- 게스트 농도 기반 전하 흐름 제어로 유기소자 내 퍼콜레이션 메커니즘 정량 규명

- OLED, 태양전지 등 유기전자소자의 성능 최적화 기여 기대

서울대학교 전기정보공학부 이재상 교수 연구팀 (고동현 박사후 연구원, 정찬용 학부 21)은 유기 반도체 소자의 호스트–게스트 구조 내에서 발생하는 퍼콜레이션 기반 전하 이동 (percolative charge transport) 메커니즘을 정량적으로 규명하고, 이를 설명할 수 있는 새로운 이론 모델을 제시하였다. 해당 연구는 2025년 6월 26일 미국화학회가 발행하는 재료과학 분야 세계적 학술지 Nano Letters에 게재되었다. (논문 제목: Percolative Charge Transport in Organic Semiconductor Devices with Host–Guest Layers)
유기 발광 다이오드 (OLED)와 유기 태양전지 (OPV) 등 유기 전자 소자의 활성층은 일반적으로 호스트-게스트 분자 혼합 구조를 기반으로 하며, 게스트 분자의 역할은 단순한 발광체 또는 트랩 (trap)에 그치는 것이 아니라 전하 수송에도 영향을 줄 수 있음이 알려져 있다. 본 연구에서는 특히, 게스트 농도가 임계치를 초과할 경우, 게스트 분자 간 전류가 흐를 수 있는 연결망이 형성되는 ‘퍼콜레이션 (percolation)’ 현상에 주목하였다.
이를 위해 연구팀은 게스트 분자만을 통해 전류가 흐르도록 유도하는 특수한 단극성 소자 구조 (hole-only device)를 설계하였으며, 실험적으로 게스트 농도 변화에 따른 전하 이동 특성을 독립적으로 측정하였다. 그 결과, 게스트-게스트 간 직접 호핑 (hopping)에 의한 전하 전달이 소자 전체 전류의 약 1% 이상을 차지하게 되는 농도를 퍼콜레이션 임계점 (critical concentration)으로 정의하고, 해당 지점에서 소자의 전기적 응답이 급격히 변함을 입증하였다.
또한, 게스트 분자의 트랩 깊이 (trap depth)가 깊을수록 이 퍼콜레이션 임계점이 낮아지며, 이는 전하가 호스트 대신 게스트에 더 잘 머무르기 때문이라는 물리적 메커니즘도 함께 밝혔다. 연구팀은 이러한 특성을 기반으로, 전하 이동을 지배하는 요소들을 반영한 정량적 모델을 수립하였고, 실험 결과와 일치함을 보였다.
이번 연구는 다성분 유기소자 내 복잡한 전하 이동 경로를 정량적으로 분리·해석한 최초의 사례 중 하나로서, 유기 전자소자의 설계에서 게스트 분자의 농도와 에너지 준위 조절을 통해 효율을 최적화할 수 있는 정량적 기준을 제공하였다. 특히, 실온 및 저온, 다양한 호스트 재료에 대해 모델의 보편성을 입증함으로써 고효율 OLED, OPV 등 차세대 유기소자 개발에 적용 가능한 설계 지침으로의 활용 가능성이 주목된다.
해당 연구는 삼성디스플레이, 한국산업기술기획평가원, 한국연구재단의 지원을 받아 수행되었다.