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2019/04/01 한양뉴스 > 학술 > 이달의연구자 중요기사

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[이달의 연구자] 성명모 교수(화학과)

유기 전도 물질을 통해 세계 최고 효율의 모빌리티를 구현하다

김민지

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http://www.hanyang.ac.kr/surl/BpOw

내용

우리 주변 전자제품에 사용하는 반도체의 경우 대부분 무기 반도체다. 간혹 유기 반도체를 전자제품에 사용하기도 한다. 그러나 무기 반도체에 비해 전하이동도가 느리기 때문에 거의 사용하지 않는다. 성명모 화학과 교수는 ‘PCDTPT’라는 단결정 고분자 나노 와이어 개발로 기존 유기 반도체 전하이동도를 10배 이상으로 높였다. 유기 반도체에서 무기물만큼의 전도성을 나오게 한 것이다. 보통 사용하는 무기물을 유기 반도체로 대체할 가능성이 높아져, 실질적인 대체 사용 시점에 가까워졌다.


지난 1997년 유기 반도체에도 전도성이 있다는 사실이 밝혀졌다. 이후 유기 반도체로 전자제품을 만드는 혁신적인 시도가 계속됐다. 시도를 거듭하며 스마트 워치, 삼성의 OLED 제품 등 플렉서블 디스플레이(Flexible display)로 불리는 유기 반도체 전자 제품들이 시중에 나오기 시작했다. 유기물질로 이뤄진 제품들이 속속 출현하면서 점차 유기 반도체의 실용화를 입증했다. 하지만 무기 반도체에 비해 상당히 낮은 전하이동도를 가진 유기반도체만을 사용한 제품을 생산할 경우 동작 속도가 매우 느리고 안전성이 입증되지 않아 여러 가지 문제점이 나타나고 있다. 전하이동도는 제품의 동작 속도를 결정짓기 때문에 중요하다. 따라서 보통은 유기 반도체와 무기 반도체를 같이 사용해 제품을 생산한다.
 
▲ 성명모 화학과 교수는 “유기반도체가 더 활성화되기 위해 전도속도가 높고 안전한 유기반도체를 만들어야 한다”고 말했다.

이렇듯 유기 반도체는 성능과 안정성이 떨어져 사용이 제한돼 있다고 알려져 있다. 성 교수가 10년간 연구 중 개발한 ‘PCDTPT’ 단결정 나노선으로 이 판도를 뒤집었다. ‘PCDTPT’ 단결정 나노선은 단결정 고분자 나노 와이어로, 가볍고 뛰어난 성능과 함께 넓은 면적과 저렴한 비용으로 쉽게 생산할 수 있다. 저렴한 대형 전자제품 분야에서도 응용 가능성이 매우 크다. 또 단결정형 PCDTPT 나노 와이어는 소형 분자 유기 반도체에 비해 대기 조건에서 양호한 환경안정성을 보인다.

성 교수는 유기 반도체의 가장 큰 단점인 전하이동도를 기존의 10배 이상으로 높였다. 개발 전 10정도의 모빌리티(전자를 움직이는 속도)였다면 개발 후 100에 도달하는 모빌리티를 기록했다. 지금까지 이렇게 높은 이동도를 가질 수 없다고 알려졌지만 성 교수가 이를 해결했다. 10배 이상으로 이동도를 증가시킬 수 있었던 이유는 ‘PCDTPT’ 나노선의 독특한 분자 구조에 있다. 일반적인 유기반도체 나노선은 분자판이 나란히 배열돼 있다. 전하는 배열된 방향을 따라 움직인다. 그러나 ‘PCDTPT’ 나노선은 그와 다르게 90도 다른 방향으로 전하가 움직인다. 이 때문에 폭발적으로 고성능을 발현할 수 있었다.
 
▲ (a) PCDTPT(단결정 나노 와이어)를 만드는 기술 과정. (b) 만들어진 결과의 모습이다. 마지막 사진에 단결정 나노 선 한 줄 씩 보인다. (논문명: Single-Crystal Poly[4-(4,4-dihexadecyl-4H-cyclopenta[1,2-b:5,4b′]dithiophen-2-yl)-alt-[1,2,5]thiadiazolo[3,4‑c]pyridine] Nanowires with Ultrahigh Mobility)
▲단일 결정의 전도 속도 변화를 한 눈에 볼 수 있는 사진 자료. (a)전형적인 나노 와이어의 소자 구조. 전극 사이의 잘 정렬된 단일 나노 와이어를 보여준다. (b)단일 결정 PCDTPT 나노 와이어의 일반적인 배출 전류-배출 전압(ID/VD) 출력 곡선. (c)단일 결정 PCDTPT 나노 와이어의 일반적인 배출 전류-게이트 전압(ID/VG) 전송 곡선(VD = -80 V). (d) 주변 조건에서 단일 결정 PCDTPT 나노와이어의 빨라진 전도 속도를 보여주는 그림.

성명모 교수는 “유기 반도체 중 최고의 이동도가 나온 것”이라고 말하며 “이 기술로 모든 디스플레이를 한층 더 유연한 제품으로 만들 수 있는 가능성을 제시했다”고 덧붙였다. 추가로 유기 반도체에 잉크젯을 넣는 연구도 병행하고 있다. OLED를 고가의 포터 장비대신 잉크젯으로 만들면 훨씬 저렴하고 유연하게 움직이는 디스플레이를 구현할 수 있다. 성 교수는 “이번 연구를 통해 유기 반도체의 무한한 가능성에 한 발 더 접근한 것”이라고 말했다.
 
▲ 오랜 시간 묵묵히 연구에 매진하고 있는 성명모 교수는 “유연한 소자를 통해 새롭고 인류적인 유용한 것들을 만드는게 목표”라고 말했다.

글/ 김민지 기자            melon852@hanyang.ac.kr
사진/ 이현선 기자         qserakr@hanyang.ac.kr
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