KR20130135927A - 유전체 박막, 유전체 박막 소자 및 박막 콘덴서 - Google Patents
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Abstract
누설 전류를 저감할 수 있는 유전체 박막, 유전체 박막 소자 및 박막 콘덴서를 제공한다.
박막 콘덴서(1)는 기판(10)과, 기판(10) 위에 형성된 유전체 박막 소자(16)를 구비하고 있다. 기판(10)은 Si판(2)과, Si판(2) 위에 형성된 SiO2막(4)과, SiO2막(4) 위에 형성된 Ti막(6)으로 형성되어 있다. 유전체 박막 소자(16)는 하부전극(8)과, 하부전극(8) 위에 형성된 유전체 박막(12)과, 유전체 박막(12) 위에 형성된 상부전극(14)으로 구성되어 있다. 유전체 박막(12)은 나노시트로 구성되는 박막으로서, 유전체 박막(12)의 공극부에 p형 도전성 유기 고분자가 충전되어 있다. 나노시트의 주성분이 되는 유전체로는 Ti0 .87O2, 혹은 Ca2Nb3O10 등이 사용되고 있다. p형 도전성 유기 고분자로는 폴리피롤, 폴리아닐린, 혹은 폴리에틸렌디옥시티오펜 등이 적합하다.
박막 콘덴서(1)는 기판(10)과, 기판(10) 위에 형성된 유전체 박막 소자(16)를 구비하고 있다. 기판(10)은 Si판(2)과, Si판(2) 위에 형성된 SiO2막(4)과, SiO2막(4) 위에 형성된 Ti막(6)으로 형성되어 있다. 유전체 박막 소자(16)는 하부전극(8)과, 하부전극(8) 위에 형성된 유전체 박막(12)과, 유전체 박막(12) 위에 형성된 상부전극(14)으로 구성되어 있다. 유전체 박막(12)은 나노시트로 구성되는 박막으로서, 유전체 박막(12)의 공극부에 p형 도전성 유기 고분자가 충전되어 있다. 나노시트의 주성분이 되는 유전체로는 Ti0 .87O2, 혹은 Ca2Nb3O10 등이 사용되고 있다. p형 도전성 유기 고분자로는 폴리피롤, 폴리아닐린, 혹은 폴리에틸렌디옥시티오펜 등이 적합하다.
Description
본 발명은 유전체 박막, 유전체 박막 소자 및 박막 콘덴서에 관한 것이다.
종래부터 나노시트로 이루어지는 유전체 박막, 및 그 나노시트 유전체 박막의 위아래에 전극을 배치한 유전체 박막 소자가 알려져 있다. 예를 들면 특허문헌 1에는 티타니아 나노시트로 이루어지는 유전체 박막, 및 그 티타니아 나노시트 유전체 박막의 위아래에 전극을 배치한 유전체 박막 소자가 기재되어 있다. 또 특허문헌 2에는 페로브스카이트 구조를 가지는 나노시트로 이루어지는 유전체 박막, 및 그 나노시트 유전체 박막의 위아래에 전극을 배치한 유전체 박막 소자가 기재되어 있다. 또한 특허문헌 3에는 나노시트 유전체를 형성시키는 기판의 표면에 실란 화합물의 유기 분자막을 형성하여 표면 전위를 부여하는 공정과, 상기 기판 위에 티타니아 나노시트를 퇴적시키는 퇴적 공정을 포함하는 제조 방법으로 형성된 나노시트 유전체 박막이 기재되어 있다.
그러나 특허문헌 1 및 특허문헌 2에 기재된 나노시트 유전체 박막은, 기판의 종류나 전처리 방법에 따라서는 나노시트의 면방향의 크기나 형상의 불균일로 인한 틈이나 결함이 생기기 쉽기 때문에 실용적인 절연성을 발휘할 수 없다는 문제가 있었다. 또 특허문헌 3에 기재된 나노시트 유전체 박막은, 나노시트의 치밀도는 높지만 기판의 종류에 따라서는 나노시트 유전체 박막에 나노시트의 면방향의 크기나 형상의 불균일로 인한 틈이나 결함이 발생하는 경우가 있었다. 그 결과 특허문헌 3에 기재된 나노시트 유전체 박막은 누설 전류가 커져서 실용적인 절연성을 유지할 수 없다는 문제가 있었다.
따라서 본 발명의 목적은 누설 전류를 저감할 수 있는 유전체 박막, 유전체 박막 소자 및 박막 콘덴서를 제공하는 것이다.
본 발명은 나노시트로 구성되는 유전체 박막으로서,
유전체 박막의 공극부에 p형 도전성 유기 고분자가 충전되어 있는 것을 특징으로 하는 유전체 박막이다. 여기서 나노시트는, 층형상의 결정 구조를 가지는 화합물의 층박리 반응에 의해 얻어지는 두께 수㎚의 막을 의미한다.
본 발명에서는 유전체 박막의 공극부에 p형 도전성 유기 고분자가 충전됨으로써 p형 도전성 유기 고분자가 절연화된다. 이 절연화된 p형 유기 고분자와 나노시트의 복합화로 인해 유전체 박막의 누설 전류가 저감된다.
또 본 발명은 p형 도전성 유기 고분자가 폴리피롤, 폴리아닐린 및 폴리에틸렌디옥시티오펜 중 하나인 것을 특징으로 하는 유전체 박막이다. 이로 인해 유전체 박막의 누설 전류가 확실히 저감된다.
또 본 발명은 상술한 유전체 박막과, 유전체 박막을 사이에 끼고 배치된 적어도 한 쌍의 전극을 포함한 것을 특징으로 하는 유전체 박막 소자이다. 혹은 본 발명은 상술한 유전체 박막 소자와, 유전체 박막 소자를 마련하기 위한 기판을 포함한 것을 특징으로 하는 박막 콘덴서이다. 이로 인해 누설 전류 특성이 뛰어난 유전체 박막 소자나 박막 콘덴서가 얻어진다.
본 발명에 따르면 유전체 박막의 공극부에 p형 도전성 유기 고분자가 충전되어 있기 때문에, 나노시트와, 절연화된 p형 도전성 유기 고분자의 복합화로 인해 유전체 박막은 그 두께가 ㎚ 오더여도 누설 전류를 저감할 수 있다. 따라서 우수한 누설 전류 특성을 가지는 유전체 박막 소자 및 박막 콘덴서가 얻어진다.
이 발명의 상술한 목적, 기타 목적, 특징 및 이점은 도면을 참조하여 시행하는 이하의 발명을 실시하기 위한 형태의 설명으로부터 한층 명백해질 것이다.
도 1은 본 발명에 따른 박막 콘덴서의 일실시형태를 나타내는 개략 구성도이다.
도 2는 도 1에 도시한 박막 콘덴서의 제조 방법의 일례를 나타내는 흐름도이다.
도 3은 박막 콘덴서의 제조 방법을 설명하기 위한 설명도이다.
도 4는 도 3에 이은 박막 콘덴서의 제조 방법을 설명하기 위한 설명도이다.
도 5는 도 4에 이은 박막 콘덴서의 제조 방법을 설명하기 위한 설명도이다.
도 6은 도 5에 이은 박막 콘덴서의 제조 방법을 설명하기 위한 설명도이다.
도 2는 도 1에 도시한 박막 콘덴서의 제조 방법의 일례를 나타내는 흐름도이다.
도 3은 박막 콘덴서의 제조 방법을 설명하기 위한 설명도이다.
도 4는 도 3에 이은 박막 콘덴서의 제조 방법을 설명하기 위한 설명도이다.
도 5는 도 4에 이은 박막 콘덴서의 제조 방법을 설명하기 위한 설명도이다.
도 6은 도 5에 이은 박막 콘덴서의 제조 방법을 설명하기 위한 설명도이다.
(박막 콘덴서)
도 1은 본 발명에 따른 박막 콘덴서의 일실시형태를 나타내는 개략 구성도이다. 박막 콘덴서(1)는 기판(10)과, 기판(10) 위에 형성된 유전체 박막 소자(16)를 구비하고 있다. 기판(10)은 Si판(2)과, Si판(2) 위에 형성된 SiO2막(4)과, SiO2막(4) 위에 형성된 Ti막(6)으로 형성되어 있다.
유전체 박막 소자(16)는 하부전극(8)과, 하부전극(8) 위에 형성된 유전체 박막(12)과, 유전체 박막(12) 위에 형성된 상부전극(14)으로 구성되어 있다. 하부전극(8)이나 상부전극(14)은 Pt, Au, Cu, Ag, Ag-Pd 등으로 이루어진다.
유전체 박막(12)은 나노시트로 구성되는 박막으로서, 유전체 박막(12)의 공극부에 p형 도전성 유기 고분자가 충전되어 있다. 나노시트의 유전체로는 Ti0 .87O2, 혹은 Ca2Nb3O10 등이 사용되고 있다. p형 도전성 유기 고분자로는 폴리피롤, 폴리아닐린, 혹은 폴리에틸렌디옥시티오펜(PEDOT) 등이 적합하다. 유전체 박막(12)의 두께는 약 10㎚이다. 유전체 박막(12)의 공극부에 p형 도전성 유기 고분자가 충전되어 있기 때문에 p형 도전성 유기 고분자는 절연화되어 있다. 이 절연화된 p형 유기 고분자와 나노시트의 복합화로 인해 유전체 박막(12)은 그 두께가 ㎚ 오더여도 누설 전류를 저감할 수 있다. 그 결과 우수한 누설 전류 특성을 가지는 박막 콘덴서(1)가 된다.
(박막 콘덴서의 제조 방법)
다음으로 박막 콘덴서(1)의 제조 방법의 일례를 설명한다. 도 2는 도 1에 도시한 박막 콘덴서의 제조 방법의 일례를 나타내는 흐름도이다.
단계 S1에서, 우선 유전체 나노시트의 콜로이드를 제조하기 위해서 출발 물질이 되는 층형상 무기 산화물로서 K0 .88Li0 .267Ti1 .733O4가 준비된다. 다음으로 단계 S2에서, 준비된 층형상 무기 산화물 K0 .88Li0 .267Ti1 .733O4는 질산에 의해 산처리된다. 또한 단계 S3에서, 산처리된 층형상 무기 산화물 K0 .88Li0 .267Ti1 .733O4는 수산화 테트라부틸암모늄 수용액 안에서 교반되어 콜로이드화 처리된다. 이렇게 해서 조성이 Ti0 .87O2인 유전체 나노시트의 콜로이드가 얻어진다.
마찬가지로 하여 다른 종류의 유전체 나노시트의 콜로이드를 제작한다. 즉, 단계 S1에서, 출발 물질이 되는 층형상 무기 산화물로서 KCa2Nb3O10이 준비된다. 다음으로 단계 S2에서, 준비된 층형상 무기 산화물 KCa2Nb3O10이 질산에 의해 산처리된다. 또한 단계 S3에서, 산처리된 층형상 무기 산화물 KCa2Nb3O10이 수산화 테트라부틸암모늄 수용액 안에서 교반되어 콜로이드화 처리된다. 이렇게 해서 조성이 Ca2Nb3O10 인 유전체 나노시트의 콜로이드가 얻어진다.
또한 콜로이드의 제작에 관해서는 출발 물질의 층간 알칼리 금속 이온(본 실시예의 경우 K이온, Li이온)의 양성자(proton) 치환체를 유기 아민 및 유기 암모늄계의 염기성 용액을 이용하여 나노시트를 얻는다면, 상기 제법에 한정된 것은 아니다.
한편 단계 S4에서, 도 3에 도시하는 바와 같이 유전체 박막(12)의 성막을 행하는 기판으로서 크기가 1㎝×1.5㎝의 기판(10)의 상면에 Pt막(8)을 형성한 것이 준비된다. 즉 Si판(2)/SiO2막(4)/Ti막(6)/Pt막(8)의 구조인 기판(이하, Pt기판이라고 칭함)이 준비된다. Pt막(8) 표면의 제곱 평균 표면 거칠기(RMS)는 50㎛×50㎛의 범위에서 약 10㎚이다. 이 Pt막(8)은 유전체 박막 소자(16)의 하부전극이 될 것이다. 단계 S5에서, 이 Pt기판은 산소 분위기 중에서 자외선 조사되어 오존 처리된다.
다음으로 단계 S6에서, 도 4에 도시한 바와 같이 콜로이드와 Pt기판을 이용하여 Pt기판 위에 나노시트막(12')이 형성된다. 즉 Ti0 .87O2의 콜로이드를 이용하여 주지의 랭뮤어-블로젯(Langmuir-Blodgett)법에 의한 치밀화막의 전사(轉寫)가 Pt기판 위에 반복되어서 Pt기판 위에 Ti0 .87O2의 나노시트막(12')이 형성된다. 마찬가지로 하여 Ca2Nb3O10의 콜로이드를 이용하여 랭뮤어-블로젯법에 의한 치밀화막의 전사가 Pt기판 위에 반복되어서 Pt기판 위에 Ca2Nb3O10의 나노시트막(12')이 형성된다. 치밀화막의 전사의 반복 횟수는 나노시트막(12')의 두께가 약 10㎚이 되도록 Ti0.87O2의 콜로이드인 경우 10회이다. Ca2Nb3O10의 콜로이드인 경우 7회이다. 이렇게 하여 얻어진 나노시트막(12')에 대해서 자외선 조사(조사 강도:4㎽/㎠, 조사 시간:24시간)가 크세논 광원을 이용하여 시행된다. 또한 나노시트막(12')의 제작에 관해서는 다른 제법을 이용했다고 하더라도 본 발명의 효과에 아무런 영향을 미치지 않는다.
다음으로 단계 S7에서, 도 5에 도시하는 바와 같이 Pt기판이 전해 중합용 용액(22)에 침지되어서 나노시트막(12')의 전해 중합 반응이 이루어진다. 즉, 나노시트막(12')의 1㎝×1㎝의 영역이 전해 중합용 용액(22)에 침지되어서 Pt기판을 양극, SUS판(24)을 음극으로 하여 갈바노스테트(galvanostat)(정전류 장치)(26)를 이용하여 10μA의 전류가 50초간 흐른다. 이로 인해 나노시트막(12')의 공극부에 p형 도전성 유기 고분자가 충전되어 유전체 박막(12)이 형성된다. 양극 형성에 적합한 p형 도전성 유기 고분자로서 폴리아닐린을 사용하는 경우, 전해 중합용 용액(22)은 아닐린(농도는 0.3mol/L) 및 HCl(농도는 0.1mol/L)이 포함된 수용액이다. 또 p형 도전성 유기 고분자로서 폴리피롤을 사용하는 경우, 전해 중합용 용액(22)은 피롤(농도는 0.3mol/L) 및 p-톨루엔술폰산 나트륨(농도는 0.1mol/L)이 포함된 수용액이다. 또한 p형 도전성 유기 고분자로서 폴리에틸렌디옥시티오펜(PEDOT)을 사용하는 경우, 전해 중합용 용액(22)은 에틸렌디옥시티오펜(농도는 0.4mol/L) 및 LiBF4(농도는 0.2mol/L)가 포함된 벤조니트릴 용액이다. 반응 종료 후, Pt기판은 순수로 충분히 세정된다.
다음으로 단계 S8에서, Pt기판이 공기 분위기 중에서 270℃, 180분간의 가열 조건에서 열처리된다. 그 후, 도 6에 도시하는 바와 같이 단계 S9에서, 메쉬(mesh) 형상의 금속 마스크가 유전체 박막(12) 위에 씌워지고, Au가 유전체 박막(12) 위에 여러 부분 증착되어 상부전극(14)이 형성된다. 상부전극(14)의 형성 후 금속 마스크는 벗겨진다. 상부전극(14)은 0.2mm2 크기로 두께가 약 50㎚이다. 그 후, 단계 S10에서, Pt기판은 소정의 크기로 잘려서 도 1에 도시하는 박막 콘덴서(1)가 된다.
(박막 콘덴서의 평가)
이렇게 하여 얻어진 박막 콘덴서(1)의 절연 저항을 케이스레이(Keithley)사 제품 반도체 파라미터 분석기를 이용하여 측정했다. 표 1은 평가 결과를 나타낸다. 여기서 인가 직류 전압이 0.1V일 때, 절연 저항이 107Ω 이하의 것을 쇼트(NG)라고 판정했다.
표 1에 있어서 시료 번호 3은 Ti0 .87O2인 유전체 박막(12)의 공극부에 p형 도전성 유기 고분자인 폴리피롤이 충전된 박막 콘덴서(1)이다. 시료 번호 4는 Ca2Nb3O10인 유전체 박막(12)의 공극부에 p형 도전성 유기 고분자인 폴리피롤이 충전된 박막 콘덴서(1)이다. 시료 번호 5는 Ca2Nb3O10인 유전체 박막(12)의 공극부에 p형 도전성 유기 고분자인 폴리아닐린이 충전된 박막 콘덴서(1)이다. 시료 번호 6은 Ca2Nb3O10인 유전체 박막(12)의 공극부에 p형 도전성 유기 고분자인 폴리에틸렌디옥시티오펜(PEDOT)이 충전된 박막 콘덴서(1)이다.
비교를 위해 표 1에는 유전체 박막(12)의 공극부에 도전성 유기 고분자를 충전하지 않은 박막 콘덴서의 평가 결과(시료 번호 1 및 시료 번호 2)가 병기되어 있다. 시료 번호 1은 유전체 박막(12)이 Ti0 .87O2인 박막 콘덴서이다. 시료 번호 2는 유전체 박막(12)이 Ca2Nb3O10인 박막 콘덴서이다.
또한 비교를 위해 표 1에는 유전체 박막(12)의 공극부에 n형 도전성 유기 고분자가 충전된 박막 콘덴서의 평가 결과(시료 번호 7~시료 번호 9)도 병기되어 있다. 시료 번호 7은 Ti0 .87O2인 유전체 박막(12)의 공극부에 n형 도전성 유기 고분자인 폴리피리딘이 충전된 박막 콘덴서이다. 시료 번호 8은 Ca2Nb3O10인 유전체 박막(12)의 공극부에 n형 도전성 유기 고분자인 폴리피리딘이 충전된 박막 콘덴서이다. 시료 번호 9는 Ca2Nb3O10인 유전체 박막(12)의 공극부에 n형 도전성 유기 고분자인 폴리p-페닐렌비닐렌(PPV)이 충전된 박막 콘덴서이다.
또한 유전체 박막(12)의 공극부에 n형 도전성 유기 고분자를 충전하는 방법은 다음과 같다. 상기 단계 S7에서, Pt기판(나노시트막(12'))이 전해 중합용 용액(22)에 침지되어서 Pt기판을 음극, SUS판(24)을 양극으로 하여 갈바노스테트(정전류 장치)(26)를 이용하여 2.5μA의 전류가 180초간 흐른다. 이로 인해 나노시트막(12')의 전해 중합 반응이 이루어져서 나노시트막(12')의 공극부에 n형 도전성 유기 고분자가 충전된다. n형 도전성 유기 고분자로서 폴리피리딘을 사용하는 경우, 전해 중합용 용액(22)은 2,5-디클로로피리딘(농도는 0.1mol/L) 및 n-테트라부틸암모늄테트라히드로보레이트((C4H9)4NBF4)(농도는 0.2mol/L)가 포함된 아세토니트릴 용액이다. n형 도전성 유기 고분자로서 PPV를 사용하는 경우, 전해 중합용 용액(22)은 α,α,α',α'-테트라브로모-p-크실렌(농도는 0.05mol/L) 및 n-테트라부틸암모늄테트라히드로보레이트((C4H9)4NBF4)(농도는 0.1mol/L)가 포함된 테트라히드로푸란 용액이다.
표 1에 나타나는 바와 같이 시료 번호 3~시료 번호 6(유전체 박막(12)의 공극부에 p형 도전성 유기 고분자가 충전된 박막 콘덴서(1))은 안정되고 높은 절연성을 보였다. 한편, 시료 번호 1 및 시료 번호 2(유전체 박막(12)의 공극부에 도전성 유기 고분자를 충전하지 않은 박막 콘덴서)는 쇼트가 다발하고 절연성에 문제가 있었다. 또 시료 번호 7~시료 번호 9(유전체 박막(12)의 공극부에 n형 도전성 유기 고분자가 충전된 박막 콘덴서)는, 절연성 향상은 인정되지 않았다.
또한 본 발명은 상기 실시형태에 한정되는 것이 아니라 그 요지의 범위 내에서 다양하게 변형된다.
1 박막 콘덴서 2 Si판 4 SiO2막 6 Ti막
8 하부전극 10 기판 12 유전체 박막 14 상부전극
16 유전체 박막 소자
8 하부전극 10 기판 12 유전체 박막 14 상부전극
16 유전체 박막 소자
Claims (4)
- 나노시트로 구성되는 유전체 박막으로서,
상기 유전체 박막의 공극부에 p형 도전성 유기 고분자가 충전되어 있는 것을 특징으로 하는 유전체 박막. - 제1항에 있어서,
상기 p형 도전성 유기 고분자가 폴리피롤, 폴리아닐린 및 폴리에틸렌디옥시티오펜 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 유전체 박막. - 제1항 또는 제2항에 기재된 유전체 박막과, 상기 유전체 박막을 사이에 끼고 배치된 적어도 한 쌍의 전극을 포함한 것을 특징으로 하는 유전체 박막 소자.
- 제3항에 기재된 유전체 박막 소자와, 상기 유전체 박막 소자를 마련하기 위한 기판을 포함한 것을 특징으로 하는 박막 콘덴서.
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