경상대 김윤희 교수팀, "친환경 공정" 최고 이동도 플라스틱 반도체 개발

경상대학교 연구팀이 환경친화적 공정으로 유연한 디스플레이용 플라스틱 반도체 재료 개발에 성공했다.

개발에 성공한 반도체는 상업적 공정에 허가된 유기용매를 이용하면서도 고 전하이동도 특성을 갖는 것으로 향후 플라스틱 반도체를 이용한 소자의 대량생산 공정 개발에 기여할 것으로 기대된다.

화학과 김윤희 교수와 포항공대 화학공학과 조길원 교수 연구팀이 미래창조과학부가 추진하는 글로벌 프론티어사업과 중견연구자지원사업 등의 지원으로 이번 연구결과는 재료분야 국제학술지 『어드밴스드 머티리얼스』 5월 5일자 온라인판 인사이드 표지에 게재됐다.

연구팀은 관련 원료물질 등에 대해 2건의 국내특허를 출원한 상태다. (논문명: A Pseudo-Regular Alternating Conjugated Copolymer Using an Asymmetric Monomer: A High-Mobility Organic Transistor in Nonchlorinated Solvents)

현재 유연성이 떨어지는 실리콘 등 무기물 반도체와 달리 플라스틱 같은 유기물 재료는 접거나 늘일 수 있어 발광다이오드, 박막트랜지스터, 태양전지 등의 활용범위를 넓힐 수 있는 소재로 주목받고 있다.

하지만 유기물 박막트랜지스터는 환경적 규제를 받는 할로겐 용매를 사용해 연구하는 것이 대부분이고 비(非) 할로겐 용매를 사용하는 경우에는 아몰레드 같은 차세대 디스플레이에 적용하기는 전하이동도(5 이하)가 낮았다.

연구팀은 할로겐 용매 대신 상업적 공정에 허가되어 있는 유기용매인 테트랄린을 이용해 전하이동도 8이상인 플라스틱 반도체 재료를 설계, 박막트랜지스터를 만드는 데 성공했다.

기존 재료들은 대칭구조를 도입하여 상대적으로 용해성이 낮아 극성이 높은 할로겐 용매에만 용해되는 특성이 있다. 용해도를 올리기 위해서는 긴 지방족 치환기를 일반적으로 도입하는데 용해도는 향상되나 이동도가 저하되는 단점이 있다.

김윤희 교수는 이번 연구에 대해 “비대칭 모노머 구조를 도입해 이동도 감소를 최소화하면서도 용해 특성이 우수한 재료를 개발한 것이라”면서 “재료 합성 부분에 다양하게 적용할 수 있는 신개념의 재료 개발이라는 점에 그 의의가 있다”고 말했다.

현재 무기물 실리콘 반도체의 높은 공정비용과 낮은 유연성을 극복하고 접거나 늘어나는 유기발광다이오드, 유기박막 트랜지스터, 유기태양전지 등에 활용할 수 있는 전도성 유기물 재료를 개발하려는 연구가 활발하다.

비 할로겐 용매를 사용하여 용액공정을 통한 높은 전하 이동도를 갖는 플라스틱 개발로 향후 디스플레이는 물론 태양전지, 센서, 라디오파 인식장치(RFID), 생물인식기기 등 다양한 분야에서 상업화에 더욱 박차를 가할 수 있을 것으로 기대된다. [사진=경상대]