서울대 공대는 스탠포드대 Zhenan Bao 교수 연구팀(Steve Park 박사, Gaurav Giri 박사)과 서울대 홍용택 교수 연구팀(하제욱 박사과정 연구원)으로 구성된 공동 연구팀이 대면적 유기 반도체 결정질 박막 패터닝 기술을 개발했다고 6일 밝혔다.

이로써 매우 간단한 공정으로 원하는 영역에만 고 결정 구조의 유기 반도체 박막을 형성할 수 있는 초고밀도 초고균일도 대면적 전자회로 제작이 가능해졌다. 이 내용은 세계적으로도 주목 받아 글로벌 학술지 ‘Proceedings of the National Academy of Science(PNAS)’의 4월 말 최신호에 게재됐다.

이번 연구는 실제 대면적 전자회로 제작에 있어 가장 큰 어려움으로 여겨졌던 고 결정 유기 반도체 박막의 형성과 패터닝 문제를 해결했다는 점에서 획기적이다. 유기 전자소자 기술은 크게 각광받고 있지만, 채널 영역에만 정교하게 유기 반도체 박막을 형성하기 어렵다는 점, 각 소자들마다의 균일도가 높지 않다는 점 등의 어려움이 있었다.

연구팀은 트랜지스터의 채널 영역에만 반도체 박막이 형성될 수 있도록 표면 에너지 차이와 solution-shearing 공정을 이용했다. 표면 처리를 통해 채널 영역과 소스/드레인 전극의 표면 에너지 차이를 크게 만든 뒤 그 위에 solution-shearing 공정을 통해 유기 반도체 박막을 형성해 기술적인 한계를 뛰어넘은 것.

그 결과 채널 영역에만 정교하게 유기 반도체 박막을 형성할 뿐만 아니라, 결정의 크기 및 방향도 일정하게 제어해 각 소자들마다의 균일도 또한 크게 증가시켰다. 현재까지 발표된 세계 최고 수준인 840dpi의 초고밀도로 유기 박막 트랜지스터를 99%의 높은 수율로 제작할 수 있게 됐으며, 다양한 논리 회로에도 응용해 대면적 전자회로 제작의 가능성을 제시했다.

본 연구는 미래창조과학부의 글로벌 프런티어 과제 소프트 일렉트로닉스 사업단의 지원으로 얻은 성과로, 홍 교수가 연구년 파견 기간 동안 스탠포드대에서 Bao 교수 연구팀 연구원들과 공동 연구하며 이뤄냈다.

홍 교수는 “이번 연구로 유기 반도체 박막을 결정성을 높이면서도 대면적에 손쉽게 패터닝하는 기술을 개발했다”며, “프린팅 공정을 적용해 롤투롤 연속 공정 시스템에도 적용 가능하기 때문에 차세대 디스플레이, RFID tag, 집적회로 등에 필요한 대면적, 저비용 전자회로 제작의 기반 기술로 자리매김할 것”이라고 말했다.