Organic Thin Film Transistors Fabricated by Printing Process
Beom Joon Kim and Jeong Ho Cho† Department of Organic Materials and Fiber Engineering
Abstract: 가격이 저렴하고 충격에 의해 깨지지 않으며 구부리거나 접을 수 있는 미래형 디스플레이의 구현을 위해 이를 구성하는 기본 단위소자인 유기박막트랜지스터(organic thin film transistors)의 개발이 아주 중요한 연구분야로 대두되고 있다. 이러한 유기박막트랜지스터의 실질적인 응용을 위해 저가이며 용액공정이 가능한 고성능 전자소재 (절연체, 반도체, 전도체)의 개발과 개발된 소재를 프린팅 공정을 통해 종이나 플라스틱 위에 패턴하는 기술이 절실히 요구된다. 본 고에서는 유기박막트랜지스터 제작에 사용되는 다양한 프린팅 공정에 대한 소개와 연구 동향에 대해 논하고자 한다.
Keywords: organic thin film transistors, printing process, flexible display, low cost, mass production
1. 서 론
1)
미래형 디스플레이소자는 소형화, 박형화 및 복 합화의 경향을 거쳐 휘어질 수 있으며(flexible) 착 용할 수 있는(wearable) 전자소자로 발전해 나가 고 있다. 특히 현재 상용화되고 있는 여러 디스플 레이소자들의 성능을 보완함으로써 실질적인 적 용 측면에서 주목받고 있는 단위 소자 중의 하나 가 유기박막트랜지스터(organic thin film transis- tor, OTFT)이다. 유기박막트랜지스터에 관한 연구 는 1980년대 초반부터 시작되었으나 반도체 특성 을 보이는 유기소재를 이용한 소자에 대한 관심이 고조되면서 근래에 들어 유기반도체를 이용한 트 랜지스터에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다.
소자의 제조 공정이 간단하고 비용이 저렴하며 외 부 충격에 의해 깨지지 않고 구부리거나 접을 수 있는 플렉서블디스플레이가 미래기반산업에 필수 적인 요소가 될 것으로 예상되고 있으며 이러한 요구를 충족시킬 수 있는 유기박막트랜지스터의
† 주저자 (E-mail: [email protected])
개발은 매우 중요한 차세대 연구분야로 각광받고 있다.
저가의 플렉서블 유기박막트랜지스터의 실현을 위해서는 높은 소자 성능을 가능하게 하는 용액 공정용 전자 소재(전도체(conductor), 절연체(in- sulator), 반도체(semiconductor))의 개발과 개발된 각각의 소재를 프린팅 공정을 통해 패턴 하는 기 술이 요구된다. 유기전자소자의 경제성은 대면적 의 종이나 플라스틱 기판 위에 각각의 전자 소재 를 roll-to-roll 공정에 적합한 고출력의 프린팅을 이용한 패턴에 의해 달성될 수 있다. 따라서 지금 까지 많은 연구자들에 의해 전도체, 반도체, 그리 고 절연체 특성을 지닌 다양한 고성능 잉크의 개 발이 진행되고 있고 플라스틱 기판 위에 이러한 전기 소재의 프린팅 또한 많은 발전을 거듭하고 있다. 하지만 향상된 프린팅 성능과 소자 성능을 위한 소재 개발 및 최적의 프린팅 기술의 개발은 아직 많은 도전을 필요로 하고 있다. 따라서 본고 에서는 플렉서블 유기박막트랜지스터 제작을 위 해 사용되는 다양한 프린팅 공정에 관한 소개와 연구동향에 관해 논의하고자 한다.
Figure 1. 저가의 대량생산이 가능한 flexible electronics.
2. 유기박막트랜지스터의 동작원리
유기박막트랜지스터는 두 개의 전극 사이의 전 류 흐름을 게이트에 인가되는 전압을 통해 제어하 여 전류가 흐르는 상태와 흐르지 않는 상태를 제 어해 주는 스위치 소자이다. 유기박막트랜지스터 는 Figure 2에서 보는 바와 같이 소스(source), 드 레인(drain), 그리고 게이트(gate) 전극과 유기반도 체(organic semiconductor)와 게이트 절연체(gate insulator)로 이루어진다. 일반적으로 p형 트랜지 스터의 경우 게이트 전극에 음의 전압을 가하게 되면 게이트 절연체의 분극 현상에 의해 유기반도 체와 게이트 절연체 계면에서 양 전하가 모이게 되고 이때 드레인 전극에 음의 전압을 가하게 되 면 소스에서 드레인 전극으로 양의 전하가 이동하 는 원리를 가진다. 반대로 n형 트랜지스터의 경우 게이트와 드레인 전극에 양의 전압을 가해 전자의 이동을 유도한다.
유기박막트랜지스터의 전기적 특성은 Figure 3 에서와 같이 소스와 드레인 전극 사이에 전압 (VDS)을 고정하고 게이트 전압(VGS)의 변화에 대 한 소스와 드레인 사이의 전류(IDS) 변화를 나타내 는 전달 특성(Transfer Characteristics)과 VDS에 대 한 IDS의 변화를 각각의 VGS에 대해 나타내는 출력 특성(Output Characteristics)을 측정하여 평가한다.
유기박막트랜지스터의 성능을 나타내는 요소인 field-effect mobility, on/off current ratio, thresh- old voltage와 subthreshold swing은 saturation 영
Figure 2. 유기박막트랜지스터의 구조.
Figure 3. 유기박막트랜지스터의 전기적 특성 그래프; (a) 전달 특성, (b) 출력 특성.
역에서 소자의 전달 특성을 측정함에 의해 결정된 다. 그 중에서 field-effect mobility는 아래 방정식 을 통해 유도된다.
여기서, µ: field-effect mobility, Vth: threshold volt- age, Ci: specific capacitance, W: channel width, L: channel length이다. 그리고 on/off current ratio 는 소자의 switch on 상태와 off 상태의 전류의 비 를 말하고 threshold voltage는 소자가 켜지기 시작 하는 시점에서의 전압이며, subthreshold swing은 전류를 한 오더 증가시키는데, 필요한 전압의 변 화를 말한다. 이러한 각각의 요소는 트랜지스터를 구성하는 고성능 전극, 게이트 절연체, 유기반도체 소재를 선택하고, 각각의 필름 형성 기술 및 후처 리 공정을 최적화함에 의해 제어가 가능하다.
3. 프린팅 공정을 이용한 유기박막트랜지스터 연구동향
프린팅 공정을 이용한 유기박막트랜지스터에 관한 연구는 저가(low-cost)이고, 대량생산(mass
Inkjet
PEDOT 5~20 F8T2 0.02 105
Soluble Pentacene － － > 0.01 104
P3OT － － 0.002 70
MIMIC Polyaniline 25 P3HT 0.05 －
Thermal imaging Polyaniline/SWNT 22 pentacene 0.2 105
production)이 가능하며 종이나 플라스틱과 같은 다양한 기판이 적용이 가능하다는 다양한 장점 때 문에 많은 연구가 진행 중이다. 유기박막트랜지스 터 제작에 사용되는 프린팅 공정은 잉크젯 프린팅 (Ink-Jet Printing), 레이저 전사 프린팅(Laser-in- duced thermal imaging), 미세 접촉 프린팅(µ- contact Printing), 에어로졸 젯 프린팅(Aerosol Jet Printing), 스크린 프린팅(Screen Printing), 그라비 아(Gravure Printing), 그리고 플렉소그래피 프린 팅(Flexography Printing) 등이 있으며 원리 및 유 기전자소자 제작으로의 적용에 관한 연구 동향은 다음과 같다.
3.1. 잉크젯 프린팅(Ink-Jet Printing)
지금까지 잉크젯 프린팅은 가정이나 오피스에 서 전기적인 신호를 종이에 전달하는 수단으로 많 이 사용되어 왔다. 하지만 최근 들어 많은 산업적 인 제조 공정에서 소량의 소재를 원하는 위치에 도포하기 위한 방법으로 많은 관심을 받고 있다.
또한 유기발광소자나 유기박막트랜지스터와 같은 유기전자소자 제작에 가장 많이 사용되는 프린팅 방법이기도 하다. 잉크젯 프린팅은 피에조 방식과 버블젯 방식이 많이 사용되는데, 피에조 방식은 노즐 바로 위에 피에조 소자(전압에 의해 변형되 는 소자)를 배치하고 여기에 전기적인 신호를 전 달해 잉크를 밀어내 잉크 방울을 내뿜는 방식으로 마치 케첩 튜브를 눌러 케첩을 짜내는 것과 마찬 가지의 원리이다. 버블젯은 잉크에 열을 가해 순 간적으로 기포를 발생시켜 그 압력에 의해 잉크가
토출되는 방식이다. 피에조 방식의 경우 잉크에 열을 가하지 않아도 되기 때문에 헤드의 수명이나 다양한 잉크의 적용 측면에서 유기전자소자 제작 에 더 적합한 방식으로 알려져 있다. 이러한 잉크 젯 프린팅 공정은 재료의 소모량이 적고 상대적으 로 정밀도가 뛰어나며 노즐이 기판에 닿지 않는 비접촉 인쇄방법이기 때문에 접촉에 의한 소자의 손상을 배제할 수 있다는 장점이 있다. 하지만 기 판의 표면에너지에 따른 잉크의 번짐이나 균일하 고 연속적이 패턴을 형성할 수 없다는 단점이 있 다. 또한 패턴을 순서대로 형성해야 하기 때문에 속도가 느리므로 고속 인쇄를 위한 다노즐화, 노 즐의 고밀도화, 주파수의 고주파화 등의 개발이 절실히 요구된다. 잉크젯 공정으로 제작된 유기박 막트랜지스터의 몇 가지 예를 살펴보면 Cambridge 대학의 H. Sirringhaus 그룹에서는 패턴된 폴리이 미드(polyimide) 기판 위에서 잉크젯 프린팅을 통 해 도포된 전도성 고분자 용액의 dewetting 현상 을 이용해 유기박막트랜지스터를 제작하였으며 두 개의 트랜지스터를 연결하여 인버터 소자를 제 작하는데 성공하였다(Figure 4). 그리고 일본 동경 대의 T. Someya 그룹에서는 잉크젯 프린팅을 이 용해 서브 마이크론 스케일로 형성된 Ag 소스/드 레인 전극을 보고하였다. 또한 포항공대 조길원 교수 연구팀은 용액공정이 가능한 펜타센 유도체 를 잉크젯 프린팅함에 있어 함께 넣어준 용매의 종류와 기판의 표면에너지가 패턴 된 펜타센 유도 체의 결정 구조와 표면 몰폴로지 및 소자 특성에 미치는 영향을 체계적으로 연구한 바 있다.
Fiugre 4. 잉크젯 프린팅과 이를 이용해 제작된 유기박막트 랜지스터와 인버터 소자.
3.2. 레이저 전사 프린팅(Laser-induced Thermal Patterning)
레이저 전사 프린팅은 3M과 삼성 SDI가 LCD 용 칼라 필터를 패턴 하기 위해 개발한 방법으로 레이저의 초점을 열변환층(light-to-heat conversion layer)에 맞추어 도너 필름에 코팅된 소재를 기판 에 전사하는 방식이다. 레이저가 가해질 경우 열 변환층에 의하여 발생된 열과 레이저의 압력에 의 해 도너 필름 위의 유기물이 기판으로 이동하게 된다. 이러한 드라이 패턴 전사방식의 장점은 유 기용매의 오염 없이 고해상도, 다층박막의 패턴이 가능하다는 것이다. 하지만 열에 의한 유기반도체 소재의 손상을 피하기 힘들고 패턴 전사가 기판의 거칠기에 많은 영향을 받는다는 단점이 있다. 따 라서 전사되는 필름과 기판의 계면 접착력 제어가 중요한 변수가 된다. 기판 위에 필름을 형성한 후 원하지 않는 부분을 레이저로 제거하여 원하는 패 턴만을 남기는 방법인 레이저 어브레이젼(laser ablation) 방법 또한 유기전자소자 제작에 이용 가 능하다. 삼성 SDI의 서민철 박사 그룹은 Figure 5 에서 보는 바와 같은 LED용 유기반도체를 레이저 전사 프린팅 공정을 이용해 패턴 하는데 성공하였 다. 그리고 Naval Research Lab의 A. Pique 그룹 에서는 같은 방법을 사용해 금속 또는 금속 산화
Figure 5. 레이저 전사 프린팅 방법과 이를 통해 제작된 LED용 유기반도체 패턴 및 유기박막트랜지스터용 전극 패턴.
물 패턴을 전사하였다. 또한, 듀폰의 G. B. Banchet 그룹에서는 레이저 전사 프린팅 공정을 이용해 polyaniline과 single wall carbon nanotube 복합체 로 이루어진 소스와 드레인 전극을 패턴하였고 이 를 통해 Figure 5에서 보는 바와 같은 대면적의 TFT backplane을 제작하였다.
3.3. 미세 접촉 프린팅(µ-contact Printing) 미세 접촉 프린팅은 스탬프를 용액에 담그거나 도너 필름에 찍어 스탬프 패턴의 양각에 도포시킨 후 스탬프를 기판에 밀착시켜 패턴을 전사하는 프 린팅 방법이며 현재까지 유기발광소자나 유기박 막트랜지스터 소자 제작에 두루 적용되었다. 독일 의 M. Leufgen 그룹에서는 유기박막트랜지스터의 Au/Ti 소스/드레인 전극을 미세접촉 프린팅을 이 용해 제작하였고 가해주는 압력을 변화시킴에 의 해 패턴의 resolution을 제어하였다. 또한 미국 UIUC 대학의 J. A. Rogers 그룹에서는 패턴된 poly(dimethylsiloxane) (PDMS)를 사용하는 micro- molding in capillaries (MIMIC) 방법을 이용해 mercury 전극을 패턴하여 유기박막트랜지스터를 제작하였다.
Figure 6. 미세 접촉 프린팅 공정과 이를 통해 제작된 TFT backplane.
Figure 7. 에어로졸 젯 프린팅 기술.
3.4. 에어로졸 젯 프린팅(Aerosol Jet Printing) 에어로졸 젯 프린팅 방법은 Figure 7에서 보는 바와 같이 ultrasonic atomizer에서 형성된 에어로 졸 잉크를 공급된 가스에 의해 노즐로 이동시키고 다시 노즐에 공급되는 가스에 의해 기판으로 도포 하여 패턴을 형성한다. 에어로졸 젯 프린팅의 경 우 잉크젯 프린팅과는 달리 연속적인 라인 패턴을 형성할 수 있고 기판과 노즐의 거리가 5 mm 정도 를 유지하기 때문에 곡면의 기판 위에도 패턴이 가능하다는 장점이 있다. 또한 가스에 의해 노즐 에서 토출되기 때문에 사용하는 잉크의 점도에 크 게 영향을 받지 않는다.
에어로졸 젯 프린팅 공정을 이용해 제작된 플렉 서블 유기박막트랜지스터에 관한 대표적인 연구 를 살펴보면, 미네소타 대학의 C. D. Frisbie 그룹 에서는 Figure 8과 같이 폴리이미드 기판 위에 한 가지 프린팅 방법을 이용해 트랜지스터를 구성하 는 각각의 전자 소재(전도체, 절연체, 유기반도체) 를 패턴하여 저전압 구동이 가능한 고성능 유기박
Figure 8. 에어로졸 젯 프린팅으로 제작된 all printed OTFT array.
막트랜지스터를 보고하였다. 처음에 Au 나노 입 자를 사용해 폴리이미드 기판 위에 소스/드레인 전극을 형성하였다. 다음으로 고분자 반도체인 폴 리사이오펜(P3HT)을 채널 부분에 프린팅하였고, 이어 높은 전기용량(~10 µF/cm2)을 가지는 이온젤 게이트 절연체를 프린팅하였다. 마지막으로 poly (3,4-ethylenedioxythiophene) doped with poly (styrene sulfonate) (PEDOT: PSS) 전도성 고분자 를 이용해 채널 영역에 게이트 전극을 형성하였 다. 본 연구에서 제작된 소자는 이온젤 게이트 절 연체의 높은 전기용량으로 인해 2 V 이하의 낮은 전압에서 높은 전류를 생성하였다. 또한 카본 저항 을 연결한 인버터 소자를 제작하는데 성공하였다.
3.5. 스크린 프린팅(Screen Printing)
스크린 프린팅은 Figure 9와 같이 플라스틱이나 스테인레스 스틸 등으로 짜여진 스크린 망사(mesh) 를 틀에 고정시켜 그 위에 광화학적 방법에 의해 제작된 판막에 의해 필요한 화상 이외의 부분을 막고 그 안에 인쇄 잉크를 부어 Squeegee라 불리 는 주걱으로 스크린 내면을 가압하면서 움직이면 잉크는 판막이 없는 부분의 망사를 통과하여 판 밑에 놓여 있는 종이나 플라스틱 기판에 인쇄되는
원리를 이용한다. 잉크젯 프린팅과 마찬가지로 재 료의 손실이 적은 공정으로 PDP나 OLED 등의 소자 제작을 위해 적용하기 위한 연구가 진행되고 있다. 몇 가지 예를 살펴보면 프랑스의 F. Garnier 그룹에서는 그라비아 프린팅으로 형성된 소스, 드 레인, 그리고 게이트 전극을 기반으로 한 전 유기 트랜지스터를 제작 보고한 바 있다. 또한 미국의 Stanford 대학의 Z. Bao 그룹에서는 폴리이미드 게이트 절연체와 폴리알킬사이오펜(poly(alkylth- iophene)) 유기반도체를 스크린 프린팅으로 제작 한 유기박막트랜지스터를 보고하였다.
3.6. 플렉소그래피 프린팅(Flexography Printing) 플렉소그래피 프린팅은 Figure 9와 같이 패턴된 유연한 수지판을 이용한 인쇄법이다. 처음에 잉크 공급장치에서 공급된 잉크가 아니록스롤(anilox roller)에 도포되고 닥터블레이드를 이용해 롤의 표면에 균일하게 펼쳐진 후 패턴된 유연한 수지판 으로 만든 프린팅 플레이트(printing plate)로 감겨 진 플레이트 실린더(plate cylinder)로 이동된다.
마지막으로 패턴된 수지판 양각의 잉크는 임프레 션 실린더(impression cylinder)에 감겨진 플라스 틱 기판 위로 전사된다. 이 프린팅 방법은 LCD 배 향막을 도포하는 방법으로 많이 이용되는데, 플렉 소그래피 프린팅으로 형성된 균일한 두께의 폴리 이미드 막을 러빙하여 사용한다. 플렉소그래피 프 린팅은 roll-to-roll 공정에 매우 적합하고 두꺼운 필름의 제작이 가능하다는 장점이 있으나 미세한 패턴을 형성하기는 어렵다.
3.7. 그라비아 프린팅(Gravure Printing) 그라비아 프린팅은 요판 인쇄의 일종으로 요철 을 형성한 원통형 판에 잉크를 묻혀 볼록한 부분 에 묻은 잉크를 긁어낸 다음 오목한 부분에 있는 잉크를 기판에 전사하는 방법이며 지금까지 잡지 나 카달로그 사진 등의 인쇄에 널리 사용되어 왔 다. 인쇄 농도는 미세기공의 깊이와 밀도에 의해 결정되므로 도포 두께의 제어가 용이하고 공정이 단순하며 생산성이 좋은 장점이 있기 때문에 유기
Figure 9. 스크린 프린팅과 플렉소그래피 프린팅.
전자소자 제작에 많이 적용되고 있지만 플렉소그 래피 프린팅과 마찬가지로 미세한 패턴을 형성하 기에는 적합하지 않다.
4. 결 론
현재 저가의 플렉서블 유기박막트랜지스터 실 현을 위해 잉크젯 프린팅(Ink-Jet Printing), 레이저 전사 프린팅(Laser-induced thermal imaging), 미 세 접촉 프린팅(µ-contact Printing), 에어로졸 젯 프린팅(Aerosol Jet Printing), 스크린 프린팅(Screen Printing), 그라비아 프린팅(Gravure Printing), 그 리고 플렉소그래피 프린팅(Flexography Printing) 과 같은 다양한 종류의 프린팅 공정이 적용되고 있다. 이러한 각각의 방법들은 장단점이 명확하고 형성 가능한 패턴 사이즈가 다르기 때문에 사용하 는 공정에 맞는 프린팅 방법을 선택해야 한다. 프 린팅 공정을 이용한 유기박막트랜지스터 제작에 있어, 전극 형성의 경우 인쇄하는 전극의 con- ductivity와 resolution, 그리고 유기반도체와의 계 면 안정성이 고려되어야 한다. 그리고 게이트 절 연체의 경우 핀홀이나 결함이 없으며 표면 거칠기 가 작은 얇은 박막을 형성하는 것이 중요하며 마 지막으로 유기반도체 프린팅의 경우 게이트 절연 체와 마찬가지로 균일한 두께의 표면 거칠기가 작
김 범 준
2004~2010 숭실대학교 유기신소재․
파이버공학과 학사 2010~현재 숭실대학교 유기신소재․
파이버공학과 석사과정
조 정 호
1994~2001 서강대학교 화학공학과 학사 2001~2003 포항공과대학교 화학공학과
석사
2003~2006 포항공과대학교화학공학과 2006~2008 University of Minnesota 박사
화학공학과 박사후연구원 2008~현재 숭실대학교 유기신소재․
파이버공학과 조교수
표면 몰폴로지 제어를 통해 소자 성능을 최적화해 야 한다.
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