미국국립표준기술표준원(National Institute for Standards and Technology)의 과학자들은 고분자 형성(polymer formation) 성질을 연구하던 중 전자소자에 광범위하게 사용되고 있는 결정 필름을 안정하게 형성하는 방법에 대한 근본적인 사실을 발견하였다. 또한 그들은 실험 과정에서 다른 다양한 성질도 관찰할 수 있었다.

연구진은 반결정성 고분자 필름이 경화될 때 경쟁적인 두 프로세스인 결정화(crystallization)와 덜젖음(dewetting) 현상이 온도에 의해 결정된다는 것을 알 수 있었다.

한편, 이러한 두 프로세스는 최종적으로 형성된 필름의 성질을 다르게 만든다. 따라서, 이번 발견을 통해 고분자 필름의 불완전성을 야기하는 두 프로세스를 보다 완벽히 조절할 수 있을 것으로 기대되고 있다.

위와 같은 불완전성은 표면에 유기 고분자 필름이 적용되는 태양 전지(solar cells) 혹은 박막 트랜지스터(thin film transistors)와 같이 새로운 기술의 잠재 가능성을 퇴색시킨다고 크리스토퍼 솔레스(Christopher Soles)는 말했다. 한편, 유기 반도체 산업은 박막 고분자 필름에서 결정 성장을 완벽히 이해하지 못하고 있어 어려움을 겪고 있다.

예를 들어, 유기 광전압 장치(organic photovoltaics)가 실현되어 시장에서 판매되기 위해선 필름 형성 프로세스가 어떻게 진행되는지에 대해 이해할 필요가 있다. 또한 필름의 안정성을 조절하기 위해선 재료의 성질에 대해 우선 완벽히 알아야만 할 것이다.

고분자 필름이 냉각될 때 두 가지 다른 사건이 고분자 내에서 국부적으로 발생한다. 다시 말해, 이 중 하나는 응집 중심에서 출발하여 주변의 불안정한 필름으로 확장되는 결정화 프로세스이다.

그리고 또 다른 하나는 고분자와 실리콘 웨이퍼와 같은 매질간의 화학적 차이로 인해 필름의 분자가 덜 젖게 되는 것이다. 이는 차 유리에 떨어진 물이 방울을 이루는 것과 유사하다.

만약 결정화와 덜젖음이 동시에 발생한다면, 고분자 필름은 완벽한 성질을 나타내지 못하게 된다. 예를 들면, 유기 태양 전지에서 필름의 균일성이 떨어지면 장치는 제대로 작동할 수 없게 된다. 따라서, 이러한 불안정성을 보다 완벽히 조절하는 것이 문제이다.

정립된 결정화 거동을 갖는 모델 고분자를 이용하여 연구진은 약간의 온도 변화에 의해 결정화 혹은 덜젖음이 경화 프로세스를 지배한다는 것을 알 수 있었다. 또한 성장하는 두 결정이 확대되고 충돌할 때 이들이 서로 접하는 곳에 형성된 응력은 덜젖음을 야기하지만, 두 팽창 면 간의 각도가 충분히 작다면 이와 같은 국부적 덜젖음은 나타나지 않는다.

이번 발견에서 이목을 집중시키는 것은 고분자 필름을 보다 완벽히 이해했다는 점뿐 아니라 이러한 발견을 통해 다양한 코팅 및 계면 기술이 발전될 수 있다는 사실이다.

언어의 전파 혹은 유기체 내에서 상이한 조직의 성장과 같이 다양한 거동을 지배하는 효과를 찾아내는 데는 수학적으로 많은 어려움이 따른다. 이는 일반적인 현상이며, 이번 연구 결과는 이러한 문제에 대한 이론적인 통찰력을 제공할 것으로 기대할 수 있다.

홍순우 기자/ hibou@hanmir.com