성능 100배 향상된 플렉서블 디스플레이 소자 개발

[박계현기자] 국내 연구진이 플렉서블 디스플레이의 핵심 부품 공정을 간소화하는 방법을 개발했다.

한밭대학교 노용영 교수가 주도하고 노스웨스턴 대학 백강준 박사(제1저자), 광주과학기술원, 한국전자통신연구원이 공동으로 참여한 연구팀은 N형과 P형의 특성을 모두 갖는 양친성 반도체를 제어할 수 있는 고분자물질(VDF-TrFE)과 일반 절연체 재료를 혼합해 전자회로의 게이트 절연막을 형성하는 유연전자회로를 구현했다.

양친성 반도체는 반도체특성을 지닌 유기고분자 재료 중에 전자와 정공을 한 물질이 동시에 전달할 수 있는 고분자를 의미한다. 기존 유기반도체 고분자는 일반적으로 한 물질이 전자 혹은 정공중 하나만 전달이 가능해 N형 또는 P형의 특성을 갖게 된다.

유연전자소자는 휘는 디스플레이나 입을 수 있는 컴퓨터 등 차세대 전자 제품에 활용할 수 있는 핵심부품으로 최근 관심이 집중되고 있는 분야이다.

유연전자소자 제작 공정은 반도체·절연체·전도체 등의 재료를 차례로 인쇄하는 공정을 거치게 된다. 기존 공정은 우수한 성능을 구현하기 위해선 복잡하고 높은 해상도의 인쇄 및 코팅 과정을 거쳐야 한다는 단점이 있었다.

전자회로(CMOS)를 구성하는 반도체는 P형 반도체와 N형 반도체로 구분되는데, 이들 반도체 층은 각각 복잡한 공정을 통해서 패터닝(특정 재료를 원하는 부분에만 형성시키는 공정)해야 한다.

최근에는 이러한 패터닝 공정 없이 전자회로를 구성하기 위해 P형 반도체 및 N형 반도체의 특성을 모두 갖는 고분자 화합물을 활용한 양친성 반도체가 대안으로 주목받고 있다.

그러나 양친성 반도체를 활용하는 경우에는 소자에서 신호를 전달하는 전자와 정공의 이동도가 불균일하고 동일한 성능을 보여주지 않는다는 단점이 있었다.

노용영 교수 연구팀은 불소가 많이 치환된 고분자물질 P(VDF-TrFE)와 일반적인 탄소와 수소로 이루어진 고분자 절연체를 특정 비율로 혼합해 절연막을 형성해 높은 정공 이동도와 낮은 구동전압을 갖는 유연전자회로 제작에 성공했다.

이번에 개발한 절연체를 이용하면 복잡하고 고가의 장비가 요구되는 다수의 패터닝 공정이 필요없다. 단 한 번의 코팅 공정을 통해 회로를 제작할 수 있으며, 소자의 성능이 최고 100배 정도 향상되고 구동전압도 5V 이내로 구현이 가능하다.

노용영 교수는 "이번 연구는 유연전자소자를 생산하는 복잡한 공정의 어려움과 고비용 문제를 근본적으로 해결한 것"이라며 "향후 인쇄전자소자의 대량생산에 새로운 가능성을 열었다"고 말했다.

이번 연구는 교육과학기술부(장관 이주호)는 글로벌 프론티어 사업 '소프트 일렉트로닉스 연구단'과 삼성디스플레이의 지원을 받았다. 또 연구결과는 재료분야 학술지인 '어드밴스드 머터리얼즈'에 23일자 내부 표지논문으로 실렸으며 관련 기술은 삼성디스플레이와 공동으로 국내외 특허를 출원했다.