IT 기획시리즈 – 차세대 반도체 ③

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유기 전자소자 기술과 전망

1. 서론

유기 전자소자 기술은 유기물을 전자소자에 응용한 것으로, 2000년 노벨 화학상을 안겨준 전

도성 고분자에 대한 연구 이후로 다양한 분야로 확대되어 왔다. 특히, 유기물을 이용한 OLED

(유기발광다이오드)는 디스플레이로 제품화되어 현재 활용되고 있으며, 뒤를 이어 유기 반도체,

유기 태양전지 등도 실현 가능성이 보이기 시작하였다. 이러한 유기 소자를 이용한 유기 전자

기술은 기존 반도체 기술과는 달리 도포와 인쇄공정을 이용하여 플렉서블한 플라스틱 기판 상에

실온에 가까운 저온에서 디스플레이, 회로, 전지, 센서 등의 기능을 집적화할 수 있다. 이 기술은

저가격/대면적으로 플렉서블한 기판에 전자소자를 구현할 수 있는 장점을 가지고 있어 차세대반

도체 기술의 하나로 큰 주목을 받고 있다((그림 1) 참조)[1].

유기 전자소자는 재료의 측면에서 실리콘, GaAs 등의 반도체, 배선을 위한 금속, 그리고 실

리콘 산화막이나 질화막과 같은 무기물 대신 유기물로 대체가 가능하다. 주로 탄소와 탄소가 이

중결합과 단일결합을 교대로 나타나는 구조를 지닌 공액 고분자(conjugated polymer) 재료를

이용한 전도성 고분자는 금속의 성질을 나타내서 향후 배선으로서의 가능성이 있으며, 반도체의

경우 재료 및 공정의 발달로 펜타센(pentacene)과 같은 저분자를 이용하여 이동도가 1cm2/Vs

이상인 소자도 제작이 가능하였다. 또한, 다양한 고분자 절연막 등이 가능하므로 전자소자에 필

요한 배선, 반도체, 절연막을 모두 유기물로 구성하는 것도 가능할 것으로 예상하고 있다[1].

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1. 서론

2. 유기 TFT 기술

3. OLED 기술

4. 유기 메모리 기술

5. 결론

유병곤

ETRI 신소자/소재연구부, 부장

bgyu@etri.re.kr

강승열 팀장, 추혜용 팀장, 윤성민 박사

ETRI 신소자/소재연구부

IT 기획시리즈 차세대 반도체 ③

* 본 내용과 관련된 사항은 ETRI 신소자/소재연구부 유병곤 부장 (☎ 042-860-6540)에게 문의하시기 바랍니다.

** 본 내용은 필자의 주관적인 의견이며 NIPA의 공식적인 입장이 아님을 밝힙니다.

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이러한 유기 전자소자는 기존 반도체 공정에서 사용하는 진공장비를 사용하지 않고도 소자

의 제작이 가능하다. 예를 들면, 잉크젯 인쇄로는 대면적이면서도 저렴한 플라스틱 전자부품을

만들 수 있다. 이 방식은 트랜지스터 회로와 광기전성 박막(photovoltaic film), OLED 등에 사용

될 수 있다. 인쇄 기술의 급속한 발전으로 IBM 연구진의 경우, 단일 입자 정밀도(single-particle

resolution)를 갖는 지름이 60nm 인 작은 입자를 인쇄할 수 있는 기술까지 개발하였다[2]. 이

기술은 표면 위에 윤곽이 드러나도록 하기 위해 다양한 재료의 매우 작은 입자들을 인쇄를 통해

서 배열하도록 하였다. 이외에도 기존 인쇄에서 사용하는 다양한 기법들을 전자소자 제작에 응

용할 수 있어서 스크린 프린팅, 옵셋 인쇄, 그라비아 인쇄 등도 이용되고 있다.

유기 전자소자는 소자 모두를 유기물로 대체하는 대신 부분적으로 잉크화가 가능한 소재와

결합하여 플라스틱 기반의 전자소자에 응용될 수 있다. 은 잉크를 잉크젯 방법을 이용하여 배선

으로 형성할 수 있으며, 이외에도 배선이나 전극용 도전재료, 콘덴서나 층간 절연을 위한 절연

재료 등 여러 가지 재료들을 잉크화해 잉크젯법이나 스크린 인쇄법 등으로 미세한 패턴을 형성

할 수 있다. 물론 이러한 소재와 공정은 유연한 플라스틱 기판을 이용하기 위해서 소결 온도를

플라스틱이 유지되는 150℃ 이하에서 가능하도록 제조되어야 한다.

본 고에서는 유기소자의 재료 소자 공정 기술을 살펴보고, 대표적인 기술인 유기 TFT,

OLED, 유기메모리 등에 관한 기술적인 개요 및 기술적인 전망을 살펴보고자 한다. 유기 태양광

기술을 비롯한 타 기술은 한정된 지면으로 게재하지 못함을 아쉽게 생각한다.

(그림 1) 유기 전자소자 기술의 응용

IT 기획시리즈 – 차세대 반도체 ③

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2. 유기 TFT 기술

유기 반도체는 분자 내에서 탄소와 탄소가 이중결합과 단일결합을 교대로 하는 구조를 지닌

저분자와 공액 고분자 재료를 말하며, 이들 공액 유기 분자 재료가 도핑을 하지 않을 시에는 주

로 가시광에 해당하는 에너지의 밴드갭(1.5~3eV)을 지닌다. 도펀트(Dopant)의 종류에 따라 같

은 재료로부터 n-type 이나 p-type 특성을 모두 얻어낼 수 있는 실리콘 재료와는 달리 유기물

반도체 재료는 대체로 그 분자가 갖는 작용기가 전자 흡수(electron accepting) 또는 정공 흡수

(hole accepting) 특성이 좋으냐에 따라 일반적으로 한가지 재료가 특정 전하를 보다 높은 이동

도로 전달하게 되며 전달하는 전하의 종류에 따라서 전자전달형(n 형)이나 정공전달형(p 형) 재

료로 나뉠 수 있다. 또한 유기 반도체 재료가 갖는 고유의 물질 특성에 따라서 발광특성이 좋은

재료는 주로 OLED의 발광층으로 사용되게 되고 박막결정성이나 분자간 패킹(packing) 특성이

우수한 재료는 유기 TFT 의 활성층으로 사용되며, 광흡수성이 우수한 재료는 유기 태양전지

(OPV)를 제조하는데 주로 응용되게 된다. 유기 반도체 재료는 기존의 실리콘을 기반으로 하는

무기 반도체 재료에 비해서 상이한 물리적 및 전기적 특성을 지니므로 우수한 유기 전자소자를

제작하기 위해서는 이러한 유기 반도체 재료만의 물리적 독특한 특성을 잘 이해하고 이를 이용

하여야 한다.

유기 TFT는 1986년 폴리치오펜(polythiophene) 재료를 이용하여 최초로 트랜지스터 동작

이 확인된 이래 저분자계 재료와 고분자계 재료의 쌍방이 연구 개발을 진행하고 있으며 최근에

는 비정질 실리콘과 유사하거나 그 보다 약간 뛰어난 특성들을 발표하고 있다. 특히 유기 TFT

는 지난 10년 동안 높은 양적, 질적 성장을 해 왔으며, 그 예로 Scopus에 보고된 OTFT에 관

한 SCI 논문 수가 1998년에 73편에서 2007년에는 773편으로 10배의 양적 성장을 보여 왔

으며 질적으로도 100배 이상의 전하 이동도의 향상을 얻어 왔다[3]. 저분자계 재료의 경우 박

막결정성을 제어하기가 쉽고 소자간 특성차도 크지 않아서 안정적인 성능을 얻기가 용이하나,

주로 펜타센을 이용한 TFT성능에 관한 보고가 많이 되고 있으며 이를 이용하여1cm2/Vs 정도

의 이동도는 일반적으로 얻어지고 있다. 하지만 저분자계 재료는 대부분 진공 챔버 내에서 승화

공정을 통해서 박막을 형성하여서 기존 실리콘 공정에 비해서 공정가격이나 공정 용이성에 대한

장점은 크지 않은 편이다. TIPS(6,13-bis(triisopropylsilylethynyl)) 펜타센 등 일부 저분자계

재료는 용매에 녹을 수 있는 작용단을 부착하여 용액 공정이 가능하게 하였으나, 낮은 점도로

인해서 균일한 박막결정성을 확보하기가 쉽지 않다. 반면 고분자계 재료는 우선 용액 공정이 가

능하고 박막의 결정 균일도도 저분자계 재료에 비해서 높은 편이다. 하지만 저분자 재료에 비해

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서 높은 분자량으로 인해서 높은 결정성을 지닌 박막을 제조하기가 어려우며 이로 인해서 고분

자 TFT 의 이동도는 0.1cm2/Vs 정도가 통상적으로 얻어지며, 최근 폴리치오펜 유도체들 같은

특정 재료들만이 0.5cm2/Vs 정도를 보고하였다[4]. 최근에는 유기 반도체 재료를 인쇄기술에

적용하여 전자소자를 제작하는 인쇄전자 분야의 핵심잉크 소재로 활발히 연구되고 있으며 이를

위해서는 유기 반도체 재료가 다양한 용매에 높은 용해도로 용해되어서 잉크화가 가능해야 하며

또한 인쇄공정을 통해서도 높은 결정성을 얻을 수 있어야 한다.

유기 반도체 재료를 인쇄기술에 적용해서 다양한 소자 및 회로를 제작하기 위해서는 유사한

성능을 지닌 p형 유기 반도체 재료와 n형 유기 반도체 재료가 동시에 요구된다. 이로 인해서 인쇄

된 p-n 접합 다이오드, 양극 트랜지스터, CMOS, 인버터(inverter), 링 오실레에터(ring oscillator)

및 각종 디지털 논리회로 등 다양한 회로의 제작이 가능하며 한가지 전하만을 이용하는 단극 회

로에 비해서 양극 회로가 낮은 소비전력, 높은 노이즈 마진(noise margin), 빠른 스위칭

(switching) 속도 등 여러 가지 장점을 지니게 된다. 하지만 p형 유기 반도체 재료에 관한 연구

는 활발이 진행된 반면에 n형 유기 반도체 재료에 대한 연구는 상당히 미진한 편이었다. 그 이

유는 우선 그동안 연구되었던 대부분의 공액 분자가 전자보다 홀의 이동이 쉬우며 전극으로 사

용되는 통상적인 금속들과 에너지 레벨상의 조합도 홀 주입성이 우수한 재료를 합성하기가 용이

하였기 때문이다. 또한 n형 유기 반도체는 에너지 레벨상 공기 중의 산소나 수분에 의해 전자가

쉽게 트랩되며 이로 인해서 공기 중에 노출되었을 경우 OTFT 소자의 성능이 현저히 저하되기

때문에 공기 안정성이 우수한 n형 재료의 합성이 매우 어려웠다. 특히 n 형 고분자계 반도체 재

료는 단분자계에 비해서 합성 및 정제의 어려움으로 인해서 현재까지 몇 개의 논문만이 보고 되

(a) 단분자계 유기 반도체 (b) 고분자계 유기 반도체

(그림 2) 대표적인 P형 단분자계 및 고분자계 유기 반도체

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었으며, 성능 및 안정성도 p 형에 비해 현저히 낮다. 최근 Northwestern 대학의 Antonio

Facchetti 와 Tobin J. Mark 그룹에서 공기 안정성과 전하 이동도가 우수한 n 형 고분자 유기

반도체 소재에 대한 주목할 만한 연구 결과들이 보고 되고 있다. 그들이 보고한 n 형 고분자 반

도체는 0.5cm2/Vs 정도의 높은 전하 이동도를 보유하고 있으며 소자 안정성도 p 형에 거의 근

접한 결과를 보여주고 있다[5].

OTFT 의 구조는 실리콘을 기반으로 한 트랜지스터의 구조와 크게 차이가 없다. 단지 사용된

유기 반도체, 절연체, 전극 등의 조합과 상대적 위치에 따라 TG(Top Gate)/ BC(Bottom Contact),

TG/ TC(Top Contact), BG/BC, BG/TC 등의 소자 구조를 가지며, 각각의 구성 요소들의 상호

적합성 및 용도에 의해 유연한 소자 구조를 갖는 특징이 있다. 어떠한 소자 구조를 갖던 그 동작

원리는 비슷한데, OTFT에 게이트 전압을 인가하게 되면 절연막에 걸리는 전계(전기장) 효과에

의해 절연체와 반도체 사이의 얇은 계면에 게이트 전압과 반대 부호의 전하가 축적된다. 이때

소스와 드레인 사이에 전압을 걸어주면 트랜지스터 소자에 이렇게 축wjr된 전하의 흐름을 통해

서 전류가 흐르게 된다. 이러한 기본 단위 트랜지스터를 다양하게 조합하여 보다 복잡한 형태의

다양한 아날로그 혹은 디지털 전자회로를 구성하게 되고 이를 바탕으로 여러 가지 전자 제품들

을 제작할 수 있게 된다. 따라서 OTFT로 제작된 응용 제품들이 빠른 속도와 적은 전력소모의

신호처리를 위해서는 단위 트랜지스터에 사용되는 유기 반도체의 전하 이동도와 전류 점멸비가

높아야 하며 낮은 문턱전압을 가져야 한다.

이와 같이 유기 TFT용 고분자 반도체 재료는 단분자 재료에 비해서 현재까지 낮은 성능을

보여 주고 있으나, 향후 활발한 연구를 통해서 단분자 반도체 재료와 유사한 성능인 1cm2/Vs

의 전하 이동도를 일반적으로 얻을 수 있을 것으로 예측된다. 다만 인쇄 공정에 적용하여 실제

제품으로 응용되기 위해서는 재료 개발뿐만 아니라 다양한 측면의 연구가 동시에 이루어져야 할

(그림3) 대표적인 N 형 고분자계 유기 반도체

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것이다. 그 중에서도 용액 공정을 통해서 제작된 소자간의 높은 성능 균일성 및 소자의 안정성

확보가 대면적 응용에 중요한 요소라고 할 수 있다. 또한 고분자 반도체 재료의 용해도를 더욱

향상시키거나 분자량 향상을 통한 점도 조절을 통해서 잉크젯 공정시 커피링 효과(coffee ring

effect)가 최소화된 최적의 잉크를 만들어 내는 잉크화 기술에 대한 활발한 연구가 진행될 것으

로 예상된다. 이 밖에도 고분자 절연체와의 적층 공정이 가능한 재료 및 공정 기술개발, 재료의

값싼 합성법 개발 등이 필요하다고 할 수 있다. 유기 TFT는 이러한 기술적인 문제점들이 극복

되면 향후 e-paper, LCD, 플레시블 디스플레이 등의 백플레인과 파시브 RFID 태그, 디지털 X-

ray 디텍터 등 비정질 실리콘 TFT가 응용되는 거의 모든 분야에 값싼 제조 단가의 장점이 나

타나게 되어 널리 적용될 것으로 예상된다.

3. OLED 기술

유기 전자소자 기술의 대표적인 예의 하나인 OLED기술은 양극과 음극 사이에 전기발광 특

성을 갖는 유기 반도체 박막이 놓여 있는 구조로 양극으로부터 주입된 정공과 음극으로부터 주

입된 전자가 유기박막에서 재결합하여 빛이 생성되는 원리로 동작한다. 1987년 Eastman Kodak

사의 C.W. Tang에 의해 다중적층구조가 개발된 이래로 디스플레이 및 조명으로서의 응용 가능

성을 넓혀가고 있다[6].

OLED 디스플레이 측면에서는 자체발광 특성으로 인하여 시야각 특성이 우수하며, 낮은 소

비전력과 고속응답과 더불어 유리기판 상에 박형으로 컬러 화소 어레이의 구현이 가능하기 때문

에 꿈의 디스플레이로 불리며 각광을 받고 있다.

OLED 디스플레이는 수동구동(Passive Matrix) 방식의 제품이 주를 이루어 왔으나, 능동구

동(Active Matrix) 방식 제품의 본격적인 생산에 힘입어 시장 확대와 더불어 우리나라가 OLED

(a) OLED 의 동작원리 (b) OLED의 기본구조

(그림 4) OLED 동작원리 및 소자구조

IT 기획시리즈 – 차세대 반도체 ③

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디스플레이 생산1 위국으로 자리매김하고 있다. 그러나 제품으로 출시되고 있는 모바일 기기용

및 11 인치 TV 용 디스플레이는 시장 성장의 한계가 있어 기술 및 시장 측면에서 경쟁력을 가

질 수 있는 대형 디스플레이의 조기 시장진입을 위한 노력이 활발히 진행되고 있다. 대형 OLED

디스플레이의 경쟁력 확보를 위해서는 TFT 백플레인, 화소형성, 봉지, 유기소재 기술의 개발이

필수적이다.

또한, OLED기술은 차세대 디스플레이로 주목받는 플렉서블 디스플레이 및 투명 디스플레이

(그림 7) 선진국의 OLED 조명 개발 현황

<아몰레드 햅틱폰, 삼성SMD> <노트북, 삼성SDI> <Sony XEL-1 TV, 소니>

(그림 5) OLED 디스플레이를 장착한 제품 및 시제품

<삼성SMD> <삼성 SMD> <ETRI>

(그림 6) OLED 기술을 이용한 플렉서블 디스플레이 및 투명 디스플레이

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를 가능하게 할 수 있는 최적의 기술로 주목받고 있다.

이와 같은 디스플레이 응용뿐만 아니라, 온실가스의 배출을 줄이기 위한 방안의 하나로 전

세계 에너지 소비의 약 20%를 차지하고 있는 조명의 고효율화에 따라 백열등의 빈자리를 채울

수 있는 친환경 차세대 조명으로 주목받고 있다.

OLED 조명은 수은, 납 등을 사용하지 않아 환경친화적이며, 고효율 광원으로의 가능성이 높

으며, 지금까지의 광원에 비하여 점광원-선광원-면광원의 다양한 형태로 제작이 가능하여 디자

인 자유도가 높다. 또한, 발열이 없으며 다양한 색상을 구현할 수 있고, 디밍이 가능하여 에너지

절감효과가 있다. 이러한 장점들로 인하여 미국, 일본, 유럽 등 선진국들이 2000년 초반부터 본

격적으로 OLED 조명 기술 개발에 투자해 왔으며[7], 전통조명 산업체인 오스람, 필립스, GE

등이 2011~2012년 사이에 양산계획을 수립하고 있다.

최근들어 100lm/W 이상의 효율 특성이 보고되면서[8] 형광등과 같은 전통조명 및 차세대

조명인 LED 조명의 효율 경쟁도 본격화 되었다. OLED 조명의 조기 상용화를 위해서는 고효율

화를 위한 소재, 부품, 기술 개발과 더불어 저가격화를 위한 공정 기술 개발이 요구된다.

우리나라에서는 2006 년 하반기부터 OLED 조명을 위한 기술개발 연구가 시작되어 선진국

에 비해 약 5년 정도 뒤늦게 투자되고 이루어지고 있으나, 디스플레이용 OLED 패널의 생산 1

위국인 산업 인프라를 활용할 경우에 OLED 조명산업의 도약이 기대된다. 특히, 전통조명산업에

서 조명의 가치사슬에서 광원이 갖는 비중은 약 20% 내외에 불가하지만, OLED 조명은 광원이

갖는 비중은 약 60~70%에 달할 것으로 예측되고 있어 OLED 로 인한 조명산업에서 선진화를

기대해도 될 것으로 예상된다.

4. 유기 메모리 기술

유기 소재를 이용한 다른 전자 소자들과 더불어 유기 또는 고분자 소재 기반의 비휘발성 메

모리 소자는 차세대 전자의 한 구성 요소로서 매우 큰 기대를 모으고 있는 분야이다. 유기 고분

자 소재를 이용한 메모리 전자 소자가 보고되기 시작한 것은 1970 년대이며, Sliva 등이 poly

(vinylidene chloride)와 polystyrene으로 구성된 열가소성 수지인 Saran wrap 에서 처음으로

가역적인 스위칭 현상을 보고하였다[9]. 그 이후, 이와 유사한 많은 결과가 발표되기는 하였으

나, 이들 대부분은 소재 내부에 도전성 필라멘트가 형성되는 현상에 기인하는 것이었으며, 실제

응용에는 적합하지 않았다. 그 후 Sadaoka 등이 poly(N-vinylcarbazole) (PVK) 박막에서 전하

의 트랩 현상을 이용한 메모리 스위칭을 처음으로 보고하였다[10]. 지난 40여년간 실리콘을 중

심으로 한 전자 기술이 매우 빠른 속도로 발전하는 가운데, 다양한 유기 메모리 소자가 등장하

IT 기획시리즈 – 차세대 반도체 ③

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기는 하였으나, 그에 대한 관심이 급격하게 커지게 된 것은 최근 몇 년 사이의 일이며, 2005년

부터는 국제 반도체 기술로드맵(ITRS)에서도 차세대 메모리 기술의 하나로 유기 메모리 분야가

다루어지기 시작하였다.

유기 메모리는 다음의 두 가지 관점에서 기술적인 접근이 가능할 것으로 보인다. 첫 번째는,

유기 소재가 가진 자기정합 특성 등의 기능성을 이용하여 현재 실리콘 기반의 메모리 소자가 직

면한 스케일링의 한계를 극복하고, 3차원 나노 구조를 갖는 저가형 고집적 메모리를 실현하고자

하는 방향이다. 두 번째는, 대면적 기판에 저렴한 공정을 통해 소자의 제작이 가능하다는 특징을

충분히 활용함으로써, 기존의 실리콘 전자와는 다른 전혀 새로운 수요를 창출하고자 하는 방향

이다. 위의 두 가지 접근 방법 모두 최근 들어 매우 활발한 연구 활동이 이루어지고 있으며 소재

의 선택, 동작 원리의 결정, 소자 구조 및 공정 조건의 최적화, 소자의 동작 신뢰성 등 다양한 측

면에서 흥미로운 결과가 속속 보고되고 있다. 본 고에서는 지면 관계상 모든 종류의 소자에 대

한 자세한 설명을 할 수는 없으나, 유기 메모리 소자로서 연구되고 있는 대표적인 소재, 소자 구

조 및 동작 원리를 소개하고, 각 소자의 전망에 대해 간단하게 살펴보기로 한다.

가. 유기 메모리 소자의 종류

유기 메모리 소자는 동작 원리 및 소자 구조의 유사성 관점에서 전자회로를 구성하는 ① 커

패시터, ② 트랜지스터, ③ 레지스터의 세 가지 요소 소자로 분류할 수 있다.

커패시터형 메모리 소자는 주로 산화물 강유전체를 사용하는 강유전체 메모리(Ferroelectric

RAM, FeRAM)와 동일한 동작 원리를 가진다. 즉, 강유전체의 분극 반전을 이용하여 두 가지 메

모리 스위칭 상태를 구현하고, 커패시터의 스위칭 상태를 바꿀 때 흐르는 반전 전류의 크기를

검출함으로써 메모리 동작을 실현한다. 강유전성을 보이는 유기 소재는 ① poly(vinylidene

fluoride)(PVDF) 및 PDVF 와 TrFE(trifluoroethylene)의 공중합체, ② odd-nylon(짝수 개의 탄

소 원자의 반복 배열을 갖는 nylon), ③ cyanopolymer 유도체, ④ polyurea 및 polythiourea,

⑤ 강유전성 액정 폴리머 등이 있으나, 그 중에서 가장 대표적으로 사용되는 재료는 P(VDF-

TrFE)이다[11],[12]. 커패시터형 유기 메모리 소자의 두 가지 기술적인 과제는 소자의 동작 열

화 문제와 스케일링의 문제이다. 소자의 동작 열화는 강유전체 커패시터의 파괴형 읽어내기 동

작에 기인하며, 유기 강유전체 소재의 분극 피로 현상과 관련이 있다. 소자의 스케일링 과정에서

는 메모리 상태의 판독을 위해 필요한 최소량의 반전 전류가 필요하며, 이는 강유전체 박막의

잔류분극 값으로부터 결정된다. P(VDF-TrFE) 등의 유기 강유전체는 일반적으로 사용되는 산화물

강유전체보다 상대적으로 작은 분극값을 가지기 때문에 소자 스케일링 관점에서는 불리하다.

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트랜지스터형 유기 메모리 소자는 유기 반도체 소재를 사용하는 유기 트랜지스터의 확장형

으로 이해할 수 있다. 이 때, 게이트 절연막 소재의 종류 및 동작 원리에 따라 다음의 세 가지로

분류할 수 있다. 첫 번째는 플로팅게이트형 유기 트랜지스터이다. 이 소자는 플로팅게이트에 전

하를 저장하는 방식으로 메모리 동작을 실현하기 때문에 플래시 메모리와 동일한 동작 원리를 가

진다. 구성하는 플로팅게이트의 구조에 따라 일반형[13],[14]과 나노 플로팅게이트형[14],[16]

으로 나눌 수 있는데, 나노 플로팅게이트형에서는 금속이나 반도체의 나노 파티클을 게이트 절

연막 내부에 혼입하고 이를 전하 저장 장소로 사용한다. 두 번째는 전하 주입형 유기 트랜지스

(그림 8) 잉크젯 프린팅을 이용한 유기 비휘발성 메모리 소자[19]

(그림 9) 유기 강유전체 트랜지스터 어레이 및 강유전체 트랜지스터[20]

(그림 10) 그래핀 강유전체 메모리 소자[21]

IT 기획시리즈 – 차세대 반도체 ③

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터이다. 이 소자에서는 일렉트렛(electret)의 특성을 갖는 절연막에 전하를 트랩시켜 트랜지스터

의 문턱 전압을 이동시키는 방법으로 메모리 동작을 실현한다. 다양한 유기 반도체와 절연막의

조합 구조에서 메모리 동작 특성이 보고되었으나[17]-[19], 통상적인 반도체-절연체 계면의

전하 주입과 현상이 동일하기 때문에 문턱전압의 제어 가능성 및 메모리 효과의 지속 가능성에

대한 확인이 필요하다. 세 번째는 유기 강유전체 트랜지스터이다. 트랜지스터의 게이트 절연막

으로 유기 강유전체 박막층을 사용하고, 강유전체 게이트의 잔류분극 효과에 의한 트랜지스터의

드레인 전류값의 차이로부터 메모리 동작을 실현한다. 앞서 설명한 커패시터형 강유전체 메모리

소자와의 차이점은 읽어내기 동작에서 분극을 반전시키지 않기 때문에 비파괴형 읽어내기가 가

능하다는 점이다. 다양한 반도체와 P(VDF-TrFE)를 조합한 구조의 메모리 트랜지스터 동작 특

성이 보고되었으며[20]-[24], 모든 구성 요소를 유기 소재로 사용한 전유기 강유전체 메모리

트랜지스터도 발표되었다[25]. 트랜지스터형 유기 메모리 소자 중에서는 강유전체형이 가장 우

수한 특성을 나타내고 있다. 최근 유기 트랜지스터를 인쇄 방식의 저렴한 공정으로 제조하는 방

법이 활발하게 연구되고 있는데, 이러한 신규 공정의 개발은 저가의 유기 메모리 제조를 위해서

도 매우 유망할 것으로 보인다.

저항형 유기 메모리 소자는 두 개의 전극 사이에 유기 박막층이 삽입되어 있는 매우 간단한

구조를 가지고 있으며, 인가하는 전계의 크기에 따라 저저항 상태와 고저항 상태 사이의 전이

현상으로부터 메모리 동작을 실현한다. 이 때 전기적으로 전도상태가 서로 다른 두 가지 저항

상태는 전하의 농도 또는 전하의 이동도가 변화하거나, 경우에 따라서는 이 두 가지가 모두 변

화할 때 나타나며, 이는 열적인 효과와 전기적인 효과에 기인한다. 유기 고분자 소재 내부에서의

전기전도 현상은 원리적으로 설명하기가 매우 어려우나, 두 가지 저항 상태를 실현하는 물리 현

상으로는 필라멘트 전도[9], 공간전하와 트랩[25], 전하이동 효과[26], 터널링 효과[27], 분자

구조의 변화[26], 고분자 퓨즈효과[29], 이온 전도성[30] 등을 들 수 있고, 이들 각 현상을 이

용한 저항형 유기 메모리 소자의 동작 특성이 보고된 바 있다. 다만, 이러한 현상들에 대해서는

밝혀지지 않은 부분이 많아 저항형 메모리 소자의 개발 과정에 걸림돌이 되고 있는 상황이다.

전도 상태의 변화가 유기 소재의 벌크 특성이라면 이는 유기 메모리 소자라고 할 수 있겠지만,

박막 내부의 결함에 의해 크게 좌우되는 것이라면 이를 양적으로 정확히 제어하기는 어렵기 때

문에 실제로는 사용하기 어렵다. 또한 유기 고분자 소재에서의 전도 특성이 일정한 재현성을 갖

기 어렵다는 점도 저항형 유기 메모리 소자 개발의 어려운 점이다. 따라서 저항형 유기 메모리

소자는 동작 원리의 규명을 포함하여 더 많은 연구가 이루어져야 할 필요가 있다.

주간기술동향 통권 1415호 2009. 9. 23.

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나. 유기 메모리 소자의 전망

현재 보고되고 있는 유기 메모리 소자의 특성이, 실리콘 혹은 무기물 기반의 기존 메모리 소

자의 성능과 상당한 격차를 보이고 있는 것은 사실이다. 당면한 과제는 얼마나 재현성 있는 동

작이 가능한 유기 메모리 소자를 실현할 수 있을 것인가 하는 점인데, 이를 위해서는 유기 소재

의 설계 및 박막 형성 방법, 소자의 제조 방법, 소자 성능 평가 방법 등의 기술 개발이 요망된다.

유기 고분자 소재가 가진 자기정합 특성 등을 활용함으로써 적층형 3 차원 메모리 어레이를 쉽

게 구현할 수 있는 가능성이 기대되는 반면, 메모리 소자의 동작 원리 및 요구 사양을 고려하여

실용 가능한 수준의 메모리 어레이를 설계하기 위해서는 아직 해결해야 할 과제가 많이 남아 있

다. 하지만, 비교적 저렴한 공정으로 투명하거나 유연한 기판 위에 일정 집적도 이상의 메모리

소자를 구현할 수 있다는 가능성만으로도 유기 및 고분자 소재를 이용한 메모리 소자의 발전 가

능성은 충분하다. 따라서, 앞으로의 연구개발 과정에서는 기존 소자의 성능 향상과 함께, 현재의

성능을 충분히 활용할 수 있는 적절한 응용 분야의 탐색이 동시에 이루어져야 할 것으로 보인다.

5. 결론

2007년 말 유기 EL로 이름붙인 11인치 텔레비전과 휴대전화가 시장에 나왔다. 이것은 유

기 색소의 매우 얇은 박막에 전기를 흘려보내 발광하는 원리(전계발광: Electroluminescence)를

이용한 것이다. 액정 디스플레이(LCD)나 플라즈마 디스플레이 패널(PDP)과 비교해 훨씬 얇고

(가장 얇은 부분에서 3mm), 시각적으로 보기 좋고(뛰어난 색재현성과 100 만 배 이상의 높은 명

암비), 빠른 응답 속도의 화상을 얻을 수 있다. 이것이야 말로 회화나 장식에 필수라 할 수 있는

색소, 안료와 같은 재료로 전자 소자화된 유기 소재의 진면목이다.

유기 재료가 도체로서 동작되는 것이 발견된 이래 실리콘 반도체를 대체할 것이라는 기대속

에 연구가 계속되면서 몇 가지의 난제로 주춤하고 있었으나, 최근에 상용화 가능성이 보이면서

또 다시 연구 개발이 활발하게 이루어지고 있다. 유기 전자소자 기술은 제조방법이 저가격화가

가능하며 플렉서블 기판 적용이 가능한 매력적인 특징을 가지고 있다. 이러한 특징은 가까운 시

기에 OLED 기술이 적용된 밝고 고해상도가 실현된 대면적의 플렉서블 평판디스플레이가 실현

가능할 것으로 기대된다. 또한 유기 메모리가 내장된 RFID 태그, 도포형태로 대면적의 태양광

(OPV) 전지도 가능하게 될 것이다. 유기 전자소자 기술은 향후 두루마리 형태의 디스플레이를

비록하여 우리 주변의 전자 제품의 형태를 크게 변화시킬 것으로 기대된다.

1958년 반도체 IC발명 이래 전자소자는 단지 하나의 솔루션(解)에 의하여 진화되고 발전되

IT 기획시리즈 – 차세대 반도체 ③

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어 왔다. 이것에 의하여 압도적인 정보 처리 능력과 축적능력이 가능하게 되어 사회활동과 인간

실생활이 급속하게 변하게 되었다. 2000년 후반에는 전자소자 산업의 규모가 거대화되고, 최첨

단 기술은 대량생산이 약속되고 리스크가 없는 사업만이 살아 남는 형국이 되었다. 이 시점에서

장래의 전자소자의 진화는 ‘More than More’의 형태가 아니라 전혀 다른 체계의 기술적인 해법

이 필요할 것으로 기대된다. 시장에서 추구하는 대면적화, 플렉서블화, 기능의 다양화, 저가격화

등에 필요한 기술들이 개발될 것이고, 그 중에 하나가 유기 전자소자 기술이 될 것으로 기대된다.

<참 고 문 헌>

[1] Ilya Koltover et al., Material Matters, Vol.2, No.3(sigma-aldrich.com/japan)

[2] T. Kraus, et. al., Nature Nanotech., 2, 570, 2007.

[3] http://www.scopus.com

[4] I. McCulloch, et al., Nature Mater. 5, 328, 2006.

[5] H. Yan, et al., Nature 457, 679, 2009.

[6] C. W. Tang and S. A. VanSlyke, “Organic electroluminescent diodes”, Appl. Phys. Lett.51, 13,

1987

[7] www.eere.energy.org, www.olla-project.org,. www.oled100.eu,. www.comboled-project.eu,

www.nedo.jp, www.organic-electronics.jp

[8] Sebastian Reineke, Frank Lindner, Gregor Schwartz, Nico Seidler, Karsten Walzer, Björn Lüssem

& Karl Leo, “White organic light-emitting diodes with fluorescent tube efficiency”, Nature 459,

2009, pp.234-238.

[9] Y. Sadaoka, Y. Sakai, J. Chem. Soc. Faraday Trans II, 72, 1911-1915, 1976.

[10] T. Furukawa, M. Date, M. Ohuchi, A. Chiba, J. Appl. Phys., 56, 1481-1486, 1984.

[11] T. Furukawa, et al., IEEE Trans. Dielect. Electr. Insulation, 13, 1120-1131, 2006.

[12] A. Facchetti, et al., Chem. Mater. 16, 4715-27, 2004.

[13] M. Kim, et al., IEEE Trans. Dielect. Electr. Insulation, 12, 1082-1086, 2005.

[14] S. Tiwari, et al., Appl. Phys. Lett. 68, 1377-1379, 1996.

[15] Z. C. Liu, et al., IEEE Trans. Nanotechnol., 5, 379-384, 2006.

[16] H. E. Katz, X. M. Hong, A. Dodabalapur, R. Sarpeshkar, J. Appl. Phys., 91, 1572-1576, 2002.

[17] M. Mushrush, et al., J. Am. Chem. Soc. 125, 9413-9423, 2003.

[18] X. Y. Cai, C. P. Gerlac, C. D. Frisbie, J. Phys. Chem. C, 111, 452-456, 2007.

[19] N. Yamauchi, Jpn. J. Appl. Phys. 25, 590-594, 1986.

[20] K. N. N. Unni, et al., Appl. Phys. Lett. 85, 1823-1825, 2004.

[21] R. C. G. Naber, et al., Nat. Mater. 4, 243-248, 2005.

주간기술동향 통권 1415호 2009. 9. 23.

42

[22] R. C. G. Naber, B. de Boer, P. W. M. Blom, D. M. de Leeuw, Appl. Phys. Lett. 87, 203509, 2005.

[23] R. C. G Naber, et al., Org. Electron. 7, 132-136, 2007.

[24] G. H. Gelinck, R. C. G. Naber, et al. Appl. Phys. Lett. 87, 092903, 2005.

[25] L. Li, D. S. H. Chan, et al. Org. Electron. 8, 401-406, 2007.

[26] K. Z. Wang, H. X. Zhang, D. W. Wang, Z. Q. Xue, Vac. Sci. Technol. 16, 277-284, 1996. 1996.

[27] K. Sakai, T. Nakagiri, et al., Thin Solid Films, 179, 137-142, 1989.

[28] A. Bandyopadhyay, A. J. Pal, Appl. Phys. Lett. 84, 999-1001, 2004. .

[29] S. Moller, S. R. Forrest, C. Perlov, W. Jackson, C. Taussig, J. Appl. Phys. 94, 7811-7819, 2003.

[30] J. H. Smits, et al., Adv. Mater. 17, 1169-1173, 2005.