자유롭게 휘어지는 그물망 반도체 최초 개발

자유롭게 휘어지는 그물망 반도체 최초 개발

 

등록일 2016-12-06

 

 

 

자유롭게 휘어지는 그물망 반도체 최초 개발
 
 

□ 영화 속에서 볼 수 있었던 자유자재로 휘어지면서 매우 투명한 전자기기의 등장을 성큼 다가오게 할 그물망 반도체가 개발되었다.

□ 한국연구재단(이사장 조무제)은 이광희 교수(광주과학기술원) 연구팀이 쉬운 용액공정으로 박막＊을 만들 수 있고, 자유롭게 휘어지고 가시광 투과도가 100%에 가까운 새로운 그물망 구조의 유기 반도체* 재료를 개발하는데 성공하였다고 밝혔다.
  　*박막 : 나노미터 스케일의 얇은 막. 반도체 전자 소자의 구조적 구성 요소
　  *유기 반도체 : 탄소가 함유된 단분자, 고분자 등의 유기물을 이용한 반도체성 재료

 ㅇ 현재 반도체 재료 중에는 유연성이 우수하고, 가시광선 투과도가 완벽한 사례가 없다. 유연한 반도체 재료로 각광을 받던 유기 고분자 반도체는  특유의 가시광 흡수 특성으로 인해 투명하게 만들기 어려운 한계가 있다.

□ 이에 연구팀은 소량의 고분자 반도체를 가시광 영역에서 투명한 절연체 고분자에 도입하여 마치 그물망과 같은 구조를 가지는 고분자 반도체를 구현하였다.

 ㅇ 이 반도체/절연체 고분자 혼합 그물망 반도체는 고분자 반도체가 절연체에 도입되지 않은 순수한 박막형태일 때보다 전하이동도가 약 4배 정도 향상되었으며, 매우 얇은 그물망과 같은 구조적 특성으로 인해 가시광 투과도가 100%에 가까워져 반도체 박막을 통해 반대편 사물을 색의 왜곡없이 볼 수 있다.

□ 이광희 교수는“이번 연구성과는 전자재료로서의 유기물이 가지는 잠재적 가능성을 넘어 많은 이들이 꿈꿔 왔던 기능을 구현하였다. 반도체 기술의 새로운 패러다임과 더불어 기존 실리콘 기술로 구현할 수 없는 초박막형 투명 플렉서블 디스플레이, 심미적으로 우수한 웨어러블 기기 등 새로운 전자기기 실현의 길을 제시한다.” 라고 연구의 의의를 설명했다.

□ 이 연구성과는 미래창조과학부 기초연구사업(개인연구), 기후변화대응기술개발사업의 지원으로 연구를 수행하였으며, 국제적인 학술지 미국국립과학원회보(PNAS)에 11월 22일자에 게재되었다.

<참고자료> : 1. 논문의 주요내용
             2. 연구결과 개요
             3. 연구이야기
             4. 용어설명
             5. 그림설명

논문의 주요 내용

□ 논문명, 저자정보

   - 논문명 : Optically transparent semiconducting polymer nanonetwork for flexible and transparent electronics
   - 저자 정보 : 이광희 교수 (교신저자, GIST 신소재공학부),  유길호 박사과정 연구원 (제1저자, GIST 나노바이오재료전자공학과), 박병욱 박사과정 연구원 (공동 제1저자, GIST 신소재공학부)

□ 논문의 주요 내용

1. 연구의 필요성
  ○ 현재 거의 모든 전자장치에서 반도체재료로 쓰이는 실리콘은 딱딱하고 불투명한 성질로 인해 최근 요구와 연구가 급증되고 있는 유연하고 투명한 전자장치를 구현하는데 적합하지 않다. 또한 최근 연구 개발되고 있는 금속산화물*, 탄소소재* 등을 이용한 차세대반도체 재료들로도 이러한 미래형 전자장치를 위한 모든 요구조건을 만족시키지 못하고 있는 실정이다.
      * 금속산화물 : 산화아연 (ZnO), 이황화몰리브덴 (MoS2), 이황화텅스텐 (WS2) 등의 반도체 재료
      * 탄소소재 : 탄소나노튜브, 그래핀 등의 탄소로 이루어진 반도체 혹은 금속성 재료
  ○ 전자소재로서 고분자 반도체는 기존의 무기물을 기반 재료들로 실현할 수 없는 다양한 이점을 제공한다. 하지만 용액공정으로 제작된 유기물 반도체는 분자구조가 무질서한 성질 때문에 대개는 기존의 무기물 반도체에 비해 매우 낮은 전기적 성능을 가지게 된다. 더불어 특유의 가시광 흡수 스펙트럼으로 인해 완전히 투명하게 만들기 어려운 문제*가 있다.
     * 고분자 반도체의 투과도를 높이는 가장 쉬운 방법은 두께를 낮추는 것이나, 투과도가 어느 정도 확보될 정도로 박막의 두께가 얇아지면 구조적 결함이 발생하여 전하이동도가 낮아지는 문제가 발생할 수 있다.

2. 연구 내용
  ○ 연구팀은 낮은 밴드갭*을 가지는 소량의 반도체성 고분자(DPP2T)를 절연체성 고분자 폴리스타이렌(PS)에 첨가하였을 때 DPP2T가 PS안에서 계속적으로 연결된 나노그물망구조를 형성하는 것을 발견하였다.
      *밴드갭: 전자에 점유된 가장 높은 에너지 밴드 준위와 전자에 점유되지 않은 가장 낮은 에너지 밴드 준위 사이의 에너지 차이
  ○ DPP2T는 일반적인 고분자 반도체보다 가시광 흡광영역이 좁고 PS내에서 매우 얇은 그물망 구조를 형성하기 때문에 제작된 DPP2T/PS박막은 거의 100%에 가까운 가시광 투과도*를 보였다.
      *가시광 투과도 : 눈에 보이는 빛의 파장영역에서 임의의 매질에 빛이 통과되는 정도 (파장 영역 380 nm - 700 nm).
  ○ DPP2T 그물망은 순수한 DPP2T 박막에 비해 구조적 결함이 적고 고분자 사슬을 따라 형성되는 효율적인 전하이동 길에 의한 전하이동 비율이 높아지기 때문에, DPP2T 그물망의 적은 전하이동 면적에도 불구하고 순수한 DPP2T 박막에 비해 전하이동도가 약 4배까지 향상되는 결과를 얻었다.
  ○ DPP2T 그물망 반도체는 거의 완벽한 가시광 투과도, 유연성, 그리고 비정질 실리콘을 뛰어넘는 이동도를 가지기 때문에 이 DPP2T 그물망 반도체를 이용하여 플렉서블 투명 트랜지스터 어레이와 트랜지스터/유기발광다이오드 접합 디바이스 등의 고성능의 프로토타입 전자장치 또한 제작, 시연할 수 있었다.

3. 연구 성과
  ○ 기존의 반도체기술과 여러 차세대 반도체기술로도 구현하기 어려웠던 완벽하게 투명하고 유연하며 고성능의 반도체를 반도체성 고분자의 새로운 그물망구조를 형성함으로써 구현하였다.
  ○ 기존의 통념에서 벗어난 그물망 반도체의 전도메커니즘을 규명함으로써 유기반도체에서 높은 전하이동도를 달성하기 위해 필요한 요소와 추구해야 할 방향을 제시하였다.
  ○ 자유자재로 휘어지고 투명한 디스플레이 등의 전자기기와 심미적으로 우수한 인체부착형 생체신호감지 모니터링 시스템 같은 새로운 전자장치들의 개발을 매우 앞당길 수 있을 것으로 기대된다.

연 구 결 과  개 요

 1. 연구배경
  ㅇ 전자기기 유비쿼터스시대가 도래하면서 휘어지고 투명한 디스플레이, 웨어러블 디바이스 등 지금까지 없었던 새로운 기기들에 대한 요구와 관심이 급증하고 있다. 이러한 새로운 전자소자들에 대한 연구 개발이 활발히 이루어지면서, 값이 싸고, 용액공정이 가능하며, 가볍고 휘어질 수 있는 유기물 재료가 차세대 반도체로서 많은 연구가 되고 있다.
  ㅇ 전자소재로서 유기물 반도체는 기존의 무기물을 기반으로 한 재료들로 실현할 수 없는 다양한 가능성을 제공한다. 하지만 용액공정으로 제작된 유기물 반도체는 분자구조가 무질서한 성질 때문에 대개는 기존의 무기물 반도체에 비해 매우 낮은 전기적 성능을 가지게 된다.
  ㅇ 이러한 문제를 해결하기 위해 고온의 열처리 방법, 나노구조체를 이용한 분자 정렬 방법 등이 많이 연구되어왔지만, 대량생산, 상용화에 적합하지 않고, 다양한 플라스틱 기판위에 적용하기 어렵다는 문제가 있다. 따라서 이러한 방법을 쓰지 않고 용액공정 기반 유기물 반도체의 전기적 성능을 향상시킬 수 있는 상용화 기술의 개발이  중요한 문제로 대두되어왔다. 더불어 특유의 가시광 흡수 스펙트럼으로 인해 완전히 투명하게 만들기 어려운 문제가 있다.

 2. 연구내용
  ㅇ 연구팀은 낮은 밴드갭을 가지는 반도체성 고분자(DPP2T)를 폴리스타이렌(PS)에 소량 도입하였을 때 DPP2T가 계속적으로 연결된 그물망 구조를 형성함을 발견하였다<그림 1>.
  ㅇ 이 DPP2T가 PS 내에서 매우 얇은 그물망 구조를 형성하게 되면 비슷한 두께의 순수한 DPP2T 박막과 비교하여 매우 향상된 가시광 투과도를 보인다<그림 2A>.
  ㅇ 이렇게 형성된 그물망 DPP2T/PS는 순수한 DPP2T에 비해 월등히 높은 전하이동 특성을 보인다. DPP2T/PS에서 전하이동 길로 사용되는 실제 면적이 순수한 DPP2T에 비해 약 15% 이내임에도 불구하고 트랜지스터의 전하이동도는 약 4배 가량 증가하는 결과를 얻었다<그림 2B>. 자세한 연구 결과, DPP2T가 PS내에서 그물망 구조를 형성할 때 순수한 DPP2T에 비해 구조적, 에너지적 결함이 오히려 줄어들고, 고분자사슬방향으로의 효율적인 전하이동 비율이 높아지는 것으로 판명되었다.
  ㅇ 유연하고 투명하면서 전하이동도가 뛰어난 DPP2T/PS의 이점을 살려 투명 플렉서블 트랜지스터 어레이와 트랜지스터/유기발광다이오드 접합 디바이스 등의 고성능 프로토타입 장치를 개발하고 시연할 수 있었다<그림 2C,D>.

3. 기대효과
  ㅇ 이 기술은 쉬운 용액공정으로 투명하고 휘어지는 고성능의 유기물 반도체를 쉽게 제작할 수 있게 하기 때문에 저비용의 유기전자소자의 개발을 앞당길 것으로 기대된다. 또한 기존 실리콘기반 기술로 구현하기 힘들었던 자유자재로 휘어지고 투명한 디스플레이 등의 전자기기의 개발에 이용될 수 있을 것으로 보인다.
  ㅇ 더불어 심미적으로 우수한 인체부착형 생체신호감지 모니터링 시스템 같은 새로운 웨어러블 장치들의 개발을 앞당길 수 있을 것으로 기대된다.

★ 연구 이야기 ★

□ 연구를 시작한 계기나 배경은?

완벽하게 투명하고 플렉서블한 전자소자를 개발하여 지금까지는 구현할 수 없었던 새롭고 다양한 형태의 전자장치를 구현할 발판을 마련하고자 하였다. 더불어 실리콘 기술이 지배적인 기존의 틀에서 벗어나지 못하고 있는 반도체 재료 시장과 연구에 새로운 패러다임을 제시하고자 하였다.

□ 연구 전개 과정에 대한 소개

완벽하게 투명한 고분자 반도체 박막을 구현하고자 하였지만 고분자 반도체 특유의 가시광 흡수로인해 투과도를 낮추는 게 어려웠다. 가장 쉽게 접근할 수 있는 방법은 박막의 두께를 낮추는 것이었지만, 투과도가 어느 정도 확보될 정도로 박막의 두께가 얇아지면 고분자 사슬이 결합할 때 구조적 결함이 발생하여 전하이동도가 낮아지는 문제가 발생하였다. 이를 해결하기 위한 여러 가지 시도를 진행하던 중 가시광영역에서 투명한 폴리스타이렌 매트릭스를 도입하게 되었고, 결과적으로 우리가 사용한 고분자 반도체가 폴리스타이렌 매트릭스 내에서 매우 소량임에도 불구하고 계속적으로 연결된 새로운 그물망 구조를 형성함을 발견하였다. 이 그물망 반도체는 매우 얇은 다공성 박막이기 때문에 가시광 투과도가 거의 100%에 근접하였고, 얇음에도 불구하고 구조적 결함이 순수한 고분자 반도체 박막보다 적어지고 고분자 사슬을 따라 더 효율적인 전하이동 길을 형성하기 때문에 전하이동도 또한 향상될 수 있었다.

□ 연구하면서 어려웠던 점이나 장애요소가 있었다면 무엇인지? 어떻게 극복(해결)하였는지?

연구에 사용된 반도체성 고분자가 절연체 고분자에 소량 혼합되었을 때 나타나는 그물망 구조 형성과 전하이동 특성 향상의 원인을 규명하는 부분이 가장 어려웠다. 아직까지 세계적으로 봐도 고분자 혼합 반도체에 대한 연구가 미흡한 편이고, 우리가 발견한 현상은 매우 새롭기 때문에 해석에 있어서 많은 심혈을 기울였다. 메커니즘 규명을 위해 굉장히 많은 측정방법이 동원되었고, 논리적인 해석을 위해 많은 노력을 하였다. 결과적으로 이번 연구는 방대한 양의 보충 데이터를 자랑한다.

□ 이번 성과, 무엇이 다른가?

비정질 실리콘의 전하이동 특성을 뛰어넘으면서 자유자재로 휘어지고, 가시광 투과율이 100%에 육박하는 반도체소재를 처음으로 개발하고 소개하였다. 또한 고분자 반도체에서 높은 전하이동도를 달성하기 위해 중요한 요인을 규명함으로써, 차세대 반도체재료로서의 고분자 반도체의 개발 가이드라인을 제시하였다.

□ 꼭 이루고 싶은 목표와 향후 연구계획은?

유기 고분자 반도체 기반 플렉서블 투명 전자기기 유비쿼터스 시대를 꼭 열고 싶다.

용 어 설 명

1. 미국국립과학원회보(PNAS)
   ○ 미국국립과학원회보(Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America, PNAS)는 미국국립과학원(NAS)에서 발간하는 학술지. 다학제 분야(Multidisciplinary science)에서 Nature, Science와 함께 가장 권위 있는 학술지로 꼽힌다.

2. 실리콘 반도체
   ○ 규소를 이용한 반도체 재료. 현재 반도체가 필요한 거의 모든 전자기기에서 반도체 재료로 사용되고 있다.

3. 유기 반도체
   ○ 탄소가 함유된 단분자, 고분자 등의 유기물을 이용한 반도체성 재료.

4. 전하이동도
   ○ 외부에서 가해진 전기장에 대한 전자의 표류 속도의 비. 반도체 성능의 지표로 가장 흔하게 사용된다.

5. 웨어러블 장치
   ○ 사람이 입거나 몸에 부착할 수 있는 새로운 타입의 전자 장치.

그 림 설 명
 

 (그림 1) (A) DPP2T와 PS의 분자구조
         (B) 순수한 DPP2T 박막과 DPP2T/PS 박막의 투과전자현미경 사진. 소량의 DPP2T를 PS와 혼합하여 용액공정을 할 때 순수한 DPP2T와 다르게 계속적으로 연결된 그물망 구조를 형성함을 확인할 수 있다.

 (그림 2) (A) DPP2T 박막과 DPP2T/PS 박막의 광투과도 스펙트럼. 순수한 DPP2T에 비해 DPP2T/PS의 가시광 투과도가 월등히 높아짐을 확인할 수 있다. (B) DPP2T FET와 DPP2T/PS FET의 트랜스퍼 특성. 순수한 DPP2T에 비해 DPP2T/PS의 이동도가 약 4배가량 증가하였다. (C) DPP2T/PS를 이용한 대면적 투명 플렉서블 트랜지스터 어레이 (10cm*10cm, 1,650 트랜지스터). (D) 투명 플렉서블 트랜지스터를 적층시킨 트랜지스터/유기발광다이오드 접합 디바이스. 적층된 트랜지스터는 아래의 유기발광다이오드의 빛을 조절할 수 있다.