WO2020122586A1 - 이차원 상 전이 소재를 이용한 디스플레이 소자 및 이의 제조 방법 - Google Patents

이차원 상 전이 소재를 이용한 디스플레이 소자 및 이의 제조 방법 Download PDF

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박정훈
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Definitions

  • the present application relates to a display device using a two-dimensional phase transition material and a method for manufacturing the same.
  • Molybdenum ditelluride (MoTe 2 ) is a type of transition metal dichalcogenide (TMDC) material that exhibits a small band gap of about 0.93 eV to 1.1 eV, and thus can effectively detect light in the near infrared (NIR) band. have.
  • TMDC transition metal dichalcogenide
  • 1 is a view for explaining the phase transition of molybdenum telluride, (a) shows the phase transition, (b) shows the energy at the phase transition.
  • one molybdenum atom and two tellurium atoms form a periodic sandwich structure, and representatively, a 2H (Hexagonal) phase and a 1T' (Octahedral) phase are stably present.
  • the 2H phase has semiconductor-like properties (Semiconducting), and the 1T' phase exhibits properties similar to metals (Semi-metallic).
  • Molybdenum telluride usually exists in the 2H phase, but transitions from the 2H phase to the 1T' phase by external conditions such as heat, charge transfer, and pressure.
  • molybdenum telluride differs from other TMDCs materials in that the difference in the ground state energy between the two phases is the smallest at ⁇ 43 meV, making it highly useful as a phase transition material.
  • an embodiment of the present invention provides a display device using a two-dimensional phase transition material.
  • the display device using the two-dimensional phase transition material a substrate; A metal layer laminated on the substrate; An insulating layer laminated on the metal layer; A transparent electrode layer stacked on the insulating layer; A light absorbing layer formed on the transparent electrode layer and made of a phase transition material; A passivation layer stacked on the light absorbing layer is included, and the light absorbing layer may reversibly transition a phase according to any one of temperature, magnetic field, and electric field.
  • another embodiment of the present invention provides a method of manufacturing a display device using a two-dimensional phase transition material.
  • a method of manufacturing a display device using the two-dimensional phase transition material includes: laminating a metal layer on a substrate; Laminating an insulating layer on the metal layer; Laminating a transparent electrode layer on the insulating layer; Depositing a light absorbing layer made of a phase transition material on the transparent electrode layer; And laminating a passivation layer on the light absorbing layer, wherein the light absorbing layer can reversibly phase change according to any one of temperature, magnetic field, and electric field.
  • a display device that is electrically variable by utilizing molybdenum ittelluride, a two-dimensional phase transition material.
  • FIG. 2 is a schematic diagram of a display device using a two-dimensional phase transition material according to an embodiment of the present invention.
  • 3A to 3F are sectional cross-sectional views illustrating a method of manufacturing a display device using a two-dimensional phase transition material according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 4 is a view showing absorption and reflectance according to a wavelength of a display device using a two-dimensional phase transition material according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 5 is an image showing an example of a phase transition according to the temperature of a display device using a two-dimensional phase transition material manufactured according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 6 is a schematic diagram of a display device using a two-dimensional phase transition material according to another embodiment of the present invention.
  • FIG. 7A to 7F are sectional cross-sectional views illustrating a method of manufacturing a display device using a two-dimensional phase transition material according to another embodiment of the present invention.
  • FIG. 8 is a view showing reflectance according to a voltage of a display device using a two-dimensional phase transition material according to another embodiment of the present invention.
  • the present application provides an electrically variable display device utilizing a two-dimensional phase transfer material, molybdenum telluride, and a method for manufacturing the same.
  • molybdenum telluride has a characteristic of reversibly phase transition according to any one of external conditions, that is, temperature, magnetic field, and electric field, and can utilize this to implement an electrically variable display device.
  • FIG. 2 is a schematic diagram of a display device using a two-dimensional phase transition material according to an embodiment of the present invention.
  • a display device using a two-dimensional phase transition material includes a metal layer (Ag) stacked on a substrate (not shown) and an insulation stacked on a metal layer (Ag) layer (SiO 2) and an insulating layer (SiO 2) a transparent electrode layer (Graphene) stacked on the transparent electrode layer (Graphene) and the light absorption layer (MoTe2) is deposited on the passivation to be laminated on the light-absorbing layer (MoTe2) It may be composed of a layer (Al 2 O 3 ).
  • the light absorbing layer may be formed of molybdenum ittelluride (MoTe2), which is a two-dimensional phase transition material.
  • MoTe2 molybdenum ittelluride
  • the phase of the light absorbing layer is reversibly changed (ie, 2H MoTe2 ⁇ -> 1T' MoTe2) according to the temperature applied to the substrate, and optical properties are also changed according to the phase transition.
  • 3A to 3F are sectional cross-sectional views illustrating a method of manufacturing a display device using a two-dimensional phase transition material according to an embodiment of the present invention.
  • the metal layer 120 may be stacked on the substrate 110.
  • the substrate 110 may be formed of a silicon substrate, and the metal layer 120 may be formed by depositing silver (Ag) to a thickness of 50 nm by electron beam evaporation (E-beam evaporation).
  • the metal layer 120 may serve to reflect incident light waves to the back reflector.
  • the insulating layer 130 may be stacked on the metal layer 120.
  • the insulating layer 130 may be formed by depositing silicon dioxide (SiO 2 ) to a thickness of 20 nm by plasma enhanced chemical vapor deposition (PECVD).
  • PECVD plasma enhanced chemical vapor deposition
  • the insulating layer 130 serves as a spacer and can amplify absorption of incident light waves.
  • the transparent electrode layer 140 may be stacked on the insulating layer 130.
  • the transparent electrode layer 140 may be formed to a thickness of 0.34 nm by wet-transfer of single-layer graphene grown by using chemical vapor deposition (CVD).
  • CVD chemical vapor deposition
  • Graphene is transparent in the visible light region and can be used as a channel material for phototransistors in the future.
  • the light absorbing layer 150 may be stacked on the transparent electrode layer 140.
  • the light absorbing layer 150 may be formed to a thickness of 5 nm by mechanical exfoliation of molybdenum telluride (MoTe2) on 2H in bulk and pick-up transfer. .
  • MoTe2 molybdenum telluride
  • the passivation layer 160 may be stacked on the light absorbing layer 150.
  • the passivation layer 160 may be formed by depositing aluminum oxide (Al 2 O 3 ) to a thickness of 20 nm by atomic layer deposition (ALD).
  • ALD atomic layer deposition
  • the passivation layer 160 may serve to prevent oxidation of the light absorbing layer 150.
  • the display device 100 manufactured through the processes of FIGS. 3A to 3E described above may have an optimized structure for increasing the absorption rate of the light absorbing layer 150.
  • MoTe2 molybdenum itelluride
  • each layer constituting the display element is described in detail, the present invention is not limited thereto, and various materials, appropriate thicknesses, and various formations known to those skilled in the art It is clear that the method may be applied.
  • FIG. 4 is a view showing the absorption and reflectance according to the wavelength of the display device using a two-dimensional phase transition material according to an embodiment of the present invention,
  • Figure 4 (a) is the absorption according to the wavelength
  • (b) is the wavelength It shows the reflectance.
  • the absorption rate changes according to the phase transition of the light absorbing layer made of molybdenum telluride (MoTe2) (approximately 25% difference in absorption), whereby complete absorption (i.e. black) and complete reflection ( That is, it can be seen that a black and white display device of white) can be implemented.
  • MoTe2 molybdenum telluride
  • FIG. 5 is an image showing an example of a phase transition according to the temperature of a display device using a two-dimensional phase transition material manufactured according to an embodiment of the present invention.
  • the light absorbing layer made of molybdenum telluride (MoTe2) transitions from 2H to 1T', and the color changes. Can be.
  • FIG. 6 is a schematic diagram of a display device using a two-dimensional phase transition material according to another embodiment of the present invention.
  • a display device using a two-dimensional phase transition material includes a metal layer (Ag) stacked on a substrate and an insulation layer stacked on the metal layer (Ag).
  • layer (SiO 2) and an insulating layer (SiO 2) a transparent electrode layer (Graphene) stacked on the transparent electrode layer (Graphene) and the light absorption layer (MoTe2) is deposited on the passivation to be laminated on the light-absorbing layer (MoTe2) It may be composed of a layer (ITO).
  • the light absorbing layer may be formed of molybdenum ittelluride (MoTe2), which is a two-dimensional phase transition material.
  • MoTe2 molybdenum ittelluride
  • the phase of the light absorbing layer changes reversibly (ie, 2H MoTe2 ⁇ -> 1T' MoTe2), and optical properties are also changed according to the phase transition. By changing, it becomes possible to perform electrical light modulation.
  • the electric charge of the passivation layer (ITO) is transferred to the light absorbing layer (MoTe2) by the voltage applied between the metal layer and the passivation layer, and the transferred charge fills the empty energy of the light absorbing layer (MoTe2) on 2H. Increases and transitions to the 1T' phase.
  • FIG. 7A to 7F are sectional cross-sectional views illustrating a method of manufacturing a display device using a two-dimensional phase transition material according to another embodiment of the present invention.
  • the metal layer 220 may be stacked on the substrate 210.
  • the substrate 210 may be formed of a silicon substrate, and the metal layer 220 may be formed by depositing silver (Ag) to a thickness of 50 nm by E-beam evaporation.
  • the metal layer 220 serves to reflect incident light waves to the back reflector and the electrode, and may serve to transfer the charge of the passivation layer 260 to the light absorbing layer 250.
  • the insulating layer 230 may be stacked on the metal layer 220.
  • the insulating layer 230 may be formed by depositing silicon dioxide (SiO 2 ) to a thickness of 20 nm by plasma enhanced chemical vapor deposition (PECVD).
  • PECVD plasma enhanced chemical vapor deposition
  • the insulating layer 230 serves as a spacer and can amplify absorption of incident light waves.
  • the transparent electrode layer 240 may be stacked on the insulating layer 230.
  • the transparent electrode layer 240 may be formed to a thickness of 0.34 nm by wet-transfer of a single-layer graphene grown using chemical vapor deposition (CVD).
  • CVD chemical vapor deposition
  • Graphene is transparent in the visible light region and can be used as a channel material for phototransistors in the future.
  • the light absorbing layer 250 may be stacked on the transparent electrode layer 240.
  • the light absorbing layer 250 may be formed to a thickness of 5 nm by mechanical exfoliation of molybdenum telluride (MoTe2) on 2H in bulk and pick-up transfer. .
  • MoTe2 molybdenum telluride
  • the passivation layer 260 may be stacked on the light absorbing layer 250.
  • the passivation layer 260 may be formed by depositing indium tin oxide (ITO) to a thickness of 10 nm by a sputtering system.
  • ITO indium tin oxide
  • the passivation layer 260 serves to prevent oxidation of the light absorbing layer 250, and may also serve as a transparent electrode in the visible light region.
  • the display device 200 manufactured through the processes of FIGS. 7A to 7E described above may have an optimized structure for increasing the absorption rate of the light absorbing layer 250.
  • the molybdenum telluride (MoTe2) of the light absorbing layer 250' is 1T' phase. Transition to. This phase transition is a reversible process.
  • each layer constituting the display element is described in detail, the present invention is not limited thereto, and various materials, appropriate thicknesses, and various formations known to those skilled in the art It is clear that the method may be applied.
  • FIG. 8 is a view showing reflectance according to a voltage of a display device using a two-dimensional phase transition material according to another embodiment of the present invention.
  • the display device is electrically driven, reversibly capable of phase transition, and can implement a black and white display device of complete absorption (ie, black) and full reflection (ie, white). Able to know.
  • the voltage driving range of the display element is -3V to 4V, and light modulation is possible even at low power.

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Abstract

본 발명의 일 실시예에 따른 이차원 상 전이 소재를 이용한 디스플레이 소자는, 기판; 상기 기판 상에 적층된 금속층; 상기 금속층 상에 적층된 절연층; 상기 절연층 상에 적층된 투명전극층; 상기 투명전극층 상에 적층되며, 상 전이 물질로 이루어진 광흡수층; 상기 광흡수층 상에 적층된 패시베이션층을 포함하며, 상기 광흡수층은 온도, 자기장 및 전기장 중 어느 하나에 따라 가역적으로 상이 전이될 수 있다.

Description

이차원 상 전이 소재를 이용한 디스플레이 소자 및 이의 제조 방법
본 출원은 이차원 상 전이 소재를 이용한 디스플레이 소자 및 이의 제조 방법에 관한 것이다.
이텔루르화 몰리브덴(Molybdenum Ditelluride, MoTe2)은 TMDC(Transition metal dichalcogenide) 물질의 일종으로 대략 0.93 eV ~ 1.1 eV 정도의 작은 밴드 갭을 나타내며, 이에 따라 근적외선(NIR) 대역의 빛을 효과적으로 검출할 수 있다.
도 1은 이텔루르화 몰리브덴의 상 전이를 설명하기 위한 도면으로, (a)는 상 전이를 나타내고, (b)는 상 전이시의 에너지를 도시한다.
도 1을 참조하면, 이텔루르화 몰리브덴은 한 개의 몰리브덴 원자와 두 개의 텔루륨 원자들이 주기적인 샌드위치 구조를 형성하며, 대표적으로 2H(Hexagonal) 상과 1T’(Octahedral) 상이 안정적으로 존재한다. 여기서, 2H 상은 반도체와 같은 물성(Semiconducting)을 지니며, 1T’상은 금속과 유사한 성질(Semi-metallic)을 보인다.
이텔루르화 몰리브덴은 보통 2H 상으로 존재하고 있지만, 열, 전하 이동, 압력 등과 같은 외부 조건에 의해 2H 상에서 1T’상으로 전이하게 된다.
또한, 이텔루르화 몰리브덴은 다른 TMDCs 물질과는 상이하게 두 상의 바닥상태 에너지 차이가 ~ 43 meV로 가장 작아서, 상 전이 물질로서의 활용도가 높다.
당해 기술분야에서는 이차원 상 전이 물질인 이텔루르화 몰리브덴을 활용하여 전기적 가변 가능한 디스플레이 소자를 제공하기 위한 방안이 요구되고 있다.
상기 과제를 해결하기 위해서, 본 발명의 일 실시예는 이차원 상 전이 소재를 이용한 디스플레이 소자를 제공한다.
상기 이차원 상 전이 소재를 이용한 디스플레이 소자는, 기판; 상기 기판 상에 적층된 금속층; 상기 금속층 상에 적층된 절연층; 상기 절연층 상에 적층된 투명전극층; 상기 투명전극층 상에 적층되며, 상 전이 물질로 이루어진 광흡수층; 상기 광흡수층 상에 적층된 패시베이션층을 포함하며, 상기 광흡수층은 온도, 자기장 및 전기장 중 어느 하나에 따라 가역적으로 상이 전이될 수 있다.
또한, 본 발명의 다른 실시예는 이차원 상 전이 소재를 이용한 디스플레이 소자의 제조 방법을 제공한다.
상기 이차원 상 전이 소재를 이용한 디스플레이 소자의 제조 방법은, 기판 상에 금속층을 적층하는 단계; 상기 금속층 상에 절연층을 적층하는 단계; 상기 절연층 상에 투명전극층을 적층하는 단계; 상기 투명전극층 상에 상 전이 물질로 이루어진 광흡수층을 적층하는 단계; 및 상기 광흡수층 상에 패시베이션층을 적층하는 단계를 포함하며, 상기 광흡수층은 온도, 자기장 및 전기장 중 어느 하나에 따라 가역적으로 상이 전이될 수 있다.
덧붙여 상기한 과제의 해결수단은, 본 발명의 특징을 모두 열거한 것이 아니다. 본 발명의 다양한 특징과 그에 따른 장점과 효과는 아래의 구체적인 실시형태를 참조하여 보다 상세하게 이해될 수 있을 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 이차원 상 전이 물질인 이텔루르화 몰리브덴을 활용하여 전기적 가변 가능한 디스플레이 소자를 제공할 수 있다.
도 1은 이텔루르화 몰리브덴의 상 전이를 설명하기 위한 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 이차원 상 전이 소재를 이용한 디스플레이 소자의 개략도이다.
도 3a 내지 도 3f는 본 발명의 일 실시예에 따른 이차원 상 전이 소재를 이용한 디스플레이 소자의 제조 방법을 설명하기 위한 단계별 단면도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 이차원 상 전이 소재를 이용한 디스플레이 소자의 파장에 따른 흡수율과 반사율을 나타내는 도면이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 이차원 상 전이 소재를 이용한 디스플레이 소자의 온도에 따른 상 전이의 예를 나타내는 이미지이다.
도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 이차원 상 전이 소재를 이용한 디스플레이 소자의 개략도이다.
도 7a 내지 도 7f는 본 발명의 다른 실시예에 따른 이차원 상 전이 소재를 이용한 디스플레이 소자의 제조 방법을 설명하기 위한 단계별 단면도이다.
도 8은 본 발명의 다른 실시예에 따른 이차원 상 전이 소재를 이용한 디스플레이 소자의 전압에 따른 반사율을 나타내는 도면이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 용이하게 실시할 수 있도록 바람직한 실시예를 상세히 설명한다. 다만, 본 발명의 바람직한 실시예를 상세하게 설명함에 있어, 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략한다.
또한, 다음에 소개되는 실시예들은 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 예로서 제공되는 것이다. 따라서 본 발명은 이하 설명된 실시예들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 그리고 도면들에 있어서, 구성요소의 폭, 길이, 두께 등은 편의를 위하여 과장되어 표현될 수도 있다. 명세서 전체에 걸쳐서 동일한 참조번호들은 동일한 구성요소들을 나타낸다.
본 출원에서는 이차원 상 전이 물질인 이텔루르화 몰리브덴을 활용한 전기적 가변 가능한 디스플레이 소자와 이의 제조 방법을 제공한다. 여기서, 이텔루르화 몰리브덴은 외부 조건, 즉 온도, 자기장 및 전기장 중 어느 하나에 따라 가역적으로 상이 전이되는 특징을 가지며, 이를 활용하여 전기적 가변 가능한 디스플레이 소자를 구현할 수 있다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 이차원 상 전이 소재를 이용한 디스플레이 소자의 개략도이다.
도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 이차원 상 전이 소재를 이용한 디스플레이 소자는, 기판(미도시) 상에 적층되는 금속층(Ag)과, 금속층(Ag) 상에 적층되는 절연층(SiO2)과, 절연층(SiO2) 상에 적층되는 투명전극층(Graphene)과, 투명전극층(Graphene) 상에 적층되는 광흡수층(MoTe2)과, 광흡수층(MoTe2) 상에 적층되는 패시베이션층(Al2O3)을 포함하여 구성될 수 있다.
여기서, 광흡수층은 이차원 상 전이 소재인 이텔루르화 몰리브덴(MoTe2)으로 이루어질 수 있다. 디스플레이 소자는 기판에 가해지는 온도에 따라 광흡수층의 상이 가역적으로 변하게 되고(즉, 2H MoTe2 <-> 1T' MoTe2), 이와 같은 상 전이에 따라 광학적 특성도 변하게 되어 광변조가 가능해진다.
이와 같은 디스플레이 소자의 구조 및 제조 방법에 대해서는 도 3a 내지 도 3f를 참조하여 보다 구체적으로 설명한다.
도 3a 내지 도 3f는 본 발명의 일 실시예에 따른 이차원 상 전이 소재를 이용한 디스플레이 소자의 제조 방법을 설명하기 위한 단계별 단면도이다.
우선, 도 3a에 도시된 바와 같이, 기판(110) 상에 금속층(120)을 적층할 수 있다. 예를 들어, 기판(110)은 실리콘 기판으로 형성될 수 있고, 금속층(120)은 전자빔 증착법(E-beam evaporation)에 의해 은(Ag)을 50nm의 두께로 증착하여 형성될 수 있다. 금속층(120)은 후면 반사체로 입사 광파를 반사시켜주는 역할을 할 수 있다.
이후, 도 3b에 도시된 바와 같이, 금속층(120) 상에 절연층(130)을 적층할 수 있다. 예를 들어, 절연층(130)은 플라즈마 화학증착법(Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition; PECVD)에 의해 이산화 실리콘(SiO2)을 20nm의 두께로 증착하여 형성될 수 있다. 절연층(130)은 스페이서(spacer)로서의 역할을 하며, 입사 광파의 흡수를 증폭시킬 수 있다.
이후, 도 3c에 도시된 바와 같이, 절연층(130) 상에 투명전극층(140)을 적층할 수 있다. 예를 들어, 투명전극층(140)은 화학기상증착법(Chemical Vapor Deposition; CVD)을 이용하여 성장된 단일층 그래핀의 습식 전사(Wet-transfer)로 0.34 nm의 두께로 형성될 수 있다. 그래핀은 가시광선 영역에서 투명하며, 추후 포토트랜지스터의 채널 소재로도 활용될 수 있다.
이후, 도 3d에 도시된 바와 같이, 투명전극층(140) 상에 광흡수층(150)을 적층할 수 있다. 예를 들어, 광흡수층(150)은 벌크 및 픽업 전사(bulk and pick-up transfer)에서 2H 상의 이텔루르화 몰리브덴(MoTe2)의 기계적 박리(Mechanical exfoliation)에 의해 5 nm의 두께로 형성될 수 있다.
이후, 도 3e에 도시된 바와 같이, 광흡수층(150) 상에 패시베이션층(160)을 적층할 수 있다. 예를 들어, 패시베이션층(160)은 원자층증착(Atomic layer deposition; ALD)에 의해 산화 알루미늄(Al2O3)을 20nm의 두께로 증착하여 형성될 수 있다. 패시베이션층(160)은 광흡수층(150)의 산화를 방지하는 역할을 할 수 있다.
상술한 도 3a 내지 도 3e의 과정을 거쳐 제조된 디스플레이 소자(100)는 광흡수층(150)의 흡수율 증가를 위해 최적화된 구조를 가질 수 있다. 또한, 디스플레이 소자(100)에 열을 가하면, 도 3f에 도시된 바와 같이 광흡수층(150')의 이텔루르화 몰리브덴(MoTe2)이 1T' 상으로 전이하게 된다. 이와 같은 상 전이는 가역적인 과정이다.
상술한 실시예에서 디스플레이 소자를 구성하는 각 층의 소재와 두께, 그리고 형성 방법을 구체적으로 기재하였으나, 본 발명이 반드시 이로 제한되는 것은 아니며, 통상의 기술자에게 알려진 다양한 소재와 적정 두께, 그리고 다양한 형성 방법이 적용될 수도 있음이 명백하다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 이차원 상 전이 소재를 이용한 디스플레이 소자의 파장에 따른 흡수율과 반사율을 나타내는 도면으로, 도 4의 (a)는 파장에 따른 흡수율을, (b)는 파장에 따른 반사율을 나타낸다.
도 4를 참조하면, 이텔루르화 몰리브덴(MoTe2)으로 이루어진 광흡수층의 상 전이에 따라 흡수율이 변함을 알 수 있으며(대략 25%의 흡수율 차이), 이로써 완전한 흡수(즉, 블랙) 및 완전한 반사(즉, 화이트)의 블랙 앤 화이트 디스플레이 소자를 구현할 수 있음을 알 수 있다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 이차원 상 전이 소재를 이용한 디스플레이 소자의 온도에 따른 상 전이의 예를 나타내는 이미지이다.
도 5를 참조하면, 기판에 가해지는 온도가 300K, 400K, 500K 및 700K로 변함에 따라 이텔루르화 몰리브덴(MoTe2)으로 이루어진 광흡수층이 2H 상에서 1T'상으로 전이하며, 색이 변화함을 알 수 있다.
도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 이차원 상 전이 소재를 이용한 디스플레이 소자의 개략도이다.
도 6에 도시된 바와 같이, 본 발명의 다른 실시예에 따른 이차원 상 전이 소재를 이용한 디스플레이 소자는, 기판(Silicon substrate) 상에 적층되는 금속층(Ag)과, 금속층(Ag) 상에 적층되는 절연층(SiO2)과, 절연층(SiO2) 상에 적층되는 투명전극층(Graphene)과, 투명전극층(Graphene) 상에 적층되는 광흡수층(MoTe2)과, 광흡수층(MoTe2) 상에 적층되는 패시베이션층(ITO)을 포함하여 구성될 수 있다.
여기서, 광흡수층은 이차원 상 전이 소재인 이텔루르화 몰리브덴(MoTe2)으로 이루어질 수 있다. 디스플레이 소자는 금속층(Ag)과 패시베이션층(ITO) 사이에 전압이 인가됨에 따라 광흡수층의 상이 가역적으로 변하게 되고(즉, 2H MoTe2 <-> 1T' MoTe2), 이와 같은 상 전이에 따라 광학적 특성도 변하게 되어 전기적 광변조가 가능해진다. 보다 구체적으로, 금속층과 패시베이션층 사이에 인가된 전압에 의해 패시베이션층(ITO)의 전하가 광흡수층(MoTe2)으로 이동하게 되고, 이동한 전하가 2H 상의 광흡수층(MoTe2)의 빈 에너지를 채워 에너지가 증가하여 1T'상으로 전이하게 된다.
이와 같은 디스플레이 소자의 구조 및 제조 방법에 대해서는 도 7a 내지 도 7f를 참조하여 보다 구체적으로 설명한다.
도 7a 내지 도 7f는 본 발명의 다른 실시예에 따른 이차원 상 전이 소재를 이용한 디스플레이 소자의 제조 방법을 설명하기 위한 단계별 단면도이다.
우선, 도 7a에 도시된 바와 같이, 기판(210) 상에 금속층(220)을 적층할 수 있다. 예를 들어, 기판(210)은 실리콘 기판으로 형성될 수 있고, 금속층(220)은 전자빔 증착법(E-beam evaporation)에 의해 은(Ag)을 50nm의 두께로 증착하여 형성될 수 있다. 금속층(220)은 후면 반사체 및 전극으로 입사 광파를 반사시켜주는 역할을 하면서, 패시베이션층(260)의 전하를 광흡수층(250)으로 전달하는 역할을 할 수 있다.
이후, 도 7b에 도시된 바와 같이, 금속층(220) 상에 절연층(230)을 적층할 수 있다. 예를 들어, 절연층(230)은 플라즈마 화학증착법(Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition; PECVD)에 의해 이산화 실리콘(SiO2)을 20nm의 두께로 증착하여 형성될 수 있다. 절연층(230)은 스페이서(spacer)로서의 역할을 하며, 입사 광파의 흡수를 증폭시킬 수 있다.
이후, 도 7c에 도시된 바와 같이, 절연층(230) 상에 투명전극층(240)을 적층할 수 있다. 예를 들어, 투명전극층(240)은 화학기상증착법(Chemical Vapor Deposition; CVD)을 이용하여 성장된 단일층 그래핀의 습식 전사(Wet-transfer)로 0.34 nm의 두께로 형성될 수 있다. 그래핀은 가시광선 영역에서 투명하며, 추후 포토트랜지스터의 채널 소재로도 활용될 수 있다.
이후, 도 7d에 도시된 바와 같이, 투명전극층(240) 상에 광흡수층(250)을 적층할 수 있다. 예를 들어, 광흡수층(250)은 벌크 및 픽업 전사(bulk and pick-up transfer)에서 2H 상의 이텔루르화 몰리브덴(MoTe2)의 기계적 박리(Mechanical exfoliation)에 의해 5 nm의 두께로 형성될 수 있다.
이후, 도 7e에 도시된 바와 같이, 광흡수층(250) 상에 패시베이션층(260)을 적층할 수 있다. 예를 들어, 패시베이션층(260)은 스퍼터링 시스템에 의해 인듐 주석 산화물(Indium tin oxide; ITO)을 10nm의 두께로 증착하여 형성될 수 있다. 패시베이션층(260)은 광흡수층(250)의 산화를 방지하는 역할을 하면서, 또한 가시광선 영역에서 투명한 전극으로의 역할을 할 수 있다.
상술한 도 7a 내지 도 7e의 과정을 거쳐 제조된 디스플레이 소자(200)는 광흡수층(250)의 흡수율 증가를 위해 최적화된 구조를 가질 수 있다. 또한, 디스플레이 소자(200)에서 금속층(220)과 패시베이션층(260) 사이에 전압을 인가하면, 도 7f에 도시된 바와 같이 광흡수층(250')의 이텔루르화 몰리브덴(MoTe2)이 1T' 상으로 전이하게 된다. 이와 같은 상 전이는 가역적인 과정이다.
상술한 실시예에서 디스플레이 소자를 구성하는 각 층의 소재와 두께, 그리고 형성 방법을 구체적으로 기재하였으나, 본 발명이 반드시 이로 제한되는 것은 아니며, 통상의 기술자에게 알려진 다양한 소재와 적정 두께, 그리고 다양한 형성 방법이 적용될 수도 있음이 명백하다.
도 8은 본 발명의 다른 실시예에 따른 이차원 상 전이 소재를 이용한 디스플레이 소자의 전압에 따른 반사율을 나타내는 도면이다.
도 8을 참조하면, 디스플레이 소자의 금속층과 패시베이션층 사이에 전압이 인가됨에 따라 상 전이가 유도되고, 이에 따라 반사율이 달라짐을 확인할 수 있다(대략 38%의 흡수율 차이). 즉, 본 실시예에 따른 디스플레이 소자는 전기적으로 구동 가능하고, 가역적으로 상 전이가 가능하며, 완전한 흡수(즉, 블랙) 및 완전한 반사(즉, 화이트)의 블랙 앤 화이트 디스플레이 소자를 구현할 수 있음을 알 수 있다.
또한, 디스플레이 소자의 전압 구동 범위는 -3V 에서 4V로 저전력으로도 광 변조가 가능하다.
또한, 인가하는 전압을 올리고 내림에 따라 히스테리시스 곡선(Hysteresis curve)이 관측됨을 알 수 있다.
본 발명은 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니다. 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명에 따른 구성요소를 치환, 변형 및 변경할 수 있다는 것이 명백할 것이다.

Claims (12)

  1. 기판;
    상기 기판 상에 적층된 금속층;
    상기 금속층 상에 적층된 절연층;
    상기 절연층 상에 적층된 투명전극층;
    상기 투명전극층 상에 적층되며, 상 전이 물질로 이루어진 광흡수층;
    상기 광흡수층 상에 적층된 패시베이션층을 포함하며,
    상기 광흡수층은 온도, 자기장 및 전기장 중 어느 하나에 따라 가역적으로 상이 전이되는 것을 특징으로 하는 이차원 상 전이 소재를 이용한 디스플레이 소자.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 광흡수층은 이텔루르화 몰리브덴으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 이차원 상 전이 소재를 이용한 디스플레이 소자.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 패시베이션층은 산화 알루미늄으로 이루어지며,
    상기 디스플레이 소자에 열이 인가되면 상기 광흡수층의 상이 2H에서 1T'로 전이하는 것을 특징으로 하는 이차원 상 전이 소재를 이용한 디스플레이 소자.
  4. 제 2 항에 있어서,
    상기 패시베이션층은 인듐 주석 산화물(ITO)로 이루어지며,
    상기 금속층과 상기 패시베이션층 사이에 전압이 인가되면 상기 패시베이션층이 상기 광흡수층으로 전하를 전달하여 상기 광흡수층의 상이 2H에서 1T'로 전이하는 것을 특징으로 하는 이차원 상 전이 소재를 이용한 디스플레이 소자.
  5. 기판 상에 금속층을 적층하는 단계;
    상기 금속층 상에 절연층을 적층하는 단계;
    상기 절연층 상에 투명전극층을 적층하는 단계;
    상기 투명전극층 상에 상 전이 물질로 이루어진 광흡수층을 적층하는 단계; 및
    상기 광흡수층 상에 패시베이션층을 적층하는 단계를 포함하며,
    상기 광흡수층은 온도, 자기장 및 전기장 중 어느 하나에 따라 가역적으로 상이 전이되는 것을 특징으로 하는 이차원 상 전이 소재를 이용한 디스플레이 소자의 제조 방법.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 광흡수층은 이텔루르화 몰리브덴으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 이차원 상 전이 소재를 이용한 디스플레이 소자의 제조 방법.
  7. 제 5 항에 있어서,
    상기 금속층을 적층하는 단계는,
    실리콘 기판에 전자빔 증착법에 의해 은을 50nm의 두께로 증착하는 것을 특징으로 하는 이차원 상 전이 소재를 이용한 디스플레이 소자의 제조 방법.
  8. 제 5 항에 있어서,
    상기 절연층을 적층하는 단계는,
    상기 금속층 상에 플라즈마 화학증착법에 의해 이산화 실리콘을 20nm의 두께로 증착하는 것을 특징으로 하는 이차원 상 전이 소재를 이용한 디스플레이 소자의 제조 방법.
  9. 제 5 항에 있어서,
    상기 투명전극층을 적층하는 단계는,
    상기 절연층 상에 화학기상증착법을 이용하여 성장된 단일층 그래핀의 습식 전사(Wet-transfer)로 0.34 nm의 두께로 상기 투명전극층을 형성하는 것을 특징으로 하는 이차원 상 전이 소재를 이용한 디스플레이 소자의 제조 방법.
  10. 제 5 항에 있어서,
    상기 광흡수층을 적층하는 단계는,
    상기 투명전극층 상에 2H 상의 이텔루르화 몰리브덴의 기계적 박리에 의해 5 nm의 두께로 상기 광흡수층을 형성하는 것을 특징으로 하는 이차원 상 전이 소재를 이용한 디스플레이 소자의 제조 방법.
  11. 제 5 항에 있어서,
    상기 패시베이션층을 적층하는 단계는,
    상기 광흡수층 상에 스퍼터링 시스템에 의해 인듐 주석 산화물을 10nm의 두께로 증착하는 것을 특징으로 하는 이차원 상 전이 소재를 이용한 디스플레이 소자의 제조 방법.
  12. 제 5 항에 있어서,
    상기 패시베이션층을 적층하는 단계는,
    상기 광흡수층 상에 원자층증착에 의해 산화 알루미늄을 20nm의 두께로 증착하는 것을 특징으로 하는 이차원 상 전이 소재를 이용한 디스플레이 소자의 제조 방법.
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