탄소나노튜브 응집문제 해결
저가·고성능 박막 트랜지스터 개발

 

 ◇ 함문호 교수팀, 재료과학 분야 저명 학술지 스몰(Small) 표지 논문 게재

 ◇ 리튬·탄소나노튜브 이용, 차세대 디스플레이 적용 가능성 제시

 

 

리튬과 기능화된 탄소나노튜브가 도핑된 산화아연 박막 트랜지스터의 실제 사진. (왼쪽부터) 함문호 교수, 손기철 연구원, 지상수 연구원

 

 

□ 한국연구재단(이사장 정민근)은 미래창조과학부 글로벌프론티어사업과 교육부 이공학개인기초연구지원사업(기본연구)을 지원 받은 함문호 교수 연구팀(광주과학기술원)이 저가의 원소만으로 차세대 디스플레이 구동소자*에 적용할 수 있는 산화물 반도체 박막 트랜지스터*를 개발했다고 밝혔다. 

 

* 구동소자 :  디스플레이의 최소 영상 구성단위인 화소(pixel)의 구동을 제어하는 스위칭 소자

*산화물 반도체 박막 트랜지스터 : 반도체 층 소재로 금속 산화물을 사용한 박막 트랜지스터. 금속 산화물은 기존 비정질 실리콘에 비해 전기적‧광학적 특성이 우수하여 고해상도 구현이 가능하다. 또한 금속 산화물은 밴드 갭(3.38 eV)이 넓어 차세대 투명 디스플레이 소재로 응용하기 위해 널리 연구되고 있다.

 

□ 박막 트랜지스터는 TV, 휴대폰 등에 탑재되는 디스플레이를 구성하는 핵심적인 부품 중 하나이다. 미래형 디스플레이가 고해상도를 요구하면서 동시에 대면적화 되고 있는 추세에 따라 높은 전하 이동도*를 가지면서 용액 공정이 가능한 산화물 반도체 기반 박막 트랜지스터가 주목을 받고 있다.

 

* 전하이동도 : 트랜지스터 내에서 전기장에 의해 전하가 이동하는 속도. 전하이동도가 높을수록 트랜지스터 성능이 우수함을 의미한다.

 

  o 하지만 용액 공정으로 제조된 산화물 반도체 박막 트랜지스터는 일반적으로 전하이동도가 낮다. 때문에 전하이동도를 높이기 위한 고가의 희토류 원소인 인듐*의 도핑이 필수적으로 필요해 상용화에는 어려움이 있었다. 

 

* 인듐 : 대표적인 희토류 금속 중 하나로, 디스플레이, 태양전지 등 응용소자의 핵심 부품인 박막 트랜지스터 및 투명전극으로 이용되고 있는 소재의 주성분이다. 수요 대비 공급량이 절대 부족하여 가격경쟁력이 매우 취약하다.

 

  o 또한 용액 상에서 탄소나노튜브* 간 응집 현상*으로 인해 기대만큼 소자 성능이 개선되지 않을 뿐만 아니라 높은 누설 전류 및 불균일한 전기적 특성을 보였다.      

 

* 탄소나노튜브 : 탄소나노튜브는 탄소 원자들이 sp2 결합으로 연결된 1차원 원통형 구조로써  높은 전하 이동도와 강도를 지녀 다양한 반도체 소자에 응용하기 위해 연구되고 있는 물질이다. 

* 응집현상 : 탄소나노튜브 표면의 소수성 특성으로 인해 물 또는 알코올 류의 용매에서 탄소나노튜브 간에 뭉치는 현상이 발생한다.  

 

□ 연구팀은 이러한 현실적 문제의식 속에서 탄소나노튜브를 첨가했을 때 일어나는 용액 상에서의 탄소나노튜브 간 응집 현상을 해결하기 위해 고가의 인듐 대신 값싼 금속인 리튬을 도핑하고, 탄소나노튜브가 친수성을 갖도록 산(acid) 처리해 용매에 잘 분산될 수 있도록 했다.

 

 

 

 

[그림 2] 탄소나노튜브의 산 처리와 전하 이동도. 산(acid) 처리 전후의 탄소나노튜브 용액이 용기에 담긴 사진(좌). 산 처리를 하지 않은 경우 탄소나노튜브들이 응집되어 검은 침전물이 나타나지만, 산 처리를 하면 탄소나노튜브가 응집되지 않고 용액 내에 균일하게 분산됨을 확인할 수 있다. 오른쪽은 산화아연(검정), 리튬이 도핑된 산화아연(빨강), 산 처리 전(파랑)과 후(초록)의 탄소나노튜브가 첨가된 산화아연 박막 트랜지스터의 전하 이동도를 비교한 그래프

 

 

[그림 3] 리튬 및 산 처리된 탄소나노튜브가 도핑된 산화아연의 전구체 용액 제조 모식도. 탄소나노튜브 용액을 제조하고 탄소나노튜브에 존재하는 불순물을 제거한 후 황산/질산 혼합용액에 탄소나노튜브를 넣고 산 처리를 진행한다. 이 후 물을 이용하여 세척하고 2-메톡시에탄올(methoxyethanol)에 분산시켜 기능화된 탄소나노튜브 용액을 제조한다. 탄소나노튜브 용액과 리튬/아연 전구체 용액을 혼합하여 탄소나노튜브가 잘 분산된 리튬/아연 전구체 혼합 용액을 제조한다.

 

 

  o 연구팀이 개발한 산화아연 박막 트랜지스터는 전하 이동도가 28.6㎠/Vs로, 산화아연이나 산화아연에 리튬만 도핑한 것에 비해 각각 20배와 5배 향상되었다. 이는 현재까지 고가의 인듐을 사용하지 않은 산화물 반도체 중 가장 높은 값이다. 전하이동가가 높다는 것은 초고해상도 구현이 가능하다는 것을 의미한다. 때문에 이 기술을 통해 고가의 인듐 없이 저가의 원소만으로 이루어진 고성능 산화물 반도체 박막 트랜지스터의 대면적 생산이 가능할 것으로 기대된다.

 

□ 함문호 교수는 “이번 연구성과는 저가 용액 공정에 기반한 박막 트랜지스터 생산의 가능성을 제시한 것으로, 초고해상도 TV, 핸드폰뿐만 아니라 스마트 시계 등 플렉서블 스마트 기기 등에 활용될 것으로 기대된다” 라고 연구의 의의를 설명했다.

 

□ 이 연구성과는 재료과학 분야 저명 학술지 스몰(Small)에 2월 9일자 게재되었다.  <끝>

 

 

한국연구재단 · GIST 대외협력팀