한양대 에너지공학과 장재영 교수연구팀이 금보다 비싼 반도체 재료로 꼽히는 ‘유기 p-도펀트’를 새로운 전략으로 개발해 OLED와 태양전지 등 다양한 전자소자의 신성장 동력을 제시했다.

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 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.

장재영 교수 연구진은 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 향상되어 지금까지 알려진 유기 p-도펀트 중 가장 강력한 산화성을 보였고, 도핑의 안정성 또한 비약적으로 향상되었다.

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.”고 설명하고, “전기적 성능을 극대화하기 위해 다양한 공정 기술을 개발 중”이라고 밝혔다.