아이폰·OLED 화면 왜 버벅대나?…UNIST, 반도체 치명적 결함 잡았다

산화물 반도체 결함의 성질, 전체 밀도 아닌 특정 원자 간 거리가 좌우

디스플레이·차세대 메모리용 공정 설계 이론 토대, Chem. Mater.게재

스마트폰과 TV 화면의 핵심 두뇌인 산화물 반도체(IGZO)의 성능 저하 원인을 국내 연구진이 완전히 새로 규명했다.

그동안 반도체 공정의 난제로 꼽혔던 '산소 결함'의 비밀을 밝혀내면서, 더 선명하고 배터리가 오래가는 차세대 디스플레이 탄소 배출 저감형 메모리 개발에 속도가 붙을 전망이다.

UNIST 반도체소재·부품대학원 정창욱 교수팀은 디스플레이 핵심 소자인 산화물 반도체 내부의 '산소 빈자리 결함'이 작동하는 원리를 이론 계산을 통해 세계 최초로 입증했다고 19일 전했다.

연구진,(좌측부터) 정창욱 교수, 장형준 연구원(제1저자), 박윤주 연구원, 박범진 연구원. UNIST 제공

인듐, 갈륨, 아연 등으로 구성된 IGZO 반도체는 저온 공정이 가능해 전 세계 모바일 기기와 TV 화면을 움직이는 박막트랜지스터(TFT)의 필수 재료로 쓰인다.

하지만 제조 과정에서 산소가 빠져나간 미세한 '빈자리'가 생기면 전류 흐름이 뒤틀리고 전압이 불안정해지는 고질적인 문제가 있었다. 연구팀은 반도체 전체 밀도가 아니라 '결함 주변의 금속 원자 간 거리'가 이 문제를 결정짓는 열쇠라는 사실을 밝혀냈다.

특정 금속 원자 사이가 가까워지면 전자가 갇혀 화면이 버벅대고, 멀어지면 전자가 자유롭게 퍼져 반도체가 원활하게 작동한다는 의미다.

특히 이번 연구는 미세한 열처리와 압축 공정이 반도체 소자에 미치는 상반된 효과를 분자동역학 시뮬레이션으로 완벽히 증명했다는 점에서 의미가 크다.

정창욱 교수는 "산소 결함은 반도체 공정에서 피하기 힘든 그림자 같았지만, 이제는 열처리 온도와 박막의 압축력을 조절해 전압과 성능을 자유자재로 제어할 수 있게 됐다"고 말했다.

연구그림, 산화물 반도체에 압축·인장 변형과 열처리를 각각 했을 때 산소 빈자리의 전자 상태 변화.

이번 연구는 미국화학회(ACS) 학술지 '케미스트리 오브 머티리얼즈'에 게재됐다.

영남취재본부 김수로 기자 relationship6007@asiae.co.kr