김태인 연구실은 용액공정이 가능한 p형 반도체를 활용하여 차세대 박막트랜지스터의 성능과 안정성을 높이는 연구를 수행한다. 특히 CuI와 텔루륨 계열 박막 반도체에서 공공(vacancy), 결정화도, 표면 및 매몰 계면의 화학 상태가 전하 수송에 미치는 영향을 정밀하게 분석하고, 이를 바탕으로 저전력 상보형 회로에 적합한 소자 구조를 설계한다. 기존의 n형 중심 박막전자소자 연구를 넘어, 고성능 p형 소자의 구현을 통해 회로 집적성과 응용 가능성을 확장하는 데 초점을 두고 있다. 연구 방법론 측면에서는 열처리 분위기 제어, 패시베이션 층 도입, 계면 공학, 샌드위치 구조 설계 등을 통해 반도체 내부와 계면의 결함 상태를 능동적으로 조절한다. CuI 박막트랜지스터에서는 요오드 공공과 구리 공공의 균형, 표면 밀도, 입자 크기 변화가 이동도와 문턱전압, on/off 비, 장기 안정성에 어떤 영향을 주는지 체계적으로 규명한다. 또한 Al2O3 패시베이션이나 수소 분위기 공정과 같은 공정 변수들이 buried interface에서의 접촉 특성과 장기 신뢰성에 미치는 효과를 분석하여, 소자 성능 향상의 메커니즘을 재료-공정-소자 관점에서 연결한다. 이 연구는 차세대 디스플레이 구동소자, 센서, 저전력 로직 회로 등 다양한 응용 분야에서 핵심 기반 기술이 될 수 있다. 특히 안정적인 p형 TFT 확보는 상보형 회로 구현의 필수 요소이므로, 연구실의 결함 제어 전략은 유연전자소자와 대면적 전자회로 분야에서 높은 파급력을 가진다. 향후에는 텔루륨, CuI, 2차원 소재를 포함한 다양한 반도체 플랫폼으로 연구를 확장하여, 공정 단순성과 신뢰성을 동시에 만족하는 고성능 박막 전자소자 기술로 발전할 가능성이 크다.

연구실은 h-BN, BCN, 그래핀, MoS2, WSe2와 같은 이차원 나노소재를 활용하여 반도체 소자의 전기적 특성을 개선하는 연구를 폭넓게 전개하고 있다. 이들 소재는 원자 수준의 얇은 두께, 우수한 계면 특성, 높은 투명성과 유연성을 바탕으로 차세대 반도체 소자와 메모리, 디스플레이용 전극 및 보호층에 적합하다. 특히 화학적 박리 기반 h-BN 나노시트, van der Waals 적층 구조, 그래핀 전극과 같은 연구 주제는 소재 합성부터 공정 통합, 소자 응용까지 연결되는 연구실의 핵심 축을 이룬다. 구체적으로는 h-BN 나노시트를 이용한 고신뢰성 패시베이션 층 개발, MoS2/h-BN 또는 MoS2/BN/BCN 이종접합의 밴드 정렬 분석, 그래핀 전극의 선택적 결함 치유 및 도핑 제어 등이 포함된다. 이러한 접근은 계면 트랩을 줄이고 전하 주입 장벽을 조절하며, 누설전류 억제와 장기 안정성 향상에 기여한다. 또한 메모리 소자에서는 전하 트래핑층과 이차원 절연/반도체 계면의 특성을 최적화하여 3D V-NAND와 같은 고집적 비휘발성 메모리 응용으로 연결하고 있다. 이 연구의 의의는 단순한 소재 개발에 그치지 않고, 반도체 소자의 핵심 병목인 계면 품질과 공정 신뢰성을 동시에 해결하려는 데 있다. 이차원 소재 기반 계면 공학은 차세대 메모리, 저전력 트랜지스터, 유연 전자소자 분야에서 매우 중요한 기술이며, 기존 실리콘 공정과의 융합 가능성도 높다. 향후 연구실은 2차원 나노복합체의 구조 제어와 적층 공정 기술을 더욱 고도화하여, 초고집적 반도체 및 차세대 전자소자의 성능 한계를 넓히는 방향으로 연구를 발전시킬 것으로 보인다.

김태인 연구실은 반도체 재료의 전하 이동 특성과 광응답 특성을 바탕으로 투명 전극, OLED 전극, 포토디텍터와 같은 광전자 소자 연구도 수행하고 있다. 그래핀 기반 투명 전극의 도핑 메커니즘을 규명하고, 일함수 제어를 통해 유기발광다이오드의 전하 주입 특성을 개선하는 연구는 연구실의 대표적인 광전자 분야 성과다. 최근에는 자가구동 포토디텍터를 위한 수직 이종접합과 결함 조절 전략까지 확장되며, 전자소자와 광전자소자를 아우르는 융합 연구로 발전하고 있다. 그래핀 전극 연구에서는 Cs 기반 도핑과 결함 제어를 통해 투명성을 유지하면서도 낮은 일함수와 우수한 전하 전달 특성을 확보하는 데 집중한다. 이를 통해 inverted OLED 구조에서 외부 양자효율 향상과 소자 통합 용이성을 동시에 달성한다. 한편 포토디텍터 연구에서는 이종접합 구조와 결함 상태를 정밀하게 조절하여 정류 특성, 전하 분리 효율, 광검출 감도를 높이며, 외부 전원 없이 동작하는 self-driven 소자를 구현하는 방향으로 연구가 진행된다. 이러한 연구는 디스플레이, 웨어러블 센서, 저전력 광센서, 차세대 인간-기계 인터페이스 기술과 직접적으로 연결된다. 특히 투명 전극과 광검출 소자는 유연 전자소자 및 집적형 광전자 시스템에서 핵심 부품이므로, 연구실의 소재-계면-소자 통합 역량은 높은 응용 잠재력을 가진다. 앞으로는 반도체 박막트랜지스터 기술과 광전자 소자 기술의 결합을 통해, 표시와 감지, 연산 기능을 동시에 수행하는 집적형 반도체 플랫폼으로 확장될 가능성이 크다.