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종이처럼 휘는 반도체, 국내 연구진이 개발

기사입력 2022.08.30 11:52
백종범 UNIST 교수팀, 2차원 유기 반도체 소재 합성
  • 삼성의 갤럭시 폴드와 같은 폴더블 폰, 이른바 ‘접는 전화기’등에 적용할 수 있는 가볍고 잘 휘어지는 반도체 기술이 국내 연구진에 의해 개발됐다. 
  • 울산과학기술원에서 개발한 HP-FAN의 필름 형태 모습/ 울산과학기술원
    ▲ 울산과학기술원에서 개발한 HP-FAN의 필름 형태 모습/ 울산과학기술원

    백종범 울산과학기술원(UNIST) 에너지화학공학과 교수팀은 휘어지는 ‘유기 반도체’ 제작이 가능한 물질인 ‘HP-FAN(에이치피-펜) 2차원 유기 고분자 구조체’를 합성했다고 30일 밝혔다. 연구에는 조길원 POSTECH 화학공학과 교수팀도 참여했다.

    현재 폴더블폰에는 ‘실리콘 반도체(무기 반도체)’가 사용된다. 성능은 우수하지만, 딱딱하고 무거워 ‘휘어지는 디스플레이(Flexible display)’나 웨어러블 전자기기에 적용하는 데는 한계가 있었다. 이를 대체할 물질로 ‘그래핀’이 주목받았다. 하지만 ‘점멸비(On/off ratio)’가 너무 낮다는 문제가 있었다. 점멸비는 반도체에 전압을 인가함에 따라 흐르는 전류량의 비율이다. 이 값이 클수록 반도체에 흐르는 전류량을 효과적으로 제어할 수 있음을 의미한다. 

    그래핀의 한계를 뛰어넘을 대안으로 ‘유기 반도체’ 연구가 활발히 진행 중이다. 유기 반도체는 유연하고 가볍다. 하지만 이 역시 유기 반도체도 전하이동도가 낮다는 문제점이 있었다. 전하이동도가 낮은 소재로 반도체 소자를 만들면 전기적 신호 전달이 느려진다. 이는 디스플레이 등에서 색상 변환 지연 등을 유발한다.  

    백종범 교수팀은 이 문제 해결을 위해 새로운 구조체를 고안했다. 두 종류의 화학물질(HAB와 DHBQ)을 반응시켜 HP-FAN 구조체를 얻은 것이다. 이 구조체는 2차원 방향족 구조에 균일한 기공과 질소(N) 원자가 첨가돼 높은 점멸비와 전하이동도를 가진다.

    새로운 유기 구조체 합성을 위해 사용된 기술은 ‘방향족 고리화 반응’이다. 반응 결과물이 단일 결합과 이중 결합이 교대로 연결돼 고리를 형성하는 화학반응이다. 이번 연구에서는 2개의 아민기와 케톤기가 결합해 방향 구조를 형성했고, 매우 안정적인 구조를 형성했다.

    백종범 교수는 “이번 연구로 2차원 고분자를 유기 반도체 재료로 사용했을 때의 고질적 문제를 모두 극복했다”며 “앞으로 ‘꿈의 신소재’로 불리는 그래핀을 뛰어넘어 유기 반도체 개발에 큰 진전이 있을 것”이라고 말했다.

      이번 연구는 국제학술지 ‘켐(Chem)’에 8월 30일자로 게재됐다.

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