육각형 분자 ‘트리페닐렌’ 전기반발력 이용해 전기 잘 통하는 2차원 물질 구현
실리콘보다 전기가 4배 더 잘 통하면서도 유연한 2차원 반도체 소재가 개발됐다.
김기문 기초과학연구원(IBS) 복잡계자기조립 연구단장이 이끄는 국제 공동 연구팀은 실리콘보다 전기적 특성이 우수한 2차원 유기반도체 소재를 합성했다고 24일 밝혔다.
현재 널리 쓰이고 있는 실리콘 반도체(무기반도체)는 생산비용이 높고 공정이 복잡하며 유연하지 못해서 웨어러블 기기용 반도체로서는 한계를 보이고 있다.
탄소 등으로 이뤄진 유기반도체는 유연한 특성을 가져 실리콘 반도체를 대체할 것으로 기대받고 있지만 전기전도도가 낮다는 문제가 있다. 전기전도도가 낮으면 전기가 잘 통하지 않아 전자회로에 사용할 수 없다.
유기반도체의 전기전도도를 높이려면 그래핀처럼 2차원 구조로 만들어야 한다. 하지만 아직 넓은 면적의 2차원 유기반도체를 만든 사례는 없다. 유기반도체를 이루는 분자들이 2차원으로 평평하게 펼쳐지지 않고 서로 결합해 겹겹이 쌓이기 때문이다.
연구팀은 육각형 구조를 가진 분자 ‘트리페닐렌’을 물에 녹인 후 화학반응(용액 공정)을 거쳐 전기가 잘 통하는 2차원 유기반도체 소재를 만드는 데 성공했다. 트리페닐렌 분자가 양(+)전하를 띤다는 특성을 이용, 분자들끼리 전기적 반발력으로 인해 겹겹이 쌓이지 못하고 골고루 퍼지도록 만든 것이다.
연구팀은 유기반도체 소재를 이용해 유기 박막 트랜지스터를 만든 후 전기전도도를 측정했다. 그 결과 실리콘보다 4배 높게 나타났다.
용액 공정을 이용하면 반도체 생산 비용 역시 기존보다 낮출 수 있다는 게 연구팀의 설명이다.
연구팀은 "기존 반도체 대비 유연하고 처리 속도도 높일 수 있기 때문에 롤러블 디스플레이와 같은 웨어러블 소재와 태양전지 같은 고효율 반도체 등에 활용될 수 있을 것"이라고 기대했다.
김 단장은 "추가 연구를 통해 트리페닐렌 외에 다른 물질도 같은 방식으로 신소재로 개발해 맞춤형 신소재 개발 기술을 정립할 계획"이라고 말했다.
이번 연구결과는 국제 학술지 ‘셀(Cell)’에 24일자로 게재됐다.