SAINT 박지상 교수 공동 연구팀, 친환경 무연 페로브스카이트 반도체 한계 극복 전략 개발

- 세계 최고 수준 p형 페로브스카이트 트랜지스터 구현, 최고 권위 학술지 ‘Nature’ 게재

▲ SAINT 박지상 교수

SAINT 박지상 교수 연구팀이 포항공과대학교 노용영 교수 연구팀, University of Electronic Science and Technology of China(UESTC) Ao Liu 교수 및 Huihui Zhu 교수 연구팀과의 공동 연구를 통해 기존 친환경 무연(Lead-free) 페로브스카이트 반도체의 치명적인 약점인 공기 중 산화 문제를 해결하고 세계 최고 성능의 p형 트랜지스터를 개발하는 데 성공했다. 이번 연구 성과는 차세대 반도체 트랜지스터 분야 최초로 세계 최고 권위의 국제 학술지 Nature에 7월 1일 자로 게재됐다.

스마트폰을 비롯한 다양한 전자기기에는 전기 신호를 제어하는 핵심 부품인 트랜지스터가 사용된다. 트랜지스터는 크게 전자를 이용하는 'n형'과 정공(전자가 빠져나간 빈자리)을 이용하는 'p형'으로 구분된다. 저전력·고성능 반도체를 구현하려면 두 반도체가 균형을 이뤄야 한다. 그러나 p형 트랜지스터는 성능 향상이 매우 어려워 과학기술정보통신부가 선정한 '반도체 분야 10대 미래 난제' 가운데 하나로 꼽혀왔다.

주석(Sn) 기반 페로브스카이트 반도체는 유해한 납(Pb)을 대체할 수 있는 대표적인 친환경 소재다. 또한 정공 이동 특성이 우수해 이러한 난제를 해결할 유력한 후보로 주목받아 왔다. 하지만 공기 중 산소와 접촉하는 순간 표면에 남아 있던 미반응 주석 이온이 산화되면서 전하의 흐름을 방해하는 결함이 발생한다. 이로 인해 반도체의 성능과 수명이 급격히 저하되는 문제가 있었다.

공동 연구팀은 이를 해결하기 위해 화학적 결함을 스스로 치유하는 '휘발성 표면 재구축(Volatile Surface Reconstruction)' 공정을 새롭게 도입했다. 연구팀은 세슘-주석-아이오딘 반도체 표면에 칼륨 아세테이트를 처리하는 독창적인 방식을 적용했다. 이 공정을 거치면 성능 저하의 주요 원인이었던 표면의 불안정한 주석 이온이 휘발성 물질로 변해 공기 중으로 제거된다. 동시에 주석 이온이 빠져나간 자리에는 칼륨 아이오다이드가 자연스럽게 채워진다. 이 물질은 외부의 공기와 수분을 차단하는 강력한 자가 보호막을 형성한다. 결함의 원인은 제거하고 빈자리는 보호막으로 메우는 혁신적인 공정인 셈이다.

이 기술을 적용한 결과, 정공 이동도는 50cm²/V·s를 넘었다. 전류를 켜고 끌 때의 선명도를 나타내는 전류 점멸비(On/Off Ratio)도 1억(10⁸) 이상을 기록했다. 이를 통해 세계 최고 수준의 p형 페로브스카이트 트랜지스터 성능을 달성했다. 특히 기존 소자가 공기 중에서 수분 내 파괴됐던 것과 달리 새롭게 개발된 소자는 공기 중에서도 4시간 이상 안정적으로 성능을 유지했다. 또한 100℃의 가혹한 열 환경에서도 한 달 이상 초기 성능을 유지하며 우수한 내구성을 입증했다.

박지상 교수는 "이번에 개발한 휘발성 표면 재구축 공정은 주석 페로브스카이트 반도체의 상용화를 획기적으로 앞당길 수 있는 기술"이라며 "주석 페로브스카이트뿐만 아니라 다양한 차세대 반도체 소재의 내구성과 성능을 동시에 향상시키는 범용적인 반도체 제조 전략으로 널리 활용될 것으로 기대한다"고 연구의 의의를 밝혔다.

한편, 이번 연구는 한국연구재단의 리더연구사업과 중견연구자사업, 삼성디스플레이의 지원을 받아 수행됐다.

※ 논문명: Tin perovskite transistors stabilized through volatile coordination

※ 학술지: Nature

※ 논문링크: https://www.nature.com/articles/s41586-026-10714-1