증기 증착 페로브스카이트가 차세대 반도체에 동력을 공급하다

전자제품은 현대 사회에 크게 영향을 미쳤으며, 통신 및 엔터테인먼트뿐만 아니라 교육, 의료, 운송, 제조, 컴퓨팅 및 보안에도 영향을 미칩니다.

전기 장치의 핵심 부품은 반도체, 즉 칩이라고도 불립니다. 반도체는 절연체와 도체의 특성을 모두 가진 물질이며, 해당 전자 부품의 특정 요구에 맞게 조정될 수 있습니다. 그 기능에는 신호 증폭, 스위칭 및 에너지 변환이 포함됩니다.

반도체 산업은 더 작고, 더 빠르고, 더 저렴한 제품을 개발하는 데 집중하고 있으며, 이러한 목표를 달성하고 차세대 전자 장치를 발전시키기 위해 새로운 재료를 지속적으로 탐구하고 있습니다.

비독성 주석(Sn) 기반 페로브스카이트를 활용한 반도체 탐구

신흥 반도체 중에서, 금속-할라이드 페로브스카이트는 뛰어난 전하 전달 특성과 저온에서 대면적 증착이 가능한 저비용 덕분에 주목받고 있습니다.

금속 할라이드는 금속 원소와 할로겐 원소가 결합하여 형성되는 화합물입니다. 예를 들어 염화나트륨은 소금이며, 우라늄 헥사플루오라이드는 원자력 발전소에서 연료로 사용됩니다.

페로브스카이트는 ABO3 결정 구조를 가진 물질군입니다. 여기서 A는 희토류 원소이며, B는 전이 금속입니다. 이러한 물질은 아세테이트, 질산염, 탄산염을 600~900도 사이의 고온에서 열분해하여 생산됩니다.

금속-할라이드 페로브스카이트 중에서, 독성이 낮은 주석(Sn) 기반 후보 물질은 고유한 결정 구조 덕분에 유망한 후보로 부상했습니다. 주석 기반 반도체는 낮은 독성과 생체 적합성으로 에너지 응용 분야에 매우 바람직한 물질입니다.

한 연구¹는 아이오와 주립대 연구원들이 수행한 연구는 주석 기반 칼코할라이드에 주목했으며, 이는 다양한 응용 분야의 반도체로 탐구되고 있습니다. 이 물질은 실제로 광전기적 특성을 가지고 있으며, 본질적으로 높은 안정성과 전력 변환 효율을 보입니다.

이 연구는 다원 주석 칼코할라이드 반도체의 개발에 초점을 맞추었으며, 용액 상 방법을 활용해 납이 없는 광전기 응용을 위한 대안으로 사용했습니다. 연구 결과, 주석 칼코할라이드는 할라이드 페로브스카이트에 비해 실온에서 뛰어난 수분 안정성과 장시간에 걸친 열 저항성을 보여주었습니다. 이 작업을 통해 보다 안정적이고 생체 적합성 반도체 및 장치를 설계하는 데 기여하고자 했습니다.

고성능 P-채널 TFT를 통한 속도 및 효율성

독성이 없는 주석(Sn) 기반 cTin(Sn2+) 할라이드 페로브스카이트, 예를 들어 세슘 주석 트리아이오다이드(CsSnI3), 포르마디늄 주석 트리아이오다이드(FASnI3), 메틸암모늄 주석 트리아이오다이드(MASnI3) 등은 고성능 P-채널 박막 트랜지스터(TFT) 개발에 잠재력을 보여줍니다.

TFT는 주로 액정 디스플레이(LCD)에 사용되며, 스마트폰, 태블릿, 노트북, 데스크톱 및 HD TV의 평면 패널 디스플레이를 구동하는 핵심 기술입니다.

우리 장치를 사용할 때, 수천 개의 미세한 부품, 즉 트랜지스터가 배경에서 끊임없이 작동하며 전류를 조절해 이미지를 표시하고 원활한 작동을 보장합니다.

현재 트랜지스터는 n형(전자 전달)과 p형(정공 전달)으로 구분됩니다. n형 장치는 일반적으로 우수한 성능을 보입니다. 그러나 고속 컴퓨팅을 낮은 전력 소비로 달성하려면 p형 트랜지스터도 비슷한 효율을 확보해야 합니다.

따라서 고성능 p-채널 박막 트랜지스터에 초점을 맞추고 있습니다. TFT를 제작하기 위해서는 일반적으로 실리콘이나 금속 산화물과 같은 반도체와 무기 재료로 된 유전체 층을 유리나 플라스틱과 같은 비전도성 기판 위에 증착합니다.

이제 박막 트랜지스터 응용에서 페로브스카이트를 채널 층, 즉 반도체 물질로 사용하려면, 그 높은 정공 농도를 조절해야 합니다. 또한 산란 시간을 늘리기 위해 결정화 과정을 제어해야 합니다.

Sn2+ 할라이드 페로브스카이트 전구체의 핵생성과 결정화를 조절하기 위해 조성 엔지니어링 방법이 사용됩니다. 이를 통해 TFT는 저온 다결정 장치 수준의 높은 정공 전계 효과 이동도를 달성할 수 있으며, 이러한 장치는 주로 태양광 및 전자 산업에 활용됩니다.

Sn2+ 할라이드 페로브스카이트 박막에 주로 사용되는 증착 기술은 용액 처리이며, 이는 잉크를 종이에 적시는 것과 유사합니다. 이 기술은 비용 효율적으로 빠른 최적화 실험을 가능하게 합니다.

실험실에서의 빠른 진전과 향후 저비용, 고처리량 제조 가능성은 대부분의 연구가 용액 기반 증착 방법에 초점을 맞추는 이유입니다.

하지만 실제 현장에서는 전혀 그렇지 않습니다. 이는 실험실 기술을 산업 환경으로 이전하는 것이 어려워서입니다. 산업용 광전자 생산 라인에 적용될 때, 가장 숙련된 업체조차도 이 방법으로 충분한 생산 수율과 재현성을 달성하는 데 어려움을 겪습니다.

따라서 용액 처리된 주석(Sn2+) 할라이드 페로브스카이트는 상업용 저온 폴리실리콘 기술과 비교해도 성능이 비슷한 p-채널 TFT에 적용 가능하지만, 일관된 품질 확보와 확장성, 상용화 측면에서 기존 평면 디스플레이 및 반도체 장치 제조 공정과의 호환성이 낮아 문제를 야기합니다.

증기 기반 증착 기술이 주도하다

증기 증착은 박막 트랜지스터(TFT)를 생산하기 위한 용액 기반 기술의 대안으로 부상했습니다.

실제로 이는 상업용 박막 전자 제품에 널리 사용되는 기술로, 단순함, 정밀도, 우수한 필름 품질 및 기존 생산 공정과의 호환성 때문에 선도적인 기술입니다.

박막의 두께와 형태는 장치 성능에 결정적인 영향을 미치며, 증기 증착은 이를 정밀하게 제어할 수 있게 합니다.

물리적 증기 증착(PVD)과 화학적 증기 증착(CVD) 모두 필름 두께, 조성 및 특성을 뛰어나게 제어할 수 있습니다.

용액 기반 기술의 한계로 인해, 증기 기반 증착 기술은 실제 산업 환경, 특히 태양광 제조에서 가장 많이 사용됩니다. 예를 들어, 선도적인 PV 솔루션 제공업체인 First Solar(FSLR )는 증기 처리를 통해 카드뮴 텔루라이드 태양전지를 생산합니다. 또 다른 예로 Heliatek GmbH는 열증발을 이용해 상업용 유기 태양전지를 제조합니다.

하지만 물론, 증기 기반 증착 기술도 비용이 높고, 공정이 복잡하며, 처리량이 제한되고, 기판 크기와 형태에 제한이 있다는 도전 과제가 있습니다.

지난 해 연구에서는 새로운 방법²을 도입했으며, 이를 연속 플래시 승화(CFS)라 부르고, 증기 증착의 한계를 극복하여 고품질 무기 할라이드 페로브스카이트 필름을 생산합니다.

그들의 CFS 기술은 빠르고 연속적인 증착을 가능하게 하여 제조 시간을 단축하고 필름 균일성을 향상시켰으며, 이는 페로브스카이트 기반 장치의 대규모 제조에 필수적입니다.

연구 결과에 따르면, CFS로 만든 필름을 실제 태양전지에 적용했을 때, 성능이 용액 증착 필름 수준에 머무르지 않고 이전에 보고된 증기 증착 무기 페로브스카이트 장치보다도 우수했습니다.

연구는 15%의 전력 변환 효율을 보고했으며, 이는 “무기 할라이드 페로브스카이트 흡수체를 이용한 가장 효율적인 증기 처리 태양전지”를 제공함과 동시에, 증기 처리 페로브스카이트 태양전지의 과도한 처리 시간 및 연속 증착 부재와 같은 문제를 해결하여 산업 규모에서 증기 기반 접근법을 신속히 적용하는 데 장애가 되는 요소들을 극복했습니다.

증기화된 CsSnI3 층으로 반도체 혁신

증기 증착의 결정화 과정은 용액 처리의 빠른 이온 반응과 달리 느린 고체 반응을 포함합니다.

이 때문에 증기 증착으로 적절한 정공 밀도를 가진 고품질·고이동도 Sn2+ 페로브스카이트 채널을 구현하는 것이 도전 과제가 됩니다.

제한을 극복하기 위해 포항공과대학교(POSTECH) 화학공학과의 여진 리오 박사와 용영 노 교수팀은 획기적인 기술을 개발했습니다.

팀은 열증발 방식을 활용해 무기 세슘 주석 아이오다이드(CsSnI3)를 사용하여 p-채널 Sn2+ 할라이드 페로브스카이트 TFT를 제작했으며, 이는 차세대 디스플레이 및 전자 장치를 혁신할 잠재력을 보여줍니다.

이 연구는 중국 전자과학기술대학(UESTC)의 주희후 교수와 류아오 교수와 협력하여 수행되었으며, Nature Electronics에 발표³되었고, 한국 정부, 중국 국가자연과학기금, 삼성디스플레이의 지원을 받았습니다.

팀은 반도체 칩 및 OLED TV 제조에 널리 사용되는 열증발을 성공적으로 적용해 고품질 CsSnI3 반도체 층을 생산했습니다.

이 방법에서는 재료를 고온에서 증발시켜 기판 위에 박막을 형성합니다.

무기 CsSnI3 기반 p-채널 TFT를 증기 증착하는 것 외에도, 팀은 염화납(PbCl2)을 첨가제로 사용했습니다. 소량의 PbCl2를 추가함으로써 페로브스카이트 박막의 균일성과 결정성을 향상시켰습니다.

그 작용 방식은 휘발성 염화물이 반응 개시제로 사용되어 증발된 페로브스카이트 화합물의 고체 상태 반응을 촉진하고, 이를 통해 완전한 페로브스카이트 상 형성까지 이어졌습니다. 결과적으로 연속적으로 조밀하고 확대된 결정립이 형성되었습니다.

일관된 고품질 페로브스카이트 필름 형성을 촉진함과 동시에 높은 정공 밀도를 조절하여 채널 층으로 사용하기에 적합하게 만들었습니다.

연구에서 최적화된 TFT(C sSnI3:PbCl2 TFT)는 150일 이상 장기 저장 안정성을 보였으며, 정공 이동도 33.8 cm² V⁻¹ s⁻¹ 이상, 온/오프 전류 비(Ion/Ioff) 10⁸ 이상이라는 뛰어난 성능을 달성했습니다. 이 성능은 현재 상용화된 n형 산화물 반도체와 비교해도 비슷하며, 빠른 신호 처리와 스위칭 시 낮은 전력 소비를 의미합니다.

또한 팀은 대규모 균일한 Sn2+ 할라이드 페로브스카이트 TFT 어레이를 제작했습니다. 이 성과와 장치 안정성 향상을 통해 POSTECH와 UESTC 연구진의 혁신은 용액 기반 방법의 주요 기술적 한계를 효과적으로 극복했습니다.

특히, OLED 디스플레이 생산에 사용되는 기존 제조 장비와 호환되기 때문에, 이 기술은 비용 절감 및 제조 공정 간소화에 큰 잠재력을 제공합니다.

연구에 따르면, 증기 증착된 TFT는 유기 발광 다이오드(OLED) 디스플레이의 백플레인이나 저온 공정이 필요한 단일 3D 집적용 논리 장치 및 회로에 활용될 가능성이 있습니다.

“이 기술은 저온 300°C 이하의 공정으로 스마트폰, TV, 수직 적층 집적 회로 및 웨어러블 전자 제품에 초박형, 유연하고 고해상도 디스플레이를 상용화할 흥미로운 가능성을 열어줍니다.”

– 용영 노 교수

반도체 소재의 돌파구가 계속 진화함에 따라, 이제 주요 투자 대상 산업 플레이어를 살펴보겠습니다.

여기에서 그래핀 반도체가 최종적으로 등장했는지 확인하세요.

반도체 투자

반도체 분야에서 Intel (INTC )은 가장 큰 기업 중 하나이며, 첨단 칩 기술 개발에 크게 투자하고 있습니다. 산업이 더 작고 효율적인 트랜지스터로 전환함에 따라, 증기 증착 페로브스카이트와 같은 혁신은 특정 응용 분야에서 실리콘 대체재를 찾는 Intel에게 큰 관심사입니다.

덧붙여, Intel은 성능 및 전체 칩 아키텍처를 향상시키기 위해 새로운 소재를 지속적으로 칩 설계에 통합하고 있습니다.

Intel Corporation (INTC )

이 회사는 세 개의 사업 부문을 통해 운영됩니다. Intel Products에는 네트워크 및 엣지(NEX), 데이터 센터 및 AI(DCAI), 클라이언트 컴퓨팅 그룹(CCG)이 포함됩니다. Intel Foundry 부문도 있으며, 기타 모든 부문은 Altera, Mobileye 등을 포괄합니다.

미국 최대의 칩 제조업체는 Dell, Lenovo, HP와 같은 주요 PC 제조업체를 고객으로 두고 있습니다. 또한 미국 국방부를 위한 최첨단 칩을 제조합니다. 더불어 Intel은 Microsoft (MSFT ), Cisco, SAP, Amazon 등과 파트너십을 체결했습니다.

Intel의 시가총액은 912억 3천만 달러이며, 현재 주가는 20.93달러로 올해 4.6% 상승했습니다. EPS(TTM)는 -4.48, P/E(TTM)는 -4.68이며, 주주에게 배당 수익률은 제공되지 않습니다.

INTC의 실적이 올해 긍정적으로 전환되었지만, 주가가 2021년 거의 67.5달러였던 정점에서 아직 크게 벗어나 있습니다. 2023년은 Intel 주식에 좋은 해였지만, 지난해는 주가가 19달러 이하로 떨어졌고, 올해는 관세와 잠재적 무역 전쟁으로 인한 불확실성이 광범위한 주식 시장에 영향을 미치고 있습니다.

“현재 거시 환경은 산업 전반에 걸쳐 높은 불확실성을 초래하고 있습니다.”라고 CFO 데이비드 진스너는 언급했습니다. 회사는 애널리스트와의 통화에서 “규율 있고 신중한 접근”을 취하고 있지만, 진스너는 무역 정책 및 규제 위험이 “경제 둔화 가능성을 높이고, 경기 침체 확률을 증가시켰다”고 지적했습니다.

하지만 긍정적인 소식으로는 트럼프 행정부가 ‘AI 확산 규칙’으로 알려진 미국 칩 수출 제한을 철회하려는 준비를 하고 있다는 점입니다. 이는 바이든 행정부가 반도체 제조업체에 부과한 제한을 종료시키며, 해당 제한은 5월 15일 발효될 예정이었습니다.

이 규칙에 따라 국가들은 세 개의 등급으로 구분되며, 모든 등급에서 Intel 및 Nvidia (NVDA ) 와 같은 고급 AI 칩을 라이선스 없이 해당 국가로 수출하는 것이 제한됩니다.

“바이든 AI 규칙은 지나치게 복잡하고 관료적이며, 미국 혁신을 저해합니다. 우리는 이를 훨씬 간단한 규칙으로 대체하여 미국 혁신을 촉진하고 미국 AI 우위를 보장할 것입니다.”

– 상무부 대변인

Intel 재무에 대해 말하자면, 2025년 1분기는 전년 대비 성장률이 평탄했으며 매출은 127억 달러, 주당 순손실(EPS)은 -0.19달러, 비GAAP EPS는 0.13달러였습니다. 이는 2024년 전체 매출 531억 달러(전년 대비 2% 감소)와 EPS -4.38달러, 비GAAP EPS -0.13달러에 이어 나타난 결과입니다.

감소세는 다음 분기에도 지속될 것으로 예상되며, Intel은 112억~124억 달러 사이의 매출을 전망했습니다. 그러나 회사는 CEO Lip-Bu Tan 하에서 내년 비용을 대폭 삭감할 계획을 발표했으며, 2025년 운영비는 170억 달러, 2026년은 160억 달러로 예상됩니다.

“첫 분기는 올바른 방향으로 나아간 단계였지만, 시장 점유율을 회복하고 지속 가능한 성장을 이끌기 위한 빠른 해결책은 없습니다.”라고 Tan이 말했습니다. 그는 수백 개의 중국 기술 기업에 투자했습니다. 그의 지도 아래, 회사는 “엔지니어가 훌륭한 제품을 만들 수 있도록 권한을 부여하면서 실행력과 운영 효율성을 높이기 위한 신속한 조치를 취하고 있다”고 밝혔습니다.

따라서 Intel은 명백히 어려운 시기를 헤쳐 나가고 있습니다. 매출 감소와 시장 실적 부진 외에도, 시장 점유율을 잃고 파운드리 사업에 대한 투자가 아직 큰 성과를 내지 못하고 있습니다. 또한 새로운 제품 출시 시 실행 실패도 겪었습니다.

하지만 새로운 리더십 아래의 공격적인 구조조정은 인력 감축, 파운드리 사업을 TSMC에 매각하거나 분할한다는 추측, 그리고 Intel 18A와 같은 리더십 회복 가능성을 제시합니다. Intel 18A는 이미 Microsoft의 지원을 확보했으며 Nvidia와 Google도 관심을 보이고 있어, Intel이 의미 있는 재도약을 할 수 있는 잠재력을 가지고 있지만, 실행이 핵심이 될 것입니다.

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결론

반도체는 현대 전자의 기반이며, 더 저렴하고 빠르며 작은 장치에 대한 수요가 증가함에 따라 소재 혁신이 그 어느 때보다 중요해졌습니다.

이러한 배경에서 최신 연구가 달성한 돌파구는 기존 박막 트랜지스터 기술을 크게 뒤흔들 잠재력을 보여줍니다. 증기 증착 Sn2+ 할라이드 페로브스카이트 TFT의 발전은 열 안정성을 향상시키고 기존 OLED 제조 방법과의 호환성을 높여, 페로브스카이트 기반 반도체를 유연하고 3D 전자 제품에 통합하는 밝은 미래를 제시합니다.

이러한 지속적인 혁신을 통해 우리는 고도로 컴팩트하고 에너지 효율적이며 유연한 스마트 디바이스가 보편화되는 미래를 향해 나아가고 있습니다.

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참고 연구:

1. Roth, A. N., Porter, A. P., Horger, S., Ochoa-Romero, K., Guirado, G., Rossini, A. J., & Vela, J. (2024). 납 프리 반도체: 다원 주석 칼코할라이드의 상변화 및 우수한 안정성. Chemistry of Materials, 36(9), 4542–4552. https://doi.org/10.1021/acs.chemmater.4c00209

2. Abzieher, T., Muzzillo, C. P., Mirzokarimov, M., Lahti, G., Kau, W. F., Kroupa, D. M., Cira, S. G., Hillhouse, H. W., Kirmani, A. R., Schall, J., Kern, D., Luther, J. M., & Moore, D. T. (2024). 무기 할라이드 페로브스카이트의 연속 플래시 승화: 증기 증착의 속도 및 연속성 제한 극복. Journal of Materials Chemistry A, 12, 8405–8419. https://doi.org/10.1039/D3TA05881F

3. Reo, Y., Zou, T., Choi, T., et al. (2025). 증기 증착 고성능 주석 페로브스카이트 트랜지스터. Nature Electronics. https://doi.org/10.1038/s41928-025-01380-8