액정표시장치(LCD)에 주로 사용하는 액정을 다양한 유기 전자소자에 적용 가능성이 확인됐다.
한국과학기술원 윤동기 교수 연구팀이 액정 물질의 특성을 이용해 고배향 유기 반도체 기반의 트랜지스터를 개발했다고 한국연구재단은 밝혔다.
각 액정상의 모식도와 다양한 온도 및 러빙 조건의 일련의 POM 이미지
(a)액정 반도체 분자의 각 액정상에 해당하는 모식도이다.
(b~e)러빙이 없는 조건의 상이한 액정상의 POM 이미지이다.
(f~i)소스/드레인 채널 방향에 수직인 러빙을 갖는 상이한 위상의 POM 이미지이다.
(j~m)소스/드레인 채널 방향에 평행 한 마찰 방향을 갖는 상이한 위상의 POM 이미지이다.
액정은 고체의 결정성과 액체의 유동성을 동시에 지닌 물질로, TV와 컴퓨터를 비롯해 휴대전화기, 전광판 등 일상에서 널리 쓰이는 디스플레이의 핵심 소재로 사용되고 있다.
이렇게 액정이 디스플레이의 필수 소재가 된 것은 우수한 자기조립 및 대형화를 가능하게 한 유동성 때문인데 이는 빛과 온도, 전기장과 같은 외부 자극에 민감하게 반응할 수 있다. 그러나 이러한 특성에도 불구하고 그동안 LCD 외에 다른 분야로의 응용 연구는 다양하게 진행되지 못한 한계가 있었다.
연구팀은 우수한 결정질과 대면적 고배향이 쉬운 액정 반도체 소재를 합성해 배향 특성을 유기 전계효과 트랜지스터에 처음으로 적용했다. 또한, 기존의 용액 공정과 달리 액정 반도체의 유동성을 이용해 손쉽게 일축 수평 배향했으며, 고배열 특성을 보이는 스메틱 E 상을 통해 무결점, 대면적 고배향의 액정 반도체 박막을 제작하는 데 성공했다.
유기 반도체에서는 분자들의 배열 및 배향, 밀집도가 전하의 이동과 밀접한 관련이 있는데, 지금까지는 용액 공정을 통한 일축 배향으로만 제작돼 용매 증발에 따른 결점이 많이 발생해 전기적 특성을 제어하는 데 어려움이 많았다.
이에 반해 연구팀이 고안한 액정 반도체는 자체의 유동성을 이용해 무결점의 고배향 및 고배열 박막을 제작할 수 있고, 두 개의 편광판만 있으면 가시적으로 전하 이동도까지 예측할 수 있는 특별한 플랫폼을 제작할 수 있다.
윤동기 교수는 “이러한 액정 반도체는 유기 전계효과 트랜지스터뿐 아니라 다른 유기 광전자 소자나 센서 등 광범위한 분야에 응용할 수 있다”라면서 “LCD 분야에만 국한됐던 액정 분자의 우수한 배향 능력을 다양한 유기 소자 및 플랫폼에 적용해 차세대 소자 제작에 새로운 가능성을 창출할 수 있을 것”이라고 말했다.
이 연구 성과는 과학기술정보통신부‧한국연구재단 기초연구사업(전략과제) 및 미래유망기술 융합파이오니어사업의 지원으로 수행됐다. 연구 결과는 국제학술지 ACS 센트럴 사이언스(ACS Central Science) 11월 28일(현지시각)자에 게재됐다.
가시적인 복굴절 색깔로 전하이동도 예측할 수 있는 플랫폼
★ 연구 이야기 ★
Q. 연구를 시작한 계기 및 배경은.
A. 네마틱 상을 보이는 액정에 관한 연구는 오래 전부터 디스플레이 분야에서 연구돼 왔으나 전도성을 띠는 전자소재 관점에서, 배향 특성을 트랜지스터에 적용하고 싶었다. 또한, 액정의 유동성을 이용해 일축 배향된 액정 반도체의 경우, 두 개의 편광판을 통해 복굴절 색깔을 쉽게 볼 수 있는데 이는 트랜지스터에서 측정되는 전하 이동도와 연관시켜 눈으로 전하이동도를 예측하는데 도움이 될 것으로 기대했다.
Q. 연구 전개 과정은.
A. 유동성을 보이는 네마틱 상과 최대한 밀집되게 조립할 수 있는 생선가시 모양으로 분자 배열 구조를 나타내는 스멕틱 E 상을 모두 갖는 p-type 액정 반도체를 합성했다. 기존 LCD 분야에서 많이 사용되던 러빙된 기판을 배향막으로 무결점, 고배열 및 대면적 고배향하는 데 성공했다. 유기 반도체에서 전하 이동도는 분자들의 배향 및 밀집도의 영향을 받는데, 합성된 액정 반도체의 네마틱 상과 스멕틱 E 상을 이용해 이를 쉽게 비교할 수 있었다.
또한, 액정의 이방성 복굴절 세기와 유기 반도체의 이방성 전하이동도의 관계를 규명해 두 개의 편광판만 있으면 가시적으로 확인할 수 있는 복굴절 세기를 통해 전하 이동도를 예측할 수 있는 플랫폼을 제작했다.
Q. 이번 성과는 기존과 무엇이 다른가.
A. 액정물질 자체의 우수한 자기조립현상 및 대형화 프로세스를 가능하게 한 것은 유동성 때문이다. 이는 빛, 온도, 마이크로 및 나노 구조체, 전기장과 같은 외부의 자극에 의해 민감하게 반응할 수 있어 액정표시장치(LCD)에 주로 연구돼 왔으나 전도성을 띠는 전자소재 관점에서, 배향 특성을 트랜지스터에 적용한 것은 이번 연구가 처음이다.
또한, 기존의 용액공정과 다르게 액정 반도체의 유동성을 이용해 손쉽게 일축 수평 배향했고 고배열 특성을 보이는 스멕틱 E 상을 통해 높은 전하이동도를 보장하며, 이러한 무결점, 고배열 및 대면적 고배향 액정 반도체 박막을 제작했다.
Q. 어떻게 활용될 수 있으며, 실용화를 위한 과제는.
A. 액정 반도체의 유동성을 이용해 손쉽게 일축 수평 배향했고 고배열 특성을 보이는 스멕틱 E 상을 통해 높은 전하이동도를 보장한다. 이러한 무결점, 고배열 및 대면적 고배향 액정 반도체 박막은 유기 전계효과 트랜지스터뿐만 아니라 다른 유기 광전자 소자 및 센서 등 광범위한 분야에 응용될 수 있다.
LCD 분야에만 국한돼 있던 액정 분자의 우수한 배향 능력을 다양한 유기 소자 및 플랫폼에 적용해 차세대 소자 제작에 새로운 성장 동력을 창출할 것으로 보인다.
Q. 꼭 이루고 싶은 목표와 향후 연구계획은.
A. 이 연구에서 단순하게 러빙 기판을 이용해 일축 배향하는데 성공했다면, 향후 액정 내에 존재하는 알킬 체인 수에 따른 밀집도의 변화와 전화이동도를 비교할 것이다.
또한, 액정이 쉽게 영향을 받는 전기장이나 마이크로 및 나노 구조체 등의 외부 환경에 따라 배향을 바꿀 수 있는 플랫폼을 제작해 여러 가지 센서에 적용할 계획이다.
