This study is on the π-conjugated polymers with semiconducting properties which are recently attracted much attention due to their applicability in the field of optic and optoelectronic devices such as light-emitting diodes (LEDs) and laser. Our research on these conjugated polymers and related optoelectronic devices are focused on the points to enhance their environmental stability and to control them in the molecular scale. To achieve these goals, two approaches were accomplished. First, conjugated polymer/layered silicate hybrid nanocomposite system was studied. Second, conjugated polymer/layered silicate well-ordered multilayer ultrathin film via spin self-assembly method was studied.
Polymer-rich/clay-rich phase-separated polymer-layered silicate nanocomposites are prepared through a solution blending of poly(xylylidene tetrahydrothiophenium chloride) with two kinds of layered silicates. By spin-coating, thin films of each phase were obtained, followed by thermal elimination of tetrahydrothiophene and HCl to final poly(p-phenylenevinylene) (PPV)/layered silicate nanocomposite. At ambient conditions, the PPV films are easily photodegraded due to the oxygen diffused in. Poly(p-phenylene vinylene)/layered silicate nanocomposite showed improved environmental stability against photodegradation under an air ambient condition. And optical absorption and photoluminescence measurements demonstrate that the thin films of clay-rich phase are much less photodegraded than those of polymer-rich and PPV reference.
Well-ordered multilayer ultrathin films with anionic layered silicate sheets and precursor of poly(p-phenylene vinylene) as polycation could be fabricated through layer-by-layer spin self-assembly method and characterized by contact angle measurement, UV/Vis spectroscopy, X-ray reflectivity and atomic force microscopy. Due to the simple procedure of spin self-assembly consisting of repetitive dropping, spin-coating and spin-washing of oppositely charged materials, multilayer ultrathin films could be prepared much faster when compared with those prepared via conventional self-assembly method. The stepwise deposition of alternative outermost layers was observed through contact angle measurement. The linear increase of optical density of the films with increase of the number of bilayers demonstrated the structural regularity and reproducibility of this system. Kiessig fringes and Bragg reflection peaks in X-ray reflectivity further confirmed the well-ordered internal structure and the film thickness estimated from Kiessig fringes and model-fitting tolerably agreed with those calculated from Bragg reflection peaks. The surface roughness of spin self-assembled samples was also measured to confirm the film quality.
Furthermore, we have fabricated ultrathin multilayer films via spin self-assembly (SA) fast and easily, using cationic poly(p-phenylene vinylene) (PPV) precursor and anionic poly(styrene-4-sulfonate) (SPS) and dodecylbenzenesulfonate (DBS) as its counterparts. Considering the facts that PPV precursor incorporated with DBS could fully converted to PPV rapidly under a low conversion temperature and atmospheric condition and that self-assembled (PPV precursor/SPS) film could be fully converted only at a high temperature in vacuo, we have prepared the alternating multilayer film, $[(PPV precursor/SPS)_4/(PPV precursor/DBS)_4]$. By thermal conversion under a low conversion temperature and atmospheric condition for relatively short time, the modulated energy band-gap structure where fully converted PPV with long conjugation length and less converted PPV with short conjugation length are coexisting could be fabricated. UV/Vis absorption spectra and photoluminescent spectra demonstrated not only the structural regularity and reproducibility of this system but also the modulated energy structure and energy transfer between the layers with different conjugation length.
본 연구의 주제는 공액고분자의 환경적 안정성을 향상시키고, 공액고분자를 분자수준에서 제어하는 것이다. 이 두가지 목표를 달성하기 위해 우선, 공액고분자와 판상 무기나노입자간의 나노복합체를 연구하였으며, 공액고분자와 무기나노입자간의 다층초박막 필름에 관한 연구를 수행하였다.
공액고분자의 환경적 안정성을 위해 공액고분자와 무기 층상나노입자와의 액상 블렌딩을 통해 공액고분자가 무기 층상나노입자 사이로 삽입된 나노구조를 얻을 수 있었다. 무기 층상나노입자의 경우, 큰 종횡비로 인하여 외부의 산소나 수분의 확산을 효과적으로 막을수 있었으며, 이로 인해 공액고분자/무기층상나노입자 나노복합체는 효과적인 환경안정성을 지닐 수 있었다.
공액고분자의 실제 디바이스 응용에 있어서 나노 수준에서 제어를 가능하게 하기 위해서 스핀자기조립법을 이용하여, 다층초박막 공액고분자/무기층상 필름을 연구하였다. 기존의 담지에 의한 자기 조립법이 다층막을 형성하는데 비교적 긴 시간이 필요한데 반하여, 스핀자기조립법의 경우, 짧은 스피닝 시간동안에 전하를 지닌 물질의 흡착과 재배열이 가능하기 때문에, 경제적으로 다층초박막을 얻을 수 있었다. 제조된 다층박막의 경우, 접촉각 측정, UV/Vis spectra을 통하여 정성적으로 필름의 형성에 관한 정보를 얻을 수 있었다. X-ray 반사의 프린지와 브래그피크를 통하여 내부구조가 잘 정열되었음을 확인할 수 있었으며, 모델피팅을 통하여 정량적인 다층박막에 대한 정보를 얻을 수 있었다.
여러 기능을 하나의 필름에 결합시킬 수 있는 다층박막의 장점을 이용하여, 양전하를 띠는 물질의 대응물로 서로 다른 두가지 음전하물질을 사용하여, 하나의 박막안에서 에너지 밴드갭을 조절하고, 이를 통한 엑시톤의 이동을 원하는 방향으로 제어할 수 있었다. 이로써 스핀자기조립법을 통한 다기능막의 제조의 가능성을 확인하였다.
또한 스핀자기조립법을, 고분자/고분자, 고분자/층상 무기나노입자, 고분자/단분자 시스템에 모두 성공적으로 응용할수 있었으며, 각각을 전기발광소자로 응용하여 성공적으로 디바이스로 제조할 수 있었다. 제조된 디바이스의 경우, 공액고분자와 부도체절연막간의 다층구조를 이루므로, 유기 다층우물에너지 구조를 이루기 때문에 최대 0.045% (Al 음극)의 양자효율을 보였다.
