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  • 무기 트랜지스터와 다른 유기 트랜지스터의 발전 방향성
  • 유기 트랜지스터의 수직 구조화가 가져올 성능의 증가와 기능의 중첩
  • 뉴로모픽 또는 디스플레이에도 적용할 계획으로 개발 중인 유기 트랜지스터

안녕하십니까. 한국표준과학연구원의 임경근이라고 합니다. 오늘 플렉서블 전자소자의 미래, 즉 수직 구조 유기 트랜지스터에 대한 발표를 드리도록 하겠습니다. 저는 현재 한국표준과학연구원의 책임연구원으로 있고. 동시에 UST라는 대학원 대학교의 부교수, 연세대 융합반도체 학과에서 겸임 교수로 있습니다. 약간은 생소하실 수도 있는데 저는 연구원에서 연구를 전임으로 하면서 또 학생을 지도하고 있는데. 그러면서 실제 연구 현장, 산업 현장에 연관된 연구를 하면서 그거에 연관된 지식을 대학원생, 학부생에게 전달하는 그런 업무를 하고 있습니다. 제가 주로 관심 있게 연구하는 분야는 플렉서블한 전자소자입니다.

 

01 플렉서블 유기 트랜지스터의 미래기술

 

4월에 미국에서 열린 MRS(Materials Research Society)라는 학회에서 가장 최근에 연구되고 있는 것들을 먼저 소개드리겠습니다. 플렉서블 유기 트랜지스터가 향후에 미래 기술이 정말 맞다, 미래 기술로서 많은 발전이 있을 것이라는 확신 같은 것을 많이 보고 온 학회였습니다. 첫 번째로는 케미컬 센서(Chemical Sensor)에 대한 부분이었는데 여러분께서 생활하다 보면 여러 가지 생체 정보를 우리가 장비를 통해서 수집을 할 수가 있습니다. 그중에 땀이나 맥박이라든지 그런 정보들이 저희가 건강 상태가 어떻다 질병이 어떻다 또는 그런 것들을 예측할 수도 있고 그런 센서로 이용됩니다. 유기 트랜지스터 같은 경우는 상대적으로 매우 민감해서 생체 정보를 아주 높은 정확도로 분석을 할 수가 있습니다. 케미컬 센서가 기존에는 이런 땀을 흡수하기 위해서는 운동해야 하고 또 전력 같은 경우는 외부에서 주어져야 하는 그런 단점이 있었는데. 올해 보고된 것은, 굳이 운동하지 않아도 자동으로 땀을 분석해서 생체 정보를 저희가 습득할 수가 있고 또 그러한 센서를 동작시킬 때 파워가 외부에서 주어지는 게 아닌 스스로 케미컬 에너지나 또는 태양광 에너지 같은 걸 이용해서 스스로 구동하게끔 하는 기술이 개발됐습니다. 두 번째로는 메커니컬 센서(Mechanical Sensor)입니다. 움직임, 변형률(strain)이라든지 압력(pressure)이라든지. 이런 것들을 센싱하는 기술인데 아까 말씀드린 대로 유기 트랜지스터 같은 경우는 민감하기 때문에 기존의 다른 무기물에 비하면 매우 높은 정확도, 민감도로 반응합니다. 이런 것들을 로보틱 기술에 적용시켜서 우리가 느끼는 것 또는 로봇 팔이 느끼는 것 이런 걸 동기화시킬 수가 있고. 그리고 이게 또 대면적이 필요하기 때문에 All-printed, 모든 소재를 다 프린팅을 이용해서 만들 수 있는 그런 기술들이 올해 보고가 되었습니다. 세 번째로는 바이오일렉트로닉스(Bioelectronics)입니다. 이런 것들을 피부에 부착하거나 아니면 로봇에 부착하거나 이런 것들도 있지만 직접적으로 장기에 부착시키는 그런 연구도 많이 진척됐습니다. 기존에 인 비보(In vivo) 실험, 이런 것들도 많이 있었는데. 최근에는 한 5초 만에 신체에 바로 접착이 돼서 동작하는 바이오 물질들 그리고 높은 전도도를 가지는 폴리머 이런 것들을 이용해서 신체 내부에서 건강 정보를 직접적으로 세팅할 수 있고. 또 심장이나 뇌, 장기에서의 정보들을 직접적으로 받아낼 수 있는 그런 기술이 개발돼서 보고가 됐었습니다. 최근에는 또 뉴럴 네트워크(Neural network)를 모사하는 연구들이 많이 되고 있습니다. 무기물이랑 다르게 폰 노이만 구조를 가지는 컴퓨팅 시스템을 극복할 수 있는 기술로 많이 알려져 있습니다. 기존의 문제점이 이런 유기물 트랜지스터를 이용하게 되면 정보량이나 아니면 속도 이런 면에서 불리한 면이 있었는데. 그런 것들을 극복할 수 있는 기술에 대해서 올해도 보고가 많이 됐습니다.

 

종합해보면 기존에는 유기 트랜지스터는 항상 무기물 트랜지스터랑 비교해서 취약하고 아니면 성능이 떨어진다는 인식이 있었는데. 현재의 발전 방향은 오히려 그 점을 이용해서 센서로서 매우 민감도를 가진다. 그리고 또 대면적 프린팅이 가능하고. 또 새로운 물질이 쉽게 합성 가능해서 기능들을 가지는 그런 것들을 오히려 단점을 장점으로 극복해서 현재 미래 소자로서 꾸준히 발전하고 있고. 올해 발표된 것만으로 봤을 때는 굉장히 높은 기술도를 완성했다고 볼 수 있겠습니다. 그래서 이런 플렉서블한 유기 트랜지스터가 미래의 기술로 매우 중요하다는 걸 저희가 습득했는데 여기서 또 문제점이 뭔지 먼저 밝혀보도록 하겠습니다. 그래서 이러한 플렉서블 유기 트랜지스터가 많이 개발됐고. 결론을 내리자면 인체 능력을 확장하는 미래 소자로서 확고한 발전을 하고 있다. 이렇게 말씀드릴 수 있겠습니다.

 

02 플렉서블 유기 트랜지스터의 발전방향·미래방향

 

현재 플렉서블 유기 트랜지스터의 미래 예측을 지금까지 발전되어 왔던 방향으로부터 예측을 먼저 해보도록 하겠습니다. 1970년도에 첫 등장을 해서 지금까지 보면 크게 두 가지 축으로 발전되었다고 할 수 있습니다. 첫 번째는 퍼포먼스 성능면입니다. 어떠한 특성을 분석하고 연산하고 통신하고 이런 것들을 할 때 좀 더 단시간 내에 아니면 단위 면적 내에 더 높은 성능을 나타내도록 하는 게 발전 방향이었고. 두 번째는 기능입니다. 기능성이 더 중첩되는 방향. 하나의 기능만 하는 게 아니라 같은 소자지만 프린팅 된다든가, 아니면 Biodegradable(생분해성) 하다든가, 아니면 Self-powered(자가발전) 된다거나 이런 것들을 더 중첩돼서 기능이 더 추가되는 축으로 저희가 발전을 해왔습니다. 그럼 저희가 쉽게 예상해볼 수가 있는데 차세대 소자 아니면 차세대 플렉서블 유기 트랜지스터의 발전 방향은 성능이 더 증가하고 기능이 추가되는 그런 방향으로 갈 것이라고 저희가 쉽게 예상해볼 수 있습니다. 그럼 이렇게 발전 방향이 되면 저희가 새로운 기술이 있어야 합니다. 새로운 기술 또는 원천 기술이 있어야 이런 식으로 저희가 발전해갈 수 있을 텐데. 원천 기술이 뭘까 생각해보면 기존의 무기물 트랜지스터의 발전 방향으로부터 영감을 얻을 수가 있었습니다.

 

한번 제가 우리나라에서 많이 연결되고 있는 무기 메모리 반도체를 예를 들 텐데요. 최근에 무기 메모리 반도체 같은 경우는 비약적인 발전이 있었습니다. 그림에서 보시는 것처럼 초창기 때는 그냥 Planar(평면한) 구조를 가지고 있어서 성능이 단일한 소자밖에 없었다면 FinFET이라든지 GAAFET라든지, 기술들이 추가가 되면서 단위 면적에 더 많은 소자가 중첩되고 또 기능이 매우 증가되는 것을 보고했었습니다. 그 결과 최근에 만들어지는 FET 소자 같은 경우에는 3나노 공정을 썼을 경우 퍼포먼스가 35% 정도 증가했고. 파워의 소비는 50% 반감됐고. 그다음에 전체적인 면적은 45% 정도 줄어드는 이런 결과를 얻을 수가 있었다고 합니다. 기존의 7나노 공정에 비해서요. 이 공정의 핵심은 수직 그리고 3차원 아키텍처를 가지는 무기 메모리 반도체를 개발했기 때문입니다. 기존에 Planar 하고 평면 구조를 가진 것들은 거기에 채널 길이(Channel length)를 줄이는데 포토리소그래피라든지 많은 기술들이 정말 많은 돈이 들어가고 인력이 들어가는 기술들이 필요했습니다. 그래서 그 선폭을 줄이기 위해서 3나노 정도 줄이기 위해서 천문학적인 비용이 들어가는데. 그것뿐만 아니라 수직 그리고 3D 아키텍처를 가지게 되면 그거에 더해져서 훨씬 더 높은 성능과 그리고 효율성을 가질 수 있다. 이게 이 기술의 핵심이 되겠습니다. 그래서 저희가 생각하고 있는 것은 이러한 발전 방향으로부터 자연스럽게 결론이 도출됩니다. 수직 구조 또는 3차원 구조를 가지는 플렉서블 유기 트랜지스터를 개발하게 된다면 기존에 있던 유기 트랜지스터의 단점을 극복해서 향후 미래에 개발되는 방향이라고 우리가 예측할 수도 있고 필요성을 가지게 되는 것입니다.

 

03 유기 트랜지스터 성능의 증가·기능의 중첩

 

현재 통용되고 있는 유기 트랜지스터는 쉽게 말씀드리면 이런 간단한 그림처럼 생겼습니다. 소스와 드레인에 해당되는 두 전극이 평면적으로 배열이 되어 있고. 중앙의 유기 반도체(Organic semiconductor)가 이렇게 채널, 전자가 흐르게 하는 통로로써 이용되고 있습니다. 하지만 이걸 수직 구조로 바꾸게 된다면 소스와 드레인이 두께 방향으로 마주 보고 있게 되고, 그 사이에 채널 길이(Channel length) 그러니까 전자가 실질적으로 이동을 해야 하는 거리가 매우 짧아지게 됩니다. 저 길이를 수평 구조에서도 짧게 만들 수 있지만 마찬가지로 천문학적인 비용 그리고 많은 공정 그리고 또 많은 소재들이 개발돼야 하지만, 수직으로 만들게 되면 단순히 그냥 유기 반도체의 두께만으로 채널 길이(Channel length)가 정의가 되고 또 추가적으로 이러한 하나의 단위 소자만 면적이 차지하는 게 아니라 1층, 2층, 10층, 100층 이렇게 적층 할 수 있게 됩니다. 그러면 우리가 기능적으로도 많은 기능을 갖게 되도록 할 수 있습니다. 즉, 앞서 말씀드린 대로 성능의 증가와 기능의 중첩 두 가지를 다 얻을 수 있는 그런 기술이 되겠습니다.

 

이렇게 만들어지게 되면 저희가 성능 면에서는 얼마나 좋아질 건지 그리고 기능 면에서는 얼마나 중첩이 될 건지를 예상해볼 수가 있습니다. 성능 면에서는 현재 보고된 것 중 유기 반도체 소재를 이용한 트랜지스터 중에서 가장 최고의 성능을 보고했었습니다. 예를 들어서 스위칭 스피드, 트랜지스터는 잘 아시다시피 전자나 전공의 움직임을 제어해서 스위칭 역할을 하는 게 핵심입니다. 전자 소자를 켜고 끄고. 디스플레이가 된다면 빛이 들어오게 하고 꺼지게 하고. 색깔을 나타내게 하고 아니게 하고. 0과1 메모리 등 이런 것들을 다 트랜지스터로 제어하게 됩니다. 이때 이런 스위칭 스피드가 느리게 되면 우리가 원하는 성능을 얻을 수가 없습니다. 통신이나 연산 아니면 디스플레이 이런 것들이 모두 다 빠른 속도로 발전하고 필요성이 커지고 있는데. 현재 유기물로는 그러한 니즈를 충족시킬 수가 없었는데 수직 구조로 만들게 되면, 현재 보고된 유기물 트랜지스터 중에는 가장 빠른 속도를 보고를 했고. 그리고 전류 밀도(Current Density)라고 부르는 전력량, 얼마나 큰 전력을 전송시킬 수 있느냐. 그 말은 우리가 디스플레이로 치자면 얼마나 더 밝게 만들 수 있느냐, 통신으로 치면 얼마나 큰 출력으로 무선 신호를 보낼 수 있느냐 이런 것들이 되겠죠. 출력값도 현재 보고된 것 중에서는 세계에서 두 번째로 큰 값을 저희가 수직 구조, 단순히 소재를 바꾸는 게 아니라 단순한 아키텍처를 바꿈으로 인해서 이런 기대 성능을 얻을 수가 있었습니다. 두 번째는 기능의 중첩입니다. 아까 말씀드린 대로 한 단위 공간에 하나의 소자만 있는 게 아니라 1층, 2층, 10층 이런 식으로 수직 방향으로 쌓을 수 있는 게 또 하나의 장점입니다. 그래서 그때 여러 층의 기능을 중첩하는 트랜지스터를 쌓게 되면 논리 연산을 할 수 있는 로직 프로세스를 할 수 있는 그런 소자를 만들 수가 있게 되고. 거기에 또 기능적인 소재를 추가하게 되면 예를 들어 빛을 내는 소재나 아니면 빚을 받아들여서 전기 신호를 내놓는 소재 이런 걸 이용하게 되면 옵티컬 스위칭 아니면 옵티컬 센싱 이런 것들을 저희가 제어하고 만들 수가 있습니다. 그래서 결론적으로 말씀을 드리자면 수직 구조 그다음에 3차원 구조 기술을 유기 트랜지스터에 적용하게 되면 성능면에서 가장 세계 최고의 성능을 기대할 수 있고 그리고 기능면에서 여러 가지 기능을 중첩할 수 있다. 이런 것들을 저희가 사전적으로 분석해서 현재도 개발을 진행하고 있습니다.

 

이러한 수직 구조 유기 트랜지스터는 다양한 형태가 존재합니다. 저희 연구실에서는 크게 세 가지 형태에 집중해서 연구하고 있습니다. 노란색으로 화살표로 표시된 부분이 전자의 흐름인데요. 전자는 우리가 원하는 그런 전기 신호 또는 전력 이런 것들을 전달하는 역할을 하죠. 그럼 전자가 이동하는 경로가 보시다시피 노란색으로 표시된 화살표처럼 수직으로 이동하는 것을 볼 수 있습니다. 그래서 세 가지 형태는 형태만 다를 뿐이지 수직 방향으로의 전자 이동을 제어하는 트랜지스터라고 보시면 됩니다. 그중에 각각의 장단점을 가지게 돼서 저희가 필요한 그런 분야에 적절한 소자를 쓰고 있습니다. 투과 게이트 트랜지스터 같은 경우는 가운데 전극이 투과 가능한 전극을 이용해서 보시다시피 노란색으로 표시된 화살표가 수직 방향으로 이동하는 걸 볼 수 있습니다. 전자가 돌아서 어디를 통해서 가는 게 아니라. 두 전극 사이를 가로막고 있는 게이트 전극을 통과해서 실제로 가장 짧은 거리로 이동하게 되는 특징을 가지고 있고. 두 번째 같은 경우도 수직 방향으로 이동하는데 가운데 전극이 소스 전극이라는 차이점이 있고. 오른쪽 같은 경우는 소스와 드레인의 배열은 같지만 좀 더 전자를 쉽게 제어하기 위해서 하부에 게이트를 따로 두고 있다는 점이 다릅니다. 구조적으로는 다르지만 아까 말씀드린 대로 수직 방향으로 전자를 제어하고 흐르게 하고 멈추게 하는 것을 제어하는 트랜지스터라고 보시면 되겠습니다.

 

04 기술 발전의 어려움과 극복 방법

 

현재 진행되고 있는 기술에 대해서 기존의 발전 방향에 대해서 말씀드릴 텐데. 이런 것들이 제가 처음 고안한 건 아니고 2000년대 초반부터 연구가 많이 되고 있었는데 성능 면에서는 극복하지 못한 점이 있었습니다. 이런 중요한 점을 먼저 살펴보자면, 아까 중간에 들어가는 전극이 투과 해야 합니다. 그러니까 투과 가능해야 된다는 점이 필요한 조건이었는데 그 부분을 제어하는 게 어려웠고. 그리고 그 부분을 만들 때 어떤 소재를 써야 되는지 정의가 잘 되지 않았습니다. 그리고 아키텍처를 만들 때 성능도 있지만 공정상에서 대량 생산이 가능한 공정들을 이용해야 하는데 그런 부분들이 어려운 점도 있었습니다. 그래서 제가 했던 연구는 이러한 문제점을 먼저 파악하고 그 부분을 극복하기 위한 연구를 처음으로 수행했었습니다. 문제점이 무엇인지 살펴보자면 아까 말씀드렸던 투과한 전극, 가운데 있는 게이팅 역할을 하는 전극이 누설 전류(leakage current)가 컸었고. 그다음에 투과성이 높지 않았었습니다. 그리고 오른쪽에 보시는 그런 타입 같은 경우는 마찬가지로 소스와 드레인 사이에 누설 전류가 컸기 때문에 성능이 떨어진다는 점이 있었습니다.

 

제가 초창기에 진행했던 연구는 그런 점을 극복할 수 있는 하나의 방법을 이용했는데 그거는 일렉트로라이트를 이용한 아노다이징(Anodizing) 기술이었습니다. 2019년과 2020년에 처음으로 보고를 했는데. 아노다이징이라고 하면, 알루미늄을 예를 들자면 알루미늄 옥사이드 같은 층이 아주 얇은 수 나노 이하로 제어되는 얇은 층을 저희가 만들 수가 있고. 또 그것들을 대면적으로 만들 수가 있는 장점이 있는 기술입니다. 그 기술을 이용해서 전자 소자를 만들었을 때 이런 투과도가 개선이 되고 그다음에 누설 전류가 매우 감소하는 것을 저희가 관찰했었습니다.

 

왜 그렇게 될 수 있는지, 이게 왜 중요한지에 대해서 한번 살펴보자면 기존에 이런 투과 되는 정도와 누설 전류를 제어하기 위해서 중앙에 들어가는 전극의 형태가 매우 중요하다는 것은 알려져 있었습니다. 아까 전자가 투과를 하려고 하면 미세한 구멍인 핀홀(Pinhole)이라는 게 존재해야 합니다. 핀홀(Pinhole)의 크기라든지 면적, 이런 것들을 제어하는 게 상대적으로 어려웠습니다. 공식이 있는 게 아니고. 경험적으로 이루어졌던 부분이 많았죠. 그리고 거기에다가 게이팅 역할을 해야 되기 때문에 메탈 옥사이드 게이트 다일렉트릭이 형성이 돼야 되는데 그 부분을 만드는 것도 매우 어려웠습니다. 하지만 저희가 계산을 해봤을 때 그런 핀홀(Pinhole)의 면적이나 크기가 이 성능을 매우 좌지우지한다는 것을 저희가 계산을 해봤었고. 이걸 제어하지 못하면 저희가 이 수직 구조 유기 트랜지스터가 성능이 많이 떨어질 수밖에 없다는 걸 알게 돼서. 이 형태를 제어하고 거기에 필요한 게이트 다일렉트릭을 형성하는 기술이 필요하다는 게 첫 출발점이 되겠습니다. 그래서 이 문제를 해결하기 위해서 아노다이징이라는 기술을 이용했었습니다.

 

한번 계산해보면서 이게 얼마나 중요한지도 봤습니다. 왼쪽 아래에 보신 것처럼 간단한 도면을 그렸을 때 핀홀의 크기 그다음에 그걸 뒤덮고 있는 메탈 옥사이드 게이트 다일렉트릭의 두께라든지 형상 이런 것들이 어떤 식으로 소자에서 영향을 미치는지를 계산해보기 위해서 이런 파라미터들을 다 상정했고. 또 저희 공동 연구자인 가천대학교 김창현 교수님과 함께 계산을 해봤을 때 핀홀의 형태. 아까 말씀드린 대로 소재의 두께, 크기, 면적 그리고 덮고 있는 소재의 특성들에 따라서 성능이 매우 크게 올라갈 수도 있고 내려갈 수 있다는 걸 저희가 발견했습니다. 그래서 이걸 쉽게 제어하기 위한 기술을 저희가 개발했습니다.

 

그중에 대표적으로 하나를 말씀드리자면 아노다이징입니다. 아노다이징이라고 하면 아까 말씀드린 대로 메탈, 알루미늄을 예를 들자면 알루미늄에 일렉트라이트의 간단한 전압을 가해서 메탈이 메탈 옥사이드로 바뀌는 그런 공정을 말합니다. 아주 쉽게 예를 들자면 아이폰의 뒷면이나 맥북의 표면을 만져보면 까끌까끌한 약간의 텍스처를 가진 걸 볼 수가 있는데. 메탈이지만 그런 텍스처를 가지게 한다거나 아니면 메탈이지만 색깔을 띄게 한다거나 하는 기술이 폭넓게 쓰이고 있습니다. 왜냐하면 이렇게 아노다이징을 하게 되면 다공성 타입으로 표면을 바꿀 수가 있는데 그 다공성 타입에 색깔을 넣는다거나 아니면 질감을 넣게 만들어서 우리가 만져봤을 때 메탈이지만 기분 좋은 텍스처, 감성을 표현할 수 있는 그런 기술로서 산업적으로 많이 쓰이는 기술입니다. 저는 그 기술을 이런 유기 트랜지스터를 만드는 데 이용했습니다. 다공성한 타입으로 만드는 게 아니라 수 나노 이하로, 아주 작은 두께로 제어가 가능한 박막을 만드는 데 이용했습니다. 그래서 알루미늄 옥사이드가 매우 얇게 형성되게 되면 이게 트랜지스터에서는 훌륭한 게이트 다일렉트릭이 됩니다. 현재 게이트를 제어하기 위해서는 게이트가 전류가 흐르지 않도록 캐패시턴스(Capacitance, 정전용량)가 크도록 해주는 게이트 다일렉트릭이라는 소재를 항상 써야 합니다. 그 소재를 대부분 증착해서 썼었죠. 진공 챔버에 집어넣고 그 부분을 탑다운으로 만드는 공정으로 했었는데 저는 그게 아니라 이런 일렉트로라이트 안에 집어넣고 전압을 가하기만 하면 아래쪽부터 아주 얇고 우수한 특징의 메탈 옥사이드를 성장시킬 수 있는 그런 공정을 이용해서 우리가 원하는 게이트 다일렉트릭을 투과도 있게 만들 수가 있었다. 이 점이 큰 차이점이 되겠습니다.

 

그래서 이 공정을 이용해서 실제로 만들어진 소자의 단면을 한번 보시면. 지금 보시는 TEM이라고 하는 이미지에서 파란색은 알루미늄을 뜻하고 빨간색, 보라색으로 된 부분은 알루미늄 옥사이드에 해당합니다. 그래서 핀홀이라고 부르는 구멍이 있고. 그 구멍을 포함해서 전체의 면적을 알루미늄 옥사이드가 뒤덮고 있는 걸 볼 수가 있고. 그 말은 즉, 어느 방향으로도 전류가 누설되지 않게 게이트를 알루미늄 옥사이드가 잘 뒤덮고 있다. 제가 가끔 외부 강연을 나가면 이걸 돈가스에 비유합니다. 돈가스에 돼지고기가 가운데에 있고 돈가스 튀김 옷이 잘 입혀져야겠죠. 한쪽이 튀김 옷이 너무 두껍고, 또 반대쪽이 너무 얇다면 우리가 먹을 때 맛이 없겠죠. 그것처럼 우리가 이 수직 구조 트랜지스터를 구동하기 위해서는 어느 한쪽에 치우침이 없이 동일한 두께를 가져야 되고 그게 3차원 방향으로 다 형성이 잘 돼야 합니다. 위아래 옆면에 해당하는 모든 부분까지. 이거는 기존의 증착 공정, 탑다운 공정으로는 만들 수가 없는 기술인데 이런 바텀업 방식으로 아노다이징을 이용해서 형성할 수 있었고 그 부분을 소자 성능을 봤을 때 크게 증가된 것을 볼 수 있었습니다. 기존이랑 비교하자면 가장 큰 차이점은 이런 누설 전류가 1만 배 정도 하락했다. 이런 걸 저희가 보고했고 이걸 2019년도에 처음 저희가 학계에 보고하게 됐습니다.

 

그래서 이런 것들이 더 중요하다. 그래서 성능을 봤을 때 스위칭 스피드는 아까 말씀드린 대로 가장 최고의 값을 보고를 했고 그다음에 전류 밀도(Current Density)가 매우 증가했다. 결국 이 퍼포먼스가 현재 보고된 유기 트랜지스터 중에서 가장 우수한 값을 보고를 했다는 게 첫 번째로 저희가 강조하고 있는 부분이고. 두 번째는 이렇게 수직으로 하게 되면 기능이 중첩되는 게 있는데요. 그 전에 최근에 좀 더 추가로 연구되고 있는 부분을 소개해드리면 이런 수직 구조 트랜지스터를 만들었을 때 가운데 투과 전극을 형성하는 게 되게 중요한데 아까 말씀드린 대로 투과도, 그다음에 전류 밀도(Current Density) 이런 것들을 결정 짓는 중요한 소재가 되겠습니다. 그런 것들을 아까 아노다이징이라는 걸 이용했었고. 또 추가적으로 거기를 패시베이션 시키고 형태를 잘 제어하도록 하는 기술을 적용해서 어느 정도 성과를 관찰하고 있습니다. 현재까지도 계속 진행 중이고. 어제까지도 최근 데이터가 나오고 있는데 이런 패시베이션과 포메이션을 잘 조절했을 때 기존보다 더 우수한 성능을 나타낸 거를 확인했고 또 학계에 보고할 준비를 하고 있습니다.

 

성능에 대한 부분이었고. 지금은 기능이 중첩되는 부분에 대해서 말씀드리도록 하겠습니다. 이게 수직 방향으로 만들게 되면 아까 말씀드린 대로 1단, 2단 적층이 가능하고. 또 새로운 소재를 넣어서 기능을 더 추가할 수 있다고 말씀드렸는데. 예를 들어서 로직 프로세스, 발광하는 트랜지스터 그다음에 흡광해서 센싱을 하는 트랜지스터. 이런 것들을 저희가 개발을 할 수가 있습니다.

 

현재 이게 많은 부분에서 세계적으로 연구가 되고 있고. 이건 제가 공동 연구를 하는 그룹에서 선제적으로 보고를 한 건데. 논리 소자를 수직으로 만들고. 그다음에 빛을 발광하는 트랜지스터를 수직으로 만드는 기술을 보고했습니다.

 

저희 같은 경우는 공동 연구자가 한국에서 그룹핑이 되어서, 이러한 기술들을 이용해서 어떤 걸 할 수 있을까 고민해봤을 때. 수직 방향으로 트랜지스터를 만들게 되면, 아까 말씀드린 스위칭 스피드가 세계 최고가 되니 아주 빠른 속도로 디스플레이라든지 아니면 센서를 껐다 켤 수 있겠다. 켜고 끌 수가 있다는 그런 장점을 이용해보자 해서 이런 연구를 시작하게 되었습니다. 즉 수직 방향으로 트랜지스터를 만든 다음에 거기다가 발광하는 소재 또는 흡광하는 소재를 합치게 되면 이것 자체만으로 무선 광통신이 가능한 기능을 저희가 부여 할 수 있게 되고 이게 유기물이기 때문에 플렉서블 할 테고. 그다음에 그거를 실내에서 이용되고 있는 일반 광으로도 충분히 반응하고 민감한 그런 소재이기 때문에 실내에서 무선으로 광통신을 하는 기술을 저희가 개발한 연구를 진행하고 있습니다. 이렇게 되면 우리가 와이파이라고 하는 전자기파를 이용한 통신보다 좀 더 무간섭이기 때문에 안전하고 또 보안 통신이 가능합니다. 또 빛을 이용하기 때문에 초고속. 그리고 저희가 수직 방향으로 다른 제어하는 트랜지스터가 없이 그 자체로 구동하기 때문에 저전력을 기대할 수 있었습니다. 이 연구가 작년부터 시작돼서 5년 동안 연구재단의 투자를 받아서 시작하게 됐는데. 이게 저희가 아직은 상용화되기까지는 많은 난제를 거쳐야 하지만 아직은 구현되지 않는 새로운 기술이기 때문에 이런 투자받게 되어서 진행하게 되었습니다.

 

05 유기트랜지스터 뉴로모픽·디스플레이 적용 계획

 

최근에 연구되고 있는 걸 좀 더 소개해드릴 텐데요. 수직 구조로 만들게 되면 아까 말씀드린 대로 매우 빠른 속도로 유기 트랜지스터가 구동하게 된다. 그걸 저희가 아까 앞서서는 무선 광통신 분야에서 썼었고. 이번 같은 경우는 이를 이용해서 뉴로모픽 또는 이런 디스플레이에도 적용할 계획으로 개발하고 있습니다. 이 같은 구조는 아까 말씀드린 투과 전극을 가지고 있는데요. 게이트 역할을 하는 아까의 소자랑 다르게 지금은 게이트는 따로 외부에 있고, 상부나 하부에 있고. 가운데는 투과하는 소스를 형성했다는 것이 다릅니다. 형태적으로 다르지만, 결과적으로 이 부분을 하게 되면 우리가 디스플레이를 썼을 때 또는 뉴로모픽을 썼을 때 큰 장점을 가지고 있어서 이러한 새로운 구조도 저희가 개발했고.

 

이런 것들을 생체의 신경망에서 모방하는 기술에 작용하게 되면 실제로 우리가 그런 뉴런들을 살펴보면 시냅스전 신경세포(presynaptic neuron) 그리고 시냅스 후 신경세포(postsynaptic neuron) 사이의 거리가 수 나노밖에 안 되는, 거의 한 3나노 정도밖에 안 되는 아주 가깝게 붙어 있는데. 저희가 수직 구조 트랜지스터를 이용하게 되면 거의 그와 유사한 시스템으로 저희가 모사를 할 수 있습니다. 즉 지금까지는 대부분 다 수평적이고 평면적인 구조로 모사하기 때문에 실제 신경을 모사한 데는 물리적으로 어려움이 있었다면 저희가 개발한 수직 구조 유기 트랜지스터를 이용한 뉴로모픽 소자 같은 경우는 실제 뉴런 시스템의 거의 같은 차원(Dimension)으로 저희가 구동을 할 수 있게 되고 그렇게 되면 그 거리가 매우 짧아짐으로 인해서, 신경에서의 전달되는 속도 그리고 어떤 자극을 받았을 때 뇌까지 전달되는 공정들을 거의 유사하게 모사할 수 있게 됩니다. 그리고 수직 구조로 됐을 때는 아까 트랜지스터에 LED를 합쳐서 LET라고 하는데 Light Emitting Transistor를 개발할 수도 있습니다. 기존의 기술이랑 다르게 기존에는 LED가 별도로 있고 그걸 구동하는 트랜지스터가 두 개 또는 세 개가 별도로 있어야 했다면 지금은 그 기능들을 다 합쳐서 하나의 소자에서 껐다 켜는 스위칭 기능도 하고. 빛을 내는 디스플레이 기능도 하게 됩니다. 그래서 동일한 공간에 두 개의 기능이 중첩됐기 때문에 전력 면에서 매우 우수하고 공간 면에서도 우수하게 되겠죠. 그래서 이 부분을 저희가 디스플레이로 하게 되면 더 높은 해상도, 그걸 매우 낮은 전력으로 구동할 수 있을 거라고 저희는 예상하고 연구를 진행하고 있습니다.

 

결론적으로 우리가 수직 구조 유기 트랜지스터를 개발하게 되면 아까 말씀드린 대로 성능 면에서 매우 증가된 걸 이미 저희가 한번 보고를 했고. 더 증가될 거라는 것도 예측할 수 있습니다. 그다음에 어떻게 조합을 하느냐에 따라서 기능이 천차만별로 달라질 수 있다. 분화될 수 있다고 저희가 예상하고 있습니다. 어떤 광 소재를 쓰느냐 어떠한 뉴로모픽 소재를 쓰느냐에 따라서 기존에 있던 패러다임을 바꿀 수 있다고 생각해서 저희는 ‘버티컬 패러다임’이라고 표현하는데요. ‘기존의 모든 유기물 트랜지스터 소자들을 다 버티컬로 바꾸게 되면 어떤 일이 일어날까?’ 많은 상상력을 요 하게 되는데. 제 생각에는 이러한 것들이 구현된다면 성능과 기능면에서 큰 발전이 있을 거라고 생각이 돼서 차세대 소자에 우선적으로 적용되어야 한다고 생각하고 있습니다. 그래서 이런 연구들이 한국표준과학연구원·카이스트·한국화학연구원·서울대와 같이 공동 연구를 하고 있는데 아직까지는 초창기 단계지만 이 부분에서 가시적인 결과가 나오게 된다면 산업적인 부분으로도 크게 확장할 거라고 생각해서 저희가 그런 부분도 준비하고 있습니다.

 

오늘 준비한 내용은 여기까지입니다. 지금까지 연구는 한국표준과학연구원에서 학생들과 같이 연구를 진행하고 있고. 아까 소개해드렸던 카이스트나 서울대학교, 한국화학연구원에서도 많은 도움을 주셔서 연구를 수행하고 있습니다. 경청해주셔서 감사합니다.

정리_최홍석 PD nahongsuk@thelec.kr

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