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중앙대 정대성 교수팀, 물을 활용한 친환경 반도체 제조 신기술 개발
차세대 디스플레이 산업 성장에 탄력 붙을 것으로 기대
 
한국신문
▲ 유기반도체소재를 ‘물’에 분산시키고, ‘물’로부터 공정을 하고 최종적으로 계면활성제를 제거하는 실험과정의 모식도. (사진제공=한국연구재단)     © 한국신문
미래창조과학부(장관 : 최양희)와 한국연구재단(이사장 : 정민근)은 8월 25일 “국내 연구진이 유기용매 대신 ‘물’을 이용해 친환경 반도체를 제조할 수 있는 기술을 개발하였다”고 밝혔다.

중앙대 정대성 교수와 경상대 김윤희 교수 등은 미래창조과학부와 한국연구재단에서 지원하는 기초연구사업(신진연구자지원)과 원천기술개발사업(글로벌프론티어사업)으로 동 연구를 수행하여 이룩한 성과이다.

해당 연구 결과물은 특허(특허명 : 비이온 계면활성제를 포함하는 콜로이드 조성물 및 이의 제조 방법)로 출원되었고 재료 분야 세계적인 권위지인 어드밴스드 머티리얼스(Advanced Materials) 온라인 판 8월 19일자(논문명 : High charge carrier mobility of 2.5㎠ V-1s-1 from water-borne colloid of polymeric semiconductor via smart surfactant engineering.)에 게재되었으며, VIP논문으로 선정되어 표지논문으로 게재될 예정이다.

이 논문의 제1저자는 중앙대 석사과정 조장환 연구원이며, 교신저자는 중앙대 정대성 교수와 경상대 김윤희 교수이다.

유기반도체는 유기체(탄소와 탄소 화합물)로 만들어진 반도체로, 현재 주로 쓰이는 실리콘 반도체보다 가볍고 유연하며 적은 비용으로 제작이 가능해 유기발광 다이오드(OLED) 등 차세대 디스플레이 기기 등에 활용되고 있다.

유기발광다이오드(OLED)는 반도체 자체로부터 발광되는 빛을 이용하는 영상표시장치인데, 이 때 발광이 되는 반도체 소재가 유기반도체인 다이오드를 의미한다.

유기반도체로 다이오드와 같은 장치를 구현하려면 고체 형태로 제조된 유기반도체를 녹여서 필름(박막)으로 성형해야 한다. 이 과정에서 유기반도체를 고르게 분산시켜 녹이기 위해 유기용매를 활용하는데, 이 용매는 근본적으로 내부 부식성과 인체 유해성이 있어 환경규제와 비용을 고려할 때 이를 대신할 친환경 용매가 필요한 상황이다.

유기용매는 대부분 탄소를 기본 골격으로 이루어져 있고 기름이나 지방을 잘 녹이며 쉽게 증발하는 것이 특징이며, 구성물질의 특성상 높은 수준의 유독성을 지니고 있다.

이에 따라 물과 같은 친환경 용매를 활용하기 위한 연구가 이루어졌다. 이를 통해 계면활성제를 활용하면 반도체를 물에 녹일 수 있음이 밝혀졌으나, 이 때 활용한 이온성 계면활성제는 반도체 박막 형성 후에도 활성제가 일부 내부에 남게 되어 전하 이동을 저해하는 문제가 있었다.

계면활성제는 한 분자 안에 ‘물과 친한 친수성기’와 ‘기름과 친한 소수성기’를 가지고 있어서 기름과 물을 잘 섞이게 해주는 물질이다.

연구진은 기존 연구에 활용된 적이 없었던 ‘비이온성 계면활성제’를 새로운 구조로 개발하여 활용할 경우, 기존 이온성 계면활성제의 한계를 극복할 수 있을 것이라 보았다.

연구진은 에틸렌글리콜을 친수성 영역으로 하고 탄소사슬을 소수성 영역으로 하는 비이온성 계면활성제를 개발하였다. 이 활성제를 활용하여 유기반도체 박막을 제작하자, 박막 형성 후에 활성제가 손쉽게 떨어져 나가 전하의 흐름을 유지시키는 것을 확인했다.

에틸렌글리콜(ethylene glycol, C2H5O-)은 탄소 2개 당 1개씩 산소(O)가 섞여있는 사슬구조로, 사슬 끝에 알코올기(OHD)가 달려있어 물에 잘 녹는 특성(친수성)이 있다.

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

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

한편, 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.
/ 한국신문 인터넷부 엄재성 기자 news@koreanewspaper.kr

기사입력: 2015/08/25 [18:11]  최종편집: ⓒ 한국신문
 
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