곡률반경 1.5㎜로 접을 수 있는

무기물 기반 트랜지스터 개발 

- GIST 정건영 교수팀, 제작 쉽고 유연한 무기물 기반 트랜지스터 제작 성공
- IGZO금속산화물 기반 트랜지스터 최대 굽힘변형률 3.33%…Scientific Reports 게재

[그림 2] 열처리 후 주사전자 현미경 사진. 게이트 유전물질로 PMMA를 썼을 경우(왼쪽), 열처리 후 IGZO 박막이 갈라지는 것을 관찰할 수 있다(왼쪽 아래). 반면 게이트 유전물질로 SA7을 쓴 경우(오른쪽), 열처리 후 IGZO 박막에 갈라짐이 발생하지 않는다. 즉, SA7 게이트 유전층 기반의 IGZO 트랜지스터는 열처리 후에도 반도체 표면이나 전극에 갈라짐이 발생하지 않는 매우 우수한 내열성 및 내구성을 보였다.

□ GIST(광주과학기술원) 연구진이 곡률반경 1.5㎜ 이하로 1000번 이상 휘어져도 작동하는 무기물 기반 트랜지스터를 개발했다. 돌돌 말거나 접을 수 있는 스마트 전자기기의 상용화에 크게 기여할 수 있을 것으로 기대된다.

  * 곡률반경 : ‘곡률’은 휘어진 정도를 말하며, 곡률의 역수(逆數)인 ‘곡률반경’은 그 휘어진 곡선을 이루는 원의 반지름을 의미. 곡률이 클수록, 즉 휘어진 정도가 클수록 곡률반경이 작고, 휘어진 정도가 작을수록 곡률반경이 크다.

□ 기존의 유연 트랜지스터 채널 물질로는 잘 휘어질 수 있는 반도체 고분자(semiconducting polymer) 물질이 많이 이용되지만, 전자이동도가 낮아 고성능 전자소자에 이용하기 어렵다. GIST 신소재공학부 정건영 교수(교신저자) 연구팀은 새로운 폴리머 게이트 유전물질 위에 전자 이동도가 높은 IGZO 금속 산화물 채널로 구성된 유연한 무기물 기반 트랜지스터를 제작하는 데 성공했다. (그림1 참조)

  * IGZO : 인듐(In)-갈륨(Ga)-산화아연(ZnO)으로 구성된 비정질 반도체 물질. 용액공정 또는 간단한 스퍼터링으로 쉽게 제작 가능하며, 우수한 전자이동도와 광(光)수집 특성을 가짐

[그림 1] 폴리이미드 기반 유연 IGZO 트랜지스터의 단면도. 폴리이미드 위에 제작한 IGZO-TFT는 물리적으로 약하게 접촉하고 있어 PDMS/glass substrate로부터 쉽게 분리가 가능함. 평평한 PDMS/glass substrate 위에서는 스핀코팅 용액공정이 가능하며, 폴리이미드 기판과 SA7 게이트 유전물질의 이용으로 열처리 간 공정 결함이 최소화되므로 우수한 IGZO-TFT를 제작할 수 있음.

  ∘ 기존에 게이트 유전물질로 많이 쓰이는 PMMA 위에 증착된 IGZO 박막은 열처리 이후 표면이 갈라지거나(crack) 주름(wrinkle)이 지는 현상이 발생했다. 하지만, 연구팀은 폴리머 게이트 유전물질로서 열적 안정성이 매우 우수한 SA7을 사용, 그 위에 IGZO 박막을 증착 후 열처리 시 갈라짐과 주름이 없는 박막을 제작할 수 있었다. (그림2 참조)

  ∘ 특히, 1.5㎜의 곡률반경으로 굽혔을 때 IGZO 채널에 형성된 나노 주름들이   박막을 다시 펼칠 때는 사라지는 복원력을 보여주었다. (그림3 참조) 이렇게 개발된 IGZO 박막 트랜지스터(TFT)는 전자이동도 15.64㎝2/Vs, 문턱전압* 6.4V, 온오프 전류비* 4.5×105의 소자 특성을 나타냈다.

  * 문턱전압(threshold voltage): 트랜지스터의 소스-드레인 전극에 일정 전위차를 주고 게이트 전극에 전압을 인가할 때 반도체 박막 내 전하가 움직일 수 있는 채널을 형성시키는 최소의 게이트 전압. 문턱전압이 높으면 사용하는 동안 전력 소비가 커지므로 적은 문턱전압이 요구됨. 

  * 온오프 전류비(on/off current ratio): 트랜지스터 동작 시 포화전류 대 기저 전류의 비로 ‘점멸비’라고 함. 점멸비가 높을수록 반도체에 흐르는 전류의 양을 효과적으로 제어할 수 있어서 우수한 성능의 반도체를 구현 가능

  ∘ 아울러 곡률반경 1.5㎜에서 1000회 이상의 굽힘 실험(bending test) 후에도 소자의 특성 저하가 거의 발생하지 않았다. 이는 굽힘 변형률* 3.33%에 해당하며, 기존에 보고된 유연 IGZO 트랜지스터의 최대 굽힘 변형률 1.5%를 크게 상회하는 결과이다. (그림4 참조)

  * 굽힘 변형률 : 외부에서 굽힘 변형력이 가해졌을 때 물질이 변형되는 정도를 나타내는 수치. 굽힘 변형률이 높을수록 굽힘으로 인한 변형 정도가 커도 작동함을 의미

[그림 3] (좌) 유연 IGZO 트랜지스터를 곡률반경 1.5㎜로 굽혔을 때 IGZO 채널의 나노 크랙이 생성됨을 볼 수 있다. (우) 굽힘 응력이 제거된 후 평탄화 되었을 때, 같은 위치의 현미경 사진으로 굽혔을 때 보였던 나노 크랙들이 사라지고 매우 평탄한 IGZO 채널을 볼 수 있다.

[그림 4] 곡률반경 1.5㎜ 이하로 굽힘 시험 모습(왼쪽)과 1000회 굽힘 반경 테스트 후 트랜지스터 특성을 보여주는 그래프(오른쪽). 1000회의 굽힘 테스트를 진행한 결과 트랜지스터의 특성 저하가 보이지 않음.

□ 정건영 교수는 “이번에 개발한 IGZO 트랜지스터는 굽히거나 접을 수 있는 차세대 전자기기에 적용할 수 있는 가능성을 제시했다”며 “향후에는 고무줄처럼 잡아당긴 후 본래의 크기로 되돌아가더라도 작동 가능한 신축성 있는 IGZO 트랜지스터를 개발할 계획”이라고 말했다. 

□ 정 교수가 주도하고 GIST 박사과정의 요긴스 쿠마레산(Yogeenth Kumaresan‧인도) 학생이 수행한 이번 연구는 미래창조과학부와 한국연구재단이 지원하는 파이오니어 사업과 GIST 연구원(GRI)의 지원을 받았으며, 네이처 자매지인 사이언티픽 리포츠(Scientific Reports) 11월 23일자에 게재됐다.     <끝>

대외협력팀