UNIST, 전하이동도‧점멸비 우수한 2차원 유기 반도체 소재 합성

(울산=뉴스1) 조민주 기자 = UNIST(울산과학기술원)는 백종범 에너지화학공학과 교수팀이 방향족 고리화 반응을 통해 '에이치피-펜(HP-FAN) 2차원 유기 고분자 구조체'를 합성했다고 30일 밝혔다.

이 물질은 반도체로 활용하기 적절한 밴드갭(Band-gap)과 높은 점멸비(On/off ratio), 전하이동도(Mobility)를 가지고 있어 실제 반도체 소자로 활용 가능할 전망이다.

여기서 밴드갭은 하나의 전자가 결합 상태에서 벗어나는 데에 필요한 최소량의 에너지를 뜻하고, 점멸비는 트랜지스터에 전압을 인가함에 따라 스위칭되는 전류량의 비율을 뜻한다.

연구팀에 따르면 현재 사용 중인 실리콘 반도체(무기 반도체)는 딱딱하고 무거워 돌돌 말리는 디스플레이나 입는 전자기기에 적용하는 데는 한계가 있었다.

이를 대체할 반도체 물질로 가볍고 유연하며 단단하고 전기가 잘 통하는 '그래핀'이 주목받았으나 그래핀은 밴드갭이 너무 작아 점멸비가 낮고 반도체 내에서 전류 흐름을 통제하기 어려웠다.

이같은 그래핀의 한계를 뛰어넘을 대안으로 '유기 반도체' 연구가 활발히 진행 중이다. 유기 반도체는 그래핀처럼 유연하고 가벼울 뿐 아니라 공정비용이 낮고 물성 조절이 쉽다는게 연구팀의 설명이다.

기존 유기 반도체는 소재 내부에서 전자(electron)나 정공(hole)이 느리게 움직여 반도체 소자로 적용하기는 어려웠다. 전하이동도가 낮은 소재로 반도체 소자를 만들면 전기적 신호 전달이 더뎌지고 디스플레이 등에서 색상 변환 지연 등의 문제가 나타나기 때문이다.

백종범 교수팀은 유기 반도체의 전하이동도를 높일 새로운 구조체를 고안했다. 화학물질 HAB(헥사아미노벤젠)와 DHBQ(다이하이드록시벤조퀴논)를 반응시켜 HP-FAN 구조체를 얻은 것이다.

이 구조체는 2차원 방향족 구조에 균일한 기공과 질소(N) 원자가 첨가돼 적절한 밴드갭과 높은 점멸비, 전하이동도를 가진다.

연구책임자인 백종범 교수는 "2차원 고분자를 유기 반도체 재료로 사용했을 때의 고질적 문제인 낮은 전하이동도와 그래핀 반도체의 치명적 한계점인 낮은 점멸비를 모두 극복했다"며 "앞으로 '꿈의 신소재'로 불리는 그래핀을 뛰어넘는 유기 반도체 소자 물질 개발에 큰 진전이 있을 것으로 기대한다"고 말했다.

이번 연구는 POSTECH 화학공학과 조길원 교수팀과 함께 진행했으며 과학기술정보통신부의 리더연구자지원사업(창의연구), 우수과학연구센터(SRC), U-K Brand 육성사업(UNIST)의 지원으로 이뤄졌다.

논문은 저명 국제학술지인 셀(Cell)의 자매지인 켐(Chem) 8월 30일자로 공개됐다.

minjuman@news1.kr