입자 흐름 실시간으로 제어해 박막 특성 조절한다-고균일성 디바이스 통한 용액 공정 상용화 실마리

입자 흐름 실시간으로 제어해 박막 특성 조절한다-고균일성 디바이스 통한 용액 공정 상용화 실마리

 

등록일 2020.12.16.

 

 

입자의 흐름을 실시간으로 제어해 박막 특성을 조절한다
- 고균일성 디바이스를 통한 용액 공정 상용화 실마리 -

□ 액체가 증발해 박막 형태로 결정화되는 과정이 포착됐다.
○ 한국연구재단(이사장 노정혜)은 스티브박 교수(한국과학기술원)와 남재욱 교수(서울대학교) 공동연구팀이 유기반도체 입자를 포함한 액체 재료가 고체박막으로 변하는 과정을 실시간으로 관찰할 수 있는 분석 시스템을 개발했다고 밝혔다.
□ 액체상태의 재료를 코팅하는 용액공정은 진공·고온·고압에서 고체재료를 기화시키는 증착공정에 비해 경제적이지만, 결정화 과정에 대한 이해가 부족해 디스플레이, 태양전지 등 다양한 박막 기반 산업분야에 적용되지 못했다.
○ 예측하기 어렵고 빠르게 형상이 변하는 유체의 거동을 정밀하게 통제하는 것이 어렵기 때문이다.
※ 유체 : 액체와 기체처럼 형상이 정해져 있지 않아 변형이 쉽고 흐르는 성질을 지닌 물체

□ 이에 연구팀은 사선모양이나 헤링본 무늬 같은 다양한 미세패턴이 새겨진 3차원 미세유체 칩을 제작, 패턴에 따라 유체가 흐르는 양상을 정밀하게 제어하는 방식으로 마이크로미터 단위에서 유체의 환경을 자유자재로 조절하는 데 성공했다.
※ 미세유체 칩(microfluidic chip) : 직경이 매우 작은 유로로 액체의 흐름을 통제할 수 있다. 유로의 디자인에 따라 간결하게 다양한 흐름을 구현, 유체에 대한 빠른 분석이 가능하다.
○ 3차원 시뮬레이션과 유체의 움직임을 ‘슬로우모션’으로 초고속 촬영하는 기술을 이용해, 분자가 유체의 움직임에 따라 이동하고 고체로 변하는 과정을 실시간으로 관찰하였다.

□ 특히 이 과정에서 헤링본 무늬의 미세패턴에서 작은 크기의 소용돌이가 동시다발적으로 나타나는 카오스 이류를 관찰하였다.
※ 카오스 이류 : 유체가 구조물에 부딪히는 등 외부요인으로 변형되어 형성되는 복잡한 형태의 흐름. 방향이 특정되지 않고 불규칙한 형태로 이동한다. 해안가 방파제에 해수가 부딪히며 형성되는 흐름 등에서 관찰할 수 있다.
○ 흐름이 무작위적인 카오스 이류는 모든 방향으로 고체 입자가 빠르게 전달될 수 있어 입자들이 빈 공간 없이 정렬, 공정의 균일성을 높이는 실마리가 될 수 있다.
○ 반면 층류나 나선형 형태의 유동은 방향이 규칙적이고 고정되어 있어 흐름이 약한 방향으로는 유기반도체 입자가 원활하게 공급되지 못한다.
□ 실제 이렇게 제작된 트랜지스터는 층류나 나선형 형태의 유동을 기반으로 제작된 트랜지스터에 비해 박막의 결함(정렬 불량, 빈 공간, 덴드라이트)을 억제해 높은 트랜지스터 성능과 균일성을 보였다.

□ 과학기술정보통신부·한국연구재단이 추진하는 중견연구사업 등의 지원으로 수행된 이번 연구의 성과는, 재료분야 국제학술지 어드 밴스드 머티리얼스(Advanced Materials) 12월 3일자 표지논문으로 게재되었다.

주요내용 설명

<작성 : KAIST 스티브박 교수>

논문명
Numerical Simulations and In Situ Optical Microscopy Connecting Flow Pattern, Crystallization, and Thin-Film Properties for Organic Transistors with Superior Device-to-Device Uniformity
저널명
Advanced Materials
키워드
crystallization, device uniformity, flow pattern, in situ microscopy, numerical simulation
저 자
스티브 박 교수(교신저자/한국과학기술원), 남재욱 교수(교신저자/서울대학교), 이정찬 박사과정 (제1저자/한국과학기술원), 이민호 박사과정 (제1저자/서울대학교), 이호준 석사 (공동저자/한국과학기술원), 안광국 박사과정 (공동저자/성균관대학교)

1. 연구의 필요성
○ 용액공정을 통한 유기반도체 박막제조 기술은 높은 생산성, 저온 저압 조건에서 가공성 등으로 인해 연구가 활발하다. 하지만 용액 기반 결정화 메커니즘에 대한 이해가 부족하여 유기 트랜지스터 생산 공정의 고도화 및 상용화에 어려움을 겪고 있다.
○ 유기박막 트랜지스터의 상용화를 위해서는 균일한 성능을 확보하는 것이 중요하다. 하지만 기존의 용액 공정은 불균일한 박막 특성으로 인해 트랜지스터 간 성능 편차가 큰 단점이 있다. 균일한 성능을 확보하기 위해서는 유기분자들이 균일한 결정성을 갖는 것이 중요하고, 따라서 결정성에 영향을 미치는 요인을 분석 및 제어해야 한다.
○ 용액 공정에서 결정성에 영향을 미치는 주요 요인은 유체의 거동과 용액의 건조 등이 있다. 하지만 이러한 요인들이 서로 복합적으로 얽혀있기 때문에 박막특성과 디바이스 성능의 결과로 이어지는 메커니즘은 아직 미지의 영역으로 남아있다.
○ 즉, 높은 디바이스 성능을 확보하기 위해 수많은 시행착오를 반복하며 실험적인 방법에 의존하고 있어 인적, 물적 자원의 낭비가 심하다. 따라서 다양한 분석을 통해 액체-고체 결정화 현상을 통합적으로 이해하고 제어하는 분석법이 요구된다.
2. 연구내용
○ 본 연구에서는 미세유체 채널 기반의 용액 전단법을 통해 유체역학 현상을 정밀하게 제어하고 액체-고체 결정화, 박막특성, 디바이스 성능을 연결할 수 있는 통합 분석 플랫폼을 개발하였다. 박막 결정화는 수 마이크로의 단위에서 이루어지기 때문에 유체 거동을 유연하게 통제하는데 큰 어려움이 있다.
○ 본 연구진은 사선과 헤링본 모양의 다양한 패턴이 삽입된 미세유체 채널을 제작 하여 용액 주입부터 액체-고체 결정화가 발생하는 지점까지의 유체역학 현상을 제어하였다. 또한 3차원 전산모사와 실시간 이미징 기술 기반의 통합 분석 플랫폼을 개발해 용액의 흐름경로에 따른 유체 거동 변화를 추적하였고 액체-고체 결정화에 미치는 영향을 관찰하였다.
○ 그 결과, 매우 작은 스케일에서 모든 방향으로의 물질 전달을 극대화 할 수 있는 카오스 이류가 한 방향으로 정렬된 유기 반도체 결정의 성장을 유도할 수 있음을 확인하였다. 카오스 이류를 통해 성장한 유기 박막은 층류나 나선형 형태의 유동과 비교해 트랜지스터 성능을 크게 향상시킬 수 있다. 또한, 용액 공정의 산업화 적용에 큰 한계로 인식되었던 디바이스 간 균일성을 크게 개선하여 디스플레이를 비롯한 다양한 분야로 적용 가능성을 확대하였다.
※ 카오스 이류 : 유체가 구조물에 부딪히는 등 외부요인으로 변형되며 형성되는 복잡한 형태의 흐름을 의미한다. 일상에서는 해안가 방파제에 해수가 부딪히며 형성되는 흐름 등에서 관찰할 수 있다.

3. 연구성과/기대효과
○ 개발한 유동제어 통합 분석 플랫폼을 통해 지금까지 연구자들이 정확하게 이해하지 못했던 유체역학 현상과 박막 특성의 상호관계를 규명할 수 있다. 학문적인 측면에서 연구자의 직관에 의존한 실험 기반의 소자 특성 최적화 방식에서 벗어나 유체거동에 대한 근본적인 이해를 바탕으로 다양한 결정화 메커니즘을 규명할 수 있다.
○ 산업적 측면에서는 높은 성능 및 균일성을 가진 박막 기반 디바이스 제작을 가능하게 하여 용액 공정의 다양한 산업 분야로 적용 가능성을 확대하였다. 본 연구에서 관찰한 카오스 이류는 다양한 용액 공정 기술에 적용이 가능하여 현재 이 분야에서 직면한 균일한 디바이스 제작 한계를 돌파할 수 있다.
○ 본 연구는 최초로 미세유체 채널을 용액 공정 기반 박막 결정화 현상에 도입하여 유체거동-박막특성-디바이스 성능을 통합적으로 분석할 수 있는 플랫폼을 개발하였으며, 이는 용액 공정 기반 고균일성 디바이스의 상용화에 다가 갈 수 있는 원천 기술을 개발했다고 판단된다.

그림 설명

 

(그림1) 어드밴스드 머티리얼즈 12월호 표지
출처 : Jeong-Chan Lee,‡ Minho Lee,‡ Ho-Jun Lee, Kwangguk Ahn, Jaewook Nam*, Steve Park*, “Numerical Simulations and In Situ Optical Microscopy Connecting Flow Pattern, Crystallization, and Thin-Film Properties for Organic Transistors with Superior Device-to-Device Uniformity”. Advanced Materials, 2020, 32, 2004864, Copyright Wiley-VCH GmbH. Reproduced with permission.

 

 

(그림2) 미세유체 칩 기반의 유체역학 현상 제어 및 분석 시스템 모식도
다양한 미세패턴 기반의 미세유체 칩을 사용하여 마이크로 단위에서 유체역학 현상을 제어한다. 3차원 모델의 전산모사와 고속 이미징 분석을 결합하여 유체흐름의 변화 양상을 추적하고 이에 따라 박막 및 디바이스 성능에 미치는 영향을 분석할 수 있다.
그림 및 그림설명 제공 : 유기나노소자 연구실 (ONEL)

 

(그림3) 미세채널 내에서 유체의 흐름을 추적 가능한 전산모사 모델
3차원 모델의 전산모사 분석을 통해 채널 입구에서 주입된 각각의 유체 입자들이 미세 패턴을 거치면서 변화하는 양상을 관찰 가능하다. 이를 통해 고성능 고균일성 박막 제조를 위한 최적의 미세 패턴 디자인과 유체 흐름에 대한 분석이 가능하다.
그림 및 그림설명 제공 : 유기나노소자 연구실 (ONEL)

연구 이야기

<작성자 : KAIST 박사과정 이정찬>
□ 연구를 시작한 계기나 배경은?

높은 수율과 낮은 공정비용 등의 장점으로 인해 용액 공정에 대한 연구가 학계 및 산업 분야에서 활발히 진행되고 있습니다. 하지만 불규칙한 유체역학 현상으로 인해 다양한 소자를 최적화하기에 한계점이 존재해, 근본적인 해결책을 제시하고자 본 연구를 진행하게 되었습니다.

□ 이번 성과, 무엇이 다른가?

복잡한 유체의 거동이 결정화 과정에서 미치는 과정을 깊이 있게 이해하고 분석이 필요하지만, 아직까지도 학계에서는 연구자의 직관에 의존한 실험적 최적화 방식에 기대고 있습니다. 본 연구팀은 유체역학 현상 해석이 가능한 통합 분석 시스템을 개발해 기존의 연구 방식과는 반대로 유체의 흐름을 처음부터 최적화 해나갈 수 있는 플랫폼을 제안했습니다. 또한, 미지의 영역으로 여겨졌던 유체역학 현상과 액체-고체 상변화에 대한 메커니즘을 탐구하여 나노 단위의 분자들의 움직임에 대한 현상을 이해하는데 중요한 단초를 제공할 수 있습니다.

□ 실용화된다면 어떻게 활용될 수 있나? 실용화를 위한 과제는?

개발된 유체거동 기반 통합 분석 시스템을 통해 용액공정의 가장 큰 한계점인 고균일성 및 고성능 디바이스 제작이 가능할 것으로 예상되며, 이는 용액 공정이 적용될 수 있는 디스플레이, 태양전지 등의 분야에서 크게 활용될 수 있습니다.