ETRI 연구진이 유연(스트레처블) 소재 위에 집적된 신축성 반도체 소자 어레이를 잡아당기고 있다. 사진제공=ETRI국내 연구진이 고무줄처럼 늘릴 수 있는 스트레처블(Stretchable) 디스플레이 구현을 위해 신축성 무기(無機) 반도체 소자기술을 개발했다. 세계 최초로 개발한 신개념 전자소자로 차세대 디스플레이 반도체 분야를 선도할 전망이다.
한국전자통신연구원(ETRI)은 플렉시블전자소자연구실 연구진이 고밀도 집적이 가능한 고성능·고신뢰 신축성 무기 박막 트랜지스터(TFT) 기술 개발에 성공했다고 6일 밝혔다.
스트레처블 디스플레이는 고무줄처럼 팽팽하게 늘리고 줄일 수 있는 차세대 디스플레이 패널이다. 활용성 높은 고해상도 스트레처블 디스플레이를 구현하기 위해서는 고성능 신축성 반도체 소자가 필요하다. 반도체 소자는 전류 조절을 통해 화면 픽셀을 제어하는 역할을 한다.
그동안 신축성 반도체 소자는 주로 유연한 유기물 소재가 사용됐으나 실리콘, 금속산화물 등 단단한 무기물 분야로 연구가 확장되고 있다. 소재의 유연성은 떨어지지만, 전기적 성능과 신뢰성, 내구성이 더 뛰어나기 때문이다.
ETRI 연구진은 세계 최초로 무기 산화물 전자소자를 신축성 금속 배선 위에 직접 올리는 반도체 소자구조를 개발했다. 고성능 무기질 반도체에 유연성을 더하면서 소자 집적도까지 비약적으로 끌어올린 기술이다.
ETRI가 개발한 반도체 소자는 기존 신축성 산화물 반도체 소자 대비 소자 집적도가 약 15배 향상됐고 전류 구동 성능 역시 2배 이상 높아졌다. 제품 소형화와 고해상도 디스플레이 구현 가능성을 동시에 입증한 셈이다.
연구진은 구불구불한 말발굽 형태의 폴리이미드 유연 기판 배선 위에 고성능 산화물 반도체 트랜지스터를 고밀도로 집적하여 신축성 소자를 구현했다. 구불구불한 기판이 점차 직선으로 펴지면서 용수철처럼 늘어나는 원리다. 제작된 소자는 두 배까지 잡아당겨도 파괴되지 않고 성능을 유지한다.
기존에는 늘어나는 금속 배선과 늘어나지 않는 전자소자를 반복연결한 비효율적 공간 구조로 소자 집적도가 떨어지는 단점이 있었지만 이번 개발로 디스플레이 패널의 신축성과 고화질을 다 잡을 것으로 기대된다.
이번에 개발된 신축성 전자소자는 반도체 표준공정과 호환될 뿐만 아니라 디스플레이, 스마트폰, TV, 자동차, 헬스케어, 스킨트로닉스 등 다양한 스트레처블 제품에 적용 가능해 특히 주목받고 있다.
이번 논문의 제1저자인 ETRI 플렉시블전자소자연구실 오힘찬 선임연구원은 “중국의 빠른 연구개발 속도로 우리나라와의 반도체·디스플레이 기술 격차가 많이 좁혀지고 있다”며 “스트레처블 전자소자 기술을 통해 우리나라가 차세대 반도체·디스플레이 분야를 선점할 수 있을 것으로 기대한다”고 말했다.
향후 연구진은 이번 신축성 반도체 공정을 더욱 단순화해 비용을 절감할 수 있도록 하는 데 중점을 두고 연구할 예정으로 산업계에 빠르게 적용될 수 있도록 준비할 계획이다.
이번 성과는 세계적 과학 전문지 ‘네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications)’에 8월 24일 온라인 게재됐다.
