Organic semiconductors have attracted great attention as alternatives that can potentially replace inorganic semiconductors (e.g., silicon) owing to their advantages such as flexibility, light-weight, and solution processability for large-scale production. However, in contrast to inorganic materials that form lattice structures with strong bonding forces, organic materials rely on weaker van der Waals forces, which lead to a greater degree of conformational freedom and a looser microstructure ranging from amorphous to semi-crystalline phases. As a result, organic materials inherently possess multi-scale structural defects and resultant energetic disorders, which are undesirable for ensuring high electronic charge carrier mobility. Therefore, to develop efficient organic semiconductors for use in various electronic devices, it is crucial to achieve a high crystallinity and improve structural/energetic orderings. In this thesis, it is aimed to develop highly ordered organic semiconductors for realizing high-performance solar cells and electrochemical transistors.
Organic solar cells (OSCs) are promising solar energy harvesting systems, where the active layers are composed of polymeric/small-molecular donors and acceptors. With the development of active materials, the power conversion efficiencies (PCEs) of OSCs have drastically increased to over 18%. However, in addition to photovoltaic performance, other requirements for OSC commercialization such as the feasibility for the large-scale synthesis of active materials should be simultaneously considered. In this regard, poly(3-hexylthiophene) and its derivative polythiophenes (PTs) have emerged as a promising class of polymer donors owing to their low-cost and straightforward synthesis. Despite these significant advantages, the PCEs of PT-based OSCs have generally remained low (i.e., below 10%) until the recent developments of PTs. In addition, the molecular structures of PTs have been relatively less explored than representative benzodithiophene-based donors, leaving room for further improvement in PT design. I have proposed a molecular design strategy to improve the electrical performance of PTs with simple molecular structures for the development of efficient and cost-effective OSCs.
Organic electrochemical transistors (OECTs) utilizing electrolytes as gate dielectrics serve as electronic devices that not only amplify/switch signals but also transduce ionic/metabolic signals to electronic signals (and vice versa), which make themselves applicable in biosensors and neuromorphoic/synaptic devices and differentiated from other traditional transistors. To maximize these functionalities, it is essential to enhance the current flows in response to the changes in external conditions such as ion/metabolite concentration in electrolytes and voltage. Therefore, the active materials should exhibit ionic conductivity to accommodate ions from the electrolyte while possessing high electronic conductivity to enable greater current responses. I have demonstrated the molecular structural optimization of organic mixed ionic–electronic conductors to maximize polymer orderings and steady-state OECT performance.
유기 반도체는 유연성, 경량성, 용액 공정성을 통한 대면적 생산 등의 장점을 가져 실리콘 등의 무기 반도체를 대체할 수 있는 소재로 각광받고 있다. 그러나 강한 결합력을 갖고 격자 구조를 이루는 무기 소재와는 달리 반데르발스 힘을 기반으로 약한 결합력을 가지는 유기 소재는 상대적으로 자유로운 형태로 존재 가능하다. 따라서 유기 소재는 필연적으로 다양한 형태의 구조적 결함을 가지며 이로 인해 에너지 준위의 무질서함이 유발되어 전하 이동도가 낮아지는 결과를 초래한다. 그러므로 전자 소자에 활용되는 고성능 유기 반도체를 개발하기 위해서는 높은 결정성을 가져 구조적/에너지적으로 결함 없는 질서를 확보하는 것이 중요하다. 이에 본 연구에서는 고성능 태양전지 및 전기화학 트랜지스터를 구현하기 위한 높은 결정성의 유기 반도체를 설계 및 개발하고자 하였다.
유기 태양전지는 태양광 에너지를 전기 에너지로 변환시키는 시스템으로서 광활성층은 고분자 혹은 단분자 형태의 도너와 억셉터로 이루어져 있으며 이 광활성 소재의 개발을 통해 광전변환효율이 18% 이상으로 급격하게 발전하였다. 그러나 상용화를 위해서는 광전변환효율 외에도 다양한 요구 조건들을 고려해야 하는데 기존의 고성능 광활성 소재는 분자 구조가 매우 복잡하고 대량 합성 비용이 높아 상용화를 심각하게 저해한다. 이러한 점에서 간단한 분자구조를 가지며 저비용으로 합성 가능한 폴리티오펜이 새로운 고분자 도너 종류로 대두되었다. 하지만 폴리티오펜은 기존 도너에 비해 광전변환효율이 낮기 때문에 폴리티오펜이 갖는 비용적 장점을 유지하면서 높은 성능을 갖도록 하는 것이 중요하다. 이에 본 연구에서는 간단한 분자 구조를 갖는 폴리티오펜의 결정성 및 성능을 향상시키기 위한 분자 디자인 전략을 제시하였다.
유기 전기화학 트랜지스터는 게이트 유전체로서 전해질을 사용하므로 증폭, 스위치 기능뿐만 아니라 이온/대사물질 등 표적 물질과 전기적 신호 간 변환을 가능케 하는 전자소자로서 바이오 센서, 뉴로모픽/시냅스 소자로 응용이 가능해 기존의 트랜지스터와 차별점을 갖는다. 이러한 기능을 극대화하기 위해서는 전해질 농도 및 전압과 같은 외부 조건의 변화에 대해 전류의 민감도를 높이는 것이 중요하다. 따라서 활성 물질은 전해질 내 이온을 받아들이기 위해 이온 전도성을 가지면서도, 강한 전류 신호를 유도하기 위해 높은 전기 전도성을 가져야 한다. 이에 본 연구에서는 이온-전기 복합 전도성 유기 소재의 분자 구조를 다방면으로 최적화하여 소재 결정성 및 소자 성능을 극대화하는 방법을 제시하였다.
