증착 페로브스카이트 반도체, 차세대 회로에 전력 공급

POSTECH(포항공과대학교) 화학공학과 노용영 교수와 리오 유진 박사가 이끄는 연구팀은 차세대 디스플레이와 전자 소자의 혁명을 가져올 획기적인 기술을 개발했습니다. 이 연구는 중국 전자과학기술대학교(UESTC)의 아오 리우 교수와 후이후이 주 교수와의 공동 연구로 진행되었으며, 연구 결과는 네이처 일렉트로닉스(Nature Electronics ) 4월 28일자에 게재되었습니다.

스마트폰에서 비디오를 스트리밍하거나 게임을 할 때마다 수천 개의 트랜지스터가 쉴 새 없이 작동합니다. 이 미세한 부품들은 마치 교통 신호처럼 전류를 조절하여 이미지를 표시하고 앱의 원활한 작동을 보장합니다.

트랜지스터는 일반적으로 n형(전자 전달)과 p형(정공 전달)으로 구분되며, n형 소자가 일반적으로 더 우수한 성능을 보입니다. 그러나 저전력 소모로 고속 컴퓨팅을 구현하려면 p형 트랜지스터도 비슷한 효율을 달성해야 합니다.

이러한 과제를 해결하기 위해 연구팀은 독특한 결정 구조를 가진 새로운 p형 반도체 물질인 주석 기반 페롭스카이트에 집중했습니다. 이 물질은 고성능 p형 트랜지스터의 유망한 후보 물질로 부상했습니다. 기존에는 잉크를 종이에 적시는 것과 유사한 용액 공정으로만 제조되어 왔기 때문에 확장성과 일관된 품질에 어려움이 있었습니다.

연구팀은 OLED TV 및 반도체 칩 제조 등 산업 전반에 널리 사용되는 공정인 열 증착법을 적용하여 고품질 세슘-주석-요오드화물(CsSnI3) 반도체 층을 제조하는 데 성공하는 중요한 돌파구를 마련했습니다. 이 기술은 고온에서 재료를 기화시켜 기판에 박막을 형성하는 기술입니다.

또한, 연구진은 소량의 염화납(PbCl2)을 첨가하여 페 로브스카이트 박막의 균일성과 결정성을 향상시킬 수 있었습니다. 그 결과, 제작된 트랜지스터는 뛰어난 성능을 발휘하여 30 cm² /V·s 이상의 정공 이동도와 10⁻² 의 온/오프 전류비를 달성했습니다. 이는 기존 상용화된 n형 산화물 반도체와 유사한 수준으로, 빠른 신호 처리와 낮은 스위칭 전력 소모를 보여줍니다.

이 혁신은 소자 안정성을 향상시킬 뿐만 아니라 대면적 소자 어레이 제작을 가능하게 하여 기존 솔루션 기반 방식의 두 가지 주요 한계를 효과적으로 극복합니다. 중요한 점은 이 기술이 OLED 디스플레이 생산에 사용되는 기존 제조 장비와 호환되어 비용 절감 및 제조 공정 간소화에 상당한 잠재력을 제공한다는 것입니다.

노용영 교수는 "이 기술은 300℃ 이하의 낮은 공정 온도로 스마트폰, TV, 수직 적층 집적 회로, 심지어 웨어러블 전자기기에 사용되는 초박형, 유연하고 고해상도의 디스플레이를 상용화할 수 있는 흥미로운 가능성을 열어줄 것"이라고 말했습니다.

본 연구는 한국연구재단(NRF) 중견연구자지원사업, 국가반도체연구소핵심기술개발사업, 삼성디스플레이의 지원을 받아 수행되었습니다.

출처: https://www.sciencedaily.com/releases/2025/05/250506224414.htm