울산과학기술원(UNIST) 에너지화학공학과 백종범 교수 연구팀이 방향족 고리화 반응을 통해 두 종류의 화학물질 헥사아미노벤젠과 파이렌에트라케톤을 반응시켜 C5N 2차원 유기 고분자 구조체를 개발했다.
방향족 고리화 반응은 반응 결과물이 벤젠 고리와 같은 방향족이 되는 화학 반응이다.
유기반도체는 유연하고 가벼울 뿐만 아니라 낮은 비용과 물성(밀도, 전도율, 녹는점 등) 조절의 용이성 등 다양한 장점 때문에 무기물 실리콘 반도체를 대체할 소재로 최근 수십 년간 활발하게 연구가 이뤄지고 있다.
그러나 대부분 유기반도체는 전하이동도가 낮다는 단점이 있어 무기반도체 소재를 대체하기에는 어려웠다. 전하이동도가 낮은 소재로 반도체 소자를 만들면 전기적 신호 전달이 더뎌지고, 디스플레이 등에서 색상 변환 지연 등의 문제가 나타나기 때문이다.
연구진은 C5N 구조체를 반도체 트랜지스터 소자에 적용함으로써 전하이동도(소재 안에서 전자나 정공이 움직이는 빠르기)를 수십 배 이상 증폭시켰다.
또한 염화수소를 도핑하면 전기전도도 또한 크게 높아져 전도성 물질로도 쓸 수 있고 600도 고온도 견뎌내는 것으로 밝혀졌다.
제1 저자인 자비드 마흐무드(Javeed Mahmood) 박사는 "구조의 모든 부분이 고리 모양으로 이뤄져 있어 기존 2차원 유기 구조체보다 화학적, 열적 안정성이 높다."며 "각종 고온 조건에서도 사용 가능할 것"이라고 말했다.
백 교수는 "이번 연구로 2차원 고분자를 유기반도체 재료로 사용했을 때의 고질적 문제인 낮은 전하이동도를 극복했다."며 "앞으로 유기반도체 소자 개발에 큰 진전이 있을 것으로 기대한다."고 말했다.
연구는 국제 학술지인 '어드밴스드 머티리얼스'(Advanced Materials)에 20일 자로 게재됐다.