직지심체요절로 시작된 인쇄술은 인류의 정치, 경제, 문화를 더 높은 곳으로 끌어올리며 발전에 크게 기여했다. 이제 인쇄술은 단순히 책이나 문서를 찍어내는 것에서 더 나아가 첨단 기술로 그 영역을 확장하고 있다. 그중에서도 여러 스마트 기기에 활용되는 고성능 소자 역시 인쇄를 이용해 제작하는 데 성공해 화제를 모았다. 이번에는 지금까지 난제로 여겨졌던 페로브스카이트 소자를 인쇄할 수 있는 기술이 나왔다.

POSTECH(포항공과대학교, 총장 김무환) 화학공학과 노용영 교수·박사과정 아오리우(Ao Liu)·휘휘주(Huihui Zhu) 씨 연구팀은 성균관대학교 재료공학부 김명길 교수와 함께 페로브스카이트를 이용해 고성능 P형 반도체1) 트랜지스터를 개발, 성능을 크게 향상시켰다. 특히 이 기술은 반도체 소재를 용액으로 만들어 간단하게 소자를 인쇄할 수 있다는 것이 큰 장점으로 꼽힌다.

트랜지스터는 전자가 이동하는 N형 반도체2)와 정공이 이동3)하는 P형 반도체를 접합함으로써 전류를 제어한다. 다만 활발히 연구돼 온 N형 반도체와 달리, 성능이 높은 P형 반도체를 만들기는 어려웠다. 

많은 연구자들이 전기 전도성이 뛰어난 페로브스카이트를 P형 반도체 소재로 사용하고자 했지만, 이 소재는 고온 공정이 어려워 상용화에 한계가 있었다.

연구팀은 무기물 금속 할로겐화물4) 소재인 세슘-주석-요오드(CsSnI3)를 이용해서 페로브스카이트 P형 반도체를 개발하고, 이를 바탕으로 고성능의 트랜지스터를 만드는 데 성공했다. 이 트랜지스터는 50cm2V-1s-1 이상의 높은 정공 이동도와 100만 이상의 전류 점멸비5)를 보이며, 지금까지 나온 페로브스카이트 P형 반도체 트랜지스터 중 최고 성능을 기록했다.

특히 소재를 용액으로 만들어, 문서를 찍어내듯이 간단히 인쇄하는 것만으로 P형 반도체 트랜지스터를 제작할 수 있도록 했다. 이 공정은 편리할 뿐만 아니라, 공정 단가가 낮아 페로브스카이트 소자의 상용화에 기여할 것으로 기대된다.

노용영 교수는 “이 반도체 소재와 트랜지스터는 향후 디스플레이나 웨어러블 전자소자의 구동회로에 사용될 수 있을 뿐만 아니라, 실리콘 반도체와 수직으로 쌓아 적층형 전자회로와 광전자 소자 등에도 널리 사용될 수 있다”고 말했다. 

한편, 세계적인 학술지의 네이처(Nature)의 자매지인 국제학술지 ‘네이처 일렉트로닉스
(Nature Electronics)’에 최근 게재된 이 연구는 한국연구재단 중견연구사업, 미래소재디스커버리사업, 차세대지능형반도체사업, 기초연구실지원사업과 삼성디스플레이의 연구지원을 통해 수행됐다.

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