성균나노과학기술원 강보석 교수, 포스텍 연구팀과 함께 고성능 유기반도체 단결정 인쇄기술 개발

[그림1] 성균나노과학기술원 강보석 교수

와인이 담긴 잔을 흔든 다음 그대로 두면 얇은 막이 형성되어 와인이 눈물같이 밑으로 흘러내리는데 이것을 “와인의 눈물”, 또는 “마랑고니 효과”라고 한다. 이는 물과 알코올처럼 서로 다른 표면장력을 가진 액체들이 만날 때 즉시 혼합이 이뤄지는 것이 아니라 일정 시간이 소요되기 때문에 생겨나는 현상이다. 지금까지 유기반도체 인쇄 공정에서 마랑고니 효과는 인쇄 시간을 지연하고 품질을 떨어뜨리는 것으로 지적됐지만 이것을 역이용하여 빠른 속도록 대면적에 인쇄할 수 있는 기술이 개발됐다. 

본교 성균나노과학기술원 강보석 교수는 포스텍 화학공학과 조길원 교수, 이선백 박사 연구팀과 함께 인쇄전자 소자용 유기반도체 단결정 박막을 코팅하는 대면적 인쇄 공정 기술 개발에 성공했다.

마랑고니 효과란 물방울이 마르면서 액체 속 입자들이 바깥쪽으로 집중되어 진한 얼룩을 남기는 현상을 말하는데, 연구팀은 용매에 마랑고니 흐름의 방향을 제어하는 첨가제를 넣어 박막 코팅을 할 때 유기반도체 분자들이 효과적으로 공급되어 자기 조립될 수 있도록 했다. 이때 유기반도체 결정체의 과포화 상태가 지속되어 연속적인 단결정 박막을 제작할 수 있었다. 

[그림2] 고성능 유기반도체 단결정 인쇄기술의 대표 그림

연구팀이 개발한 인쇄 공정 기술을 이용해 제작한 유기 박막 트랜지스터는 높은 전하 이동도(20cm2V-1s-1 이상)를 가지는 우수한 전기적 성능을 나타냈다. 또한 인쇄 공정 기술과 기판 패터닝 기술을 접목하여 대면적에 균일한 단결정 패턴을 제작할 수 있어 차세대 디스플레이나 유연전자 소자 제작에 유용할 것으로 기대된다. 

연구진은 ”이번 연구로 기존 프린팅 공정에서는 억제해야 할 요소로 여겨진 마랑고니 흐름을 역이용해, 이를 제어함으로써 높은 균일성과 우수한 전기적 특성을 가진 유기반도체 단결정 박막을 빠른 코팅 속도로 제작할 수 있었다“며 ”여기서 더 나아가 롤투롤(Roll to Roll) 공정1)에 적용할 수 있다는 점에서 높은 산업적 효용을 지니고 있다”고 말했다.

[그림3] 재료분야 권위지인 ‘어드밴스드 펑셔널 머터리얼스’ 최신 호 표지논문으로 게재

최근 재료분야 권위지인 ‘어드밴스드 펑셔널 머터리얼스’ 표지논문으로 게재된 본 연구는 과학기술정보통신부의 중견연구자지원사업과 우수신진연구사업으로 수행됐다.