초록 ▼

본 연구에서는 차세대 평판 및 플렉서블 디스플레이 소자용 고성능 투명 박막 트랜지스터의 개발을 위해 연속적, open air 개념의 롤투롤 원자층 박막 증착 공정법을 확보하여 고품위 투명 반도체를 개발하는 것을 목적으로 하여 3년간 진행하였다. 동시에 연속적 증착이 가능한 롤투롤 방식의 원자층 박막 공정법의 기초연구를 통해 향후 보편화 될 플렉서블 디스플레이 산업에 대비하였다. 또한 기존 투명 반도체 사이에 금속 산화물을 층간 첨가함으로써 높은 이동도와 안정성을 확보하며, 기존 특허에서 벗어난 새로운 물질을 개발함으로써 투명 반도체

본 연구에서는 차세대 평판 및 플렉서블 디스플레이 소자용 고성능 투명 박막 트랜지스터의 개발을 위해 연속적, open air 개념의 롤투롤 원자층 박막 증착 공정법을 확보하여 고품위 투명 반도체를 개발하는 것을 목적으로 하여 3년간 진행하였다. 동시에 연속적 증착이 가능한 롤투롤 방식의 원자층 박막 공정법의 기초연구를 통해 향후 보편화 될 플렉서블 디스플레이 산업에 대비하였다. 또한 기존 투명 반도체 사이에 금속 산화물을 층간 첨가함으로써 높은 이동도와 안정성을 확보하며, 기존 특허에서 벗어난 새로운 물질을 개발함으로써 투명 반도체 기술의 자립을 최종 목표로 하여 진행하였다.
디스플레이 소자용 산화물 반도체 트랜지스터 제작을 위해 종래의 연구에서 스퍼터링과 같은 물리 기상증착법을 이용하여 균질한 조성 및 조성비를 가지는 산화물을 증착, 채널층으로 활용하였다. 본 연구진에 서는 기존의 스퍼터 방법과는 차별화된 공정법과 새로운 산화물 반도체 물질의 개발을 목표로 하였다. 더불어 기존의 문제가 되었던 롤투롤 방식의 신개념 원자층 박막 증착 공정법에 관한 기초 연구를 진행하여 획기적인 공정 효율의 상승 및 원가 절감을 이루었다. 이를 위해 기존의 원자층 박막 증착장비와는 다른 진보된 형태의 새로운 챔버 디자인과 외부 대기와 반응기체를 분리 및 접촉을 차단하는 고도의 공기막(air barrier)기술을 연구하였다. 본 증착방법을 이용하여 4족, 3족 원소, 또는 5족 원소와 이들 2~3개의 산화물을 첨가하는 방법으로 우수한 특성의 새로운 산화물 반도체를 개발하였다. 더불어 이들의 조성 및 조성비를 조절함으로써 트랜지스터의 채널층으로써 최적의 특성을 가지는 조건을 분석하였으며 또한 조성및 조성비에 따른 박막의 구조적, 화학적, 전기적, 그리고 광학적 특성의 연관성도 함께 밝힘으로써 이러한 투명전도 산화물에 대한 체계적인 실험을 진행하였다.
본 연구진은 투명 전도 산화물로 많이 사용되는 Zinc oxide (ZnO) 박막을 활용하여 도핑 공정을 확보하였다. 여러 가지 특성의 변화를 주기 위해 Ga, In, N 등 여러 원소를 도핑하여 막의 특성 변화를 확인하였다. 원자층 박막 증착법을 이용한 박막 도핑의 경우, 증착하고자 하는 막 사이에 다른 박막을 삽입하며 그 비율을 조절함으로써 가능한 supercycle 방법을 이용하였다. 이렇게 증착한 박막의 경우 Ga 와 In의 경우 기존 ZnO 박막 대비 투명도의 상승, 비저항의 감소, 캐리어 농도의 증가 등 반도체에서 전도체로 의 성질 변화를 확인할 수 있었다. 반면 ZnO 박막에 nitrogen을 도핑함에 따라 캐리어 농도의 감소 및 비저항의 증가 되는 것을 확인할 수 있었으며, 이렇게 생성된 박막을 박막 트랜지스터 소자의 활성층(active layer) 로 활용하였을 때 우수한 소자적 특성을 나타냄을 확인할 수 있었다. 또한 이를 유연소자의 활성층으로 이용하여, 소자의 구부러짐 조건하에서의 전기적 특성 변화를 파악하여 물리적인 동태를 파악할 수 있었다.
원자층 박막 증착법의 가장 큰 단점으로 뽑히는 낮은 생산성을 해결하고자 본 연구진에서는 기존의 시간분할방식의 원자층 증착방식이 아닌 공간분할방식의 원자층 증착 장비를 디자인하고 프로토타입을 직접 제작하여, 고생산성의 원자층 박막 증착 장비를 개발 및 활용하고자 하였다. 기존의 시분할 방식 대신,ALD 의 반응기체가 나가고 들어가는 슬릿의 조합으로 구성되어있는 ALD head를 제작하였으며, 기체간의 혼입을 막기 위하여 질소기체를 이용하여 air barrier 도 형성하였다. 이를 통해 본 연구진은 여러 가지 변수를 조절함에 따라 박막의 특성 변화를 확인하였으며, 궁극적으로 특정 조건에서 성장된 박막이 명 전도 산화물로써의 우수한 성질을 나타내는 것을 확인하였고, 이를 통해 우수한 품위의 박막을 고생산성 조건 하에서 확보할 수 있었다.
본 연구의 달성을 통하여 산화물 반도체 분야에 있어 새로운 물질의 개발 및 적용을 통해 원자층 증착법으로 제작된 신물질이 소자의 특성에 미치는 영향을 체계적으로 연구할 수 있으며, 또한 라미네이트 구조의 반도체 물질에 대한 기초연구에 기여할 수 있다. 더불어 제안하는 새로운 개념의 롤투롤 원자층 박막 기술을 이용한 산화물 반도체 제작은 미래 플렉서블 디스플레이 공정기술은 물론 저가 생산의 연성 소자 제조에 다양하게 응용될 수 있다. 이를 통해 관련분야의 학문적 기술 수준을 높이며, 후속 연구의 학술적 바탕 제공 및 관련분야 인력양성에 기여할 것이다.

목차 Contents

• 일반연구자지원사업 최종(결과)보고서 ... 1
• 목차 ... 3
• Ⅰ. 연구결과 요약문 ... 4
• Ⅱ. 연구내용 및 결과 ... 5
• 1. 연구과제의 개요 ... 5
• 2. 국내외 기술개발 현황 ... 5
• 3. 연구수행 내용 및 결과 ... 7
• 4. 목표 달성도 및 관련 분야에의 기여도 ... 21
• 5. 연구결과의 활용계획 ... 21
• 6. 연구과정에서 수집한 해외과학기술정보 ... 22
• Ⅲ. 연구성과 ... 23
• 끝페이지 ... 40