KIGAM 한국지질자원연구원

나노입자로 반도체 산업 판도 바꾼다

- 지질자원연 최지혁 박사 연구결과, 세계적 학술지 사이언스紙 등재

- 세계 최초로 전자소자 제조 전 공정을 저비용 용액공정으로 구현

- 플렉서블 디스플레이 등 첨단산업에 즉시 적용 가능한 나노분야 핵심 원천기술

□ 플렉서블(flexible) 디스플레이 등 첨단 전자산업의 핵심인 전자소자(박막 트랜지스터, TFT)* 의 모든 구성요소를 용액공정**이 가능한 무기 나노입자***로 구현한 연구가 국내 연구자에 의해 세계 최초로 발표됐다.

    * 박막 트랜지스터(TFT, Thin Film Transistor)는 LCD 및 OLED의 최소 영상 구성단위인 화소(pixel)의 기본 구동을 제어하는 소자다. 여러 얇은 막(박막)으로 형성되며 기본적으로 gate, source, drain으로 구성된 세 개의 금속전극과 절연층, 그리고 전기가 흐르는 통로인 반도체층으로 구성된다.

  ** 용액공정(solution process)이란 사용재료를 유기용매 등을 이용해 액체화하여 스핀코팅(spin-coating), 잉크젯 프린팅(ink-jet printing) 등과 같은 방법으로 기판위에 증착하는 방식이다. 진공증착 방식은 진공 중에서 금속이나 화합물을 증발시켜, 증발원과 마주 보고 있는 기판의 표면에 박막을 만드는 것을 말한다. 용액공정은 진공증착 방식에 비해 설비 투자비용이 낮고, 소규모 장비로 더 빠른 공정이 가능하다. 최근에는 OLED 패널 가격을 떨어뜨릴 새로운 방식으로 전자업계의 주목을 받은 바 있다.

 *** 나노입자는 100nm(나노미터=100억분의 1m) 이하 크기의 입자이다. 나노입자의 크기나 구조, 그리고 어떻게 배열하고 결합, 조합하느냐에 따라 유용하게 활용할 수 있는 기능이 무수히 많다. 특히 퀀텀닷(Quantum dot, 양자점)이라 불리는 반도체 나노입자는 크기 조절에 따라 전기적, 광학적 특성을 조절할 수 있어 초고화질 TV 등에 광범위하게 활용되고 있다.

□ 미래창조과학부 산하 정부출연연구원인 한국지질자원연구원(원장 김규한, KIGAM) 광물자원연구본부 희유자원활용연구실 최지혁 박사가 수행한 고기능성 무기 나노입자 박막 구현 연구결과가 세계 3대 과학저널인 ‘사이언스(Science)지’에 게재됐다.

 ㅇ 최 박사는 사이언스지 4월 8일자에 실린 ‘고기능성 구현을 위한 무기 나노입자의 유기적 결합 및 조합체계 연구(Exploiting the colloidal nanocrystal library to construct electronic devices)’ 논문에 제1저자로 참여했으며, 최 박사의 지도교수인 펜실베니아대학 셰리 케이건(Cherie R. Kagan) 교수는 교신저자로 이름을 올렸다. 공저자로는 펜실베니아대학 크리스토퍼 머레이 교수, 고려대학교 오승주 교수, 연세대학교 성진우 박사와 펜실베니아 대학의 연구팀이 참여했다.

□ 최근 나노입자는 활용이 용이한 박막형태로 제작되어 고기능성 차세대 핵심소재로 연구되고 있다. 박막형태의 무기 나노입자는 용액공정을 통해 저가의 대량생산이 가능하고 넓은 면적에 적용이 용이하기 때문에 기존 진공증착 방식의 실리콘 기반 반도체 산업을 대체할 차세대 전자부품 소재로 각광받고 있다.

□ 하지만, 무기 나노입자를 박막형태로 만들었을 때의 단점은 전기전도성이 현저히 떨어진다는 것이다. 이는 나노입자들을 박막형태로 결합하고, 조합했을 때 나노입자들 사이 공간에 존재하는 유기분자들 때문이다.

 ㅇ 따라서 현재까지 나노입자 박막의 활용은 시험적인 수준에 머물렀다. 대부분 전자소자 내 하나의 구성부품으로만 그 적용이 제한되어 왔으며, 소자의 나머지 부분들은 거대한 장비가 필요하고, 비용부담이 큰 기존의 전통적인 진공증착 공정을 통해 제작됐다.

□ 이번 사이언스 논문에 발표된 최 박사의 연구결과를 활용하면 간단한 용액공정 만으로 위와 같은 문제를 해결할 수 있다. 최 박사가 제시한 새로운 기술을 적용하면 전통적인 진공증착 방식 대신 저가의 용액공정을 기반으로 전자소자(박막 트랜지스터, TFT)의 모든 구성부품을 제조할 수 있다. 세계 최초로 나노입자 박막의 조합 체계를 최적화할 수 있는 원천기술을 확보한 것이다.

 ㅇ 기존에도 용액공정을 기반으로 나노입자 박막을 만들어 활용하기는 했지만, 신뢰성을 확보할 수 없어 일부 구성요소 제조에만 한정됐다. 하지만 최 박사는 용액공정을 통한 박막화 과정, 그리고 더 나아가서 여러 층의 나노입자 박막이 적층되는 과정에서도 나노입자들의 기능을 떨어뜨리지 않을 수 있는 기술을 확보하고, 모든 구성요소에 용액공정을 적용하는데 성공한 것이다.

 ㅇ 특히, 전자소자 제작의 막바지 단계에서 반도체 층을 활성화시키기 위해 도핑 처리를 하는데, 역시 진공증착 방식을 사용하던 이 도핑공정 단계까지 용액공정으로 처리할 수 있어 진정한 ‘전 공정 용액공정화 (All Solution, All Inorganic Nanocrystal-based)’를 이뤄낸 최초의 연구결과라 할 수 있다.

 ㅇ 또한, 진공증착 공정을 대체할 용액공정의 또 다른 장점 중 하나가 플라스틱 기판에 공정 가능한 저온 공정이라는 점을 고려하면 도핑단계에 이르기까지 전 공정을 용액공정으로 처리할 수 있는 이 기술의 잠재가치는 무한대까지 생각해 볼 수 있다. 지금까지 유리기판을 플렉서블한 플라스틱 기판으로 대체하지 못한 이유 중 하나가 진공증착이 고열로 진행됨에 따라 투명 플라스틱이 녹아버리는 문제가 발생했기 때문이다.

□ 최 박사는 이번 연구를 위해 용액공정이 가능한 다양한 나노기술을 개발하고, 각 기술들을 효과적으로 융합하여 진공증착된 박막의 특성에 준하는 고기능성 나노입자 박막을 구현해냈다. 고기능성 나노입자 박막을 제작하기 위해서는 먼저 나노입자간의 거리를 줄이고, 서로간의 전기적 결합력을 향상시켜야 한다. 특히, 나노입자 표면의 결함을 제어하고 필요한 전하를 나노입자에 효과적으로 주입할 수 있어야한다.

□ 이번 연구결과는 전도체, 반도체, 절연체의 특성을 갖는 나노입자 박막의 조합 체계를 최적화할 수 있는 원천기술 확보를 의미한다. 저가의 용액공정을 기반으로 기존 전자소자의 전 구성부품을 대체할 수 있을 것으로 기대된다.

 ㅇ 특히, 이 기술은 현재 전자산업에서 채택하고 있는 최적화된 반도체 양산 공정에 곧바로 적용이 가능하기 때문에 산업화 가능성이 높다.

 ㅇ 또한, 용액공정을 활용하는 이 기술은 설비비용이 낮고, 소규모 장비로 구현이 가능해 상대적으로 자금력이 부족한 중소기업들에게 전자소자 제조산업 진출의 길을 열어줄 수 있어 의미가 크다.

□ 제1저자인 한국지질자원연구원 최지혁 박사는 “앞으로는 나노연구가 기초 분야에서 한걸음 더 나아가 상용가능한 차원에서 모든 전자부품에의 적용을 위한 실용적 연구로 더 활발해질 것”이라며, “산업적 수요에 따라 다양한 분야에 응용될 수 있을 것”이라고 말했다.

 ㅇ 최지혁 박사(35)는 나노재료 합성과 특성평가 연구에 있어 세계적으로 인정받고 있는 신진 과학자다. 연세대학교 금속공학과를 졸업하고 동 대학원에서 박사학위를 취득했다. 펜실베니아대학교에서 박사 후 연수 과정을 거쳤으며, 2014년 한국지질자원연구원의 해외 공개채용을 통해 채용돼 지질자원연 희유자원활용연구실에서 선임연구원으로 근무 중이다. 현재는 천연 광물로부터 고부가가치 나노소재인 그래핀 및 그래핀-나노입자 복합재를 제작하는 연구를 수행하고 있다.

□ 한국지질자원연구원 김규한 원장은 “이번 연구결과는 전자제품, 반도체 분야를 선도하고 있는 우리나라 산업체의 기술력을 더욱 강화할 수 있는 탁월한 성과”라며, “앞으로도 최 박사 같은 연구자가 국제무대에서 더 빛을 발할 수 있도록 창조적 연구 환경 지원을 아끼지 않을 것”이라고 말했다.