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| ▲ 최적화 공정으로 제작한 페로브스카이트 박막 트랜지스터의 구동 안정성 분석. (a) 2,000개 사이클의 연속적 on/off 스위치 시험 (b) 하나의 트랜지스터의 100번 연속 측정 (c) 하나의 트랜지스터의 바이어스 전압에 따른 회복 시간. 포스텍 제공 | ||
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| ▲ CsI/SnI2 비율과 Pb 치환에 따른 페로브스카이트 박막 분석. (a) 자외선 흡광도 (b) X-선 회절 분석 (c) 박막 표면 이미지 (왼쪽부터 CsI 비율 x=1, x=1.25 그리고 x=1.25에서 10% Pb 치환) (d) 정공 농도 (e) 홀 이동도. 포스텍 제공 | ||
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| ▲ 연구에 사용된 무기물 CsSnI3 기반 페로브스카이트 박막 트랜지스터 구조와 성능 분석. (a) Bottom-gate/top-contact 박막 트랜지스터 구조 (b) CsI/SnI2 몰 비율에 따른 정공이동도와 전류비 (c) 추가-CsI (x=1.25) 비율에서 Pb 치환 비율에 따른 정공이동도와 전류비 (d) 추가-CsI (x=1.25) 비율과 10% Pb 치환 비율의 박막트랜지스터 성능 (e) 출력곡선 (f) 최적화 비율로 제작한 서로다른 10개 샘플에서 100개의 트랜지스터 성능. 포스텍 제공 | ||
페로브스카이트 이용·성능 향상
“광전자 소자 등 널리 사용”
직지심체요절로 시작된 인쇄술은 인류의 정치, 경제, 문화를 더 높은 곳으로 끌어올리며 발전에 크게 기여했다. 이제 인쇄술은 단순히 책이나 문서를 찍어내는 것에서 더 나아가 첨단 기술로 그 영역을 확장하고 있다. 여러 스마트 기기에 활용되는 고성능 소자 역시 인쇄를 이용해 제작하는 데 성공해 화제를 모았다. 이번에는 지금까지 난제로 여겨졌던 페로브스카이트 소자를 인쇄할 수 있는 기술이 나왔다.
포스텍 화학공학과 노용영 교수·박사과정 아오리우(Ao Liu)·휘휘주(Huihui Zhu) 씨 연구팀은 성균관대학교 재료공학부 김명길 교수와 함께 페로브스카이트를 이용해 고성능 P형 반도체 트랜지스터를 개발, 성능을 크게 향상시켰다. 특히 이 기술은 반도체 소재를 용액으로 만들어 간단하게 소자를 인쇄할 수 있다는 것이 큰 장점으로 꼽힌다.
트랜지스터는 전자가 이동하는 N형 반도체와 정공이 이동하는 P형 반도체를 접합함으로써 전류를 제어한다. 다만 활발히 연구돼 온 N형 반도체와 달리, 성능이 높은 P형 반도체를 만들기는 어려웠다.
많은 연구자들이 전기 전도성이 뛰어난 페로브스카이트를 P형 반도체 소재로 사용하고자 했지만, 이 소재는 고온 공정이 어려워 상용화에 한계가 있었다.
연구팀은 무기물 금속 할로겐화물 소재인 세슘-주석-요오드(CsSnI3)를 이용해서 페로브스카이트 P형 반도체를 개발하고, 이를 바탕으로 고성능의 트랜지스터를 만드는 데 성공했다. 이 트랜지스터는 50cm2V-1s-1 이상의 높은 정공 이동도와 100만 이상의 전류 점멸비를 보이며, 지금까지 나온 페로브스카이트 P형 반도체 트랜지스터 중 최고 성능을 기록했다.
특히 소재를 용액으로 만들어, 문서를 찍어내듯이 간단히 인쇄하는 것만으로 P형 반도체 트랜지스터를 제작할 수 있도록 했다. 이 공정은 편리할 뿐만 아니라, 공정 단가가 낮아 페로브스카이트 소자의 상용화에 기여할 것으로 기대된다.
노용영 교수는 “이 반도체 소재와 트랜지스터는 향후 디스플레이나 웨어러블 전자소자의 구동회로에 사용될 수 있을 뿐만 아니라, 실리콘 반도체와 수직으로 쌓아 적층형 전자회로와 광전자 소자 등에도 널리 사용될 수 있다”고 말했다.
한편, 세계적인 학술지의 네이처(Nature)의 자매지인 국제학술지 ‘네이처 일렉트로닉스
(Nature Electronics)’에 최근 게재됐다. 이 연구는 한국연구재단 중견연구사업, 미래소재디스커버리사업, 차세대지능형반도체사업, 기초연구실지원사업과 삼성디스플레이의 연구지원을 통해 수행됐다.
이부용 기자
queennn@paran.com