KR20220136763A - IGZO(Indium-Gallium-Zinc-Oxide)를 포함하는 컬러필터 및 이의 제조방법 - Google Patents

IGZO(Indium-Gallium-Zinc-Oxide)를 포함하는 컬러필터 및 이의 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명의 일 측면에 따르면, 복수 개의 컬러필터소자를 포함하는 컬러필터에 있어서, 상기 컬러필터소자는, 서로 마주보게 제공되는 복수 개의 금속층; 상기 금속층 사이에 제공되고, 빛을 투과시킬 수 있는 물질로 제공되는 유전체층; 및 상기 유전체층의 상측 또는 하측에 제공되고, IGZO를 포함하는 액티브층을 포함하는 IGZO(Indium-Gallium-Zinc-Oxide)를 포함하는 컬러필터가 제공될 수 있다.

Description

IGZO(Indium-Gallium-Zinc-Oxide)를 포함하는 컬러필터 및 이의 제조방법 {Color filter including IGZO(Indium-Gallium-Zinc-Oxide) and method for manufacturing the same}
본 발명은 IGZO(Indium-Gallium-Zinc-Oxide)를 포함하는 컬러필터 및 이의 제조방법에 관한 것이다.
염료나 잉크 없이 특정한 구조적 특성만을 이용해 색을 내는 기술은 구조색 기술이라고 정의될 수 있다. 이와 같은 구조색을 낼 수 있는 장치에 빛을 투과시키거나 반사시킴으로 특정한 색만 뽑아내는 컬러필터 기술에 대해 많은 연구가 이루어지고 있다.
구조색 컬러 필터 기술은 기존의 염료나 잉크로 표현할 수 있는 수준의 색상을 전부 표현할 수 있을 뿐만 아니라, 100,000dpi 수준의 초고해상도 및 외부 다양한 환경에서도 강건한 컬러 특성을 가질 수 있는 장점이 있다.
그러나 이러한 구조색 컬러필터 기술은 디바이스를 제작하고 나면 그 특성을 바꾸기 어려운 수동형 광학 소자라는 단점이 있다.
이를 극복하기 위해 종래에는 액정이나 상변화 물질(예를 들어, VO2 또는 Ge2Sb2Te5)을 이용해 가변 특성을 구현하고자 하는 노력들이 보고되고 있다.
그러나, 이러한 물질들은 상변화를 일으키기 위해 높은 농도가 필요할 뿐만 아니라, 색 특성이 나타나는 가시광선 영역에서의 굴절률 변화가 크지 않아 변조 가능한 색 범위가 매우 한정적이라는 단점을 갖고 있다.
이외에도 액정이나 하이드로젤과 같은 고체상이 아닌 물질들을 바탕으로 색을 변조할 수 있는 기술들이 보고되었으나, 이러한 물질들은 물성에 의해 색 범위가 제한되고 정교하게 색 조절이 어려운 단점이 있다.
본 발명의 실시예들은 상기와 같은 문제를 해결하기 위해 제안된 것으로서, IGZO의 전하 농도를 조절하여 굴절률을 조절할 수 있는 전고체(all-solide-state)로 제공되는 컬러필터 및 이의 제조방법을 제공하고자 한다.
또한, 매우 선명한 색을 나타낼 수 있는 컬러필터 및 이의 제조방법을 제공하고자 한다.
또한, 가시광선 파장영역에서 흡광계수(extinction coefficient)가 0에 근접하는 손실이 매우 작은 고효율의 투과형 컬러필터 및 이의 제조방법을 제공하고자 한다.
본 발명의 일측면에 따르면, 복수 개의 컬러필터소자를 포함하는 컬러필터에 있어서, 상기 컬러필터소자는, 서로 마주보게 제공되는 복수 개의 금속층; 상기 금속층 사이에 제공되고, 빛을 투과시킬 수 있는 물질로 제공되는 유전체층; 및 상기 유전체층의 상측 또는 하측에 제공되고, IGZO를 포함하는 액티브층을 포함하는 IGZO(Indium-Gallium-Zinc-Oxide)를 포함하는 컬러필터가 제공될 수 있다.
또한, 상기 액티브층에 제공된 IGZO의 전하 농도에 따라 상기 컬러필터소자에 나타나는 구조색이 변경되는 IGZO(Indium-Gallium-Zinc-Oxide)를 포함하는 컬러필터가 제공될 수 있다.
또한, 상기 유전체층은 이산화규소로 제공되고, 상기 금속층은 은(Ag)으로 제공되는 IGZO(Indium-Gallium-Zinc-Oxide)를 포함하는 컬러필터가 제공될 수 있다.
또한, 상기 유전체층은 40nm 내지 180nm으로 제공되고, 액티브층은 20nm 내지 60nm으로 제공되는 IGZO(Indium-Gallium-Zinc-Oxide)를 포함하는 컬러필터가 제공될 수 있다.
또한, 상기 액티브층은 빛을 투과시킬 수 있게 투명하게 제공되는 IGZO(Indium-Gallium-Zinc-Oxide)를 포함하는 컬러필터가 제공될 수 있다.
또한, 상기 액티브층은 가시광선 영역에서 흡광계수가 0 내지 0.01인 IGZO(Indium-Gallium-Zinc-Oxide)를 포함하는 컬러필터가 제공될 수 있다.
또한, 상기 컬러필터는 복수 개의 컬러필터소자를 포함하고, 복수 개의 컬러필터소자 중 적어도 일부는 두께 가 서로 다르게 제공되는 IGZO(Indium-Gallium-Zinc-Oxide)를 포함하는 컬러필터가 제공될 수 있다.
또한, 상기 컬러필터는 복수 개의 컬러필터소자를 포함하고, 복수 개의 컬러필터소자 중 적어도 일부는 IGZO의 전하 농도가 서로 다르게 제공되는 IGZO(Indium-Gallium-Zinc-Oxide)를 포함하는 컬러필터가 제공될 수 있다.
또한, 상기 컬러필터소자에 가시광선 파장영역의 빛이 조사되는 경우, 복수 개의 금속층 사이에서 공명이 발생하는 IGZO(Indium-Gallium-Zinc-Oxide)를 포함하는 컬러필터가 제공될 수 있다.
또한, 상기 컬러필터소자는 전고체로 제공되는 IGZO(Indium-Gallium-Zinc-Oxide)를 포함하는 컬러필터가 제공될 수 있다.
본 발명의 일측면에 따르면, 하나의 금속층을 제조하는 단계(S1); 상기 금속층의 일측에 유전체층이 적층되는 단계(S2); 상기 유전체층의 일측에 IGZO를 포함하는 액티브층이 적층되는 단계(S3); 상기 액티브층의 일측에 다른 하나의 금속층을 적층하는 단계(S4)를 포함하고, 상기 유전체층의 일측에 IGZO를 포함하는 액티브층을 적층하는 단계(S3)는, Ar 분위기에서 IGZO 타겟을 이용한 RF 스퍼터링에 의해 실행되는 IGZO(Indium-Gallium-Zinc-Oxide)를 포함하는 컬러필터의 제조방법이 제공될 수 있다.
또한, 상기 금속층의 일측에 유전체층이 적층되는 단계(S2)와 상기 유전체층의 일측에 IGZO를 포함하는 액티브층이 적층되는 단계(S3) 사이에, 유전체층의 두께가 다른 부분이 제공될 수 있도록 유전체층에 대해 FIB 밀링 공정이 실행되는 단계를 포함하는 IGZO(Indium-Gallium-Zinc-Oxide)를 포함하는 컬러필터의 제조방법이 제공될 수 있다.
또한, 상기 IGZO 타겟의 조성비는 In:Ga:Zn 1:1:1 mol % 로 제공되는 IGZO(Indium-Gallium-Zinc-Oxide)를 포함하는 컬러필터의 제조방법이 제공될 수 있다.
또한, 상기 컬러필터소자를 투과하는 가시광선 파장영역의 빛의 공명 파장은 55nm 내지 65nm인 IGZO(Indium-Gallium-Zinc-Oxide)를 포함하는 컬러필터가 제공될 수 있다.
본 발명의 실시예들에 따른 IGZO(Indium-Gallium-Zinc-Oxide)를 포함하는 컬러필터 및 이의 제조방법은 IGZO의 전하 농도를 조절하여 굴절률을 조절할 수 있는 전고체(all-solide-state)로 제공되는 컬러필터를 제공할 수 있다.
또한, 매우 선명한 색을 나타낼 수 있는 컬러필터를 제공할 수 있는 장점이 있다.
또한, 가시광선 파장영역에서 흡광계수(extinction coefficient)가 0에 근접하는 손실이 매우 작은 고효율의 투과형 컬러필터를 제공할 수 있는 장점이 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 IGZO(Indium-Gallium-Zinc-Oxide)를 포함하는 컬러필터(1)를 개념적으로 나타내는 도면이다.
도 2는 도 1의 IGZO(Indium-Gallium-Zinc-Oxide)를 포함하는 컬러필터(1)에서, 액티브층(100)에 제공된 IGZO의 전하 농도가 변화될 때와, 유전체층(200)의 두께가 달라졌을때의 구조색의 변화를 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 3은 도 1의 IGZO(Indium-Gallium-Zinc-Oxide)를 포함하는 컬러필터(1)에서 유전체층(200)의 두께변화에 따른 수소플라즈마처리(hydrogen plasma treatment) 전 후의 투과 스펙트럼 플롯(transmission spectrum plot)을 나타낸다.
도 4는 서로 다른 높이를 갖는 컬러필터소자(10)를 포함하는 도 1의 IGZO(Indium-Gallium-Zinc-Oxide)를 포함하는 컬러필터(1)를 나타내는 Atomic force microscope(AFM) 이미지이다.
도 5는 도 1의 IGZO(Indium-Gallium-Zinc-Oxide)를 포함하는 컬러필터(1)에서 IGZO에 수소플라즈마처리(hydrogen plasma treatment) 공정을 실행하기 하기 전 후의 구조색의 변화를 나타내는 Chromaticity Diagram이다.
도 6은 도 1의 IGZO(Indium-Gallium-Zinc-Oxide)를 포함하는 컬러필터(1)에서 유전체층(200)의 두께에 따른 시뮬레이션된 투과 스펙트럼(simulated transmission spectra)을 나타내는 그래프이다.
도 7은 도 1의 IGZO(Indium-Gallium-Zinc-Oxide)를 포함하는 컬러필터(1)본 발명의 일 실시예 액티브층(100)에 수소플라즈마처리(hydrogen plasma treatment) 공정을 실행하기 전 후의 투과 스펙트럼(transmission spectrum)을 나타낸다.
도 8은 도 1의 IGZO(Indium-Gallium-Zinc-Oxide)를 포함하는 컬러필터(1)에 나타나는 실제 이미지를 나타내는 도면이다.
도 9는 수소플라즈마처리(hydrogen plasma treatment) 조건에 따른 굴절률을 나타내는 그래프이다.
도 10은 IGZO의 전하 밀도에 따른 굴절률과 흡광계수(extinction coefficient)의 변화를 나타내는 그래프이다.
이하에서는 본 발명의 구체적인 실시예들에 대하여 도면을 참조하여 상세히 설명한다.
아울러 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 IGZO(Indium-Gallium-Zinc-Oxide)를 포함하는 컬러필터(1)를 개념적으로 나타내는 도면이고, 도 2는 도 1의 IGZO(Indium-Gallium-Zinc-Oxide)를 포함하는 컬러필터(1)에서, 액티브층(100)에 제공된 IGZO의 전하 농도가 변화될 때와, 유전체층(200)의 두께가 달라졌을때의 구조색의 변화를 개략적으로 나타내는 도면이며, 도 3은 도 1의 IGZO(Indium-Gallium-Zinc-Oxide)를 포함하는 컬러필터(1)에서 유전체층(200)의 두께변화에 따른 수소플라즈마처리(hydrogen plasma treatment) 전 후의 투과 스펙트럼 플롯(transmission spectrum plot)을 나타내고, 도 4는 서로 다른 높이를 갖는 컬러필터소자(10)를 포함하는 도 1의 IGZO(Indium-Gallium-Zinc-Oxide)를 포함하는 컬러필터(1)를 나타내는 Atomic force microscope(AFM) 이미지이며, 도 5는 도 1의 IGZO(Indium-Gallium-Zinc-Oxide)를 포함하는 컬러필터(1)에서 IGZO에 수소플라즈마처리(hydrogen plasma treatment) 공정을 실행하기 하기 전 후의 구조색의 변화를 나타내는 Chromaticity Diagram이고, 도 6은 도 1의 IGZO(Indium-Gallium-Zinc-Oxide)를 포함하는 컬러필터(1)에서 유전체층(200)의 두께에 따른 시뮬레이션된 투과 스펙트럼(simulated transmission spectra)을 나타내는 그래프이고, 도 7은 도 1의 IGZO(Indium-Gallium-Zinc-Oxide)를 포함하는 컬러필터(1)본 발명의 일 실시예 액티브층(100)에 수소플라즈마처리(hydrogen plasma treatment) 공정을 실행하기 전 후의 투과 스펙트럼(transmission spectrum)을 나타내고, 도 8은 도 1의 IGZO(Indium-Gallium-Zinc-Oxide)를 포함하는 컬러필터(1)에 나타나는 실제 이미지를 나타내는 도면이고, 도 9는 수소플라즈마처리(hydrogen plasma treatment) 조건에 따른 굴절률을 나타내는 그래프이고, 도 10은 IGZO의 전하 밀도에 따른 굴절률과 흡광계수(extinction coefficient)의 변화를 나타내는 그래프이다.
도 1 내지 도 10을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 IGZO(Indium-Gallium-Zinc-Oxide)를 포함하는 컬러필터(1)는 복수 개의 컬러필터소자(10)를 포함하고, 각각의 컬러필터소자(10)는 제1 금속층(310), 유전체층(200), 액티브층(100), 제2 금속층(320) 순으로 적층될 수 있다.
여기서, 제1 금속층(310)과 제2 금속층(320)은 금속층(300)으로 이해될 수 있고, 유전체층(200)과 액티브층(100)은 금속층(300) 사이에 제공될 수 있다.
또한, IGZO는 인듐, 갈륨, 아연, 산소로 구성된 어모퍼스 반도체로 이해될 수 있다.
본 실시예의 IGZO(Indium-Gallium-Zinc-Oxide, 이그조)는 액티브층(100)에 제공되고, 액티브층(100)에 제공된 IGZO의 전하 농도를 변화시켜서 가시광선 파장영역을 갖는 빛의 굴절률(refractive index)이 조절될 수 있고, 그에 따라 가시광선 파장영역에서 작동하는 컬러필터소자(10)가 제공할 수 있다.
또한, 액티브층(100)에 제공된 IGZO의 전하 농도에 따라 컬러필터소자(10)에 나타나는 구조색이 변경될 수 있다.
또한, IGZO(Indium-Gallium-Zinc-Oxide)를 포함하는 컬러필터(1)는 전고체(all-solide-state)로 제공될 수 있다.
IGZO의 전하 농도는 수소플라즈마처리(hydrogen plasma treatment) 공정을 통해 조절될 수 있으며, 그에 따라 액티브층(100)의 전도도(conductivity)가 조절될 수 있다. 이에 대한 보다 자세한 설명은 후술한다.
또한, 이와 같은 IGZO를 포함한 Fabry-Perot 형태의 공진 나노 구조를 갖는 컬러필터소자(10)에 의해 선명한 색을 나타낼 수 있는 투과형태의 컬러필터가 제공될 수 있다.
또한, 이와 같은 IGZO(Indium-Gallium-Zinc-Oxide)를 포함하는 컬러필터(1)는 도핑된 반도체(doped semiconductor), 즉 도핑된 IGZO를 이용해 구조색을 바꿀 수 있고 전고체(all-solide-state)이고, 대면적(large-area)을 갖도록 제조될 수 있다.
또한, IGZO(Indium-Gallium-Zinc-Oxide)를 포함하는 컬러필터(1)는 후술하는 바와 같이 리소그래피 없이 제조될 수 있는 장점이 있다.
이와 같은 IGZO(Indium-Gallium-Zinc-Oxide)를 포함하는 컬러필터(1)는 위변조 방지 디스플레이 기술, 저전력 반사형 디스플레이 등에 활용될 수 있다.
금속층(300)은 서로 마주보는 제1 금속층(310)과 제2 금속층(320)을 포함할 수 있고, 서로 마주보는 금속층(300)에서 IGZO(Indium-Gallium-Zinc-Oxide)를 포함하는 컬러필터(1)를 투과하는 빛의 공진이 발생한다. 즉, 제1 금속층(310)과 제2 금속층(320)은 FP 공진기(FP resonator)에서 미러 역할을 하는 것으로 이해될 수 있다.
예를 들어, 금속층(300)은 은(Ag)으로 제공될 수 있으며, 각각의 금속층(300)의 두께는 10nm 내지60nm으로 제공될 수 있으며, 바람직하게는 30nm으로 제공될 수 있다.
유전체층(200)은 금속층(300) 사이에 제공되고, 빛을 투과시킬 수 있는 물질로 제공될 수 있다.
예를 들어, 유전체층(200)은 이산화규소(SIO2)로 제공될 수 있다.
또한, IGZO(Indium-Gallium-Zinc-Oxide)를 포함하는 컬러필터(1)는 복수 개의 컬러필터소자(10)를 포함하고, 복수 개의 컬러필터소자(10) 중 적어도 일부는 두께가 서로 다르게 제공될 수 있다.
예를 들어, 유전체층(200)의 두께(t1)는 10nm 내지 300nm으로 제공될 수 있으며, 바람직하게는 40nm 내지 180nm으로 제공될 수 있다.
구체적으로, 컬러필터소자(10)의 두께는 유전체층(200)의 두께(t1) 따라 조절될 수 있고, 유전체층(200)의 두께(t1)에 따라 컬러필터소자(10)에 나타나는 구조색이 변경될 수 있다.
IGZO(Indium-Gallium-Zinc-Oxide)를 포함하는 컬러필터(1)는 복수 개의 컬러필터소자(10)가 나란히 배열됨으로써 제공될 수 있고, IGZO(Indium-Gallium-Zinc-Oxide)를 포함하는 컬러필터(1)에 제공된 복수 개의 컬러필터소자(10)의 두께가 다르게 조절됨으로써, IGZO(Indium-Gallium-Zinc-Oxide)를 포함하는 컬러필터(1)가 나타내는 구조색이 변경될 수 있다. 여기서, 컬러필터소자(10)의 두께는 후술하는 FIB 밀링 공정에 의해 조절될 수 있다.
유전체층(200)의 두께(t1)에 따른 컬러필터소자(10)의 구조색의 변화에 대해 보다 구제적으로 설명하면 다음과 같다.
도 2의 (a)에는 컬러필터소자(10)에 제공된 IGZO에 수소플라즈마처리(hydrogen plasma treatment)를 하지 않았을 때(전하 농도가 작을때, low doping), 유전체층(200)의 두께(t1)를 변화시켜 나타나는 구조색의 변화를 나타낸다. 여기서, 전하 농도가 작다는 것은 전하 농도가 1014 cm-3이하일때로 이해될 수 있다.
구체적으로, 도 2의 (a)를 참조하면, 제1 컬러필터소자(10a)에 나타나는 구조색은 유전체층(200)의 두께가 40nm일때, 제2 컬러필터소자(10b)에 나타나는 구조색은 유전체층(200)의 두께가 60nm일때, 제3 컬러필터소자(10c)에 나타나는 구조색은 유전체층(200)의 두께가 80nm일때, 제4 컬러필터소자(10d)에 나타나는 구조색은 유전체층(200)의 두께가 100nm일때, 제5 컬러필터소자(10e)에 나타나는 구조색은 유전체층(200)의 두께가 120nm일때, 제6 컬러필터소자(10f)에 나타나는 구조색은 유전체층(200)의 두께가 140nm일때, 제7 컬러필터소자(10g)에 나타나는 구조색은 유전체층(200)의 두께가 160nm일때, 제8 컬러필터소자(10h)에 나타나는 구조색은 유전체층(200)의 두께가 180nm일때를 나타낸다. 여기서, 각각의 금속층(300)의 두께는 30nm이고, 액티브층(100)의 두께는 40nm으로 제공된다.
또한, 도2의 (b)는 컬러필터소자(10)에 제공된 IGZO에 수소플라즈마처리(hydrogen plasma treatment)를 하였을때(전하 농도가 높을때, high doping), 유전체층(200)의 두께(t1)를 변화시켜 나타나는 구조색의 변화를 나타낸다. 10a', 10b', 10c', 10d', 10e', 10f', 10g', 10h'는 각각 상술한 10a, 10b, 10c, 10d, 10e, 10f, 10g, 10h의 유전체층(200)의 두께와 같다. 여기서, 전하 농도가 높다는 것은 전하 농도가 8x1019 cm-3이상일때로 이해될 수 있다.
또한, 유전체층(200)의 두께(t1)가 두꺼워짐에 따라, 파장은 붉은색 측으로 이동(Red shifted)될 수 있다.
이와 같이 컬러필터소자(10)에 제공된 유전체층(200)의 두께(t1)를 변화시킴으로써, 각각의 컬러필터소자(10)가 나타내는 구조색이 변경되고, 그에 따라 IGZO(Indium-Gallium-Zinc-Oxide)를 포함하는 컬러필터(1)는 다양한 색을 나타낼 수 있다.
도 4는 서로 다른 높이를 갖는 컬러필터소자(10)를 포함하는 도 1의 IGZO(Indium-Gallium-Zinc-Oxide)를 포함하는 컬러필터(1)를 나타내는 Atomic force microscope(AFM) 이미지를 나타낸다.
각각의 컬러필터소자(10)는 1um x 1um 픽셀 크기를 가질 수 있고, 인코딩된 정보에 따라 컬러필터소자(10)의 두께(또는 도 4에 나타나는 깊이)가 달라짐을 알 수 있다.
액티브층(100)은 서로 마주보게 제공되는 복수 개의 금속층(300) 사이에 제공되고, 유전체층(200)의 상측 또는 하측에 제공될 수 있다. 여기서, 액티브층(100)은 IGZO를 포함하는 층으로 이해될다.
액티브층(100)의 두께(t2)는 20nm 내지 60nm으로 제공되고, 바람직하게는 40nm으로 제공될 수 있다.
액티브층(100)의 IGZO의 전하 농도가 조절됨으로써, 컬러필터소자(10)를 투과하는 빛의 가시광선 파장영역에서 55nm 내지 65nm인 공명 파장(바람직하게는, 60nm)을 일으킬 수 있다. 이와같은 IGZO의 전하 농도는 후술하는 수소플라즈마처리(hydrogen plasma treatment) 공정에 의해 조절될 수 있다.
액티브층(100)에 제공된 IGZO의 전하 농도가 변화됨에 따라 가시광선 파장영역을 갖는 빛의 굴절률(refractive index)이 조절될 수 있다.
구체적으로, IGZO의 전하 농도가 커질수록 굴절률이 작아지고, 이것은 광로(optical path) 길이가 감소하여, 공명 피크의 청색이동 즉, 구조색의 조절이 가능하게 제공될 수 있다.
또한, 도 6의 (a)는 유전체층(200)이 60nm일때 시뮬레이션된 투과 스펙트럼을 나타내고, 도 6의 (b)는 유전체층(200)이 80nm일때 시뮬레이션된 투과 스펙트럼을 나타낸다.
도 6의 (a)를 참조하면 유전체층(200)이 60nm일때, IGZO에 수소플라즈마처리(hydrogen plasma treatment)를 함으로써 컬러필터소자(10)에서 나타나는 구조색이 초록색에서 파란색으로 변함을 알 수 있다.
이때, 수소플라즈마처리(hydrogen plasma treatment) 공정의 실행 전후의 컬러필터소자(10)에 나타나는 공명 파장의 변화는 60nm이다.
도 6의 (b)를 참조하면 유전체층(200)이 80nm일때, IGZO에 수소플라즈마처리(hydrogen plasma treatment)를 함으로써 컬러필터소자(10)에서 나타나는 구조색이 연두색에서 초록색으로 변함을 알 수 있다.
이때, 수소플라즈마처리(hydrogen plasma treatment) 공정의 실행 전후의 컬러필터소자(10)에 나타나는 공명 파장의 변화는 52nm이다.
또한, 도 5를 참조하면 IGZO에 수소플라즈마처리(hydrogen plasma treatment) 공정를 함으로써 컬러필터소자(10)에 나타내는 구조색이 변화함을 알 수 있다(initial 은 수소플라즈마처리(hydrogen plasma treatment) 공정 전, Final은 수소플라즈마처리(hydrogen plasma treatment) 공정 후).
또한, 도 3의 (a)는 유전체층(200)의 두께변화에 따른 수소플라즈마처리(hydrogen plasma treatment) 전의 투과 스펙트럼 플롯(transmission spectrum plot)을 나타내고, 3의 (b)는 수소플라즈마처리(hydrogen plasma treatment) 후의 투과 스펙트럼 플롯(transmission spectrum plot)을 나타낸다.
도 7을 참조하면, 유전체층(200)이 120nm일때, 유전체층(200)에 수소플라즈마처리(hydrogen plasma treatment) 공정을 가하기 전과 후의 투과 스펙트럼(transmission spectrum)을 나타낸다(before doping 은 수소플라즈마처리(hydrogen plasma treatment) 전, after doping은 수소플라즈마처리(hydrogen plasma treatment) 후).
도 8은 도 1의 IGZO(Indium-Gallium-Zinc-Oxide)를 포함하는 컬러필터(1)에 나타나는 실제 이미지를 나타내는 도면이다.
구체적으로, 도 8의 (a)는 IGZO(Indium-Gallium-Zinc-Oxide)를 포함하는 컬러필터(1)의 각각의 컬러필터소자(10)에 수소플라즈마처리(hydrogen plasma treatment)를 하지 않았을 때의 이미지이고, 도 8의 (b)는 IGZO(Indium-Gallium-Zinc-Oxide)를 포함하는 컬러필터(1)의 각각의 컬러필터소자(10)에 수소플라즈마처리(hydrogen plasma treatment)를 했을때의 이미지이다. 여기서, 컬러필터소자(10)는 1um x 1um 픽셀크기를 가질 수 있다.
이하에서는, IGZO(Indium-Gallium-Zinc-Oxide)를 포함하는 컬러필터(1)의 제조방법에 대해 구체적으로 설명한다.
IGZO(Indium-Gallium-Zinc-Oxide)를 포함하는 컬러필터의 제조방법은 하나의 금속층(300)을 제조하는 단계(S1); 상기 금속층(300)의 일측에 유전체층(200)이 적층되는 단계(S2); 상기 유전체층(200)의 일측에 IGZO를 포함하는 액티브층(100)이 적층되는 단계(S3); 상기 액티브층(100)의 일측에 다른 하나의 금속층(300)을 적층하는 단계(S4)를 포함하고, 상기 유전체층(200)의 일측에 IGZO를 포함하는 액티브층(100)을 적층하는 단계(S3)는, Ar 분위기(atmosphere)에서 IGZO 타겟을 이용한 RF 스퍼터링(RF sputtering)에 의해 실행될 수 있다.
구체적으로, 하나의 금속층(300)을 제조하는 단계(S1)는 전자빔 증착(electron beam evaporation)에 의해 증착률 0.2nm/s에 의해 30nm 두께를 갖는 은(Ag)이 증착되는 것을 포함할 수 있다.
또한, 금속층(300)의 일측에 유전체층(200)이 적층되는 단계(S2)는 전자빔 증착(electron beam evaporation)에 의해 증착률 1nm/s 로 이산화규소(SIO2)가 은(Ag)의 일측에 적층되는 것을 포함할 수 있다.
또한, 금속층(300)의 일측에 유전체층(200)이 적층되는 단계(S2)와, 유전체층(200)의 일측에 IGZO를 포함하는 액티브층(100)이 적층되는 단계(S3) 사이에, 유전체층(200)의 두께(t1)가 다른 부분이 제공될 수 있도록 유전체층(200)에 대해 FIB 밀링이 실행되는 단계가 제공될 수 있다. 여기서, 유전체층(200)의 두께(t1)가 다른 부분은 상술한 각각의 컬러필터소자(10)로 이해될 수 있다.
예를 들어, IGZO(Indium-Gallium-Zinc-Oxide)를 포함하는 컬러필터(1)에서 유전체층(200)의 두께(t1)가 다른 부분이 5개의 부분이 있는 경우, IGZO(Indium-Gallium-Zinc-Oxide)를 포함하는 컬러필터(1)는 5 종류의 컬러필터소자(10)를 포함하는 것으로 이해될 수 있다. 다만, 이러한 개수는 예시적인 것에 불과하고, 유전체층(200)의 두께(t1)가 다른 부분, 즉 컬러필터소자(10)의 종류는 무한대로 제공될 수 있다. 본실시예에서 유전체층(200)의 두께(t1)가 다른 부분 즉, 컬러필터소자(10)의 종류는 2개 이상, 바람직하게는 5개이상으로 제공될 수 있다.
FIB 밀링 공정은 마이크로크기의 컬러필터소자(10), 즉 컬러 픽셀과 해당 컬러 이미지를 생성하는 데 사용될 수 있다. 특히, 서로 다른 색상을 나타내는 컬러필터소자(10)를 제작하기 위해서는, 유전체층(200)의 두께 즉, 각 픽셀마다 밀링 깊이가 달라야 한다.
예를 들어, 5가지 색상을 나타내는 IGZO(Indium-Gallium-Zinc-Oxide)를 포함하는 컬러필터(1)를 제작하기 위해, 1μm Х 1μm 크기의 직사각형 배열로 배열된 5 개의 CAD 파일이 제공될 수 있다.
본 실시예에서는 180nm의 유전체층(200)을 증착하고, 이온 밀링 시간을 변경하여 유전체층(200)의 두께를 조절하는 것을 예로 들어 설명한다. 이러한, 밀링 공정 후 액티브층(100)과 금속층(300)이 적층될 수 있다.
다음으로, 유전체층(200)의 일측에 IGZO를 포함하는 액티브층(100)을 적층하는 단계(S3)는, Ar 분위기(atmosphere)에서 IGZO 타겟을 이용한 RF 스퍼터링(RF sputtering)에 의해 실행될 수 있다.
여기서, IGZO 타겟의 조성비는 In:Ga:Zn 가 1:1:1 mol %일 수 있다.
RF 스퍼터링(RF sputtering) 후 유전체층(200)은 O2 분위기에서 2시간 동안 300 °C로 어닐링될 수 있다.
그 후, 유전체층(200)에 대해 수소플라즈마처리(hydrogen plasma treatment)가 실행될 수 있다.
예를 들어, 수소플라즈마처리(hydrogen plasma treatment)는 200W의 RF 전력으로 5 분 동안 플라즈마 강화 화학 기상 증착 챔버에서 120 °C로 수행될 수 있다.
도 9를 참조하면, 수소플라즈마처리(hydrogen plasma treatment) 조건에 의해 컬러필터소자(10)의 굴절률이 달라지는 것을 알 수 있다.
구체적으로, 도 9에서는 플라즈마 강화 화학 기상 증착 챔버에서 수행되는 수소플라즈마처리(hydrogen plasma treatment)의 온도가 50 °C, 120°C, 300°C인 경우 빛의 파장에 따른 굴절률을 나타낸다.
이하에서는, 수소플라즈마처리(hydrogen plasma treatment)에 의한 전하 농도의 조절 원리에 대해 보다 구체적으로 설명한다.
컬러필터소자(10)에서 IGZO는 굴절률을 조절하기 위한 필수요소이다.
상술한 바와 같이, IGZO를 포함하는 40nm두께의 투명한 유전체층(200)을 증착하고, 전하 농도(또는 전하 밀도)를 수소플라즈마처리(hydrogen plasma treatment)공정으로 제어하였다.
주입된 수소 원자가 IGZO에서 이온화된 산소와 O-H결합을 형성하기 때문에, 하기(1)과 같이 H2플라즈마로 자유 전자( Free electons)가 생성될 수 있다.
Figure pat00001
TL-Drude 모델(Tauc-Lorentz-Drude) 에 의해 IGZO의 굴절률의 변조가 설명될 수 있다.
TL-Drude 모델은 이전에 ZnO 및 In2O3와 같은 산화물 반도체의 광학적 특성을 모델링하는 데 사용되는 모델로서, TL-Drude 모델의 유전 상수는 하기 (2)와 같이 표현될 수 있다.
Figure pat00002
여기서,
Figure pat00003
과
Figure pat00004
은 각각 TL 및 Drude models에 의해 주어진 유전상수로 이해될 수 있다.
TL 텀의 유전상수(dielectric constant)는 대역-대-대역 에너지 흡수(band-to-band energy absorption )를 나타내고, Drude 텀은 자유-전자 흡수(free-electron absorption)를 나타낸다.
Drude 모델은 일반적으로 금속 재료를 분석하는 데 사용되지만 H2 플라즈마 처리는 금속 재료와 유사한 전자 밀도를 증가시키기 때문에 도핑된 IGZO에 적용 할 수 있다.
또한, Drude 모델의 복합 유전 상수(complex dielectric constant)는 다음과 같이 표현될 수 있다.
Figure pat00005
여기서,
Figure pat00006
와
Figure pat00007
는 각각
Figure pat00008
의 실수 부분과 허수 부분을 나타낸다. 그리고,
Figure pat00009
와
Figure pat00010
는 각각 진폭(amplitude)과 확장매개변수(broadening parameter)를 나타낸다.
또한,
Figure pat00011
는 하기와 같이 표현될 수 있다.
Figure pat00012
여기서,
Figure pat00013
는 플라즈마 에너지(plasma energy),
Figure pat00014
는 플랑크 상수,
Figure pat00015
는 플라즈마 각 주파수,
Figure pat00016
는 캐리어 농도(carrier concentration),
Figure pat00017
는 전하,
Figure pat00018
는 자유 공간 유전율(free-space permittivity)을 나타낸다.
IGZO의 굴절률(refractive index)은 하기와 같이 유전 상수(dielectric constant)와 굴절률(refractive index) 간의 관계에서 얻을 수 있다.
Figure pat00019
여기서,
Figure pat00020
는 각각 복합 유전 상수에서 실수부분과 허수부분을 나타낸다.
상기 (6)식에 따르면, 전자 밀도(electron density)가 증가함에 따라
Figure pat00021
이 감소하고
Figure pat00022
이 증가하기 때문에, 굴절률이 감소할 수 있다.
한편, 수소플라즈마처리(hydrogen plasma treatment) 중 Ar 충격(bombardmen)은 산소 결합을 끊고 산소 공백을 생성 할 수 있기 때문에 (it can break the oxygen bond and generate oxygen vacancies)무시할 수 없다.
산소 공백은 딥 레벨 트랩(deep-level trap) 역할을 하여 도핑된 IGZO를 포함하는 유전체층(200)이 밴드 갭보다 낮은 에너지로 빛을 흡수할 수 있다. 도 10을 참조하면, 밴드 갭보다 낮은 에너지에서 흡광계수(extinction coefficient)가 증가함을 알 수 있다.
또한, Ar 충격(Ar bombardme)은 산소 공백으로 인해 IGZO를 포함하는 유전체층(200)의 전자 밀도를 증가시켜 굴절률을 감소시킬 수 있다.
낮은 전도성 IGZO 샘플은 1014 cm-3 미만의 전자 밀도를 가졌고, 고 전도성 필름은 8 Х 1019 cm-3의 전자 밀도를 가진것으로 이해될 수 있고, 광학적 특성을 추출하기 위해 Ellipsometry 측정이 수행되었다.
도 10에서 볼 수 있듯이 굴절률은 가시광선 파장영역에서 0.4까지 변화했으며, 흡광계수(extinction coefficient)도 필름 전도도가 변화함에 따라 변화한다. 이러한 결과는 전자 밀도를 변경하여 고체 박막에서 굴절률을 변화시킬 수 있는 원리를 제공한다. 또한, 전기적으로 제어되는 활성 지수 박막(active index thin film)을 구현하기 위해서는 전압에 의해 전자 밀도를 더욱 제어해야한다.
IGZO(Indium-Gallium-Zinc-Oxide)를 포함하는 컬러필터(1)는 상술한 바와 같이 FP 공진기 모양을 취합니다. FP 공진기의 공진 조건은 빛이 공진기 내에서 반사 될 때 금속층(300) 사이에서 특정 위상 변화로 인해 발생하는 보강 및 소멸 간섭에 의해 결정된다. 이로 인해 FP 공진기에서 매우 날카로운 공진 피크(sharp resonance pea)를 얻을 수있을뿐만 아니라 FP 공진기가 플라즈몬 사용에 의존하지 않기 때문에 높은 투과율(high transmittance )을 얻을 수 있다.
이상 본 발명의 실시예에 따른 IGZO(Indium-Gallium-Zinc-Oxide)를 포함하는 컬러필터 및 이의 제조방법을 구체적인 실시 형태로서 설명하였으나, 이는 예시에 불과한 것으로서, 본 발명은 이에 한정되지 않는 것이며, 본 명세서에 개시된 기초 사상에 따르는 최광의 범위를 갖는 것으로 해석되어야 한다. 당업자는 개시된 실시형태들을 조합, 치환하여 적시되지 않은 형상의 패턴을 실시할 수 있으나, 이 역시 본 발명의 범위를 벗어나지 않는 것이다. 이외에도 당업자는 본 명세서에 기초하여 개시된 실시형태를 용이하게 변경 또는 변형할 수 있으며, 이러한 변경 또는 변형도 본 발명의 권리범위에 속함은 명백하다.
1 : IGZO(Indium-Gallium-Zinc-Oxide)를 포함하는 컬러필터
10 : 컬러필터소자
100 : 액티브층
200 : 유전체층
300 : 금속층

Claims (14)

  1. 복수 개의 컬러필터소자를 포함하는 컬러필터에 있어서,
    상기 컬러필터소자는,
    서로 마주보게 제공되는 복수 개의 금속층;
    상기 금속층 사이에 제공되고, 빛을 투과시킬 수 있는 물질로 제공되는 유전체층; 및
    상기 유전체층의 상측 또는 하측에 제공되고, IGZO를 포함하는 액티브층을 포함하는
    IGZO(Indium-Gallium-Zinc-Oxide)를 포함하는 컬러필터.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 액티브층에 제공된 IGZO의 전하 농도에 따라 상기 컬러필터소자에 나타나는 구조색이 변경되는
    IGZO(Indium-Gallium-Zinc-Oxide)를 포함하는 컬러필터.
  3. 제1 항에 있어서,
    상기 유전체층은 이산화규소로 제공되고,
    상기 금속층은 은으로 제공되는
    IGZO(Indium-Gallium-Zinc-Oxide)를 포함하는 컬러필터.
  4. 제1 항에 있어서,
    상기 유전체층은 40nm 내지 180nm으로 제공되고,
    액티브층은 20nm 내지 60nm으로 제공되는
    IGZO(Indium-Gallium-Zinc-Oxide)를 포함하는 컬러필터.
  5. 제1 항에 있어서,
    상기 액티브층은 빛을 투과시킬 수 있게 투명하게 제공되는
    IGZO(Indium-Gallium-Zinc-Oxide)를 포함하는 컬러필터.
  6. 제1 항에 있어서,
    상기 액티브층은 가시광선 영역에서 흡광계수가 0 내지 0.01인
    IGZO(Indium-Gallium-Zinc-Oxide)를 포함하는 컬러필터.
  7. 제1 항에 있어서,
    상기 컬러필터는 복수 개의 컬러필터소자를 포함하고,
    복수 개의 컬러필터소자 중 적어도 일부는 두께
    가 서로 다르게 제공되는
    IGZO(Indium-Gallium-Zinc-Oxide)를 포함하는 컬러필터.
  8. 제1 항에 있어서,
    상기 컬러필터는 복수 개의 컬러필터소자를 포함하고,
    복수 개의 컬러필터소자 중 적어도 일부는 IGZO의 전하 농도가 서로 다르게 제공되는
    IGZO(Indium-Gallium-Zinc-Oxide)를 포함하는 컬러필터.
  9. 제1 항에 있어서,
    상기 컬러필터소자에 가시광선 파장영역의 빛이 조사되는 경우, 복수 개의 금속층 사이에서 공명이 발생하는
    IGZO(Indium-Gallium-Zinc-Oxide)를 포함하는 컬러필터.
  10. 제8 항에 있어서,
    상기 컬러필터소자는 전고체로 제공되는
    IGZO(Indium-Gallium-Zinc-Oxide)를 포함하는 컬러필터.
  11. 하나의 금속층을 제조하는 단계(S1);
    상기 금속층의 일측에 유전체층이 적층되는 단계(S2);
    상기 유전체층의 일측에 IGZO를 포함하는 액티브층이 적층되는 단계(S3);
    상기 액티브층의 일측에 다른 하나의 금속층을 적층하는 단계(S4)를 포함하고,
    상기 유전체층의 일측에 IGZO를 포함하는 액티브층을 적층하는 단계(S3)는,
    Ar 분위기에서 IGZO 타겟을 이용한 RF 스퍼터링에 의해 실행되는
    IGZO(Indium-Gallium-Zinc-Oxide)를 포함하는 컬러필터의 제조방법.
  12. 제11 항에 있어서,
    상기 금속층의 일측에 유전체층이 적층되는 단계(S2)와 상기 유전체층의 일측에 IGZO를 포함하는 액티브층이 적층되는 단계(S3) 사이에,
    유전체층의 두께가 다른 부분이 제공될 수 있도록 유전체층에 대해 FIB 밀링 공정이 실행되는 단계를 포함하는
    IGZO(Indium-Gallium-Zinc-Oxide)를 포함하는 컬러필터의 제조방법.
  13. 제11 항에 있어서,
    상기 IGZO 타겟의 조성비는 In:Ga:Zn 1:1:1 mol % 로 제공되는
    IGZO(Indium-Gallium-Zinc-Oxide)를 포함하는 컬러필터의 제조방법.
  14. 제1 항에 있어서,
    상기 컬러필터소자를 투과하는 가시광선 파장영역의 빛의 공명 파장은 55nm 내지 65nm인
    IGZO(Indium-Gallium-Zinc-Oxide)를 포함하는 컬러필터.

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