▲ 용액공정을 활용한 소자제작 방법 모식도.

그동안 실험실 수준에 불과하던 전자소자(박막 트랜지스터, TFT)의 모든 구성의 용액공정화가 국내 연구진에 의해 실현됐다. 연구진은 바로 기존 반도체 공정에 적용이 가능한 만큼 상용화에 따른 국내 산업의 활성화가 기대된다고 밝혔다.

한국지질자원연구원(원장 김규한, KIGAM)는 8일 최지혁 광물자원연구본부 희유자원활용연구실 박사가 수행한 고기능성 무기 나노입자 박막 구현 연구결과가 세계 3대 과학저널인 ‘사이언스(Science)紙’에 게재됐다고 밝혔다.

최근 나노입자는 활용이 용이한 박막형태로 차세대 핵심소재로 연구되고 있다. 박막형태의 무기 나노입자는 용액공정을 통해 저가의 대량생산이 가능하고 넓은 면적에 적용이 용이하기 때문에 기존 진공증착 방식의 실리콘 기반 반도체 산업을 대체할 차세대 전자부품 소재로 각광받고 있다.

하지만, 무기 나노입자를 박막형태로 만들었을 때 전기전도성이 현저히 떨어지는 단점이 존재해 나노입자 박막의 활용은 시험적인 수준이었다.

그러나 최 박사가 제시한 새로운 기술을 적용하면 전통적인 진공증착 방식 대신 저가의 용액공정을 기반으로 전자소자(박막 트랜지스터, TFT)의 모든 구성부품을 제조할 수 있게 됐다.

기존 용액공정 기반의 나노입자 박막은 신뢰성을 확보할 수 없어 일부 구성요소 제조에만 한정됐지만 최 박사는 용액공정을 통한 박막화 과정과 여러 층의 나노입자 박막이 적층되는 과정에서도 나노입자들의 기능을 유지하며 모든 구성요소에 용액공정을 적용하는데 성공했다.

특히, 전자소자 제작의 막바지 단계에서 반도체 층을 활성화시키기 위해 도핑 처리를 하는데, 역시 진공증착 방식을 사용하던 이 도핑공정 단계까지 용액공정으로 처리할 수 있는 ‘전 공정 용액공정화’를 이뤄낸 최초의 연구결과라 할 수 있다.

플라스틱 기판에 공정 가능한 저온 공정이라는 점은 도핑단계에 이르기까지 전 공정을 용액공정으로 처리할 수 있음을 의미한다. 지금까지 유리기판을 플렉서블한 플라스틱 기판으로 대체하지 못한 이유 중 하나가 진공증착이 고열로 진행됨에 따라 투명 플라스틱이 녹아버리는 문제가 발생했다.

최 박사는 이번 연구를 위해 용액공정이 가능한 다양한 나노기술을 개발하고, 각 기술들을 효과적으로 융합하여 진공증착된 박막의 특성에 준하는 고기능성 나노입자 박막을 구현해냈다.

고기능성 나노입자 박막을 제작하기 위해서는 먼저 나노입자간의 거리를 줄이고, 서로간의 전기적 결합력을 향상시켜야 한다. 특히, 나노입자 표면의 결함을 제어하고 필요한 전하를 나노입자에 효과적으로 주입할 수 있어야한다.

향후 저가의 용액공정을 기반으로 기존 전자소자의 전 구성부품을 대체할 수 있을 것으로 기대된다. 특히, 이 기술은 현재 전자산업에서 채택하고 있는 최적화된 반도체 양산 공정에 곧바로 적용이 가능하기 때문에 산업화 가능성도 기대된다.

또한, 용액공정을 활용하는 이 기술은 설비비용이 낮고, 소규모 장비로 구현이 가능해 상대적으로 자금력이 부족한 중소기업들에게 전자소자 제조산업 진출의 길을 열어줄 수 있어 의미가 크다.

제1저자인 한국지질자원연구원 최지혁 박사는 “앞으로는 나노연구가 기초 분야에서 한걸음 더 나아가 상용가능한 차원에서 모든 전자부품에의 적용을 위한 실용적 연구로 더 활발해질 것”이라며, “산업적 수요에 따라 다양한 분야에 응용될 수 있을 것”이라고 말했다.

한편, 최 박사는 사이언스지 4월 8일자에 실린 ‘고기능성 구현을 위한 무기 나노입자의 유기적 결합 및 조합체계 연구(Exploiting the colloidal nanocrystal library to construct electronic devices)’ 논문에 제1저자로 참여했으며, 최 박사의 지도교수인 펜실베니아대학 셰리 케이건(Cherie R. Kagan) 교수는 교신저자로 이름을 올렸다. 공저자로는 펜실베니아대학 크리스토퍼 머레이 교수, 고려대학교 오승주 교수, 연세대학교 성진우 박사와 펜실베니아 대학의 연구팀이 참여했다.