UNIST, 고성능 2차원 유기 반도체 소재 합성 성공

낮은 점멸비·전하이동도 모두 극복…학술지 '켐' 게재

울산과학기술원(UNIST)은 ‘무기 반도체’에 못 미치던 성능을 보완한 새로운 ‘2차원 유기 반도체 소재’를 합성했다고 30일 밝혔다.

UNIST에 따르면 에너지화학공학과 백종범 교수 연구팀은 ‘방향족 고리화 반응’을 통해 ‘에이치피-펜(HP-FAN) 2차원 유기 고분자 구조체’를 합성했다.

이 물질은 반도체로 활용하기 적절한 밴드갭(하나의 전자가 결합 상태에서 벗어나는 데 필요한 최소량의 에너지)과 높은 점멸비(점멸비가 클수록 반도체에 흐르는 전류의 양을 효과적으로 제어 가능), 전하이동도를 가지고 있어 실제 반도체 소자로 활용할 수 있다.

현재 사용되고 있는 실리콘 반도체(무기 반도체)는 딱딱하고 무거워 돌돌 말리는 디스플레이나 입는 전자기기에 적용하는 데 한계가 있다.

이를 대체할 반도체 물질로 그래핀이 주목받았으나 밴드갭이 너무 작아 점멸비가 낮고, 반도체 내에서 전류 흐름을 통제하기 어렵다는 문제가 있었다.

이에 그래핀의 대안으로 유기 반도체 연구가 활발히 진행 중이다.

유기 반도체는 그래핀처럼 유연하고 가벼울 뿐만 아니라 공정비용이 낮고 물성 조절이 쉽다.

그러나 소재 내부에서 전자나 정공이 느리게 움직여 반도체 소자로 적용하기는 어려웠다.

전하이동도가 낮은 소재로 반도체 소자를 만들면 전기적 신호 전달이 더뎌지고, 디스플레이 등에서 색상 변환 지연 등의 문제가 나타났기 때문이다.

연구팀은 유기 반도체의 전하이동도를 높일 새로운 구조체를 고안한 끝에 두 종류의 화학물질인 헥사아미노벤젠(HAB)과 다이하이드록시벤조퀴논(DHBQ)을 반응시켜 HP-FAN 구조체를 얻었다.

백종범 교수는 “2차원 고분자를 유기 반도체 재료로 사용했을 때의 고질적 문제인 ‘낮은 전하이동도’와 그래핀 반도체의 치명적 한계점인 ‘낮은 점멸비’를 모두 극복했다”며 “앞으로 그래핀을 뛰어넘는 유기 반도체 소자 물질 개발에 큰 진전이 있을 것”이라고 말했다.

연구는 포항공과대(POSTECH) 화학공학과 조길원 교수팀과 함께 진행했으며, 논문은 국제 학술지 ‘셀'(Cell)의 자매지인 ‘켐'(Chem)에 30일 자로 공개됐다.

연구 수행은 과학기술정보통신부의 리더연구자지원사업과 우수과학연구센터(SRC), UNIST의 U-K 브랜드 육성사업의 지원을 받아 이뤄졌다.

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