▲ 인체 피부 위에서 안정적으로 동작하는 초박막 디스플레이 사진

국내 연구진이 2차원 물질로 반도체 트랜지스터의 성능을 크게 향상시켜 피부에 부착할 수 있는 얇고 유연한 디스플레이를 제작했다.

한국연구재단은 안종현 연세대학교 교수와 김수영 중앙대학교 교수 연구팀이 차세대 반도체 소재로 주목받는 이황화몰리브덴(MoS₂) 트랜지스터를 기반으로 초박막 OLED 디스플레이를 개발했다고 지난 10일 밝혔다.

기존의 딱딱한 디스플레이시대를 지나 접히거나 입을수 있는 전자기기 개발을 위해 관련 디스플레이 연구가 활발하다. 특히 지금까지 연구는 빛을 발산하는 OLED 부분에 집중됐다. 그러나 기기의 상용화를 위해서는 발광소자의 스위치 역할을 하는 반도체 트랜지스터를 얇고 유연하게 제작되는 기술도 매우 중요하다.

연구팀은 단단한 실리콘 및 산화물반도체 대신 이황화몰리브덴을 이용해 높은 전기이동도를 갖는 고성능 반도체 트랜지스터를 제작함으로써, 매우 유연하고 얇은 OLED 디스플레이를 개발했다.

이황화몰리브덴은 원자가 한 겹으로 구성된 2차원 반도체 소재로써, 매우 얇고 유연하며 투명할 뿐만 아니라 전기이동도도 우수하다.

그러나 대면적으로 제작할 때 발생하는 작은 결정입자, 불순물 등으로 인해 전기이동도가 저하되므로, OLED 디스플레이를 구동 할 수 있는 트랜지스터로 활용하지 못했다.

이에 연구팀은 고품질의 이황화몰리브덴(MoS2) 반도체 박막을 합성하기 위해 이 연구에서는 금속유기화학기상증착(MOCVD) 방식으로 합성했다.

그리고 이황화몰리브덴 박막 상,하부에 고유전율 유천제인 산화알루미늄을 부착해 다른 소재와 접촉할 때 생기는 전기 저항을 획기적으로 감소시켰다.

그 결과 기존 트랜지스터보다 성능이 약 28배 향상되고, OLED 디스플레이를 성공적으로 구동할 수 있었다.

개발된 디스플레이는 두께가 6마이크로미터(㎛) 가량으로 머리카락보다 얇다. 매우 유연하며, 90도 이상의 각도로 여러 차례 접거나 피부에 부착한 채 몸을 움직여도 안정적으로 작동했다.

안종현 교수는 “그동안 실질적으로 활용되기 어렵다고 여겨졌던 이황화몰리브덴 기반의 반도체가 플레서블, 웨어러블 디스플레이에 적용될 수 있음을 증명한 것”이라며 “이 기술이 피부·옷에 부착하는 헬스 모니터링 시스템을 비롯하여 의료·스포츠 등에서 다양하게 활용되길 기대한다”라고 연구의 의의를 설명했다.

한편, 이 연구 성과는 과학기술정보통신부·한국연구재단 기초연구사업(리더연구) 지원으로 수행되었고, 국제학술지 사이언스 어드밴시스(Science Advances)에 4월 20일 게재됐다.