반도체 성능·안정성 동시에 높이는 ‘분자 도핑 제어’ 기술 개발 

- 열전, 트랜지스터, 디스플레이 등 차세대 소자 공정의 새로운 패러다임 제시

용매의 극성에 따른 루이스 페어 도펀트의 형성 메커니즘. (자료제공: 한국연구재단)

용매 극성을 이용한 루이스 페어 도펀트의 반응성와 도핑된 유기 반도체의 소자 성능 및 안정성. (자료제공: 한국연구재단)

국내 연구진이 용매의 성질을 이용해 반도체의 전기적 특성을 결정하는 ‘도핑(Doping)’ 반응을 자유자재로 조절하는데 성공했다. 이번 연구로 차세대 유기 전자소자의 고효율화와 상용화를 앞당길 수 있는 새로운 공정 지표가 마련될 전망이다.

한국연구재단(이사장 홍원화)은 한양대학교 에너지공학과 장재영 교수 연구팀이 용매를 이용해 루이스 페어 도펀트*의 반응성을 제어함으로써, 유기 반도체의 성능을 안정적으로 높일 수 있는 새로운 공정 전략을 개발했다고 5월 7일 밝혔다. 

     * 루이스 페어 도펀트(Lewis-Paired Dopant): 전자쌍을 잘 받아들이는 루이스 산과 전자쌍을 잘 주는 루이스 염기가 결합해 형성된 화합물로, 반도체에 전하를 공급하는 역할을 함.

유기 반도체 소자의 성능을 최적화하기 위해서는 전하 농도*를 조절하는 ‘도핑’ 기술이 필수적이다. 특히 루이스 페어 도펀트는 강한 도핑 세기와 우수한 안정성을 동시에 갖춘 유망 소재로 꼽힌다. 하지만 반응성이 너무 강해 도핑 수준을 미세하게 조절하기 어렵고, 공정 과정에서 반도체 박막이 손상되는 등 정밀 제어에 한계가 있었다.

     * 전하 농도(Charge Carrier Concentration): 반도체 내부에서 전기를 흐르게 하는 매개체(전자 또는 정공)의 밀도. 이 농도가 적절히 조절되어야 소자의 전기적 특성이 최적화됨.

연구팀은 용매의 극성에 따라 루이스 페어 도펀트의 형성 원리가 달라진다는 점에 착안했다. 분석 결과, 극성이 높은 용매에서는 루이스 산이 용매와 결합해 활성 도펀트 생성이 억제되지만, 적절한 극성의 용매에서는 이 결합이 해리*되며 도핑 반응성이 최적화된다는 사실을 규명했다.

      * 해리(Dissociation): 화합물이 이온이나 원자, 분자 등으로 나누어지는 현상. 본 연구에서는 용매와 결합해 있던 도펀트가 분리되어 반도체와 반응할 수 있는 활성 상태가 되는 과정을 의미함.

연구팀이 개발한 전략을 에틸아세테이트 용매에 적용한 결과, 기존에 널리 쓰이던 염화철(FeCl3) 도핑 방식보다 전력인자*가 2배 이상 향상되는 성과를 거두었다. 이는 단순히 도핑량을 늘린 결과가 아니라, 용매 제어를 통해 반도체 내부의 분자 배열이 더욱 정교하게 유지되고 전하의 이동 통로가 효율적으로 형성되었기 때문임을 이론 계산과 분광 분석으로 증명했다.

     * 전력인자(Power Factor): 열전 소재의 전기적 출력 성능을 나타내는 지표. 지벡 계수의 제곱과 전기 전도도의 곱으로 계산됨.

또한 80°C의 고온 환경에서도 저항 변화가 100배 이상 억제되는 등 탁월한 열적 안정성을 입증했다. 

장재영 교수는 “이번 연구는 도펀트 자체의 설계에만 집중하던 기존 방식에서 벗어나, 공정 용매와 반응 메커니즘의 상호작용을 통합적으로 설계하는 새로운 패러다임을 제시한 것”이라며, “열전* 소자뿐만 아니라 유기 트랜지스터, 광전자 소자 등 다양한 차세대 반도체 제조 기술에 폭넓게 활용될 수 있을 것으로 기대된다”고 밝혔다.

    * 열전(Thermoelectric): 열에너지를 전기에너지로, 또는 전기에너지를 열에너지로 변환하는 기술.

한편 연구팀은 이번 성과를 바탕으로 페로브스카이트 태양전지를 비롯한 다양한 차세대 전자소자로 적용 범위를 확대하고 있으며, 소자 성능과 안정성을 극대화할 수 있는 최적 소재 탐색 및 공정 기술 개발에 박차를 가하고 있다.

이번 연구 성과는 과학기술정보통신부와 한국연구재단이 추진하는 중견연구, 나노 및 소재기술개발, 기초연구실 지원사업으로 수행됐다. 연구 결과는 재료 분야 국제학술지 ‘어드밴스드 머티리얼즈(Advanced Materials)’에 3월 29일 온라인 출판됐고, 8월 7일 44호의 인사이드 백 커버(Inside Back Cover) 논문으로 게재될 예정이다.

[Ceramic Korea (세라믹뉴스)=이광호 ]