스티브 박 KAIST 교수팀 연구···균일 박막 제조 기술 확보

보다 정밀·균일하고, 큰 크기의 유기반도체 박막을 제조할 수 있는 기반이 마련됐다.

KAIST(총장 신성철)는 스티브 박 신소재공학과 교수 연구팀이 유기반도체 결정의 크기를 성장시키고 제어할 수 있는 기술을 개발했다고 2일 밝혔다.

무기고분자를 이용한 마이크로 필러 구조의 용액전단법.<자료=KAIST 제공>
무기고분자를 이용한 마이크로 필러 구조의 용액전단법.<자료=KAIST 제공>
유기반도체는 용액을 이용한 프린팅 공정이 가능하다는 점에서 주목을 받고 있다.

가격이 저렴하고 대면적 제작, 유연한 전자 소자 제작이 가능하다는 점에서 다양한 연구가 진행되고 있다.

유기반도체 성능의 지표인 이동도(Mobility)는 유기반도체의 결정성, 결정의 성장방향, 결정의 크기 등의 영향을 받는다.

그동안 유기반도체의 결정성이나 결정방향을 제어하기 위한 연구가 많이 발전되었지만 결정 크기를 성장시킬 수 있는 기술은 부족했다.  

최근에는 유기반도체의 균일한 박막을 만들기 위해 잉크젯 프린팅, 딥 코팅, 그리고 용액전단법 등의 기술이 발전하고 있다.

다만 기존 프린팅 공정은 용액의 흐름을 적절히 통제하지 못한 상태에서 용매의 증발이 무작위로 발생하기 때문에 결정 크기가 큰 유기반도체를 제작하는 데 어려움이 있었다.

이에 연구팀은 유기용매에 내성을 갖는 무기 고분자 재료를 이용해 다양한 형태의 전단판을 제작하고, 이를 용액전단 기술에 결합했다. 

용액전단법은 기판과 전단판 사이에 용액을 주입하고 일정 속도로 전단판을 이동시켜 한 방향으로 정렬된 균일한 유기반도체 박막 제작이 가능한 프린팅 기술이다.

무기 고분자 재료는 유연하고 유기용매에 대한 내성을 갖고 있기 때문에 유기반도체를 이용한 프린팅 공정에 적합하다. 또한 기존의 실리콘 재료 기반의 전단판 제조 공정을 간단한 소프트리소그래피 공정으로 대체할 수 있다. 

연구팀은 일렬 형태로 배열된 사각형 모양의 마이크로미터 크기 구조물을 이용해 용액이 균일한 굴곡을 가지며 기판에 맺히도록 조절했다. 이를 통해 용매의 증발 속도를 조절해 핵 생성이 일어나는 지점을 정밀하게 통제했다.

이후 마이크로 구조물의 크기를 변화시키며 유기반도체 결정의 크기를 성장시키고, 반도체 소자 성능이 향상된다는 사실을 확인했다. 

스티브 박 교수는 "무기고분자 재료를 결합한 용액전단법은 프린팅 공정에서 정밀한 제어가 가능하다"면서 "유기반도체 뿐 아니라 다른 재료를 이용한 균일 박막 제조가 가능한 원천 기술을 확보했다는 의미가 있다"라고 말했다. 

이번 연구는 한국산업기술평가관리원이 추진하는 센서산업고도화 전문기술개발사업 등의 지원을 받아 수행됐다. 연구에는 김진오 박사과정, 이정찬 석사과정이 공동 1저자로 참여했으며, 연구 결과는 국제 학술지 '어드밴스드 머티리얼즈(Advanced Materials)'에 지난 달 16일자 표지논문으로 선정됐다. 

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