쓰쿠바대학 유기반도체재료공학부 마루모토 박사 연구실

유기전자소자의 열화 메커니즘, 세계 최초 현장 평가

Kazuhiro Marumoto 츠쿠바 대학 유기반도체재료공학과 부교수는 유기반도체를 이용한 유기전자소자의 개발, 특성평가 및 고체물리학의 선구자이다. 연구 중 유기전자소자를 사용함에 따라 성능이 저하되는 원인을 규명하는 방법을 개발하는 데 성공했다.
내구성 향상에 많은 기대가 됩니다.

유망한 유기태양전지

반도체 생산은 인쇄 또는 도장 및 건조로만 가능합니다. 유기반도체는 차세대 반도체로 크게 기대되고 있다. 유기재료의 전도성이 노벨상을 수상한 시라카와 히데키 박사 등에 의해 증명된 것은 1977년이었다. 그로부터 거의 40년이 흘렀고, 연구는 비약적으로 발전했습니다.
다양한 유기전자소자의 실용화가 가시화되었다.

대표적인 것이 유기태양전지다. 현재 대다수인 실리콘 태양전지를 100미크론 이하 두께로 만드는 것은 불가능하다.
하지만 유기 반도체라면 수백 나노미터라는 압도적인 얇음이 가능하다. 랩 필름처럼 구부리거나 붙여도 괜찮습니다. 자동차 유리창에 붙여 전기를 생산하며 자동차를 운전하는 등 활용에 대한 기대가 높아지고 있다. 그러나 그 전에 큰 문제가 가로막고 있었다.
초기부터 유기태양전지로 전기를 생산하는 과정에서 발전량이 갑자기 떨어지는 현상이 보고된 바 있다. 그 원인은 전하가 소자(전하트랩) 어딘가에 저장되어 있기 때문이라는 가설이 있으나 그 원인은 규명되지 않았다.

혁신적인 측정으로 가설 증명

다른 각도에서 생각하는 ESR의 새로운 역할

이러한 발견을 뒷받침한 ESR은 재료 평가를 위한 장치 중 하나입니다. NMR은 핵스핀에 자기장을 가했을 때 고주파의 흡수를 측정하는 반면, ESR은 전자스핀에 자기장을 가했을 때 마이크로웨이브의 흡수를 측정한다. 전자가 결합 오비탈에서 쌍을 이루면 마이크로파 흡수가 일어나지 않는다. 그러나 라디칼(unpaired electron)과 같이 전자가 짝지어 있지 않은 분자의 경우 마이크로웨이브의 흡수가 일어난다. 즉, ESR은 라디칼 측정에 특화된 장비입니다.

일반적으로 화학에서는 분자 내부에서 결합한 후 생성된 짝을 이루지 않은 전자를 갖는 분자를 라디칼이라고 합니다. 그러나 전자소자 내 라디칼은 결합이 끊어져 발생하지 않는다.
전류에 의해 결합에 여분의 전하가 들어가면 하나의 결합에 여분의 전하가 편재되지 않고 일반적으로 일정한 퍼짐으로 분자에 공유됩니다.
생성된 ESR 신호는 여분의 전하가 존재하는 위치와 부피에 따라 달라지며, 전하가 어디에 얼마만큼 존재하는지 측정할 수 있습니다.

소자 개발을 위한 혁신적인 첫걸음

마루모토 박사가 개발한 전하 측정법은 이미 업계에 영향을 미치기 시작했습니다. 소자소자 제작 초기에 성능평가가 가능해졌으며, 내구성이 높은 소자를 조기에 선정할 수 있게 되었다. 이에 따라 개발 및 개선의 속도 향상이 기대되며 현재 마루모토 박사 연구실은 기업으로부터의 교육 요청 및 공동 연구 제안으로 쇄도하고 있습니다.
Marumoto 박사는 “NMR은 물질을 만드는 것이 무엇인지 아는 데는 능숙하지만 전기를 전도하는 장치로서의 성능을 아는 것은 ESR에서만 가능합니다. ESR을 이용하여 유기전자소자 뿐만 아니라 다양한 전자소자를 관찰하고 싶습니다. 전도되지 않는 전하를 잡을 수 있는 미크론 눈. "독특한 관점"은 전기 장치의 연구 개발을 크게 바꿀 것 같습니다.