하여 실제로 루부렌 경사 π 적층 구조를 갖는 것을 실험적으로 밝혔다(Figure 왼쪽). 또한 이 분자활성층을 이용한 유기 전계 효과 트랜지스터를 제작했는데, 4 cm<sup>2</sup>/Vs 이상의 높은 이동도를 나타내는 것을 알 수 있었다(Figure 오른쪽). 이 이동도는 동일한 조건으로 제작한 루부렌 유기전계효과 트랜지스터의 이동도 같은 정도이기 때문에 이 결정 구조제어방법이 높은 이동도의 유기반도체 재료의 개발에 매우 효과적임을 확인하였다.
본 연구는 영국왕립 화학회의 과학 잡지 Chemical Science 온라인 판에 게재 예정이다.
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