‘유기반도체’는 돌돌말리는 디스플레이나 입는 전자기기에 적합한 전자재료다. 하지만 낮은 전하이동도(mobility) 때문에 그 쓰임이 제한적이었는데, 최근 전하이동도를 이제껏 보고된 최고 수치로 끌어올린 연구가 나와 주목을 받고 있다.
UNIST (총장 이용훈) 에너지화학공학과 백종범 교수팀은 방향족 고리화 반응을 통해 ‘C5N(씨파이브엔) 2차원 유기 고분자 구조체’를 합성하는데 성공했다. 이 유기 고분자 구조체를 얇은 필름 형태로 만들어 반도체 트랜지스터 소자(FET)에 썼을 경우 전하이동도가 수십 배 이상 빨라졌다. 또 이 구조체에 염화수소(HCl)를 도핑하면 전기전도도(conductivity) 또한 크게 높아져 전도성 물질로도 쓸 수 있다.
그림1. C5N의 구조 및 반도체 소자 응용에 대한 모식도
연구팀은 두 종류의 화학물질(HAB와 PTK)을 반응시켜 C5N(씨파이브앤) 구조체를 얻었다. 이 구조체는 탄소(C)로만 6각 고리를 이루는 그래핀과 달리 2차원 구조에 균일한 기공과 질소원자(N)가 첨가돼 우수한 전하이동도(전자 996㎠V⁻¹s⁻, 정공 501 ㎠V⁻¹s⁻)를 갖는다. 이는 이제껏 보고된 유기반도체 전하이동도 중 가장 높은 수치다. 전하이동도는 소재 내부에서 전자(electron)나 정공(hole)이 움직이는 빠르기로, 전하이동도가 낮은 소재로 반도체 소자를 만들면 전기적 신호 전달이 더뎌지고 디스플레이 등에서 색상 변환 지연 등의 문제가 나타난다.
개발된 2차원 물질의 고리 구조는 ‘방향족 고리화 반응’을 통해 얻어진 구조라 매우 안정적이며 600℃의 고온도 잘 견딘다. 제1자자인 자비드 마흐무드(Javeed Mahmood)박사는 “구조의 모든 부분이 고리모양으로 이루어져 있어 기존 2차원 유기 구조체보다 화학적, 열적 안정성을 높였다”며 “각종 고온 조건에서도 사용 가능할 것”이라고 설명했다.
뿐만 아니라 이 구조체는 기존 전도성 고분자인 사슬형 폴리아닐린(polyaniline)보다 우수한 전기전도도를 갖으며, 염화수소 (HCl)를 도핑(doping)하면 전도성이 140배 이상 향상돼(1038 S/cm) 다용도 전도성 고분자로 쓸 수 있다.
유기반도체는 유연하고 가벼울 뿐만 아니라 낮은 공정비용, 물성 조절의 용이성 등 다양한 장점 때문에 무기물 실리콘 반도체를 대체할 소재로 최근 수십 년간 활발하게 연구 되고 있다. 하지만 대부분의 유기반도체는 기대치에 못 미치는 전하이동도 때문에 무기반도체 소재를 대체하는 데 어려움이 있다.
이번 연구의 책임자인 백종범 교수는 “이번 연구로 2차원 고분자를 유기반도체 재료로 사용했을 때의 고질적 문제인 낮은 전하이동도를 극복했다”며 “앞으로 유기 반도체 소자 개발에 큰 진전이 있을 것으로 기대된다”고 전했다.
서울대학교(총장 오세정) 화학생물공학부 오준학 교수 연구팀과 함께한 이번 연구는 저명한 국제학술지 어드밴스드 머트리얼스 (Advanced Materials)에 1월 20일자로 게재됐다. 연구 수행은 과학기술정보통신부의 리더연구자지원사업(창의연구)과 BK21 플러스사업, 우수과학연구센터(SRC), U-K Brand 육성사업(UNIST)의 지원으로 이뤄졌다.
