UNIST, 산화물 반도체 결함 원인 규명…디스플레이 성능 개선 기대

UNIST 연구진이 스마트폰과 TV 화면의 핵심 소재인 산화물 반도체(IGZO)의 성능 저하 원인을 새롭게 규명했다. 반도체소재·부품대학원 정창욱 교수팀은 IGZO 내부의 '산소 빈자리 결함'이 작동하는 원리를 이론 계산으로 세계 최초로 입증했다고 19일 밝혔다. 이번 연구는 디스플레이와 차세대 메모리 개발에 중요한 이론적 토대를 제공할 전망이다.

연구팀은 반도체 전체의 결함 밀도가 아니라 '결함 주변의 금속 원자 간 거리'가 결함의 성질을 결정짓는 핵심 요인임을 발견했다. 특정 금속 원자 사이가 가까워지면 전자가 갇혀 화면이 버벅거리고, 멀어지면 전자가 자유롭게 퍼져 반도체가 원활히 작동한다. 이번 연구는 미세한 열처리와 압축 공정이 반도체 소자에 미치는 상반된 효과를 분자동역학 시뮬레이션으로 완벽히 증명했다는 점에서 의미가 크다.

IGZO 반도체는 인듐, 갈륨, 아연 등으로 구성되며 저온 공정이 가능해 전 세계 모바일 기기와 TV 화면의 박막트랜지스터(TFT) 필수 재료로 사용된다. 그러나 제조 과정에서 산소가 빠져나간 미세한 빈자리가 생기면 전류 흐름이 뒤틀리고 전압이 불안정해지는 문제가 있었다. 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.

이번 연구 결과는 미국화학회(ACS) 학술지 '케미스트리 오브 머티리얼즈'에 게재됐다. 연구팀은 이번 성과를 바탕으로 더 선명하고 배터리 효율이 높은 디스플레이와 탄소 배출 저감형 메모리 개발에 속도가 붙을 것으로 기대하고 있다.