With the rapid advancements in flexible/wearable electronic devices, the development of mechanically-robust, flexible semiconducting polymers is becoming increasingly important. However, previous studies on the semiconducting polymers have mostly focused on the optoelectrical properties, and the study on the mechanical properties has been relatively overlooked. In particular, there have been almost no reports on the mechanical properties of semicrystalline n-type polymer thin films and the low-bandgap polymer-based blend thin films. Therefore, herein, important factors affecting the mechanical properties and the fracture mechanisms were investigated for the semicrystalline n-type polymer thin films and the low-bandgap polymer based blend thin films to suggest guidelines to improve the mechanical properties. The mechanical properties of semiconducting polymers have been investigated in two aspects; the cohesive fracture energy measured with double cantilever beam fracture mechanics testing and the tensile properties obtained with pseudo free-standing tensile testing on water surface. Moreover, based on the results of mechanical testing and morphology analysis, the correlation between the thin film structure and mechanical properties were unveiled.
This dissertation is divided into three parts. In the first part, the fracture behavior of polymer acceptor based all-polymer solar cells is compared with the fullerene derivative based-polymer solar cells, and the fracture mechanisms are proposed. In the second part, the impact of molecular weight on the mechanical properties of semicrystalline n-type polymer thin films is investigated, and the presence of critical molecular weight is demonstrated. Based on the comprehensive understanding of mechanical properties for the pristine n-type polymer thin films depending on the molecular weight, impact of the molecular weight on the mechanical behaviors of all-polymer solar cells is investigated. Finally, the third part presents the role of film morphology on the mechanical behavior of all-polymer blend thin films. These results provide important guidelines to produce mechanically-robust and flexible electroactive thin films for the commercialization of flexible/wearable organic electronics.
최근 4차 산업 혁명의 핵심 응용 분야로서 플렉시블, 웨어러블 전자 기기와 관련된 시장 규모가 급속도로 확대됨에 따라, 유기 전자 소자를 구성하는 핵심 요소인 반도체 고분자 박막의 기계적 신뢰성 및 유연성 확보가 중요한 이슈로 대두되고 있다. 그러나 반도체 고분자에 대한 기존 연구는 광학적, 전기적 특성을 분석하고 향상시키는 데 집중되어 있어 기계적 물성에 대한 연구는 미비하였다. 특히, 최근 유기 태양 전지 분야에서 활발하게 활용되고 있는 전자 받개 고분자 박막과 작은 밴드갭을 갖는 전자 주개 고분자를 포함하는 블렌드 박막에 대한 연구는 거의 보고된 바가 없었다. 따라서, 본 연구에서는 전자 받개 고분자 박막과 이를 포함하는 블렌드 박막의 기계적 물성을 결정하는 주요 인자와 그 파괴 메커니즘 규명하고, 이를 통해 그 파괴 인성을 향상시키는 방법을 제안하고자 하였다. 이를 위해 파괴 역학 실험 법을 이용하여 파괴 에너지를 측정하고 그 파단면을 분석하였으며, 물 표면을 이용한 초박막 인장 실험 법을 이용하여 탄성계수, 연신율, 인성 등의 기계적 물성을 평가하였다. 또한, 기계적 물성 평가 결과와 고분자 박막의 모폴로지 및 결정성과의 상관관계를 규명하였다.
본 연구에서는 전자 받개 고분자 박막과 그 블렌드 박막의 기계적 물성에 영향을 미치는 인자를 크게 전자 받개 소재의 종류, 전자 받개 고분자의 분자량, 블렌드 박막의 모폴로지로 나누어 연구를 진행하였다. 전고분자 태양 전지의 광활성 층으로 활용되고 있는 전자 받개 고분자 기반 블렌드 박막의 기계적 거동을 기존의 풀러렌 유도체 기반 블렌드 박막과 비교하여 분석하였고 그 파괴 메커니즘을 규명하였다. 또한, 전자 받개 고분자의 분자량에 따른 박막의 기계적 거동 변화를 살펴봄으로써 전자 받개 고분자의 임계 분자량을 규명하였고, 이를 고려하여 전자 받개 고분자 박막의 기계적 물성 향상 방법에 대해 제시하였다. 이러한 전자 받개 고분자 박막의 분자량에 따른 기계적 거동에 대한 이해를 바탕으로, 전자 받개 소재의 종류와 전자 받개 고분자의 분자량이 고분자 태양전지 광활성 층의 기계적 거동에 대해 미치는 영향을 살펴보았다. 마지막으로는, 전자 받개 고분자를 포함하는 전고분자 블렌드 박막의 모폴로지를 용매를 변화시켜가며 조절하여 고분자 박막의 모폴로지가 기계적 물성에 미치는 영향을 규명하고자 하였다. 본 연구 결과들은 기계적으로 강건하고 유연한 전기활성 박막 구현하는데 널리 활용되어 차세대 플렉시블, 웨어러블 유기전자 소자의 상용화에 크게 기여할 수 있을 것으로 기대된다.
