고분자 반도체의 일부 소재에서만 보이던 '극성 전환(polartiy inversion)' 원인이 규명됐다. 고분자 반도체는 탄소 기반의 유기 화합물(고분자)이지만, 실리콘처럼 전기가 통하는 특수 물질이다. 극성 전환의 원인 규명은 향후 반도체 설계를 위한 분자 설계 전략 수립에 중요한 지침이 될 것으로 기대된다.

한국연구재단은 강보석 성균관대 교수 연구팀이 김윤희 경상국립대 교수, 이한솔 가천대 교수 연구팀과 공동으로 고분자 반도체에서 나타나는 극성 전환 현상의 발생 원인을 규명했다고 19일 밝혔다.

한국연구재단

고분자 반도체는 가볍고 유연한데다 용액 공정(Solution Process)까지 가능해 차세대 전자 소자의 핵심 소재로 꼽힌다.

고온·진공상태의 복잡한 공정이 요구되는 실리콘 반도체와 달리, 고분자 반도체는 액체 상태로 녹여 잉크젯 프린팅 또는 코팅 방식으로 찍어낼 수 있다. 이는 생산 비용을 획기적으로 낮추는 역할을 한다.

최근에는 고분자 반도체의 도핑 농도가 증가하면서 전하 수송의 극성이 전환되는 '극성 전환' 현상이 보고돼 이를 이용한 소자 구조의 단순화와 제조 공정의 효율성 향상에 관심이 쏠린다. 하나의 고분자 반도체로도 n형과 p형 반도체를 구현할 수 있는 이점에 주목한 것이다.

하지만 '극성 전환'은 일부 고분자에서만 제한적으로 나타나고 이를 규명할 근본적 원인은 밝혀지지 않았다. 동일한 도핑 조건에서 고분자에 따른 극성 전환 발생 여부가 미스터리로 남아 있던 셈이다.

공동연구팀은 베일에 싸인 '극성 전환' 발생 원인을 확인하기 위해 서로 다른 분자 구조를 갖는 고분자 반도체를 비교 분석, '극성 전환' 현상의 발생 조건을 조사했다.

이 결과 '극성 전환'이 발생하기 위해선 고분자 박막 내부에 흡수된 도펀트(dopant)의 양이 일정 기준(임계 값) 이상에 도달해야 한다는 결론을 도출했다.

도펀트는 도핑 과정에서 반도체에 첨가하는 물질의 일종으로 임계 농도를 넘어설 때 도펀트에서 생성된 음이온이 고분자와 상호 작용해 전하 수송 특성을 변화시킴으로써 p형에서 n형으로 전환된다는 것을 연구 과정에서 확인했다. 반대로 흡수된 도펀트 양이 충분하지 않을 때는 '극성 전환'이 발생하지 않았다.

바꿔 말해 '극성 전환' 여부는 도핑 공정 자체가 아니라 고분자의 분자 구조에 의해 결정되는 도펀트 흡수 능력과 고분자?도펀트 간 상호작용에 의해 결정된다는 게 공동연구팀의 설명이다.

강보석 성균관대 교수. 한국연구재단

이번 연구는 고분자 반도체에서 극성 전환이 특정 소재에서만 나타나는 이유를 규명, 향후 하나의 고분자 소재에서 p형과 n형 특성을 선택적으로 구현하거나 안정적인 n형 고분자 반도체를 설계하는 데 필요한 분자 설계 전략 수립에 중요한 지침이 될 것으로 기대된다.

단 다양한 도펀트 시스템과 실제 소자 조건에서의 적용 가능성을 확인하기 위해선 후속 연구가 필요하다는 단서가 붙는다.

강 교수는 "현재 구현된 소자의 성능은 초기 연구단계 수준"이라며 "향후 분자 구조 설계와 소자 구조 최적화를 통한 성능 향상이 요구된다"고 말했다.

한편 이번 연구는 과학기술정보통신부, 한국연구재단이 추진하는 핵심 연구와 신진 연구사업의 지원을 받아 수행됐다. 연구 성과는 지난달 15일 재료 분야 국제 학술지 '어드밴스드 펑셔널 머티리얼즈(Advanced Functional Materials)' 온라인판에 게재됐다.

대전=정일웅 기자 jiw3061@asiae.co.kr
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