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공액 폴리머(Conjugated polymer)는 쉽게 가공할 수 있는 특징을 보유하고 있기 때문에 플렉시블 디스플레이, 태양전지, 집적회로 등 분야에서 폭넓게 응용되고 있으며 폴리머 분야의 한 개 중요한 부분으로 되고 있다. 간단하고 효과적인 방법을 통해 공액 폴리머 형태에 대해 조절을 실행하여 공액 폴리머의 성능을 뚜렷이 향상시키는 연구는 최근 과학연구 분야 이슈로 부상한 상황이다. 

중국과학원 창춘(長春) 응용화학 연구소 양샤오뉴(楊小牛) 연구원 연구팀은 최근 관련 연구를 통해 공액 폴리머 및 복합 박막 형태(composite film morphology)를 연구 대상으로 선정하고 공액 폴리머 응집물질 구조 및 디바이스 성능 간의 관계에 대한 심층적인 연구를 실행하고 혁신적인 성과를 취득하여 이슈가 되고 있다. 

연구팀은 전하 전송 에너지 장벽, 공액 폴리머 결정 동력학 및 열 역학 등 분야에서 전하 전송 증강 및 복합 박막 형태에 대한 정밀 조절 메커니즘을 제시함으로써 높은 전도 비율의 복합 박막 및 효율적인 폴리머 태양전지 연구 개발을 위해 필요한 이론 및 실험 근거를 제공하였다. 연구팀의 관련 연구 성과는 최근 지린성(吉林省) 정부의 ‘자연과학상’ 1등 상을 수상하였다. 

연구팀은 이번 연구를 통해 최초로 절연 매트릭스(Insulating matrix) 증강 반도체 폴리머 전기 전도 비율 및 이전 비율 현상을 발견하였으며 용해 액체의 자체 조립 루트를 통해 2개 위상 인터페이스와 위상 분리 사이즈를 제어하는 새로운 방법을 제시하여 전기 전도 성능이 우수한 반도체/절연체 폴리머 복합 재료를 개발하는데 성공하였다. 

연구팀은 전기 전도 원자력, 저온 및 온도 변화 조건 하에서의 전하 전송 행위 등 수단을 이용하여 절연 매트릭스 증강 공액 폴리머 전기 전도 비율 현상에 대한 정밀 연구를 실행하고 전하 전송 증강 메커니즘 및 전기 전도 비율 증강의 핵심 요소 및 필요 조건을 제시함으로써 우수한 전기 전도 성능을 보유하고 가공하기 쉽고 가격이 저렴한 동시에 안정적인 폴리머 복합 재료 개발을 위한 새로운 루트를 제공하였다. 

연구팀은 이번 연구를 통해 최초로 제어 가능 용제 분위기 처리를 실현하였으며 최초로 폴리치오펜(polythiophene) 메인 체인이 기판 배열과 수직되는 새로운 방향 선정 방식을 개발하고 전통적인 박막 두께가 가로 방향 전하 이전 비율에 대해 제한을 받는 문제점을 해결하였다. 

연구팀은 이번 연구를 통해 폴리치오펜(polythiophene) 모델 시스템의 결정 동력학과 열 역학 행위에 대한 계통적인 분석을 실행하고 최초로 제어 가능한 용제 분위기/열 냉각 조건 하에서 다양한 결정 타입 간의 상호 변환을 실현하였으며 폴리치오펜 메인 체인이 기판에 수직되는 배열은 열 역학 안정 상태에 속한다는 중요한 결론을 도출하였다. 

연구팀은 이번 연구를 실행하는 과정에서 공액 폴리머 결정 가능성을 보유한 용해 액체 속에서 순서적인 전구체를 구성하여 ‘전자 잉크’를 제조하는 새로운 방법을 개발하였으며 열 냉각 등 공법이 대 면적 장치 제조 공법에 대한 제한성을 제거하는데 성공하였다. 

동시에 연구팀은 1단계 방법으로 높은 결정 정도, 높은 이전 비율, 높은 광 전기 전환 효율의 감광성(Photosensitive) 층을 제조하는 공법을 개발하였으며 대 면적 폴리머 태양전지를 제조할 수 있는 능력을 형성하였다. 

연구팀은 3D 전자 스캐너 재구축 기술을 이용하여 진정한 의미에서의 감광성 층의 3차원 입체 구조 시각화를 실현하였으며 전하가 감광성 층 속에서의 전송 메커니즘을 제시하고 감광성 층의 박막 응집물질 구조 조절 방향을 명시하고 엑시톤(Exciton) 확산, 분리, 전하 전송과 응집물질 구조 간의 3차원 입체 모델을 구축하였다. 동 모델은 유기 전지 분야 전형적인 모델로 되었으며 폴리머 태양 전지 효율 향상을 위한 중요한 기술 기반을 구축하였다. 

그림 1. 좌측 그림: 제어 가능 용제 분위기 처리 장치 표시도임. 중간 그림: 절연 매트릭스(Insulating matrix) 증강의 반도체 폴리머 전기 전도 비율 및 형태임. 우측 그림: 폴리머 태양전지의 감광성(Photosensitive)의 박막 3D 형태 및 모델임. 

KISTI 미리안 글로벌동향브리핑 2014-11-27





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