계명대, 차세대 광전자소자 상업화 성큼

남민우 교수연구팀, 유기 반도체 분자 도핑기술 국제 공동연구
저렴한 금속 전극 사용, 성능 향상·제조비용 절감 동시달성 성공

계명대학교는 전자공학전공 남민우<사진> 교수연구팀이 국제 공동연구를 통해 차세대 광전자소자의 성능 향상과 제조 비용 절감을 동시에 달성하는 데 성공했다고 24일 밝혔다.

이 연구 결과는 국제학술지 ‘Chemical Engineering Journal’에 게재됐다.

남 교수팀의 연구는 차세대 광전자소자 상업화 핵심 기술 개발에 관한 내용이다.

남 교수팀은 유기 반도체의 분자 도핑 기술을 이용해 성균관대, 미국의 조지아 테크, 미국의 노스이스턴대학 등으로 구성한 국제 공동 연구를 진행했다.

그 결과 차세대 광전자소자의 성능 향상 및 제조 비용 절감에 성공했다.

연구 결과는 ‘Single-layer organic photovoltaics fabricated via solution-based electrical doping of ternary bulk heterojunction films’ 논문으로 발표했다.

유기 반도체는 차세대 광전자소자 개발을 위한 핵심 소재로 주목받고 있다.

하지만 상업화 단계로 진입하려면 소자 성능 향상은 물론 소자 제조 공정 비용의 절감이 해결돼야 할 과제다.

연구진은 이종의 유기 반도체로 구성된 박막을 형성하고 이에 phosphomolybdic acid (PMA)를 이용한 후처리 도핑 과정을 적용했다.

이 과정을 통해 국지적인 도핑에 의해 박막의 표면에서 전기전도도가 급격히 향상되고 트랩에 의한 전하의 손실이 감소하는 것을 발견했다.

기존 실리콘의 도핑을 위해 고가의 장비와 장시간 1000°C 이상의 극한 환경이 요구됐으나, 이번 연구에서 제안하는 기술은 상온에서 유기 반도체 박막을 PMA 용액에 수 초 가량 담그는 과정만으로도 쉽고 빠르게, 효과적으로 분자 도핑이 이뤄진다는 점에서 분명한 차별성을 보였다.

국제 공동 연구팀은 협업을 통해 도핑에 따른 유기 반도체 박막의 광학적, 전기적, 구조적 특성 변화를 분석했다.

또 도핑된 박막을 유기태양전지의 활성층으로 적용해 실내·외의 다양한 광원 환경에서 효과적으로 전기 생산이 가능한 유기태양전지를 개발했다.

특히 PMA 도핑 기술과 다성분계 이종 유기 박막을 동시에 활용함으로써 기존 고효율 태양전지 제작을 위해 필수적인 요소로 인식된 전하수송층이 없어도 효과적으로 동작하는 단일층 구조(single-layer structure)의 유기태양전지 소자를 성공적으로 시연하는 성과를 달성했다.

이는 전하수송층의 형성을 위해 필요한 진공 공정 단계를 생략해 소자 제조 과정을 간소화한다는 장점을 입증한 것이다.

아울러 금이나 은 대신 알루미늄과 같은 비교적 저렴한 금속을 전극으로 사용해도 고효율 달성이 가능하다는 점을 실험을 통해 입증함으로써 제조 비용 절감에도 효과가 있다는 것을 확인했다.

남민우 교수는 “이 연구는 유기 반도체 기반 전자소자의 성능-비용 갭을 줄일 수 있는 분자 도핑 기술에 관한 것으로써 앞으로 태양전지, OLED, 트랜지스터, 센서 등 다양한 차세대 전자소자에 보편적으로 적용될 것으로 기대한다”며 “국내·외 우수 연구진과 협력을 확대하고 신개념의 전자 소자와 시스템 기술 개발을 위해 더욱 노력할 계획”이라고 말했다.

/심상선기자 [e-mail]