Air-Liquid Interfacial Self-Assembly of Poly (3-hexylthiophene) Block Copolymers

Abstract

Poly (3-hexylthiophene) (P3HT) and poly (ethylene glycol) (PEG) were synthesized separately and covalently linked by click chemistry as block copolymer. Including the P3HT-b-PEG block copolymer, several P3HT derived polymers were used for air-liquid interfacial self-assembly (ALISA), and all of them clearly showed typical lamellar structure on the flat water subphase. These results emphasize the role of π- π stacking as the main driving force of the ALISA, and show that the mobility of the subphase enables the formation of long P3HT nanowires. Similar nonvolatile, polar subphases were also investigated, but the most mobile subphase, water showed the best P3HT nanowire packing. In order to drive direction-controlled nanowire assembly, linear and curved surface curvatures were applied. Due to the semi-rigidity of the P3HT block, nanowires lied along the curvature direction in order to minimize the bending energy. Furthermore, controlling the dipping direction when collecting floating polymer films also enabled direction controllable deposition of nanowires. This direction-controlled interfacial P3HT nanowires assembly is anticipated to be applied to the fabrication of field-effect transistors that show higher hole mobility compared to nonspecific nanowire depositions.;전도성 고분자인 poly (3-hexylthiophene) (P3HT)은 높은 녹는점과 뛰어난 용액 공정성, 결정성을 가진다는 장점이 있으며, 파이-파이 상호작용이라는 특징적인 성질에 의해 라멜라 구조가 용이하게 조절된다는 점에서 많은 연구가 진행되어 왔다. 특히 P3HT가 뛰어난 홀 전달물질이라는 점에서 P3HT로 제조한 박막이나 태양전지에서 성능을 향상시키는 연구가 활발하게 진행되었다. 본 연구에서는 유체 계면에서의 P3HT 동종 중합체와 P3HT를 갖는 블록 공중합체 자기조립을 다루었다. 이는 기존의 실리콘 웨이퍼나 유리 고체 기판 위에서 스핀 코팅이나 고온 처리를 하여 다방향성의 라멜라 구조를 갖는 P3HT 필름을 만드는 방법과 비교해 보았을 때, 뛰어난 나노 구조 조절 가능성을 갖는다. 유체 계면이 갖는 독특한 특성으로 유동성과 점성이 있는데, 이는 P3HT 전도성 고분자들이 계면 위에서 자유롭게 배열할 수 있게 해주고, 정렬된 나노 와이어 필름을 다른 고체 기판들로 옮기기 용이하게 해준다는 장점이 있다. 또한 대면적으로 정렬된 나노와이어의 방향을 조절할 수 있으면 높은 전도도를 보일 것으로 기대되므로, 전도성 고분자 필름의 방향을 조절하여 대면적으로 정렬시키는 것이 요구되었다. 앞서 진행된 선행연구에서 나아가, P3HT 블록에 친수성인 PEG 블록이 중합된 P3HT-b-PEG 이외의 양쪽 친매성 블록 공중합체 P3HT-b-P2VP, P3HT-b-P4VP에서도 똑같이 잘 정렬된 나노와이어 필름을 얻을 수 있었다. 또한, 블록 공중합체에서만 정렬된다고 믿어졌던 나노와이어 필름을 P3HT 동종 중합체에서도 비슷하게 얻을 수 있다는 것을 발견하였다. 그리고 주로 사용하는 물 외에, 다른 유체 계면에서의 자기조립과 그의 나노 구조 분석을 통해 물이 가장 좋은 유체 매질이라는 것을 확인하였다. P3HT 고분자 자기 조립 구조의 방향성을 얻기 위하여, 본 연구에서는 선행 연구에서 나아가 수면 위에 곡률을 적용하였다. 일자 곡면이 있는 수면 위에 딱딱한 막대 형태의 나노 입자를 가지고 자기 조립을 진행하였을 때, 오목한 곡면의 영향을 받는 경우 적용된 곡면의 방향대로 나노 입자가 정렬이 되는 것을 발견하였다. 이 아이디어를 본 유체계면의 자기조립에 적용시켜, 컨주게이션에 의해 딱딱한 성질을 지니는 P3HT 전도성 고분자가 막대 형태의 나노 입자와 비슷하게 곡면 방향대로 정렬되는 것을 본 연구에서 확인하였다.