물 활용 친환경 반도체 제조기술 개발

친환경 에너지 산업 등 고부가가치 산업에 적용 기대

국내 연구진이 유기용매 대신 물을 이용해 친환경 반도체를 제조할 수 있는 기술을 개발했다. 추후 이 기술이 차세대 디스플레이 산업 성장에 기여할 수 있을 것으로 기대된다.

유기반도체는 탄소와 탄소 화합물로 만들어진 반도체로 현재 주로 쓰이는 실리콘 반도체보다 가볍고 유연하며 적은 비용으로 제작을 할 수 있어 OLED(유기발광 다이오드) 등 차세대 디스플레이 기기 등에 활용되고 있다.

또한 유기반도체는 분자구조 설계에 따라 용액공정을 할 수 있기 때문에 지난 20여 년간 전 세계적으로 광범위하게 연구돼온 핵심 첨단소재다. 그러나 유기반도체를 용해할 때 쓰이는 유기용매가 높은 내부식성과 인체유해성으로 환경 구제를 고려할 때 반드시 해결돼야 하는 문제다.

이에 국내 연구진은 유기반도체 유해성 문제를 해결할 수 있도록 물에 분산되고 저장되며 나아가 물로부터 박막화될 수 있는 유기반도체 기술을 개발하기 뉘해 노력해왔다.

유기반도체소재를 ‘물’에 분산시키고, ‘물’로부터 공정을 하고 최종적으로 계면활성제를 제거하는 실험과정의 모식도

정대성 교수와 김윤희 교수 등은 유기반도체 소재로 하여금 콜로이드화되도록 하는 매개체인 계면활성제의 특성을 제어하여 콜로이드를 기반으로 제조된 박막으로부터 계면활성제가 손쉽게 제거될 수 있는 기술을 개발했다고 23일 밝혔다. 콜로이드는 나노 사이즈의 입자가 극성용매에 고르게 분산되어 있는 것을 뜻한다.

계면활성제의 도움으로 물에 분산돼 있지만 최종적으로 박막화된 이후에는 계면활성제가 제거되어 순수하게 유기반도체만으로 구성되는 고이동도 (~2.5cm2/Vs) 유기반도체 기술을 개발한 것이다.

연구진은 본 연구를 통해 개발한 비이온성 계면활성제를 사용해 유기반도체를 물에 분산시킴으로써, 물로부터 고성능 유기반도체 박막 제조에 성공했다.

이 유기반도체 박막을 구동한 결과 높은 전하이동도(2.5 cm2/Vs)를 보였고, 이는 기존의 유기용매로 만들어진 유기반도체뿐만 아니라 실리콘 등의 무기 반도체와 비교했을 때에도 유사한 수준이다.

수분산 반도체 잉크로부터 제조된 박막의 특성

정대성 교수는 “이번 연구 성과는 세계 최초로 물을 활용한 고성능 반도체 제조 기술을 개발한 것으로, 현재 우리나라의 핵심 개발기술인 디스플레이와 각종 이미지 센서 등의 제조에 친환경 기술로 접목될 수 있어 산업계로부터 크게 각광받을 것으로 예상한다”라고 밝혔다.

한편 이번 연구는 미래창조과학부와 한국연구재단에서 지원하는 기초연구사업(신진연구자지원)과 원천기술개발사업(글로벌프론티어사업)으로 수행해 이룩한 성과이다. 해당 연구 결과물은 특허로 출원되었고 재료분야 세계적인 권위지인 어드밴스드 머티리얼스(Advanced Materials) 온라인판 8월 19일 자에 게재됐으며, VIP논문으로 선정됐고 표지논문으로 게재될 예정이다.