창간 36주년 기념 Special 세라믹스 현황과 미래 전망(2)

디스플레이용 산화물 소재, 공정, 응용 기술 개발 동향

황치선_한국전자통신연구원 책임연구원

1. 서론

산화물 소재는 일반적으로 넓은 밴드갭을 가지고 있어, 광학적으로 투명한 성질을 가지고 있기 때문에 디스플레이 분야에서 오랫동안 사용되어 왔다. 또한, 일반적으로 절연특성을 보이고 있으나, 산화수 조절등과 같은 도핑 효과에 의하여 전기적 특성을 조절할 수 있어, 도전체, 혹은 반도체로 활용되기도 한다. 최근에는 높은 유전율을 가지는 산화물 소재를 활용하여 나노구조에서 새로운 광학특성을 발현시킨 유전체형 메타서피스로도 연구가 활발히 진행되고 있다. 본 원고에서는 이렇게 디스플레이의 다양한 영역에서 응용되고 있는 산화물 소재에 대하여 응용기술 중심으로 알아보고자 한다.

그림 1. 디스플레이 분야의 산화물 소재 응용 분야

2. 박막트랜지스터용 산화물 반도체 소재

2003년 동경 공업대학(TIT)의 Hosono 교수 그룹에서 IGZO를 이용한 박막 트랜지스터를 발표한 이후에 전세계적으로 많은 연구가 진행되었고[1-2], 특히 Sharp와 LGD가 IGZO TFT를 상용화하는데 성공한 이후에 향후 점점 산화물 반도체 기반의 TFT 비중이 늘어나고 있다. 초기에는 OLED TV에만 주로 사용이 되었으나, 그후 LTPO 형태로 스마트폰에도 사용되기 시작하였고[3], 최근에는 IT 기기용으로도 산화물 TFT를 적용하는 사례가 늘어나고 있다. 또한 고해상도 AR 패널의 경우에도 픽셀 영역에 산화물 TFT를 사용하는 트랜드가 나타나고 있다.

그림 2. 산화물 TFT 백플레인의 연도별 요구향 추이 [4]

2-1. 산화물 반도체의 일반적인 특성

산화물 반도체는 지금까지 주로 사용된 Si 반도체와 여러 가지 면에서 다른 특성을 보인다.

가장 큰 차이는 밴드갭이다. 반도체는 도체와 달리 밴드갭이 존재하는데, Si의 경우에는 1.1eV이지만, 산화물 반도체의 경우에는 3eV이상이 된다. 따라서 가시광선 영역 (에너지 1.8eV~3.1eV)과 비교하여 더 크기 때문에 가시광선이 투과할 수 있어 투명한 반도체가 된다. 또한 평형상태에서 존재하는 n형 전하와 p형 전하의 곱이 매우 작아지게 되기 때문에, 일반적으로 두가지 전하가 동시에 존재하기가 매우 힘들어진다. 따라서 하나의 전하만을 가지는 (통상은 n형이므로 전자만 가지게 됨) 반도체가 된다. 통상 주전하(major carrier)의 반대 극성을 가지는 전하(minor carrier)들이 반도체 소자의 누설전류 원인이 되기 때문에 산화물 반도체로 만들어진 TFT는 누설전류가 매우 작을 것으로 예측되며, 대부분의 경우 일반적인 측정방법으로는 측정이 불가할 정도로 작다. 이렇게 작은 누설전류는 특히 디스플레이의 응용에서 TFT가 스위칭 역할을 할 경우에, 매우 유리한 측면으로 작용할 수 있다. 예를 들어, 1T-1C로 픽셀이 구성되는 LCD의 경우에 매우 작은 누설 전류의 특성을 활용하여 Capacitor가 없는 1T 픽셀을 구성할 수도 있다.

  한편 Si 반도체에 비하여 약점도 존재하는데, 그것은 도핑등 화에 대한 것이다. Si의 경우에는 불순물을 철저히 통제하여 10-15cm-3 이하의 불순물을 가지는 진성 반도체를 형성하는 것이 가능하지만, 산화물 반도체는 불순물을 통제하더라도, 금속의 과잉이나 부족, 산소의 과잉이나 부족, 혹은 금속이나 산소가 다른 위치에 존재하는 등의 결함으로 인하여 도핑이 이루어진다. 아직까지도 정확한 도핑 메커니즘에 대하여 확실히 밝혀지지는 않았지만, 일반적으로 산소의 부족이 원인으로 지적되고 있다.[5] (일부에서는 수소의 역할에 대한 지적도 있다.[6] 수소는 매우 제어하기 힘든 불순물이기 때문에 원인일 가능성에 대하여 배제하기 쉽지 않다.) 이러한 특성은 일반적으로 산화물 반도체에서 발생하는 진성 도펀트에 의한 도핑 특성으로 볼 수 있다. 

  산화물 반도체가 Si 반도체와 또 다른 중요한 차이점중의 하나는 주로 비정질 계열로 이루어져 있다는 점이다. Si 반도체의 경우에는 공유 결합을 하고 있으며 이러한 공유결합은 결합각도가 일정하기 때문에 비정질 상태가 되면 결함이 많이 발생하면서 이동도가 급격히 감소하게 된다. 그러나 산화물 반도체의 경우에는 이온 결합이 주축으로 이루어져 있기 때문에 비정질 형태가 된다 하더라도 결함의 발생이 심하지 않기 때문에 상대적으로 이동도의 저하가 심하지 않다.[2] 

그림 3. 공유결합을 가지는 반도체와 금속 결합을 가지는 산화물 반도체의 결정질과 비정질일 경우의 전자 결합 구조 차이 [2]

본 사이트에는 일부 내용이 생략되었습니다. 자세한 내용은 세라믹코리아 2024년 7월호를 참조바랍니다. 정기구독하시면 지난호보기에서 PDF를 다운로드 하실 수 있습니다.