[하이라이트] 유연 인쇄전자 회로 및 디스플레이 개발

서론

유기물 반도체 재료는 용액상태로 저온공정을 통해 서 전자 소자를 제작할 수 있기 때문에 휴대용 저가 전자소자를 구현하는데 적합한 재료로 알려져 있다.

현재 이러한 유기물 반도체 재료의 가장 대표적인 응 용 분야로 최근 상용화가 이루어진 유기전기발광소자 (OLED; Organic Light-Emitting Diode)를 들 수 있으며, 그 다음으로 유기박막트랜지스터(OTFT;

Organic Thin-Film Transistor)와 유기박막태양전지 (OPV; Organic Photo-Voltaic)가 다음 상용화를 목 표로 전 세계적으로 활발히 연구되고 있다. 이 중 OTFT의 대표적인 응용분야로는 flexible 전자종이와 full color display의 구동소자나 개별물품단위 인식을 위한 저가의 RFID tag(Radio-Frequency Identification tag) 등에 사용될 것으로 예측되고 있다. 또한, 향후 기술 개발 정도에 따라서 wearable 전자소자, 두루마 리 디스플레이 등 상상 속에서만 가능한 제품을 실현 하는데 응용될 수 있을 것으로 기대된다. 니케이 일렉 트로닉스에서 2007년 보고한 플라스틱 전자소자의 기 술 개발 로드맵을 [그림 1]에 나타내었다. 이동도 및 주파수 특성이 크게 향상되는 2020년 이후에는 인쇄 전자회로를 바탕으로 한 플라스틱 CPU가 대부분의 a-Si 기반 소자를 대체할 것으로 예측하고 있다. 이 시점에서는 착용 및 입을 수 있는 컴퓨터나 두루마리 컴퓨터의 실제 구현이 가능할 것으로 예상된다. 플라 스틱 전자 산업 분야는 2007년부터 시장이 형성되어 점진적인 성장을 이루다가 기술이 성숙될 2013년에는

170억 달러, 2025년에는 2,759억 달러로 급격한 시장 성장이 예측되고 있다. 또한 iSuppli사의 2006년 예측 자료와 Nanomarkets사의 2007년 예측 자료에 의하 면 플라스틱 디스플레이의 시장 규모는 2012년 약 300억 달러에 달하고 플라스틱 RFID가 45억 달러, 플 라스틱 전원 장치가 17억 달러, 플라스틱 센서가 12억 달러, 조명 분야 6억 달러, 기타가 10억 달러로 예측되 고 있다[1]. 2008년 유럽의 Organic Electronics Association(OE-A)에서 발표한 시장예측자료에서도 2027년에는 유기물 전자재료를 기반으로 하는 유기 전자소자의 시장이 약 3천억 달러 규모가 될 것으로 예측하고 있다. 따라서, 이러한 예측이나 현재의 기술 발전 추이로 볼 때 유기물 전자재료를 기반으로 하는 전자소자는 공정 단순성과 가격 경쟁력을 바탕으로 나름대로의 시장을 개척할 것으로 전망하고 있다.

유기물 반도체 재료는 분자 내에서 탄소와 탄소가 2 중 결합과 단일 결합을 교대로 하는 구조를 지닌 공액 단분자와 고분자(conjugated polymer) 재료를 말하 며 주로 전달하는 전하의 종류에 따라서 전자-전달형 (n형)이나 정공-전달형 (p형) 재료로 나뉠 수 있다.

Dopant의 종류에 따라 같은 재료로부터 n형이나 p형 특성을 모두 얻어낼 수 있는 실리콘 재료와는 달리 유 기물 반도체 재료는 일반적으로 그 분자가 갖는 작용 기가 가지고 있는 전자-당김(electron withdrawing) 특성 혹은 전자-주기(electron donating) 특성에 따라 하나의 특정 전하만을 주로 전달할 수 있는 성질을 가 지게 된다. 전자와 정공은 유기물 반도체 박막 내에

유연 인쇄전자 회로 및 디스플레이 개발

강석주, 노용영

한밭대학교 화학생명공학과, [email protected]

존재하는 분자 사이를 주로 Hopping Mechanism을 통해서 전달되며 분자들도 비교적 약한 van der Waals 인력으로 결합되어 있어서 유기반도체는 단결 정 실리콘과 같은 높은 이동도를 이론적으로 얻을 수 없다. 따라서, 유기물 반도체 재료로는 비정질 실리콘 과 같은 수준 내에서의 전하 이동도가 가능하기 때문 에 비정질 실리콘의 응용분야를 용액공정으로 대체하 거나 낮은 이동도로도 충분히 응용 가능한 새로운 분 야에 적용하기 위한 연구가 현재 주를 이루고 있다.

용액을 기반으로 하는 인쇄 기술은 컴퓨터의 개발 과 함께 급속도로 발전해 왔으며 최근에는 용액상으 로 공정이 가능한 여러 기능성 유기물 잉크들이 개발 되면서 산업적으로 활발하게 응용되고 있다. 이러한 접근의 가장 큰 장점은 기존의 기술들에 비해 비교적 저렴하고 단순한 공정이라는 점을 들 수 있다. 가령 간단한 예로 유기반도체 고분자를 프린팅하여 CMOS 인버터(inverter)를 제작하고자 하면 기존의 포토리 소그라피 (photo-lithography)를 통한 유기반도체 재 료의 패터닝 없이 n형과 p형 유기반도체 잉크를 원하

는 부분에 각각 프린팅하여 lift-off나 developing 같 은 추가적인 공정 없이 간단하게 제작할 수 있다[2].

이러한 다양한 직접 인쇄기술(graphic art printing techniques)이 최근에는 용액공정용 반도체, 도체 잉 크들을 프린팅하여 전자소자를 제작하는 인쇄전자 분 야에 응용되고 있으며[3], 본 기고문에서는 이러한 인 쇄전자 분야에 적용되고 있는 고분자 반도체 재료와 이를 통해 제작된 OTFT 및 회로 제작에 대해서 개 괄적으로 소개하고 향후 개발 가능성 등에 대해서 살 펴보고자 한다.

본론

1) 공액고분자 반도체[4]

유기 반도체는 분자 내에서 탄소와 탄소가 이중결 합과 단일결합을 교대로 하는 구조를 지닌 저분자 (small molecule)와 공액 고분자(conjugated polymer) 재료를 말하며, 실리콘 재료에서와 같이 도펀트 (dopant)의 종류에 따라 같은 재료로부터 n- 이나 p- type 특성을 모두 얻어낼 수 있는 특성을 가지고 있지 유연 인쇄전자 회로 및 디스플레이 개발

<자료: Nikkei Electronics, 2007>

그림 1. 플라스틱을 기반으로 한 인쇄 전자 소자의 로드맵.

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않다. 따라서 유기물 반도체 재료는 대체로 그 분자가 갖는 작용기가 전자 흡수(electron accepting) 또는 정공 흡수(hole accepting) 특성이 좋으냐에 따라 일 반적으로 한 가지 재료가 특정 전하를 보다 높은 이동 도로 전달하게 된다.

OTFT 및 OPV에 적용되어질 수 있는 반도체 고 분자물질들은 두 가지 필수적인 구조적 특징을 가지 고 있어야 한다. [그림 2] 첫 번째는 연결된 불포화 단위 고분자 사슬을 따라 확장된 π궤도들로 구성되어 진 π-공액 주사슬(backbone)이며 이러한 구조들을 통해 전하 이동이 이루어지는 것이다. 그리고 두 번째 는 고분자 주사슬에 용액화시킬 수 있는 치환기를 연 결시키는 것이다. 이러한 치환기는 복잡하지 않고 값 이 싼 용액 공정이 가능하게 하며 이를 통해서 고체 상태에서 주사슬의 상호작용을 더욱 좋아지게 하여 자기조립이 잘 이루어지게 하는 이점을 부여하게 한 다. 또다른 고분자 구조의 중요한 매개 변수는 분자량 (Mw)과 다분산 지수(PDI)이다. 이러한 변수들이 용 해도와 형성 유동뿐만 아니라 박막형성 및 표면 형태 에 영향을 주기 때문이다. 따라서 낮은 분자량(저중합 체)에서 높은 분자량(고분자)으로 형성되어질 때 그 에 해당하는 전기적 성질, 열적 성질 및 고분자의 미

세 구조가 다양하게 변하게 되는 것이다. 그렇기 때문 에 고분자의 분자량과 다분산 지수를 일정하게 유지 하는 것이 유기 전자 소자에 적용할 때 재현성을 높이 는데 중요하게 여겨지고 있다. 유기 전자 소자에 적용 되는 대부분의 싸이오펜 기반의 고분자들은 보통 20~30 kDa의 수평균 분자량과 1.2~1.8의 다분산 지 수를 이상적인 값으로 유지하고 있다.

이러한 특성을 가지고 있는 π-공액 반도체 고분자 들이 단분자 물질들에 비해 이로운 점은 용액 공정으 로 박막을 형성하였을 때 일반적으로 매우 균일하게 매끄러운 표면을 형성한다는 점이다. 이로 인해 넓은 면적의 박막구조와 표면 형성의 조절이 가능하게 해 주어 대량 생산의 산업화에 더욱 가까운 특성을 지니 게 되는 것이다. 이러한 고분자 결정은 보통 광전자 소자들의 크기보다 훨씬 작은 크기를 가지고 있어서 등방성의 전하 이동 특성을 나타내고 있다. 따라서 소 자를 제작하였을 때 그 특성의 변화율이 낮고 TFT 소자를 집적화하여 회로를 만들었을 때 일정한 성능 의 제품을 쉽게 만들 수 있게 해준다.

고분자형태의 반도체 물질이 처음 개발되었을 때는 자기 조립화(self-assembly)할 수 있는 능력의 부족 과 분자 구조적 결함으로 인해 그 성능이 유기 단분자 그림 2. 유연 인쇄전자소자용 공액고분자 반도체 소재의 대표적인 구조.

반도체보다 낮은 값을 나타내었다. 하지만 최근에는 유기 단분자 반도체물질과 상응하거나 그보다 좋은 전기적 특성을 보이는 고분자 물질들이 개발되어지고 있다. [그림 3]에서 나타내어지고 있는 p-type 고분 자 물질들 중에서 P3HT[poly(3-hexylthiophene)]

나 PQT-12[poly(3,3″’-didodecylquarterthiophene)]

그리고 PETV12T[poly(1,2-(E)-bis[2-(5-bromo- 3- dodecyl-2-thienyl)-5-thienyl]ethene)]와 같은 p 형의 고분자 물질들은 최적화된 공정에 따라 1~2×

10^-1 cm²/V·s의 성능을 보임으로서 기존의 단분자 물질인 펜타센의 성능 및 a-Si을 기반으로 하는 전하 이동도와 비슷하게 특성을 보이고 있다. 특히 PETV12T와 같은 물질은 PQT-12의 반복 구조 중 앙의 두 thienylene moiety 사이에 vinylene 단위체를 삽입하여 고분자의 주사슬에 coplanarity를 증가시키 는 시도를 한 물질로 확장된 공액 구조를 갖게 함으로 서 반도체의 밴드갭 에너지(Eg)를 낮추게 한다. 이런 간단한 구조 변화로 밴드갭 에너지를 낮추는 방법은 ambipolar 물질을 적용할 때 소스/드레인 전극과의

저항을 LUMO와 HOMO 두 에너지 준위에 맞춰 줄 이는데 효과적인 것으로 제시되어지고 있다. 이와 함 께 두 개의 싸이오펜 분자 사이에 싸이오펜 분자들의 이중결합형태를 만들어줌으로써 pBTTT 계열의 물 질이 ~1 cm²/V·s 에 가까운 전하 이동도를 보이는 성과를 보여주어 더 이상 비정질 실리콘을 기반으로 하는 소자에 뒤지지 않는 발전을 해오고 있다. 이와 같이 고분자 반도체 물질의 개발로 인하여 향후 그 성 능이 더욱 높아질 것으로 예상되어지고 있다.

인쇄 기술을 이용하여 고분자 반도체 물질을 다양한 소자 및 전자 제품에 적용하기 위해서는 기존의 p형 고분자 반도체 외에 n형 고분자 반도체 재료가 요구되 어진다. n-channel을 형성할수 있는 첫 번째 물질로는 poly(benzobisimidazobenzophenanthroline)(BBL)과 그와 유사한 구조의 BBB이다. [그림 4] ladder형태의 고분자들은 스핀코팅된 단분자 물질과 비슷하게 0.1 cm²/V·s 정도의 높은 전자 이동도를 나타내며 이외 에도 indenofluorene과 bisindenofluorene core를 기반 으로하며 C=O와 C=C(CN)2치환기를 가지는 물질 유연 인쇄전자 회로 및 디스플레이 개발

그림 3. 유기박막트랜지스터용 대표적인 p-type 고분자 소재의 화학적인 구조.

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들이 개발되어짐으로써 전자가 효율적으로 이동되어 질 수 있는 고분자들이 발표되었다. 최근에는 이와 관 련하여 NDI[naphthalene bis(dicarboximide)] 및 PDI[perylene bis(dicarboximide)] 계열의 고분자 반 도체 물질이 Northwestern 대학의 A. Facchetti와 Tobin J. Mark 그룹에서 출자한 Polyera 회사를 선 두로 하여 공기 안정성과 전하 이동도가 우수한 n- type 고분자 유기 반도체 소재를 개발하여 주목할만 한 트랜지스터 적용 결과들이 보고되어지고 있다. 이 러한 n형의 물질들은 일반적으로 낮은 LUMO level 을 가지고 있어 공기 안정성이 매우 우수할 뿐만 아니 라 P(NDI2OD-T2) [N2200, Polyera Inc.]와 같은 물질은 0.45~0.85 cm²/V·s의 높은 전자 이동도를 나타내고 있어 기존의 p형 고분자에서 보여주었던 성 능에 뒤지지 않는 전하 이동도를 보여주고 있다.

2) 인쇄 기술

프린팅 공정을 이용한 유기박막트랜지스터에 관한 연 구는 저가(low-cost)이고, 대량생산(mass production)

이 가능하며 종이나 플라스틱과 같은 다양한 유연 기 판위에 인쇄가 가능하다는 장점 때문에 상업 및 실험 적으로 많은 연구가 진행되어지고 있다. 유기 박막 트 랜지스터 제작에 사용되어지는 프린팅 공정은 잉크젯 프린팅(ink-jet printing), 레이저 전사 프린팅(laser induced thermal printing), 미세 접촉 프린팅(µ- contact printing), 에어로졸 젯 프린팅(aerosol jet printing), 스크린 프린팅(screen printing), 그라비아 프린팅(gravure printing), 그리고 플렉소그래피 프린 팅(flexography printing) 등이 있다.

이러한 다양한 용액 공정을 위한 많은 프린팅 공정 중에서 잉크젯 프린팅은 극히 적은 양의 용액을 기판 의 원하는 위치에 도포하는 방법을 장점으로 하여 유 기발광 소자나 유기 박막 트랜지스터와 같은 유기 전 자 소자의 제작에 가장 많이 사용되는 프린팅 방법이 다. 잉크젯 프린팅은 피에조 방식과 버블젯 방식이 많 이 사용되는데, 피에조 방식은 노즐 바로 위에 피에조 소자(전압에 의해 변형되는 소자)를 배치하고 여기에 전기적인 신호를 전달함으로써 용액을 밀어내 한 방울 그림 4. 유기박막트랜지스터용 대표적인 n-type 고분자 소재의 화학적인 구조.

씩 분사하는 원리로 구동되어진다. 이와 더불어 버블 젯은 용액에 열을 가함으로써 순간적인 기포를 발생시 켜 그 압력차에 의해 용액이 분사되어지는 방식이다.

이와 같이 피에조 방식은 버블젯 방식과 달리 용액에 직접적으로 열을 가하지 않아도 되기 때문에 다양한 유기물 용액의 공기 내 열적 안정성을 배제할 수 있어 유기 전자 소자의 제작에 더 적합한 방식으로 알려져 있다. 이러한 잉크젯 프린팅 공정은 재료의 소모량이 매우 적고 상대적으로 정밀도가 뛰어나며 노즐이 기판 위에 직접 닿지 않는 방법이기 때문에 접촉에 의한 소 자의 손상을 배제할 수 있다는 장점이 있다. 하지만 프 린팅 속도가 느리고 패턴의 균일성 등에 문제가 있어 고속 인쇄를 위한 다노즐화, 노즐의 고밀도화 및 압력 주파수의 고주파화 등의 개발이 요구되어지고 있다.

3) 유연 인쇄전자 트랜지스터 및 회로 개발

인쇄법을 활용한 RFID 분야에서 현재 가장 앞선 기술력을 보유한 곳은 독일의 PolyIC이며 현재 세계 에서 가장 활발하게 유기물 플라스틱 RFID를 연구 개발 중에 있다. 그들은 2005년에 13.56 MHz를 시연 하고 이를 바탕으로 2008년에는 간단한 메모리를 부 착하여 ID tag로 응용된 PolyID 등의 간단한 응용제 품을 발표하였다. 2010년부터는 EPC(Electronic

Product Code)를 제품화한다고 발표하고 있다. 그 외 에도 Organic ID, IMEC, Holst center 등에서 관련분 야를 연구하고 있으며, 국내에서는 한밭대 노용영 교 수팀을 비롯해서 광주과기원, ETRI, 순천대와 파루 등에서 Printed RFID 관련 연구를 수행하고 있다.

본 연구팀에서는, p-형과 n-형의 유기 반도체 층의 선택적인 패턴을 통한 공정[5] 없이 ambipolar 공액 고분자들을 이용하여 저가의 대면적 complementary integrated circuits(CICs)를 개 발 하 였 다 [6].

Northwestern 대학의 A. Faccetti 연구진과의 공동 연구로 용액 공정을 통한 세슘(Cs), 염기(Cs2CO3 또 는 CsF) 층을 기존의 진공상태에서 열적 승화로 증착 시키던 방법[7]을 대신하여 간단한 스프레이 코팅만 으로 반도체층과 전하 주입 전극 사이에 electron 주 입 및 hole 차단 층으로 사용함으로써 금(Au)의 일함 수를 ~4.7에서 ~4.1 eV로 줄이는데 성공하였고 이 를 이용하여 뛰어난 hole 이동도와 electron 이동도를 반도체물질인 PTVPhI-Eh와 같은 비대칭 ambipolar 고분자 한 층으로 구현할 수 있었다. 이를 통하여 [그 림 5]에서 나타내어진 것과 같이 제작된 OTFTs에서 반대되는 전하의 전류가 depletion mode 구동에서 효 율적으로 억제되어지기 때문에 (Ion>0.1-0.2 mA 일 때 Ioff<70 nA) 높은 성능의 complementary inverters 유연 인쇄전자 회로 및 디스플레이 개발

그림 5. CsF 계열의 charge injection engineering을 통해서 개발된 ambipolar polymer CMOS ring oscillator[6].

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(gain>50, noise margin>1/2 VDD의 75%) 그리고 5 단계 ring oscillators를 용액 공정이 가능한 ambipolar 고분자로 제작함으로서 발진 주파수(oscillation frequency (fosc))가 ~12 kHz로 고분자 반도체물질을 이용한 소자로는 상대적으로 높은 성능을 얻을 수 있 었다. 위의 제시된 본 연구실의 연구 결과는 ambipolar 고분자를 기반으로 한 complementary OTFT와 회 로를 구현함으로써 대면적의 값싼 유기물 집적회로 (IC; Integrated Circuit)를 유연 기판 위에 제작하는 데 하나의 기초가 될 것으로 생각되어진다.

이와 더불어 유기 전자 소자의 구동 전력을 최소화 하기 위한 발전 연구로 최근에 불소치환된 높은 유전 상수 (k)를 지니고 있는 P(VDF-TrFE)를 트랜지스 터 소자의 절연체로 제작하였고, 절연체와 반도체 물 질 사이의 계면에 게이트 전압에 따라 전자만 축적되 어진다고 현재까지 알려지고 있는 P(NDI2OD-T2) [N2200, Polyera Inc.]를 사용하였을 때 우성 전하인 전자의 이동도는 ~0.1 cm²/V·s로 성능을 크게 떨 어뜨리지 않으면서 열성 전하인 정공의 이동도를 확 연하게 높여주어 단일 소자에서 전자의 이동도와 비 슷하게 만드는데 성공하였으며 이는 세계적인 재료과

학 저널인 Advanced Materials지에 표지 논문으로도 선정되어 그 우수성을 인정받았다. [그림 6] 이러한 정공 이동도의 향상은 반도체 물질 자체의 결정성 및 전기적 성질의 변화라기 보다는 절연체 표면의 -C-F 쌍극자에 의한 에너지 준위의 변화에 의해 소스 (source)와 드레인 (drain) 사이에 두 가지 종류의 전 하의 이동이 훨씬 잘 이루어지도록 에너지 장벽이 줄 어듦으로서 생긴 현상으로 관측되고 있다. 이러한 예 상치 못한 전하의 이동 변화는 n-type 물질인 P(NDI2OD-T2)[8]를 이용하여 높은 성능의 ambipolar CMOS형 inverter와 높은 속도의 RO를 만들 수 있게 해주었으며 그 발진 주파수 (fosc)가 ~3.5 KHz로서 공기 중에서도 안정적으로 작동되어지는 것을 보고하 고 있다. 이러한 일련의 결과들은 top-gate 절연체의 표면 화학공정이 계면에서의 공액고분자 특성을 조절 하고 그에 해당하는 회로의 성능을 향상시킬 수 있음 을 제시하고 있다[9].

강유전체인 P(VDF-TrFE)는 트랜지스터 소자에 절연체로 사용할 경우 큰 유전 상수 (ε=~10.5)로 인 하여 구동 전압을 상당히 낮혀주는 역할을 해주지만 강유전체의 고유 특성 때문에 전기적 이력곡선을 유 발하게 된다. 따라서 이 강유전체 물질에 PMMA를 적정 수준으로 혼합하였을 때 그러한 절연층의 강유 전 특성이 상당히 사라지는 것을 발견하였다[10]. 따 라서, 강유전체인 P(VDF-TrFE)와 PMMA를 적정 수준의 7:3 wt.%로 혼합한 유기 절연체는 구동 전압 을 효율적으로 줄이면서 트랜지스터의 전기적 특성에 서 이력곡선을 상당히 줄여주는 역할을 하여주었다.

일련의 연구를 바탕으로 잉크젯 프린팅으로 p-type 특성이 뛰어난 PC12TV12T와 n-type 특성이 뛰어난 P(NDI2OD-T2)을 회로를 기반으로 하는 전극 기판 위에 선택적으로 프린팅하였을 때 각각의 전하 이동 도가 드레인 전압 (Vd) ±20 V에서 ~0.52 와 ~0.50 cm²/V·s로 거의 비슷한 성능을 보이고 있다[11]. 이 와 더불어 구동 문턱 전압 (Vth)이 각각 –4.9와 4.4 V 로 ±5 V이내에 형성이 되면서 회로를 형성하였을 때 그림 6. P(VDF-TrFE):PMMA blended dielectric layer를 사용하

여 전자와 홀의 전하이동도를 제어하여 ambipolar polymer CMOS ring oscillator[9].

유기물 반도체와 절연체를 기반으로 하는 기존의 소 자들과 비교하였을 때 그 구동 전압이 상당히 작아지 는 것을 알 수 있었다. 이를 통해 [그림 7]에 나타내어 져있는 것과 같이 complementary inverter와 NAND, NOR, OR, 그리고 XOR과 같은 다양한 회로들을 유 연한 플라스틱 기판위에 만드는데 성공하였고 그 기 판을 구부리고 폈다하는 작업을 통해서도 매우 재현 성있게 그 신호가 나타남을 확인하였다.

4) 유연 인쇄전자 메모리 소자 개발[12,13]

효율적으로 전하를 유지할 수 있는 절연체인 poly(2-vinylnaphthalene) (PVN)와 높은 유전 율을 가지면서 절연특성이 뛰어난 poly(vinylidenefl uoridetrifluoroethylene) (P(VDF-TrFE))를 이중층 으로 사용하였을 때 훌륭한 비휘발성 메모리 특성 [14]이 나타내고 있다는 것을 발견하였다[그림 8].

이러한 우수한 메모리 특성은 low-κ/high-κ의 이중 절연체층 내에서 PVN층 내에 가역적으로 전하가 갇 히거나 빠지는 현상으로부터 나오게 된다. 이러한 연 구결과를 통해 본 연구실은 NAND 플래쉬 메모리를 제작하였고 90 V이상의 큰 메모리 윈도우와 ~10⁵이 상의 높은 전류 점멸도를 나타내어 안정하면서도 10² 이상의 횟수에 해당하는 반복적인 구동에도 견딜 수 있는 가역적인 메모리 특성과 함께 20 V 이내에서 구 동이 가능하며 0.01 초 미만의 비교적 짧은 작동시간,

~10⁷의 긴 유지시간(retention time)을 보이는 유기 메모리 소자를 개발하여 일부 절연층까지 잉크젯을 활용하는 획기적인 방식을 통해 우수한 성과를 보고 한바 있다. 이런 연구 성과는 앞으로 USB메모리뿐만 아니라 스마트폰, 나아가서는 TV등 정보의 저장이 필요한 다양한 가전제품에도 적용되어 우리 미래 생 활에 혁신을 가져다 줄 것으로 기대하고 있다.

유연 인쇄전자 회로 및 디스플레이 개발

그림 7. 공액고분자의 잉크젯 인쇄를 통해서 개발된 CMOS기반 유연 logic circuits[11].

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결론

단분자 및 고분자를 이용하는 인쇄전자 분야는 향 후 Si 및 여타 무기물을 기반으로 하는 전자 산업 분 야를 대체할 차세대 소재 및 소자 기술로 전 세계적으 로 활발하게 연구되어지고 있다. 지금까지 본연구실 에서 연구되어져온 용액 공정을 통한 유기물 트랜지 스터와 메모리 소자의 공정 개발 및 그 성능 향상에 대한 결과가 유기물 소자의 인쇄화에 크게 기여하였 고 그 발전 방향을 제시하였다고 생각되어진다. 궁극 적으로는 본 연구실에서 기본적으로 하고 있는 유기 물 트랜지스터 기술을 더욱 발전시켜 인쇄소자의 가 장 큰 시장으로 전망되는 RFID를 유기물 용액으로 인쇄 공정화하여 대량 생산하는 것이다. 이와 함께 안 테나 역시 금속 배선 등을 이용하여 프린트하여 사용 할 수 있으며 이는 단일 상품의 가격을 내려서 시장을 확대하고자 하는 RFID 시장 요구에 가장 적절히 대 응하고 있는 기술로 인정받고 있다. 인쇄 RFID 태그 의 가능성을 믿고 활발하게 움직이는 기업들로는 독 일의 PolyIC, 미국의 IBM과 Organic ID, 노르웨이의 Thin Film Electronics 등이 대표적이다. Organic ID 사는 13.56 MHz rectifier에 사용할 정도의 효율을 갖

는 트랜지스터를 단분자 물질인 pentacene을 이용하 여 제조하였으며 진공장비가 필요로 하는 단분자 물 질을 대체하여 고분자를 인쇄하듯이 프린팅하면 이를 더욱더 산업화하는데 가속화시킬 것으로 예상되어진 다. 이와 같은 유기물 인쇄소자 분야에 있어서는 현재 까지 유럽이 가장 앞서가고 있다고 본다. 유럽은 다양 한 분야에서 인쇄 소자의 적용을 추진하고 있고 상당 한 진전을 보여 상업화 전 단계까지 도달한 분야가 많 이 있다. 한 예로 독일의 PolyIC사는 인쇄된 유기 트 랜지스터를 사용한 RFID tag를 판매하기 시작하였고 궁극적으로 인쇄소자 시장을 끌어가는 원동력이 될 것으로 생각한다. 인쇄전자는 아직까지는 성능이나 정밀도, 신뢰도 측면에서 기존 실리콘 기반 소자에 비 해 향상되어야 할 점이 크다. 따라서 처음에는 인쇄전 자 제품의 장점인 경량, 높은 유연성과 디자인 자유도, 저렴한 가격, 친환경성 등을 활용하여 기존 시장과의 경쟁보다는 신규 시장으로서의 입지를 다지는 단계이 다. 하지만 인쇄전자에 기반으로 한 유기 TFT, 로직 (logic)과 메모리 등의 가격대비 성능이 기존의 것과 필 적할 만한 수준으로 올라간다면 유기물 인쇄전자가 본 격적인 경쟁력을 발휘하게 될 것으로 예상된다. 이와 그림 8. 인쇄기술을 이용하여 개발된 고분자 유연 NAND 메모리 회로[13].

함께 머지 않은 미래에는 플라스틱 전자 소자 기술은 전기, 전자, 반도체, 자동차, 항공 우주, 기계 등 다양한 산업에 혁신적 변화를 초래하여 국가 산업 발전 및 고 부가 가치화의 열쇠가 될 미래 유망 기술로 자리 잡을 것이다.

참고문헌

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