일본 큐슈대학 대학원 공학연구원/탄소중립 에너지 국제 연구소/미래 화학 창조센터, 큐슈대학 분자 시스템장치 국제 지도자 교육센터의 연구 그룹은 고분자 반도체에서의 전하가 생성되는 메커니즘을 최초로 밝혀냈다.

폴리(3-헥실 티오펜, 이하, P3HT)는 대표적인 고분자 반도체로서, 광 에너지를 전기 에너지로 변환할 수 있는 능력을 가진 플라스틱이다. P3HT에 빛을 쬐면 양전하와 음전하의 짝이 형성된 후 자발적으로 양극과 음극 전하가 분리되는 것을 알았다. 또한, 이 전하 생성은 P3HT의 열 운동에 의해 빨라진다는 것을 밝혀냈다. 이상의 연구 성과는 P3HT를 비롯한 고분자 반도체의 분자 설계 및 유기 고분자 일렉트로닉스 장치의 재료 설계의 지침이 되고, 나아가 더 얇은 디스플레이의 개발이나 페인트처럼 칠하는 것만으로도 간단하게 만들 수 있는 태양 전지의 개발로 이어진다.

이 연구 성과는 2015년 2월 13일(금) 오전 10시(영국 시간) 국제 학술지 Nature 자매지 온라인 저널 "Scientific Reports"에 게재되었다.

최근 유기 박막 태양 전지 및 유기 전계 효과 트랜지스터로 대표되는 유기 고분자 일렉트로닉스 디바이스가 주목을 받고 있다. 유기 박막 태양 전지는 가볍고 설치가 용이하기 때문에, 강도가 부족한 지붕이나 벽면에 쉽게 설치되기 때문에, 태양 전지의 보급에 매우 유용하다. 하지만, 그 반면 광 에너지를 전기 에너지로 변환(광전 변환) 효율이 낮은 것이 과제가 되고 있었다. 

유기 및 고분자 전자 디바이스의 주요 구성 성분인 고분자 반도체 중에서도 폴리(3-헥실티오펜) (이하, P3HT)이 주목을 받고 있다. P3HT는 전기를 전하는 능력이 높고, 용제에 녹여 도포하는 것이 가능하다. P3HT는 티오펜 고리라는 황 원자(S)를 포함한 단위 헥실기가 결합된 강직한 고분자(그림 1)에, 티오펜 고리가 겹치는 구조를 형성하고 있다 (그림 2) . 

그동안 P3HT는 빛을 흡수하면 전하를 생성한다는 것은 알려져 있었지만, 그 메커니즘은 100% 해명되어 있지 않았고, 실제로 사용할 때 중요한 온도 변화에 따른 효과 등은 확인되어 있지 않았다.

연구 그룹은 P3HT에 빛을 조사하면 양전하와 음전하 쌍(폴라론대)을 생성한 후 이들이 스스로 자유 전하(폴라론)로 분리된다는 것을 실험적으로 밝혀냈다.

또한, 폴라론대에서 폴라론이 생성되는 과정은 실온(약 27℃)에서 빨라진다는 것도 확인했다. 이상의 결과로부터 티오펜 고리의 트위스트 운동이 폴라 론 형성에 관여하는 중요한 요소라고 결론짓고 있다.

본 연구 성과에 의해 폴라론 대의 생성 속도를 높이고, 티오펜 고리 트위스트 운동 (그림 1) 을 용이하게 한다는 두 가지 요건을 충족하는 전하 생성률이 높은 분자 설계가 가능하게 된다. 

유기 전자 디바이스에서 고분자 반도체는 얇은 상태에서 사용되는 전극과 절연층 등 다양한 재료와 접하게 된다. 티오펜 고리의 트위스트 운동은 전극과 절연층 등과의 접촉 계면의 영향을 받기 때문에 계면에서의 전하 생성 과정도 달라질 것으로 예상된다. 앞으로는 계면에서 고분자 반도체의 운동과 광전하 생성 과정에 대해 밝혀 나갈 예정이다.

이러한 연구 성과는 유기 전자 장치의 고성능화로 이어지는 기초 과학 기술이며, 장기적으로는 더욱 얇은 디스플레이의 개발과 태양 전지의 성능 향상으로 이어질 것으로 기대된다. 

출처 KISTI 미리안 『글로벌동향브리핑』