유기전자공학의 정의와 시장 전망 및 유기반도체(OTFT, OLED)의 특징에 대하여

목차

목 차

1. 보고에 들어가기 전에

2. 유기전자공학의 정의

3. 유기전자공학의 시장 전망
3.1 디스플레이 시장의 개발 동향

4. OTFT
4.1 OTFT의 구조
4.2 고분자 유기 반도체와 저분자 유기 반도체의 특징

5. OLED
5.1 OLED의 개요
5.2 OLED의 구조

5. 내가 생각하는 유기 반도체

본문내용

여 소스와 드레인 전극사이로 캐리어를 이동시킴으로써 전류를 흘려주는 전자소자이다. OTFT는 채널의 캐리어 농도를 게이트 전계로 조절하기 때문에 드레인 전류는 게이트 전압의 크기에 따라 차단될 수도 있고, 도통될 수 있는 전자 스위치의 역할을 한다.
유전체는 게이트의 전계를 반도체 계면에 전달하는 역할을 하므로 유전율이 커야 하고, 두께는 채널의 캐리어가 유전체를 통하여 게이트로 빠져 나가지 않는 조건에서 가급적 얇은 것이 좋다. 특히 채널의 캐리어는 약1nm 두께 내에 형성되므로 유전체 표면의 특성은 캐리어 이동도에 직접적인 영향을 미친다. 따라서 유전체 표면의 굴곡은 0.7nm 이하여야 하고, 전하트랩은 발생하지 않도록 표면처리를 해야 한다. 유전체로서 PVP와 같은 고분자를 주로 사용하고 있고, 성막 방법으로는 스핀코팅, 인쇄공정 등을 사용한다.
유기반도체는 위의 그림과 같이 유기 분자의 p-전자가 상호 강하게 중첩되도록 배열하는 기술이 핵심이다. 유기반도체로서 단분자와 고분자를 사용한다. 단분자는 진공증착으로 성막하므로 증착속도와 기판온도 등을 조절하여 분자배열을 비교적 용이하게 조절할 수 있다. 고분자 반도체는 유기용매에 녹여 사용하므로 분자를 배열하기가 상당히 어려운 실정이다. 따라서 최근에 용액상태에서 분자배열을 용이하게 할 수 있는 P2HT, TIPS-Pentancene 이 개발되고 있는 실정이다.
■ 저분자 유기 반도체와 고분자 유기 반도체의 특징 비교
저분자 유기 반도체
고분자 유기 반도체
- 상업적으로 이용 가능한 유기 반도체의 수가 많다.
- 정제가 비교적 용이하다.
- 고진공 증착 공정이 필요하며, 다양한 막질 형성이 가능하다.
- 최근 일부 용액 공정이 가능한 재료들이 보고되고 있다.
- 상업적으로 이용 가능한 공액계 고분자의 종류가 많지 않다.
- 정제가 용이하지 않다.
- 고순도의 고분자 반도체를 합성하기가 매우
어렵다.
- 용액 공정이 가능하여, 스핀코팅, 잉크젯 프린팅 등의 공정을 적용할 수 있다.
유기 반도체는 공액 구조를 가지는 유기물들이 사용되어질 수 있는데, 그 동안에는 주로 우수한 특성의 소자를 제작할 수 있는 진공 증착 공정이 필요한 저분자 유기 반도체가 많이 사용되어 왔다.
그러나 유기 박막 트랜지스터는 궁극적으로 잉크젯 프린팅과 같은 용액공정을 통해 제조될 때 많은 장점을 가질 수 있으므로 용액 공정이 가능하여 공정적인 측면에서 장점을 가지는 고분자 유기 반도체도 꾸준히 연구되어 왔다. 그러나 고분자 유기 반도체의 경우 공정적인 장점은 있으나 정제가 어려워 저분자 유기 반도체 물질에 비해 특성이 떨어지는 문제점이 대두되어 최근에는 고분자 유기 반도체와 같이 용액 공정이 가능한 저분자 물질이 개발되어 특성도 우수하고 동시에 공정적인 장점을 유지하려는 연구가 이루어지고 있다.
■ 유기 발광 다이오드(OLED)의 개요
OLED 디스플레이는 p-n 접합을 형성하는 유기 박막층을 이용하여 양극으로부터 주입된 정공과 음 극으로부터 주입된 전자가 결합하여 빛을 내는 차세대 디스플레이이다.
OLED는 1963년 Pope에 의해 유기물인 안트라센 단결정에서 처음 발견한 이래 1987년 저분자 유 기재료를 이용하여 50nm 두께의 진공 증착막을 2층 적층한 구조의 고휘도, 고효율 소자를 만들면 서부터 본격적인 상품화를 위한 연구개발이 시작되었다.
당초 소자의 수명이 수 십 시간으로 짧은 것이 가장 해결하기 힘든 과제였으나, 2005년 15,000시 간의 동작수명을 가진 청색 인광재료를 개발하여 문제를 어느 정도 해결하였다.
OLED는 자체발광이므로 LCD에서와 같은 백라이트가 필요하지 않아 TFT-LCD에 비해 무게를 1/3 으로 줄일 수 있고, 전력소모가 LCD의 1/5수준이고 15V 이하에서도 구동이 가능하다.
■ 유기 발광 다이오드(OLED)의 구조
OLED는 위 그림과 같이 양극과 음극 전극 사이에 유기반도체로 이루어진 전공 수송층(HTL)과 전자
수송층(ETL)을 삽입한 구조를 이루고 있고, 양극과 음극에서 각각 주입된 정공과 전자들은 HTL과 ETL을 통과하여 HTL/ETL의 계면에서 만나 재결합함으로써 빛을 방출하는 광소자이다.
OLED의 주요 성능지수인 양자효율은 전자와 정공을 효율적으로 주입하는 전극 구조, 그리고 주입된 전자, 정공이 재결합하여 광자를 방출하는 발광지점에 전자와 정공을 동시에 도달하게 하는 반도체 구조에 의하여 결정된다.
일반적으로 유기반도체에 전자를 주입하는 것이 쉬운 일이 아니다. 이것은 위 그림과 같이 Al과 반도체 사이에 얇은 LiF층을 삽입하여 해결한다. LiF층은 Al과 반도체 사이에서 쌍극자층을 형성하여 반도체의 LUMO(Lowest Unoccupied Molecular Orbital)를 Al의 페르미 준위 쪽으로 이동시켜 에너지 장벽을 감소시킴으로써 전자주입효율을 개선하는 역할을 한다.
■ 내가 생각하는 유기 반도체
내가 지금까지 조사한 바로 보면 이 분야는 아직 생소한 분야이고, 아직까지 유기 반도체는 앞으로 해결해야 많은 과제들이 있다. 많은 문제들이 있겠지만 그 중 하나가 바로 적절한 유기 절연재를 찾는 것이라고 생각한다.
마치 과거에 무기물 반도체에서 많은 물질에 실패하고 결국에 실리콘이라는 최적의 물질을 찾아낸 것처럼 지금도 그런 고난을 겪는 것 같은 느낌이다.
다음은 현재 연구되고 있는 유기 절연재이다.
무기물과는 달리 유기물은 외부의 빛이나 공기에 매우 약하기 때문에 쉽게 화학적 변화를 일으키기 쉽다. 아울러 유기물은 다른 물질과 융합해 여러 가지 성질의 새로운 물질을 만들어 내는 능력이 탁월하다.
만약에 유기물과 무기물을 섞으면 어떨까하는 생각을 해보았다. 이렇게 해서 나온 유기절연재는 서로의 단점을 상쇄시켜주고, 서로의 장점을 더욱 부각시켜 줄 거라고 생각한다.
또한, 기존의 실리콘 반도체에 유기물 반도체 소자를 얹는 것도 생각해 볼 수 있다. 무기물은 유기물과는 달리 생체와 접촉하면 부작용이 심하다고 한다. 기존의 반도체에 유기물을 조합한다면 궁극적인 목표인 유기 반도체와는 거리가 있지만, 가까운 미래에 현실적으로 실현이 더 가능한 일이라고 본다.

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