KR101532310B1 - 2차원 소재 적층 플렉서블 광센서 - Google Patents
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Abstract
광민감성이 우수하고 디바이스 전체가 플렉서블한 광센서가 제공된다.
Description
2차원 소재를 적층하여 구성한 플렉서블 광센서가 개시된다. 더욱 상세하게는 제조가 용이하고 전기적 및 광학적 특성이 우수한 2차원 소재 플렉서블 광센서가 개시된다.
일반적으로 널리 사용되는 광센서로는, 예를 들어, 실리콘과 같은 반도체의 PN 접합을 기본적인 구조로서 갖는 포토다이오드가 있다. 그러나 다이오드 구조 대신에 트랜지스터 구조로 광센서를 구현하는 것도 가능하다. 한편, CMOS(Complimentary Metal Oxide Semiconductor) 이미지 센서 또는 CCD(Charge Coupled Device)와 같은 이미지 센서도 역시 영상을 획득하기 위하여 광을 감지할 수 있는 광센서를 필요로 한다. 최근에는 손이나 펜의 접촉 대신에 광을 감지하여 터치 패널의 기능과 동일한 기능을 수행할 수 있는 광터치 패널(Optical touch panel)이 제안되고 있다. 이러한 광터치 패널을 구현하기 위해서는 광을 감지할 수 있는 미세한 크기의 광센서가 요구된다.
일반적으로 그래파이트(graphite)는 탄소 원자가 6각형 모양으로 연결된 판상의 2차원 그래핀(graphene)이 적층되어 있는 구조이다. 최근 그래파이트로부터 한 층 또는 수 층의 그래핀을 벗겨 내어, 상기 시트의 특성을 조사한 결과 기존의 물질과 다른 매우 유용한 특성이 발견되었다.
그래핀은 실리콘에 비해 50 내지 100배의 전기전도도를 가지고 있어 실리콘과 같은 반도체를 대체할 수 있는 신물질로서 많은 연구가 진행되고 있다. 또한, 그래핀은 그것의 예외적인 전자 및 광전자 특성 때문에 디스플레이, 태양전지 및 센서와 같은 전자 응용의 범위에서 주목을 끌고 있다.
플렉서블 전자공학을 위한 그래핀 연구는 용액-가공성, 플라스틱 기판 위에형성된 그래핀 필름과 좋은 인터페이스로 저온에서 형성될 수 있는 고용량 게이트 절연체를 필요로 한다. 지금까지는 주로 SiO2 유전물질을 기반으로 하거나, HfO2, Al2O3 및 ZrO2와 같은 높은 유전상수의 여러 무기 절연체가 그래핀 FET의 제조에 적용되었지만, 이러한 물질은 기본적으로 3차원 원자구조를 갖게 되므로 굽힘 응력이 인가되는 상태에서는 원자구조 및 전자구조가 파괴되어 고유 성질을 잃게 된다. 이에 반해, 그래핀, 육방정계 질화붕소(hexagonal boron nitride; h-BN), MoS2, NbSe2, BiTe3와 같은 2차원 원자구조를 갖는 물질은 굽힘 응력이 인가되어도 원자구조 및 전자구조가 그대로 유지되기 때문에, 플렉서블 소자에 적용되어도 물질의 고유성질을 그대로 유지하게 된다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 전기적 및 광학적 특성이 우수한 광센서를 제공하는 것이다.
본 발명의 일 측면에 따르면,
플렉서블 기판;
상기 기판 위에 부분적으로 배치되고, 평면상의 전도성 물질로 이루어진 게이트;
적어도 상기 게이트를 덮도록 기판과 게이트 위에 배치되고, 평면상의 비전도성 물질로 이루어진 게이트 절연막; 및
상기 게이트 절연막 위에 배치되고, 평면상의 반도체 물질로 이루어진 채널층
을 포함하는 플렉서블 광센서가 제공된다.
또한, 상기 광센서는 상기 기판과 상기 게이트 사이에 개재된 절연층을 더 포함할 수도 있다.
본 발명의 일 구현예에 따른 플렉서블 광센서는 광에 대해 높은 감도를 유지할 수 있어 이미지 센서나 광터치 패널 등과 같이 미세한 광센서가 요구되는 분야에서 효율적으로 사용될 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 구현예에 따른 광센서의 구조를 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 구현예에 따른 광센서의 적층 공정을 단계별로 나타낸도면이다.
도 3은 본 발명의 일 구현예에 따라 고분자 기판상에 순차적으로 적층된 그래파이트와 hBN의 SEM 사진이다.
도 4는 본 발명의 실시예 1 및 비교예 1에 따른 광센서의 게이트 전압에 따른 광전류를 나타낸 그래프이다.
도 5는 본 발명의 비교예 1 및 비교예 1에 따른 광센서의 게이트 전압에 따른 드레인 전류를 나타낸 그래프이다.
도 6은 본 발명의 실시예 2에 따른 광센서의 게이트 전압에 따른 광전류를 나타낸 그래프이다.
도 2는 본 발명의 일 구현예에 따른 광센서의 적층 공정을 단계별로 나타낸도면이다.
도 3은 본 발명의 일 구현예에 따라 고분자 기판상에 순차적으로 적층된 그래파이트와 hBN의 SEM 사진이다.
도 4는 본 발명의 실시예 1 및 비교예 1에 따른 광센서의 게이트 전압에 따른 광전류를 나타낸 그래프이다.
도 5는 본 발명의 비교예 1 및 비교예 1에 따른 광센서의 게이트 전압에 따른 드레인 전류를 나타낸 그래프이다.
도 6은 본 발명의 실시예 2에 따른 광센서의 게이트 전압에 따른 광전류를 나타낸 그래프이다.
이하, 첨부된 도면을 참고로 하여 본 발명의 일 구현예에 따른 플렉서블 광센서에 대하여 상세하게 설명한다. 이하의 도면들에서 동일한 참조부호는 동일한 구성요소를 지칭하며, 도면상에서 각 구성요소의 크기는 설명의 명료성과 편의상 과장되어 있을 수 있다.
본 발명의 일 구현예에 따른 플렉서블 광센서는 플렉서블 기판; 상기 기판 위에 부분적으로 배치되고, 평면상의 전도성 물질로 이루어진 게이트; 적어도 상기 게이트를 덮도록 기판과 게이트 위에 배치되고, 평면상의 비전도성 물질로 이루어진 게이트 절연막; 및 상기 게이트 절연막 위에 배치되고, 평면상의 반도체 물질로 이루어진 채널층을 포함한다.
도 1은 본 발명의 일 구현예에 따른 광센서의 구조를 개략적으로 나타낸 도면이다. 도 1을 참조하면, 플렉서블 광센서(10)는 기판(11), 상기 기판(11) 위에 부분적으로 배치된 게이트(12), 적어도 상기 게이트(12)를 덮도록 배치된 게이트 절연막(13) 및 상기 게이트 절연막(13) 위에 배치된 채널층(14)을 포함한다. 또한, 상기 채널층(14)의 양측을 덮도록 배치된 소스 전극(15)과 드레인 전극(16)을 더 포함할 수 있다.
여기서, 기판(11)은 플렉서블한 기판으로서, 예를 들어 폴리머, 또는 기타 플렉서블 소재를 포함할 수 있다. 일 구현예에 있어서 상기 기판은 투명한 플렉서블 기판 수 있다. 이러한 투명한 플렉서블 기판은 당업계에 알려진 물질을 당업자가 적의 선택하여 사용할 수 있다. 상기 폴리머의 예로는 폴리아세테이트, 폴리에틸렌 테레프탈레이트, 폴리카보네이트, 폴리에테르 설폰, 폴리이미드, 폴리아크릴레이트, 폴리에스테르, 폴리비닐, 폴리에틸렌, 펜타센, 폴리에테르이미드 및 폴리에틸렌나프탈레이트중에서 1종 이상일를 포함할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
상기 게이트(12)는 평면상의 전도성 물질로 이루어진 것으로, 저예를 들어 그래파이트, 그래핀 및 전도성 고분자중에서 선택된 1종 이상을 포함할 수 있다.
상기 전도성 고분자는 폴리피롤, 폴리티오펜, 폴리(3-알킬티오펜), 폴리아닐린, 폴리페닐렌 설파이드, 폴리푸란, 폴리이소-티아나프텐, 폴리(p-페닐렌비닐렌), 폴리(p-페닐렌), 폴리(3,4-에틸렌디오시티오펜), 폴리(에틸렌글리콜)디아크릴레이트 및 2-하이드록시-2-메틸프로피오페논중에서 선택된 1종 이상일 수 있다.
상기 게이트 절연막(13)은 상기 게이트를 덮도록 기판(11)과 게이트(12) 위에 배치되고, 평면상의 비전도성 물질로 이루어진 것이다. 상기 게이트 절연막은 밴드갭이 5eV 이상인 2차원 물질을 포함하고, 현재 연구된 2차원 물질 중에서는 hBN(hexagonal boron nitride)이 가장 적절하다.
상기 채널층(14)은 상기 게이트 절연막(13) 위에 배치되고, 평면상의 반도체 물질로 이루어진 것으로서, 예를 들어 그래핀, MoS2, NbSe2 및 BiTe3 중에서 선택된 1종 이상일 수 있다. 예를 들어, 광민감성 그래핀을 채널층으로서 사용하는 경우, 광의 입사 여부에 따라 문턱 전압이 변하는 특성을 갖는 트랜지스터를 얻을 수 있다. 따라서, 이러한 특성을 갖는 트랜지스터는 광센서로서 활용될 수 있다.
특히, 상기 게이트 절연막(13)이 hBN을 포함하고, 상기 채널층(14)이 그래핀을 포함하는 경우, 그래핀과 hBN에서 p-n 접합이 생겨 광전류 발생에 유리할 수 있다.
본 발명의 일 구현예에 따른 플렉서블 광센서는 광센서를 구성하는 각 층들이 모두 2차원 구조의 평면상을 이루고 있기 때문에 광센서 디바이스 전체가 플렉서블해질 수 있다. 이를 위해 광센서를 구성하는 각 층의 두께는 0.3nm 내지 20nm 일 수 있다.
본 발명의 일 구현예에 따른 플렉서블 광센서는 상기 기판(11)과 상기 게이트(12) 사이에 절연층(미도시)을 더 포함할 수 있다. 상기 절연층은 앞에서 설명한 게이트 절연막(13)과 마찬가지로 평면상의 비전도성 물질로 이루어질 수 있다.
본 발명의 일 구현예에 따른 플렉서블 광센서(10)에 포함되는 소스 전극(15) 및 드레인 전극(16)은 그래파이트, 전도성 금속, 전도성 금속 산화물 또는 전도성 고분자를 포함할 수 있다. 예를 들어, 광센서(10)가 디스플레이 패널 위에 부착되는 광터치 패널에 사용되는 경우, 상기 소스 전극(15) 및 드레인 전극(16)은 ITO와 같은 투명 전도성 재료로 이루어질 수 있다.
예를 들어 상기 전도성 고분자는 폴리피롤, 폴리티오펜, 폴리(3-알킬티오펜), 폴리아닐린, 폴리페닐렌 설파이드, 폴리푸란, 폴리이소-티아나프텐, 폴리(p-페닐렌비닐렌), 폴리(p-페닐렌), 폴리(3,4-에틸렌디오시티오펜), 폴리(에틸렌글리콜)디아크릴레이트 및 2-하이드록시-2-메틸프로피오페논중에서 선택된 1종 이상일 수 있다.
본 발명의 일 구현예에 따른 플렉서블 광센서를 제조하는 방법은 특별히 제한되지는 않는다. 도 2는 본 발명의 일 구현예에 따른 플렉서블 광센서의 적층 공정을 단계별로 나타낸 도면이다.
먼저, 폴리에틸렌나프탈레이트(PEN) 기판(21) 위에 게이트(22)를 형성하기 위해 그래파이트를 스카치 테이프를 이용한 박리법으로 적층한다. 한편, 면적이 큰 광센서를 제조하기 위해서는 화학적 박리법이나, 화학적 기상 증착 기술을 사용할 수 있다.
상기 게이트(22) 위에 게이트 절연막(23)을 형성하기 위해 전사법을 이용하여, 예를 들어 hBN을 적층한다. 예를 들어, 유리 기판(27)상의 PMMA(28) 위에 hBN 막(23')을 형성한 다음, 이를 그래파이트 위에 전사시켜 게이트 절연막(23)을 형성하게 된다. 계속하여, 상기 게이트 절연막(23) 위에 채널층(24)을 형성하기 위해 예를 들어 그래핀을 스카치 테이프를 이용한 박리법으로 적층한다. 한편, 면적이 큰 광센서를 제조하기 위해서는 화학적 박리법이나, 화학적 기상 증착 기술을 사용할 수 있다. 여기 기술된 적층 방법은 그래핀이나 hBN 외에 다른 물질을 사용해도 동일하게 적용될 수 있다.
상기 채널층(24)의 양측에 소스 전극(25) 및 드레인 전극(26)을 형성하게 된다. 소스 전극(25) 및 드레인 전극(26)은 금속, 금속 산화물 또는 전도성 고분자를 포함하는 것으로 당업계에서 사용되는 재료 및 방법을 이용하여 형성할 수 있다. 금속 또는 금속 산화물의 소스 전극(25) 및 드레인 전극(26)은 예를 들어 AZO(Al doped zinc oxide), ITO(Indium tin oxide), 코발트, 철, 니켈, 크롬, 금, 은, 구리, 알루미늄, 백금, 주석, 텅스텐, 루테늄, 팔라듐 및 카드뮴으로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상으로 형성될 수 있다. 전도성 고분자로는 폴리피롤, 폴리티오펜, 폴리(3-알킬티오펜), 폴리아닐린, 폴리페닐렌 설파이드, 폴리푸란, 폴리이소-티아나프텐, 폴리(p-페닐렌비닐렌), 폴리(p-페닐렌), 폴리(3,4-에틸렌디오시티오펜), 폴리(에틸렌글리콜)디아크릴레이트 및 2-하이드록시-2-메틸프로피오페논중에서 선택된 1종 이상일 수 있다.
이들은 화학기상증착법, 물리기상증착법, 또는 프린팅 방법으로 소스 전극(25) 및 드레인 전극(26)을 형성할 수 있다. 상기 화학기상증착법은 금속유기화학기상증착법(MOCVD), 상압화학기상증착법(APCVD), 저압화학기상증착법(LPCVD) 플라즈마가속화학증착법(PECVD) 및 원자층증착법(ALD)중 하나일 수 있다.
소스 전극(25) 및 드레인 전극(26)으로는 상기 전도성 재료를 포함하는 용액, 페이스트, 잉크, 분산액 등의 유동성 전극 재료를 이용하여 형성한 것도 이용 가능하다.
이들의 금속 미립자를, 주로 유기 재료로 이루어지는 분산 안정제를 이용하여, 물이나 임의의 유기 용제인 분산매 중에 분산한 분산물을 이용하여 전극을 형성하는 것이 바람직하다. 이러한 금속 미립자의 분산물의 제조 방법으로는, 가스중 증발법, 스퍼터링법, 금속 증기 합성법 등의 물리적 생성법이나, 콜로이드법, 공침법 등의 액상으로 금속 이온을 환원하여 금속 미립자를 생성하는 화학적 생성법을 예로 들 수 있다.
이들 금속 미립자 분산물을 이용하여 상기 전극을 성형하고, 용매를 건조시킨 후, 필요에 따라 100℃ 내지 300℃, 예를 들어 150℃ 내지 200℃의 범위에서 형상대로 가열함으로써 금속 미립자를 열융착시켜 목적하는 형상을 갖는 전극 패턴을 형성할 수 있다.
소스 전극(25) 및 드레인 전극(26)을 형성하는 재료는, 상술한 예 중에서도 채널층과의 접촉면에서 전기 저항이 적은 것이 바람직하다. 이 때의 전기 저항은, 즉 전류 제어 디바이스를 제작했을 때 전계 효과 이동도와 대응하고 있으며, 큰 이동도를 얻기 위해서는 가능한 한 저항이 작은 것이 필요하다.
이렇게 하여 형성된 전극의 막 두께는 전류가 통하면 특별히 제한은 없지만, 예를 들어 0.3㎚ 내지 300㎚의 범위이다. 이 범위내이면, 막 두께가 얇음에 따라 저항이 높아져 전압 강하를 발생시키지 않는다.
도면에 별도로 도시하지는 않았지만, 플렉서블 기판, 상기 기판 위에 배치되고, 평면상의 반도체 물질로 이루어진 채널층; 상기 채널층의 중심부에 부분적으로 배치되고 평면상의 비전도성 물질로 이루어진 게이트 절연막; 및 상기 게이트 절연막 위에 배치되고 평면상의 전도성 물질로 이루어진 게이트를 포함하는 플렉서블 광센서도 본 발명의 범위에 포함될 수 있다. 또한, 상기 플렉서블 광센서는 상기 채널층상에 상기 게이트의 양쪽편으로 각각 떨어져 배치된 소스 전극과 드레인 전극을 더 포함할 수 있다. 이 때, 플렉서블 기판, 채널층, 게이트 절연막 및 게이트는 순서만 달리할 뿐 앞에서 설명한 것과 대응하므로 여기에서 별도로 설명하지 않기로 한다.
이하에서 실시예를 들어 본 발명을 보다 상세히 설명하나 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다.
실시예 1
먼저, 폴리에틸렌나프탈레이트(PEN) 기판 위에 그래파이트를 스카치 테이프를 이용한 박리법으로 적층하였다.
유리 기판에 PMMA를 스핀코팅 방법으로 형성한 다음 그 위에 스카치 테이프를 이용한 박리법으로 hBN을 20nm의 두께로 형성하였다.
상기에서 얻은 PEN 상의 그래파이트 위에 상기 hBN을 전사하였다.
도 3은 PEN상에 그래파이트와 hBN을 적층하는 단계에서의 SEM 사진이다. 도 3a는 PEN 위에 그래파이트를 적층한 상태를 나타내며, 도 3b는 PEN 위에 그래파이트와 hBN을 적층한 상태를 나타낸다. 도 3에서 보듯이, PEN 기판 상에 게이트인 그래파이트와 게이트 절연막인 hBN이 잘 형성되어 있음을 확인할 수 있다.
상기 hBN층 위에 스카치 테이프를 이용한 박리법으로 FET의 채널로 사용하기 위한 그래핀을 적층하였다
상기 그래핀층 위에 소스 전극과 드레인 전극으로 각각 팔라듐을 사용하여 전자빔 증착 방법으로 전극을 형성하여 플렉서블 광센서를 얻었다.
실시예 2
FET 채널 물질로 hBN을 사용하는 대신 MoS2를 스카치 테이프를 이용한 박리법으로 형성하는 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 광센서를 제조하였다.
비교예 1
게이트 절연막 재료로 hBN을 사용하는 대신 SiO2를 화학적 증착 방법으로 형성하는 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 광센서를 제조하였다.
상기에서 제조한 광센서에 대하여 동작 특성을 알아보기 위하여 게이트 전압 변화에 따른 드레인 전류를 측정하였다.
도 4는 실시예 1 및 비교예 1에 따라 제조된 플렉서블 광센서의 게이트 전압에 따른 광전류를 나타낸 그래프이고, 도 5는 실시예 1 및 비교예 1에 따라 제조된 광센서의 게이트 전압에 따른 드레인 전류를 나타낸 그래프이다.
도 4 및 도 5에서 보듯이, 본 발명의 일 구현예에 따른 광센서는 우수한 광민감도 특성을 나타내는 반면 종래의 실리카를 게이트 절연막으로 사용한 광센서는 광변화에 대한 특성 변화가 없음을 알 수 있다.
도 6은 실시예 2에 따라 제조된 플렉서블 광센서의 게이트 전압에 따른 광전류를 나타낸 그래프이다. 도 6으로부터 본 발명의 일 구현예에 따른 광센서는 디바이스 전체가 플렉서블하면서도 빛에 대한 민감성이 뛰어남을 알 수 있다.
10 : 광센서 11, 21 : 기판
12, 22 : 게이트 13, 23 : 게이트 절연막
23': hBN 막
14, 24 : 채널층 15, 25 : 소스 전극
16, 26 : 드레인 전극
12, 22 : 게이트 13, 23 : 게이트 절연막
23': hBN 막
14, 24 : 채널층 15, 25 : 소스 전극
16, 26 : 드레인 전극
Claims (14)
- 플렉서블 기판;
상기 기판 위에 부분적으로 배치되고, 평면상의 전도성 물질로 이루어진 게이트;
적어도 상기 게이트를 덮도록 기판과 게이트 위에 배치되고, 평면상의 비전도성 물질로 이루어진 게이트 절연막;
상기 게이트 절연막 위에 배치되고, 평면상의 반도체 물질로 이루어진 채널층; 및
상기 채널층의 양측을 덮도록 배치된 소스 전극과 드레인 전극을 더 포함하고, 상기 게이트, 상기 게이트 절연막, 및 상기 채널층의 각각의 두께가 0.3nm 내지 20nm인 플렉서블 광센서. - 삭제
- 제1항에 있어서,
상기 기판과 게이트 사이에 개재된 절연층을 더 포함하는 플렉서블 광센서. - 제1항에 있어서,
상기 플렉서블 기판은 폴리에틸렌나프탈레이트, 폴리에테르이미드, 폴리에틸렌 테레프탈레이트, 폴리에테르설폰, 폴리이미드, 폴리아세테이트, 폴리카보네이트, 폴리아크릴레이트, 폴리에스테르, 폴리비닐, 폴리에틸렌 및 펜타센중에서 선택된 1종 이상의 폴리머를 포함하는 플렉서블 광센서. - 제1항에 있어서,
상기 게이트는 그래파이트, 그래핀 및 전도성 고분자중에서 선택된 1종 이상을 포함하는 플렉서블 광센서. - 제1항에 있어서,
상기 게이트 절연막은 밴드갭이 5eV 이상인 2차원 물질을 포함하는 플렉스블 광센서. - 제 6항에 있어서,
상기 게이트 절연막은 hBN을 포함하는 플렉서블 광센서. - 제1항에 있어서,
상기 채널층은 그래핀, MoS2, NbSe2 및 BiTe3 중에서 선택된 1종 이상을 포함하는 플렉서블 광센서. - 제1항에 있어서,
상기 소스 전극 및 상기 드레인 전극은 그래파이트, 전도성 금속, 전도성 금속 산화물 또는 전도성 고분자를 포함하는 플렉서블 광센서. - 제9항에 있어서,
상기 전도성 고분자는 폴리피롤, 폴리티오펜, 폴리(3-알킬티오펜), 폴리아닐린, 폴리페닐렌 설파이드, 폴리푸란, 폴리이소-티아나프텐, 폴리(p-페닐렌비닐렌), 폴리(p-페닐렌), 폴리(3,4-에틸렌디오시티오펜), 폴리(에틸렌글리콜)디아크릴레이트 및 2-하이드록시-2-메틸프로피오페논중에서 선택된 1종 이상인 플렉서블 광센서. - 제1항에 있어서,
상기 채널층은 그래핀을 포함하고, 상기 게이트 절연막은 hBN을 포함하는 플렉서블 광센서. - 삭제
- 플렉서블 기판;
상기 기판 위에 배치되고, 평면상의 반도체 물질로 이루어진 채널층;
상기 채널층의 중심부에 부분적으로 배치되고 평면상의 비전도성 물질로 이루어진 게이트 절연막; 및
상기 게이트 절연막 위에 배치되고 평면상의 전도성 물질로 이루어진 게이트를 포함하는 플렉서블 광센서. - 제13항에 있어서,
상기 채널층상에 상기 게이트의 양쪽편으로 각각 떨어져 배치된 소스 전극과 드레인 전극을 더 포함하는 플렉서블 광센서.
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