[특별기획] 유기 반도체

특·별·기·획

352…NICE, 제21권 제3호, 2003

학의 영역에 속한다 할 수 있다. 현재는 FED가 연구 단계이므로 물리학, 전자공학을 전공한 연구 자들이 이 분야를 주도하고 있지만, 본격적으로 상업적인 제품이 생산되는 단계로 진입하게 되면, 생산성을 높이기 위한 연구가 시작될 것이다. 이

단계에서는, 화학공학자가 친숙한 유기화학, 열역 학, 반응공학, 전달현상 등이 FED 제작공정의 개 발 및 최적화에 필수적인 도구가 될 것이고, 많은 화학공학도의 참여가 실현될 것이다.

유기 반도체 소자는 기존의 무기 반도체 소자를 여러 분야에서 대체할 수 있는 충분한 가능성을 가지고 있기 때문에 최근 들어 전세계적으로 매우 활발히 연구개발이 이루어지고 있다. 이는 유기 반도체가 반도체의 전기적, 광학적 특성과 다양한 물성을 가지고 있을 뿐만 아니라, 인쇄법을 포함하 는 매우 저렴한 공정기술로 제조가 가능하기 때문 에, 대면적 소자를 경제적으로 구현할 수 있기 때 문이다. 또한 플라스틱 기판 등 유연한 기판 위에 소자를 구현할 수 있으므로 flexible 전자 소자나 disposable 전자 소자 등 새로운 개념의 반도체 소 자 제품군을 형성할 가능성도 매우 크다고 하겠다.

현재 먼저 개발되고 있는 분야는 유기 박막 트 랜지스터(organic thin film transistor: OTFT) 제조 분야로서, 이를 유기 EL 소자와 접목하여 능 동 구동형(active-matrix type) TFT-OLED

(thin film transistor-organic light emitting diode)를 구현하거나, 기존의 TFT-LCD에 액정 대신 고효율 발광물질을 주입하여 응답 속도의 증 가, 소비 전력의 감소, 구조의 고집적화 및 단순화 가 이루어진 신개념의 플라스틱 TFT-LCD를 구 현하고자 하고 있다. 또한 flexible한 플라스틱 기 판을 사용하고 소자 내 모든 재료를 유기물질로 사용하여(전유기 소자: all-organic device) 전자 종이(e-paper)나 contactless 스마트 카드 등의 신개념 제품군을 형성하려는 연구개발도 활발히 진행되고 있다. 유기 반도체를 사용한 태양전지도 아직 비정질 실리콘을 사용한 태양전지의 최고 성 능에는 미치지 못하고 있지만(현재 효율 약 2~3% 정도) 대형 박막 구조의 태양전지를 저렴 한 가격으로 쉽게 만들 수 있는 가능성 때문에 큰 주목을 받고 있다.

박 진 호

영남대학교 응용화학공학부, [email protected]

그림 1. Organic TFT Device Structure.

특·별·기·획

NEWS & INFORMATION FOR CHEMICAL ENGINEERS, Vol. 21, No. 3, 2003…353 유기 반도체 소자의 제조에 있어서는 우선 사용

하는 유기 반도체 소재의 광전자적 특성(전자 여 기 상태, 엑시톤(exciton) 결합 에너지의 크기, 소 자에서의 전하 주입 및 수송성 등)에 대한 이해가 중요하며, 또한 유기 트랜지스터의 구조와 동작 원리, 그리고 소자 구현에 사용될 공정기술에 대 한 이해가 매우 중요하다고 하겠다. [그림 1]은 전형적인 유기 TFT의 구조와 각 부분의 명칭을 보여주는 개략도이다. 이러한 유기 TFT는 기존 의 실리콘 TFT와 견줄 수 있는 성능의 트랜지스 터 구축이 가능할 뿐만 아니라, 공정 온도가 낮아

flexible한 기판에의 적용이 용이하며, 비교적 단순 한 공정을(스핀코팅법 또는 진공증착법) 사용함 으로써 생산비용이 대폭 절감되며, 새로운 개념의 제품에의 응용성이 크다는 장점을 가지고 있다.

유기 TFT의 재료로는 공액 고분자와 oligomer, 그리고 저분자 유기 반도체들이 모두 사용될 수 있다. 1980년대 초부터 유기 TFT에 관한 연구가 본격적으로 시작된 이래 polythiophene, poly- acetylene, α-hexathienylene, fullerene(C60), pentacene 박막 등이 적용되어 왔으며, 이는 유기 TFT 소자의 중요한 특성인 전하 이동도(mobility)

표 1. Reported Mobility Values from Organic TFTs

Year Mobility Material(deposition method) I_on/I_off W/L

(cm²V^-1s^-1) (V)=vacuum deposition (s)=from solution

특·별·기·획

354…NICE, 제21권 제3호, 2003

와 점멸비(on/off ratio)를 증가시키기 위한 방향 으로 개발이 진행되어 왔다. [표 1]은 1986년 이 후 최근까지의 유기 TFT의 성능의 발전 과정을 전하 이동도 값의 증가 추세로 나타낸 것이다.

1986년까지만 해도 전하 이동도가 10^-5cm²/Vs 정도로서 고속 switching 장치에의 응용에는 제한 을 가지고 있었으나, 2000년 들어 이동도가 1cm²/Vs 정도로 증가하고 있고, 최근에는 pentacene을 사용한 경우의 이동도가 1.5 cm²/Vs 에 이르고 있는 등 급속히 핵심 소재의 개발과 이 를 TFT에 적용하는 공정기술이 개발되고 있는 실정이다. 전하 이동도의 한계를 극복하기 위한 방법으로서는 분자의 conjugation을 끊지 않고 인 접 분자와의 결합력을 강하게 하는 보다 딱딱한 결정 구조를 형성하는 방법과 전하들이 한 개의 긴 고분자 체인을 이동 경로로하여 분자간 (intermolecular) 전도보다는 분자내(intra- molecular) 전도를 통하여 전달되게 하는 방법 등 이 연구되고 있다. 분자내 전도를 이용하는 경우 는 트랜지스터의 크기를 나노미터 크기로 줄일 수 있는 가능성도 있다고 하겠다. 현재 개발되어 있 는 유기 반도체는 대부분 p형 반도체(thiophene, polythiophene)이나 naphthalene tetra-carboxylic diimid의 경우와 같이 n형 반도체 특성을 보이는 소재도 개발되고 있다. 또한 최근에는 유기물과 무기물의 유용한 특성을 모두 나타내는 유-무기 복합물질의 합성에 대한 연구도 진행되고 있다.

유기 TFT의 성능을 향상시키기 위해서는 새로 운 유기 반도체의 합성, 박막의 분자 배열 제어와 계면의 결함 제어 등을 통한 성막 공정 개발, morphology와 구조 등의 조절을 통한 재료 특성 의 최적화, 그리고 소자 기술과 기타 주변 기술의 개발이 필요하며, 이의 여러 분야에 있어 나노 기 술의 적절한 활용이 절실히 요구되고 있다. 즉, 실 리콘을 바탕으로 한 반도체 집적회로의 제조 기술

이 겪어 온 연구개발 과정을 유기 TFT도 모두 거 쳐야 할 것으로, 이는 우수한 특성의 유기 반도체 와 유기 절연체, 그리고 유기 도체 소재의 개발과 이의 박막 형성 기술을 근간으로 할 것이다. 고이 동도의 유기반도체 개발에 있어서는 반도체 재료 의 설계/합성/정제 및 성막 기술이 요구되고 있 고, 특성으로는 낮은 문턱 전압(예:<절대치 5.0V), 높은 순도(>99.0%, metal 함량 <50ppm), 높은 TFT 전계 효과(field effect) 이동도(>p- type: 2.0, n-type: 1.0cm²/Vs), 그리고 높은 TFT on/off 전류비(>10⁵) 등이 요구되고 있다.

또한 고유전율 유기 절연체 개발에 있어서는 역시 절연 재료의 설계/합성/정제 및 성막 기술이 요구 되고, 그 특성에 있어서는 높은 유전상수(>4.0), 높은 체적 저항율(>1×10¹²ohm-cm), 높은 절연 파괴 전압(>0.5MV/cm), 평탄도(<10 nm rms) 와 순도(>99.0%, 이온함유량 <10ppm) 등이 요구 되고 있다. 전도성 전극 재료의 개발에 있어서도 재료의 내화학 특성, 재료의 휨에 따른 비저항 변 화 특성, 재료의 열 안정성 등이 요구되고 있고, 배선 재료로서의 낮은 비저항, 투명 전도막의 높 은 광 투과도(>80%), 그리고 우수한 표면 평탄도 (<10nm) 등이 요구되고 있다. 한편 TFT 소자 공 정기술 측면에서의 patterning 기술과 패널 제조 기술의 개발도 특별히 요구되고 있다.

반도체 집적회로와 TFT-LCD의 제조에 있어 세계 시장을 주도하고 있는 우리 나라는 유기 TFT 분야에서도 기존의 반도체 기술 분야가 구 축해 놓은 인프라를 바탕으로 선전할 수 있으리라 예상된다. 그러나 유기 반도체 분야는 기존의 반 도체 집적회로나 TFT-LCD 분야와 비교하여 그 소재의 합성과 공정 기술에 있어 화학 기술에 대 한 의존도가 훨씬 높다고 할 수 있다. 기존의 우리 나라의 반도체 제조 산업이 공정 기술과 설계 기 술 측면에서는 매우 우수하나 아직도 핵심 소재의

특·별·기·획

NEWS & INFORMATION FOR CHEMICAL ENGINEERS, Vol. 21, No. 3, 2003…355 개발 능력과 공정 장치의 설계 및 제작 능력에 있

어서는 외국에 의존하고 있는 실정을 감안해 볼 때, 유기 반도체 분야에 있어서도 화학기술의 획 기적인 기여가 요구되고 있다. 유기 반도체 소자 의 성능, 신뢰도 및 수명을 혁신적으로 향상시켜 양산성 있는 제품을 개발하기 위해서는 핵심 소재 부문의 지속적인 신기술 개발이 요구되며, 이에 있어 나노 화학기술의 적절한 응용이 기대된다.

또한 공정기술 분야에 있어서도 나노 화학공정 기 술의 적절한 활용은 이러한 핵심 소재의 소자에의 응용과 기존 공정기술의 혁신에 있어 큰 기여가 예상되고, 결과적으로는 소자 구조의 개발, 그리고 공정 장치의 개발 등과 더불어 고성능 TFT 소자 의 구현을 앞당기는데 일익을 담당하게 될 것이다.

유기 반도체 분야는 전 세계적으로도 이제 막 태동기를 벗어난 상태이므로 국내의 화학 기술자 들이 본격적으로 연구개발에 참여한다면 단 기간 내에 첨단 연구 수준에 도달할 수 있을 것으로 예 상되며, 이러한 측면에서 화학공학자의 기여도 활 발히 요구된다. 즉, 기존의 반도체나 LCD 관련 연 구 개발을 수행하고 기업 및 대학의 연구진이 화 학자들과 힘을 합하여 유기 TFT 소재의 소량 다 품종 양산 기술을 개발하고, 이를 박막으로 증착 시키는 각종 나노 화학공정 기술과 공정 장치를 개발하며, 대면적화를 위한 생산 장치를 설계하는 등 화학공학자만이 할 수 있는 기여인 것이다.

정보기술 빅뱅의 시대를 맞고 있는 지구촌은 물 질과 관념, 전통과 첨단, 하드웨어와 소프트웨어, 아날로그와 디지털 등 모든 분야에서 ‘컨버전스’

라는 거센 변화의 폭풍 속에 있다. 이제는 더 이상 의 이분법적인 분류나 정의는 의미가 없게 되었다.

제3의 물결로 일컬어지는 정보 혁명의 주요 요인 의 하나인 정보기술(IT)은 단순히 기술적인 차원 을 넘어 인간과 문화를 포괄하는 새로운 차원의 제품과 서비스가 등장하는 디지털 퓨전 시대를 예 고하고 있으며 시대 변혁의 근간에 시스템온칩 (SoC)가 자리잡고 있다.

SoC의 중요한 의미는 기존에 독립적으로 진행 되어 오던 시스템 설계와 칩설계가 SoC라는 하나

의 통합된 플랫폼에서 융합된다는 점이다. 구현 방식과 형태는 반도체칩이지만 설계 및 검증 방식 은 하드웨어와 소프트웨어가 대규모로 총망라된 복합시스템 설계 방식을 활용하는 것으로 SoC는 다양한 디지털기술과 제품간 융합되는 디지털 컨 버전스의 핵심 기술로 기존의 전자 제품과 인터 넷·방송·무선통신 등이 결합돼 인간 지향의 정 보와 제품을 생산할 수 있는 토대가 되고 있다.

SoC는 반도체 제조 공정 기술의 발전으로 고집적 도 구현이 가능해짐에 따라 하나의 칩에 프로세 서·메모리·주변 장치·로직 등 시스템 구성 요 소를 통합한 것이다. 더 이상은 메모리와 비메모 리라는 영역의 구분이 의미가 없어지고 ‘반도체가

EL on (SoC)

조 성 민

성균관대학교 화학공학과, [email protected]