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유기반도체를 이용한 유연 전자소자 제작의 새로운 방법 제시

국내 연구진이 기존보다 전하 이동도가 더욱 향상된, 나노 다공성 구조를 지닌 “고성능 유기 박막 트랜지스터 개발”에 성공하였다.

이번 연구는 웨어러블(wearable)전자기기 구현의 핵심인 유기반도체로 구성된 전자소자의 성능을 크게 향상시킬 뿐 아니라, 나노 다공성 구조를 지닌 유기반도체 박막 제조가 가능하여 플렉서블(flexible) 디스플레이·전자 피부·고성능 센서 등 차세대 유연 전자소자 제작에 크게 활용될 것으로 기대된다

이번 연구는 미래창조과학부가 추진하는 글로벌프런티어사업 “나노기반 소프트일렉트로닉스연구단”의 지원으로 포스텍 화학공학과의 조길원 교수, 오준학 교수, 강보석 연구원, 장문정 연구원, 정윤영 박사 연구팀이 진행하였으며, 연구결과는 세계 최고 권위의 네이처 자매지인 ‘네이처 커뮤니케이션즈’(Nature Communications)지에 8월 26일(화)에 게재되었다. (논문명: Enhancing 2D growth of organic semiconductor thin films with macroporous structures via a small-molecule heterointerface.)

유기반도체는 저온 공정이 가능하고, 유기반도체로 박막 트랜지스터를 제작할 경우, 구부리거나 구겼을 때에도 트랜지스터의 특성이 그대로 유지되어, 유연한 전자기기의 핵심적인 소재로 전 세계적으로 많은 관심을 받아왔다.

하지만 기존의 유기반도체는 전하의 이동도가 낮아서 유기반도체를 활용한 전자소자의 동작속도나 전류 공급에 한계가 있으며, 이에 따라 유기반도체를 활용한 고성능 트랜지스터 제작이나 전자회로 구현에 많은 제약이 따른다.

연구진은 기존 유기반도체 소재로 널리 사용되어온 물질(펜타센)을 새로 고안한 유기박막 이종접합(서로 다른 유기물 간의 접합)에 적용하여 기존의 전하 이동도보다 약 4배 향상된 결과를 얻었다. 이러한 전하 이동도는 고성능 유기발광 다이오드(OLED)를 구동시킬 수 있는 수준이다.

또한 연구진은 유기반도체 층에 수백 나노미터 크기의 구멍이 뚫려있는 다공성 박막구조를 제조하였다. 특히, 다공성 구조를 지님에도 불구하고 결정성(고분자화합물 등에서 결정을 이루는 부분의 비율)이 매우 높은 유기반도체 박막을 제조하였다. 이 다공성 구조를 활용하여 극소량의 물질도 빠르게 검출 가능한 고성능 화학센서도 함께 구현하였다.

연구팀은 “이 기술은 기존에 널리 사용되어 온 유기반도체 소재에 적용 가능하며, 유기반도체 박막층 구조 변화와 유기 트랜지스터 성능 향상을 함께 구현 할 수 있는 새로운 유연 전자기기 제조 방법을 제시한 것” 이라고 연구 의의를 밝혔다.

1. 연구배경

유기반도체는 100 oC 미만의 낮은 공정온도에서 제작이 가능한 장점을 가지고 있어, 얇은 플라스틱 기판위에 만들어지는 휘어지는 웨어러블 전자기기 (wearable electronics)에 사용되는 기본 물질로 많은 관심을 받아왔다. 유기반도체로 박막 트랜지스터를 만들 때, 유기 박막의 두께는 100 nm 미만에 불과하기 때문에 구부리거나 극단적으로 구겼을 때도 트랜지스터의 특성이 그대로 유지되는 장점을 갖는다.

하지만 유기반도체는 낮은 전하 이동도와 안정성 등의 단점이 있어서 지금까지는 유기발광다이오드 (OLED)의 발광층 물질로만 제한적으로 상용화가 되어왔다. 최근 이러한 한계를 극복하기 위해서 높은 전하 이동도를 갖는 새로운 유기반도체 물질이 국내외에서 연구되고 있는 추세이다.

본 연구진은 기존에 널리 사용되는 유기반도체 물질을 그대로 사용하면서, 반도체 층을 형성하는 방법을 새롭게 개발하여 유기 트랜지스터 제작의 새로운 방법을 제시하고자 본 연구를 시작하였다. 이번 연구에서 사용된 펜타센 (pentacene) 반도체는 가장 널리 사용되는 대표적인 유기반도체 물질로, 상용화된 유기반도체 중에서 높은 전기적 특성과 안정성을 보이고 있다.

2. 연구내용

본 연구팀은 유기박막 이종접합을 고안하여 고성능 트랜지스터 박막을 개발하였다. 반도체 공학에서 이종접합이란 서로 다른 물질이 맞닿아 있는 부분으로서, 서로 조합이 잘 맞지 않는 물질이 붙어있을 경우에는, 좋은 계면(interface)이 이루어지지 않고 결함이 많은 상태가 되어 전자소자의 성능이 크게 떨어지게 된다. 이번 연구에서는 펜타센과 좋은 계면을 이루는 TSB3라는 유기 절연체가 먼저 고진공에서 증착이 되고, 진공을 계속 유지한 채 뒤이어 펜타센이 증착되는 방법을 이용하여 펜타센/TSB3의 유기반도체/절연체 이종접합을 완성하였다. 낮은 유리전이온도를 지니는 TSB3를 활용하여 고무 상태의 부드러운 TSB3 층 위에 연속공정을 통하여 펜타센을 증착하여 나노구조가 제어된 유기반도체 박막을 제조할 수 있었다.

펜타센/TSB3의 이종접합은 트랜지스터의 채널부분이 형성되는 펜타센 층에 두 가지 영향을 미친다. 첫 번째는, 펜타센의 반도체 층의 결정성이 매우 향상된다는 점이다. 일반적으로 반도체/절연체 계면은 박막 트랜지스터의 성능에 아주 큰 영향을 주는데, 특히 절연체 박막의 표면특성은 반도체 층의 성장과 표면구조를 제어하는데 결정적인 역할을 한다. 아래 그림에서 보이는 것처럼, TSB3 위에 증착된 펜타센은 결정입계 (grain boundary)가 거의 보이지 않고 단결정 층과 비슷하게 매우 향상된 결정성을 보인다. 이것은 상대적으로 부드러운 표면을 갖고 있는 TSB3 층이 증착되는 펜타센 분자들이 좋은 결정을 이루도록 도와주기 때문이다.

유기반도체 트랜지스터의 성능을 가장 많이 제한하는 것이 각 결정사이의 결정입계임을 고려해보면, 이것을 줄였다는 것은 트랜지스터의 성능을 획기적으로 향상시킬 수 있는 것을 의미한다. 트랜지스터 성능을 비교해보면, TSB3 위에 증착된 펜타센이 사용된 경우 그렇지 않은 경우에 비해서 약 4배의 더 높은 전하 이동도를 갖게 된다.

TSB3가 펜타센에 미치는 두 번째 영향은 다공성 구조의 펜타센 층을 만든다는 것이다. 이러한 다공성 반도체 층을 이용하면 감지하고자 하는 물질이 트랜지스터의 채널 영역까지 효과적으로 침투할 수 있게 되어, 미세한 양의 유무를 판별할 수 있는 고성능 화학센서에 응용할 수 있다.

위 그림에서 보이는 것처럼, TSB3 위에 증착된 펜타센은 이전의 유기 반도체 박막에서는 발견하기 힘든 다공성 특성과 높은 결정화도를 동시에 보인다. 이를 이용하여 본 연구진은 높은 감도와 빠른 응답속도를 갖는 화학센서를 구현하였다.

현재 연구팀은 유기 트랜지스터를 이용한 고성능 웨어러블 전자기기의 상용화를 앞당기기 위하여 유기 트랜지스터의 전기적 특성과 안정성을 향상시키기 위한 다양한 연구를 진행하고 있다. 또한 연구된 고성능 트랜지스터를 이용하여 다양한 유연 전자소자 분야에 적용하려는 시도를 하고 있다.

3. 기대효과 

유기 트랜지스터는 많은 연구가 이루어졌음에도 낮은 전하 이동도로 인해서 상용화에 제한이 있어왔다. 본 연구진은 이번 연구에서 유기박막 이종접합 기술을 고안하여 유기반도체 층의 결정성을 크게 향상시키고 구조를 제어하는 새로운 방법을 제시하였다. 이번 연구는 유기반도체를 이용한 전자소자 개발에 새로운 전환점이 될 수 있으며, 고성능 유기 트랜지스터의 상용화에 큰 기여를 할 수 있을 것으로 기대된다.

현재 디스플레이 분야에서 큰 화두로 떠오른 휘어지는 디스플레이를 구현할 수 있는 대표적 기술인 유기발광다이오드 소자에는 전류를 제어하고 공급하는 회로부분에 다결정 실리콘 (polycrystalline silicon)이나 금속 산화물이 사용된다. 본 연구에서 제시된 방법을 기반으로 유기 트랜지스터의 수준을 향상시켜 고해상도 유기발광다이오드를 안정되게 동작시킬 수 있는 회로를 구현한다면, 제조 공정상 복잡성을 크게 줄일 수 있고, 디스플레이 산업의 경쟁력 향상에도 크게 기여할 수 있을 것으로 기대된다.

이번 연구결과를 바탕으로 유기반도체를 이용한 안정적인 고성능 회로를 구현하면, 자유롭게 휘어지는 플렉서블 디스플레이, 전자 피부, 웨어러블 전자기기, 휴대용 센서 등의 개발을 가능하게 할 것이다.

1. 박막 트랜지스터 (thin-film transistor)

    얇은 반도체 층에 흐르는 전류를 그것과 수직인 전계를 가해서 제어하는 전자소자

2. 결정입계 (grain boundary)

    다결정 재료에서 결정과 다른 결정의 경계

3. 다결정 실리콘 (polycrystalline silicon)

    단결정 실리콘 영역의 집합체

4. 웨어러블 전자기기 (Wearable Electronics)

    인체 착용이 가능한 전자기기

5. 채널 영역 (Channel Region)

    트랜지스터에서 전류 흐름을 담당하는 전하가 생성되는 부분.

출처: 포스텍 홈페이지 E-POSTECH (http://postech.ac.kr )