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전하이동도↑···고성능 2차원 유기반도체 소재 개발했다

입력 2021.01.25. 12:00 댓글 0개
울산과학기술원(UNIST) 에너지화학공학과 백종범 교수팀
전하이동도 수십배 개선한 2차원 유기 반도체 소재 합성
염화수소 도핑 때 뛰어난 전기전도성
'어드밴스트 머티어리얼스' 게재
C5N의 구조와 반도체 소자 응용 모식도

[울산=뉴시스]구미현 기자 = 국내 연구진이 실리콘 반도체를 대체할 전자소재로 주목받는 '유기 반도체'의 전하 이동도 수치를 최대치로 끌어올린 기술을 개발했다. 유기반도체는 돌돌 말리는 디스플레이나 입는 전자기기에 적합한 전자재료다. 관련 소자 개발에 도움이 될 것으로 기대되고 있다.

울산과학기술원(UNIST) 에너지화학공학과 백종범 교수팀이 방향족 고리화 반응을 통해 ‘C5N(시파이브엔) 2차원 유기 고분자 구조체’를 합성하는데 성공했다. 이 유기 고분자 구조체를 얇은 필름 형태로 만들어 반도체 트랜지스터 소자에 썼을 경우 전하이동도가 수십 배 이상 빨라졌다. 또 이 구조체에 염화수소를 도핑하면 전기전도도 또한 크게 높아져 전도성 물질로도 쓸 수 있다.

연구팀은 두 종류의 화학물질(HAB와 PTK)을 반응시켜 C5N 구조체를 얻었다. 이 구조체는 탄소로만 육각 고리를 이루는 그래핀과 달리 2차원 구조에 균일한 기공과 질소원자가 첨가돼 우수한 전하이동도를 가진다. 이제껏 보고된 유기반도체 전하이동도 중 가장 높은 수치다.

개발된 2차원 물질의 고리 구조는 ‘방향족 고리화 반응’을 통해 얻어진 구조여서 매우 안정적이며 600도의 고온도 잘 견딘다.

노혁준 연구원과 자비드 마흐무드 박사

뿐만 아니라 이 구조체는 기존의 전도성 고분자인 사슬형 폴리아닐린보다 우수한 전기전도도를 지니며 염화수소를 도핑하면 전도성이 140배 이상 향상돼 다용도 전도성 고분자로 쓸 수 있다.

유기반도체는 유연하고 가벼울뿐 아니라 낮은 공정비용, 물성 조절의 용이성 등 다양한 장점 때문에 무기물 실리콘 반도체를 대체할 소재로 최근 수십년 간 활발하게 연구 되고 있다. 하지만 대부분의 유기반도체는 기대치에 못 미치는 전하이동도 때문에 무기반도체 소재를 대체하는 데 어려움이 있다.

이번 연구의 책임자인 백종범 교수는 “2차원 고분자를 유기반도체 재료로 사용했을 때의 고질적 문제인 낮은 전하이동도를 극복했다”며 “앞으로 유기 반도체 소자 개발에 큰 진전이 있을 것으로 기대된다”고 밝혔다.

서울대학교 화학생물공학부 오준학 교수 연구팀과 함께한 이번 연구는 국제학술지 '어드밴스트 머티어리얼스'에 1월20일자로 게재됐다. 연구 수행은 과학기술정보통신부의 리더연구자지원사업(창의연구)과 BK21 플러스사업, 우수과학연구센터(SRC), U-K 브랜드 육성사업(UNIST)의 지원으로 이뤄졌다.

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