자유로운 형태 차세대 플렉시블 스마트기기 가능성 제시
[아시아경제 김봉수 기자] 최근 플립, 폴더블 등 접을 수 있는 스마트 기기가 인기를 끌고 있는 가운데, 한국 연구진이 핵심 소재인 완전히 접히는 트랜지스터를 세계 최초로 개발했다.
조정오 연세대 교수, 우한영 고려대 교수 공동연구팀은 플렉시블 스마트기기의 핵심 소자인 완전히 접을 수 있는 트랜지스터를 새롭게 개발했다고 20일 밝혔다. 연구팀은 전도성 고분자를 기반으로 선택적 도핑법 및 가교제를 이용해 동종접합 플렉시블 트랜지스터를 세계 최초로 만들었다. 궁극적으로는 휘어지고 접을 수 있으며 형태가 자유롭게 변하는 디스플레이, 센서, 반도체소자와 같은 차세대 플렉시블 스마트기기의 개발 가능성을 제시한 것이다.
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.
또 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.
연구팀은 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 “플렉시블 반도체소자 제작의 핵심 이슈인 이종접합 계면 박리 및 손상 문제를 해결한 연구"로 "단순한 플렉시블 반도체소자가 아닌 완전히 접을 수 있는 반도체소자 제작 기술을 제시한 것”이라고 설명했다.
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이번 연구 결과는 국제 학술지 사이언스 어드밴시스(Science Advances)에 지난 18일자로 게재됐다.
김봉수 기자 bskim@asiae.co.kr
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