반도체 성능·안정성 모두 잡은 도핑 제어 기술

유기 반도체의 성능·안정성을 모두 높일 수 있는 새로운 공정 전략이 개발됐다. AI 생성이미지. 게티이미지뱅크 제공. 유기 반도체를 제작할 때 액체 용매의 특성만 조절해 유기 반도체의 전기적 특성을 정밀하게 제어하는 기술이 개발됐다. 전기 출력 성능은 2배 높아졌고 안정성은 100배 높아졌다.한국연구재단은 장재영 한양대 에너지공학과 교수팀이 유기 반도체 성능을 안정적으로 높이는 새로운 공정 전략을 개발했다고 6일 밝혔다. 연구결과는 국제학술지 '어드밴스드 머티리얼즈'에 지난 3월 29일 온라인 게재됐다.유기 반도체 소자 성능을 높이려면 반도체 내부에 외부 물질(도펀트)을 넣어 전하 농도를 조절하는 '도핑' 기술이 반드시 필요하다. 연구팀은 강한 도핑 성능과 안정성을 갖춘 '루이스 페어 도펀트'에 주목했다. 다만 이 도펀트는 반응성이 지나치게 강해 도핑 수준을 정밀하게 조절하기 어렵고 공정 과정에서 반도체 박막이 손상되는 문제가 있다.연구팀은 용매의 극성에 따라 루이스 페어 도펀트 형성 방식이 달라진다는 점을 이용해 공정 전략을 수립했다. 극성이 높은 용매에서는 도펀트 구성 성분 중 '루이스 산'이 용매와 강하게 결합해 도펀트가 활성화되지 않았다. 그러나 적절한 극성의 용매를 사용하면 결합이 분리되며 도펀트가 활성 상태가 되어 도핑 반응성이 높아졌다.연구팀은 에틸아세테이트 용매를 이용해 기술을 검증했다. 그 결과 기존에 사용하던 염화철(FeCl3) 도핑 방식보다 전기적 출력 성능이 2배 이상 향상됐다. 용매 극성을 조절하면 반도체 내부 분자 배열을 안정적으로 유지하고 전하 이동 통로를 효율적으로 형성할 수 있다는 것을 이론 계산과 분광 분석으로 확인했다.열적 안정성도 개선됐다. 섭씨 80도의 고온 환경에서도 저항값 변화가 100배 이상 줄었다.장재영 교수는 "도펀트 자체 설계에만 집중하는 기존 방식에서 벗어나 용매와 반응 과정을 기반으로 설계하는 새로운 접근"이라며 "열전 소자 외에도 유기 트랜지스터·광전자 소자 등 다양한 차세대 반도체 제조 기술에 폭넓게 활용되기를 기대한다"고 말했다.<참고 자료> doi.org/10.1002/adma.202522233장재영(왼쪽부터) 교수, 김상범 박사후연구원, 서의현 미국 조지아텍 박사후연구원. 한국연구재단 제공.