다양한 전자소자의 성능향상 및 제작비용 절감 가능

에너지공학과 장재영 교수팀이 최근 유기 반도체의 분자도핑 반응 원리와 이를 제어하는 기술을 개발했다. 

해당 기술은 에너지 하베스팅 소자, 유기발광다이오드(OLED), 유기트랜지스터 등 다양한 전자소자의 성능을 향상시키고, 제조공정도 단순화 시킬 수 있어 제작비용 절감이 가능할 것으로 기대된다.

탄소 기반 분자로 구성된 유기반도체는 구부리거나 늘일 수 있어 OLED를 비롯한 유기 전자소자의 핵심 소재로 연구되고 있다. 특히 유기반도체의 전기적·광학적 특성을 제어하고자 분자 형태의 첨가제를 혼합하는 ‘분자도핑(molecular doping)’ 기술은 과학자들의 많은 관심을 받고 있다.

다양한 첨가제 중 최근 연구가 집중되는 물질은 ‘tris(pentafluorophenyl) borane(이하 BCF)’다. 해당 첨가제는 루이스(Lewis) 산의 특성과 물과 반응 시 나타나는 브뢴스테드(Brønsted) 산의 특성을 이용해 서로 다른 두 가지 형태의 도핑 반응을 일으킨다. 

예를 들어 BCF분자 내의 붕소(B)는 유기반도체를 구성하는 질소(N), 산소(O) 등의 원자가 지닌 비공유 전자쌍과 루이스 산-염기 반응을 일으키며, 이를 루이스 산 도핑이라 한다. 반면 물과 반응한 BCF는 양성자(H+)를 유기반도체에 전달하는 반응을 일으키며 이를 브뢴스테드 산 도핑이라 한다.

이처럼 BCF가 지닌 독특하고 복잡한 반응은 외부 환경과 유기 반도체의 구조 등 다양한 요소의 영향을 받지만 아직 이러한 복잡한 반응을 제어하기 위한 연구에 큰 진척이 없었다. 

장 교수팀은 화학적 구조가 비슷하지만 루이스 염기성이 다른 두 유기반도체를 활용해 BCF 도핑 반응을 분석했고, 이를 열전소자에 적용했다. 그 결과 루이스 산 도핑이 브뢴스테드 산 도핑을 억제했고 유기반도체의 평평한 골격을 구부리고 결정구조를 무너뜨리는 등 반도체 내 전하이동을 크게 저해하는 것을 확인했다.

이어 연구진은 루이스 산과 브뢴스테드 산 특성으로 인해 나타나는 두 도핑 반응의 결합 세기가 다르다는 점에 착안, 섭씨 120도의 온도에서 BCF로 도핑한 유기반도체 필름을 열처리해 브뢴스테드 산의 도핑만 선택적으로 일으킬 수 있는 기술을 제시했다.

이번 연구의 의의는 분자도핑 제어 기술을 활용해 유기 열전소자의 성능을 향상시킬 뿐 아니라 다른 전자소자에도 확장 적용할 수 있다는데 있다.

장 교수는 “이번 연구를 활용해 분자도핑을 적절히 제어할 경우 유기반도체의 전하이동 특성을 극대화할 수 있고, 특히 아직 낮은 수준에 머물러있는 웨어러블 전자소자의 성능을 향상시킬 핵심기술로 활용할 수 있다”고 말했다.

과학기술정보통신부의 재원(중견연구자지원사업, 선도연구센터지원사업, 나노및소재기술개발사업)으로 한국연구재단의 지원을 받아 수행된 이번 연구는 재료과학 분야 세계적 권위지인 「Advanced Functional Materials」 10일자에 게재됐으며, 표지논문으로도 선정됐다.