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새로운 유형의 고분자 절연체를 만들다
2018년 대학원 학술상 中 우수연구상, 최우수논문상 수상 논문
[204호] 2018년 06월 04일 (월) 신을용 동국대 융합에너지 신소재공학과 박사과정
   
     

  많은 연구자들이 다양한 박막 트랜지스터의 게이트 절연체 층으로 적용 할 수 있는 고분자 절연체 개발에 많은 노력을 기울여왔다. 여기서 박막 트랜지스터란 세 개의 전극(Gate, source, drain), 반도체 층, 절연체 층으로 구성되어 있으며 두께가 매우 얇아(소자 전체의 두께가 수백 nm 미만) 박막 트랜지스터라 불린다. 특히 제한된 전력 공급을 필요로 하는 모바일 및 웨어러블 디바이스의 급속한 개발로 인해 전력 소비가 낮은 트랜지스터 및 집적 회로에 대한 수요가 엄청나다. 그로 인해 저 전력 소모로 신뢰성 있는 트랜지스터 동작을 구현하기 위해서는 게이트 절연체 층이 낮은 게이트 누설 전류 및 높은 유전 상수 값과 견고한 절연 특성을 제공해야 한다.

  본 연구는 이러한 요구 조건에 충족하기 위해 유기 박막 트랜지스터의 절연체 물질을 새롭게 합성하여 새로운 유형의 불소화된 절연체를 개발한 내용이다. 유기 박막 트랜지스터는 기존에 널리 사용되고 있는 실리콘 기반의 반도체를 이용한 것이 아닌 유기물 층 (Organic semiconducting layer)을 이용한 것이 유기 박막 트랜지스터이다. 본 연구는 유기 박막 트랜지스터에서 절연체 층에 해당하는 물질을 새로운 유형의 고 유전율을 갖는 불소화된 물질로 개발하였다. 본 연구에서 개발한 새로운 유형의 고 유전율을 갖는 고분자 절연체는 기존의 고 유전율 불소화된 물질인 poly(vinylidene fluoride-trifluoroethylene) (P(VDF-TrFE))라는 물질에 저 유전율 물질인 poly(methylmethacrylate) (PMMA)라는 물질에 접목시켜(grafting) 합성하였다.

   
     

  이러한 물질 디자인 컨셉은 고 유전율 고분자 절연체의 특성을 (정전용량, 누설전류, 구동안정성 등) 큰 구동전압의 증가 없이 비정질 상태의 PMMA 절연체와의 결합으로 조절할 수 있는 장점이 있다. 최적화된 P(VDF-TrFE)-g-PMMA 절연체 물질은 PMMA가 7 mol% 비율로 접목시킨 것이며 가장 큰 정전용량 값과 낮은 구동 전압에서 무시해도 될 정도의 히스테리시스를 보여줬다. 또한 합성된 P(VDF-TrFE)-g-PMMA 절연체를 이용하여 top-gate/bottom-contact 구조 (반도체 층을 기준으로 상단에 gate 전극, 하단에 source/drain 전극이 위치한 구조를 뜻한다.)의 유기 박막 트랜지스터에 적용시켜보았다. 유기 반도체 층으로는 널리 사용되고 있는 diketopyrrolopyrrole-thieno[3,2-b] thiophene (DPPT-TT)라는 물질을 사용하였다. P(VDF-TrFE)-g-PMMA를 이용한 유기 박막 트랜지스터는 이동도 1 cm2/Vs 라는 특성을 보였고 여러 안정성 테스트 (지속적인 전압 인가 테스트, 반복적인 측정 테스트)에서도 일반적인 PMMA를 사용한 소자와 비슷한 결과를 얻었다.

  결과적으로 본 연구는 고 유전율 고분자 절연체에 소량의 저 유전율 고분자 절연체의 접목으로 인해 각각의 고분자 절연체들의 단점 (낮은 구동 안정성, 높은 구동전압과 낮은 정전 용량 값)들을 아주 효과적으로 보완하였다. 그리고 새로운 절연체는 저 유전율 고분자 절연체인 PMMA의 접목된 비율을 조절하여 절연 특성과 유기 박막 트랜지스터의 전기적인 특성도 조절할 수 있게 되었다. 이러한 접근 방법은 고 유전율 고분자 절연체인 P(VDF)계열 물질의 강유전체 특성을 정전용량의 손해 없이 감소시켜 인쇄공정을 기반으로 한 트랜지스터 제작에 효과적인 전략으로 제시할 수 있다. 

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