서론
단면의 지름이 1나노미터 정도의 극미세선으로 반 도체 광전소자를 만드는 기술은 세계를 변화시킬 10 대 신기술 가운데 하나로 꼽히며, 현재 나노기술(NT) 분야에서 가장 효율적인 분야 가운데 하나로 평가된 다. 반도체 전자 소자의 소형화(down-scaling)로 소
재의 소형화로의 연구가 진행되어왔고, 기존의 top down 접근방식의 제한성을 뛰어 넘어 bottom up 접근 방식으로 나노 전자 소자(nanoelectronics)에 이용 할 수 있는 기능성 전자 나노구조(functional electronic nanostructures)가 연구되고 있다. 1차원 나노와이어 (nanowire)는 벌크 (bulk) 소재와 다르게 독특한 전
유기 나노와이어를 이용한 광전자 소자
2002 한국과학기술원 생명화학공학과 박사 2003 Bell Laboratories, 박사후 연구원 2008 삼성종합기술원
2008 삼성전자 LCD총괄
현 재 포항공과대학교 신소재공학과 조교수
이 태 우
포항공과대학교 신소재공학과 [email protected]
그림 1. Organic wire의 응용소자.
기적, 광학적, 화학적, 그리고 열적 성질을 갖고 있고, 큰 표면적을 이용해 소자의 효율성을 증대시키고 고 집적을 가능하게 한다. Moore의 법칙에서 예견된 전 자소자의 소형화의 한계점이 다다른 시점에서, 일차 원 구조의 나노물질을 이용해서 전자 및 광학소자들 의 조립 가능성이 실현이 될 경우 인간의 일상생활의 엄청난 변화를 줄 수 있는 잠재성이 있다. 일차원 구 조의 나노물질들이 새로운 전자 소자의 기본 빌딩 블 록이 될 수 있는 가능성이 계속 입증되면서 과학자들 의 큰 관심의 대상이 되고 있다. 나노와이어는 고품질 및 새로운 다기능성 소재의 개발 연구에 중요한 역할 을 하며 레이저나 트랜지스터, 메모리 및 화학감지용 센서(감지기) 등 다양한 분야에 building blocks으로 쓰인다. 지금까지는, 무기 소재에 기초한 나노와이어 에 대한 개발이 많이 이루어져 왔으나, 제한된 기판, 수평 성장 기술의 미흡, core/shell 구조의 어려움, 높 은 공정 비용을 비롯하여 배열 및 정열의 어려움은 무 기 소재의 우수한 광전기적 특성에도 불구하고 실제 응용가능성이 그다지 크지 않다.
일반적으로 유기 반도체는 합성의 용이성, 대량 합
성의 가능성, 용액 공정의 가능성, 분자설계에 의해서 분자 및 전자적 성질의 조절이 용이하다는 장점들이 있다. 따라서 무기 반도체보다 물질의 재료비가 현격 히 줄어들게 된다. 이러한 유기 반도체 나노와이어는 전하 수송 메카니즘을 밝히고 이해하거나 마이크로구 조에서 나노 영역의 역할 및 구조와 성능의 관계를 밝 히는 데에 중요한 모델 시스템 (model system)이 된 다. 또한, 플라스틱 기판과의 친화성(compatibility)이 좋기 때문에 앞으로 플라스틱 기판에 제조되는 플렉 서블 소자를 제작이 용이하다는 점, core/shell 구조를 형성할 수 있다는 점, 기판에 따른 영양이 거의 없다 는 점 및 공정비용이 크게 들지 않는다는 점 등을 고 려할 때 앞으로 유기 반도체 나노 와이어의 응용성이 무기물 반도체에 비해서 크다고 할 수 있다.
유기 나노와이어 응용소자의 국외 연구 동향 최근 5년간(2004~2008) SCI 연구 논문을 Isiknowledge사의 web of science 검색 엔진을 통하여 검색하여 통계를 내어 보았다. (검색식 : Topic = (organic) AND (wire OR rod OR fiber OR nanowire
Univ. Calif - Chemical sensor
- Nanofiber Film Los Angeles - Hydrazine sensing, conductivity change~104
Sensor - Chemical sensor
- Chemical Oxidation Method Zhejiang Univ. - Trimethylamine(5.14x10-7mol/mL) sensing
- Nanowire - conductivity change~104~5
Transistor Univ. Washington - HTP p-transistor, μ=0.27cm2/V·s, Ion/off>103 - Solution deposition - PTCDI n-transistor, μ=10-2cm2/V·s, Ion/off>104 - Nanowire Cornell Univ. - Inorganic/organic mixture - Electrospinning
Diode - Turn on voltage = 3~4V - 300nm nanowire
Univ. Michigan - Fiber-shaped, λ=525~575nm - 480μm polyimide-coated silica fiber
Solar Cell UCLA - Poly(3-hexylthiophene) - Solvent-annealing
- VOC=0.61V, JSC=10.6mA·cm-2, FF=67.4% - Nanofiber matrix Laser Device Univ. Cagliari - p-sexiphenyl, random-lasing, λ~430nm - Molecular beam epitaxy
- Nanofiber 표 1. 유기 와이어 응용소자 국외 연구 동향
소자 연구기관 응용분야 및 연구성과 비고
OR nanorod OR nanofiber)) 통계 대상이 된 논문은 모두 191편으로, 아직까지 Organic 와이어 분야가 아 직 그리 활발히 연구된 분야가 아니라는 것을 알 수 있 다. 논문들을 살펴보면, 가장 큰 비중을 차지하는 것은 저분자 나노와이어(small-molecule nanowire)나 고분
자 나노와이어(polymer nanowire)의 제조 및 특성 측 정에 관한 것으로 문헌 수와 인용 수가 전체에서 각각 70%와 60%로 대부분을 차지하였다[그림 2].
유기 와이어의 응용(application)에 관한 연구는 소 자의 종류에 따라 크게 5가지, 즉 센서(sensor), 트랜지 스터(transistor), 다이오드(diode), 태양전지(solar cell) 및 레이저(laser)로 나눌 수 있다. [그림 3]에서 보는 바와 같이 초기에는 유기 와이어를 이용한 센서의 개 발만이 중점적으로 이루어졌다. 하지만 응용 분야의 전 체 문헌 수가 총 38편으로, 전체적으로 응용에 관한 연 구가 매우 미진한 상태이다. 유기 와이어를 이용한 트 랜지스터가 개발된 것은 불과 2년도 채 되지 않은 상태 로, 고성능의 트랜지스터 개발을 위한 대부분의 연구들 이 진행되지 않은 상태이다. 따라서, 유기 와이어 트랜 지스터의 연구가 집중적으로 이루어져야 할 것이다.
유기 나노와이어 응용소자의 국내 연구 동향 현재, 국내에서 유기 와이어(organic wire) 분야의 제
그림 4. 유기 와이어 제조 방법.
그림 2.
그림 3.
조에 관한 연구는 매우 미비하며, 광전자 소자로의 응용 개발은 거의 이루어지지 않고 있다. 다만, 포항공대의 조길원 교수가 이끄는 팀에 의해 용액성장법(solution growth)을 통한 단결정 마이크로와이어(single- crystalline microwire)의 제조 및 특성 측정이 이루어지 고 있는 실정이지만, 유기나노와이어에 기초한 광전소 자에 관한 국내 연구는 이루어지지 않고 있다.
유기 나노와이어의 문제점
현재까지 개발된 유기 와이어의 제조 방법은 Solution Deposition, Vapor Transport, Solvent-annealing, Aluminum Oxide(AAO) template method, Direct- tip drawing 및 Electrospinning 등이 있다. 하지만, 대부분의 경우, 만들고자 하는 와이어의 굵기와 같은 크기 제어(dimension control)가 어렵거나, matrix 형 태로 얻어지는 와이어는 와이어 하나씩 분리시키기 어려워 와이어의 숫자를 정의하기 어렵다는 단점을 가지고 있다. 그래서, 현재까지 개발된 유기 와이어 제 조 방법으로는 응용 소자를 만드는 것은 물론이고, 재
현성 있는 결과를 얻는 것에도 많은 어려움이 있었다.
현재, 유기 와이어 연구에서 응용 소자개발을 위해 해결되어야 할 문제 점들을 기술하면 다음과 같다.
① 와이어 상태의 전하수송 메카니즘에 대한 이해 부족
유기재료가 1-dimensional 상태에 서 어떤 방식으로 전하수송이 되는지 이해하지 못한 채, 단순히 만들어진 소자의 특성을 측정하는 것에만 그치 고 있다. 전하수송 메카니즘을 이해 하고 이를 조절할 수 있다면, 보다 나 은 전기적 특성을 갖는 와이어를 만 들 수 있으며, 이에 대한 원천기술을 보유하여 유기와이어 소자 제조에 대한 국제적 경쟁 력을 확보할 수 있을 것이다.
② 와이어의 morphology와, morphology의 형성 메카니즘에 대한 이해 부족
유기 와이어가 형성될 때, 분자들의 packing morphology가 어떤 양상을 보이는지, 그리고 특정 morphology가 형성되는 메카니즘에 대한 체계적인 이해가 아직까진 이루어지지 않은 상태이다. 이에 대 한 이해가 충족되면, 와이어 제조 과정에서 그 결과물 의 morphology에 대한 예측이 가능하며, 이는 와이어 를 통해 만들어질 응용 소자의 성능에 대해 신뢰성을 뒷받침해 줄 수 있게 된다.
③ 유기 와이어의 패턴닝(patterning)
현재까지는 실제로 소자가 만들어질 기판이 아닌 다 른 기판 위에서 와이어를 만드는 경우가 많았다. 그래서 이때 만들어진 와이어를 떼어내는 경우, 원하는 기판에 옮겨서 부착시키는 경우에 와이어가 훼손되거나, 원하
- 기존 OTFT 보다 높은 - 굵기, 길이 조절이 힘듦 Solution Deposition
이동도 - 패터닝, 배열이 어려움
- 와이어의 오염가능성이 높다 - 와이어의 오염 가능성이 - 굵기, 길이 조절이 힘듬 Vapor Transport
적음 - 작업 속도가 매우 느림
- 고온 환경 필요
Solvent-annealing - film morphology 향상 - 와이어끼리 엉켜서 분리가 어려움 AAO Template - 수직 정렬 와이어 제작 - 와이어끼리 엉켜서 분리가 어려움
가능 - AAO 제거시, 와이어 형태 무너짐
Direct-tip drawing - 매우 간단한 공정 - 불규칙한 굵기 - 굵기, 길이 조절이 힘듦 - 패턴닝과 정렬이 된
와이어 제작 가능
- 와이어의 morphology 및 전하수송 Electrospinning - 재료 선택의 다양성
메카니즘에 관한 이해 부족 - 굵기, 길이 조절이 용이
- 매우 빠른 공정
표 2. 유기 와이어를 제작하는 여러 방법들의 장단점
종류 장점 단점
는 위치에 제대로 올라가지 않게 되는 일이 많았다. 그 래서 와이어를 형성하는 과정에서 직접 와이어가 원하 는 영역에 제조되도록 하는 기술이 개발되어야 한다.
④ 유기 와이어의 정렬(aligning)
유기 와이어를 제조할 때, 대부분은 matrix나 web 의 형태로 와이어가 얻어지기 쉽다. 하지만 실제 와이 어를 소자에 응용하기 위해, 와이어의 수를 정의할 수 있는 수준이 되어야 한다. 이것이 해결될 경우 한 소 자에 사용하는 와이어의 수에 따른 소자의 특성 비교 가 가능해진다. 또한, 와이어를 한 겹으로 빽빽이 정렬 시켜서 실제 박막 트랜지스터(thin-film transistor)와 의 특성 비교도 할 수 있을 것이다.
⑤ Core-shell 형태를 갖는 와이어 제작의 어려움 현재, 유기 와이어를 제조하는 방식들은 단순히, 와이 어의 성장이 일어나도록 조절하거나, 와이어의 형태를 길게 변형시키는 방법을 이용하기 때문에, 서로 다른 유기 물질이 core-shell 와이어 형태로 존재하게 하는 것은 매우 어려웠다. 이렇게 core-shell 형태를 갖는 와 이어를 제작할 수 있다면, 여기(혹은 Forster) 에너지 전달(energy transfer)용 호스트/게스트 (Host/Guest)
나 도너/억셉터 (donor/acceptor)가 각각 core와 shell 을 갖게 하여, 와이어 형태의 트랜지스터, 발광 다이오 드 및 태양전지를 제조할 수 있다. 또한, 유기 와이어는 core-shell 구조를 통해, 와이어의 보호(passivation)가 가능하게 된다. 그러므로 core-shell 와이어 구조는 추후 에 flexible electronics 및 display나 wearable electronics 의 개발을 위한 핵심 기술이 될 것이다.
⑥ 크기 제어 (Dimension control)의 어려움
위에서 언급한 바와 같이, 현재까지 개발된 유기 와 이어의 제조방식들은 대부분, 와이어의 굵기와 길이 와 같은 크기 제어가 매우 어렵다는 문제점이 있다.
이를 해결해야만, 원하는 크기의 소자 구현 및 소자의 고집적이 이루어질 수 있다.
향후 전망
현재까지, 유기 나노와이어를 이용한 광전자 소자 에 대한 연구는 아주 초기단계에 있다. 아직도 유기 와이어 상태에서 소재가 가지고 있는 전기적 및 광학 적 성질에 대한 연구가 거의 이루어져 있지 않다. 또 한 유기 나노와이어 상태에서의 고분자사슬의 packing morphology에 대한 기초적인 연구와 이런 morphology와 전하 수송 메카니즘과의 관계에 대한 연구가 수행되어 있지 않아 이를 규명하는 연구들을 먼저 수행해야 할 것이다. 이를 통해서 태양전지, 발광 다이오드, 트랜지스터, 발광 트랜지스터, 발광레이저 및 센서 등의 응용 소자를 구현하기 위한 연구를 수행 해야 할 것이다. 무엇보다도 유기 나노와이어를 이용 한 전자 소자 관련하여서는 플렉서블 전자소자로 응 용할 수 있는 중요한 기술이 될 것으로 판단한다. 특히 [그림 5]에서 제안한 것처럼, Wearable electronics을 구현할 때 직접 와이어를 형성하여 전자소자를 구현 하는 방식의 Textile electronics을 구현하기에 가장 적합한 연구 분야일 것으로 판단된다.
