최근 POSTECH(포항공과대학교) 화학공학과 정대성 교수팀이 이중 가능성 리간드를 도입한 차세대 전자 소자 개발에 중요한 ‘솔-겔(Sol-Gel)’ 산화물 트랜지스터를 학계에 보고했다. 이번 연구는 재료 분야 국제 학술지인 ‘어드밴스드 머터리얼즈(Advanced Materials)’ 온라인판에 최근 게재됐다.   전자 소자의 발전과 더불어 고성능 산화물의 중요성이 커지면서 용액공정을 이용한 ‘솔-겔’ 산화물 공정 연구가 활발히 이루어지고 있다. 기존의 공정에서 사용되는 고유전율* 물질은 전기적 성능은 뛰어나지만 누설 전류가 많고, 안정성이 낮으며, 패터닝(무늬를 만듦) 기술에 한계가 있었다. POSTECH 연구팀은 교차 결합(cross-link)이 가능한 5가지의 다양한 배위 리간드* 물질을 도입해 안정적이면서도 높은 전하 이동도를 가지도록 솔-겔 산화물층의 결합을 강화하고, 절연체 및 반도체 산화물층을 안정적으로 구현하는 데 성공했다. 도입된 리간드는 한쪽 말단에는 강한 루이스 염기 특성을 가지는 그룹을 가지고 있어서 효과적인 산화물 나노 입자와 리간드 교체를 가능하게 하고, 다른 한쪽은 아자이드 광가교 그룹을 가지고 있어서 빛을 조사하였을 때 공유 결합을 형성해, 디스플레이 소자를 구현하기 위한 필수 공정인 패터닝을 가능하게 하였고, 공간 채움 효과로 누설 전류가 적은 다층 산화물 유전체 트랜지스터를 제작하였다. 제작된 지르코늄 산화물(ZrO2) 유전체 박막은 유전율 18, 유전 강도 7MV/cm 등 우수한 성능을 보였다. 또한, 연구팀은 지르코늄 산화물(ZrO2) 절연층뿐만 아니라 인듐 산화물(In2O3)과 아연 산화물(ZnO)등 반도체 산화 층에도 이 기술을 적용해 40cm²/V·s의 전하 이동도*와 106의 on/off 비율*을 가지는 트랜지스터(TFT) 제작에도 성공했으며, 이를 4인치 실리콘 웨이퍼에 배열해 대면적 소자 전체에서의 균일한 성능도 확인했다. 연구팀의 합성 전략은 용액 공정에서도 고해상도 패터닝이 가능하다는 점을 입증했으며, 대면적 소자 제작에도 효과적으로 적용될 수 있다는 점에서 큰 의미가 있다.   POSTECH의 정대성 교수는 “패터닝이 가능한 배위 리간드를 활용해 고유전율 물질의 안정성과 포토 패터닝을 동시에 구현함으로써 차세대 전자 소자의 가능성을 크게 확장했다”라며 이번 연구의 의의를 전했다. 한편, 이번 연구는 과학기술정보통신부가 지원하는 한국연구재단의 나노소재 기술개발 프로그램의 지원을 받아 수행됐다.     * 유전율(Dielectric Constant): 물질이 전기장을 얼마나 잘 저장할 수 있는지를 나타내는 값으로, 전기적 에너지를 저장하는 능력을 나타낸다. 유전율이 높은 물질은 외부 전기장을 더 잘 유지하고 에너지를 축적할 수 있다. 주로 커패시터와 같은 전기 소자의 성능을 결정하는 중요한 물리적 특성이다. * 배위 리간드: 중심 금속 이온에 전자쌍을 제공하여 배위 결합을 형성하는 분자나 이온을 말한다.* 전하이동도(Mobility): 반도체 물질 내에서 전하(전자 또는 홀)가 전기장에 의해 얼마나 빠르게 이동할 수 있는지를 나타내는 물리적 성질이다. 단위는 cm²/V·s로 측정되며, 값이 클수록 전자가 자유롭게 이동할 수 있음을 의미한다.* on/off 비율: 전자 소자의 켜짐 상태(ON)와 꺼짐 상태(OFF)에서의 전류 비율을 나타내는 값이다. 주로 트랜지스터에서 사용되며, 높은 on/off 비율은 소자가 켜질 때 전류가 많이 흐르고, 꺼질 때는 거의 흐르지 않아 켜질 때와 꺼질 때의 차이가 큼을 의미한다. 높은 on/off 비율은 소자의 성능이 우수하다는 것을 나타낸다.