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  플렉시블 플라스틱 전자소자 개발에서의 문제점 중 하나는, 소자를 구동하는데 필요한 전류를 유지하면서도 다양한 환경에서 작동하기 위해 충분한 안정성을 갖춘 트랜지스터를 개발하는 것이다.
  조지아공대(Georgia Institute of Technology) 연구진들이 탑-게이트(top-gate) 유기 전계효과 트랜지스터와 이중층 게이트(bilayer gate) 절연체를 결합하는 새로운 방법을 Advanced Materials 온라인 판에 발표했다. 이 방법을 적용하면 우수한 전류 성능을 유지하면서도 놀라울 정도로 안정성이 높은 트랜지스터의 제조가 가능하다. 또한 트랜지스터를 일반 대기상태 및 보다 낮은 온도에서 대량으로 생산할 수 있기 때문에, 본 트랜지스터를 이용한 플라스틱 소자의 개발이 가능하다.

  트랜지스터의 성능은 반도체 자체뿐만 아니라 반도체와 게이트 유전체 사이의 계면에도 영향을 받기 때문에, 연구팀은 기존의 반도체를 사용했고 게이트 유전체는 바꾸었다. “과거에 주로 사용되었던 단일 유전체 소재를 사용하는 대신에, 우리는 이중층 게이트 유전체를 개발했다.”고 조지아공과대학의 전기 및 컴퓨터 공학과 교수이며, 유기 광전자 센터(Center for Organic Photonics and Electronics) 책임자인 Bernard Kippelen이 말했다.

  이중층 유전체는 CYTOP로 알려진 불소계 고분자와 원자층 증착에 의해 생성된 고유전율 금속 산화물층으로 만들어진다. 이 소재들을 단독으로 사용할 경우 각각 장단점이 있다. CYTOP는 유기 반도체의 계면에서 결함을 거의 형성하지 않는 것으로 알려져 있지만 유전상수 또한 매우 낮아서 구동전압의 증가를 필요로 한다. 높은 유전상수를 가진 금속 산화물은 낮은 전압을 사용하지만, 계면에서 많은 결함이 있기 때문에 안정성이 낮은 문제점이 있다. 따라서 Kippelen 교수 연구팀은 이 두 물질을 이중층으로 결합할 경우 어떤 현상이 일어날지, 서로의 단점이 상쇄될지 의문을 가지게 되었다.

  “초기 실험 단계에서 놀라운 결과가 나타났다. 우리는 우수한 안정성을 예상하긴 했지만 거의 1년 이상 이동도(mobility)가 저하되지 않았다.”라고 Kippelen 교수가 말했다. 연구팀은 이중층의 안정성 확인을 위해 일련의 실험을 실시했다. 트랜지스터를 2만회 정도 반복 작동시켰으나 기능 저하가 전혀 일어나지 않았다. 가능한 최대 전류를 흘려서 연속된 바이어스 스트레스 상황에서 실험했지만 아무런 성능 저하가 없었다. 심지어 5분 동안 플라즈마 챔버에서 충격을 가했으나 열화현상이 나타나지 않았다. 트랜지스터를 1시간 동안 아세톤에 담구어 두었을 때 약간의 열화현상이 발생했으나 트랜지스터는 여전히 작동했다.
  “나는 항상 대기 중에서 안정한 전계 효과 트랜지스터를 개발하기 위해 노력해왔으며, 산소와 습기로부터 트랜지스터를 보호하기 위해 배리어 코팅을 해야 한다고 믿었다. 그러나 본 연구결과를 통해 우리의 생각이 잘못되었다는 것이 증명되었다.”라고 Kippelen 교수가 말했다.
  “이중층 게이트 절연체를 채용하면 두 가지의 서로 다른 열화 메커니즘이 동시에 발생하지만 그 효과는 서로 보완적이다. 그래서 어느 하나의 소재를 사용할 때 전류가 감소하며, 또 다른 소재를 사용하면 문턱전압이 이동하면서 전류의 증가를 가져온다. 그러나 이들 둘을 결합해서 사용하면 그 효과가 서로 상쇄된다. 이는 매우 이상적인 문제해결 방법이다. 각각의 문제점을 제거하기 보다는, 서로를 보완하는 두 가지 프로세스를 도입함으로써 결과적으로 안정성이 우수한 트랜지스터를 얻게 되었다.”고 Kippelen 교수가 설명했다.

  개발된 트랜지스터는 전류를 통하며 유리 기판에 사용되고 있는 현재의 산업표준인 비정질 실리콘과 대등한 전류에서 구동되지만, 150℃ 이하의 온도에서 제조가 가능하며 플라스틱 기판에 사용이 가능하다. 또한 일반 대기 중에서 생산이 가능하므로 다른 트랜지스터 보다 제작이 용이하다.

  이들 트랜지스터는 스마트 붕대, RFID 태그, 플라스틱 태양전지, 스마트카드용 발광 소자 등과 같이 안정적인 전원과 유연한 표면이 요구되는 다양한 분야에 응용이 가능하다. 본 연구는 유리 기판 상에서 수행되었으며, 다음 단계는 플렉시블 플라스틱 기판에서 트랜지스터를 실험 할 예정이다. 그리고 잉크젯 프린팅 기술로 이중층 트랜지스터의 제조가 가능한지를 시험할 계획이다.