[페로브스카이트 와 반도체 고분자가 랩핑된 CNT 복합 필름 개발]

최근 폴더블 디스플레이에 대한 관심이 높아지고 있고, 여기에 적용될수 있은 유연한 트랜지스터소재에 대한 개발 수요가 증대되고 있다. 최근 활발히 연구되고 있는 페로브스카이트를 실리콘 태양전지를 대신할 소재로 많이 사용해 왔지만, 태양전지를 넘어 차세대 디스플레이 기술로도 활용될 전망이다. 하지만 납 이용으로 인한 독성, 낮은 전하 이동도와 지연현상을 동반하는 등의 문제점 때문에 실제로 활용하기는 어려웠다.

화학공학과 노용영 교수팀은 납성분 없는 페로브스카이트에 고순도로 분리된 반도체 탄소나노튜브(CNT)를 혼합한 복합반도체 소재를 개발해, 이를 통한 유연하고 투명한 트랜지스터를 구현하여 기존 대비 5배 이상의 높은 전하 이동도와 획기적인 동작 안정성을 확보했다. 이 연구는 나노 분야 권위지인 ACS 나노(ACS Nano) 표지논문으로 최근 게재됐다.

페로브스카이트는 태양전지, LED 등과 같은 다양한 광전자 분야에 사용할 수 있는 차세대 물질이다. 전기 전도성이 뛰어난 결정 구조를 가지고 있지만 납 사용으로 인한 독성과 상대적으로 낮은 전계 효과 이동도, 또 동작 할 때 균일한 전기적 동작이 어려운 히스테리시스가 나타난다는 점 등의 고질적인 문제를 해결해야 하는 과제가 있었다.

연구팀은 이런 문제를 해결하기 위해, 납이 들어가지 않은 페로브스카이트(C6H5C2H4NH3)2SnI4와 공액 고분자가 감싸진 반도체성 탄소나노튜브(CNT)를 혼합한 복합 반도체 소자를 개발했다. 특히 페로브스카이트 소재의 동작 불안정성을 극복히기 위해서 고순도로 분리된 반도체 CNT를 혼합하여 동작안정성을 획기적으로 개선하여 히스테리시스를 줄이고 소자의 이동도 또한 기존대비 5배 이상 향상시켰다.

특히 본 복합 반도체 소재는 광센서의 광감응층으로도 높은 성능을 보여서 6.3×104A/W의 광응답률 (photoresponsivity, R)과 1.12×1017 Jones 가량의 검출률 (detectivity, D*)을 얻었으며, 이와 같은 광센서 성능은 현재까지 개발된 최상의 장치 성능보다 약 100~1000배 높은 값으로 향후 유연한 카메라등에 광센서로 활용될수 있을것으로 기대된다. (반도체 CNT 기반 페로브스카이트에 복합반도체 필름에 대한 연구로는 세계 최초다.)

노용영 교수는 “본 연구는 납을 사용하지 않은 패로브스카이드 소자의 낮고 불안정한 성능에 대한 개선방향을 제시한 세계 최초의 연구로써 개발된 포토 트랜지스터 성능은 지금까지 보고한 다른 소재와 비교해도 세계 최고 성능의 수준”이라며 “이 기술이 향후 연구개발을 통해서 적용된다면 폴더블 디스플레이 구동용 트랜지스터, 유연한 웨어러브 전자소자의 회로용 트랜지스터, 착용형 가상현실 디바이스용 유연 광센서 등으로 활용할 수 있을 것”이라며 기대감을 밝혔다.

한편 이 연구는 과학기술정보통신부가 지원하는 글로벌프론티어 사업 ‘나노기반 소프트일렉트로닉스 연구단’의 지원으로 수행됐다.