성균관대-포스텍 공동연구팀, 자유자재로 늘리고 접고 비틀어도 끄떡없는 반도체 기술 개발

- 고신축성·고성능 반도체 고분자 유기반도체 기술 개발

▲ SAINT 강보석 교수

자유자재로 늘리거나 접고 비틀어도 끄떡없는 스트레처블(stretchable) 전자소자의 개발을 위해서는 변형된 상태에서도 전기 성능이 떨어지지 않는 신축성 반도체 소재의 개발이 필수적이다. 그러나 전자소자를 늘리는 경우 단순히 구부리거나 돌돌 마는 경우와 비교해서 전자소자를 구성하는 반도체층에 10배 이상의 물리적 스트레스를 가하게 되어 심각한 전기 및 기계적 파괴를 일으킨다. 지금까지 유기 반도체 소재의 신축성 확보와 동시에 늘려진 상태에서 전기적 성능을 우수하게 유지하기 위한 연구는 꾸준히 진행됐으나, 신축성과 전하 이동 성능 측면에서 아직 초보적인 수준에 머물러 있다.

나노과학기술학과 강보석 교수와 POSTECH 화학공학과 조길원 교수 공동 연구팀은 신축성과 전기적 성능의 안정성을 동시에 향상할 수 있는 새로운 신축성 고분자 반도체 소재 기술 개발에 성공했다.

기존 고분자 반도체 소재는 늘렸을 때 서로 얽혀있던 고분자 사슬들이 비가역적으로 미끄러져 고분자 사슬 사이에 틈이 생기는데, 이에 따라 소재의 파괴가 일어나고 전기적 성능이 저하된다. 연구팀은 새로운 광가교제를 사용해 고분자 사슬 사이에 가교 그물 구조를 형성함으로써 고분자 사슬이 인장으로 인해 비가역적으로 미끄러지는 현상을 억제했다. 개발된 광가교제는 유연한 사슬 형태로 설계되었으며 분자의 양 끝에 아자이드* 반응기를 지니고 있어 자외선을 쪼이면 고분자 반도체와 가교 반응을 일으켜 그물 구조를 형성해 반도체 고분자 소재의 신축성을 증가시킨다.

* 아자이드(Azide): 화학식에 N3−를 가지고 있는 등전자성의 선형 음이온. 하이드라조산(HN3)의 짝염기이며, 높은 반응성으로 인하여 주로 차량용 에어백의 추진제로 사용된다.

연구팀이 개발한 신축성 고분자 반도체 소재는 기존 반도체 소재 대비 인장 강도, 파괴 시의 연신율*, 반복 인장 안정성 등의 기계적 특성이 크게 향상됐다. 특히, 가교된 반도체 박막은 80% 늘린 상태에서도 전기적 특성을 최대 96% 보존하는 데 성공했다. 연구팀이 개발한 새로운 광가교 소재 기술은 패터닝 기술을 이용해 대면적 신축성 유기 반도체 패턴을 제작할 수 있어 차세대 신축성 전자소자 제작에 유용하게 활용될 것으로 기대된다.

* 파괴 연신율(Fracture strain): 박막이 기계적 변형으로 인하여 찢어지는 그 순간의 인장 변형률

연구팀은 “고분자 유기 반도체 박막에 아자이드 광가교제를 도입하여 고분자 사슬 간의 상호 작용을 강화하는 가교 그물 구조를 형성함으로써 박막의 기계적 변형에 의한 큰 변형을 견디면서도 우수한 전기적 특성을 유지할 수 있었다.”며 “고분자 반도체 소재의 신축성을 개선하는 간단한 방법을 제공할 뿐만 아니라 패터닝 기술에 접목하기 쉬워 향후 높은 산업적 효용을 지니고 있다.”고 말했다.

한편, 과학기술정보통신부의 중견연구자지원사업과 국제협력 네트워크 전략강화사업으로 수행한 이번 연구의 성과는 재료과학 분야 상위 5% 이내 권위지인 어드밴스드 펑셔널 머터리얼스(Advanced Functional Materials)지 표지논문으로 게재됐다.