전하이동도 높인 유기반도체 소재 개발…'롤러블 가전' 대중화 시대 여나

개발된 물질의 필름형태 합성 사진/사진=UNIST

화면이 돌돌 말리는 디스플레이와 같은 전자기기에 적합한 전자재료인 유기반도체는 낮은 전하이동도 때문에 그 쓰임이 제한적이었다. 이 같은 한계를 극복할 유기반도체 소재를 국내 연구진이 개발했다.

울산과학기술원(UNIST) 에너지화학공학과 백종범 교수팀은 서울대학교 화학생물공학부 오준학 교수 연구팀과 함께 ‘C5N(씨파이브엔) 2차원 유기 고분자 구조체’를 합성하는데 성공했다고 25일 밝혔다. 이 유기 고분자 구조체를 얇은 필름 형태로 만들어 반도체 트랜지스터 소자(FET)로 쓰면 전하이동도가 수십 배 이상 빨라지고 이 구조체에 염화수소(HCl)를 도핑하면 전기전도도가 크게 높아져 전도성 물질로도 쓸 수 있다.


연구팀은 헥사아미노벤젠(hexaaminobenzen·HAB)과 파이렌에트라케톤(pyrenetetraketone·PTK)을 반응시켜 C5N 구조체를 얻었다고 설명했다.

이 구조체는 탄소(C)로만 6각 고리를 이루는 그래핀과 달리 2차원 구조에 균일한 기공과 질소 원자(N)가 첨가돼 우수한 전하이동도를 갖는다. 전하이동도는 소재 내부에서 전자나 정공이 움직이는 빠르기를 말한다. 전하이동도가 낮은 소재로 반도체 소자를 만들면 전기적 신호 전달이 더뎌지고 디스플레이 등에서 색상 변환 지연 등의 문제가 나타난다.

이번에 개발된 2차원 물질의 고리 구조는 방향족 고리화 반응을 통해 얻어진 구조로 매우 안정적이며 600℃의 고온도 잘 견딘다. 방향족 고리화 반응은 반응 결과물이 벤젠 고리와 같은 방향족이 되는 화학반응을 뜻한다.


제1 저자인 자비드 마흐무드 박사는 “구조의 모든 부분이 고리 모양으로 이뤄져 있어 기존 2차원 유기 구조체보다 화학적, 열적 안정성이 높다”며 “각종 고온 조건에서도 사용 가능할 것”이라고 설명했다.

이 구조체는 기존 전도성 고분자인 사슬형 폴리아닐린 보다 우수한 전기전도도를 지녔다. 염화수소를 도핑하면 전도성이 140배 이상 향상돼 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 연구되고 있다. 하지만 대부분의 유기반도체는 기대치에 못 미치는 전하이동도 때문에 무기반도체 소재를 대체하는 데 어려움이 있다.

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. 이번 연구성과는 국제학술지 ‘어드밴스드 머트리얼스’에 게재됐다.