용매의 극성에 따른 루이스 페어 도펀트의 형성 메커니즘. 한국연구재단 제공국내 연구진이 용매의 성질을 이용해 반도체의 전기적 특성을 결정하는 '도핑' 반응을 자유자재로 조절하는데 성공했다.
한국연구재단은 한양대 에너지공학과 장재영 교수 연구팀이 용매를 이용해 루이스 페어 도펀트의 반응성을 제어함으로써, 유기 반도체의 성능을 안정적으로 높일 수 있는 새로운 공정 전략을 개발했다고 6일 밝혔다.
유기 반도체 소자의 성능을 최적화하기 위해서는 전하 농도를 조절하는 '도핑' 기술이 필수적이다. 도핑은 반도체에 불순물을 첨가해 전기적 특성을 조절하는 공정을 말한다.
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.
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 해리되며 도핑 반응성이 최적화된다는 사실을 규명했다.
연구팀이 개발한 전략을 에틸아세테이트 용매에 적용한 결과, 기존에 널리 쓰이던 염화철(FeCl3) 도핑 방식보다 전력인자가 2배 이상 향상됐다. 또 80도의 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 말했다.