울산과학기술원(UNIST)은 전하이동도(mobility)를 개선한 고성능 2차원 유기반도체 소재를 개발했다고 25일 밝혔다. UNIST에 따르면 에너지화학공학과 백종범 교수 연구팀은 방향족 고리화 반응을 통해 '씨파이브엔(C5N) 2차원 유기 고분자 구조체'를 합성하는 데 성공했다.
이 구조체를 얇은 필름 형태로 만들어 반도체 트랜지스터 소자에 쓰면 전하이동도가 수십 배 이상 빨라지는 것으로 나타났다.
또 염화수소를 도핑하면 전기전도도(conductivity) 또한 크게 높아져 전도성 물질로 쓸 수 있다. 유기반도체는 유연하고 가벼울 뿐만 아니라 낮은 공정비용과 물성 조절의 용이성 등 다양한 장점 때문에 무기물 실리콘 반도체를 대체할 소재로 최근 수십 년간 활발하게 연구가 이뤄지고 있다.
그러나 대부분 유기반도체는 기대치에 못 미치는 전하이동도 때문에 무기반도체 소재를 대체하는 데 어려움이 있었다.
전하이동도란 소재 내부에서 전자나 정공이 움직이는 빠르기다. 전하이동도가 낮은 소재로 반도체 소자를 만들면 전기적 신호 전달이 더뎌지고, 디스플레이 등에서 색상 변환 지연 등의 문제가 나타난다.
연구팀은 두 종류의 화학물질인 헥사아미노벤젠과 파이렌에트라케톤을 반응시켜 씨파이브앤 구조체를 얻었다.
이 구조체는 탄소로만 6각 고리를 이루는 그래핀과 달리 2차원 구조에 균일한 기공과 질소 원자가 첨가돼 전하이동도가 우수하다. 이제껏 보고된 유기반도체 전하이동도 중 가장 높은 수치다.
이 구조체의 고리 구조는 방향족 고리화 반응(반응 결과물이 벤젠 고리와 같은 방향족이 되는 화학 반응)을 통해 얻은 것으로 매우 안정적이며, 600도 고온도 견딘다.
제1 저자인 자비드 마흐무드(Javeed Mahmood) 박사는 "구조의 모든 부분이 고리 모양으로 이뤄져 있어 기존 2차원 유기 구조체보다 화학적, 열적 안정성이 높다"며 "각종 고온 조건에서도 사용 가능할 것"이라고 말했다.
또 이 구조체는 기존 전도성 고분자인 사슬형 폴리아닐린보다 전기전도도가 우수하며, 염화수소를 도핑하면 전도성이 140배 이상 향상돼 다용도 전도성 고분자로 쓸 수 있다고 연구팀은 설명했다.
백 교수는 "이번 연구로 2차원 고분자를 유기반도체 재료로 사용했을 때의 고질적 문제인 낮은 전하이동도를 극복했다"며 "앞으로 유기반도체 소자 개발에 큰 진전이 있을 것으로 기대한다"고 말했다.
연구는 국제 학술지인 '어드밴스드 머티리얼스'(Advanced Materials)에 20일 자로 게재됐다. 연구 수행은 과학기술정보통신부의 리더연구자지원사업과 BK21 플러스사업, 우수과학연구센터, U-K 브랜드 육성사업 등의 지원으로 이뤄졌다.