기초과학연구원(IBS) 복잡계자기조립연구단 김기문 단장 연구팀이 실리콘보다 전도성이 4배 높고, 활용 목적에 맞게 물성 조정이 가능한 유기 반도체 소자를 개발했다고 24일 밝혔다.
유기 반도체는 가볍고 유연해 기존 실리콘 기반 무기 반도체를 대체할 차세대 기술로 주목받는다. 무기반도체의 단점으로 꼽히는 높은 가격, 복잡한 공정, 두께, 유연성 등의 한계를 모두 뛰어넘기 때문이다. 하지만 지금까지 전도성 고분자를 2차원 대면적으로 제조한 사례는 거의 없다.
연구팀은 고분자의 하나이며 여러 개의 고리가 결합한 탄소화합물인 트리페닐렌으로 그래핀처럼 벌집 구조를 가진 2차원 전도성 고분자를 합성했다. 그래핀은 전기·화학적 특성이 우수해 반도체 분야에선 ‘꿈의 신소재’로 불린다.
합성 과정에 쓰인 산성 촉매로 인해 트리페닐렌 고분자는 부분적으로 양전하(+)를 띤다. 이 양전하 간의 정전기적 반발력으로 인해 고분자들은 겹겹이 쌓이지 않고 용액에 골고루 분산된다. 이로 인해 기존의 한계를 극복하고 수백 마이크로미터(㎛) 크기의 전도성 고분자 박막을 합성할 수 있었다.
이후 연구진은 유기 박막 트랜지스터를 제작해 ‘유사 그래핀’의 전기적 물성을 평가했다. 그 결과 전하 입자의 이동 능력을 나타내는 캐리어 이동도가 실리콘보다 4배 가량 높게 나왔다. 지금까지 개발된 2차원 전도성 고분자 중 가장 우수한 성능이다.
특히 전류를 흐르게 하는데 필요한 최소한의 에너지값인 밴드갭 등 전기적 물성을 조절해 도체, 반도체, 부도체의 특성을 모두 구현했다.
연구팀은 “활용 목적에 맞게 물성을 조절해 맞춤형 소자로도 만들 수 있다”고 설명했다.
김 단장은 “초고속 반도체, 고효율 태양전지, 롤러블 디스플레이 등 가볍고 유연한 소재를 필요로 하는 반도체 분야에 응용할 수 있을 것”이라고 말했다.
이번 연구 성과는 국제학술지 ‘셀(Cell)’의 자매지인 ‘켐(Chem)’ 온라인 판에 게재됐다.
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