포스텍 오준학 교수팀·UNIST 양창덕 교수 공동연구팀

종이처럼 접히는 전자책, 팔찌처럼 편리하게 몸에 찰 수 있는 스마트 기기에 들어가는 반도체는 유연하게 구부러지는 소재로 만들어져 있다. 이러한 스마트기기가 소형화되고 더 많은 기능을 탑재하게 됨에 따라, 고성능 차세대 반도체를 개발하기 위한 경쟁이 계속되고 있다.

특히 핵심소재로 각광받고 있는 고분자 반도체는 무기 반도체와 달리 화학 용매에서 불안정해 기존 설비를 이용하기 어려운 단점을 가지고 있다.

포스텍(포항공대, 총장 김도연) 화학공학과 오준학 교수팀, UNIST 양창덕 교수 공동연구팀은 빛과 그림자를 이용하는 간단한 포토리소그래피 공정을 적용할 수 있는, 내성이 강한 고분자 반도체를 개발하고 이를 이용해 대면적(大面積) 화학센서를 만드는데 성공했다.

재료과학분야의 권위지 ‘어드밴스드 머티리얼즈(Advanced Materials)’지 최신호 표지논문으로 게재된 이 연구성과는 특히 이미 상용화된 공정에 바로 적용이 가능하고, 제작 비용이나 제작 시간도 크게 단축하면서도 고분자 반도체로서의 장점은 그대로 유지해 상용화를 성큼 앞당길 것으로 기대된다.

틀에 빛을 쪼여 생기는 그림자의 모양대로 회로가 새겨지도록 하는 포토리소그래피 공정은 특히 전자회로를 만들 때 미세패턴을 구현하기 위해 널리 활용돼 왔지만, 고분자 반도체에 적용하면 반도체의 성능이 급격하게 저하된다는 단점이 있었다.

이 때문에 불소를 분자 구조에 넣거나, 보호막을 만드는 등 다양한 방법이 이용됐지만, 두 방법 모두 합성이 어려워지거나, 제작비용 상승으로 이어졌다. 그 대안으로 잉크젯 프린터를 이용하는 방법도 있었지만, 미세한 패턴을 만들기 어렵거나 패턴이 균일하게 인쇄되지 않는 등 어려움이 많았다.

연구팀은 물을 튕겨내는 성질과 함께 화학물질에 대한 내성이 강한 실록산(siloxane)기를 포함한 양극성 고분자 반도체를 개발했다. 상온에서 용액상에서 만들어진 이 고분자 반도체 박막은 열처리 후에 녹지 않는 특성을 지녔다. 여기에 그래핀 전극을 붙임으로써 통상 사용하는 금 전극에 비해 50배 이상 전자이동도를 향상시켜 고성능 양극성 유기 트랜지스터 회로를 구현하는데 성공했다.

이 회로는 물이나 에탄올, 아세톤과 같은 다양한 유기용매에 담가두어도 전기적 성능이 그대로 유지되는 등 화학적 내성이 강해 고성능 가스센서로 응용될 수 있었다.

연구를 주도한 오준학 교수는 “이번 결과는 상용화된 공정에 적용 가능한 안정성이 높은 고분자 반도체 소재와 센서 회로 응용에 관한 것으로, 차세대 웨어러블 스마트기기 상용화를 앞당길 수 있는 원천 기술”이라고 의의를 설명했다.

한편, 이 연구는 미래창조과학부의 글로벌 프런티어 ‘나노기반 소프트일렉트로닉스연구단’의 지원으로 수행됐다.

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