국내 연구진이 빛에너지를 이용해 산소 화합물로 된 아주 얇은 절연막 소자를 단 5분 만에 제작할 수 있는 기술을 개발했다.     

이번 성과는 반도체 산업에서 약 2시간 동안 많은 비용을 들이는 진공공정을 초단기에 실현함으로써 가격을 획기적으로 낮추고, 다양한 기능성 산화물 소재의 산업화를 촉진할 것으로 기대한다. 

광주과학기술원 윤명한 교수와 중앙대 박성규 교수(연구책임자 및 공동 교신저자)가 주도하고 광주과학기술원 박성준, 연세대 김광호와 중앙대 조정완 박사과정생(이상 공동 제1저자)이 수행한 이번 연구는 연세대, 성균관대학과 더불어 진행 되었고, 미래창조과학부와 한국연구재단이 추진하는 기초연구사업(중견연구자지원사업)과 글로벌프론티어사업(나노기반소프트일렉트로닉스연구단)의 지원을 받아 진행됐고, 재료공학 분야 국제학술지 어드밴스드 펑셔널 머티리얼즈(Advanced Functional Materials) 5월 18일자 온라인판 표지논문(Front Cover)으로 게재되었다.

    

용액을 응고시킨(용액 공정) 산화물 전자소재는 제작 공정이 매우 간단하고, 다른 유기물에 비해 우수한 품질과 내구성을 갖춰 차세대 반도체 소자이자 초대면적 디스플레이에 적용할 수 있는 신물질로 각광받고 있다. 

하지만 우수한 특성을 얻기 위해서는 장시간 고온에서 활성화 반응을 거쳐야 하는 제약이 있어, 유연한 기판에 적용하거나 대면적으로 제작하기 위한 인쇄공정에는 적용할 수 없는 상황이었다.

연구팀은 세계 최초로 극자외선을 이용한 라디칼(radical)^* 형성 반응을 통해 고품질 산화 절연막을 5분 만에 형성하는 데에 성공하여 용액공정 산화물 전자소재가 상용화될 수 있는 기반을 열었다. 

 

 

연구팀은 코팅된 졸겔(sol-gel) 필름에 극자외선을 조사할 때 형성되는 고반응성 라디컬 및 광화학 반응에 의해 불순물들이 빠르게 제거되고 고밀도의 박막을 낮은 온도에서(150℃) 5분 안에 형성할 수 있었다.

이러한 방법은 약 2시간 동안 플라스틱이 녹아내리는 고온(400℃)의 열처리를 거쳐야 하는 기존 방법보다 훨씬 빠르다.

박성규 교수와 윤명한 교수는 “이번 연구는 지금까지 고온 열처리 없이는 제작이 불가능했던 다양한 기능의 고성능 산화물 소재를 저온에서 빠른 시간 안에 제작할 수 있는 것을 보여준 성과”라며 “유연성 산화물 회로 구현을 통해 웨어러블 전자기기와 대면적 디스플레이 구현하는 데 기여할 것”이라고 말했다.  

본 연구진은 이를 해결하기 위해 광화학 활성에 대한 심도 깊은 이해를 기반으로 고속으로 용액공정 산화물 소재를 저온에서 개발할 수 있는 기술을 개발하였다. 총체적으로  물리 화학적, 분광학, 표면화학, 전기적 분석을 통하여 산화물 형성의 근간이 되는 메커니즘을 밝혀냈으며, 극자외선을 이용하면, 산화물 형성에 있어서 요구되는 반응 과정이 (불순물 제거, 중축합반응, 조밀화) 기존의 형성 속도보다 20배 향상되는 원리를 규명하였다.

뿐만 아니라, 이를 기반으로 전용액공정을 통한 산화물 전자소자를 저온에서, 고속으로 플라스틱 필름 위에 제조하는데 최초로 성공하였으며, 이동도가 12 cm2V-1s-1, 7-stage ring oscillation circuit이 1mm 보다 작은 휨반경에서도 650kHz 가 관찰되는 투명하고 유연한 고품질 전자 소자를 제작할 수 있었다.

플라스틱 기판위에 용액공정 산화물을 코팅, 자외선 광처리를 통해 빠르게, 불순물이 제거되고, 산화물이 조밀화 됨을 의미함. 이후 상황에 따라 요구되는 전극을 올려, 최종적으로 유연한 고품질의 산화물 전자소자를 구현함.

본 연구에서는 다양한 금속 산화물 절연체 (알루미늄 옥사이드, 지르코늄 옥사이드, 하프늄 옥사이드) 와 반도체 (인듐 옥사이드, 인듐-갈륨-아연 옥사이드)를 용액공정으로 제작할 수 있는 기존의 고온의 장시간 공정이 요구되는 공정기술에서, 광활성을 이용해 상대적으로 낮은 온도에서 고속 (5분) 으로 고품질의 산화물 소재를 형성할 수 있는 기술을 발전시켰다.

저온에서 고속으로 형성 된 전용액공정 기반의 유연 산화물 전자 디바이스 구현을 위해선 막 도포된 용액상에서 고품질의 산화물로 되는 과정에서 요구되는 화학적 반응과정(metal ligand제거, carbon impurity제거, condensation by-product 제거, M-O-M network formation, densification)을 거쳐야 한다.

본 연구진은, 이를 해결하기 위해 극자외선 조사를 통해 높은 에너지의 광자들을 필름 내 침투시켜 라디컬 기작을 유도하여, 앞서 말한 기본적으로 요구되는 화학적 반응과정 및 화학적 결합반응을 낮은 열에너지에서 가능하도록 유도하였다.

본 연구에서는 고속 광활성화 화학반응을 다양한 산화물 소재에 적용 가능 하도록 일반화함과 동시에 자외선에 의해 유도된 라디컬 동반 기작을 통해 다양한 산화물 박막필름이 5분 내에 만들어 짐을 관찰하였으며, 전용액 공정의 산화물 트랜지스터 어레이와 회로가 투명한 glass 기판 위, 혹은 유연한 플라스틱 기판 위에서 성공적으로 구현하였다.

현재까지 고온에서 장시간의 공정이 요구되어 왔던 용액공정 산화물 소재 제작에 있어서, 광활성을 이용하고, 라디컬 반응을 촉진시켜 새로운 물질을 탐구할 수 있는 계기가 되었으며, 전 용액공정의 유연한 산화물 반도체 디바이스를 제작함으로써 웨어러블 일렉트로닉스, 진단의학, 바이오 산업분야에 전자소재를 응용할 수 있는 새로운 발판을 마련하였다

고온에서 산화물 제작 시 장시간 공정시간의 난제를 극복하기 위해, 원론적인 반응 메커니즘 이해를 통해 본 광활성화 기술이 다양한 분야의 산화물 소재 제작에 응용 가능함을 밝혀냈으며, 저온에서 라디컬 기작 반응 통한 고품위의 산화물 박막 소재를 고속으로 제작할 수 있는 원천 기술을 규명하였다.

본 기술은 현 산업체에서 광범위 하게 응용되고 있는 장시간의 값비싼 고진공 공정을 탈피할 수 있는 신 산업적 시각을 제시함과 동시에, 다양한 기능성 산화물 소재를 값싸고 신속하게 제작할 수 있는 산업적 발전 가능한 근간을 마련하였다.

(기존 기술과 차이 비교)

 기존에 연구되고 있는 광화학 활성에서 나아가 형성 원리에 대한 심도 깊은 이해를 기반, 고속으로 용액공정 산화물 기능성 소재를 저온에서 개발할 수 있는 기술을 개발함. 

 총체적으로  물리 화학적, 분광학, 표면화학, 전기적 분석을 통하여 산화물 형성의 근간이 되는 메커니즘을 밝혀냈으며, 극자외선을 이용하여, 산화물 형성에 있어서 요구되는 반응 과정이 (불순물 제거, 중축합반응, 조밀화) 기존의 형성 속도보다 20배 향상되는 원리를 규명함.

(활용 분야 및 제품)

자외선 빛에 감응하는 모든 용액 공정기반의 산화물 소재제작에 적용이 가능한 범용적인 기술

다양한 기능성 산화물 물질 탐구

자외선과 산소가 반응하여 오존이 발생하지 않도록

공정시 차폐 기술이 필요함.

5년 이내

장시간의 값비싼 고진공 공정을 탈피할 수 있는 신 산업적 시각을 제시, 웨어러블일렉트로닉스, 진단의학, 바이오 산업분야에 전자소재를 응용할 수 있는 새로운 발판 마련함.

 

Wiley에서 발간하는 재료분야 국제학술지 (2013 IF : 10.4)

  

Sol-Gel 공정은 용액(sol)이나 겔(gel) 등 유체상태의 물질을 고상의 소재로 변환시키는 기술이다. 이러한 분자단위의 화합물이 반응해 금속 주위에 히드록시(-OH) 작용기를 형성하는 수화반응(hydrolysis)과, 뒤를 이어 두 개의 히드록시 작용기로부터 하나의 물 분자가 빠지는 동시에 금속-산소 간 결합을 형성하는 축합반응(condensation)을 거쳐서, 반응물과 반응물이 서로 연결되어 자라나는 과정이다.

Sol : 일반적으로 1~1000nm 정도의 입자들로 이루어져 있어서 반데르발스 인력이나 표면전하의 작용이 주된 원인이 되어 침전 없이 균일하게 분산 된 콜로이드입자

Gel : 하나의 분자가 고분자화 or 입자 졸의 응집 등에 의해 분산되어 있는 액상 전체로 확산된 거대분자

 

라디칼은 원자가 전자 궤도함수에 쌍을 이루지 않은 하나의 전자를(홀수 전자) 가지고 있는 화학종이다. 대부분의 라디칼들은 전기적으로 중성이지만, 안정한 영족기체 팔전자계가 아니라 그들의 최외각 전자 껍질에 홀수개 전자(보통7개)를 가진 원자가 들어 있기 때문에 반응성이 매우 크다.

OH라디칼은 거의 모든 오염물질의 살균, 소독에 관여하며 화학적으로 분해하고 제거할수 있는 가장 강력한 효과를 발휘하면서 인체에는 무해하다. 최근 미국에서 실험한 연구결과에 의하면 오존보다 2000배, 태양의 자외선보다 180배나 빠른 산화속도를 갖고 있다고 한다.

(그림 1) 극자외선을 이용해 5분 만에 제작한 용액공정 기반 초박막 산화물 전자소자의 모습.

(A) 유리 기판 위에 제작된 투명 산화물 전자 소자 이미지, (B) 머리카락 두께의 얇은 플라스틱 필름 위에 제작 된 유연 전자 소자 이미지, (C) 와 (D) 는 얇은 플라스틱 위에 제작 된 소자의 이미지를 광학현미경과 주사현미경으로 확대하여 관찰된 이미지

(그림 2) 광처리를 통한 용액공정 산화물 전자소자 제작과정 모식도.

플라스틱 기판위에 용액공정 산화물을 코팅, 자외선 광처리를 통해 빠르게, 불순물이 제거되고, 원자간 결합 네트워크가 조밀화 됨을 보여줌. 이후 상황에 따라 요구되는 전극을 올려, 최종적으로 유연한 고품질의 산화물 전자소자를 구현.