첨단 기술 속 고분자 (반도체와 LED)

반도체

 

반도체의 정의와 제조 공정

전기는 물질에 따라 전도성의 차이가 있습니다. 전기를 잘 통하는 물질은 전도체라고 하며, 전혀 통하지 않는 물질은 부도체라고 합니다. 반도체는 이 두 가지 사이에 위치하여 중간 정도의 전도성을 가지는 물질입니다. 반도체 소자가 완성되기까지는 크게 세 가지 단계의 공정을 거쳐야 합니다.

첫 번째 단계는 실리콘 웨이퍼 제조공정입니다. 이 공정에서는 값싼 모래에서 여러 과정을 거쳐 실리콘 웨이퍼를 만듭니다. 이 과정은 매우 중요한데, 동양제철화학 등에서 대량으로 생산되는 다결정 실리콘이 이 단계에서 핵심적인 역할을 합니다. 

두 번째 단계는 회로 색인 공정입니다. 이 공정은 반도체 소자 제조의 핵심 단계로, 매우 많은 세부 공정을 포함합니다. 1기가 반도체 소자의 회로 색인에는 3개월 이상의 긴 시간이 소요될 정도로 복잡한 과정입니다. 이 공정에서는 고분자가 사용되며, 고분자는 반도체 제조에 있어 핵심적인 물질로 자리 잡고 있습니다.

회로 색인 공정에서 고분자는 포토레지스트라는 감광성 고분자의 형태로 사용됩니다. 실리콘 웨이퍼 위에 포토레지스트를 도포하고, 그 위에 포토마스크를 덮어 자외선에 노출시키면 포토레지스트의 노광 부위가 감광되어 현상 후 제거됩니다. 이 방식은 포지티브형 포토레지스트로 불리며, 리소그래피 기술을 통해 회로를 작성하는 데 사용됩니다. 이 기술은 반도체 제조에서 가장 중요한 핵심 기술입니다.

노광 후, 실리콘 웨이퍼에서는 노광된 부분과 비노광 된 부분이 서로 다른 표면을 드러내게 됩니다. 노광 된 부분에는 실리콘이 노출되고, 비노광 된 부분에는 포토레지스트가 남게 됩니다. 이후, 플라스마를 이용해 화합물을 실리콘 표면에 확산시켜 실리콘 결정 속으로 소량의 불순물을 주입하는 과정을 도핑이라고 합니다. 도핑 후, 포토레지스트는 산소 플라스마로 제거되며, 이 과정에서 반도체 소자 회로가 완성됩니다. 도핑된 부분은 전기 전도성이 생겨 신호를 주고받을 수 있게 됩니다.

세 번째 단계는 반도체 칩 조립 및 봉지 공정입니다. 이 단계에서는 반도체 칩을 리드프레임에 조립하고, 에폭시 수지로 봉지합니다. 구체적으로는 소자 칩을 구리로 만들어진 리드프레임 기판에 얹고, 리드프레임의 전극과 칩의 전극을 금선으로 연결합니다. 이때 금선의 끝에는 전도성 접착제가 사용되며, 이 접착제의 주성분은 은입니다.

이렇듯, 반도체 제조 과정에서 고분자는 중요한 역할을 하며, 미래의 주요 부품인 반도체를 만들기 위한 필수 물질로 자리잡고 있습니다.

 

LED

 

LED는 영어의 약자로 발광다이오드를 의미합니다. '다이오드'는 두 극으로 된 전자기기, 즉 양극과 음극을 모두 갖춘 장치를 지칭합니다. 음극에는 전자가 모여 음전하를 띠고, 양극에는 반대로 양전하를 띠는 특성이 있습니다. 물리학적으로는 음전하를 전자로, 양전하를 전자가 비어 있는 구멍으로 표현합니다. 이로 인해 전류는 전자와 구멍이 이동하면서 생성됩니다. 그러나 전류의 방향에 대한 정의는 상대적이어서 전자의 이동 방향을 명확히 정의하기는 어렵습니다.

LED는 전자공여 물질과 전자수용 물질을 접합하여 만든 소자입니다. 이 소자에 낮은 전류를 흘려보내면 전자와 구멍이 접합면에서 만나면서 에너지가 빛으로 변환되어 밖으로 방출됩니다. 이 빛의 세기는 사용되는 물질과 전류의 크기에 따라 달라집니다. 최근 LED는 백열등이나 형광등에 비해 전력 소모가 적고 수명이 길며, 소형화가 가능하여 디스플레이에 적합합니다. 전원을 켜고 끄는 것을 반도체로 조절하면 바로 디스플레이 기능을 구현할 수 있습니다.

이러한 LED 기술은 다양한 제품에 응용되고 있으며, 과거의 디스플레이에 비해 훨씬 얇고 선명한 화질을 제공합니다. AMOLED는 무기 구멍 물질과 전자 물질을 유기 화합물로 대체한 기술로, 유기 물질을 사용하면 코팅 등 간단한 공정으로 가공이 용이하고 생산성이 높으며 가공 비용이 절감됩니다. AMOLED 기술은 아직 초기 단계지만, 향후 큰 발전이 기대되며 차세대 핵심 기술로 주목받고 있습니다. 이 기술에서 고분자는 중요한 역할을 하며, 차세대 기술의 핵심 재료로 자리 잡을 것입니다.