결정씨앗(PSS)이 없을 경우(왼쪽)와 있을 경우의 결정성장 크기 및 속도 관찰 영상.결정씨앗이 있을 경우 결정이 더 크게 형성되는 것을 관찰할 수 있다.

□ GIST(광주과학기술원) 연구진이 무기 반도체*를 대체할 물질로 개발 중인 유기 반도체*의 결정(結晶) 성장 조절 문제를 유기산을 이용한 결정씨앗*(crystal seed) 형성을 통해 해결, 고성능 유기 반도체의 상용화를 앞당길 것으로 기대된다.

  * 결정씨앗 : 액체 또는 기체상의 반도체를 고체 결정화하는데 필요한 개시(開始) 물질

  ∘ GIST 신소재공학부 이광희 교수가 주도하고 GIST 차세대에너지연구소(RISE) 권순철 박사가 수행한 이번 연구는 미래창조과학부와 한국연구재단의 중견연구자지원사업(도약연구)과 GIST 기관 고유 사업의 지원으로 진행됐으며, 연구 결과는 어드벤스트 머티리얼즈(Advanced Materials) 10월 1일자 온라인판에 게재되었다.  * 논문명: Organic single-crystal semiconductor films on a millimeter domain scale

□ 반도체의 전하 이동도는 반도체 성능을 평가하는 중요한 지표로서, 전하 이동도가 높을수록 효율적인 전류 증폭이 가능하고 전자소자의 집적도를 높일 수 있다. 이러한 전하이동도는 반도체의 결정 크기가 클수록 높아지고, 결정의 크기가 작을수록 전하 이동도는 낮아지게 된다.

  ∘ 유기 반도체 상용화를 위해서는 유기 반도체를 이루는 결정의 크기를 거대하게 성장시켜 전하 이동도 저하를 막고 균일한 성능을 얻을 수 있게 하는 기술이 필수적이다.

  ∘ 현재 열로 증착하거나 기판에 홈을 파내는 등 유기 결정의 크기를 조절하는 방법에 대한 연구가 이뤄지고 있지만, 적은 비용으로 가능한 용액 공정에서 유기 반도체의 결정 크기를 조절해 결정을 성장시킨 사례는 아직 보고된 바 없다.

(그림 2) 유기 단결정 반도체의 전기적 특성 관찰. (a) OFET 소자 구조 이미지 (편광 현미경 이미지는 실제 소자의 표면을 보여주고 있다. (scale bar: 500 μm) (b) 순수한 C8-BTBT, C8-BTBT 결정, C8-BTBT:PSS 결정 박막의 Transfer characteristics 결과. (c) (d) 각각 C8-BTBT 및 C8-BTBT:PSS의 저항 분석 결과 (e) 접촉저항을 무시할 경우 C8-BTBT와 C8-BTBT:PSS의 전하 이동도 추정치

□ 연구팀은 유기 반도체 결정의 성장을 제어할 수 있는 70나노미터(nm) 크기의 결정씨앗 개발에 성공했다.

  ∘ 연구팀은 유기 반도체 용액에 유기산을 소량 투여해 유기 반도체들 사이에 강력한 정전기적 인력을 형성시켜 70나노미터(nm) 크기의 단단한 혼합체(결정씨앗)를 만들었고, 이 혼합체는 반도체의 결정 크기를 최대 3㎜까지 성장시키는 데 도움을 주었다.

  ∘ 이렇게 결정이 커진 유기 반도체는 무기 반도체를 대체할 수 있는 전하이동도(18 cm2/Vs)와 함께 기존 대비 95% 이상의 높은 가시광 투과도를 보였다. 특히 고전압(> 60 V) 환경에서도 성능저하 없이 안정적인 반복 구현이 가능했다.

□ 이광희 교수는 “이번 연구로 유기 반도체 상용화의 가장 큰 장벽이었던 결정크기의 성장 조절 문제가 해결되었다”며 “값비싼 무기 반도체를 대체하여 향후 차세대 유기 전자소자와 웨어러블 디바이스 상용화를 앞당기는 데 기여할 것으로 기대한다”고 말했다.     <끝>

GIST 차세대에너지연구소 · 대외협력팀