KR101508517B1 - 인듐 저감용 아이제트티오 박막이 적용된 피아이 기판 투명전극과 이를 이용한 디바이스 제조방법 - Google Patents
인듐 저감용 아이제트티오 박막이 적용된 피아이 기판 투명전극과 이를 이용한 디바이스 제조방법 Download PDFInfo
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Abstract
본 발명은 인듐 저감용 IZTO 박막이 적용된 PI기판 투명전극과 이를 이용한 디바이스 제조방법을 개시한 것으로, 이러한 본 발명은 ITO(Indium Tin Oxide)에 ZnO(Zinc Oxide)를 첨가하여 인듐의 비율을 30% 저감한 IZTO 단일 타켓을 이용하여 펄스 디씨 마그네트론 스퍼터링 방법으로 300℃ 이상의 온도에서 IZTO 박막을 만든 후 이를 PI기판에 증착한 것이며, 이에따라 박막 증착시 결정화를 억제하여 박막의 결정화에 의한 단점을 보완하면서 낮은 공정온도에서 전기적 특성과 비저항성 및 광투과율이 좋은 IZTO 박막의 투명전극을 제조하고, 이러한 IZTO 박막의 투명전극을 양극으로 하여 OLED(Organic Light Emitting Diode) 디바이스는 물론, 고분자 발광다이오드라 불리는 PLED(polymer light emitting diode) 디바이스 및 플렉서블한 디바이스를 제작하면서, 디스플레이 산업에서 ITO를 대체할 수 있도록 하는 것이다.
Description
본 발명은 인듐저감용 IZTO 박막의 투명전극에 관한 것으로, 보다 상세하게는 ITO(Indium Tin Oxide)에 ZnO(Zinc Oxide)를 첨가하여 인듐의 비율을 30% 저감시킨 IZTO(Indium Zinc Tin Oxide) 단일 타켓을 이용하여 펄스 디씨 마그네트론 스퍼터링(pulsed DC magnetron sputtering) 방법으로 일정온도 이상(예; 300℃)에서 IZTO 박막을 만든 후 이를 PI(Poly Imide)기판에 증착하여 박막 증착시 결정화를 억제하여 박막의 결정화에 의한 단점을 보완하면서 낮은 공정온도에서 전기적 특성과 비저항성 및 광투과율이 좋은 IZTO 박막의 투명전극을 제조하고, 이러한 IZTO 박막의 투명전극을 양극으로 하여 OLED(Organic Light Emitting Diode) 디바이스는 물론, 고분자 발광다이오드라 불리우는 PLED(polymer light emitting diode) 디바이스를 제작할 수 있도록 하는 인듐 저감용 IZTO 박막이 적용된 PI기판 투명전극과 이를 이용한 디바이스 제조방법에 관한 것이다.
일반적인 박막 증착 방법은 물리적 증착(PVD : physical vapor deposition)과, 화학적 증착이 있으며, 상기 물리적 증착은 스퍼터링(sputtering), 전자빔증착(E-beam evaporation), 열 증착(thermal evaporation), pulsed laser deposition(PLD) 등이 있다.
상기 스퍼터링법은 불활성 기체를 진공 챔버에 주입한 후 전기장을 주어 플라즈마 방전을 일으켜 증착하는 방식으로, 이는 기체를 이온화시켜 기체 이온으로 시료 표적의 표면과 충돌로 인해 시료 표적에 원자가 튀어 나와 기판에 증착시킬 수 있도록 한 것이다.
상기 스퍼터링법은 일반 열(Evaporation)에 비해 강한 부착력을 가지며, 절연체, 고응점 물질, 합금 또는 화합물까지도 성분 구성비 변화없이 비교적 쉽게 박막을 얻을 수 있는 특징이 있으며, 목적에 따라 DC 또는 RF 선택이 용이하고, 또한 여러 개의 타켓을 동시에 스퍼터링할 수 있는 것이다.
펄스 디씨 마그네트론 스퍼터링(Pulsed DC magnetron sputtering)은 산업적으로 중요한 박막 코팅의 다양한 범위의 증착과 응용을 위해 마그네트론 스퍼터링은 지난 10년간 급속히 발전해 왔으며, 이 발전의 원동력은 고품질의 기능성 박막에 대한 수요가 증가되어 왔기 때문이다.
Pulsed DC magnetron sputtering 방법은 알루미늄 산화물 같이 고절연 박막을 생산하기 위해 생겨난 증착 방법으로, 산화물 증착은 금속 타켓을 이용하여 반응 마그네트론 스퍼터링(Reactive magnetron sputtering) 방법으로 산소 분위기 내에서 할 수 있었다. 또한 RF(radio frequency ; usually 13.56 MHz) 스퍼터링 방법을 이용하여 증착이 가능하지만 이 두 가지 방법은 모두 문제점을 가진다.
상기 Reactive magnetron sputtering 방법은 고품질의 박막을 얻기가 힘이 들고, RF sputtering 방법은 고품질의 박막을 얻을 수 있는 반면에 낮은 증착률이 문제가 되고 있다.
최근 개발된 pulsed magnetron sputtering 방법은 산화물 박막 증착시 10~20kHz 범위의 주파수의 DC 펄스를 인가하여 증착하는 방법으로, 이는 Reactive sputtering 방법으로 증착시 발생하는 아크와 증착된 박막의 내부의 결함 발생 문제를 해결해 주었다. 또한 pulsed DC magnetron sputtering 방법은 DC sputtering 방법으로 순수한 금속을 증착할때의 증착률에도 버금가는 증착률을 보이고 있다.
상기 열 증기 증착법(thermal evaporation)의 경우, 열은 진공 중에서 금속, 금속 화합물 또는 유기물 등을 가열 증발시켜서 기판의 표면에 응축하게 하여 박막을 형성시키는 방법으로, 상기 증착되는 물질로는 금속 또는 비금속 모두 가능하며, 비교적 조작이 간단하고, 증발 입자는 열 에너지만을 가지므로 접합 강도는 비교적 작으며, 직선적으로 거동하기 때문에 기판의 뒷면에는 증착이 되지 않는 단점이 있다.
열 증착 과정은 3단계로 구분될 수 있는데, 첫 번째는 액체나 고체의 응축상에서 기체 상태로 전이하는 과정이다. 두 번째는 감소된 챔버내의 압력하에서 증발원과 기판 사이의 공간을 통한 증기상태로 움직이고 마지막으로 이 증발원이 기판에 도착하여 응축되는 과정을 거쳐 증착된다.
열 증착의 경우 저항열에 의해 소스(source)를 가열하여 증기화시키는 방법을 사용하게 되며, 열 저항 물질로는 W, Ta, Mo, C, BN 등을 사용하고, 이러한 물질은 낮은 전압에서 높은 전류를 천천히 흘려주는 것이다.
그러나, 상기와 같은 열 증착 방식은 온도가 증가함에 따라 열적 팽창이 일어나기 때문에 히터 설계시 주의하여야 하며, 클램핑(clamping)과 컨택 저항(contact resitance)을 일정하게 유기하기 위해 냉각수를 순환시켜야 하는 단점이 있었다.
상기 화학적 증착(CVD: chemical vapor deposition)은 일반적인 CVD가 반응가스의 분해 및 박막성장 반응에 필요한 에너지를 열 에너지 뿐만아니라 플라즈마 에너지를 사용함으로써 박막 성장 온도를 낮추어 증착시킬 수 있는 것이다.
플라즈마 방전에는 DC와 RF가 있는데 일반적으로 RF가 많이 사용된다. 또한 자장을 사용하여 플라즈마의 밀도를 증가시켜 박막 증착시 효율을 증가시킬 수 있으며, 이 방법은 무기 박막 뿐만아니라 유기 박막의 제작에 널리 사용되고, 유기 재료의 경우 플라즈마 중합법 이라고도 한다.
플라즈마 CVD법은 많은 유기 단량체 가스로부터 중합막을 제작하기가 가능하며, 다른 방법으로 제작하기 곤란한 물질이나 혼합막의 제작도 가능하다. 이 방법으로 제작된 고분자 박막은 고도로 가공된 그물 모양의 구조를 갖고 있어 내열성이 탁월하다고 보고되고 있다.
그러나 유기 가스의 경우에 고온에서 분해 반응이 중합 반응보다 우세할 위험이 있어 제어 변수가 많아 중합 박막의 성질을 제어하기가 용이하지 않은 단점이 있다.
한편, 대표적인 투명전도성 산화물 박막의 종류로는 인듐 산화물(In2O3), 주석 산화물(SnO2), 아연 산화물(ZnO)이 있다.
상기 인듐 산화물(In2O3)은 육방정계 박스비아이트(bixbyite) 구조를 갖는 다결정체로써 n형 투명 전도체이다. 이 인듐 산화물은 높은 전자 이동도로 인해 투명 전도성 산화물 중 가장 뛰어난 전도성을 가지고 있고, 식각이 용이하여 현재 산업적으로 가장 많이 이용되고 있다. 특히, 주석(Sn)으로 도핑한 ITO(indium tin oxide)의 경우 다른 투명 전도성 산화물에서 얻지 못하는 10-5 Ωcm대의 비저항 값을 가지는 것이다.
그러나, 현재 인듐(In)의 함량이 90~95% 정도로 이루어지는 ITO(indium tin oxide) 박막은 높은 투과율(80~85%)과, 우수한 전기 전도성(~10Ω/sq.)으로 투명전극 분야에서 가장 많이 연구되어 온 물질이지만, 인듐의 한정된 자원으로 인한 고갈문제와 이에 따른 가격상승으로 공급이 원활하지 못하고 있으며, 이는 투명전극 분야의 성장에 어려움을 초래할 것이라는 전망이 대두되고 있다.
또한 ITO는 낮은 일함수 값과 화학적 불안정성의 단점을 가지고 있으며, 전자 소자에 응용 가능한 좋은 특성의 ITO 박막을 얻기 위해서는 고온공정(≥300℃)이 반드시 필요하다.
그러나, 상기와 같이 고온에서 성장된 ITO 박막은 다결정 구조를 가지며 식각 특성이 열악하고, 물리적 변형에 취약하며, 표면이 거칠어 소자의 수명에 치명적인 영향을 주는 단점이 있었다.
따라서, 본 발명은 상기와 같은 종래의 문제점을 개선하기 위한 것으로, ITO(Indium Tin Oxide)에 ZnO(Zinc Oxide)를 첨가하여 인듐의 비율을 30% 저감한 IZTO 단일 타켓을 이용하여 펄스 디씨 마그네트론 스퍼터링 방법으로 일정온도 이상(예; 300℃)에서 IZTO 박막을 만든 후 이를 PI기판에 증착함으로써, 박막 증착시 결정화를 억제하여 박막의 결정화에 의한 단점을 보완하면서 낮은 공정온도에서 전기적 특성과 비저항성 및 광투과율이 좋은 IZTO 박막의 투명전극을 제조하고, 이러한 IZTO 박막의 투명전극을 양극으로 하여 OLED 디바이스는 물론, 고분자 발광다이오드라 불리는 PLED 디바이스 및 플렉서블 디바이스를 제작할 수 있도록 하는 인듐 저감용 IZTO 박막이 적용된 PI기판 투명전극과 이를 이용한 디바이스 제조방법을 제공함에 그 목적이 있는 것이다.
상기 목적 달성을 위한 본 발명 인듐 저감용 IZTO 박막이 적용된 PI기판 투명전극 제조방법은, PI기판을 세척하는 제 1 단계; 인듐이 30% 저감된 IZTO 단일타켓을 제작하는 제 2 단계; 및, 상기 제 1 단계로부터 세척되는 PI기판에 상기 제 2 단계로부터 제작되는 IZTO 단일타켓을 펄스 디씨 마그네트론 스퍼터링(pulsed DC magnetron sputtering) 방법으로 일정온도에서 증착시키는 제 3 단계; 를 포함하여 진행하는 것이다.
또한, 상기 제 3 단계에서의 증착 조건은 플라즈마 파워 100W, 펄스 주파수(pulsed frequency) 30kHz, 증착압력 6mTorr, 산소분압 2%(O2/Ar+O2), 두께 200nm이고, 증착온도는 상온부터 250℃ 까지 50℃ 간격으로 온도변화의 변수로 박막을 증착하되, 상기 증착온도는 다결정 구조를 가지는 IZTO 박막의 증착이 이루어지도록 100℃ 이상으로 설정하는 것이다.
다른 일면에 따라, 상기 인듐 저감용 IZTO 박막이 적용된 PI기판 투명전극을 이용한 디바이스 제조방법은, PI기판에 증착되는 IZTO 박막을 초음파 세척하고 수분을 제거하는 제 11 단계; 상기 제 11 단계로부터 수분이 제거된 IZTO 박막을 유기물 제거와 친수성 표면을 얻기 위해 UV 크리닝하는 제 12 단계; 상기 제 12 단계로부터 UV 크리닝되는 IZTO 박막을 패터링(patterning)하는 제 13 단계; 상기 제 13 단계로부터 패터링되는 IZTO 박막 위에 홀 수송층(HTL)인 PEDOT:PSS와 발광층(EML)을 순차적으로 코팅하는 제 14 단계; 및, 상기 제 14 단계로부터 코팅되는 발광층(EML)의 위에 진공증착기(Thermal evaporator)를 이용하여 전자 수송층(ETL)인 BaF2 와 전자주입층(EIL)인 Ba, 그리고 양극인 Al층을 순차적으로 증착하는 제 15 단계; 를 포함하여 진행하는 것이다.
또한, 상기 디바이스는 OLED 또는 PLED 또는 플렉서블 디바이스인 것이다.
또한, 상기 제 11 단계에서의 초음파 세척은 세정제(Alconox)와 아이소프로판올(isopropanol) 및 탈이온수 워터(DI water)의 순서로 이루어지고, 수분제거는 120℃에서 10분간 hard ke 과정을 거치도록 구성한 것이다.
또한, 상기 제 14 단계에서 상기 홀 수송층(HTL)인 PEDOT:PSS는 스핀 코팅(spin coating)의 방법으로 40nm로 코팅 처리하고, 상기 발광층(EML)은 수퍼 옐로우(Super yellow(Covion))를 스핀 코팅(spin coating)의 방법으로 80nm로 코팅 처리하는 것이다.
또한, 상기 제 15 단계에서 상기 전자수송층(ETL)인 BaF2 는 0.1 /s로 2nm 증착하고, 상기 전자주입층(EIL)인 Ba는 0.2 /s로 2nm 증착하며, 상기 양극인 Al은 0.5 /s 로 200nm 증착하는 것이다.
이와 같이 본 발명은 ITO(Indium Tin Oxide)에 ZnO(Zinc Oxide)를 첨가하여 인듐의 비율을 30% 저감한 IZTO 단일 타켓을 이용하여 펄스 디씨 마그네트론 스퍼터링 방법으로 일정온도 이상(예; 300℃)에서 IZTO 박막을 만든 후 이를 PI기판에 증착한 것으로, 이를 통해 박막 증착시 결정화를 억제하여 박막의 결정화에 의한 단점을 보완하면서 낮은 공정온도에서 전기적 특성과 비저항성 및 광투과율이 좋은 IZTO 박막의 투명전극을 제조하고, 이러한 IZTO 박막의 투명전극을 양극으로 하여 OLED 디바이스는 물론, 고분자 발광다이오드라 불리는 PLED 디바이스 또는 플렉서블 디바이스를 제작하면서 디스플레이 산업에서 ITO를 대체하는 효과를 기대할 수 있는 것이다.
도 1은 본 발명의 실시예로 상온에서 250℃ 까지 온도를 변화시키며 PI기판에 증착한 IZTO 박막의 X선 회절 패턴의 결과 그래프.
도 2는 본 발명의 실시예로 FESEM을 이용하여 PI기판에 증착된 IZTO 박막의 표면형상 사진.
도 3은 본 발명의 실시예로 PI기판에 증착된 IZTO 박막의 표면 거칠기 값을 나타낸 도표.
도 4는 본 발명의 실시예로 온도별로 PI기판에 증착된 IZTO 박막의 비저항(ρ), 캐리어 밀도(n), 이동도(μ)의 측정결과를 나타낸 그래프.
도 5는 본 발명의 실시예로 파장범위 200-1100nm에서 온도별 PI기판에 증착된 IZTO 박막의 광 투과율을 측정한 값의 그래프.
도 6은 본 발명의 실시예로 온도변수로 PI기판에 증착된 IZTO 박막의 품질을 평가한 그래프.
도 7은 본 발명의 실시예로 PI기판에 증착된 IZTO 박막의 온도에 따른 잔류 스트레스(Residual stress)의 평균값을 나타낸 그래프.
도 8은 본 발명의 실시예로 아우터 밴딩(Outer bending) 시험에서 PI기판에 증착된 IZTO 박막에 크랙이 발생한 critical bending radius 를 나타낸 그래프.
도 9는 본 발명의 실시예로 인너 밴딩(inner bending) 시험에서 PI기판에 증착된 IZTO 박막에 크랙이 발생한 critical bending radius 를 나타낸 그래프.
도 10은 본 발명의 실시예로 트위스트(twisting) 시험에서 PI기판에 증착된 IZTO 박막에 크랙이 발생한 critical angle 값을 나타낸 그래프.
도 11은 본 발명의 실시예로 인듐 저감용 IZTO 박막이 적용된 PI기판 투명전극을 이용한 디바이스 구성도.
도 2는 본 발명의 실시예로 FESEM을 이용하여 PI기판에 증착된 IZTO 박막의 표면형상 사진.
도 3은 본 발명의 실시예로 PI기판에 증착된 IZTO 박막의 표면 거칠기 값을 나타낸 도표.
도 4는 본 발명의 실시예로 온도별로 PI기판에 증착된 IZTO 박막의 비저항(ρ), 캐리어 밀도(n), 이동도(μ)의 측정결과를 나타낸 그래프.
도 5는 본 발명의 실시예로 파장범위 200-1100nm에서 온도별 PI기판에 증착된 IZTO 박막의 광 투과율을 측정한 값의 그래프.
도 6은 본 발명의 실시예로 온도변수로 PI기판에 증착된 IZTO 박막의 품질을 평가한 그래프.
도 7은 본 발명의 실시예로 PI기판에 증착된 IZTO 박막의 온도에 따른 잔류 스트레스(Residual stress)의 평균값을 나타낸 그래프.
도 8은 본 발명의 실시예로 아우터 밴딩(Outer bending) 시험에서 PI기판에 증착된 IZTO 박막에 크랙이 발생한 critical bending radius 를 나타낸 그래프.
도 9는 본 발명의 실시예로 인너 밴딩(inner bending) 시험에서 PI기판에 증착된 IZTO 박막에 크랙이 발생한 critical bending radius 를 나타낸 그래프.
도 10은 본 발명의 실시예로 트위스트(twisting) 시험에서 PI기판에 증착된 IZTO 박막에 크랙이 발생한 critical angle 값을 나타낸 그래프.
도 11은 본 발명의 실시예로 인듐 저감용 IZTO 박막이 적용된 PI기판 투명전극을 이용한 디바이스 구성도.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들을 설명하기로 한다.
본 발명의 실시예에 따른 인듐 저감용 IZTO 박막을 이용한 PI기판 투명전극은 ITO(Indium Tin Oxide)에 ZnO(Zinc Oxide)를 첨가하여 인듐의 비율을 30% 저감한 IZTO 단일 타켓을 이용하여 펄스 디씨 마그네트론 스퍼터링(pulsed DC magnetron sputtering)의 방법으로 일정온도 이상(예; 100℃)에서 IZTO 박막을 만든 후 이를 PI기판에 증착한 것이다.
즉, 제 1 단계는 PI기판의 세척단계로서, 20x20mm 크기의 코너링 1737 이글 글래스(eagle glass) 기판을 준비하고, 상기 PI기판의 탈지와 표면 불순물을 제거하기 위해 계면활성제를 이용하여 1차 세척한다.
다음으로 아세톤(acetone), 아이소프로판올(isopropanol) 및 탈이온수 워터(DI water)의 순서로 6분간 초음파 세척한 후 질소로 통풍건조하여 둔다.
다음으로, 제 2 단계로서, ITO(Indium Tin Oxide)에 ZnO(Zinc Oxide)를 첨가하여 기존 ITO 박막보다 인듐(In)의 비율이 30% 저감된 IZTO 박막의 단일타켓을 제작하여 둔다.
다음으로, 제 3 단계로서, 상기 세척이 이루어지는 PI기판에 IZTO 박막의 단일타겟을 펄스 디씨 마그네트론 스퍼터링(pulsed DC magnetron sputtering)의 방법으로 증착하여, IZTO 박막을 이용한 PI기판 투명전극의 제조를 완료할 수 있게 되는 것이다.
상기와 같이 제조되는 IZTO 박막을 이용한 PI기판 투명전극은
아래의 표1에서와 같이, 예비실험을 통해 플라즈마 파워 100W, 펄스주파수(pulsed frequency) 30kHz, 증착압력 6mTorr, 산소분압 2%(O2/Ar+O2), 두께 200nm의 최적조건을 얻을 수 있었고, 이 조건을 고정하여 상온부터 250℃ 까지 50℃ 간격으로 온도변화의 변수로 박막을 증착하도록 한 것이다.
Parameter | Value |
Target | IZTO (In2O3 60 at%, ZnO 20 at%, SnO2 20 at%) |
Power mode | Asymmetric bipolar pulse DC |
Power : 100W Frequency : 30kHz Positive duty : 15% Negative duty : 35% |
|
Base pressure | 7 × 10-7 Torr |
Working pressure | 6mTorr |
O2 gas flow rate (O2 /Ar+O2) |
2% |
Substrate temperature |
Room temperature, 50℃, 100℃, 150℃, 200℃, 250℃ |
[IZTO 박막의 특성 분석]
(1) XRD(X-ray diffractometer)를 이용한 결정구조 분석
첨부된 도 1은 상온에서 250℃ 까지 온도를 변화시키며 PI기판에 증착한 IZTO 박막의 X선 회절 패턴의 결과 그래프로서, 회절각 15°∼80°범위 내에서 결정화 피크가 나타나지 않는 것으로 보아 비정질 구조임을 확인할 수 있었다. IZTO 박막이 비정질 구조인 이유는 ITO에 ZnO가 첨가됨에 따라 In2O3 결정에 치환되는 SiO2, ZnO 산화물들이 혼합되기 어려운 특성과, In2O3 에 치환 가능한 SiO2 원소의 고용한도인 8%를 초과하고 있기 때문에 비정질화가 촉진된 것으로 확인할 수 있었으며, 이는 기존 IZO 박막의 비정질화 연구결과와 유사한 결과를 나타내는 것이다.
(2) FESEM을 이용한 표면 이미지 분석
첨부된 도 2에서와 같이, 온도변수로 PI기판에 증착한 IZTO 박막의 FESEM 이미지를 통해 박막의 표면형상을 관찰해 보았으며, 증착온도가 상온에서 100℃ 까지 상승함에 따라 표면조직의 형상 및 입자간의 밀도 변화가 조금씩 증가하여 치밀해지는 경향을 보여주고 있다. 또한 150℃ 이상 250℃ 까지 온도가 증가함에 따라 표면의 형상 및 입자간의 밀도는 안정화 되어 고배율의 전자현미경 상에서 형상의 변화는 크게 나타나지 않고 있음을 확인할 수 있었다.
(3) AFM을 이용한 표면거칠기 분석
첨부된 도 3에서와 같이, AFM 측정결과 표면의 조도는 0.8nm 이하로 매우 안정된 표면거칠기를 유지하고 있음을 확인할 수 있었으며, 표면 거칠기 값이 상온에서 100℃ 까지 변화가 급격한 반면, 150℃ 이상 250℃ 사이에서의 변화는 미미함을 알 수 있었고, 상온에서 100℃ 사이에서는 조직의 형상 및 입자간의 밀도 변화에 의한 경향으로 보이며, 150℃ 이상의 온도에서는 조직이 안정화가 이루어지는 것을 확인할 수 있었다.
(4) 전기적 특성분석
첨부된 도 4는 온도별로 PI기판에 증착된 IZTO 박막의 비저항(ρ), 캐리어 밀도(n), 이동도(μ)의 측정결과를 나타낸 그래프로서, 비저항 값은 상온에서 1.8x10-3 Ωcm 의 값을 나타내고 온도가 증가하며 기판온도 100℃에서 1.3x10-3 Ωcm 의 낮은 값을 나타냄을 알 수 있었으며, 이후 온도가 증가할수록 증가하는 경향을 보이는 것을 확인할 수 있었다.
전기적 비저항의 값은 캐리어 밀도와 이동도 의해 영향을 받으며, 기판의 온도가 증가할수록 캐리어 밀도의 값도 증가하는 경향을 보이고, 250℃에서 2.81x1020 cm-3 의 값을 나타낸다. 이동도 값은 상온에서 100℃ 까지 증가하며 24.3 cm-2/Vs 의 값을 보이나, 이후 기판온도가 증가할수록 감소하는 경향을 보이는 것을 확인할 수 있었다.
캐리어 밀도는 나노 사이즈의 미세한 단범위 규칙화 결정립 생성에 의하여 온도가 증가할수록 밀도가 증가하는 것을 알 수 있었으며, 상온에서 100℃ 까지 이동도의 증가는 산소공공의 농도가 증가한 것으로 판단되고, 이동도의 경향에 따라 비저항 값의 변화를 살펴볼 때, 이동도가 비저항 값에 크게 영향을 미친 것으로 확인할 수 있었다.
(5) 광학적 특성 분석
첨부된 도 5와 아래의 표2에서와 같이, UV-visible spectroscopy를 이용하여 투과율 측정결과 가시광 영역(400-800nm)에서의 투과율은 큰 차이를 나타내지 않았음을 알 수 있었으며, 이는 박막의 비정질 구조에 기인한 것으로 확인되었다.
기판온도 상온에서 100℃ 까지 저온에서는 다량의 산소 빈자리가 투과율 향상에 기여한 것으로 예측되지만, 150℃ 이상 기판 온도가 증가하며 산소 빈자리는 감소하는 것을 확인하였으며, 또한 비정질의 조직이 치밀하고 안정화되며 투과율이 76% 정도로 감소하는 경향을 보이는 것으로 확인할 수 있었다.
Substrate temperature | RT | 50℃ | 100℃ | 150℃ | 200℃ | 250℃ |
Transmittance Avg. (400-800nm) |
77% | 78.4% | 77.4% | 76.4% | 76.2% | 76.5% |
결론적으로, 첨부된 도 6에서와 같이, 온도변수로 PI 기판에 증착된 IZTO 박막의 품질을 평가한 경우, 기판온도 100℃에서 제작된 IZTO 박막이 가장 우수한 특성을 나타냄을 알 수 있었고, PI기판에 증착한 IZTO 박막은 투명전극의 특성인 전기전도성 ~10-3 Ωcm 이하의 값은 만족할 수 있으나, 80% 이상의 투과율에는 미치지 못함을 확인할 수 있었다.
[PI기판에 증착된 IZTO 박막의 기계적 신뢰성 시험]
(1) 잔류응력 시험
첨부된 도 7은 온도에 따른 잔류 스트레스(Residual stress)의 평균값을 나타낸 것으로, 도 7 및 아래의 표 3에서와 같이 잔류응력 시험 결과는 상온과 50℃의 기판온도에서 증착된 샘플의 경우 인장 잔류응력을 가지고 있음을 확인하라 수 있었으며, 100℃ 이상에서는 점점 압축 잔류응력이 증가하는 것을 확인할 수 있었다.
Temp | RT | 50℃ | 100℃ | 150℃ | 200℃ | 250℃ |
Residual stress(Gpa) | 8.91 | 9.39 | -11.88 | -21.55 | -26.75 | -27.11 |
(2) 기계적 유연 신뢰성 시험
첨부된 도 8은 아우터 밴딩(Outer bending) 시험에서 IZTO 박막에 크랙이 발생한 critical bending radius 를 나타낸 그래프로서, 첨부된 도 8과 아래의 표 4에서와 같이, 온도가 증가할수록 critical bending radius는 감소하는 경향을 보인다. 250℃에서 곡률반경 5.5mm의 값은 상온에서의 곡률반경 12mm의 약 50% 감소한 값을 보이며 유연성이 좋아지는 결과를 보였다. 이 결과를 잔류응력 시험 결과와 조합해보면 outer bending시 발생한 인장응력이 압축잔류응력과 서로 상쇄되어 좋은 신뢰성을 보여준 것으로 해석된다.
Temp | RT | 50℃ | 100℃ | 150℃ | 200℃ | 250℃ |
Crack point | R 12mm | R 10mm | R 8mm | R 7.5mm | R 6.5mm | R 5.5mm |
한편, 첨부된 도 9와, 아래의 표5는 인너 밴딩(inner bending) 시험에서 박막에 크랙이 발생한 critical bending radius 를 나타낸 그래프로서, 인너 밴딩에서는 아우터 밴딩과는 반대의 경향으로 온도가 증가할수록 critical bending radius는 감소함을 확인할 수 있었으며, 250℃에서 곡률반경 9.5mm의 값은 상온에서의 곡률반경 6mm의 약 1.6배 증가한 값을 보이고, 유연성이 나빠지는 결과를 확인할 수 있었다.
즉, 인너 밴딩시에는 압축응력이 작용하게 되고 압축잔류응력과 더해져 IZTO 박막에 더 많은 스트레스를 가하게 되어 기계적 신뢰성에 부적절한 영향을 미치는 것을 확인할 수 있었다.
Temp | RT | 50℃ | 100℃ | 150℃ | 200℃ | 250℃ |
Crack point | R 6mm | R 6.5mm | R 7mm | R 7.5mm | R 9mm | R 9.5mm |
또한, 첨부된 도 10과, 아래의 표 6은 트위스트(twisting) 시험에서 박막에 크랙이 발생한 critical angle 값을 나타낸 그래프로서, 250℃에서 twisting 각도 36°의 값은 상온에서의 twisting 각도 22°의 약 60% 증가한 값을 보이며 유연성이 좋아지는 결과를 확인할 수 있었다. Twisting 시험에서는 아우터 밴딩의 경향과 유사하게 온도가 증가할수록 critical twisting angle이 증가하여 기계적 신뢰성이 향상되는 것을 확인할 수 있었다.
Temp | RT | 50℃ | 100℃ | 150℃ | 200℃ | 250℃ |
Crack point | 22° | 22° | 26° | 30° | 32° | 36° |
즉, 아우터 밴딩, 인너 밴딩, 트위스트의 기계적 신뢰성 시험 결과를 정리해 보면, PI기판 온도가 증가할수록 IZTO 박막은 압축잔류응력을 가지게 되며, 외부에서 작용하는 인장응력에는 저항력을 갖게 되지만 압축응력에는 오히려 약해지는 특성을 확인할 수 있게 되는 것이다.
결론적으로, PI기판에 증착한 IZTO 박막은 비정질 구조를 나타내었고, 기판온도가 증가할수록 조직이 치밀해지는 경향을 확인할 수 있었으며, 전기적 특성으로는 기판온도 100℃에서 1.3x10-3 Ωcm 의 비저항 값을, 광학적 특성으로는 기판온도 50℃에서 78% 투과율을 나타냄을 확인할 수 있었다.
또한, PI기판에 증착한 IZTO 박막의 기계적 신뢰성 시험 결과 outer bending 시험은 250℃에서 곡률반경 5.5mm, inner bending 시험은 상온에서의 곡률반경 6mm, twisting 시험은 250℃에서 twisting 각도 36°의 유연성을 확인할 수 있었으며, 이는 플렉서블 디바이스에 적용이 가능함을 확인할 수 있었던 것이다.
한편, 상기와 같이 제작되는 인듐 저감용 IZTO 박막이 적용되는 PI기판 투명전극을 이용한 디바이스는 첨부된 도 11에서와 같이, 우선 PLED(또는 OLED) 디바이스 제작을 위해 제 1 단계로서 PI기판(11)에 증착되는 IZTO 박막(12)을 초음파 세척하고 수분을 제거하여 둔다.
즉, 세정제(Alconox)와 아이소프로판올(isopropanol) 및 탈이온수 워터(DI water)의 순서로 초음파 세척을 한 후, 120℃에서 10분간 hard ke 과정을 거쳐 수분을 제거하도록 하는 것이다.
다음으로, 제 12 단계로서 수분이 제거된 IZTO 박막(12)을 유기물 제거와 친수성 표면을 얻기 위해 UV 크리닝한 후, 제 13 단계로서 UV 크리닝되는 IZTO 박막(12)을 패터링(patterning)하여 둔다.
다음으로, 제 14 단계로서 패터링되는 IZTO 박막(12)의 위에 홀 수송층(HTL)(13)인 PEDOT:PSS와 발광층(EML)(14)을 순차적으로 코팅처리하여 둔다.
즉, 홀 수송층(HTL)(13)인 PEDOT:PSS는 스핀 코팅(spin coating)의 방법으로 40nm로 코팅 처리하고, 발광층(EML)(14)은 수퍼 옐로우(Super yellow(Covion))를 스핀 코팅(spin coating)의 방법으로 80nm로 코팅 처리하여 두는 것이다.
다음으로, 제 15 단계로서 코팅되는 발광층(EML)(14)의 위에 진공증착기(Thermal evaporator)를 이용하여 전자 수송층(ETL)(15)인 BaF2와, 전자주입층(EIL)(16)인 Ba, 그리고 양극인 Al층(17)을 순차적으로 증착하여 두는 것이다.
즉, 상기 전자수송층(ETL)(15)인 BaF2는 0.1 /s로 2nm 증착하고, 상기 전자주입층(EIL)(16)인 Ba는 0.2 /s로 2nm 증착하며, 상기 양극인 Al층(17)은 0.5 /s 로 200nm 증착함으로써 인듐 저감용 IZTO 박막이 적용되는 PI기판 투명전극을 이용한 디바이스 제조가 완료될 수 있는 것이다.
결론적으로, IZTO 박막을 양극으로 사용한 PLED(또는 OLED) 디바이스는 기판온도 400℃에서 12V 인가시 29128.6 cd/m2 의 휘도와 전류밀도 909.062 mA/cm2 의 우수한 특성을 보였으며, 이는 C-ITO를 양극으로 한 디바이스와 비교해도 우월한 값이고, 광 효율 특성으로는 IZTO 디바이스가 C-ITO 디바이스 보다 최대 1.6 배 정도 높은 효율을 보임을 알 수 있으며, 특히 플렉서블한 디바이스에도 그 적용이 가능한 것이다.
이상에서 본 발명의 인듐 저감용 IZTO 박막이 적용된 PI기판 투명전극과 이를 이용한 디바이스 제조방법에 대한 기술사상을 첨부도면과 첨부도면과 함께 서술하였지만, 이는 본 발명의 가장 양호한 실시예를 예시적으로 설명한 것이지 본 발명을 한정하는 것은 아니다.
따라서, 본 발명은 상술한 특정의 바람직한 실시예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형 실시가 가능한 것은 물론이고, 그와같은 변경은 청구범위 기재의 범위내에 있게 된다.
11; PI기판 12; IZTO 박막
13; 홀 수송층 14; 발광층
15; 전자수송층 16; 전자주입층
17; Al층
13; 홀 수송층 14; 발광층
15; 전자수송층 16; 전자주입층
17; Al층
Claims (7)
- 삭제
- 삭제
- (1) PI기판을 세척하는 단계;
(2) IZTO 단일타겟을 제작하는 단계;
(3) 상기 (1)단계에 의해 세척된 PI기판에 상기 (2)단계로부터 제작되는 IZTO 단일타겟을 증착시키는 단계;
(4) 상기 (3)단계에 의해 PI기판에 증착되는 IZTO 박막을 초음파 세척하고 수분을 제거하는 단계;
(5) 상기 (4)단계에 의해 수분이 제거된 IZTO 박막을 유기물 제거와 친수성 표면을 얻기 위해 UV 크리닝하는 단계;
(6) 상기 (5)단계에 의해 UV 크리닝된 IZTO 박막을 패터닝하는 단계;
(7) 상기 (6)단계에 의해 패터닝된 IZTO 박막 위에 홀 수송층(HTL)과 발광층(EML)을 순차적으로 코팅하는 단계; 및
(8) 상기 (7)단계에 의해 코팅된 발광층(EML) 위에 전자 수송층(ETL), 전자 주입층(EIL) 및 전극을 순차적으로 증착하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 인듐 저감용 IZTO 박막이 적용된 PI기판 투명전극을 이용한 디바이스 제조방법. - 제 3 항에 있어서,
상기 디바이스는 OLED 또는 PLED 또는 플렉서블한 디바이스인 것을 특징으로 하는 인듐 저감용 IZTO 박막이 적용된 PI기판 투명전극을 이용한 디바이스 제조방법. - 삭제
- 제 3 항에 있어서,
상기 (7)단계에서 상기 홀 수송층(HTL)은 PEDOT:PSS를 스핀코팅의 방법으로 코팅처리하고, 상기 발광층(EML)은 수퍼 옐로우(Super yellow(Covion))를 스핀코팅방법으로 코팅처리하는 것을 특징으로 하는 인듐 저감용 IZTO 박막이 적용된 PI기판 투명전극을 이용한 디바이스 제조방법. - 제 3 항에 있어서,
상기 (8)단계에서 상기 전자수송층(ETL)은 BaF2를 증착하고, 상기 전자주입층(EIL)은 Ba를 증착시키는 것을 특징으로 하는 인듐 저감용 IZTO 박막이 적용된 PI기판 투명전극을 이용한 디바이스 제조방법.
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논문:DC 마그네트론 스퍼터링법에 의해 증착된 IZO 및 IZTO 박막을 사용한 OLED 소자의 특성 * |
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