[보고서]고분자 반도체 기반 연성소재의 구조 및 분자배향 제어를 통한 고감도 플렉시블/스트레처블 센서 개발

장민철

고분자 반도체 기반 연성소재의 구조 및 분자배향 제어를 통한 고감도 플렉시블/스트레처블 센서 개발
(Final Report) Structure and Orientation Control of Polymer Semiconductor Based Soft Materials for Highly Sensitive Flexible and Stretchable Sensors 원문보기

보고서 정보
주관연구기관	전남대학교 Chonnam National University
연구책임자	장민철
보고서유형	최종보고서
발행국가	대한민국
언어	한국어
발행년월	2020-03
과제시작연도	2019
주관부처	과학기술정보통신부 Ministry of Science and ICT
등록번호	TRKO202000005115
과제고유번호	1711087256
사업명	개인기초연구(과기정통부)(R&D)
DB 구축일자	2020-07-29
키워드	공액고분자.분자배열.유기 전계효과 트랜지스터.센서.배향.플렉시블 디바이스.스트레처블 디바이스.복합체.상분리.

초록 ▼

□ 연구개요
고성능 플렉시블/스트레처블 센서 시스템을 구현하기 위해, 고분자 반도체 기반 고변형/고연성 복합 소재를 개발하고, 구조 및 분자배향 제어를 통해 전기적, 전자적, 그리고 기계적 특성을 향상시키는 연구를 진행하였음.
❖ 공액고분자 자기조립 유도기술 개발, 조립체 제조와 경질 기판 상 유기 전계효과 트랜지스터 제작 및 평가.
❖ 고변형/고연성 절연고분자와 혼합과 유연 기판상 유기 전계효과 트랜지스터 제작 및 평가.
❖ 유기 전계효과 트랜지스터 기반 플렉시블/스트레처블 스마트 센서 시스템 구현에 대한 연구를 수행하였음.

□ 연구 목표대비 연구결과
◆ 공액고분자 자기조립 유도기술 개발 및 조립체 제조:
- 저 휘발도 good solvent를 상대적으로 휘발도가 높은 good solvent에 소량(약 1.0~ 5.0 vol%) 첨가하여, 고분자 박막을 형성하는 동안 고분자 사슬들의 자기조립을 통해 섬유형태의 자기조립체가 만들어지는 기술 확립.
- poor solvent vapor노출을 통한 고분자용액 내 섬유형태의 자기조립체 제조 기술 확립.
- 자기조립 메카니즘 규명.
◆ 경질 기판 상에 유기 전계효과 트랜지스터 제작 및 특성 평가:
- 제조된 조립체를 이용하여 SiO₂/Si 기판 상에 bottom-gate bottom–contact 구조를 갖는 유기 전계효과 트랜지스터를 구성한 후 전기/전자적 특성 평가.
- 소량의 trichlorobenzene(5 vol%)를 첨가한 경우, 제조된 P3HT 박막의 전하 이동도가 크게 향상(~ 0.10 ㎠/Vs vs. 0.01 ㎠/Vs), 문턱전압 ± 40 V 이내, 점멸비 10³ 이상.
◆ 공액고분자/절연고분자 혼합박막 제조 및 구조 제어:
- 고분자 박막의 배향성을 향상시키는 공정법 개발.
- 새로운 공액고분자/절연고분자 블렌딩 포뮬레이션 개발 및 구조 제어를 통한 환경안정성 향상.
◆ 연질 기판 상에 유기 전계효과 트랜지스터 제작 및 특성 평가:
- P3HT 박막을 poly(ethylene terephthalate)(PET) 기판 상에 형성한 후 유기 전계 효과 트랜지스터를 구성하여 전기/전자적 특성 평가.
- 전하이동도(0.14 ㎠/Vs), 문턱전압 (V_th) 향상(± 30 V), 점멸비(on-current/off-current)(>10³).
◆ 유기 전계효과 트랜지스터 기반 플렉시블/스트레처블 센서 제작 및 특성 평가:
- 유기 전계효과 트랜지스터 기반 가스센서 제작완료.
- 가스센서 특성 평가 및 개선(암모니아가스 ppm 레벨 감지).

□ 연구개발결과의 중요성
◆ 기존에 연구가 미흡한 공액고분자들의 자기조립 메카니즘 규명을 통해 공액고분자 조립체에 대한 학문적 기초를 제시.
◆ 공액고분자 기반 복합 박막 상분리 및 배향에 대한 학문적 기초를 제공할 수 있을 뿐만 아니라, 이들이 복합 고분자 박막의 기계적 및 전기/전자적 성질에 미치는 영향을 이해.
◆ 고분자 자기조립 기술 개발 및 이해를 통해 다양한 크기 및 형태의 나노 구조체제조.
◆ 고분자 복합 박막의 구조와 배향 제어, 즉 물성제어를 통해 유기 전자소자 성능 향상.

(출처 : 연구결과 요약문 2p)

목차 Contents

표지 ... 1
연구결과 요약문 ... 2
목차 ... 3
1. 연구개발과제의 개요 ... 4
1.1. 플라스틱 일렉트로닉스의 중요성 ... 4
1.2. 센서 기술의 필요성 ... 4
1.3. 본 연구의 목표 및 연구범위 ... 4
2. 연구수행내용 및 연구결과 ... 4
2.1. 1차년도 ... 4
2.2. 2차년도 ... 8
2.3. 3차년도 ... 11
3. 연구개발결과의 중요성 ... 13
4. 참고문헌 ... 14
5. 연구성과 ... 15
대표적 연구실적 ... 17
끝페이지 ... 34

표/그림 (16)

표 (a) Photographs and (b) AFM phase images of P3HT films obtained by spin-coating CF solutions containing different DCB ratios. (c) Magnified AFM image of the P3HT film obtained from a CF/DCB-5 vol % solution
표 AFM phase images of P3HT films obtained by spin-coating a CF/CB-3% and CF/TCB-3% solution, respectively
표 (a) UV-vis absorption spectra of P3HT films prepared by spin-coating CF solutions with a small amount of DCB: 0, 1, 2, 3, and 5 vol %. (b) The absorption spectrum of the film obtained from a P3HT solution containing 3 vol % DCB subjected to deconvolution analysis. The red line indicates the spectrum of amorphous P3HT chains, and the blue line represents the spectrum of P3HT aggregates in the solidified film. The black line represents the experimental spectrum. (c) The intensity ratios of the (0-0) and (0-1) transitions obtained from P3HT films prepared via spin-coating CF solutions with various DCB contents (i.e., 0, 1, 2, 3, and 5 vol %). (d) The left axis indicates calculated exciton bandwidth, W and the right axis indicates percentage of aggregates in the corresponding films
$(a) Grazing incidence X-ray diffraction spectra for 96% RR P3HT films prepared from CF solutions with varied proportions of DCB: 0, 1, 2, 3, and 5 vol %. (b) The corresponding (100) d-spacing values and grain size as a function of DCB vol %$ 표 (a) Grazing incidence X-ray diffraction spectra for 96% RR P3HT films prepared from CF solutions with varied proportions of DCB: 0, 1, 2, 3, and 5 vol %. (b) The corresponding (100) d-spacing values and grain size as a function of DCB vol %
표 Schematic illustration of the non-solvent vapor treatment for controlling molecular self-assembly of P3HT chains
표 (a) Preparation process and (b) photograph of the OFETs
표 (a) Comparison of mobilities of films deposited from P3HT/CF solutions containing various amounts of CB, DCB, and TCB, respectively. (b) Transfer characteristics of OFETs based on P3HT films deposited from a pure CF solution, CF/AN (97/3) solution, and CF/DCB (97/3) solution
표 Schematic illustration of the procedure for aligning conjugated polymer nanowires (NWs) on a FET device substrate via controlled evaporative self-assembly by a mechanically-driven meniscus movement
표 AFM images (a,b), orientation maps (c,d), and POM images (e,f) of P3HT NW films obtained by spin-coating and MCESA, respectively. The spin-coating was conducted at 2000 rpm and the MCESA process was performed while one part of the cover plate was lifted up at 0.03 mm/s. The orientation map produced by using GTFiber software represents the orientation of NWs
표 (a) Schematic representation of P3HT/Parafilm-blend-based OFETs. (b) Comparison of average field-effect mobilities of spin-coated P3HT-NW/Parafilm, P3HT-NW/PS, and P3HT-NW/PDMS blend films exposed to ambient air for 4 weeks
표 (a) Schematic of experimental procedure for measuring electrical conductivity of blend films under strain. (b) Normalized conductivity (σ/σo) of P3HT-NW/PS, P3HT-NW/PDMS, and P3HT-NW/Parafilm blend films at different strains. (c) Variation of LED brightness for various elongations of the corresponding blend films
표 Schematic illustration of depostion of P3HT-NW/Parafilm blend films on FET device substrate via solution shearing. (b) Measured film thickness h as a function of deposition rate V. The solid line is an experimental profile, and the dashed lines are exponential fits. (c) AFM images of P3HT-NW/Parafilm blend films spin-coated and shear-coated at 0.5, 1, 2, 4, 8, and 10 mm/s. The insets are POM images of each film
표 (a) Schematic structure, (b) photoimage, and (c) transfer characteristics of an OFET device
표 Schematic illustration of the procedure for fabricating a porous P3HT film on FET device substrate via solution shear coating
표 AFM images of porous P3HT films fabricated by solution shear-coating under different speeds
표 (a) Photoimage of the gas sensor based on a porous P3HT FET. (b) The sensitivity change of the gas sensor depending on the pore size of the P3HT film

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