서울시립대학교(총장 원용걸) 전자전기컴퓨터공학부 김혁 교수와 동아대학교 반도체학과 이용주 교수 공동연구팀이 하나의 혼합 반도체층으로 P형과 N형 동작을 모두 구현할 수 있는 양극성(Ambipolar) 박막트랜지스터를 개발하고, 이를 활용한 고성능 논리회로와 인버터 구현에 성공했다.

이번 연구 결과는 세계적 학술지인 와일리(WILEY) 출판사의 Small (Impact factor: 12.1)에 「Solution-Processed Ambipolar Thin Film Transistors-Based Inverters for Circuit Applications」라는 제목으로 게재됐다. 김민기 연구원과 Swarup Biswas 연구원이 공동 제1저자로, 이용주 교수는 공동저자로 참여했으며, 김혁 교수는 교신저자로 연구를 주도했다.

기존 반도체 논리회로는 P형과 N형 반도체를 각각 형성해야 해 소재와 제조공정이 복잡해지는 한계가 있다. 이에 연구팀은 P형 고분자 DPP-DTT와 N형 고분자 N2200을 하나의 혼합형 유기반도체층으로 구성해 P형과 N형 동작을 모두 구현했다. 특히 반도체층뿐만 아니라 절연층(PMMA)까지 용액공정으로 형성함으로써 제조공정을 단순화하고, 향후 대면적·저비용 제조에 적용할 수 있는 가능성을 제시했다.

연구팀은 두 고분자의 혼합비를 조절해 전자와 정공이 균형 있게 이동하는 양극성 특성을 구현했으며, DPP-DTT와 N2200을 5:95 비율로 혼합했을 때 가장 우수한 성능을 확인했다. 이를 바탕으로 하나의 혼합 유기반도체층으로 P형과 N형 동작이 모두 가능한 고성능 인버터 회로를 구현했으며, 소자 구조 최적화를 통해 최대 약 22의 전압 이득을 달성했다. 이는 하나의 반도체 플랫폼으로 두 가지 동작을 구현하면서도 높은 회로 성능을 확보했다는 점에서 의미가 있다.

김혁 교수는 “이번 연구는 기존처럼 P형과 N형 반도체를 각각 제조하지 않고도 하나의 혼합 유기반도체층으로 두 가지 동작을 모두 구현하고, 이를 실제 고성능 논리회로까지 확장할 수 있음을 보여준 연구”라며 “향후 공정 단순화와 저비용·대면적 제조가 요구되는 유연전자 및 인쇄전자 분야에 폭넓게 활용될 수 있을 것으로 기대한다”고 말했다.

해당 연구는 과학기술정보통신부·한국연구재단의 중견연구자지원사업과 글로벌 기초연구실 지원사업(심화형) 및 산업통상부·한국산업기술기획평가원(KEIT) 반도체 첨단전략산업초격차기술개발 사업등의 지원과 서울시립대학교 반도체연구센터(UOS Fab)의 인프라 지원을 받아 수행됐다.