"용매만 바꿔 반도체 성능 2배"…'도핑' 정밀 제어 성공

보도기사

유기 반도체 반응성 정밀 조절 기술 개발
차세대 열전·광전자 소자 상용화 기대

용매의 극성에 따른 루이스 페어 도펀트의 형성 메커니즘

국내 연구진이 반도체의 전기적 성능을 좌우하는 '도핑' 반응을 용매 특성만으로 정밀하게 제어하는 데 성공했습니다. 차세대 유기 반도체의 효율과 안정성을 동시에 높일 수 있는 새로운 공정 기술로 평가됩니다.

한국연구재단은 한양대학교 에너지공학과 장재영 교수 연구팀이 용매를 활용해 유기 반도체의 도핑 반응성을 안정적으로 조절하는 기술을 개발했다고 밝혔습니다.

도핑은 반도체에 불순물을 넣어 전기적 특성을 바꾸는 핵심 공정입니다. 특히 이번 연구에 사용된 '루이스 페어 도펀트'는 강한 도핑 성능과 높은 안정성을 동시에 갖춘 차세대 소재로 주목받고 있습니다.

다만 기존에는 반응성이 지나치게 강해 반도체 박막 손상이나 성능 불균형 문제가 발생해 정밀 제어가 어렵다는 한계가 있었습니다.

용매 극성을 이용한 도펀트의 반응성와 도핑된 유기 반도체의 소자 성능 및 안정성 

연구팀은 용매의 극성이 루이스 페어 도펀트 반응성에 직접 영향을 준다는 점에 주목했습니다. 분석 결과 극성이 너무 높은 용매에서는 도펀트 활성이 억제됐지만, 적절한 극성 환경에서는 반응성이 최적화되는 사실을 확인했습니다.

특히 에틸아세테이트 용매를 적용한 실험에서는 기존 염화철 기반 도핑 방식보다 전력인자가 2배 이상 향상됐습니다.

연구팀은 이는 단순한 도핑량 증가가 아니라, 반도체 내부 분자 배열과 전하 이동 통로가 더 안정적으로 형성됐기 때문이라고 설명했습니다. 이 결과는 이론 계산과 분광 분석으로도 검증됐습니다.

고온 안정성도 개선됐습니다. 80도 환경에서도 저항 변화가 기존보다 100배 이상 억제되는 성능을 보였습니다.

연구를 이끈 장재영 교수는 "이번 연구는 도펀트 자체 설계에 집중했던 기존 접근에서 벗어나 공정 용매와 반응 메커니즘을 함께 설계하는 새로운 패러다임"이라고 설명했습니다.

연구팀은 이번 기술이 열전 소자뿐 아니라 유기 트랜지스터, 광전자 소자, 페로브스카이트 태양전지 등 다양한 차세대 반도체 분야로 확대될 수 있을 것으로 기대하고 있습니다.

이번 연구 결과는 국제학술지, 어드밴스드 머티리얼즈(Advanced Materials)에 3울 29일 자 온라인 판에 실렸으며, 오는 8월 인사이드 표지 논문으로도 소개될 예정입니다.

(사진=한국연구재단)

김건교 취재 기자 | kkkim@tjb.co.kr