▲ 다결정 유기반도체 박막의 몰포로지 및 분자배향(왼쪽)과 트랜지스터 소자의 전하이동도 및 전압안정성(오른쪽)과의 상관관계 (사진제공: 건국대학교).

건국대학교 연구팀이 차세대 곡면 플렉서블 디스플레이에 쓰이는 핵심 소재인 유기반도체의 전압안정성과 효율성에 영향을 미치는 핵심 원리를 규명했다.

건국대 공과대학 유기나노시스템공학과 이위형 교수팀은 지난 19일 손쉬운 방법으로 유기반도체 박막의 결정립계(용융 금속이 응고 때 성장하면서 서로 만나는 곳에서 생기는 경계면)의 밀도를 제어하고, 이것이 유기반도체를 활용한 트랜지스터의 전압안정성에 미치는 영향을 분석해 결정립 경계의 밀도와 전압안정성과의 상관관계를 규명했다고 밝혔다.

유기반도체는 실리콘을 대체하는 차세대 플렉시블 디스플레이에 쓰이는 핵심소재로, 단결정으로 성장 때 가장 우수한 전기적 특성을 지닌다고 알려져 있으나, 제조공정의 어려움으로 불가피하게 다결정박막으로 성장시켜 사용한다.

다결정박막에 존재하는 결정립계는 전기적 특성을 떨어뜨린다고 알려져 있으나, 결정립계의 밀도를 제어하는 기술, 결정립계가 트랜지스터와 같은 플렉서블 소자의 특성에 미치는 영향 등은 그동안 규명되지 않았다.

이에 건국대 연구팀은 유기반도체 용액의 교반시간을 증가시켜 용액 내 유기반도체 분자의 응집을 증가시켜 박막의 결정화 단계에서 결정립계의 밀도가 증가하는 것을 관찰했고, 이 유기반도체 박막을 트랜지스터의 반도체 박막으로 활용하였을 때 소자의 전하 이동도와 전압 안정성 등을 측정해 결정립계가 소자의 특성에 미치는 영향을 체계적으로 분석했다.

특히 결정립계에서 전하가 트랩되어 소자의 전압안정성이 감소하기 때문에, 소자의 안정성을 높이기 위해서는 결정립계의 밀도를 감소시켜야 한다는 것을 확인할 수 있었다.

이위형 교수는 “이번 연구는 유기반도체 박막의 결정립계의 역할에 대해서 명확하게 제시해 유기반도체를 이용한 플렉시블 디스플레이 구현에 중요한 정보를 제공할 것으로 예상된다”고 말했다.

한편, 이번 연구는 미래창조과학부 글로벌프론티어 사업인 ‘나노기반 소프트 일렉트로닉스 연구단’과 해외우수연구센터 지원사업인 ‘KU-KTT 공동연구센터’, 이공분야 기초연구사업인 ‘신진연구지원사업’의 공동지원으로 이뤄졌다.

또한 이번 연구는 건국대 유기나노시스템공학과 석사과정을 졸업한 응웬반키 학생이 제1저자, 이위형 교수가 교신저자로 참여했으며, 연구 결과는 세계적인 과학 저널 네이처의 자매지인 ‘사이언티픽 리포트’(Scientific Reports)’ 온라인 판 9월 12일 자에 게재됐다.