[테마특강] 유기물 광전자 기술

인간이 만들어 내고 요구하는 정보의 양은 갈수록 증가하고 있다. 이에따라 이들 정보를 전달 분배하는 정보통신 시스템은 고도화되고 정보전달 매체도 전기신호에서 광신호로 점점 대체되고 있다.

앞으로 다가올 완전 광통신 시대에는 전화망과 분배식 방송망 그리고 데이터망이 모두 통합될 것으로 전망된다.

빛을 이용한 정보통신 시스템을 구현하는데 가장 핵심적인 요소로는 빛을발생시키는 발광 소자,빛을 검출하는 소광소자,광신호를 처리하는 광신호처리 소자 그리고 광신호를 전달해주는 광섬유를 꼽을 수 있다. 또 화상 정보표시를 위한 표시소자와 고화질 텔레비젼도 중요한 요소이다.

이같은 소자들은 이제까지 주로 반도체나 리튬나이오베이트,유리 등 무기물을 이용하여 제작됐다. 하지만 정보처리 속도가 점점 증가하면서 기존 물질로는 한계에 부딪쳐 보다 고성능의 소재가 요구되고 있다.이에 대한 대체 물질로 최근 유기물 또는 고분자가 각광을 받고 있으며 이를 사용한 소자개발이 활발히 진행되고 있다.

지금까지 유기물이나 고분자 물질들은 반도체 공정에서 미세패턴 형성을위한 감광제나 다층칩모듈의 절연막으로 사용되왔으며 유기물의 능동기능을이용하려는 시도는 최근 에야 비로소 시작됐다. 광스위치나 변조기,필터 등을 위한 비선형광학 재료, 액정 디스플레이,그리고 앞으로 잠재 수요가 많은유기물, 전기발광,플라스틱 광섬유 등에 대한 연구가 가장 활발하다.

광정보처리 시스템을 구현하는 핵심요소 중 하나인 광신호처리 소자는 빛과 물질이 사아호 작용할 때 발생하는 비선형광학 성질을 이용하는 것으로광변조기,스위치,파장 필터,파장 변환소자 등이 있다.광신호처리에 사용되는비선형광학 재료는 현재 리튬나이요베이트나 갈륨비소등 대부분 무기재료 소자의 제조 공정이 어렵고 가격이 비싼 단점이 있다. 특히 야산도 어려워 수요를 감당하는데 한계가 있다 최근 이의 대체물질로 각광을 받고있는 유기물2차 비선형광학 재료이다.

유기물 비선형광학 재료의 장점은 첫째,유기물의 유전상수가 작아 고속 광소자를 손쉽게 제작할 수 있다는 것이다. 둘째,유기물 비선형광학 재료는 가공성 우수하고 저렴하거 제조할 수 있다.셋째,비선형성 특히 2차 비선형성이무기 재료와 대등하거나 크기 때문에 구동전압이 낮은 소가 개발이 가능하다는 것이다.넷째,무기물은 주어진 물질의 특성을 변화시키기가 어려운 반면에유기물질은 인간이 합성할 수 있기 때문에 소자제작에 필요한 물질을 창출할수 있고 현재에도 속속 개발되고 있다. 또한 소자의 다층화 및 집적화에도아주 유리한 장점을 지니고 있다.

2차 유기 비선형광학특성 고분자 물질의 구성요소로는 비선형광학특성을가지는 발색단과 고분자 매트릭스이다.비선형광학 발색단의 기본 구조는π공액물질의 양끝에 전자를 주는 그룹(donor)과 전자를 받는 그룹(acceptor)을붙인 형태로써 비점대칭 구조를 가져야된다. 발색단뿐 아니라 그 분자들이비점대칭적으로 배열되야 한다. 분자를 비점대칭적으로 배열시키는 방법은여러 가지 이지만 고분자를 이용한 전계배열법(pling)이 가장 많이 사용된다. 발색단이함유된 고분자를 유리전이온도 근처에서 전기장을 가해 색소들을 전기장 방향으로 배열시킨 후 전기장이 가해진 상태에서 온도를 낮추어유기물의 배열을 동결시키는 것이다. 이 전계배열법은 소자제작 과정에서 다양한 유연성을 제공해 주고 공정이 매우 간단하다.

실제 소자 제작을 위해 비선형광학 고분자 물질이 갖추어야 될 조건은 비선형광학 계수가 크고 열적·광학적으로 안정되어야 하며 광 진행 손실이 작아야 된다. 최근 실제 활용 가능하면서도 리튬나이오베이트보다 우수한 성능을 지닌 물질이 속속 보고되고 있으며 앞으로는 더욱 좋은 물질이 개발될 것으로 예상돼 고분자를 이용한 광신호처리소자의 전망은 밝다. 국내에서도 우수한 성능의 물질이 합성되고 있다

가장 활발히 연구돼온 고분자 광신호처리 소자는 광변조기다. 이 소자는광도파를 진행하는 빛이 Y형 분리기에서 2개로 나뉘어 진행하다가 다른 쪽에서 합쳐 간섭하도록 설계되어 있다. 광도파로가 전기광학 물질일 대 한쪽 팔에 전기장을 가해주면 물질의 굴절률이 바뀌게 되고 따라서 빛의 진행 속도가 바뀌어 광 경로 차이가 유기된다. 이때 빛이 합쳐지는 지점에서 양쪽 팔에서 진행되어온 두 빛의 광 경로 차이가 반파장의 홀수 배가되면 서로 상쇄간섭을 일으켜 빛의 강도가 0으로 꺼짐 상태가 되고 광 경로 차이가 반파장의 짝수배가 되면 보강간섭을 일으켜 켜짐 상태가 된다. 외부에서 걸어주는전기장에 의해 빛을 변조시킬 수 있게 된다. 이 소자의 성능은 변조 속도에달려있다. 이미 수십 기가 대역폭을 가진 고분자 전기광학 변조기가 시현됐고, 보다 좋은 성능의 물질을 이용해 안정성 문제까지도 해결된 소자가 선보이고 있다. 한국전자통신연구소의 기초기술연구부에서도 수십 기가 대역의소자를 구현하여 이 분야를 선도하고 있다.

비선형광학 고분자가 가진 특성 중 하나가 전계배열에 의해 형성되는 광축을 원하는 형태로 조절해 줄 수 있다는 점이다. 이 성질을 잘 활용하면 각종의 수동 및 능동형 편광변환소자, 편광분리기, 편광기 등을 쉽게 구현할 수있게 된다. 이같은 소자들은 한국전자통신여구소와 한국과학기술원의 공동연구에 의해 세계 최초로 구현되어 국제적으로도 보고됐다.

고분자의 특성은 광신호처리용 소자에 활용할 수 있는 열광학 효과를 꼽을수 있다. 열광학 효과는 고분자에 열을 가하면 물질의 굴절률이 바뀌는 성질로써 전기장 대신에 열로서 각종 신호처리 소자를 구현하는데 사용될 수 있다. 고분자의 열광학 효과는 다른 무기물에 비해 1백배 정도 크기 때문에 매우 작은 전력만을 사용해도 변조나 스위칭이 가능하다.

미래의 정보산업에 필수적인 이러한 유기비 선형광학 소자는 아직 세계적으로 상품화가 이루어지 않은 상황이어서 세계시장에서 선두위치를 차지하기위한 선진국들간의 개발 경쟁이 매우 치열하다.

디스플레이로 사용되는 음극선관은 화면이 커질수록 부피와 무게가 지수적으로 증가 21세기 정보화시대에 맞는 새로운 디스플레이 기술이 필요하다.

이에따라 저전력화, 평면패널화, 고화질 등 고선응의 디스플레이 구현을 위한 연구가 다각적으로 진행되고 있다.

물질에 전류를 주입했을 때 빛이 나오는 현상인 전기발광은 이제까지 주로무기 재료에서 발견되어 레이저나 발광다이오드 제작에 응용됐다. 반도체를이요한 전기발광은 구동전압이 낮고 효율이 높지만 파란색 계통의 빛을 얻기가 힘들며 대형화가 어렵다. 전기발광은 구동전압이 낮고 효율이 높지만 파란색 계통의 빛을 얻기가 힘들며 대형화가 어렵다. 전기발광은 이용한 대표적인 디스플레이 ZnSe나 ZnS 등의 무기재료를 사요해 교류로 구동하는 박막형 전기발광 팬넬이 있지만 구동전압이 높고 칼라화가 어려우며 효육도 2%정도이다. 이러한 문제를 해결하면서 청새발광까지 낮은 구동전압 등으로 실현능한 유기 전기발광 소자가 개발됐다.

유기물에서의 전기발광은 1987년 미국 코닥사가 단분자막에서 효율적으로성공시키고 19990년 영국 캠브릿지 대학이 고분자에서 성공한 이래 평판 디스플레이화시킬 수 잠재력 때문에 매우 확발히 연구되고 있다. 일부의 회사에서는 연내 시제품을 출하할 예정이다. 유기물및 고분자 전비발광 소자의경우 빨강, 초록 및 파랑의 삼원색이 물질을 변화시킴에 따라 손쉽게 얻어지고 소자제작 공정이 매우 간단하다. 일반 소자와 달리 유기물 및 고분자의경우 삼원색을 발하는 다양한 물질이 존재하고 합성할 수 있기 때문에 모든색상을 손쉽게 만들 수 있다.

발광 효율을 향상시키기 위해서는 전극에서 발광층으로의 전자와 정공의주입 및 이동, 전자와 정공의 재결합에 대한 고려가 필요하다. 발광층 내부에서 재결합이 효율적으로 이루어지기 위해서는 전자와 정곡의 주입이 서로균형을 이루어야 되며 양쪽 전극으로부터 전하의 주입에 대한 에너지 장벽이서로 같고 그 에너지 장벽이 작을수록 좋다. 두 전화의 주입을 균형있게 하기 위하여 음전극의 일함수와 비슷한 전도대 준위를 가지는 물질을 발광층과음전극 사이에, 양전극의 일함수와 비슷한 충만대 준위를 가지는 물질을 발광충과 양전극 사이에 집어넣는 형이 있다(이종접합구조형성).

발광효율 향상은 전자와 정공이 재결합할 때 빛이 발생하는 발광 재결합확률을 높이고 열이 발생하는 비발광 재결합 확률을 줄여야 가능하다. 따라서 발광층 물질 내부에서의 물질 구조와 전하들의 거동, 이들이 발광 재결합에 미치는 영향, 비발광 재결합을 유도하는 기구 등에 대한 과학적인 탐구가선결되야 한다. 이 분야에 대한 연구결과 분자사이의 상호작용과 분자 사이의 거리가 매우 중요한 영햐을 미치는 점과 몇 가지으 화학기가 발광 재결합가능성을 줄이는 것이 확인됐다. 휘도도 우리나에서는 한국전자통신연구소와한국과학기술원이 공동으로 두 개의 고분자를 섞는 방법, 얇은 관통층을 삽입하는 방법등 독창적인 효율 향상 법을 창안하기도 했다. 유기물 전기발광분야는 짧은 역사에도 불구하고 실용적인 소자에 거의 접근해 있다. 삼원색이 높은 휘도로 얻어졌며 발광효율도 1% 이상이며 만시간 정도 작동되는 것이 보고되었으며 올 하반기에는 일본 파이어니어사가 시제품을 내놓을 예정인 것으로 알려지고 있다.

플라스틱 광섬유도 짧은 거리로 정보를 전달하는 분야, 즉 컴퓨터간 정보교환, 근거리 통신망, 자동차 등의 응용 면에서 매우 관심을 끌고 있다 플라스틱 광섬유는 실리카 광섬유와 동축선이 지닌 단점을 해결할 수 있는 장점을 지니고 있다. 특히 수광각도의 코아 반경이 크고 가시광을 사용하기 때문에 값싼 부품을 사용할 수 있으며 설치가 쉽다는게 장점이다. 최근에는 굴절률이 점진적으로 변하는 플라스틱 광섬유가 개발돼 전송대역폭이 초당 기가비트정도 달성되어 전망을 더욱 밝게 하고 있다.

이외에도 광굴적 특성을 이용한 광정보저장 기술과 액정디스플레이가 유기광전자 기술에 해당된다. 이제까지 무기물로 달성하기 힘들었던 많은 기술들이 유기물로 쉽게 구현이 가능하게 되면 고성능의 소재 및 소자 기술들은 다가오는 정보화 시대를 더욱 풍요롭게 하는데 크게 기여할 것으로 예상된다.

유기 광전가 기술은 더 이상 잠재력에 만 머물러 있는 기술이 아닌 현실적인기술이 되고 있다.