반도체 미세 회로 정밀도·안정성 향상 기여
유기 '잉크'로 새긴 회로를 더 미세하고 반듯하게 만들 수 있는 물질이 개발됐다. 플렉시블 디스플레이나 웨어러블 전자기기에 들어가는 유기 반도체 회로를 더 정밀하게 패터닝할 수 있다.
개발 주역은 김봉수 UNIST 화학과 교수팀과 조정호 연세대 교수팀 공동 연구팀이다. 공동 연구팀은 유기 반도체 고분자와 잘 섞이면서 고분자 사슬을 효율적으로 연결해주는 새로운 '광가교제(Diazo-6Bx)'를 개발했다고 2일 밝혔다.
광가교제는 유기 반도체 용액공정에 쓰이는 물질이다. 광가교제를 섞은 반도체 잉크를 기판에 바른 뒤 회로 모양대로 자외선을 쬐면, 회로 모양의 잉크만 단단하게 고정된다. 나머지 부분을 용매로 씻어내면 회로 형태만 남게 된다.
공동 연구팀이 개발한 광가교제는 탄화수소 계열 유기 반도체와 잘 섞이고, 고분자 사슬을 촘촘하고 균일하게 연결할 수 있다. 덕분에 세척할 때 회로 가장자리가 덜 깎여 나가고 빛을 받은 영역과 받지 않은 영역의 경계도 또렷하다.
기존 광가교제는 플루오린이 많이 붙은 형태의 광가교제라 탄화수소 기반 유기 반도체와 잘 섞이지 않았다. 가교제가 뭉치거나 고르지 않게 퍼져 회로 가장자리가 깎여 나가기 쉬웠다. 소자 성능을 떨어뜨리는 '트랩'도 잘 생겼다. 트랩은 회로 내부 물질에 생긴 결함 등으로 반도체 전하 흐름이 방해받는 현상이다.
개발 광가교제를 넣은 반도체 잉크로 직선을 패터닝한 결과, 설계 선폭 편차가 기존 10.3마이크로미터(㎛)에서 2.5㎛로 약 4분의 1 수준으로 줄었다. 가장자리 각도는 67.9도에서 수직에 가까운 87도로 높아졌다.
전하 트랩으로 인한 소자 성능 저하도 줄었다. 트랜지스터에 4000초 동안 일정한 전압을 가한 뒤에도 기존 대비 전류 감소와 문턱 전압 변화가 작았다.
연구팀은 p형과 n형 고분자 반도체 패턴에 적용해 기판 위에 84개 트랜지스터 소자로 구성된 유기 박막 트랜지스터(OTFT) 어레이, 상보형 논리 회로(NOT, NAND, NOR 게이트)를 만드는 데 성공했다.
김봉수 교수는 “개발 광가교제는 유기 반도체 회로를 더 미세하고 균일하게 만들면서도 소자의 작동 안정성을 높일 수 있다”며 “대면적 유연 디스플레이와 웨어러블 전자기기의 생산 공정을 단순화하는 데 도움이 될 것”이라고 말했다.
울산=임동식기자 dslim@etnews.com
