고성능 '플라스틱 반도체' 개발

국내 연구진이 유연 디스플레이(Flexible display) 구현을 위한 핵심 소재인 “높은 전하이동도와 안정성을 가진 n-형 유기화합물(플라스틱) 반도체 개발”에 성공했다.

‘전하이동도’란 반도체 속의 하전입자(전자 또는 정공)의 이동 속도로 반도체 성능을 결정하는 주요 특성을 지니고 있다.

이번 개발된 n-형 플라스틱 반도체는 n-형 유기반도체 중 세계 최고의 전자이동도를 나타내어, 향후 유연 디스플레이 뿐만 아니라, 유기 태양전지나 스마트 생화학센서 등 유기화합물 반도체가 사용되는 다양한 분야에서 상당한 파급효과를 미칠 것으로 기대된다.

이번 연구는 경상대학교 김윤희 교수팀과 동국대학교 노용영 교수팀이 공동연구로 진행했으며, 연구결과는 재료 분야 국제학술지인 ‘Advanced Materials’ 온라인판 인사이드(Inside) 표지로 9월 23일(화)에 게재되었다.(논문명: Dramatic Inversion of Charge Polarity in Diketopyrrolopyrrole-Based Organic Field-Effect Transistors via a Simple Nitrile Group Substitution)

고이동도를 갖는 n-형 플라스틱 재료 (PDPP-CNTVT)의 구조

반도체는 전자(음(-) 특성)의 이동에 의한 n-형 반도체와 정공(양(+) 특성)의 이동에 의한 p-형 반도체가 있으며, 지금까지 유기화합물 반도체 분야에서는 p-형이 n-형보다 더 많이 진행되어 왔다. 이는 정공의 이동도가 전자의 이동도에 비해 빠르고 안정성도 높아서 p-형 유기화합물 반도체의 성능이 n-형보다 높았기 때문이다.

그러나 반도체가 다이오드나 트랜지스터 등의 기본 전자소자로 동작하기 위해서는 두 반도체의 조합(p-n 접합)이 반드시 필요하다. 이에 따라 유기화합물 반도체 분야에서는 p-형 반도체 성능에 맞는 n-형 유기화합물 반도체 개발이 필수적으로 요구되어 왔다.

이번 개발된 n-형 유기화합물 반도체는 세계 최고의 성능으로써 p-형의 정공이동도만큼 높은 전자이동도를 가지면서도 안정하다는 점에서 대단히 큰 의의를 가지고 있다.

연구진은 최근 유기박막 트랜지스터나 태양전지 등 많이 사용되고 있는 재료 중 하나인 디케토피롤로피롤(DPP)에 니트릴(nitrile) 치환체를 추가하여 n-형 특성을 높인 플라스틱 물질을 개발하고, 이를 이용해 7.0 cm2V-1s-1의 매우 높은 전하이동도와 안정성을 가진 n-형 유기 화합물 반도체를 개발했다.

연구팀은 “이번 높은 n-형 전하이동도를 가지는 플라스틱 개발로 인해, p-형 플라스틱 반도체와 더불어 향후 디스플레이는 물론 태양전지, 센서, 라디오파 인식장치(RFID), 생물인식기기 등 다양한 분야에서 실용화에 더욱 박차를 가할 수 있을 것”이라고 밝혔다.

[김들풀 기자 itnews@itnews.or.kr]