금보다 비싼 반도체 첨가제, 값싼 대체 물질 개발

장재영 한양대 교수팀, 신규 유기 도펀트 소재군 만들어
가격 수십배 싸고 성능 더 뛰어나
OLED, 태양전지 등 다양한 전자소자의 신성장 동력 제시

금보다 비싼 반도체 재료로 꼽히는 ‘유기 p-도펀트’를 국내 연구진이 새로운 전략으로 개발해 관심이 집중된다.

한국연구재단은 장재영 한양대 에너지공학과 교수 연구팀이 기존 개발 전략의 한계를 극복하는 신규 ‘유기 도펀트’ 소재군을 개발했다고 25일 밝혔다.

반도체산업에서 불순물 원자를 첨가해 반도체의 전기적, 광학적, 구조적 특성을 개선하는 도핑 기술은 필수적이다. 특히 가볍고 잘 휘어지는 유기 반도체의 도핑은 원자 형태가 아닌 분자형태의 도펀트를 사용한다. 이 같은 유기 도펀트(organic dopant·반도체의 특성을 제어하는 데 쓰이는 탄소계 유기분자 형태의 첨가제)는 유기발광다이오드(OLED) 제조에서 발광을 돕는 핵심 기술로 활용되는 등 향후 수요가 폭발적으로 증가할 것으로 전망된다.

유기 도펀트 중에서도 p-형 반도체의 특성을 향상시키는 ‘유기 p-도펀트’는 안정성이 낮고, 그램당 가격이 수십만 원에 달할 정도로 비싼데다 특정 업체가 특허를 독점한 상황이다. 따라서 유기 p-도펀트 개발의 안정성 향상과 독점적 기술을 회피할 새로운 화학적 구조 개발에 대한 필요성이 대두되고 있었다.

연구팀은 유기 p-도펀트 개발에서 이전에 널리 사용되었던 전략을 변경해 새로운 방식으로 접근했다. 도펀트 분자에 곁가지처럼 붙어 소재의 특성을 제어하는 전자 구인성 작용기에 변화를 주었다. 이 과정에서 기존 전자 구인성 작용기인 시아노(CN)기 내의 질소(N) 원자를 루이스 산과 반응시키면 강한 산화성과 안정성을 동시에 지닌 유기 p-도펀트를 합성할 수 있다는 사실을 밝혀냈다. 루이스 산-염기 결합 후 시아노기의 전자 구인성은 두 배 가까이 향상돼 지금까지 알려진 유기 p-도펀트 중 가장 강력한 산화성을 보였고, 도핑의 안정성 또한 비약적으로 향상됐다.

장재영 교수는 “이번에 개발한 유기 p-도펀트 소재군은 자유롭게 화학적 구조의 변형이 가능해 다방면 활용이 가능하며, 합성 방법이 단순하고 저렴한 시약을 사용할 수 있어 가격을 수십 배 낮출 수 있는 등 잠재성이 매우 크다”며 “전기적 성능을 극대화하기 위해 다양한 공정 기술을 개발 중”이라고 설명했다.

이번 연구 결과는 화학 분야 국제학술지 ‘안게반테 케미 인터내셔널 에디션(Angewandte Chemie International Edition)’에 지난 11일 표지논문으로 실렸다.