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1 30 공업화학전망, 제 11 권제 5 호, 2008 기획특집 - 반도체기술 유기박막트랜지스터의연구현황과전망 박영돈 장윤석 최현호 조길원 포항공과대학교화학공학과 State of ART and Outlook in Organic Thin-Film Transistors Yeong Don Park, Yunseok Jang, Hyun Ho Choi, and Kilwon Cho Department of Chemical Engineering, POSTECH, Pohang , Korea Abstract: 유기박막트랜지스터는기존의무기박막트랜지스터와달리충격에강하고, 종이처럼얇고유연한기판위에저렴한용액공정으로소자의구현이가능한차세대유기전자소자이다. 그러나낮은전하이동도와대기중에서의불안정성으로인하여당장실용화되는데는어려움이있다. 따라서고성능유기박막트랜지스터가실용화되기위해서는소자를이루고있는반도체, 절연체, 전극, 기판재료개발이필요하며이와함께저렴하고유기물공정에적합한잉크젯프린팅, 스크린프린팅, 그라비아프린팅등과같은프린팅공정의개발이이루어져야한다. 유기박막트랜지스터를이용할경우플렉서블디스플레이나전자종이, RFID-tag 의소자제작에있어서큰장점을지니며이외에도태양전지, 센서, 메모리등다양한분야에적용할수있다. Keywords: organic thin-film transistor (OTFT), organic semiconductor, organic electronics 1. 서론 1) 실생활에서사용빈도가높은전자제품들 ( 휴대전화, 디지털카메라, 컴퓨터, TV 등 ) 은모두디스플레이를가지고있고, 이제디스플레이는종이처럼친숙한존재가되었다. 지난수십년간디스플레이를대표하던 CRT (Cathode Ray Tube) 디스플레이는불과 10 년만에 LCD (Liquid Crystal Display) 와 PDP (Plasma Display Panel) 로교체되었다. LCD 와 PDP 가새로운디스플레이로자리잡은지 10 년이되지않은이시점에세계각국은새로운형태의디스플레이에관심을집중하고있다. 현재 LCD 와 PDP 를이을차세대디스플레이로플렉서블디스플레이 (flexible display, Figure 1(a))[1] 가가장큰관심을받고있다. 플렉서블디스플레이가주목을받는 주저자 ( kwcho@postech.ac.kr) 이유는저렴한가격으로다양한형태의디스플레이, 예를들어넓은벽면을활용한대형디스플레이, 건물의둥근기둥에설치할수있는플렉서블디스플레이, 종이처럼얇고가벼운디스플레이등을제작할수있기때문이다. 플렉서블디스플레이를구현하기위해서는휘어질수있는플라스틱기판이가장적합하다. 일반적으로플라스틱의유리전이온도가 150 이하이므로고온공정이요구되는현재의실리콘트랜지스터는사용할수없게되며저온공정이가능한유기박막트랜지스터 (organic thin-film transistors, OTFTs)[2-4] 가필수적이다. 유기박막트랜지스터가구동소자로관심을받는이유는종이처럼얇고유연한기판위에소자의구현이가능하고, 유기물의특성상무기물에비해충격에강한특성을가지고있으며, 또한고비용의진공공정보다저렴한용액공정이가능하기때문이다. 따라서유기박막트랜지스터는다양한형태의디스플레이를

2 KIC News, Volume 11, No. 5, Figure 1. (a) 플렉서블디스플레이와 (b) 전자인식표. 제작하기에최적의조건을지니고있어현재전세계적으로연구가활발히진행되고있다. 유기박막트랜지스터는차세대디스플레이의구동소자로서뿐만아니라전자인식표 (electronic tag, Figure 1(b))[5] 로도많은주목을받고있다. 전자인식표는백화점이나창고에서모든물품에대한정보실시간으로제공할뿐만아니라, 각개인의신상정보를담은작은전자인식표를카드나인체에삽입함으로써원하는정보를신속히주고받을수있게해줄것으로예상된다. 현재사용되고있는진공공정의무기물소자들은가격조건을만족시키지못하므로저비용의용액공정이가능한유기박막트랜지스터가전자인식표의구동소자로주목받고있는것이다. 본총설에서는유기박막트랜지스터를구성하고있는구성요소들에대한연구동향을먼저알아보고, 이를저비용으로구현하기위한프린팅기술과유기박막트랜지스터의응용과전망에대하여살펴보고자한다. 2. 유기박막트랜지스터재료 고성능유기박막트랜지스터를제작하기위해서는소자를이루고있는각요소 ( 반도체, 절연체, 전극, 기판 ) 를결함없이제작할수있어야한다. 유기박막트랜지스터는기존의무기박막트랜지스터와달리상온및저온에 서저렴한공정으로제작할수있다는큰장점을지니고있지만그만큼공정과정에서고려해야할요소가많아지고각영역에서전기적특성을만족시켜야할뿐만아니라물리적, 화학적으로다양한환경에서도안정해야하기때문에새로운재료개발과그에알맞은공정기술의개발이필요하다 유기반도체유기반도체가트랜지스터에사용되기위한가장필수적인요소는소자성능을나타내기에충분히높은전하이동도와점멸비를가져야하는것이다. 일반적으로유기반도체는무기반도체에비해밴드갭, 용해도등요구에적합한다양한분자를합성할수있다는장점을지니고있음에도불구하고전하이동도가낮은단점을가지고있다. 이는유기반도체분자는무기반도체분자가이루는강한공유결합과달리약한 van der Waals 결합을이루고있어전하이동층이불안정하고주입된전하가주변전자층과반응하여전하이동에제약을받는것에서기인된다. 하지만전하이동에제약이적고결정성이높은분자를설계및합성하고박막의결정성을높이는제작공정을도입한다면비정질실리콘이상의전하이동도를가진소자구현이가능하다는것이알려지면서이에대한많은연구가진행되고있다 저분자유기반도체유기박막트랜지스터의활성층으로사용되는유기반도체의재료는분자량에따라크게저분자물질과고분자물질로그리고박막제조방법에따라진공증착물질과용액공정물질로나눠진다 (Table 1). 대표적인물질로는 anthracene, tetracene, pentacene 등과같은 acene 계열의저분자물질과 thiophene 계열의공액고분자물질을들수있다. 특히 pentacene 의경우, 증착조건에따라전하이동도를 1 cm 2 /Vs 이상구현가능하고 ambipolar 성질을지니기때문에많은연구가이루어졌을뿐아니라현재에도결정화도,

3 32 공업화학전망, 제 11 권제 5 호, 2008 Table 1. 박막형성방법에따른대표적인유기반도체물질 roughness, 기판의종류, 반도체 - 절연체계면성질에따른전하이동도및소자특성연구에널리이용되고있는물질이다. 그러나높은전하이동도에도불구하고진공증착에의해박막제작이가능하기때문에소자의단가가높아대량생산에는적합하지않다. 진공증착으로소자제작이가능한물질로최근에 rubrene 이많이이용되고있는데, pentacene 과달리 rubrene 의경우단결정제조가용이하기때문에유기소자의전하이동매커니즘과기판영향에관한연구에많이이용되고있다. 높은전하이동도에비해고비용의진공증착을이용해야만하는 pentacene 의문제를개선하여최근에는 pentacene 에말단기를도입하여값싼용액공정을가능하게함과동시에높은전하이동도도이룰수있는물질개발연구가진행되고있다. 대표적인용액공정용저분자물질로는 pentacene 과 anthradithiophene 에말단기가도입된 TIPS-PEN, TES-ADT, 그리고 oligothiophene 에말단기가달린 α-6t 등이있는데, 이러한물질들은일반적으로말단기영향으로인하여유기용매에대한용해도는증가하나전도성을띄지않는말단기의 영향으로전하이동도가다소떨어진다는단점을지니고있다. 따라서여러연구팀에서적합한용액공정용저분자물질을개발함과동시에기판의표면개질과같은선처리공정또는 thermal/ solvent annealing 등의후처리공정을통하여물질의결정화를유도하여전하이동도를향상시키려는시도를하고있다 [6-8] 고분자반도체 Polythiophene 계열의공액고분자의경우 pentacene 과달리전하이동도는다소낮지만용액공정이가능하기때문에저분자물질보다소자생산에적합한물질이다. 진공공정보다용액공정의경우용매의종류, 농도, 공정방법, 온도, 기판성질등더욱많은공정변수가존재하고이에따라박막의결정성, morphology, 절연체의표면거칠기에따라전하이동도가매우달라지기때문에이들의상관관계에대한연구가진행되어왔다. 대표적인전도성고분자물질인 poly(3-hexylthiophene) 의경우, 전하이동도가 10-4 cm 2 /Vs 로매우낮았으나최근에는물질의정제와공정최적화를통하여 0.1 cm 2 /Vs 수준으로약 1000 배정도높일수있

4 KIC News, Volume 11, No. 5, Figure 2. 개선된용액공정용공액고분자들 [12]. 게되었다 [9-11]. 용액공정방법의개선과더불어다양한공액고분자물질의합성도진행되어왔다 [12]. Figure 2 와같이고분자주쇄에공액이쉽게이루어지는단량체와곁가지에다양한종류의치환기를도입하여용해도와안정성을향상시키고낮은전하이동도와산화에취약한점을개선하고있다 공정최적화를통한소자특성향상소자특성의향상은새로운유기반도체물질의개발과아울러전처리또는후처리공정을통하여이루어질수있다. 유기반도체의결정성이향상될수록분자간전하의이동이쉬워지므로유기반도체와절연체계면을개질하는선처리방법이연구되고있다. 대표적인방법으로는절연체표면을다양한종류의자기조립박막 (self-assembled monolayer, SAM) 으로개질하여절연체의표면특성에따라유기반도체의결정성장과전하이동도의향상을보고하였다 [3,13,14]. 후처리방법으로는 thermal annealing 과 solvent annealing 을들수있는데, thermal annealing 의경우다양한조건에대한소자특성간의관계가잘정립되어있는편이다. Solvent annealing 의경우, 용액공정용저분자물질이개발되면서최근많이이용되는방법으로서 thermal annealing 보다결정제어 가용이하여저분자물질이용시더욱유리한후처리방법으로알려져있다 단결정 / 나노와이어트랜지스터유기반도체의단결정을제조하면최대전하이동도를이룰수있다. Triisopropylsilylethynyl pentacene (TIPS-PEN)[15] 과 Poly(3-hexylthilphene)[16] 의경우다결정인경우보다단결정에서전하이동도가약 1000 배정도높은것을들수있다 (Figure 3). 이와같은높은전기적특성으로인해다양한반도체물질의단결정및나노와이이어를제조하는방법을개발하여소자특성을획기적으로향상시키려하고있다. 초기개발된단결정소자들은대부분진공공정으로제작되었고, rubrene 의경우전하이동매커니즘을연구하는데이용되었고최근에는용액공정으로단결정및나노와이어소자를제조하고이를소자로응용하기위하여패터닝연구가진행되고있다 [17,18] 유기반도체와절연체의 blend 최근에는유기반도체와절연체를 blend 하는연구가시도되고있다. 상대적으로비싼유기반도체물질의사용양을줄이면서소자의안정성을향상시키기위하여, polythiophene 과 polystyrene 혼합용액을이용하는연구가진행되었다 [19,20]. 또한 blend 된유기반도체와

5 34 공업화학전망, 제 11 권제 5 호, 2008 Figure 3. 대표적인유기반도체물질인 (a) TIPS-PEN 과 (b) Poly(3-hexylthiophene) 의용액공정을이용한단결정제조 [15,16]. 절연체의수직상분리를이용하여유기반도체의양을줄일수있을뿐만아니라소자의안정성을증가시키고공정의단순화를통한원가절감을위한연구가진행되고있다 [21] 유기절연체 유전율최근절연체의유전율과유기트랜지스터의전하이동도간의상관관계에대한상반된연구결과가발표되면서논란이있지만, 저전압구동을위해유전율이높은유기절연체개발이활발히연구되고있다. 유기절연체로서절연성능이우수하며박막성형이용이한 polyimide, polymethyl methaacrylate (PMMA), polyvinylphenol (PVP) 등의고분자가사용되고있다 [22,23]. Table 2 는현재사용되고있는유기절연체의특성을나타내었다 [24]. 고분자절연체는진공증착공정을사용하는 SiO 2 와같은무기물과달리용액공정으로제작할수있는이점이있으나물질자체의낮은유전율로인해, 이를향상시키는연구가시도되고있다. 접근방법으로는 polyvinylidene fluoride (PVDF), cyanoethylpullulane (CYPE) 와같이유전율이높은물질을새롭게합성하는방법과 poly- styrene 에 barium zirconate titanate (BZT) 나노입자를혼합하는 hybrid 방법에대한연구가진행되고있다 절연성및안정성유기박막트랜지스터용유기절연체는절연성과안정성의확보가중요하다. 무기물절연체에비해서고분자절연체는절연성이낮고고전압에서안정하지못하다. 이를극복하기위하여열이나자외선으로경화되는아크릴계고분자들이많이사용되고있다. 현재유기박막트랜지스터연구는전하이동도의향상보다는응답속도및안정성확보에대한연구가활발히진행되고있다. 소자의안정성은소자내부의 trap 과절연층의안정성에좌우된다. 고분자로이루어진절연층은수분의흡착이쉬워표면과내부에 trap 을많이형성하게되어소자의안정성이저하되게된다. 따라서수분흡수가낮은절연물질합성과공정과정의최적화를통한절연층의안정성의확보가요구되고있다 절연체표면처리유기박막트랜지스터는유기반도체와절연체의계면특성에많은영향을받기때문절

6 KIC News, Volume 11, No. 5, Table 2. 대표적인무기 / 유기유전체의물리적성질 [24] Figure 4. (a) 저전압구동유기박막트랜지스터와 (b) 절연체의표면에너지변화를통한소자특성의향상 [25,26]. 연층표면의화학적, 물리적특성을조절하여유기반도체의물성과계면특성을향상시키는연구가진행되고있다. 절연체의표면에너지와 dipole moment 를조절하는표면개질연구, 표면거칠기등유기반도체 morphology 와소자특성에미치는연구가진행되고있다 (Figure 4)[25,26]. 대표적인방법으로는절연체표면을다양한종류의자기조립박막 (SAM) 으로개질하여절연체의표면특성에따라유기반도체의결정성장과전하이동도의향상을보고하였다 [13,14]. 최근에는절연체표면을패터닝하여유기반도체물질을선택적으로도포하려는시도가이루어지고있다 유기전극박막트랜지스터의전극은게이트, 소스, 드레인으로구성되어있다. 기존의무기박막트랜지스터는화학애칭과같은복잡한공정을거쳐제작하기때문에, 고비용의복잡한공정을사용하고플라스틱기판과같은플렉서블기판을손상시키는문제점등이있다. 또한유기반도체와의접착계면이불안정하여소자의특성을저하시키는요인으로작용하기도한다. 이러한문제점들을극복하는방법으로금속전극을유기물전극으로대체하는연구가활발히진행되고있다. 현재연구되고있는대표적인유기전극으로 Poly(3,4-ethylenedioxythiophene)/poly(styrenesulfonate) (PEDOT/ PSS), polyaniline, polypyrrole 등의전도성고

7 36 공업화학전망, 제 11 권제 5 호, 2008 Table 3. 각종플라스틱기판의특성비교 분자와탄소나노튜브, 그라펜등이있다. 유기전극은주로전도성을향상시키려는연구가진행되었고, 현재유기반도체, 절연체와의호환성을향상시키는연구, 유기전극의낮은용해도를증가시키는연구, 유기전극자체의안정성을높이는연구가진행되고있다 플렉서블기판플라스틱기판은절연성과유연성이뛰어나고기존의생산방법으로쉽게제작이가능하기때문에공정가격이저렴하여가장주목받고있는소재이다. 현재플렉서블기판은 rollable 전자소자구현을목표로하고있다. rollable 전자소자구현을위해서는기판이휨에따라소자특성이변화가없고, 공정에따른변형이없어야한다. 또한습도에강하고용매에녹지않는특성을지녀야한다. 대표적인기판재료로는얇은유리, 금속박막, 플라스틱기판을들수있다. 얇은유리는두께약 100 µm 의유리에 3~5 µm 의고분자박막이코팅되어있어안정성이뛰어나고차단특성이좋으나공정시깨짐현상이자주발생한다. 금속박막의경우전도성이뛰어나기때문에단순한기판의용도와함께열방출이쉽다는장점을지니고있고, 화학물질에도매우강한편이지만기판표면이거칠고평탄화공정이요구되므로공정가격이높아 radio frequency identification (RFID) 등저렴한소자제작에는적합하지않다. 최근에는다양한플라스틱기판소재개발이진행중인데대표적인기판소재로는 Table 3 에서보는바와같이 PET, PEN, PES, PS, PAR, APO 등기존에다른용도로사용되던물질을공정과정을개선하여플렉서블기판에도입하려는시도가이루어지고있다. 하지만아직까지얇은유리와금속박막에비해열적화학적으로안정하지못하다는단점을지니고있어플라스틱기판의특성향상에대한연구가더욱요구된다. 3. 유기박막트랜지스터인쇄공정기술 유기박막트랜지스터가주목받고있는이유는저렴한인쇄공정을이용하여전자소자들을값싸고빠르게대량생산을할수있기때문이다. 기존의전자소자들은복잡한공정을거쳐제조되는데, 가장대표적인반도체소자인 IC (integrated circuit) 를생산하는공정은웨이퍼세척후 PR (photoresist) 도포ㆍ노광ㆍ현상ㆍ식각ㆍ증착ㆍ PR 제거의일련의과정을반복하면서제조되어매우복잡하고진공공정을사용하여제조단가가상당히높은편이다. 인쇄공정을이용한전자소자의제조는복잡한제조공정을단순화하여소자의제조단가를

8 KIC News, Volume 11, No. 5, Figure 5. 유기반도체잉크조성에따른소자의모폴로지 (a,b,c,d) 와전기적특성 (e,f,g,h)[34] 획기적으로낮출수있는방법이다. 인쇄공정의가장큰장점은소자제조의모든과정이하나의 process 를거치면서, 끊김없이연속적으로제품을생산할수있는 roll-to-roll 공정을실현할수있다는점이다. 이러한 roll- to-roll 개념을실현하기위한인쇄공정으로는잉크젯프린팅 (Ink-Jet Printing)[29], 스크린프린팅 (Screen Printing)[28], 그라비아및그라비아 - 옵셋프린팅 (Gravure & Gravure-offset Printing)[29,30], 플렉소그래피프린팅 (Flexography Printing)[8], 마이크로컨택프린팅 (Micro -Contact Printing)[31], 레이저전사프린팅 (Laser Transfer Printing)[32] 등이있으며구체적인내용은다음과같다 잉크젯프린팅 (Ink-Jet Printing) 잉크젯프린팅장치는우리가흔히문서출력시사용하는잉크젯프린터와매우유사한원리와구조를가지고있다. 차이점은문서출력용으로사용되는잉크젯프린터는컬러잉크를사용하는반면, 잉크젯프린팅에서는전자부품소재용잉크를사용한다는점이다. 잉크젯프린팅은토출된잉크가기판으로날아가부착되고, 용매가증발하면서프린팅이이루어진다. 잉크젯프린팅기술은 Cambridge 의 H. Sirringhaus 에의해유기박막트랜지스터 제작에적용된후 [33], 용액공정용프린팅기술로가장활발히연구되고있다. 잉크젯프린팅에의해유기박막트랜지스터를제조하기위해서는유기반도체잉크조성, 잉크젯공정조건, 절연체의표면처리등의최적화가필요하다 (Figure 5)[34] 스크린프린팅 (Screen Printing) 스크린프린팅은스크린위에잉크를올리고, 일정압력으로스퀴지 (squeegee) 를내리누르면서이동시켜스크린의메쉬를통해잉크를전사하는가압식프린팅공정이다. 스크린프린팅은기본적으로스크린, 스퀴지, 잉크, 이를고정하는테이블로구성되며스크린의재질은패터닝의정밀도에따라천이나스테인리스 (stainless) 같은금속을사용한다. 균일한패터닝을위해서는잉크의점도를프린팅하는동안균일하게유지되는것이중요하다. 또한스퀴지의누르는힘에의해잉크가토출되기때문에스퀴지의각도, 스퀴지의이동속도, 잉크의점도, 스크린을당기는장력등이중요한변수로작용한다. 최종적인인쇄의정밀도는메시의세밀함에의존한다.

9 38 공업화학전망, 제 11 권제 5 호, 그라비아및그라비아 - 옵셋프린팅 (Gravure & Gravure-offset Printing) 그리비아프린팅은일반적으로 1 10 um 두께의박막을코팅하기위해사용되고, 인쇄에필요한패턴이그라비아롤에홈으로새겨져있다. 그라비아롤이회전하면서롤에잉크가도포되고, 동시에롤이회전하는방향에있는 doctor blade 에의해여분의잉크가제거되어그라비아홈에만잉크가남게된다. 롤에남아있는잉크는기판으로전사되어프린팅이진행된다. 전사되는필름의두께를 doctor blade 를이용하여조절할수있는데, 이것은 doctor blade 를이용하여그라비아롤의홈에도포되어있는잉크의양을조절할수있기때문이다. 그라비아프린팅이전자소자를제조하는공정으로주목받는이유는그라비아롤에새겨지는홈의깊이를자유롭게조절할수있어미세한패턴의표현도가능하기때문이다. 그리비아롤은원통의롤에감광성물질을도포한후노광시킨후에칭으로제작되는데, 이때에칭액의농도에따라그리비아롤에파이는홈의깊이를조절할수있다. 그리비아오프셋은그라비아와마찬가지로그라비아홈에 doctor blade 를이용하여잉크를채우고, 이잉크를블랭켓 (blanket) 표면에전사한다. 블랭켓에전사된잉크는프린팅을원하는표면으로전사되어프린팅이진행된다. 실제회로기판을프린팅하는데알루미나가포함된전도잉크를사용하는그라비아오프셋프린팅으로제조하기도한다. 이때의해상도는두께 5 µm 이상, 폭 25 µm 이하로비교적고해상도의회로를프린팅하고있다 [30]. 또한잉크로 ceramic ink[35] 를사용할경우저항체나절연체를직접프린팅할수도있다 플렉소그래피프린팅 (Flexography Printing) 플렉소그래피프린팅은패턴된플렉소그래피고무가코팅된롤러에잉크를전사하고, 전사된잉크가기판으로다시전사되는기술을말한다. 이때약한압력이사용되는데이것이 플렉소그래피프린팅의가장대표적인특징이다. 또한패턴의묻은잉크가압력으로밀려나와윤곽이한층진하게인쇄되는경향이있다. 플렉소그래피프린팅은그라비아오프셋프린팅보다다소낮은해상도인 µm 정도의해상도를가지는프린팅이가능하다 [36] 마이크로컨택프린팅 (Micro-Contact Printing) 마이크로컨택프린팅이란 PDMS (polydimethylsiloxane) 와같은고무스탬프에원하는물질을올려도장처럼찍어내는기술을말한다. 마이크로컨택프린팅기술은 J. A. Rogers 와 E-ink Corp. 에의해많은연구가진행되었다. 특히 E-ink 사에서는이기술을이용하여 E-paper 의상용화를위해많은연구를수행하고있다. 이기술을사용하기위해서는스탬프와잉크의접착력과기판과잉크의접착력을잘조절해야한다 레이저전사프린팅 (Laser Transfer Printing) 이기술은레이저를이용하여 donor film 을원하는기판에패터닝하여전사하는기술이다. 현재 3M 과삼성 SDI 에의해 LCD 칼라필터전사법으로활발히연구개발이이루어지고있다. 이기술은유기용매를사용하지않기때문에유기용매에의한오염이없고, 다층박막의패턴제조가용이하다는장점이있다. 하지만고해상도의전사를위해서는기판과 donor 필름간의적절한접착력의조절이중요한변수로작용한다. 4. 유기박막트랜지스터의응용분야 유기반도체를이용하여플렉서블디스플레이나 RFID-tag 를만들경우소자제작에있어서큰장점이있다. 유기반도체는상온이나아주낮은온도에서결정화되므로기판의온도

10 KIC News, Volume 11, No. 5, 를높일필요가없다. 따라서내열성이약한플라스틱과같은구부림이가능하고, 얇으면서도충격에강한기판을사용할수있다. 그리고용액공정이가능한유기반도체를이용할경우 ink-jet 프린팅, 그라비아인쇄, 플렌소인쇄, 리소그래픽인쇄, 실크스크린인쇄등어떤종류의인쇄기법도이용할수있다. 이런방법은대기중에서 roll-to-roll 공정이가능하기때문에초저가의전자소자제작이가능한것이다 [37]. Roll-to-roll 방식이라불리는이러한기술은기판이프로세싱시스템을연속적으로지나게되어프로세스장비도연속라인으로구성할수있기때문에운반에필요한시간과장애, 장비를크게줄여제조원가절감에극적인효과를나타낼수있다. 직접프린트와 roll-to-roll 방식을결합하면기존방식보다장비투자는현저히절감하는대신생산성은높일수있다 플렉서블 OLED 플렉서블 OLED 의개념플렉서블디스플레이는 rollable display, bendable display, rugged display 로도불리며말그대로유연한형태의화면으로서궁극적으로는구부리거나둘둘말수있는디스플레이를말한다. 플렉서블디스플레이는크게두가지로나눌수있는데 FOLED (Flexible OLED) 와전자종이 (e-paper) 이다. FOLED 는기존 TFT 와유기발광다이오드 (OLED) 를결합한형태로액정을싸고있는유리기판을플라스틱필름으로대체하여접고펼수있는유연성을부여한것으로서유리기판을이용할경우보다두께와무게면에서큰장점을갖는다. 이는전자디스플레이의관점에서출발한것으로 TFT-LCD 나 OLED 의기존디스플레이를유연한기판에구현함으로써보다얇고가벼우면서도충격에강한디스플레이다. FOLED 는풀컬러와동영상구현이가능하고다양한형태로제작이가능하다는장점을갖 고있어서플렉서블디스플레이로가장주목을받고있다 플렉서블 OLED 의응용분야현재까지자주거론되고있는플렉서블디스플레이의대표적인응용분야는전자책이나신문, 잡지등이다. 플렉서블디스플레이의가볍고외부충격에강한특성으로인하여모바일폰, PDA, MP3 플레이어, 전자책등에우선적용될것으로예상된다. 향후대면적화기술이가능하게되면기존디스플레이가적용된노트북컴퓨터, 모니터, TV, 실내외용의실시간대형광고판등의모든분야에적용이가능해 IT 산업전반에걸쳐크게확산될수있을것으로예상된다. 특히기존의유리기판기반의디스플레이로는적용이제한적이거나불가능했던새로운영역의창출이가능하다 플렉서블 OLED 의성장가능성및시장성현재플렉서블디스플레이는동작속도의개선을통해현재정지화상에서동영상을구현할수있어야하고, 특히컬러구현에있어기술발전이더진전돼야하기때문에상용화는앞으로도수년더걸릴것이다. 현재 ETRI 와 LG 전자를비롯한국내업체들과 FOLED 의드라이버, 재료, 구동, 어셈블리등의기술을공동개발중이며삼성전자는 14.3 인치, LG 필립스 LCD 는 14.1 인치제품을만들어시제품을내놓았다. 이밖에도 FOLED 제품으로는 Pioneer 사에서개발중인 Flexible PM OLED 가있으며, 이와는별도로 LCD 분야에서도플렉서블 LCD 에대한연구가이루어지고있다. 현재의기술수준으로는당장상용화가어렵지만앞으로수년정도후에는상용화가충분히가능할것으로보인다 플렉서블 OLED 기술개발동향플렉서블 OLED 는플렉서블기판위에유기박막트랜지스터구동소자와 OLED 의표시소자를결합한형태로플렉서블기판은주로

11 40 공업화학전망, 제 11 권제 5 호, 2008 이우선적으로개선되어야한다 전자종이 (e-paper) Figure 6. 플렉서블 OLED 의구조. 플라스틱재료가대부분이며일부얇은금속박막이나유리가사용되기도한다. 일반적으로플라스틱기판의유리전이온도가 150 이하이므로기존실리콘 TFT 는높은공정온도로인하여플라스틱기판을사용하기가적합하지않기때문에저온에서제작할수있는유기반도체재료를이용한유기박막트랜지스터가구동소자로사용되어야한다 (Figure 6). 구동방식으로는크게수동 (passive matrix, PM) 과능동 (active matrix, AM) 구동의 2 가지방식으로구분되지만수동방식은소비전력이높고대면적이어려워현재에는능동구동방식에많은관심과연구가집중되고있다 [38] 년 pioneer 에서는수동구동방식의 3 인치플렉서블 OLED 디스플레이를발표하였고삼성 SDI 에서는얇은금속박막을기판으로사용하고다결정실리콘 TFT 를사용하여 5 인치의능동 OLED 디스플레이를제작하였다. 그리고최근에는일본의 Sony 에서플라스틱기판위에저온의공정으로유기박막트랜지스터를만들어 2.5 인치 OLED 를구동하였다. 이는기술적으로어려웠던유기박막트랜지스터로저온공정을실현하여 OLED 의구동이가능한것으로플렉서블디스플레이개발에큰의미를가진다. 플렉서블 OLED 는휘도, 콘트라스트모두양호한성능을보이지만신뢰성이나이동도, 플라스틱기판을이용한대면적화기술은아직미흡한실정이다. 유기박막트랜지스터가 OLED 의구동소자로서사용되기위해서는소자특성균일성과신뢰성 전자종이의개념전자종이 (Electronic Paper, Digital Paper) 는비발광방식의반사형디스플레이로서종이의유연성을디스플레이소자에응용한기술로대면적에높은해상도, 넓은시야각등의우수한시각적특성을가지고있다. 또한전원을끈상태에서도화면이유지되며, 백라이트를사용하지않는배터리수명이오래유지되는저전력디스플레이이다 전자종이의응용분야전자종이는기존의종이나비닐이사용되던광고판, 안내판, 신문, 책등을광범위하게대체할수있다. 일회성이거나, 또는문서저장, 통신기능과같은부가기능이필요한경우에는아직개발에시간이걸릴수있지만, 전자종이는기존종이인쇄물을대신할것이확실하다. 또한, 전자종이에문서저장기능, 통신기능까지보완이된다면, 컴퓨터나휴대폰시장도전자종이의영향권안에들수있다 전자종이산업의성장가능성및시장성전자종이의경우, 기존디스플레이 (LCD, PDP) 에비해시야각, resolution 이우수하고, 백라이트가필요없으며종이와유사한대비를낼수있는장점이있고재료와공정이간단하여비용이적게든다. 또한화면에문자나패턴을형성할때에만전력이필요하고화면을유지하는데는전력이들지않으므로전력소모가적으며, power supply 와백라이트가없으므로무게가가볍고특히, 입자형전자종이의경우, 유연성에문제가전혀없다. 전자종이는현재샘플시장수준이지만, 저가격의동작속도, 칼라구현이우수한전자종이가개발될경우기존의종이인쇄물의시장을장악할것으로기대된다.

12 KIC News, Volume 11, No. 5, 전자종이기술개발동향전자종이는종이의장점과전자디스플레이의장점을결합한새로운방식의디스플레이다. 능동형구동기판을사용하는경우에기존실리콘박막트랜지스터보다저원가기술인유기박막트랜지스터를사용하는것이유리하다. 전자종이의구조는플라스틱기판위에유기박막트랜지스터를구동소자로사용하고그위에반사형의쌍안정성의표시소자가올라간다 [39]. 전자종이는크게액정과같은기존의디스플레이기술을기반으로한전자디스플레이의종이화기술과종이질감을가진새로운기술을토대로한종이의디스플레이화기술로분류할수있다. 그중가장상용화에가까운전자종이기술로는트위스트볼 (Twist Ball) 방식, 전기영동 (Electrophoretic) 방식그리고콜레스테릭 (Cholesteric) 액정을사용한방식이있다. 트위스트볼방식은 Palo Alto Research Center 에서개발한것으로두개의투명플라스틱판사이에오일과함께반은백색, 나머지반은흑색이칠해져있는트위스트볼에서로반대의전하를띠게하여외부에서가하는전기장극성에의해볼이회전하여흑백의이미지가표시되는방식이다 [40] 년 Xerox 사에서분리, 설립된 Gyricon Media 사는이형태의전자종이를주도적으로개발하고있다. 하지만 V 로구동전압이높고 100 ms 정도의느린응답속도가문제가되어, 회전볼의크기를줄이려는연구가진행중이다. 전기영동법을이용한디스플레이는유체속잉크미립자들의응집과같은불안정성이가장큰문제가되었는데, MIT Media Lab. 에서분리, 설립된 E-ink 사는마이크로캡슐을사용하여이런문제점을해결하였다. 잉크미립자와색을띤유전유체를함유한지름 µm 의 TiO 2 투명마이크로캡슐을제조한후, 바인더와혼합하여상, 하부투명전극사이에위치시켜, 전압을걸어줄때잉크미립자의 Figure 7. E-ink 사의마이크로캡슐전기영동방식의전자종이 [40]. 이동으로색구현하였다 (Figure 7)[40] 년에 E-ink 사에서는자신들의제품과 Lucent Technology 사의 soft-lithography 방법으로제작된유기트랜지스터를결합하여능동구동형의전자종이를발표하여서주목을받았다. 그리고 Sony 사에서는 E-ink 기술을이용한 LiBRie 라는전자책을 2004 년일본시장에출시한바있으며, Seiko Watch 와 Sdiko Epson 사는 E- ink 사와공동으로전자종이를이용한전자시계를개발하여 2005 년에발표하였다. 전기영동법을이용한전자종이는 10:1 정도의대비비를지니지만, 구동전압이 90 V 로높고, 응답속도가 100 ms 로느린단점이있다. 콜레스테릭액정방식의경우기존의디스플레이방식을그대로응용한구동방식으로, 상이한파장의빛을선택적으로반사하는콜레스테릭액정을이용한다. 두전극사이에콜레스테릭액정을넣고전압을가할경우빛을반사하지않은투명상태와빛을반사하는상태로스위칭을할수있다 [40]. 이방식은다양한색조와톤을발현할수있다는장점이있고, 대비비가 20~30:1 정도로우수하지만, 높은제조원가와종이질감의표시소자로는역부족인단점이있다. 미국 Kent Display 사, 일본의미놀타사에서콜레스테릭 LCD 를이용한전자책을개발하여발표하였다. 전자종이소자의경우저전력구동 (<40 V), 빠른응답속도 (<30 ms), 높은대비비 (>10:1), 다양한칼라구현등의고성능유지와동시에, 용이성, 휴대성, 쌍안정성등의종이와같은

13 42 공업화학전망, 제 11 권제 5 호, 2008 특성을보유한기술개발이필요하다. 또한새로운전자종이기술은소비전력의최소화, 10 만시간이상의높은수명, 종이를대체할수있는가격경쟁력등의경제적조건또한충족시켜야만한다. 기존의디스플레이기술을활용한전자종이의경우, 종이의질감을도입할수있는방법으로, 플라스틱을기반으로하는플렉서블디스플레이의도입과능동소자로응용을위한유기박막트랜지스터의개발이무엇보다선행되어야한다. 또한전자종이의가격경쟁력을위해서는앞서언급한프린팅공정에기초한 roll-to-roll 방식의응용이절대적으로필요하다 RFID tag RFID tag 의개념 RFID 는무선주파수 (RF, Radio Frequency wave) 를이용해사람이나물건을식별할수있는기술로서, 마이크로칩과안테나가내장된 tag 에사용목적에알맞은정보를저장하여사물에부착한후판독기인 RFID 리더를통하여물체와인식기간의데이터통신을가능하게하는기술이다. RFID 바코드와달리인식을위해직접조준할필요가없어간편하고빠르며, tag 의데이터변경및추가가자유롭고일시에다량의 tag 판독이가능하다. 또한 RFID tag 은냉온, 습기, 먼지, 열등의열악한판독환경에서도판독율이높아신뢰성이있고위조가불가능하며반영구적이고, 재사용이가능해많은장점이있다 RFID tag 의응용분야유기박막트랜지스터의적용분야로가장주목되고있는것이 RFID tag 분야이다. 유기 RFID tag 이상용화될경우현재제품포장지바코드가모두유기 RFID tag 로바뀔것이고이런경우에시장규모는폭발적으로늘어날것으로예상된다. 뿐만아니라개인신분증, 전자지갑이나은행업무등의금융업무는 물론전자주민카드등의종합정보저장기능, 건강관리, 전화카드와같은개인업무를비롯해소매상들의고객관리, 많은물동량을취급해야하는물류창고나고속도로통행징수등에서의정보처리업무등광범위한용도로응용이무궁무진하다 RFID tag 의성장가능성및시장성 RFID tag 는매년수천억개이상이생산되고있을정도로폭발적인수요를보이고있으며현재이들은모두전통적인실리콘기술에의해만들어진다. 이들의단가는 20 센트정도이며더이상제작비용을낮추기는매우어렵다. 현재시장에서는바코드를대체할 RFID tag 를원하고있으며, 단가는 1 센트이하의가격을요구하고있다. 이러한요구에부합하기위해저가의프린팅공정기술과유기재료로제조원가를낮춘유기 RFID tag 만이유일한대안으로떠오르고있다. 이런기술이실현될경우제품포장지의바코드가모두유기 RFID Tag 로바뀔것이다 RFID tag 의기술개발동향 RFID 는구동방식에따라크게능동형 (active) 과수동형 (passive) 두가지로구분할수있다 [41]. 능동형은배터리에서전원공급을하고 tag 에서자체 RF 신호발신이가능한형태이고, 장거리 (3 m 이상 ) 전송및센서와결합이가능한장점이있다. 수동형은 reader 기의전자신호로전원을공급받고 reader 기의신호를변형반사하는형태로안테나를통하여 tag 에 RF 를이용하여전원이공급되므로 tag 내부에는전원소자를갖추고있을필요가없어저가격구현이가능하고, 가볍다는장점이있다. 능동형은군수, 의료, 과학분야에주로사용되고수동형은물류관리, 교통, 전자상거래분야에서주로사용된다. 능동형에필요한프린팅이가능한전지의개발과아울러능동형유기 RFID 시장성확보에따라 RFID 는수동형에서능동형으로단계적으로개발되리

14 KIC News, Volume 11, No. 5, 라예상된다. 암호화인증등의기능이포함되는유기 RFID 는가까운시기에상용화되기는어려워보이나, 이를제외한바코드형의수동형 RFID 의개발상용화는그리멀지않은것으로보인다. 사 본총설은지식경제부의 21 세기프론티어기술개발사업인차세대정보디스플레이기술개발사업단 (F ) 의연구비지원으로수행되었습니다. 사 5. 유기박막트랜지스터의전망 유기반도체재료와용액공정이가능한프린팅기술그리고유기박막트랜지스터를이용한소자개발에대해서살펴보았다. 유기반도체를이용한유기박막트랜지스터는기존의실리콘트랜지스터를대체하고더나아가실현불가능했던새로운응용분야를창출할것으로기대된다. 그러나유기반도체는낮은전하이동도와대기중에서의불안정성으로인하여기존의실리콘기반의전자소자와비교해볼때신뢰성이나전기적특성면에서크게뒤떨어지는성능을보여당장실용화되는데는어려움이있다. 따라서무엇보다도충분한성능을낼수있는새로운유기반도체물질의개발이절실하며이와함께값비싼반도체공정을대체할수있는유기물공정에적합한프린팅공정의개발역시중요하다. 현재로서는아직해결해야될기술적인문제가있고재료적인측면에서미흡한점이많아시장형성이지연되고있는실정이다. 하지만학계, 정부기술연구소중심의연구개발이꾸준히진행되고있어수년안에는신뢰성있는고효율의유기박막트랜지스터의개발가능하고플렉서블디스플레이나유기 RFID 에적용이가능하리라예상된다. 이외에도유기반도체재료를이용한태양전지, 센서, 메모리등다양한분야에서꾸준히연구개발되고있으며가까운미래에이러한유기전자소자들로구성된전자제품들이우리의생활문화를바꾸게될것이라고기대된다. 참고문헌 1. C. H. Dimitrakopoulos, P. R. L. Malenfant, Organic thin film transistors for large area electronics, Adv. Mater. 14, 99 (2002). 2. G. Horowitz, Organic field-effect transistors, Adv. Mater. 10, 365 (1998). 3. D. H. Kim, Y. D. Park, Y. Jang, H. Y. Yang, Y. H. Kim, J. I. Han, D. G. Moon, S. J. Park, T. H. Chang, C. H. Chang, M. K. Joo, C. Y. Ryu, and K. Cho, Enhancement of field-effect mobility due to surfacemediated molecular ordering in regioregular polythiophene thin film transistors, Adv. Funct. Mater. 15, 77 (2005) W. H. Lee, D. H. Kim, J. H. Cho, Y. Jang, J. A. Lim, D. Kwak, and K. Cho, Change of molecular ordering in soluble acenes via solvent annealing and its effect on field-effect mobility, Appl. Phys. Lett., 91, (2007). 7. K. C. Dickey, J. E. Anthony, and Y.-L. Lee, Improving organic thin-film transistor performance through solvent-vapor annealing of solution-processable triethylsilylethynyl anthradithiophene, Adv. Mater., 18, 1721 (2006). 8. M. M. Payne, S. R. Parkin, J. E. Anthony, C. Kuo, and T. N. Jackson, Organic field-

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17 46 공업화학전망, 제 11 권제 5 호, 2008 % 저자소개 조길원 1980 서울대학교공업화학과, 학사 1982 서울대학교공업화학과, 석사 1986 The University of Akron 고분자과학과, 박사 The University of Akron, 연구원 IBM Research Center, 연구원 1988 현재 포항공과대학교, 조교수, 부교수, 교수 장윤석 2003 한양대학교화학공학과, 학사 2005 포항공과대학교화학공학과, 석사 2008 포항공과대학교화학공학과, 박사 박영돈 2003 서강대학교화학공학과, 학사 2005 포항공과대학교화학공학과, 석사 2008 포항공과대학교화학공학과, 박사 최현호 2007 포항공과대학교신소재공학과, 학사 2007 현재포항공과대학교화학공학과, 석박사통합과정