국내 연구진이 유기 고분자 반도체에 소량의 불순물을 첨가하는 것만으로 전하의 극성을 바꿀 수 있는 현상의 원리를 세계 최초로 밝혀냈다. 이번 발견은 차세대 유연 전자기기 개발에 획기적인 전환점을 제공할 것으로 평가된다.

조길원 POSTECH 화학공학과 교수와 박사과정 옥은솔, 정세인 연구원, 강보석 성균관대 나노과학기술학과 교수 공동연구팀은 고분자 반도체 재료가 불순물 농도에 따라 서로 다른 극성의 반도체 성질을 나타내는 원리를 분자 수준에서 규명했다고 발표했다. 연구 결과는 재료과학 분야 최상위 국제 학술지 '어드밴스드 머티리얼스'에 게재됐다.

현재 전자기기에 사용되는 실리콘 반도체는 극소량의 불순물 첨가를 통해 p형과 n형의 전기적 특성을 조절한다. 하지만 실리콘의 경직성으로 인해 신축성 디스플레이나 웨어러블 기기, 전자 피부 등 유연한 전자기기에는 적용이 제한적이다. 이에 따라 가볍고 잘 휘어지는 고분자 기반 유기물 반도체가 차세대 소재로 주목받고 있다.

그러나 유기반도체는 대부분 p형으로만 작동하고, n형 반도체는 공기 중에서 성능이 쉽게 저하되는 문제가 있었다. 연구팀은 "하나의 유기반도체에 도펀트를 선택적으로 도입하여 p형과 n형 특성을 모두 구현할 수 있는 기술 확보가 유기 전자소자 상용화의 핵심 과제였다"고 설명했다.

연구팀은 이 한계를 '도핑' 기술에서 해결책을 찾았다. 원래 p형으로 작동하던 특정 고분자 반도체에 p형 도펀트를 과량 첨가했을 때, 일정 농도를 초과하면 전하 이동 방식이 정공 중심의 p형에서 전자 중심의 n형으로 전환되는 '극성 전환' 현상이 발생한다는 점에 주목했다.

극성 전환 원리를 규명하기 위해 연구팀은 삼염화금을 도펀트로 사용해 도핑된 유기반도체를 분석했다. 분석 결과, 도핑 과정에서 금과 염소 이온의 산화 상태가 변화하고, 염소가 고분자 반도체와 치환 반응하여 '염소화 반응'이 유도됨으로써 고분자 사슬의 정렬과 전하 이동 경로의 구조적 변화가 일어나는 것을 확인했다.

이를 바탕으로 연구팀은 하나의 고분자 반도체 재료로 도핑 농도만을 제어해 p형과 n형 특성을 동시에 구현한 p-n 유기 다이오드를 제작했다. 이 소자는 기존 단일 반도체 기반 소자보다 수만 배 뛰어난 정류 능력을 보였으며, 복잡한 구조 없이도 정류 기능을 수행할 수 있어 유연한 전자기기 설계에 큰 진전을 가져올 것으로 기대된다.

조길원 교수는 "이번 연구를 통해 고분자 반도체에서 극성 전환이 일어나는 화학적·구조적 원리를 세계 최초로 규명했다"며 "하나의 유기 반도체 재료에서 도핑 조건에 따라 p형과 n형 특성을 자유롭게 구현할 수 있는 기술적 기반을 마련한 의미 있는 성과"라고 밝혔다.

이번 연구는 과학기술정보통신부의 개인기초연구, 나노·소재기술개발, 미래기술연구실·국가핵심소재연구단 등 사업의 지원을 받아 수행됐다.