반도체 표면 제어기술 통해 다양한 전자소자에 직접 활용
정대성 교수(대구경북과학기술원) 연구팀이 비누를 구성하는 성분인 계면 활성제를 이용하여 환경 친화적인 수성 반도체 잉크를 제조하는 기술을 개발했다고 과학기술정보통신부(장관 유영민, 이하 ‘과기부’)와 한국연구재단(이사장 조무제)이 밝혔다. 연구팀에 따르면, 이번 연구는 간단한 화학적 개질을 통해 다양한 반도체 소재를 물에 분산시킬 수 있는 원천기술을 개발한 것이다. 자료 : 한국연구재단
계면 활성제로 고분자 반도체 단점 극복
반도체 제작 시 발생하는 환경오염 문제 해결
고분자 반도체는 유연성이 좋고 무게가 가벼울 뿐만 아니라, 용액공정을 통해 저비용으로 넓은 면적에 공정할 수 있다. 이런 이유로 웨어러블 스마트 기기 등의 차세대 재료로 각광받고 있다. 하지만 공정과정에서 독성 유기용매를 사용해야 하기 때문에 환경오염을 일으키는 문제가 있다. 연구팀은 독성이 있는 유기용매를 사용하지 않는 친환경 반도체 제조공정을 위해 계면 활성제를 이용한 반도체 표면 제어기술을 개발하고, 이를 통해 수성 반도체 잉크를 제작했다.
정대성 교수는 “이번 연구는 웨어러블 전자소자의 핵심소재로 각광받고 있는 유기 반도체의 제작 시 발생하는 환경오염 문제를 근본적으로 해결한 연구 성과이며, 간단한 화학적 개질을 통해 다양한 반도체 소재를 물에 분산시킬 수 있는 원천기술을 개발한 것”이라고 설명한 뒤, “트랜지스터부터 태양전지, 복합회로, 이미지센서 등 다양한 광전자 소자 제작에 활용될 수 있을 것으로 기대한다”고 연구 의의를 밝혔다.
이 연구는 과기부와 연구재단 기초연구지원사업(개인연구)의 지원을 받아 수행되었으며, 논문명과 저자 정보는 다음과 같다.
논문명 : Universal selection rule for surfactants used in miniemulsion processes for eco-friendly and high performance polymer semiconductors. 저자 정보 : 교신저자 정대성 교수, 제1저자 조장환(이상 대구경북과학기술원), 공동 교신저자 김윤희 교수(경상대학교). 한편, 이 연구는 에너지 분야 국제학술지 에너지 및 환경과학(Energy & Environmental Science) 11월 8일자에 표지논문으로 게재됐다.
[그림 1] 수성 반도체 잉크 비교 모식도
(좌) 기존의 수성 반도체 잉크는 이 연구의 수성반도체 잉크에 비해 큰 콜로이드 입자와 많은 계면활성제의 미셀을 보유하고 있다. 그 결과 기존의 수성 반도체 잉크는 상대적으로 울퉁불퉁한 표면을 갖는다. 그림에 존재하는 흑백 이미지는 기존의 수성 반도체 잉크로 만들어낸 박막의 표면이 어떠한 형태로 존재하는지 자세히 보여준다.
(우) 이 연구의 수성 반도체 잉크는 기존의 수성반도체 잉크에 비해 작은 콜로이드 입자와 적은 계면활성제의 미셀을 보유하고 있다. 그 결과 기존의 수성 반도체 잉크보다 상대적으로 평평한 표면을 갖는다. 그림에 존재하는 흑백 이미지는 이 연구에서 개발한 수성반도체 잉크로 만들어낸 박막의 표면이 어떠한 형태로 존재하는지 자세히 보여준다.
연구팀은 오랜 기간의 연구를 통해 콜로이드 제조에 있어 계면 활성제의 화학적 구조에 따라 콜로이드의 순도 및 균일성이 크게 다변화될 수 있다는 점에 주목했다. 특히 콜로이드의 순도 및 균일성이 아주 높은 경우에만 콜로이드로부터 고품질의 박막이 제조될 수 있고, 따라서 고성능의 전자소자가 구현될 수 있다는 점에 착안했다. 고성능의 친환경 반도체 소자를 제조하기 위해 이론적으로 요구되는 수성 고분자 반도체 콜로이드의 4가지 법칙을 선정하고, 이를 만족하는 계면활성제를 확보하는 연구를 수행했다. 4가지 법칙은 ▲콜로이드에 분산된 나노입자의 고 균일성 ▲콜로이드의 높은 순도 ▲계면활성제 제거의 용이성 ▲나노입자 내 고분자 반도체 고 결정성이다.
연구팀은 체계적인 실험을 통해 특정 계면활성제만이 4가지 법칙을 모두 만족할 수 있음을 보였으며, 이를 바탕으로 다양한 전자소자를 구현한 결과 친환경 고분자 반도체 전자소자의 성능을 상업적으로 응용할 수 있는 수준으로 끌어올릴 수 있음을 증명했다. 특히 기존의 수성 콜로이드 제조기술의 경우 고품질의 박막화가 어려워 단순한 형태의 트랜지스터 구현에 그친 반면, 본 기술로부터 제조된 반도체의 수성콜로이드의 경우 다층구조의 상보회로, 광다이오드등 다양한 광전자 소자에 응용될 수 있다.
“고분자 반도체 소재 및
유기전자 산업화에 기여” 기대
현재 고분자 반도체 소재는 독성 유기용매의 사용을 필수적으로 동반한다. 따라서 기존의 여타 기능성 고분자의 콜로이드화 기술과 같은 수분산 콜로이드화 기술의 개발이 요구되는 대표적인 소재다. 이번 연구는 고분자 반도체 소재를 상업적 응용이 가능한 수준으로 개발하고 수분산 콜로이드화에 성공한 최초의 결과다. 따라서 고분자 반도체 소재 및 유기전자의 산업화에 크게 기여할 것으로 기대된다. 현재 반도체 웨이퍼의 표면 세정기술은 불산 등 유독성 공정에 의존하고 있으나, 이 연구에서 개발한 계면활성제의 표면 화학적 개질기술이 적용된다면 친환경반도체 세정기술 개발이 가능할 것으로 기대된다.
용어설명
1. 에너지 및 환경과학(Energy & Environmental Science) 誌 : 에너지 분야에서 1위에 랭크되는 최상위 학술지. 학술지표 평가기관인 Thomson JCR 기준 영향지수(2016 impact factor) 29.518.
2. 계면 활성제 : 성질이 상이한 물질을 서로 섞이게 해주는 첨가제.
3. 롤 투 롤(roll-to-roll) : 대상 물질을 잉크화시켜 회전롤에서 분사해 유연한 기판을 회전롤 사이에 넣어 신문의 인쇄와 같이 대상 물질을 박막화하는 기술.
4. 미셀 : 계면활성제가 일정 농도 이상에서 모인 집합체를 의미.
5. 고갈력(depletion force) : 크기가 상대적으로 많이 차이 나는 콜로이드 입자들이 섞여있을 때, 큰 입자들끼리 뭉치는 현상을 유도하는 힘.
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