일반건전지 구동 소프트 전자소자 개발

양회창 교수 공동연구팀 유기박막트랜지스터용 고분자 나노박막 전연층개질 기술 개발

연구결과가 소개된 어드밴스드 머티리얼즈 표지

아주경제 이한선 기자 = 국내연구진이 일반건전지로 구동하는 소프트 전자소자를 개발했다.

미래창조과학부는 양회창 인하대학교 나노시스템공학부 교수, 김세현 영남대학교 나노메디컬유기재료공학과 교수, 임성일 연세대학교 물리학과 교수팀이 휘어지는 모니터나 접히는 휴대폰에 사용가능한 유기박막트랜지스터의 구동전압을 크게 낮출 수 있는 절연층 소재 및 형성기술을 개발했다고 27일 밝혔다.

이 기술은 기존의 복잡한 장비와 공정을 간소화하고 비용을 크게 낮췄고 유기박막트랜지스터의 구동전압을 낮추기 위한 물리화학적 컨셉을 정립해 플렉서블/웨어러블 디스플레이, RFID, 스마트카드, 각종 화학 및 바이오센서 등 다양한 소자 구현에 활용될 수 있을 것으로 기대된다.

이번 연구는 미래부의 글로벌프론티어사업 나노기반 소프트 일렉트로닉스 연구단 지원으로 수행돼 연구결과는 재료과학분야의 세계적 학술지인 어드밴스드 머리티얼즈 15일자 표지논문으로 게재됐다.

높은 유연성 및 다양한 활용성을 갖고 있는 유기전자소자는 2020년 세계 시장규모가 420억 달러 규모로 성장할 것으로 예상되는 차세대 플렉서블 디스플레이 시장에서 중요한 위치를 차지할 것으로 예상된다.

양회창 교수(왼쪽)와 김세현 교수

유기박막트랜지스터의 상용화를 위해서는 단순 용액공정으로 1.5V 일반 건전지로도 구동시킬 수 있는 저전압 구동 전자소자 구현 기술 확보가 필요하나 현재까지 개발된 저전압 구현 기술은 절연층의 정전용량을 증가시키시는데 집중되어 있어 높은 공정비용이 들고 소자 간 신뢰성 등의 문제로 상용화에 한계가 있었다.

연구팀은 고성능 유기반도체 소재합성에 편중된 최근 유기박막트랜지스터 연구동향과 차별화된 전략으로 범유 유기반도체소재를 활용해 절연층 표면 위에서의 자기조립-결정화-박막형성 메커니즘 규명하고 이들의 최적화를 유도할 수 있는 고분자브러쉬 나노박막형성 기술을 개발했다.

반도체와 절연층 계면에서 발생되는 전하 트랩을 정량적으로 분석하고 이를 최소화할 수 있는 유기반도체절연층 계면의 물리·화학적 성질을 최적화할 수 있는 고분자브러쉬 나노박막을 다양한 산화물절연층에 도입하는 기술을 적용해 저정전용량 절연층에서도 1.5V 이내의 구동을 확보할 수 있는 유기박막트랜지스터 기술을 적용했다.

개발된 고분자브러쉬 나노박막 형성 기술은 간단한 용액공정을 통해 절연층 표면을 개질해 전하이동 반작용기들을 제거하고 유기반도체 소재의 자기조립을 전하이동에 최적화되도록 유도해 유기박막트랜지스터 구동전압을 낮출 수 있었다.

고분자브러쉬 나노박막은 상용성 고분자, 산화물절연층에 모두 적용 가능하고 잉크젯 프린팅, 다양한 코팅 및 롤-투-롤 등 간편한 공정으로 비용을 절감할 수 있다.

고분자브러쉬 나노박막 형성 기술을 활용하면 다양한 기판 소재에 프린팅이 가능해 접었다 펴는 휴대폰, 종이처럼 말아서 가지고 다니는 태블릿 PC와 같은 전자분야 뿐만 아니라 웨어러블 바이오센서, 통신 및 다양한 계측기능이 포함된 잠수복 등 새로운 시장 창출에 기여할 것으로 기대된다.

연구팀은 이번 연구가 차세대 전자소자인 유기박막트랜지스터의 반도체/절연층 계면을 최적화할 수 있는 고분자브러쉬 나노박막 형성 기술 및 저전력구동이 가능한 유기-무기하이브리드 절연층을 개발해 차세대 소프트 전자소자의 구동전압을 획기적으로 낮출 수 있는 새로운 가능성을 연 것으로 평가하고 있다.