고성능 반도체 나노박막 기술은 웨어러블 디바이스, 유연 센서, 전자 피부 등 다양한 차세대 전자소자 구현의 핵심기술로 손꼽힌다. 그러나 대면적 나노박막 제조를 위한 기존 기상화학증착법은 복잡한 공정 과정, 긴 공정 시간, 높은 공정 비용으로 유연 전자 제품의 단가 상승 원인으로 지적돼 왔다.

성균관대학교 강보석 교수 연구팀은 새로운 유형의 반도체 나노박막 합성 및 증착 일체형 공정인 ‘원격 ADC-양극성 전기중합법(ADC-Bipolar Electropolymerization)’을 개발해 문제 해결의 단초를 제시했다. 이 방법은 기존 기상화학증착법을 대체할 수 있는 간소화된 용액상 합성 및 증착 일체화 공법으로, 공정 시간과 비용을 대폭 줄일 수 있을 것으로 기대된다.

ADC는 교류 전압과 직류 전압을 중첩한 전원을 뜻한다.

개발된 신기술은 교류 전압과 직류 전압을 중첩한 ADC 양극성 전기화학 원리를 기반으로 한다. 이중 양극성 전극을 도입함으로써 반도체층을 임의의 비전도성 기재 위에 수평으로 성장시킬 수 있다. 또한 기존 전기중합법의 개별 외부회로 연결 이슈 없이 원격으로 박막 성장 제어가 가능하다.

연구팀은 2인치 크기의 다양한 기재위에 폴리(3,4-에틸렌디옥시티오펜) 반도체 나노박막을 단 수 분 내로 빠르게 성장시키는 데 성공했다. 또 제작된 박막의 전기전도도와 분자배향 분석을 통해 유연전자소자 구현에 유리한 비등방적 전하수송특성을 증명했다.

연구팀은 해당 기술의 유용성을 입증하기 위해 유연 열전도대 및 가스센서를 제작했다. 반도체 나노박막이 사용된 열전도대를 통해 뇌 온도 모니터링이 가능함을 보였으며, 이를 통해 신경 온도계 및 웨어러블 센서 등 다양한 유연 생체소자 및 센서 분야에서의 응용 가능성을 확인했다.

강보석 교수는 “이번 연구를 통해 유연전자소자용 대면적 반도체 나노박막을 단시간에 저비용으로 대량 생산할 수 있는 혁신적 제조 기술을 개발했다”며 “이 기술은 기존 기상화학증착법을 대체하여 특히 유연성과 생체적합성이 요구되는 뇌-컴퓨터 인터페이스 기반 차세대 인공지능 및 사물인터넷(IoT) 응용 기술에서의 중요한 역할을 할 것으로 기대된다”고 밝혔다.

이번 연구는 과학기술정보통신부의 지원을 받아 수행됐으며, 연구 결과는 재료과학 분야 권위지 어드밴스드 펑셔널 머티리얼즈(Advanced Functional Materials)에 표지논문으로 선정됐다.