국내 연구진이 대면적 대량생산이 가능한 고성능 투명 디스플레이용 반도체 잉크의 결함제어 기술을 개발했다. 성균관대 화학공학/고분자공학부 조새벽 교수와 연세대학교 화공생명공학과 조정호 교수 공동 연구팀은 이같은 내용을 재료기술 분야의 세계적 학술지 어드밴스드 머티리얼즈(Advanced Materials)에 발표했다.

투명 디스플레이 기술은 확장현실(XR), 모빌리티용 디스플레이 등 현실과 전자정보의 오버레이(중첩)를 통한 초실감형 정보전달 기술의 핵심요소로서, 대한민국의 투명 마이크로 OLED 원천기술 선점과 더불어 차세대 국가 디스플레이 산업의 핵심으로 주목받고 있다. 이러한 투명 디스플레이 기술의 발전에 있어 주된 기술적 이슈는 색을 내는 발광소자 (OLED)와 이를 켜고 끄기 위한 전자회로의 투명성을 동시에 끌어올리는 데 있다. 일반적으로 투명성과 전기적 성능은 상충적인 관계이며, 따라서 전자회로의 구성요소인 트랜지스터의 성능과 투명성의 '두 마리 토끼'를 잡을 신소재의 개발에 연구가 집중됐다.

그러나 현재까지 상용가능한 수준의 투명 트랜지스터 기술은 인듐-갈륨-아연의 산화물(IGZO)로 구성된 N-형 반도체 소재에 국한돼 있으며, 이와 함께 회로를 구성하는데 필수적인 투명 P-형 반도체 소재는 매우 제한적이었다.

이에 연구팀은 모노아이오드화 구리 (CuI)의 투명성과 높은 전기적 특성에 주목했다. CuI는 이론적으로 기존의 상용 N-형 투명 반도체 소재보다 높은 성능을 가질 수 있는 P-형 반도체 소재로서 최초 개발됐으나, 화학적으로 불안정해 쉽게 결함이 생긴다는 문제가 있었다. 이러한 결함은 이온성을 지녀 지나치게 높은 전도성을 유도하고, 전기적으로 '꺼지지 않는' 반도체로 변질시켜 실용성에 있어 낮은 평가를 받아왔다. 연구팀은 이러한 CuI 소재의 결함생성이 나노미터 수준의 반도체 박막 (Thin FIlm)을 형성하는 고온의 공정과정에서 수분에 영향을 받아 자발적으로 일어난다는 점을 밝혀내고, CuI 반도체 소재를 잉크 형태로 구성하여 저온에서 박막을 형성하는 과정을 도입했다.

또한 이 과정에서 동역학적으로 나노구조 형성 및 수분의 흡착정도를 제어함으로써 결함형성을 원천적으로 차단하는 방법을 고안했다. 이들을 투명한 고유전율(high-k) 투명 절연체 소재인 Sodium-Embeded Aluminia(SEA)와 결합함으로써이론적 성능 한계치에 근접한 수준의 매우 높은 반도체 성능을 구현하는데 성공했다.

새롭게 개발된 투명 반도체 기술은 차세대 디스플레이 구현을 위한 대면적 대량생산에도 매우 적합하다. 별도의 첨가물 없이 단일한 반도체 잉크를 사용한 공정 과정만을 제어하기 때문에 대면적에서 균질한 고성능의 반도체층을 형성할 수 있으며, 열처리 등 후처리 과정이 없어 OLED, 전극배선 등 다른 투명 디스플레이 구성요소에 대한 영향 없이 기존 기술에 직접 적용이 가능하다. 또 반도체 잉크를 기반으로 하기 때문에 인쇄하듯 찍어내는 방식으로 대량 생산이 가능하다.

조새벽 교수는 "본 연구를 통해 투명한 반도체 기술의 성능 한계를 돌파하고 대면적 대량생산을 구현할 수 있는 가능성을 열었다"며 "이 기술은 향후 4차산업혁명 시대에 걸맞는 차세대 초실감형 투명 디스플레이 및 전자소자 분야의 주요 원천기술이 될 것으로 기대된다"고 밝혔다.