▲한국화학연구원과 포항공대 공동 연구진이 개발한 폴리이미드 절연 소재가 적용된 유기 트랜지스터이다. 공동 연구진은 분자설계를 최적화하여, 유연성·절연성·내열성의 삼박자를 두루 갖춘 폴리이미드를 개발했다. (사진제공=한국화학연구원)

김윤호 한국화학연구원 고기능고분자연구센터 박사팀과 정성준 포항공대 교수팀은 플렉시블 디스플레이의 난제였던 ‘트랜지스터용’ 유연·절연 소재를 개발하고, 제조공정을 단순화하는 데 성공했다.

트랜지스터는 디스플레이를 구동하기 위한 소자로 해상도를 정하는 픽셀의 켜짐·꺼짐을 제어하는 역할을 하며, 전극·반도체·절연체로 구성되어 있다. 현재 무기물 기반의 소재들로 이뤄진 트랜지스터가 디스플레이 패널에 쓰이고 있다.

디스플레이를 자유자재로 구부리거나 접으려면, 디스플레이 패널 전면에 적용되는 트랜지스터용 절연체에 유연한 소재를 써야 한다. 다양한 고분자 기반의 후보물질이 제안됐지만, 절연체의 필수조건인 전류를 차단하는 절연성 확보가 관건이었다.

공동 연구진은 분자설계를 최적화하여 절연성과 유연성, 내열성의 삼박자를 동시에 갖춘 폴리이미드 기반의 유연·절연 소재를 개발했다.

절연성을 나타내는 누설전류밀도가 10-9A/㎠이하로, 기존의 트랜지스터용 무기 절연체와 유사한 수준이다. 섭씨 350 도이상의 우수한 내열성을 가지고 있어 기존 디스플레이 패널 제조공정에도 충분히 적용할 수 있다.

제조공정을 단순화하는 데 성공했다. 기존 폴리이미드 제조에 필수인 200℃ 이상의 고온 열처리 과정이 필요 없는 상온 용액공정을 개발한 것이다. 분자설계를 통해 용매에 녹을 수 있는 폴리이미드 소재를 개발했고, 상온에서 한 번의 용액 코팅공정으로 폴리이미드 절연 박막을 형성했다. 그 결과, 유연·절연 폴리이미드를 트랜지스터 절연체에 적용해 종이처럼 구길 수 있는 유기 트랜지스터를 제작하는 데 성공했다.

김윤호 한국화학연구원 박사는 “이번에 개발된 폴리이미드 절연 소재는 현재 디스플레이 패널 제조공정 환경에도 충분히 적용될 수 있을 것”이라면서 “최근 인쇄공정 기반의 유연전자소자 개발에도 매우 적절한 절연소재로 활용될 수 있다”고 설명했다.

과학기술정보통신부의 글로벌 프런티어 사업 나노 기반 소프트 일렉트로닉스 연구단과 한국화학연구원 주요사업의 지원을 받아 수행된 이번 연구 성과는 재료과학 분야 권위지인 'ACS 어플라이드 머티리얼스 & 인터페이스' 12월호에게재됐다.

▲김윤호(왼쪽부터)박사, 박현진 박사, 유성미 연구원이 기념촬영하고 있다. (사진제공=한국화학연구원)