[과학을 읽다]값싸고 고성능 박막 트랜지스터 개발

함문호 광주과학기술원 연구팀 관련 기술 내놓아

▲리튬과 기능화된 탄소나노튜브가 도핑된 산화아연 박막 트랜지스터의 실제 사진.[사진제공=광주과학기술원]

[아시아경제 정종오 기자]값이 싸고 고성능을 보이는 박막 트랜지스터가 개발됐습니다. 차세대 디스플레이에 적용이 가능합니다.

국내연구팀이 저가의 원소만으로 차세대 디스플레이 구동소자에 적용할 수 있는 산화물 반도체 박막 트랜지스터를 내놓았습니다. 박막 트랜지스터는 TV, 휴대폰 등에 탑재되는 디스플레이를 구성하는 핵심 부품 중 하나입니다. 미래형 디스플레이가 고해상도를 요구하면서 동시에 대면적화 되고 있는 추세에 따라 높은 전하 이동도를 가져야 합니다. 용액 공정이 가능한 산화물 반도체 기반의 박막 트랜지스터가 주목을 받고 있습니다.

문제는 용액 공정으로 제조된 산화물 반도체 박막 트랜지스터는 일반적으로 전하이동도가 낮습니다. 이 때문에 전하이동도를 높이기 위한 고가의 희토류 원소인 인듐의 도핑이 필수적으로 필요해 상용화에 어려움이 많습니다. 인듐은 대표적 희토류 금속 중 하나입니다. 디스플레이, 태양전지 등 응용소자의 핵심 부품인 박막 트랜지스터와 투명전극으로 이용되고 있는 소재의 주성분입니다. 수요 대비 공급량이 절대 부족해 가격경쟁력이 매우 취약합니다.

용액 상에서 탄소나노튜브 간 응집현상으로 기대만큼 소자 성능이 개선되지 않습니다. 여기에 높은 누설 전류와 불균일한 전기적 특성을 보이는 단점도 있습니다.

연구팀은 이런 현실적 문제의식 속에서 탄소나노튜브를 첨가했을 때 일어나는 용액 상에서의 탄소나노튜브 간 응집 현상을 해결하기 위해 고가의 인듐 대신 값싼 금속인 리튬을 도핑했습니다. 또 탄소나노튜브가 친수성을 갖도록 산(acid) 처리해 용매에 잘 분산될 수 있도록 했습니다.

연구팀이 개발한 산화아연 박막 트랜지스터는 전하 이동도가 28.6㎠/Vs에 이르렀습니다. 산화아연이나 산화아연에 리튬만 도핑한 것과 비교했을 때 각각 20배와 5배 높아졌습니다. 현재까지 고가의 인듐을 사용하지 않은 산화물 반도체 중 가장 높은 값입니다. 전하이동가가 높다는 것은 초고해상도 구현이 가능하다는 것을 의미합니다. 이 때문에 이 기술을 통해 고가의 인듐 없이 저가의 원소만으로 이뤄진 고성능 산화물 반도체 박막 트랜지스터의 대면적 생산이 가능할 것으로 기대됩니다.

이번 연구는 함문호 광주과학기술원 연구팀이 수행했습니다. 연구 성과는 재료과학 분야 학술지 스몰(Small)에 2월9일자(논문명:Chemically functionalized, well-dispersed carbon nanotubes in lithium-doped zinc oxide for low-cost, high-performance thin-film transistors)로 실렸습니다.

함문호 교수는 "이번 연구 성과는 저가 용액 공정에 기반한 박막 트랜지스터 생산의 가능성을 제시한 것"이라며 "초고해상도 TV, 휴대폰뿐 아니라 스마트 시계 등 플렉서블 스마트 기기 등에 활용될 것으로 기대된다"고 말했습니다.