유기반도체 ‘대면적’ 합성 성공…맞춤형 소재 나온다
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작성일20-06-24 16:02
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- IBS 복잡계 자기조립 연구단, 2차원 전도성 고분자 합성
김기문 IBS 복잡계 자기조립 연구단장.[IBS 제공]
[헤럴드경제=구본혁 기자] 국내 연구진이 차세대 반도체로 기대되는 유기반도체의 대면적 합성에 성공했다.
기초과학연구원(IBS) 복잡계 자기조립 연구단 김기문 단장이 이끄는 국제공동연구진은 분자의 자기조립 특성을 활용해 실리콘보다 전기적 특성이 우수한 2차원 전도성 고분자를 합성했다고 24일 밝혔다. 이를 통해 다양한 영역에 활용 가능한 맞춤형 소자 개발에 기여할 것으로 기대된다.
유기반도체는 실리콘반도체 등 기존의 무기반도체를 대체할 수 있는 차세대 기술이다. 무기반도체의 단점으로 꼽히는 높은 가격, 복잡한 공정, 두께, 유연성 등의 한계를 모두 뛰어넘을 수 있기 때문이다. 특히 전도성 고분자는 유기반도체 분야를 한층 더 성장시킬 소재로 각광받고 있다.
하지만 지금까지 전도성 고분자를 2차원 대면적으로 제조한 사례는 거의 없다. 전도성을 가진 분자는 친화력이 강해 서로 겹겹이 쌓이기 때문이다. 여러 층을 형성한 고분자는 더 이상 성장하지 못하고 용액 속에 가라앉는다. 때문에 지금까지 합성된 2차원 전도성 고분자의 크기는 수십 나노미터(nm) 수준에 불과했다. 전자기기로 상용화하기엔 어려운 크기다.
연구진은 육각형 벌집 모양의 그래핀에서 아이디어를 얻어, 벌집구조를 형성하기 유리한 고분자인 트리페닐렌을 활용해 새로운 소재를 개발했다. 먼저 일부 트리페닐렌 분자에는 6개의 하이드록시기(-OH)를 도입하고, 다른 분자에는 아민기(-NH2)를 도입했다. 이후 이들 분자를 용매에 녹인 뒤 가열하며 그래핀처럼 벌집 구조를 가진 2차원 전도성 고분자를 합성했다.
이어 합성 메커니즘도 규명했다. 합성 과정에 쓰인 산성 촉매로 인해 트리페닐렌 고분자는 부분적으로 양전하(+)를 띤다. 이 양전하 간의 정전기적 반발력으로 인해 고분자들은 겹겹이 쌓이지 않고, 용액에 골고루 분산된다. 이로 인해 기존의 한계를 극복하고, 수백 마이크로미터(㎛) 크기의 전도성 고분자 박막을 합성할 수 있었다.
공동 교신저자인 백강균 연구위원은 “골고루 분산, 즉 용해도가 높다는 것은 원하는 형태의 소자 제작에 유리하다는 의미”라며 “합성한 고분자를 이용하면 드롭캐스팅 등 용액 공정을 통해 간단하게 유기소자를 제작할 수 있어 반도체 소자 개발에 필요한 공정비용을 대폭 절감시킬 수 있다”고 설명했다.
연구진은 유기 박막 트랜지스터를 제작해 ‘유사 그래핀’의 전기적 물성을 평가했다. 소재의 캐리어 이동도는 최대 4㎠/VS로 실리콘보다 4배가량 높았다. 지금까지 개발된 2차원 전도성 고분자 중 가장 우수한 성능이다. 유사 그래핀 위에 그래핀을 적층한 광(光)검출소자를 구현해본 결과, 제작된 소자가 자외선에서 적외선에 이르는 넓은 영역의 빛을 검출할 수 있음을 증명했다.
이차원 전도성 고분자로 제작한 유기 박막 트랜지스터 소자. 제작한 유기 박막 트랜지스터의 모식도(A)와 현미경으로 관찰한 모습(C,D). 연구진은 전도성 고분자를 유기 박막 트랜지스터 소자로 제작하여 뛰어난 전기적 특성을 가지는 것을 확인했다.[IBS 제공] 김기문 IBS 복잡계 자기조립 연구단장.[IBS 제공]
전도성 고분자는 화학적으로 밴드갭(Band Gap)을 비롯한 전기적 물성을 조절할 수 있다. 도체, 반도체, 부도체의 특성을 모두 구현할 수 있다는 의미다. 전도성 고분자로만 이뤄진 유기 전자소자 구현은 물론, 활용 목적에 맞게 물성을 조절해 ‘맞춤형 소자’ 개발도 가능하다. 연구진은 초고속 반도체, 고효율 태양전지, 롤러블 디스플레이 등 가볍고 유연하면서도 성능이 우수한 소재가 필요한 여러 분야에 응용될 것으로 기대하고 있다.
이번 연구는 복잡계 자기조립 연구단 등 3개 IBS 연구단의 공동연구를 통해 나온 성과다. 복잡계 자기조립 연구단은 새로운 2차원 전도성 고분자를 합성하고, 분자활성 촉매반응 연구단은 합성 메커니즘을 이론적으로 밝혀냈다. 이와 함께 원자제어 저차원 전자계 연구단은 합성된 2차원 전도성 고분자의 전기적 특성을 규명했다.
김기문 단장은 “IBS 연구단 간의 협력과 집단연구 덕분에 오랜 연구의 결실을 맺을 수 있었다”며 “앞으로 공고한 협력을 통해 높은 수준의 집단연구를 구현해 나간다면, 인류의 난제들을 풀어나갈 원동력이 될 것이라 믿는다”고 말했다.
이번 연구결과는 국제학술지 ‘켐(Chem)’ 6월 24일자 온라인판에 게재됐다.
[email protected]
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- IBS 복잡계 자기조립 연구단, 2차원 전도성 고분자 합성
김기문 IBS 복잡계 자기조립 연구단장.[IBS 제공][헤럴드경제=구본혁 기자] 국내 연구진이 차세대 반도체로 기대되는 유기반도체의 대면적 합성에 성공했다.
기초과학연구원(IBS) 복잡계 자기조립 연구단 김기문 단장이 이끄는 국제공동연구진은 분자의 자기조립 특성을 활용해 실리콘보다 전기적 특성이 우수한 2차원 전도성 고분자를 합성했다고 24일 밝혔다. 이를 통해 다양한 영역에 활용 가능한 맞춤형 소자 개발에 기여할 것으로 기대된다.
유기반도체는 실리콘반도체 등 기존의 무기반도체를 대체할 수 있는 차세대 기술이다. 무기반도체의 단점으로 꼽히는 높은 가격, 복잡한 공정, 두께, 유연성 등의 한계를 모두 뛰어넘을 수 있기 때문이다. 특히 전도성 고분자는 유기반도체 분야를 한층 더 성장시킬 소재로 각광받고 있다.
하지만 지금까지 전도성 고분자를 2차원 대면적으로 제조한 사례는 거의 없다. 전도성을 가진 분자는 친화력이 강해 서로 겹겹이 쌓이기 때문이다. 여러 층을 형성한 고분자는 더 이상 성장하지 못하고 용액 속에 가라앉는다. 때문에 지금까지 합성된 2차원 전도성 고분자의 크기는 수십 나노미터(nm) 수준에 불과했다. 전자기기로 상용화하기엔 어려운 크기다.
연구진은 육각형 벌집 모양의 그래핀에서 아이디어를 얻어, 벌집구조를 형성하기 유리한 고분자인 트리페닐렌을 활용해 새로운 소재를 개발했다. 먼저 일부 트리페닐렌 분자에는 6개의 하이드록시기(-OH)를 도입하고, 다른 분자에는 아민기(-NH2)를 도입했다. 이후 이들 분자를 용매에 녹인 뒤 가열하며 그래핀처럼 벌집 구조를 가진 2차원 전도성 고분자를 합성했다.
이어 합성 메커니즘도 규명했다. 합성 과정에 쓰인 산성 촉매로 인해 트리페닐렌 고분자는 부분적으로 양전하(+)를 띤다. 이 양전하 간의 정전기적 반발력으로 인해 고분자들은 겹겹이 쌓이지 않고, 용액에 골고루 분산된다. 이로 인해 기존의 한계를 극복하고, 수백 마이크로미터(㎛) 크기의 전도성 고분자 박막을 합성할 수 있었다.
공동 교신저자인 백강균 연구위원은 “골고루 분산, 즉 용해도가 높다는 것은 원하는 형태의 소자 제작에 유리하다는 의미”라며 “합성한 고분자를 이용하면 드롭캐스팅 등 용액 공정을 통해 간단하게 유기소자를 제작할 수 있어 반도체 소자 개발에 필요한 공정비용을 대폭 절감시킬 수 있다”고 설명했다.
연구진은 유기 박막 트랜지스터를 제작해 ‘유사 그래핀’의 전기적 물성을 평가했다. 소재의 캐리어 이동도는 최대 4㎠/VS로 실리콘보다 4배가량 높았다. 지금까지 개발된 2차원 전도성 고분자 중 가장 우수한 성능이다. 유사 그래핀 위에 그래핀을 적층한 광(光)검출소자를 구현해본 결과, 제작된 소자가 자외선에서 적외선에 이르는 넓은 영역의 빛을 검출할 수 있음을 증명했다.
이차원 전도성 고분자로 제작한 유기 박막 트랜지스터 소자. 제작한 유기 박막 트랜지스터의 모식도(A)와 현미경으로 관찰한 모습(C,D). 연구진은 전도성 고분자를 유기 박막 트랜지스터 소자로 제작하여 뛰어난 전기적 특성을 가지는 것을 확인했다.[IBS 제공] 김기문 IBS 복잡계 자기조립 연구단장.[IBS 제공]전도성 고분자는 화학적으로 밴드갭(Band Gap)을 비롯한 전기적 물성을 조절할 수 있다. 도체, 반도체, 부도체의 특성을 모두 구현할 수 있다는 의미다. 전도성 고분자로만 이뤄진 유기 전자소자 구현은 물론, 활용 목적에 맞게 물성을 조절해 ‘맞춤형 소자’ 개발도 가능하다. 연구진은 초고속 반도체, 고효율 태양전지, 롤러블 디스플레이 등 가볍고 유연하면서도 성능이 우수한 소재가 필요한 여러 분야에 응용될 것으로 기대하고 있다.
이번 연구는 복잡계 자기조립 연구단 등 3개 IBS 연구단의 공동연구를 통해 나온 성과다. 복잡계 자기조립 연구단은 새로운 2차원 전도성 고분자를 합성하고, 분자활성 촉매반응 연구단은 합성 메커니즘을 이론적으로 밝혀냈다. 이와 함께 원자제어 저차원 전자계 연구단은 합성된 2차원 전도성 고분자의 전기적 특성을 규명했다.
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통신사나 상품 유형에 따라 적용되는 경품고시 가이드 상한선은 달리지나, 현재 SK브로드밴드와 LG유플러스가 최대 46만원, LG헬로비전과 KT올레가 최대 44만원까지 고객에게 지원 가능하다.
KT올레, SK브로드밴드(SK텔레콤), LG유플러스(LG U플러스), 헬로비전 등 인터넷통신사에서 인터넷TV 결합상품 등에 가입하면 지원받을 수 있는 현금사은품 상/하한선이 결정되면서, 현금사은품을 최대로 지급하는 영업점은 인터넷 비교사이트로 조사됐다.
이런 가운데 전국적으로 코로나19가 다시 확산되면서 사회 전반에 '집콕' 문화가 자리를 잡고 있다. 외출 대신 실내에서 머무는 시간이 길어지면서, 초고속인터넷이나 VOD, OTT(Over The Top) 등 유선 서비스 이용량도 크게 늘었다. 덩달아 인터넷 등의 유선 상품 가입량도 증가한 것으로 나타났다.
소비 유형 역시 마트 또는 백화점 같은 오프라인 채널을 대신해 비대면 서비스를 이용하는 비중이 높아지는 추세다. 인터넷가입도 비대면 채널인 온라인 인터넷비교사이트를 찾는 비율이 증가했다.
고객센터나 오프라인 매장이 아닌 인터넷비교사이트를 찾는 사람이 많은 것은 코로나19 영향도 있지만, 가장 큰 이유는 바로 '사은품'이다.
온라인 인터넷비교사이트는 '인터넷가입 사은품 많이 주는 곳' 등을 찾아 다니는 소비자 사이에 인기가 좋다. 고객센터와 비교해 지급되는 사은품 금액이 크며, 현금사은품도 받을 수 있기 때문이다.
실제 '인터넷가입' 또는, '인터넷설치' 등의 키워드를 포털사이트에서 검색하면, 연관검색어로 '현금'이나 '사은품' 등의 단어가 연관검색어로 노출되는 데 이는 사은품이 인터넷가입을 결정하는 데 중요한 역할을 한다고 볼 수 있다.
LG유플러스(LG U플러스), KT올레, SK브로드밴드(SK텔레콤) 등 통신사 고객센터에서는 인터넷가입 고객에게 사은품을 상품권으로만 지원하고 있다. 반면, 온라인 인터넷비교사이트는 사은품을 현금과 상품권으로 나누어 지급하며, 현금의 비중이 커 젊은 연령의 이용객들이 꾸준히 증가하고 있다.
지난해 경품고시제가 시행된 이후로 영업점에서 지급하는 사은품 수준이 동일해졌다. 소비자들에게 지급되는 사은품 금액에 큰 차이가 없어진 상황이다. 영업점에서 경품고시 가이드에 미달되거나 초과되는 사은품을 지급하면, 최대 영업정지의 패널티가 적용될 수 있기 때문에 경품고시 가이드는 무조건 준수해야만 한다.
사은품 금액에 차이가 없어지면서, 기존에 현금사은품 많이 주는 곳을 찾아 다녔던 소비자들이 사은품을 당일 지급해주는 영업점을 선호하고 있다.
설치 당일에 현금사은품을 지급해주는 대표적인 인터넷비교사이트는 '펭귄통신'이다. 한국정보통신진흥협회(KAIT) 공식 승인 법인 기업으로, 15만명 이상의 회원이 활동 중인 네이버 인터넷가입 공식 카페를 운영하고 있다.
관계자는 "고객들의 편의를 위해 오후 4시 이전 설치건에 대해서는 당일 현금 지원을, 오후 4시 이후에 설치한 건에 대해서는 다음날 현금사은품을 지원하고 있다"고 말했다. 한편 펭귄통신에는 현재 고객 설치 후기가 약 1,000건 이상 올라와 있으며, 후기 확인 시 설치 당일 현금사은품이 지급됐다는 내용이 뒷받침돼 높은 신뢰도를 자랑한다.
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지난해 경품고시제가 시행된 이후로 영업점에서 지급하는 사은품 수준이 동일해졌다. 소비자들에게 지급되는 사은품 금액에 큰 차이가 없어진 상황이다. 영업점에서 경품고시 가이드에 미달되거나 초과되는 사은품을 지급하면, 최대 영업정지의 패널티가 적용될 수 있기 때문에 경품고시 가이드는 무조건 준수해야만 한다.
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설치 당일에 현금사은품을 지급해주는 대표적인 인터넷비교사이트는 '펭귄통신'이다. 한국정보통신진흥협회(KAIT) 공식 승인 법인 기업으로, 15만명 이상의 회원이 활동 중인 네이버 인터넷가입 공식 카페를 운영하고 있다.
관계자는 "고객들의 편의를 위해 오후 4시 이전 설치건에 대해서는 당일 현금 지원을, 오후 4시 이후에 설치한 건에 대해서는 다음날 현금사은품을 지원하고 있다"고 말했다. 한편 펭귄통신에는 현재 고객 설치 후기가 약 1,000건 이상 올라와 있으며, 후기 확인 시 설치 당일 현금사은품이 지급됐다는 내용이 뒷받침돼 높은 신뢰도를 자랑한다.
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