국내 연구진이 다양한 산화물 절연체를 이용해 투명한 초박막 다이오드를 구성할 수 있는 기술을 개발했다. 기존보다 적은 비용과 간단한 공정으로 투명전자소자를 제작할 수 있어 웨어러블·플렉시블 소자 등으로 활용 가능성이 크다. 특히 산화물 반도체를 이용한 트랜지스터 개발 이후, 산화물 소재로서 다이오드 구성이 가능함을 보여주는 최초 연구여서 더욱 의미 깊다.
이번 연구는 미래창조과학부가 추진하는 글로벌프런티어사업의 ‘나노 기반 소프트일렉트로닉스연구단(단장 조길원)’ 지원으로 이뤄졌다. 김연상 서울대학교 융합과학기술대학원 교수 연구팀 주도 아래 경희대 물리학과 박용섭·김영동 교수 연구팀과 협업으로 수행됐다. 세계적인 학술지 ‘네이처 커뮤니케이션스’에도 관련 논문이 지난 13일 게재됐다.
투명박막다이오드는 투명디스플레이 등의 투명 전자기기를 만드는 데 필수인 소자다. 기존 PN접합다이오드를 이용해 개발하려면 투명한 P형·N형 반도체 조합이 필요하다. 하지만 N형 산화물 반도체는 꾸준히 연구돼 상용화 수준에 이르렀지만 P형 산화물 반도체는 기술적 어려움으로 현재 한계점에 도달했다.
최근 또 다른 소재로 전이금속 칼코게나이드(Chalcogenides) 화합물로 이뤄진 2차원 형태 반도체 소재가 개발되고 있다. 얇고 투명한데다 전기적 성능이 우수하지만 2차원 형태 소재를 정밀하게 제어할 수 있는 기술이 아직 미비한 실정이다.
국내 연구팀은 PN접합이 아닌 산화물 절연체·산화아연 이종접합을 통해 투명박막다이오드 개발 가능성을 입증했다. 일반적으로 실리카(SiO2)와 같은 산화물 절연체는 가시광 영역에서 투명하고, 높은 전기적 절연특성을 나타낸다. 이러한 특성으로 산화물 절연체는 다양한 전자소재에 절연층으로 활용되고 있다.
이번 연구는 산화물 절연체를 한쪽 방향으로 전류를 통하게 하는 투명다이오드로 제작할 수 있음을 보여줬다. 연구팀은 산화물 절연체와 음극사이에 투명한 산화아연 초박막을 삽입해 특정방향으로만 전류가 흐르도록 했고, 이를 다양한 산화물 절연체에도 적용할 수 있음을 증명했다. 개발된 투명 다이오드 소자는 간단한 구조와 함께 단순한 공정 기법으로 상용화하기 쉽도록 했다.
연구팀은 “이번 연구 결과는 투명박막다이오드의 원천기술 개발 확보에 매우 중요한 발견이며 산화물 절연체·산화아연 계면에서의 원리규명은 학문적으로도 큰 의미를 가진다”고 말했다.
성현희기자 sunghh@etnews.com
