주병권 교수연구팀, 투명 디스플레이 스위치 소자 안정화 핵심기술 개발 

-나노 필터를 활용하여 유해 파장의 빛을 차단, 투명 디스플레이 적용 기대-

전기전자공학부 주병권 교수 연구팀이 KAIST 전기및전자공학과 최경철 교수 연구팀과 공동으로 투명 반도체 스위치(트랜지스터) 소자로 각광받는 비정질 금속-산화물 반도체의 안정성을 높일 수 있는 기술을 개발했다. 연구진에 의해 과거 개발된 투명OLED의 효율 향상 기술과 접목하면, 고효율에 안정성도 확보한 차세대 투명 디스플레이 개발에 기여할 것으로 기대된다.

* 비정질 금속-산화물 반도체 : 원자들이 무작위로 배열된 비정질 구조임에도 기존 비정질 실리콘 반도체보다 높은 전자이동도와 가시광 영역에서의 높은 투과율로 차세대 디스플레이의 스위칭 소자를 위한 소재로 주목받고 있음.

이번 연구는 미래창조과학부와 한국연구재단이 추진하는 선도연구센터지원사업의 지원을 받아 수행됐으며, 연구결과는 첨단신소재 분야 국제학술지 어드밴스드 펑셔널 머티리얼스誌(Advanced Functional Materials) 3월17일자 온라인판에 게재됐다. (논문명 : Photo-Insensitive Amorphous Oxide Thin-Film Transistor Integrated with a Plasmonic Filter for Transparent Electronics)

그동안의 비정질 금속-산화물 반도체는 높은 전자이동도와 기존 공정과의 유사성으로 차세대 디스플레이 소자의 핵심소재로 주목받지만 빛과 전기적 스트레스에 취약해 응용에 한계가 있었으며, 외부 빛 등에 반응하여 반도체 내부에서 자유전자 생성 등이 발생, 특성이 변해버리는 것이 문제였다. 또한 이를 극복하기 위한 기존의 산소 플라즈마 처리 방식은 안정성 확보가 아직 미흡한 상황이며, 금속 차단막 적용 방식은 투과도가 손실되는 한계가 있었다.

* 반도체 보호를 위해 빛을 차폐하는 금속막, 디스플레이 패널 픽셀에 보이는 미세한 검은 점이 차단막

연구팀은 ’13.3월 발표한 연구성과인 표면 플라즈몬*을 이용한 디스플레이 컬러필터를 활용, 반도체 소자에 영향을 주는 파장 대역 (470nm 이하)을 차단하고, 그 외 파장대역은 투과시키는 방식으로 소자특성 변화를 막아 광-전압 신뢰성을 높임으로써 작동시의 안정성을 향상시켰다.

* 표면 플라즈몬 : 금속 나노입자의 표면에 위치한 전자가 특정 광원에 반응해 공명하는 것으로 일정 반경 내의 빛의 움직임에 영향을 미친다.

* 광-전압 신뢰성(NBIS, Negative Bias Illumination stress Stability) : 전압(Bias)과 빛이 동시에 소자에 인가되는 상황에서 소자의 안정성을 나타내는 변수로, 이 특성이 안 좋으면 투명 디스플레이 구현은 어렵다.

실제로 백색광과 -10V 전압 환경 안에서 소자가 장시간 스트레스를 받았음에도 필터가 없는 경우와 비교했을 때, 문턱전압(Threshold) 변화가 1/3 이하로 줄어들었고, 빛을 차단하면 스트레스를 받기 전의 상태로 거의 회복되는 안정성을 나타냈다.

비정질 금속-산화물 반도체는 기존 비정질 실리콘(a-Si) 대비 높은 이동도를 갖는데다 투명하다는 장점이 있어, 실내외 다양한 환경에서 안정적으로 구동하는 투명 디스플레이 개발로 이어질 것으로 기대되며, 비교적 쉬운 방법으로 제작가능하여 사업화도 어렵지 않을 것이라고 연구진은 밝혔다.

동 연구는 고려대와 KAIST의 공동연구(공학연구센터(ERC), ’07～’16)로 이뤄낸 쾌거로서, 연구진이 이미 발표한 고효율의 디스플레이 컬러필터 및 투명 OLED 기술과 결합한다면 가까운 미래에 차세대 투명 디스플레이가 개발되어 평범한 유리창에서도 TV를 시청할 수 있을 것으로 기대한다.

< 용 어 설 명 >

1. 어드밴스드 펑셔널 머티리얼스(Advanced Functional Materials) : Wiley가 발행하는 재료기술 분야 국제학술지(2012년 기준 영향력지수 9.765)

2. 비정질 : 재료의 결정구조에서 원자들이 주기적으로 배열되어 있는 형태가 아닌, 무작위로 배열되어 있는 형태.

3. 비정질 금속-산화물 반도체 : 2004년 Tokyo Institute of Technology의 Hideo Hosono교수에 의해 보고된 재료. 비정질 구조임에도 높은 전자이동도와 가시광 영역에서의 높은 투과율을 보인다. ○ 또한 저온공정의 가능성과 기존 비정질 실리콘기반의 공정라인에서 크게 벗어나지 않는 공정으로 차세대 디스플레이의 스위칭 소자를 위한 소재로 주목받고 있음.

4. 문턱전압(Threshold Voltage) : 소자의 On/Off의 기준이 되는 전압.

5. 문턱전압이하 기울기(Subthreshold swing) : Off상태에서 문턱전압까지의 기울기, 전압과 전류의 변화량의 비로 나타내며, 이 값이 작을수록 스위칭 특성이 우수함.

6. 계면전하트랩(Interface Charge Trap) : 전하가 반도체와 절연체의 사이의 불안정한 상태에 묶여서 움직이지 못하게 되는 현상. 트랩이 많을수록 스위칭 특성이 나빠짐.

7. 결함준위(Defect States) : 반도체 내에 존재하는 결정학적으로 불안정한 상태, 결함준위에 존재하는 전자가 전도대 또는 가전자대로 이동하기 위해서는 큰 에너지가 필요함.

8. 레이저 간섭 리소그래피(Laser Interference Lithography) : 레이저 광의 간섭현상을 이용하여 나노구조를 형성하는 기술. 두 개 이상의 레이저가 만나 주기적인 간섭무늬가 형성되고 이를 광감물질인 포토레지스트 층에 노광 및 에칭을 통하여 패턴을 형성하는 방법.

9. 표면 플라즈몬 공명(Surface Plasmon Resonance) : 나노 크기로 형성된 금속 나노 구조체에 특정 광원이 입사되었을 때, 광원의 파장에 따라 금속 나노입자의 표면에 위치한 전자가 공진적으로 진동(공명)하는 유사입자를 지칭한다. 이 현상은 금속과 유전체의 경계면에서 발생하여 수십~수백 나노미터 반경 내에서의 빛의 움직임에 영향을 미치는데, 공진이 일어나는 파장대역은 나노 구조체의 형태와 이루는 물질의 굴절률 등에 의해 조정이 가능하다.

▲ 그림 1. 플라즈모닉 필터가 집적된 비정질 금속-산화물 반도체 트랜지스터 구조. 기판의 하단에 집적한 플라즈모닉 필터에서 소자에 영향을 주는 파장대의 빛을 차단해 소자의 특성열화를 억제할 수 있다.

▲ 그림 2. 플라즈모닉 필터 적용 소자의 특성 다른 파장을 갖는 플라즈모닉 필터를 적용한 실제소자의 광학현미경 사진. 차단파장에 따라 투과되는 빛의 파장대가 바뀌기 때문에 서로 다른 색상으로 보이는 것을 알 수 있다.