유연하고 투명한 생분해성 유기 광트랜지스터
문정희 기자 2018-06-09 18:27 0

빛을 전기 신호로 변환하는 광트랜지스터에 유연함과 투명함뿐만 아니라 친환경적 특성까지 더해졌다. 주병권 교수 및 박준수 박사과정 연구원(고려대학교), 서정훈 교수(뉴욕주립대학교), 전영민 박사(한국과학기술연구원) 국제공동연구팀이 셀룰로오스를 기반으로 생분해성 유기 광트랜지스터를 개발했다고 한국연구재단은 밝혔다.


유기 광트랜지스터는 유기물 반도체 물질을 사용해 빛을 전기 신호로 변환하는 광소자로, 사물인터넷 등에 광범위하게 적용될 수 있어 그 중요성이 강조되고 있다. 그러나 독성 물질이나 불투명한 전극이 사용되어, 생체의료 기기에서의 활용이 제한적이다. 또한 버려지는 전자기기 폐기물에 의한 환경오염 문제가 대두되면서 자연 분해될 수 있는 전자소자 연구가 필요한 실정이다.


연구팀은 유연한 유기 광트랜지스터의 장점을 유지하면서 독성이 없고 자연 분해될 수 있는 친환경적인 광소자를 개발했다.


개발된 소자는 나무의 주성분인 셀룰로오스 소재를 기반으로 해 목재 부후균에 의해 분해된다. 기존의 독성 물질은 무독성 유기 반도체로 대체됐다.


또한 투명전극을 이용해 빛의 투과도도 우수하다. 특정 색깔의 빛(적색, 녹색, 파란색)이나 백색광을 쬐었을 때 광전류가 발생하는 것이 확인되어, 광센서로의 기능도 입증됐다.
주병권 교수는 “이 연구는 유연하고 투명할 뿐 아니라 생분해가 가능한 친환경적인 광센서 소자를 개발한 것”이라며 “추후 다양한 형태의 곡면에서 고감도의 광 검출이 필요한 입을 수 있는 제품, 특히 생체공학 소재 개발에 사용될 수 있을 것으로 기대된다”라고 연구의 의의를 설명했다.


이 연구는 과학기술정보통신부·한국연구재단 기초연구사업(중견연구자) 지원으로 수행됐으며, 나노분야 국제학술지 첨단광학소재(Advanced Optical Materials)지 뒤표지 논문으로 5월 7일에 게재됐다. 

 

제작된 유기 광트랜지스터의 카메라 사진 및 투과도 
(a)유기 광트랜지스터 소자의 구조 모식도
(b-c)제작된 소자가 시각적으로 투명하고 기계적인 굽힘에 대해 유연함을 보여주는 사진
(d)가시광선 영역에서의 투과도
본 연구에서 제작된 유기 광트랜지스터 소자는 시각적으로 투명하고 반경 5㎜의 기계적인 굽힘에 대해서 유연함을 보인다. 또한, 가시광선 영역에서 전극 물질을 금(Au)을 사용했을 때보다 약 28% 높은 70.4%의 우수한 투과도를 보인다.

 

갈색 부후균에 의한 소자의 생분해 과정
제작된 유기 광트랜지스터를 목재 부후균에 노출시킴으로써 생분해가 가능함을 확인할 수 있다. 갈색 부후균에 노출된 소자는 9주 뒤에 부후균에 의해 완전히 뒤덮이게 되고, 14주 뒤에 47.22%의 무게 감소율을 보이며 생분해되고 있는 과정을 보인다.

 

첨단광학소재(Advanced Optical Materials) 2018년 6권 9호 뒤표지

 

 

★ 연구 이야기 ★

 

Q. 연구를 시작한 계기나 배경은.
A. 생분해성 기판으로 각광받는 셀룰로오스 나노섬유 소재를 기반으로 한 전자소자의 문제점을 파악하고 한계를 극복하기 위해 무독성의 유연한 유기 반도체 물질과 저온에서 증착이 가능한 투명 전극을 이용해 유기 광트랜지스터 전자소자 개발에 착수하게 됐다. 

 

Q. 연구 전개 과정에 대한 소개.
A. 나무로 만들어진 셀룰로오스 나노섬유(CNF, Cellulose Nanofibrillated Fiber) 기판, 저온에서 증착이 가능한 산화인듐아연(IZO) 투명 전극, 무독성의 펜타센(Pentacene) 유기 반도체를 이용해 광트랜지스터 소자를 제작했다. 제작된 광트랜지스터의 투과도, 광반응 및 기계적 유연성 측정, 목재 부후균에 의한 생분해 특성 등 다양한 특성 평가와 결과 분석을 통해 성능을 입증했다.

 

Q. 연구하면서 어떤 장애요소가 있었고, 어떻게 해결(극복)했는지.
A. 셀룰로오스 나노섬유 기판은 나노섬유가 무작위로 분포된 형태이기 때문에 다른 유연 기판과 비교했을 때 거친 표면의 특성을 보이고, 펜타센 유기 반도체는 증착을 하고자 하는 표면의 거친 정도에 따라서 전기적인 특성이 달라지는 물질이다. 이에 따라서 용액의 형태로 도포가 가능하기 때문에 표면을 고르게 만들 수 있고, 펜타센 유기 반도체와 호환이 좋은 폴리메틸메타크릴레이트(PMMA)를 트랜지스터의 절연 물질로 선정 및 적용해 이를 해결할 수 있었다.
또한 산화인듐아연 물질이 전극으로서 펜타센 유기 반도체 표면에 직접적으로 형성된다면, 두 물질 사이 계면에서의 에너지 준위 차이 때문에 전하의 이동이 원활하지 않게 된다. 이러한 문제를 해결하기 위해서 전이산화금속의 일종인 삼산화 몰리브덴을 전극과 반도체 사이에 도입해 원활한 전하의 이동을 확보했다.

 

Q. 이번 성과는 기존과 무엇이 다른가.
A. 독성물질 또는 불투명한 전극을 사용한 기존의 셀룰로오스 나노섬유 소재 기반의 전자소자는 생체 의학 분야의 응용이 제한되어 왔다. 무독성, 유연성, 투명성의 특성을 확보함으로써 이러한 응용분야에 적용이 가능할 것으로 보인다.

 

Q. 실용화된다면 어떻게 활용될 수 있나. 실용화를 위한 과제는.
A. 추후 다양한 형태의 곡면에서 고감도의 광 검출이 필요한 입을 수 있는(Wearable) 제품에 적용, 특히 생체공학 소자 개발에 사용될 수 있을 것으로 예상된다. 하지만, 본 연구에서 사용된 폴리디메틸메타크릴레이트 절연물질은 낮은 유전상수의 특성을 보이기 때문에 상대적으로 높은 구동전압을 요구하고, 이는 전력소모 측면에서 실용화를 제한시킨다. 적절한 용매의 교체 또는 높은 유전상수(High-k) 물질과의 이중층 형성 등의 방법을 이용해 구동전압을 낮추는 것이 실용화를 위한 핵심이 될 것으로 보인다.
 

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문정희 기자
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