[테크월드=방제일 기자] ‘유기반도체’는 돌돌말리는 디스플레이나 입는 전자기기에 적합한 전자재료다. 하지만 낮은 전하이동도(mobility) 때문에 그 쓰임이 제한적이었는데, 최근 전하이동도를 이제껏 보고된 최고 수치로 끌어올린 연구가 나와 주목을 받고 있다.
UNIST 에너지화학공학과 백종범 교수팀은 방향족 고리화 반응을 통해 ‘C5N(씨파이브엔) 2차원 유기 고분자 구조체’를 합성하는데 성공했다. 이 유기 고분자 구조체를 얇은 필름 형태로 만들어 반도체 트랜지스터 소자(FET)에 썼을 경우 전하이동도가 수십 배 이상 빨라졌다. 또 이 구조체에 염화수소(HCl)를 도핑하면 전기전도도(conductivity) 또한 크게 높아져 전도성 물질로도 쓸 수 있다.
연구팀은 두 종류의 화학물질(HAB와 PTK)을 반응시켜 C5N(씨파이브앤) 구조체를 얻었다. 이 구조체는 탄소(C)로만 6각 고리를 이루는 그래핀과 달리 2차원 구조에 균일한 기공과 질소원자(N)가 첨가돼 우수한 전하이동도(전자 996㎠V⁻¹s⁻, 정공 501 ㎠V⁻¹s⁻)를 갖는다.
이는 이제껏 보고된 유기반도체 전하이동도 중 가장 높은 수치다. 전하이동도는 소재 내부에서 전자(electron)나 정공(hole)이 움직이는 빠르기로, 전하이동도가 낮은 소재로 반도체 소자를 만들면 전기적 신호 전달이 더뎌지고 디스플레이 등에서 색상 변환 지연 등의 문제가 나타난다.
개발된 2차원 물질의 고리 구조는 ‘방향족 고리화 반응’을 통해 얻어진 구조라 매우 안정적이며 600℃의 고온도 잘 견딘다. 제1자자인 자비드 마흐무드(Javeed Mahmood)박사는 “구조의 모든 부분이 고리모양으로 이뤄져 있어 기존 2차원 유기 구조체보다 화학적, 열적 안정성을 높였다”며 “각종 고온 조건에서도 사용 가능할 것”이라고 설명했다.
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