KR20120087752A - 상전이형 산화인듐주석 투명전도막을 전극으로 갖는 액정 디스플레이 장치, 유기 발광 표시장치 및 터치스크린 - Google Patents
상전이형 산화인듐주석 투명전도막을 전극으로 갖는 액정 디스플레이 장치, 유기 발광 표시장치 및 터치스크린 Download PDFInfo
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Abstract
본 발명은 상전이형 투명도전막을 전극으로 갖는 디스플레이 장치 및 터치스크린에 관한 것으로서, 액정 디스플레이와 유기 발광 소자 그리고 터치 스크린을 포함한다. 상전이형 투명도전막은 상온에서 스퍼터로 증착할 시에는 비정질상을 나타내다 약 120~250℃, 더욱 바람직하게는 120~220℃의 열처리 과정을 거치면서 결정질 상으로 전이하는 것을 특징으로 한다. 따라서, 사용 목적에 따라 혹은 사용하는 환경에 따라 투명 전극의 상 조절이 가능하게 된다.
Description
본 발명은 광학적, 전기적 특성이 우수하면서도, 에칭 가공성이 우수한 상전이형 산화인듐주석 투명전도막을 전극으로 갖는 액정 디스플레이 장치, 유기 발광 표시 장치(OLED) 및 터치 스크린 장치에 관한 것이다.
현재 디스플레이 장치 및 터치 스크린 장치의 투명전도막으로는 산화인듐에 주석을 도핑한 산화인듐주석(ITO)막이 광범위하게 사용되고 있다. 산화인듐주석(ITO)막은 투명성, 전도성, 등이 우수할 뿐만 아니라, 에칭 가공이 가능하고 유리 기판과의 밀착성이 우수한 이점이 있다.
현재 사용 되어지고 있는 산화인듐주석(ITO) 박막은 대부분 비정질 산화인듐주석(ITO) 박막으로 성막시에 저온 분위기에서 투입가스에 수소나 물을 같이 투입하여 비정질 산화인듐주석(ITO)막을 성막하고, 이 비정질 산화인듐주석(ITO)막을 약산으로 에칭하여 패터닝을 하고 있다.
그러나, 이러한 방법은 이미 기존에 보고된 바와 같이 스퍼터링 시에 투입된 수소 또는 물로 인하여 이상 방전이 야기되어 산화인듐주석(ITO) 타겟 상에 노듈(Nodule)이라고 불리는 이상 돌기를 발생시키고, 막에 국부적인 고저항을 야기하는 불순물 응집체의 형성을 유발시키는 문제점을 가지고 있었다.
또한 이러한 공정상의 문제뿐만 아니라 차세대 디스플레이 장치에 적용이 불가한 단점을 야기하고 있다. 차세대 액정 표시 장치의 경우 입체 영상 구현을 위하여 TFT의 채널층을 형성하는 반도체층의 물질로 기존의 비정질 실리콘에서 산화 아연 다원소 산화물 반도체 또는 주석계의 다원소 산화물 반도체로 대체하려 하고 있다. 산화 아연 또는 주석계의 다원소 산화물 반도체는 비정질 실리콘(a-Si)에 비하여 우수한 전자 이동도와 빠른 스위칭 속도를 제공하지만 수분에 취약한 단점이 존재한다. 따라서 공정 중 사용 되어지는 수분으로 인하여 산화 아연 또는 주석계의 다원소 산화물 반도체가 손상되어질 위험이 존재한다.
한편, 유기 발광 표시 장치(OLED)의 경우 산화인듐주석(ITO) 박막 위에 발광 유기물을 직접 증착하는 방식을 사용하기 때문에 산화인듐주석(ITO) 박막의 평탄도와 박막에 포함된 수분 및 기타 기체 입자들이 유기 발광 표시 장치의 수명에 밀접한 영향을 미친다.
그렇기 때문에 차세대 액정 표시 장치 및 유기 발광 표시 장치에는 기존의 비정질 산화인듐주석(ITO)박막 증착 기술을 사용하기에는 한계가 있다.
본 발명은 상기와 같은 배경하에서 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 에칭 가공성이 우수하여 하부 재료 및 기타 물질의 침식을 발생시키지 않는 투명전도막을 전극으로 갖는 디스플레이 장치 및 터치스크린을 제공하는 것이다.
또한, 공정상에서 수분의 사용 없이 타겟 표면에 노쥴(Nodule) 등의 제반 문제를 야기시키지 않는 투명전도막을 전극으로 갖는 디스플레이 장치 및 터치스크린을 제공하는 것이다.
또한, 본 발명은 비저항이 낮고 투과율이 높아 우수한 전기적 및 광학적 특성을 나타낼 뿐만 아니라 높은 일함수를 가지는 투명전도막을 전극으로 갖는 디스플레이 장치 및 터치스크린을 제공하는데 목적이 있다.
상기한 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은, 비정질 실리콘(a-Si), 다결정 실리콘(poly-Si), 산화 아연 다원소 산화물 또는 주석계 다원소 산화물의 반도체층을 채널층으로 하는 박막트랜지스터와, 상기 박막트랜지스터와 연결되는 패턴된 화소전극을 포함하며 상기 화소전극은 인듐, 주석, 갈륨을 포함하되, 주석원자의 함유율이 인듐원자 및 주석원자의 합계 대비 3.5 내지 11원자%이고, 갈륨원자의 함유율이 인듐원자, 주석원자 및 갈륨원자의 합계 대비 0.7 내지 7원자%이고,(보다 바람직하게는 갈륨원자의 함유율이 인듐원자, 주석원자 및 갈륨원자의 합계 대비 2.5 내지 6원자% 이고 또한, 주석원자의 함유율이 인듐원자 및 주석원자의 합계 대비 5 내지 10원자%이다.) 상전이성을 갖는 것을 특징으로 하는 상전이형 투명전도막을 전극으로 갖는 액정 디스플레이 장치와 그 제조방법을 제공한다.
바람직하게는, 패턴된 화소 전극의 형상은 MVA(Multiple-domain Vertical Alignment),PVA(Patterned Vertical Alignment),IPS(In-plain Switching),FFS(Fringe Field Switching),PLS(Plane to Line Switching) 형상을 따른다.
또한 본 발명은, 비정질 실리콘(a-Si), 다결정 실리콘(poly-Si), 산화 아연계 다원소 산화물 또는 주석계 다원소 산화물의 반도체층을 채널층으로 하는 박막트랜지스터와, 상기 박막트랜지스터와 연결되는 전극을 구비하고 상기 전극은 금속층(Ag, Al, Ni, Au, Pt, Pd, Cr, Cu, Ti 등)위에 상전이형 산화인듐주석 투명전도막이 증착된 형태이거나 혹은 상전이형 산화인듐주석 투명전도막 사이에 금속층이 존재하는 적층구조를 가지며 상기 상전이형 산화인듐주석 투명전도막은 인듐, 주석 및 갈륨을 포함하되, 주석원자의 함유율이 인듐원자 및 주석원자의 합계 대비 3.5 내지 11원자%이고, 갈륨원자의 함유율이 인듐원자, 주석원자 및 갈륨원자의 합계 대비 0.7 내지 7원자%이고,(보다 바람직하게는 갈륨원자의 함유율이 인듐원자, 주석원자 및 갈륨원자의 합계 대비 2.5 내지 6원자% 이고 또한, 주석원자의 함유율이 인듐원자 및 주석원자의 합계 대비 5 내지 10원자%이다.) 상전이성을 갖는 것을 특징으로 하는 상전이형 투명전도막을 전극으로 갖는 유기 발광 표시 장치(OLED)와 그 제조 방법을 제공한다.
또한 본 발명은, 상기한 바와 같은 상전이형 투명전도막을 전극으로 갖는 터치스크린을 제공한다. 특히, 정전식(Capacitive) 터치 스크린 장치와 그 제조방법을 제공한다.
본 발명의 제조방법에 따르면, 상전이성을 갖는 상전이형 투명전도막을 패턴하는 공정에서는 전극이 비정질 상을 유지하도록 하고 상기 작업 후 120℃~250℃, 더욱 바람직하게는 120~220℃ 사이의 열 처리를 통하여 결정질 상으로 상전이 시키는 것을 특징으로 한다. 특히, 제2온도 구간이 120~220℃을 만족하는 경우, 투명전도막이 사용되는 예컨대, 디스플레이 장치의 다른 구성요소들의 고온 손상을 방지할 수 있어, 매우 실질적이며 효과적이다. 이는 예컨대 디스플레이 장치의 제조 공정이, 보다 낮은 온도 조건에서 수행될 수 있도록 허용함으로써, 직접적으로는 제조공정의 공정비용을 절감하고 공정 제어를 용이하게 한다. 또한, 보다 낮은 고온 내구성을 갖는 구성요소의 사용을 가능하게 한다. 이는 보다 다양한 구성요소의 호환성을 높여, 종국적으로 디스플레이 장치의 원가를 절감할 수 있게 한다.
상기한 구성에 따르면, 비정질상의 투명 전도막을 형성할 수 있기 때문에 약산에서 에칭이 가능하여, 종래의 강산 에칭에 의해 일어날 수 밖에 없었던 하부 라인의 침식 발생 및 에칭 후 잔사의 발생을 방지할 수 있다.
또한, 본 발명의 투명 전도막은 추가적인 수분(H2O)의 주입 없이 스퍼터링 공정을 수행하므로, 산화 아연계 또는 주석계 다원소 산화물 반도체층을 채널층으로 하는 박막트랜지스터와 유기 발광 표시 장치의 유기물층이 수분에 의하여 손상되는 현상을 피할 수 있다.
또한 본 발명의 투명 전도막은 패터닝 공정 후 추가적인 열처리를 통하여 비정질상에서 결정질상으로 전이할 수 있는 특징이 있다. 이러한 특징을 바탕으로 정전식(Capacitive) 터치 스크린의 전극과 액정 디스플레이용 화소 전극 (및 공통 전극) 그리고 유기 발광 표시 장치의 양극 전극의 형성시 패터닝 공정까지는 비정질상을 유지하여 미세 패턴의 형성이 가능하도록 하고 패터닝 공정이후 추가적인 열처리를 통하여 투명 전도막이 결정질상으로 전이되도록 한다.
투명 전도막이 열처리를 통하여 결정질상으로 전이되었을 경우의 효과는 보다 구체적으로, 정전식(Capacitive) 터치 스크린의 경우는 기판과 투명 전도막과의 접착력 증가, 전기적 광학적 특성 그리고 장치의 신뢰성 향상이 가능하다. 또한 액정 표시 장치의 경우 화소 전극의 저항 저하로 보다 높은 해상도와 주파수가 가능하여 차세대 고화질 입체 영상 구현이 가능해 질 뿐만 아니라 기계적, 광학적 특성의 향상으로 rubbing 또는 광배향과 같은 보다 다양한 액정 배향 방식의 적용이 가능해진다. 또한 유기 발광 표시 장치의 경우, 투명 전도막과 하부의 은(silver) 전극과의 접합력 향상으로 인한 특성 향상과 광학적 특성 향상으로 인한 유기 발광 소자의 효율 향상 그리고 비정질상에서 발생하는 투명 전도막내의 원소들의 유기물층으로 확산되는 것을 억제하는 것이 가능해진다. 따라서 본 발명의 투명전도막은 고내구성, 저저항이 요구되는 터치 스크린과, 액정 디스플레이 장치, 그리고 유기 발광 표시 장치 등, 각종 디스플레이 장치의 투명전극으로 사용될 수 있다.
도 1은 본 발명의 액정 디스플레이 패널을 개략적으로 나타내는 단면도이다
도 2는 본 발명의 액정 디스플레이 패널의 단위 픽셀의 개략적의 등가 회로도이다.
도 3는 본 발명의 액정 디스플레이 패널의 패턴된 화소 전극의 형상을 개략적으로 보여주는 도면이다.
도 4는 본 발명의 유기 발광 표시 장치 에너지 diagram 을 나타내는 도면이다.
도 5a 및 도 5b는 Top-emission 타입의 유기 발광 표시 장치의 구조를 대략적으로 나타내는 도면이다
도 6는 본 발명의 정전식(Capacitive) 터치 스크린의 다이아몬드형 전극 패턴의 단일 셀을 나타내는 도면이다.
도 7은 본 발명의 투명전도막 및 종래의 투명전도막의 화소 전극을 비교 평가한 결과를 보여준다.
도 8 내지 도 10은 본 발명의 투명전도막의 조성, 결정화 온도 및 비저항의 관계를 보여주는 도면이다.
도 11는 본 발명의 실시예 1의 투명전도막의 XRD 분석 결과를 보여주는 도면이다.
도 12는 비교예 1의 투명전도막의 XRD 분석 결과를 보여주는 도면이다.
도 13은 ITO 타겟의 소진 평가에서 발생되는 노쥴의 발생률을 보여주는 도면이다.
도 14은 본 발명의 실시예 1의 타겟의 소진 평가에서 발생되는 노쥴의 발생률을 보여주는 도면이다.
도 2는 본 발명의 액정 디스플레이 패널의 단위 픽셀의 개략적의 등가 회로도이다.
도 3는 본 발명의 액정 디스플레이 패널의 패턴된 화소 전극의 형상을 개략적으로 보여주는 도면이다.
도 4는 본 발명의 유기 발광 표시 장치 에너지 diagram 을 나타내는 도면이다.
도 5a 및 도 5b는 Top-emission 타입의 유기 발광 표시 장치의 구조를 대략적으로 나타내는 도면이다
도 6는 본 발명의 정전식(Capacitive) 터치 스크린의 다이아몬드형 전극 패턴의 단일 셀을 나타내는 도면이다.
도 7은 본 발명의 투명전도막 및 종래의 투명전도막의 화소 전극을 비교 평가한 결과를 보여준다.
도 8 내지 도 10은 본 발명의 투명전도막의 조성, 결정화 온도 및 비저항의 관계를 보여주는 도면이다.
도 11는 본 발명의 실시예 1의 투명전도막의 XRD 분석 결과를 보여주는 도면이다.
도 12는 비교예 1의 투명전도막의 XRD 분석 결과를 보여주는 도면이다.
도 13은 ITO 타겟의 소진 평가에서 발생되는 노쥴의 발생률을 보여주는 도면이다.
도 14은 본 발명의 실시예 1의 타겟의 소진 평가에서 발생되는 노쥴의 발생률을 보여주는 도면이다.
아래에서는 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다. 명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 액정 디스플레이 패널을 개략적으로 나타내는 단면도이다. 액정 디스플레이 패널은 화소단위를 이루는 셀들이 매트릭스 형태로 배열되어 있으며, 구동부(미도시)에서 전달되는 화상 신호 정보에 따라 셀들의 광 투과율을 조절함으로써 화상을 형성하게 된다. 하판 및 상판에는 각각 화소전극 어레이와 공통전극이 있어, 이들 사이에 전압을 인가하여 액정의 상태를 변화시킬 수 있다. 이때 두 전극 사이의 전압의 인가는 하판에 존재하는 TFT를 통해 조절한다. 인가된 전압에 따른 광 투과율의 변화가 빠를수록 자연스러운 화상의 구현이 가능해진다. 액정 디스플레이의 화면 주사 비율은 보통 60Hz~120Hz이나 바람직하게는 240Hz, 보다 바람직하게는 480Hz 이상이 요구된다. 화면 주사 비율을 높이기 위해서는 액정과 TFT의 응답 속도가 주사 비율만큼 빨라야 하며 도 2 의 단위 픽셀의 등가 회로에서 화소 전극과 공통 전극의 저항은 낮을수록 유리하다.
액정 디스플레이 패널은 시야각에 따른 색 변화 문제 때문에 도 3 의 MVA,PVA,IPS,FFS 등과 같이 다양한 패턴의 화소 전극을 사용한다. 도 3에서와 같이 색 변화 문제를 해결하기 위해 미세 패턴을 화소 전극 위에 제작하는 것이 필요하지만 기존의 결정질 산화인듐주석(ITO) 기반의 투명 전도막으로는 이러한 작업이 어려웠다. 이에 대한 해결책으로 투명 전도막 증착 과정에 수분을 첨가하여 제작된 비정질 산화인듐주석(ITO) 기반의 투명 전도막이 제안되고 있으나 증착 과정에 주입된 수분으로 타겟 표면에 노듈과 같은 문제를 야기하고 산화 아연 또는 주석 계열 물질을 활성층으로 하는 박막 트랜지스터의 특성을 저하시킬 뿐만 아니라 결정질 투명 전도막 대비 낮은 전기적 특성을 나타내는 문제가 존재한다. 본 발명의 상전이형 투명 전도막은 증착 과정에서 수분 주입 없이 비정질 투명 전도막의 생성이 가능할 뿐만 아니라 증착 및 패턴닝 공정 후 열처리를 통하여 결정질로 상전이가 발생 하기 때문에 비정질 투명 전도막의 문제도 발생하지 않는다. 상기 발명의 투명 전도막은 MVA,PVA,IPS,FFS 등에 적용 가능하지만 이것으로 제한되지 않는다.
본 발명의 산화인듐주석 투명전도막은, 인듐, 주석 및 갈륨을 포함한다.
주석원자의 함유율은 바람직하게는 인듐원자 및 주석원자의 합계 대비 3.5 ~ 11 원자%이고, 더욱 바람직하게는 5 ~ 10 원자%이다.
갈륨은 갈륨 또는 갈륨 화합물(예컨대 갈륨 산화물)의 형태로 산화인듐주석에 도핑되는데, 이때, 갈륨원자의 함유율은 바람직하게는 인듐원자, 주석원자 및 갈륨원자의 합계 대비 0.7 내지 7원자%이고, 더욱 바람직하게는 2.5 ~ 6 원자%이다.
갈륨 함유율이 0.7원자% 미만인 경우에는 결정화 온도가 낮아져 에칭 가공성이 좋지 못하고, 갈륨 함유율이 7원자%를 초과하는 경우, 결정화가 되지 않아 높은 비저항 값을 가지게 된다.
상기 투명전도막은 비정질 상태에서 에칭성이 우수하고, 바람직하게는 120 ~ 250℃, 더욱 바람직하게는 120~220℃의 온도구간에서 비정질에서 결정질로 상변화가 발생하여 도메인 구조가 형성되는 특징을 갖는다. 즉, 본 발명의 투명전도막의 결정화 온도는 바람직하게는 120 ~ 250℃, 더욱 바람직하게는 120~220℃이다. 투명전도막의 결정화 온도가 120 ~ 250℃, 더욱 바람직하게는 120~220℃의 온도 구간 내에 존재하는지, 아니면 이들 온도 구간 밖에 존재하는지는, 스퍼터링 타겟의 조성, 즉, 인듐, 주석, 갈륨의 조성비에 의하여 영향을 받는다.
또한, 본 발명의 산화인듐주석 투명전도막은 비저항이 8×10-4Ωcm 이하인 것이 바람직하다. 또한, 투과율은 90% 이상인 것이 바람직하다.
일반적으로 액정표시장치에서, 공통 전극(Common Electrode)은 IPS와 FFS,PLS를 제외하고는 상부 기판에서 별도로 이루어지기 때문에 하부 기판에서 이루어지는 TFT 공정과는 별도로 진행된다.
TFT 어레이 공정에서는 투명전극의 증착 및 패터닝(에칭)이 이루어지는데, 통상적으로 120℃ 미만에서 증착 및 패터닝이 이루어진다. 투명전극의 패터닝이 완료되면, 계속해서 후속 공정이 이루어지는데, 통상적으로 후속 공정은 120 ~ 250℃, 더욱 바람직하게는 120~220℃에서 적어도 공정 일부가 수행된다.
따라서, 상기 증착 및 패터닝 공정이 제1온도 구간(예컨대, 120℃ 미만) 내에서 수행되고, 후속 공정이 제2온도 구간(예컨대, 120 ~ 250℃, 더욱 바람직하게는 120~220℃) 내에서 수행된다고 할 때, 제1온도 구간에서는 투명전극이 비정질 상태를 유지하고, 제2온도 구간에서 비로소 결정질 상태로 상변화가 된다면 도 7에 나타낸 바와 같이, 패터닝 가공성, 광학적 특성, 전기적 특성, 등에서 매우 이점을 가질 수 있다.
즉, 투명전도막의 증착 및 패터닝 공정에서는 비정질 상태를 유지하여 에칭 가공성을 극대화시키고, 에칭이 완료된 후속 공정에서는 결정질 상태로 상변화를 야기시켜, 광투과성, 전도성 및 내구성을 극대화시킬 수 있게 된다.
구체적으로 살펴보면, 제1온도 구간에서 비정질 투명전도막을 증착한 후, 증착된 비정질 투명전도막을 약산으로 에칭하여 패터닝함으로써 TFT 어레이 기판을 제조하고, 계속되는 후속 공정에서 패터닝된 비정질 투명전도막이 상기 제1온도 구간보다 높은 제2온도 구간에서 결정화된다.
상기 후속 공정은, 각 제조 메이커, 기종, 등에 따라 달라질 수 있으나, i) TFT 어레이 공정에서 수행되는 패터닝된 투명전극을 어닐링(annealing)하는 공정, ii) 셀 공정에서 수행되는 액정 배향막을 경화시키는 공정 등 일 수 있다. 여기서, 각 공정은 당업자에게 잘 알려진 공정들이므로, 상세한 설명은 생략한다.
액정표시장치의 제조 공정에서는 제2온도가 전술한 후속 공정으로부터 얻어질 수 있지만, 후술하는 유기 발광 표시 장치(OLED)와 정전식(Capacitive) 터치 스크린과 같이 이후 공정이 저온이거나 고온 공정이 따로 존재하지 않는 경우에는 결정화만을 위한 별도의 열처리를 수행할 수도 있음은 물론이다.
유기 발광 표시 장치 패널은 화소단위를 이루는 셀들이 매트릭스 형태로 배열되어 있으며, 구동부에서 전달되는 화상 신호 정보에 따라 셀들의 유기물이 인가된 전류에 따라 발광하여 화상을 형성하게 된다. 도 4 는 유기 발광 표시 장치의 에너지 다이어그램이다. 액정 디스플레이와 달리 유기 발광 표시 장치는 자체에서 발광하는 구조 이기 때문에 유기 발광 표시 장치의 투명 전도막은 낮은 저항과 높은 투과율 이외에 높은 일함수(work function)를 가져야 하고 투명 전도막 표면이 높은 평탄도를 가질 것이 요구된다. 유기 발광 표시 장치는 크게 양극(Anode)층을 통하여 빛이 발산되는 Bottom-emission형과 음극(Cathode)층을 통하여 빛이 발산되는 Top-emission형이 존재한다. 소자의 개구율에서 보다 우수한 Top-emission형이 현재 주로 사용되고 있다.
도 5a는 Top-emission 타입의 유기 발광 표시 장치의 소자 단면도이다. 반사율이 높은 은(Ag)을 하부 전극으로 하고 그 위에 투명 전도막을 증착하여 화소 전극을 구성하고 있다. 도 5b는 은의 상하면에 투명전도막을 증착하여 화소 전극을 구성하는 실시예를 보여주고 있다.
산화인듐주석(ITO)의 경우, 높은 일함수를 가지지만 은과 계면 접착력이 좋지 않을 뿐만 아니라 산화 주석의 낮은 결정화 온도로 인하여 산화인듐주석(ITO) 표면에서 요철이 발생하여 유기 발광 표시 장치의 수명을 떨어뜨리고 있다.
상기 발명의 투명 전도막의 경우 산화인듐주석(ITO)보다 은과 계면 접착력이 우수할 뿐만 아니라 열처리를 통하여 결정질 상으로 전이시 산화인듐주석(ITO)보다 높은 일함수를 나타내며 또한 투명 전도막에 함유된 갈륨으로 인하여 산화인듐주석(ITO)과 달리 투명 전도막 표면에 요철 현상이 나타나지 않는다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 정전식(Capacitive) 터치 스크린의 다이아몬드형 전극 패턴의 도면이다. 터치 스크린에 사용되는 투명 전도막은 현재 주로 산화주석기반의 물질들로 구성되어 있다.
액정 디스플레이 표시 장치나 유기 발광 표시 장치와 마찬가지로 산화인듐주석(ITO)이 많이 사용되고 있으나 산화주석에 안티몬(Sb)을 첨가한 투명 전극도 사용되고 있다.
정전식(Capacitive) 터치 스크린의 전극 패턴의 경우 액정 디스플레이 표시 장치나 유기 발광 표시 장치와 달리 미세 패턴이 아니고 또한 기판과의 접착력과 투명 전도막의 신뢰성이 보다 중요한 요소이다.
이에 따라 대부분의 정전식(Capacitive) 터치 스크린의 전극의 경우 산화 아연계 보다는 산화 주석계가 사용되고 있으며, 본 발명의 상전이 투명도전막 역시 액정 디스플레이 표시 장치나 유기 발광 표시 장치 외에 정전식(Capacitive) 터치 스크린에 적용이 가능하다.
도 8 내지 도 10은 본 발명에 따른 투명전도막의 주석원자의 함유량(인듐원자 및 주석원자의 합계 대비) 및 갈륨원자의 함유량(인듐원자, 주석원자 및 갈륨원자의 합계 대비)과 결정화 온도 및 비저항의 관계를 보여주는 도면이다.
도 8로부터 알 수 있는 바와 같이, 바람직한 결정화 온도(120~250℃, 더욱 바람직하게는 120~220℃)와 비저항(8×10-4Ωcm 이하)을 갖기 위한 투명전도막의 갈륨원자의 함유율은 인듐원자, 주석원자 및 갈륨원자의 합계 대비 1, 3.8 및 6.7원자%인 경우이고, 이는 전술한 바람직한 갈륨원자의 함유율의 범위인 0.7~7원자%의 범위를 만족함을 알 수 있다.
본 발명의 투명전도막은 다양한 방법에 의하여 성막될 수 있고, 도 8은 일 예로 스퍼터링에 의하여 본 발명의 투명전도막을 증착한 실시예를 보여준다. 도 8은 상기한 투명전도막을 증착하는데 사용된 스퍼터링 타겟의 조성을 함께 보여주고 있다.
도 9 및 도 10은 주석원자의 함유율이 인듐원자, 주석원자 및 갈륨원자의 합계 대비 6.5원자%인 투명전도막의 결정화 온도 및 비저항을 보여준다.
[실시예 1]
도 11은 본 발명의 실시예 1의 투명전도막의 XRD 분석 결과를 보여주는 도면이다.
본 실시예의 투명전도막은 산화인듐(In2O3), 산화주석(SnO2) 및 갈륨으로 이루어지고, 주석원자의 함유율이 인듐원자 및 주석원자의 합계 대비 6.5원자%이고, 갈륨원자의 함유율이 인듐원자, 주석원자 및 갈륨원자의 합계 대비 3.8원자%인 투명전도막이다.
이러한 투명전도막을 스퍼터링 타겟을 스퍼터링하여 증착하였다. 사용된 스퍼터링 타겟은 산화인듐, 산화주석 및 갈륨으로 이루어진 스퍼터링 타겟으로서, 주석원자의 함유율이 인듐원자 및 주석원자의 합계 대비 9원자%이고, 갈륨원자의 함유율이 인듐원자, 주석원자 및 갈륨원자의 합계 대비 4원자%인 스퍼터링 타겟이다.
상기 스퍼터링 타겟을 DC 마그네트론 스퍼터링 장치에 장착하여, 유리기판 상에 투명전도막을 형성시켰다. 이때의 스퍼터링 조건은 아르곤 가스에 소량의 산소 가스를 혼입한 혼합가스의 분위기 하에서 기판온도 100℃에서 진행하였다. 그 결과 약 500Å의 두께를 가지는 투명전도막을 얻을 수 있었다. 이를 XRD 분석한 결과 도 11에 도시한 바와 같이 결정성 peak가 나타나지 않았다.
또한 기판온도 100℃에서 증착한 박막을 각각 대기중에서 170℃, 210℃로 열처리하였다. 그 결과 170℃에서 열처리한 박막에서는 결정성 peak가 나타나지 않은 반면에 210℃에서 열처리한 박막에서는 결정성 peak가 관찰되었으며, 이때의 결정화 온도는 약 181℃로 측정되었다. 또한, 결정화된 투명전도막의 비저항은 2.1×10-4Ω㎝, 투과율(550nm 기준)은 91.8%로 측정되었다. 실시예 1에 따른 투명전도막은, 210℃ 열처리를 행한 경우 100℃에서 성막된 투명전도막에 비하여 광투과율은 향상되고 비저항은 낮아짐을 알 수 있었다.
[실시예 2]
본 실시예의 투명전도막은 산화인듐, 산화주석 및 갈륨으로 이루어지고, 주석원자의 함유율이 인듐원자 및 주석원자의 합계 대비 6.5원자%이고, 갈륨원자의 함유율이 인듐원자, 주석원자 및 갈륨원자의 합계 대비 1원자%인 투명전도막이다.
이러한 투명전도막을 스퍼터링 타겟을 스퍼터링하여 증착하였다. 사용된 스퍼터링 타겟은 산화인듐, 산화주석 및 갈륨으로 이루어진 스퍼터링 타겟으로서, 주석원자의 함유율이 인듐원자 및 주석원자의 합계 대비 9원자%이고, 갈륨원자의 함유율이 인듐원자, 주석원자 및 갈륨원자의 합계 대비 1원자%인 스퍼터링 타겟이다.
상기 실시예 1과 동일한 조건으로 투명전도막을 제조 및 열처리하였으며, 그 결과 결정화 온도는 129℃, 비저항은 3.39×10-4Ω㎝로 측정되었다.
[실시예 3]
본 실시예의 투명전도막은 산화인듐, 산화주석 및 갈륨으로 이루어지고, 주석원자의 함유율이 인듐원자 및 주석원자의 합계 대비 6.5원자%이고, 갈륨원자의 함유율이 인듐원자, 주석원자 및 갈륨원자의 합계 대비 6.7원자%인 투명전도막이다.
이러한 투명전도막을 스퍼터링 타겟을 스퍼터링하여 증착하였다. 사용된 스퍼터링 타겟은 산화인듐, 산화주석 및 갈륨으로 이루어진 스퍼터링 타겟으로서, 주석원자의 함유율이 인듐원자 및 주석원자의 합계 대비 9원자%이고, 갈륨원자의 함유율이 인듐원자, 주석원자 및 갈륨원자의 합계 대비 7원자%인 스퍼터링 타겟이다.
상기 실시예 1과 동일한 조건으로 투명전도막을 제조 및 열처리하였으며, 그 결과 결정화 온도는 249℃, 비저항은 5.37×10-4Ω㎝로 측정되었다.
[비교예 1]
도 12는 비교예 1의 투명전도막의 XRD 분석 결과를 보여주는 도면이다.
비교예 1의 투명전도막은 산화인듐 및 산화주석으로 이루어진 투명전도막이다. 이러한 투명전도막을 스퍼터링 타겟을 스퍼터링하여 증착하였다. 사용된 스퍼터링 타겟은 산화인듐 및 산화주석으로 이루어진 스퍼터링 타겟으로서, 주석원자의 함유율이 인듐원자 및 주석원자의 합계 대비 9원자%인 스퍼터링 타겟이다.
전술한 실시예 1과 동일한 조건으로 투명전도막을 제조 및 열처리하였다. 그 결과, 결정화 온도는 100℃ 미만, 비저항은 2.23×10-4Ω㎝로 측정되었다. 이를 도 12에서와 같이 XRD 분석한 결과 170℃ 및 210℃ 열처리한 박막뿐 아니라 100℃에서 증착한 박막에서도 결정성 peak가 관찰되었다.
실시예 1과 대비하여 비교예 1의 ITO 투명전도막은 막결정화 온도가 매우 낮아 에칭성이 불량한 결과를 보여준다.
[비교예 2]
비교예 2의 투명전도막은 산화인듐, 산화주석 및 갈륨으로 이루어지고, 주석원자의 함유율이 인듐원자 및 주석원자의 합계 대비 6.5원자%이고, 갈륨원자의 함유율이 인듐원자, 주석원자 및 갈륨원자의 합계 대비 0.5원자%인 투명전도막이다.
이러한 투명전도막을 스퍼터링 타겟을 스퍼터링하여 증착하였다. 사용된 스퍼터링 타겟은 산화인듐, 산화주석 및 갈륨으로 이루어진 스퍼터링 타겟으로서, 주석원자의 함유율이 인듐원자 및 주석원자의 합계 대비 9원자%이고, 갈륨원자의 함유율이 인듐원자, 주석원자 및 갈륨원자의 합계 대비 0.5원자%인 스퍼터링 타겟이다.
상기 실시예 1과 동일한 조건으로 투명전도막을 제조 및 열처리하였으며, 그 결과 결정화 온도는 113℃, 비저항은 3.61×10-4Ω㎝로 측정되었다.
도 13은 ITO 타겟의 소진 평가에서 발생되는 노쥴의 발생률을 보여주는 도면이고, 도 14은 본 발명의 실시예 1의 타겟의 소진 평가에서 발생되는 노쥴의 발생률을 보여주는 도면이다.
상기 실시예 1의 소결체를 540×270mm2 사이즈의 타겟으로 제조하여 DC 스퍼터에서 3KW의 출력으로 72시간 동안 소진평가를 실시한 결과, 전체 타겟 면적 대비 노쥴 면적이 0.52% 수준으로 (도 14), ITO (도 13) 대비 상대적으로 적게 발생하는 것을 확인하였다.
따라서, 본 발명의 스퍼터링 타겟은 DC 스퍼터링 시 노쥴 및 아킹의 발생이 감소하여 장시간 성막이 가능한 이점을 갖는다.
지금까지는 설명의 편의를 위하여, 본 발명의 투명전도막이 PVD의 일종인 스퍼터링에 의하여 증착되는 실시예를 살펴보았으나, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다. 예컨대, 다른 PVD에 의하거나, CVD, 등 기타 다양한 방법에 의하여 본 발명의 투명전도막을 성막할 수 있다.
Claims (36)
- 박막트랜지스터와 상기 박막트랜지스터와 연결되는 화소전극을 구비하고, 상기 화소 전극은 투명전도막을 포함하고, 상기 투명전도막은 인듐, 주석 및 갈륨을 포함하되, 주석원자의 함유율이 인듐원자 및 주석원자의 합계 대비 3.5 내지 11원자%이고, 갈륨원자의 함유율이 인듐원자, 주석원자 및 갈륨원자의 합계 대비 0.7 내지 7원자%이고, 결정질 상으로의 상전이성을 갖는 것을 특징으로 하는 상전이형 산화인듐주석 투명전도막을 전극으로 갖는 액정 디스플레이 장치.
- 제1항에 있어서,
상기 투명전도막은 주석원자의 함유율이 인듐원자 및 주석원자의 합계 대비 5 내지 10원자%인 것을 특징으로 하는 상전이형 산화인듐주석 투명전도막을 전극으로 갖는 액정 디스플레이 장치. - 제1항에 있어서,
상기 투명전도막은, 갈륨원자의 함유율이 인듐원자, 주석원자 및 갈륨원자의 합계 대비 2.5 내지 6원자%인 것을 특징으로 하는 상전이형 산화인듐주석 투명전도막을 전극으로 갖는 액정 디스플레이 장치. - 제1항에 있어서,
상기 투명전도막은, 결정질 상으로의 상전이 온도가 120 내지 250℃인 것을 특징으로 하는 상전이형 산화인듐주석 투명전도막을 전극으로 갖는 액정 디스플레이 장치. - 제4항에 있어서,
상기 투명전도막은, 결정질 상으로의 상전이 온도가 120 내지 220℃인 것을 특징으로 하는 상전이형 산화인듐주석 투명전도막을 전극으로 갖는 액정 디스플레이 장치. - 제1항에 있어서,
상기 투명전도막은, 비저항이 8×10-4Ωcm 이하인 것을 특징으로 하는 상전이형 산화인듐주석 투명전도막을 전극으로 갖는 액정 디스플레이 장치. - 제1항에 있어서,
상기 액정 디스플레이 장치는 공통전극을 포함하고, 상기 공통전극은 상기 투명전도막을 포함하는 것을 특징으로 하는 상전이형 산화인듐주석 투명전도막을 전극으로 갖는 액정 디스플레이 장치. - 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항의 상전이형 산화인듐주석 투명전도막을 전극으로 갖는 액정 디스플레이 장치를 제조하기 위한 액정 디스플레이 장치 제조방법으로서,
상기 투명전도막을 비정질 상태로 성막 및 패터닝하는 단계와,
패터닝된 상기 투명전도막을 결정질 상으로 상전이 시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 상전이형 산화인듐주석 투명전도막을 전극으로 갖는 액정 디스플레이 장치 제조방법. - 제8항에 있어서, 상기 성막 및 패터닝하는 단계는 제1온도 구간에서 수행되고,
상기 상전이 시키는 단계는 상기 제1온도 구간보다 높은 제2온도 구간에서 수행되는 것을 특징으로 하는 상전이형 산화인듐주석 투명전도막을 전극으로 갖는 액정 디스플레이 장치 제조방법. - 제9항에 있어서,
상기 제2온도 구간은 120~250℃인 것을 특징으로 하는 상전이형 산화인듐주석 투명전도막을 전극으로 갖는 액정 디스플레이 장치 제조방법. - 제10항에 있어서,
상기 제2온도 구간은 120~220℃인 것을 특징으로 하는 상전이형 산화인듐주석 투명전도막을 전극으로 갖는 액정 디스플레이 장치 제조방법. - 제8항에 있어서,
상기 투명전도막의 패터닝은 약산으로 에칭하여 수행하는 것을 특징으로 하는 상전이형 산화인듐주석 투명전도막을 전극으로 갖는 액정 디스플레이 장치 제조방법. - 제8항에 있어서,
상기 투명전도막을 상전이 시키는 단계는, i) 액정 디스플레이 장치의 TFT 어레이 공정에서 수행되는 패터닝된 투명전도막을 어닐링하는 단계 및 ii) 액정 디스플레이 장치의 셀 공정에서 수행되는 액정 배향막을 경화시키는 단계 중 적어도 어느 하나인 것을 특징으로 하는 상전이형 산화인듐주석 투명전도막을 전극으로 갖는 액정 디스플레이 장치 제조방법. - 박막트랜지스터와 상기 박막트랜지스터와 연결되는 화소전극을 구비하고, 상기 화소 전극은 금속층과 상기 금속층의 상부 및 하부 중 적어도 상부에 형성되는 투명전도막을 포함하고, 상기 투명 전도막은 인듐, 주석 및 갈륨을 포함하되, 주석원자의 함유율이 인듐원자 및 주석원자의 합계 대비 3.5 내지 11원자%이고, 갈륨원자의 함유율이 인듐원자, 주석원자 및 갈륨원자의 합계 대비 0.7 내지 7원자%이고, 결정질 상으로의 상전이성을 갖는 것을 상전이형 산화인듐주석 투명전도막을 전극으로 갖는 특징으로 하는 유기 발광 표시장치.
- 제14항에 있어서,
상기 투명전도막은 주석원자의 함유율이 인듐원자 및 주석원자의 합계 대비 5 내지 10원자%인 것을 특징으로 하는 상전이형 산화인듐주석 투명전도막을 전극으로 갖는 유기 발광 표시장치. - 제14항에 있어서,
상기 투명전도막은, 갈륨원자의 함유율이 인듐원자, 주석원자 및 갈륨원자의 합계 대비 2.5 내지 6원자%인 것을 특징으로 하는 상전이형 산화인듐주석 투명전도막을 전극으로 갖는 유기 발광 표시장치. - 제14항에 있어서,
상기 투명전도막은, 결정질 상으로의 상전이 온도가 120 내지 250℃인 것을 특징으로 하는 상전이형 산화인듐주석 투명전도막을 전극으로 갖는 유기 발광 표시장치. - 제17항에 있어서,
상기 투명전도막은, 결정질 상으로의 상전이 온도가 120 내지 220℃인 것을 특징으로 하는 상전이형 산화인듐주석 투명전도막을 전극으로 갖는 유기 발광 표시장치. - 제14항에 있어서,
상기 투명전도막은, 비저항이 8×10-4Ωcm 이하인 것을 특징으로 하는 상전이형 산화인듐주석 투명전도막을 전극으로 갖는 유기 발광 표시장치. - 제14항 내지 제19항 중 어느 한 항의 상전이형 산화인듐주석 투명전도막을 전극으로 갖는 유기 발광 표시장치를 제조하기 위한 유기 발광 표시장치 제조방법으로서,
상기 투명전도막을 비정질 상태로 성막 및 패터닝하는 단계와,
패터닝된 상기 투명전도막을 결정질 상으로 상전이 시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 상전이형 산화인듐주석 투명전도막을 전극으로 갖는 유기 발광 표시장치 제조방법. - 제20항에 있어서, 상기 성막 및 패터닝하는 단계는 제1온도 구간에서 수행되고,
상기 상전이 시키는 단계는 상기 제1온도 구간보다 높은 제2온도 구간에서 수행되는 것을 특징으로 하는 상전이형 산화인듐주석 투명전도막을 전극으로 갖는 유기 발광 표시장치 제조방법. - 제21항에 있어서,
상기 제2온도 구간은 120~250℃인 것을 특징으로 하는 상전이형 산화인듐주석 투명전도막을 전극으로 갖는 유기 발광 표시장치 제조방법. - 제22항에 있어서,
상기 제2온도 구간은 120~220℃인 것을 특징으로 하는 상전이형 산화인듐주석 투명전도막을 전극으로 갖는 유기 발광 표시장치 제조방법. - 제20항에 있어서,
상기 투명전도막의 패터닝은 약산으로 에칭하여 수행하는 것을 특징으로 하는 상전이형 산화인듐주석 투명전도막을 전극으로 갖는 유기 발광 표시장치 제조방법. - 전극으로 투명전도막을 포함하고, 상기 투명전도막은 인듐, 주석 및 갈륨을 포함하되, 상기 투명전도막은 주석원자의 함유율이 인듐원자 및 주석원자의 합계 대비 3.5 내지 11원자%이고, 갈륨원자의 함유율이 인듐원자, 주석원자 및 갈륨원자의 합계 대비 0.7 내지 7원자%이고, 결정질 상으로의 상전이성을 갖는 것을 특징으로 하는 상전이형 산화인듐주석 투명전도막을 전극으로 갖는 터치스크린.
- 제25항에 있어서,
상기 투명전도막은 주석원자의 함유율이 인듐원자 및 주석원자의 합계 대비 5 내지 10원자%인 것을 특징으로 하는 상전이형 산화인듐주석 투명전도막을 전극으로 갖는 터치스크린. - 제25항에 있어서,
상기 투명전도막은, 갈륨원자의 함유율이 인듐원자, 주석원자 및 갈륨원자의 합계 대비 2.5 내지 6원자%인 것을 특징으로 하는 상전이형 산화인듐주석 투명전도막을 전극으로 갖는 터치스크린. - 제25항에 있어서,
상기 투명전도막은, 결정질 상으로의 상전이 온도가 120 내지 250℃인 것을 특징으로 하는 상전이형 산화인듐주석 투명전도막을 전극으로 갖는 터치스크린. - 제28항에 있어서,
상기 투명전도막은, 결정질 상으로의 상전이 온도가 120 내지 220℃인 것을 특징으로 하는 상전이형 산화인듐주석 투명전도막을 전극으로 갖는 터치스크린. - 제25항에 있어서,
상기 투명전도막은, 비저항이 8×10-4Ωcm 이하인 것을 특징으로 하는 상전이형 산화인듐주석 투명전도막을 전극으로 갖는 터치스크린. - 제25항에 있어서,
상기 전극은 복수의 제1전극들과 상기 복수의 제1전극들과 전기적으로 절연되게 교차하는 복수의 제2전극들을 포함하는 정전식 터치스크린인 것을 특징으로 하는 상전이형 산화인듐주석 투명전도막을 전극으로 갖는 터치스크린. - 제25항 내지 제31항 중 어느 한 항의 상전이형 산화인듐주석 투명전도막을 전극으로 갖는 터치스크린을 제조하기 위한 터치스크린 제조방법으로서,
상기 투명전도막을 비정질 상태로 성막 및 패터닝하는 단계와,
패터닝된 상기 투명전도막을 결정질 상으로 상전이 시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 상전이형 산화인듐주석 투명전도막을 전극으로 갖는 터치스크린 제조방법. - 제32항에 있어서, 상기 성막 및 패터닝하는 단계는 제1온도 구간에서 수행되고,
상기 상전이 시키는 단계는 상기 제1온도 구간보다 높은 제2온도 구간에서 수행되는 것을 특징으로 하는 상전이형 산화인듐주석 투명전도막을 전극으로 갖는 터치스크린 제조방법. - 제33항에 있어서,
상기 제2온도 구간은 120~250℃인 것을 특징으로 하는 상전이형 산화인듐주석 투명전도막을 전극으로 갖는 터치스크린 제조방법. - 제34항에 있어서,
상기 제2온도 구간은 120~220℃인 것을 특징으로 하는 상전이형 산화인듐주석 투명전도막을 전극으로 갖는 터치스크린 제조방법. - 제32항에 있어서,
상기 투명전도막의 패터닝은 약산으로 에칭하여 수행하는 것을 특징으로 하는 상전이형 산화인듐주석 투명전도막을 전극으로 갖는 터치스크린 제조방법.
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