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가설 설정
- 2. J-E characteristics of fabricated c-PVP based MIM capacitor: (a) TD=30℃ and (b) TD=70℃. J-C characteristics of fabricated c-PVP thin film based MIM capacitor at each electric field: (c) TD=30℃ and (d) TD=70℃.
제안 방법
- 분석하였다. MIM 커패시터의 성능 평가를 위해, TD는 각각 30, 70℃에서 VC는 각각 2, 5, 10mm/s에서 c-PVP 도포가 진행되었다. Fig.
- TD 및 코팅 속도 VC가 어떻게 코팅된 유전체에 영향을 주는지 확인하기 위해, TD 및 VC의 조건 변화에 따른 c-PVP 기반 MIM 커패시터의 전기장-누설 전류 밀도 특성을 분석하였다. MIM 커패시터의 성능 평가를 위해, TD는 각각 30, 70℃에서 VC는 각각 2, 5, 10mm/s에서 c-PVP 도포가 진행되었다.
- 본 실험에서는 10×10cm 크기의 기판에 제작된 16개의 MIM 커패시터의 누설 특성과 정전용량을 분석하였다. 균일성 평가는 성능이 가장 좋았던 TD=30℃, VC=5mm/s의 코팅조건으로 도포된 박막을 대상으로 진행하였고, MIM 커패시터를 제작한 후, 각 면적에 따른 누설 전류 밀도 와 정전용량을 측정한 후 비교 분석하였다.
- 열처리된 기판은 UV/ozone에 30분 동안 노출되어 표면에너지가 상승되었고 잔여 유기물이 제거되었다. 기판을 blade coater 온도 각각 30℃, 70℃ 위에 올려놓고 준비된 c-PVP 용액을 주입시킨 후, 코팅 속도를 각각 2mm/s, 5mm/s, 10mm/s로 설정하여 코팅하였다. C-PVP가 도포된 기판은 200℃의 핫 플레이트 위에서 한 시간동안 어닐링되었다.
- 전기적 균일성을 추가적으로 평가하였다. 본 실험에서는 10×10cm 크기의 기판에 제작된 16개의 MIM 커패시터의 누설 특성과 정전용량을 분석하였다. 균일성 평가는 성능이 가장 좋았던 TD=30℃, VC=5mm/s의 코팅조건으로 도포된 박막을 대상으로 진행하였고, MIM 커패시터를 제작한 후, 각 면적에 따른 누설 전류 밀도 와 정전용량을 측정한 후 비교 분석하였다.
- 본 연구에서는 blade coating 방법을 통해 대면 프린팅 된 c- PVP 유전체 기반 MIM 커패시터를 제작하였고, 코팅 시 TD 및 VC에 따른 소자의 전기적, 물리적 특성을 분석하였다. 코팅 시 ‘LL regime’에 의해 TD 및 VC에 따라 c-PVP 유전체의 구조적 특성이 달라졌고, 이는 전기적 특성에도 영향을 주었다.
- 본 연구에서는, 대표적인 MGC 방법 중 하나인 블레이드 코팅 방법을 활용하여 c-PVP 유전체의 대면적 코팅을 시행하였고 이를 기반으로 MIM 커패시터를 제작한 후 물리적 및 전기적 특성을 평가하였다. 블레이드 코팅 시 TD 및 VC를 변화시킴에 따라 유체에 작용하는 점성력이 지배적으로 영향을 주는 ‘Landau– Levich (LL) regime’에 의해 박막 두께가 달라졌고[23], 이는 제작된 소자의 전기적 성능에도 영향을 주었다.
- ITO glass는 순차적으로 아세톤(acetone), 이소프로필알코올 (isopropyl alcohol) 그리고 초순수(de-ionized water)로 세정 되었다. 잔류 용매를 제거하기 위해 기판을 질소 가스 하에서 건조시키고 150℃의 핫 플레이트 위에5분 동안 열처리하였다. 열처리된 기판은 UV/ozone에 30분 동안 노출되어 표면에너지가 상승되었고 잔여 유기물이 제거되었다.
- 제작된 c-PVP 유전체를 기반으로 한 MIM 커패시터의 누설 특성을 줄인 한편, 대면적 공정된 MIM 커패시터의 전기적 특성의 전기적 균일성을 추가적으로 평가하였다. 본 실험에서는 10×10cm 크기의 기판에 제작된 16개의 MIM 커패시터의 누설 특성과 정전용량을 분석하였다.
대상 데이터
- C-PVP 유전체 기반 MIM 커패시터 공정을 위해 10cm×10cm 크기의 ITO 게이트 전극이 코팅된 glass가 기판으로 사용되었다. ITO glass는 순차적으로 아세톤(acetone), 이소프로필알코올 (isopropyl alcohol) 그리고 초순수(de-ionized water)로 세정 되었다.
- C-PVP는 PVP와 메틸레이티드 폴리(멜라민-코-포-말데하이드) (methylated poly(melamine-co-for- maldehyde; PMF)을 1:1.25의 질량비로 혼합하고 프로필렌 글리콜 메틸 에테르 아세테이트 (propylene glycol methyl ether acetate)에 10wt% 농도비로 용해하여 제조되었다. 보다 용이한 용해공정을 위해 혼합물은 30℃ 의 온도에서 12시간 동안 교반되었다.
성능/효과
- 5MV/cm, 1MV/cm의 전기장을 가했을 때, 제작된 소자는 대략 10 A/cm 로 균일하게 전류 특성을 나타냈었다. 또한 정전용량값을 보면 측정된 영역의 정전용량은 약 7±1.5nF/cm 정도로 대면적의 용액 공정으로 제작되었음을 고려하였을 때, 상당히 균일한 정전용량을 보였다. 이는 앞선 블레이드 코팅 조건에 따라 도포된 c-PVP가 고르게 박막을 형성되어 면적에 따른 전기적 특성 또한 고르게 나타났다는 것을 보여준다.
- 2MV/cm 에서 10 A/cm 의 누설전류가 흐른 것보다 약 10 배 더 낮은 값이다. 또한 코팅 시 VC는 커패시터의 성능에 영향을 주지만 VC와 성능은 비례하지 않았던 것도 확인되었다. 한편, Fig.
- 2MV/cm의 전기장에서 누설 전류가 약 10 A/cm 였었고, 2mm/s와 비교하였을 때 약 10 배 더 낮았다. 추가적으로, 최적화된 성능을 보유한 c-PVP 유전체 기반 커패시터는 각 면적에서 누설 특성 및 정전용량 특성이 균일하게 나타냈다. 이러한 결과는 플렉서블 전자소자를 비롯한 차세대 전자소자 응용에도 긍정적인 기여를 할 것으로 기대된다.
- 따른 소자의 전기적, 물리적 특성을 분석하였다. 코팅 시 ‘LL regime’에 의해 TD 및 VC에 따라 c-PVP 유전체의 구조적 특성이 달라졌고, 이는 전기적 특성에도 영향을 주었다. TD=30℃ 가 70℃와 달리 전반적으로 MIM 커패시터에서 안정적인 누설 특성을 보였다.
후속연구
- 하지만, 유기물 기반의 유전체는 금속 산화물 혹은 실리콘 산화막에 비해 여전히 불안정한 전기적 특성을 가진다. 더 나아가, 기존의 많은 연구들에서 스핀 코팅을 통해 제작된 유기 절연체를 사용하여 박막 트랜지스터와 같은 단위 소자를 제작하였으나 산업에 실질적 활용을 위해서는 MGC를 통한 대면적 박막 형성과 이를 통해 제작된 유기 절연체의 전기적 특성의 이해가 요구된다. 특히, MGC를 통하여 박막을 형성할 시 증착 온도(Deposition Temperature; TD) 및 코팅 속도(Coating Velocity; VC)등의 코팅 파라미터들은 박막의 특성에 직접적인 영향을 미치기 때문에 파라미터의 제어에 따른 박막 특성의 명확한 규명이 필요하다[22].
- 이는 300~600℃의 고온에서 어닐링을 진행한 Xia et al.의 high-k Al2O3 기반 MIM 커패시터와 비슷한 수준이며, 보다 낮은 온도에서도 이 정도의 특성을 갖출 수 있다는 것은 본 연구의 우수성을 다시 한 번 더 강조할 수 있을 것으로 사료된다[24].
- 추가적으로, 최적화된 성능을 보유한 c-PVP 유전체 기반 커패시터는 각 면적에서 누설 특성 및 정전용량 특성이 균일하게 나타냈다. 이러한 결과는 플렉서블 전자소자를 비롯한 차세대 전자소자 응용에도 긍정적인 기여를 할 것으로 기대된다.
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