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문제 정의
- 본 논문에서는 EPD용 OTFT-하판의 설계 요건과 공정의 문제점들을 살펴 보았다. 플라스틱 기판을 이용하여 OTFT를 제작할 경우 열에 의한 기판의 수축 정도가 크고, 표면상태가 고르지 못하여 균일하고 안정된 소자를 만들기가 매우 어렵다.
- 본 논문은 PEN 기판에 EPD용 OTFT-하판을 제작하는 공정기술에 관한 것으로 특히 OTFT 어레이 집적화 시 발생하는 여러가지 문제들과 이를 극복하는 공정기술에 대해서 연구하였다.
- 중간층을 최적화하기 위하여 선택된 재료들의 각각의 특성들을 살펴보았다. 중간층 역할로 PVA를 단독으로 할 경우(그림 5 (b)) PVA는 수용성 재료이기 때문에 이미 형성되어진 펜타센에는 적은 영향을 주어 OTFT의 성능 감소는 다소 적으나 PVA가 수분을 흡수하게 되고 이러한 영향은 OTFT에서 trap으로 작용하여 큰 히스트레시스를 나타낸다.
제안 방법
- 5 인치 기준으로 128 X 96픽셀의 OTFT-하판을 제작 하였다. 10, 000개가 넘는 OTFT중 각 부분별로 샘플링 하여 성능을 비교분석하였다.
- 하였다. Acryl도 같은 방법으로 스핀코터로 도포하여 오븐에서건조시키고 포토공정을 이용하여 패터닝을 진행 하였다. 각각의 층에 비어홀(via hole)이 형성되고 이곳을 통해 픽셀 전극이 잘 형성되었음을 그림 5 (a)에서 보여주고 있다.
- OTFT-하판과 EPD 상판을 결합하기 위하여 두 패널 사이에 중간층을 삽입하였다. 중간층은 그림 2(b)에서 보듯이 EPD 패널 결합 시 OTFT-하판을 보호하고 EPD 상판과 드레인 전극을 연결하는 픽 셀 전극을 포함하고 있다.
- 중간층은 PVA(polyvinylalcohol)와 photo-acrylS. 구성하였고, 스핀코팅 공정을 이용하여도포하고 사진식각 공정으로 비어홀을 형성하였다. 이어서 A1 을 증착하여 픽셀 전극을 형성하였다.
- OTFT에 최소한의 영향을 주기 위하여 선택된 PVA는 수용성 재료로써 다른 유기 용재와 비교하여 반도체증인 유기물에 최소한의 영향을 주고风 photoinitialized acryle 패터닝이 가능하면서 수분침투를 효과적으로 막을 수 있다. 그리고 PVA는 사진식각 공정이 가능하도록 하기 위하여 PVA에 ammonium dichromate 0.03 wt%로 혼합하여 광 반응이 가능하도록 하였다®1
- 보였다. 또한, EPD 구동을 위한 스위칭 역할을 확인하기 위하여 무작위로 OTFT 선택하여 On/Off 점멸 테스트를 진행 하였고 그 결과를 그림 7에서 나타내었다. 이것은 스위칭 소자로서 역할을 충분히 수행하고 있음을 보여주고 있다.
- 먼저 PVA를 스핀코터로 도포하여 상온에서 건조시키고 포토공정으로 일정한 형태로 패터닝을 하였다. Acryl도 같은 방법으로 스핀코터로 도포하여 오븐에서건조시키고 포토공정을 이용하여 패터닝을 진행 하였다.
- 앞 절에서 언급된 모든 공정을 최적화 하여 플라스틱기반 OTFT-하판을 제작 하였고, 최종적으로 EPD를결합함으로써 유연한 디스플레이를 제작 하* 였다 EPD 구동을 위한 동작전압에서 전압 폭은 30 V로 하였다, 제작된 OTFT의 이동도는 0.21 cmW.s, loMoff는 105 이상으로 EPD를 구동하기 위한 조건을 충분히 만족하고 있다. 그림 8 (a), (b)는 OTFT를 구동 소자로 하여 이미지를 구현한 flexible EPD 사진으로 패널이 성공적으로 작동하고 있음을 보여주고 있다.
- 플라스틱 기판을 이용하여 OTFT를 제작할 경우 열에 의한 기판의 수축 정도가 크고, 표면상태가 고르지 못하여 균일하고 안정된 소자를 만들기가 매우 어렵다. 이러한 문제점들을 해결하기 위하여 플라스틱 기판에 PVT를 도포하여 표면을 평탄화 시켰다. 평탄화 처리된 플라스틱 기판은 후속 공정에서 균일하고 양질의 막을 형성하게 하여 보다 안정된 OTFT제작이 가능하게 하였다.
- 또한, 안정된 스위칭 동작을 위하여 OTFT passivation층 역할도 해야 한다. 이러한 요구조건을 충족하기 위하여 PVA와 photoinitialized acryl을 중간층으로 하여 2층 구조로 구성하였고 OTFT의 성능을 조사 하였다. OTFT에 최소한의 영향을 주기 위하여 선택된 PVA는 수용성 재료로써 다른 유기 용재와 비교하여 반도체증인 유기물에 최소한의 영향을 주고风 photoinitialized acryle 패터닝이 가능하면서 수분침투를 효과적으로 막을 수 있다.
- 이것은 표면의 상태를 불균일하게 할 뿐만 아니라 후속 공정에서 도포되는 절연층이 완전하게 도포가 되지 못하고 하판 제작시 상/하부 전극 간 전기적 쇼트 현상을 유발 시킨다. 이러한 현상을 막기 위하여 열 전처리 공정전 PVP를 코팅층으로 도포 하여 표면을 평탄화 시켰고, 200 ℃ 오븐에서 1시간 동안 처리하여 열수축/팽창에 의한 변형을 최소화 하였다. 표면처리를 통한 평탄화 정도는 AFM 사진과 표면 거칠기를 즉정하여 개선됨을 확인 하였고, 수축율은 플라스틱 기판에 기준점을 표시하고 열처리를 진행한 후 기준점이 벗어나는 정도를 측정하여 확인하였다.
- 제작된 OTFT는 어레이 상에서 각각의 성능을 추출하고 분석하였다. 전기적 특성은 대기환경에서 측정을 하였고 각각의 파라메타는 MOSFET 관계식을 이용하여 추출하였다.
- 중간층은 픽셀전극을 형성하고 활성층을 보호할 수 있도록 2층으로 구성된 중간층 구조를 제시하였다. 각각의 층을 제작하여 분석하였고 그 결과를 이용하여 중간층을 최적화 하고 안정된 성능의 OTFT-하판을 확보할 수 있었다.
- 그러므로 각각의 재료가 단독으로 중간층으로 사용되기는 다소 무리가 있다. 최종적으로 PVA로 OTFT의 성능감소를 최소화 시키고 다음으로 Acryl을 이용하여 수분침투를 최소화하기 위하여 두 층의 도포 성을 최적화 하였다. 그 결과 그림 5 (d)에서와 같이 안정된 OTFT성능을 확보 할 수 있었다.
- 이러한 현상을 막기 위하여 열 전처리 공정전 PVP를 코팅층으로 도포 하여 표면을 평탄화 시켰고, 200 ℃ 오븐에서 1시간 동안 처리하여 열수축/팽창에 의한 변형을 최소화 하였다. 표면처리를 통한 평탄화 정도는 AFM 사진과 표면 거칠기를 즉정하여 개선됨을 확인 하였고, 수축율은 플라스틱 기판에 기준점을 표시하고 열처리를 진행한 후 기준점이 벗어나는 정도를 측정하여 확인하였다. 그 결과 수축율은 0.
- OTFT는 하부전극구조로 그림 2 (b)와 같이 제작 하였다. 플라스틱 기판은 오염 방지를 위하여 class 1000의 클린룸에서 세정공정을 하였고 열 공정에 의한 기판 수축을 최소화하기 위하여 열 전처리 공정을 200 ℃ 오븐에서 1시간 동안 진행 하였다. 게이트 전극은 A1 을 70 nm로 진공 증착한 후 포토공정을 이용하여 형성하였고, 게이트 절연막은 열경화제가 포함된 PVP (PolyvinylphenolX 스핀 코팅 공정으로 350 nm로 성막을 하였다®1 소스와 드레인 전극은 사진식각 공정으로 채널 20 um과 폭 300 um으로 Au를 진공 증착한 후 리프트-오프 공정으로 형성하였다.
대상 데이터
- OTFT제작에사용되는 플라스틱 기판은 DuPont Teijin의 PEN(poly- ethylenenaphthelateX 사용하였다. OTFT는 하부전극구조로 그림 2 (b)와 같이 제작 하였다.
- 플라스틱 기판은 오염 방지를 위하여 class 1000의 클린룸에서 세정공정을 하였고 열 공정에 의한 기판 수축을 최소화하기 위하여 열 전처리 공정을 200 ℃ 오븐에서 1시간 동안 진행 하였다. 게이트 전극은 A1 을 70 nm로 진공 증착한 후 포토공정을 이용하여 형성하였고, 게이트 절연막은 열경화제가 포함된 PVP (PolyvinylphenolX 스핀 코팅 공정으로 350 nm로 성막을 하였다®1 소스와 드레인 전극은 사진식각 공정으로 채널 20 um과 폭 300 um으로 Au를 진공 증착한 후 리프트-오프 공정으로 형성하였다. 반도체 증은 펜타센을 쉐도우 마스크를 이용하여 0.
- 중간층은 그림 2(b)에서 보듯이 EPD 패널 결합 시 OTFT-하판을 보호하고 EPD 상판과 드레인 전극을 연결하는 픽 셀 전극을 포함하고 있다. 따라서 중간층에는 픽셀 전극을 수용하기 위한 비어홀을 형성해야 하므로 포토공정이 가능한 재료를 사용하였다. 중간층은 PVA(polyvinylalcohol)와 photo-acrylS.
- 사용된 플라스틱 기판 사이즈는 2fX) nun x XX) mm 로 한 배치에 4개의 패널이 나오도록 설계하였으며 2.5 인치 기준으로 128 X 96픽셀의 OTFT-하판을 제작 하였다. 10, 000개가 넘는 OTFT중 각 부분별로 샘플링 하여 성능을 비교분석하였다.
- 마지막으로 OTFT-하판에 EPD 상판을 결합하여 디스플레이를 완성하였다. 총 사용된 마스크는 6장으로 포토마스크 4 장과 쉐도우 마스크 2장 이었다.
이론/모형
- 분석하였다. 전기적 특성은 대기환경에서 측정을 하였고 각각의 파라메타는 MOSFET 관계식을 이용하여 추출하였다.
성능/효과
- 3 % (200 um 이상)에서 0.01 % (20 um 이내) 로 안정되었고 그림 3 (b), (c)와 같이 표면 거칠기는 8.3 nm에서 0.46 nm로 향상된 균일하고 평탄한 안정된 기판을 얻을 수 있었다.
- OTFT-하판에서 중간층이 형성되고 나면 비록 최초의 성능보다 이동도 측면에서 4)%정도 감소하나 일단 중간층이 형성되고 나면 소자의 성능은 매우 안정적으로 나타난다. 그림 6 a)에서 최초로 제작된 소자와 5주가 지난 소자의 전류전달 특성에서 전류의 양을 제외하고는 거의 특성 변화가 없음을 보여주고 있다. 그림 6 b) 또한 이동도와 전류 점멸비가 중간층 형성 후 매우 안정적으로 동작함을 보여주고 있다.
- 그림 6 a)에서 최초로 제작된 소자와 5주가 지난 소자의 전류전달 특성에서 전류의 양을 제외하고는 거의 특성 변화가 없음을 보여주고 있다. 그림 6 b) 또한 이동도와 전류 점멸비가 중간층 형성 후 매우 안정적으로 동작함을 보여주고 있다. 이러한 결과들은 중간층이 OTFT의 보호역할을 하고 있음을 보여주고 있다.
- 각각의 층을 제작하여 분석하였고 그 결과를 이용하여 중간층을 최적화 하고 안정된 성능의 OTFT-하판을 확보할 수 있었다. 또한 장시간 OTFT성능을 분석함으로써 제시된 중간층은 보호층 역할도 충분히 수행하고 있음을 확인 하였다.
- 각각의 층을 제작하여 분석하였고 그 결과를 이용하여 중간층을 최적화 하고 안정된 성능의 OTFT-하판을 확보할 수 있었다. 또한 장시간 OTFT성능을 분석함으로써 제시된 중간층은 보호층 역할도 충분히 수행하고 있음을 확인 하였다.
- 이러한 문제점들이 발생하지 않도록 설계시 그림자 효과를 고려하여 중분한 여유를 두고 설계를 하여야 한다. 제안된 OTFT-하판 공정에서는 차단상태에서도 정확하게 전류의 흐름이 조절 될 수 있도록 활성층을 제한하였고 그 결과 누설전류를 수 십 nA에서 수 pA 수준으로 줄일 수 있었다.
- 제작된 OTFT-하판의 이동도는 0.21 cmW.s, lon/loff 는 itf5이상의 우수한 성능을 보였다. 최종적으로 유연한 기판에 EPD를 결합하여 이미지를 구현 함으로써 OTFT를 이용한 유연한 디스플레이의 가능성을 보였다.
- s, lon/loff 는 itf5이상의 우수한 성능을 보였다. 최종적으로 유연한 기판에 EPD를 결합하여 이미지를 구현 함으로써 OTFT를 이용한 유연한 디스플레이의 가능성을 보였다.
- 추출된 OTFT의 성능은 표 2에 요약하였으며, 성능 편차는 蜀%이내로 전체적으로 균일한 특성을 보였다. 또한, EPD 구동을 위한 스위칭 역할을 확인하기 위하여 무작위로 OTFT 선택하여 On/Off 점멸 테스트를 진행 하였고 그 결과를 그림 7에서 나타내었다.
후속연구
- 이러한 결과들은 중간층이 OTFT의 보호역할을 하고 있음을 보여주고 있다. 차후 보다 가혹한 환경을 만들어 보호 역할을 조사 분석 하고자 한다.
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