KAIST(총장 강성모)는 임성갑 생명화학공학과 교수 연구팀이 채널층으로 무기질(실리콘)층 대신 유기 반도체층을 사용한 '유기 박막 트랜지스터'를 저전력으로 구동하고, 성능을 최적화할 수 있는 새 고분자 절연막 소재를 개발했다고 19일 밝혔다.

유기전자 소자의 상용화를 위해 성능 향상과 저전력 구동을 위한 노력이 계속되고 있다. 특히 전력 소모를 줄이기 위해선 매우 얇은 두께에서도 우수한 절연 특성을 갖는 소재 개발과 소자의 문턱전압을 낮추는 기술은 반드시 필요하다.

문턱전압은 전류가 흐르기 위한 최소한의 전압을 뜻한다. 기존 유기 박막 트랜지스터에서는 문턱전압 조절을 위해 절연막과 반도체 사이에 표면 처리를 하는 방식을 주로 이용했다. 하지만 이는 전하 이동도 등 소자의 다른 성능들이 감소되는 한계가 있었다. 따라서 소자의 성능 최적화를 위해서는 전하 이동도와 문턱전압 등을 독립적으로 조절하는 기술이 필요하다.

연구팀은 문제 해결을 위해 '개시제를 이용한 화학 기상 증착법(initiated chemical vapor depositon, iCVD)'을 이용했다. iCVD는 기체 상태의 반응물을 이용해 고분자를 박막 형태로 합성하는 방법이다.

연구팀은 기체상 공정의 장점을 이용해 유기 박막 트랜지스터의 문턱전압 조절이 가능한 새로운 공중합체 고분자 절연막을 합성했다. 이어 합성된 절연막의 전기적 특성을 분석한 결과, 특정 단량체의 비율에 따라 트랜지스터의 문턱전압이 조절됨을 확인했다.

이와 함께 연구팀은 공중합체의 고분자 표면에 다른 고분자를 얇게 덧씌워도 여전히 문턱전압이 조절되는 것을 확인, 동일한 공정으로 공중합체 표면에 3nm(나노미터) 정도의 매우 얇은 두께의 무극성 고분자를 씌워 전하 이동도를 유지해주는 동시에 문턱전압만 독립적으로 조절할 수 있는 새로운 절연막 시스템을 개발했다.

연구팀에 따르면 이 절연막은 20nm 정도의 두께에서도 우수한 절연특성을 가져 3V(볼트)이하의 저전력 구동 중에도 성능 저하 없이 문턱전압만 선택적으로 조절할 수 있다.

임성갑 교수는 "유기 박막 트랜지스터의 상대적으로 높은 전하 이동도를 유지하며 문턱전압만을 독립적으로 조절할 수 있는 새로운 기술이다"며 "저전력 구동이 가능한 유기 전자 소자의 상용화를 앞당길 수 있을 것으로 기대된다"고 말했다.

이번 연구 성과는 국제학술지 '어드밴스드 펑셔널 머티리얼즈(Advanced Functional Materials)'에 지난달 26일자로 게재됐다.