한국세라믹기술원(원장 윤종석) 허수원 박사 연구팀이 확장현실(XR) 기기에 쓰이는 디스플레이에서 핵심 역할을 하는 박막 트랜지스터가 다양한 환경에서도 안정적으로 작동할 수 있도록 안티몬(Sb)을 적용한 새로운 산화물 반도체 소재 개발에 성공했다.
XR은 현실과 가상을 결합해 몰입형 경험을 제공하는 기술이다. 이를 구현하는 디스플레이 백플레인은 화면을 켜고 끄는 스위치 역할을 하는데 고온다습한 환경이나 강한 빛과 열에 장시간 노출돼도 안정적으로 작동해야 한다.
지금까지는 주로 인듐-갈륨-아연 산화물(IGZO)을 백플레인 소재로 사용했다. 다만 IGZO는 고온다습한 환경에서 금속과 산소 결합이 약해지면서 구조가 불안정해지고 전자 이동 속도(이동도)가 떨어지거나 전원을 켜는 기준점(문턱전압)이 흔들리는 문제가 있다. 결합력을 높이면 안정성은 좋아지지만 대신 전자 흐름이 둔해지는 게 단점이다.
연구팀은 이를 해결하기 위해 안티몬을 활용했다. 안티몬은 상황에 따라 전자를 내놓거나 받을 수 있는 특성이 있어 적절히 활용하면 안정성과 전도성을 동시에 높일 수 있다.
안티몬 투입 비율과 열처리 조건을 최적화해 산소 결합을 강화하면서도 전자를 공급할 수 있는 소재 조성과 제작 공정을 확보했다. 안티몬을 적용한 박막 트랜지스터는 기존 대비 이동도가 19% 향상된 16.43cm²/Vs를 기록했고 문턱전압은 0V로 개선돼 낮은 전압에서도 작동할 수 있다.
특히 온도 85℃와 습도 85%라는 극한 조건에서 90일간 방치해도 초기 성능의 약 75%를 유지해 실제 XR 디바이스용 디스플레이 소재로 적용 가능함을 확인했다.
허수원 박사는“이번 성과는 오랫동안 난제로 여겨졌던 안정성과 이동도라는 두 가지 과제를 동시에 해결한 결과”라며“향후 XR은 물론 방위산업, 우주 분야 디스플레이 소재로도 활용 가능성이 크다”고 말했다.
진주=노동균 기자 defrost@etnews.com
