국립부경대 권혁진 교수 연구팀,

저전력 구동 인쇄형 플렉서블 트랜지스터 전자소자 구현

국립부경대학교(총장 배상훈)는 권혁진 교수(공업화학전공) 연구팀이 차세대 유연 전자기기의 핵심 소재로 주목받는 폴리이미드(polyimide) 기반 게이트 절연체 기술을 개발했다고 15일 밝혔다.

권혁진 교수를 비롯해 충북대 임보규 교수(공업화학과), 건국대 김세현 교수(화학공학부), 영남대 이승우 교수(화학공학부) 등 공동 연구팀은 이번 연구 결과를 재료 분야 국제학술지 <Advanced Functional Materials>(IF: 18)에 지난 10월 발표했다.

인쇄형 전자소자는 재료를 용매에 녹여 잉크젯 프린터로 인쇄하듯 전자소자를 만드는 방식이다. 값비싼 진공 장비를 사용하는 기존 제조 방법보다 저렴하고 저온에서 전자소자 제조가 가능하지만, 적층 구조의 인쇄 방식으로 제조 과정에서 재료가 서로 파괴되면서 인쇄공정으로 완전한 소자를 제작하기 어려운 한계가 있었다.

공동 연구팀은 광패턴 및 고유전율(High-k) 특성을 동시에 구현한 새로운 소재 ‘메타크릴로일 폴리이미드(PI-MA)’를 개발하고, 이를 이용해 프린팅 방법으로 저전력 구동 플렉서블(유연) 트랜지스터 전자소자를 구현하는 데 성공했다.

이 기술을 활용하면 잉크젯 프린터를 이용해 반도체 및 절연체 용액으로 전자소자를 인쇄 방식으로 제조할 수 있다. 공동 연구팀은 인쇄공정을 사용하면서도 가교(架橋, cross-linking) 기술을 이용해 이러한 문제점을 극복했다. 가교 공정을 이용하면 분자 간 연결을 단단하게 고정해 재료의 열/화학적 안정성을 향상시킬 수 있다.

이를 위해 연구팀은 광가교가 가능한 불소 기반의 메타크릴로일 폴리이미드 기반의 절연체를 개발했고, 폴리이미드 분자 내 불소의 도입으로 1kHz에서 8의 유전상수를 확보했다. 이는 기존 보고된 폴리이미드의 유전상수 대비 매우 향상된 수치다.

또한 개발된 폴리이미드는 열처리 공정 없이도 낮은 누설전류 값을 가지고 있어, 트랜지스터의 절연체로 적합할 것으로 예상된다. 개발된 절연체를 활용하여 전인쇄 공정(All-printing process)으로 트랜지스터를 제조한 결과 5V 이하의 낮은 전압에서도 트랜지스터의 높은 전기적 특성이 관찰됐고, 우수한 특성의 논리회로도 성공적으로 구현했다.

※ 붙임: (위쪽) PI-MA 레이어가 인쇄된 트랜지스터 이미지 및 광경화 공정 모식도, (가운데) PI-MA 레이어가 인쇄된 유연한 트랜지스터 전자소자 제작 모식도 및 전용액 공정 소자 사진, (아래쪽) 유연소자 사진 및 전용액 공정 처리된 회로 소자 이미지