[논문]투명전도성 산화물반도체 소재기술 동향

조우석

투명전도성 산화물반도체 소재기술 동향 원문보기

조우석 (한국세라믹기술원)

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문제 정의

본고에서는 Sputtering 성막법을 이용한 ITO전도성 박막에 필수적인 Sputtering target 및 그 세라믹 소재기술에 대하여 서술하고자 한다. 현재 기술현황, 문제점, 그리고 최근 대체기술로 대두되고 있는 신규 투명전도성 재료기술에 대하여 논하고자 한다.
본고에서는 Sputtering 성막법을 이용한 ITO전도성 박막에 필수적인 Sputtering target 및 그 세라믹 소재기술에 대하여 서술하고자 한다. 현재 기술현황, 문제점, 그리고 최근 대체기술로 대두되고 있는 신규 투명전도성 재료기술에 대하여 논하고자 한다.

가설 설정

- Energy Gap이 크기 위해서는 물질 중에 이온결합성이 클 것. 즉, 산화물과 할로겐화물이 유망.
1) 가시광의 투과율이 높을 것.
2) 신호의 고속전달이 가능하도록 저항치가 낮은 전극일 것.
3) Patterning 이 용이할 것.
4) 주변재료와 Matching (Ohmic Contact, 내구성등)이 양호할 것.
5) 대면적 형성시 막질이 균일할 것

제안 방법

이로 인해 ITO 타겟업체는 대형 타겟을 시도하려 경쟁하고 있는 상황이다. 타겟의 대형화를 통한 분할면을 감소시키는 방안으로 우선 성형단계에서 Press(CP/CIP)를 적용하는 방식과 slip casting 을 적용하는 방식으로 대별된다. SCG, Nikko 등의 대부분의 타겟 제조업체는 Press 방식에 의해 성형하고 있으며, 경우에 따라서는 고가의 신장비를 도입하여야 하고, 설비 설치에 필요한 시간이 소요된다.

대상 데이터

이러한 문제점을 해결하기 위한 수단으로 소결체 밀도를 올리거나 SnO₂를 균일하게 분산하는 방법들이 알려져 있다. 타겟 업체들은 이러한 수단들을 통해 현재 상대밀도가 99.5%이상인 고밀도 타겟을 상용화하였다. 또한, 가공 공정의 개선을 통해 타겟표면을 개선한 고품질 타겟의 상용화가 이루어진 상황이다.

성능/효과

(Fig. 3) 연구 결과에 따르면 분할면의 감소에 의해 성막 중 Particle 불량이 10% 정도 감소된다는 결과가 있다. 이로 인해 ITO 타겟업체는 대형 타겟을 시도하려 경쟁하고 있는 상황이다.
다양한 산화물 반도체를 검토하던 중 Indium Tin Oxide(ITO)가 투명전극으로 사용되기에 가장 적합한 재료라는 사실을 발견하였다. 다양한 산화물반도체 투명전극 재료 중에서 ITO는 다른 재료에 비해 전도성, 투과율, 에칭성 등 디바이스에 요구되는 여러 물성들의 종합적인 측면에서 우수하여 일찍부터 디바이스에 채용되어 왔으며, LCD에 사용되는 투명전극 재료는 대부분 ITO라고 말해도 과언이 아니다.
전하이동도는 약 7cm/v·sec로 p-Si 보다는 낮지만 a-Si 보다는 15배나 빠르고 타겟으로 제조하면 기존의 투명전극에서 확립된 스퍼터링 방법에 의해 대면적화 및 공정비용도 저렴하여가능성을 높게 하였다.

후속연구

IZO 타겟은 현재, SCG와 Nikko가 일본의 Idemitsu의 특허를 받아 독점 생산하고 있으며, 삼성디스플레이의 TFT 라인이 주요 수요처이다. IZO의 강점을 살리면, 향후 막의 평탄도가 높이 요구되는 유기EL과 고화질 대면적 TFT-LCD분야로의 사용이 더욱더 확대되리라 기대된다.
ITO에 비교해서 저항값이 높으며, 비저항이 성막조건에 크게 변화하고, 산-알카리 용액에 대해 화학적 안정성과 내열특성의 면에서 ITO와 SnO₂계 재료와 비교시 떨어지는 문제점 때문에 태양전지 등 일부용도에 한정적으로 적용되고 있다. 그러나, 향후 Indium 자원 고갈 문제가 점점 심각해질 것이기 때문에 안정된 가격에 풍부한 자원을 가진 ZnO계 투명전극 재료에의 기대는 점점 커질 것이다. 차후 새로운 성막 기술의 개발과 새로운 조성(첨가원소) 탐색을 통한 소재의 개량 등이 이루어질 때, 현재까지 ITO가 주류가 되어 있는 평판 디스플레이 투명전극에의 응용이 기대된다.
또한 그래핀과 같은 신소재의 등장에 따른 대체재를 이용한 양산 공정기술의 개발과 Si 막을 대체할 수 있는 안정적인 산화물반도체 성막기술 및 P/N 접합기술 또한 중요한 분야로 대두될 것이다. 디스플레이 절대 강국의 목표를 위해 향후 전개될 소재분야의 또 다른 도약을 기대해 본다.
특히 대형 원통형 타겟을 위해서는 설비의 높이에 따른 온도산포가 적은 고온 소성로 기술의 확립이 절대적으로 필요하다. 또한 그래핀과 같은 신소재의 등장에 따른 대체재를 이용한 양산 공정기술의 개발과 Si 막을 대체할 수 있는 안정적인 산화물반도체 성막기술 및 P/N 접합기술 또한 중요한 분야로 대두될 것이다. 디스플레이 절대 강국의 목표를 위해 향후 전개될 소재분야의 또 다른 도약을 기대해 본다.
산업적으로 성숙단계에 있는 소재 분야이지만 디스플레이 산업의 변화와 더불어 재도약의 움직임이 일고 있다. 이 분야의 핵심이슈로 떠오르는 원통형 타겟 제조기술과 새로운 대체재의 연구는 향후 디스플레이 산업의 경쟁력을 가늠하는 중요한 요소가 될 것이다. 먼저 기존 공정에서 제품의 품질 경쟁력을 높일 수 있는 이상적인 원료를 공급할 수 있는 새로운 원료분말 제조기술의 시도가 중요하며, 대형화에 따르는 제조공정과 이를 뒷받침할 수 있는 설비기술이 발달되어야 한다.
그러나, 향후 Indium 자원 고갈 문제가 점점 심각해질 것이기 때문에 안정된 가격에 풍부한 자원을 가진 ZnO계 투명전극 재료에의 기대는 점점 커질 것이다. 차후 새로운 성막 기술의 개발과 새로운 조성(첨가원소) 탐색을 통한 소재의 개량 등이 이루어질 때, 현재까지 ITO가 주류가 되어 있는 평판 디스플레이 투명전극에의 응용이 기대된다.

핵심어

질문

논문에서 추출한 답변

'재료가 투명하다'는 것은 어떤 의미가 내포되어 있는가?

투명전도성 재료라는 것은 문자 그대로 투명하면서 전도성의 성질을 갖는 재료를 말하지만 실제로는 이를 만족시키는 재료는 많지 않다. 일반적으로 재료가 투명하다는 것은 가시광선을 투과시킨다는 것이며, 물리적으로는 Energy Gap이 크다는(약 3eV 이상)것을 의미한다. 한편도전성이 있다는 것은 그 재료가 갖고 있는 전도전자가 많고(약 1×1019㎝-3 이상), 이동경로가 확보되어 있는 것을 의미한다.

Indium Tin Oxide이 만족시킨 투명전극의 기본적인 개념은 무엇인가?

- Energy Gap이 크기 위해서는 물질 중에 이온결합성이 클 것. 즉, 산화물과 할로겐화물이 유망. - 전도성은 이상적인 결정에 대하여 의도적으로 결함에 의해 생성된 전도전자를 이용할 것.

투명전도성 재료에 요구되는 특성은 무엇인가?

1) 가시광의 투과율이 높을 것. 2) 신호의 고속전달이 가능하도록 저항치가 낮은 전극일 것. 3) Patterning 이 용이할 것. 4) 주변재료와 Matching (Ohmic Contact, 내구성등)이 양호할 것. 5) 대면적 형성시 막질이 균일할 것

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