[붙임] 연구결과 개요, 용어설명, 그림설명

[연구결과 개요]

1. 연구배경

공액 폴리머는 유연성과 용액공정 가능성으로 인해 사물인터넷 (IoE) 응용 분야에서 얇은 필름 반도체 장치를 제작하는 데 유망한 재료로 주목받고 있다. 그러나 폴리머-금속 인터페이스에서 발생하는 불안정성 문제는 이러한 장치의 상용화를 저해하는 주요 요인 중 하나로 작용해 왔다. 특히, 무선 통신 및 에너지 하베스팅에 중요한 역할을 하는 쇼트키 다이오드는 장기간 안정성을 유지하는 것이 필수적이다. 최근 연구들은 트랜지스터와 같은 장치의 안정성을 향상시키기 위해 다양한 방법을 모색해 왔으나, 쇼트키 다이오드의 안정성 문제는 상대적으로 소홀히 다루어져 왔다. 본 연구는 이러한 문제를 해결하고자 하여, 공액 폴리머 쇼트키 다이오드의 장기적인 안정성을 확보하기 위한 방법을 제안하였다.

2. 연구내용

본 연구에서는 일반적으로 이야기하는 외부의 수분과 산소에 의해 다이오드의 전기적 특성이 열화되는 것이 아닌, 폴리머-금속 인터페이스의 불안정성 문제를 발견하고 원인을 규명 및 해결하였다. 다이오드 소자의 제작 순서 시간을 조절하여 언제 열화 현상이 나타나는지 조사하고 인터페이스 부분의 문제를 발견한 다음, 열화현상을 해결하기 위해 반도체층과 음극 금속층 사이에 아연 산화물 삽입층을 도입하였다. 알루미늄 (Al) 음극이 공액 폴리머와 접촉할 때 발생하는 비화학량 효과는 시간 경과에 따라 전하 트랩을 형성하고, 이는 쇼트키 다이오드의 정류 비율을 감소시키고 바이어스 스트레스 효과를 유발한다. 이를 해결하기 위해, 공액 폴리머와 캐소드 사이에 몇 나노미터 두께의 아연 산화물 (ZnO) 삽입층을 삽입하였다. 이 삽입층은 침투된 알루미늄 금속이나 이온화된 알루미늄이 유발하는 비화학량 효과를 제거하면서 전하 주입 효율을 유지할 수 있도록 설계되었다. 이를 통해, 제작된 폴리머 쇼트키 다이오드는 유연한 기판 위에서 13.56MHz 신호를 몇 달간 일관되게 정류할 수 있음을 확인하였다.

3. 기대효과

본 연구의 결과는 고속 무선 통신 및 효율적인 에너지 하베스팅 기술의 발전에 크게 기여할 것으로 기대된다. 특히, 유연한 기판 위에서 안정적으로 동작하는 폴리머 쇼트키 다이오드는 차세대 사물인터넷 (IoE) 시대를 위한 유연 전자제품의 상용화에 중요한 역할을 할 것이다. 이러한 기술은 다양한 웨어러블 디바이스, 의료 모니터링 시스템, 에너지 효율적인 전자기기에 적용될 수 있으며, 궁극적으로는 개인 맞춤형 진단과 텔레메디슨 분야에서도 활용될 수 있을 것이다.

[용어설명]

1. 쇼트키 다이오드 (Schottky diode)

금속과 반도체 간의 접합으로 이루어진 다이오드로, 고속 스위칭 및 낮은 전압에서의 동작 특성을 가진다.

2. 공액 폴리머 (Conjugated polymer)

용액 상태에서 처리할 수 있는 고분자로, 용매에 쉽게 용해되어 필름 형태로 가공할 수 있다. 이러한 고분자는 전도성 또는 반도체 특성을 띨 수 있으며, 그 이유는 고분자의 전자 구조가 특정 조건에서 전하 운반체를 생성하고 이동시킬 수 있기 때문이다. 공액 고분자는 π-결합 전자들이 이동할 수 있는 경로를 제공하여 반도체 특성을 나타낸다.

3. 사물인터넷 (Internet of Everything, IoE)

다양한 사물이 인터넷을 통해 서로 연결되어 데이터를 주고받는 시스템을 의미한다.

4. 비화학양론 (Non-stoichiometric)

원소의 비율이 분자식과 같이 정확한 정수의 비율로 구성되어 있지 않은 경우를 의미한다. 예를 들어 산화알루미늄 에서 알루미늄 원자가 가 아닌 로 존재하는 경우이다.

5. 에너지 하베스팅 (Energy harvesting)

주변 환경에서 에너지를 수집하여 전기 에너지로 변환하는 기술을 의미한다. 무선 주파수(RF) 신호를 에너지원으로, 소형 전자기기의 전원 공급에 활용된다.

[그림설명]

그림1. 에너지 하베스팅을 위한 폴리머 쇼트키 다이오드의 안정성 문제

(a) 유연 기판 위 안테나와 정류기를 포함한 에너지 하베스팅 시스템 개략도. (b) 다이오드의 광학 이미지. (c) 다이오드 단면의 주사 전자 현미경 이미지. (d) 다이오드 활성층의 유기반도체 화학구조. (e) 쇼트키 접합에서의 에너지 밴드 다이어그램. (f) 시간에 따른 다이오드의 전기적 성능 저하. (g) 열화 전후의 정류기 주파수 응답 특성. (h) 산소, 수분이 없는 비활성 환경에서도 발생하는 다이오드 전기적 특성 저하. (i) 유기반도체 층 제작 0, 2, 4일 후, 알루미늄 음극 증착 직후에 대한 시간에 따른 순방향 및 역방향 전류 밀도 변화.

그림2. 폴리머 쇼트키 다이오드의 열화 현상 메커니즘 분석

(a) 유기반도체 층 위 알루미늄 음극 증착 후, 시간 경과에 따른 변화 개략도. (b) 다이오드의 반도체층, 반도체와 금속의 계면, 금속층의 X선 광전자 분광법 (X-ray Photoelectron Spectroscope, XPS) 데이터. (c), (d) 열화 전후의 폴리머-금속(양극 또는 음극) 인터페이스에서의 에너지 밴드 다이어그램. (e) 열화 전후의 다이오드 전압-전류 특성 실험 결과 및 이론적 수식 모델 기반 해석. 

그림3. 알루미늄 도핑된 아연 산화물 삽입층을 이용한 폴리머 쇼트키 다이오드의 전기적 특성 안정화

(a) Al-doped ZnO (AZO) 삽입층이 포함된 폴리머-금속 인터페이스 개략도. (b) 이차이온질량분석법 (Secondary Ion Mass Spectrometry, SIMS)을 이용한 깊이별 원소 함유량 (AZO 삽입층 형성 확인). (c) 수개월 동안 열화현상 없이 안정적으로 동작하는 폴리머 쇼트키 다이오드, AZO 삽입층 유무에 따른 정류비 변화 비교. (d) 폴리머-금속 인터페이스에서의 Al2p, O1s XPS 데이터. (e) AZO 삽입층 유무에 따른 깊이 별 산소 공핍 및 알루미늄 금속 비율. 

그림4. 13.56 MHz에서의 안정적인 정류 동작 특성

(a) 시간이 지나도 안정적인 정류 출력 전압 특성. (b) 13.56 MHz에서의 전체 파형 정류 출력 신호. (c) 다른 용액공정 기반의 폴리머 쇼트키 다이오드들과의 반도체 두께 대비 차단 주파수 () 특성 비교. (d) 4개의 다이오드를 가지는 전파 정류기 회로 및 실제 광학 이미지. (e) 13.56 MHz (010101010) 입력 변조 신호에 대한 엔벨로프 출력 신호 측정.