성능·내구성 잡은 고분자 반도체 소재 개발

실리콘 반도체 대체 토대 마련…플렉서블디스플레이用 유기소재 기대

고분자 반도체 소재를 이용해 제작한 트랜지스터 구조(가)와 고분자 반도체 소재를 이용해 제작한 광센서 구조 및 활성층 표면 이미지(나). 계속적인 트랜지스터 구동에도 낮은 히스테리시스를 보였으며 이를 통해 고분자가 높은 전기적 안정성을 가짐을 알 수 있다.(다) 또 밀봉 없이 공기 중에 방치해 두어도 7주 이상 지속적으로 높은 전하 이동도를 유지했다.(라) 빛의 세기에 따른 광센서의 광전류 이득 특성 그래프.(마) <이미지=KIST>
차세대 전자기기 사업에 적용될 수 있는 성능과 내구성을 함께 갖춘 유연한 고분자 반도체 소재가 개발됐다.

KIST(한국과학기술연구원. 원장 이병권)는 손해정 국기기반기술연구본부 박사와 정대성 중앙대 화학과 교수 공동연구팀이 전자소자로 사용가능한 고분자 반도체 소재를 개발했다고 30일 밝혔다.

이 소재는 실리콘 반도체를 대체할 플라스틱 소재가 전하 이동도가 낮고 전기적 스트레스와 공기중 산화 안정성이 매우 낮다는 단점을 극복한 것으로 알려져 주목된다. 관련 연구성과는 '사이언티픽 리포트' 최근호에 소개됐다.

연구팀은 기존 유기 반도체 소재가 반도체 등의 전기 소자 내에서 안정성이 떨어지는 문제를 해결하기 위해 전하가 잘 이동하면서도 잘 산화되지 않는 방향족 화합물을 단량체로 사용했다.

일반적으로 크기가 큰 방향족 화합물들은 고분자에 사용했을 때, 고분자 주사슬 내에서의 전하 이동을 높이는 장점이 있지만, 고분자의 전자 밀도를 높여 고분자의 산화를 유발하는 문제가 있다.

그러나 이번에 개발된 고분자 소재는 전하 이동도를 높임과 동시에 공기 중에서 높은 구동 안정성을 보였다.

실험 결과 고분자 반도체 소재를 이용한 트랜지스터는 밀봉 없이도 공기 중에서 7주 이상 동안 높은 전하 이동도를 유지했으며, 반복적으로 전압의 크기를 변화 시켜도 부품의 저하(히스테리시스) 경향을 거의 보이지 않았다.

연구팀은 "높은 전하 이동도를 가짐과 동시에 세계 최고 수준의 공기 중 구동 안정성을 보이는 획기적인 결과물"이라고 강조했다.

국내 연구진이 이번에 새로 개발한 고분자 화학식. <이미지=KIST>
또한 개발된 고분자 소재를 휴대폰, 비디오, 인공위성용 각종 카메라 등 광센서 응용분야에 적용한 결과, 현재까지 세계적으로 보고된 센서 중 가장 높은 광전류 증가(photoconductive gain)를 보였다고 밝혔다.

손해정 KIST 박사는 "개발된 고분자 반도체 소재는 플라스틱 소재가 기존 실리콘 반도체 소재를 대체할 수 있다는 가능성을 입증한 것"이라며 "휘어질 수 있는 태양전지나 광센서와 같은 저가의 유연한 전자기기를 상용화 하는 시기를 앞당기는데 기여할 수 있을 것"이라고 기대감을 나타냈다.

 
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