▲ 고이동도를 갖는 n-형 플라스틱 재료 (PDPP-CNTVT)의 구조(a) 및 소자 구조 (b), 이 재료를 사용하여 얻은 소자의 고이동도 특성 그래프 (d) .

국내 연구진이 플렉스블 디스플레이 구현에 필요한 n-형 플라스틱 반도체 개발에 성공했다.

미래창조과학부 글로벌프런티어사업 나노기반소프트일렉트로닉스연구단이 지원한 이번 연구는 경상대학교 김윤희 교수팀과 동국대학교 노용영 교수팀의 공동연구로 진행됐다.

이번에 개발된 소재는 n-형 유기반도체 중 세계 최고 수준의 전자이동도를 가졌으며, 플렉서블 디스플레이 뿐만 아니라 유기 태양전지·스마트 생화학센서 등 유기화합물 반도체가 사용되는 다양한 분야에 상당한 파급효과를 미칠 것으로 기대되고 있다.

반도체는 전자(음의 특성)의 이동에 의한 n-형 반도체와 정공(양의 특성)의 이동에 의한 p-형 반도체가 있으며, 그간 유기화합물 반도체 분야에서는 p-형이 n-형보다 더 큰 진척이 있었다. 이는 정공의 이동도가 전자의 이동도 보다 빠르고 안정성도 높아 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. 때문에 유기화합물 반도체 분야에서는 p-형 반도체 성능에 맞는 n-형 유기화합물 반도체 개발이 요구돼 왔다.

이런 맥락에서 이번에 개발된 n-형 플라스틱 반도체는 p-형의 정공이동도 만큼 높은 전자이동도를 가지면서도 안정성이 우수하다는 점에서 관계자들의 주목을 받고 있다.

연구진은 최근 유기박막 트랜지스터나 태양전지 등 많이 사용되고 있는 재료 중 하나인 디케토피롤로피롤(DPP)에 니트릴(nitrile) 치환체를 추가해 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.

이번 연구진은 “이번 플라스틱 개발로, p-형 플라스틱 반도체와 더불어 디스플레이를 넘어 태양전지·센서·RFID·생물인식기기 등 다양한 분야에서 실용화에 더욱 박차를 가할 수 있을 것”이라고 말했다.

한편, 연구결과는 재료 분야 국제학술지인 ‘Advanced Materials’ 온라인판 인사이드(Inside)에 ‘Dramatic Inversion of Charge Polarity in Diketopyrrolopyrrole-Based Organic Field-Effect Transistors via a Simple Nitrile Group Substitution’라는 제목으로 게재됐다.