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조정호 교수팀, 고려대 우한영 교수팀과 플렉시블 스마트기기용 완전히 접을 수 있는

트랜지스터 개발

플렉시블 스마트기기용 반도체소자의 응용 분야 확장

세계적인 학술지 ‘Science Advances’ 게재

[사진. 조정호 교수(왼쪽)와 고려대 우한영 교수]

조정호 교수(화공생명공학과) 연구팀은 고려대 우한영 교수(화학과) 연구팀과의 공동연구를 통해 플렉시블 스마트기기의 핵심 소자인 완전히 접을 수 있는 트랜지스터를 새롭게 개발했다. 본 연구에서는 전도성 고분자를 기반으로 선택적 도핑법 및 가교제를 이용해 동종접합 플렉시블 트랜지스터를 세계 최초로 개발했으며, 궁극적으로는 휘어지고 접을 수 있으며 형태가 자유롭게 변하는 디스플레이, 센서, 반도체소자와 같은 차세대 플렉시블 스마트기기의 개발 가능성을 제시했다.

최근 폴더블 스마트폰과 같은 휘거나 접는 스마트기기의 수요가 증가함에 따라 플렉시블 전자소자의 필요성이 크게 대두되고 있다. 플렉시블 스마트기기는 매우 높은 기계적 안정성을 요구하기 때문에 극한의 기계적 안정성을 견딜 수 있는 전자재료의 개발이 매우 중요하다. 그러나 기존의 금속 전극은 우수한 전도성을 가지지만 깨지기 쉬운 특성으로 인해 접거나 휘어질 수 있는 플렉시블 스마트기기에 적용이 어렵다.

이에 세계 각국의 연구진이 기계적 유연성을 갖는 전도성 고분자를 반도체 및 전극물질로 사용해 플렉시블 스마트기기에 적용하기 위한 연구를 진행했다. 하지만 대부분 플렉시블 스마트기기에서 요구되는 기계적 안정성을 달성하는 데 실패했다. 전자소자를 구성하는 전자재료 층(전극, 반도체, 절연체) 간 이종접합으로 인해 극한의 물리적 변형이 가해질 경우 계면 간 박리가 발생하기 때문이다.

공동연구팀은 고분자 박막 트랜지스터의 기계적 안정성을 개선하기 위해 가교제 및 선택적 도핑 기술을 도입했다. 먼저, 가교제를 통한 전자재료의 가교 방법은 각 전자재료 층간의 계면 접착력을 향상시켜 이종접합에서 발생하는 낮은 계면 접착력을 개선할 뿐만 아니라, 트랜지스터 제작 공정에서 발생하는 열에 의한 손상 또는 화학적 손상을 방지한다. 

[그림. 완전히 접을 수 있는 트랜지스터 제작을 위한 전략과 소자 모식도]

더 나아가, 선택적 도핑법을 도입해 계면 간 박리가 발생하는 전극-반도체 간 이종접합을 제거하고 동종접합 계면을 형성했으며, 이를 통해 고분자 트랜지스터의 기계적 안정성을 더욱 향상했다. 이번 연구를 통해 제작한 트랜지스터는 우수한 기계적 안정성을 가지고 있어 극한의 곡률반경에서도 전기적 특성이 유지됐다. 

본 연구결과는 다양한 전자재료 및 층간 계면 가교, 그리고 선택적 도핑법을 통해 플렉시블 스마트기기 발전에 중요한 이슈인 계면 박리 및 손상 문제를 해결했다. 이를 통해 향후 플렉시블 스마트기기에 적용 가능한 반도체소자 연구의 새로운 방향을 제시했다.

조정호 교수는 “본 연구는 플렉시블 반도체소자 제작의 핵심 이슈인 이종접합 계면 박리 및 손상 문제를 해결한 연구로, 향후 플렉시블 스마트기기용 반도체소자 제작에 있어 단순한 플렉시블 반도체소자가 아닌 완전히 접을 수 있는 반도체소자 제작 기술을 제시한 것”이라고 밝혔다.

본 연구는 한국연구재단 중견연구자지원사업, 기초연구실사업, 대학중점연구소지원사업, 미래소재디스커버리사업의 지원으로 진행됐으며, 특히 우리 대학교가 교내 공동연구 진흥을 위해 신규 도입한 ‘연세 시그니처 연구클러스터 사업’의 지원이 있었다. 본 연구결과는 세계적인 학술지 사이언스 어드밴시스(Science Advances)에 8월 18일(현지시간) 게재됐다.

논문정보

● 논문제목: Completely Foldable Electronics Based on Homojunction Polymer Transistors and Logics

● 논문주소: https://advances.sciencemag.org/content/7/34/eabg8169

● 주요저자: 조정호(교신저자, 연세대 화공생명공학과), 우한영(교신저자, 고려대 화학과), 김민제(공동 제1저자, 연세대 화공생명공학과), 유화숙(공동 제1저자, 고려대 화학과), 외 8명의 공동저자

용어설명

●플렉시블 스마트기기: 하나의 면을 접는 폴더블(foldable), 둥글게 말아서 보관할 수 있는 롤러블(rollable), 잡아당겨 늘릴 수 있는 스트레처블(stretchable) 등 유연한 스마트기기

● 동종접합/이종접합(Homojunction/Heterojunction): 접합이란 두 전자 재료를 붙여서 계면을 형성한 상태를 의미한다. 동종접합은 같은 종류의 전자재료 간의 접합을 의미하며 이종접합은 다른 종류의 전자재료 간의 접합을 의미한다.

● 트랜지스터(Transistor): 반도체를 이용해 전압이나 전류 흐름을 조절해 증폭하거나 스위치 역할을 하는 전자소자.

● 도핑(Doping): 반도체의 제조 과정에서 의도적으로 불순물을 첨가함으로써 전기적 특성을 조절하는 방법. 본 연구에서는 고분자 반도체에 도펀트(FeCl3)를 첨가해 전기 전도도를 조절했다.

● 가교(Crosslinking): 전자재료 사이를 가교제를 도입해 화학결합으로 연결. 본 연구에서는 가교제를 통해 고분자 반도체 간 화학결합을 유도하고 동시에 전자소자의 이종 계면을 화학결합으로 연결함으로써 계면 접착력을 향상시키고자 했다.

● 곡률반경(Bending radius): 곡률이란 곡선이 휘어진 정도를 의미하며 전자소자의 휘어진 곡선을 연장해 원을 그렸을 때 그 원의 반지름을 의미한다.