고성능 유기반도체 공정기술 개발

연구재단, 나노 패터닝으로 성능 향상 차세대 디스플레이·배터리 등 활용 기대

▲ (a) 유기 반도체 단결정 성장 묘사 (b) 선형의 나노구조패턴이 있는 몰드의 전자현미경 모습 (c) 모세관력에 의한 유기 반도체 결정 성장 묘사 (d) 생성된 유기 반도체 단결정의 전자현미경 모습. 제공=연구재단

국내연구진이 고성능 유기반도체를 나노미터(㎚) 간격으로 집적하는 기술을 개발했다.

22일 한국연구재단(이사장 정민근)에 따르면 미래창조과학부(중견연구자지원사업, 신진연구자지원사업) 지원을 받은 박찬언 교수(포항공대)와 김세현 교수(영남대) 연구팀이 유기반도체의 단결정을 성장시키는 동시에 수십 나노미터 수준의 미세한 패터닝 공정방법으로 차세대 유연한 디스플레이 등에 활용이 기대되는 고성능 유기반도체를 개발했다.

반도체 성질을 갖는 유기화합물인 유기반도체는 실리콘과 같은 무기반도체와 달리 가볍고 유연해 다양한 전자소재에 응용할 수 있고 저렴한 비용으로 대량 생산이 가능하지만 낮은 성능과 집적 기술의 한계로 상용화에는 어려움이 있다.

이에 박찬언 교수 연구팀은 액체가 좁은 관을 타고 상승하는 모세관 현상에 착안해 하부 기판과 패턴이 있는 몰도 사이에 눌려서 붙은 반도체 용액이 나노 크기의 모세관을 타고 상승하면서 자연스럽게 나노 크기로 패터닝되고, 이후 용액이 증발하면서 유기반도체 단결정이 생성되는 것을 확인했다.

연구진은 이러한 단결정 생성과 패터닝 공정으로 50㎚의 유기 반도체 단결정이 50㎚ 간격으로 정렬된 대면적 유기 반도체 제작에 성공했다.

이렇게 제작된 유기반도체는 최대 전하 이동도가 9.71 cm2/Vs, 표준편차 16.3%의 우수한 성능을 보였다. 이는 학계에 보고된 최고 성능에 매우 근접한 수치로 고성능 유기반도체가 신뢰성 있게 구현됐음을 뜻한다.

이번 연구는 유기반도체를 상용화하는 데 중요한 이슈인 고성능 유기반도체 생성과 미세 패터닝하는 작업을 일원화했다는데 큰 의의가 있다.

박찬언 교수는 “이번 연구를 통해 높은 전하 이동도를 가지는 유기반도체를 나노 패터닝까지 할 수 있게 돼 앞으로 유기반도체는 탄력적인 디스플레이, 배터리, 메모리 등에 활용할 수 있을 것으로 기대된다”고 말했다.

연구결과는 재료과학 분야 세계적 학술지인 어드밴스드 머티리얼스(Advanced Materials) 2월 24일자 표지논문으로 게재됐다. /이승규 기자 esk@