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한양대는 장재영 에너지공학과 교수팀이 이러한 연구성과를 얻었다고 11일 밝혔다. 이번 연구는 과학 기술정보통신부의 중견연구자사업 등의 지원을 받아 수행됐다. 연구결과는 재료과학 분야 국제학술지(Advanced Functional Materials) 10일자 표지논문으로 게재됐다.
정 교수팀은 유기 반도체의 분자도핑 반응 원리와 이를 제어하는 기술을 개발했다. 이는 유기발광다이오드(OLED), 유기트랜지스터 등 다양한 전자소자의 성능을 향상시키고, 제조공정도 단순화 할 수 있는 기술로 평가받는다.
탄소 기반 분자로 구성된 유기반도체는 구부리거나 늘일 수 있어 OLED를 비롯한 유기 전자소자의 핵심 소재로 꼽힌다. 특히 유기반도체의 전기적·광학적 특성을 제어하고자 분자 형태의 첨가제를 혼합하는 ‘분자도핑(molecular doping)’ 기술이 주목받고 있다.
장 교수팀은 화학적 구조가 비슷하지만 루이스 염기성이 다른 두 유기반도체를 활용해 BCF 도핑 반응을 분석했고, 이를 열전소자 열전소자에 적용했다. 그 결과 루이스 산 도핑이 브뢴스테드 산 도핑을 억제했고 유기반도체의 평평한 골격을 구부리고 결정구조를 무너뜨리는 등 반도체 내 전하이동을 크게 저해하는 것을 확인했다.
이어 연구진은 루이스 산과 브뢴스테드 산 특성으로 인해 나타나는 두 도핑 반응의 결합 세기가 다르다는 점에 착안, 섭씨 120도의 온도에서 BCF로 도핑한 유기반도체 필름을 열처리해 브뢴스테드 산의 도핑만 선택적으로 일으킬 수 있는 기술을 제시했다. 이번 연구 결과는 유기 열전소자의 성능을 향상시킬 뿐 아니라 다른 전자소자에도 확장 적용이 가능하다.
장 교수는 “이번 연구를 활용해 분자도핑을 적절히 제어할 경우 유기반도체의 전하이동 특성을 극대화할 수 있고, 특히 아직 낮은 수준에 머물러있는 웨어러블 전자소자의 성능을 향상시킬 핵심기술로 활용할 수 있다”고 말했다.