‘용액공정(solution process)’은 원하는 재료를 액체 용매에 분산한 뒤 인쇄기로 찍어내듯 소자를 만들어내는 차세대 전자소자 제조공정 중 하나이다. 용액공정은 기존방식 대비 공정비용이 월등하게 저렴하여 OLED나 센서 등 다양한 전자소자제조에 적용하려는 시도가 꾸준히 이어지고 있다. 다만, 용액공정을 통해 다양한 전자재료를 연속적으로 쌓을 경우, 하나의 재료층 공정이 하부의 다른 재료층에 손상을 일으킬 가능성이 커 온전히 용액공정만으로 전자소자를 제작하는 것은 어려웠다.

 

 

 

그림1. 새로 개발된 광가교제(4Bx, Four-branched 3D gelator)의 역할: 새로 개발된 광가교제(점선 안의 물질)가 유기반도체 고분자를 젤 형태로 만든다.

 

 

 

 본교 강문성 교수팀(화공생명공학과)은 UNIST 김봉수 교수팀, 연세대학교 조정호 교수팀과 공동으로 전자소자제작에 필요한 모든 전자재료(반도체, 도체, 부도체)를 용액공정으로 처리하는 ‘전용액공정(All-solution process)’ 방식을 통해 트랜지스터와 논리회로를 제작하는 데 성공했다. 기존 용액공정 중 발생하던 재료 손상을 차단할 수 있는 고효율 ‘가교제(架橋濟)’ 물질 개발이 연구의 핵심이다. 마치 ‘다리’처럼 전자소자의 재료를 연결하는 가교제를 이용하여 재료들이 ‘똘똘 뭉치게’ 하였으며, 이를 통해 적층 공정에서 발생하는 재료의 물성손상을 차단할 수 있었다. 공동연구팀은 개발된 가교제와 전용액공정을 통해 트랜지스터와 각종 논리회로를 만들고 성능을 평가했으며, 소자 제작에 사용된 다양한 전자재료(고분자, 나노입자 등)의 물성감소 없이 소자를 저비용으로 제조할 수 있음을 확인하였다.

 

 

 

 

그림2. 용액공정을 이용한 트랜지스터 및 논리회로 제작 과정 모식도 및 사용 재료: 반도체(semiconductor), 유전체(gate dielectric), 금속전극 입자 등을 프린팅하듯 찍어 낸다. 

 

 이번 연구는 삼성전자 미래기술육성센터의 삼성미래기술육성사업 지원으로 수행됐다. 연구결과는 국제학술지 「Nature Communications」에 3월 23일(온라인판) 게재되었다.

 

 

 

강문성 교수 (서강대 화공생명공학과)

 

 

연구실 홈페이지: https://sites.google.com/site/mskanggroup/
논문제목: Universal three-dimensional crosslinker for all-photopatterned electronics
논문링크: https://www.nature.com/articles/s41467-020-15181-4