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표준연, 고성능 유연소자 개발…폴더블폰 가격 절감 기대

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수직으로 쌓은 고성능 유기 트랜지스터 개발

[아이뉴스24 최상국 기자] 한국표준과학연구원(KRISS)이 새로운 방식의 수직 유기 트랜지스터를 개발하는 데 성공했다. 웨어러블‧플렉서블 기기의 핵심인 유연소자를 저렴하면서도 고성능으로 제조하는 데 기여할 수 있을 것으로 주목된다.

KRISS 나노구조측정센터 임경근 선임연구원과 독일 드레스덴공대 칼 레오 교수 연구팀은 전기화학적 산화공정을 이용해 수직구조의 유기 트랜지스터를 개발했다고 16일 발표했다.

 KRISS 나노구조측정센터 임경근 선임연구원이 개발에 성공한고성능 수직 유기 트랜지스터를 선보이고 있다. [KRISS 제공]
KRISS 나노구조측정센터 임경근 선임연구원이 개발에 성공한고성능 수직 유기 트랜지스터를 선보이고 있다. [KRISS 제공]

유기물은 일반적으로 무기물에 비해 소재가 유연하고 제조비용이 저렴하다. 유기 트랜지스터는 다양한 반도체 소자를 가볍고 유연하게 만들 수 있으며 값싸게 대량 생산이 가능해 차세대 소자로 주목받고 있다. 또한 소자를 수직으로 배열하면 구조적으로 성능을 높일 수 있는 장점이 있다.

반면 유기 트랜지스터는 전하 이동도가 낮고 무기물에 비해 외부환경에 취약하다는 단점이 있다. 전극이 수평으로 배열돼 소자 면적이 넓어져 구동전압과 반응시간이 크고 성능이 떨어졌다.

KRISS 연구팀은 전극과 유기 반도체를 수직으로 쌓고 층 사이의 투과전극을 특수한 방법으로 제작해 성능을 획기적으로 높였다.

전자의 흐름을 수직으로 조절하면 이동거리가 수백 배 짧아져 구동속도가 급격히 빨라진다. 이러한 수직구조에서 핵심은 반도체 층 내부에 있는 투과전극의 성능이다. 연구팀은 기존보다 누설전류를 1만 배 이상 감소시키는 투과전극을 제작하는 데 성공했다.

연구팀은 감귤류 과일에 흔히 존재하는 시트르산이 희석된 수용액에 투과전극을 넣고 전압을 흘려주는 아노다이징(anodizing, 대상물질을 양극으로 삼아 표면에 얇은 막을 입히는 기술)공정을 이용, 수 나노미터의 동공과 산화막이 형성된 투과전극을 제작했다.

투과전극은 소자가 켜진 상태에선 전자를 많이 빠르게 투과시키고, 꺼진 상태에선 누설전류 없이 전하이동을 차단해야 한다. 하지만 기존의 열 성장 등의 방법으로 제작된 투과전극은 미세 나노구조를 제어할 수 없어 성능이 떨어진다는 평가를 받아왔다.

이번 기술은 투과전극을 통과하는 전자 흐름을 효과적으로 제어할 수 있을 뿐만 아니라, 비싸고 복잡한 공정 없이 아노다이징 전압의 세기 조절만으로 투과전극을 안정적으로 제작할 수 있어 산업 응용성이 크다.

수직 유기 트랜지스터의 개요도 [KRISS 제공]
수직 유기 트랜지스터의 개요도 [KRISS 제공]

KRISS 임경근 선임연구원은 “이번 기술로 유기 트랜지스터의 성능이 향상되어 다양한 곳에 응용될 것”이라며 “친환경적인 아노다이징을 활용한 수직 유기 트랜지스터는 저렴한데다 공정이 간단해 궁극적으로 폴더블폰, 웨어러블 컴퓨터 등의 제조비용도 절감시킬 것”이라고 말했다.

한국연구재단 신진연구자지원사업의 지원을 받은 이번 연구결과는 소재분야 세계적 학술지인 어드밴스드 머티리얼스에 게재됐다. (논문명: Vertical Organic Thin-Film Transistors with an Anodized Permeable Base for Very Low Leakage Current, 2019.)

최상국 기자 skchoi@inews24.com



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