연구성과

화공 노용영 교수팀, 투명 잉크로 투명 디스플레이 실현되나?

2020-09-03 342

[고성능 P형 반도체·트랜지스터 개발]

노용영 교수

미국드라마 <히어로즈>나 영화 <아바타> 등에서 등장한 투명한 모니터, 투명한 휴대폰, 아침마다 날씨 정보를 보여주는 스마트 창문 등 투명한 전자회로와 투명 디스플레이에 대한 관심은 점차 커지고 있다. 그간 낮은 성능으로 상용화에 어려움이 있었던 투명 P형 반도체*1 소재가 개발됐다.

화학공학과 노용영 교수, 박사과정 아오리우씨(Ao Liu) 연구팀은 성균관대학교 재료공학부 김명길 교수와 함께 구리 요오드(copper iodide, CuI)를 이용해 고성능 투명 P형 반도체를 개발함으로써 P형 트랜지스터의 성능과 안정성을 크게 향상시켰다. 이 연구성과는 국제학술지 ‘네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications)’에 8월 27일자로 게재됐다.

투명 전자 소재에는 전자가 이동하는 N형 반도체*2와 정공(hole)이 이동*3하는 P형 반도체가 모두 필요하지만, 금속산화물 기반 소재의 특성상 지금까지 N형 반도체만 존재하고, P형은 전하 이동도가 매우 낮은 단점이 있었다.

구리 요오드는 훌륭한 광전자적 특성을 가지고 있을 뿐 아니라, 섭씨 100도 이하의 낮은 공정온도에서 용액 공정을 통해 박막을 제조할 수 있다. 그러나, 박막으로 제조할 때 다량의 구리(Cu) 빈 격자점이 생겨나고, 이 때문에 정공 도핑이 과하게 필요해 트랜지스터로 개발하기 어려웠다.

연구팀은 아연(Zn) 도핑을 이용한 화학적 용액 공정으로 투명한 P형 아연이 도핑된 구리 요오드(Zn-doped CuI) 반도체를 개발하고, 이를 통해서 고성능의 투명 박막트랜지스터와 전자회로를 만드는 데 성공했다.

섭씨 100도의 낮은 공정온도에서 제작된 박막트랜지스터는 5이상의 높은 정공 이동도와 백만 이상의 높은 전류점멸비*4를 획득했다. 이는 현재까지 보고된 금속산화물과 금속 할로젠화물(halide)*5 투명 P형 반도체 중 세계에서 가장 높은 성능이다.

특히, 연구팀은 아연이 도핑된 구리 요오드 반도체를 다양한 용매에 용해하여 잉크로 제조하는 기술을 개발했다. 이는 간단한 인쇄공정으로 고성능 투명 P형 트랜지스터를 만들 수 있어, 제조공정 가격을 획기적으로 낮출 수 있을 것으로 기대된다.

연구를 주도한 노용영 교수는 “이번 연구에서 개발된 투명 P형 반도체 소재는 기존의 산화물 N형 반도체와 함께 투명 디스플레이, 투명 전자회로 및 광전자 소자에 향후 널리 사용될 것으로 기대된다”고 말했다.

한편, 이 연구는 과학기술정보통신부가 지원하는 글로벌 프론티어 사업, ‘나노기반 소프트일렉트로닉스 연구단(단장: POSTECH 조길원 교수)’과 한국연구재단이 지원하는 전략과제의 지원으로 이루어졌다.
 


1. P형 반도체
일반적으로 정공을 전하운반자로 갖는 반도체. 전하를 운반하는 정공의 수가 전자의 수에 비해 훨씬 많은 반도체

2. N형 반도체
일반적으로 전자를 전하운반자로 갖는 반도체. 전자의 수가 정공의 수에 비해 훨씬 많은 반도체

3. 정공 이동도
전자가 하나 빼지면서 생기는 하나의 빈 공간을 정공이라고 하며 전자가 –1의 전하를 갖는다면 이와 반대로 정공은 +1의 전하를 갖는 전하운반자이다.

4. 전류점멸비 (ON/OFF 비율)
트랜지스터를 동작시킬 때 (ON상태) 최고 전류와 껐을 때 (OFF상태) 최소전류 사이의 비율

5. 금속 할로젠화물(halide)
금속과 할로젠 사이의 결합을 지닌 물질