산화물반도체는 인듐(In), 갈륨(Ga), 아연(Zn) 등의 금속원소와 산소(O)로 이루어진 물질로 그간 금속원소는 모두 산소와 결합하고 있는 것으로 생각되어 왔다. 하지만, 이번 연구결과에 따르면 인듐이 산소가 아닌 다른 금속과 결합하면서 임계전압이 움직인다는 것을 발견했다. 위 사진은 보통상태(a)에서 인듐-금속 결합상태(c)로의 변화를 보여준다.

[디지털데일리 한주엽기자] 국내 연구진이 인듐(In), 갈륨(Ga), 아연(Zn)을 화합(O)한 옥사이드(산화물반도체) 재료 기반 박막트랜지스터(TFT)에서 전류가 불안정하게 흐르는 문제의 원인을 규명했다. 아울러 산소 주입을 통한 안정화 방법도 제시됐다. 이에 따라 옥사이드 박막트랜지스터(TFT)를 활용하는 유기발광다이오드(OLED) 패널의 수율 확보에 청신호가 켜졌다는 평가다. 울트라HD(UHD) 해상도를 뛰어넘는 수퍼하이비전급(Super High Vision, SHV) 7680×4320 해상도(풀HD의 16배)의 액정표시장치(LCD) 패널을 개발할 수 있는 길도 열렸다.

25일 한국표준과학연구원(KRISS) 김용성 박사팀은 컴퓨터 시뮬레이션(제1원리 계산법)을 통해 산화물반도체에 전류가 흐를 때 통상적으로 알려진 금속-산소 간 결합 외 금속 간(인듐-금속)의 결합이 이뤄지고, 이러한 결합이 불안정성을 유발한다는 사실을 밝혀냈다. 연구팀은 산화물반도체에 전류가 흐르는 상황을 만들기 위해 추가로 전자를 주입했으며 5개의 결합을 형성하고 있는 불안정한 인듐이 다른 금속 원자와 결합하면서 주입된 전자를 고정, 전류의 흐름을 방해하는 것을 발견했다. 연구팀은 인듐에 산소를 주입, 산화물반도체에 고정된 전자가 다시 흐를 수 있게 만듦으로써 구조적 불안정성을 해소할 수 있다는 해결 방안도 제시했다.

TFT는 디스플레이를 구동하는 필름 형태의 반도체다. OLED 디스플레이 패널에서 TFT는 전류를 흘려 유기물이 빛을 낼 수 있도록 돕는 역할을 한다. 사실상 OLED 디스플레이의 핵심 요소인 셈이다. 전류 구동 방식의 OLED는 전류량에 비례해 밝기가 결정되므로 보다 빠른 전자 이동도를 갖는 TFT 재료를 도입해야 한다.

기존 액정표시장치(LCD)의 TFT 재료로 사용돼 왔던 비정질실리콘(a-Si)의 경우 전자의 이동도가 1㎠/Vs(초당 전압당 이동한 면적) 이하로 낮다. 저온에서 레이저를 통해 결정화 과정(LTPS)을 거친 다결정실리콘의 경우 최대 전자 이동도가 100㎠/Vs로 높지만 비용이 비싸고 대면적 분야에서 상용화 경험이 많지 않다. 산화물반도체는 전자 이동도가 10㎠/Vs로 a-Si 대비 10배 이상 빠른데다 별도의 결정화 과정을 거치지 않아도 되므로 다결정실리콘 대비 원가가 저렴하다. OLED는 물론 고해상도 LCD에서 산화물반도체가 차세대 TFT 재료로 각광받는 이유가 바로 여기 있다. 그러나 산화물반도체도 약점은 있었다. 임계전압이 변해 전류가 안정적으로 흐르지 못하는 문제가 바로 그것이다. 산화물반도체를 TFT 재료로 활용해 대형 OLED TV용 패널을 양산하고 있는 LG디스플레이도 이러한 문제 탓에 수율 확보에 애를 먹었다. LG는 이 문제를 해결하기 위해 상용 제품에 별도 보상 회로를 탑재했다.

김용성 박사는 “이번 연구 성과는 OLED의 수율 확대, UHD를 뛰어넘는 SHV 해상도의 LCD를 개발로 이어질 것”이라고 말했다.

이번 연구는 미래창조과학부가 지원하는 나노소재개발사업 ‘산화물, 화합물 반도체 나노입자 물성 계산 및 데이터베이스(DB) 구축’ 연구수행을 통해 이루어졌다. 네이처 자매지인 엔피지 아시아 머터리얼즈 온라인판 11월 14일자에 실렸다(논문명 Under-Coordinated Indium as an Intrinsic Electron Trap Center in Amorphous InGaZnO4).

<한주엽 기자>powerusr@ddaily.co.kr