^*트랜지스터(transistor): 전류나 전압 흐름을 조절해 증폭하거나 스위치 역할을 하는 반도체 소자다.

^*논리회로: 취급 신호를 전압이 높은 상태(1)와 낮은 상태(0)만으로 하여 이것을 2진수에 대응시켜 논리연산, 기억, 전송, 변환 등의 조작을 하는 전자회로로 전자기기의 필수품이다. 트랜지스터 등으로 구성된다.

^*가교제(cross linker): 선상 고분자 화합물의 분자를 서로 화학 결합으로 연결지어, 3차원 그물 모양 구조의 화합물로 만들어 주는 물질을 말한다. 가교 현상이 일어나면 물질의 물리 화학적 특성이 개선된다.

[붙임] 연구결과 개요

1. 연구배경

휴대폰이나 TV 등에 들어가는 대부분의 전자소자는 고가의 진공 장비를 이용하는 공정으로 제작한다. 따라서 면적이 커지면 제조 장비의 가격도 급격히 증가하는 문제가 있다. 이런 문제를 해결하기 위해 종이에 글자나 도형 등을 인쇄하는 것과 유사한 ‘용액공정’1)을 이용해 전자소자를 제작하는 기술이 오랜 기간 연구돼 왔다. 하지만 용액공정 과정에서 전자소자가 손상될 우려가 있어 실제로 활용되진 않았다.

OLED2) 디스플레이나 유기 트랜지스터와 같은 유기 전자소자는 전극, 전하 수송층, 채널, 절연체 등 다양한 재료의 층으로 구성된다. 그런데 용액공정으로 전자소자를 제작하게 되면 상부 재료층을 적층할 때 필요한 용매나 열에 의해 하부 재료층이 손상될 수 있다. 또 공정 중에 쓰인 용매를 제거하려고 높은 열을 가했다가 재료가 변성될 수도 있다. 이런 문제들은 용액공정을 이용해 고성능 전자소자를 재현성 있게 구현하는 걸 가로막아왔다.

2. 연구내용

본 연구에서는 전자소자 구성하는 재료들을 단단히 연결하는 접착제 격의 물질인 ‘가교제’를 새롭게 개발했다. 이 물질은 기존에 개발된 가교제3)들과 달리 가교제 1개 당 재료 4개를 붙이는, 매우 뛰어난 가교능력을 가지고 있다. 또 전자소자의 제작에 필요한 다양한 소재들(전극, 전하 수송층, 채널, 절연체 등 소재)을 연결할 수 있어, 각 소재가 가진 본래 특성을 감소하지 않은 채 패턴으로 이뤄진 박막 형태로 구현이 가능하다.

특히 신규 가교제를 이용하면 용매와 고열 공정에도 박막의 특성을 잘 유지할 수 있다. 그 덕분에 다층 박막을 다양한 공정에서 제작해도 각 층의 전기적 특성이 잘 보존된다. 본 연구에서는 이 물질을 이용해 플라스틱 필름 위에 용액공정으로 트랜지스터4)와 논리회로5)를 제작하는 데 성공했다. 특히, 모든 층을 용액공정으로 제작해도 각 재료 고유의 전기적 특성이 잘 유지되는 획기적인 결과를 얻었다.

이번 연구는 전용액공정(all-solution-process)을 통해 전자소자 제작을 구현한 첫 번째 사례이다. 기존에는 전자소자 제작에 있어 공정 과정에서 발생하는 소재의 물리적, 전기적 특성 손상으로 인해 용액공정이 부분적으로만 이용됐는데, 이러한 한계를 신규 가교제 개발을 통해 극복했다.

3. 기대효과

이번 연구를 통해 저가의 전용액공정을 이용해 고성능 전자소자를 재현성 있게 만드는 돌파구를 마련했다. 본 연구에서 개발한 가교제를 이용하면 용액공정으로 다양한 유기 및 무기 소재 기반 패턴 박막을 형성할 수 있어, 유기전자소자의 대표적 기술 중 하나인 대면적 OLED 소자 제작뿐만 아니라 다양한 유기, 무기, 하이브리드 전자 소재에 기반한 소자들도 전용액공정을 통해 제작이 가능해질 것으로 기대한다.

[붙임] 용어설명

1.용액공정(Solution Process)

패터닝(patternning)을 할 소재를 용매에 분산시켜 인쇄하듯 찍어내는 기법으로 대면적 소자 제작이 쉽다.

2. OLED(Organic Light Emitting Diode)

유기화합물 층으로 이루어진 LED(발광 다이오드) 반도체 소자 중 하나로 전류에 반응해 빛을 발산하는 층이 유기화합물 박막으로 이뤄진다. 

3. 가교제(Cross linker)

선 모양의 분자 속에서 특정 원자와 원자를 어어주는 물질로, 가교 현상이 일어나면 물질의 물리・화학적 특성이 개선된다. 

4. 유기 트랜지스터(organic transistor)

유기반도체를 이용해서 전기 신호를 증폭해 발진시키는 반도체 소자다. 세 개 이상의 전극이 있다.

5. 논리회로

취급 신호를 전압이 높은 상태(1)와 낮은 상태(0)만으로 해, 이것을 2진수에 대응시켜 논리연산과 기억, 전송, 변환 등의 조작을 하는 전자회로다. 전자기기의 필수품이며, 트랜지스터 등으로 구성된다.

[붙임] 그림설명

그림1. 새로 개발된 광가교제(4Bx, Four-branched 3D gelator)의 역할: 새로 개발된 광가교제(점선 안의 물질)가 유기반도체 고분자를 젤 형태로 만든다.

그림2. 용액공정을 이용한 트랜지스터 및 논리회로 제작 과정 모식도 및 사용 재료: 반도체(semiconductor), 유전체(gate dielectric), 금속전극 입자(Ag NPs) 등을 프린팅하듯 찍어 낸다.

그림3. 가교제를 이용해 제작된 논리회로의 성능 검증: 용액공정을 거쳐 3종류의 논리회로(NOT, NAND, NOR)를 제작한 후 전압을 인가해 회로의 성능을 확인했다.