집적도의 문제를 해결하기 위한 방향 이외에도 현대 사회에서 소비자의 요구에 맞추어서 휴대하기 편하고 더욱 인류에 친숙한 제품을 개발하기 위해 플렉서블 소자에 대한 연구도 다양한 곳에서 진행이 되고 있다. 플렉서블 소자와 실리콘 소자를 비교해 봄으로써 플렉서블 소자의 특성을 알아보고 이 소자를 이용하여 구현한 예, 문제점과 극복과제, 그리고 현재 연구단계에 관한 내용 등을 정리하고 향후 개선해 나가야 할 부분들을 고찰하고자 한다.
글: 김태근, 신제식, 이승주, 정신우, 함대진, 황성우, 주병권
고려대학교 전기전자전파공학과
http://ee.korea.ac.kr/
나노 와이어를 이용한 소자의 제작 방법
반도체란 금속과 같은 도체와 고무와 같은 부도체의 중간 단계의 물질이다. 평상시에는 부도체의 성질을 지니다 열 에너지나 전계의 영향을 받게 되면 가전자대(Valence band)에 있던 전자가 전도대(Conduction band)로 전이 된다. 전자가 전도대로 전이되면서 가전자대에는 정공이 생성되고 이 전자와 정공이 쌍을 이루면서 전류의 흐름에 영향을 끼치게 된다. 이러한 과정을 통해 부도체였던 물질이 도체의 성질을 띄게 된다.
<그림 1>은 부도체, 반도체, 도체의 에너지 대역을 그림으로 도식한 것이다. 고체 내의 원자가 서로 결합을 할 때 원자에 속해 있는 전자는 에너지가 낮은 본딩(bonding)과 에너지가 높은 안티본딩(anti-bonding)의 두 가지의 서로 다른 방법으로 결합을 하게 된다. 이때 에너지 준위는 이 두 가지의 서로 다른 결합으로 인해 넓게 펼쳐지게 되고 서로 같은 종류의 에너지는 서로 겹쳐지지 않고 떨어져 있게 되어 에너지 간격을 형성한다. 부도체의 경우 가전자대와 전도대 사이의 에너지 간격차이가 크기 때문에 가전자대의 전자가 쉽게 에너지 간격을 극복하지 못하게 되고 이에 따라 가전자대에 있던 전자가 전도대내로 전이 될 수 없으므로 전압이 인가 되어도 전류가 흐르지 않는다.
도체의 경우 가전자대와 전도대가 일정부분 겹쳐 있거나 에너지 간격의 차이가 상당히 작아서 외부의 영향에 의해 전류가 쉽게 흐를 수 있다. 이 두 가지 물질과는 다르게 반도체의 경우 도체와 부도체 사이의 에너지 간격을 지니고 있으므로 외부 영향(열 에너지, 전계)에 의해 전도대내로 전자의 전이를 야기해 전류를 흐르게 할 수 있다. 이러한 반도체의 특성을 이용해서 반도체 기판에 3족이나 5족에 있는 불순물을 인가하는 도핑(Doping)이라는 기술을 적용시키며 이는 에너지 간격 사이에 불순물에 의한 또 다른 에너지 준위를 만들어 주어 도핑 농도에 따른 전도도의 변화를 야기 시키는 기술이다. 반도체가 소자로써 주목을 받은 이유는 이러한 도핑이라는 기술을 통해 전류의 흐름을 조절 할 수 있기 때문이다.
반도체는 1947년 Germanium(Ge) 단결정 물질을 기반으로 만든 점 결합 트랜지스터(Point Contact Transistor)를 시작으로 하여 급속하게 발전을 해왔으며 현재에는 실리콘 기판을 기반으로 하는 집적회로의 구현까지 가능하게 되었다. 하지만 반도체 소자의 크기가 마이크로(micro)에서 나노(nano)급으로 점점 작아지게 됨으로써 하나의 웨이퍼(Wafer)에 들어가는 반도체 소자의 집적도를 늘리기 위해 여러 측면에서 새로운 반도체 소자의 개발이 연구되고 있으며 나아가서는 전자 하나하나의 이동을 조절하는 단전자 트랜지스터에 대한 연구 또한 여러 곳에서 진행되고 있다. 이러한 집적도에 관한 문제는 생산 단가의 절감, 기기의 소형화를 위해 필수적으로 이루어 져야 할 것으로 반도체 기술에 중요한 요소가 된다.
집적도의 문제를 해결하기 위한 방향 이외에도 현대 사회에서 소비자의 요구에 맞추어서 휴대하기 편하고 더욱 인류에 친숙한 제품을 개발하기 위해 플렉서블 소자에 대한 연구도 다양한 곳에서 진행이 되고 있다. 플렉서블 소자란 기존의 딱딱하여 유연성이 없는 소자와는 달리 유연성을 갖추어서 말거나 접을 수 있고 늘릴 수도 있는 등 원하는 모양으로 변형이 가능하며 변형된 상태에서도 소자로서의 기능을 발휘할 수 있는 것을 말한다. 이러한 소자의 개발로 접거나 말아서 휴대가 가능한 플렉서블 디스플레이, 몸에 부착하여 신체의 여러 정보를 전송 할 수 있는 플렉서블 센서 등 미래 제품이 실현화 될 것으로 예상하고 있으며 이를 위해서는 플렉서블 소자의 개발이 필수적으로 이루어 져야 할 것이다.
본론에서는 플렉서블 소자와 실리콘 소자를 비교해 봄으로써 플렉서블 소자의 특성을 알아보고 이 소자를 이용하여 구현한 예, 문제점과 극복과제, 그리고 현재 연구단계에 관한 내용 등을 정리하고 향후 개선해 나가야 할 부분들을 고찰하고자 한다.
실리콘 소자 VS 플렉서블 소자
플렉서블 소자에 대한 설명에 앞서 현재까지 실리콘 기판을 기반으로 한 반도체 소자와 플렉서블 소자의 차이점을 알아봄이 필요하다. 이 둘의 가장 큰 차이는 어떤 기판을 기본으로 공정을 하느냐에 있으며 이에 따라 공정조건이 달라지게 되므로 기판의 특성에 맞추어서 공정 방법 또한 변화 시켜야 할 것이다.
아래의 <표 1>은 주요 반도체 물질의 물리적 특성을 표로 도식한 내용이다. 여기서 실리콘 기판의 경우 녹는점이 1415℃로 높고 전자의 이동도도 1400㎠/V-s로 특성이 우수함을 알 수 있다. 녹는점이 높다는 것은 실리콘 기판이 고온에서의 공정 조건에서 물리적 특성이 변하지 않고 견딜 수 있다는 것이며 전자의 이동도가 좋다는 것은 전압을 인가하였을 때 전류가 흐르는 속도 즉 소자의 반응속도가 빠르다는 것을 뜻한다. 이러한 우수한 물리적 특성이 현재까지 반도체 소자의 재료로 실리콘을 이용하게 만든 이유 중 하나이며 쉽게 얻을 수 있다는 점 또한 실리콘을 이용하게 된 큰 이유로 들 수 있다.
반도체 공정과정을 간단히 살펴보면 실리콘 기판을 기반으로 산화막 생성 → 포토레지스트(Photoresist) 코팅 → 노광 → 현상, 건조 → 식각 → 이온주입 등의 일련의 과정을 반복하게 되는데 이때 산화막 생성과 건조 과정에서 800~1200℃ 정도의 온도를 견딜 수 있는 재료가 요구되므로 실리콘은 이러한 공정에 적절한 물질이라고 할 수 있다. 하지만 실리콘 웨이퍼의 경우 단단한 물질로 휘어지지 않는 특성이 있으므로 플렉서블 소자의 제작에는 적절하지가 않다.
현재 개발 중인 플렉서블 소자의 기판으로 이용되는 물질은 PET(polyethylene terephthalate), PC(poly carbonate), PES(polyether sulfone), PEN(polyethylene naphthalate), PI(polyimide) 등이 있으며 이 물질들의 물리적 특성은 위의 <표 2>와 같다. 여기서 유리전이온도(Tg)란 플라스틱 기판이 열에너지를 받아 유연해 지게 되는 온도를 뜻 하며 이러한 기판을 이용하여 반도체 공정을 하기 위해서는 이 온도 이하의 조건에서 공정을 진행해야 한다. <표 2>에서 보듯이 플라스틱 기판의 유리전이온도는 385℃이하로 800C~1200℃의 고온에서 공정을 진행 하는 실리콘 기반의 반도체 공정방법은 적절 하지 않다. 현재까지의 반도체 공정은 수십 년 동안의 연구를 통해 확립된 실리콘에 최적화 된 공정으로 신뢰성이 우수하지만 플렉서블 소자에는 적절하지 못하므로 플렉서블 소자에 알맞은 새로운 공정 방법이 성립되야 함이 플렉서블 소자의 발전을 위한 필수 조건이라고 할 수 있다.
플렉서블 소자의 휨 특성
위에서 언급한 바와 같이 플렉서블 소자의 가장 큰 특징은 휘어짐이 가능하다는 것이다. 이때, 기판이 휘어지게 되면 그 위에 올라가있는 소자에도 직-간접적인 영향을 미치게 된다. 따라서 휘었을 때의 특성 변화와 그 이유를 아는 것이 앞으로 플렉서블 소자를 실용단계로 이르게 하는데 중요한 역할을 하게 될 것이다. 왜냐하면 휘어졌을 때의 스트레스에 의한 영향은 그 동안 딱딱한 실리콘 등의 기판에서 만들어지던 소자특성과는 큰 차이가 있기 때문이다.
그 예로 먼저 탄소나노튜브(Carbon Nanotube)가 휘었을 때의 특성을 살펴보면 아래의 <그림 3>과 같다. <그림 3-(a)>는 탄소나노튜브가 약간의 스트레스를 받았을 때의 그림이다. 그림과 같이 탄소나노튜브는 탄소원자끼리 6각형 모양의 결합으로 이루어져 있다. 6각형 이라는 안정된 형태로 결합을 하고 있기 때문에 스트레스가 없거나 미미한 상태에서는 탄소원자끼리의 거리가 일정하고 모두 같은 형태로 결합되어 있다(SP2 결합). 하지만 스트레스가 일정크기이상 커지게 되면 <그림 3-(b)>와 같이 스트레스에 의한 결합의 변형이 발생한다(SP3 결합). <그림 3-(b)>의 빨간 부분은 스트레스에 의한 변형이 일어난 부분을 나타낸다. 이와 같은 변형은 전기전도도 등에 영향을 주게 되고 휘어졌을 때 소자의 전류특성에 영향을 미친다.
<그림 3-(c)>는 스트레인(Strain)을 증가시키거나 감소시켜 가면서 게이트 전압의 변화에 따른 소스-드레인 전류 변화를 본 것이다. 여기서 스트레인이란 플렉서블 소자에 스트레스를 가한 정도를 나타내며 그 값이 증가 할수록 더 큰 스트레스를 소자에 주었다고 할 수 있다. 그림에서 스트레인이 증가할수록 같은 게이트 전압에서 전류의 크기가 감소하는 것을 볼 수 있다. 이것은 증가하는 스트레스가 탄소나노튜브에 더 큰 변형을 일으키면서 전류전도도가 감소하기 때문이다. 하지만 스트레스를 제거했을 때 다시 원래 상태의 전류크기와 비슷해지는 것을 볼 수 있다. <그림 3-(d)>는 스트레인에 따른 트랜스컨덕턴스 특성과 더불어 사진에서 지그(jig)라는 플렉서블 소자를 구부리기 위한 특수한 장치와 그 위에 휘어진 플렉서블 소자를 보여주고 있다.
또 다른 예로 <그림 4>의 산화아연(ZnO) 와이어를 예를 들어볼 수 있다. 산화아연은 탄소나노튜브와 다르게 압력에 따라서 전하량이 변한다. 따라서 휘어졌을 때 와이어에 걸리는 압력이 전류적 특성에 영향을 주게 된다.
<그림 4-(a)>는 산화아연 와이어를 구부렸을 때 휜 방향에 따른 전하량이 변화하는 것을 나타낸 그림이다. 전하량이 변하면 전류특성에도 영향을 주므로 <그림 4-(b)>와 같이 스트레스 가 증가할수록 전류특성의 변화 정도가 커진다.
플렉서블 소자에서 극복해야 할 과제
플렉서블 소자가 휘어졌을 때 전류특성과 물성이 변화하는 것을 위에서 살펴보았다. 이번 장 에는 플렉서블 소자가 실용화되기 위해서 극복해야 할 과제들에 대해서 알아보겠다.
첫 번째로 스트레스에 강한 기판을 개발해야 한다. 기판자체가 스트레스를 이기지 못한다면 위에 올라가 있는 소자에도 큰 타격을 미치기 때문이다. <그림 5>의 (a)와 (b)에서 보듯이 일반 플렉서블 기판은 일정이상의 스트레스를 받게 되면 원래 존재하던 마이크로 크랙(Crack)에 의해 기판이 벌어지게 된다. 플렉서블 기판 위에 올라가게 되는 소자의 크기가 나노미터 (10-9 m)단위인 것을 감안하면 크랙이 소자에 주는 영향은 아주 치명적이다. 따라서 스트레스에도 거의 변화가 없는 기판의 개발이 선행되어야 한다.
두 번째로 플렉서블 소자가 휘어졌을 때 전류 및 물성에서의 변화를 극복하는 방안이 필요하다. 스트레스에 강한 기판을 쓰더라도 소자 자체가 스트레스를 견디지 못하면 소자가 구동할 때 같은 입력 값에서 동일한 결과값이 나올 수 없기 때문이다. 따라서 안정적인 소자의 작동이 가능하기 위해서는 소자 차원에서 몇 가지 해결방안이 필요한데, 먼저 휘어졌을 때 스트레스에 의해 채널 부분이 변형 되더라도 전류변화가 거의 없는 물질을 개발해야 한다.
왜냐하면 휘어졌을 때 전류변화가 크다면 안정적으로 사용될 수 없을뿐더러 이는 스트레스가 소자에 미치는 영향이 크다는 것을 의미하며 스트레스에 민감한 소자는 반복되는 스트레스를 견디지 못하고 망가질 수 있기 때문이다. 따라서 스트레스에 강하고 영향을 거의 받지 않는 반도체 물질이 개발 되어야 한다. 또한 휘어질 때 스트레스는 전극과 그 연결 부분 모두 영향을 미치며 그 때문에 전극이 깨어지거나 기판과 분리되는 현상이 발생할 수 있으므로 채널 부분과 전극 부분의 결합도 중요하다. 이는 전극과 채널 부분의 결합에서도 마찬가지이다.
세 번째로 모두 동일한 소자를 만들 수 있는 방법이 필요하다. 플렉서블 소자는 바텀-업(Bottom-Up) 방법으로 제작된다. 이때 버텀-업 방법에서 중요한 것은 기존의 탑-다운(Top-Down) 방법과는 달리 나노 물질의 정렬과 고른 특성이 중요하다. 하지만 나노 물질은 말 그대로 나노 단위의 물질을 다루는 것이기 때문에 원하는 위치로 조작하기가 쉽지 않다. 또한 나노 물질의 성장 조건에 따라서 그 특성이 바뀌고 심지어 같은 조건에서 성장시킨 물질이라 할지라도 개개마다 조금씩 다른 성질을 지니기 때문에 실용화를 위해서는 같은 조건에서 동일한 동작을 하는 소자가 필요하다. 따라서 고른 특성을 가지는 물질의 합성과 미세한 조작을 가능하게 하는 방법이 개발되어야 한다.
마지막으로 잔류 스트레스의 극복이 필요하다. 수천, 수만 번 휘어지고 펴지기를 반복하면 기판과 반도체 물질, 전극이 튼튼하다고 할지라도 스트레스에 의한 피로 누적으로 그 특성이 변할 수 있다. 물체는 만들어진 순간부터 여러 가지 내부적, 외부적 영향으로 마모되기 시작한다. 그런데 플렉서블 소자는 휘어짐으로 인해서 발생하는 스트레스가 마모를 가속화 시키기 때문에 그 마모 정도가 훨씬 심하다. 또한 스트레스는 없어지고 난 뒤라도 잔류 스트레스가 남아 소자에도 계속 영향을 미칠 수 있으므로 특히 내구성에 주의 하여야 한다.
플렉서블 디바이스의 현재 연구 단계
앞에서 살펴본 바와 같이 플렉서블 디바이스가 널리 상용화되기까지는 여러 연구가 지속적으로 진행 되어야 할 것이며 이에 따른 한계점이 있다. 다음은 플렉서블 소자를 이용한 개발 단계를 살펴보고 그 응용에 대해 알아보겠다.
<그림 6>은 플렉서블 기판 위에 집적회로를 구현한 사진이다. 기존의 논리 회로는 딱딱한 실리콘 기판 위에 구성되었다. 그러나 위의 결과에서 보듯이 플렉서블 기판 위에서도 논리 회로의 구현이 가능하다. 이를 통해서 플렉서블 기판 위에 메모리를 제작하는 것도 가능하며 기타 다른 회로에도 응용 가능함을 확인 할 수 있다. 더군다나 휘었을 때도 동작이 가능하기 때문에 그 적용범위가 메모리와 같은 회로구현에 제한되지 않고 광범위하다.
<그림 7-(a)>는 압력을 감지하는 플렉서블 센서로써 의자 시트 모양으로 제작된 것이다. 이를 자동차나 안마의자 등에 적용하면 <그림 7-(b)>와 같이 압력의 정도를 전기적 신호로 바꾸어 모니터링 할 수 있게 된다. 이를 이용하여 보다 쾌적한 상태를 유지해 주는 스마트 의자 시스템이 가능해 진다.
플렉서블 센서는 다양한 형태로 만들 수 있기 때문에 옷이나 손에 끼는 장갑에 적용시키면 향후 혈압을 재는 의료기기나 스포츠 장비에 이용될 수 있으며 나아가서는 입을 수 있는 전자제품에 활용될 것으로 보인다. 플렉서블 센서는 형태뿐만 아니라 사용목적에 따라 가스, 액체, 온도 등을 감지할 수 있는 센서에 적용될 수 있기 때문에 여러 가지 기능으로의 전환이 가능하다. 또한 휴대의 극대화를 고려한 작은 사이즈로도 제작이 가능하기 때문에 앞으로 그 적용범위는 더욱 늘어날 것이다.
<그림 8-(a)>는 플렉서블 디스플레이를 보여주고 있는 사진이다. 위와 같은 플렉서블 디스플레이는 기존의 e-book이 제공하지 못했던 휴대성과 종이와 같이 자유롭게 구부리며 '읽는 맛'을 제공할 수 있기 때문에 앞으로 종이를 대체할 미래 기술로 각광받고 있다. <그림 8-(b)>는 플렉서블 디스플레이를 컬러로 제작한 그림이다. 위와 같은 디스플레이는 단순한 화면뿐만 아니라 응급 현장에서 의사들이 환자를 진단할 때 영상기기로서의 역할을 할 수 있는 등 그 적용범위가 무궁무진하다.
결론
지금까지 기본적인 플렉서블 디바이스의 원리, 특성, 구현 예, 문제점과 극복과제, 그리고 현재 연구단계에 관한 내용 등에 관하여 살펴보았다. 점점 더 많은 기능을 원하고 더욱 편리한 제품을 원하는 현재의 시장을 보았을 때 미래에는 현재의 제품이 지니고 있는 것 이상의 기능을 갖추고 있으며 동시에 휴대성이 극대화된 제품을 필요로 할 것이다. 현재의 추세로 보았을 때 우리가 영화에서나 보았던 미래의 기술들이 현실화되기 위해서는 플렉서블 디바이스의 연구가 필수적으로 이루어 져야 할 것이다.
펼치면 대면적 이지만 평소에는 접고 다닐 수 있는 디스플레이, 사람을 보호해 주되 정확한 정보를 전달 할 수 있는 몸에 착용가능 한 센서, 건물 어디든 부착하여 에너지 생산이 가능한 플렉서블 태양전지판, 손의 움직임을 정확하게 파악하여 보다 섬세한 원격수술이 가능한 의료기기등과 같은 미래의 기술들은 우리의 미래를 더욱 풍요롭게 만들어 줄 수 있음이 분명한 동시에 나아가야 할 방향이기도 하다.
위와 같은 플렉서블 디바이스의 무한한 잠재적 가능성으로 인해 현재 플렉서블 디바이스 기판의 개발과 저온 공정과정에 등에 대한 기초연구가 한창이며 더불어 초기단계의 시제품이 나오고 있다. 플렉서블 디바이스를 이용한 완벽한 제품이 나오기 위해서는 극복해야 할 문제점이 많은 것이 사실이며 현재 막대한 예산과 노력이 들어가는 만큼 가까운 미래에 위에서 언급한 것들이 현실로 되는 날도 머지 않았다.
참고문헌
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[2] Qing Cao, Seung-Hyun Hur, Zheng-Tao Zhu, Yugang Sun, Congjun Wang, Matthew A. Meitl, Moonsub Shim, and John A. Rogers Adv. Mater. 2006, 18, 304.
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[5] Qing Cao, Hoon-sik Kim, Ninad Pimparkar, Jaydeep P. Kulkarni, Congjun Wang, Moonsub Shim, Kaushik Roy, Muhammad A. Alam and John A. Rogers, NATURE, 454, 24, July 2008
[6] C.M.A. Ashruf, Sensor Review, 22, 4, 322
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