유기반도체 도핑 시장 독점 깰 신기술 나왔다
- OLED, 태양전지 등 다양한 전자소자의 신성장 동력 제시 -
□ 금보다 비싼 반도체 재료로 꼽히는 ‘유기 p-도펀트’를 국내 연구진이 새로운 전략으로 개발해 관심이 집중된다.
□ 한국연구재단(이사장 이광복)은 한양대 에너지공학과 장재영 교수연구팀이 기존 개발 전략의 한계를 극복하는 신규 ‘유기 도펀트’ 소재군을 개발했다고 밝혔다.
□ 반도체산업에서 불순물 원자를 첨가해 반도체의 전기적, 광학적, 구조적 특성을 개선하는 도핑 기술은 필수적이다.
○ 특히 가볍고 잘 휘어지는 유기 반도체의 도핑은 원자 형태가 아닌 분자형태의 도펀트를 사용한다. 이 같은 유기 도펀트*는 OLED 제조에서 발광을 돕는 핵심 기술로 활용되는 등 향후 수요가 폭발적으로 증가할 것으로 전망된다.
* 유기 도펀트(organic dopant): 반도체의 특성을 제어하는 데 쓰이는 탄소계 유기분자 형태의 첨가제.
□ 유기 도펀트 중에서도 p-형 반도체*의 특성을 향상시키는 ‘유기 p-도펀트’는 안정성이 낮고, 그램당 가격이 수십만 원에 달할 정도로 비싼데다 특정 업체가 특허를 독점한 상황이다.
* P-형 반도체: P형 반도체, N형 반도체는 모두 불순물을 첨가하는 도핑을 거쳐서 만드는 비고유 반도체이다. 이중 p-형 반도체는 순수한 반도체에 특정 불순물(3족 원소)을 첨가하여 정공(hole)의 수를 증가시킨 반도체.
○ 따라서 유기 p-도펀트 개발의 안정성 향상과 독점적 기술을 회피할 새로운 화학적 구조 개발에 대한 필요성이 대두되고 있었다.
□ 장재영 교수 연구진은 유기 p-도펀트 개발에서 이전에 널리 사용되었던 전략을 변경해 새로운 방식으로 접근했다.
○ 도펀트 분자에 곁가지처럼 붙어 소재의 특성을 제어하는 전자 구인성 작용기*에 변화를 주었다. 이 과정에서 기존 전자 구인성 작용기인 시아노(CN)기 내의 질소(N) 원자를 루이스 산**과 반응시키면 강한 산화성과 안정성을 동시에 지닌 유기 p-도펀트를 합성할 수 있다는 사실을 밝혀냈다.
○ 루이스 산-염기 결합 후 시아노기의 전자 구인성은 두 배 가까이 향상되어 지금까지 알려진 유기 p-도펀트 중 가장 강력한 산화성을 보였고, 도핑의 안정성 또한 비약적으로 향상되었다.
* 전자 구인성 작용기(electron-withdrawing group): 전자를 흡수함으로써 전자가 과잉되는 것을 안정화하는 작용기
**루이스 산: 화학 반응에서 전자쌍을 받는 화학종을 산, 전자쌍을 주는 화학종을 염기라고 정의한다.
□ 장재영 교수는 “이번에 개발한 유기 p-도펀트 소재군은 자유롭게 화학적 구조의 변형이 가능해 다방면 활용이 가능하며, 합성 방법이 단순하고 저렴한 시약을 사용할 수 있어 가격을 수십 배 낮출 수 있는 등 잠재성이 매우 크다.”고 설명하고, “전기적 성능을 극대화하기 위해 다양한 공정 기술을 개발 중”이라고 밝혔다.
□ 과학기술정보통신부와 한국연구재단의 선도연구센터지원사업, 중견연구자지원사업, 나노및소재기술개발사업 지원을 받아 수행된 이번 연구는 화학 분야 세계적 권위지인 ‘안게반테 케미 인터내셔널 에디션(Angewandte Chemie International Edition)’ 9월 11일자에 게재됐으며, 표지논문으로도 선정됐다.
