KR101381167B1 - 광 반도체 소자, 이를 이용한 알지비 센서, 터치센서, 및 이미지 센서 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 광 반도체 소자, 이를 이용한 RGB 센서 및 터치센서에 관한 것으로서, 스몰 밴드갭을 가지는 화합물을 채널물질로 사용하여 광 반도체 소자를 제조하고, 광 반도체 소자를 이용한 적외선 또는 가시광선 영역대의 파장을 감지할 수 있는 플렉시블 터치센서 또는 RGB 센서에 관한 발명이다. 이를 위해 넓은 파장대의 빛을 흡수하도록 스몰 밴드갭을 갖는 화합물로 반도체 채널이 형성되어 입사된 빛의 파장에 따라 동작하는 광 반도체 소자가 제공된다.
Description
본 발명은 광 반도체 소자, 이를 이용한 RGB 센서, 터치센서, 및 이미지 센서에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 스몰 밴드갭을 가지는 화합물을 채널물질로 사용하여 광 반도체 소자를 제조하고, 광 반도체 소자를 이용한 적외선 또는 가시광선 영역대의 파장을 감지할 수 있는 플렉시블 터치센서 또는 RGB 센서에 관한 발명이다.
종래의 터치센서 구현기술 중 저항방식 또는 정전용량 방식은 플렉시블 기판 위에 구현되는 경우 플렉시블 기판의 구부러짐과 동시에 레퍼런스 값의 변화로 인한 오작동을 야기하여 간섭 문제가 발생된다.
따라서, 본 발명은 전술한 바와 같은 문제점을 해결하기 위하여 창출된 것으로서, 2차원 전이금속 칼코겐화합물을 다층으로 형성함으로써 간접 천이 밴드갭에 의해 광(廣) 대역의 파장을 흡수할 수 있는 발명을 제공하는데 그 목적이 있다.
또한, 다층 전이금속 칼코겐화합물 또는 아연질소산화물 등의 스몰 밴드갭을 가지는 물질을 채널물질로 사용하여 플렉시블 터치센서를 구현함으로써 기판의 휘어짐에 의한 간섭을 최소화시키는 발명을 제공하는데 그 목적이 있다.
그리고 스몰 밴드갭을 가지는 물질을 채널물질로 사용하여 가시광선 영역에서 적외선 영역대(스펙트럼 300nm ~ 1500nm)까지를 감지할 수 있는 센서를 구현하는데 그 목적이 있다.
그러나 본 발명의 목적들은 상기에 언급된 목적으로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 목적들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
전술한 본 발명의 목적은, 넓은 파장대의 빛을 흡수하도록 스몰 밴드갭을 갖는 화합물로 반도체 채널이 형성되어 입사된 빛의 파장에 따라 동작하는 광 반도체 소자를 제공함으로써 달성될 수 있다.
또한, 스몰 밴드갭은 근 적외선 영역부터 자외선 영역까지의 파장이 흡수되도록 하는 에너지 갭인 것을 특징으로 한다.
또한, 화합물은, 아연질소산화물(ZnON) 또는 전이금속 칼코겐 화합물(Transition Metal Dichalcogenides)인 것을 특징으로 한다.
또한, 전이금속 칼코겐 화합물은 다층으로 이루어지는 것을 특징으로 한다.
한편, 본 발명의 목적은 기판, 및 기판의 일측에 구비되는 제 1 항에 기재된 복수의 광 반도체 소자를 포함함으로써 광원의 파장에 반응하여 터치 위치를 감지하는 것을 특징으로 하는 터치센서를 제공함으로써 달성될 수 있다.
또한, 기판은 플렉시블(flexible) 기판 또는 리지드(rigid) 기판인 것을 특징으로 한다.
또한, 광원은 근적외선 또는 적외선인 것을 특징으로 하는 터치센서.
또한, 광 반도체 소자는 박막 트랜지스터 또는 다이오드인 것을 특징으로 하는 터치센서.
한편, 본 발명의 목적은 기판, 및 기판의 일측에 구비되는 제 1 항에 기재된 복수의 광 반도체 소자를 포함함으로써 가시광선 영역의 파장을 감지하는 것을 특징으로 하는 RGB 센서를 제공함으로써 달성될 수 있다.
또한, 기판은 플렉시블(flexible) 기판인 것을 특징으로 한다.
또한, 광 반도체 소자는 박막 트랜지스터 또는 다이오드인 것을 특징으로 한다.
한편, 본 발명의 목적은 기판, 및 기판의 일측에 구비되는 제 1 항에 기재된 복수의 광 반도체 소자포함하여 대상체에서 반사된 적외선 영역의 반사 파장을 감지함으로써 대상체의 이미지를 비터치에 의해 인식하는 것을 특징으로 하는 이미지 센서를 제공함으로써 달성될 수 있다.
또한, 기판은 플렉시블(flexible) 기판인 것을 특징으로 한다.
또한, 광 반도체 소자는 박막 트랜지스터 또는 다이오드인 것을 특징으로 한다.
전술한 바와 같은 본 발명에 의하면 단층 전이금속 칼코겐화합물에 비해 광대역 파장을 흡수할 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명에 의하면 자외선부터 근적외선 파장까지 감지할 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명에 의하면 InGaZnO 화합물에 비해 높은 이동성과 게이트 동작 바이어스 전압을 낮출 수 있으며, 발광시 문턱 전압의 이동이 없는 효과가 있다.
그리고 본 발명에 따른 화합물을 이용하여 기판의 휘어짐에 의한 간섭을 최소화시킬 수 있는 터치센서, RGB 센서, 및 이미지센서를 구현할 수 있는 효과가 있다.
본 명세서에 첨부되는 다음의 도면들은 본 발명의 바람직한 일실시예를 예시하는 것이며, 발명의 상세한 설명과 함께 본 발명의 기술적 사상을 더욱 이해시키는 역할을 하는 것이므로, 본 발명은 그러한 도면에 기재된 사항에만 한정되어 해석 되어서는 아니 된다.
도 1은 단층 MoS2의 삼차원적 구조를 나타낸 도면이고,
도 2 및 도 3은 단층 MoS2 트랜지스터의 삼차원적 도면이고
도 4는 서로 다른 두께를 가지는 MoS2 결정의 흡수 스펙트럼 도면이고,
도 5는 벌크 MoS2의 밴드 구조를 나타낸 도면이고,
도 6은 직접 천이 밴드갭의 E-k 도면이고
도 7은 간접 천이 밴드갭의 E-k 도면이고
도 8은 MoS2 포토트랜지스터의 Id-Vgs 특성곡선이고,
도 9는 적외선 파장이 기판 하부면에서 상부면으로 조사되어 터치위치를 인식하는 것을 나타낸 도면이고,
도 10은 박막 트랜지스터가 메트릭스 형태로 배치된 것을 나타낸 도면이고,
도 11은 적외선 파장이 적외선이 조사되는 펜에 의해 상부면에서 하부면으로 조사되는 것을 나타낸 도면이고,
도 12는 사용자 손가락의 형상을 터치에 의하지 않고 인식하는 도면이다.
도 1은 단층 MoS2의 삼차원적 구조를 나타낸 도면이고,
도 2 및 도 3은 단층 MoS2 트랜지스터의 삼차원적 도면이고
도 4는 서로 다른 두께를 가지는 MoS2 결정의 흡수 스펙트럼 도면이고,
도 5는 벌크 MoS2의 밴드 구조를 나타낸 도면이고,
도 6은 직접 천이 밴드갭의 E-k 도면이고
도 7은 간접 천이 밴드갭의 E-k 도면이고
도 8은 MoS2 포토트랜지스터의 Id-Vgs 특성곡선이고,
도 9는 적외선 파장이 기판 하부면에서 상부면으로 조사되어 터치위치를 인식하는 것을 나타낸 도면이고,
도 10은 박막 트랜지스터가 메트릭스 형태로 배치된 것을 나타낸 도면이고,
도 11은 적외선 파장이 적외선이 조사되는 펜에 의해 상부면에서 하부면으로 조사되는 것을 나타낸 도면이고,
도 12는 사용자 손가락의 형상을 터치에 의하지 않고 인식하는 도면이다.
이하, 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 일실시예에 대해서 설명한다. 또한, 이하에 설명하는 일실시예는 특허청구범위에 기재된 본 발명의 내용을 부당하게 한정하지 않으며, 본 실시 형태에서 설명되는 구성 전체가 본 발명의 해결 수단으로서 필수적이라고는 할 수 없다.
<다층 전이금속 칼코겐화합물 소자의 구성>
2차원 물질은 일차원 물질과 비교했을 때 복잡한 구조로 제조하기가 상대적으로 쉬어 차세대 나노전자소자의 물질로 이용하기에 적합하다. 이러한 2차원 물질 중 2차원 전이금속 칼코겐화합물(2D Transition Metal Dichalcogenides)은 MoS2, MoSe2, WSe2, MoTe2, 또는 SnSe2의 화합물로 이루어지며, 이 중에서 단층 MoS2의 구조는 도 1에 도시된 바와 같다. 도 1에 도시된 바와 같이 단층 MoS2 결정은 수직적으로 쌓여있는 구조이고 단층(single layer)의 두께는 6.5Å으로 반더발스(van der Waals) 상호작용으로부터 층을 형성하고 있다.
단층 MoS2는 1.8eV의 고유 밴드갭을 가지고 있지만 이동성(mobility)은 0.5 ~ 3cm2V-1s-1로 매우 낮은 수준이다. 또한, 그래핀이나 박막 실리콘의 이동성 값과 비교해보았을 때, 밴드갭이 증가하면 이동성이 감소하는 경향이 있다. 이러한 단점을 극복하기 위해 도 2에 도시된 바와 같이 상부 게이트는 유전상수가 25 정도로 높은 하프늄 옥사이드(halfnium oxide, HfO2)를 사용하였고, 상부 게이트 아래에 이동성이 200cm2V-1s-1 이상인 단층 MoS2를 부스터(booster)로 이용하였다. 다만, 이러한 공정은 종래 사용되고 있는 TFT(thin film transistor) 공정과는 일치하지 않는 면을 보이고 있다.
이에 비해, 본 발명에서는 상술한 단층에서와 같이 상부 게이트를 하프늄 옥사이드를 사용하지 않고 다층 전이금속 칼코겐화합물을 채널로 사용하여 다층에서 기인하는 전도도의 증가를 통해 이동도를 50cm2V-1s-1로 향상시켰다. 이러한 단일공정으로 이동도를 향상시킴으로써 종래의 TFT 기술과 일치된 공정을 나타낸다.
상술한 단층 MoS2는 도 4의 T2, T3 그래프와 같이 약 700nm 아래의 파장을 흡수할 수 있다. 도 4에 도시된 T1, T2, T3는 MoS2 결정의 두께를 나타내며, 두께는 T1 > T2 > T3 순으로서 T1은 약 40nm, T2는 약 4nm, T3는 약 1nm이다.
도 4 및 도 5에 도시된 흡수 최고점 "A", "B"는 가전자 밴드(valance band) 스핀-궤도 결합으로부터 에너지 분리된 직접 천이 밴드갭에 상응하며, 꼬리 "I"는 간접 천이 밴드갭에 상응한다.
한편, 도 6에 도시된 바와 같이 직접 천이 밴드갭은 가전자대의 에너지 Ev(k)가 전도대의 에너지 Ec(k)와 같은 파수 k로 발생하는 경우이고, 도 7에 도시된 바와 같이 위의 두 에너지가 다른 파수 값에서 생기는 것을 간접 천이 밴드갭이라 한다. 직접 천이 밴드갭은 광 방사 에너지 
에 의해 가전자가 전도대에 직접 천이하지만, 간접 천이 밴드갭은 전도대에 간접 천이하며 그때 에너지 Eph의 포논(phonon)을 발생한다.
따라서, 직접 천이 밴드갭에서의 
이고, 간접 천이 밴드갭에서의 
이다. 이와 같이 간접 천이 밴드갭에서는 Eph가 발생됨으로써 직접 천이 밴드갭에서의 에너지 갭이 1.8eV(단층 MoS2)에서 1.35eV(다층 MoS2)로 낮아지게 된다. 이때 다층은 3층 이상인 경우가 바람직하다.
에너지 갭이 1.8eV에서 1.35eV로 낮아지는 경우에는 다음의 수학식 1에 의해 파장 값이 변하게 된다.
에너지 갭이 1.8eV인 경우보다 1.35eV인 경우, 즉 스몰 밴드갭(small bandgap)인 경우에 파장(
)값이 커지며, 이는 단층 MoS2를 사용하는 경우보다 다층 MoS2를 사용하는 경우 더 넓은 범위의 파장을 흡수할 수 있음을 도 4의 T1, T2, T3 그래프를 통해 알 수 있다.
단층 MoS2의 경우에는 일반적으로 700nm 아래의 파장을 흡수할 수 있으나, 본 발명에 따른 다층 MoS2(바람직하게는 3층 이상)의 경우에는 1000nm 아래의 모든 파장을 흡수할 수 있다. 이는 근적외선(near IR)에서부터 자외선(ultra violet)까지의 파장대를 감지할 수 있음을 의미한다.
상술한 다층 전이금속 칼코겐화합물은 화학기상증착(CVD), PE-CVD, 원자층 증착(ALD), 또는 스퍼터(sputter) 등의 종래의 일반적인 증착방식을 이용하여 다층으로 증착되기 때문에 단층에 비해 대면적 성장이 용이하다.
<
광 반도체
소자의 구성>
도 8에 도시된 바와 같이, 다층 MoS2 포토트랜지스터는 빛이 입사되지 않을 때와 빛이 입사될 때(633nm의 50mWcm-2 강도)의 Id가 약 103 차이가 남을 알 수 있다. 따라서 상술한 다층 전이금속 칼코겐화합물 또는 아연질소산화물(ZnON)을 채널물질로 이용하여 빛에 반응하여 동작되는 광 반도체 소자를 제작할 수 있으며, 광 반도체 소자 예를 들면 포토트랜지스터 소자 또는 포토다이오드 소자 등이 있다.
이때, 다층 전이금속 칼코겐화합물 또는 아연질소산화물은 에너지 밴드갭이 1.5eV 이하의 스몰 밴드갭을 갖는 물질로서 상술한 수학식 1에 의하면 적외선 영역대부터 자외선 영역까지의 빛을 흡수할 수 있다.
<
센서 장치의
구성>
(
제1실시예
)
상술한 광 반도체 소자를 박막 트랜지스터(thin film transistors)(110)로 구현하여 도 9에 도시된 바와 같이 기판(120) 위에 부착한다. 이때 박막 트랜지스터의 채널물질은 상술한 다층 전이금속 칼코겐 화합물 또는 아연질소산화물이 사용되어 (근)적외선 영역부터 자외선 영역까지의 빛을 흡수하게 된다.
본 발명의 제1실시예에서 구체화되는 터치센서는 사용자 손가락(10)이 터치패널 상에서 터치되는 것을 감지하거나 또는 스트로크(일예로서 터치패널 상에서 왼쪽에서 오른쪽으로 사용자의 손가락 슬라이딩)를 감지한다.
한편, 본 발명의 일실시예에 따른 터치센서는 적외선(근 적외선) 영역의 빛을 터치센서의 하부면에서 상부면으로 조사하게 된다. 따라서 적외선 파장이 하부면에서 상부면으로 통과시에는 박막 트랜지스터가 동작하지 않도록 채널층을 블락킹하고, 도 9에 도시된 바와 같이 사용자의 손에 의해 반사된 적외선 파장에 대해서만 반응하도록 한다. 반사된 적외선 파장은 박막 트랜지스터(110b)를 동작시키게 되고, 도 8에 도시된 바와 같이 off시에 비해 드레인 전류(Id)가 증가하게 된다.
도 10에 도시된 바와 같이 메트릭스 형태로 배치된 박막 트랜지스터(110) 중 박막 트랜지스터(110b)의 동작에 의해 증가한 드레인 전류를 마이크로프로세서가 감지함으로써 사용자의 손이 터치된 위치를 감지할 수 있다. 이때 증가한 드레인 전류는 OP-AMP 등의 회로를 이용하여 전류를 전압으로 바꾼 후 마이크로 프로세서가 전압을 감지함으로써 특정 위치의 박막 트랜지스터의 동작을 인식할 수 있다.
기판(120)은 두가지 종류의 기판을 사용할 수 있는데 플렉시블 기판 또는 리지드(rigid) 타입의 투명 유리기판을 사용할 수 있다. 플렉시블 기판은 고분자 기판으로서 PI 또는 PEI 등을 사용할 수 있다.
플렉시블 기판을 사용하는 경우에는 종래의 커패시티브(capacitive) 방식에 의한 기판 제작시 간섭 문제를 해결할 수 있다. 커패시티브 방식은 집적이 1mm x 1mm로서 기판의 휨시 간섭이 일어난다. 그러나 본 발명에 의한 박막 트랜지스터의 경우에는 ㎛ x ㎛의 집적이 가능하여 기판의 휨시에도 간섭이 일어나지 않는다.
(
제2실시예
)
제2실시예는 제1실시예에 비해 적외선 파장을 기판 상부면에서 하부면으로 조사한다. 즉 기판의 하부면에서 상부면으로 조사하는 경우에는 필요에 따라 스마트 폰 등의 내부에 적외선 광이 항상 조사되어야 하며 이는 디바이스의 발열을 초래할 수 있다.
따라서, 제2실시예에서는 제1실시예와 같이 스마트 폰 등의 장치내에 광원을 구비하는 것이 아니라 도 11에 도시된 바와 같이 장치 외부에서 적외선 펜(210) 등을 이용하여 적외선을 조사함으로써 원하는 위치에 사람의 손이 터치된 것과 동일한 작용을 하도록 할 수 있다. 즉, 적외선 펜(210)으로 터치화면의 특정 부분을 조사하는 경우 특정 부분에 위치하고 있는 박막 트랜지스터가 동작되어 마이크로 프로세서에 의해 동작된 박막 트랜지스터의 좌표를 인식할 수 있다.
상술한 제1 및 제2실시예는 광원으로서 적외선을 사용하여 터치센서를 구현할 수 있음을 하나의 실시예로서 나타내었다.
(
제3실시예
)
제3실시예는 플렉시블 기판위에 박막 트랜지스터를 부착하고, 가시광선 영역의 파장을 감지함으로써 R,G,B 센서로 활용할 수 있다.
이상, 본 발명의 일실시예를 참조하여 설명했지만, 본 발명이 이것에 한정되지는 않으며, 다양한 변형 및 응용이 가능하다. 즉, 본 발명의 요지를 일탈하지 않는 범위에서 많은 변형이 가능한 것을 당업자는 용이하게 이해할 수 있을 것이다.
(
제4실시예
)
제4실시예는 제1실시예에서와 같이 터치에 의해 터치 위치를 인식하는 것이 아니라 비터치에 의해 사용자의 손가락 또는 물체의 이미지를 인식하는 이미지 센서에 관한 것이다.
도 12에 도시된 바와 같이 적외선 파장의 광원이 기판의 하부면에서 상부면으로 조사되면 기판에 터치되지 않고 일정 높이의 위치에 존재하는 인식하고자 하는 사용자의 손가락에 의해 적외선 광원이 반사된다.
반사된 적외선 광원은 사용자 손가락의 형상에 상응하는 다수의 박막 트랜지스터(110b,110c,110d)를 동작시키고, 턴 온 또는 필요에 따라 턴 오프된 박막 트랜지스터는 도 10에 도시된 바와 같이 컨트롤러에 의해 인식되어 사용자의 손가락에 대응하는 이미지를 인식할 수 있다. 상술한 대상체는 사용자의 손가락 뿐만 아니라 적외선 영역의 파장에 의해 반사될 수 있는 물체이면 어떤 것이든 사용 가능하다.
1 : 단층 MoS2 트랜지스터
10 : 사용자 손가락
110, 110a...110g : 박막 트랜지스터
120 : 기판
210 : 적외선 펜
10 : 사용자 손가락
110, 110a...110g : 박막 트랜지스터
120 : 기판
210 : 적외선 펜
Claims (13)
- 넓은 파장대의 빛을 흡수하도록 스몰 밴드갭을 갖는 아연질소산화물(ZnON) 또는 전이금속 칼코겐 화합물(Transition Metal Dichalcogenides)로 반도체 채널이 형성되어 입사된 빛의 파장에 따라 동작하되,
상기 스몰 밴드갭은 근 적외선 영역부터 자외선 영역까지의 파장이 흡수되도록 하는 에너지 갭이고,
상기 반도체 채널은 플레이트 형상을 가지며, 3nm ~ 1㎛의 두께로 수직적으로 적층된 단면 구조를 갖는 것을 특징으로 하는 광 반도체 소자.
- 삭제
- 제 1 항에 있어서,
상기 전이금속 칼코겐 화합물은 다층으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 광 반도체 소자.
- 사용자 손가락이 터치 패널 상에서 터치되는 것을 감지하거나, 또는 스크로크를 감지하는 터치 패널에 있어서,
터치 패널; 및
상기 터치 패널의 내부에 형성되는 제1항에 기재된 복수의 광 반도체 소자를 포함함으로써, 적외선 파장이 상기 터치 패널의 하부면에서 상부면으로 통과시에는 상기 복수의 광 반도체 소자를 블락킹하고, 사용자의 손가락에 의해 반사된 광원의 파장에 반응하여 터치 위치를 감지하는 것을 특징으로 하는 터치센서.
- 제 4 항에 있어서,
상기 터치 패널은 플렉시블(flexible) 기판 또는 리지드(rigid) 기판을 포함하는 것을 특징으로 하는 터치센서.
- 적외선 펜을 이용하여 적외선을 조사하는 터치 패널에 있어서,
터치 패널; 및
상기 터치 패널의 내부에 형성되는 제1항에 기재된 복수의 광 반도체 소자를 포함함으로써, 적외선 펜을 이용하여 적외선을 조사함으로써, 상기 적외선 펜으로 터치 패널의 특정 부분을 조사하는 경우 특정 부위에 위치하고 있는 상기 복수의 광 반도체 소자가 동작되어 마이크로 프로세서에 의해 동작된 상기 복수의 광 반도체 소자의 좌표를 인식하는 것을 특징으로 하는 터치센서.
- 제4항 또는 제6항에 있어서,
상기 광 반도체 소자는 박막 트랜지스터 또는 다이오드인 것을 특징으로 하는 터치센서.
- 플렉서블 기판; 및
상기 플렉서블 기판 위에 부착되는 제1항에 기재된 복수의 광 반도체 소자를 포함함으로써 가시광선 영역의 파장을 감지하는 것을 특징으로 하는 RGB 센서.
- 삭제
- 제 8 항에 있어서,
상기 광 반도체 소자는 박막 트랜지스터 또는 다이오드인 것을 특징으로 하는 RGB 센서.
- 비터치에 의해 사용자의 손가락 또는 물체의 이미지를 인식하는 이미지 센서에 있어서,
기판; 및
상기 기판 상에 형성되는 제1항에 기재된 복수의 광 반도체 소자를 포함하여 대상체에서 반사된 적외선 영역의 반사 파장을 감지함으로써 상기 대상체의 이미지를 비터치에 의해 인식하는 것을 특징으로 하는 이미지 센서.
- 제 11 항에 있어서,
상기 기판은 플렉시블(flexible) 기판인 것을 특징으로 하는 이미지 센서.
- 제 11 항에 있어서,
상기 광 반도체 소자는 박막 트랜지스터 또는 다이오드인 것을 특징으로 하는 이미지 센서.
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-
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