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학술

수직으로 쌓은 고성능 유기 트랜지스터 개발

'Advanced Functional Materials' 에 게재

플렉서블 스마트기기 핵심소자, 
가격 낮추고 성능 올려!




한국표준과학연구원(KRISS, 원장 박현민)이 플렉서블 스마트기기*의 핵심소자인 유기 트랜지스터를 수직으로 쌓는 새로운 방법을 개발해, 성능을 향상하는 데 성공했다. 차세대 스마트기기의 상용화를 앞당기는 데 도움이 될 것으로 전망된다.

 * 플렉서블 스마트기기: 한 면을 접는 폴더블, 돌돌 말아서 보관할 수 있는 롤러블, 화면을 잡아당겨 늘릴 수 있는 스트레처블 등 유연한 차세대 스마트기기를 말한다.

KRISS 소재융합측정연구소 임경근 선임연구원, 독일 드레스덴 공대, 홍콩 중문대 공동연구팀은 비싸고 복잡한 공정 없이 간단한 전기화학적 공정만으로 유기 트랜지스터를 수직으로 쌓았다. 기존 수평 방식의 유기 트랜지스터보다 구동 속도 증가, 전류 증가, 전압 감소 등 모든 부분에서 개선을 이뤄 정보처리 성능이 크게 향상됐다.

현재 상용화된 폴더블폰은 디스플레이 한 면만 접었다 펼 수 있게끔 만들어졌다. 디스플레이 전체를 구부리고 늘려 손목시계처럼 차고, 신문지처럼 둘둘 말아 사용하기 위해서는 기기 내 탑재되는 정보처리 및 정보저장 반도체 소자, 배터리 등 모든 부품이 유연해야 한다.

그중에서도 정보를 처리하고 저장하는 반도체 소자인 트랜지스터의 성능에 따라 스마트기기의 성능이 결정되기에, 이의 상용화를 위해선 값싸고 유연하며 고성능인 트랜지스터의 개발이 필요하다.

트랜지스터의 성능에 따라 디스플레이의 반응 속도, 컴퓨터의 처리 속도, 데이터 저장장치의 용량, 전력 소모량 등이 결정된다. 

유기물의 유연한 성질을 이용한 유기 트랜지스터는 가볍고 유연하며, 소재의 가격도 저렴해 대량생산이 가능하다는 장점이 있다. 그러나 무기물 반도체보다 구동 전력이 크고 반응시간이 느려 트랜지스터로서 성능이 제한돼왔다.





대다수 기업과 연구소 등은 반도체 소자를 조밀하게 배열하기 위해 포토리소그래피, 관통전극 등 기술을 사용하고 있다. 이 기술은 하나의 소자를 깎고 붙여 만드는 수작업과 같아서 기술 난이도가 클뿐더러 비용이 많이 든다. 또, 무기 반도체에 적용되는 기술로 유기 반도체에는 적용이 어렵다는 단점이 있다. 

공동연구팀은 이를 해결하기 위해 산업현장에 사용되는 대표적 전기화학적 공정인 아노다이징(anodizing)에 주목해 전계효과 트랜지스터 (FET)에 응용했다. 기존의 깎아내고 붙이는 방식이 아닌, 화학반응을 통해 미세 구조체를 아래에서부터 쌓는 방식을 개발했다.

아노다이징은 수용액에 알루미늄 전극 패턴이 포함된 소자를 담그고 전압을 인가하여 전극 표면에 일정한 형상의 산화알루미늄 산화막을 생성하는 공정이다.

이 방식을 사용하면 전기화학적 처리만으로 나노미터(nm) 간격으로 미세하게 배열된 반도체 소자의 전극을 손쉽게 제작하고, 전자의 흐름을 효과적으로 제어해 수직구조 트랜지스터 성능을 향상할 수 있다.

기존 수평 방식의 유기 트랜지스터보다 최대 구동 속도 100배 증가, 구동 시 흐를 수 있는 최대 전류는 10,000배 증가했고, 구동에 필요한 전압은 1/3배 감소했다. p형 반도체, n형 반도체, 저분자와 고분자 등 유기 반도체의 종류에 상관없이 균일한 결과를 얻었다.





KRISS 임경근 선임연구원은 “이번 기술은 궁극적으로 형태가 자유롭게 변하는 디스플레이, 센서, 반도체 소자와 같은 차세대 스마트기기의 개발 시기를 앞당길 것”이라고 밝혔다.

한국연구재단 신진연구자지원사업의 지원을 받은 이번 연구결과는 재료분야의 세계적 학술지인 어드밴스드 펑셔널 머티리얼스(Advanced Functional Materials, IF: 15.621)에 게재됐다.


 
용어 설명


·  유기 반도체 (Organic semiconductors)
광물로부터 만들어지는 무기 반도체와 달리, 유기 반도체는 실험실에서 대량 합성 가능하며 분자구조를 조작하여 광·전자·기계적 물성을 자유롭게 조절할 수 있다. 디스플레이, 각종 센서, 메모리, 에너지 소자 등을 가볍고 유연하게 만들 수 있으며 대량생산이 가능하다는 장점이 있다.

·   트랜지스터(transistor)
반도체를 이용하여 전자 신호 및 전력을 증폭하거나 스위칭(켜고 끄는 On/Off의 역할)하는 데 사용되는 반도체 소자.

·   전계효과 트랜지스터
게이트 및 게이트 산화물 전극에 전압을 걸어 반도체 내에 전기장에 의하여 전하 (전자 또는 정공)의 흐름을 제어하는 트랜지스터 형태 중 하나.

·   아노다이징(anodizing)
금속표면에 산화피막을 형성하기 위한 전기화학적 산화공정의 일종. 금속 제품에 산화막을 형성하여 제품의 내구성이 올라가고 색상 구현이 가능하기에 산업현장에서 폭넓게 사용된다. 매우 간단한 전기화학 반응으로 나노 크기 금속산화물을 제조할 수 있으므로 물리, 화학, 바이오 연구 분야에서도 폭넓게 사용된다.



연구성과 설명


·   수직 유기 트랜지스터 기술 설명


▲ 기존 수평구조(위)와 수직구조(아래) 트랜지스터의 
구조적 차이에 의한 전자이동 거리 변화 (흰색 화살표)

- 수직구조의 유기 트랜지스터는 소스(S)와 드레인(D)으로 명명된 두 전극 사이에 위치한 반도체 (녹색)로 전자가 이동하면서 흰색 화살표 방향으로 전기신호를 전달한다. 기존의 수평구조는 차지하는 면적이 넓고, 이로 인해 전자의 이동 거리가 상대적으로 길어 구동전압과 반응시간이 크다. 반면 수직구조는 전자의 이동 거리가 수백 배 짧아지면서 구동전압이 낮고 유기 트랜지스터 중 가장 빠른 성능을 보인다. (위 그림)


· 아노다이징 공정 설명


▲ 아노다이징 과정을 통한 산화막 형성


- 산업현장에 사용되는 대표적 전기화학적 공정인 아노다이징(anodizing)은 수용액에 알루미늄 전극 패턴이 포함된 소자를 담그고 전압을 인가하여 전극 표면에 일정한 형상의 산화알루미늄 산화막을 생성하는 공정이다. (위 그림)



▲ 아노다이징 전압 변화에 따른 산화알루미늄 두께와 정전용량 변화

- 수 볼트(Volt)의 아노다이징 전압 조절만으로 질 좋은 산화막을 나노미터 단위 이하로 형성할 수 있다. 이로 인해서 트랜지스터 성능을 결정하는 정전용량 또한 최대치를 기대할 수 있다. (위 그림)

- 반도체 소자에 필수적으로 사용되는 산화물의 형성과정과 전기적 특성을 매우 간단한 방법으로 미세하게 조절하고 정밀하게 제어할 수 있다. 연구팀은 아노다이징 공정을 이용해 수직구조 유기 투과전극 트랜지스터에서 스위칭 성능을 크게 개선한 경험이 있다. 이 기술을 전계효과 트랜지스터에 적용해 스위칭 성능증가뿐만 아니라 더욱 밀도 높은 유연 트랜지스터를 구현했다.



▲ 아노다이징이 적용된 유기 수직구조 전계효과 트랜지스터의 모식도(좌), 
단면 전자현미경 사진(우)

- 본 기술을 통해서 개발된 수직구조의 유기 트랜지스터는 절연막과 전하차단막으로 쓰이는 부품을 깎아내는 공정 없이, 아노다이징을 통해 조절된 형상이 자라나도록 했다. 현재 산업계에서 사용되는 초고난이도 공정 없이, 아노다이징 공정을 이용하여 미세한 구조의 산화물을 ‘바텀업’ 방식으로 제작했다. 아노다이징으로 형성된 미세구조 산화물에 의해 전하가 반도체를 통과하는 길이인 ‘오버랩’ 길이를 쉽게 조절하고 나노미터 크기로 축소하는 데 성공했다. (위 그림)

- 리소그래피 또는 관통전극 기술과 같은 ‘탑다운’ 방식으로는 ‘오버랩’ 길이를 제어하고 수직구조를 형성하기까지 기술 난도가 크지만, ‘바텀업’ 방식인 아노다이징을 이용해 소자의 수직구조 및 나노미터 단위의 형상 제어가 가능했다.


· 어디에 사용할 수 있나?


1) 유연한 스마트기기의 성능 향상 및 가격 절감

플렉서블·웨어러블 특성의 스마트기기에는 딱딱한 무기물 대신 휘어지고 늘어날 수 있는 소재이자 반도체 특성을 가진 유기물 반도체가 사용된다. 지금까지는 유기물 반도체가 무기물 반도체보다 가격은 저렴하나 성능이 낮다고 평가되었지만, 이번에 개발된 수직구조 유기 트랜지스터는 구동 전압이 낮고 반응 속도가 빠른 장점이 있어 기존의 성능 문제를 극복했다. 저렴하면서도 성능이 우수한 수직 유기 트랜지스터를 활용한다면 이를 필수로 하는 플렉서블·웨어러블 기기 또한 성능 향상 및 가격 절감의 효과를 거둘 것으로 기대된다.


2) 기능 복합 유연 스마트 소자 개발

유연하게 제작되는 발광소자(LED), 태양전지(Solar cell) 등의 광소자는 빛의 흐름을 용이하게 하기 위해 기존에 수직구조로 개발되었다. 이번 기술을 통해 유연하면서도 정보를 처리하고 저장할 수 있는 트랜지스터 제작 패러다임이 수평구조에서 수직구조로 바뀌게 되었기에, 기존 수직구조 광소자와의 구조적 유사함으로 인해 구조적 기능적 통합이 가능하게 되었다. 즉, 신호가 만 배 이상 증폭되는 초고감도 광센서, 빛으로 정보를 제어하는 광트랜지스터, 초고속 유연 반도체 소자 등과 같은 새로운 광·정보 복합 기능의 유연 스마트 소자의 구현이 가능해질 것으로 기대된다.



· 논문 및 지원사업 관련 정보

‧ 논문명 : “Anodization for Simplified Processing and Efficient Charge Transport in Vertical Organic Field-Effect Transistors”

‧ 저널명 : 어드밴스트 펑셔널 머티리얼즈 (Advanced Functional Materials, IF: 15.621) 
‧ 논문 주소: https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/adfm.202001703
‧ 지원 사업 : 한국연구재단 신진연구자지원사업






KRISS 임경근 선임연구원 프로필



1. 인적사항
·   성명 : 임경근
·   소속 : 한국표준과학연구원 소재융합측정연구소
·   직위 : 선임연구원  
·   전화 : 042-868-5727, 010-5136-7478
·   e-mail : kglim@kriss.re.kr

2. 학력
·    부산대학교 나노과학기술 학사(2003~2009)
·    포항공과대학교 신소재공학과 석사(2009~2011)
·    포항공과대학교 신소재공학과 박사(2011~2015)

3. 경력사항
·    2017~현재 : 한국표준과학연구원 선임연구원
·    2015~2017 : 독일 드레스덴 공대 박사 후 연구원

4. 전문 분야 정보
·   반도체 및 전자 소재의 물성 및 계면 특성 분석
·   유·무기 반도체 소재 이용한 광·정보·에너지 소재 및 소자 연구
 
5. 발표논문
·  유·무기 반도체 소재 관련 SCI 논문 25편 (주저자 15편), 전체 피인용 1450회



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