[기획특집 - 반도체 기술] 유기박막 트랜지스터의 연구현황과 전망

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기획특집 반도체 기술^－

유기박막 트랜지스터의 연구현황과 전망

박 영 돈⋅장 윤 석⋅최 현 호⋅조 길 원^† 포항공과대학교 화학공학과

State of ART and Outlook in Organic Thin-Film Transistors

Yeong Don Park, Yunseok Jang, Hyun Ho Choi, and Kilwon Cho^† Department of Chemical Engineering, POSTECH, Pohang 790-784, Korea

Abstract: 유기박막 트랜지스터는 기존의 무기박막 트랜지스터와 달리 충격에 강하고, 종이처럼 얇고 유연한 기판 위 에 저렴한 용액공정으로 소자의 구현이 가능한 차세대 유기전자소자이다. 그러나 낮은 전하이동도와 대기 중에서의 불 안정성으로 인하여 당장 실용화 되는 데는 어려움이 있다. 따라서 고성능 유기박막 트랜지스터가 실용화 되기 위해서는 소자를 이루고 있는 반도체, 절연체, 전극, 기판 재료개발이 필요하며 이와 함께 저렴하고 유기물 공정에 적합한 잉크 젯 프린팅, 스크린 프린팅, 그라비아 프린팅 등과 같은 프린팅 공정의 개발이 이루어져야 한다. 유기박막 트랜지스터를 이용할 경우 플렉서블 디스플레이나 전자종이, RFID-tag의 소자제작에 있어서 큰 장점을 지니며 이외에도 태양전지, 센 서, 메모리 등 다양한 분야에 적용할 수 있다.

Keywords: organic thin-film transistor (OTFT), organic semiconductor, organic electronics

1. 서 론¹⁾

실생활에서 사용빈도가 높은 전자제품들 (휴대전화, 디지털 카메라, 컴퓨터, TV 등)은 모두 디스플레이를 가지고 있고, 이제 디스 플레이는 종이처럼 친숙한 존재가 되었다.

지난 수십 년간 디스플레이를 대표하던 CRT (Cathode Ray Tube) 디스플레이는 불 과 10년 만에 LCD (Liquid Crystal Display) 와 PDP (Plasma Display Panel)로 교체되었 다. LCD와 PDP가 새로운 디스플레이로 자리 잡은 지 10년이 되지 않은 이 시점에 세계 각 국은 새로운 형태의 디스플레이에 관심을 집 중하고 있다. 현재 LCD와 PDP를 이을 차세대 디스플레이로 플렉서블 디스플레이(flexible display, Figure 1(a))[1]가 가장 큰 관심을 받 고 있다. 플렉서블 디스플레이가 주목을 받는

†주저자 (E-mail: [email protected])

이유는 저렴한 가격으로 다양한 형태의 디스 플레이, 예를 들어 넓은 벽면을 활용한 대형 디스플레이, 건물의 둥근 기둥에 설치할 수 있 는 플렉서블 디스플레이, 종이처럼 얇고 가벼 운 디스플레이 등을 제작할 수 있기 때문이다.

플렉서블 디스플레이를 구현하기 위해서는 휘어질 수 있는 플라스틱 기판이 가장 적합하 다. 일반적으로 플라스틱의 유리전이 온도가 150 ℃ 이하이므로 고온공정이 요구되는 현재 의 실리콘 트랜지스터는 사용할 수 없게 되며 저온공정이 가능한 유기박막 트랜지스터(organic thin-film transistors, OTFTs)[2-4]가 필수적 이다. 유기박막 트랜지스터가 구동소자로 관심 을 받는 이유는 종이처럼 얇고 유연한 기판 위에 소자의 구현이 가능하고, 유기물의 특성 상 무기물에 비해 충격에 강한 특성을 가지고 있으며, 또한 고비용의 진공공정보다 저렴한 용액공정이 가능하기 때문이다. 따라서 유기박 막 트랜지스터는 다양한 형태의 디스플레이를

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Figure 1. (a) 플렉서블 디스플레이와 (b) 전자 인식표.

제작하기에 최적의 조건을 지니고 있어 현재 전 세계적으로 연구가 활발히 진행되고 있다.

유기박막 트랜지스터는 차세대 디스플레이 의 구동소자로서 뿐만 아니라 전자인식표(electronic tag, Figure 1(b))[5]로도 많은 주목 을 받고 있다. 전자인식표는 백화점이나 창고 에서 모든 물품에 대한 정보 실시간으로 제공 할 뿐만 아니라, 각 개인의 신상정보를 담은 작은 전자인식표를 카드나 인체에 삽입함으로 써 원하는 정보를 신속히 주고받을 수 있게 해줄 것으로 예상된다. 현재 사용되고 있는 진 공공정의 무기물 소자들은 가격 조건을 만족 시키지 못하므로 저비용의 용액공정이 가능한 유기박막 트랜지스터가 전자인식표의 구동소 자로 주목 받고 있는 것이다.

본 총설에서는 유기박막 트랜지스터를 구성 하고 있는 구성 요소들에 대한 연구동향을 먼 저 알아보고, 이를 저 비용으로 구현하기 위한 프린팅 기술과 유기박막 트랜지스터의 응용과 전망에 대하여 살펴보고자 한다.

2. 유기박막 트랜지스터 재료

고성능 유기박막 트랜지스터를 제작하기 위 해서는 소자를 이루고 있는 각 요소(반도체, 절연체, 전극, 기판)를 결함 없이 제작할 수 있어야 한다. 유기박막 트랜지스터는 기존의 무기박막 트랜지스터와 달리 상온 및 저온에

서 저렴한 공정으로 제작할 수 있다는 큰 장 점을 지니고 있지만 그만큼 공정 과정에서 고 려해야 할 요소가 많아지고 각 영역에서 전기 적 특성을 만족시켜야할 뿐만 아니라 물리적, 화학적으로 다양한 환경에서도 안정해야 하기 때문에 새로운 재료개발과 그에 알맞은 공정 기술의 개발이 필요하다.

2.1. 유기반도체

유기반도체가 트랜지스터에 사용되기 위한 가장 필수적인 요소는 소자 성능을 나타내기 에 충분히 높은 전하이동도와 점멸비를 가져 야 하는 것이다. 일반적으로 유기반도체는 무 기반도체에 비해 밴드갭, 용해도 등 요구에 적 합한 다양한 분자를 합성할 수 있다는 장점을 지니고 있음에도 불구하고 전하이동도가 낮은 단점을 가지고 있다. 이는 유기반도체 분자는 무기반도체 분자가 이루는 강한 공유결합과 달리 약한 van der Waals 결합을 이루고 있 어 전하 이동층이 불안정하고 주입된 전하가 주변 전자층과 반응하여 전하이동에 제약을 받는 것에서 기인된다. 하지만 전하이동에 제 약이 적고 결정성이 높은 분자를 설계 및 합 성하고 박막의 결정성을 높이는 제작 공정을 도입한다면 비정질 실리콘 이상의 전하 이동 도를 가진 소자구현이 가능하다는 것이 알려 지면서 이에 대한 많은 연구가 진행되고 있다.

2.1.1. 저분자 유기 반도체

유기박막 트랜지스터의 활성층으로 사용되는 유기반도체의 재료는 분자량에 따라 크게 저분 자물질과 고분자물질로 그리고 박막제조방법에 따라 진공증착물질과 용액공정물질로 나눠진다 (Table 1). 대표적인 물질로는 anthracene, te- tracene, pentacene 등과 같은 acene계열의 저 분자물질과 thiophene계열의 공액고분자물질을 들 수 있다. 특히 pentacene의 경우, 증착조건에 따라 전하이동도를 1 cm²/Vs 이상 구현 가능하 고 ambipolar 성질을 지니기 때문에 많은 연구 가 이루어졌을 뿐 아니라 현재에도 결정화도,

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Table 1. 박막형성 방법에 따른 대표적인 유기반도체 물질

roughness, 기판의 종류, 반도체-절연체 계면 성질에 따른 전하이동도 및 소자특성 연구에 널리 이용되고 있는 물질이다. 그러나 높은 전 하이동도에도 불구하고 진공증착에 의해 박막 제작이 가능하기 때문에 소자의 단가가 높아 대량생산에는 적합하지 않다. 진공증착으로 소 자제작이 가능한 물질로 최근에 rubrene이 많 이 이용되고 있는데, pentacene과 달리 rubrene 의 경우 단결정 제조가 용이하기 때문에 유기 소자의 전하이동 매커니즘과 기판 영향에 관 한 연구에 많이 이용되고 있다.

높은 전하이동도에 비해 고비용의 진공증착 을 이용해야만 하는 pentacene의 문제를 개선 하여 최근에는 pentacene에 말단기를 도입하 여 값싼 용액공정을 가능하게 함과 동시에 높 은 전하이동도도 이룰 수 있는 물질개발 연구 가 진행되고 있다. 대표적인 용액공정용 저분 자물질로는 pentacene과 anthradithiophene에 말단기가 도입된 TIPS-PEN, TES-ADT, 그 리고 oligothiophene에 말단기가 달린 α-6T 등이 있는데, 이러한 물질들은 일반적으로 말 단기 영향으로 인하여 유기용매에 대한 용해 도는 증가하나 전도성을 띄지 않는 말단기의

영향으로 전하이동도가 다소 떨어진다는 단점을 지니고 있다. 따라서 여러 연구팀에서 적합한 용액공정용 저분자물질을 개발함과 동시에 기판 의 표면개질과 같은 선처리공정 또는 thermal/

solvent annealing 등의 후처리공정을 통하여 물질의 결정화를 유도하여 전하이동도를 향상 시키려는 시도를 하고 있다[6-8].

2.1.2. 고분자 반도체

Polythiophene 계열의 공액고분자의 경우 pen- tacene과 달리 전하이동도는 다소 낮지만 용액 공정이 가능하기 때문에 저분자물질보다 소자 생산에 적합한 물질이다. 진공공정보다 용액공 정의 경우 용매의 종류, 농도, 공정방법, 온도, 기판성질 등 더욱 많은 공정변수가 존재하고 이에 따라 박막의 결정성, morphology, 절연체 의 표면거칠기에 따라 전하이동도가 매우 달 라지기 때문에 이들의 상관관계에 대한 연구 가 진행되어 왔다. 대표적인 전도성 고분자 물 질인 poly(3-hexylthiophene)의 경우, 전하이 동도가 10^-4cm²/Vs로 매우 낮았으나 최근에 는 물질의 정제와 공정 최적화를 통하여 0.1 cm²/Vs 수준으로 약 1000배 정도 높일 수 있

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Figure 2. 개선된 용액공정용 공액고분자들[12].

게 되었다[9-11].

용액공정방법의 개선과 더불어 다양한 공액고 분자물질의 합성도 진행되어 왔다[12]. Figure 2 와 같이 고분자 주쇄에 공액이 쉽게 이루어지 는 단량체와 곁가지에 다양한 종류의 치환기 를 도입하여 용해도와 안정성을 향상시키고 낮은 전하이동도와 산화에 취약한 점을 개선 하고 있다.

2.1.3. 공정최적화를 통한 소자특성 향상 소자특성의 향상은 새로운 유기반도체물질 의 개발과 아울러 전처리 또는 후처리 공정을 통하여 이루어질 수 있다. 유기반도체의 결정 성이 향상될수록 분자간 전하의 이동이 쉬워 지므로 유기반도체와 절연체 계면을 개질하는 선처리 방법이 연구되고 있다. 대표적인 방법 으로는 절연체 표면을 다양한 종류의 자기조 립박막(self-assembled monolayer, SAM)으로 개질하여 절연체의 표면 특성에 따라 유기반 도체의 결정성장과 전하이동도의 향상을 보 고하였다[3,13,14]. 후처리방법으로는 thermal annealing과 solvent annealing을 들 수 있는 데, thermal annealing의 경우 다양한 조건에 대한 소자특성간의 관계가 잘 정립되어 있는 편이다. Solvent annealing의 경우, 용액공정용 저분자물질이 개발되면서 최근 많이 이용되는 방법으로서 thermal annealing보다 결정 제어

가 용이하여 저분자물질 이용 시 더욱 유리한 후처리방법으로 알려져 있다.

2.1.4. 단결정/나노와이어 트랜지스터

유기반도체의 단결정을 제조하면 최대 전하 이동도를 이룰 수 있다. Triisopropylsilylethynyl pentacene (TIPS-PEN)[15]과 Poly(3-hexyl- thilphene)[16]의 경우 다결정인 경우보다 단 결정에서 전하이동도가 약 1000배 정도 높은 것을 들 수 있다(Figure 3). 이와 같은 높은 전기적 특성으로 인해 다양한 반도체물질의 단결정 및 나노와이이어를 제조하는 방법을 개발하여 소자 특성을 획기적으로 향상시키려 하고 있다. 초기 개발된 단결정 소자들은 대부 분 진공공정으로 제작되었고, rubrene의 경우 전하이동 매커니즘을 연구하는데 이용되었고 최근에는 용액공정으로 단결정 및 나노와이어 소자를 제조하고 이를 소자로 응용하기 위하 여 패터닝 연구가 진행되고 있다[17,18].

2.1.5. 유기반도체와 절연체의 blend

최근에는 유기반도체와 절연체를 blend하는 연구가 시도되고 있다. 상대적으로 비싼 유기 반도체 물질의 사용 양을 줄이면서 소자의 안 정성을 향상시키기 위하여, polythiophene과 polystyrene 혼합 용액을 이용하는 연구가 진 행되었다[19,20]. 또한 blend된 유기 반도체와

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Figure 3. 대표적인 유기반도체 물질인 (a) TIPS-PEN과 (b) Poly(3-hexylthiophene)의 용액공정을 이용 한 단결정 제조[15,16].

절연체의 수직 상분리를 이용하여 유기반도체 의 양을 줄일 수 있을 뿐만 아니라 소자의 안 정성을 증가시키고 공정의 단순화를 통한 원 가절감을 위한 연구가 진행되고 있다[21].

2.2. 유기 절연체

2.2.1. 유전율

최근 절연체의 유전율과 유기트랜지스터의 전하이동도 간의 상관관계에 대한 상반된 연 구결과가 발표되면서 논란이 있지만, 저전압 구동을 위해 유전율이 높은 유기절연체 개발 이 활발히 연구되고 있다. 유기절연체로서 절 연성능이 우수하며 박막성형이 용이한 poly- imide, polymethyl methaacrylate (PMMA), polyvinylphenol (PVP) 등의 고분자가 사용되 고 있다[22,23]. Table 2는 현재 사용되고 있 는 유기절연체의 특성을 나타내었다[24]. 고분 자 절연체는 진공증착공정을 사용하는 SiO2와 같은 무기물과 달리 용액공정으로 제작할 수 있는 이점이 있으나 물질 자체의 낮은 유전율로 인해, 이를 향상시키는 연구가 시도되고 있다. 접 근 방법으로는 polyvinylidene fluoride (PVDF), cyanoethylpullulane (CYPE)와 같이 유전율이 높은 물질을 새롭게 합성하는 방법과 poly-

styrene에 barium zirconate titanate (BZT) 나노입자를 혼합하는 hybrid 방법에 대한 연 구가 진행되고 있다.

2.2.2. 절연성 및 안정성

유기박막 트랜지스터용 유기절연체는 절연 성과 안정성의 확보가 중요하다. 무기물절연체 에 비해서 고분자 절연체는 절연성이 낮고 고 전압에서 안정하지 못하다. 이를 극복하기 위 하여 열이나 자외선으로 경화되는 아크릴계 고분자들이 많이 사용되고 있다. 현재 유기박 막 트랜지스터 연구는 전하이동도의 향상보다 는 응답속도 및 안정성 확보에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다. 소자의 안정성은 소자 내부의 trap과 절연층의 안정성에 좌우된다.

고분자로 이루어진 절연층은 수분의 흡착이 쉬워 표면과 내부에 trap을 많이 형성하게 되 어 소자의 안정성이 저하되게 된다. 따라서 수 분 흡수가 낮은 절연물질 합성과 공정과정의 최적화를 통한 절연층의 안정성의 확보가 요 구되고 있다.

2.2.3. 절연체 표면처리

유기박막 트랜지스터는 유기반도체와 절연 체의 계면 특성에 많은 영향을 받기 때문 절

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Table 2. 대표적인 무기/유기 유전체의 물리적 성질[24]

Figure 4. (a) 저전압구동 유기박막트랜지스터와 (b) 절연체의 표면에너지 변화를 통한 소자특성의 향상 [25,26].

연층 표면의 화학적, 물리적 특성을 조절하여 유기반도체의 물성과 계면 특성을 향상시키는 연구가 진행되고 있다. 절연체의 표면에너지와 dipole moment를 조절하는 표면개질 연구, 표 면 거칠기 등 유기반도체 morphology와 소자 특성에 미치는 연구가 진행되고 있다(Figure 4)[25,26]. 대표적인 방법으로는 절연체 표면 을 다양한 종류의 자기조립박막(SAM)으로 개질하여 절연체의 표면 특성에 따라 유기반 도체의 결정성장과 전하이동도의 향상을 보고 하였다[13,14]. 최근에는 절연체 표면을 패터 닝하여 유기반도체 물질을 선택적으로 도포하 려는 시도가 이루어지고 있다.

2.3. 유기 전극

박막트랜지스터의 전극은 게이트, 소스, 드 레인으로 구성되어 있다. 기존의 무기 박막트 랜지스터는 화학 애칭과 같은 복잡한 공정을 거쳐 제작하기 때문에, 고비용의 복잡한 공정 을 사용하고 플라스틱 기판과 같은 플렉서블 기판을 손상시키는 문제점 등이 있다. 또한 유 기반도체와의 접착계면이 불안정하여 소자의 특성을 저하시키는 요인으로 작용하기도 한다.

이러한 문제점들을 극복하는 방법으로 금속 전극을 유기물 전극으로 대체하는 연구가 활 발히 진행되고 있다. 현재 연구되고 있는 대표 적인 유기전극으로 Poly(3,4-ethylenedioxy- thiophene)/poly(styrenesulfonate) (PEDOT/

PSS), polyaniline, polypyrrole 등의 전도성 고

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Table 3. 각종 플라스틱 기판의 특성 비교

분자와 탄소나노튜브, 그라펜 등이 있다. 유기 전극은 주로 전도성을 향상시키려는 연구가 진행되었고, 현재 유기반도체, 절연체와의 호 환성을 향상시키는 연구, 유기전극의 낮은 용 해도를 증가시키는 연구, 유기전극 자체의 안 정성을 높이는 연구가 진행되고 있다.

2.4. 플렉서블 기판

플라스틱 기판은 절연성과 유연성이 뛰어나 고 기존의 생산 방법으로 쉽게 제작이 가능하 기 때문에 공정 가격이 저렴하여 가장 주목받고 있는 소재이다. 현재 플렉서블 기판은 rollable 전자소자 구현을 목표로 하고 있다. rollable 전자소자 구현을 위해서는 기판이 휨에 따라 소자 특성이 변화가 없고, 공정에 따른 변형이 없어야 한다. 또한 습도에 강하고 용매에 녹지 않는 특성을 지녀야 한다. 대표적인 기판 재료 로는 얇은 유리, 금속 박막, 플라스틱 기판을 들 수 있다. 얇은 유리는 두께 약 100 µm의 유리에 3~5 µm의 고분자 박막이 코팅되어 있어 안정성이 뛰어나고 차단 특성이 좋으나 공정 시 깨짐 현상이 자주 발생한다. 금속 박 막의 경우 전도성이 뛰어나기 때문에 단순한 기판의 용도와 함께 열방출이 쉽다는 장점을 지니고 있고, 화학물질에도 매우 강한 편이지 만 기판 표면이 거칠고 평탄화 공정이 요구되 므로 공정 가격이 높아 radio frequency iden-

tification (RFID) 등 저렴한 소자 제작에는 적합하지 않다. 최근에는 다양한 플라스틱 기 판 소재 개발이 진행 중인데 대표적인 기판 소재로는 Table 3에서 보는 바와 같이 PET, PEN, PES, PS, PAR, APO 등 기존에 다른 용도로 사용되던 물질을 공정과정을 개선하여 플렉서블 기판에 도입하려는 시도가 이루어지 고 있다. 하지만 아직까지 얇은 유리와 금속 박막에 비해 열적 화학적으로 안정하지 못하 다는 단점을 지니고 있어 플라스틱 기판의 특 성 향상에 대한 연구가 더욱 요구된다.

3. 유기박막 트랜지스터 인쇄공정기술

유기박막 트랜지스터가 주목받고 있는 이유 는 저렴한 인쇄공정을 이용하여 전자소자들을 값싸고 빠르게 대량생산을 할 수 있기 때문이 다. 기존의 전자소자들은 복잡한 공정을 거쳐 제조되는데, 가장 대표적인 반도체소자인 IC (integrated circuit)를 생산하는 공정은 웨이 퍼 세척 후 PR (photoresist) 도포ㆍ노광ㆍ현 상ㆍ식각ㆍ증착ㆍPR제거의 일련의 과정을 반 복하면서 제조되어 매우 복잡하고 진공공정을 사용하여 제조단가가 상당히 높은 편이다.

인쇄공정을 이용한 전자소자의 제조는 복잡 한 제조공정을 단순화하여 소자의 제조단가를

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Figure 5. 유기반도체 잉크 조성에 따른 소자의 모폴로지(a,b,c,d)와 전기적 특성(e,f,g,h)[34]

획기적으로 낮출 수 있는 방법이다. 인쇄 공정 의 가장 큰 장점은 소자제조의 모든 과정이 하 나의 process를 거치면서, 끊김없이 연속적으로 제품을 생산할 수 있는 roll-to-roll 공정을 실 현할 수 있다는 점이다. 이러한 roll- to-roll 개 념을 실현하기 위한 인쇄공정으로는 잉크젯 프 린팅(Ink-Jet Printing)[29], 스크린 프린팅 (Screen Printing)[28], 그라비아 및 그라비아- 옵셋 프린팅(Gravure & Gravure-offset Prin- ting)[29,30], 플렉소그래피 프린팅(Flexogra- phy Printing)[8], 마이크로 컨택 프린팅(Micro -Contact Printing)[31], 레이저 전사 프린팅 (Laser Transfer Printing)[32] 등이 있으며 구체적인 내용은 다음과 같다.

3.1. 잉크젯 프린팅(Ink-Jet Printing)

잉크젯 프린팅 장치는 우리가 흔히 문서 출 력 시 사용하는 잉크젯 프린터와 매우 유사한 원리와 구조를 가지고 있다. 차이점은 문서 출 력용으로 사용되는 잉크젯 프린터는 컬러 잉 크를 사용하는 반면, 잉크젯 프린팅에서는 전 자부품 소재용 잉크를 사용한다는 점이다. 잉 크젯 프린팅은 토출된 잉크가 기판으로 날아 가 부착되고, 용매가 증발하면서 프린팅이 이 루어진다. 잉크젯 프린팅 기술은 Cambridge의 H. Sirringhaus에 의해 유기박막트랜지스터

제작에 적용된 후[33], 용액공정용 프린팅 기 술로 가장 활발히 연구되고 있다. 잉크젯 프린 팅에 의해 유기박막트랜지스터를 제조하기 위 해서는 유기반도체 잉크 조성, 잉크젯 공정 조 건, 절연체의 표면처리 등의 최적화가 필요하 다(Figure 5)[34].

3.2. 스크린 프린팅(Screen Printing)

스크린 프린팅은 스크린 위에 잉크를 올리 고, 일정 압력으로 스퀴지(squeegee)를 내리 누르면서 이동시켜 스크린의 메쉬를 통해 잉 크를 전사하는 가압식 프린팅 공정이다. 스크 린 프린팅은 기본적으로 스크린, 스퀴지, 잉크, 이를 고정하는 테이블로 구성되며 스크린의 재질은 패터닝의 정밀도에 따라 천이나 스테 인리스(stainless) 같은 금속을 사용한다. 균일 한 패터닝을 위해서는 잉크의 점도를 프린팅 하는 동안 균일하게 유지되는 것이 중요하다.

또한 스퀴지의 누르는 힘에 의해 잉크가 토출 되기 때문에 스퀴지의 각도, 스퀴지의 이동속 도, 잉크의 점도, 스크린을 당기는 장력 등이 중요한 변수로 작용한다. 최종적인 인쇄의 정 밀도는 메시의 세밀함에 의존한다.

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3.3. 그라비아 및 그라비아-옵셋 프린팅(Gravure

& Gravure-offset Printing)

그리비아 프린팅은 일반적으로 1∼10 um 두께의 박막을 코팅하기 위해 사용되고, 인쇄 에 필요한 패턴이 그라비아 롤에 홈으로 새겨 져 있다. 그라비아 롤이 회전하면서 롤에 잉크 가 도포되고, 동시에 롤이 회전하는 방향에 있 는 doctor blade에 의해 여분의 잉크가 제거되 어 그라비아 홈에만 잉크가 남게 된다. 롤에 남아 있는 잉크는 기판으로 전사되어 프린팅 이 진행된다. 전사되는 필름의 두께를 doctor blade를 이용하여 조절할 수 있는데, 이것은 doctor blade를 이용하여 그라비아 롤의 홈에 도포되어 있는 잉크의 양을 조절할 수 있기 때문이다. 그라비아 프린팅이 전자소자를 제조 하는 공정으로 주목받는 이유는 그라비아 롤 에 새겨지는 홈의 깊이를 자유롭게 조절할 수 있어 미세한 패턴의 표현도 가능하기 때문이 다. 그리비아 롤은 원통의 롤에 감광성물질을 도포한 후 노광시킨 후 에칭으로 제작되는데, 이때 에칭액의 농도에 따라 그리비아 롤에 파 이는 홈의 깊이를 조절할 수 있다.

그리비아 오프셋은 그라비아와 마찬가지로 그라비아 홈에 doctor blade를 이용하여 잉크 를 채우고, 이 잉크를 블랭켓(blanket) 표면에 전사한다. 블랭켓에 전사된 잉크는 프린팅을 원하는 표면으로 전사되어 프린팅이 진행된다.

실제 회로기판을 프린팅 하는데 알루미나가 포함된 전도 잉크를 사용하는 그라비아 오프 셋 프린팅으로 제조하기도 한다. 이때의 해상 도는 두께 5 µm 이상, 폭 25 µm 이하로 비교 적 고해상도의 회로를 프린팅하고 있다[30].

또한 잉크로 ceramic ink[35]를 사용할 경우 저항체나 절연체를 직접 프린팅 할 수도 있다.

3.4. 플렉소그래피 프린팅(Flexography Printing) 플렉소그래피 프린팅은 패턴된 플렉소그래 피 고무가 코팅된 롤러에 잉크를 전사하고, 전 사된 잉크가 기판으로 다시 전사되는 기술을 말한다. 이때 약한 압력이 사용되는데 이것이

플렉소그래피 프린팅의 가장 대표적인 특징이 다. 또한 패턴의 묻은 잉크가 압력으로 밀려나 와 윤곽이 한층 진하게 인쇄되는 경향이 있다.

플렉소그래피 프린팅은 그라비아 오프셋 프린 팅보다 다소 낮은 해상도인 50∼100 µm 정도 의 해상도를 가지는 프린팅이 가능하다[36].

3.5. 마이크로 컨택 프린팅(Micro-Contact Prin- ting)

마이크로 컨택 프린팅이란 PDMS (poly- dimethylsiloxane)와 같은 고무 스탬프에 원하 는 물질을 올려 도장처럼 찍어내는 기술을 말 한다. 마이크로 컨택 프린팅 기술은 J. A.

Rogers와 E-ink Corp.에 의해 많은 연구가 진 행되었다. 특히 E-ink사에서는 이 기술을 이 용하여 E-paper의 상용화를 위해 많은 연구를 수행하고 있다. 이 기술을 사용하기 위해서는 스탬프와 잉크의 접착력과 기판과 잉크의 접 착력을 잘 조절해야 한다.

3.6. 레이저 전사 프린팅(Laser Transfer Prin- ting)

이 기술은 레이저를 이용하여 donor film을 원하는 기판에 패터닝하여 전사하는 기술이다.

현재 3M과 삼성 SDI에 의해 LCD 칼라 필터 전사법으로 활발히 연구 개발이 이루어지고 있다. 이 기술은 유기용매를 사용하지 않기 때 문에 유기용매에 의한 오염이 없고, 다층박막 의 패턴 제조가 용이하다는 장점이 있다. 하지 만 고해상도의 전사를 위해서는 기판과 donor 필름간의 적절한 접착력의 조절이 중요한 변 수로 작용한다.

4. 유기박막 트랜지스터의 응용분야

유기반도체를 이용하여 플렉서블 디스플레 이나 RFID-tag를 만들 경우 소자제작에 있어 서 큰 장점이 있다. 유기반도체는 상온이나 아 주 낮은 온도에서 결정화되므로 기판의 온도

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를 높일 필요가 없다. 따라서 내열성이 약한 플라스틱과 같은 구부림이 가능하고, 얇으면서 도 충격에 강한 기판을 사용할 수 있다. 그리 고 용액공정이 가능한 유기반도체를 이용할 경우 ink-jet 프린팅, 그라비아 인쇄, 플렌소 인쇄, 리소그래픽 인쇄, 실크 스크린 인쇄 등 어떤 종류의 인쇄 기법도 이용할 수 있다. 이 런 방법은 대기 중에서 roll-to-roll 공정이 가 능하기 때문에 초저가의 전자소자 제작이 가 능한 것이다[37]. Roll-to-roll 방식이라 불리는 이러한 기술은 기판이 프로세싱 시스템을 연 속적으로 지나게 되어 프로세스 장비도 연속 라인으로 구성할 수 있기 때문에 운반에 필요 한 시간과 장애, 장비를 크게 줄여 제조원가 절감에 극적인 효과를 나타낼 수 있다. 직접 프린트와 roll-to-roll 방식을 결합하면 기존 방 식보다 장비 투자는 현저히 절감하는 대신 생 산성은 높일 수 있다.

4.1. 플렉서블 OLED

4.1.1. 플렉서블 OLED의 개념

플렉서블 디스플레이는 rollable display, bendable display, rugged display로도 불리며 말 그대로 유연한 형태의 화면으로서 궁극적 으로는 구부리거나 둘둘 말 수 있는 디스플레 이를 말한다. 플렉서블 디스플레이는 크게 두 가지로 나눌 수 있는데 FOLED (Flexible OLED)와 전자종이(e-Paper)이다. FOLED는 기존 TFT와 유기 발광 다이오드(OLED)를 결합한 형태로 액정을 싸고 있는 유리 기판을 플라스틱 필름으로 대체하여 접고 펼 수 있는 유연성을 부여한 것으로서 유리 기판을 이용 할 경우보다 두께와 무게 면에서 큰 장점을 갖는다. 이는 전자 디스플레이의 관점에서 출 발한 것으로 TFT-LCD나 OLED의 기존 디스 플레이를 유연한 기판에 구현함으로써 보다 얇고 가벼우면서도 충격에 강한 디스플레이다.

FOLED는 풀 컬러와 동영상 구현이 가능하고 다양한 형태로 제작이 가능하다는 장점을 갖

고 있어서 플렉서블 디스플레이로 가장 주목 을 받고 있다.

4.1.2. 플렉서블 OLED의 응용분야

현재까지 자주 거론되고 있는 플렉서블 디 스플레이의 대표적인 응용분야는 전자책이나 신문, 잡지 등이다. 플렉서블 디스플레이의 가 볍고 외부 충격에 강한 특성으로 인하여 모바 일폰, PDA, MP3 플레이어, 전자책 등에 우선 적용될 것으로 예상된다. 향후 대면적화 기술 이 가능하게 되면 기존 디스플레이가 적용된 노트북 컴퓨터, 모니터, TV, 실내외용의 실시 간 대형 광고판 등의 모든 분야에 적용이 가 능해 IT산업 전반에 걸쳐 크게 확산 될 수 있 을 것으로 예상된다. 특히 기존의 유리 기판 기반의 디스플레이로는 적용이 제한적이거나 불가능했던 새로운 영역의 창출이 가능하다.

4.1.3. 플렉서블 OLED의 성장 가능성 및 시장성 현재 플렉서블 디스플레이는 동작속도의 개 선을 통해 현재 정지화상에서 동영상을 구현 할 수 있어야 하고, 특히 컬러 구현에 있어 기 술발전이 더 진전돼야 하기 때문에 상용화는 앞으로도 수년 더 걸릴 것이다. 현재 ETRI와 LG전자를 비롯한 국내 업체들과 FOLED의 드라이버, 재료, 구동, 어셈블리 등의 기술을 공동 개발 중이며 삼성전자는 14.3인치, LG필립 스 LCD는 14.1인치 제품을 만들어 시제품을 내 놓았다. 이 밖에도 FOLED 제품으로는 Pioneer 사에서 개발 중인 Flexible PM OLED가 있으 며, 이와는 별도로 LCD 분야에서도 플렉서블 LCD에 대한 연구가 이루어지고 있다. 현재의 기술수준으로는 당장 상용화가 어렵지만 앞으 로 수년 정도 후에는 상용화가 충분히 가능할 것으로 보인다.

4.1.4. 플렉서블 OLED 기술 개발 동향

플렉서블 OLED는 플렉서블 기판 위에 유 기박막트랜지스터 구동소자와 OLED의 표시 소자를 결합한 형태로 플렉서블 기판은 주로

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Figure 6. 플렉서블 OLED의 구조.

플라스틱 재료가 대부분이며 일부 얇은 금속 박막이나 유리가 사용되기도 한다. 일반적으로 플라스틱 기판의 유리전이 온도가 150 ℃ 이 하이므로 기존 실리콘 TFT는 높은 공정 온도 로 인하여 플라스틱 기판을 사용하기가 적합 하지 않기 때문에 저온에서 제작할 수 있는 유기 반도체 재료를 이용한 유기박막 트랜지스 터가 구동소자로 사용되어야 한다(Figure 6).

구동방식으로는 크게 수동(passive matrix, PM)과 능동(active matrix, AM) 구동의 2가 지 방식으로 구분되지만 수동 방식은 소비전 력이 높고 대면적이 어려워 현재에는 능동 구 동 방식에 많은 관심과 연구가 집중되고 있다 [38]. 2003년 pioneer에서는 수동구동 방식의 3인치 플렉서블 OLED 디스플레이를 발표하 였고 삼성 SDI에서는 얇은 금속박막을 기판으 로 사용하고 다결정 실리콘 TFT를 사용하여 5인치의 능동 OLED 디스플레이를 제작하였 다. 그리고 최근에는 일본의 Sony에서 플라스 틱 기판 위에 저온의 공정으로 유기박막 트랜 지스터를 만들어 2.5인치 OLED를 구동하였 다. 이는 기술적으로 어려웠던 유기박막 트랜 지스터로 저온공정을 실현하여 OLED의 구동 이 가능한 것으로 플렉서블 디스플레이 개발 에 큰 의미를 가진다. 플렉서블 OLED는 휘 도, 콘트라스트 모두 양호한 성능을 보이지만 신뢰성이나 이동도, 플라스틱 기판을 이용한 대면적화 기술은 아직 미흡한 실정이다. 유기 박막 트랜지스터가 OLED의 구동소자로서 사 용되기 위해서는 소자 특성 균일성과 신뢰성

이 우선적으로 개선되어야 한다.

4.2. 전자종이(e-Paper)

4.2.1. 전자종이의 개념

전자종이(Electronic Paper, Digital Paper) 는 비발광 방식의 반사형 디스플레이로서 종 이의 유연성을 디스플레이 소자에 응용한 기 술로 대면적에 높은 해상도, 넓은 시야각 등의 우수한 시각적 특성을 가지고 있다. 또한 전원 을 끈 상태에서도 화면이 유지되며, 백라이트 를 사용하지 않는 배터리 수명이 오래 유지되 는 저전력 디스플레이이다.

4.2.2. 전자 종이의 응용분야

전자 종이는 기존의 종이나 비닐이 사용되 던 광고판, 안내판, 신문, 책 등을 광범위하게 대체할 수 있다. 일회성이거나, 또는 문서 저 장, 통신기능과 같은 부가기능이 필요한 경우 에는 아직 개발에 시간이 걸릴 수 있지만, 전 자종이는 기존 종이 인쇄물을 대신 할 것이 확실하다. 또한, 전자종이에 문서저장기능, 통 신 기능까지 보완이 된다면, 컴퓨터나 휴대폰 시장도 전자종이의 영향권 안에 들 수 있다.

4.2.3. 전자 종이 산업의 성장 가능성 및 시장성 전자종이의 경우, 기존 디스플레이(LCD, PDP)에 비해 시야각, resolution이 우수하고, 백라이트가 필요 없으며 종이와 유사한 대비 를 낼 수 있는 장점이 있고 재료와 공정이 간 단하여 비용이 적게 든다. 또한 화면에 문자나 패턴을 형성할 때에만 전력이 필요하고 화면 을 유지하는 데는 전력이 들지 않으므로 전력 소모가 적으며, power supply와 백라이트가 없으므로 무게가 가볍고 특히, 입자형 전자종 이의 경우, 유연성에 문제가 전혀 없다. 전자 종이는 현재 샘플 시장 수준이지만, 저가격의 동작속도, 칼라 구현이 우수한 전자종이가 개 발될 경우 기존의 종이 인쇄물의 시장을 장악 할 것으로 기대된다.

(12)

4.2.4. 전자 종이 기술 개발 동향

전자종이는 종이의 장점과 전자 디스플레이 의 장점을 결합한 새로운 방식의 디스플레이 다. 능동형 구동 기판을 사용하는 경우에 기존 실리콘 박막 트랜지스터보다 저원가 기술인 유기박막 트랜지스터를 사용하는 것이 유리하 다. 전자종이의 구조는 플라스틱 기판 위에 유 기박막 트랜지스터를 구동소자로 사용하고 그 위에 반사형의 쌍안정성의 표시 소자가 올라 간다[39]. 전자종이는 크게 액정과 같은 기존 의 디스플레이 기술을 기반으로 한 전자 디스 플레이의 종이화 기술과 종이 질감을 가진 새 로운 기술을 토대로 한 종이의 디스플레이화 기술로 분류할 수 있다. 그 중 가장 상용화에 가까운 전자종이 기술로는 트위스트 볼(Twist Ball) 방식, 전기영동(Electrophoretic) 방식 그 리고 콜레스테릭(Cholesteric) 액정을 사용한 방식이 있다.

트위스트 볼 방식은 Palo Alto Research Center에서 개발한 것으로 두 개의 투명 플라 스틱 판 사이에 오일과 함께 반은 백색, 나머 지 반은 흑색이 칠해져 있는 트위스트 볼에 서로 반대의 전하를 띠게 하여 외부에서 가하는 전기장 극성에 의해 볼이 회전하여 흑백의 이미 지가 표시되는 방식이다[40]. 2000년 Xerox사에 서 분리, 설립된 Gyricon Media사는 이 형태 의 전자종이를 주도적으로 개발하고 있다. 하 지만 50∼100 V로 구동전압이 높고 100 ms 정도의 느린 응답속도가 문제가 되어, 회전 볼 의 크기를 줄이려는 연구가 진행 중이다.

전기 영동법을 이용한 디스플레이는 유체 속 잉크 미립자들의 응집과 같은 불안정성이 가장 큰 문제가 되었는데, MIT Media Lab.에 서 분리, 설립된 E-ink사는 마이크로 캡슐을 사용하여 이런 문제점을 해결하였다. 잉크미립 자와 색을 띤 유전유체를 함유한 지름 100∼

200 µm의 TiO2 투명 마이크로 캡슐을 제조한 후, 바인더와 혼합하여 상, 하부 투명전극 사이 에 위치시켜, 전압을 걸어줄 때 잉크 미립자의

Figure 7. E-ink사의 마이크로캡슐 전기영동방식 의 전자종이[40].

이동으로 색 구현하였다(Figure 7)[40]. 2000년 에 E-ink사에서는 자신들의 제품과 Lucent Technology사의 soft-lithography 방법으로 제 작된 유기 트랜지스터를 결합하여 능동구동형 의 전자종이를 발표하여서 주목을 받았다. 그 리고 Sony사에서는 E-ink기술을 이용한 LiBRie 라는 전자책을 2004년 일본시장에 출시한 바 있으며, Seiko Watch와 Sdiko Epson사는 E- ink사와 공동으로 전자종이를 이용한 전자시 계를 개발하여 2005년에 발표하였다. 전기영동 법을 이용한 전자종이는 10:1 정도의 대비비 를 지니지만, 구동전압이 90 V로 높고, 응답 속도가 100 ms로 느린 단점이 있다.

콜레스테릭 액정 방식의 경우 기존의 디스 플레이 방식을 그대로 응용한 구동방식으로, 상이한 파장의 빛을 선택적으로 반사하는 콜 레스테릭 액정을 이용한다. 두 전극 사이에 콜 레스테릭 액정을 넣고 전압을 가할 경우 빛을 반사하지 않은 투명 상태와 빛을 반사하는 상 태로 스위칭을 할 수 있다[40]. 이 방식은 다 양한 색조와 톤을 발현할 수 있다는 장점이 있고, 대비비가 20~30:1 정도로 우수하지만, 높은 제조원가와 종이 질감의 표시소자로는 역부족인 단점이 있다. 미국 Kent Display사, 일본의 미놀타사에서 콜레스테릭 LCD를 이용 한 전자책을 개발하여 발표하였다.

전자종이 소자의 경우 저전력 구동(<40 V), 빠른 응답속도(<30 ms), 높은 대비비(>10:1), 다양한 칼라 구현 등의 고성능 유지와 동시에, 용이성, 휴대성, 쌍안정성 등의 종이와 같은

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특성을 보유한 기술개발이 필요하다. 또한 새 로운 전자종이 기술은 소비 전력의 최소화, 10 만 시간 이상의 높은 수명, 종이를 대체할 수 있는 가격 경쟁력 등의 경제적 조건 또한 충 족시켜야만 한다. 기존의 디스플레이 기술을 활용한 전자종이의 경우, 종이의 질감을 도입 할 수 있는 방법으로, 플라스틱을 기반으로 하 는 플렉서블 디스플레이의 도입과 능동소자로 응용을 위한 유기박막트랜지스터의 개발이 무 엇보다 선행되어야 한다. 또한 전자종이의 가 격경쟁력을 위해서는 앞서 언급한 프린팅 공 정에 기초한 roll-to-roll 방식의 응용이 절대적 으로 필요하다.

4.3. RFID tag

4.3.1. RFID tag의 개념

RFID는 무선 주파수(RF, Radio Frequency wave)를 이용해 사람이나 물건을 식별할 수 있는 기술로서, 마이크로 칩과 안테나가 내장 된 tag에 사용 목적에 알맞은 정보를 저장하 여 사물에 부착한 후 판독기인 RFID 리더를 통하여 물체와 인식기 간의 데이터 통신을 가 능하게 하는 기술이다. RFID 바코드와 달리 인식을 위해 직접 조준할 필요가 없어 간편하 고 빠르며, tag의 데이터 변경 및 추가가 자유 롭고 일시에 다량의 tag 판독이 가능하다. 또 한 RFID tag은 냉온, 습기, 먼지, 열 등의 열 악한 판독 환경에서도 판독율이 높아 신뢰성 이 있고 위조가 불가능하며 반영구적이고, 재 사용이 가능해 많은 장점이 있다.

4.3.2. RFID tag의 응용분야

유기박막 트랜지스터의 적용 분야로 가장 주목되고 있는 것이 RFID tag분야이다. 유기 RFID tag이 상용화 될 경우 현재 제품 포장 지 바코드가 모두 유기 RFID tag로 바뀔 것 이고 이런 경우에 시장 규모는 폭발적으로 늘 어날 것으로 예상된다. 뿐만 아니라 개인 신분 증, 전자 지갑이나 은행업무 등의 금융업무는

물론 전자주민카드 등의 종합 정보 저장기능, 건강관리, 전화카드와 같은 개인 업무를 비롯 해 소매상들의 고객관리, 많은 물동량을 취급 해야 하는 물류창고나 고속도로 통행 징수 등 에서의 정보처리업무 등 광범위한 용도로 응 용이 무궁무진하다.

4.3.3. RFID tag의 성장 가능성 및 시장성 RFID tag는 매년 수천억 개 이상이 생산되 고 있을 정도로 폭발적인 수요를 보이고 있으 며 현재 이들은 모두 전통적인 실리콘 기술에 의해 만들어진다. 이들의 단가는 20센트 정도 이며 더 이상 제작비용을 낮추기는 매우 어렵 다. 현재 시장에서는 바코드를 대체할 RFID tag를 원하고 있으며, 단가는 1 센트 이하의 가격을 요구하고 있다. 이러한 요구에 부합하 기 위해 저가의 프린팅 공정기술과 유기재료 로 제조원가를 낮춘 유기 RFID tag만이 유일 한 대안으로 떠오르고 있다. 이런 기술이 실현 될 경우 제품 포장지의 바코드가 모두 유기 RFID Tag로 바뀔 것이다.

4.3.4. RFID tag의 기술 개발 동향

RFID는 구동방식에 따라 크게 능동형(active) 과 수동형(passive) 두 가지로 구분할 수 있다 [41]. 능동형은 배터리에서 전원 공급을 하고 tag에서 자체 RF 신호 발신이 가능한 형태이 고, 장거리(3 m 이상) 전송 및 센서와 결합이 가능한 장점이 있다. 수동형은 reader기의 전 자 신호로 전원을 공급 받고 reader기의 신호 를 변형 반사하는 형태로 안테나를 통하여 tag에 RF를 이용하여 전원이 공급되므로 tag 내부에는 전원 소자를 갖추고 있을 필요가 없 어 저가격 구현이 가능하고, 가볍다는 장점이 있다. 능동형은 군수, 의료, 과학 분야에 주로 사용되고 수동형은 물류 관리, 교통, 전자상거 래 분야에서 주로 사용된다. 능동형에 필요한 프린팅이 가능한 전지의 개발과 아울러 능동 형 유기 RFID 시장성 확보에 따라 RFID는 수동형에서 능동형으로 단계적으로 개발되리

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라 예상된다. 암호화 인증 등의 기능이 포함되 는 유기 RFID는 가까운 시기에 상용화되기는 어려워 보이나, 이를 제외한 바코드형의 수동 형 RFID의 개발 상용화는 그리 멀지 않은 것 으로 보인다.

5. 유기박막 트랜지스터의 전망

유기반도체 재료와 용액공정이 가능한 프린 팅 기술 그리고 유기박막 트랜지스터를 이용 한 소자 개발에 대해서 살펴보았다. 유기 반도 체를 이용한 유기박막 트랜지스터는 기존의 실리콘 트랜지스터를 대체하고 더 나아가 실 현 불가능했던 새로운 응용분야를 창출할 것 으로 기대된다. 그러나 유기 반도체는 낮은 전 하이동도와 대기 중에서의 불안정성으로 인하 여 기존의 실리콘 기반의 전자소자와 비교해 볼 때 신뢰성이나 전기적 특성 면에서 크게 뒤떨어지는 성능을 보여 당장 실용화 되는 데 는 어려움이 있다. 따라서 무엇보다도 충분한 성능을 낼 수 있는 새로운 유기 반도체 물질 의 개발이 절실하며 이와 함께 값비싼 반도체 공정을 대체할 수 있는 유기물 공정에 적합한 프린팅 공정의 개발 역시 중요하다. 현재로서 는 아직 해결해야 될 기술적인 문제가 있고 재료적인 측면에서 미흡한 점이 많아 시장형 성이 지연되고 있는 실정이다. 하지만 학계, 정부기술연구소 중심의 연구개발이 꾸준히 진 행되고 있어 수년 안에는 신뢰성 있는 고효율 의 유기박막 트랜지스터의 개발 가능하고 플 렉서블 디스플레이나 유기 RFID에 적용이 가 능하리라 예상된다. 이 외에도 유기반도체 재 료를 이용한 태양전지, 센서, 메모리 등 다양 한 분야에서 꾸준히 연구 개발되고 있으며 가 까운 미래에 이러한 유기 전자소자들로 구성 된 전자제품들이 우리의 생활문화를 바꾸게 될 것이라고 기대된다.

사 사

본 총설은 지식경제부의 21세기 프론티어기 술개발사업인 차세대정보디스플레이기술개발사 업단(F0004021-2008-31)의 연구비지원으로 수 행되었습니다.

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% 저 자 소 개

조 길 원

1980 서울대학교 공업화학과, 학사 1982 서울대학교 공업화학과, 석사 1986 The University of Akron

고분자과학과, 박사 1986∼1987 The University of Akron,

연구원

1987∼1988 IBM Research Center, 연구원 1988∼현재 포항공과대학교, 조교수,