KR20090040435A - 투명하고 전도성이 있는 나노구조-필름 픽셀 전극과 이를 제조하는 방법 - Google Patents

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Abstract

능동 매트릭스 기판 위에 증착된 나노구조-필름을 포함하는 픽셀 전극이 제공되어, 상기 픽셀 전극은 하부 층과 전기적으로 접촉한다. 이와 유사하게, 능동 매트릭스 기판 위에 증착된 나노구조-필름을 또한 포함하는 보조 데이터 패드와 보조 게이트 패드가 제공되어, 하부 층과 전기적으로 접촉한다.
나노구조-필름, 픽셀 전극

Description

투명하고 전도성이 있는 나노구조-필름 픽셀 전극과 이를 제조하는 방법{TRANSPARENT AND CONDUCTIVE NANOSTRUCTURE-FILM PIXEL ELECTRODE AND METHOD OF MAKING SAME}
본 출원은 본원에 참조된 2006년 7월 17일자로 출원되고, 발명의 명칭이 "TRANSPARENT AND CONDUCTIVE NANOTUBE FILM ELECTRODE AND METHOD OF MAKING THE SAME"인 미국 가특허 출원 번호 제 60/831,212호에 대한 우선권을 주장한다.
본 발명은 일반적으로 픽셀화된 디바이스(pixelated device)에 관한 것이며, 구체적으로는 적어도 하나의 나노구조-필름을 포함하는 픽셀 전극(pixel electrode)에 관한 것이다.
픽셀화 디바이스는 현대 생활의 중요 상품이 되었다. 현재, 이러한 디바이스 중 가장 일반적인 것은 개별적인 픽셀들을 제어하기 위하여 로컬 픽셀 전극을 이용하는 평판 패널 디스플레이{예를 들어, 액정 및/또는 능동 매트릭스 유기 발광 다이오드(OLED)}이다.
예를 들어, 액정 디스플레이(LCD)는 2개의 기판 사이에 주입된 액정 재료를 갖는 구조가 된다. 서로 상이한 전위의 전압들이 기판의 전극에 가해져서 전계를 형성할 때, 액정 재료의 액정 분자들의 정렬이 변하고, 이에 따라, 입사광의 투과 율이 제어되어 영상의 디스플레이를 가능하도록 한다.
보다 구체적으로, 기판 중 하나의 기판에 배선(wiring)이 형성되고, 이 배선은 각 픽셀에 전기적으로 접속되며, 영상 신호와 주사 신호를 전송하여 매트릭스 배열에서 픽셀들을 한정한다. 패드(pad)는 이 배선의 단부에 접속되고 외부 드라이브 회로로부터 영상 신호와 주사 신호를 배선에 전달하도록 하는 수단으로 사용된다. 패드에 대한 손상을 방지하기 위하여, 패드들을 전도성 보조 패드들로 덮는 것이 바람직하다. 또한, 능동 매트릭스 LCDs에서, 영상 신호들의 투과율을 불연속적으로 하기 위한 박막 트랜지스터(TFTs)와 영상 신호들을 전송하기 위한 픽셀 전극들은 TFT 기판으로 불리는 이 기판에 형성된다.
LCDs 및 이와 다른 많은 픽셀화 디바이스 애플리케이션에서, 픽셀 전극은 입사광을 투과시키도록 투명해야만 한다. 현재, 가장 일반적인 투명 전극 재료들은 투명한 전도 산화물(TCOs), 특히 인듐-주석-산화물(ITO)이다. 불행히도, ITO는 많은 디바이스 애플리케이션에 적절하지 못한 해법일 수 있다 (예를 들어, 상대적으로 무른 특성과 이에 따른 열악한 유연성 및 내마찰성으로 인해). 또한, 비평면 표면(예를 들어, TFT 기판들)에 ITF 구성요소를 제조하는 것은 패턴닝, 접착 및 스텝-커비리지(step-coverage) 면에서 극히 도전적일 수 있다. 또한, ITO의 인듐 성분은 빠르게 부족한 상품이 되고 있어, ITO 증착은 일반적으로, 많은 디바이스 공정들과 호환될 수 없는 고가의 고온 스퍼터링을 필요로 한다.
본 발명은 나노구조-필름 전극을 제공한다. 예를 들어, 나노튜브, 나노와이어, 나노입자 및/또는 그라펜 플레이크(graphene flakes)의 상호 연결 네트워크를 포함하는 나노구조-필름은 예외적인 재료 특성으로 인해 최근에 큰 관심을 받고 있다. 특히, 랜덤하게 분산된 탄소 나노튜브들{예를 들어, 실질적으로 단일벽 나노튜브(SWNTs), 이중벽 나노튜브(DWNTs) 및/또는 소수벽 나노튜브(FWNTs)의 네트워크}로 이루어진 투명하고 전도성이 있는 나노구조-필름들은 잠재적으로 필적할만한 전기적 특성을 갖고, ITO보다 실질적으로 더욱 기계적으로 견고한 것으로 입증되었다. 또한, 이와 같은 나노구조-필름들은 다양한 저-충격 방법들(예를 들어, 용액-기반 공정)을 이용하여 증착될 수 있고, 지구상에서 가장 풍부한 원소 중 하나인 탄소를 포함한다.
본 발명의 추가 특징에 따라, 나노구조-필름 픽셀 전극은 박막 트랜지스터(TFT) 기판(본원에서 능동 매트릭스 기판으로도 불림)에 증착된다. 투명한 전도성 나노구조-필름들 및 이로 이루어진 픽셀 전극은 이러한 기판에 제어 가능하게 증착된다.
본 발명의 다른 특징에 따라, 적어도 하나의 보조 패드가 TFT 기판에 증착되고, 여기서 보조 패드는 나노구조-필름을 포함한다. 이 패드는 투명하고 전도성이 있는 것이 바람직하고, 픽셀 전극과 동일한 층으로부터 형성될 수 있다.
본 발명의 또 다른 특징에 따라, TFT 기판은 소스 전극, 드레인 전극 및 게이트 전극을 갖는 TFT를 포함한다. 이 TFT는 픽셀 전극 아래에 증착되는 것이 바람직하고, 전극 중 적어도 하나는 바람직하게는 나노구조-필름을 포함한다.
본 발명의 다른 특징들 및 이점들은 첨부한 도면과 상세한 설명으로부터 명백하게 될 것이다. 특정 대안들 이외에 상술된 실시예들 중 하나 이상은 첨부된 도면과 관련하여 이하에 더욱 상세하게 설명할 것이다. 본 발명은 서술된 특정 실시예로 제한되지 않는다.
명세서에 포함되고 이의 일부를 구성하는 첨부한 도면들은 본 발명의 실시예를 도시하고 설명과 함께 본 발명의 원리들을 설명하도록 기능한다.
도 1은 픽셀화 디바이스에서 발생될 수 있는 일반적인 결함(예를 들어, 라인과 픽셀)의 개략도.
도 2는 본 발명의 제 1 바람직한 실시예를 따른 TFT 기판의 개략도 (주: 도면들은 기판의 일부분만을 도시하였지만, 설명된 많은 소자들은 기판 위에 여러번 형성될 수 있는 것으로 가정됨).
도 3은 도 2의 라인 III-III'을 따라서 절취한 단면도.
도 4는 본 발명의 제 2 바람직한 실시예에 따른 TFT 기판에서 데이터 패드의 개략도.
도 5는 도 4의 IV-IV'을 따라 절취한 단면도.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 TFT 디스플레이 디바이스의 개략도.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 TFT 등가 회로의 개략도.
도 8a, 9a, 10a 및 11a는 본 발명의 제 1 바람직한 실시예에 따른 TFT 기판 제조시 중간 공정을 순차적으로 나타낸 개략도.
도 8b는 도 8a의 라인 VIIIb-VIIIb'을 따라서 절취된 단면도.
도 9b는 도 9a의 IXb-IXb'을 따라서 절취된 단면도이고, 도 8b에 도시된 단계를 도시한 도면.
도 10b는 도 10a의 라인 Xb-Xb'을 따라서 절취한 단면도이고, 도 9b에 도시된 단계를 도시한 도면.
도 11b는 도 11a의 라인 XIb-XIb'을 따라서 절취한 단면도이고, 도 10b에 도시된 단계를 도시한 도면.
도 12a는 본 발명의 실시예에 따른 나노구조-필름 픽셀 전극의 주사 전자 현미경(SEM) 영상을 도시한 도면.
도 12b 및 도 12c는 도 12a에 도시된 바와 같은 소스-드레인과 게이트 라인 사이의 교차부의 SEM 확대도.
도 12d는 본 발명의 실시예에 따른 나노구조-필름 픽셀 전극의 에지의 SEM 영상을 도시한 도면.
도 13a 및 도 13b는 본 발명의 추가 실시예에 따른 나노구조-필름 보조 데이터 패드의 SEM 영상을 도시한 도면.
도 14a는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 가변-두께 나노구조-필름의 개략도.
도 14b는 본 발명의 또한 다른 실시예에 따른 수직 정렬(VA) 모드 LCD 픽셀 전극 및 돌출 패턴의 개략도.
도 14c는 본 발명의 또한 다른 실시예에 따른 인-플레인 스위칭(IPS) 모드 LCD 픽셀 전극(예를 들어, 투명한 핑거 전극들)의 개략도.
도 15a 및 도 15b는 스프레이 방법을 이용하여 증착된 나노구조-필름의 스텝 커버리지, 접착력 및 패턴닝을 증명하도록 사용되는 제 1 시험 표면의 개략도.
도 16a, 16b, 및 16c는 제 1 시험 표면 상에 증착된 나노구조-필름의 SEM 영상.
도 17a 및 도 17b는 인쇄 방법을 이용하여 증착된 나노구조-필름의 스텝 커버리지, 접착력 및 패턴닝을 증명하도록 사용되는 제 2 시험 표면의 개략도.
도 18a 및 도 18b는 적어도 하나의 나노구조-필름 픽셀 전극을 포함하는, 본 발명의 실시예에 따른 액정 디스플레이(LCDs)의 개략도.
도 19a 및 도 19b는 적어도 하나의 나노구조-필름 전극을 포함하는, 본 발명의 추가 실시예에 따른 유기 발광 다이오드(OLED)의 개략도.
여러 도면에서 동일한 참조 번호로 언급된 본 발명의 특징, 소자 및 양상은 시스템의 하나 이상의 실시예에 따라 동일, 등가 또는 유사한 특징, 소자 또는 양상을 표시한다.
도 1을 참조하면, 박막 트랜지스터(TFT) 기판상에서 픽셀 전극의 제조는 패턴닝에 관해 매우 도전적일 수 있다. 투명한 전극 재료로서 ITO를 이용하면 종종 픽셀 및/또는 라인 결함들을 초래한다. 예를 들어, LCD용 TFT-LCD 패널 제조 공정에서, 전도성 재료가 패널의 의도되지 않은 부분(예를 들어, 인접한 픽셀 전극 사이 및/또는 픽셀 전극과 데이터 라인 사이)에 남으면, 픽셀 결함은 데이터 라인을 갖는 픽셀 전극(들) 및/또는 인접 픽셀 전극의 단락으로부터 일어난다.
또한, TFT 기판에서 픽셀 전극의 제조는 스텝 커버리지(step coverage)에 관한 도전일 수 있다. 부적절한 스텝 커버리지는 픽셀 전극이 하부 디바이스 층(예를 들어, 절연 보호층의 좁은 비아(via)를 통한 TFT 전극)과 전기적으로 접촉하는 것을 방지하고, 이는 다시 데드 픽셀을 일으킨다. ITO 투명 전극은 일반적으로 스퍼터링을 이용하여 증착되는데, 이 공정은 전형적으로 상대적으로 불량한 스텝 커버리지를 갖는 것으로 간주된다. "데드 픽셀(dead pixel)"을 최소화하기 위하여, 제조업자들은 특수하게 적응된 TFT 기판(예를 들어, 테이퍼된 게이트 전극들과 함께) 및/또는 고온 증착(이는 ITO 처리 시간을 크게 증가시킴)에 흔히 의지해야 한다.
이와 유사하게, ITO 투명 전극은 일반적으로 하부 보호층과의 우수한 접착을 이루기 위하여 비교적 고온에서 스퍼터링-증착되어야 하고, 그 결과의 디바이스는 단지 단기간의 사용 이상에 적합하게 된다.
도 2와 도 3을 참조하면, 본 발명의 제 1 바람직한 실시예에 따른 픽셀 전극은 능동 매트릭스 애플리케이션들에 적합하다. 즉, 상기 픽셀 전극은 비평면 표면(예를 들어, TFT 기판), 특히 절연 기판 위에 형성된 게이트 배선을 포함하는 표면에 증착될 수 있다. 상기 게이트 배선은, 예를 들어, 낮은 저항을 갖는 알루미늄 및/또는 구리족 금속으로 만들어질 수 있고, 수평으로 형성된 게이트 라인(22)(도 2)과, 게이트 라인(22)의 단부에 연결된 게이트 패드(24)를 포함할 수 있고, 상기 게이트 패드(24)는 게이트 신호를 수신하고(예를 들어, 외부 드라이브 회로로부터), 이 게이트 신호를 상기 게이트 라인(22)으로 전송한다. 상기 게이트 배선은 박막 트렌지스터용 게이트 전극(26)을 더 포함하며, 상기 게이트 전극(26)은 게이트 라인(22)에 연결된다.
게이트 절연층(30)은 상기 게이트 배선(gate wiring)을 커버할 수 있고, 바람직하게는 질화 규소(SiNx)와 같은 재료를 포함한다. 반도체 층(40)은 게이트 전극(26)에 해당하고 게이트 전극(26) 근처 영역에서 상기 게이트 절연층(30) 위에 형성될 수 있고, 무정형 실리콘과 같은 반도체 재료를 포함하는 것이 바람직하다. 옴 접촉층(ohmic contact layer)(55,56)은 반도체 층 위에 형성될 수 있고, 바람직하게는, n+ 수소화 무정형 실리콘(n+ a-Si:H, 예를 들어, n형 불순물로 고농도로 도핑된)과 같은 재료를 포함한다. 또한, 무정형 실리콘층(44,54)으로 이루어진 패드 보조층(45)은 상기 절연층(30) 위의 소정의 위치에 형성될 수 있다. 상기 패드 보조층(45)은 반도체층(40) 또는 옴 접합층(55,56)과 같은 층 위에 제조되는 것이 바람직하다.
데이터 배선은 또한 상기 게이트 절연층(30)과 상기 옴 접합층(55,56) 위에 형성될 수 있다. 이러한 데이터 배선은, 예를 들어, 알루미늄(Al) 또는 알루미늄-합금, 동(Cu), 또는 동-합금, 몰리브덴(Mo) 또는 몰리브덴-텅스텐(MoW) 합금, 크롬(Cr), 탄탈(Ta), 그리고 티타늄(Ti) 같은 금속으로 만들어질 수 있다. 이 데이터 배선은 바람직하게는 게이트 라인(22)을 가로지르는 수직으로 형성된 데이터 라인(62)을 포함하여(도 2), 상기 데이터 라인(62)으로부터 분기하고, 상기 옴 접촉층(55)을 덮도록 연장되는 픽셀과 소스 전극(65)을 한정한다. 이 데이터 배선은 소스 전극(65)으로부터 분리되고 게이트 전극(26)에 대해 소스 전극(65)과 대향하는 면의 옴 접촉층(56) 위에 형성된 드레인 전극(66)을 더 포함할 수 있다. 또한, 데이터 라인(62)의 일 단부에 연결되고 패드 보조층(45)을 덮도록 형성된 데이터 패드(68)가 데이터 배선에 포함되는 것이 바람직하고, 데이터 패드(68)는 영상 신호를 수신한다. 데이터 배선의 요소(62,65,66,68)가 두 개 이상의 층에 형성되는 경우, 한 층은 전도성 재료(예를 들어, 낮은-저항 알루미늄족 재료)로 형성되고, 다른 층은 제 1 재료{예를 들어, Cr/Al(또는 알루미늄 합금) 또는 Al/Mo 등}와 우수한 접촉 특성을 갖는 재료로 만들어지는 것이 바람직하다.
바람직하게 SiNx로 만들어진 보호층(70)은 데이터 배선 위, 데이터 배선을 덮지 않는 반도체층(40) 부분에 형성될 수 있다. 접촉 홀(76,78)은 각각 드레인 전극(66)과 데이터 패드(68)를 노출하고, 접촉홀(74)은 게이트 절연층(30)을 노출하며, 게이트 패드(24)는 보호층(70)에 형성되는 것이 바람직하다. 각각 게이트 패드(24)와 데이터 패드(68)를 노출하는 이러한 접촉홀(74,78)은 각도를 갖고/갖거나 원형 모양으로 형성될 수 있고, 0.5mm × 15㎛ 내지 2mm × 60㎛의 면적을 갖는 것이 바람직하다. 또한, 각각의 접촉 홀(78)은 패드 보조층(45)에 대응하는 것보다 큰 것이 바람직하다.
픽셀 전극(82)은 바람직하게는 보호층(70)에 형성되어, 접촉 홀(76)을 통해 드레인 전극(66)에 전기적으로 연결된다. 또한, 접촉 홀(74)을 통해 게이트 패드(24)를 연결하고 접촉 홀(78)을 통해 데이터 패드(68)를 각각 연결하는 보조 게이트 패드(86)와 절연 데이터 패드(88)는 보호층(70)에 형성될 수 있다. 바람직하 게, 픽셀 전극(82), 보조 게이트 패드 및 또는 보조 데이터 패드(86,88) 중 적어도 하나는 나노구조-필름을 포함한다. 픽셀 전극은 55nm에서 적어도 85%의 광학 투명성과 적어도 30Ω/스퀘어의 해당 면 저항을 갖는 것이 바람직하다.
본 발명의 바람직한 실시예에서, 이러한 나노구조-필름 구성요소는 나노튜브의 상호연결 네트워크를 포함한다. 이러한 재료들은 잠재적으로 비교될만한 전기적 특성을 갖고, 현재 사용되는 인듐-주석-화합물(ITO)보다 실질적으로 기계적으로 더욱 강한 것으로 나타났다. 따라서, 이로 이루어진 구성요소들은 현재 애플리케이션에서 고장(예를 들어, 크래킹)이 덜 일어날 뿐만 아니라, 유연한 TFT 기판(예를 들어, 유연한 기판에 증착된 유연한 TFTs)에 기초한 유연한 디스플레이와 같이 새로운 전자 디바이스를 가능하게 할 수 있다. 투명하고 유연한 나노구조-필름 TFTs는 발명의 명칭이 "Electronic Sensing of Biomolecular Processess"인 미국 정식 특허 출원 번호 제 10/431,963호, 발명의 명칭이 "Active Electronic Devices With Nanowire Composite Components"인 미국 정식 특허 출원 번호 제 10/582,407호, 발명의 명칭이 "Flexible Nanostructure Electronic Devices"인 미국 정식 특허 출원 번호 제 10/846,072호에 증명되어 있고, 이들 문헌은 본 명세서에서 참조로 포함되어 있다.
상술한 바와 같이, 픽셀 전극은 스위치를 끄고 켜지도록 해당 TFTs와 전기적으로 접촉하여 광 투과를 제어해야만 하기 때문에, 스텝 커버리지는 픽셀 전극(82)에 매우 중요하다. 이와 마찬가지로, 스텝-커버리지는 게이트와 영상 신호를 수신하기 위해 해당 게이트 및 데이터 패드와 각각 전기적으로 접촉해야만 하는 보조 게이트(86) 및 데이터 패드(88)에 매우 중요하다.
도 4와 도 5를 참조하면, 본 발명의 제 2 바람직한 실시예에서, 게이트 절연층(30)이 남아 있는 데이터 패드(68) 아래 영역을 제외하고, 데이터 패드(68)가 형성된 패드 부분의 특정 부분(P)으로부터 게이트 절연층(30)과 보호층(70)이 제거된다. 상기 보조 데이터 패드(88)는 데이터 패드(68)를 완전하게 덮고 기판(10) 위에서 소정의 거리만큼 연장될 수 있다. 이 결과, 보조 데이터 패드(88)는 돌출 방식(protruding manner)으로 형성될 수 있다. 이 구조는 본 발명의 제 1 실시예와 동일한 결과를 성취할 수 있다.
제 1 및 제 2 바람직한 실시예에서 TFT 기판 구조의 변형은 본 발명의 범위를 벗어나지 않고 사용될 수 있다는 점에 유의한다 (본 발명의 실시예에 따라 TFTs의 일반 등가 회로에 대해서는 도 7 참조). 도 6을 참조하면, TFT 기판들은 오버레이 층(overlying layer)을 추가하여 디바이스와 통합되는 것이 바람직하다. 예를 들면, 액정은 픽셀 전극과 공통 전극 사이에 증착되어, 외부 드라이빙 회로로부터 나오는 신호는 TFT를 통한 액정의 구성을 변화시키는데 사용될 수 있다. 이러한 디바이스들은 아래 예를 통하여 더욱 상세하게 논의된다.
도 2, 도 3, 도 8a 내지 도 11b를 참조하면, 상술된 TFT 기판 제조 방법은 기판(10)(예를 들면, 1000 ~ 3000 옹스트롬)(도 8a 및 도 8b) 위에 낮은 저항을 갖는 알루미늄족 금속의 층을 형성하는 단계를 포함할 수 있다. 이런 방법은 게이트 라인(22), 게이트 전극(26) 및 게이트 패드(24)를 포함하는 게이트 배선을 형성하기 위해 이 층을 패터닝하는 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 게이트 배선이 패턴화되면, 3개의 층, 즉 SiNx 층, 무정형 실리콘층 및 도핑된 무정형 실리콘 층은 게이트 배선 위의 기판(10)에 증착될 수 있다 (도 9a 및 9b). 이러한 3개 층은 게이트 절연층(30), 반도체층(40) 및 도핑된 무정형 실리콘층(50)으로 각각 패턴닝될 수 있다. 무정형 실리콘층(44,54)을 포함하는 상기 패드 보조 층(45) 또한 이 공정으로 구성될 수 있다.
바람직하게는, 게이트 절연층(30)은 적어도 300℃(또는 폴리머 기판이 사용되는 경우 적어도 100℃)의 온도에서 증착되어, 게이트 배선 위에 게이트 절연층(30) 형성시, 하부의 고저항 AlOX 층의 일부 또는 전부가 제거될 수 있고, 알루미늄족 금속 층으로부터 추출된 낮은 저항의 반응층이 형성될 수 있다. 또한, 산소, 헬륨 및/또는 아르곤을 포함하는 플라즈마를 사용하는 클리닝 공정은, 알루미늄족 금속층{즉, 게이트 배선의 소자(22,24,26)}에서 AlOX 층의 형성을 방지하기 위해, 게이트 절연층(20)을 증착하기 전에 원래 장소에서 수행되는 것이 바람직하다.
상기 공정 후, 금속 층(예를 들면, 크롬, 몰리브덴, 몰리브덴 합금, 티타늄, 탄탈 등을 포함)이 형성되고, 데이터 배선을 형성하기 위해 포토리소그래피-기반 패터닝이 일어난다 (도 10a와 10b). 특히, 이 공정에서는, 게이트 라인(22)을 교차하는 데이터 라인(62), 데이터 라인(62)에 연결되고 게이트 전극(65)을 넘어 연장되는 소스 전극(65), 데이터 라인(62)의 일 단부에 연결되고 패드 보조 층(45)을 커버하는 데이터 패드(68) 및 소스 전극(65)으로부터 분리되고 게이트 전극(26) 주위의 마주하여 위치하는 드레인 전극(66)이 형성된다.
다음에, 데이터 배선의 소자(62,65,66,68)를 커버하지 않는 도핑된 무정형 실리콘층(50)은 게이트 전극 주위에 두 부분을 형성하고 무정형 실리콘층(40) 사이의 반도체 패턴(40)을 노출하도록 에칭될 수 있다.
일단 상술된 3개 층이 증착 및 패턴화되면, 무기 절연층은 보호층(70)(도 11a와 11b)을 형성하기 위해 증착될 수 있다. 상기 게이트 절연층(30)으로서, 보호층(70)은 적어도 300℃의 온도에서 5분 이상의 간격으로 증착되는 것이 바람직하다. 따라서, 다음의 패턴닝은 게이트 패드(24), 드레인 전극(66) 및 데이터 패트(68)를 노출시키는 접촉홀(74,76,78)을 각각 형성하는데 사용된다.
제 2 바람직한 실시예의 구조를 구현하기 위해, 보호층(70) 및 게이트 절연층(30)은 데이터 패드 부분으로부터 제거될 수 있다.
결국, 도 2 내지 도 8을 참조하면, 나노구조-필름층은 바람직하게 접촉 홀(76)을 통하여 드레인 전극(66)에 연결된 픽셀 전극(82)을 형성하고, 접촉 홀(74)을 통해 게이트 패드(24)에, 접촉 홀(78)을 통해 데이터 패드(68)에 각각 연결된 보조 게이트 패드(86) 및 보조 데이터 패드(88)를 형성하도록, 증착되고 패턴화될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 나노구조-필름들은, 예를 들면, 스프레이-코팅, 딥-코팅, 드롭-코팅 및/또는 캐스팅, 롤-코팅, 트랜스퍼-스탬핑, 및 또는 잉크젯 프린팅을 이용하여 TFT 기판 위에 증착될 수 있다. 이런 나노구조-필름들은 증착 전(예를 들면, 트랜스퍼-스탬핑), 증착 중(예를 들면, 잉크젯-프린팅), 및 또는 증착 후{예를 들면, 포토리소그래피, 에칭 및 또는 리프트오프(liftoff)}에 부가적으로 패턴닝될 수 있다. 또한, 폴리머 재료는 나노구조-필름과의 복합체(composite)로서 아래 또는 위에 증착될 수 있다.
상술된 바와 같이, 픽셀 전극(82), 보조 게이트 패드(86) 및 또는 보조 데이터 패드(88)의 제조는 일반적으로 비평면 표면 위에(예를 들면, 비아(via) 및/또는 TFTs) 증착되어야 한다는 사실 때문에 복잡하다. 스텝-커버리지는 능동 매트릭스 디바이스에서 특히 중요한데, 이런 구조들은 일반적으로 좁은 비아를 통해서 하부 디바이스 층{예를 들면, 드레인 전극(66), 게이트 패드(24) 및 데이터 패드 (68)}과 전기적으로 접촉하여야 한다. 투명한 전도성 나노구조-필름은 이러한 비평면 표면에 미리 제어 가능하도록 증착되지 않는 것으로 간주된다.
도 2, 12a, 12b, 12c 및 12d를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 나노구조-필름 픽셀 전극(82)은 중첩 소스-드레인(65,66)과 게이트(26) 전극 라인{즉, 접촉 홀(76) 위}에 인접하여 증착 및 패턴화되었다. 도 12d에서 알 수 있는 바와 같이, 픽셀 전극 경계의 확대는 나노구조-필름의 성공적 패터닝을 증명한다. 상술한 픽셀 및 라인 결함의 잠재적 정보가 제공되면, 깔끔하게 패턴화된 라인이 중요하다 (도 1 참조).
이와 유사하게, 도 13a 및 13b를 참조하면, 본 발명의 추가 실시예에 따른 나노구조-필름 보조 게이트 패드(86)는 게이트 패드(24) 위에 증착되었다. 픽셀 전극(82)에 따라, 보조 게이트 패드는 성공적인 나노구조-필름 패턴닝을 디스플레이했다. 더욱이, 도 13b는 성공적인 나노구조-필름 스텝-커버리지를 도시하는데, 나노구조-필름은 접촉 홀 스텝을 커버하고 하부 게이트 패드와 접촉하는 것을 보여준 다. 이러한 스텝의 높이(예를 들면, SiNx 보호층의 두께)는 300nm 이하이고, 제조된 TFT 기판상의 대부분의 접촉 홀 및 비아(via)의 특성이다.
도 12a, 12b, 13a 및 13b에 도시된 나노구조-필름 구성요소는 딥-코팅 및 건조 에칭 공정을 사용하여 제조되었다. 특히, 시험 TFT 기판은 나노구조 용액{예를 들어, Triton-X 계면활성제로 탈이온수(DI)에 용해되어 있는 카본 솔루션사의 P3 아크 방전 단일벽 나노튜브(SWNTs)를 포함}에 딥핑되어 있고, 전자는 전처리(예를 들어, 1% 실란 용액에 적셔 있음)되어, 나노구조 용액의 박층이 딥핑시 기판 표면을 코팅했다. 이어서, 용매는 핫 플레이트 위에 코팅 기판을 통과시켜 용액으로부터 증발되었다. 또한, 기류 블로우 건조(air-flow blow drying)에 의해 용매 증발이 촉진된다. 그 후, 상기 기판은 나노구조-필름으로부터 계면활성제를 제거하기 위해 세척된 후(예를 들면, 초순수를 이용해서), 기류 블로우 건조와 열로 건조되었다.
이런 나노구조-필름은 먼저 나노구조-필름 위에 저항층을 증착(예를 들면, 스핀-코팅) 및 패턴닝(예를 들면, 포토리소그래피)하고 나서, 나노구조-필름의 노출부를 건조 에칭하여{예를 들면, 반응성 이온 에칭(RIE) 및 아르곤(AR) 플라즈마를 사용하여} 패턴화되었다. 불활성 가스는 일반적으로 희석제{예를 들면, 대부분의 직접 회로(IC) 재료와 크게 반응하지 않기 때문에, 부식액(etchant)보다는}로만 건조 에칭에 사용되는 반면, 본 발명에 사용되는 바와 같이 이러한 가스들(예를 들면, 아르곤, 헬륨, 네온, 크세논)은 효율적인 에칭 가스로서(예를 들면, 탄소용) 사용될 수 있고, 예를 들면 나노튜브와 패시베이션 재료들(예를 들면, 질화규소(SiNx:H), 이산화규소(SiO2), 무정형 실리콘(a-Si:) 및 폴리-실리콘(poly-Si)} 사이에 높은 선택성 제어를 허용한다는 점에서 많은 다른 건조 가스들에 비해서 유리하다.
트리톤-X가 나노구조-필름 증착시 계면활성제로서 사용될 때, 기판 전처리는 일반적으로 필요하지 않다(예를 들면, 유리 또는 폴리에틸렌(PET) 상의 나노튜브에 대해서). 그러나, 초창기 실험에서, 나노구조-필름은 TFT 기판의 SiNx 패시베이션 표면으로의 적절한 접착을 증명하지 못했고, 계면활성제 제거 단계 동안 씻겨 나갈 것이다. 결국 SiNx 표면의 실란 전처리는, SiNx의 표면 에너지를 증가시켜 이런 문제를 해결할 수 있음을 알아냈다. 플라즈마 전처리는 마찬가지로 상대적으로 효과적이라는 것으로 보여준다.
예: 가변 두께의 나노구조-필름
본 발명의 실시예에서, 나노구조-필름층은 디바이스 기판의 서로 다른 부분에서 서로 다른 두께로 형성될 수 있다. 이러한 제조는 선택적인 나노구조 증착 및/또는 패턴닝 기술에 의해 성취될 수 있다.
예를 들면, 도 2와 도 14a를 참조하면, 상술된 바와 같이 TFT 픽셀 전극을 형성하는 나노구조-필름(82,86)은 특정 영역{예를 들면, TFT전극(76) 및/또는 패드(74)에 대한 접촉홀}에 형성된 보다 더 두꺼운 부분을 포함할 수 있고, 이 경우, 하부 구성요소들(예를 들어, TFT 전극들, 게이트 패드들)이 흔히 투명하지 않다고 가정하면, 투명성이 반드시 요구되지는 않으며, 반면, 보다 더 얇은 부분이 픽셀 영역의 보호층(70)에 형성될 수 있는데, 이때는 투명성이 가장 중요하다. 이런 가변 두께는 접촉 홀을 통해 적절한 접촉이 이루어지고/지거나 적절한 광학 투명성이 픽셀에서 유지됨을 보장할 때 오류 한계를 고려할 수 있다.
이와 유사하게, 도 14b를 참조하면, 이러한 다양한-두께 나노구조-필름은 수직 배열(VA) 모드 LCDs에 사용될 수 있다. 예를 들면, 이러한 디바이스의 돌출 영역은 나머지 픽셀 영역(예를 들면, 마스킹 및 또는 패턴화된 스탬프를 통해)보다 더 많은 증착 주기를 거칠 수 있다. 부가적으로 또는 대안적으로, 두꺼운 픽셀 전극 필름의 돌출 영역은 픽셀 전극의 나머지 부분이 에칭되는 동안 마스킹될 수 있다. 컬러 필터 기판 및/또는 패널의 돌출은 이와 마찬가지로 나노구조-필름으로부터 형성된다.
추가로, 도 14c를 참조하면, 평면 구동 방식(in-plane switching)(IPS) LCD 모드(예를 들면, 본원에 참조된 미국 특허 번호 5,598,285에 기술된 구조)에서, 불투명한 SD 금속은 본 발명의 실시예에 따른 나노구조-필름 픽셀 전극들로 대체될 수 있다. 이와 같은 전극들은 감소된 백라이트 전류 요건들로 인해 픽셀 개구 면적의 투과율을 개선하고 전력 소모를 감소시킬 수 있다.
예: 시험 표면 1 - 스프레잉 방법
본 발명의 다른 비제한적이고 예시적인 실시예에 따라, 나노튜브의 상호연결 네트워크를 포함하는 투명하고 도전성이 있는 나노구조-필름은 스프레잉 방법에 의해 비평면 표면 위에 증착된다.
도 15a 및 도 15b를 참조하면, 우선 유리 기판상에 포토레지스트로부터 시험 표면이 제조되어, 시험 표면은 1 ~ 2 마이크론 높이, 2mm 분리된 2mm 폭의 포토레지스트 스텝을 포함한다. 그 후, 이 표면은 실란(예를 들어, 증기 또는 1% 수용액)으로 전처리되는 반면, 상업적으로 이용 가능한 SWNT 분말이 계면활성제{예를 들어, 1% 소듐 도데실 설페이트(SDS)}와 용매에 용해되며, 초음파 처리 및 원심분리되었다. 이 결과의 SWNT 용액은 전처리 표면(예를 들어, 핫 플레이트 위)으로 스프레이 증착되고, 이는 추후 세척되어(예를 들어, 실온 탈이온수에 침지) 계면활성제를 제거한다. 이와 같은 스프레이 및 세척 사이클은 원하는 필름 특성(예를 들어, 시트 저항 및 광 투명성)이 얻어질 때까지 반복될 수 있다.
도 16a 내지 도 16c를 참조하면, 상술된 예시적인 방법에 따른 스프레잉에 의해 제조된 나노구조-필름은, 가시 및 UV 파장 범위에서 80% 이상의 투명성과, 기판 스텝(R12) 사이에서 약 1300옴(ohm), 기판 스텝(R34) 영역에서 약 1300옴의 대응하는 시트 저항을 갖고, 양호한 스텝 커버리지를 나타냈다. 도전성은 본원에 참조된 Hu L.B.; Hecht D.S.; Gruner G. Nano Lett. 2004, 4, 2513에 기재된 방법을 사용하여 1000S/cm가 넘는 것으로 측정되었다.
본 발명의 추가 실시예에 따른 스프레이-증착 방법은 더 좋은 스텝 커버리지를 성취하기 위하여 다수의 각도(multiple angle)에서 기판을 분무하는 단계(예를 들어, 이동 및/또는 다수의 노즈를 이용)를 포함할 수 있다. 부가적으로 또는 대안 적으로, 본 발명의 실시예에 따른 스프레이 방법은 롤-대-롤 장치(roll-to-roll apparatus)를 이용하여 스케일업(scaled-up)될 수 있다. 한 번에 단지 하나의 구성요소만을 처리하는 배치 공정과 비교해서, 롤-대-롤 공정은 처리량을 크게 증가시키는 반면, 현재 제조 실행과 상당한 차이를 나타내고, 자본이 드는 장비와 디스플레이 부품 비용을 감소시킬 수 있다.
예를 들어, 가요성 시트 기판(예를 들어, PET와 같은 중합체를 포함)은 롤을 감기 위하여 소스 롤(source roll)로부터 감기거나 스풀링되어, 이동하는 기판이 노즐에 인접하여 통과하여, 기판 위에 나노구조 현탁액을 증착시킨다. 노즐들은 서로 다른 각도에서 배향되고/되거나 기판은 스텝 영역(stepped area)을 더 잘 덮기 위해 서로 다른 노즐 아래 또는 이에 인접하게 서로 다른 각도에서 향할 수 있다. 원하는 경우, 기판은 인접한 노즐 사이의 탈이온수(DI) 및/또는 메탄올 수조(bath)를 통과할 수 있다. 탱크를 통해, 그리고 노즐 사이에 기판 또는 웹을 안내하기 위해 중간 롤 또는 모터가 사용될 수 있다. 노즐에 인접한 롤 또는 모터는 100℃의 온도로 가열되어(즉, "핫 모터"), 나노구조-필름은 이동하는 기판의 가열부에 증착된다. 추가 또는 대안적으로, 기판은 증착 영역에 가열 램프 및/또는 열 히터를 사용하여 가열될 수 있다.
예: 시험 표면 2 - 스탬핑/인쇄 방법
본 발명의 다른 특정한 비제한적인 예시적 실시예에 따라, 나노튜브의 상호연결 네트워크를 포함하는 투명하고 전도성이 있는 나노구조-필름은 스탬 핑(stamping) 방법(대안적으로, "프린팅"이라 칭함)을 이용하여 제 2의 비평면 시험 표면 위에 증착된다.
도 17a 및 도 17b를 참조하면, 시험 표면은 먼저 유리 기판에서 증발된 금으로부터 제조되어, 시험 표면은 200nm 높이, 5mm 간격을 갖는 1mm 폭의 금 스텝(gold step)을 포함한다. 그 후, 나노튜브가 용해되고(예를 들어, 이전 예에서와 같이) 알루미늄 필터에 증착되어, 나노구조-필름을 형성한다. 세척(예를 들어, 물을 이용) 및 건조(예를 들어, 열 및/또는 기류 블로우 건조) 후, 이 필름은 폴리(디메틸실록산)(PDMS) 스탬프와 등각으로 접촉하여 배치되며, 이 막을 PDMS 스탬프로 전달한다. 제 2 시험 표면과 등각으로 접촉하면서 PDMS 스탬프를 가열하여(예를 들어, 80℃), 필름을 운반했다. PDMS 스탬프는, 실리콘 엘라스토머 베이스와 경화제를 혼합하고(예를 들어 1:10의 비로), 이 혼합물을 실리콘 마스터(silicon master)(예를 들어, 실리콘 웨이퍼 상의 패턴화된 SU-8)에서 경화시켜 제조된다.
이 예시적인 방법을 이용하여 형성된 나노구조-필름은 기판 스텝(R12) 사이의 영역에서 약 400옴, 기판 스텝(R34) 위의 영역에서 약 730옴의 측정 시트 저항을 갖고, 양호한 스텝-커버리지를 나타냈다. 본 발명의 추가 실시예에 따른 스탭 방법은, 나노구조-필름-베어링 스탬프를 서로 상이한 상대 각도로 기판과 접촉시켜 기판의 비평면 부분에 나노튜브 필름의 층을 형성하는 단계를 포함할 수 있다. 추가 또는 대안적으로, 스탬프는 비평면 외형(예를 들어, 비평면 기판 표면 외형의 반대)을 가질 수 있어서, 비평면 기판 표면에 더욱 고르게 나노구조-필름을 증착시킬 수 있다.
미리아드 디바이스(myriad device)는 본 발명의 실시예에 따라 나노구조 필름 픽셀 전극을 기초로 할 수 있다. 예는 선택적으로 광 투과를 허용하기 위해 사용될 수 있는 능동 매트릭스 디스플레이를 포함하지만 이에 제한되지 않고, 적어도 반투과 픽셀 전극(예를 들어, LCDs)을 필요로 한다. 추가 예는, 디스플레이(예를 들어, 유기 발광 다이어오드(OLED) 디스플레이들)의 전면과 배면 모두에서 시청할 수 있도록 적어도 반투명 픽셀 전극을 이용하는 능동 매트릭스 디스플레이를 포함하지만, 이에 제한되지 않는다. 또한, 나노구조-필름의 잠재적으로 우수한 기계적 특성 때문에, 상술된 디스플레이들은 가요성일 수 있다. 본원에 사용된 바와 같이, 재료층 또는 서로 다른 재료의 일련의 여러 층은, 층 또는 층들이 관련 파장의 주변 전자기 방사선의 적어도 50%가 층 또는 층들을 통해 투과되도록 할 때 "투명한"것으로 간주된다. 이와 유사하게, 관련 파장에서 주변 전자기 방사선의 50% 미만을 투과하는 층은 "반투명"하다고 한다.
예: 액정 디스플레이
도 18a 및 도 18b를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 나노구조-필름 픽셀 전극은 액정 디스플레이들(LCDs), 특히 상술된 능동 매트릭스 LCDs에 사용될 수 있다. 이와 같은 디바이스들은 전극(1810,1850)을 갖는 2개의 기판과, 이에 증착된 결정 정렬층(1820,1840) 사이에 주입되는 액정 물질(1830)을 포함할 수 있다. 바람직하게, 적어도 하나의 전극층은 나노구조-필름 픽셀 전극을 포함한다.
예: OLED 디스플레이
도 19를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 나노구조-필름 픽셀 전극은 전기 발광(EL) 디바이스에 사용될 수 있고, 여기서 전자와 정공(hole)은 능동층 재료의 도핑을 통해서 분리된다(예를 들어, 유기 발광 다이오드들(OLEDs)에서와 같은 p-n 접합을 형성). 바람직하게는, 이러한 디바이스는 정공과 전자가 애노드(anode)(1910)와 캐소드(cathode)(1930)로부터 각각 주입되는 EL 활성층(1920)(예를 들어, 중합체 및/또는 작은 분자를 기초로 한 물질)을 포함하고, 애노드(1910)와 캐소드(1930) 중 적어도 하나는 투명한 전도성 나노구조-필름을 포함한다. 이와 같은 디바이스는 적어도 하나의 버퍼층(1940,1950)(예를 들어, TPD-Si2, TFB, CuPc 및/또는 CS2CO3)을 더 포함할 수 있다.
본 발명은 바람직한 특징들 실시예들과 관련하여 상술되었다. 그러나, 당업자는 본 발명의 범위를 벗어나지 않고 이들 바람직한 실시예에서 변경과 수정이 수행될 수 있음을 인지할 것이다. 기재된 실시예의 이들 및 각종 다른 적응들 및 조합들은 본 발명의 범위 내에 있다.
상술한 바와 같이, 본 발명은, 일반적으로 픽셀화된 디바이스, 보다 구체적으로는 적어도 하나의 나노구조-필름을 포함하는 픽셀 전극을 제공하는데 사용된다.

Claims (20)

  1. 나노구조-필름을 포함하는 픽셀 전극으로서,
    상기 픽셀 전극은 전기 전도성이고 광학적으로 투명한, 픽셀 전극.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 픽셀 전극은 비평면 표면 위에 증착되는, 픽셀 전극.
  3. 제 2항에 있어서, 상기 비평면 표면은 박막 트랜지스터(TFT) 기판인, 픽셀 전극.
  4. 제 3항에 있어서, 상기 픽셀 전극은 하부 전극(underlying electrode)과 전기적으로 접촉하는, 픽셀 전극.
  5. 제 4항에 있어서, 상기 하부 전극과 상기 픽셀 전극은 보호층에 의해 분리되고,
    상기 하부 전극은 트렌지스터의 소스 전극과 드레인 전극 중 하나이며,
    상기 픽셀 전극은 상기 보호층의 접촉 홀(contact hole)을 통하여 상기 하부 전극과 접촉하는, 픽셀 전극.
  6. 제 5항에 있어서, 상기 나노구조-필름은 나노튜브의 상호 연결 네트워크를 포함하는, 픽셀 전극.
  7. 제 6항에 있어서, 상기 보호층은 질화 규소를 포함하는, 픽셀 전극
  8. 제 7항에 있어서, 상기 픽셀 전극은 제 1 부분과 제 2 부분을 포함하고, 상기 제 1 부분은 상기 제 2 부분보다 더 두꺼운, 픽셀 전극.
  9. 제 8항에 있어서, 접촉 홀은 적어도 깊이가 300nm인, 픽셀 전극.
  10. 제 9항에 있어서, 상기 픽셀 전극은 550nm에서 적어도 85%의 광학 투명성을 갖고 적어도 30Ω/스퀘어의 대응하는 면 저항(sheet resistance)을 갖는, 픽셀 전극.
  11. 픽셀 전극을 포함하는 능동 매트릭스 픽셀화 디바이스(active matrix pixilated device)로서,
    상기 픽셀 전극은 제 1 나노구조-필름을 포함하고,
    상기 픽셀 전극은 보호층의 접촉 홀을 통하여 하부 트렌지스터 전극과 전기적으로 접촉하는, 능동 매트릭스 픽셀화 디바이스.
  12. 제 11항에 있어서, 보조 패드(auxiliary pad)를 더 포함하고,
    상기 보조 패드는 제 2 나노구조-필름을 포함하며,
    상기 보조 패드는 상기 보호층을 통한 패드 접촉 홀을 통하여 하부 패드와 전기적으로 접촉하는, 능동 매트릭스 픽셀화 디바이스.
  13. 제 12항에 있어서,
    상기 패드는 게이트 패드와 데이터 패드 중 적어도 하나이고,
    상기 보조 패드는 보조 게이트 패드와 보조 데이터 패드 중 적어도 하나이며,
    상기 하부 트랜지스터 전극은 트렌지스터의 소스 전극과 드레인 전극 중 하나인, 능동 매트릭스 픽셀화 디바이스.
  14. 제 13항에 있어서, 제 1 나노구조-필름과 제 2 나노구조-필름 중 적어도 하나는 나노튜브의 상호 연결 네트워크를 포함하는, 능동 매트릭스 픽셀화 디바이스.
  15. 제 11항에 있어서, 상기 하부 트렌지스터 전극은 제 3 나노구조-필름을 포함하는, 능동 매트릭스 픽셀화 디바이스.
  16. 비평면 표면상에 나노구조-필름을 증착시키는 단계를 포함하는 픽셀 전극 제조 방법으로서,
    상기 픽셀 전극은 광학적으로 투명하고 전기 전도성이 있으며,
    상기 픽셀 전극은 상기 하부 전극과 상기 픽셀 전극을 분리하는 보호층의 접촉 홀을 통하여 하부 전극과 전기적으로 접촉하는, 픽셀 전극 제조 방법.
  17. 제 16항에 있어서, 상기 비플랫 표면은 박막 트렌지스터 기판인, 픽셀 전극 제조 방법.
  18. 제 17항에 있어서, 상기 나노구조-필름을 패턴닝하는 단계를 더 포함하는, 픽셀 전극 제조 방법.
  19. 제 18항에 있어서, 상기 하부 전극은 트랜지스터의 소스 전극과 드레인 전극 중 하나인, 픽셀 전극 제조 방법.
  20. 제 19항에 있어서, 상기 나노구조-필름은 나노튜브의 상호 연결 네트워크를 포함하는, 픽셀 전극 제조 방법.
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