건국대-충남대 공동 연구팀. 왼쪽부터 이정훈 박사, 건국대 이위형 교수, 충남대 구자승 교수, 한국원자력연구원 이준혁 박사. (사진=건국대)

건국대학교 공과대학 이위형 교수(화학공학부)와 충남대 구자승 교수(유기재료공학과) 공동 연구팀이 유연반도체 소재와 절연체를 혼합해 디스플레이 구동소자를 제조할 때 반도체-절연체 계면에서 일어나는 전하 이동현상을 규명하기 위해 중성자 빔으로 계면 구조를 분석했다.

건국대 측은 해당 연구가 재료 분야 저널인 ‘Advanced Functional Materials(IF=19.924)’에 온라인 게재됐다고 16일 밝혔다.

사물인터넷(IoT)이 상용화되면서 웨어러블 디스플레이의 중요성이 커지고 있는데, 플라스틱처럼 휘어지는 유연반도체를 통해 플렉시블 디스플레이를 구현할 수 있지만 이때 소자의 전하이동 특성이 줄어들고 계면 안정성도 낮다는 문제가 있다고 설명했다.

연구팀은 유연 반도체 소재 중 용액공정용 저분자 반도체를 사용했다. 필름 형성 특성이 떨어지는 단점을 보완하기 위해 절연성 고분자를 혼합해 두 층을 위 아래로 상분리 시켜서 활용했다.

소자의 전기적 특성을 좌우하는 전하 이동을 파악하기 위해서는 혼합된 유연 반도체와 절연성 고분자 계면 특성을 분석해야 하는데, 대부분의 연구는 화학적 용매를 활용해 상부를 화학적으로 소거하는 에칭(Etching) 공정으로 해당 정보를 얻는다. 에칭 공정은 반도체 8대 공정으로 활용되고 있으나, 화학약품을 과도하게 사용하며 불필요한 폐기물을 양산한다는 문제가 제기되고 있다고 전했다. 해당 공정으로 각 층을 미세하게 에칭하는 것이 극도로 어려워 정확한 계면 정보를 얻기에 한계가 있다는 것.

이에 연구팀은 한국원자력연구원 하나로 연구용 원자로의 중성자 반사율 측정장치를 이용해 화학적 에칭 없이 정확한 반도체-절연체 계면을 분석하는 데 성공했다. 중성자 반사율로부터 전하가 이동하는 반도체와 절연체 계면(활성층)을 측정한 결과 계면의 거칠기(roughness)가 5 Å(10-10m) 정도로 아주 매끄러웠고 전하 이동은 극대화됐다.

이번 연구는 한국원자력연구원 이준혁 박사와 공동으로 진행된 연구용 원자로 기반 중성자 반사율 분석을 통해 기존 에칭을 이용한 분석 방법에 비해 보다 정확한 계면 정보를 파악할 수 있는 새로운 방법론을 제시했다. 이는 디스플레이, 태양전지, 다양한 바이오·가스 센서 등 전자 소자의 전하 이동 메커니즘 분석 및 전자 소자의 성능을 극대화하는 연구에 활용될 수 있을 것으로 기대했다.

해당 논문의 제1 저자는 이정훈 박사(건국대 학부·석사 졸업, 미국 노스웨스턴 대학 박사후 연구원)이며 공동 교신저자는 건국대 이위형 교수, 충남대 구자승 교수다. 이번 연구는 과학기술 정보통신부 기초연구 사업과 산업통상자원부 ICT 융합섬유 제조과정 전문 인력양성 사업 지원으로 수행됐다.