건국대 물리학부 이상욱 교수 연구팀이 고분자 그림자 마스크(shadow mask)를 이용해 다양한 유기물을 나노 전자 소자로 자유롭게 구현할 수 있는 스텐실 나노 리소그래피 기술을 개발했다.
연구팀은 수백나노미터 두께를 가진 매우 얇은 고분자 막에 전극 모양의 구멍을 낸 고분자 그림자 마스크를 개발하고, 나노물질을 원하는 위치에 옮겨놓을 수 있는 마이크로 전사 방법을 접목하여, 유기 박막의 위치와 형태를 정확하게 제어할 뿐 아니라 그 위에 나노 길이만큼 떨어진 두 전극을 형성함으로써 유기 나노 전자 소자를 구현할 수 있는 새로운 스텐실 나노 리소그래피 방법을 보고했다.
이는 마스크의 분해능과 정확도를 나노 크기 영역까지 끌어올린 스텐실 리소그래피가 다양한 유기물을 전자 소자로 만드는데 적용될 수 있다는 가능성을 보여줘 유기 전자 시스템을 응용한 유기물 소자 기반 연구의 영역을 나노 영역까지 확대했다는데 큰 의미가 있다.
이번 연구결과는 네이처 퍼블리싱 그룹의 자매지로 세계적 권위의 국제 학술지 ‘사이언티픽 리포트(Scientific Reports)’온라인판 최근호(5월 11일자)에 게재됐다. 이번 연구는 미래창조과학부의 중견연구자 지원사업 및 나노?소재기술개발사업의 지원으로 이뤄졌다.
건국대 연구팀은 실리콘 등과 같은 무기물 기반 나노 소자를 만드는데 널리 쓰이는 CMOS 공정이 여러 가지 유기 용매를 사용하기 때문에, CMOS 공정을 유기물에 직접 적용해 나노 스케일 전극을 형성하는 것은 어렵고 다양한 형태의 유기물 기반 나노 전자 시스템 연구에 큰 걸림돌이 되고 있다는 사실에 주목했다. 차선책으로 기판에 나노 크기 전극을 미리 형성해 그 위에 유기물을 올리는 것은 가능하지만, 유기물 소자의 성능을 떨어뜨릴 뿐 아니라 적용할 수 있는 유기물의 종류가 한정적이라는 문제점이 있었다.
이번 연구를 주도한 건국대 물리학부 박사과정 윤호열 학생은“유기물을 이용한 전자 소자 제작을 고민하던 중, 전자 빔 리소그래피 기술과 고분자를 이용한 마이크로 전사 방법을 결합해 나노 크기의 패턴이 있는 마스크를 만들 수 있는 아이디어를 생각했다”며 “실험을 통해 소자의 형태를 나노크기 영역에서 정확하게 제어할 수 있었고 또한 우수한 성능을 보여주는 것을 확인했으며 이를 통해 다양한 유기물들을 나노 소자로 만들 수 있는 것을 알 수 있었다”고 말했다.
연구팀은 보편적인 전자 빔 리소그래피 방법으로 기판 위에 코팅된 고분자 박막에 특정 형태의 모양을 식각한 뒤, 염기성 수용액에서 고분자 박막을 분리하는 방법으로 고분자 그림자 마스크를 완성했다.
이 마스크를 이용한 반복적인 실험 결과 이를 통해 개발한 고분자 그림자 마스크는 투명도가 높아 소자 제작 때 광학 현미경으로 마스크의 구멍과 기판 위의 특정 위치를 잘 겹치도록 조절하기 편리했다.
또 적당한 접착강도를 가지고 있어 유기물 성장 및 분산에 주로 쓰이는 여러 기판에 대한 접착과 탈착이 유리하고, 두께가 수백나노에 불과해 매우 유연한 특징을 가지고 있다.
특히 유기물 상단에 직접 금속 전극을 형성하기 때문에 유기물의 종류와 형태에 구애받지 않고 전자 소자로 제작하는데 매우 적합하다는 사실을 확인했다.
연구팀은 이 방법의 응용 가능성을 보여주기 위해 마이크로미터부터 나노미터까지 다양한 길이의 채널을 가지는 여러 펜타센 트랜지스터를 제작해 전기적 특성을 측정한 결과 이 방법으로 만들어진 유기 소자가 공정 과정에서 손상이 전혀 발생하지 않으면서도 매우 낮은 접촉 저항을 가진다는 사실을 확인했다.
또 채널 길이 변화에 따른 전하 이동도와 이력현상을 추적함으로써 채널 길이가 나노 영역까지 짧아짐에 따라 소자의 특성이 변화하는 원리를 밝혀냈다.
이는 이 방법을 사용하여 제작한 유기 나노 소자가 낮은 접촉 저항으로 채널 부분의 특성을 분석하는데 용이하며, 이를 활용해 유기물의 전기 전도 현상이 나노 영역에서 어떻게 변화하는지 보다 정밀하게 연구할 수 있는 가능성을 제시했다는 점에서 주목할 만한 성과를 이룬 것으로 평가된다.
건국대 물리학부 이상욱 교수는“본 연구 결과가 최근 플렉시블 웨어러블 전자소자 디스플레이 시스템을 비롯한 유기물 전자 시스템의 집적화 및 유기물 나노 소자 성능에 대한 신뢰도 확보에 중요한 정보를 줄 수 있을 것”이라며 유기물 나노 전자 소자 응용을 위한 후속 연구를 진행하고 있다고 말했다.
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