‘세라믹 산화물 반도체’ 권위자 김현재 연세대 전기전자공학부 교수
‘세라믹 산화물 반도체’ 권위자 김현재 연세대 전기전자공학부 교수
  • 이경원 기자
  • 승인 2019.09.01 21:16
  • 댓글 0
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아베의 경제침략? 디스플레이 반도체는 어림없다
김현재 연세대학교 전기전자공학부 교수.<이경원>

일본 아베 정권의 경제침략 직격탄을 맞은 반도체와 디스플레이 업계에서는 미래 핵심기술 개발 중요성이 커지고 있다. 이 가운데 산화물 반도체 트랜지스터를 기반으로 대형 OLED TV와 애플의 아이패드, 애플워치 등 최신 디스플레이를 만드는 ‘세라믹 산화물 반도체 기술’은 일본의 수출규제 영향을 받지 않는 기술로, LG디스플레이가 전 세계 OLED TV 시장의 90% 이상을 차지하며 한국이 기술을 주도하고 있다.

세라믹 산화물 반도체는 기존 재료 대비 20배 빠른 속도 등 뛰어난 특성으로 고해상도·대형 디스플레이 구현을 가능하게 하고 있다. 애플이 차세대 아이폰에 해당 재료의 적용을 검토하겠다고 할 만큼 업계가 주목하고 있는 기술이다.

지난 8월 19일 서울 서대문구 신촌동에 위치한 연세대학교 공학관에서 만난 김현재 교수는 “현재는 디스플레이를 위한 소자로 주로 쓰이고 있지만, 차세대에는 디램(DRAM)이나 플래시메모리(flash memory) 등 메모리 반도체 제품에도 산화물 반도체가 활용될 가능성이 있다”며 앞날이 창창한 재료라고 강조했다. 그는 “특히 중점적으로 연구하고 있는 저온에서 산화물 반도체를 만들 수 있는 기술을 개발한다면 최근 일본 수출규제에 해당되는 재료 PI를 사용하지 않고, 플렉시블디스플레이(flexible display)를 제작할 수 있을 것”이라고 덧붙였다.

-‘세라믹 산화물 반도체’란 무엇인가요?

“세라믹은 주로 금속과 비금속 원소로 이루어진 재료를 뜻합니다. 보통은 산소와 금속이 결합한 산화물, 질소와 금속이 결합한 질화물, 탄소화합물 등이 있습니다. 이러한 세라믹들 가운데 금속과 산소가 결합된 물질 중 반도체 특성을 보이는 물질을 세라믹 산화물 반도체라고 합니다.”

-어떤 전자제품에 적용되는 반도체인가요?

“최근에 산화물 반도체를 사용해서 TFT(Thin Film Transistor)를 만들고 있습니다. TFT는 우리가 일상생활에서 사용하는 LCD나 OLED 디스플레이에 꼭 필요한 반도체 소자입니다. 구체적으로는 OLED TV, 모니터, 스마트워치 등에 사용됩니다.”

-디스플레이 반도체에서 TFT의 역할에 대해 먼저 알아야 할 것 같습니다.

“TFT는 ‘Thin Film Transistor’의 약자인데 TFT의 역할에 대해 말하기 전에 트랜지스터(Transistor)의 기능을 말씀드리겠습니다. 트랜지스터는 일종의 스위치 역할을 하는 소자입니다. TFT는 이러한 트랜지스터를 얇은 박막을 통해 만든 소자인데, 주로 디스플레이 화면(픽셀)이 켜지고 꺼지는 것에 대한 스위치 역할을 합니다. 디스플레이를 사람으로 봤을 때, 스위치 역할을 하는 TFT가 ‘뇌’의 기능을 한다고 보시면 됩니다. TFT의 성능이 좋으면 고화질, 대면적, 투명한 디스플레이를 구현할 수 있습니다.”

액상기반의 공정을 통한 산화물 반도체 트랜지스터의 제작 과정. In,Ga,Zn 전구체의 비율을 다르게 하여 조성비를 쉽게 바꿀 수 있다.<김현재>

 

-트랜지스터의 특성이 좋은 조건은 무엇인가요?

“앞서 말씀 드린 것과 같이 트랜지스터는 일종의 스위치이기 때문에 켜고, 끄는 것을 잘해야 합니다. 이런 것을 스위칭 특성이라고 하는데, 대표적으로 켜졌을 때의 전류와 꺼졌을 때의 전류가 많이 차이나고, 빠르게 켜지고 꺼지는 것을 좋은 트랜지스터라고 할 수 있습니다. 중요한 특성 중 신뢰성 특성이 있는데, 트랜지스터를 고온이나, 다습한 곳과 같이 가혹한 조건에서 동작시켰을 때도 일정한 성능을 보여주는 것을 좋은 트랜지스터라고 할 수 있습니다.”

-기존에는 TFT를 어떤 물질로 사용했고, 어떤 한계점이 있었나요?

“기존 TFT는 비정질 Si(amorphous Silicon)로 만들었습니다. 하지만 이 비정질 Si는 트랜지스터의 성능이 좋지 않아, 현재 개발되고 있는 고화질이나 대형 TV 제품에는 적용하기가 어려웠습니다. 또한 최근 투명 디스플레이 기술이 발전하고 있는데, 기존 a-Si 기반으로 한 TFT로는 투명 디스플레이를 제작할 수 없다는 한계점이 있습니다.”

-트랜지스터의 특성이 낮은데 왜 비정질 Si를 쓴 것인가요?

“비정질 Si의 가장 큰 장점은 가격입니다. 공정상에서의 가격적인 이점과, 물질적인 측면에서의 가격적인 이점이 모두 있기 때문에 그동안 비정질 Si를 사용했습니다. 트랜지스터를 만들 때 여러 단계의 공정과정을 거치는데, 비정질 Si를 사용하게 되면 적은 수의 공정 단계로도 제작할 수 있으며, Si 물질 또한 지구에 매장량이 매우 많기 때문에 저렴합니다.”

-세라믹 산화물 반도체를 사용해 어떤 점이 개선됐나요?

“산화물 반도체로 TFT를 만들면 스위칭 속도가 비정질 Si 대비 약 20배 빠릅니다. 이는 고해상도 디스플레이를 구현하는 데 적합한 반응속도인데, 빠른 반응속도 덕분에 집적화가 가능하고 옆 테두리인 베젤을 얇게 제작할 수 있게 되었습니다. 베젤이 얇아지면 화면이 더 넓어 보이고 몰입감이 좋아지니까 사람들이 선호하는 편입니다. 또 균일도가 높아 대면적으로 디스플레이를 제작할 수 있게 됐다는 점이 좋아졌다고 볼 수 있습니다. 그 외에 산화물 반도체를 사용하면 기존 Si 기반 TFT에 비해 누설전류가 적어 소모되는 전력소비가 적다는 장점이 있습니다. 최근에는 애플 워치와 같이 배터리 사이즈에 제약이 많은 디바이스 등에도 산화물 반도체 TFT가 많이 쓰이고 있습니다.”

-스위칭 속도가 빨라지면 어떤 효과가 있나요?

“스위칭 속도가 빠르면 반응속도가 빨라지는 것을 의미하는데, 반응속도가 빠르게 되면 짧은 시간 내에 원하는 정보를 쉽게 전달을 할 수 있습니다. 따라서 TFT의 크기를 좀 더 소형화시킬 수 있게 돼 고해상도 디스플레이를 만들 수 있습니다. 주변에서 흔히 사용하는 컴퓨터(노트북) 모니터의 예를 들어 보겠습니다. 주사율 측면에서, 스위칭 속도가 빨라짐에 따라 현재의 60Hz, 144Hz를 넘어서 240Hz, 480Hz 주사율까지 구현이 가능하다고 보시면 됩니다.”

-세라믹 산화물 반도체가 상용화된 대표적인 제품에는 어떤 것들이 있나요?

“최근 LG전자에서 판매하고 있는 대형 OLED TV와 애플의 아이패드, 애플워치 등이 있습니다. 또한 최근 LG전자에서 발표한 둥글게 말리는 롤러블 TV와 투명 디스플레이 또한 산화물 반도체 트랜지스터를 기반으로 만들었는데요, 이처럼 산화물 반도체는 현재 판매되고 있는 제품 뿐 아니라 미래의 디스플레이들에 까지 사용될 수 있는 앞날이 창창한 재료라고 할 수 있습니다.”

-모든 디스플레이가 세라믹 산화물 반도체로 대체되지 않은 이유는요?

“현재 크게 a-Si, 산화물 반도체, LTPS 등 세 가지 반도체로 디스플레이 구동에 필요한 TFT를 만들고 있는데요. 어떤 것이 절대적으로 뛰어나다 할 것이 아니라, 필요에 맞게 각각 디스플레이에 적용되고 있습니다. 우선, a-Si같은 경우에는 가격이 싸고, 공정이 비교적 간단하다는 장점이 있기 때문에 LCD에 주로 사용되고 있습니다. 산화물 반도체는 반응속도가 빠르다는 장점이 있어 고화질 LCD나 OLED 패널에 주로 사용됩니다. LTPS 같은 경우는 산화물 반도체 보다 반응속도가 빨라 OLED 패널에 주로 쓰이는데, 공정상 대면적으로 제작이 힘들어 스마트폰과 같은 소형 OLED에만 적용되고 있습니다. 이처럼 각 물질의 특성과 용도에 맞게 디스플레이를 제작하기 때문에 모든 디스플레이가 세라믹 산화물 반도체로만 이루어져 있지는 않습니다.”

-최근 일본의 수출규제와 관련해 미래 핵심기술을 위한 대체재에 대한 관심이 큽니다. ‘세라믹 산화물 반도체’는 현재 수출규제 이슈에서 어떤 역할을 할 수 있나요?

“일본의 수출규제 물품 중 세라믹 산화물 반도체와 관련 있는 물질로 PI(폴리이미드)가 있는데, flexible display(유연 디스플레이)를 제작할 때 사용하고 있습니다. PI는 높은 온도에서도 잘 견디기 때문에 기판으로 사용 중인데, 저희가 중점적으로 연구하고 있는 저온에서 산화물 반도체를 만들 수 있는 기술을 개발한다면 PI를 사용하지 않고, 더 성능이 좋은 PET(Polyethylene terephthalate), PEN(Polyethylene naphthalate)같은 물질을 기판으로 사용할 수 있게 됩니다. 이러한 저온 공정 세라믹 산화물 반도체 기술 개발을 통해 일본의 수출규제 영향을 크게 받지 않고 flexible display를 제작할 수 있게 됩니다.”

-교수님께서 중점적으로 연구하신 것은 무엇인가요?

“저는 2005년부터 이 산화물 반도체의 미래기술에 대해 연구하기 시작했습니다. 산화물 반도체는 이 당시 회사에서 이미 개발해 양산을 준비 중인 재료와 기술이었는데, 학교에서 회사와 같은 선상에서 경쟁하는 것은 승산이 없다고 판단했습니다. 그래서 회사에서 하는 진공증착 방법이 아닌 액상기반의 산화물 반도체 기술을 집중적으로 연구했으며 다수의 연구 성과를 낼 수 있었습니다.”

-액상기반의 산화물 반도체 기술에 주목하신 이유는요?

“진공증착 방법을 사용하는 산화물 반도체와 재료의 성분은 같지만, 액상기반으로 증착을 하게 되면 고가의 진공증착 설비가 필요 없기 때문에 제조 원가를 획기적으로 낮출 수 있습니다. 또한 액상 기반으로 증착을 하면, 재료의 조성비를 매우 쉽게 조절할 수 있다는 장점이 있습니다.”

-현재 기술 개발 단계는 어디쯤인가요?

“액상기반의 산화물 반도체 기술도 최근에는 이미 전 세계적으로 많은 연구자들이 연구하고 있습니다. 진공증착 방법의 경우 사용하는 장비의 종류가 회사마다 거의 동일합니다. 하지만 액상기반의 산화물 반도체는 다양한 장비를 통해 증착시키는 연구가 활발히 진행되고 있습니다. 액상 기반의 산화물 반도체는 아직 양산할 수준은 아니지만 학교, 연구소 뿐 아니라 많은 재료 벤처업체들이 이 기술의 실제 제품에 적용하기 위해 노력하고 있습니다.”

-기술 완성도를 높이기 위해 보완되어야 할 부분은요?

“산화물 반도체를 사용하는 이유 중 하나가 비정질 Si 대비 스위칭 특성이 좋기 때문입니다. 액상 기반의 산화물 반도체 TFT의 성능은 진공증착 방법에 비해 10분의 1 정도 수준밖에 되지 않습니다. 따라서 용액공정을 통해 제작해도 진공공정 만큼의 스위칭 특성이 나타나도록 기술개발을 하는 것이 필요할 것 같습니다.”

-미래 100대 기술로서 앞으로 어떻게 발전할 수 있다고 생각하시나요?

“앞으로 디스플레이를 위한 트랜지스터는 Si 대비 우수한 특성을 갖고 있는 산화물 반도체가 전면적으로 사용될 가능성이 높습니다. 현재는 디스플레이를 위한 소자로 주로 쓰이고 있지만 차세대에는 DRAM이나 flash memory 등의 메모리 반도체 제품에도 산화물 반도체가 활용될 가능성이 있기 때문에 미래 100대 기술로서 세라믹 산화물 반도체의 가치는 무궁무진할 것으로 생각됩니다.”

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김현재 교수는?

1987~1991년 연세대학교 신소재공학부 학사

1991~1993년 미국 Columbia University Materials Science and Engineering 석사

1993~1996년 미국 Columbia University Materials Science and Engineering 박사

1996~2005년 삼성전자 수석연구원

2004~2005년 프랑스 Ecole Polytechnique 방문 교수

2005년~ 연세대 전기전자공학부 교수

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