김현재 교수 연구팀, 세계적인 융합 공학 저널 'Advanced Functional Materials'에 논문 게재

유연 전자기기 개발을 위한 저온 용액공정 산화물 박막트랜지스터의 이론 및 발전 과정 집대성

김현재 교수 연구팀의 논문 “A review of low-temperature solution-processed metal oxide thin-film transistors for flexible electronics”이 세계적인 융합 공학 저널 Advanced Functional Materials (Impact Factor 15.621, JCR 상위 3.38%)에 게재됐다. 

김현재 교수(전기전자공학)와 교신저자이자 제1저자인 박정우, 강병하 박사과정 학생이 참여한 이번 논문은 독창적이고 영향력 있는 최신 연구 결과들을 지난 10여 년간 김현재 교수 연구팀에서 진행한 연구 결과들에 기반해 용액공정 산화물 박막트랜지스터 기술의 과거, 현재, 미래를 조명한 리뷰 논문이다.

박막트랜지스터는 (Thin Film Transistor, TFT) 나노 스케일의 얇은 박막 층들로 구성되며, 일상생활에서 사용하는 LCD나 OLED 디스플레이에 꼭 필요한 반도체 소자이다. 디스플레이 화면(픽셀)이 켜지고 꺼지는 것에 대한 스위치 역할을 하는 전자소자이기 때문에, 디스플레이를 사람으로 비유하면 박막트랜지스터는 ‘뇌’의 역할을 한다.

그림 1. 저온 용액공정 산화물 박막트랜지스터용 주요 기술들

박막트랜지스터의 성능이 좋으면 고화질, 대면적, 투명한 디스플레이를 구현할 수 있다. 최근에는 기존 비정질 실리콘(amorphous silicon, a-Si) 기반의 박막트랜지스터 대신 산화물 반도체를 사용한 박막트랜지스터가 차세대 물질로 각광받고 있다. 산화물 반도체로 박막트랜지스터를 만들면 스위칭 속도가 비정질 실리콘 대비 약 20배 빠르며, 이는 고해상도 디스플레이를 구현하는 데에 적합한 반응속도이다. 또한, 산화물 반도체를 사용하면 기존 대비 균일도가 높은 대면적 디스플레이를 제작할 수 있고, 누설전류가 줄어들어 전력소비가 감소하는 장점이 있다.

산화물 박막트랜지스터를 사용해서 상업화된 제품은 Apple사의 아이패드, LG전자의 대형 OLED TV 등이 있으며, 최근에는 애플 워치와 같이 사이즈에 제약이 많은 스마트워치 등에도 산화물 반도체 박막트랜지스터가 많이 쓰이고 있다. 또한, 최근 LG전자에서 발표한 둥글게 말리는 롤러블 TV와 투명 디스플레이도 산화물 박막트랜지스터를 기반으로 만들어졌다. 이처럼 산화물 박막트랜지스터는 미래 디스플레이까지 사용될 수 있는 앞날이 창창한 재료다.

그림 2. 본 연구실에서 제작한 유연 플라스틱 기판 (polyimide) 위에 제작한 저온 용액공정 산화물 박막트랜지스터 사진

해당 시장이 확대되는 추세와 플렉서블 디스플레이에 대한 수요에 맞춰 지속적인 저온 용액공정 산화물 박막트랜지스터 기술 개발이 진행되고 있다. 용액공정 산화물 박막트랜지스터는 진공공정과 달리 다양한 방법을 통해 증착하는 연구가 활발히 진행되고 있으며, 아직 양산할 수준은 아니지만 학교, 연구소뿐만 아니라 많은 재료 관련 벤처업체들이 이 기술의 상용화를 위해 노력하고 있다. 김현재 교수는 2009년 세계 최초로 InGaZnO 물질을 용액공정으로 제작하고, 소자로 응용하는 기술 개발을 시작으로 단가 절감, 공정 단순화, 조성 조절에 용이한 용액공정 산화물 박막트랜지스터 제작 및 성능 향상 기술 개발에 심도 있는 연구를 진행해왔다(해당 주제로 67편 국제 저널 출판).

이번 논문은 용액공정 산화물 박막트랜지스터의 가장 큰 기술적 어려움인 공정 저온화에 대한 학계의 연구 추세를 통계자료로 뒷받침하여 분석하고, 350여 편의 용액공정 산화물 박막트랜지스터 관련 저널 중 재료, 공정, 구조 측면에서 엔지니어링한 연구들을 분류 및 총망라하고, 오늘날의 이슈와 추후 연구 방향을 제시한 점에서 큰 의의를 지닌다.