[논문]DC 마그네트론 스퍼터로 증착한 flexible OLED용 IZO 박막의 기계적 특성과 투습특성에 미치는 반응성 가스 첨가의 효과

천고은; 이동엽; 조영래; 송풍근

doi:10.5695/jkise.2007.40.6.245

[국내논문] DC 마그네트론 스퍼터로 증착한 flexible OLED용 IZO 박막의 기계적 특성과 투습특성에 미치는 반응성 가스 첨가의 효과
Effects of Reactive Gas Addition on the Mechanical Property and Water Permeability of IZO Films Deposited by DC Sputtering for Application to Flexible OLED 원문보기

한국표면공학회지 = Journal of the Korean institute of surface engineering, v.40 no.6, 2007년, pp.245 - 249

천고은 (부산대학교 재료공학부) , 이동엽 (부산대학교 재료공학부) , 조영래 (부산대학교 재료공학부) , 송풍근 (부산대학교 재료공학부)

Abstract ▼ AI-Helper

Amorphous IZO films were deposited on PET substrate by DC magnetron sputtering without substrate heating. In order to investigate effect of reactive gas addition on film properties, 0.2-0.4% of $H_2$ or $O_2$ gas was introduced during the deposition. Deposited IZO films were evaluated with mechanical property, electrical property, and water permeability. In the case of $H_2$ gas addition, mechanical property showed clear degradation compared to $O_2$ gas. In the case of $O_2$ gas, water permeability of the IZO film was increased compared to $H_2$ gas which could be attributed to the low adhesion of the film caused by bombardment of high energy negative oxygen ion. As a result, it is confirmed that water permeability of the film could be strongly affected by adhesion of the film.

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문제 정의

이는 전극의 전도성을 현저하게 떨어뜨리게 되므로 전극과 기판의 기계적 특성 또한 중요한 인자이다. 따라서 본 연구에서는 DC 마그네트론 스퍼터링법을 이용하여 플라스틱 기판 위에 증착한 IZO 전극의 기계적 특성과 투습특성 및 전기적-광학적 특성을 조사하였다. 이는 flexible한 OLED 에 적합한 전극의 제조연구에 중요한 지표를 제공할 것이라 기대한다.

가설 설정

IZO 박막의 기계적 특성과 투습 특성은 cyclic bending tester 와 mocon 투습 측정기를 사용하여 측정되었다. 그림 1은 (a) cyclic bending tester와 (b) mocon 투습 측정기의 모식도이다. 기계적 특성은 반복적인 굽힘 시험 동안 저항변화를 디지털 멀티미터(Agilent 34401A)를 통해 동시에 측정함으로써 조사하였다.

제안 방법

90wt%의 IihQ에 10wt%의 ZnO가 도핑된 3 inch 크기의 IZO 세라믹 타겟을 사용하였으며, 각 조건에 따른 모든 IZO 박막의 두께는 약 160 nm로 일정하게 유지되었다. 그리고 스퍼터링 파워, 스퍼터 압력 및 타겟-기판거리는 선행된 연구 결과에서 얻어진 최적의 조건들을 참고하여 70 W, 1.5 Pa 및 50 mm로 각각 고정 하였다? 본 연구는 선행된 실험결과의 반응성 가스에 따른 특성을 알아보고자 실행된 것이며, 이에 H₂/(Ar+H₂), O₂/(Ar+ O₂)의 비가 0.2-0.
그리고 스퍼터링 파워, 스퍼터 압력 및 타겟-기판거리는 선행된 연구 결과에서 얻어진 최적의 조건들을 참고하여 70 W, 1.5 Pa 및 50 mm로 각각 고정 하였다? 본 연구는 선행된 실험결과의 반응성 가스에 따른 특성을 알아보고자 실행된 것이며, 이에 H₂/(Ar+H₂), O₂/(Ar+ O₂)의 비가 0.2-0.4%가 되도록 수소가스와 산소 가스가 첨가한 박막과 100% Ar 가스분위기에서의 박막의 특성을 비교하였다.
IZO 박막의 비저항을 측정하기 위해 4-point probe 를 사용하였으며, 전기적 특성에 미치는 영향에 대한 원인을 규명하기 위해 비저항, 캐리어 농도, 흘이동도는 Hall effect measurements를 통해 평가되었다. 표면형상 관찰은 원자력 간 현미경(ATM XEI 120)을 사용하였으며, 광투과도는 200nm에서 1100 nm 의 영역 대에서 자외선 광학 측정기(UV-V, biochrom ultrospec 3300)를 사용하여 측정하였다.
표면형상 관찰은 원자력 간 현미경(ATM XEI 120)을 사용하였으며, 광투과도는 200nm에서 1100 nm 의 영역 대에서 자외선 광학 측정기(UV-V, biochrom ultrospec 3300)를 사용하여 측정하였다. IZO 박막의 기계적 특성과 투습 특성은 cyclic bending tester 와 mocon 투습 측정기를 사용하여 측정되었다.
표면형상 관찰은 원자력 간 현미경(ATM XEI 120)을 사용하였으며, 광투과도는 200nm에서 1100 nm 의 영역 대에서 자외선 광학 측정기(UV-V, biochrom ultrospec 3300)를 사용하여 측정하였다. IZO 박막의 기계적 특성과 투습 특성은 cyclic bending tester 와 mocon 투습 측정기를 사용하여 측정되었다. 그림 1은 (a) cyclic bending tester와 (b) mocon 투습 측정기의 모식도이다.
그림 1은 (a) cyclic bending tester와 (b) mocon 투습 측정기의 모식도이다. 기계적 특성은 반복적인 굽힘 시험 동안 저항변화를 디지털 멀티미터(Agilent 34401A)를 통해 동시에 측정함으로써 조사하였다. 시편 사이즈는 20mmX50mm의 직사각형 모양이며 , 속도와 수직 이동 stroke는 0.
마그네트론 스퍼터링법을 이용하여 PET 기판 위에 IZO 박막을 증착하여 기계적 특성 및 투습 특성을 조사하였다. 반응성 가스의 첨가는 IZO 박막의 전기적, 기계적 특성뿐만 아니라 투습특성에 영향을 크게 미치는 것을 확인할 수 있었다.

대상 데이터

IZO 박막은 DC 마그네트론 스퍼터링법을 사용하여 Polyethylene Terephthalate(PET) 기판 위에 가열 없이 증착되었다. 90wt%의 IihQ에 10wt%의 ZnO가 도핑된 3 inch 크기의 IZO 세라믹 타겟을 사용하였으며, 각 조건에 따른 모든 IZO 박막의 두께는 약 160 nm로 일정하게 유지되었다.
IZO 박막은 DC 마그네트론 스퍼터링법을 사용하여 Polyethylene Terephthalate(PET) 기판 위에 가열 없이 증착되었다. 90wt%의 IihQ에 10wt%의 ZnO가 도핑된 3 inch 크기의 IZO 세라믹 타겟을 사용하였으며, 각 조건에 따른 모든 IZO 박막의 두께는 약 160 nm로 일정하게 유지되었다. 그리고 스퍼터링 파워, 스퍼터 압력 및 타겟-기판거리는 선행된 연구 결과에서 얻어진 최적의 조건들을 참고하여 70 W, 1.
기계적 특성은 반복적인 굽힘 시험 동안 저항변화를 디지털 멀티미터(Agilent 34401A)를 통해 동시에 측정함으로써 조사하였다. 시편 사이즈는 20mmX50mm의 직사각형 모양이며 , 속도와 수직 이동 stroke는 0.08 Hz와 20 mm로각각 고정되었다. 일정한 속도로 일정한 거리를 반복하여 움직이는 지그를 통해 연속적인 굽힘 시험이 가능하였다.

성능/효과

반응성 가스인 산소 또는 수소를 첨가한 경우의 IZO 박막은 Ar 100%와 비교하여 비저항이 크게 증가하였다. 이러한 비저항의 감소는 이동도의 변화보다 캐리 어 밀도의 감소에 크게 의존하는 것을 확인할 수 있었다. 비정질 IZO 박막의 캐리어 생성기구로서는 산소 공공 및 격자 간 Zn 원자로 보고되고 있다'4).
217 nm로 조금 감소하는 것을 확인할 수 있었다. 그러나 수소가스를 0.2% 및 0.4% 첨가한 경우 IZO 박막표면의 Ra는 0.393 nm 및 0.488 nm로 산소 및 Ar 100%와 비교해 다소 크게 증가함을 확인할 수 있었다. 이것은 비정질 IZO 박막은 다결정 ITO 박막과 비교하여 화학적으로 불안정한 결합을 가지기 때문에 IZO 박막이 수소플라즈마에 노출된 경우 표면에 형성되는 저급산화물에 기인하는 것으로 사료된다이
결과이다. 산소 및 수소는 0.2-0.4%의 소량을 첨가하였기 때문에 모든 IZO 박막의 가시광투과율은 약 85% 이상을 나타내었으며 반응성 첨가에 의한 투과율의 뚜렷한 변화는 관찰할 수 없었다.
반응성 가스를 첨가하지 않은 경우 IZO 박막의 투습율은 0.586 g/n?day의 값을 나타내었으며, 수소가스와 산소가스를 첨가한 경우는 투습율은 각각 1.133 g/m2day, 1.710 g/neday으로 증가한 것을 확인할 수 있었다. 각 박막의 투습 특성 역시 기계적 특성과 전기적 특성과 마찬가지로 Ar 100% 조건에서 증착한 박막이 가장 우수한 특성을 보였다.
710 g/neday으로 증가한 것을 확인할 수 있었다. 각 박막의 투습 특성 역시 기계적 특성과 전기적 특성과 마찬가지로 Ar 100% 조건에서 증착한 박막이 가장 우수한 특성을 보였다. 이것도 역시 수소가스 첨가 시 증가한 결함밀도와 산소가스 첨가 시 감소한 기판과 박막 간의 부착력으로 인한 것으로 사료된다.
그러므로 산소가스를 첨가한 경우 투습율의 증가는 그림 2의 기계적 특성에서 언급한 바와 같이 고에너지 CT 이온 bombardment의 증가에 의한 박막의 부착력 감소에 기인한다고 생각되어 진다. 이상에서 박막의 부착력의 감소는 기계적 특성보다 투습 특성의 열화에 더욱 큰 영향을 미치는 것을 확인할 수 있었다.
조사하였다. 반응성 가스의 첨가는 IZO 박막의 전기적, 기계적 특성뿐만 아니라 투습특성에 영향을 크게 미치는 것을 확인할 수 있었다. 수소가스의 첨가는 격자 간 Zn 원자의 편석이나 저급산화물의 형성에 영향을 미쳐 기계적 특성 및 투습 특성을 저하하는 것으로 생각되어진다.
수소가스의 첨가는 격자 간 Zn 원자의 편석이나 저급산화물의 형성에 영향을 미쳐 기계적 특성 및 투습 특성을 저하하는 것으로 생각되어진다. 산소가스의 첨가 시 발생한 기계적 특성 및 투습특성의 열화는 기판과 박막 간의 부착력 저하에 기인한 것으로 예상되어지며, 이는 특히 투습특성의 열화에 크게 영향을 미치는 것을 확인할 수 있었다.

후속연구

따라서 본 연구에서는 DC 마그네트론 스퍼터링법을 이용하여 플라스틱 기판 위에 증착한 IZO 전극의 기계적 특성과 투습특성 및 전기적-광학적 특성을 조사하였다. 이는 flexible한 OLED 에 적합한 전극의 제조연구에 중요한 지표를 제공할 것이라 기대한다.

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