경상대학교 공과대학 나노·신소재공학부 최현호 교수팀은 포항공대 조길원 교수, 미국 럿거스대학, 프린스턴대학, 사우디아라비아 킹 압둘라 과학기술대학과 공동으로 유기 반도체의 전하 이동 비밀을 풀기 위한 획기적인 기초 기술을 개발했다고 9일 밝혔다.

유기 반도체는 제조공정이 경제적이고 유연성까지 갖춰 4차 산업혁명의 주요 분야인 사물인터넷과 웨어러블 전자소자의 핵심 미래 소재로 주목받고 있지만 소재의 전하 이동과 전기 특성을 해석하는데 있어, 기존 실리콘 반도체의 전하 이동 이론과 해석법으로 풀 수 없는 난제를 지니고 있었다.

최현호 경상대학교 나노·신소재공학부 교수.

최 교수팀은 이 난제를 홀효과(Hall-Effect)를 통해 풀었다고 밝혔다. 홀효과는 전하를 띤 입자가 자기장 속을 운동하면, 로렌츠의 힘을 받아 운동방향이 굽어지는 현상으로 1879년 에드윈 홀이 처음 발견했고 현재까지 다양한 전자 소재 연구 분야에서 활용돼 왔다.

최 교수팀은 홀효과를 이용한 분석 결과 기존 반도체와 다르게 유기 반도체에는 로렌츠의 힘을 받지 않는 특이 전하가 존재한다는 것을 실험적으로 밝혀냈고, 이것이 소재의 전하 이동의 결정인자임을 증명했다.

이 현상은 높은 전하이동도 소재에 최적화된 기존 홀효과 측정으로는 어려움이 있어, 연구팀은 낮은 전하이동도 소재에서도 신뢰도 높은 측정이 가능한 새로운 홀효과 분석 기법을 개발했다. 이 분석 기법은 전기전도성이 비교적 낮은 소재에서도 비 트랜지스터 소자 형태로 전하이동도와 전하밀도 분석이 가능해 현재 활발히 연구되고 있는 유연전자소재·소자 분야에서 다양하게 활용될 수 있다.

최현호 교수는 “미래 반도체 소재의 전하 이동 비밀을 풀 수 있

로렌츠의 힘을 받지 않는 특이 전하 존재가 규명된 유기 반도체 소재의 분자 배향 구조(좌)와 홀효과 측정을 위해 전극이 패터닝된 전자소자 이미지

는 새로운 분석법이 개발됐다”며 “미래 반도체 소재·소자의 전기 특성을 효과적·효율적으로 향상할 수 있는 이론적 접근법을 제안할 수 있을 것”이라고 말했다.

이번 연구 결과는 재료과학 분야 세계적 권위지 어드밴스드 펑셔널 매터리얼즈 7월호 온라인판에 게재됐다.

강진태 기자 kangjt@knnews.co.kr