[POSTECH∙성균관대 공동연구팀, 고성능 유기반도체 단결정 인쇄기술 개발]

와인이 담긴 잔을 흔든 다음 그대로 두면 얇은 막이 형성되어 와인이 눈물같이 밑으로 흘러내리는데 이것을 “와인의 눈물”, 또는 “마랑고니 효과”라고 한다. 이는 물과 알코올처럼 서로 다른 표면장력을 가진 액체들이 만날 때 즉시 혼합이 이뤄지는 것이 아니라 일정 시간이 소요되기 때문에 생겨나는 현상이다. 지금까지 유기반도체 인쇄 공정에서 마랑고니 효과는 인쇄 시간을 지연하고 품질을 떨어뜨리는 것으로 지적됐지만 이것을 역이용하여 빠른 속도로 대면적에 인쇄할 수 있는 기술이 개발됐다.

화학공학과 조길원 교수, 이선백 박사 연구팀은 성균관대학교 나노과학기술학과 강보석 교수와 함께 인쇄전자 소자용 유기반도체 단결정 박막을 코팅하는 대면적 인쇄 공정 기술 개발에 성공했다.

마랑고니 효과란 물방울이 마르면서 액체 속 입자들이 바깥쪽으로 집중되어 진한 얼룩을 남기는 현상을 말하는데, 연구팀은 용매에 마랑고니 흐름의 방향을 제어하는 첨가제를 넣어 박막 코팅을 할 때 유기반도체 분자들이 효과적으로 공급되어 자기 조립될 수 있도록 했다. 이때 유기반도체 결정체의 과포화 상태가 지속되어 연속적인 단결정 박막을 제작할 수 있었다.

연구팀이 개발한 인쇄 공정 기술을 이용해 제작한 유기 박막 트랜지스터는 높은 전하 이동도(20cm2V-1s-1 이상)를 가지는 우수한 전기적 성능을 나타냈다. 또한 인쇄 공정 기술과 기판 패터닝 기술을 접목하여 대면적에 균일한 단결정 패턴을 제작할 수 있어 차세대 디스플레이나 유연전자 소자 제작에 유용할 것으로 기대된다.

조길원 교수는 ”이번 연구로 기존 프린팅 공정에서는 억제해야 할 요소로 여겨진 마랑고니 흐름을 역이용해, 이를 제어함으로써 높은 균일성과 우수한 전기적 특성을 가진 유기반도체 단결정 박막을 빠른 코팅 속도로 제작할 수 있었다“ 또한, ”여기서 더 나아가 롤투롤(Roll to Roll) 공정^*1)에 적용할 수 있다는 점에서 높은 산업적 효용을 지니고 있다”고 말했다.

최근 재료분야 권위지인 ‘어드밴스드 펑셔널 머터리얼스’ 표지논문으로 게재된 이 연구는 과학기술정보통신부의 중견연구자지원사업과 우수신진연구사업으로 수행됐다.
 

1. 롤투롤(Roll to Roll) 공정
유연한 플라스틱 필름이나 금속 박판 등을 기판으로 사용하여 롤을 통과시키며 연속으로 인쇄하는 공정