플렉서블 기기 핵심소자, 가격 낮추고 성능 올리고
플렉서블 기기 핵심소자, 가격 낮추고 성능 올리고
  • 함예솔
  • 승인 2020.07.02 22:40
  • 조회수 3077
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한국표준과학연구원(KRISS)이 플렉서블 스마트기기의 핵심소자인 유기 트랜지스터를 수직으로 쌓는 새로운 방법을 개발해 성능을 향상하는 데 성공했습니다. 차세대 스마트기기의 상용화를 앞당기는 데 도움이 될 것으로 전망됩니다. 해당 연구는 <Advanced Functional Materials>에 게재됐습니다.

  • 플렉서블 스마트기기

한 면을 접는 폴더블, 돌돌 말아서 보관할 수 있는 롤러블, 화면을 잡아당겨 늘릴 수 있는 스트레처블 등 유연한 차세대 스마트기기를 말합니다.

간단한 전기화학적 공정만으로 

KRISS 소재융합측정연구소 임경근 선임연구원이 고성능 유기 트랜지스터를 개발하고 있다. 출처: KRISS
KRISS 소재융합측정연구소 임경근 선임연구원이 고성능 유기 트랜지스터를 개발하고 있다. 출처: KRISS

KRISS 소재융합측정연구소 임경근 선임연구원, 독일 드레스덴 공대, 홍콩 중문대 공동연구팀은 비싸고 복잡한 공정 없이 간단한 전기화학적 공정만으로 유기 트랜지스터를 수직으로 쌓았습니다. 기존 수평 방식의 유기 트랜지스터보다 구동 속도 증가, 전류 증가, 전압 감소 등 모든 부분에서 개선을 이뤄 정보처리 성능이 크게 향상됐습니다.

기존 수평구조(위)와 수직구조(아래) 트랜지스터의 구조적 차이에 의한 전자이동 거리 변화 (흰색 화살표). 출처: KRISS
기존 수평구조(위)와 수직구조(아래) 트랜지스터의 구조적 차이에 의한 전자이동 거리 변화 (흰색 화살표). 출처: KRISS

현재 상용화된 폴더블폰은 디스플레이 한 면만 접었다 펼 수 있게끔 만들어졌습니다. 디스플레이 전체를 구부리고 늘려 손목시계처럼 차고, 신문지처럼 둘둘 말아 사용하기 위해서는 기기 내 탑재되는 정보처리 및 정보저장 반도체 소자, 배터리 등 모든 부품이 유연해야 합니다.

 

그중에서도 정보를 처리하고 저장하는 반도체 소자인 트랜지스터의 성능에 따라 스마트기기의 성능이 결정되기에 이의 상용화를 위해선 값싸고 유연하며 고성능인 트랜지스터의 개발이 필요합니다. 트랜지스터의 성능에 따라 디스플레이의 반응 속도, 컴퓨터의 처리 속도, 데이터 저장장치의 용량, 전력 소모량 등이 결정됩니다. 이에 트랜지스터의 성능이 중요한 것이죠.

 

유기물의 유연한 성질을 이용한 유기 트랜지스터는 가볍고 유연하며, 소재의 가격도 저렴해 대량 생산이 가능하다는 장점이 있습니다. 그러나 무기물 반도체보다 구동 전력이 크고 반응시간이 느려 트랜지스터로서 성능이 제한돼왔습니다.

 

대다수 기업과 연구소 등은 반도체 소자를 조밀하게 배열하기 위해 포토리소그래피, 관통전극 등 기술을 사용하고 있습니다. 이 기술은 하나의 소자를 깎고 붙여 만드는 수작업과 같아서 기술 난이도가 클뿐더러 비용이 많이 듭니다. 또, 무기 반도체에 적용되는 기술로 유기 반도체에는 적용이 어렵다는 단점이 있습니다.

 

자유롭게 변하는 스마트 기기 개발 시기 앞당길까

아노다이징이 적용된 유기 수직구조 전계효과 트랜지스터의 모식도(좌), 단면 전자현미경 사진(우). 출처: KRISS
아노다이징이 적용된 유기 수직구조 전계효과 트랜지스터의 모식도(좌), 단면 전자현미경 사진(우). 출처: KRISS

공동연구팀은 이를 해결하기 위해 산업현장에 사용되는 대표적 전기화학적 공정인 아노다이징(anodizing)에 주목해 전계효과 트랜지스터 (FET)에 응용했습니다. 기존의 깎아내고 붙이는 방식이 아닌, 화학반응을 통해 미세 구조체를 아래에서부터 쌓는 방식을 개발했습니다. 아노다이징은 수용액에 알루미늄 전극 패턴이 포함된 소자를 담그고 전압을 인가하여 전극 표면에 일정한 형상의 산화알루미늄 산화막을 생성하는 공정입니다.

아노다이징 과정을 통한 산화막 형성. 출처:KRISS
아노다이징 과정을 통한 산화막 형성. 출처:KRISS

이 방식을 사용하면 전기화학적 처리만으로 나노미터(nm) 간격으로 미세하게 배열된 반도체 소자의 전극을 손쉽게 제작하고 전자의 흐름을 효과적으로 제어해 수직구조 트랜지스터 성능을 향상할 수 있습니다. 기존 수평 방식의 유기 트랜지스터보다 최대 구동 속도 100배 증가, 구동 시 흐를 수 있는 최대 전류는 10,000배 증가했고 구동에 필요한 전압은 1/3배 감소했습니다. p형 반도체, n형 반도체, 저분자와 고분자 등 유기 반도체의 종류에 상관 없이 균일한 결과를 얻었습니다.

아노다이징 전압 변화에 따른 산화알루미늄 두께와 정전용량 변화. 출처: KRISS
아노다이징 전압 변화에 따른 산화알루미늄 두께와 정전용량 변화. 출처: KRISS

KRISS 임경근 선임연구원은 "이번 기술은 궁극적으로 형태가 자유롭게 변하는 디스플레이, 센서, 반도체 소자와 같은 차세대 스마트기기의 개발 시기를 앞당길 것"이라고 밝혔습니다.

소재융합측정연구소 임경근 선임연구원이 수직으로 쌓은 고성능 유기 트랜지스터를 선보이고 있다. 출처: KRISS
소재융합측정연구소 임경근 선임연구원이 수직으로 쌓은 고성능 유기 트랜지스터를 선보이고 있다. 출처: KRISS

 


##참고자료##

 


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