울산과학기술원(UNIST) 에너지화학공학과가 방향족 고리화 반응을 통해 'C5N(시파이브엔) 2차원 유기 고분자 구조체'를 합성하는데 성공했다고 25일 밝혔다.
국내 연구진이 실리콘 반도체를 대체할 전자소재로 주목받는 '유기 반도체'의 전하 이동도 수치를 최대치로 끌어올린 기술이다.

유기반도체는 돌돌 말리는 디스플레이나 입는 전자기기에 적합한 전자재료다.  UNIST 에너지화학공학과 백종범 교수팀은 "이 유기 고분자 구조체를 얇은 필름 형태로 만들어 반도체 트랜지스터 소자에 썼을 경우 전하이동도가 수십 배 이상 빨라졌다"며 "또 이 구조체에 염화수소를 도핑하면 전기전도도 또한 크게 높아져 전도성 물질로도 쓸 수 있다"고 밝혔다. 

연구팀은 두 종류의 화학물질(HAB와 PTK)을 반응시켜 C5N 구조체를 얻었다.  이 구조체는 탄소로만 육각 고리를 이루는 그래핀과 달리 2차원 구조에 균일한 기공과 질소원자가 첨가돼 우수한 전하이동도를 가진다.

이제껏 보고된 유기반도체 전하이동도 중 가장 높은 수치다. 개발된 2차원 물질의 고리 구조는 ‘방향족 고리화 반응’을 통해 얻어진 구조여서 매우 안정적이며 600도의 고온도 잘 견딘다.

뿐만 아니라 이 구조체는 기존의 전도성 고분자인 사슬형 폴리아닐린보다 우수한 전기전도도를 지니며 염화수소를 도핑하면 전도성이 140배 이상 향상돼 다용도 전도성 고분자로 쓸 수 있다.

유기반도체는 유연하고 가벼울뿐 아니라 낮은 공정비용, 물성 조절의 용이성 등 다양한 장점 때문에 무기물 실리콘 반도체를 대체할 소재로 최근 수십년 간 활발하게 연구 되고 있다. 하지만 대부분의 유기반도체는 기대치에 못 미치는 전하이동도 때문에 무기반도체 소재를 대체하는 데 어려움이 있다.

이번 연구의 책임자인 백종범 교수는 “2차원 고분자를 유기반도체 재료로 사용했을 때의 고질적 문제인 낮은 전하이동도를 극복했다”며 “앞으로 유기 반도체 소자 개발에 큰 진전이 있을 것으로 기대된다”고 말했다.

연구 수행은 과학기술정보통신부의 리더연구자지원사업(창의연구)과 BK21 플러스사업, 우수과학연구센터(SRC), U-K 브랜드 육성사업(UNIST)의 지원으로 이뤄졌다.