■ 기술의 개요

◇ 기술의 정의

투명반도체는 미래용 IT 소자인 투명전자소자(예, 투명센서, 투명 RFID, 스마트창)를 구성하는 핵심 요소다. 투명전자소자는 실리콘(Si) 기반의 불투명 반도체 화합물로 이루어진 일반적인 전자소자와 달리 광학적으로 투명한 전자소자를 통칭한다. 본 고에서는 최근 각광받고 있는 투명반도체(주로 산화물) 나노박막 소재에 대해 기술하고자 한다.

투명반도체(혹은 산화물반도체)를 개발하기 위해서는 재료의 광학적·전기적 물성을 제어해야 한다. 이를 위해서는 재료 내 원자의 결합특성과 그에 따른 전자구조를 이해할 필요가 있다. 투명반도체(산화물반도체)는 다음의 그림과 같이 밴드갭(band gap)이 넓고, 원자간 결합은 이온결합으로 이루어진 물질이다.

▲ 투명반도체(산화물반도체)의 기본 물성.

◇ 기술의 분류

투명반도체 나노박막소재 기술은 소재·공정·전기특성·응용분야 등 다양한 관점에서 분류될 수 있다.

▲ 투명반도체 나노박막소재 기술의 분류.

■ 환경변화 및 기술의 중요성

◇ 투명반도체 소재의 실용화 노력 치열

투명반도체 소재에 대한 연구는 1990년대 후반부터 산화아연(ZnO)을 중심으로 시작돼 많은 연구가 수행됐다. 특히 2004년 일본 동경공대 호소노교수 연구팀은 비정질 형태를 가진 투명산화물반도체를 이용한 투명반도체(TFT)를 플라스틱 기판 위에 구현해 전 세계적으로 주목을 받았다. 그 후 일본과 한국의 주요 전자회사에서 제품화를 위한 연구개발에 매진해 2012년 제품화 단계에 이르게 됐으며, 일본의 사프(SHARP)사는 2012년까지 기존의 비정질 실리콘 제조라인을 모두 투명반도체 소재라인으로 전환한다는 계획을 발표한 바 있다.

▲ 투명산화물반도체의 개발 성과.

▲ 일본 SHARP사의 디스플레이용 TFT생산기술 변화.

투명전자기기의 상용화를 위해서는 소재기술의 확보가 필수적이다. 현재 투명반도체 소재의 경우 고성능 평판디스플레이제품에 적용되는 단계에까지 이르렀으며, 앞으로는 차량용·광고용·군사용 목적으로 다양하게 사용될 것으로 전망된다.

▲ 투명전자기기의 응용사례.

◇ 용액공정기반 저가 소자제조 기술 개발에 박차

반도체 소자나 디스플레이 제품은 주로 진공기술인 스퍼터링공정이나 화학기상증착(CVD)공정 등을 이용해 제조돼 왔다. 최근에는 생산단가를 낮추기 위해 용액공정으로 대체하고자 하는 연구개발이 활발하다. 이는 물질개발의 측면보다는 기존의 물질이 지닌 특성을 용액공정으로 구현하고자 하는 공정기술개발 성격이 강하다. 용액공정을 이용한 투명반도체 소재기술의 실용화를 위해서는 저온 열처리, 대면적 공정, 패터닝 공정기술 개발이 요구되고 있다.

◇ 고가 희유소재 대체를 위한 기초원천 연구 시급

투명전자 소재의 대표적인 물질로는 투명전극으로 널리 활용되는 인듐-주석산화물(ITO)을 들 수 있다. ITO는 TV를 포함한 대부분의 평판형 디스플레이 제품에 필수적으로 사용되는 물질로서 희유금속인 인듐(In)을 주원료로 하고 있다.

중국은 세계 인듐 비축량의 4분의 3, 인듐 생산의 절반을 차지하고 있는데 최근 중국의 희토류 수출 제한 조치 등으로 인듐의 가격은 2011년 kg당 1,000달러에 육박하는 등 인듐은 가격변동이 심하고, 자원무기화의 대상으로 여겨지는 실정이다.

따라서 최근 희소금속 대체, 특히 희토류금속 대체에 대한 문제들이 사회적인 이슈로 부각됐다. 이처럼 원소재에 대한 의존성을 탈피하기 위해서는 신물질 개발에 대한 기초원천 연구개발이 시급하다. 현재 투명산화물반도체로 주목받는 GIZO(Ga-In-Zn 산화물)물질도 값비싼 인듐·갈륨원소를 주원소로 사용하기 때문에 이를 대체할 수 있는 소재기술 개발의 필요성도 커지고 있다.

■ 기술분야별 동향

◇ 투명반도체(산화물반도체) 소재 개발

투명반도체 소재에 대한 연구는 초기에는 산화아연(ZnO) 소재에 집중됐으나, 2000년대 중반을 접어들면서 GIZO(비정질 Ga-In-Zn-O)물질에 대한 관심이 증대되면서 다양한 소재와 공정기술 분야로 연구영역이 확장되고 있다.

▲ 산화물반도체 소재별 연구논문 추이.

○ 이원계 산화물 소재

가장 간단한 물질조성을 지닌 투명반도체소재는 In·Ga·Zn와 같은 금속물질의 단순 산화물이다. 현재 투명전극으로 활용되는 투명전도성 산화물(TCO)소재는 모두 n형 전도특성을 지닌 소재로, 에너지 밴드구조에서 전도대(conduction band)가 금속의 최외각 s 오비탈로 형성된다. 금속이온의 경우 그 크기가 커서 s 오비탈의 중첩이 용이하기 때문에 이동도가 크고 전기전도도가 높은 편이다.

산화아연이 반도체 특성측면에서는 가장 양호한 물성을 나타낸다. 산화인듐은 이동도가 큰 소재이지만 전하농도가 매우 높은 수준이기 때문에 트랜지스터의 off상태, 즉 스위치가 꺼진 상태에서도 많은 전류가 흐르는 문제가 있다. 반면 산화갈륨은 저항이 매우 큰 저항체로 작용하기 때문에 반도체 특성이 전혀 구현되지 못한다. 따라서 초기 투명반도체 연구는 산화아연소재에 집중됐다. 이 소재는 다양한 제조방법으로 나노선을 포함한 나노구조체를 합성할 수 있기 때문에 최근까지도 활발히 연구되고 있다.

○ 비정질 다원계 산화물반도체 소재

비정질 다원계 산화물반도체 소재는 스퍼터링과 같은 진공증착방식을 이용해 비교적 저온에서 대면적으로 제조할 수 있고 그 특성 또한 우수해 디스플레이 제품에 적용되고 있다. 이 물질은 물질조성과 공정조건에 따라 전기적 특성(전하농도, 이동도)을 손쉽게 제어할 수 있기 때문에 대표적인 투명반도체 물질로 각광받고 있다. 다음 그림에 제시된 바와 같이, GIZO 다원계 소재에서는 구성원소의 조성비 조절을 통해 반도체물성과 소자특성(전계이동도, 작동전압)을 제어할 수 있다.

▲ GIZO 산화물반도체의 조성별 물성변화.

○ p형 신소재 개발

금속산화물 소재는 일반적으로 n형의 전도특성을 나타낸다. 이는 금속산화물에 존재하는 고유의 결함인 산소공공(oxygen vacancy, Vo)과 격자간 금속이온이 자유전자를 발생시키는 역할을 하기 때문이다. 즉, p형 특성을 얻기 위해서는 산화물 소재 내의 자유전자 생성을 막고, 전공 생성을 위한 도핑물질을 충분히 치환고용시켜야 한다.

p형 소재는 주 전하(즉, 전공)의 이동경로가 가전자대(valence band)이다. 금속 산화물의 전자구조에서 가전자대는 산소원자의 2p 오비탈로 주로 이루어져 있다.

p형 산화물반도체에 대한 연구는 일본 동경공대의 호소노교수 연구팀이 세계최초로 1997년에 Nature지에 CuAlO2소재를 발표한 이래, Cu₂O계열의 CuG₂O₂·SrCu₂O₂ 등의 신물질이 개발된 바 있다. 그러나 15년이 지난 현재까지도 전공 농도(hole concentration; 1017/cm³
수준)와 이동도(1∼10 cm2/V.s 수준)측면에서 만족할 만한 기술적 진보를 보이지 못하고 있어 투명전자소자개발의 걸림돌로 작용하고 있다.

산화아연박막을 이용해 p형 반도체물질을 합성하고자 하는 시도는 지난 수 십년동안 활발히 이루어지고 있다. 양이온 Zn²⁺ 대신 Li⁺을 치환하거나, 산소(O)위치에 질소(N) 또는 인(P)를 도핑해 p형 전도특성을 얻고자 하는 다양한 실험이 시도된 바 있다. 하지만 안정적이고 신뢰성있는 전도특성을 지닌 산화물 소재는 여전히 개발되지 못하고 있는 실정이다.

산화니켈(NiO)은 이원계 산화물소재 중 산화구리와 함께 비교적 쉽게 p형 특성이 나타나는 소재지만, 전이금속의 특성에 기인한 광흡수 현상으로 투과도와 전도성을 동시에 확보하는데 한계가 있다.

한편, 유기고분자 소재는 산화물보다는 p형 전도특성이 비교적 쉽게 나타나지만 재료의 수명·안정성에 문제가 있으며, 제조된 소자의 신뢰성과 공정상의 제약이 많다.

▲ 반도체 소자 제조공정(진공증착/에칭 방식과 용액 직접 프린팅 방식)의 비교.

韓, 세계 1위 D/P산업 힘입어 産·澩·硏 연구 활발

日, 투명 전도체/반도체 산화물소재 기술 세계 최고

◇ 소재 공정 기술

반도체소자의 집적화기술의 발전으로 용량과 속도 면에서는 지속적인 증가가 있었다. 그러나 소자를 제작함에 있어 노광공정을 이용한 미세패터닝 기술과 진공증착기술에 여전히 의존하기 때문에 제조공정비용이 제품단가의 큰 비중을 차지하고 있다. 따라서 최근에는 잉크젯프린팅방식과 같은 용액 기반의 초저가형 공정기술 개발이 산업적으로 중요하게 부각되고 있다.

진공방식의 코팅공정은 노광과 에칭과정을 통해 패턴을 형성하지만, 디지털 잉크젯 프린팅 방식을 이용하면 원하는 위치에만 물질을 형성할 수 있으므로 공정단계와 비용을 절반 이하로 줄일 수 있는 장점이 있다. 그러나 잉크젯 프린팅이 가능한 전구체(precursor)의 개발이 용이하지 않고 공정기술과 장비개발도 초기 단계라 아직 산업에 적용되고 있지 못한 실정이다.

지금까지의 용액기반 산화물반도체 소재기술 개발은 대부분 스핀코팅방식을 이용하고 있으며, 400℃ 이상의 고온 후열처리를 거쳐야만 소자성능이 발휘되는 한계를 지니고 있었다. 이에 열처리 온도를 낮추기 위한 전구체 개발 연구가 활발히 진행되고 있으며, UV(자외선) 조사 등의 새로운 기법을 접목한 연구결과가 속속 보고되고 있다.

◇ 소자 응용 기술

○ 디스플레이용 트랜지스터

투명반도체(산화물반도체)소재의 가장 대표적인 응용소자로는 투명박막트랜지스터(TTFT)와 투명전계트랜지스터(TFET)와 같은 트랜지스터 형태를 들 수 있다. 통상 100nm이하의 얇은 두께로 사용되기 때문에 투명전극과 같이 소재의 투과도가 중요한 것은 아니지만, 게이트전압에 의한 스위칭기능이 구현되기 위해서는 전하농도 제어가 매우 중요하다.

투명반도체 나노소재의 가장 대표적인 응용분야는 디스플레이 제품이다. 이는 디스플레이 제품의 고성능화가 진행되면서 화소 구동을 위한 트랜지스터의 이동특성이 향상돼야 하고, 이를 위해서는 전계이동도가 큰 활성층 소재가 필요하기 때문이다.

▲ 디스플레이 종류별 성능치 비교.

산화물반도체는 지금까지 제품에서 활용돼 왔던 비정질 Si소재에 비해 높은 이동도를 나타내며, 생산단가와 대면적화 측면에 있어서도 고성능 Si소재(다결정질)에 대해 양호한 측면을 지니고 있다.

▲ 박막 트랜지스터 소재기술의 비교.

○ 전자회로소자

반도체기술에서 인버터와 링 오실레이터(RO)는 논리회로를 구성하는 기본 소자다. 가장 간단한 인버터는 두 개의 트랜지스터로 구성되며, 입력 전압에 따라 출력 전압이 반대로 높아지거나 낮아지게 된다. RO소자는 홀 수개의 인버터를 직렬 연결해 구성되는데 적용제품에서 요구하는 기본 소자성능을 조작할 수 있는 기본 도구로 활용된다. 다음 그림과 같이 플라스틱 기판상에 저온공정을 통해서도 논리회로 구성이 가능한 기술로 발전이 예상된다.

▲ 플라스틱상에 제조된 RO소자와 그 성능.

상보형 금속산화물반도체(CMOS)소자는 전력소비와 반도체칩의 집적화측면에서 유용한 기능을 가지고 있다. 앞서 말한 소자들은 n형 반도체만으로도 제조가 가능하지만, CMOS는 n형과 p형 반도체가 모두 필요한 구조다. 따라서 안정된 물질특성을 보이는 p형 반도체물질의 개발이 선행돼야 한다. 아직까지 p형 물질개발에 한계가 있지만, 최근 주석산화물(SnO)을 이용한 CMOS소자 제작 결과가 일부 보고되고 있다.

▲ CMOS 소자구조(左) 및 인버터 동작 특성.

○ 스마트 창

스마트 창은 투명전자소자를 이용해 구현한 투명디스플레이 소자의 일종이며, 정보인식·정보처리·정보전달의 기능을 가지고 있는 시각적으로 투명한 형태의 유리창이다. 스마트 창는 자동차용 방풍유리 디스플레이와 같은 기능성 자동차 유리, 지능형 쇼윈도, 개인용 고글, 항공기 조종사용 디스플레이, 양방향 정보전달창, 정보형 수족관 등에 적용될 수 있다. 예를 들어, 지능형 쇼윈도는 쇼윈도에 사용되는 창으로서 내부의 전시물을 보여주기 위해 투명한 형태로 있다가, 주변의 상황이나 정보에 따라 다양한 디스플레이를 보여줄 수 있다. 개인용 고글의 경우에는 군인이나 작업자의 시야 바로 앞에 타깃과 지시사항을 표시하는 디스플레이로서 평소에는 투명한 형태를 띄어 사용자의 시야를 가리지 않으면서도 원하는 정보를 제공할 수 있다.

■ 기술개발 주요이슈

◇ p형 반도체 신소재 개발 요구

반도체소재는 도핑을 통해 잉여전하를 생성시킴으로써 극성을 띠게 한다. 지금까지 개발된 대부분의 투명 산화물반도체소재는 그 전기전도특성이 (-)전하를 띤 전자에 의해 좌우되는 n형 물질이다. 그러나 컴퓨터 등 전자기기에 사용되는 반도체소자의 기본구조에서 알 수 있듯이, n형과 p형의 반도체물질이 동시에 활용돼야 그 구조적 기능적 장점이 커져 다양한 투명전자제품 개발에 활용될 수 있다.

한편, p형 반도체물질로는 주로 전도성 고분자(Pentacene 등)를 이용한 연구가 학계에서 활발히 진행된 바 있다. 하지만 고분자물질은 수명 및 안정성에 문제가 있을 뿐 아니라 소자제조 공정상의 제약(증착온도, 플라즈마노출)으로 실용화에 어려움이 있다.

이와 같이 p형 산화물반도체 소재개발의 필요성은 학계와 산업계에서 매우 크다. 하지만 지난 수십 년간의 노력에도 불구하고 안정적이고 신뢰성 있는 p형 투명반도체는 여전히 개발되지 못하고 있는 실정이다. 지금까지 보고된 거의 모든 p형 산화물반도체 소재는 신뢰성과 실험 재현성에 문제가 많으며, 실제 TFT를 만들어 특성을 관찰한 결과에서도, 소자구동특성이 매우 열악한 것으로 보고되고 있다.

◇ 고가원소 저감 반도체 소재 개발 요구

현재 가장 널리 사용되는 산화물반도체 소재의 핵심원료가 되는 금속원소는 인듐·갈륨·아연이다. 그 중 인듐과 갈륨은 그 부존량이 작은 희유원소이면서 투명전극으로의 활동도가 높아 그 원료가격의 변동이 큰 고가의 재료다.

GIZO 반도체 TFT를 적용한 디스플레이 제품이 양산 단계에 접어들면서 향후 인듐과 갈륨의 가격상승이 예상된다. 중국과 일본의 갈등과 같은 국제정세의 변화 및 중국의 자원무기화로 인해 원료수급 문제 등이 우려되는 상황이다.

현재 대부분의 산화물반도체 소재에서 인듐과 갈륨이 차지하는 조성비는 50%이상으로, 이를 대폭 줄이거나 다른 원소로 대체하고자 하는 시도가 다양하게 이루어지고 있다. 그 중 아연-주석을 기반으로 한 신소재 개발이 가장 활발히 진행되고 있으나, 여전히 인듐기반 소재에 비해 전기물성이 뒤떨어진다고 알려져 있다.

■ 해외 동향-일본

◇ 연구개발 현황

일본은 투명 전도체/반도체 산화물소재 기술에 있어 세계적으로 가장 앞선 기술력을 보유하고 있다.

일본 동경공대의 호소노교수 연구팀은 2003년 단결정구조를 가지는 InGaO₃(ZnO)₅를 이용해 제작된 TFT를 발표했다. 이듬해인 2004년에는 비정질 구조임에도 불구하고 높은 이동도를 가지는 IGZO소재를 이용해 TFT소자를 플라스틱 상에 구현해 큰 주목을 받았다. 이 연구팀은 관련소재에 대한 원천물질특허를 확보하고 있을 뿐만 아니라, 재료의 전자구조 해석과 전도 메카니즘 규명, 소자 제작 및 작동 특성 분석에 이르기까지 전반적으로 관련분야 연구를 선도하고 있다.

오사카대학과 Kochi대학의 연구팀은 산화아연 반도체소재에 대한 우수한 응용연구 결과를 발표하고 있다.

▲ 투명반도체 나노박막소재 - 일본의 선도 기관.

2020년 세계 투명 D/P시장 대형 210억불·소형 90억불 전망

韓, 기술추격형의 단기 성과위주 연구 벗어난 장기적 연구 必

■ 해외 동향-미국

◇ 연구개발 현황

미국의 관련 산업이 성장하지 못해 산업기술력은 상대적으로 낮은 수준으로 평가되나, 전산모사를 통한 재료설계기술은 세계 최고수준을 유지하고 있다. 대학의 우수한 연구인력과 나노기반기술을 바탕으로, 용액공정 기술 개발과 유연소자 등 새로운 형태의 소자 개발을 주도하고 있다.

Oregon대학의 Wager교수 연구팀은 2003년에 산화아연박막을 고온에서 적절히 열처리하면 TFT소자의 채널 특성이 나타남을 밝혔다. 이 연구를 토대로 Wager교수 연구팀은 HP사와의 공동연구를 본격적으로 진행해, 다수의 물질특허를 보유하고 있다.

▲ 투명반도체 나노박막소재 - 미국의 선도 기관.

■ 해외 동향-유럽

◇ 연구개발 현황

전반적으로 물질 개발과 기초 연구에 있어서 일본과 미국에 비해 뒤처져있는 편이다. 포르투칼의 Fortunato교수 연구팀과 독일의 Grundmann교수 연구팀은 다양한 소자를 제작해 재료 특성과 연계된 소자 디자인과 특성 개선 연구를 꾸준히 진행하고 있다.

▲ 투명반도체 나노박막소재 - 유럽의 선도 기관.

■ 국내 동향

◇ 연구개발 현황

디스플레이 분야의 세계적 산업경쟁력을 바탕으로 현재 투명반도체 연구개발이 활발하다. 정부출연연구소와 여러 대학은 실용화를 위해 필요한 요소기술에 대한 우수한 연구성과를 발표하고 있다. 특히, 용액공정 기반의 산화물반도체 소재 및 공정기술 분야의 연구가 활발하다. 다만 원천소재 기술개발을 위한 기초 연구가 부족해 기술 경쟁국인 일본에 비해서는 기반기술이 다소 뒤지는 것으로 평가된다.

한편, 국내 산업체는 타겟 제작과 코팅 공정기술 개발을 활발히 추진하고 있다. 국내 대기업들의 기술경쟁을 통해 AMOLED 등 평판 디스플레이 제품의 기술개발이 빠르게 진행되고 있어 산화물반도체소재 기술이 곧 실용화될 수 있을 것으로 예상된다. 용액공정 기반 산화물반도체 연구도 대학을 중심으로 저온 소성공정, 고이동도 및 고신뢰성 확보, 새로운 물질조성 개발 등을 목표로 활발하게 진행되고 있다.

▲ 투명반도체 나노박막소재 - 국내의 선도 기관.

◇ 기술경쟁력분석

우리나라는 뛰어난 디스플레이 산업경쟁력을 바탕으로 산업계 주도로 투명전자소자 연구개발에 박차를 가하고 있다. 더불어 대학과 출연연구소의 연구역량도 급성장해 세계 최고 수준에 이르고 있다.

▲ 투명 산화물반도체 소재기술 - 기술격차 및 기술수준.

■ 산업 및 시장 동향

◇ 산업동향

미래 평판 디스플레이의 기술개발 트랜드는 ‘투명성’과 ‘유연성’이다. 현재 투명 산화물 TFT를 이용한 투명 OLED와 투명 LCD 시제품들이 대기업에서 속속 개발되고 있다. 그 외에도 고급 자동차와 전투기에 적용되기 시작한 헤드업 디스플레이(HUD) 제품 역시 투명반도체 기술의 발전을 보여주는 실례로 들 수 있다.

▲ 투명 반도체산화물 기술을 이용한 디스플레이 제품 개발.

◇ 시장규모 및 전망

투명 반도체 소재시장은 투명디스플레이의 시장 전망을 통해 그 규모와 성장을 예측할 수 있다. 머지않아 투명디스플레이를 채택하는 스마트폰이 등장할 것으로 기대되며 그 외에도 자동차 HUD제품과 소형 게임기 등에도 채택될 것이다.

또한 광고용이나 공용으로 대면적 투명디스플레이가 많이 활용될 것으로 예상되며, TV기능을 지닌 스마트창이 개발될 경우 그 시장규모는 막대할 것이다.

▲ 투명디스플레이의 시장규모 예측.

■ 미래의 연구방향 및 국내 산업이 나아갈 방향

◇ 미래의 연구방향

투명반도체 나노박막소재는 투명전자제품 개발에 있어 가장 중요한 소재기술로 인식된다. 미래 관련기술의 개발방향은 크게 세 가지로 분류될 수 있을 것이다.

○ IGZO소재와 같이 기존 개발된 소재의 경우 : 제품 실용화 단계에서의 비용과 성능 안정화를 위한 응용연구 추진 (용액공정기술, 센서 등 제품 개발)

○ 계면특성에 따른 접촉저항 및 표면전자물성의 변화가 크므로 계면· 전극 소재 및 그 공정기술 개발

○ p형 반도체특성을 구현할 수 있는 신소재 개발 : 재료 미시구조 및 전자구조 해석에 기반한 기초원천연구 수행

▲ 투명전자소자의 응용분야 .

■ 국내 산업이 나아갈 방향

국내 산화물 전자재료에 대한 연구는 주로 투명전극용 소재에 대한 연구가 주를 이루었다. 특히 ITO를 대체한다는 목적으로 수년전부터 ZnO소재에 대해 대학과 연구소에서 많은 개별 과제가 수행된 바 있다. 그러나 여전히 대부분이 기존의 물질계를 벗어나지 못하고 그 제조공정을 바꾼다거나 단지 공정변수에 따른 물성변화를 최적화하는 연구단계에 머물러 있는 실정이다.

이는 기업뿐만 아니라 정부에서도 기술추격형의 단기 성과위주 연구에 주로 투자를 해왔기 때문이다. 이에 기존 패러다임을 바꿀 수 있는 새로운 투명반도체 나노소재의 개발을 위해서는 창의적이며 도전적인 연구자에 대해 신뢰를 바탕으로 한 과감하고 장기적인 연구개발 투자가 요구된다.