▲ 위) 기존 산화물 박막 트랜지스터와 (아래) 안티몬을 적용한 산화물 박막 트랜지스터의 고온다습한 환경에서의 성능저하 메커니즘. 5가의 안티몬이 적용이 됨에 따라, 산소-금속(인듐, 갈륨, 아연, 주석) 뿐만 아니라, 안티몬과의 결합력이 증대돼 산소 공공의 생성이 억제된다.

국내 연구진이 고온다습 조건에서도 안정적으로 작동하는 디스플레이용 박막 트렌지스터 소재를 개발해 확장현실(XR), 우주항공, 방산 등에서의 활용이 기대된다.

한국세라믹기술원(원장 윤종석)은 허수원 박사연구팀이 XR 기기에 쓰이는 디스플레이에서 핵심 역할을 하는 박막 트랜지스터가 다양한 환경에서도 안정적으로 작동할 수 있도록, 안티몬(Sb)을 적용한 새로운 산화물 반도체 소재 개발에 성공했다고 지난 30일 밝혔다.

XR은 현실과 가상을 결합해 몰입형 경험을 제공하는 기술로, 이를 구현하는 디스플레이 백플레인은 화면을 켜고 끄는 스위치 역할을 하는데, 고온다습한 환경이나 강한 빛·열에 장시간 노출돼도 안정적으로 작동해야 한다.

지금까지는 주로 ‘인듐-갈륨-아연 산화물(IGZO)’이 백플레인 소재로 사용됐다. 그러나 IGZO는 고온다습한 환경에서 금속과 산소의 결합이 약해지면서 구조가 불안정해지고, 전자의 이동 속

도가 떨어지거나 전원을 켜는 기준점(문턱전압)이 흔들리는 문제가 발생했다. 또한 결합력을 높이면 안정성은 좋아지지만, 대신 전자의 흐름이 둔해지는 딜레마가 있었다.

이에 연구팀은 안티몬의 투입 비율과 열처리 조건을 최적화해, 산소 결합을 강화하면서도 전자를 공급할 수 있는 소재 조성과 제작 공정을 확보했다. 안티몬은 상황에 따라 전자를 내놓거나 받을 수 있는 특성이 있어, 적절히 활용하면 안정성과 전도성을 동시에 높일 수 있다. 

그 결과, 안티몬을 적용한 박막 트랜지스터는 기존 대비 이동도가 19% 향상된 16.43cm²/Vs를 기록했고, 문턱전압은 0V로 개선되어 낮은 전압에서도 작동할 수 있게 됐다. 

또한, 85℃와 습도 85%라는 극한 조건에서 90일간 방치해도 초기 성능의 약 75%를 유지하여 실제 XR 디바이스용 디스플레이 소재로 적용 가능함이 확인됐다.

허수원 세기원 박사는 “이번 성과는 오랫동안 난제로 여겨졌던 안정성과 이동도라는 두 가지 과제를 동시에 해결한 결과”라며, “향후 확장 현실은 물론 방위산업, 우주 분야 디스플레이 소재로도 활용 가능성이 크다”고 강조했다.

한편 이번 연구는 산업통상자원부 세라믹산업정책지원사업의 지원을 받아 수행됐으며, 연구 성과는 영국왕립화학회가 발행하는 국제학술지 저널 오브 머터리얼즈 케미스트리 C(Journal of MaterialsChemistry C, JMC C) ’25년 9월호에 표지 논문으로 게재됐다.