최근 실리콘과 같은 딱딱한 결정질 물질을 대체하기 위해 유기 마이크로 전자소자의 상당한 발전이 이루어지고 있다. 특히 유연한 고분자 물질을 활용함으로써, 박막 위에 인쇄하여 접거나 말아 올릴 수 있는 경량의 디스플레이와 같은 소자 개발을 가능케 할 수 있다. 또한 유연한 유기 회로는 생체 임플란트 소자와 같이 광범위한 메디컬 분야에도 활용이 가능하다.


미국 National Institute of Standards and Technology (NIST)를 중심으로 한 국제 공동 연구진은 메디컬 응용을 위한 유연한 유기 트랜지스터 소자를 개발했다. 이번 연구 결과는 Nature Communications지에 “Organic transistors with high thermal stability for medical applications”란 제목으로 게재됐다.


메디컬 응용을 고려했을 때, 고온의 살균 처리 과정이 반드시 필요하다. 하지만 유기 전자소자는 고온 과정에 매우 취약한 단점을 가지고 있다. 관건은 바로 유기 트랜지스터 내의 게이트 절연막으로, 통상적으로 저전압 구동을 가능케 하기 위해 매우 얇은 두께로 제작된다. 하지만 멸균 온도에 이르게 되면, 이러한 박막은 여러 핀홀(pinholes) 구조를 형성함에 따라 성능의 저하가 나타나게 된다.


위에서 언급한 문제를 해결하기 위해, 일본 University of Tokyo의 연구진은 자가 정렬을 통해 고밀도의 단일층 초박막을 형성할 수 있는 새로운 게이트 물질을 개발했다. 이러한 자가정렬층(SAM; Self-Assembled Monolayer)의 두께는 2 nm 수준이다.


위와 같은 초박막의 두께를 정확히 측정해내는 것은 상당히 어렵다. 자가정렬층의 분자 배향과 열적 안정성을 확인하기 위해, NIST beamline을 이용해 열처리 전과 후에 대한 샘플을 분석했다. NEXAFS(near edge X-ray absorption fine structure)라고 하는 이번 측정 분석을 통해, 샘플 표면과 내부의 화학 결합을 극도로 민감한 수준에서 확인이 가능하다. 따라서 분자의 단일, 이중 탄소 결합을 구별해낼 수 있다. SAMs 층에 나타나는 핀홀 역시 NEXAFS를 통해 측정이 가능하다. 그 결과 150도를 초과하는 온도에 대해서, 새롭게 개발된 SAM 층은 핀홀을 형성하지 않고 안정성을 유지할 수 있었다. 2 nm 수준의 초박막에 대해서, 150도 이르는 고온을 견딜 수 있음이 최초로 규명된 것이다.

(a) parylene/Au 봉지(encapsulatio) 과정이 진행된 트랜지스터의 절단면에 대한 모식도. 박막 트랜지스터(TFTs; Thin Film Transistor)는 500 um 채널 폭과 40 um의 채널 길이를 갖는다. (b) 효모 세포로 덮힌 DNTT 트랜지스터의 사진. 점선은 반도체 층의 영역을 나타내고, 스케일바는 200 um 크기를 나타낸다. (c) 유기 반도체 DNTT 및 자가정렬 분자층 형성을 위해 활용된 C18-SAM(n-octadecylphosphonic acid), C14-SAM(n-tetradecylphosphonic acid)의 화학 구조.

URL : http://www.nanowerk.com/news/newsid=24935.php

<출처> NDSL, 2012-04-19

Posted by TopARA
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