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문턱전압 조절 가능한 고성능 고분자 절연막 개발 유기전자 소자
2016-11-01

문턱전압 조절 가능한 고성능 고분자 절연막 개발
유기전자 소자 성능 최적화 및 미래형 전자기기 핵심기술로 활용기대
KAIST(총장 강성모) 생명화학공학과 임성갑 교수 연구팀이 유기 박막 트랜지스터를 저전력으로 구동하고, 성능을 최적화할 수 있는 새 고분자 절연막 소재를 개발했다고 10월 19일 밝혔다. 이번 연구는 향후 유기 전자소자의 성능 최적화 및 다양한 미래형 전자기기의 핵심 기술로 활용될 것으로 기대된다. 박관용 박사과정 학생이 1저자로 참여한 이번 연구 결과는 재료분야 학술지 ‘어드밴스드 펑셔널 머티리얼즈(Advanced Functional Materials)’ 9월 26일자 뒤표지 논문에 게재됐다.

개시제를 이용한 화학 기상 증착법
균일도 높고 불순물 최소화
사물인터넷 시대를 맞이하며 가볍고 유연한 유기전자소자가 주목받고 있다. 이에 따라 유기전자 소자의 상용화를 위해 성능 향상 및 저전력 구동을 위한 노력이 계속되고 있다. 특히 전력소모를 줄이기 위해서는 매우 얇은 두께에서도 우수한 절연 특성을 갖는 소재 개발과 소자의 문턱전압을 낮추는 기술이 반드시 필요하다. 문턱전압은 전류가 흐르기 위한 최소한의 전압을 뜻한다. 기존 유기 박막 트랜지스터에서는 문턱전압 조절을 위해 절연막과 반도체 사이에 표면처리를 하는 방식을 주로 이용했다. 그러나 이는 전하이동도 등 소자의 다른 성능들이 감소되는 한계가 있었다. 따라서 소자의 성능 최적화를 위해서는 전하 이동도 및 문턱전압 등을 독립적으로 조절하는 기술이 필요하다. 연구팀은 문제해결을 위해 ‘개시제를 이용한 화학 기상 증착법(initiated chemical vapordepositon : iCVD)’을 이용했다.
이 방법은 기체상태의 반응물을 이용해 고분자를 박막형태로 합성하는 방식이다. 이 기술은 균일도가 높고 불순물을 최소화할 수 있어 절연막소재 개발에 적합하다. 또한, 기체상에서 공정이 이루어지기 때문에 액상 공정에서 합성이 불가능했던 다양한 공중합체(copolymer)를 합성할 수 있고, 쉽게 비율을 조절할 수 있다. 연구팀은 이러한 기체상 공정의 장점을 이용해 유기 박막 트랜지스터의 문턱전압 조절이 가능한 새로운 공중합체 고분자 절연막을 합성했다.


[그림 1] 이번 연구가 게재된 어드밴스드 펑셔널 머티리얼즈 표지논문


임성갑 교수

이렇게 합성된 절연막은 극성이 다른 두 가지의 단량체를 사용하는데, 항공대학교 황완식 교수팀과 전기적 특성을 분석한 결과, 특정 단량체의 비율에 따라 트랜지스터의 문턱전압이 조절됨을 확인했다. 또한, 이 공중합체의 고분자 표면에 다른 고분자를 얇게 덧씌워도 여전히 문턱전압이 조절되는 것을 확인했다. 연구팀은 동일한 공정으로 공중합체 표면에 3나노미터 정도의 매우 얇은 두께의 무극성 고분자를 도입했다. 그 결과 무극성 고분자가 전하 이동도를 유지해주는 동시에 문턱전압만 독립적으로 조절할 수 있는 새로운 절연막 시스템을 개발했다. 이 절연막은 20나노미터정도의 두께에서도 우수한 절연특성을 가져 3V(볼트)이하의 저전력 구동 중에도 성능 저하 없이 문턱전압만 선택적으로 조절할 수 있다.
임성갑 교수는 “상대적으로 높은 유기 박막 트랜지스터의 전하 이동도를 유지하며 문턱전압만을 독립적으로 조절할 수 있는 새로운 기술”이라며 “저전력 구동이 가능한 유기 전자 소자의 상용화를 앞당길 수 있을 것으로 기대된다”고 말했다. 이번 연구는 삼성미래기술육성재단의 지원을 받아 수행됐다.


[그림 2] 연구에서 개발된 절연막 시스템이 적용된 유기박막 트랜지스터 구조 및 전기적 특성

용어설명
1. 개시제를 이용한 화학 기상 증착(Initiated chemical vapour deposition, iCVD)
단량체(monomer)와 개시제(initiator)를 기화하여 저진공의 반응기 안에 주입하고, 주입된 개시제를 열에너지로 활성화시켜 고분자를 필름형태로 합성하는 방법이다. 기존의 고분자 합성방식과는 달리, 용매(solvent)나 첨가제 (additive)를 필요로 하지 않기 때문에 높은 순도를 가지는 고분자를 쉽게 합성할 수 있는 것이 장점이다. 또한, 낮은 공정온도로 종이와 같은 화학·물리적 자극에 약한 물질 위에도 고분자를 도포할 수 있다.
2. 절연막(insulator)
도체, 반도체와 달리 전자 또는 정공의 흐름을 막아주는 역할을 하는 물질. 절연막은 소자내부에서 가장 넓은 면적을 차지하면서도, 두께에 따라 그 절연성능이 민감하게 변하는 특징이 있기 때문에 전자소자용 재료 중에서도 중요하게 개발되어지는 재료이다.
3. 트랜지스터 & 전계효과트랜지스터
트랜지스터는 전류의 증폭작용과 스위칭 역할을 하는 반도체 소자로, IC칩, 디스플레이와 같은 전자 기기의 핵심 구성요소가 되는 중요한 소자다. 트랜지스터는 구동원리에 따라 다양한 종류로 나뉘는데, 이 중 전계효과 트랜지스터(FET)는 통상적으로 게이트, 소스, 드레인 전극과 반도체, 절연막으로 구성되어 있다. FET는 게이트 전극에 전압을 걸어 반도체층 사이에 전자 또는 정공이 흐를 수 있도록 하는 원리로 전류를 제어하는 트랜지스터이고, 저전력 구동을 위해서는 절연막의 두께를 절연특성이 유지되는 한 최대한 얇게 가져가고 문턱전압이 작은 것이 유리하다.
4. 문턱전압(Threshold voltage)
트랜지스터에서 반도체 층으로 전류가 흐르기 위해 게이트 전극에 걸어줘야 하는 최소한의 전압이다.
 

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