국내 연구진이 유연 디스플레이(Flexible display) 구현을 위한 핵심소재인 “높은 전하이동도^*와 안정성을 가진 n-형 유기화합물(플라스틱)반도체 개발”에 성공하였다.

 

 

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 미래창조과학부가 추진하는 글로벌프런티어사업 “나노기반 소프트 일렉트로닉스 연구단(조길원 단장)”의 지원으로 경상대학교 김윤희 교수팀과 동국대학교 노용영 교수팀이 공동연구로 진행하였으며, 연구결과는 재료 분야 국제학술지인 ‘Advanced Materials’ 온라인판 인사이드(Inside) 표지로 9월 23일(화)에 게재되었다.

 

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 정공이동도 만큼 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 개발하였다.

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.

공액구조의 유기물을 이용한 유기반도체재료는 유기발광다이오드(OLED), 유기박막 트랜지스터 (OTFT), 유기태양전지(organic solar cell) 등에 활용되고 있다. 특히 기존의 실리콘 반도체 재료를 사용하는 무기박막 트랜지스터는 공정비용이 높고 유연성이 적어 제한적으로 휘어 질 수는 있으나 접히고 늘어나는 것은 불가능하다. 이에 반해 유기물 고분자 반도체를 이용하는 유기 박막 트랜지스터는 유연성이 커서 접히고 늘어 날 수 있을뿐 아니라 무게가 가볍고 저온에서 대면적 공정이 가능하여 공정 단가가 저렴한 장점 등을 가지고 있어 많은 관심이 집중되고 있는 분야이다.

이러한 유기반도체 재료를 이용한 전자기기는 디스플레이는 물론, 태양전지, 센서, 라디오파 인식장치(RFID), 생물인식기기 등 다양한 분야에 응용이 가능하며 그 시장 규모는 수십 조 원에 이를 것으로 전망하고 있다.

유기박막트랜지스터용의 유기 반도체 고분자를 활용하기 위해서 기존의 연구 결과를 보면 전도성 유기물의 경우, 정공 이동에 의한 p-형의 유기 반도체 물질의 개발이 전자의 이동에 의한 n-형 반도체 물질 개발보다 더 많이 진행되어왔다. 이는 대부분의 유기반도체에서 정공의 이동도가 전자의 이동도에 비해 빠르고 안정도 면에서 상대적으로 전자의 안정성이 작아서 n-형의 유기물 반도체가 p-형에 비해 성능이 떨어지기 때문이다.

그러나 유기물에 의한 p-n junction 다이오드, 양극성 트랜지스터, 변환장치 등의 회로를 구성하기 위해서는 n-형 유기 반도체 물질의 개발이 필수적이며 이에 따른 새로운 n-형 유기재료 개발이 절실히 요구되는 실정으로 고이동도의 n-형 플라스틱 반도체 재료를 개발하는 것은 반드시 필요하다.

이에 김윤희 교수 연구팀과 노용영 교수 연구팀은 새로운 전자 당김체 그룹인 니트릴 그룹을 도입한 신규한 디케토피롤로피롤계의 n-형 고분자 반도체를 개발하여 플라스틱 재료로는 세계최고 n-형 전하이동도 7.0cm2V-1s-1를 보였다. 현재까지 유기반도체에서 정공의 이동도가 전자의 이동도에 비해 빠르기 때문에 상대적으로 n-형의 유기물 반도체가 p-형에 비해 전기적 성능이 떨어지고 안정성이 낮아서 낮은 전하이동도를 나타내기 때문에 개발이 어려웠다. 하지만 이 재료는 높은 전자 이동도 특성과 안정성을 나타내어 p-n junction 다이오드, 양극성 트랜지스터, 변환장치 등의 회로를 구성이 가능하여 다양한 응용이 가능하다.

새롭게 합성된 n-형 플라스틱 반도체는 현재까지 개발된 p-형 플라스틱 반도체 재료와 더불어서 높은 특성을 가지고, p-n junction 다이오드, 양극성 트랜지스터, 변환장치 등의 회로를 구성으로 다양한 응용이 가능하다. 또한 높은 특성을 지니는 p-형의 플라스틱 재료에 전자당김체를 전략적으로 도입하므로 높은 n-형의 특성을 나타낼 수 있으므로 향후 분자설계에서도 응용이 가능하다.

 

그림. 고이동도를 갖는 n-형 플라스틱 재료 (PDPP-CNTVT)의 구조 (a) 및 소자 구조 (b), 이 재료를 사용하여 얻은 소자의 고이동도 특성 그래프 (d) 상기 그림은 연구진이 개발한 신규한 n-형 플라스틱 반도체 재료의 구조로서 기존의 높은 p-형 전하이동도 특성을 보이는 PDPP-TVT의 주사슬에 전자당김체 그룹인 니트릴 그룹을 도입하여 n-형 특성을 상승시킨 신규 n-형 고분자 반도체 PDPP-CNTVT의 구조 그림이다. 이러한 신규 재료를 활성층으로 제작되어진 유기박막 트랜지스터의 트랜스퍼 특성곡선이다.

> Advanced Materials : 재료 분야 중 최정상급 국제학술지(IF=14.829, 2013년 기준)

> 전하이동도 : 반도체 속의 하전입자의 이동도. 하전입자의 속도를 외부 전기장으로 나눈 것이다.

> 아몰레드(AMOLED: Active Mode Organic Light Emitting Diode) : 능동형 유기발광 다이오드로 삼성의 갤럭시 스마트폰에도 적용되는 디스플레이 형식이다.

신규 개발된 유기 고분자 반도체 재료는 n-형 플라스틱 반도체 재료로서 특히 기존의 p-형 반도체와 비슷한 안정성과 높은 전하 이동도를 나타내는 용액 공정이 가능한 고분자 재료이다.

높은 n-형 전하이동도를 가지는 플라스틱 개발로 p-형 플라스틱 반도체와 더불어 p-n junction 다이오드, 양극성 트랜지스터, 변환장치 등의 회로 등의 구성으로 다양한 응용이 가능하다. 이를 통해 향후 디스플레이는 물론 태양전지, 센서, 라디오파 인식장치(RFID), 생물인식기기 등 다양한 분야에서 상업화에 더욱 박차를 가할 수 있을 것으로 기대된다.

p, n 형의 고분자 유기 반도체 재료의 화학적 구조 최적화 연구와 더불어 소자 제작 공정 적용시 문제점을 해결할 수 있는 소자 최적화 연구 등이 동시에 이루어져야 할 것이다. 경상대 재료에 대해 다국적 기업 및 많은 연구자들이 관심을 가지고 있어 실용화를 위한 문제들이 점차 해결 될 수 있을 것으로 기대 된다.

접히고, 늘어나고 휘어지는 완벽한 플렉시블 디스플레이는 2017년경의 미래 디스플레이로 산업계에서 전망하고 있으며 고이동도 특성을 갖는 핵심재료가 개발됨으로서 이를 활용한 소자 최적화 등의 연구가 이루어지면 그 시기를 앞당길 수 있을 것으로 예상한다. 특히 이를 기반으로 일회용 및 소형 디스플레이로의 적용은 더 빨리 실용화될 수 있을 것이다.

고성능의 전하 이동도를 구현하는 n형 고분자 반도체의 개발을 통해 차세대 휘어지는 전자소자로서 유기 디스플레이 및 유기 태양전지, 스마트 생화학센서와 같은 생활 제품 시스템 산업에 상당한 파급효과를 미칠 것으로 기대된다.