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문제 정의
- 본 연구에서는TCO 박막의 전기 비저항과 표면 거칠기에 따른 OLED 소자의 특성 변화를 평가 하였다. 이에 따라 R.
- 본 연구에서는TCO 박막의 전기 비저항과 표면 거칠기에 따른 OLED 소자의 특성 변화를 평가 하였다. 이에 따라 R.F Magnetron Sputtering을 이용하여 IZO 박막을 성막 하였으며, 증착과정에서 주입되는 산소와 수소의 유량 변화가 박막의 구조적, 전기적, 광학적 특성에 어떠한 영향 미치는 것인가를 자세히 규명하였다.
제안 방법
- IZO 박막의 구조적인 특성을 규명하기 위해서 X-ray diffraction (RIGAKU, RTP300RC)과 FESEM (JEOL, JSM7500F) 분석을 시행하였다. 광학적 투과도와 박막 두께는 Ultraviolet - spectrophotometer (Varian, cary-500)와 Surface profile mersurement system (TENCOR, P-2)으로 각각 측정하였으며 면저항과 비저항, 캐리어 농도, 홀 이동도 등의 전기적 특성은 Fourpoint probe (GUARDIAN SCIENTIFIC, 420S)와 Hall effect measurement (HMS-3000)로 측정하였다.
- 광학적 투과도와 박막 두께는 Ultraviolet - spectrophotometer (Varian, cary-500)와 Surface profile mersurement system (TENCOR, P-2)으로 각각 측정하였으며 면저항과 비저항, 캐리어 농도, 홀 이동도 등의 전기적 특성은 Fourpoint probe (GUARDIAN SCIENTIFIC, 420S)와 Hall effect measurement (HMS-3000)로 측정하였다. IZO 박막의 표면학적 이해를 위해 AFM (PUCOTECH, MOD-1M) 분석을 시행하였다. 그 후 본 연구에서 제작된 IZO 박막의 특성이 OLED 소자의 성능에 미치는 영향을 조사하기 위해 evaporation system (DOV, HS1100)을 이용하여 IZO 기판 위에 α-NPD/DPVB/Alq3/LiF/Al을 차례로 증착하여 OLED 소자를 제작하고 Spectrometer (minolta CS-1000A)를 통해 OLED 소자의 전압-전류 밀도-휘도 특성을 평가하였다.
- IZO 박막의 구조적인 특성을 규명하기 위해서 X-ray diffraction (RIGAKU, RTP300RC)과 FESEM (JEOL, JSM7500F) 분석을 시행하였다. 광학적 투과도와 박막 두께는 Ultraviolet - spectrophotometer (Varian, cary-500)와 Surface profile mersurement system (TENCOR, P-2)으로 각각 측정하였으며 면저항과 비저항, 캐리어 농도, 홀 이동도 등의 전기적 특성은 Fourpoint probe (GUARDIAN SCIENTIFIC, 420S)와 Hall effect measurement (HMS-3000)로 측정하였다. IZO 박막의 표면학적 이해를 위해 AFM (PUCOTECH, MOD-1M) 분석을 시행하였다.
- 그 후 본 연구에서 제작된 IZO 박막의 특성이 OLED 소자의 성능에 미치는 영향을 조사하기 위해 evaporation system (DOV, HS1100)을 이용하여 IZO 기판 위에 α-NPD/DPVB/Alq3/LiF/Al을 차례로 증착하여 OLED 소자를 제작하고 Spectrometer (minolta CS-1000A)를 통해 OLED 소자의 전압-전류 밀도-휘도 특성을 평가하였다.
- 5sccm 으로 변화시켰다. 박막의 두께는 여러 특성의 정확한 비교 분석을 위해 200 nm로 고정했으며 최적의 투명 전도성 박막의 공정 조건을 찾기 위해 공정 변수 이외에 증착 막에 영향을 줄 수 있는 그 밖의 공정 조건 Target - substrate distance, RF power, initial pressure, working pressure등은 아래 Table 1에 나타내었다.
- 코팅용 유리기판으로는 Corning 7059 glass를 사용하였으며 박막 증착 전에 기판을 아세톤과 메탄올로 각각 10분 동안 초음파로 세척하고 증류수로 세척한 후 질소가스로 건조시켰다. 박막제조 시 타겟 표면의 불순물 제거와 스퍼터 방전의 안정화를 위해 10분간 pre-sputtering을 실시하였다. 챔버 내의 반응성 가스에 따른 박막의 특성을 알아보기 위하여 Ar 가스의 유량은 40sccm으로 고정하였고 산소와 수소의 유량비는 0.
- 박막제조 시 타겟 표면의 불순물 제거와 스퍼터 방전의 안정화를 위해 10분간 pre-sputtering을 실시하였다. 챔버 내의 반응성 가스에 따른 박막의 특성을 알아보기 위하여 Ar 가스의 유량은 40sccm으로 고정하였고 산소와 수소의 유량비는 0.1~0.5sccm 으로 변화시켰다. 박막의 두께는 여러 특성의 정확한 비교 분석을 위해 200 nm로 고정했으며 최적의 투명 전도성 박막의 공정 조건을 찾기 위해 공정 변수 이외에 증착 막에 영향을 줄 수 있는 그 밖의 공정 조건 Target - substrate distance, RF power, initial pressure, working pressure등은 아래 Table 1에 나타내었다.
대상 데이터
- IZO 박막은 지름이 3 inch인 In2O3/ZnO(90/10 wt.%) 타겟을 사용하여 RF 마그네트론 스퍼터링 방법으로 증착하였다. 코팅용 유리기판으로는 Corning 7059 glass를 사용하였으며 박막 증착 전에 기판을 아세톤과 메탄올로 각각 10분 동안 초음파로 세척하고 증류수로 세척한 후 질소가스로 건조시켰다.
- %) 타겟을 사용하여 RF 마그네트론 스퍼터링 방법으로 증착하였다. 코팅용 유리기판으로는 Corning 7059 glass를 사용하였으며 박막 증착 전에 기판을 아세톤과 메탄올로 각각 10분 동안 초음파로 세척하고 증류수로 세척한 후 질소가스로 건조시켰다. 박막제조 시 타겟 표면의 불순물 제거와 스퍼터 방전의 안정화를 위해 10분간 pre-sputtering을 실시하였다.
성능/효과
- (1) XRD 측정 결과 IZO 박막은 챔버 내의 가스 분위기와 상관없이 안정적인 비정질 구조를 형성하였다.
- (2) O2와 H2 가스의 미량의 도입 시 crack, pin-hole, void, channel등과 같은 결함이 존재하지 않는 매우 평탄한 전형적인 비정질 구조의 표면특성을 보인다.
- (3) 산소의 도입량이 증가함에 따라 산소 공공의 감소로 인해 캐리어 농도가 감소했으며 그에 따른 비저항이 증가 하였다. 반면 수소 분위기에서는 활성화된 수소 이온이 산소 공공을 증가시킴에 따라 챔버 내의 산소 분위기에 비해 비저항이 감소하였음을 확인했으며 미량의 수소 도입은 비정질 IZO 박막의 증착시 캐리어 농도를 효과적으로 높일 수 있는 적절한 공정이라 판단 된다.
- (4) 본 연구에서 증착된 모든 IZO 박막은 가시광 영역에서 85% 이상의 광 투과율을 보였으며 이는 챔버 내의 증착 분위기에 관계없이 OLED 소자의 기판으로써 적용이 가능하다.
- (5) OLED 소자 제조 시 0.5sccm의 수소분위기에서 증착 된 IZO 기판의 소자 특성이 가장 우수했으며, IZO 기판의 저항이 감소함에 따라 더 좋은 소자 특성을 나타냈다. 또, 상용화된 결정질 ITO 박막이 본 실험에서 제작한 비정질 IZO 박막에 비해 더 낮은 면저항 특성을 가지고 있음에도 불구하고 turn-on-voltage 값은 높고 전류밀도와 휘도는 더 낮은 값을 가지는 것을 확인할 수 있었다.
- 1sccm 도입된 IZO 박막을 전극으로 사용한 OLED 소자를 제외한 OLED 소자들은 모두 일반적인 상용화 범위에 만족한다. Fig. 6를 통해 알 수 있듯이 0.5sccm의 수소를 도입시켜 증착한 IZO 기판이 적용된 OLED 소자가 turn-on-voltage 이 가장 낮고 전류밀도와 휘도가 높아 가장 좋은 소자 특성을 나타냈으며, IZO 박막을 사용하여 제작한 OLED 소자의 효율은 전기 비저항의 증가에 따라 전류밀도와 휘도는 감소하고 turn-on-voltage 값은 증가하였음을 확인할 수 있었다. 이러한 현상은 IZO 박막의 비저항 증가에 따른 홀 주입 효율의 감소에 기인한다.
- 따라서 IZO 박막의 높은 일함수에 의해 형성되는 낮은 에너지 장벽이 홀의 주입을 원활하게 만들고 비정질 IZO 박막의 평탄한 표면 거칠기에 의해 IZO/유기물 박막 간의 균일한 계면을 형성하고 그에 따라 계면 상태 밀도가 낮아져 정공의 트랩현상과 전류집중을 줄이기 때문에 매우 낮은 면저항 (10Ω/□↓)의 상용화된 ITO 투명전극을 이용한 OLED 소자에 비해 본 연구에서 제작한 비정질 IZO 박막을 양극 투명 전극으로 이용한 OLED 소자의 전압-전류, 밀도-휘도 특성이 더 뛰어난 것이라 판단된다.
- 일반적으로 OLED 소자를 상용화하기 위해서는 3000 mA/cm2 이상의 전류밀도와 4000 cd/m2 이상의 휘도 값을 가져야 한다. 따라서 본 연구에서 제작한 IZO 투명전극을 이용한 OLED 소자와 저저항의 상용화 ITO 투명전극을 이용한 OLED 소자 중 높은 비저항으로 인해 short 현상을 보인 증착시 산소 0.5sccm 도입된 IZO 박막과 수소 0.1sccm 도입된 IZO 박막을 전극으로 사용한 OLED 소자를 제외한 OLED 소자들은 모두 일반적인 상용화 범위에 만족한다. Fig.
- 반면 수소의 도입량을 증가시켰을 경우 (b), (d), (f)에서와 같이 표면 Roughness가 점차 증가하였다. 또, X-ray diffraction pattern 분석 결과와 FE-SEM 분석 결과를 통해 증착 된 IZO 박막은 반응 가스의 종류와 관계없이 비정질 구조를 이루고 있음을 확인했음에도 AFM 이미지를 보면 약 20~30 nm정도의 유사알갱이가 존재하는 것을 확인 할 수 있다. 이는 일반적인 비정질 박막의 경우와 상반되는 것이며 비정질 상태의 IZO 박막 내에 In과 Zn가 상이 분리된 형태로 존재할 가능성도 있다고 판단된다[7].
- 5sccm의 수소분위기에서 증착 된 IZO 기판의 소자 특성이 가장 우수했으며, IZO 기판의 저항이 감소함에 따라 더 좋은 소자 특성을 나타냈다. 또, 상용화된 결정질 ITO 박막이 본 실험에서 제작한 비정질 IZO 박막에 비해 더 낮은 면저항 특성을 가지고 있음에도 불구하고 turn-on-voltage 값은 높고 전류밀도와 휘도는 더 낮은 값을 가지는 것을 확인할 수 있었다.
- (3) 산소의 도입량이 증가함에 따라 산소 공공의 감소로 인해 캐리어 농도가 감소했으며 그에 따른 비저항이 증가 하였다. 반면 수소 분위기에서는 활성화된 수소 이온이 산소 공공을 증가시킴에 따라 챔버 내의 산소 분위기에 비해 비저항이 감소하였음을 확인했으며 미량의 수소 도입은 비정질 IZO 박막의 증착시 캐리어 농도를 효과적으로 높일 수 있는 적절한 공정이라 판단 된다.
- 따라서 고품위 OLED 소자를 구현하기 위해서는 낮은 저항을 가지는 투명전극의 개발이 매우 중요하다. 반면, 박막의 전기적 특성을 비교하였을 때 상용화된 결정질 ITO 박막이 본 실험에서 제작한 비정질 IZO 박막에 비해 더 낮은 면저항 특성을 가지고 있음에도 불구하고 turn-on-voltage 값은 오히려 높고 전류밀도와 휘도는 더 낮은 값을 가지는 것을 확인할 수 있었다.
- 반면, 홀 이동도(μ)의 경우 0.1sccm 도입되었을 때 50.4 cm2v-1s-1 로 가장 높은 값을 나타내었고 캐리어 농도가 점차 증가할수록 감소하는 추세를 보였다.
- 5는 챔버 내의 가스 분위기에 따른 IZO 박막의 광학적 특성을 나타낸 그래프이다. 본 연구에서 얻은 모든 IZO 박막은 가시광 영역에서 평균 85% 이상의 광 투과율을 보였으며 이는 챔버내의 분위기에 관계없이 OLED 기판으로서의 적용이 가능하다는 것을 보여준다.
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