[유기재료의 특징을 살린 분자제어와 일렉트로닉스의 응용(I) ①] 유기 일렉트로닉스의 배경과 분자제어기술의 중요성
본고에서는 최근 큰 주목을 받고 있는 유기 일렉트로닉스의 배경과 유기 디바이스에 있어서 핵심기술이 되는 분자제어기술의 중요성과 방향성에 대해 설명한다.
정리 편집부
유기 일렉트로닉스의 배경 20세기부터 현재에 이르는 전자 디바이스의 연구개발 지침은 「18~24개월마다 디바이스의 밀도가 배로 증가한다」는 로드맵(Moore의 법칙)에 따라 More Moore형이 주류를 이루며, 디바이스의 ▲고밀도화 ▲고집적화 ▲고속도화를 목표로 하는 것이었다. 그러나 일본의 전자 디바이스 업계가 성숙산업이 되면서 해외 제조업체의 대두가 현저해진 가운데 국내 제조업체의 꾸준한 성장을 위한 방책으로서 Moore의 법칙의 틀을 깨고 새로운 부가가치의 창출 및 새로운 시장형성을 촉진할 수 있는 More than Moore형의 연구개발이 강하게 제기되었다.
이러한 배경하에 유기 일렉트로닉스가 큰 주목을 받고 있다([그림 1] 참조).
주로 탄소(C), 수소(H), 질소(N), 산소(O) 등의 경원소로 구성되는 유기재료는 이러한 구성원소 간의 다양한 결합양식과 그것들을 실현하는 합성기법의 발전에 따라 거의 무한한 종류를 자랑하는 재료체계를 갖추고 있다. 또 공유결합에 의해 연결된 분자 자신의 형상 이방성 및 π전자 공역 등의 존재에 따라 단일분자 단위에서 광학적·전자적 이방성을 나타내는 것도 유기계의 커다란 특징이다. 이러한 유기분자 재료들을 주체로 한 디바이스를 제작함으로써 ▲디바이스의 경량화 ▲플렉서블(구부러짐 가능)·폴더블(접힘 가능) 디바이스의 제작 ▲액상 프로세스의 채용에 의한 제조 시 소비에너지 저감 등의 이점이 생겨 새로운 차세대 전자산업의 하나로서 그 발전 가능성이 크게 기대되고 있다.
향후 산업에 미치는 효과에 대해 언급하면, 유기 일렉트로닉스의 2030년도 세계시장 예측은 디바이스 시장과 관련해서는 2012년 대비 12배인 7조 1,554억 엔, 재료시장과 관련해서는 2012년 대비 18배인 9,724억 엔으로 발표되었으며, 유기전계 발광소자를 이용한 디스플레이 및 조명소자가 선행하고, 그 후 태양전지, 트랜지스터, 메모리 시장의 확대가 지속될 것으로 예측이 나오고 있다. 또 그 사회에 미치는 효과로는 롤러블(돌돌 말기 가능) 및 벽걸이용 디스플레이·조명 등의 등장에 따라 새롭고 쾌적한 주거환경 및 지역환경을 제공하는 상품의 형태로 보급이 이루어질 전망이다. 유기 트랜지스터 및 각종 센서 등으로 구성되는 웨어러블(몸에 장착하여 입고 다닐 수 있는) 디바이스의 경우, 인공피부 및 헬스케어용 센서로의 응용이 기대되고 있어 많은 사람들의 건강을 지켜주는 기반기술이 될 수 있다. 아울러 트랜지스터 및 센서의 어레이화에 따라 상품유통에서의 RFID(Radio Frequency Identification) 태그의 저코스트화가 달성됨으로써 상품유통의 안전성 향상과 비용절감이 이루어질 것으로 기대되고 있다. 분자제어기술의 중요성 유기분자 디바이스의 대부분은 분자 내 및 분자 간을 흐르는 하전 캐리어의 동작(전자 및 정공의 주입, 생성, 전도, 재결합 등의 각 과정)을 최적화하여 원하는 빛·전자의 기능을 만들어 내고 있다. 이 최적화의 핵심이 되는 기술이 분자 결정화 및 박막화 등의 「분자제어기술」이다. 그러나 한마디로 분자제어라고 해도 「사용하는 유기재료의 용매 가용성 여부」나 「어떤 디바이스를 지향하는가」하는 관점에서 보면 매우 다종다양한 접근법이 있다. 여기서는 상기의 관점에 입각한 분자제어기술의 방향성에 대해 간략하게 설명한다.
액상법과 기상법 유기분자의 재료가 용매에 대해 가용성일 경우 그 용액을 이용한 액상(습식법) 프로세스를 거친 분자제어가 시도되고 있다. 단분자층 정도의 막두께를 갖는 집합체 형성에서는 예를 들면 티올기(-SH) 및 포스폰산(-P(=0)(OH)₂)을 말단에 갖는 유기분자 용액 내에서 각종 기판 표면상에 단분자막을 자기조직적으로 형성시키는 기법(자기조직화 단분자막(Self-Assembled Monolayers: SAMs)이 널리 알려져 있다. 이 SAMs는 현재 금속전극 표면의 일함수 제어 및 저전압 동작 트랜지스터의 게이트 절연막으로 빈번히 사용되고 있다. 디바이스의 대면적화를 목적으로 하는 분자제어기술로는 π공역계 반도체 재료에서 분자의 결정 성장을 촉진하는 분자설계·합성이 잇따라 도입되어 현재 인치 사이즈의 유기 반도체 단결정상막의 형성이 보고되고 있다. 또 미세 패터닝 기법으로 아주 작은 물방울을 기판 표면에 떨어뜨림으로써 국소적 막형성이 가능한 잉크젯법 및 도장을 누르는 요령으로 대면적에 걸쳐 미세한 막 패턴 전사(轉寫)가 가능한 마이크로 콘택트 프린팅(μCP) 등도 개발되고 있다. 이러한 액상 프로세스에서는 용매의 습윤성(wettability) 및 증발과정을 고려한 기판 표면의 사전처리가 필수적이다.한편, 용매에 녹지 않는 유기분자 재료도 다수 존재하며, 특히 분자량이 비교적 작은 저분자 재료의 경우 기상(드라이) 프로세스에 의한 분자제어가 시도되고 있다. 분자를 진공 중에서 가열·증발시켜 박막형성을 실시하는 과정(진공증착)에서 기판과의 상호작용을 이용하여 기판과 어느 일정한 방위관계를 가진 분자의 결정성장 및 배향제어를 실시하는 에피택시 기술이 그 대표적인 예이다. 기판으로서 벽개한 단결정 표면을 사용하는 경우에는 미리 기판 표면에 인공 요철의 주기구조를 형성해 두고, 그 주기성에 따라 분자의 정밀한 배향제어를 실시하는 기법(그래포에피택시)도 있다. 또 가열·승화시킨 분자를 불활성 가스 분위기 중에서 수송시키고 저온부의 종결정(種結晶, seed crystal) 상에 재결정화시키는 작업을 반복하여 분자결정을 성장시키는 물리적 수송 성장(Physical Vapor Transport: PVT)도 자주 사용된다. 아울러 μCP법으로 기판 표면에서의 알킬실란막의 미세 패터닝을 실시하고, 그 후의 분자결정의 핵발생 장소를 제어해 결정성장을 위치선택적으로 실시하는 기법도 나오고 있다.
디바이스의 종류와 분자제어의 방향성에 대해
이미 실용화가 이루어진 유기발광다이오드(Organic Light Emitting Diode: OLED)에서는 소자 내의 균일한 하전 캐리어 주입 및 수송 특성이 요구되기 때문에 주로 저분자 재료의 진공증착에 의한 어모퍼스 박막형성이 이루어지고 있다. 유기 단결정 사용의 전류주입에 의한 레이저 발진도 시도되고 있다. 유기 전계효과 트랜지스터(Organic Field-Effect Transistor: OFET)에서는 고속동작화, 대전류화를 염두에 두고, 높은 캐리어 이동도(移動度)를 나타내는 재료의 설계·합성 및 그 단결정상막의 형성과 트랜지스터의 응용이 액상법, 기상법을 막론하고 폭넓게 연구되고 있다. 또 유기박막 태양전지(Organic Photovoltaics: OPV)에서는 빛을 흡수하여 전자·정공쌍을 만드는 도너 고분자와 그로부터 전자를 받는 억셉터 고분자의 계면이 무수히 존재하는 「벌크 헤테로 접합형」의 연구가 왕성하게 진행되고 있다. 이때 액상 프로세스로 제작하는 도너/억셉터 혼합막에 있어서 양자의 혼합상태를 어떤 식으로 제어하는가가 분자 제어 시 중요하다. 아울러 모든 디바이스의 특성제어에 불가결한 분자 도핑 기술도 액상법, 기상법의 양측에서 보다 고신뢰성의 기술 확립이 필요하며, 최근 활발한 연구전개를 보이고 있다.
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