한양대 연구팀이 납을 쓰지 않는 차세대 반도체의 성능과 안정성을 높이는 기술을 개발했다.

한양대는 박희준 유기나노공학과 교수와 김경학 화학공학과 교수 공동연구팀이 주석 기반 페로브스카이트 반도체의 구조를 개선해 이 같은 성과를 거뒀다고 5일 밝혔다.

주석 기반 페로브스카이트는 전하를 잘 전달하고 낮은 온도에서 용액을 이용해 제조할 수 있어 차세대 반도체 소재로 주목받고 있다. 다만 주석 이온의 산화와 불안정한 결정구조 등으로 성능이 떨어지고 작동이 불안정해지는 문제가 있었다.

연구팀은 결정 내부 이온 사이의 상호작용을 제어하는 방식으로 문제를 해결했다. '구아니디늄 티오시아네이트(GuaSCN)'라는 물질을 활용해 결정 내부 결합을 강화하고 이온 이동을 억제해 구조를 안정화했다. 결정이 균일하게 자라도록 유도해 결함도 줄였다.

이 기술을 적용한 박막 트랜지스터는 전류를 켰을 때와 껐을 때의 전류 비율이 44억 배 이상으로 나타났다. 해당 비율은 전류를 켜고 끄는 성능을 나타내는 지표로, 연구팀은 기존에 보고된 최고 수준의 주석 페로브스카이트 트랜지스터 성능을 넘어섰다고 설명했다.

안정성 시험에서는 1만 2000회 반복 작동하거나 10시간 연속으로 전압을 가해도 안정적인 성능을 유지했다. 외부 공기와 수분을 차단하도록 밀봉한 소자는 대기 중에서 100일간 보관한 뒤에도 성능을 유지했다.

연구 결과는 지난달 30일 국제학술지 '사이언스 어드밴시스'(Science Advances)에 게재됐다. 연구는 한국연구재단과 한국에너지기술평가원, 미국 공군 아시아 항공우주연구개발국의 지원을 받았다.

박희준 교수는 "결정 내부의 이온 상호작용을 설계하는 방식으로 주석 페로브스카이트의 구조적 불안정성을 해결할 수 있음을 보여준 사례"라며 "차세대 디스플레이와 광센서, 저전력 논리회로 등 다양한 반도체·전자소자 분야로 확장될 수 있을 것으로 기대한다"고 말했다.

lina@news1.kr