UNIST 백종범 교수팀, 전하이동도‧점멸비 우수한 2차원 유기 반도체 소재 합성 

반도체 활용에 적절한 밴드갭과 높은 전도성 가져… Chem 8월 30일자 발표 

왼쪽부터 백종범 UNIST 교수, 노혁준 UNIST 박사, 자비드 마흐무드 UNIST 박사

현재 사용 중인 ‘실리콘 반도체(무기 반도체)’는 딱딱하고 무거워 ‘돌돌 말리는 디스플레이’나 ‘입는 전자기기’에 적용하는 데는 한계가 있다. 이를 대체할 반도체 물질로 가볍고 유연하며 단단하고 전기가 잘 통하는 ‘그래핀’이 주목받았으나 역시 문제가 있었다. 그래핀의 밴드갭이 너무 작아 점멸비가 낮고 결국은 반도체 내에서 전류 흐름을 통제하기 어렵다는 점이다.

UNIST 에너지화학공학과 백종범 교수팀은 ‘방향족 고리화 반응’을 통해 ‘HP-FAN(에이치피-펜) 2차원 유기 고분자 구조체’를 합성했다. 이 물질은 반도체로 활용하기 적절한 ‘밴드갭(Band-gap)과 높은 점멸비(On/off), 전하이동도(Mobility)’를 가지고 있어 실제 반도체 소자로 활용 가능할 전망이다.

가볍고 잘 휘어지는 ‘유기 반도체’를 실제 반도체 소자에 응용할 가능성이 열렸다. 실리콘 같은 ‘무기 반도체’에 못 미치던 성능을 보완한 새로운 ‘2차원 유기 반도체 소재’가 합성된 덕분이다.

HP-FAN의 구조 및 소자 응용에 대한 모식도

HP-FAN의 필름 형태 합성 사진

그래핀의 한계를 뛰어넘을 대안으로 ‘유기 반도체’ 연구가 활발히 진행 중이다. 그래핀의 한계를 뛰어넘을 대안으로 ‘유기 반도체’ 연구가 활발히 진행 중이다. 유기 반도체는 그래핀처럼 유연하고 가벼울 뿐 아니라 공정비용이 낮고 물성 조절이 쉬워서다. 그러나 유기 반도체는 소재 내부에서 전자(electron)나 정공(hole)이 느리게 움직여 반도체 소자로 적용하기는 어려웠다. 전하이동도가 낮은 소재로 반도체 소자를 만들면 전기적 신호 전달이 더뎌지고 디스플레이 등에서 색상 변환 지연 등의 문제가 나타나기 때문이다.

백종범 교수팀은 유기 반도체의 전하이동도를 높일 새로운 구조체를 고안했다. 두 종류의 화학물질(HAB와 DHBQ)을 반응시켜 HP-FAN 구조체를 얻은 것. 이 구조체는 2차원 방향족 구조에 균일한 기공과 질소(N) 원자가 첨가돼 적절한 밴드갭과 높은 점멸비, 전하이동도를 가진다.

제1자자인 노혁준 박사는 “안정하고 결정성 높은 2차원 구조체를 개발하고, 이 물질의 반도체 특성을 실험과 계산으로 모두 확인했다”며 “실제 반도체 소자로 응용할 때도 훌륭한 성능을 보여 앞으로 물질 개발에 나아갈 방향을 제시하는 연구”라고 설명했다.

연구책임자인 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 ‘꿈의 신소재’로 불리는 그래핀을 뛰어넘는 유기 반도체 소자 물질 개발에 큰 진전이 있을 것”이라고 기대했다.

이번 연구는 POSTECH 화학공학과 조길원 교수팀과 함께 진행했으며, 논문은 저명 국제학술지인 셀(Cell)의 자매지인 켐(Chem) 8월 30일자로 공개됐다. 과학기술정보통신부의 리더연구자지원사업(창의연구)과 우수과학연구센터(SRC), U-K Brand 육성사업(UNIST)의 지원으로 연구가 수행됐다.

□연구개요

1. 연구배경

유기 고분자는 무기물 실리콘 반도체를 대체할 수 있는 소재로 최근 수십 년간 활발하게 연구 중이다. 유기물이 가진 유연성과 경량성, 분자 구조 제어를 통한 광전자적 특성 제어의 용이성, 낮은 공정비용 등의 다양한 장점 덕분이다. 하지만 대부분의 유기 고분자 기반 반도체1) 소재의 전하이동도는 기대보다 낮아서 아직 실리콘 같은 무기 반도체를 대체하기는 어렵다. 이러한 문제점을 해결하기 위한 물질로 주목받은 그래핀2)은 2005년에 발견됐다. 이후에는 새로운 2차원 구조를 찾고 합성해 이를 반도체 소자로 응용하는 연구가 각광받고 있다. 2차원 구조는 얇고 잘 휘면서 단단하고 두께에 따른 전자적 특성이 조절돼 유기 반도체 소자로서 응용이 이상적이라고 연구됐다.

하지만 그래핀 기반 물질은 밴드갭이 없어 점멸비(On/off ratio)가 낮으므로, 이 부분을 극복할 수 있는 2차원 물질 개발이 활발하다. 밴드갭에 없어 점멸비가 낮다는 것은 반도체에 흐르는 전류의 양을 효과적으로 제어하지 못함을 의미한다. 따라서 다양한 2차원 유기 구조체가 이론적으로 이상적인 반도체 소자라는 연구가 나왔음에도 불구하고, 실험적으로 새로운 2차원 구조를 발견하고 개발하는 것은 조건이 까다로워 아직 무기물 기반의 반도체 대체하기에는 한계가 존재한다. 이번 연구는 새로운 2차원 구조체를 직접 구현해 소자로 응용해 높은 점멸비와 전하이동도를 모두 가짐을 보여줬다. 이는 앞으로 유기 반도체 연구에 대한 방향을 제시한다.

2. 연구내용

본 연구는 방향족 고리화 반응3)을 통해 새로운 결정형 2차원 유기 구조체를 합성하고, 이 구조체가 반도체 소자로서 우수한 성능을 나타냄을 보였다. (그림1) 게다가 합성된 물질은 높은 결정성을 가져 물질 형성이 규칙적으로 잘 이뤄졌음을 입증했다. 합성된 물질(HP-FAN)을 산 용액에 녹인 후, 실리콘 기판에 필름을 만들어 소자를 만들었으며, 만들어진 필름은 가로와 세로가 각각 1.5cm인 대면적이었다. (그림2)

연구팀에서 설계한 구조(HP-FAN)는 밴드갭 측정에서 1.54eV의 반도체 성질을 보였다. (그림3) 또 밀도범함수이론(Density Functional Theory, DFT) 계산(1.44eV)과 실험 결과(1.54eV)가 거의 일치해 반도체 물질로 적합하다는 것도 확인했다.

HP-FAN은 그래핀의 치명적 한계인 밴드갭이 없다는 점을 극복한 2차원 유기 고분자 물질이며, 반도체 특성의 밴드갭을 가지며 소자로 응용 시 높은 점멸비(~2000)와 우수한 전하이동도(1.42 ㎠V⁻¹s⁻¹)를 보였다. 또 도핑 없이 준수한 전도도(0.0382 Scm⁻¹)를 가짐으로써, 전도성 고분자의 가능성도 보여줬다. (그림4)

3. 기대효과

본 연구 결과는 방향족 고리화 반응으로 새로운 2차원 결정형 유기 구조체를 합성해 우수한 전하이동도와 점멸비를 가지면서, 훌륭한 전도성 고분자로서의 능력도 보였다. 또 이번 연구 결과를 통해 기존의 선형 고분자4) 기반 반도체 물질 개발 연구에서 그래핀의 한계점을 극복한 2차원 네트워크 고분자 기반 반도체 물질 개발로 새로운 연구 방향을 제시할 것으로 기대된다.

□용어해설

1.유기반도체

탄소와 수소 원자 혹인 질소, 황, 산소와 같은 이종원소로 이루어진 파이 결합 분자 또는 중합체에 의해 만들어진 고체를 말한다. 유기 반도체 분자 결정이나 비정질 박막의 형태로 존재한다.

2. 그래핀

탄소의 동소체 중 하나이며 탄소 원자들이 모여 2차원 평면을 이루는 구조이다.

3. 방향족 고리화 반응(Aromatization reaction)

반응 결과물이 벤젠 고리와 같은 방향족이 되는 화학반응을 말한다. 본 연구에서는 두 개의 아민기와 두 개의 케톤기가 결합해 방향 구조를 형성한다. 열역학적으로 자발적 반응이어서 매우 안정적인 구조를 가진다.

4. 선형 고분자

2개의 작용기만을 가진 단량체(monomer)에 의해 중합된 것으로 한 줄로 연결돼 선형 일차원 고분자이다.

UNIST 홍보실 제공