[헬로티]

롤러블 디스플레이&웨어러블 전자기기에 적용 가능할 것으로 기대

▲이번 연구의 책임자인 (왼쪽부터) 노혁준 연구원과 자비드 마흐무드 박사 .

유기반도체의 전하이동도를 역대 최고 수치로 끌어올린 연구가 나왔다. 

롤러블 디스플레이나 웨어러블 전자기기에 적합한 전자재료인 유기반도체는 지금까지 낮은 전하이동도(mobility)를 극복하지 못하며 기술 상용화에 한계를 드러내 왔지만 이번 연구가 돌파구가 될 수 있을 전망이다. 

UNIST 에너지화학공학과의 백종범 교수팀은 방향족 고리화 반응을 통해 ‘C5N 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(conductivity) 또한 크게 높아져 전도성 물질로도 쓸 수 있다. 

연구팀은 두 종류의 화학물질 HAB(hexaaminobenzen, 헥사아미노벤젠)와 PTK(pyrenetetraketone, 파이렌에트라케톤)을 반응시켜 C5N 구조체를 얻었다. 이 구조체는 탄소로만 6각 고리를 이루는 그래핀과 달리 2차원 구조에 균일한 기공과 질소원자가 첨가돼 우수한 전하이동도를 갖는다. 

이는 이제껏 보고된 유기반도체 전하이동도 중 가장 높은 수치다. 전하이동도는 소재 내부에서 전자(electron)나 정공(hole)이 움직이는 빠르기로, 전하이동도가 낮은 소재로 반도체 소자를 만들면 전기적 신호 전달이 더뎌지고 디스플레이 등에서 색상 변환 지연 등의 문제가 나타난다. 

개발된 2차원 물질의 고리 구조는 ‘방향족 고리화 반응(반응 결과물이 벤젠 고리와 같은 방향족이 되는 화학반응)’을 통해 얻어진 구조로, 매우 안정적이며 600℃의 고온도 견딘다. 

제1저자인 자비드 마흐무드(Javeed Mahmood) 박사는 “구조의 모든 부분이 고리모양으로 이뤄져 있어 기존 2차원 유기 구조체보다 화학적, 열적 안정성을 높였다”며 “각종 고온 조건에서도 사용 가능할 것”이라고 설명했다. 

뿐만 아니라 이 구조체는 기존 전도성 고분자인 사슬형 폴리아닐린보다 우수한 전기전도도를 갖으며, 염화수소 (HCl)를 도핑(doping)하면 전도성이 140배 이상 향상돼 1038 S/cm(전기전도도 단위, S=Siemen) 다용도 전도성 고분자로 쓸 수 있다. 

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

서울대학교 화학생물공학부의 오준학 교수 연구팀과 함께한 이번 연구는 저명한 국제학술지 어드밴스드 머트리얼스(Advanced Materials)에 1월 20일자로 게재됐다.