KR100812504B1 - 전도성 고경도 탄소박막의 제조 방법 및 박막 전계 발광소자용 전극으로의 응용 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 고경도를 지닌 전도성 탄소 박막의 제조 방법 및 전극으로써 박막 전계 발광 소자에 전극에 전도성 탄소 박막을 응용에 관한 것이다. 본 발명에서는 고경도, 전도성 탄소박막 제작시 비대칭 마그네트론 스퍼터링 (Closed-field unbalanced magnetron sputtering) 방식을 제시하였으며, 제작된 탄소 박막은 높은 강도, 낮은 마찰력, 낮은 마모율, 부드러운 표면, 내부식성 및 내 산화성 등의 우수한 물리적인 특성들을 지니며, 장치 및 공정상의 특성으로 인해 어떠한 도핑 없이 낮은 비저항 (< 5 mΩ·cm )과 좋은 전도 특성을 지닌다. 또한, 본 발명에서는 이 전도성 탄소 박막을 박막 전계 발광 소자 적층 구조물의 전극으로써 이용하였다. 본 발명의 특징은 박막 전계방출소자의 금속 전극을 전도성 탄소박막으로 대체함으로써 전극의 물리적인 특성이 향상되어 전극으로써 수명이 연장되며, 이 전극이 다른 층을 보호함으로써 전자소자의 수명 향상에도 도움이 된다. 결국, 본 발명의 목적은 새로운 전도성 소재를 박막 전계 방출 소자의 전극으로써 도입하고 소자의 물리적, 전기적 특성을 향상을 기대하며 여러 전자소자에 전도성 탄소 전극의 맞춤형 채용을 목적으로 한다.
Description
도 1은 본 발명에 따른 탄소박막 구조물의 개략적인 단면을 도시한다.
도 2는 흑연타겟을 사용하는 탄소박막의 제조 장치인 비대칭 마그네트론 스퍼터링(Closed-field unbalanced magnetron sputtering) 장치를 도시한다.
도 3은 탄소박막이 전극으로 코팅된 박막 전계 발광 소자의 구조를 도시한다.
도 4는 본 발명에 의해 제작된 탄소박막의 비저항특성을 나타낸 그래프이다.
*도면의 주요부분에 대한 부호의 설명*
10, 11 : 기판
12 : 탄소박막
20 : 진공 챔버
21 : 기판 지지대
22 : 지그
23 : 냉각라인
24 : 타겟
25 : 바이어스 전원공급계
26, 27 : 가스공급부
31 : 투명전극
32 : 형광물질층
33; 절연층
34: 탄소박막전극
본 발명은 탄소박막의 제조 방법에 관한 것으로서, 특히 본 발명은 기존의 다이아몬드상 카본(DLC; Diamond-like Carbon) 박막에 우수한 물리적인 특성을 유지하면서 높은 전도성을 가지도록 하는 탄소박막을 성장시키기 위한 방법에 관한 것이다.
정보사회의 발전과 함께 정보 교환의 중요성이 더욱 증대되고, 그 중에서도 인간의 시각을 만족하는 영상정보 표시소자는 중요한 위치를 차지하게 되었다. 최근 소형화 및 휴대성이 용이한 평판 표시 소자를 요구하는 추세에 따라 점차 박형화가 가능한 LCD (Liquid Crystal Display), PDP (Plasma Display Panel), FED (Field Emission Display) 및 ELD (Electroluminescent Device)의 상용화가 진행되고 있다. 이러한 발광 소자는 각각 적합한 저전압, 저소비 전력으로 작동하고 부 피에 비해 아주 얇은 특성들을 요하고 있다. 특히 박막 전계 발광소자는 소비 전력이 낮고, 도광판이 없어 발광 분포가 넓고 균일한 발광 특성을 가지는 소자로써 생산시 제조가 용이하고 구조가 간단하여 가격 경쟁력이 우수하고, 기계적 특성이 유연한 박형 설치가 편리한 장점을 지니고 있는 소자이다.
이러한 박막 전계 발광 소자의 전극으로서 종래에는 금이나 은 등의 금속 전극을 사용하였으나, 제작 공정이 복잡하고, 제조비용이 높으며, 마모가 발생하며 부식성을 가지고 있어 박막이 산화되고 습기가 발생하는 문제점을 가지고 있었다.
기존에 DLC 박막을 전극으로 이용하기도 하나, 통상적인 장치(PVD, CVD)를 이용해 제작한 DLC 박막은 대체적으로 많은 수소를 함유하며, 이로 인해 우수한 물리적인 특성들을 나타내지만 상대적으로 도전성이 약해지는 절연 특성을 나타낸다. 이러한 문제점을 해결하기 위한 방안으로 a-C 박막에 전도성을 증가시키기 위해 금속을 도핑하여 사용하지만, 이 경우 박막의 제조가 복잡하고 비용이 증가하는 문제점을 가진다. 더욱이 종래의 방식에 따라 DLC 박막을 증착시키는 기술은 고온에서 이루어졌기 때문에 필름의 구조가 열화되어, 필름의 물리적 성질을 우수하게 유지할 수 없었다.
따라서 탄소 박막을 박막 전계 발광 소자의 전극으로써 도입하여 탄소 박막이 지니는 우수한 물리적 특성들 즉 낮은 마찰계수, 부드러운 표면, 높은 강도, 내부식성, 내산화성 등을 부가하고, 특히 본 연구에서 제작된 탄소 박막의 특별한 특성, 즉 낮은 비저항과 전도성을 바탕으로 한 탄소전극을 제작하고, 이를 박막 전계 발광 소자의 전극으로 직접 도입하여 금이나 은 등의 금속 전극을 대체함으로써 제작비용을 낮추고 제작 공정 등을 줄임으로써 경쟁력이 있는 전극으로 활용성을 제시하고 있으나, 이제까지의 종래 기술은 이러한 요구 조건을 충족하지 못하였다.
따라서 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 기존의 다이아몬드상 카본(DLC; Diamond-like Carbon) 박막에 우수한 물리적인 특성을 유지하면서 높은 전도성을 가지도록 하는 탄소박막을 성장시키기 위한 방법을 제공하는 것이다.
또한, 본 발명의 목적은 새로운 전도성 소재를 박막 전계 방출 소자의 전극으로써 도입하고 소자의 물리적, 전기적 특성의 향상을 기대하며 여러 전자소자에 전도성 탄소 전극의 맞춤형 채용을 목적으로 한다.
이러한 목적을 달성하기 위하여 본 발명에서는 비대칭 마그네트론 스퍼터링 (Closed-field unbalanced magnetron sputtering) 방식의 제조 방법을 이용하여 탄소박막을 성장시키는데, 비대칭 마그네트론 스퍼터링 (Closed-field unbalance magnetron sputtering) 방식의 제조 방법은 저온에서 모든 공정이 가능하기 때문에 상온에서 증착이 필요한 전자소자 등의 플렉서블 기판의 온도에 따른 문제와 박막의 상업화 면에서 균일하게 대면적으로 증착이 가능하며, 특히 고속 증착을 위해 비대칭 마그네트론 스퍼터링 장치를 사용하여 단시간 내에 두꺼운 박막 증착이 가능하여, 플라즈마에 인한 온도의 영향을 배제 시킬 수 있다. 그리고 제3의 물질의 도핑 없이 전도성 박막을 제작할 수 있다는 것이 본 기술의 가장 두드러진 특징이라고 할 수 있다.
본 발명에서는, 4 inch 이상의 대면적 증착이 가능한 비대칭 마그네트론 스퍼터링 (Closed-field unbalanced magnetron sputtering) 방식을 이용하여 실리콘과 유리기판 위에 고경도, 전도성 탄소박막을 제작하였고, 분당 170 nm의 높은 성장률을 갖고 짧은 시간 내에 두꺼운 박막의 성장이 가능하며 짧은 증착시간으로 인해 기판에 미칠 수 있는 플라즈마의 영향을 최소화하여 저온에서 공정이 가능하며 기판을 보호하는 등의 이점을 가진다. 또한 본 발명에서 비대칭 마그네트론 스퍼터링 방식은 양쪽에 두개의 흑연 (graphite) 타겟을 사용하여 스퍼터링 필드를 높였으며, 스퍼터링 가스로는 아르곤(Ar)을 사용하여, 수소가 포함되지 않는 비정질 탄소 박막을 형성할 수 있다. 탄소 박막 형성시 초기 진공은 10-6 Torr 의 고진공으로, 플라즈마 활성화를 위하여 10-3 Torr의 증착 압력을 형성하였으며, 기판이 부착된 지그에는 음의 DC 바이어스를 인가하여 플라즈마내의 탄소 이온들이 기판에 도달될 수 있는 확률을 높여 고속증착을 가능하게 하였으며, 모든 공정은 상온에서 행하여 탄소박막에 온도 영향을 배제하였으며 상기 전도성 탄소 박막층은 200 nm의 두께를 기준으로 음의 DC 바이어스의 영향만을 고려하여 제작하였다.
본 발명에서 박막 전계 방출 소자의 구조는 도 3에 나타나 있으며, 박막 전계 방출 소자 (Thin film electroluminescent display : ELD)를 형성하기 위한 방법은 투명 기판 (ITO 또는 TCO) 을 준비하는 단계와 형광물질을 올리는 단계 그리고 진공 증착법에 의한 절연물질 (산화물 또는 질화물) 을 올리는 단계와 스퍼터링 증착법에 의해 전기적 비저항이 3 mΩ 이하인 전도성 탄소 박막 전극을 올리는 마지막 단계를 포함한다. 일반적으로 박막의 전극은 불투명 금속전극으로 알루미늄(Aluminium), 몰리브덴늄(Mo), 니켈(Ni) 등을 사용하지만 본 발명에서는 전도성 탄소박막을 전극으로 사용하였으며, ITO (Indium tin oxide) 투명기판(31)으로 입사되는 빛은 발광층(32), 절연층(33)을 차례로 통과한 뒤, 탄소전극(34)에서 반사되어 전계 방출 효과를 일으킨다.
이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 관하여 보다 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명의 탄소 박막 구조물의 실시예의 구성을 나타낸다. 도 1에 도시한 바와 같이 바와 같이, 본 실시예의 고경도, 전도성 탄소 박막 구조물은 일반적으로 실리콘이나 유리기판(11) 위에 형성되어 박막 전계 방출 소자의 절연층의 면과 결합되어 사용하게 된다. 경우에 따라서는 이 기판(11)이 상부에 금속이 코팅되어 형성되는 등 다른 전처리 과정을 거친 기판일 수도 있다. 또한 본 발명에서 박막(12)은 음의 DC바이어스를 인가하여 저온에서 합성한 수소의 영향이 배제된 전도성 탄소박막이다.
도 2는 본 발명에 따른 탄소박막 제작 장치의 개략적인 블록 단면도이다. 본 발명에 따른 탄소박막 제작 장치에서, 진공 챔버(20) 내부에는 기판 지지대(21)가 배치되어 있으며, 기판 지지대(21)의 상부에는 지그(22)가 설치되어 지지대를 고정한다. 또한, 지그는 DC 바이어스 전원(25)과 직접적으로 연결되어 있다. 이 모든 공정이 이루어지기 위해서는 스퍼터링시 발생되는 열을 감소시키기 위한 냉각라인(23)이 필수적이어서, 챔버 외벽은 챔버 내에 적정온도 이상 온도가 올라가지 않도록 냉각라인(23)을 통해 냉각수가 계속 흐르도록 구성된다. 챔버(20)의 내부를 코팅에 적합한 진공 상태로 유지시키기 위한 진공계가 제공되는데, 이는 도시하지 않았다.
또한, 진공 챔버(20)내에는 압력을 측정하기 위한 압력 측정기가 제공되어 있다. 이러한 압력 측정기로 측정한 값들은 진공 챔버(20) 내의 압력 및 출입하는 가스의 양을 표시하며 적정 수준으로 유지한다. 가스 공급계(26, 27)는 기판 코팅에 필요한 가스들, 예를 들어 아르곤 가스(Ar) 등의 가스를 진공 챔버(20) 내에 공급해준다. DC 바이어스 전원(25)은 진공 챔버(20) 내의 지그(22)에 접속되어 진공 챔버(20) 내부에 플라즈마를 발생시키기 위한 전원을 제공하며, 진공 챔버(20)와 전원 간에 삽입되어 이들 간의 임피던스를 조정하여 플라즈마 생성을 조절하기 위한 정합회로를 포함한다. 마그네트론 스퍼터 타겟(24)은 흑연(graphite) 타겟이 사용되었고 측면에 각각 부착되어진 전자석 파워(28)에 의해 플라즈마 필드를 형성하였다.
다음으로, 본 발명에 따른 탄소박막 제작 장치를 사용하여, 기판 지지대(21) 위의 기판(10) 상에 탄소박막을 코팅하는 방법에 대해 설명한다.
먼저, 기판으로는 실리콘, 유리, 플렉시블 기판을 사용하였으며 플렉시블 기판으로는 Polyimide(Kapton), Polyethylenenapthalate(PEN), Polyester (PET) 등을 사용하여 이들 기판을 유기 용매로 세척하여, 진공 챔버(20) 내의 기판 지지대(21) 상에 장착한다. 이어서, 진공 챔버(20)의 초기진공을 고진공 펌프인 확산펌 프를 이용하여 10-6 Torr 까지 유지한 후 가스 공급계로부터 아르곤 가스를 공급하여, 압력 측정기를 이용하여 진공 챔버(20) 내의 압력이 10-3 Torr로 유지하게 하여 플라즈마를 활성화시킨다. 그리고 DC 바이어스 전원(25)로부터 기판 지지대(21)에 음의 DC 바이어스를 인가하여 플라즈마 내에 존재하는 탄소 이온들이 기판에 도달할 수 있는 가능성을 증가시켜 탄소 박막의 높은 성장률을 가능하게 하였으며, 모든 공정은 상온에서 행하였다. 이와 같이 제조된 박막은 어떠한 도핑 없이 5 mΩ·cm 이하의 비저항 특성을 나타내는 전도성 탄소박막(12)이 된다.
도 3에서는 본 발명에서 제작된 탄소 박막을 전극으로써 이용한 박막 전계 방출 소자(30)의 적층구조물의 제조 방법의 실시예를 나타낸다. 도 3에 도시한 바와 같이 본 실시예의 제조 방법은 투명 기판을 준비하는 단계(TCO or ITO glass)(31)와, 투명기판 상부에 형광물질(Phosphor layer)(32)을 형성하는 단계, 그 상부에 진공 증착법에 의해 절연층(33)을 형성하는 단계 그리고 최종적으로 비대칭 마그네트론 스퍼터링법으로 탄소 박막 전극(34)을 형성하는 단계를 포함한다. 도 3에서 투명전극(31)은 ITO 또는 TCO 등의 투명전극으로 In-O, Sn-O계를 기본구성으로 한다. 또한 본 발명에서 전극은 메탈 쉐도우 마스크(Metal shadow mask) 법을 이용하여 패턴을 형성하였다. 또한 절연막(33)은 플라즈마 화학기상증착법 (PECVD)법을 이용하여 Si3N4 또는 SiO2 를 각각 300 nm 두께로 증착하였다. 또한 형광물질을 발광층 (32) 으로 사용하여 600 nm 정도의 두께로 증착하면 박막 전계 발광 소자가 완성되어진다.
도 4에서는 본 발명에서 제작되어진 탄소 박막(12)의 전기적 비저항 특성을 나타낸다. 도 4에 도시된 바와 같이, 음의 DC 바이어스 전압이 증가할수록 비저항 값이 낮아지는 것을 알 수 있다. 본 발명에 사용되는 탄소 박막은 낮은 비저항뿐만 아니라 부드러운 표면과 기판과의 우수한 접착력, 또한 높은 강도를 지니고 있으며, 내부식성이나 내 산화성 등의 특성들로 인하여 박막이 전극으로써 갖추어야 할 능력과 수명이 오랫동안 유지된다. 즉 전극으로써의 역할과 동시에 보호 코팅으로써의 역할을 만족시킴으로써 기존에 금속 전극을 사용한 소자의 수명보다는 길어진다.
본 발명의 상세한 설명에서는 탄소 박막 제작 및 박막 전계 방출 소자의 구체적인 실시 형태에 관해 설명하였으며, 본 발명의 기술적 사상에서 벗어나지 않는 한도 내에서 여러 가지 변형이 가능하다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에서 비대칭 마그네트론 스퍼터링 (Closed-field unbalanced magnetron sputtering) 방식을 제시하여 우수한 물리적인 특성을 지니는 탄소 박막을 제조할 수 있으며, 금속 박막이 가질 수 없는 높은 강도, 낮은 마찰력, 부드러운 표면, 낮은 마모율과 내부식성의 특성들로 인한 기판 및 박막을 산화 및 습기에 대하여 보호하여 박막 및 전극으로써의 수명을 연장할 수가 있어 결국 이는 제품 및 소자의 일부분으로써 수명을 연장하는 방법이 된다. 또한 탄소 박막을 박막 전계 발광 소자의 전극으로의 도입은 기존 탄소 박막이 가지고 있는 전기적인 특성을 이용함으로써 전극뿐 만아니라 LED의 전자주입층, 박막 전지의 전극, 화학적 센서등 광범위한 전자 소자의 응용에도 실용화에 기여할 수가 있다.
Claims (17)
- 삭제
- 기판의 지지 및 DC 바이어스를 공급하는 수단, 가스 공급수단, 전자석 파워 및 냉각라인으로 이루어진 챔버 및 상기 챔버를 진공상태로 유지하기 위한 진공수단을 포함하는 비대칭 마그네트론 스퍼터링 (Closed-field unblanced magnetron sputtering) 장치를 이용하여 고경도 전도성 박막을 제작하는 것을 특징으로 하는 탄소박막 제조방법.
- 제 2항에 있어서, 상기 비대칭 마그네트론 스퍼터링 장치의 타겟은 전자석 파워에 부착된 흑연 타겟인 것을 특징으로 하는 탄소박막 제조방법.
- 제 2항에 있어서, 상기 기판 지지 수단에 음의 DC 바이어스를 인가하여 플라즈마 내의 탄소 이온들이 기판에 용이하게 도달될 수 있도록 하는 것을 특징으로 하는 탄소박막 제조방법.
- 제 2항에 있어서, 상기 방법은 스퍼터링 가스로는 아르곤(Ar)을 챔버에 제공하는 단계, 초기 진공은 10-6 Torr 로 유지하는 단계, 플라즈마 활성화를 위하여 10-3 Torr의 증착 압력을 형성하는 단계; 기판 지지대에 음의 DC 바이어스를 인가하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 탄소박막 제조방법.
- 제 2항에 있어서, 상기 탄소박막은 200 nm의 두께를 가지는 것을 특징으로 하는 탄소박막 제조방법.
- 제 2항에 있어서, 상기 공정은 상온에서 이루어지는 것을 특징으로 하는 탄소박막 제조방법.
- 제 2항에 있어서, 상기 탄소박막은 5 mΩ·cm 이하의 비저항 특성을 가지는 것을 특징으로 하는 탄소박막 제조방법.
- 삭제
- 실리콘 또는 유리기판 상에 폴리이미드 (Kapton), 폴리에틸렌나프탈레이트 (PEN) 또는 폴리에스테르 (PET)로 이루어진 플렉시블 기판을 형성하고 기판을 유기 용매로 세척하여 진공 챔버 내의 기판 지지대 상에 장착하는 단계;상기 진공 챔버의 초기진공을 10-6 Torr 까지 유지한 후 가스 공급계로부터 아르곤 가스를 공급하는 단계;상기 진공 챔버 내의 압력이 10-3 Torr로 유지하게 하여 플라즈마를 활성화시키는 단계; 및플라즈마 내에 존재하는 탄소 이온들이 기판에 용이하게 도달할 수 있도록 음의 DC 바이어스를 기판 지지대에 인가하여 비저항 특성을 나타내는 전도성 탄소박막을 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 탄소박막 제조방법.
- 제 10항의 방법에 따라 제조된 탄소박막을 전극으로 이용하여 제작된 전계 방출 소자.
- 제 11항에 있어서, 상기 전계 방출 소자는 TCO or ITO glass/형광체/절연체/전도성 탄소박막 전극으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 전계 방출 소자.
- 박막 전계 방출 소자를 제조하는 방법에 있어서,TCO 또는 ITO 투명 기판을 준비하는 단계;상기 투명기판 상부에 형광물질(Phosphor layer)을 형성하는 단계;상기 형광물질 상부에 진공 증착법에 의해 절연층을 형성하는 단계; 및비대칭 마그네트론 스퍼터링법으로 탄소 박막 전극을 형성하는 단계를 포함하는 박막 전계 방출 소자 제조 방법.
- 제 13항에 있어서, 상기 투명전극은 In-O 또는 Sn-O계로 구성되는 것을 특징으로 하는 박막 전계 방출 소자 제조 방법.
- 제 13항에 있어서, 상기 전극은 메탈 쉐도우 마스크 방법을 이용하여 패턴을 형성하는 것을 특징으로 하는 박막 전계 방출 소자 제조 방법.
- 제 13항에 있어서, 상기 절연막은 플라즈마 화학기상증착법(PECVD)법을 이용하여 Si3N4 또는 SiO2 를 각각 300 nm 두께로 증착하는 것을 특징으로 하는 박막 전계 방출 소자 제조 방법.
- 제 13항에 있어서, 상기 형광물질의 두께는 600nm로 증착되는 것을 특징으로 하는 박막 전계 방출 소자 제조 방법.
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