고분자 반도체 중에서도 일부 소재에서만 나타나는 미스터리 현상의 근본 원인을 국내 연구진이 규명해 주목받고 있다.
한국연구재단은 강보석 성균관대 교수 연구팀이 김윤희 경상국립대 교수, 이한솔 가천대 교수 연구팀과 공동연구를 통해 고분자 반도체에서 나타나는 극성 전환 현상 발생 원인을 규명했다고 19일 밝혔다.
최근 고분자 반도체의 도핑 농도가 증가함에 따라 전하 수송 극성이 전환되는 극성 전환 현상이 보고되고 있다. 이 현상을 이용하면 하나의 고분자 반도체 소재만으로 n형과 p형 반도체를 구현할 수 있어 소자 구조 단순화나 제조 공정의 효율성 향상에 활용될 수 있다.
그러나 이 현상은 일부 고분자에서만 제한적으로 나타나며, 동일한 도핑 조건에서도 고분자에 따라 극성 전환이 발생하거나 발생하지 않는지에 대한 근본적인 원인은 아직 명확히 규명되지 않았다.
연구팀은 서로 다른 분자 구조를 갖는 고분자 반도체를 비교 분석해 극성 전환 현상 발생 조건을 체계적으로 조사했다.
연구 결과 극성 전환이 일어나기 위해서는 고분자 박막 내부에 흡수된 도펀트(dopant)의 양이 일정 기준(임계값) 이상에 도달해야 한다는 사실을 확인했다.
이 임계 농도를 넘어서면 도펀트에서 생성된 음이온이 고분자와 상호작용하고 전하 수송 특성이 변화해 p형에서 n형으로 전환되는데, 반대로 흡수된 도펀트의 양이 충분하지 않을 경우 극성 전환이 발생하지 않았다.
즉 극성 전환 여부는 단순한 도핑 공정 자체가 아니라 고분자의 분자 구조에 의해 결정되는 도펀트 흡수 능력과 고분자-도펀트 간 상호작용에 의해 결정된다는 것을 밝혀냈다.
연구팀은 이번 연구가 고분자 반도체에서 극성 전환이 특정 소재에서만 나타나는 이유를 체계적으로 설명한 결과로, 향후 하나의 고분자 소재에서 p형과 n형 특성을 선택적으로 구현하거나 안정적인 n형 고분자 반도체를 설계하기 위한 분자 설계 전략 수립에 중요한 지침을 제공할 것이라고 설명했다.
다만 다양한 도펀트 시스템과 실제 소자 조건에서의 적용 가능성에 관해서는 추가 연구가 필요하다.
강보석 교수는 “현재 구현된 소자 성능은 초기 연구 단계 수준으로, 향후 분자 구조 설계와 소자 구조 최적화를 통해 성능 향상이 요구된다”고 말했다.
이번 연구는 재료 분야 국제학술지 '어드밴스드 펑셔널 머티리얼즈(Advanced Functional Materials)'에 지난달 15일 온라인 게재됐다.
이인희 기자 leeih@etnews.com
