우수한 소자 특성 발현하는 유기반도체소자 선도 연구실
“소자에 전기 광학적 특성 부여해 한 단계 앞선 연구에 매진할 것”
21세기 정보화 사회에서는 정보 교류의 원활함에 있어서 휴대형 정보 통신 기기의 사용이 매우 중요하다고 할 수 있다. 실제로 지금 이슈가 되고 있는 차세대 이동 정보 통신 서비스에서는 디지털 데이터뿐 아니라 영상정보까지 전달되는 서비스를 지향하고 있기에 영상 정보의 올바른 전달을 위해서는 정보의 송수신 및 신호 처리 뿐만 아니라 인간과 기계의 접목점인 디스플레이가 매우 중요하다.
광운대학교 유기반도체소자연구실(Organic Semiconductor Device Lab)은 용액/인쇄공정을 기반으로 다양한 유기반도체소자 제작 연구를 수행하고 있으며, 이와 더불어 유기반도체소자에 광학적 특성을 부여하는 연구를 수행하고 있다. 주요 연구 분야로는 유기발광소자(Organic light-emitting device, OLED), 고분자 태양전지(Polymer Solar Cell, PSC), 유기 박막 트랜지스터(Organic thin-film transistor, OTFT) 등이 있으며, 대표적인 연구 성과로는 대면적의 유기 박막 형성이 가능한 정량 주입 코팅 방식(Horizontal dipping method, H-dip coating), 자발적인 패턴 형성이 가능한 잉크젯 프린팅 방식과 편광성 유기반도체소자 기술 등이 있다.
용액/인쇄공정 기반 유기반도체소자 제작 기술
유기물 반도체는 기존의 실리콘 등 무기물 반도체를 대체하는 차세대 반도체 재료로서 Flexible Display, RFID, Organic Solar Cell 등에 이용이 가능하며 가볍고, 휘어질 수 있고, 저온공정 및 저가격 양산화 등의 특징이 있어 OLED, OTFT 등 LCD, PDP를 대체할 수 있는 차세대 디스플레이소재로 각광받고 있다.
이는 휴대폰, 차량용 디스플레이, 노트북, 양면 디스플레이, E-paper, Wearable Display, RFID(Radio Frequency Identification) 등에 응용이 가능하여 사람들의 생활에 큰 변화를 가져올 것으로 전망되며, 어디서나 네트워크가 가능한 이동 정보 통신의 한 종목으로 떠오르고 있다. 박병주 교수는 “유기반도체소자는 친환경적이며 가요성 소자 개발이 가능하고, 다양한 응용 분야에 적용할 수 있어 다양한 연구가 진행되고 있다”며 “이러한 유기반도체소자의 성공적인 시장 정착을 위해서는 생산성 향성, 소재 부품의 저가화, 유기 소재의 효율적 사용 등의 가격 대비 성능을 향상시키는 기술이 요구된다”고 전했다.현재는 용액/인쇄 공정을 기반으로 유기 반도체 박막 형성 방법에 관한 연구들이 진행되고 있는데, 용액/인쇄 공정 기반의 유기 박막 형성 방식은 소재의 활용률을 90% 이상 올릴 수 있으며, 상압 상온에서 공정이 가능해 효율적이고 혁신적인 기술로 인식되고 있다.
이러한 용액/인쇄 공정 기술은 선진국 조명 업체를 중심으로 이루어지고 있으나 유기물의 용액화 연구에 비해 용액을 이용한 박막 형성 방법 연구나 소자 구조에 관한 연구는 아직 연구의 수준이 미비한 실정이다. 박병주 교수 연구팀에서는 이러한 문제점을 해결하기 위한 ‘수평 딥 코팅(Horizontal-dipping coating, H-dip coating)’이라는 새로운 코팅 방식을 고안하여 관련 학계의 주목을 받았다.
이것은 기판과 코팅 바 사이에 생기는 매니스커스를 이용한 코팅 방식으로, 기판의 이동속도와 코팅 바와 기판 사이의 갭을 이용하여 유기 반도체 박막의 두께를 수 나노미터급으로 조절하는 방식이다. 박 교수는 “이 기술은 재료의 낭비를 효과적으로 제어할 수 있고, 용액/인쇄 공정으로도 대면적의 유기 박막을 균일하게 형성 할 수 있으며, 유기 박막의 두께를 미세하게 조절할 수 있어 높은 소자 특성을 발현하는 유기 반도체 박막을 제작할 수 있다”고 전했다.
또한 이와 함께 새로운 잉크젯 코팅 방식을 고안하여 간단하고 효율적으로 패턴을 형성할 수 있는 용액/인쇄 공정 기술을 개발했다. 이 기술은 별도의 뱅크(bank) 형성 없이 유기물의 상분리를 이용하여 간단한 방식으로 패턴 형성이 가능하다는 장점이 있다.
유기반도체소자에 전기 광학적 특성 부여
최근, 박 교수 연구팀은 GBO(Giant birefrigence optical) 반사 편광자와 위상차판(Quater wave plate film, QWP필름)을 이용하여 높은 편광비를 가지면서도 높은 휘도, 효율을 구형하는 편광 OLED 제작 기술을 고안하였다.
박 교수는 “편광 발광성 유기 발광 소자는 높은 명암비를 갖는 OLED 뿐만 아니라 LCD에 사용되는 광원, 3D 저장 장치, 광통신, 3D 디스플레이 등에 사용가능하며 다양한 산업에 적용 가능한 장점이 있다”며 “하지만 현재 사용되는 편광 발광성 OLED를 제작하는 방식으로는 편광비 및 발광 특성이 낮다는 단점이 있다”고 전했다. 박 교수 연구팀이 고안한 기술은 이러한 단점을 보완할 수 있는 단초를 제공했다.
또한, 고분자 태양전지의 광흡수 층을 배열하여 높은 편광 흡수성을 갖는 고분자 태양전지를 제작하여, 기존의 태양전지 본연의 광흡수를 통한 에너지 생산뿐만 아니라 기존의 디스플레이에서 필수적으로 요구되는 편광자로서의 역할을 가능하게 함으로써 태양전지와 디스플레이 산업을 연결하는 기술 개발에 성공했다.박 교수는 “화석연료 사용으로 인한 환경오염과 자원 고갈로 인한 대체에너지 개발은 필수적인 연구분야”라며 “본 연구팀의 대표 기술 중 하나인 편광 흡수성 고분자 태양전지는 태양광 흡수를 통한 에너지 생산과 더불어 기존 디스플레이에서 발생되는 빛을 이용한 에너지 생산에 기술적 가능성을 맞췄다”고 밝혔다.
유기발광소자는 기존 디스플레이에 비해 가요성 디스플레이가 가능하다는 장점이 있다. 차세대 디스플레이에서 가요성 소자 개발이 필수 분야로 꼽히는 가운데, 박 교수 연구팀은 가요성 소자 개발을 위해 기존의 ITO 전극 대신 고분자 합성 전극을 이용해 유연성 소자 제작에 적합한 anode 전극을 형성했다.
박 교수는 “고분자 전극 위에 유기 발광 물질을 형성하고, 그 위에 알루미늄 음극 전극을 형성할 때 생성되는 온도와 자연 냉각을 통해 발생되는 온도 차이에 의해 자발적으로 버클 패턴이 형성된다”며 “이 과정 중 생성되는 버클 패턴의 결과로 인해 유기발광소자의 광추출 효율을 효과적으로 증대될 수 있다”고 밝혔다. 이 기술은 기존의 유기발광소자와 비교하여 약 3배 정도 높은 소자 특성을 발현할 수 있어 향후 광학적 기능성이 부연된 소자에 적용될 수 있을 것으로 기대되고 있다.
유기반도체소자는 우수한 특성을 발현하는 소자를 제작할 수 있다는 점과 에너지 절감, 환경문제에 도움이 되는 특성으로 인해 연구 개발의 필요성이 점차 증대되고 있다. 하지만 유기반도체소자의 시장 점유율을 높이고, 경쟁력을 제고하기 위해서는 제작 단가를 낮추기 위한 용액/인쇄 장비의 개발과 타 산업과의 융합 연구가 필수적으로 수반되어야 한다.
이를 위해서는 새로운 방식의 용액/인쇄 장비의 개발과 이를 이용한 다각적인 소자 구조의 연구가 필요하다. 이에 박 교수는 “현재 보유하고 있는 기술인 정량 주입 코팅 방식과 잉크젯 프린팅 기술을 접목하여 새로운 유기반도체소자 연구를 진행하고자 한다”며 “또한 유기반도체소자에 광학적 특성을 부여하여 기존 산업과 연계할 수 있는 새로운 연구를 지속하기 위해 최선의 노력을 다하겠다”는 포부를 밝혔다.