유기 반도체 ‘잉크’로 그려낸 회로를 더 미세하고 반듯하게 만들 수 있는 물질이 개발됐다. 가볍고 휘어지는 디스플레이와 웨어러블 전자기기에 들어가는 유기 반도체 회로를 보다 정밀하게 패터닝하는 데 도움이 될 기술이다.

UNIST 화학과 김봉수 교수팀은 연세대학교 조정호 교수팀과 공동으로 유기 반도체 고분자와 잘 섞이면서 고분자 사슬을 효율적으로 연결해주는 새로운 광가교제인 ‘Diazo-6Bx’를 개발했다고 2일 밝혔다.

광가교제는 유기 반도체 용액공정에 쓰이는 물질이다. 광가교제가 들어간 반도체 잉크를 기판에 바른 뒤 회로 모양대로 자외선을 쬐면, 빛을 받은 부분의 잉크가 단단하게 굳어 고정되는데, 이를 용매로 씻어내면 나머지가 씻겨 나가면서 자외선을 쬔 부분만 회로 형태로 남게 된다.

개발된 광가교제는 탄화수소 계열 유기 반도체와도 잘 섞이고, 고분자 사슬을 촘촘하고 균일하게 연결할 수 있다. 덕분에 세척할 때 회로 가장자리가 덜 깎여 나가고, 빛을 받은 영역과 받지 않은 영역의 경계도 또렷해진다.

기존 광가교제인 6Bx는 플루오린이 많이 붙은 형태의 광가교제라 탄화수소 기반 유기 반도체와 잘 섞이지 않았다. 이 때문에 가교제가 뭉치거나 고르지 않게 퍼져 회로 가장자리가 깎여 나가기 쉬웠다. 또 소자 성능을 떨어뜨리는 ‘전하 트랩’도 잘 생겼다. 전하 트랩은 회로 내부 물질에 생긴 결함 등으로 인해 반도체 내 전하 흐름이 방해받는 현상이다.

연구팀은 기존 6Bx의 테트라플루오로페닐 아지드기를 플루오린이 없는 페닐 다이아조 에스터기로 바꿔서 새로운 광가교제를 개발했다. 다이아조기는 자외선을 받으면 반응성이 높은 카벤으로 바뀌어 고분자의 탄소-수소 결합 사이로 들어가 사슬들을 3차원 그물망 형태로 연결해 준다.

실제 개발된 광가교제를 넣어 직선을 패터닝한 결과, 설계한 선폭에서 벗어나는 정도인 선폭 편차가 기존 10.3마이크로미터(㎛)에서 2.5㎛로 약 4분의 1 수준으로 줄었다. 가장자리 각도도 67.9도에서 수직에 가까운 87도로 높아졌다.

전하 트랩으로 인한 소자 성능 저하도 줄어들어, 트랜지스터에 4,000초 동안 일정한 전압을 가한 뒤에도 기존 광가교제를 쓴 트랜지스터보다 전류 감소와 문턱전압 변화가 작았다. 

또 연구팀은 이 물질로 p형 및 n형 고분자 반도체를 패턴화했으며, 이를 바탕으로 기판 위에 84개의 트랜지스터 소자로 구성된 유기 박막 트랜지스터(OTFT) 어레이 및 상보형 논리 회로(NOT, NAND, NOR 게이트)를 만드는 데까지 성공했다.

김봉수 교수는 “이번 광가교제는 유기 반도체 회로를 더 미세하고 균일하게 만들면서도 소자의 작동 안정성을 높일 수 있는 물질”이라며 “같은 용매로 p형과 n형 반도체를 연속해서 패터닝할 수 있어 용매 선택과 공정 설계의 부담을 줄이고, 대면적 유연 디스플레이와 웨어러블 전자기기의 생산 공정을 단순화하는 데 도움이 될 것”이라고 기대했다. 

이번 연구는 ‘삼성미래기술육성사업’과 과학기술정보통신부 및 한국연구재단(NRF)의 지원을 받아 수행됐으며, 연구 결과는 세계적인 나노분야 학술지인 ‘에이씨에스 나노(ACS Nano)’에 지난달 23일 출판됐다.