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[여성종합뉴스/이경문 기자] 중앙대학교(총장 박상규) 박성규 교수 연구팀이 접고 비틀고 늘려도 정상 작동하는 반도체·디스플레이를 현실로 만들 핵심 기술을 개발하는 데 성공했다. 

중앙대는 전자전기공학부·지능형반도체공학과 박성규 교수와 강승한 박사과정생으로 구성된 연구팀이 차세대 자유 형상 반도체 소자와 디스플레이에 적용하기 위한 ‘고신축성 무기 반도체 트랜지스터·집적회로’ 기술을 개발했다고 4일 밝혔다. 

다양한 형태 변환이 가능한 차세대 자유 형상 전자기기를 개발하기 위해서는 형태를 변환해도 성능을 유지할 수 있는 신축성 반도체 소자 개발이 전제돼야 한다. 유연함을 특성으로 하는 유기 반도체나 나노반도체 소재를 기반으로 진행된 기존 연구는 안정성 등 여러 측면에서 적합하지 않다는 평을 받고 있다. 

기존 반도체 소재의 한계를 극복하기 위해 새로운 산화물 반도체를 활용한 연구들이 주목받았지만, 많은 제약이 존재했다. 서로 다른 탄성률을 지닌 재료를 기판에 통합하는 것이 쉽지 않은 일이었기 때문이다. 기계적 변형에 취약한 소자 영역을 구조적으로 보호하는 전략이 사용됐지만, 부분적으로 집중되는 인장 스트레스, 소재 간 물성 차이로 인해 발생하는 층 분리 문제에서 벗어나기 힘들었다. 밀도가 높은 산화물 반도체 소자와 회로를 외력으로부터 보호하면서 변형을 가능하게 만드는 새로운 기술과 구조가 필요한 상황이었다. 

박성규 교수 연구팀은 분자 맞춤형 기판 소재와 액상 금속 배선을 활용해 만든 고신축성 산화물 트랜지스터와 집적회로를 개발해 문제를 정면 돌파했다. 신축 기판과 강성 섬유 분자 맞춤형 소재를 도입해 강한 결합력을 갖도록 함으로써 층 분리 문제를 해결했고, 이중 보호막구조의 트랜지스터를 기판 내부에 위치시켜 소자 안정성도 확보했다. 

연구팀이 개발한 고집적 산화물 반도체 집적회로 신축화 기술은 높은 인장 강도를 바탕으로 다양한 형태 변형에도 우수한 성능과 안정성을 보여줬다. 고해상도 액상 금속 배선을 기존 반도체(CMOS) 공정에 호환할 수 있는 통합된 일체형 고신축 집적회로 제조 기술도 개발해 그 쓰임새가 클 것으로 전망된다. 

이번 연구성과는 중앙대 박성규 교수 연구팀이 영국 케임브리지대, 성균관대와 함께 진행해 도출한 것이다. 박성규 교수가 연구 책임을 맡았으며, 강승한 박사과정생은 제1저자에 이름을 올렸다. 

상세한 연구 내용은 ‘대면적 분자 맞춤형 고신축성 무기 트랜지스터 및 집적 회로(Full integration of highly stretchable inorganic transistors and circuits within molecular-tailored elastic substrates on a large scale)’ 논문을 통해 확인할 수 있다. 해당 논문은 세계적 학술지 네이처(Nature)의 자매지로 피인용도(IF, Impact Factor) 16.6을 기록한 전기전자 분야 저명 학술지 ‘네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications)’에 1일자로 온라인 게재됐다. 

박 교수는 “이번 연구를 통해 기존 신축성 전자소자의 소재와 구조, 공정기술의 제약을 극복했다. 자유 형상 고집적 반도체 소자와 집적회로 상업화에 큰 도약의 계기가 될 것이라고 본다. 신축성 반도체 집적회로, 디스플레이, 헬스 모니터링 시스템 등 차세대 전자기기의 핵심 기술로도 자리매김할 것”이라고 말했다.