성균관대·경상국립대·가천대 공동연구팀, 극성 전환 발생 원인 및 임계 농도 규명
도펀트 흡수 능력에 따른 고분자 반도체의 p형·n형 극성 전환 과정 모식도
최근 국내 연구진이 고분자 반도체에서 특정 조건에 따라 전하의 성질이 바뀌는 이른바 ‘극성 전환(Polarity Inversion)’ 현상의 근본 원인을 규명해 학계의 이목을 끌고 있다. 이번 연구 결과는 차세대 유연 전자소자의 핵심 소재인 고분자 반도체의 성능 제어와 공정 효율화를 앞당길 중요한 이정표가 될 전망이다.
한국연구재단은 성균관대학교 강보석 교수, 경상국립대학교 김윤희 교수, 가천대학교 이한솔 교수 공동연구팀이 고분자 반도체의 도핑 농도에 따른 극성 전환 현상의 메커니즘을 체계적으로 밝혀냈다고 발표했다.
가볍고 유연한 고분자 반도체, ‘극성 전환’이 숙제였다
고분자 반도체는 실리콘과 같은 무기물 반도체와 달리 가볍고 유연하며, 액체 상태로 녹여 인쇄하듯 찍어낼 수 있는 ‘용액 공정(Solution Process)’이 가능하다는 장점이 있다. 이 때문에 웨어러블 기기나 유연 디스플레이 등 차세대 소자의 핵심 소재로 꼽힌다.
최근 학계에서는 고분자 반도체에 도펀트(첨가제)를 넣는 ‘도핑’ 과정에서, 도핑 농도가 높아짐에 따라 전하 수송의 극성이 p형(양공)에서 n형(전자)으로 바뀌는 현상이 보고되어 왔다.
만약 이 현상을 자유자재로 제어할 수 있다면, 하나의 소재만으로 p형과 n형 반도체를 모두 만들 수 있어 제조 공정을 획기적으로 단순화할 수 있다. 하지만 왜 일부 소재에서만 이런 현상이 나타나는지는 그동안 미스터리로 남아 있었다.
극성 전환의 열쇠, ‘도펀트 흡수 능력’과 ‘임계 농도’
연구팀은 화학 구조가 서로 다른 세 가지 고분자 반도체를 비교 분석했다. 금(III) 염화물(AuCl₃)을 도펀트로 사용하여 단계적으로 도핑한 결과, 고분자의 분자 구조에 따라 극성 전환이 일어나는 시점이 제각각임을 확인했다.
핵심은 고분자가 도펀트를 얼마나 많이 받아들일 수 있느냐는 ‘흡수 능력’에 있었다. 연구팀이 박막 내부의 금 원자 밀도를 정량화한 결과, 고분자 내부의 금 원자 밀도가 약 0.3~0.4 atoms nm⁻³ 이상의 임계치에 도달할 때 비로소 극성 전환이 발생한다는 사실을 찾아냈다.
즉, 아무리 많은 도펀트를 투여해도 고분자의 분자 구조가 이를 충분히 흡수하지 못하면 극성 전환은 일어나지 않는다. 반대로 도펀트 흡수 능력이 뛰어난 고분자는 낮은 농도의 도핑 조건에서도 쉽게 n형으로 성질이 변했다.
화학적 메커니즘 규명… n형 전도 경로 생성 원리 밝혀
연구팀은 극성 전환이 일어나는 구체적인 화학 반응 과정도 함께 규명했다. 도핑 과정에서 생성된 염화 이온(Cl⁻)이 고분자 사슬과 화학적으로 결합(염소화)하면서 전자를 생성하고, 이것이 새로운 n형 전도 경로를 만들어내어 전하의 극성이 바뀐다는 설명이다.
강보석 성균관대 교수는 “이번 연구는 특정 소재에서만 극성 전환이 나타나는 이유를 체계적으로 설명한 결과”라며 “향후 안정적인 n형 고분자 반도체 설계와 유기 열전소자 등 차세대 유연 전자소자 개발에 중요한 지침을 제공할 것”이라고 밝혔다.
연구팀은 현재 구현된 소자의 성능이 초기 단계인 만큼, 향후 분자 구조 최적화와 소자 구조 개선을 통해 실제 산업 현장에 적용할 수 있는 수준까지 성능을 끌어올릴 계획이다.
한편, 과학기술정보통신부와 한국연구재단의 지원으로 수행된 이번 연구 결과는 재료 분야 국제학술지 ‘어드밴스드 펑셔널 머티리얼즈(Advanced Functional Materials)’에 지난 2월 15일 게재되었다.
기계신문, 기계산업 뉴스채널
한음표 기자
hup@mtnews.net
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