유기 전자공학

thumb|유기 CMOS 논리 회로. 전체 두께는 3 μm 미만이다. 스케일 바: 25 mm
유기 전자공학()은 바람직한 전도성과 같은 전자적 특성을 나타내는 유기 분자 또는 고분자의 설계, 합성, 특성화 및 응용에 관한 재료과학 분야이다. 기존의 무기 도체 및 반도체와 달리, 유기 전자 재료는 유기화학 및 고분자화학의 맥락에서 개발된 합성 전략을 사용하여 유기(탄소 기반) 분자 또는 고분자로 구성된다.

유기 전자공학의 장점 중 하나는 기존 전자공학에 비해 잠재적으로 낮은 비용이다. 고분자 도체의 매력적인 특성에는 전기 전도성(도펀트 농도에 따라 달라질 수 있음)과 비교적 높은 기계적 유연성이 포함된다. 유기 전자 재료 구현의 과제는 열악한 열 안정성, 높은 비용 및 다양한 제조 문제이다.

 역사 
 전도성 고분자 
전통적인 전도성 재료는 무기물, 특히 구리 및 알루미늄과 같은 금속과 많은 합금이다.

1862년 헨리 레더비는 나중에 전기 전도성을 나타내는 것으로 밝혀진 폴리아닐린을 기술했다. 다른 고분자 유기 재료에 대한 연구는 1960년대에 본격적으로 시작되었다. 예를 들어 1963년에 테트라아이오도피롤 유도체가 1 S/cm (S = 지멘스)의 전도성을 나타내는 것으로 밝혀졌다. 1977년에는 산화가 폴리아세틸렌의 전도성을 향상시키는 것으로 발견되었다. 2000년 노벨 화학상은 앨런 J. 히거, 앨런 맥더미드, 그리고 시라카와 히데키에게 폴리아세틸렌 및 관련 전도성 고분자에 대한 연구로 공동 수여되었다. 폴리티오펜, 폴리페닐렌 설파이드 및 기타를 포함하여 많은 전기 전도성 고분자가 확인되었다.

줄리어스 에드거 릴리엔펠트는 1930년에 처음으로 장효과 트랜지스터를 제안했지만, 첫 OFET는 1987년에 고에즈카 등이 극도로 높은 전도성을 보이는 폴리티오펜을 사용하여 제작했을 때까지 보고되지 않았다. 다른 전도성 고분자는 반도체 역할을 하는 것으로 밝혀졌으며, 새로 합성 및 특성화된 화합물은 주요 연구 저널에 매주 보고되고 있다. 이러한 재료의 개발을 문서화하는 많은 리뷰 기사가 존재한다.

1987년, 이스트먼 코닥에서 탕칭원과 스티븐 반 슬라이크에 의해 최초의 유기 다이오드가 생산되었다.

 전도성 전하 이동 염 
1950년대에 유기 분자가 전기 전도성을 나타내는 것으로 밝혀졌다. 특히, 유기 화합물 파이렌은 할로젠과 함께 반도체 전하 이동 복합 염을 형성하는 것으로 밝혀졌다. 1972년에 연구원들은 전하 이동 복합체 TTF-TCNQ에서 금속 전도성(금속과 유사한 전도성)을 발견했다.

 빛과 전기 전도성 
앙드레 베르나노스는 유기 재료에서 전기발광을 처음 관찰한 사람이다. 탕칭원과 스티븐 반 슬라이크는 1987년에 최초의 실용적인 OLED 소자 제작을 보고했다. OLED 소자는 구리 프탈로시아닌과 페릴렌 테트라카복실산 이무수물의 유도체로 구성된 이중층 구조 모티프를 통합했다.

1990년에 브래들리, 버로우스, 프렌드에 의해 고분자 발광 다이오드가 시연되었다. 분자 재료에서 거대분자 재료로 이동하면서 이전에 유기막의 장기 안정성에서 발생했던 문제가 해결되었고, 고품질 막을 쉽게 생산할 수 있게 되었다. 1990년대 후반에 고효율 전기발광 도펀트가 OLED의 발광 효율을 극적으로 증가시키는 것으로 나타났다. 이러한 결과는 전기발광 재료가 기존의 백열등 조명을 대체할 수 있음을 시사했다. 이후 연구를 통해 다층 고분자와 플라스틱 전자공학이라는 새로운 분야, 그리고 유기 발광 다이오드 (OLED) 연구 및 장치 생산이 빠르게 성장했다.

 전도성 유기 재료 
thumb|left|육메틸렌 TTF-TCNQ 전하 이동 염 결정 구조의 가장자리에서 본 부분. 분리된 쌓임이 강조되어 있다. 이러한 분자 반도체는 이방성 전기 전도성을 나타낸다.
유기 전도성 재료는 고분자와 전도성 분자 고체 및 염의 두 가지 주요 범주로 나눌 수 있다. 다환 방향족 화합물(예: 펜타센 및 루브렌)은 부분적으로 산화될 때 종종 반도체 재료를 형성한다.

전도성 고분자는 종종 본질적으로 전도성이 있거나 적어도 반도체이다. 때로는 기존 유기 고분자와 유사한 기계적 특성을 나타내기도 한다. 유기화학 합성 및 고급 분산 기술 모두 일반적인 무기 도체와 달리 전도성 고분자의 전기적 특성을 조절하는 데 사용될 수 있다. 잘 연구된 전도성 고분자 종류에는 폴리아세틸렌, 폴리피롤, 폴리티오펜, 폴리아닐린이 있다. 폴리파라페닐렌 비닐렌과 그 유도체는 전기발광 반도체 고분자이다. 폴리(3-알킬티오펜)은 태양 전지 및 트랜지스터의 프로토타입에 통합되었다.

 유기 발광 다이오드 

OLED는 전류에 의해 자극을 받아 빛을 방출하는 유기 물질의 박막으로 구성된다. 일반적인 OLED는 양극, 음극, OLED 유기 재료 및 전도성 층으로 구성된다.
thumb|Br6A, 차세대 순수 유기 발광 결정족
thumb|이중층 OLED 개략도: 1. 음극 (−), 2. 발광층, 3. 방사선 방출, 4. 전도층, 5. 양극 (+)

OLED 유기 재료는 크게 두 가지 종류로 나눌 수 있다: 소분자 기반 및 고분자 기반. 소분자 OLED (SM-OLED)에는 Alq3 형광 및 인광 염료와 공액 덴드리머가 포함된다. 형광 염료는 원하는 방사 파장 범위에 따라 선택할 수 있다; 페릴렌 및 루브렌과 같은 화합물이 자주 사용된다. 소분자 기반 소자는 일반적으로 진공 하의 열 증발을 통해 제작된다. 이 방법은 잘 제어된 균질 박막의 형성을 가능하게 하지만, 높은 비용과 제한된 확장성으로 인해 어려움을 겪는다.
 고분자 발광 다이오드(PLED)는 일반적으로 SM-OLED보다 효율적이다. PLED에 사용되는 일반적인 고분자에는 폴리(p-페닐렌 비닐렌)의 유도체와 폴리플루오렌이 포함된다. 방출되는 색은 고분자의 구조에 따라 결정된다. 열 증발과 비교할 때 용액 기반 방법은 대형 박막을 만드는 데 더 적합하다.

 유기 전계효과 트랜지스터 

thumb|가장 높은 전하 이동도를 가진 루브렌-OFET
OFET는 유기 분자 또는 고분자를 활성 반도체 층으로 활용하는 장효과 트랜지스터이다. FET는 전기장을 이용하여 한 종류의 전하 운반체 채널의 모양을 제어하여 전도성을 변경하는 모든 반도체 재료이다. FET는 운반되는 전하 유형에 따라 n형 및 p형 반도체의 두 가지 주요 종류로 분류된다. 유기 FET(OFET)의 경우, p형 OFET 화합물은 산화 손상에 대한 후자의 민감성 때문에 일반적으로 n형보다 더 안정적이다.

OLED와 마찬가지로 일부 OFET는 분자 기반이며 일부는 고분자 기반 시스템이다. 루브렌 기반 OFET는 20~40 cm2/(V·s)의 높은 캐리어 이동도를 나타낸다. 또 다른 인기 있는 OFET 재료는 펜타센이다. 대부분의 유기 용매에 용해도가 낮아 기존 스핀 코팅 또는 딥 코팅 방법으로 펜타센 자체에서 TFT를 제작하기 어렵지만, 이 장애물은 TIPS-펜타센 유도체를 사용하여 극복할 수 있다.

 유기 전자 장치 

thumb|유기물 기반 플렉서블 디스플레이
thumb|유기 태양광 재료의 다섯 가지 구조
유기 태양 전지는 기존 태양 전지 제조에 비해 태양광 발전 비용을 절감할 수 있다. 유연한 기판에 실리콘 박막 태양 전지를 사용하면 다음과 같은 여러 가지 이유로 대면적 태양광 발전 비용을 크게 절감할 수 있다.

 유연한 시트 위에 소위 '롤투롤' 증착은 깨지기 쉽고 무거운 유리 시트 위에 증착하는 것보다 기술적으로 훨씬 쉽다.
 가볍고 유연한 태양 전지의 운송 및 설치 또한 유리 위의 전지에 비해 비용을 절감한다.

PET 또는 PC와 같은 저렴한 고분자 기판은 태양광 발전 비용을 추가로 절감할 잠재력을 가지고 있다. 원형(Protomorphous) 태양 전지는 대면적 생산 및 소형 이동형 응용 분야를 위한 저렴하고 유연한 기판에 효율적이고 저렴한 태양광 발전을 위한 유망한 개념임을 입증한다.

인쇄전자의 장점 중 하나는 서로 다른 전기 및 전자 부품을 서로 겹쳐 인쇄할 수 있어 공간을 절약하고 신뢰성을 높이며 때로는 모두 투명하게 만들 수 있다는 점이다. 한 잉크가 다른 잉크를 손상시키지 않아야 하며, 종이 및 플라스틱 필름과 같은 저비용 유연 재료를 사용하려면 저온 열처리가 필수적이다. 여기에는 iTi, Pixdro, Asahi Kasei, Merck & Co.|Merck, BASF, HC Starck, Sunew, Hitachi Chemical 및 Frontier Carbon Corporation과 같은 선두 기업과 함께 많은 정교한 엔지니어링 및 화학이 포함된다.
유기 화합물 기반 전자 장치는 현재 널리 사용되고 있으며 많은 신제품이 개발 중이다. 소니그룹은 순전히 유기 재료로 만든 세계 최초의 풀 컬러, 비디오 속도, 유연한 플라스틱 디스플레이를 보고했다. OLED 재료 기반 텔레비전 화면; 유기 화합물 기반 생분해성 전자공학 및 저비용 유기 태양 전지도 사용할 수 있다.

 제조 방법 
소분자 반도체는 종종 불용성이어서 진공 승화를 통해 석출해야 한다. 전도성 고분자 기반 장치는 용액 처리 방법으로 제조할 수 있다. 용액 처리 및 진공 기반 방법 모두 다양한 무질서도를 가진 비정질 및 다결정 박막을 생산한다. "습식" 코팅 기술은 고분자를 휘발성 용매에 용해시키고, 여과한 다음 기판 위에 증착해야 한다. 용매 기반 코팅 기술의 일반적인 예로는 드롭 캐스팅, 스핀 코팅, 닥터 블레이딩, 잉크젯 프린팅 및 실크 스크린이 있다. 스핀 코팅은 작은 면적의 박막 생산에 널리 사용되는 기술이다. 이는 높은 수준의 재료 손실을 초래할 수 있다. 닥터 블레이드 기술은 최소한의 재료 손실을 초래하며 주로 넓은 면적의 박막 생산을 위해 개발되었다. 소분자의 진공 기반 열 증착은 뜨거운 소스에서 분자를 증발시키는 것을 필요로 한다. 그런 다음 분자는 진공을 통해 기판으로 운반된다. 기판 표면에 이러한 분자를 응축시키는 과정은 박막 형성을 초래한다. 습식 코팅 기술은 용해도에 따라 일부 경우 소분자에 적용될 수 있다.

 유기 태양 전지 
thumb|이중층 유기 태양광 전지
유기 반도체 다이오드는 빛을 전기로 변환한다. 오른쪽 그림은 일반적으로 사용되는 다섯 가지 유기 태양광 재료를 보여준다. 이러한 유기 분자의 전자는 비편재화된 π 궤도에 대응하는 π* 반결합 궤도와 함께 비편재화될 수 있다. π 궤도 또는 최고 점유 분자 궤도(HOMO)와 π* 궤도 또는 최저 비점유 분자 궤도(LUMO) 사이의 에너지 차이를 유기 태양광 재료의 띠틈이라고 한다. 일반적으로 띠틈은 1-4eV 범위에 있다.

유기 태양광 재료의 띠틈 차이는 유기 태양 전지의 다양한 화학 구조와 형태를 초래한다. 다양한 형태의 태양 전지에는 단층 유기 태양광 전지, 이중층 유기 태양광 전지 및 이종 접합 태양광 전지가 포함된다. 그러나 이 세 가지 유형의 태양 전지 모두 유기 전자층을 두 금속 도체, 일반적으로 인듐 주석 산화물 사이에 끼워 넣는 접근 방식을 공유한다.
thumb|박막 트랜지스터 소자의 그림

 유기 전계효과 트랜지스터 
유기 전계효과 트랜지스터는 소스, 드레인, 게이트의 세 단자 소자이다. 전하 캐리어는 소스와 드레인 사이를 이동하며, 게이트는 경로의 전도성을 제어하는 역할을 한다. 유기 전계효과 트랜지스터는 주로 반도체 층의 전하 수송에 따라 p형(예: 다이나프토[2,3-b:2′,3′-f]티에노[3,2-b]티오펜, DNTT) 및 n형(예: 페닐 C61 부티르산 메틸 에스테르, PCBM)의 두 가지 유형이 있다. 특정 유기 반도체는 p형 및 n형(즉, 양극성) 특성을 모두 나타낼 수도 있다.

이러한 기술은 대면적, 유연하고 저비용의 전자 장치 제작을 가능하게 한다. 주요 장점 중 하나는 CMOS에 비해 저온 공정이므로 다양한 유형의 재료를 활용할 수 있다는 것이다. 이는 다시 센싱에 훌륭한 후보가 된다.

 특징 

전도성 고분자는 무기 도체보다 가볍고 유연하며 저렴하다. 이는 많은 응용 분야에서 바람직한 대안이 된다. 또한 구리나 실리콘으로는 불가능했던 새로운 응용 가능성을 창출한다.

유기 전자공학은 유기 반도체뿐만 아니라 유기 유전체, 도체 및 발광체를 포함한다.

새로운 응용 분야에는 스마트 창문과 전자종이가 포함된다. 전도성 고분자는 새로운 분자 컴퓨터 과학에서 중요한 역할을 할 것으로 예상된다.

 같이 보기 

 어닐링
 바이오플라스틱
 탄소 나노튜브
 회로 증착
 전도성 잉크
 플렉서블 전자회로
 층류
 멜라닌
 유기 전계효과 트랜지스터 (OFET)
 유기 반도체
 유기 발광 다이오드
 광검출기
 인쇄전자
 무선 주파수 식별
 라디오 태그
 쇤 스캔들
 스핀 코팅

 각주 

더 읽을거리

 Grasser, Tibor., Meller, Gregor. Baldo, Marc. (Eds.) (2010) Organic electronics Springer, Heidelberg. (Print) 978-3-642-04538-7 (Online)
 
 
 
 Electronic Processes in Organic Crystals and Polymers, 2 ed. by Martin Pope and Charles E. Swenberg, Oxford University Press (1999), 
 Handbook of Organic Electronics and Photonics (3-Volume Set) by Hari Singh Nalwa, American Scientific Publishers. (2008), 

 외부 링크 
 
 orgworld – Organic Semiconductor World homepage.

분류:유기 일렉트로닉스
분류:인공재료