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KIST, 플렉서블 구현 유기 반도체 소재 개발

- 이동도·내구성 만족, 유연 태양전지·광센서 상용화 촉진

김은경|2014-07-30
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▲ 유기반도체 소재(가운데)를 개발한 손해정 박사와 고분자 반도체 소재를 이용한 트랜지스터 특성(가~라). 고분자 반도체 소재를 이용하여 제작한 트랜지스터 구조(가)와 활성층 표면(나), 전하 이동도(다), 공기 중 안정성 특성(라)  
국내 연구진이 플라스틱 반도체 소재의 전하 이동도와 안정성을 획기적으로 개선해 플렉서블 전자기기 시대를 앞당길 전망이다.

한국과학기술연구원(KIST, 원장 이병권) 국가기반기술연구본부 손해정 박사, 중앙대학교 화학공학과 정대성 교수 공동 연구팀은 높은 전하 이동도를 가지면서 공기와 전기적 스트레스에 높은 안정성을 보여 전자소자로 사용가능한 고분자 반도체 소재를 개발했다고 30일 밝혔다.

연구팀은 기존 유기 반도체 소재의 안정성 문제를 해결하기 위해 산화성이 낮은 화학적 구조를 갖는 유기 고분자 반도체 소재를 개발했다.

연구팀은 고분자를 구성하는 주사슬에서 전하 이동도가 높고 산화성은 낮은 화학 구조를 가지는 방향족 화합물을 단량체로 사용해 성능과 내구성을 모두 만족시켰다.

크기가 큰 방향족 화합물들은 고분자 주사슬로 사용될 때 전하 이동성을 높이는 장점이 있지만, 고분자 전체의 전자 밀도를 높여 산화를 유발하는 문제점이 있다.

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

개발된 고분자 반도체 소재를 이용한 트랜지스터는 밀봉 없이도 공기 중에서 7주 이상 동안 2.5~2.7이상의 높은 전하 이동도를 유지했으며 반복적으로 전압의 크기를 변화 시켜도 부품의 저하(히스테리시스)경향을 거의 보이지 않는 안정된 성능을 보였다.

전하 이동도는 1V가 걸린 단위면적에서 전하가 움직이는 거리(cm)를 나타내는 기준으로 유기반도체로서 작동하기 위해서는 이동도가 1에 가까운 아모포스 실리콘(amorphous Si)을 기준으로 이보다 이동도가 좋으면 반도체 소자로서 가치가 있다.

또한 산화도 안정성을 잡기 위해서 방향족 화합물의 6각 탄소 링 중 하나를 황(S)으로 대체해 헤테로 아톰을 구성했다. 전기음성도가 높은 황은 전자를 풍부하게 보유할 수 있어 산화도가 낮다.

기존에도 많은 학자들이 실리콘을 대체할 유기 반도체로 이동도가 10, 20정도 되는 뛰어난 성능의 물질을 발표해 왔으나, 안정성을 잡을 수 없어 상용화할 수가 없어 무용지물인 상태였다.

이번 개발로 전하 이동도와 산화 안정성을 모두 잡은 유기 반도체 소재는 플렉서블을 추구하는 기존의 모든 Si 소자들이 대체될 수 있는 물질로 경제적 가치가 어마어마하다.

연구팀은 개발된 고분자 소재를 광센서 응용분야(휴대폰, 비디오, 인공위성용 각종 카메라)에 적용한 결과 현재까지 세계적으로 보고된 센서 중 가장 높은 광전류 증가(photoconductive gain)를 보여, 해당 소재의 추후 상업적 응용 가능성을 높인 것이라 할 수 있다.

KIST 손해정 박사는 “개발된 고분자 반도체 소재는 플라스틱 소재가 기존에 실리콘 반도체 소재를 대체할 수 있다는 것을 밝혀, 휘어질 수 있는 태양전지나 광센서와 같은 저가의 유연한 전자기기를 상용화 하는 시기를 앞당기는데 기여 했다는데 의의가 있다”고 말했다.

연구 결과는 ‘Scientific Reports’ 최근호에 ‘High mobility polymer based on a π-extended benzodithiophene and its application for fast switching transistor and high gain photoconductor‘라는 제목으로 게재됐으며 개발된 고분자 단량체는 특허로 등록됐다.

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