친환경 공정 가능한 플라스틱 반도체 개발

[산업일보]
국내 연구진이 환경 친화적 공정을 통해 유연한 디스플레이용 플라스틱 반도체 재료를 개발했다. 상업적 공정에 허가된 유기용매로도 플라스틱 반도체의 전하 이동도를 일정 수준 이상으로 높일 수 있음을 보여준 것으로 향후 플라스틱 반도체를 이용한 소자의 대량생산 공정 개발에 기여할 것으로 기대된다.

전하이동도는 반도체 속의 하전입자의 이동도를 말하며, 하전입자의 속도를 외부 전기장으로 나눈 것이다.

경상대 화학과 김윤희 교수와 중앙대 화학과 정대성 교수 연구팀이 미래창조과학부가 추진하는 중견연구자지원사업(핵심공동)과 글로벌프론티어사업 등의 지원으로 수행한 이번 연구결과는 재료분야 국제학술지 어드밴스드 머티리얼스지(Advanced Materials) 온라인판에 게재됐다. 한편 연구팀은 관련 원료물질 등에 대해 3건의 국내특허를 출원한 상태다.

현재 유연성이 떨어지는 실리콘 등 무기물 반도체와 달리 플라스틱 같은 유기물 재료는 접거나 늘일 수 있어 발광다이오드, 박막트랜지스터, 태양전지 등의 활용범위를 넓힐 수 있는 소재로 주목받고 있다.

하지만 유기물 박막트랜지스터는 환경적 규제를 받는 할로겐 용매를 사용해 연구하는 것이 대부분이고 비(非) 할로겐 용매를 사용하는 경우에는 아몰레드같은 차세대 디스플레이에 적용하기에는 전하이동도(5이하)가 낮았다.

할로겐 용매는 할로겐화 탄화수소로 용매성능이 우수하나 환경규제 물질로 예를 들어 클로로포름이나 클로로벤젠 등이 사용된다.

아몰레드(AMOLED, Active Mode Organic Light Emitting Diode)는 유기물 박막에 양극과 음극을 통해 주입된 전자와 정공이 재결합하는 원리를 이용하는 능동형 유기발광 다이오드이다. 선명하고 명암비가 높고 소비전력이 낮으며 휘어질 수 있다는 것이 장점이다.

연구팀은 할로겐 용매 대신 상업적 공정에 허가되어 있는 유기용매인 테트랄린을 이용해 전하이동도 5 이상인 플라스틱 반도체 재료를 설계, 박막 트랜지스터를 만드는 데 성공했다.

테트랄린은 극성이 낮아 고분자를 녹일 수 있는 용해성은 나쁘지만 끓는점이 높아 실제 소자제조 공정에 이용이 허가돼 있는 물질로 인쇄공정 등에도 많이 쓰인다.

주사슬과 곁사슬 사이에 선형의 지방족 사슬을 넣는 한편, 주사슬을 구성하는 단위체 일부를 다양화해 임의로 배치, 불규칙성을 제공해 테트랄린에도 잘 녹도록 하고 전하이동도도 높인 것이다.

지방족은 탄소원자의 곧은 사슬 혹은 곁사슬을 갖는 탄화수소로 유기용매에 대한 용해도를 높여주는 역할을 한다.

친환경적인 생산 공정을 통해 일정 수준의 전하 이동도를 달성할 수 있음을 보여준 이번 결과로 향후 박막 트랜지스터 제작 등 실제 공정에의 응용 가능성을 높였다는 설명이다.

유기박막 트랜지스터 상용화의 관건인 고이동도 특성과 더불어 높은 용해성을 갖는 재료를 개발해 유기박막 트랜지스터 상용화 가능성이 기대된다. 환경에 유해한 할로겐 용매의 제제가 예상되는 가운데 비 할로겐 용매에서 좋은 특성을 보이는 유기 반도체 재료의 개발로 차세대 디스플레이인 아몰레드 디스플레이에 이어 미래 디스플레이인 휘어지고 늘어나는 디스플레이의 실용화에 한발 더 다가서게 됐다.

새로운 구조의 유기 반도체 재료를 설계 합성해 원천특허를 출원했으며, 현재 국내는 물론 세계 각국의 우수 연구팀으로부터 기초 물질 합성과 소자 제작을 위한 재료 제공에 대한 문의가 쇄도하고 있다. 특히 기업들로부터 상용화 모듈 제작 연구를 위한 재료 제공을 제의받는 등 주목을 받고 있다.

김 교수는 “국내는 물론 세계 각국의 우수 연구팀으로부터 기초 물질 합성과 소자 제작을 위한 재료 제공에 대한 문의가 많다”면서, 특히 “기업들로부터 상용화 모듈 제작 연구를 위한 재료 제공을 제의받고 있다”고 밝혔다.