▲ (左부터)함문호 광주과학기술원 신소재공학부 교수, 리튬 및 산 처리된 탄소나노튜브가 도핑된 산화아연의 전구체 용액 제조 모식도.

저가의 용액공정을 통해 산화물 반도체 박막 트랜지스터의 구현이 용이해 질 것으로 보여 향후 현재 사용중인 비정질 실리콘 소재의 한계를 극복한 금속산화물기반 디스플레이 구동소자의 상용화가 기대되고 있다.

한국연구재단(이사장 정민근)은 미래창조과학부 글로벌프론티어사업과 교육부 이공학개인기초연구지원사업(기본연구)을 지원 받은 함문호 교수 연구팀(광주과학기술원)이 저가의 원소만으로 차세대 디스플레이 구동소자에 적용할 수 있는 산화물 반도체 박막 트랜지스터를 개발했다고 밝혔다.

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 디스플레이에 적용하기 위해서는 산화아연 기반 박막 트랜지스터의 전기적 특성을 더 향상시켜야 한다. 이를 위해 산화아연 반도체에 고가의 인듐을 도핑하는 방법이 널리 연구되고 있으나, 비싼 가격으로 인해 상용화에 걸림돌로 작용하고 있다.

최근에는 인듐대신에 탄소나노튜브(CNT)를 첨가해 고 전하 이동도를 구현하는 연구가 보고되고 있지만 용액상 CNT간의 응집현상으로 CNT를 첨가한 산화물 박막 트랜지스터는 높은 누설 전류 및 불균일한 전기적 특성을 보였다.

연구팀은 고가의 인듐 대신 값싼 금속인 리튬을 도핑하고, 탄소나노튜브가 친수성을 갖도록 산(acid) 처리해 용매에 잘 분산될 수 있도록 했다.

연구팀이 개발한 산화아연 박막 트랜지스터는 전하 이동도가 28.6㎠/Vs로, 산화아연이나 산화아연에 리튬만 도핑한 것에 비해 각각 20배와 5배 향상되었다. 이는 현재까지 고가의 인듐을 사용하지 않은 산화물 반도체 중 가장 높은 값이다. 전하이동가가 높다는 것은 초고해상도 구현이 가능하다는 것을 의미한다.

때문에 이 기술을 통해 고가의 인듐 없이 저가의 원소만으로 이루어진 고성능 산화물 반도체 박막 트랜지스터의 대면적 생산이 가능할 것으로 기대된다.

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

이 연구성과는 재료과학 분야 저명 학술지 스몰(Small)에 2월 9일자 게재되었다