스마트폰, 컴퓨터는 물론, 자동차에도 들어가는 반도체는 이제 우리 삶에서 떼려야 뗄 수 없는 필수적인 존재가 됐다. 문제는 반도체의 기능이 향상되고, 더 많은 반도체를 만들어내려 할수록 환경비용이 늘어난다는 점이다. 반도체 제조 과정에 불가피하게 발생하는 온실가스와 폐기물은 심각한 환경문제로 거론되고 있으며, 기후위기에 직면한 지금, 학계와 산업계는 이를 개선하고자 노력을 이어가고 있다.
POSTECH(포항공과대학교) 화학공학과 노용영 교수‧아오 리우(Ao Liu) 박사 팀은 간단한 열증착 공정으로 황화비스무트(Bi2S3)로 고성능 N형 반도체와 텔루륨(Te) 고성능 P형 반도체를 만드는데 성공했다. 특히 현재 대면적 8세대 OLED (2200 × 2500 mm)를 제조하는 열증착 공정을 이용하여 대면적으로도 만들 수 있고, 제조단가가 싸면서도 간단하고 친환경적인 공정이라는 점에서 OLED 디스플레이의 구동회로 및 다양한 반도체회로에 활용될 것으로 주목을 모은다.
현재 OLED 디스플레이의 구동회로로 사용되는 저온 다결정 실리콘과 산화물 반도체가 결합된 LTPO 구동회로(LTPO, Low Temperature Poly-crystalline silicon and Oxide)는 낮은 소비전력으로 인해서 모바일 기기의 배터리 수명 연장에 강점이 있지만, 제조공정이 복잡하고 제조비용이 높은 단점이 있다. 특히 ESG경영에 대한 요구가 높아지는 최근에는 높은 에너지소비가 요구되는 이러한 반도체 제조공정의 약점을 개선하기 위하여, 보다 단순하고 친환경적인 반도체 제조공정을 개발하려는 연구가 이어져 왔다.
노용영 교수팀은 그래핀과 비슷한 2차원 물질 ‘전이금속칼코젠’을 활용하기로 했다. 칼코젠은 주기율표 상 16족에 해당하는 원소 중 산소를 제외한 황, 셀레늄, 텔레늄을 의미하는데 여기에 전이금속을 더해 만든 화합물은 반도체와 도체 상태를 모두 가진다. 연구팀은 그중에서도 황화비스무트(Bi2S3)를 이용하되, 기존에 알려졌던 용액공정이 아니라, 물질을 고진공 상태에서 열에 의해서 승화시켜 발생한 증기를 기판에 부착시키는 열 증착 방식을 사용해 반도체 박막을 제작했다. 특히 간단한 열처리를 통해서 전하량을 조절, 도핑없이도 반도체와 도체를 자유롭게 제조할 수 있는 공정은 이번 연구의 핵심 원천성으로 평가받고 있다.
연구팀은 이를 기반으로 고성능 N형 박막트랜지스터를 구현하는 한편, 동일한 방식으로 텔루륨(Te) 고성능 P형 반도체를 만드는 데도 성공했다.
또, 이 방식은 OLED 디스플레이 발광소자를 제조하는 표준방식으로, OLED 디스플레이 제조공정에 이 트랜지스터와 전자회로 제조를 추가하면, 한 번의 공정으로 OLED 디스플레이를 제조할 수 있다. 이 방식으로는 비싼 가격이 단점으로 꼽히는 OLED 디스플레이 제조단가를 획기적으로 낮추는데도 기여할 것으로 기대된다.
물론 새로운 장비를 마련할 필요 없이 기존에 사용하고 있는 OLED용 열증착 장비를 활용할 수 있어 공정에 필요한 예산과 제조비용을 줄일 수 있다는 점 역시 중요한 포인트다.
연구를 주도한 노용영 교수는 “이번에 사용한 황화비스무트 및 텔루륨는 간단한 열처리만으로도 전도체에서 반도체로 전이되는 아주 매력적인 소재”라며 “이번 연구에서는 여기에 활용되는 값비싼 MOCVD등의 공정 대신 간단한 열증착 공정으로 웨이퍼 단위의 N형 및 P형 트랜지스터와 이를 결합한 상보형 인버터회로를 구현한 것”이라고 연구를 설명했다.
그는 또, “향후 이 결과는 칼코젠 반도체 소자를 활용한 다양한 연구 및 상용화로 이어질 것으로 기대된다”며 “이 기술을 바탕으로 메모리소자, 뉴로모픽 디바이스로 연구를 확대하고 있다”고 계획을 밝혔다.
국제학술지 ‘네이처 커뮤니케이션(Nature Communications)’지를 통해 발표된 이 연구는 한국연구재단과 삼성디스플레이의 연구지원을 통해 수행됐다.
