국내 연구팀이 유기 반도체의 분자 도핑 기술을 이용, 차세대 광전자 소자의 성능을 향상은 물론, 제조 비용까지 줄일 수 있는 기술을 개발했다. 향후 태양전지나 OLED 등 다양한 차세대 전자소자에 적용할 수 있을 전망이다.
계명대는 남민우 전자공학전공 교수연구팀이 성균관대, 미국 조지아테크, 미국 노든이스트대학 등과 공동으로 차세대 광전자소자 상업화 핵심기술을 개발했다고 24일 밝혔다. 연구결과는 최근 국제학술지 ‘케미컬 엔지니어링 저널’에 게재됐다.
유기 반도체는 차세대 광전자소자 개발을 위한 핵심 소재지만 상업화를 위해서는 소자 성능 향상은 물론 소자 제조 공정 비용 절감도 해결해야 할 과제다.
연구팀은 이종의 유기 반도체로 구성된 박막을 형성하고 이에 인몰리브덴산(PMA)를 이용한 후처리 도핑 과정을 적용했다. 국지적 도핑에 의해 박막 표면에서 전기전도도가 급격히 향상되고 트랩에 의한 전하의 손실이 감소되는 것을 발견했다.
기존 실리콘 도핑에는 고가 장비와 장시간 1000도 이상의 극한 환경이 필요한 반면에 이번 연구에서 제안하는 기술은 상온에서 유기 반도체 박막을 PMA 용액에 수초 가량 담그는 과정만으로도 빠르고, 효과적으로 분자 도핑이 이루어진다는 점이다.
연구팀은 협업을 통해 도핑에 따른 유기 반도체 박막의 광학적, 전기적, 구조적 특성 변화를 분석했다. 도핑된 박막을 유기태양전지 활성층으로 적용, 실내외 다양한 광원 환경에서 효과적으로 전기 생산이 가능한 유기태양전지를 개발했다.
특히, PMA 도핑 기술과 다성분계 이종 유기 박막을 동시에 활용함으로써 기존 고효율 태양전지 제작을 위해 필수 요소로 인식되던 전하수송층이 없이도 효과적으로 동작하는 단일층 구조(single-layer structure)의 유기태양전지 소자를 성공적으로 시연했다.
이는 전하수송층 형성을 위해 필요한 진공 공정 단계를 생략해 소자 제조 과정을 간소화하는 장점이 있고, 금이나 은 대신 알루미늄과 같은 비교적 저렴한 금속을 전극으로 사용해도 고효율 달성이 가능하다는 점을 시사한다. 제조 비용 절감에도 효과가 있다는 것을 확인한 셈이다.
남민우 교수는 “향후 다양한 차세대 전자소자에 보편적으로 적용될 것으로 기대한다”며 “국내외 우수 연구진과 협력을 확대하고 신개념 전자 소자 및 시스템 기술 개발을 위해 더욱 노력하겠다”고 밝혔다.
대구=정재훈 기자 jhoon@etnews.com
