UNIST·연세대, 유기 반도체 미세 회로 정밀도·안정성 높인 ‘분자 접착제’ 개발

- 유기반도체 회로 패터닝용 광가교제 Diazo-6Bx 개발 

- 선폭 편차 1/4 수준으로 줄이고 논리회로 제작까지 성공

연구진 사진. (좌측부터) 김봉수 UNIST 교수, 조정호 연세대학교 교수, 함효빈 UNIST 연구원. (자료제공: UNIST)

연구진이 개발한 광가교제의 구조와 대면적 유기 트랜지스터 논리회로 어레이 공정 모식도. (자료제공: UNIST)

유기 반도체 ‘잉크’로 그려낸 회로를 더 미세하고 반듯하게 만들 수 있는 물질이 개발됐다. 가볍고 휘어지는 디스플레이와 웨어러블 전자기기에 들어가는 유기 반도체 회로를 정밀하게 패터닝하는 데 도움이 될 기술이다 

UNIST 화학과 김봉수 교수팀은 연세대학교 조정호 교수팀과 공동으로 유기 반도체 고분자와 잘 섞이면서 고분자 사슬을 효율적으로 연결해주는 새로운 광가교제인 ‘Diazo-6Bx’를 개발했다고 7월 2일 밝혔다.

광가교제는 유기 반도체 용액공정에 쓰이는 물질이다. 광가교제가 들어간 반도체 잉크를 기판에 바른 뒤 회로 모양대로 자외선을 쬐면, 빛을 받은 부분의 잉크가 단단하게 굳어 고정되는데, 이를 용매로 씻어내면 나머지가 씻겨 나가면서 자외선을 쬔 부분만 회로 형태로 남게 된다.

개발된 광가교제는 탄화수소 계열 유기 반도체와도 잘 섞이고, 고분자 사슬을 촘촘하고 균일하게 연결할 수 있다. 덕분에 세척할 때 회로 가장자리가 덜 깎여 나가고, 빛을 받은 영역과 받지 않은 영역의 경계도 또렷해진다.

기존 광가교제인 6Bx는 플루오린이 많이 붙은 형태의 광가교제라 탄화수소 기반 유기 반도체와 잘 섞이지 않았다. 이 때문에 가교제가 뭉치거나 고르지 않게 퍼져 회로 가장자리가 깎여 나가기 쉬웠다. 또 소자 성능을 떨어뜨리는 ‘트랩’도 잘 생겼다. 트랩은 회로 내부 물질에 생긴 결함 등으로 인해 반도체 전하 흐름이 방해받는 현상이다.

연구팀은 기존 6Bx의 테트라플루오로페닐 아지드기를 플루오린이 없는 페닐 다이아조 에스터기로 바꿔서 새로운 광가교제를 개발했다. 다이아조기는 자외선을 받으면 반응성이 높은 카벤으로 바뀌어 고분자의 탄소-수소 결합 사이로 들어가 사슬들을 3차원 그물망 형태로 연결해 준다.

실제 개발된 광가교제를 넣어 직선을 패터닝한 결과, 설계한 선폭에서 벗어나는 정도인 선폭 편차가 기존 10.3마이크로미터(㎛)에서 2.5㎛로 약 4분의 1 수준으로 줄었다. 가장자리 각도도 67.9도에서 수직에 가까운 87도로 높아졌다.

전하 트랩으로 인한 소자 성능 저하도 줄어들어, 트랜지스터에 4,000초 동안 일정한 전압을 가한 뒤에도 기존 광가교제를 쓴 트랜지스터보다 전류 감소와 문턱전압 변화가 작았다. 전하 트랩의 반도체 물질 내부의 결함등으로 인해 전하 흐름을 방해받는 현상이다. 

또 연구팀은 이 물질로 p형 및 n형 고분자 반도체를 패턴화했으며, 이를 바탕으로 기판 위에 84개의 트랜지스터 소자로 구성된 유기 박막 트랜지스터(OTFT) 어레이 및 상보형 논리 회로(NOT, NAND, NOR 게이트)를 만드는 데까지 성공했다.

김봉수 교수는 “이번 광가교제는 유기 반도체 회로를 더 미세하고 균일하게 만들면서도 소자의 작동 안정성을 높일 수 있는 물질”이라며 “같은 용매로 p형과 n형 반도체를 연속해서 패터닝할 수 있어 용매 선택과 공정 설계의 부담을 줄이고, 대면적 유연 디스플레이와 웨어러블 전자기기의 생산 공정을 단순화하는 데 도움이 될 것”이라고 기대했다.

이번 연구는 ‘삼성미래기술육성사업’과 과학기술정보통신부 및 한국연구재단(NRF)의 지원을 받아 수행됐다. 연구 결과는 세계적인 나노분야 학술지인 ‘에이씨에스 나노(ACS Nano)’에 지난달 23일 출판됐다.

[Ceramic Korea (세라믹뉴스)=이광호 ]