PVP(Poly 4-vinylphenol) 게이트 절연체를 이용한 유연한 그래핀 전계효과 트랜지스터

Abstract

IT 산업의 발전과 더불어 실리콘기반의 전자 소자는 지난 반세기 동안 크게 발전하여 왔다. 그러나 광리소그래피를 기반으로 하는 전자소자 기술이 집적도와 처리속도에 있어서 포화상태에 다다르면서 기존의 실리콘소자를 대체할 수 있는 소재개발에 대한 필요성이 대두 되었다. 또한 개인과 가정의 전자제품 발전에 따라 소재, 소자, 공정 등의 다양한 관련 연구가 활발하게 진행되어 왔으며, 특히 차세대 전자소자는 이를 뒷받침할 트랜지스터 분야의 개발여부가 크게 영향 받게 된다고 할 수 있다. 차세대 전자소자의 경우, 가볍고 투명하며 휘어지는 등의 고부가가치 산업시장으로 진출할 필요성이 증대되고, 그로인한 우수한 전기적, 광학적, 기계적 성질을 가지는 소재에 대한 필요성 또한 증가하고 있다. 이러한 요구에 응답하는 가능성 높은 소재로서 그래핀이 주목받고 있다. 그래핀의 전자이동도는 단결정 실리콘의 100배에 이르며 전류밀도 또한 구리의 100배에 이르는 등 우수한 전기적 특성을 가지며 화학적, 열적 및 기계적으로도 뛰어난 안정성을 보인다. 또한, 그래핀은 탄성력과 광투과율이 우수한 신소재로 가벼운 탄소 원소만으로 이루어져 1차원 또는 2차원의 나노패턴을 가능하게하며, 이를 활용하여 그래핀의 반도체-도체 성질을 조절하여 광범위하게 활용할 수 있다. 이러한 특성들로 인해 향후 차세대 전자소자 기술에 큰 뒷받침을 할 수 있을 것으로 기대하고 있다. 더 나아가 차세대 전자소자 기술의 핵심소자인 트랜지스터를 고성능화 시키기 위해서는 그래핀의 질적인 측면뿐만 아니라 게이트 절연체의 고성능을 갖춰야 한다. 이를 위해서는 일반적인 무기물 절연체 대신 고분자 전해질을 기반으로 하는 그래핀 트랜지스터에 관한 연구들이 필요하다. 높은 유전상수를 가지는 Al2O3, HfO2, ZrO2와 같은 무기물 절연층을 사용하여 구동 전압을 낮추어 소자에 응용하여 사용하는 연구들이 많이 진행되어 왔다. 하지만 이러한 금속산화물 기반의 무기물 소재들은 유연한 전자소자에 적용하는데 한계를 가지고 있다. 그 이유는 높은 공정온도와 낮은 기계적 물성을 가지고 있기 때문이다. 따라서 이러한 단점을 극복하기 위한 선행 연구들이 활발하게 진행되어 왔는데, 그 중 하나가 고분자 전해질 기반의 유기물 게이트 절연체이다. 유기물은 성형의 용이함, 전도성, 유연성, 생산비의 저렴함 때문에 새로운 전자재료로서 기능성 전자소자 및 광전소자 등 광범위하게 연구가 이루어지고 있다. 유연한 트랜지스터를 위해서 기판, 절연층, 활성층, 전극까지도 모두 유연하기 위한 소재 및 공정연구가 필요하다. 본 논문에서는 유연한 트랜지스터를 만들기 위해 유연한 기판(Polyimide film)에 유기물 절연층으로 PVP(Poly-4-vinylphenol)을 사용하였고, 낮은 전자이동도의 한계인 유기물 활성층을 극복하고자 그래핀을 사용하여 GFET(Graphene field effect transistor)를 만들어 소자 특성을 확인하였다.