한국연구재단(이사장 정민근)은 미래창조과학부(중견연구자지원사업, 신진 연구자지원사업)의 지원을 받은 박찬언 교수(포항공대)와 김세현 교수(영남대)연구팀이 고성능의 유기 반도체를 나노(10-9)미터 간격으로 집적하는 기술을 개발했다고 밝혔다.

반도체로서의 성질을 가진 유기화합물을 뜻하는 유기 반도체는 실리콘과 같은 무기반도체와 달리 가볍고 유연해 다양한 전자소재에 응용이 가능하고 저렴한 비용으로 대량 생산이 가능하다. 하지만 유기반도체는 낮은 성능과 집적 기술의 한계로 인해 상용화에 어려움이 있었다.

박찬언 교수 연구팀은 이에 대한 해결책으로 고성능의 유기 반도체 단결정을 성장시키는 동시에 수십 나노미터(nm) 수준의 미세한 패터닝 공정방법을 개발했다고 밝혔다. 패터닝 공정방법은 박막에 형상을 구현하는 공정이다.

공정방법은 액체가 좁은 관을 타고 상승하는 모세관 현상에 착안했다. 하부기판과 패턴이 있는 몰드 사이에 압착된 반도체 용액이 나노 크기의 모세관을 타고 상승하며 자연스럽게 나노 크기로 패터닝되고, 이후 용액이 증발하면서 유기반도체 단결정이 생성되는 것을 확인했다. 그 결과, 50나노미터의 유기 반도체 단결정이 50나노미터 간격으로 정렬된 대면적 유기 반도체를 제작할 수 있었다.

유기 반도체는 유기물 자체의 유연함에 기반하여 차세대 플렉서블 전자소재로의 활용이 기대된다. 연구진은 “유기반도체의 낮은 성능과 신뢰도는 유기반도체의 상용화를 가로막아왔다. 유기반도체의 상용화를 위해서는 산업체에서 요구하는 스펙에 맞는 고성능의 미세 패턴된 유기 반도체 어레이가 개발되어야 하지만 미세 패터닝 공정을 통한 고성능 유기 반도체 어레이 구현에 대한 연구는 전무해 연구를 시작하게 됐다”고 연구 동기에 대해 밝혔다.

제작된 반도체는 최대 전하 이동도 9.71 cm2/Vs, 표준편차 16.3%의 우수한 성능을 보였다. 학계에 보고된 최고성능에 매우 근접한 수치다. 고성능의 유기 반도체가 신뢰성 있게 구현되었음을 의미한다.

연구진은 “대면적에 걸쳐 안정적으로 나노와이어를 성장시키는 데 어려움이 있었지만 반도체 용액의 농도 조절을 통하여 문제를 간단하게 해결할 수 있었다”며 “결과적으로 대면적의 유기반도체 단결정 어레이를 성장시켰다”고 말했다.

박찬언 교수는 “이번 연구는 유기 반도체의 상용화에 있어 중요한 이슈인 고성능 유기 반도체 생성 및 미세 패터닝하는 작업을 일원화시켰다는 점에서 큰 의의가 있다”며 “연구를 통해 높은 전하 이동도를 가지는 유기 반도체를 나노 패터닝까지 할 수 있게 되어 향후 유기 반도체는 플렉서블 디스플레이, 배터리 및 메모리 등에 활용할 수 있을 것으로 기대된다”고 연구의 의의를 설명했다.

연구 결과는 재료 과학 분야 세계적 학술지인 어드밴스드 머티리얼스(Advanced Materials) 2월 24일자 표지논문으로 게재됐다.