현재 제품에 적용되고 있거나, 적용을 목표로 개발 중인 박막 트랜지스터(TFT)는 크게 나누어서 실리콘 기반, 산화물 기반, 그리고 유기물 기반으로 분류됩니다. 실리콘 기반 TFT는 비정질 실리콘 TFT와 다결정 실리콘 TFT로 구분되며, 다결정의 경우에는 고온과 저온으로 세분화되죠. 그리고 남은 하나가 유기물 박막 트랜지스터(organic TFT), 유기 TFT입니다. 유기물에서 있어서 화학적인 방법을 통하여 전기적 특성을 조절하는 기술이 개발되면서 특히 유기 반도체가 관심을 끌기 시작하였습니다. 즉, 전하의 전송과 저장이 가능하여 저장 소자와 스위치 등에 적용되었죠. 집적도나 용량, 속도 등에서는 크게 강점이 없더라도 낮은 공정 온도, 용액 공정으로 대면적 적용이 가능하다는 점, 자유로운 합성으로 다양한 소재 적용이 가능하다는 점, 그리고 유연성이 뛰어나다는 점 등이 저가격, 대면적, 유연 소자 등을 실현할 수 있는 후보로서 자리매김을 한 동기가 되었습니다. 이와 함께 분자 구조를 제어함으로써 다양한 광전 특성들을 얻을 수 있죠.
유기 반도체 재료는 전류의 흐름에 기여하는 전하 운송자에 따라 p형과 n형으로 나뉘죠. 또한, 운송자의 조합에 따라 단극성(unipolar) 혹은 양극성(ambipolar) 반도체로도 분류됩니다. p형 반도체는 정공을 구동 전하로 이용하여 소스 전극에서 주입된 정공을 HOMO 준위의 분자 궤도를 통해 이동시킴으로써 전류를 흐르게 합니다. 일반적으로 유기 반도체 재료의 HOMO 준위는 -4.5에서 -5.5 eV 범위로 금속의 일함수와 유사하여 금속 전극으로부터의 전하 주입이 용이하고 안정된 전하 이동이 가능하여, p형 반도체가 더욱 활발히 연구되어 왔습니다. 대표적인 p형 유기반도체로는 펜타센(pentacene), 올리고싸이오펜(oligothiophene)과 같은 퓨즈된 방향족 화합물(fused aromatic compounds) 등이 있으며 진공 증착이나 용액 공정을 통해 박막이나 단결정을 형성, 활성층으로 이용하였습니다. 초기에는 펜타센(pentacene) 저분자가 전기 이동도가 1 cm^2/Vs 이상의 우수한 특성으로 활발히 연구되었는데, 이는 진공 증착을 필요로 하므로 용액 공정이 적용될 수 없다는 한계가 있었습니다. 이후 펜타센 분자에 용해성 그룹을 부착, 펜타센 전구체를 만들어서 용액 상태로 사용합니다. 펜타센 전구체는 상온에서 용액 상태로 막의 형성이 가능하며, 열처리를 통하여 용해성 그룹이 제거되면서 결정이 만들어지죠. 여기에 금속 성분을 함유하면 1 cm^2/Vs 이상의 이동도를 얻을 수 있습니다. 고분자 반도체의 경우, 저분자에 비해 결정성은 비교적 낮지만 용액 공정을 기반으로 한 특징들을 지니고 있죠. 대표적인 고분자 반도체, poly(3-hexylthiophene)(P3HT)는 우수한 광전 특성을 가지며, 트랜지스터뿐만 아니라 태양전지, 센서 등 다양한 응용 분야에 활용되고 있습니다. n형 유기 반도체에 관한 연구는 공기 중의 산소, 수분, 오존에 의해 쉽게 산화되면서 성능이 현저히 저하되는 경향이 있어서 p형에 비해 연구가 활성화되지 못하였습니다. 그러다가 태양 전지, CMOS 회로 등에서 p-n 접합 구조의 필요성이 커지면서 n형 유기 반도체의 분자 설계 등을 통하여 성능과 공기 안정성을 높이고자 하는 연구들이 활발해지고 있죠. 특히, 전자 받개(elecron acceptor)와 전자 주개(electron donor) 관능기를 도입하여 성능이 향상된 결과가 보고되고 있습니다. 이와 함께 n형 반도체에서는 전자들이 LUMO 에너지 준위의 분자 궤도를 통해 흐르므로 LUMO 준위의 최적화가 중요합니다.
유기 반도체를 적용한 유기 TFT에 관한 연구는 1964년, CuPc(Copper(II) phthalocyanine)를 사용하여 처음으로 제작하였으나 성능이 낮아 후속 연구가 미진하다가 , 1992년에 펜타센으로 0.002 cm^2/Vs 정도의 이동도를 얻으면서 본격적인 연구가 시작되었습니다. 2003년에는 3M에서 펜타센을 이용하여 이동도 5 cm^2/Vs를 보고하면서 비정질 실리콘 TFT를 넘어서게 되었고, 이후 다양한 연구 개발을 통하여 최근에는 이동도 10 cm2/Vs를 훌쩍 넘는 유기 TFT도 다수 보고가 되고 있습니다. 일반적으로 유기 TFT는 채널 영역을 유기 재료로 만든 경우이지만, 궁극적으로는 게이트 절연층과 금속 전극을 포함한 모든 부분에 유기 재료를 적용하는 것이 유용하겠지요. 유기물은 약한 반 데르 발스 결합으로 연결되어 있어서 밴드갭 안에도 에너지 준위가 형성이 되고, 전하들은 이러한 에너지 준위를 깡충 뛰기(hopping)로 이동하므로 이동도를 높이기가 쉽지 않습니다. 그러나 전화위복이란 말도 있듯이 약한 결합으로 이루어져 있으므로 저온 용액 공정이 가능하기도 하죠. 여하튼 이동도를 높이는 것이 중요한데, 전하가 산란(scattering)되는 원인들로는 열에 의한 포논 산란, 이온화 불순물에 의한 산란, 계면 거칠기와 결함, 입계에 의한 산란 등이 있으며 포논 산란은 피할 수 없을지라도 나머지 산란들은 공정이나 구조 개선을 통하여 개선할 수가 있습니다. 따라서 재료 설계와 함께 공정이나 구조와 관련된 아이디어도 중요하죠. 유기 TFT의 전기적 성능에는 이동도와 함께 다른 TFT의 경우와 같이 이동도, 문턱 전압, 문턱 전압 이하의 기울기(sub-threshold voltage slope, 혹은 sub-threshold swing, SS), 그리고 전류 점멸비(on-off ratio) 등으로 정해지는데 이의 개선을 위한 노력은 여전히 진행형입니다.
이러한 유기 TFT는 집적도나 동작 속도 등에서 기본의 트랜지스터, TFT를 능가하기보다는 특히 유연성이 강조되는 분야에 적합합니다. 특히, 더 많이 휘어야 하거나 접을 경우, 무기물의 파괴나 손상 등이 우려가 되어 이를 극복하기 위한 방안으로 오래 전부터 고려되어 왔지만, 이동도가 낮다는 점이 큰 핸디캡이 되어왔지요. 그러나 공정 온도가 낮고, 휨에 적응할 수 있다는 기본적인 특징으로 인하여 발전 속도는 더디지만, 언젠가는 디스플레이용 TFT로서 가치를 발휘할 것으로 기대됩니다. 이외에도 디스플레이의 백플레인용으로 다양한 소재와 소자들이 연구되고 있는데, 주목을 끄는 기술들 중의 하나가 2차원 물질들입니다. 2차원 물질들은 원자층 수준의 두께로 얇고, 전도도를 조절할 수 있다는 등의 특징이 있어 물론 TFT에서도 가능성을 보이고 있습니다. 앞으로 관심을 가져 볼만한 분야입니다.
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# 더! 생각해보기
a. 유기물 TFT의 한계는 어디이며, 어떻게 극복되고 있을까
b. 유기물 내에서 전자의 이동은 어떻게 이루어지며, 어떤 방법으로 이동도는 더 개선될 수 있을까
c. 유기물 TFT와 함께 미래의 백플레인에 적용할 수 있는 TFT 소자와 소자들은 무얼까
# 문제! 풀이
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