화학 노용영 교수팀, 페로브스카이트 고성능 소자 ‘간단히’ 인쇄한다

[연구팀, 페로브스카이트 이용해 세계 최고 성능 P형 트랜지스터 개발]

[“반도체 소재 용액화…문서 찍어내듯 간단히 제작 가능”]

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. 

그중에서도 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.

화학공학과 노용영 교수·박사과정 아오리우(Ao Liu)·휘휘주(Huihui Zhu) 씨 연구팀은 성균관대학교 재료공학부 김명길 교수와 함께 페로브스카이트를 이용해 고성능 P형 반도체*1 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 반도체*2와 정공이 이동*3하는 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*4 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 점멸비*5를 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 게재된 이 연구는 한국연구재단 중견연구사업, 미래소재디스커버리사업, 차세대지능형반도체사업, 기초연구실지원사업과 삼성디스플레이의 연구지원을 통해 수행됐다.

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1. P형 반도체

일반적으로 정공을 전하 운반자로 갖는 반도체. 전하를 운반하는 정공의 수가 전자의 수에 비해 훨씬 많은 반도체

2. N형 반도체

일반적으로 전자를 전하 운반자로 갖는 반도체. 전자의 수가 정공의 수에 비해 훨씬 많은 반도체

3. 정공 이동도

전자가 하나 빼지면서 생기는 하나의 빈 공간을 정공이라고 하며 전자가 –1의 전하를 갖는다면 이와 반대로 정공은 +1의 전하를 갖는 전하 운반자다.

4. 금속 할로젠화물(halide)

금속과 할로젠 사이의 결합을 지닌 물질

5. 전류점멸비(On/Off 비율)

트랜지스터를 동작시킬 때(On 상태) 최고 전류와 껐을 때(Off 상태) 최소 전류 사이의 비율

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