금속-산화물 반도체 기반 스트레쳐블 박막트랜지스터의 발전과 전망

최근에는 이러한 금속-산화물 반도체를 기반으로 신축성을 확보한 TFT 구조를 구현하기 위한 다양한 시도가 진행되고 있다. 이 과정에서 기계적 변형에 따른 전기적 특성의 변화, 소재의 계면 안정성, 공정 적합성 등 여러 도전 과제가 존재하지만, 이를 극복하기 위한 소재 선택과 소자 구조 설계에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다. 이 글에서는 금속-산화물 반도체를 적용한 TFT의 기술 동향과 응용 연구에 대해 다뤄보고자 한다.




글/ 고려대학교 주병권 교수님 연구실
주병권 (고려대학교 전기전자공학부 교수)
안인수 (고려대학교 전기전자공학부 석박사통합 과정)
김채연 (고려대학교 전기전자공학부 석사 과정)


목 차

1. 서론
2. 금속-산화물 반도체 소개
3. 금속-산화물 반도체 연구 동향
     3-1. N-type 금속-산화물 박막트랜지스터 기술 
        3-1-1. 물질 기반
        3-1-2. 구조 기반
        3-1-3. 공정 기술 기반
     3-2. P-type 금속-산화물 박막트랜지스터 기술
4. 금속-산화물 반도체 기반 스트레쳐블 박막트랜지스터 기술
5. 결론
6. 참고 문헌


1. 서론

차세대 디스플레이 기술은 인간-기계 인터페이스의 경계를 허물고, 착용 가능하며, 유연한 전자기기 시대를 마주하고 있다. 특히 피부처럼 늘어나고 휘어지는 스트레쳐블 디스플레이는 헬스케어, 웨어러블 기기, 전자 피부, 등 다양한 분야에서 핵심 기술로 주목받고 있다. 이러한 디스플레이의 구현을 위해 전기적 성능뿐만 아니라 기계적 유연성과 신뢰성을 동시에 만족시키는 박막트랜지스터(Thin film transistor, TFT)의 개발이 필수적이다.

금속-산화물 반도체(metal-oxide semiconductors)를 기반으로 한 TFT 소자는 기존의 비정질 실리콘(a-Si) 소자에 비해 높은 이동도와 낮은 누설 전류를 기반으로 더 빠른 구동 속도와 저전력 구동이 가능하며, 균일한 특성을 유지하면서 대면적 디스플레이 구현이 가능하다. 또한, 고성능 소자를 구현하기 위해 고온 공정이 요구되는 실리콘 기반 LTPS와 달리 산화물 반도체는 비교적 낮은 온도에서 소자 구현이 가능하며 유연한 플라스틱 기판이나 스트레쳐블 소재와의 호환성이 뛰어나다. 이러한 특성은 향후 유연 디스플레이 기술에 있어 중요한 이점을 제공한다.

최근에는 이러한 금속-산화물 반도체를 기반으로 신축성을 확보한 TFT 구조를 구현하기 위한 다양한 시도가 진행되고 있다. 이 과정에서 기계적 변형에 따른 전기적 특성의 변화, 소재의 계면 안정성, 공정 적합성 등 여러 도전 과제가 존재하지만, 이를 극복하기 위한 소재 선택과 소자 구조 설계에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다. 이 글에서는 금속-산화물 반도체를 적용한 TFT의 기술 동향과 응용 연구에 대해 다뤄보고자 한다.

2. 금속-산화물 반도체 소개

비정질 In-Ga-Zn-O(IGZO)는 2004년 일본 H. Hosono 교수 연구팀에서 처음 발견한 이후 디스플레이 백플레인에 구현되어 온 금속-산화물 반도체 물질인 In-Ga-Zn-O(IGZO)에 대해 발표하였다^[1]. 이후 IGZO를 포함한 다양한 금속-산화물 계열 반도체는 높은 이동도, 낮은 누설 전류 그리고 대면적 공정에 대한 균일성 등에서 기존 비정질 실리콘을 대체할 수 있는 유망한 TFT의 채널 물질로 주목받기 시작했다.

기존의 비정질 실리콘(a-Si) 반도체는 약 1.1 eV의 밴드갭을 가지며, 방향성이 강한 sp3-오비탈로 구성되어 있어 비정질 상태에서는 캐리어 이동도가 매우 낮고, 고온 공정이 필요하다는 한계가 있다. 반면, 금속-산화물 반도체는 3.0 eV 이상의 넓은 밴드갭을 가지고 있고, 금속의 s 오비탈과 산소의 p 오비탈로 전도대가 형성되기 때문에 결정 구조의 규칙성에 대한 의존도가 낮다. 이로 인해 비정질 상태에서도 캐리어 이동도가 비교적 높으며, 저온 공정에서도 우수한 전기적 특성을 확보할 수 있다.

또한, 금속-산화물 반도체는 3.0 eV 이상의 넓은 밴드갭으로 인해 전자 터널링 현상 발생 확률이 감소하기 때문에 낮은 누설 전류 특성을 지니고, 투명 반도체소자 등 다양한 분야에 적용되고 있다. 그림 1은 LTPS, 금속-산화물 반도체 그리고 a-Si의 전류-전달 곡선을 나타내며, 그 중 금속-산화물 반도체의 대표적인 IGZO 물질은 가장 낮은 누설전류 값과 10⁹ 이상의 높은 온-오프 전류비를 가진다.
 

3. 금속-산화물 반도체 박막트랜지스터 연구 동향 

금속-산화물 반도체 TFT는 우수한 이동도, 낮은 오프 전류, 투명성, 저온 공정 및 대면적 가능성으로 차세대 디스플레이 및 유연 전자소자에 적합한 소자로 활발히 연구가 진행중이다. 특히 n-type 반도체 중심으로 활발히 연구가 진행중이며, 최근에는 p-type 반도체 개발 또한 지속적으로 연구가 이루어지고 있다. 이에 따라 본 글에서는 N/P-type 금속-산화물 TFT 기술에 대해 논의하고자 한다.

3-1. N-type 금속-산화물 박막트랜지스터 기술

많은 반도체 연구실에서 n-type 금속-산화물 기반 TFT의 꾸준한 연구가 진행되고 있다. 그 중 n-type 금속-산화물 반도체로써 가장 널리 알려진 IGZO는 현재 디스플레이 제품의 백플레인 소자로 상용화되었다. 특히 고해상도 디스플레이에 적합한 모바일 태블릿 등에 사용되고 있으며 다양한 금속-산화물 반도체 특성을 향상시키기 위한 기술 동향을 물질 기반, 구조 기반 그리고 공정 기술 기반에 대한 내용을 다루고자 한다.

3-1-1. 물질 기반 

N-type 금속-산화물 반도체는 일반적으로 In, Ga, Zn 등의 금속 원소와 산소 화합물로 구성된다. 대표적인 물질로 In-Ga-Zn-O(IGZO)가 있으며, In-Zn-O(IZO), In-Ga-Sn-O(IGTO), In-Ga-Zn-Sn-O(IGZTO) 등 다양한 조성들을 조합하여 연구되고 있다. 특히 In은 고이동도 금속-산화물 TFT를 제작하는데 핵심 원소이다. In3+는 큰 이온 반지름을 가지기 때문에 금속-산화물 반도체 물질에서 고이동도를 달성하는데 중요한 역할을 한다. 권혁인 교수 연구팀^[3]에서는 그림 2와 같이 IGZO 원소 중 In의 함유량을 달리하여 전자 이동도 및 전하 밀도에 미치는 영향을 분석하였다. In 함량이 증가할수록 산화물 내 자유 전자 농도가 증가하고, 전자 전달 경로가 개선되어 이동도가 향상되는 경향을 보였다. 

 

최근에는 비희귀금속 기반 조성이나 In-free 계열의 n-type 산화물 반도체도 주목받고 있다. 대표적으로 Zn-Sn-O(ZTO), Al-Zn-O(AZO), Ga-Zn-O(GZO) 등이 있으며, In은 희토류 원소 중 하나로 높은 제조 비용과 독성 등의 문제로 In을 대체할 수 있는 저비용 대안으로 연구되고 있다. 일반적으로 우수한 전기적 특성을 확보하기 위해 In의 비율을 높이는 반면에 S. Hu 교수 연구팀^[4]은 그림 3과 같이 In이 포함되지 않은 Zn-Sn-Al-O 물질을 통해 Zn와 Sn의 비율을 증가시킴으로써 10.92 ± 0.14 cm2/Vs, 1.13 ± 0.53 x 106의 높은 온-오프 전류비 특성을 보고하였다.

 

3-1-2. 구조 기반

금속-산화물 기반 TFT의 성능은 채널 물질뿐만 아니라 소자 구조에 따라 크게 좌우된다. 특히 소스/드레인 전극과 게이트 전극의 상대적인 위치, 유전체와 채널의 접촉 방식 등 구조적 설계는 전기적 특성뿐 아니라 대면적 균일성 및 집적도 측면에서도 중요한 영향을 미친다. TFT 구조는 일반적으로 coplanar와 staggered 구조로 구분되며, 게이트 전극 위치에 따라 top-gate, bottom-gate 형태로 나뉜다. 최근에는 소자의 성능과 집적도를 더욱 향상시키기 위해 다양한 구조가 제안되고 있다.

예를 들어, double gate 구조는 채널 상하부에 각각 게이트를 배치하여 전계 효과를 향상시켜 문턱전압을 보다 정밀하게 제어할 수 있는 장점을 가지며, fin 구조는 채널의 종횡비를 높여 보다 우수한 게이트 제어 능력을 확보할 수 있다. 또한 박막 소자의 한계를 극복하고 3차원 집적에 적합한 vertical 구조에 대한 연구도 활발히 진행중이다. 더 나아가 gate-all-around(GAA) 구조는 채널을 전방위로 감싸 전계 제어를 극대화하는 방식으로 FinFET 기반 기술을 산화물 반도체로 확장하려는 시도가 활발히 진행중이다[5]. 이처럼 다양한 구조적 접근은 산화물 TFT의 특성을 개선하고, 유연 디스플레이, 센서, 투명전자소자 등 다양한 분야에 적합한 성능을 구현하기 위한 다양한 시도가 계속되고 있다.
 

3-1-3. 공정 기술 기반

금속-산화물 TFT의 성능과 신뢰성은 재료뿐만 아니라 이를 구현하는 공정 기술에 따라 크게 향상될 수 있다. 특히 산화물 반도체는 비정질 상태에서도 비교적 높은 전자 이동도를 확보할 수 있기에 다양한 공정 기술과 호환성이 높으며, 대면적 디스플레이 및 유연 전자소자에 적합하다. 금속-산화물 반도체 증착에 가장 널리 사용되는 기술로 스퍼터링 증착 방법은 박막 균일성이 우수하고 공정 제어가 용이하여 현재 산업적으로 널리 사용되는 증착 기술이다. 주로 IGZO와 같은 산화물 반도체에 적용되며, 기체 분위기, 파워, 압력을 조절하여 IGZO 내부의 산소 공공 농도를 제어할 수 있다. 하지만 플라즈마에 의한 채널 손상이나 소스/드레인 전극과의 접촉 저하 문제가 발생할 수 있어, 증착 조건 최적화나 보호층 삽입을 통한 보완 기술이 병행되어야 한다.

스퍼터링 증착 방법 외 용액 기반의 sol-gel 공정, 잉크젯 프린팅 등 다양한 공정 기술이 활발히 연구가 진행되고 있지만, 최근에는 ALD(atomic layer deposition) 공정이 각광받고 있다. ALD는 원자 단위의 두께 제어가 용이하고, 우수한 계면 특성과 균일성을 확보할 수 있는 증착 기술이다. 그림 5는 ALD 증착 메커니즘을 나타낸다. 특히 게이트 절연막이나 인터페이스 조절용 초박막 삽입에 주로 사용된다. 기존에 열을 사용하여 증착하는 thermal ALD 뿐만 아니라 저온 공정에 유리한 plasma enhanced ALD (PEALD) 공정을 사용하여 유연 디스플레이에 적용하려는 시도가 활발히 연구가 진행되고 있다.

 

3-2. P-type 금속-산화물 박막트랜지스터 기술

P-type 금속-산화물 반도체는 Complementary Metal-Oxide-Semiconductor(CMOS) 회로 구현을 위해 필수적인 구성 요소이다. 하지만 N-type 산화물 반도체에 비해 전하 이동도가 낮고, 소자 특성의 안정성 확보가 어렵다는 문제가 존재한다. 이러한 문제는 주로 산화물 반도체에서 전도대는 금속 원자의 s 오비탈에 의해 넓게 퍼져 있는 반면, 가전자대는 산소의 p 오비탈에 의해 국소화된 형태를 띠기 때문에 발생한다. 이로 인해 효율적인 정공 전도 구현이 어렵다. 그럼에도 불구하고 다양한 p-type 금속-산화물 반도체가 지속적으로 연구되고 있으며, 최근에는 Cu2O, CuO, SnO, NiO와 같은 대표적인 P-type 금속-산화물 반도체뿐 아니라 TeOx라는 새로운 물질에 대한 접근도 보고되고 있다.

표 1과 그림 6은 같이 정재경 교수 연구팀^[7]에서는 금속-산화물 반도체의 한계로 지적된 낮은 이동도 및 높은 off-current 문제를 해결하기 위해 hexagonal tellurium(h-Te) 기반 TFT에 대한 산소 분압에 따른 요약된 전기적 특성과 전류-전압 곡선이다. 특히, 산소 플라즈마를 도입한 반응성 스퍼터링 중 산소 라디칼을 조절하여 결정 성장을 억제하고, 이후 Al₂O₃ encapsulation을 통해 결정 구조를 유도함으로써 고품질의 h-Te 박막을 구현하였다. 산소 유량 비율을 7%로 조정한 경우, (100) 면 중심의 층상 구조가 형성되어 무작위 결정립이 억제되었으며, 이로 인해 40.9 cm²/Vs, 1.1 x 10⁶의 높은 이동도와 우수한 온-오프 전류비 값을 가지는 우수한 p-type 금속-산화물 반도체에 대해서 보고하였다.
   

4. 금속-산화물 반도체 기반 스트레쳐블 박막트랜지스터 기술

산화물 반도체는 높은 이동도, 우수한 면내 균일성, 저온 공정 적합성 등의 특성을 바탕으로 유연 디스플레이 소자로 각광받고 있으며, 최근에는 더욱 극단적인 형태 변형을 요구하는 스트레쳐블 디스플레이 구현을 위한 핵심 반도체 재료로 주목받고 있다. 특히, 신체 부착형 전자기기나 곡면을 넘어 3차원 변형이 가능한 디바이스의 수요가 증가함에 따라, 기계적 인장 하에서도 안정적인 전기적 특성을 유지할 수 있는 TFT 기술이 필수적으로 요구된다.

스트레쳐블 환경에서는 물리적 변형에 의한 소자 손상 및 전기적 열화가 심화되며, 이는 일반적인 유연 TFT와는 다른 공정 조건 및 소재 선택이 필요함을 의미한다. 이에 따라 산화물 반도체 기반 스트레쳐블 TFT는 기존 평면 소자 설계와는 다른 접근이 요구되며, 특히 소자의 기계적 신뢰성과 전기적 안정성을 동시에 만족시켜야 하는 복합적인 기술적 과제를 안고 있다.

본 장에서는 이러한 기술적 요구사항을 충족하기 위한 연구 동향을 살펴보고, 산화물 반도체 기반 스트레쳐블 TFT의 구조적 설계, 소재 조합, 공정 기술 등의 측면에서 최근 개발된 핵심 기술들을 정리한다. 또한, 차세대 디스플레이 및 바이오 전자 응용을 위한 자유형상 전자 소자 구현을 위한 방향성을 제시하고자 한다 

4-1. 스트레쳐블 박막 반도체 소자의 열화

스트레쳐블 박막 반도체 소자는 다양한 요인에 의해 특성 저하가 발생한다. 첫째, 기판이 고분자 기반의 유연 소재로 구성되어 있기 때문에 인장 시 물리적 변형이 발생하여, 반도체 층의 결정 구조나 전자 흐름 경로가 비정상적으로 변형될 수 있다. 둘째, 반복된 인장으로 인해 전극이나 배선에 균열이 발생하며, 이로 인해 전류 누설이나 소자 동작 불량이 초래될 수 있다.

그림 7은 M. Wang 연구팀은 유연 a-IGZO TFT가 동적 인장 응력 하에서 주파수 증가에 따라 나노 균열 및 금속 배선 파손으로 전기적 특성이 열화되는 연구를 진행하였다. 그림 7(a)는 인장 후 나노와이어 전극에서 광학현미경으로 관찰된 다수의 균열(crack)을 보여주며, 그림 7(b)와 (c)는 이러한 균열로 인한 전류 누설 및 소자 열화 현상을 시각적으로 제시하고 있다. 특히 40,000회 이상의 반복 인장 후에는 drain current가 급감하는 현상이 확인된다. 따라서 균열 발생을 효과적으로 억제하는 것이 스트레쳐블 TFT의 열화 제어에 핵심적인 전략이 될 수 있다. 이를 위해 기판, 절연층, 반도체 층, 전극 등 다양한 구성 요소에 대한 재료 및 구조적 개선이 활발히 진행되고 있다.
 

4-2. 스트레쳐블 소자를 위한 전극 소재 기술

스트레쳐블 전극 기술 중 대표적인 것은 은 나노와이어(AgNW) 기반 전극이다. 은 나노와이어는 유연한 기판과의 접합성이 우수하고, 전도성 또한 뛰어나 유연 디스플레이에서 널리 활용된다. 하지만 단독 사용 시 신축성이 부족하여, 전도성 고분자(polymer)와 혼합하여 복합 전극(composite electrode)으로 응용되는 경우가 많다. 예를 들어, 그림 8의 AgNW/Polyurethane(PU) 복합 전극은 100% 인장 후에도 낮은 면저항을 유지하며, 스트레쳐블 센서나 LED 소자에 성공적으로 적용된 바 있다^[9].

 

이러한 복합 전극의 제조에는 고가의 소재 및 균일도 확보라는 과제가 따르기 때문에, 단일 소재 기반의 전극에 대한 연구도 활발하다. 대표적인 전도성 고분자인 PEDOT:PSS는 높은 전도성과 투명성을 보이지만, PEDOT 비율이 지나치게 높으면 인장 특성이 저하된다. 이를 개선하기 위해 STEC(enhancer)을 첨가하여 전도성과 신축성을 동시에 확보하는 전략이 제안되었다^[10].

최근에는 ITO(Indium Tin Oxide)나 그래핀과 같은 투명 전극 소재와 고분자, 나노와이어 등을 복합하여, 전기적 특성, 투명성, 신축성 모두를 만족시키는 하이브리드 전극 개발이 활발히 이루어지고 있다. 그림 9는 ITO와 그래핀을 혼합한 하이브리드 전극이 단독 소재 대비 뛰어난 인장성과 전도성을 보임을 시사하며, 차세대 투명 스트레쳐블 전극 구현에 대한 가능성을 보여준다^[11].
 

5. 결론

금속-산화물 반도체 기반 TFT는 고이동도, 낮은 누설 전류, 저온 공정 적합성, 그리고 대면적 균일성 등 기존 비정질 실리콘을 대체할 수 있는 다양한 장점을 바탕으로 차세대 디스플레이 소자의 핵심 기술로 자리매김하고 있다. 특히 IGZO와 같은 n-type 산화물 반도체뿐만 아니라 Cu₂O, SnO, h-Te 등 다양한 p-type 계열의 개발이 진행되면서 CMOS 구현을 위한 소재 다양성이 확보되고 있으며, In-free 및 저비용 대체 소재에 대한 연구도 활발히 이루어지고 있다.

더 나아가, 스트레쳐블 디스플레이 기술의 발전에 따라 산화물 반도체 기반 TFT는 단순한 전기적 특성 개선을 넘어, 반복적인 기계적 변형 하에서도 안정적으로 동작할 수 있는 구조 및 소재 설계가 필수적으로 요구된다. 이에 따라 고신뢰성 소자를 위한 전극/반도체 계면 안정화, 균열 억제 구조 설계, 저온 증착 기술 등 다양한 방향에서 연구가 전개되고 있으며, 복합 소재 기반의 유연 전극 및 하이브리드 구조의 도입은 실질적인 응용 가능성을 높이고 있다.

본 보고서에서는 금속-산화물 반도체의 재료적, 구조적, 공정적 측면의 기술 동향과 함께 스트레쳐블 전자소자를 위한 최신 연구들을 종합적으로 살펴보았다. 앞으로는 소재 간 계면 제어, 신뢰성 향상, 공정 정합성 확보를 위한 통합적 접근이 필요하며, 이는 인체 부착형 디바이스, 바이오 센서, 차세대 공간형 디스플레이 등 미래 전자기기의 실현을 위한 핵심 기반이 될 것이다.


6. 참고문헌

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[3] Kim, Y. G., Oh, C. E., Han, Y. L., Lee, D. H., Lee, J. Y., Son, K. S., ... & Kwon, H. I. (2024). Effects of Indium Composition Ratio on Electrical Stability of Top-gate Self-aligned Coplanar IGZO TFTs under Self-heating Stress Conditions. JOURNAL OF SEMICONDUCTOR TECHNOLOGY AND SCIENCE, 24(4), 379-386.
[4] Wei, S., Yu, X., Chen, B., Zhu, J., Wu, X., Zhang, D. W., ... & Hu, S. (2025). Indium-free Zn-Sn-Al-O based thin-film transistors fabricated by plasma-enhanced atomic layer deposition. Materials Science in Semiconductor Processing, 190, 109369.
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