초록 ▼

□ 연구개요
최근 유기물을 이용한 다양한 소자(OLEDs, OTFTs, Organic Solar Cells 등)의 연구개발의 발달로 기존의 유기반도체와 금속 등 무기물 사이의 계면전자구조 연구는 지금까지 많은 그룹에서 진행하였다. 그리고 이를 통해 현재 국가 산업의 한 축을 이루고 있는 다양한 소재 개발도 원활하게 진행되어왔다. 2차원 소재 또한 다양한 영역에서 차세대 소자로 주목받아왔으며 특히 열린 띠 구조를 지닌 단일층 흑린, 단일 층 주석 등 기존 2차원 소재의 한계를 극복하기 위한 다양한 2차원 소재가 개발되고 있다.

□ 연구개요
최근 유기물을 이용한 다양한 소자(OLEDs, OTFTs, Organic Solar Cells 등)의 연구개발의 발달로 기존의 유기반도체와 금속 등 무기물 사이의 계면전자구조 연구는 지금까지 많은 그룹에서 진행하였다. 그리고 이를 통해 현재 국가 산업의 한 축을 이루고 있는 다양한 소재 개발도 원활하게 진행되어왔다. 2차원 소재 또한 다양한 영역에서 차세대 소자로 주목받아왔으며 특히 열린 띠 구조를 지닌 단일층 흑린, 단일 층 주석 등 기존 2차원 소재의 한계를 극복하기 위한 다양한 2차원 소재가 개발되고 있다. 따라서 현재 산업화로 접어든 유기반도체 물질과 차세대 소재인 2차원 소재와의 결합에 관한 관심도 커지고 있다. 하지만 기존의 전자구조 분석의 노하우가 여러 가지 문제점(특히 검출된 시그널이 매우 작기 때문에 그 결과가 2차원 물질에서 나온 것인지 유기반도체에서 나온 것인지 구별하기 어려움) 때문에 초기 성장된 유기반도체와 2차원 소재의 계면전자구조 연구에 적용하는 데 한계를 보이고 있다. 이를 극복하기 위해 지금까지 시도되지 않았던 X선 방사분광법(X-ray Emission Spectroscopy: XES)을 이용해 2차원 소재와 그 위에 초기 성장하는 유기반도체의 계면전자구조를 원자 선택적으로 분석을 진행하고자 한다. 원자 선택적으로 전자구조를 분석하게 되면 작은 두께의 2차원 소재와 그 위의 유기반도체 물질의 전자구조를 분리하여 분석할 수 있다.

□ 연구 목표대비 연구결과
1차년도 연구목표는 XES를 이용한 저차원 물질의 전자구조 분석 방법을 확립하는 것이다. XES를 이용한 2차원 소재 전자구조 분석방법을 확립하기 위해 먼저 XES를 이용한 van der Waals 접합구조의 저차원 물질인 단분자 유기재료의 전자구조 분석부터 진행하여야 한다. 특정 원자의 전자구조를 선택적으로 분석할 수 있는 Resonant X-ray Emission Spectroscopy (RXES) 분석방법은 균일하지 않은 저차원 물질 전자구조분석에 용이할 것으로 기대되었고, 또한 이렇게 측정된 결과를 정확하게 해석하기 위해서 물질의 Density Functional Theory (DFT) 계산도 동시에 진행되어야 한다. 세부적으로 van der Waals 접합 구조를 가지는 저차원 물질인 유기 반도체 물질(HAT-CN)의 전자구조를 RXES를 통하여 성공적으로 분석하였고, 그 결과를 DFT 계산 결과를 통해서 해석할 수 있었다. 2차년도 연구목표는 다양한 X선 분석법을 이용하여 2차원 소재와 유기반도체 물질 간의 계면전자구조를 분석하는 것이다. 이를 위해 먼저 1차년도에 분석한 HAT-CN 유기반도체 물질을 대표적인 2차원 물질인 graphene과 phosphorene간의 계면전자구조 분석을 진행하였다. 하지만 graphene의 경우 특별한 변화를 관찰할 수가 없었고 phosphorene의 경우 강한 X선에 손상이 되어 실험이 용이하지 않다. 따라서 차선책으로 graphene 대신에 single-walled carbon nanotube와 HAT-CN의 계면전자구조를 분석하고 그 결과가 실제 소자에 미치는 영향을 분석하였다. 3차년도에는 페로브스카이트 태양전지의 전하이동층에 비이온성 계면활성 물질인 Triton X-100를 첨가하여, 태양전지 효율이 향상됨을 보고하였다. 그 원인을 규명하고자 다양한 전자구조 분석 을 진행하였는데, 그 중에서 본 연구팀은 전하이동층(PEDOT:PSS)에 Triton X-100를 다양한 농도로 첨가한 시료에 대한 X선흡수분광법 실험을 미국 스탠포드 방사광가속기에서 진행하였다. 그 결과 Triton X-100의 농도에 따라 PEDOT:PSS의 분자 정렬이 흐트러짐을 확인하였다. 따라서 이로 인해 변화된 전자구조에 의해 전하이동층 계면에서의 전자, 전공 재결합을 막아 태양전지 효율이 향상된다는 사실을 규명하였다.

□ 연구개발결과의 중요성
기술적 측면
기존의 전자구조 분석 방법이 아닌 RXES, XAS를 이용하여 다양한 유기 소자에 사용되는 저차원 유기재료의 원자 선택적 전자구조 분석법 확립하였고 이를 이용하면 페로브스카이트 및 다양한 새로 개발된 소재에 대한 원자 선택적 전자구조 분석을 진행할 수 있을 것으로 기대된다.
- 경제적 산업적 측면
이 연구결과를 통해 학문적 성과뿐만 아니라 OLED 및 유기 태양전지 산업 등 새로운 소재를 이용한 다양한 소자 개발에도 원자 선택적 전자구조 분석 연구가 활용될 수 있을 것으로 기대된다. 또한, 관련 산업에 필요한 인력도 지역대학에서 꾸준히 양성할 수 있을 것이다.

(출처 : 연구결과 요약문 2p)

목차 Contents

• 표지 ... 1
• 연구결과 요약문 ... 2
• 목차 ... 3
• 1. 연구개발과제의 개요 ... 4
• (1) 1차년도(2017) ... 4
• (2) 2차년도(2018) ... 4
• (3) 3차년도(2019) ... 4
• 2. 연구수행내용 및 연구결과 ... 5
• 3. 연구개발결과의 중요성 ... 8
• 4. 참고문헌 ... 9
• 5. 연구성과 ... 11
• 끝페이지 ... 12