극자외선을 이용한 차세대 반도체(산화물 반도체) 원천기술 개발

‘빛 에너지 전달을 이용한 물질의 활성 반응의 이론적 토대 마련’

 

 

 

                 광활성 반응을 적용해 제작한 플렉서블 산화물 트랜지스터 및 집적회로

 

 

국내 연구진이 극자외선을 이용한 빛의 화학적 반응을 통해 산화물 반도체를 만들 수 있는 원리를 규명하고, 이를 이용해 열에 약한 플라스틱 기판에서도 반도체를 구현해 제조비용을 획기적으로 줄일 수 있는 방법을 개발했다.

이번 연구성과는 박성규 교수(41세, 연구책임자 및 교신저자, 중앙대) 및 김영훈 박사(36세, 제1저자, 전자부품연) 연구팀이 주도하고 윤명한 교수(광주과기원), 이기라 교수(성균관대), 노용영 교수(한밭대)를 비롯해 순수 국내 연구진의 공동연구로 이루어졌으며, 교육과학기술부(장관 이주호)와 한국연구재단(이사장 이승종)이 추진하는 ‘일반연구자지원사업(신진연구)’과 ‘WCU(세계수준의연구중심대학)육성사업’의 지원을 받아 수행됐고, 세계 최고 권위의 과학전문지인 ‘네이처(Nature)’지 9월 6일자에 게재됐다.(논문명 : Flexible Metal-Oxide Devices made by Room-temperature Photochemical Activation of Sol-Gel films)

LCD와 같은 평판 디스플레이에서 주로 사용해온 유기물과 박막 실리콘은 투명도가 낮고 전자 이동도가 느린 재료의 특성상 OLED와 같은 빠르고 높은 투명도를 필요로 하는 최근 디스플레이 시장에서는 부적합하다.

기존의 실리콘 소자에 비해 산화물 반도체는 재료의 특성상 투명하고, 수분이나 공기의 반응성이 낮아 용액공정이 용이하며, 10배 이상의 전기
이동도를 가지고 있어 차세대 반도체 물질로 각광 받고 있다.

하지만 용액형 산화물 반도체는 고온(350℃~500℃)의 열처리를 통해 제작해야 하는데, 이런 반도체 공정으로는 휘는(roll-up) 디스플레이나 열에 약한 플라스틱 기판에는 적용할 수 없다.

이를 극복하고자 전 세계의 많은 연구자들이 다른 소재를 개발하거나 또는 열처리를 하지 않는 방법을 개발하고자 시도해왔지만 뚜렷한 성과를 얻지 못하고 있는 실정이다.

박성규 교수 연구팀은 산화물 반도체를 만들기 위한 용액 물질에 극자외선을 쬐어줌으로써 물질과 빛의 화학반응이 일어나는 새로운 에너지 전달체계를 규명했고, 이를 응용해 플라스틱과 같은 유연한 기판에 집적회로를 구현하는데도 성공했다.

지금까지 고온의 열처리를 통해 제작되던 반도체공정을 뒤집을 수 있는 획기적인 발견으로 빛(극자외선)을 이용해 반도체 박막을 형성하고 이를 이용해 반도체 소자 및 집적회로를 구현할 수 있게 된 것이다.

연구를 통해 빛을 이용한 에너지 전달체계 원천 기술을 확보함에 따라 열처리를 위해 대형 장비를 사용해야하는 과정을 벋어나 상온에서 용액물질의 광화학 반응을 이용해 쉽게 대면적으로 반도체 제작이 가능해져 점차 대형화되는 디스플레이 시장에 큰 비용절감 효과를 가져올 전망이다.

또한 이번 연구결과는 반도체뿐만 아니라 의료 및 바이오 산업에 필수적인 세라믹, 절연체, 도체 등의 대부분의 물질에 적용할 수 있는 기술로 그 파급 효과가 매우 클 것으로 기대되며 관련 응용 연구 역시 활발히 진행 중이다.

박성규 교수는 “이번 연구는 다양한 소재에 응용할 수 있는 원천 기술로 여러 가지 분야에 실질적인 적용을 위해서는 반응시간 및 온도조절 등 아직 많은 해결부분이 남아 있으나 새로운 에너지 전달체계에 대한 근본적인 이해에 한걸음 다가가게 됐다”고 연구 의의를 밝혔다.

 

 

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