▲ 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..

국내 연구진이 투명 반도체 스위치(트랜지스터) 소자로 각광받는 비정질 금속-산화물 반도체의 안정성을 높일 수 있는 기술을 개발했다.

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

비정질 금속-산화물 반도체는 높은 전자이동도와 기존 공정과의 유사성으로 차세대 디스플레이 소자의 핵심소재로 주목받지만 빛과 전기적 스트레스에 취약해 응용에 한계가 있었다.

외부 빛 등에 반응해 반도체 내부에서 자유전자 등이 발생, 특성이 변해버리는 것이 문제였다. 이를 극복하기 위한 기존의 산소 플라즈마 처리 방식은 안정성 확보가 아직 미흡한 상황이며, 금속 차단막 적용 방식은 투과도가 손실되는 한계가 있었다.

주병권 고려대학교 전기전자공학부 교수 연구팀과 KAIST 전기전자공학과 최경철 교수 연구팀은 지난해 3월 발표한 표면 플라즈몬을 이용한 디스플레이 컬러필터를 활용, 반도체 소자에 영향을 주는 470nm 이하 파장을 차단하고, 그 외 파장대역은 투과시키는 방식으로 소자특성 변화를 막아 광-전압 신뢰성을 높임으로써 작동시의 안정성을 향상시켰다.

광-전압 신뢰성(NBIS, Negative Bias Illumination stress Stability)은 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 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 제작 가능해 사업화도 어렵지 않을 것이라고 연구진은 밝혔다.

또한 연구진이 이미 발표한 고효율의 디스플레이 컬러필터 및 투명 OLED 기술과 결합한다면 가까운 미래에 차세대 투명 디스플레이가 개발돼 평범한 유리창에서도 TV를 시청할 수 있을 것으로 기대했다.

한편 이 연구는 미래창조과학부와 한국연구재단이 추진하는 선도연구센터지원사업으로 수행됐으며 연구결과는 첨단신소재 분야 국제학술지 어드밴스드 펑셔널 머티리얼스 3월17일자 온라인판에 게재됐다.