플라스틱 일렉트로닉스 연구 동향

<편집자주>

유기소재의 반도체 특성 발견과 이를 활용한 유기박막트랜지스터 연구가 계속되면서, 현재는 비정질 실리콘 박막트랜지스터의 성능을 뛰어 넘는 성과를 보여주고 있다. 많은 전자부품 분야에서 기술개발 방향은 분자 일렉트로닉스, 플라스틱 일렉트로닉스 분야로 발전되고 있으며, 특히 디스플레이 분야에서의 OLED디스플레이의 양산과 함께 차세대 플렉시블 디스플레이(FLD)를 위한 플라스틱 일렉트로닉스 연구가 본격화 되었다. 이에 본지에서는 플라스틱 일렉트로닉스의 현황과 향후 시장을 살펴보고자 한다.

차세대 정보화 디스플레이 산업에서 영상미디어의 휴대편리성, 유연성, 경량화, 대형화 및 표시속도 고속화 등의 요구가 높아짐에 따라, 고신뢰성·고집적화가 확보된 플렉시블 디스플레이(FLD) 분야가 유비쿼터스 컴퓨터시대의 차세대 전략기반 기술산업으로 대두되고 있다.

FLD는 평판디스플레이 단계를 넘어서 종이처럼 얇고 유연한 기판을 통해 손상 없이 휘거나, 구부리거나, 말수 있는(Rollable) 디스플레이로서 생활용품, 모바일기기 등에서 수요가 예상되고있으며, 롤 방식의 대량 인쇄기술로 상용화 시점에서 거대한 시장을 형성할 것으로 기대된다.

실리콘 기반 반도체는 뛰어난 안정성 및 초고속 스위칭이 가능하여, 데이터의 고속처리가 요구되는 연산·정보처리 관련 비메모리 산업을 비롯하여 디스플레이, 태양전지, RFID 등 대부분의 반도체 산업을 이끌고 있다.

하지만 이들 반도체 제작에 요구되는 복잡한 포토리소그래피 공정과 무기반도체의 낮은 내충격성으로 인해 유연성이 요구되는 제품군에 적용되는데 제약을 갖고 있다. 특히 대부분의 실리콘 및 무기산화물기반 박막형성에서 요구되는 고온 열처리 공정은 낮은 열적안정성을 지닌 플라스틱 기판을 변형시켜, 현재 무기물 반도체 분야에서는 실리콘 반도체를 대체할 무기산화물 반도체를 이용한 저온공정 개발에 대한 연구가 전 세계적으로 활발히 진행되고 있다.

이와 달리 탄소-탄소간 단일결합과 이중결합의 교차배열로 형성된 비편재화된 전자구름을 갖는 공액성 유기반도체는 용이한 가공성 및 저온·상압공정에 따른 생산원가절감, 분자구조 변경을 통한 소재 특성 제어의 용이성, 뛰어난 유연성 및 경량성 등의 장점을 지니고 있어 차세대 반도체 산업에 매우 적합한 소재로 부각되고 있다.

Nikkei Elec-tronics에서 보고한 플라스틱 일렉트로닉스 기술 로드맵에 따르면 유기반도체 부품의 전하이동도 및 주파수 특성이 크게 향상되는 2020년 이후에는 현재 실리콘 기반 중앙처리장치를 비롯하여 대부분의 실리콘기반 부품을 플라스틱 일렉트로닉스가 대체할 것으로 예측하고 있다.

■플라스틱 일렉트로닉스 응용분야

이제 막 시장에 진입하기 시작한 플라스틱 일렉트로닉스 적용 제품은 기존 제품의 일부 기술에 플라스틱 전자부품을 차용한 것으로써, 예를 들어 디지털 카메라나 MP3플레이어와 같은 제품의 스크린으로 사용되는 유기발광디스플레이 모듈이다. 이와 더불어 플라스틱 일렉트로닉스의 몇 가지 기술적인 응용분야를 표1에 요약하였다.

대부분 응용기술의 핵심이 되는 기본부품은 유기박막트랜지스터(OTFT)다. 유기박막트랜지스터는 아직까지 상용화되지 않았으나, 무기소재에 비하여 약점으로 지적되었던 낮은 구동안정성 및 전기적 특성 문제가 상당부분 해결된 우수한 트랜지스터 소자에 대한 연구결과들이 개발·보고되고 있다.

플라스틱 일렉트로닉스는 초경량 초박형의 플렉시블한 특성을 갖는 전자부품을 롤트롤공정에 기반을 둔 인쇄공정을 통해 저비용 대면적 양산이 가능하여, 기존 실리콘 반도체 산업을 대체하고 새로운 응용분야를 창출할 것으로 기대된다.

지금까지의 유기반도체, 절연체 및 전도체의 최적화 공정 및 이들의 성능을 뛰어넘는 새로운 유기전자소재의 개발이 절실히 요구되며, 생산단가가 높은 반도체 공정을 대체할 수 있는 적합한 인쇄공정의 개발이 시급하다.

현재로서는 소재 등 최적화를 위해 해결해야할 많은 것들이 있지만, 가까운 장래에 플라스틱 일렉트로닉스의 상용화 및 다양한 응용제품에 적용될 것으로 보인다.

자료출처 : 인하대학교 공과대학 섬유신소재공학과(장미, 최하림, 양회창)