[논문]액정형 유기반도체를 이용한 유기트랜지스터(OTFT) 적용 기술

김윤호

액정형 유기반도체를 이용한 유기트랜지스터(OTFT) 적용 기술 원문보기

인포메이션 디스플레이 = Information display, v.16 no.2, 2015년, pp.10 - 16

김윤호 (고기능고분자연구센터, 한국화학연구원)

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문제 정의

본 기고문에서는 다양한 유기전자소자에 사용되는 유기반도체에 액정성을 부여함으로써 고성능의 유기트랜지스터(OTFT, Organic Thin Film Transisor)를 쉽고 빠르게 제작할 수 있는 새로운 액정 응용 분야에 대한 연구동향 및 정보를 제공하고자 한다.
유기반도체 물질에 대한 전반적인 논의는 본 기고문의 범위를 벗어나며, 훌륭하게 작성된 관련문헌을 참고하기 바란다[5]. 여기에서는 단분자 기반의 액정형 유기반도체를 이용한 OTFT 적용에 대한 연구에 대해 집중적으로 서술하고자 한다. 그림 1과 같은 구조로 OTFT를 제작하기 위해서는 전극, 유전체, 반도체 물질을 전통적인 진공 증착법을 이용해서도 제작할 수 있으나, 대량 생산을 위해서 최근 10여 년 전부터는 모든 공정을 flexible한 대면적 기판 위에 용액공정화 하려는 연구들이 활발히 진행 중이다[6].
지금까지 액정형 유기반도체를 이용하여 고성능 OTFT 개발에 대한 연구 동향에 대해서 살펴보았다. OTFT는 저가화, 대면적화, 유연화 등 다양한 장점을 가지고 있음에도 불구하고, 무기물 기반의 TFT 기술에 비해 전하이동도가 현저히 낮다는 단점 때문에, 실용화 기술과는 거리가 있었다.

제안 방법

자기조립 성능이 매우 뛰어난 액정 상태에서 공정을 진행함으로써, 같은 방향으로 정확하게 배열된 단결정에 가까운 유기반도체 박막을 대면적에 걸쳐 얻을 수 있었다. 또한, 액정의 배향제어를 극대화 할 수 있는 마이크로크기의 주형을(template) 사용함으로써, 분자의 배열도를 높이는 효과뿐만 아니라, 원하는 위치에 패턴도 가능한 공정을 개발하였다.
유기반도체가 잘 녹지 않는 용매를 1차적으로 패터닝하고, 그 위에 유기반도체 용액을 같은 위치에 프린팅 하게 되면, 계면에서 상분리가 일어나고 유기반도체 박막이 형성이 된 채로 용매가 증발하게 된다. 또한, 증발과정 중에 한쪽방향으로만 결정이 성장될 수 있도록 호리병 모양의 패턴을 이용하였다. 그 결과 대면적 고속 패터닝 기법임에도 불구하고 단결정에서만 얻을 수 있는 매우 높은 전하 이동도(~30cm²/Vs)를 보이는 OTFT를 제작할 수 있었다[그림 8].

대상 데이터

33px;">, 3)유기반도체로 크게 나눌 수 있다. 전극은 총 3개로 구성되며, 전류가 직접 흐르는 Source와 Drain 두 개의 전극과 양쪽 전극 사이의 전하 흐름을 제어할 수 있는 Gate 전극으로 이루어져 있다. 유전체는 SiO₂ 기반의 무기물 절연체가 많이 사용되고 있으나, 진정한 OTFT를 구현하기 위하여, 고분자 기반의 유기절연체에 대한 연구가 활발히 진행 중이다.

이론/모형

C₈-BTBT는 60-90℃ 근처에서 SmA 상을 가지는 액정형 유기반도체이다. 저자들은 유기용매에 C₈- BTBT를 녹인 후, 액정구간이 나타나는 80℃ 온도 분위기에서 스핀코팅(spin coating) 기법을 통해 박막을 형성하였다. 그 결과, 상온에서 스핀코팅 할 때 보다 훨씬 좋은 막질을 가지는 박막을 대면적으로 얻을 수 있었으며, smectic 액정의 자기조립 성질 때문에 매우 높은 분자 배열도와 smectic 액정 고유의 층상구조(layered structure)를 형성하였다.

성능/효과

그 결과, 상온에서 스핀코팅 할 때 보다 훨씬 좋은 막질을 가지는 박막을 대면적으로 얻을 수 있었으며, smectic 액정의 자기조립 성질 때문에 매우 높은 분자 배열도와 smectic 액정 고유의 층상구조(layered structure)를 형성하였다. 결국, OTFT의 성능도 현저히 향상됨을 확인할 수 있었다. 이는 고이동도 유기반도체의 액정성을 OTFT 제작에 이용한 첫 번째 연구결과이다[그림 7].
또한, 증발과정 중에 한쪽방향으로만 결정이 성장될 수 있도록 호리병 모양의 패턴을 이용하였다. 그 결과 대면적 고속 패터닝 기법임에도 불구하고 단결정에서만 얻을 수 있는 매우 높은 전하 이동도(~30cm²/Vs)를 보이는 OTFT를 제작할 수 있었다[그림 8].
저자들은 유기용매에 C₈- BTBT를 녹인 후, 액정구간이 나타나는 80℃ 온도 분위기에서 스핀코팅(spin coating) 기법을 통해 박막을 형성하였다. 그 결과, 상온에서 스핀코팅 할 때 보다 훨씬 좋은 막질을 가지는 박막을 대면적으로 얻을 수 있었으며, smectic 액정의 자기조립 성질 때문에 매우 높은 분자 배열도와 smectic 액정 고유의 층상구조(layered structure)를 형성하였다. 결국, OTFT의 성능도 현저히 향상됨을 확인할 수 있었다.
또한, 회전축과의 거리나 위치를 제어함으로써 액정형 유기반도체의 결정구조를 옹스트롬(Å) 단위에서 조절할 수 있었다. 결정구조를 유기반도체의 Band gap에 맞도록 최적화한 결과, 기존 스핀코팅 방법이나 자발적인 단결정 실험에서는 얻을 수 없었던, 100cm²/Vs이넘는 OTFT의 성능을 보고하였다.
마지막으로, 본 기고문에서 다루고자 하는 유기반도체는 실제 움직이는 수송(carrier) 전하의 종류(전자, electron 또는 홀, hole)에 따라 p형과 n형으로 나눌 수 있으며, 지금까지 개발된 고성능의 유기반도체의 대부분은 p형이다. 최근 5년 사이에 고성능의 p형 유기반도체들이 성공적으로 개발됨에 따라, 그동안 기술적으로 어려웠던 n형 유기반도체에 대한 연구 역시 활발히 진행되고 있다.
액정의 우수한 자기 조립성능과 액정 고유의 흐름성 덕분에 공정성까지 겸비하여 훌륭한 유기반도체 소재로 활용되고 있다. 본고에서 살펴본 바와 같이, 액정구간에서의 스핀코팅, 잉크젯 프린팅, 마이크로주형, Off-center 스핀코팅 등 다양한 용액공정 기술을 이용하여, 기존 유기반도체가 구현하지 못했거나, 단결정 연구에서만 얻을 수 있었던~30cm²/Vs(최고 ~100cm²/Vs) 이상의 전하이동도를 가지는 OTFT를 빠르고 손쉽게 제작할 수 있게 되었다.
1980-90년대 높은 분자배열도가 예상되어 많은 discotic 액정형 유기반도체들이 보고되었다[9]. 분자단위에서는 Sm보다 높은 분자배열도를 기대해볼 수도 있지만, 반도체 물질에서 반드시 고려되어야만 하는 Band gap에 대한 고려가 충분히 되지 않았으며, 너무 강한 공액구조로 인해 공정성이 떨어지는 문제점들이 나타났다. 또한, 1차원 cylinder 구조를 가지기 때문에, 외부 변형이나 공정상의 사소한 결함발생시, 전하가 이동할 수 있는 구조가 치명적으로 파괴될 수 있다.

후속연구

최근 2-30년간 호황을 누리고 있는 LCD 산업을 통해 축적된 방대한 종류의 액정물질, 광학기술 및 분자배향 기법 등을 활용한다면, 유기전자소자 분야에서도 지금보다 더 향상된 연구결과들을 도출할 수 있을 것으로 예상된다. 또한, 지금까지 액정형 유기반도체를 통해서 살펴봤듯이, 액정 고유의 우수한 전기/광학 성질을 명확히 이해하고, 응용 범위를 LCD 이외의 영역으로 확장한다면, 훌륭하고 창의로운 연구 분야들이 새롭게 열리게 될 것을 확신하며, 본 기고문을 마친다.
이 정도 수준의 전하이동도는 LCD 산업에 적용되고 있는, 비정질 실리콘에 비해서는 300배 이상 높은 수준이며, OLED 산업에서 요구되는 전하이동도 (>10cm2/Vs)를 충분히 만족하기 때문에, 향후 다양한 OTFT 응용 기술에 적용이 가능할 것으로 예상되고 있다.
최근 2-30년간 호황을 누리고 있는 LCD 산업을 통해 축적된 방대한 종류의 액정물질, 광학기술 및 분자배향 기법 등을 활용한다면, 유기전자소자 분야에서도 지금보다 더 향상된 연구결과들을 도출할 수 있을 것으로 예상된다. 또한, 지금까지 액정형 유기반도체를 통해서 살펴봤듯이, 액정 고유의 우수한 전기/광학 성질을 명확히 이해하고, 응용 범위를 LCD 이외의 영역으로 확장한다면, 훌륭하고 창의로운 연구 분야들이 새롭게 열리게 될 것을 확신하며, 본 기고문을 마친다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	액정물질은 어디에 활용될 수 있는가?	액정물질(liquid crystalline materials)은 일상생활 속에서 시계, 핸드폰, TV, 컴퓨터, 전광판 등 어디를 둘러보아도 쉽게 찾아볼 수 있을 만큼, 디스플레이의 핵심 소재로써 큰 발전을 이루어 왔다. 특히, 최근 2-30여 년간 분자의 배열이나 구동원리에 따라 다양한 액정디스플레이(LCD) 모드가 개발되어 왔으며, 최근에는 3D TV는 물론 곡면형태의 디스플레이까지 기술이 계속 진보하고 있다.
	액정물질이 디스플레이 산업에서 필수소재가 된 이유는?	특히, 최근 2-30여 년간 분자의 배열이나 구동원리에 따라 다양한 액정디스플레이(LCD) 모드가 개발되어 왔으며, 최근에는 3D TV는 물론 곡면형태의 디스플레이까지 기술이 계속 진보하고 있다. 이렇게 빠른 시간 안에 액정물질이 디스플레이 산업에 필수 소재가 된 데에는, 액정물질 자체의 우수한 자기조립현상 및 대형화 프로세스를 가능케 한 유동성 때문이다. 그리고 무엇보다 전기장과 같은 외부의 자극에 의해 민감하게 반응할 수 있는 액정의 고유한 성질을 핵심 이유로 설명할 수 있다.
	OTFT가 유용하게 쓰이는 경우는 언제인가?	OTFT는 유기반도체의 특성상 전하이동도가 낮아 Si이나 Ge 등이 쓰이는 빠른 속도를 필요로 하는 소자에는 쓰일 수 없다. 하지만 넓은 면적 위에 소자를 제작할 필요가 있을 때나 낮은 공정 온도를 필요로 하는 경우, 또한 구부림이 가능해야 하는 경우, 특히 저가 공정이 필요한 경우 유용하게 쓰일 수 있다. 최근에는 무기물 반도체나 산화물 반도체 수준의 성능을 보이는 다양한 유기반도체가 보고되어 상용화 수준의 기술로 점차 발전하고 있다.

참고문헌 (15)

G. Horowitz, Adv. Mater. 10, 365 (1998).

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A. L. Briseno, S. C. B. Mannsfeld, M. M. Ling, S. Liu, R. J. Tseng, C. Reese, M. E. Roberts, Y. Yang, F. Wudl, Z. Bao, Nature 444, 913 (2006).

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H. Ebata, T. Izawa, E. Miyazaki, K. Takimiya, M. Ikeda, H. Kuwabara, T. Yui, J. Am. Chem. Soc. 129, 15732 (2007).

상세보기
C.D. Dimitrakopoulos, P.R.L. Malenfant, dv. Mater. 14, 99 (2002).
S. R. Forrest, M. E. Thompson, Chem. Rev. 107, 923 (2007).

상세보기
H. Li, B. C-K. Tee, J. J. Cha, Y. Cui, J. W. Chung, S. Y. Lee, Z. Bao, J. Am. Chem. Soc. 134, 1760 (2012).
http://www.eng.kagawa-u.ac.jp/-m-funa/Funahashi_2010_Research_Eng.html
I. Dierking, Texture of Liquid Crystals, Wiley-VCH, Weinheim, Germany (2003).
V. Percec, M. Glodde, T. K. Bera, Y. Miura, I. Shiyanovskaya, K. D. Singer, V. S. K. Balagurusamy, P. A. Heiney, I. Schnell, A. Rapp, H.-W. Spiess, S. D. Hudson, H. Duank, Nature 419, 384 (2002).

상세보기
K. Takimiya, S. Shinamura, I. Osaka, E. Miyazaki, Adv. Mater. 23, 4347 (2011).

상세보기
K. Takimiya, H. Ebata, K. Sakamoto, T. Izawa, T. Otsubo, Y. Kunugi, J. Am. Chem. Soc. 128, 12604 (2006).

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H. Iino, J. Hanna, Adv. Mater. 23, 1748 (2011).

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H. Minemawari, T. Yamada, H. Matsui, J. Tsutsumi, S. Haas, R. Chiba, R. Kumai, T. Hasegawa, Nature 475, 364 (2011).
A. Kim, K. S. Jang, J. Kim, J. C. Won, M. H. Yi, H. Kim, D. K. Yoon, T. J. Shin, M. H. Lee, J. W. Ka, Y. H. Kim, Adv. Mater. 25, 6219 (2013).

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Y. Yuan, G. Giri, A. L. Ayzner, A. P. Zoombelt, S. C. B. Mannsfeld, J. Chen, D. Nordlund, M. F. Toney, J. Huang, Z. Bao, Nat.Comm. 5, 3005 (2014).

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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