저가·고성능 박막 트랜지스터 개발 성공

[산업일보]
저가의 원소만으로 차세대 디스플레이 구동소자에 적용할 수 있는 산화물 반도체 박막 트랜지스터를 개발하는 데 성공했다.

한국연구재단에 따르면, 용액 공정으로 제작한 산화아연 기반 박막 트랜지스터는 높은 전하 이동도, 높은 투과도, 우수한 화학적 안정성을 가진다. 또 대면적 제작이 용이해 기존의 비정질 실리콘 박막 트랜지스터를 대체할 차세대 디스플레이 구동소자로 각광받고 있다.

그러나 차세대 디스플레이 적용을 위해서는 산화아연 기반 박막 트랜지스터의 전기적 특성 향상이 필수적이다. 이를 위해서는 산화아연 반도체에 고가의 인듐을 도핑하는 방법이 널리 연구되고 있으나 비싼 가격으로 인해 상용화에 걸림돌로 작용하고 있다.

연구팀은 고가의 인듐 대신 값싼 금속인 리튬을 도핑함과 동시에 탄소나노튜브를 기능화하여 산화 아연 기지 내에 탄소나노튜브가 균일하게 분산된 저가, 고성능 산화물 박막 트랜지스터를 제작하는 연구를 수행했다.

특히 소수성 특성을 지닌 탄소나노튜브를 산처리하여 친수성 특성을 부여하여 용매에 잘 분산될 수 있도록 해줘 산화 아연 기지 내에 탄소나노튜브가 균일하게 분포할 수 있게 했으며, 균일하게 분포된 탄소나노튜브가 전하 이동 통로를 제공하여 전하 이동도가 더욱 개선되었고 대면적에 걸쳐 여러 개의 소자가 균일한 전기적 특성을 보여주었다.

고가의 희토류 원소인 인듐을 사용하지 않고 값싼 금속인 리튬을 도핑함과 동시에 탄소나노튜브를 사용하여 전하 이동 경로를 제공하여, 용액 공정 기반으로 산화물 반도체 박막 트랜지스터를 제작할 수 있는 새로운 공정기술을 개발하였다.

기존의 인듐을 도핑한 산화물 반도체 박막 트랜지스터는 대면적이 가능한 저가의 용액 공정을 이용하더라도 고가의 인듐을 사용하기 때문에 저가의 용액 공정의 장점이 희석되어 제조단가의 저가화에 한계가 있다.

하지만 이번 연구를 통해 개발된 공정 기술은 저가의 용액 공정을 이용하여 저가의 원소만으로 구성된 산화물 반도체 박막트랜지스터를 구현해 차세대 디스플레이에 적용할 수 있는 고성능 구동소자를 아주 값싼 가격으로 제작할 수 있다는 장점을 극대화했다고 할 수 있다.

리튬과 탄소나노튜브를 동시에 도핑한 산화아연 박막 트랜지스터는 전하 이동도가 28.6cm2/Vs로, 산화아연 및 리튬만 도핑한 산화아연 박막 트랜지스터에 비해 약 20배, 5배 향상된 것으로, 현재까지 고가의 인듐을 사용하지 않은 산화물 반도체 중 가장 높은 값이다.

현재 사용되고 있는 비정질 실리콘이 지닌 소재 성능의 한계를 극복할 수 있는 금속산화물 기반 저가, 고성능 박막 트랜지스터의 개발은 고해상도화, 초저전력화, 저가화를 모두 가능하게 해 초고화질 TV, 핸드폰뿐만 아니라 스마트 시계 등 플렉서블 스마트 기기의 상용화 시기를 앞당길 수 있을 것으로 기대된다.