유기반도체 이용한 유연 전자소자 제작 기술 개발

[산업일보]
국내 연구진이 기존보다 전하 이동도가 더욱 향상된 나노 다공성 구조의 ‘고성능 유기 박막 트랜지스터 개발’에 성공했다.

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

이번 연구는 미래창조과학부가 추진하는 글로벌프런티어사업 ‘나노기반소프트일렉트로닉스연구단’의 지원으로 포스텍 화학공학과의 조길원, 오준학 교수팀이 공동연구로 진행했으며, 연구결과는 세계 최고 권위의 네이처 자매지인 ‘네이처 커뮤니케이션즈’(Nature Communications)지에 8월 26일에 게재됐다.

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 돼 왔다. 최근 이러한 한계를 극복하기 위해서 높은 전하 이동도를 갖는 새로운 유기반도체 물질이 국내외에서 연구되고 있는 추세다.

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

이번 연구팀은 유기박막 이종접합을 고안해 고성능 트랜지스터 박막을 개발했다. 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 돼 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 이용해 펜타센/TSB3의 유기반도체/절연체 이종접합을 완성했다. 낮은 유리전이온도를 지니는 TSB3를 활용해 고무 상태의 부드러운 TSB3 층 위에 연속공정을 통해 펜타센을 증착, 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.

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. 또한 연구진은 유기반도체 층에 수백 나노미터 크기의 구멍이 뚫려있는 다공성 박막구조를 제조했다. 특히, 다공성 구조에도 불구하고 결정성(고분자화합물 등에서 결정을 이루는 부분의 비율)이 매우 높은 유기반도체 박막을 제조했을 뿐 아니라, 이를 활용해 극소량의 물질도 빠르게 검출 가능한 고성능 화학센서도 함께 구현했다.

연구팀은 “이 기술은 기존에 널리 사용돼 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.