저가·고성능 박막 트랜지스터 개발

▲ 튬과 기능화된 탄소나노튜브가 도핑된 산화아연 박막 트랜지스터의 실제 사진. /연구재단 제공

광주과학기술원 함문호 교수 연구팀
탄소나노튜브 응집문제 해결… 초고해상도 구현


국내 연구진이 초고해상도를 구현할 수 있는 고성능 박막 트랜지스터 개발에 성공했다.

23일 한국연구재단(이사장 정민근)에 따르면 광주과학기술원 함문호 교수연구팀이 저가의 원소만으로 차세대 디스플레이 구동소자에 적용할 수 있는 산화물 반도체 박막 트랜지스터를 개발했다.

박막 트랜지스터는 TV, 휴대폰 등에 탑재되는 디스플레이를 구성하는 핵심적인 부품 중 하나다.

이런 가운데 미래형 디스플레이는 고해상도와 더불어 면적이 넓어지는 경향에 따라 높은 전하 이동도를 가지면서 용액 공정이 가능한 산화물 반도체 기반 박막 트랜지스터가 주목을 받고 있다.

하지만 용액 공정으로 제조된 산화물 반도체 박막 트랜지스터는 일반적으로 전하 이동도가 낮아 전하 이동도를 높이고자 고가의 원소인 인듐의 도핑이 필수적으로 상용화에는 어려움이 많다.

여기에 용액 상에서 탄소나노튜브간 응집현상으로 기대만큼 소자 성능이 개선되지 않을뿐더러 높은 누설 전류와 불균일한 전기적 특성을 보인다.

인듐은 대표적인 희토류 금속중 하나로 디스플레이와 태양전지 등 응용소자의 핵심부품인 박막 트랜지스터 및 투명전극으로 이용되는 소재의 주성분이다. 하지만 수요대비 공급량이 절대 부족해 가격경쟁력이 매우 취약한 원소다.

함 교수팀은 이러한 현실적 문제의식 속에서 탄소나노튜브를 첨가했을 때 일어나는 용액 상에서의 탄소나노튜브 간 응집 현상을 해결하고자 고가의 인듐 대신 값싼 금속인 리튬을 도핑하고, 탄소나노튜브가 친수성을 갖도록 산(acid) 처리해 용매에 잘 분산될 수 있도록 했다.

연구팀이 이렇게 개발한 산화아연 박막 트랜지스터는 전하 이동도가 28.6㎠/Vs로 산화아연이나 산화아연에 리튬만 도핑한 것에 비해 각각 20배와 5배 향상된 결과를 얻었다.

이는 현재까지 고가의 인듐을 사용하지 않은 산화물 반도체 중 가장 높은 값이다.

전하 이동도가 높다는 것은 초고해상도 구현이 가능하다는 것으로 값싸게 고성능 산화물 반도체 박막 트랜지스터의 대면적 생산을 앞당길 것으로 기대된다.

함문호 교수는 “이번 연구성과는 저가 용액 공정에 기반을 둔 박막 트랜지스터 생산의 가능성을 제시한 것으로 초고해상도 TV, 핸드폰뿐만 아니라 스마트 시계 등 플렉서블 스마트 기기 등에 활용될 것으로 기대된다” 고 연구 의의를 설명했다.

연구성과는 재료과학 분야 저명 학술지 ‘스몰(Small)’에 2월9일자 게재됐다.

이승규 기자 esk@

▲ 함문호 교수