GIST(광주과학기술원·총장 문승현) 이광희 신소재공학부 교수 연구팀이 무기 반도체를 대체할 유기 반도체의 결정 크기를 조절하는 결정씨앗을 개발하는 데 성공했다고 29일 밝혔다.

최근 첨단 소재를 기반으로 입는 컴퓨터, 휘어지는 유기 디스플레이 등 차세대 전자 소자들의 연구개발이 활발해지면서 저렴하고 가벼운 고성능의 재료 개발이 요구되고 있다.

그 중 고온공정의 무기물을 기반으로 한 전통적인 반도체와 달리 '유기 반도체'는 용액공정과 낮은 공정온도 특성과 함께 가볍고 고성능 구현이 가능하기 때문에 차세대 재료로 주목 받고 있다. 

이 가운데 반도체 전하 이동도는 반도체 성능을 평가하는 중요한 지표다. 전하 이동도가 높을수록 효율적인 전류 증폭이 가능하고 전자소자의 집적도를 높일 수 있다.

이러한 전하이동도는 반도체의 결정 크기가 클수록 높아지고, 결정의 크기가 작을수록 전하 이동도는 낮아진다.

유기 반도체 상용화를 위해 유기 반도체를 이루는 결정의 크기를 거대하게 성장시켜 전하 이동도 저하를 막고 균일한 성능을 얻을 수 있게 하는 기술이 필수적이다.

현재 열로 증착하거나 기판에 홈을 파내는 등 유기 결정의 크기를 조절하는 방법에 대한 연구가 이뤄지고 있지만, 적은 비용으로 가능한 용액 공정에서 유기 반도체의 결정 크기를 조절해 결정을 성장시킨 사례는 아직 보고된 바 없다.

연구팀은 유기 반도체 결정의 성장을 제어할 수 있는 70나노미터(nm) 크기의 결정씨앗 개발에 성공했다.
 
연구팀은 유기 반도체 용액에 유기산을 소량 투여해 유기 반도체들 사이에 강력한 정전기적 인력을 형성시켜 70나노미터(nm) 크기의 단단한 혼합체(결정씨앗)를 만들었다. 이 혼합체는 반도체의 결정 크기를 최대 3mm까지 성장시킨다.

이렇게 결정이 커진 유기 반도체는 무기 반도체를 대체할 수 있는 전하이동도(18 cm2/Vs)와 함께 기존 대비 95% 이상의 높은 가시광 투과도를 보였다. 특히 고전압 환경에서도 성능저하 없이 안정적으로 반복 구현했다.

이광희 교수는 "유기 반도체 상용화의 가장 큰 장벽이었던 결정크기의 성장 조절 문제가 해결됐다"며 "값비싼 무기 반도체를 대체해 향후 차세대 유기 전자소자와 웨어러블 디바이스 상용화를 앞당기는 데 기여할 것"이라고 말했다.

한편, 이번 연구 결과는 '어드벤스트 머티리얼즈'(Advanced Materials) 1일 자 온라인판에 게재됐다.