투명하면서도 우수한 전기적 특성을 갖는 비정질 금속-산화물 반도체. 차세대 디스플레이 스위칭소자 소재가 주목을 받는 최근, 많은 연구자들은 비정질 금속-산화물 반도체를 통해 투명전자소자를 구현하려는 노력을 꾸준히 진행하고 있다. 하지만 비정질 금속-산화물 반도체 기반의 트랜지스터는 외부 빛과 전기적 스트레스가 동시에 가해지는 환경에서 그 특성이 열화되는 단점이 있어 이를 해결해야 한다는 과제가 놓여 있었다. ‘열화’ 란 반도체가 다양한 영향에 의해 전기적 성질이 나빠지는 현상을 말한다. 이 때문에 투명전자 소자를 실내외 환경에서 사용할 때 오작동하는 경우가 종종 발견됐으며 이러한 오류는 상용화에 결정적인 걸림돌로 작용했고, 이를 해결하는 것이 급선무였다.

높은 효율과 안정성 확보

국내 연구진이 비정질 금속-산화물 반도체의 안정성을 높일 수 있는 기술을 개발해 주목을 받고 있다. 주병권 고려대 교수팀이 플라즈모닉 필터를 트랜지스터에 집적, 열화의 주원인이 되는 파장대의 빛을 차단함으로써 안정성을 확보한 것이다. ‘플라즈모닉 필터’란 표면 플라즈몬 공명을 이용해 특정 파장대의 빛 투과율을 높인 나노사이즈의 구조체를 일컫는다.

주병권 고려대 전기전자공학부 교수 ⓒ 한국연구재단

“비정질 산화물반도체는 일반적으로 내부결함에 의해 465 nm 이하의 파장대 빛과 전압이 동시에 인가되는 상황에서 성능열화가 발생합니다. 빛과 전기적 스트레스에 취약한 거죠. 이를 억제하기 위해 저희 연구팀은 470 nm, 580 nm 두 가지의 파장을 차단하는 플라즈모닉 필터를 제작해 소자에 집적했어요. 반도체 소자에 영향을 주는 파장 대역 (470 nm 이하)을 차단하고, 그 외 파장대역은 투과시키는 방식으로 소자특성 변화를 막았습니다. 광-전압 신뢰성을 높임으로써 작동시의 안정성을 향상시켰습니다.

두 가지 파장의 필터를 제작한 이유는 디스플레이 구현에 있어 녹색과 적색부분에 각각 적용하기 위해서입니다. 플라즈모닉 필터를 적용함으로써 465 나노미터 이하 파장대의 빛은 소자에 거의 전달되지 않기 때문에 스트레스가 인가되는 상황에서 소자의 특성변화를 억제할 수 있었죠.”

비정질 금속산화물 반도체는 가시광에 투명한 특성을 나타내기는 하지만 반도체 내부 결함준위가 가시광에 의해 상태변화를 일으켜 반도체의 전자농도변화를 가져온다. 그 결과 소자의 특성이 변하게 될 뿐 아니라 외부광원이 제거됐을 경우에도 원래대로 돌아오지 않아 처음 디자인한 소자의 특성에서 벗어나버리곤 한다.

“외부광원이 제거돼도 변화한 상태가 일부는 돌아오고 대부분의 상태는 그대로 유지돼요. 때문에 그 특성이 처음과 달라지는 게 문제입니다. 이를 해결하기 위한 다양한 연구는 지난 2007년부터 계속됐지만 주로 원인을 규명하는 차원에서 그치곤 했습니다. 재료적 관점에서 이를 해결하려는 많은 시도가 있었지만 만족할만한 안정성을 확보하지는 못했죠. 결과적으로 이 문제가 해결되지 않는 상황에서 진정한 투명전자소자를 구현하는 것은 어렵다고 생각해요. 때문에 관련된 연구가 중요하게 여겨지는 것이고요.”

결국 안정성 확보가 문제다. 비정질 금속산화물 반도체는 외부 빛 등에 반응해 반도체 내부에서 자유전자 등이 생성하는 등 불안정했기 때문이다. 이를 극복하기 위해 연구팀은 지난해 발표한 표면 플라즈몬을 이용한 디스플레이 컬러필터를 활용했다. 해당 기술은 금속 나노입자 표면에 위치한 전자가 특정 광원에 반응해 공명하는 것을 이용한 것으로 개발된 필터는 일정 반경 내 빛의 움직임에 영향을 미친다.

“실험 결과 백색광과 -10V 전압 환경 안에서 소자가 장시간 스트레스를 받았음에도 필터가 없는 경우와 비교했을 때 문턱전압(Threshold) 변화가 1/3 이하로 줄어들었습니다. 뿐만 아니라 빛을 차단하면 스트레스를 받기 전의 상태로 거의 회복되는 안정성을 나타냈죠.”

전기전자공학과이기에 가능했던 연구

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. ⓒ 한국연구재단

이번 연구의 성공적 결과도출에 대해 주병권 교수는 “학과 이름이 신소재공학과가 아니라 전기전자공학과여서 가능했던 것 같다”고 말했다.

“학과 특성상 재료적 관점보다 구조적 관점에서 바라보게 돼요. 때문에 이 문제 역시 구조적 관점으로 풀어보려고 했죠. 처음에는 다른 광학적 특성을 갖는 물질을 이용한 단순필터 층을 적용해보려고 했지만 광학적 특성을 제어하기도 힘들 뿐 아니라 원하는 특성이 나오지 않았습니다. 고민을 정말 많이 했어요. 그러던 중 저희연구실과 KAIST에서 2013년에 공동으로 개발한 플라즈모닉 필터를 적용해보면 어떨까 싶었죠. 플라즈모닉 필터는 광학적 특성을 원하는 대로 디자인할 수 있다는 장점이 있기 때문에 가능할 것 같았거든요. 그런데 놀랍게도 결과 역시 좋았어요. 매우 뿌듯했죠.”

그렇게 개발된 연구결과는 긍정적이었다. 일반적으로 광-전압 스트레스(NBIS, Negative Bias Illumination Stress)에 의한 소자의 특성열화는 5~10V이상의 문턱전압 변화를 보이는 경우가 많다. 주병권 교수는 “이번 연구에서도 3000초의 스트레스를 인가한 상황에서 필터를 적용하지 않은 경우에는 2V 이상의 특성변화를 보였다. 하지만 그린필터를 적용한 경우에는 0.6V 이내, 레드필터를 적용한 경우에는 0.3V 이내의 특성변화를 보였다. 외부 스트레스가 제거된 이후에는 초기상태와 0.1V 이내의 차이로 복귀되는 것을 확인할 수 있었다”고 덧붙였다.

주병권 교수팀이 이번 연구를 진행한 것은 다른 시도를 통해 새로운 결과물을 얻어 보자는 의지가 생기면서다. 주 교수는 “기존 디스플레이에 사용되는 비정질 실리콘을 대체하기 위한 신소재로서 투명 산화물반도체에 대한 관심이 증가한 시기가 있었다”며 “당시 학회나 컨소시엄 등에서 연구자들은 광-전압 스트레스에 의한 신뢰성을 어떻게 확보할 것인가에 대해 많은 논의를 했다”며 당시를 회고했다.

“대부분의 연구자들은 재료적인 관점에서 접근을 시도했어요. 하지만 저희는 다른 경로를 생각해보자 싶었죠. 저희 연구팀 나름대로 생각해서 구조를 변경한 것이 신뢰성 향상에 도움을 준 것 같습니다.”

이번 연구는 실험 자체의 기간은 그리 오래 걸리지 않았다. 다만 논문을 작성하고 이 과정에서 발생한 의문사항에 대해 논의하는 과정이 꽤 길어졌다. 주병권 교수는 “새로운 의문점이 생길 때마다 관련 문헌들을 찾아가며 공부했던 시간이 꽤 오래 걸렸다”며 “그 때가 가장 힘들었던 시간이었던 것 같다”고 덧붙였다.

개발된 기술은 향후 디스플레이 분야에 적용가능성이 클 것으로 보인다. 기존에는 픽셀을 제외한 스위칭소자 부분은 블랙 매트릭스로 차폐시켜서 빛이 소자에 영향을 주는 것을 막았지만, 해당 연구결과를 적용할 경우 스위칭소자 부분을 굳이 차폐시키지 않아도 된다. 때문에 실제로 발광된 빛이 우리에게 보이는 유효면적이 증가하고 양질의 화면을 볼 수 있게 된다는 게 주 교수의 설명이다.

“약 1년 동안 진행한 연구결과가 좋은 평가를 받고 있어 마음이 즐거운 것은 사실입니다. 하지만 아직 가야할 길이 많이 남았어요. 추가적인 연구가 필요한 부분이 있는 만큼 더욱 노력을 더해 앞으로 좋은 연구성과를 낼 수 있도록 하겠습니다.”