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최준환교수(왼쪽)과 김민주 교수.(단국대 제공)

경기 용인시 단국대 최준환(화학공학과)·김민주(전자전기공학부)교수팀이 KAIST(한국과학기술원) 임성갑·조병진 교수팀과 공동으로 알킬체인을 활용해 기존 성능보다 10배 향상된 고성능 유기반도체 소자를 개발했다.

5일 단국대에 따르면 유기반도체는 가볍고 유연해 자유자재로 구부리거나 접을 수 있어 차세대 반도체 소재로 주목받고 있다. 기존의 고성능 유기반도체 소자 연구는 전기용량을 높이기 위해 극성이 높은 절연막 소재를 사용하면 동작전압은 낮아지지만, 극성으로 전하들이 잘 움직이지 못해 이동도가 감소하는 한계가 있었다.

이를 극복하기 위해 연구팀은 알킬체인(탄소와 탄소를 수직으로 배열한 분자구조)을 유기반도체 소자에 적용해 고성능 유기반도체 소자를 개발했다. 알킬체인은 절연막 표면의 극성을 억제해 성능을 10배 이상 높이는 데 결정적 역할을 했다.

이를 토대로 연구팀은 극성절연막 소재를 활용해 낮은 동작전압에서 출력전류를 대폭 상향한 고성능 유기반도체 소자를 제작했다.

유기 반도체 소자 구조와 사용된 소재의 화학 구조 및 반도체 절연막 사이의 계면 분석 결과.(단국대 제공)

연구논문은 온라인으로 재료과학 및 다학제 연구분야 상위 10% 이내(JCR, 2022년 기준)인 국제 저명학술지 ‘Small Methods(2022년 IF=12.4’에 지난달 게재됐다. 논문명은 ‘The Effect of Alkyl Chain Length in Organic Semiconductor and Surface Polarity of Polymer Dielectrics in Organic Thin-Film Transistors (OTFTs) (유기 박막 트랜지스터에서의 유기반도체의 알킬체인 길이와 고분자 절연막 표면 극성의 영향)’이다.

최준환 교수는 “이번 연구에서 유기반도체의 알킬체인이 절연막 표면의 극성을 억제할 수 있다는 점을 화학·전기적 분석을 통해 검증하는 데 성공했다”라며 “반도체에 이어 절연체까지 유연한 고분자 물질을 사용했기 때문에 향후 유연한 반도체 소자 개발에 큰 진전이 있을 것”이라고 밝혔다.

이번 연구는 한국연구재단 △학문후속세대양성사업 △개인기초생애첫연구사업 지원을 받아 진행됐다.