정재경 교수 연구팀, 하이브리드 유기절연막과 IGTO로 스트레처블 TFT 구현
'어드밴스드 펑셔널 머트리얼즈'에 논문 발표
2020-01-14 이종준 기자
정재경
기존보다 3배까지 늘어나는 스트레처블(stretchable) 박막트랜지스터(TFT) 관련, 정재경 한양대 교수 연구팀의 논문이 이달초 소재분야 국제 학술지 '어드밴스드 펑셔널 머티리얼즈(Advanced Functional Materials)' 온라인판을 통해 발표됐다. 논문 제목은 '스트레처블 TFT 구현을 위한 하이브리드 유기 절연막-지르코니아를 첨가한 네트워크 구조'다.
정 교수는 14일 "무기물 TFT 채널(channel) 위에 하이브리드 유기절연막을 올렸다"며 "기존 유기절연막 소재에 지르코니아(ZrO2)를 첨가, 크로스-링크(cross-link) 네트워크를 만들었다"고 말했다. 본래 유기절연막이 가진 늘어나는 성질을 유지하면서도 무기물 TFT 채널과의 전기적 성능을 개선했다.
국내 디스플레이 업체는 오래 전부터 스트레처블 디스플레이를 연구해오고 있다. 최종 스트레처블 제품 출시만을 목적으로 디스플레이에 높은 탄성을 부여하려 하는 건 아니다. 디스플레이 패널의 탄성은 이미 제품화된 폴더블(foldable) 디스플레이, 출시가 임박한 롤러블(rollable) 디스플레이 등의 내구성을 높이는데도 큰 도움이 된다.
정재경 교수 연구팀은 유기절연막을 무기물 채널과 조합했다. 절연막(dieletric film)은 TFT 채널과 게이트 전극 사이에 위치한다. 거의 모든 디스플레이는 전기적 특성이 좋은 무기물 채널 TFT로 구동된다. 무기물 채널에 붙는 실리콘옥사이드(SiO2), 알루미늄옥사이드(AlO3) 등 무기 절연막은 탄성이 적어 스트레처블 구현시 잘 깨지는 편이다. 유기물로 채널과 절연막을 모두 만들면 잘 늘어나는 편이나 전기적 특성이 무기물보다 현저히 떨어진다.
정 교수는 "늘어나는 성질과 전기적 성능은 한쪽이 좋으면 다른 쪽은 손해를 보는 트레이드 오프(trade-off) 관계"라며 "유기절연막의 늘어나는 성질을 유지하면서도 크로스-링크를 구성해 전기적 특성을 유지한 하이브리드 유기절연막이 핵심 연구결과 중 하나"라고 했다.
TFT 채널 소재는 산화물의 일종인 IGTO(인듐·갈륨·주석·옥사이드)를 썼다. 150도 이하 온도에서 공정이 가능하다. 현재 디스플레이 양산에 적용되고 있는 IGZO(인듐·갈륨·아연·옥사이드) 소재는 보통 300도 이상에서 만들어진다. 정 교수는 "앞으로 스트레처블한 기판에 직접 TFT를 만들려면 온도를 낮추는 공정이 유리하다"고 했다.
정 교수 연구팀이 만든 스트레처블 TFT의 최종 기판 소재는 폴리에틸렌(PE)이다. PI 기판 위에 우선 TFT를 만든뒤 PE 위에 드문드문 옮겨 붙였다. 최종 기판인 PE를 '3배까지 늘였다 줄였다'를 200번 반복해도 TFT의 전기적 특성이 유지됐다. PI는 잘 늘어나는 소재가 아니다. PE기판이 3배까지 늘어날 동안 PI 기판 면적은 거의 그대로다.
정 교수는 "PI 기판을 늘리는게 아니라고 해서 기존 무기물 TFT를 그대로 쓰면 절연막이 깨진다"며 "하이브리드 유기절연막을 썼기에 PE를 3배까지 늘려도 TFT의 전기적 특성이 유지됐다"고 했다. "궁극적으로는 중간에 옮겨 붙이는 전사 공정 없이 스트레처블한 기판 위에 TFT를 만들어야 할 것"이라고도 했다.
이번 어드밴스드 펑셔널 머티리얼즈 게재 논문에는 김정오 LG디스플레이 책임이 제1저자로 참여했다. 삼성전자 미래기술육성센터에서도 지원을 받았다.