Research

[POSTECH·中UESTC 공동 연구팀, 열증착 공정’으로 P형 트랜지스터 성능 향상]

 화학공학과 노용영 교수, 화학공학과 노유진 박사 연구팀이 중국 UESTC 아오리우 교수, 휘휘주 교수와의 공동 연구를 통해 차세대 디스플레이와 전자기기에 혁신을 가져올 새로운 기술을 개발했다. 이번 연구는 전기·전자 분야 국제 학술지인 '네이처 일렉트로닉스(Nature Electronics)'에 지난 28일 게재됐다.

 스마트폰으로 영상을 보거나 게임을 할 때 화면 속 수많은 트랜지스터들이 쉴 새 없이 작동하고 있다. 마치 도로 위의 신호등처럼 전기 신호를 제어해 영상을 띄우고 여러 앱이 원활하게 실행되도록 돕는다. 트랜지스터는 N형(전자가 이동)과 P형(정공이 이동)으로 나뉘는데, 일반적으로는 N형이 더 우수한 성능을 보인다. 그러나 기기의 성능을 높이려면 P형 역시 그에 상응하는 성능을 갖춰야 한다.

 이에 연구팀은 ‘주석 기반 페로브스카이트’라는 독특한 결정 구조를 가진 물질에 주목했다. 이 소재는 P형 트랜지스터에 적합한 이상적인 소재로 떠오르고 있으며, ‘용액공정'으로만 만들 수 있다. 그런데, 이 공정은 잉크를 종이에 스며들게 하듯 소재를 기판에 입히는 방식으로 대규모 생산과 균일한 품질 확보에 한계가 있었다.

 이번 연구에서 연구팀은 실제 여러 산업 현장에서 널리 사용되고 있는 '열증착 공정'을 적용해 세슘-주석-요오드(CsSnI3) 기반 반도체 층을 성공적으로 제작했다. 이 공정은 재료를 고온에서 증발시켜 기판 위에 얇은 막을 형성하는 방식으로 현재 OLED TV나 스마트폰 디스플레이 제조에 활용되고 있다.

 연구팀은 여기에 ‘납 클로라이드(PbCl2)’를 소량 첨가해 페로브스카이트 결정이 더욱 균일하고 형성되도록 했다. 이렇게 개발된 트랜지스터는 정공 이동도 33.8 cm²/Vs와 전류점멸비 10⁸라는 우수한 성능을 보였다. 이는 전기 신호를 매우 빠르게 처리하면서도 켜고 끌 때 전력 소모가 적다는 의미다. 

 이번 연구는 소자의 안정성을 높이고 대면적 소자 어레이 구현에 성공하는 등 기존 용액공정에서 해결하지 못했던 두 가지 큰 문제를 극복했다는 점에서 큰 의미가 있다. 특히, OLED 디스플레이 제조에 쓰이는 기존 장비를 그대로 사용할 수 있어, 제조 비용과 공정 단계를 크게 줄일 수 있을 것으로 기대된다.

 노용영 교수는 “이 기술이 상용화되면 더 얇고 유연하면서도 선명한 화면의 스마트폰과 TV, 그리고 옷처럼 입을 수 있는 웨어러블 기기까지 다양한 미래 전자제품을 만드는 데 활용될 것"이라는 기대를 전했다. 

 한편, 이번 연구는 한국연구재단이 지원하는 중견연구자사업, 국가반도체연구실지원핵심기술개발사업과 삼성디스플레이의 지원을 받아 수행됐다. 

DOI: https://doi.org/10.1038/s41928-025-01380-8