늘어나는 n형 고무-반도체-고무 스택 기반의 전자 장치. (사진=부산대 제공)

깨지기 쉬운 유기반도체 필름을 고무 물질 사이에 삽입해 샌드위치 형태인 스택(stack) 구조를 형성함으로써 세계 최초로 잡아당겨도 찢어지지 않는 n-type 유기반도체 기반 트랜지스터를 제작할 수 있는 기술이 국내 부산대학교 연구진에 의해 개발돼, 세계적인 과학저널 '네이처 일렉트로닉스(Nature Electronics)'에 게재됐다.

부산대학교는 공과대학 전자공학과 심현석 교수팀이 유기반도체 공정 기술을 이용해 기계적 응력(應力)이 가해지는 경우 그 물질에 가해지는 스트레스를 획기적으로 줄여 세계 최초로 연성 n-type 반도체 및 트랜지스터 개발에 성공했다고 23일 밝혔다.

'연성 전자소자 및 시스템'은 휴먼 머신 인터페이스, 스마트 헬스케어 디바이스, 이식가능한 바이오메디컬 디바이스 등과 같은 미래지향적인 어플리케이션을 만드는 데 사용될 수 있다.

연성 반도체 물질은 이러한 기술을 실현하기 위한 핵심기술인데, 일반적으로 주로 연성을 가진 p-type 반도체 물질에 대한 연구가 활발히 진행돼 왔다. 하지만 전자회로에서는 한 가지 type만으로 모든 회로를 구성할 수 없기 때문에 p-type과 n-type이 모두 상보적으로 필요하다. 즉, 상보형 회로 및 복잡한 회로, 광전자 디바이스 등을 구현하기 위해서는 연성 p-type뿐 아니라 연성 n-type 반도체도 필요한 것이다.

유기 연성 반도체는 물질 자체가 늘어나는 방식(Intrinsically stretchable)을 통해 구현될 수 있다. 그동안 연성 n-type 반도체의 개발은 낮은 안정성 및 낮은 전자 이동도와 같은 고유한 물질 특성으로 인해 제한돼 왔다. 이에 부산대 심현석 교수팀은 유기반도체 공정 기술을 이용해, 가볍고 부드러우며 쉽고 안정적인 방법으로 깨지기 쉬운 n-type 반도체에 연성을 부여할 수 있는 기술(연성 n-type 반도체 및 장치) 개발에 나서 최근 성공했다.

제1저자로 연구를 주도한 심현석 교수는 깨지기 쉬운 반도체 물질을 두 고무 물질 층 사이, 샌드위치 형태(stack 구조)로 삽입해 높은 안정성 및 전자 이동도를 가질 뿐만 아니라 기계적 응력에도 그 특성을 유지하는 n-type 반도체 물질을 개발했다.

이 구조는 미세 균열의 형성과 그 균열의 전파를 억제하며, 성능 소실이 거의 없이 최대 50%까지 늘어났다. 주변 환경에서 반도체의 장기 안정성도 향상됐다. 연구팀은 고무-반도체-고무 스택과 기타 신축성 전자 소자를 적용한 트랜지스터, 논리 게이트, 상보형 회로, 광검출기, 늘어나는 이미저(imager)를 구현했다.

심현석 교수는 "이번 결과는 기존의 p-type 기반으로 국한돼 왔던 연성 유기반도체의 연구가 n-type으로 확장되는 중요한 의미를 가진다"며 "본 소재 및 공정 기술은 복잡한 공정 및 물질 합성 없이 구현 가능한 이점이 있으며, 향후 p-type 및 n-type 반도체가 동시에 필요한 연성 전자소자 및 회로 분야에 크게 기여할 것"이라고 말했다.

한편, 이번 연구는 미국 펜실베니아주립대학교 쿤지앙 유 교수, 노스웨스턴대학 토빈 막스, 안토니오 파케티 교수, 중국 둥난대학 빙하오 왕 교수, 한국 울산과학기술원 심교승 교수 연구진과 함께 국제공동연구로 수행됐다. 해당 논문은 전자 분야 세계 최고의 국제학술지인 '네이처 일렉트로닉스(Nature Electronics)' 5월 15일자에 게재됐다.

연구진은 앞으로 기존의 깨지기 쉬운 반도체 물질들에 반도체 스택(stack) 구조를 적용해 신축성이 부여된 반도체 연구를 수행·확장할 예정이다. 이러한 시도는 바이오전자, 웨어러블 전자소자, 소프트로봇 등의 개발에 활용될 수 있을 전망이다.