고분자 반도체 '극성 전환' 미스터리 풀렸다

국내 연구팀이 차세대 소재로 주목받는 고분자 반도체 개발을 가로막던 극성 전환 현상의 원인을 규명했다. 게티이미지뱅크 제공.

고분자 반도체는 가볍고 잘 휘어져 전자 피부·웨어러블 기기에 쓰이는 차세대 소재다. 국내 연구팀이 고분자 반도체 개발 과정에서 일부에서만 나타나 수수께끼로 남아 있던 '극성 전환' 현상의 원인을 밝혀냈다.

한국연구재단은 강보석 성균관대 교수팀이 김윤희 경상국립대·이한솔 가천대 교수팀과 함께 극성 전환의 원인을 규명했다고 19일 밝혔다. 연구 결과는 국제학술지 '첨단 기능 소재(Advanced Functional Materials)' 지난달 15일자에 실렸다.

고분자 반도체에 불순물을 주입해 전기전도도를 높이는 '도핑' 과정에서 전하 수송 극성이 p형에서 n형으로 바뀌는 '극성 전환' 현상이 나타난다. 같은 조건에서 실험해도 일부 고분자에서만 발생해 정확한 원인은 베일에 가려 있었다.

연구팀은 고분자 구조가 서로 다른 반도체 3종을 비교해 극성 전환 현상 발생 조건을 조사했다. 분석 결과 고분자의 불순물 흡수량이 극성 전환 발생 여부를 결정한다는 사실을 확인했다.

또 고분자 종류에 따라 불순물 흡수 능력과 상호작용 방식이 달랐다. 불순물을 일정 수준 이상 흡수하는 고분자만 상호작용을 거쳐 전하 수송 특성이 바뀌었다. 도핑 과정 자체는 극성 전환 발생과 무관했다.

극성 전환을 개발에 활용하면 하나의 고분자 소재에서 p형과 n형 두 가지 극성을 선택적으로 구현할 수 있어 제조 효율을 높일 수 있다. 연구팀은 안정적인 n형 고분자 반도체 설계에도 기여할 수 있다고 내다봤다.

강보석 교수는 "실제 소자 조건에서의 적용 가능성은 추가 연구가 필요하다"며 분자 구조 설계와 소자 구조 최적화의 중요성을 강조했다.

10.1002/adfm.202522164