투명박막다이오드 새로운 가능성 타진

[산업일보]
국내 연구진이 산화물절연체/산화아연 이종접합을 이용해 다양한 전자소자 등에 적용될 수 있는 성능이 매우 우수한 투명한 초박막 다이오드를 개발할 수 있는 새로운 길을 열었다.

산화물 박막다이오드가 실제의 전자부품으로 산업적 적용이 될 수 있는지에 대한 응용성을 확대하는 과제가 남아 있긴 하지만 실용화 과제가 도입돼 실제 전자부품 적용을 위한 연구가 수행된다면, 2년 이내 실용화 돌입 가능성도 기대할 수 있다.

원천소재 및 소자구조 연구개발 결과이기에 그 파급효과는 매우 크다. 투명전자소자분야의 투명디스플레이 등에 광범위하게 적용될 수 있는 점도 강정이다. 이 분야의 시장성은 2020년 300억 달러로 예측되고 있다.

이번 연구는 투명 박막 다이오드를 제작하는데 있어서 기존의 PN접합이 갖는 소재의 한계점을 극복하고, 적은 비용과 간단한 공정으로 소자를 제작할 수 있으며, 공정적인 측면에서 산업화에 용이해 투명 전자장치에 필수적인 투명 박막다이오드의 실용화에 큰 전기를 마련하게 됐다. 본 초박막 투명 다이오드 개발을 통해 투명전자소자의 산업적 확대에 크게 이바지 할 것으로 생각된다.

서울대학교 융합과학기술대학원 김연상 교수 연구팀의 주도 아래 경희대학교 물리학과 박용섭, 김영동 교수 연구팀과의 협업으로 수행됐다. 연구결과는 세계적인 학술지 네이처(Nature)의 자매지인 네이처 커뮤니케이션즈 (Nature Communications)에 게재됐으며, 여러 건의 원천특허로도 출원됐다.

투명박막다이오드는 투명전자장치(예 투명디스플레이)를 제작하는데 있어서 필수적인 기본 소자이다. 기존의 PN접합다이오드를 이용해 이를 개발하기 위해서는 투명한 P형과 N형의 반도체 조합이 필요하지만, 현재까지는 Si 또는 산화물 반도체의 소재적인 측면에서 한계가 있다.

이러한 조건을 만족하는 소재로는 투명한 산화물 반도체가 적합하다. N형 산화물 반도체는 꾸준히 연구돼 상용화에 사용될 정도로 성능이 우수하다. 하지만, P형 산화물 반도체는 개발이 어려운 실정이며 좋은 성능의 P형 산화물 반도체의 개발은 현재 한계점에 도달해 있다.

또 다른 소재로는 2차원 구조의 반도체들이 있다. 최근 전이금속칼코게나이드(Chalcogenides)화합물로 이루어진 2차원 형태의 반도체소재가 개발되고 있다. 이들은 매우 얇아서 투명할 뿐만 아니라, 전기적 성능 또한 우수하다. 하지만, 2차원 형태의 소재를 정밀하게 제어 할 수 있는 기술이 아직까지는 미비해, 이를 현 산업에 적용하기에는 해결해야할 문제가 많다.

연구팀은 PN접합이 아닌 산화물절연체/산화아연 이종접합에서의 전기적 특성을 바탕으로 투명 박막 다이오드 개발의 가능성을 발견했다.

일반적으로 SiO2(실리카)와 같은 산화물절연체는 큰 에너지 밴드갭으로 인해 가시광영역에서 투명하고, 매우 좋은 전기적 절연특성을 나타낸다. 이러한 특성을 활용해, 산화물 절연체는 다양한 전자소재의 질 좋은 절연층으로 활용되고 있다.

산화물절연체를 계면공학을 통해 전기를 통하게 한다는 것은 상당히 어려운 일로 여겨지고 있다. 이러한 산화물절연체를 한쪽방향으로 전류를 통하게 하는 투명 다이오드로 제작할 수 있음을 보여준다는 면에서 독창적이라 할 수 있다.

연구팀은 산화물절연체와 음극사이에 투명한 산화아연 초박막을 삽입하면 특정방향으로만 전류가 흐른다는 것을 관찰했고, 이를 다양한 산화물절연체에 해당될 수 있음을 보여주었다. 이는 구현하고자 하는 전기적 특성에 맞춰 다양한 산화물절연체를 이용한 투명 다이오드 제작이 가능함을 보여준다.

개발된 소자의 구조는 매우 간단하며 제어가 용이하다. 또한 저가의 소재가 사용됐고, 제작공정은 현 산업적인 측면에서 잘 부합되는 장점을 갖고 있다. 특히 투명 디스플레이 등의 투명전자소자 제작에 있어서 투명 다이오드라는 원천적인 기술 개발을 이루었다는 점에서 주목할 만하다. 또한 초박막 소자로 웨어러블 및 플렉서블 소자에 적용이 가능한 소자로서 응용성이 매우 크다.

금속양극/산화물절연체/산화아연/금속음극으로 구성돼 있는 매우 간단한 구조이다. 초박막 투명 다이오드 소자의 핵심인 산화물절연체/산화아연 두께는 20 나노미터 ~ 200 나노미터까지 변경되며, 산화물 절연체의 두께로 정류되는 전기적 성능 제어가 가능하다.

산화물절연체 및 산화아연은 이미 산업분야에서 널리 사용되는 물질이며, 이를 제어(패터닝 및 증착)하기 위한 공정기술들은 상당한 수준에 도달해 있다. 따라서 현재 디스플레이, 메모리 등의 전자산업에 쉽게 적용될 수 있는 파급효과가 큰 기술이다.

개발된 투명 다이오드 소자는 간단한 구조 및 범용적인 공정기법으로 인해 실제 산업의 적용성이 아주 우수하다. 투명 산화물 박막다이오드 소자를 이용해 전자소자의 전기적 충격을 보호할 수 있는 정전기 방지 회로 (Electric Discharge Diode Circuit)를 제작했으며, 우수한 성능을 보이는 전자회로부품으로서 적용이 가능함을 보였다.

연구팀은 “투명박막다이오드의 원천기술 개발 확보에 있어서 매우 중요한 발견이며 산화물절연체/산화아연 계면에서의 원리규명은 연구적으로도 큰 의미를 갖게 될 것”이라고 연구의의를 밝혔다.