일본의 국립연구개발법인 산업기술 종합연구소 플렉서블 전자 연구센터 플렉시블 재료 기반팀 등의 연구팀은 국립연구개발법인 이화학 연구소 창조 물성 과학 연구센터 동적 창조 물성 연구 유닛, 대학공동이용기관법인 고에너지 가속기 연구기구 물질구조 과학연구소 구조물성 연구센터, 국립연구개발법인 과학기술 진흥기구와 공동으로 저분자계 유기 강유전체를 이용한 박막 메모리 소자를 용액을 패터닝 도포하여 제막하는 인쇄법에 의해 상온·상압 하에서 제조하는 기술을 개발했다. 

유기 강유전체에서는 디바이스화에 필수적인 박막화가 어려운 것이 과제였다. 이번 기술은 용액에서 막 형성을 촉진하는 새로운 인쇄 기술을 통해 매우 균질성이 높은 강유전체 단결정 박막을 형성하는 것이다. 이 기술을 이용하여 제작한 박막 소자는 각종 기록 소자의 표준적인 동작 전압이 낮아 3V의 저전압에서 메모리가 동작한다. 이번에 개발한 기술로 프린티드 일렉트로닉스에 의한 강유전체 메모리와 비휘발 트랜지스터 등의 저소비 전력 디바이스의 연구 개발이 크게 가속화될 것으로 기대된다. 

인쇄 기술을 이용하여 금속이나 반도체 등 고화질, 고품질의 패턴층을 만들어 전자 디바이스를 제조하는 프린티드 일렉트로닉스 기술의 연구 개발이 전세계적으로 활발히 진행되고 있다. 그동안 주로 금속 배선이나 트랜지스터를 만드는데 필요한 반도체층을 인쇄하는 기술 개발이 진행되어 왔지만, 기타 기능성 부재의 인쇄법은 거의 없었다. 그 중에서도 강유전체는 IC카드에 탑재되는 등 급속히 보급되는 강유전체 메모리와 비휘발의 강유전체 게이트 트랜지스터 등 전자 디바이스의 소비 전력을 낮출 수 있는 뛰어난 특징이 있기 때문에 인쇄 기술에 의한 박막 패터닝화 기술의 개발이 강하게 요구되고 있었다. 

강유전체는 기존에, 딱딱한 무기물이 주류여서, 인쇄법에는 적합하지 않다고 여겨졌다. 유기 강유전체로 고분자계가 알려져 있지만, 그 성능은 무기물보다 현저히 뒤떨어지고 있었다. 그런데, 최근 저분자 계열의 강유전성 유기 재료의 개발이 진행되어, 무기물에 필적하는 특성을 나타내는 것이 다수 발견되고 있다. 그러나, 이들 유기 강유 전체에서는 디바이스화에 필수적인 박막화가 어려운 일이 과제가 되고 있었다. 이 때문에 이들을 대상으로 한 핀홀 없는 고품질 박막의 인쇄 제조 기술의 개발이 요구되고 있었다. 

이번에 유기 강유 전체로서 2-메틸벤조이미다졸(MBI)(그림 1a)을 이용하였다. MBI는 수소 결합형 유기 강유전체의 일종이며, 유기 용제에 용해성이 뛰어나고, 실온에서 우수한 강유전성을 나타내며, 극히 낮은 항전장(수십 kV/cm)에서 분극 반전한다. 또한, 단결정 내에서는 2개의 직교한 방향으로 자발 분극 P를 나타낼 수 있다. 막의 상하 방향으로 전압을 걸면 디바이스에서 자발 분극은 박막에 대해 수직인 방향의 성분을 가질 필요가 있지만, MBI는 그런 분극 방향을 가진 판상 결정으로 성장하기 쉽다. 

이 단결정 박막(막 두께는 약 1μm)을 이용하여 커패시터의 장치 구조를 제작하고, P-E 히스테리시스를 측정했는데, 열 처리 등의 전처리 없이 양호한 히스테리시스 곡선을 보였다(그림 3a). 분극 반전이 생긴 전압은 10Hz의 스캔 주파수에서 평균 3~4V로 매우 낮은 전압에서 분극 반전 가능한 장치를 얻을 수 있다고 실증할 수 있었다. 전극 구조를 최적화하면 내구성은 더욱 높아질 것으로 기대된다. 

이번에는 유기 강유전체 박막에서는 분극 반전이 미시적 영역에서 어떻게 생기는지 압전 응답 현미경을 이용하여 조사했다. 막 두께 약 1μm의 박막에 10~1000밀리세컨드의 다양한 시간 동안 +20V의 전압을 걸면, 각 시간에 따라 크기가 다른 원형의 분극 반전 도메인이 결정면에 기록되었다(그림 4a). 도메인의 크기는 전압을 건 시간에 대해서 대수 함수적으로 증가하고 최소 직경 500nm였다(그림 4b). 이 분극 반전 도메인은 실온 분위기 하에서 40시간 이상 안정적으로 유지되고 있었다. 또한, 압전 응답 현미경 이미지의 위상 성분에서 분극 방향은 90도 회전이 아니라 180도 반전한 것으로 나타났다(그림 4c). 

향후에는 이번에 개발한 인쇄법에 의한 박막 제작 기술을 활용하고, 금속 배선이나 반도체 박막의 인쇄 기술과 조합하여 전인쇄법에 의한 전자 기기 제작을 진행할 예정이다.  

출처 KISTI 미리안 『글로벌동향브리핑』