초록 ▼

□ 연구개요
본 과제는 유기반도체 기반 n-p 이종접합 시스템을 제작하고, 다양한 이종접합 표면에 광전류를 증가시키기 위한 perovskite 양자점(quantum dot; QD)을 흡착시키거나 광흡수 효율을 극대화시키기 위한 금속나노구조체 등을 흡착시킨 하이브리드 나노시스템을 제작하여서 광반응 에너지 및 전하이동 특성을 연구한다. 이를 기반으로 source-drain 인가전압 없이 빛으로 작동하는, 즉, 광기전-구동(photovoltaic-driven) 이중극성 트랜지스터(ambipolar transistor)를 개발하였다.

□ 연구개요
본 과제는 유기반도체 기반 n-p 이종접합 시스템을 제작하고, 다양한 이종접합 표면에 광전류를 증가시키기 위한 perovskite 양자점(quantum dot; QD)을 흡착시키거나 광흡수 효율을 극대화시키기 위한 금속나노구조체 등을 흡착시킨 하이브리드 나노시스템을 제작하여서 광반응 에너지 및 전하이동 특성을 연구한다. 이를 기반으로 source-drain 인가전압 없이 빛으로 작동하는, 즉, 광기전-구동(photovoltaic-driven) 이중극성 트랜지스터(ambipolar transistor)를 개발하였다. 즉, 한 개의 소자에서 빛으로 작동하는 전지(태양전지)와 이중극성 트랜지스터, 정류기(rectifier) 기능을 동시에 갖는 일체형 다기능(multifunction) 광기전 나노소자를 개발하였고 이에 대한 성능 최적화 연구를 수행하였다.

□ 연구 목표대비 연구결과
1. Rubrene, tetracene, Au-TPP 등의 유기반도체와 2차원 무기반도체 전이금속 다이칼코제나이드(transition metal dichalcogenide; TMDC) MoS₂, MoSe₂, WSe₂를 이용하여 n-p 이종접합 나노시스템을 제작하였다. 다양한 유기-무기 n-p 이종접합 나노시스템에 대한 레이저 공초점 현미경(laser confocal microscope; LCM) 광 발광 (photoluminescence; PL), Raman, 나노규모 광흡수, 시간분해 (time-resolved; Tr) PL, XPS 스펙트럼을 측정하여 이종접합 경계면에서 에너지 전달과 전하이동 등의 하이브리드 특성에 대한 기초 물성자료를 구축하였다.
2. p형 유기반도체 rubrene 혹은 2차원 무기반도체인 MoS₂, MoSe₂, WSe₂ 표면에 perovskite 양자점인 CsPbX₃ (X=halogen 원자)-QDs를 흡착시켜서 LCM PL, Raman 스펙트럼을 측정, 분석하였다. Rubrene LCM PL 세기 증가를 통해서 에너지 전달현상을 확인하였다. MoS₂, MoSe₂, WSe₂ 기반 FET에서 다양한 CsPbX₃-QDs 흡착 후 광전류 증가, 문턱전압의 음의 방향 이동, 광반응도 증가를 관찰하였다. 이러한 결과는 CsPbX₃-QDs에서 광 여기 엑시톤(exciton)의 공헌과 trap 상태의 존재에 따른 photo-gating 효과로 해석할 수 있다. 광반응 트랜지스터 측면에서 perovskite 양자점인 CsPbX₃-QDs은 유기반도체보다는 2차원 TMDC에서 전기적 성능을 증가시켰다.
3. Rubrene/MoS₂ 한 개의 FET 소자에서 빛으로 작동하는 태양전지와 이중극성 트랜지스터 기능을 동시에 갖는 일체형 다기능(multifunction) 광기전 나노소자를 개발하였다. 또한 rubrene/MoS₂ 수평구조(lateral-type) n-p 이종접합을 이용한 회로 소자(4개의 수평전극 증착)에서 차세대 다진법(multinary) 컴퓨터의 핵심소자가 되는 새로운 개념의 광기전 삼진법 인버터(photovoltaic ternary inverter)를 개발하였다. 또한 2차원 TMDC 물질인 MoS₂와 WSe₂의 교차구조 (cross-type) n-p 이종접합을 제작하였고 표면에 기능성 유기고분자를 passivation하여 안정적 ‘1’, ‘1/2’, ‘0’의 세 개 출력값을 구현하는 삼진법 인버터를 개발하였다.

□ 연구발성과의 활용 계획 및 기대효과(연구개발결과의 중요성)
1. 학문적 측면에서 유기반도체 기반 하이브리드 나노시스템을 통해서 새로운 이종접합 양자물질계에서 엑시톤 형성, 엑시톤 분리, 전하 거동에 대한 나노스케일 광반응 에너지 및 전하 전달 현상을 관찰할 수 있었다. 따라서 나노규모 반도체 특성의 양자물질계에서 새로운 학문적 내용으로 활용될 수 있다.
2. 소재 측면에서 유기, 무기 반도체의 정밀 제어를 통한 최적화된 하이브리드 나노시스템을 제작하는 기술을 구축할 수 있었다. 광전자 분야의 원천 나노소재 개발에 기여할 수 있다.
3. 응용 측면에서 광기전-트랜지스터는 태양광을 사용하는 신재생 에너지 소자이고, 반도체 분야 주요 핵심 소자가 된다. 따라서 원천특허 확보를 통한 제조기술 선점과 21세기 유망 소재 및 소자 산업의 하나로 산업화에 기여할 수 있다.
4. 차세대 하이브리드 나노소재 합성, 나노스케일 물성 측정 및 정밀 제어 기술, 광전자 응용소자 분야의 전문 연구자 배출, 연계 학문분야의 교육 및 연구 인력 인프라를 구축하는데 기여할 수 있다.
5. 이종접합 하이브리드 나노시스템과 광기전-트랜지스터는 국가 산업과 경제 활성화를 위한 차세대 전자전기, 에너지, 광전자 분야의 원천 나노 소재와 소자로 활용할 수 있다.

(출처 : 연구결과 요약문 2p)

목차 Contents

• 표지 ... 1
• 연구결과 요약문 ... 2
• 목차 ... 3
• 1. 연구개발과제의 개요 ... 4
• 가. 연구개요 및 최종 연구목표 ... 4
• 나. 연구범위 ... 4
• 2. 연구개발과제의 수행 과정 및 수행 내용 ... 5
• 가. 세부 연구목표 대비 연구 수행 과정 및 내용 ... 5
• 3. 연구개발과제의 수행 결과 및 목표 달성 수준 ... 14
• 1) 정성적 연구개발성과(연구개발결과) ... 14
• 2) 세부 정량적 연구개발성과 ... 14
• 3) 목표 달성 수준 ... 15
• 4) 목표 미달 시 원인 분석 ... 16
• 4. 연구개발성과의 관련 분야에 대한 기여 정도(연구개발결과의 중요성) ... 16
• 5. 연구개발성과의 관리 및 활용 계획 ... 16
• 6. 참고문헌 ... 17
• 붙임1. 세부 정량적 연구개발성과 ... 18
• 붙임2. 연구책임자 대표적 연구실적 및 증빙(요약문 및 사본) ... 24
• 끝페이지 ... 39