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[TECH NEWS] 고성능 플라스틱 반도체 개발로 유연 디스플레이 실용화 앞당겨

높은 전하이동도, 열안정성이 뛰어난 n-형 고분자 반도체 개발

[TECH NEWS] 고성능 플라스틱 반도체 개발로 유연 디스플레이 실용화 앞당겨
고이동도를 갖는 n-형 플라스틱 재료의 구조(a) 및 소자 구조(b), 이 재료를 사용해 얻은 소자의 고이동도 특성 그래프(d)


[산업일보]
국내 연구진이 유연 디스플레이(Flexible display) 구현을 위한 핵심 소재인 ‘높은 전하이동도와 안정성을 가진 n-형 유기화합물(플라스틱) 반도체 개발’에 성공했다.
전하이동도는 반도체 속의 하전입자(전자 또는 정공)의 이동 속도로 반도체 성능을 결정하는 주요 특성이다.
이번 개발된 n-형 플라스틱 반도체는 n-형 유기반도체 중 세계 최고의 전자이동도를 나타내, 향후 유연 디스플레이 뿐만 아니라, 유기 태양전지나 스마트 생화학센서 등 유기화합물 반도체가 사용되는 다양한 분야에서 상당한 파급효과를 미칠 것으로 기대된다.
이번 연구는 미래창조과학부가 추진하는 글로벌프런티어사업 ‘나노기반 소프트일렉트로닉스연구단(조길원 단장)’의 지원으로 경상대학교 김윤희 교수팀과 동국대학교 노용영 교수팀이 공동연구로 진행했으며, 연구결과는 재료 분야 국제학술지인 ‘Advanced Materials’ 온라인판 인사이드(Inside) 표지로 게재됐다.
공액구조의 유기물을 이용한 유기반도체재료는 유기발광다이오드 (OLED), 유기박막 트랜지스터 (OTFT), 유기태양전지(organic solar cell)등 에 활용되고 있다. 특히 기존의 실리콘 반도체 재료를 사용하는 무기박막 트랜지스터는 공정비용이 높고 유연성이 적어 제한적으로 휘어 질 수는 있으나 접히고 늘어나는 것은 불가능하다. 이에 반해 유기물 고분자 반도체를 이용하는 유기 박막 트랜지스터는 유연성이 커서 접히고 늘어 날 수 있을 뿐 아니라 무게가 가볍고 저온에서 대면적 공정이 가능하여 공정 단가가 저렴한 장점 등을 가지고 있어 많은 관심이 집중되고 있는 분야이다.
이러한 유기반도체 재료를 이용한 전자기기는 디스플레이는 물론, 태양전지, 센서, 라디오파 인식장치(RFID), 생물인식기기 등 다양한 분야에 응용이 가능하며 그 시장 규모는 수십 조 원에 이를 것으로 전망하고 있다.
유기박막트랜지스터용의 유기 반도체 고분자를 활용하기 위해서 기존의 연구 결과를 보면 전도성 유기물의 경우, 정공 이동에 의한 p-형의 유기 반도체 물질의 개발이 전자의 이동에 의한 n-형 반도체 물질 개발보다 더 많이 진행돼왔다. 이는 대부분의 유기반도체에서 정공의 이동도가 전자의 이동도에 비해 빠르고 안정도 면에서 상대적으로 전자의 안정성이 작아서 n-형의 유기물 반도체가 p-형에 비해 성능이 떨어지기 때문이다.
그러나 유기물에 의한 p-n junction 다이오드, 양극성 트랜지스터, 변환장치 등의 회로를 구성하기 위해서는 n-형 유기 반도체 물질의 개발이 필수적이며 이에 따른 새로운 n-형 유기재료 개발이 절실히 요구되는 실정으로 고이동도의 n-형 플라스틱 반도체 재료를 개발하는 것은 반드시 필요하다.
이번 개발된 n-형 유기화합물 반도체는 세계 최고의 성능으로써 p-형의 정공이동도만큼 높은 전자이동도를 가지면서도 안정하다는 점에서 대단히 큰 의의를 가지고 있다.
연구진은 최근 유기박막 트랜지스터나 태양전지 등 많이 사용되고 있는 재료 중 하나인 디케토피롤로피롤(DPP)에 니트릴(nitrile) 치환체를 추가해 n-형 특성을 높인 플라스틱 물질을 개발하고, 이를 이용해 7.0 cm2V-1s-1의 매우 높은 전하이동도와 안정성을 가진 n-형 유기 화합물 반도체를 개발했다.
새롭게 합성된 n-형 플라스틱 반도체는 현재까지 개발된 p-형 플라스틱 반도체 재료와 더불어서 높은 특성을 가지고, p-n junction 다이오드, 양극성 트랜지스터, 변환장치 등의 회로를 구성으로 다양한 응용이 가능하다.
또한 높은 특성을 지니는 p-형의 플라스틱 재료에 전자 당김체를 전략적으로 도입하므로 높은 n-형의 특성을 나타낼 수 있으므로 향후 분자설계에서도 응용이 가능하다.
연구팀은 “이번 높은 n-형 전하이동도를 가지는 플라스틱 개발로 인해, p-형 플라스틱 반도체와 더불어 향후 디스플레이는 물론 태양전지, 센서, 라디오파 인식장치(RFID), 생물인식기기 등 다양한 분야에서 실용화에 더욱 박차를 가할 수 있을 것”이라고 밝혔다.
홍보영 기자 papersong@kidd.co.kr

산업1부 홍보영 기자입니다. 국내외 무역과 로봇, IoT, 기계·금형산업에 대한 참 소리를 전합니다.^^

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