[논문]디스플레이 및 일시 기능 소자에 적용된 산화물 기반 박막 트랜지스터

남궁석; 송민규; 권장연

doi:10.31613/ceramist.2018.21.1.04

디스플레이 및 일시 기능 소자에 적용된 산화물 기반 박막 트랜지스터
Oxide Material based Thin Film Transistors for Display and Transient Electronics 원문보기

세라미스트 = Ceramist, v.21 no.1, 2018년, pp.44 - 54

남궁석 (연세대학교) , 송민규 (연세대학교) , 권장연 (연세대학교)

Abstract ▼ AI-Helper

Oxide semiconductor has been spotlighted as a channel material of TFTs in AMLCD as an alternative to Si, due to high mobility ( > $5cm^2/Vs$). It is also one of the strong candidates for TFTs in AMOLED because of high bias stability at amorphous phase. Beyond the advantages mentioned above, oxide semiconductor has many strengths such as transparency, low fabrication temperature and relatively low fabrication cost. For those reasons, the application of oxide semiconductor is not limited to display but can be extended to new types of electronics, for example, transient electronics for human implantable devices. From this context, oxide materials that have been used as semiconductor and insulator at transient electronics are investigated respectively, and conductor and substrate candidates are also explained, since transient electronics require systematic consideration beyond individual oxide films.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.

문제 정의

소자의 생체적합성을 확인하기 위해 일시기능 소자를 쥐에 삽입한 뒤 염증을 확인하는 생체내(In-vivo)테스트³⁾나 인간 세포에 대한 독성평가인 세포독성 평가(Cytotoxicity)가 진행되어 왔다.^{13, 18)} 산화물 반도체는 Si NM보다는 늦게 일시 기능 소자 분야에 적용되어 보고된 논문이 몇 안 되지만, 공정간편성이나 생체적합도 측면에서 큰 장점이 있을 것으로 보여지기 때문에 산화물 반도체에 대한 보고를 정리하고자 한다.
금속과 반도체의 접합 특성은 소자의 성능에 중요하기 때문에, 일시 기능소자 관점에서 어떤 금속물질을 활용할 수 있는지를 정리했다. 일시 기능 소자 개념이 처음 나왔 을 당시에는 물속에서 빠르게 녹는다고 알려져 있고, 스탠트(Stent)와 같은 바이오 의료 재료로 기존에 사용되어온 Mg이 먼저 적용되었다.
예를 들어, 뇌 피질 전도(Electrocorticogram, ECoG),^4-6) 뇌전도(Electroencephalogram, EEG), 심전도(Electrocardiography, ECG), 근전도 (Electromyography, EMG)⁷⁾가 가능한 센서가 보고됐고, 상처 부위에 열을 발산해 감염을 억제하거나 약물을 전달하는 엑츄에이터(Actuator)가 보고됐으며,^{3, 8)} 무선주파수(Radio Frequency)소자⁹⁾ 및 에너지 수확 소자⁸⁾를 제작하여 데이터 전송 및 에너지 공급이 가능하게 하여 그 자체로 독립된 칩으로 발전되어 왔다. 본 리뷰논문에서는 인체삽입형 일시 기능 소자 중 전기신호 계측을 통한 질병 진단에 활용될 수 있는 TFT 센서에 집중해서 해당 소자에 적용된 산화물 반도체에 대해서 리뷰하고, 더불어 소자의 신뢰성 및 성능에 영향을 미칠 수 있는 산화물 절연체와 녹는 금속 및 기판물질도 함께 다루고자 한다.
현재 AMLCD와 AMOLED에 활용되고 있는 산화물 반도체의 인체삽입형 일시기능 소자로의 가능성을 살펴봤다. 산화물 반도체의 높은 이동도, 낮은 공정온도, 공정의 간편성이 유연한 기판에 트랜지스터를 형성하는데 장점으로 작용했고, 실제 ZnO와 IGZO 박막 트랜지스터를 silk 기판 위에 형성한 보고를 통해 인체삽입형 일시 기능 소자로 작동할 수 있음을 확인했다.

가설 설정

2. (d)) 전체 트랜지스터는 약 15시간 후 육안으로 확인이 안 될 정도로 녹아 없어졌다. 함께 제작된 에너지 수확소자는 두 Mg 전극 사이에 ZnO 박막을 증착한 축전기(Capacitor)형태의 배열로 구성되었으며, 반복 굽힘 시험(Bending Cycle)에 따른 전압과 전류가 안정적으로 측정됨을 확인하였다.

제안 방법

15) 해당 논문에서는 IGZO를 기반으로 한 트랜지스터, 메모리(Memory), 다이오드(Diode), 광 검출기(Photodetector)등의 능동소자와 저항, 축전기, 안테나 등의 수동소자를 수분에 민감한 폴리산무수물(Polyanhydride)기판 위에 증착하여 제작하였다. 전극 물질로는 구리(Cu), 절연체 물질로는 MgO를 사용 하였으며, 옴 접촉(Ohmic Contact)을 위해 니켈(Ni)과 알루미늄(Al)이 사용되었다.
Polyanhydride 기판은 4-펜텐산 무수물(4- Pentenoic Anhydride), 폴리에틸렌 글리콜디아크릴레이트(Polyethylene Glycol Diacrylate), 펜타에리트리톨 테트라키스(Pentaerythritol Tetrakis)의 광화학성 가교(Photochemical Cross-linking)를 통해 합성하였다. 기판 위 박막들은 직접 제작한 PI 마스크를 통해 패터닝하였으며, Cu, MgO, Al, Ni은 e-beam evaporation, a-IGZO는 sputtering으로 각각 증착되었다.
SiO₂ 외에 절연체로 활용 가능한 질화규소(Silicon Nitride, Si3N4)에 대해서도 증착법을 바꾸며 여러 용액에 녹이는 실험이 진행됐다. 저압력화학증착법(Low Pressure Chemical Vapor Deposition, LPCVD), PECVD로 증착 된 Si₃N₄의 녹는 특성을 살폈을 때, 두 박막 모두에서 pH, 온도, 이온수가 증가함에 따라 용해속도가 빨라지는 것을 관측했고, 밀도가 작은 박막일수록 더 빨리 녹는 것이 동일하게 확인했다.
¹⁴⁾ 이 연구의 경우, 전극으로는 몰리브데넘(Mo), 절연체로는 산화규소(SiO₂)를 사용하였으며 기판으로는 폴리바이닐알코올(Polyvinyl alcohol, PVA)을 사용하여 전체 소자가 물 또는 체액의 환경에서 녹을 수 있도록 제작하였다. SiO₂/Si 기판 위에 니켈(Ni)층을 희생층(Sacrificial Layer)으로 하여 그 위에 전체 소자를 증착한 후, 열 방출 테이프(Thermal Release Tape)를 통해 PVA 기판으로 전사하는 방식을 사용 하였고, IGZO를 반도체 층으로 하는 트랜지스터를 기반으로 2 단계 완충장치(2 Stage Buffer)를 포함하는 5 단계 링 오실레이터(5 Stage Ring Oscillator)회로를 디자인하여 제작하였다. (Fig.
Polyanhydride 기판은 4-펜텐산 무수물(4- Pentenoic Anhydride), 폴리에틸렌 글리콜디아크릴레이트(Polyethylene Glycol Diacrylate), 펜타에리트리톨 테트라키스(Pentaerythritol Tetrakis)의 광화학성 가교(Photochemical Cross-linking)를 통해 합성하였다. 기판 위 박막들은 직접 제작한 PI 마스크를 통해 패터닝하였으며, Cu, MgO, Al, Ni은 e-beam evaporation, a-IGZO는 sputtering으로 각각 증착되었다.
절연체 내부에 존재하는 핀홀(Pinhole)은 유체를 통과하게 하는 가장 큰 원인이고, 이에 대한 해결책으로 앞서 설명한 산화물을 사용할 수 있다. 본 논문에서는 Mg 전극 위에 SiO₂/Si₃N₄ 이중층이나 PECVD SiO₂/원자층증착(Atomic Layer Deposition, ALD) SiO₂를 제작하고, 탈이온수에 넣었을 때, 시간에 따른 Mg의 저항 변화를 측정했다. (Fig.
8)에서의 용해속도를 측정했을 때, 표준 용액보다 각각 약 9배, 4배 더 빠른 것을 확인해 이온함량이 용해속도에 중요함을 확인했다. 여러 가지 증착 방식으로 얻어진 SiO₂의 구성 성분비와 밀도는 각각 XPS와 X선 반사측정기(X-ray Reflectometry, XRR)로 측정됐다. Thermally grown, PECVD, e-beam evaporated SiO2의 규소와 산소의 비율은 각각 1:2, 1:2, 1:2.
일시 기능소자에 대한 개념이 처음 나온 논문에서는 Si NM 을 반도체로, MgO를 절연체 및 보호층으로, Mg을 전극으로 silk를 기판으로 하여 수동 소자인 저항, 축전기, 인덕터를 제작하고, 능동 소자인 다이오드, 트랜지스터 등을 제작했다. 이후에는 절연체 및 보호층으로 SiO₂를 활용해서 일반적인 반도체공정을 통해 트랜지스터 및 상보성 금속산화막 반도체(Contemporary Metal Oxide Semiconductor) 논리회로(인버터(Inverter), 부정 곱(NAND), 부정 합(NOR))를 구성한 뒤, silk 기판에 전사함으로 고성능 일시 기능 소자를 구현하였다.¹¹⁾ (Fig.
로 녹는 것으로 설명됐다. 일시 기능 소자의 경우, 물에 녹는 시간을 조절하는 기술이 중요하고 그에 따라, 게이트 절연체 및 보호층으로 활용된 MgO 단일막 및 Mg/MgO 이중층 구조에서 각 재료가 녹는 속도를 정량화했다. Mg나 MgO를 다공성 물질로 가정하고, 반응성 확산 모델(Reactive Diffusion Model)을 적용해서 Mg/ MgO가 물과 반응해서 일어나는 분해과정을 살핀 결과, 반응성 확산 모델로 시뮬레이션 한 이론값과 실험값이 일치함을 확인했다.
가 주를 이루었다. 일시 기능소자에 대한 개념이 처음 나온 논문에서는 Si NM 을 반도체로, MgO를 절연체 및 보호층으로, Mg을 전극으로 silk를 기판으로 하여 수동 소자인 저항, 축전기, 인덕터를 제작하고, 능동 소자인 다이오드, 트랜지스터 등을 제작했다. 이후에는 절연체 및 보호층으로 SiO₂를 활용해서 일반적인 반도체공정을 통해 트랜지스터 및 상보성 금속산화막 반도체(Contemporary Metal Oxide Semiconductor) 논리회로(인버터(Inverter), 부정 곱(NAND), 부정 합(NOR))를 구성한 뒤, silk 기판에 전사함으로 고성능 일시 기능 소자를 구현하였다.
후속연구에서 평가된 전극은 Mg, AZ31B Mg alloy, 아연(Zn), 철(Fe), 텅스텐(W), 그리고 Mo이며 탈이온수와 체액과 비슷한 구성(Hank’s Solution)에서의 시간에 따른 두께 변화 및 녹는 원리를 설명했다.

대상 데이터

14) 이 연구의 경우, 전극으로는 몰리브데넘(Mo), 절연체로는 산화규소(SiO₂)를 사용하였으며 기판으로는 폴리바이닐알코올(Polyvinyl alcohol, PVA)을 사용하여 전체 소자가 물 또는 체액의 환경에서 녹을 수 있도록 제작하였다. SiO₂/Si 기판 위에 니켈(Ni)층을 희생층(Sacrificial Layer)으로 하여 그 위에 전체 소자를 증착한 후, 열 방출 테이프(Thermal Release Tape)를 통해 PVA 기판으로 전사하는 방식을 사용 하였고, IGZO를 반도체 층으로 하는 트랜지스터를 기반으로 2 단계 완충장치(2 Stage Buffer)를 포함하는 5 단계 링 오실레이터(5 Stage Ring Oscillator)회로를 디자인하여 제작하였다.
⁴⁾ 하지만 기판은 모순적이게도 체액에서 잘 녹는 동시에, 디바이스 제작 공정에 사용되는 화학물질에도 버텨야 될 필요가 있다. 두 가지 조건을 동시에 만족할 수 있는 기판을 수득하기 위해 기존에 바이오 의료 소재로 많이 활용되는 PLGA(Poly Lactic-coGlycolic Acid), PLA(Poly Lactic Acid), PCL (Polycaprolactone)과 라이스페이퍼(Rice Paper)가 기판 물질로 고려되었다.¹²⁾
¹⁵⁾ 해당 논문에서는 IGZO를 기반으로 한 트랜지스터, 메모리(Memory), 다이오드(Diode), 광 검출기(Photodetector)등의 능동소자와 저항, 축전기, 안테나 등의 수동소자를 수분에 민감한 폴리산무수물(Polyanhydride)기판 위에 증착하여 제작하였다. 전극 물질로는 구리(Cu), 절연체 물질로는 MgO를 사용 하였으며, 옴 접촉(Ohmic Contact)을 위해 니켈(Ni)과 알루미늄(Al)이 사용되었다. (Fig.

성능/효과

3. (a)) 트랜지스터는 8~10 cm² /Vs의 이동도와 약 2 * 10⁶ 의 점멸비를 보여 기존 IGZO 트랜지스터의 성능과 유사한 정도를 나타냈으며(Fig. 3.
2. (b)) 또한 약 500 nm의 MgO로 보호막(Passivation Layer)을 증착하여 약 3시간 정도의 기능 시간 동안 탈이온수(Deionized Water)속에서 안정적으로 동작하였으며, 그 후 구성요소들이 용해되면서 약 45분동안 급격히 성능이 저하되는 것을 관찰하였다. (Fig.
6. (b),(c)) 유연하며 녹는 기판 위에서의 소자 성능은 딱딱한 기판에서의 성능과 비교가능함을 확인했다. (Fig.
(d)) PECVD SiO2 (~1 μm)를 단독으로 사용한 경우, 물속에서 수시간 뒤에 Mg의 저항이 급격히 변화됨을 확인했으나, PECVD SiO2 (~500 nm)와 Si3N4 (500 nm) 그리고 PECVD SiO2/ALD SiO2 (500 nm / 200 nm)로 이루어진 보호층은 물속에서 각각 약 1일과 5일동안 동작함을 확인했다.
운반자 수의 감소는 Ga³⁺ 이온의 높은 이온포텐셜(Ionic Potential)이 운반자에 해당하는 산소공핍(Oxygen Vacancy)의 형성을 저지로 설명된다.¹⁾ 산화물 반도체가 비정질에서도 5 cm² /Vs 이상의 큰 이동도를 가질 수 있는 이유는 재료자체의 전자배열에 있다. 일반적으로 산화물 반도체의 양이온의 주 양자수(n)는 5 이상의 값을 갖고, 전자배열은 (n-1)d¹⁰ns⁰ 으로 구성되어 있다.
21) 단일 박막에서뿐 아니라 실제 Si NM FET의 소스와 드레인으로 구성했을 때, 일정 시간동안 안정되게 동작하는지를 확인했고, 결과적으로 Mg, Zn, AZ31B, W, Mo 순으로 빠르게 녹는 것을 확인했다. (Fig.
Rogers 그룹은 ZnO를 트랜지스터(Transistor)뿐 아니라 기계적 에너지 수확 소자(Mechanical energy harvesters, MEHs)로 활용하여 인체 삽입형 일시 기능 소자를 제작하여 그 가능성을 확인하였다.⁸⁾ 해당 소자는 마그네슘(Mg)을 전극으로, 산화마그네슘(MgO)을 게이트 절연체로, 그리고 실크(Silk) 단백질을 기판으로 사용하여 모든 구성요소가 물이나 체액에 녹는 것을 보였다. (Fig.
산화물 반도체의 높은 이동도, 낮은 공정온도, 공정의 간편성이 유연한 기판에 트랜지스터를 형성하는데 장점으로 작용했고, 실제 ZnO와 IGZO 박막 트랜지스터를 silk 기판 위에 형성한 보고를 통해 인체삽입형 일시 기능 소자로 작동할 수 있음을 확인했다. MgO와 SiO₂은 보호층과 절연층으로 활용 가능하고, 체액에서 동작하는 시간은 반응성 확산 모델을 통해 정량적으로 예측, 그에 따라 소자의 동작시간을 조절할 수 있음을 보였다. 이는 체액에서 소자의 녹는 속도를 조절할 뿐 아니라, 추후 산화물 박막 트랜지스터가 프로그램된 시간동안 안정되게 동작하게 하는 중요한 요소일 것이라 기대한다.
일시 기능 소자의 경우, 물에 녹는 시간을 조절하는 기술이 중요하고 그에 따라, 게이트 절연체 및 보호층으로 활용된 MgO 단일막 및 Mg/MgO 이중층 구조에서 각 재료가 녹는 속도를 정량화했다. Mg나 MgO를 다공성 물질로 가정하고, 반응성 확산 모델(Reactive Diffusion Model)을 적용해서 Mg/ MgO가 물과 반응해서 일어나는 분해과정을 살핀 결과, 반응성 확산 모델로 시뮬레이션 한 이론값과 실험값이 일치함을 확인했다.²⁴⁾
여러 가지 증착 방식으로 얻어진 SiO₂의 구성 성분비와 밀도는 각각 XPS와 X선 반사측정기(X-ray Reflectometry, XRR)로 측정됐다. Thermally grown, PECVD, e-beam evaporated SiO2의 규소와 산소의 비율은 각각 1:2, 1:2, 1:2.2의 값을 가졌고, 밀도는 각각 2.3 g/cm³ , 2.1 g/cm³ , 1.9 g/cm³의 값을 가졌다. 결과적으로, 밀도가 낮은 SiO₂가 가장 높은 용해속도 값을 가졌고, 이는 밀도 값이 낮은 재료가 상대적으로 수용액이 침투하기 쉽고, 그에 따른 가수분해 가능한 표면적이 넓어짐으로 설명할 수 있음을 밝혔다.
온도는 상온(Room Temperature, RT)과 37 ℃로 나누어 측정됐고, 온도가 높을수록 시간에 따라 박막의 두께가 빨리 줄어드는 경향을 보였다. pH가 증가할수록 박막의 용해속도는 선형적으로 증가했고, pH에 대한 용해속도의 로그값을 그래프로 그렸을 때, 기울기가 0.31에서 0.44 (at 37 ℃), 0.22 에서 0.62 (at RT)값을 가짐을 확인했다. 같은 pH를 갖지만 이온 종류와 함유량이 다른 용액, 예를 들어 소 혈청(pH~7.
(a)) Fe의 경우 용액 속에서 녹지 않는 산화철(Fe₂O₃)의 형태로 변화되어 실험평가에서 제외됐다. 각 박막이 물이나 체액속에 들어갔을 때의 표면 변화 및 부산물을 확인하기 위해 XPS 측정을 진행했고, 각각 수산화기(-OH)가 붙거나 산화물 형태로 전극 박막의 표면 구성성분이 변한 뒤, Mg 및 AZ31B의 경우 바늘형태, W과 Mo의 경우 마이크로구멍(Micro Pore), Zn의 경우 비선형적으로 부식되는 것을 확인했다. 더불어 반응성 확산 모델로 각 전극이 녹는 시간이 이론적으로 예측되었다.
9 g/cm³의 값을 가졌다. 결과적으로, 밀도가 낮은 SiO₂가 가장 높은 용해속도 값을 가졌고, 이는 밀도 값이 낮은 재료가 상대적으로 수용액이 침투하기 쉽고, 그에 따른 가수분해 가능한 표면적이 넓어짐으로 설명할 수 있음을 밝혔다. (Fig.
현재 AMLCD와 AMOLED에 활용되고 있는 산화물 반도체의 인체삽입형 일시기능 소자로의 가능성을 살펴봤다. 산화물 반도체의 높은 이동도, 낮은 공정온도, 공정의 간편성이 유연한 기판에 트랜지스터를 형성하는데 장점으로 작용했고, 실제 ZnO와 IGZO 박막 트랜지스터를 silk 기판 위에 형성한 보고를 통해 인체삽입형 일시 기능 소자로 작동할 수 있음을 확인했다. MgO와 SiO₂은 보호층과 절연층으로 활용 가능하고, 체액에서 동작하는 시간은 반응성 확산 모델을 통해 정량적으로 예측, 그에 따라 소자의 동작시간을 조절할 수 있음을 보였다.
여기서 ZnO은 N형 반도체로 사용 되었으며, 실크 절연체 기판 위에서도 0.95 cm² /Vs의 이동도(Mobility)와 10³ 의 점멸비(On/off Current Ratio)를 갖는 우수한 성능을 나타냈다. (Fig.
4부터 12까지 갖는 버퍼에서 각각 thermally grown, PECVD, e-beam evaporated SiO₂가 어떻게 녹는지 확인됐다. 온도는 상온(Room Temperature, RT)과 37 ℃로 나누어 측정됐고, 온도가 높을수록 시간에 따라 박막의 두께가 빨리 줄어드는 경향을 보였다. pH가 증가할수록 박막의 용해속도는 선형적으로 증가했고, pH에 대한 용해속도의 로그값을 그래프로 그렸을 때, 기울기가 0.
위 논문들을 통해 ZnO뿐 아니라, 디스플레이 산업에 활용되고 있는 IGZO 역시 인체삽입형 일시 기능 소자의 반도체 층으로의 활용 가능성을 확인하였다. 이로써 기존 Si NM이 주도적이었던 일시기능 전자소자의 반도체 영역에 다양한 산화물 반도체가 사용 될 수 있고, 다양한 연구 가능성이 있음을 확인할 수 있다.
이는 체액에서 소자의 녹는 속도를 조절할 뿐 아니라, 추후 산화물 박막 트랜지스터가 프로그램된 시간동안 안정되게 동작하게 하는 중요한 요소일 것이라 기대한다. 이 밖에도 일시 기능 소자에 적용 가능한 전극물질과 기판물질을 살핌으로 기능 시간을 조절하는 전극물질을 취사선택할 수 있음을 확인했다.
즉, ALD로 증착된 SiO₂의 경우 결함이 상대적으로 적다고 말할 수 있다. 이와 같이 산화물을 증착하는 방식과 다중층을 활용하는 방식을 통해 일시 기능 소자의 동작시간을 조절할 수 있음을 보였다. (Fig.
(d)) PECVD SiO₂ (~1 μm)를 단독으로 사용한 경우, 물속에서 수시간 뒤에 Mg의 저항이 급격히 변화됨을 확인했으나, PECVD SiO₂ (~500 nm)와 Si₃N₄ (500 nm) 그리고 PECVD SiO₂/ALD SiO₂ (500 nm / 200 nm)로 이루어진 보호층은 물속에서 각각 약 1일과 5일동안 동작함을 확인했다. 이중층을 활용한 보호층의 경우, PECVD SiO₂ 단독으로 활용한 경우 보다 Mg가 안정적으로 동작하는 시간이 길었음을 확인했고, Si₃N₄대비 ALD SiO₂는 얇은 두께에서도 물속에서 더 오랫동안 버티는 것을 알 수 있었다. 즉, ALD로 증착된 SiO₂의 경우 결함이 상대적으로 적다고 말할 수 있다.
외에 절연체로 활용 가능한 질화규소(Silicon Nitride, Si3N4)에 대해서도 증착법을 바꾸며 여러 용액에 녹이는 실험이 진행됐다. 저압력화학증착법(Low Pressure Chemical Vapor Deposition, LPCVD), PECVD로 증착 된 Si₃N₄의 녹는 특성을 살폈을 때, 두 박막 모두에서 pH, 온도, 이온수가 증가함에 따라 용해속도가 빨라지는 것을 관측했고, 밀도가 작은 박막일수록 더 빨리 녹는 것이 동일하게 확인했다. (Fig.
증착 방법에 따라 박막이 분자단위로 일정하게 용해되는 것이 아니라, 나노 단위의 덩어리가 갑작스레 없어지는 방식으로 반응성 차이가 비롯될 수 있음 가정하고, 투과전자현미경(Transmission Electron Microscopy, TEM)과 AFM을 통해 확인했으나 나노 단위의 덩어리가 분해되는 현상은 발견되지 않았다. 즉, 산화막의 용해 과정은 분자 단위에서 점차적으로 균일하게 진행됨을 확인 할 수 있었고, 반응계수의 차이는 산화막의 결합력 및 속도론(Kinetics)차이에 의한 영향으로 설명됐다.
함께 제작된 에너지 수확소자는 두 Mg 전극 사이에 ZnO 박막을 증착한 축전기(Capacitor)형태의 배열로 구성되었으며, 반복 굽힘 시험(Bending Cycle)에 따른 전압과 전류가 안정적으로 측정됨을 확인하였다. 즉, 전력 공급이 어려운 인체 내에서 자가 발전을 하는 일시 기능 소자로서의 활용 가능성이 확인되었다.
반응계수가 다르다는 것은 밀도가 다른 SiO₂ 박막이 단순히 용해 속도에만 영향을 끼치는 것이 아니라, 반응성에도 영향을 끼침을 말한다. 증착 방법에 따라 박막이 분자단위로 일정하게 용해되는 것이 아니라, 나노 단위의 덩어리가 갑작스레 없어지는 방식으로 반응성 차이가 비롯될 수 있음 가정하고, 투과전자현미경(Transmission Electron Microscopy, TEM)과 AFM을 통해 확인했으나 나노 단위의 덩어리가 분해되는 현상은 발견되지 않았다. 즉, 산화막의 용해 과정은 분자 단위에서 점차적으로 균일하게 진행됨을 확인 할 수 있었고, 반응계수의 차이는 산화막의 결합력 및 속도론(Kinetics)차이에 의한 영향으로 설명됐다.
(d)) 전체 트랜지스터는 약 15시간 후 육안으로 확인이 안 될 정도로 녹아 없어졌다. 함께 제작된 에너지 수확소자는 두 Mg 전극 사이에 ZnO 박막을 증착한 축전기(Capacitor)형태의 배열로 구성되었으며, 반복 굽힘 시험(Bending Cycle)에 따른 전압과 전류가 안정적으로 측정됨을 확인하였다. 즉, 전력 공급이 어려운 인체 내에서 자가 발전을 하는 일시 기능 소자로서의 활용 가능성이 확인되었다.

후속연구

분명 산화물 반도체는 공정이 간편하고, 이동도도 크고, 신뢰성이 좋다는 점에서 Si NM을 대체할 수 있는 충분한 장점이 있기 때문에 추후 생체적합성에 대한 체계적 분석, 체내에서의 신뢰성 평가, 그에 따른 질병 진단 및 예측 데이터를 취득해야 될 것으로 보인다. 더불어 일시 기능 전자 소자는 반도체 단일박만의 고려 뿐 아니라 디바이스를 이루는 모든 구성요소(반도체, 절연체, 보호층, 소스 드레인, 게이트, 기판)가 사용자의 목적에 따라 일관성 있게 설계되어야 하므로 소자 전체적 관점에서의 폭넓은 이해와 연구가 필요하다.
현재까지 인체삽입형 일시 기능 소자를 보고한 TFT의 채널은 대부분 Si NM이 차지하고 있고, 아직 산화물 반도체의 인체삽입형 일시 기능 소자로의 활용이 보고된 연구는 적다. 분명 산화물 반도체는 공정이 간편하고, 이동도도 크고, 신뢰성이 좋다는 점에서 Si NM을 대체할 수 있는 충분한 장점이 있기 때문에 추후 생체적합성에 대한 체계적 분석, 체내에서의 신뢰성 평가, 그에 따른 질병 진단 및 예측 데이터를 취득해야 될 것으로 보인다. 더불어 일시 기능 전자 소자는 반도체 단일박만의 고려 뿐 아니라 디바이스를 이루는 모든 구성요소(반도체, 절연체, 보호층, 소스 드레인, 게이트, 기판)가 사용자의 목적에 따라 일관성 있게 설계되어야 하므로 소자 전체적 관점에서의 폭넓은 이해와 연구가 필요하다.
MgO와 SiO₂은 보호층과 절연층으로 활용 가능하고, 체액에서 동작하는 시간은 반응성 확산 모델을 통해 정량적으로 예측, 그에 따라 소자의 동작시간을 조절할 수 있음을 보였다. 이는 체액에서 소자의 녹는 속도를 조절할 뿐 아니라, 추후 산화물 박막 트랜지스터가 프로그램된 시간동안 안정되게 동작하게 하는 중요한 요소일 것이라 기대한다. 이 밖에도 일시 기능 소자에 적용 가능한 전극물질과 기판물질을 살핌으로 기능 시간을 조절하는 전극물질을 취사선택할 수 있음을 확인했다.
위 논문들을 통해 ZnO뿐 아니라, 디스플레이 산업에 활용되고 있는 IGZO 역시 인체삽입형 일시 기능 소자의 반도체 층으로의 활용 가능성을 확인하였다. 이로써 기존 Si NM이 주도적이었던 일시기능 전자소자의 반도체 영역에 다양한 산화물 반도체가 사용 될 수 있고, 다양한 연구 가능성이 있음을 확인할 수 있다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	비정질 인듐아연산화물(In-Zn-Oxide, IZO)과 아연주석산화물(Zn-Sn-Oxide,ZTO)재료의 단점은?	이원자 산화물(산화인듐(In2O3), 산화아연(ZnO), 산화주석(SnO2))의 경우 자연상태에서 다결정성을 갖기 때문에 연구진들은 비정질 산화물 반도체를 수득하기 위해 결정 구조가 다른 In2O3와 ZnO, 그리고 ZnO와 SnO2를 각각 조합해서 비정질 인듐아연산화물(In-Zn-Oxide, IZO)과 아연주석산화물(Zn-Sn-Oxide, ZTO)을 수득했다. 하지만 본 재료들의 경우 운반자(Carrier)수가 많아( >1017 cm-3) 오프 전류가 크다는 단점이 있어, 위의 재료를 기반으로 운반자 개수를 줄일 수 있는 원소를 도핑하는 방식의 연구가 진행되었다. 현재 사용되는 대표적 산화물 반도체는 인듐갈륨아연산화물(In-Ga-ZnOxide, IGZO)이고, 반도체 특성은 감소된 운반자 수(< 1017 cm-3)로 설명된다.
	일시 기능 소자에서 반도체로 활용되고 있는 물질은?	일시 기능 소자에서 반도체로 활용되고 있는 물질은 크게 3가지이고, 이는 규소 나노막(Silicon Nanomembrane, Si NM)3, 4, 7, 9-13), 산화물8, 14, 15), 유기물16, 17)이다. 성능차원에서 Si NM이 앞서있기 때문에 현재까지 많이 사용되고 있으며, 생체에 대한 독성을 줄이기 위해 나노구조로 만들어 적은 양 (< 1μg)으로 소자를 제작해왔다.
	산화물 반도체가 산업계 및 학계에서 큰 관심을 받는 이유는?	산화물 반도체는 큰 이동도, 높은 투명도, 낮은 공정온도, 상대적으로 값싼 공정비용 등의 장점 때문에 산업계 및 학계에서 큰 관심을 받아왔고, 현재 능동액정표시장치(Active Matrix Liquid Crystal Display, AMLCD)와 능동유기발광다이오드(Active Matrix Organic Light Emitting Diodes, AMOLED)에서 박막트랜지스터 (Thin Film Transistor, TFT)의 채널물질로 사용되고 있다. 차세대 디스플레이는 고해상도, 큰 패널 사이즈, 빠른 화면 전환율을 필요로 하기 때문에 이동도가 높은 반도체 물질을 확보하는 것은 매우 중요하고, 따라서 기존 약 1 cm2 /Vs의 이동도의 비정질 실리콘(Amorphous Si, a-Si)을 사용한 AMLCD에서 5 cm2 /Vs 이상의 이동도를 갖는 산화물 반도체를 적용한 것은 자연스러운 흐름이었다.

참고문헌 (25)

J. Y. Kwon, D. J. Lee, K. B. Kim, "Review Paper: Transparent Amorphous Oxide Semiconductor Thin Film Transistor", Electron. Mater. Lett. 7 [1] 1 (2011).

상세보기
J. Y. Kwon, J. K. Jeong, "Recent progress in high performance and reliable n-type transition metal oxide-based thin film transistors", Semicond. Sci. Technol. 30 [2] (2015).

상세보기
S. W. Hwang, H. Tao, D. H. Kim, H. Y. Cheng, J. K. Song, E. Rill, M. A. Brenckle, B. Panilaitis, S. M. Won, Y. S. Kim, Y. M. Song, K. J. Yu, A. Ameen, R. Li, Y. W. Su, M. M. Yang, D. L. Kaplan, M. R. Zakin, M. J. Slepian, Y. G. Huang, F. G. Omenetto, J. A. Rogers, "A Physically Transient Form of Silicon Electronics", Science 337 [6102] 1640 (2012).

상세보기
D. H. Kim, J. Viventi, J. J. Amsden, J. L. Xiao, L. Vigeland, Y. S. Kim, J. A. Blanco, B. Panilaitis, E. S. Frechette, D. Contreras, D. L. Kaplan, F. G. Omenetto, Y. G. Huang, K. C. Hwang, M. R. Zakin, B. Litt, J. A. Rogers, "Dissolvable films of silk fibroin for ultrathin conformal bio-integrated electronics", Nat. Mater. 9 [6] 511 (2010).

상세보기
S. K. Kang, R. K. J. Murphy, S. W. Hwang, S. M. Lee, D. V. Harburg, N. A. Krueger, J. H. Shin, P. Gamble, H. Y. Cheng, S. Yu, Z. J. Liu, J. G. McCall, M. Stephen, H. Z. Ying, J. Kim, G. Park, R. C. Webb, C. H. Lee, S. J. Chung, D. S. Wie, A. D. Gujar, B. Vemulapalli, A. H. Kim, K. M. Lee, J. J. Cheng, Y. G. Huang, S. H. Lee, P. V. Braun, W. Z. Ray, J. A. Rogers, "Bioresorbable silicon electronic sensors for the brain", Nature 530 [7588] 71 (2016).

상세보기
K. J. Yu, D. Kuzum, S. W. Hwang, B. H. Kim, H. Juul, N. H. Kim, S. M. Won, K. Chiang, M. Trumpis, A. G. Richardson, H. Y. Cheng, H. Fang, M. Thompson, H. Bink, D. Talos, K. J. Seo, H. N. Lee, S. K. Kang, J. H. Kim, J. Y. Lee, Y. G. Huang, F. E. Jensen, M. A. Dichter, T. H. Lucas, J. Viventi, B. Litt, J. A. Rogers, "Bioresorbable silicon electronics for transient spatiotemporal mapping of electrical activity from the cerebral cortex", Nat. Mater. 15 [7] 782 (2016).

상세보기
S. W. Hwang, C. H. Lee, H. Y. Cheng, J. W. Jeong, S. K. Kang, J. H. Kim, J. Shin, J. Yang, Z. J. Liu, G. A. Ameer, Y. G. Huang, J. A. Rogers, "Biodegradable Elastomers and Silicon Nanomembranes/Nanoribbons for Stretchable, Transient Electronics, and Biosensors", Nano Lett. 15 [5] 2801 (2015).

상세보기
C. Dagdeviren, S. W. Hwang, Y. W. Su, S. Kim, H. Y. Cheng, O. Gur, R. Haney, F. G. Omenetto, Y. G. Huang, J. A. Rogers, "Transient, Biocompatible Electronics and Energy Harvesters Based on ZnO", Small 9 [20] 3398 (2013).

상세보기
S. W. Hwang, X. Huang, J. H. Seo, J. K. Song, S. Kim, S. Hage-Ali, H. J. Chung, H. Tao, F. G. Omenetto, Z. Q. Ma, J. A. Rogers, "Materials for Bioresorbable Radio Frequency Electronics", Adv. Mater. 25 [26] 3526 (2013).

상세보기
D.-H. Kim, Y.-S. Kim, J. Amsden, B. Panilaitis, D. L. Kaplan, F. G. Omenetto, M. R. Zakin, J. A. Rogers, "Silicon electronics on silk as a path to bioresorbable, implantable devices", Appl. Phys. Lett. 95 [13] (2009).

상세보기
S. W. Hwang, D. H. Kim, H. Tao, T. I. Kim, S. Kim, K. J. Yu, B. Panilaitis, J. W. Jeong, J. K. Song, F. G. Omenetto, J. A. Rogers, "Materials and Fabrication Processes for Transient and Bioresorbable High-Performance Electronics", Adv. Funct. Mater. 23 [33] 4087 (2013).

상세보기
S.-W. Hwang, J.-K. Song, X. Huang, H. Cheng, S.-K. Kang, B. H. Kim, J.-H. Kim, S. Yu, Y. Huang, J. A. Rogers, "High-Performance Biodegradable/Transient Electronics on Biodegradable Polymers", Adv. Mater. 26 [23] 3905 (2014).

상세보기
S. W. Hwang, G. Park, H. Cheng, J. K. Song, S. K. Kang, L. Yin, J. H. Kim, F. G. Omenetto, Y. G. Huang, K. M. Lee, J. A. Rogers, "25th Anniversary Article: Materials for High-Performance Biodegradable Semiconductor Devices", Adv. Mater. 26 [13] 1992 (2014).

상세보기
S. H. Jin, S. K. Kang, I. T. Cho, S. Y. Han, H. U. Chung, D. J. Lee, J. Shin, G. W. Baek, T. I. Kim, J. H. Lee, J. A. Rogers, "Water-Soluble Thin Film Transistors and Circuits Based on Amorphous Indium-Gallium-Zinc Oxide", ACS Appl. Mater. Interfaces 7 [15] 8268 (2015).

상세보기
Y. Gao, Y. Zhang, X. Wang, K. Sim, J. S. Liu, J. Chen, X. Feng, H. X. Xu, C. J. Yu, "Moisture-triggered physically transient electronics", Science Advances 3 [9] (2017).
C. J. Bettinger, Z. A. Bao, "Organic Thin-Film Transistors Fabricated on Resorbable Biomaterial Substrates", Adv. Mater. 22 [5] 651 (2010).

상세보기
T. Lei, M. Guan, J. Liu, H. C. Lin, R. Pfattner, L. Shaw, A. F. McGuire, T. C. Huang, L. L. Shao, K. T. Cheng, J. B. H. Tok, Z. N. Bao, "Biocompatible and totally disintegrable semiconducting polymer for ultrathin and ultralightweight transient electronics", Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 114 [20] 5107 (2017).

상세보기
S. W. Hwang, G. Park, C. Edwards, E. A. Corbin, S. K. Kang, H. Y. Cheng, J. K. Song, J. H. Kim, S. Yu, J. Ng, J. E. Lee, J. Kim, C. Yee, B. Bhaduri, Y. Su, F. G. Omennetto, Y. G. Huang, R. Bashir, L. Goddard, G. Popescu, K. M. Lee, J. A. Rogers, "Dissolution Chemistry and Biocompatibility of Single-Crystalline Silicon Nanomembranes and Associated Materials for Transient Electronics", ACS Nano 8 [6] 5843 (2014).

상세보기
Y. F. Zheng, R. Z. Li, Y. D. Wang, "IN VITRO AND IN VIVO BIOCOMPATIBILITY STUDIES OF ZNO NANOPARTICLES", Int. J. Mod. Phys. B 23 [6-7] 1566 (2009).

상세보기
I. Shimizu, D. MacFarlane, "Zinc Oxide Paste as Sunscreen in the Postoperative Period", Dermatologic Surgery 38 [6] 965 (2012).

상세보기
L. Yin, H. Y. Cheng, S. M. Mao, R. Haasch, Y. H. Liu, X. Xie, S. W. Hwang, H. Jain, S. K. Kang, Y. W. Su, R. Li, Y. G. Huang, J. A. Rogers, "Dissolvable Metals for Transient Electronics", Adv. Funct. Mater. 24 [5] 645 (2014).

상세보기
S. K. Kang, S. W. Hwang, H. Y. Cheng, S. Yu, B. H. Kim, J. H. Kim, Y. G. Huang, J. A. Rogers, "Dissolution Behaviors and Applications of Silicon Oxides and Nitrides in Transient Electronics", Adv. Funct. Mater. 24 [28] 4427 (2014).

상세보기
G. Paradossi, F. Cavalieri, E. Chiessi, C. Spagnoli, M. K. Cowman, "Poly(vinyl alcohol) as versatile biomaterial for potential biomedical applications", J. Mater. Sci.-Mater. Med. 14 [8] 687 (2003).

상세보기
R. Li, H. T. Cheng, Y. W. Su, S. W. Hwang, L. Yin, H. Tao, M. A. Brenckle, D. H. Kim, F. G. Omenetto, J. A. Rogers, Y. G. Huang, "An Analytical Model of Reactive Diffusion for Transient Electronics", Adv. Funct. Mater. 23 [24] 3106 (2013).

상세보기
S. K. Kang, S. W. Hwang, S. Yu, J. H. Seo, E. A. Corbin, J. Shin, D. S. Wie, R. Bashir, Z. Q. Ma, J. A. Rogers, "Biodegradable Thin Metal Foils and Spin-On Glass Materials for Transient Electronics", Adv. Funct. Mater. 25 [12] 1789 (2015).

상세보기

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

내보내기 구분	파일저장 인쇄 메일전송
구성항목	기본정보 상세정보 관리번호, 논문명, 저널/프로시딩명, 저자 , 발행년, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, 발행기관 관리번호, 논문명, 대등논문명, 저자 , 저널/프로시딩명, 발행기관, 발행년, 발행언어, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, ISBN, ISSN, 주제분야, 키워드, 초록(한글), 초록(영문), 저자(소속기관)
저장형식	Text(ASCII format) Excel format RefWorks Direct Export RIS format (for Reference Manager, ProCite, EndNote), Scholar's Aids, Mendeley
메일정보	받는사람 (필수) @ 보내는사람 (선택) @ 제목 내용 KISTI 검색결과 이메일 서비스
안내	총 건의 자료가 검색되었습니다. 다운받으실 자료의 인덱스를 입력하세요. (1-10,000) 검색결과의 순서대로 최대 10,000건 까지 다운로드가 가능합니다. 데이타가 많을 경우 속도가 느려질 수 있습니다.(최대 2~3분 소요) 다운로드 파일은 UTF-8 형태로 저장됩니다. 파일의 내용이 제대로 보이지 않을실 때는 웹브라우저 상단의 보기 -> 인코딩 -> 자동선택 여부를 확인하십시오. ~ Text(ASCII format) Excel format

연합인증