KR101449258B1 - 산화물 기반의 고 유연성 투명전극 - Google Patents
산화물 기반의 고 유연성 투명전극 Download PDFInfo
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Abstract
본 발명에 따른 산화물 기반의 고 유연성 투명전극은 차세대 디스플레이인 고 유연 디스플레이 소자에 적용할 수 있는 고유연의 특성을 갖으며 동시에 전기적, 광학적 특성이 뛰어난 투명 전극에 관한 것으로 유리 또는 폴리머 소재의 유연한 기판을 준비하는 제 1단계와 상기의 기판을 챔버내에 구비된 로테이터에 회전가능토록 고정한 후 고진공 펌프와 저진공 펌프 및 진공 벨브에 의하여 진공을 발생시키고, 3족 원소(Ga, Al)가 도핑된 ZnO 타겟(target)을 장착한 제 1스퍼터건과 ITO 타겟을 장착한 제 2스퍼터건에 각각 RF파워를 가함으로써 플라즈마 밀도를 조절하여 ZITO:Ga 또는 ZITO:Al 박막의 전체적인 두께와 물질에서 In(인듐)이 차지하는 함량을 조절하여 ZITO:Ga 또는 ZITO:Al의 박막을 형성(증착)하는 제 2단계 및 상기의 제 2단계를 완료한 기판을 200℃~300℃에서 50초~70초 동안 열처리하는 제 3단계로 제작되어 고 유연성을 가지는 것은 물론이고 우수한 전기적 특성과 높은 광투과율을 가지며 ITO의 주된 물질이자 희토류 금속인 인듐의 사용량을 감소시킬 수 있도록 3족 원소가 도핑된 ZnO-ITO의 다성분계 금속산화물계 투명 전극으로 다성분 금속 산화물계 투명전극의 제조 시 공정 조건 등을 최적화시킴으로써 산화물 기반의 고 유연성 투명전극을 제공하는 효과가 있다.
Description
본 발명은 차세대 디스플레이인 고 유연 디스플레이 소자에 적용할 수 있는 고유연의 특성을 갖으며 동시에 전기적, 광학적 특성이 뛰어난 투명 전극에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 다성분 금속 산화물계 투명전극의 제조 시 공정 조건 등을 최적화시킴으로써, 고 유연성을 가지는 것은 물론이고 우수한 전기적 특성과 높은 광투과율을 가지는 산화물 기반의 고 유연성 투명전극에 관한 것이다.
투명 전극은 빛을 통과시키면서 높은 전도성을 가지는 고유한 특성으로 인해, LED나 태양전지뿐만 아니라 디스플레이 및 터치 패널 분야에서 필수적이고 중요한 요소이다. 일반적으로, 투명 전극으로서는 산화인듐, 산화주석 또는 산화아연 등의 산화물을 기판상에 박막을 형성하도록 만든 것이다. 그 중에서 디스플레이 분야 등에 가장 많이 사용되는 것은 산화인듐에 산화주석을 첨가한 ITO(Indium-Tin Oxide)가 주류이다. 이는 ITO가 높은 전도성과 높은 가시광 영역에서의 투과율인 것 외에 화학적 안정성, 기판에의 부착성 등이 양호하기 때문이다. ITO의 주원료는 희토류 금속인 인듐(In)으로써 세계적으로 매장량이 적어 현재와 같은 추세로 광전자 소자나 디스플레이 소재로써의 사용량이 증가될 경우 In의 급격한 고갈이 예상되고 있으며, 이에 따른 수급의 불안정성 요인이 내재하고 있어 ITO를 대체할 수 있는 재료에 관한 연구가 활발히 진행되어 왔다. ITO는 투명전도성 박막으로 우수한 투과율을 갖으며 전기전도도 역시 매우 높다 그러나 이러한 특징을 유지하기 위해서는 300℃ 정도의 고온에서 증착해야하는 한다. 이는 In이온과 Sn이온이 치환되어야만 우수한 전기적 특성을 갖는 물질 특징 때문에 피할 수 없는 증착 조건이다. 만약 저온에서 성장된다면 이온의 치환이 원활하게 이루어지지 않아 고전도도의 ITO 투명 전극의 특성은 확보하기 어렵다. 또한, ITO는 결정성을 바탕으로 높은 전자 이동도를 가지는 소재이다. 따라서 고온 성장을 통해서 우수한 결정성을 확보하는 것은 ITO의 전기전도도를 높이는 매우 중요한 조건이다. 그러나, 유연 소자는 유연기판을 이용하기 때문에 저온 성장이 필수적이다. 따라서, ITO를 저온에서 성장한다면 결정성이 떨어지고 이온 치환이 어려워 고전도도의 ITO 투명전도성 박막의 제작은 매우 어렵다. 특히 결정성을 가지는 특징 때문에 유연 특성을 갖는 기기에서 소자 구동 시 크랙(crack)이 발생하는 근본적인 문제점이 있다.
상술한 바와 같은 문제점을 해결하기 위하여, 본 발명에서는 고 유연성을 가지는 것은 물론이고 우수한 전기적 특성과 높은 광투과율을 가지며 ITO의 주된 물질이자 희토류 금속인 인듐의 사용량을 감소시킬 수 있도록 3족 원소가 도핑된 ZnO-ITO의 다성분계 금속산화물계 투명 전극으로 다성분 금속 산화물계 투명전극의 제조 시 공정 조건 등을 최적화시킴으로써,산화물 기반의 고 유연성 투명전극을 제공하는데 목적이 있다.
목적을 달성하기 위한 과정은 다음과 같다. 유리 또는 폴리머 소재의 유연한 기판을 준비하는 제 1단계와 상기의 기판을 챔버내에 구비된 로테이터에 회전가능토록 고정한 후 고진공 펌프와 저진공 펌프 및 진공 벨브에 의하여 진공을 발생시키고, 3족 원소(Ga, Al)가 도핑된 ZnO 타겟(target)을 장착한 제 1스퍼터건과 ITO 타겟을 장착한 제 2스퍼터건에 각각 RF파워를 가함으로써 플라즈마 밀도를 조절하여 ZITO:Ga 또는 ZITO:Al 박막의 전체적인 두께와 물질에서 In(인듐)이 차지하는 함량을 조절하여 ZITO:Ga 또는 ZITO:Al의 박막을 형성(증착)하는 제 2단계 및 상기의 제 2단계를 완료한 기판을 200℃~300℃에서 50초~70초 동안 열처리하는 제 3단계로 제작되는 것을 특징으로 하는 산화물 기반의 고 유연성 투명전극이다.
본 발명의 다른 특징으로는 상기의 제 1단계에서 폴리머 소재의 유연한 기판은 폴리이미드(PI), 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET), 폴리카보네이트(PC), 폴리에틸렌나프탈레이트(PEN) 및 폴리에테프술폰(PES) 중 하나 이상을 포함하는 수지로부터 제조된 필름이며 상기의 ZnO 타겟(target)은 Ga2O3(산화갈륨) 5 중량%, ZnO(산화아연) 95중량% 또는 Al2O3(산화알루미늄) 2 중량%, ZnO(산화아연) 98중량%로 이루어진다.
본 발명의 또 다른 특징으로는 상기의 제 2단계에서 기판의 온도는 상온, 초기 진공도는 2*10-6Torr 이하로 유지하고 로테이터는 3~5RPM로 회전하며 작업 압력은 3mTorr로 스퍼터건에 RF파워를 50~100W로 입력하고, 10~20분의 증착 시간을 갖는다.
상기한 바와 같이, 본 발명은 고 유연성을 가지는 것은 물론이고 우수한 전기적 특성과 높은 광투과율을 가지며 ITO의 주된 물질이자 희토류 금속인 인듐의 사용량을 감소시킬 수 있도록 3족 원소가 도핑된 ZnO-ITO의 다성분계 금속산화물계 투명 전극으로 다성분 금속 산화물계 투명전극의 제조 시 공정 조건 등을 최적화시킴으로써 산화물 기반의 고 유연성 투명전극을 제공하는 효과가 있다.
도 1은 본 발명에 따른 산화물 기반의 고 유연성 투명전극을 제작하기 위한 Sputtering System(진공 증착기)의 구성도.
도 2는 본 발명에 따른 산화물 기반의 고 유연성 투명전극인 ZITO:Ga와 ZITO:Al의 열처리 온도에 따른 특성 그래프.
도 2는 본 발명에 따른 산화물 기반의 고 유연성 투명전극인 ZITO:Ga와 ZITO:Al의 열처리 온도에 따른 특성 그래프.
도 1은 본 발명에 따른 Sputtering System(진공 증착기)의 구성도이다. 이를 참조하여 본 발명의 구성요소를 설명하면 다음과 같다. 고 유연성 투명전극에 있어서, 유리 또는 폴리머 소재의 유연한 기판(10)을 준비하는 제 1단계(S10);와 상기의 기판(10)을 챔버(20)내에 구비된 로테이터(21)에 회전가능토록 고정한 후 고진공 펌프(22)와 저진공 펌프(23) 및 진공 벨브(24)에 의하여 진공을 발생시키고, 3족 원소(Ga, Al)가 도핑된 ZnO 타겟(target)(25)을 장착한 제 1스퍼터건(26)과 ITO 타겟(27)을 장착한 제 2스퍼터건(28)에 각각 RF파워를 가함으로써 플라즈마 밀도를 조절하여 ZITO:Ga 또는 ZITO:Al 박막의 전체적인 두께와 물질에서 In(인듐)이 차지하는 함량을 조절하여 ZITO:Ga 또는 ZITO:Al의 박막을 형성(증착)하는 제 2단계(S20); 및 상기의 제 2단계(S20)를 완료한 기판(10)을 200℃~300℃에서 50초~70초 동안 열처리하는 제 3단계(S30); 로 제작되는 것을 특징으로 하는 산화물 기반의 고 유연성 투명전극이다. 여기서 ZITO:Ga와 ZITO:Al은 각각 Ga(갈륨)과 Al(알루미늄)을 기반으로 한 Zinc Indium-Tin Oxide로서, 당 업계에서 상용된다. 또한, 제 2단계(S20)의 진공 증착 시스템은 상용화된 것으로 세부적인 작동 방법은 생략한다. 그리고, 상기의 제 1단계(S10)에서 폴리머 소재의 유연한 기판(10)은 폴리이미드(PI), 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET), 폴리카보네이트(PC), 폴리에틸렌나프탈레이트(PEN) 및 폴리에테프술폰(PES) 중 하나 이상을 포함하는 수지로부터 제조된 필름이며, 상기의 ZnO 타겟(target)(25)은 Ga2O3(산화갈륨) 5 중량%, ZnO(산화아연) 95중량% 또는 Al2O3(산화알루미늄) 2 중량%, ZnO(산화아연) 98중량%로 이루어지는 것을 특징으로 한다. 또한, 상기의 제 2단계(S20)에서 기판(10)의 온도는 상온, 초기 진공도는 2*10-6Torr 이하로 유지하고 로테이터(21)는 3~5RPM로 회전하며 작업 압력은 3mTorr로 스퍼터건(26)에 RF파워를 50~100W로 입력하고, 10~20분의 증착 시간을 갖는 것을 특징으로 한다.
하기의 표 1은 ZITO:Ga와 ZITO:Al의 제 2단계(S20)에서 박막을 형성(증착)하기 위한 조건이다.
| Parameter | ZITO:Ga condition | ZITO:Al condition |
| 초기 진공도 (Base pressure) |
2*10-6Torr | 2*10-6Torr |
| 작업 압력 (Working pressure) |
3mTorr |
3mTorr |
| 타겟 (Target) |
ITO (In2O3(90wt%):SnO2(10wt%)) ZnO:Ga (Ga2O3(5wt%):ZnO(95%)) |
ITO (In2O3(90wt%):SnO2(10wt%)) ZnO:Al (Al2O3(2wt%):ZnO(98wt%)) |
| 공정 시간 (Deposition time) |
15min |
15min |
상기의 제 1단계(S10)에서 제 3단계(S30)의 제작과정을 마친 산화물 기반의 고 유연성 투명전극의 비저항과 이동도, 캐리어농도, 면저항의 특성은 하기의 표 2와 같다.
| 물질/항목 | 비저항 (Ω㎝) | 이동도 (cm2/VS) | 캐리어농도 (/cm3) | 면저항 (Ω/sq) |
| ZITO:Ga | 6.79*10-4 | 30.02 | 3.06*1020 | 37.72 |
| ZITO:Al | 8.27*10-4 | 27.46 | 2.75*1020 | 45.94 |
또한, 상기의 제 1단계(S10)에서 제 3단계(S30)의 제작과정을 마친 산화물 기반의 고 유연성 투명전극의 파장에 따른 투과도를 기존의 ITO투명전극과 비교하면 하기의 표 3과 같다.
| 파장(nm) | 물질 | 400 | 450 | 500 | 550 | 600 | 650 | 700 | 750 | 800 |
| 투과도 (%) |
ITO | 61.9 | 74 | 72 | 80.2 | 86 | 81.4 | 77.8 | 77.8 | 79.7 |
| ZITO:Ga | 52 | 81 | 81.5 | 96.2 | 98.2 | 90.2 | 83.8 | 82.1 | 83.6 | |
| ZITO:Al | 65.8 | 78.2 | 96.1 | 98.3 | 89.3 | 83.9 | 83.5 | 86.4 | 90.6 |
도 2는 본 발명에 따른 산화물 기반의 고 유연성 투명전극인 ZITO:Ga와 ZITO:Al의 열처리 온도에 따른 특성 그래프로서 이를 참조하면 상기의 제 3단계(S30)에서 Rapid Thermal Annealing(RTA) 열처리 적용 후 XRD(X-ray diffraction)를 이용하여 구조변화를 보면 100℃~300℃까지는 비정질 구조를 갖으나 400℃의 경우 결정질 구조를 갖는다.
본 발명에 따른 산화물 기반의 고 유연성 투명전극은 전자소자의 투명전극이나 터치 패널 등으로 유용하게 사용될 수 있다. 예를 들어, 차세대 디스플레이인 유연 디스플레이(flexible display), 액정 디스플레이(LCD : Liquid Crystal Display), 플라즈마 디스플레이(PDP : Plasma Display Panel), 전계 방사형 디스플레이(FED : Field Emission Display), 발광 디스플레이(LED Display : Light Emitting Device Display) 등과 같은 평판 디스플레이(FPD : Flat Panel Display) 분야에서 사용될 수 있다. 또한, 디스플레이뿐만 아니라, 모바일 시스템, 유연 유기발광소자, 전자 종이 및 태양전지 등에 사용될 수 있으며, 그 적용 분야는 제한되지 않는다.
본 발명은 특정의 실시 예 및 적용 예와 관련하여 도시 및 설명하였지만, 첨부된 특허청구범위에 의해 나타난 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 한도 내에서 다양한 개조 및 변화가 가능 하다는 것을 당 업계 에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구나 쉽게 알 수 있을 것이다.
10. 기판 20. 챔버
21. 로테이터 22. 고진공 펌프
23. 저진공 펌프 24. 진공 벨브
25. ZnO 타겟 26. 제 1스퍼터건
27. ITO 타겟 27. 제 2스퍼터건
21. 로테이터 22. 고진공 펌프
23. 저진공 펌프 24. 진공 벨브
25. ZnO 타겟 26. 제 1스퍼터건
27. ITO 타겟 27. 제 2스퍼터건
Claims (4)
- 고 유연성 투명전극에 있어서,
폴리이미드(PI), 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET), 폴리카보네이트(PC), 폴리에틸렌나프탈레이트(PEN) 및 폴리에테프술폰(PES) 중 하나 이상을 포함하는 수지로부터 제조된 유연한 기판(10)을 준비하는 제 1단계(S10);와
상기의 기판(10)을 챔버(20)내에 구비된 로테이터(21)에 회전가능토록 고정한 후 고진공 펌프(22)와 저진공 펌프(23) 및 진공 벨브(24)에 의하여 진공을 발생시키고, Ga2O3(산화갈륨) 5 중량%, ZnO(산화아연) 95중량%으로 구성되는 ZnO 타겟(target)(25)을 장착한 제 1스퍼터건(26)과 ITO 타겟(27)을 장착한 제 2스퍼터건(28)에 각각 RF파워를 가함으로써 플라즈마 밀도를 조절하여 ZITO:Ga 박막의 전체적인 두께와 물질에서 In(인듐)이 차지하는 함량을 조절하여 ZITO:Ga 박막을 형성(증착)하는 제 2단계(S20); 및
상기의 제 2단계(S20)를 완료한 기판(10)을 200℃~300℃에서 50초~70초 동안 열처리하는 제 3단계(S30); 로 제작되는 것을 특징으로 하는 산화물 기반의 고 유연성 투명전극. - 삭제
- 삭제
- 제 1항에 있어서,
제 2단계(S20)에서 기판(10)의 온도는 상온, 초기 진공도는 2*10-6Torr 이하로 유지하고 로테이터(21)는 3~5RPM로 회전하며 작업 압력은 3mTorr로 스퍼터건(26)에 RF파워를 50~100W로 입력하고, 10~20분의 증착 시간을 갖는 것을 특징으로 하는 산화물 기반의 고 유연성 투명전극.
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|---|---|---|---|
| KR1020130032237A KR101449258B1 (ko) | 2013-03-26 | 2013-03-26 | 산화물 기반의 고 유연성 투명전극 |
Applications Claiming Priority (1)
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| KR1020130032237A KR101449258B1 (ko) | 2013-03-26 | 2013-03-26 | 산화물 기반의 고 유연성 투명전극 |
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| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| KR20140117155A KR20140117155A (ko) | 2014-10-07 |
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ID=51990600
Family Applications (1)
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-
2013
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Patent Citations (2)
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Non-Patent Citations (1)
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|---|
| 김동호 외. ITO와 AZO 동시 증착법으로 제조된 투명전도막의 특성 연구. 한국표면공학학지. 2009. 3, vol. 42, pp 128-132 * |
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