기술특집 Flexible display 용인쇄 backplane TFT 개발동향및전망 노용영, 한현, 배광태, 조아라, 이혜미 ( 한밭대학교화학공학과 ) Ⅰ. 서론 최근다양한모바일기기의폭발적인인기로인해서가볍고, 떨어뜨려도쉽게부서지지않으며, 구부리거나말아서휴대가가능한 Flexible display에대한연구개발이활발히진행되고있다. 실제로관련기업에서는향후 5년 ~ 10년이내에모바일기기에적용될 Flexible display 패널의상용화가가능할것으로예측하고있다. Flexible display는통상유연한플라스틱이나, metal foil 등의기판위에제조된디스플레이를칭하며디스플레이의표시부 (Front panel) 의구동방식에따라서 Flexible OLED, LCD, E-paper 디스플레이로구별될수있다. 이러한다양한표시부를지닌능동구동방식의 Flexible display 를제조하기위해서는표시부를구동하는 Flexible한 backplane TFT가반드시필요하다. Flexible display용 backplane TFT는제작공정에서따라크게기존의진공공정을기반으로제작된 TFT와새로운형태의제조공정인용액공정을기반으로제작된인쇄 TFT로나뉠수있다. 이중진공공정을기반으로하는 TFT는실리콘이나산화물을기반으로하는 TFT가가장활발하게연구되고있다. 이러한 TFT는비교적높은안정성과공정성및대면적화가용이한장점을지니고있으나, 공정비용이비싸고유연한기판을 rigid 한기판에부착해서공정하고다시탈착해야하는등의단점을지니고있다. 반면기능성잉크용액의인쇄를기반으로하는연속인쇄공정 (R2R printing process) 은당장의상용화가능성은진공공정에비해서는낮으나 기판의유연성이라는특성과가장잘어울리는 backplane TFT 제조공정이라고할수있다. 또한인쇄공정을기반으로하는 Flexible display 제조공정은기존진공기반의디스플레이제조공정에비해서공정비용을획기적으로낮출수있을것으로기대된다. 본기고에서는 Flexible 디스플레이에적용되기위해현재연구개발되는 backplane TFT 기술중인쇄공정으로제작된 backplane TFT에한정하여이에대한연구개발동향및전망에대해서살펴보고자한다. [ 표 1] 에서는현재 Flexible display의 backplane TFT로연구개발되고있는대표적인 4가지 TFT에대해서비교를해두었다. [ 표 1] 에서언급된 4가지 TFT 중현재기술수준으로금속산화물 TFT와유기박막트랜지스터 (OTFT) 가용액공정을기반으로하는인쇄공정으로제조가가능하다. OTFT 는우선인쇄공정을통한제조에 10년이상의비교적오랜연구역사를지니고있으며가장낮은공정온도 (<150 ) 에서소자의제작이가능하여유연한플라스틱기판위에공정하는데가장적합한소자라고할수있다. 또한반도체잉크의안정성이나인쇄공정성또한다른소재에비해우수하다고할수있다. 반면 OTFT에활성층으로사용되는유기반도체는다른반도체소재에비해서상대적으로낮은이동도 (0.1 ~ 10 cm 2 /Vs) 를보여주고있어서이에대한지속적인연구가필요하다. 금속산화물 TFT는앞서설명한 OTFT에비해서높은이동도를보고하고있으나비교적공정온도가높아서 (>350 ) 유연한플라스틱기판위의공정에는어려움을 2 인포메이션디스플레이
Flexible display 용인쇄 backplane TFT 개발동향및전망 TFT 종류 a-si TFT poly-si TFT Oxide TFT OTFT 반도체 무정형실리콘 다결정실리콘 금속산화물 유기반도체 uniformity Good Poor Fair Fair mobility 1 100 10 ~ 50 0.1 ~ 10 stability Vth <20V Vth <0.5V Vth <5V Vth <5V TFT Type PMOS CMOS NMOS CMOS 용액공정성 X X O Merits 낮은가격높은높은용액공정대면적화이동도이동도용이 Weakness [ 표 1] Flexible display 에사용가능한 TFT 의비교 낮은이동도 높은가격, 높은공정온도, 불균일성 높은가격, 높은공정온도 낮은이동도 지니고있다. 최근에캠브리지대캐빈디쉬연구소의 H. Sirringhaus 교수팀이나노스웨스턴대의 Tobin Marks & Antonio Facchetti 교수팀이각각 250 정도의비교적낮은온도에서공정되면서 10 cm 2 /Vs 정도의높은이동도를보여주는새로운금속산화물 TFT를보고하여이러한재료의가능성을높여주고있다. [1,2] 본론에서는우선 backplane TFT 제작공정에사용되는다양한인쇄기술에대해서간략히소개를하고, 이어서인쇄기술로제작된 backplane TFT의연구개발동향에대해서 OTFT와 metal oxide TFT를위주로소개하고자한다. Ⅱ. 인쇄기술을통한 TFT 제작공정소개 Flexible display의 backplane TFT을인쇄공정으로제조하기위한세부공정은크게 (1) source/drain 전극의형성, (2) 반도체박막의도포, (3) 절연체박막의도포, (4) 게이트전극및 (5) 금속배선의형성공정으로나뉠수있다. 위의각각의세부공정들의요구사항은다양하여이들에적합한인쇄공정은각자다를수있다. 가령 source/drain 전극형성공정의경우통상 5 um 정도의채널길이를구현가능한인쇄공정이적용되어야한다. 따라서이를가능하게하기위해서비교적고정세의인쇄공정이개발적용되어야한다. 아래에서는 Flexible display의 backplane TFT 제조에적용될수있는다양한인쇄공정에대해서간략히소개한다. 1. Source/drain 전극형성공정및전도성잉크소재현재 TFT-LCD에사용되는 source/drain 전극의간격은 6 ~ 8 um 수준인것으로알려져있다. 이러한미세한간격을지닌전도성전극을인쇄공정으로형성하는것쉬운일이아니다. 현재까지몇가지선택적인인쇄방법만이이러한미세한선폭을지닌전도성패턴을형성이가능하다. 아래에서는이러한미세한인쇄방법에대해서자세히소개하고자한다. (1) Gravure offset & reverse gravure offset 그라비아인쇄는주로 photolithograph 방식으로제작된오목판 ( 그라비아인쇄 ) 혹은조각식으로만든오목판에잉크를채우고이를원하는기판에전이하여인쇄하는방식을말한다. 그라비아판은동도금된실린더에재판하고, 경질크롬도금가공한것이대부분인데오목판의깊이는 2 ~ 40 um 정도가일반적이다. 그라비아인쇄는폭넓은피인쇄체에적용될수있고비교적방법이쉽고공정속도가매우빨라서다양한인쇄물의인쇄에널리사용되고있다. 그라비아인쇄는전자소자제작공정에적용하기에는인쇄해상도가낮고인쇄되는패턴의두께가두꺼운단점을지니고있다. 최근에는그라비아인쇄법을이용하되보다높은해상도를지닌인쇄를가능하게하는다양한응용된그라비아인쇄방법이개발적용되고있다. 그중대표적이방법들이 gravure offset 인쇄법과 reverse gravure offset 인쇄법이다. gravure offset 인쇄법은오목인쇄방식인그라비아인쇄법과 blanket roll을사용하여인쇄하는 offset 방식을결합한인쇄방식이다 [ 그림 1]. Gravure offset 인쇄법은 gravure 인쇄법이가진낮은해상도의단점을보완하고자하여고안된방식이다. 보통그라비아인쇄법에서그라비아의음각롤의홈에채워진잉크가피인쇄체에전부전이되지않고남는경우가종종생기게된다. 이는금속그라비아롤과잉크사이의접착이기판과잉크사이의접착력보다우수하여생기는현상, 그리고잉크의용매가인쇄전에증발하여음각롤표면에서오목한메니스커스가형성되면서나타나는현상때문이기도하다. 이러한패턴의불완전한전이는연속, 고속인쇄공정에서패턴모양이나 2010 년제 11 권제 6 호 3
기술특집 [ 그림 1] 그라비아옵셋인쇄법의개념 해상도의변형을유발하게된다. 이러한현상을방지하기위해그라비아롤과피인쇄체기판사이에패턴을전달해줄수있는 blanket roll를삽입하여인쇄의품질을향상시키는방식이 gravure offset 인쇄법이다. 따라서그라비아옵셋인쇄법을위해서는음각의그라비아롤, blanket roll, 피인쇄체기판의 3가지요소가필요하며그라비아음각에채워진잉크가잉크의흡착력이우수한 Blanket roll에전이되고다시 Blanket roll에서피인쇄체기판에전이되는방식으로인쇄가이루어지게된다 [ 그림 1]. Gravure offset 인쇄법의해상도및인쇄품질을좌우하는중요한요소가바로 blanket roll이며주로 PDMS 등 rubber like 한고분자소재를패턴전이를위한롤의표면으로사용하여제작된다. Gravure offset 인쇄법은기존그라비아인쇄법의단점인낮은해상도의단점을보완한방법으로써수 um 두께를지닌수십 um 해상도의패턴을비교적 high throughput 으로인쇄할수있다. 하지만인쇄공정을 Flexible 디스플레이의 backplane TFT의 source/drain 제조에적용하기위해서는보다고해상도의얇은박막을인쇄해야할필요가생긴다. 가령 backplane TFT의경우 source/drain 전극은일반적으로수 um 정도의해상도가필요하며통상적인두께는수십 nm 정도이다. 이러한패턴을형성하기위해서는 gravure offset 인쇄법보다보다고해상도의인쇄방법이필요하다. 따라서최근에새롭게연구되고있는방법이 reverse gravure offset 인쇄법이다. Reverse gravure offset 인쇄법은 gravure offset 인쇄법과유사하지만이를역으로 (reverse) 이용하는방식을사용한다는데그차이점있다. 우선 reverse gravure offset [ 그림 2] 리버스그라비아오프셋의개념도인쇄법은 blanket roll에 slit die nozzle 등을이용해서얇고균일한잉크박막을형성하고 ( 보통의두께는인쇄를원하는패턴의두께임 ) 이를미리 photolithography 나 e-beam lithography 등을이용해서제작된패턴이새겨진 cliche 기판위에전이시킨다. 이때 cliche에새겨진패턴은실제형성하고자하는패턴의역모양을가지고있어서본인쇄법을 reverse gravure offset 이라고부른다. 이렇게하여실제모양의 reverse한패턴을 cliche를통해서제거한후에 blanket roll에남아있는패턴을실제피인쇄체기판위에전이하여원하는패턴을형성하게된다. 이러한 reverse gravure offset 인쇄법은 gravure 인쇄법으로는비교적높은수 um의해상도를지닌패턴을형성할수있는방법이다. 형성한패턴의두께는비교적얇아서일반적으로수십 nm에서수백 nm 정도의두께가가능하다. 일본의 Toppan ink사와 Sony사는이러한 reverse gravure offset 방식을통해서 Flexible e-paper용 backplane TFT의 source/drain 전극을형성하는공정에가장앞선기술을보고하였다. [3] 2009년발표된자료에의하면그들은은나노잉크를사용하여 reverse gravure offset 방식으로 8 um의채널길이를지닌 TFT를 640 x 480(VGA) 해상도로구현하였다. [ 그림 3] 최근에는국내의 LG디스플레이사, 삼성전자사, ETRI등여러그룹에서도동일한방식으로고해상도의전도성잉크의인쇄를성공하였다. LG디스플레이사에서는 2009년 SID에서보고한결과에따르면앞서소개한 reverse gravure offset법을이용해서 backplane용배선및트랜지스터용 source/drain 전극을 4 인포메이션디스플레이
Flexible display 용인쇄 backplane TFT 개발동향및전망 [ 그림 3] 일본의 Toppan ink사와 Sony사에서보고한 reverse gravure 인쇄방식을적용해서은나노잉크로형성한 flexible display의 source/drain 전극 ( 출처 : Toppan ink사 ) 성공적으로제작하였다. [4] Ag잉크와 reverse gravure offset법을이용해서약 3 ~ 5 μm 정도의해상도를지닌패턴을성공적으로형성하였고이를소스드레인전극으로사용해서 a-si TFT를제작한결과를보고하였다. 제작된트랜지스터의주요성능은 mobility 0.16cm 2 /Vs, on/off ~ 1.5 10 6, SS = 1203mV/dec, V TH = 3 V 이며향후이를이용해서 LCD나 e-paper용 backplane TFT에적용할것으로알려져있다. Reverse gravure offset 방식은고해상도가가능하긴하지만잉크의소모량이많고인쇄품질이주변의환경적요인에민감하게의존하는단점을지니고있다. 따라서이러한공정이실제양산공정에적용하기위해서는보다지속적인연구가필요할것으로예측된다. (2) Self-aligned inkjet printing 2007년캠브리지대 Cavendish 연구소의 Noh et al. 에의해서보고되었으며전도성잉크의두번프린팅을통해서 50 nm - 400 nm까지의초고해상도를지닌패턴을형성할수있는획기적인방법이라고할수있다. [5] 구체적인공정방법은다음과같다.([ 그림 4]-(a) 참조 ) 우선기판위에첫번째전도성라인을잉크젯프린팅을통해서형성한다. 프린팅된전도성라인의표면에너지를전도성재료에따라서다양한표면처리방법을이용해서낮추어준다. 이어서두번째전도성라인을첫번째라인위에약간겹치게프린팅을한다. 이때전도성잉크와첫번째 [ 그림 4] (a)self-aligned inkjet printing 기술의모식도, (b) AFM 이미지, (c) 300nm 미세패턴의 SEM 이미지, (d) 넓은면적의 self-aligned printing을통한 4800개의 channel 동시형성 라인의표면간에 dewetting이일어나서두번째잉크가첫번째라인표면에서미끄러져기판에떨어지면서자연스럽게두라인사이에작은틈이형성되게된다. 이렇게형성된틈은전도성잉크와첫번째프린팅라인사이의반발력, 잉크용매의증발속도등에따라서 50 nm 부터 400 nm까지자유롭게조절가능하다 ([ 그림 4]-(b) 와 [ 그림 4]-(c)). 또한 self-aligned printing을통해서넓은면적을프린팅하고 8000개의 channel을동시에형성하였을때도공정이균일하게적용되었음을보고하였다. 이때사용되는전도성잉크로는전도성고분자나 metal nanoparticles 잉크등을들수있으며전도성잉크의종류에따라서표면처리방법이다를수있다. 높은스위칭속도를지닌회로를제작하기위해이렇게형성된수백나노미터크기의패턴을 OTFT의채널에적용하였다. 이렇게 self-aligned printing 으로제작된 OTFT는 6 V 이내의낮은구동전압과 0.2 cm 2 /Vs이상의높은이동도, 1.6 MHz의높은스위칭속도를보여주었다 [ 그림 4]-(b). 이는현재까지보고된잉크젯프린팅으로제작된 OTFT의최고성능에해당하며채널길이를줄임에따라서회로의구동속도가획기적으로높아짐을보여주는결과라고할수있다. (3) 전도성잉크소재전도성잉크소재는 Backplane TFT의 source/drain 혹은 2010 년제 11 권제 6 호 5
기술특집 gate 전극외에 TFT간의배선에도사용되게된다. 이때적용되는전도성잉크소재의가장중요한물성은바로높은전도도이다. 전도도외에도 source/drain 전극의경우반도체에전하를주입해야하므로전하주입에적당한일함수를지녀야한다. 또한이밖의요구사항으로는낮은공정온도, 낮은제조단가및잉크의안정성등을들수있다. 현재주로사용되고있거나활발히연구되고있는전도성잉크재료는전도성고분자용액, 금속나노입자가분산된용액, 탄소나노튜브 (CNT, carbon nanotube) 혹은 graphene 분산용액및이에대한복합체재료를들수있다 [ 그림 5]. 이들재료는각각장점과단점을동시에보유하고있어서현재모든요구사항을완벽히만족시키는전도성잉크는없는실정이다. 현재가장높은가능성을보여주고있는금속나노입자의경우 source/drain 전극으로적용되기위한높은전도도를보유하고있으나, 이들을분산시키기위해사용되는분산재를제거하기위해서는비교적높은소성온도 (>150 o C) 를요구하며제조단가도비싼편이다. 따라서좀더낮은단가에제조가가능한공정의개발과소성온도를낮출수있는분산재를개발하는것이필요하다. 전도성고분자의경우높은분산특성과낮은공정온도때문에공정이가장용이하나, 금속나노입자에비해전도도가턱없이낮다 (1 ~ 750 S/cm). 따라서전도성이높은전도성고분자재료에대한연구가필요하다. CNT 혹은 graphene 분산용액은자체로는일반적 [ 그림 5] 현재대표적으로사용되는전도성잉크재료들 (a) PEDOT:PSS 전도성고분자, (b) 금속나노입자, (c) 표면이개질된 Carbon Nanotube 인용매에분산이어려워표면이개질된 CNT 혹은산화된 graphene을물등의용매에분산해서잉크로사용하고있다. 금속나노입자보다는낮으나비교적높은전도도 (100 ~ 1000 S/cm) 와낮은공정온도 (100 ) 때문에최근에활발히연구되고있으나장기간안정적인분산을얻기어려우면인쇄를통해전극을형성할수있는높은농도의분산또한어려워서이에대한연구가더욱필요하다. 현재모든재료가가지고있는장단점으로인해서한가지재료를통해서 TFT의전극형성, TFT간의연결및배선등을모두수행하는것은바람직하지않아보인다. 또한각각의용도에따른전도성잉크의요구사항도조금씩다르다. 예를들면배선재료는높은전도성을우선으로요구하나, TFT의전극은전도성외에도소자내의접촉저항을낮출수있는재료를선택해야한다. 따라서인쇄가능한여러전도성재료를각각의용도에맞게혼합하여사용하는것이가장높은성능을얻을수있는방향으로여겨진다. 2. 반도체잉크소재및박막형성공정반도체잉크재료는인쇄기술을통해서제작되는각종전자소자의활성층으로주로사용되는핵심재료로써소자의성능에가장중요한영향을미치기때문에현재가장활발히연구되고있는재료이다. 반도체잉크재료는재료의화학적인성분상유기물기반반도체잉크재료와무기물기반반도체잉크재료로나뉠수있다. 또한유기물반도체잉크재료는공액성분자 (conjugated molecules) 나 carbon nanotube(cnt) 혹은 graphene 등탄소기반재료를들수있고, 무기물잉크재료는금속산화물이나실리콘용액기반잉크를꼽을수있다. 이중탄소기반잉크는본고에서는지면의한계상자세히다루지않겠다. 반도체잉크를이용해박막을형성하는인쇄기술은주로잉크젯방식을채택하고있다. 2009년보고된각종디스플레이학회의논문들을보면거의모든그룹들이반도체잉크의인쇄에비접촉식잉크젯방식을사용하고있는것을알수있다. [6] 이는잉크젯인쇄방식이다른인쇄방식에비해서잉크의소모량이작으며비교적도포된박막의결정성제어에용이한방식이기때문인것으로추측된 6 인포메이션디스플레이
Flexible display 용인쇄 backplane TFT 개발동향및전망 다. 대부분의반도체잉크는잉크의단가가비교적높아서공정시잉크의소모량을최소화하려고하며요구하는 TFT 활성층의패턴해상도도 100 um 이상의고해상도이기때문에이에적합한방식이잉크젯방식이라할수있다. 잉크젯외에소수이긴하지만 micro-contact printing, transfer printing 등을사용하여반도체박막을형성한기 술도보고되었다. Ⅲ. 인쇄 OTFT 연구동향 인쇄공정으로제조된유기박막트랜지스터 (OTFT) 는반도체특성을지닌공액분자 (conjugated molecule) 를트랜지스터의활성층으로사용한다. 이러한공액분자는분자량의크기에따라서단분자유기반도체와고분자유기반도체로나뉠수있다. pentacene의대표되는단분자유기반도체는유기용매에용해가되지않아서주로진공챔버내에서열증착공정을통해서박막을형성하였으나최근에는물질의화학적인변화를통해서다양한유기용매에용해될수있는물질들이개발되고있다. 그중대표적인재료로 p-type의 TIPS pentacene과 n-type의 PTCDI8-CN2 를들수있다. 이러한용해가능한단분자유기반도체는최근용액공정을통해서 1 ~ 5 cm 2 /Vs 정도의전하이동도를보고하고있으며이는고분자유기반도체에비해서약간높은이동도라할수있다. 다만단분자잉크의낮은점도에의해서인쇄공정시에 coffee-ring effect 등에의해서소자간성능의균일성이비교적낮은단점을지니고있다. 반면에고분자반도체잉크는비교적높은점도로인해서소자간성능균일성이보다높은것으로알려져있다. 최근 Polyera사등에서보고한최신의고성능고분자반도체재료가 1 ~ 2 cm 2 /Vs의이동도를달성하여서이러한재료의응용가능성을보다높이고있다. 하지만유기반도체재료는산화물반도체나 poly Si에비해서낮은전하이동도와안정성으로인해서향후지속적인연구가필요하다. 삼성종합기술원은지난수년간유기고분자반도체잉크를직접개발하고이를잉크젯인쇄를통해서플라스틱기판위에인쇄하여 Flexible e-paper 를시현하였다. [7] 최 [ 그림 6] 삼성종합기술원에서보고한 4.8-inch QVGA Flexible e-paper( 출처 : 삼성종합기술원 ) 근의결과에서그들은 4.8-in QVGA active-matrix electrophoretic display을 printed polymer TFT를구현하여보고하였다. 낮은온도에서공정한 TFT array는 bottom-gate, bottom-contact 의소자구조를갖고유기반도체, 게이트절연체, passivaion은용액공정을적용하였다. 포화영역에서계산된인쇄 TFT의전계효과이동도는 Vg = -20V에서 0.05 ~ 0.1 cm 2 /Vs를갖는다. Xerox 계열의 PARC는수년전부터 Flexible e-paper 의 backplane에적용하기위해서유기트랜지스터를 inkjet printing을통해서제작하는연구를수행하고있다. 자체개발한 thiophene 계열의공액고분자를사용하고있으며성능이 0.1 cm 2 /Vs정도의성능을보여주고있다. 특히 2009년 SID등에서는유기트랜지스터를이용해서구동되는 2-3인치수준의 e-paper의시현품을보고하였다. [8] PARC가주로보유하고있는기술은그들이 digital lithography라고명명한잉크젯인쇄법과여러종류의유기반도체용공액고분자에대한물질특허등을지니고있으며, 아직연속공정기술에대한보고를하지않고있다. Sony사는 2010년 5월 SID에서 80μm두께의 4.1-in 121ppi의얇은실린더에감쌀수있는 full color flexible [ 그림 7] PARC에서보고한 printed OTFT backplane과이를통해구동되는 Flexible e-paper 2010 년제 11 권제 6 호 7
기술특집 [ 그림 8] Sony 사에서보고한 printed OTFT 를 backplane 으로사용한 full color flexible OLED 디스플레이 OLED 디스플레이를보고하였다. [9] 이디스플레이에는유기반도체물질 (PXX derivative) 로제작된 OTFT가사용되었고전하이동도 0.4cm 2 /Vs, on/off ratio는 10 6 정도의성능을보고하였다. 20μm 두께의유연한초박막기판과모든통합회로의절연체에부드러운유기절연체를사용하였다. OLED 디스플레이에서감는것을방해하는딱딱한 driver IC를 gate-driver회로를통합한 OTFT를사용하여기판을유연하게하는기술을사용하였다 [ 그림 8]. 또한이에대항하는획기적인 Flexible OLED 소자가국내의 SMD 사에서보고되었으나 backplane TFT가진공에서증착된 poly-si를사용하여서본고에서는자세히다루지않을것이다. Ployera사는미국노스웨스틴대의 Antonio Facchetti 교수가 spin off한회사로써유기반도체재료의개발에세계선두의기술을보유하고있는회사이다. Polyera사에서 [ 그림 9] 한밭대노용영교수팀이 Polyera, ETRI 와공동연구로보고한 Polymer CMOS circuits 특히 n-type 단분자혹은고분자유기반도체잉크에많은특허및기술을보유하고있다. 특히지난 2009년 Nature 에보고된 n-type 고분자잉크인 N2200은 0.5 cm 2 /Vs 정도의높은전하이동도를보고하였으며소자안정성도비교적우수한것으로알려져있다. [10] 특히최근에는한밭대노용영교수팀은 ETRI, Polyera사등과의공동연구를통해서 50 KHz에구동되는인쇄고분자 CMOS circuits 을세계최초로보고하였다. [11] N2200 과 P2100 반도체고분자잉크를각각 n-channel 과 p-channle 물질로사용하고이들의패턴과비아홀을모두잉크젯으로형성하여인쇄공정의장점인공정의단순성과혁신성을동시에보여주었다. 그밖에도여러그룹에서보다성능이향상된 printed OTFT 소자에대해서보고를하였으나지면의한계로인해서이에대한자세한사항은최근에발표된다른리뷰논문을참고하길바란다. [12] Ⅳ. 인쇄 Metal Oxide TFT 연구동향 인쇄산화물 TFT는금속산화물잉크를활성층으로사용하여제작된 TFT로써크게전구체를졸-겔법을이용하여금속산화물박막을형성하거나금속산화물나노입자를제조하고이를용매에분산한잉크를이용하여박막을형성하는방법으로 TFT가제작되고있다. 금속산화물의종류에따라서 2성분계인 ZnO(Zinc Oxide), SnO(Tin Oxide) 를사용하거나 3성분계인 TiO(Titanum Oxide), ZTO(Zinc Tin Oxide) 4성분계 IGZO(Indume Galium Zinc Oxide) 등의산화물을트랜지스터의활성층으로사용하고있다. 사용되는금속산화물의원소성분이복잡해질수록보다낮은온도에서무정형의상태로높은이동도를얻을수있는반면에용액공정으로정확한 stoichiometry 를재현성있게달성하는데어려움을지니고있다. 2성분계졸-겔법의경우전구체를고체박막으로변환하는데는 200 정도의비교적낮은온도가요구되나이러한박막을이용하여보다높은이동도를얻기위해서는 400 이상의고온으로열처리를하여높은결정성을확보하여야한다. 현재 3성분계이상의다성분계도용액공정의경우 250 가가장낮은공정온도로알려져있어서다양한 8 인포메이션디스플레이
Flexible display 용인쇄 backplane TFT 개발동향및전망 플라스틱기판위에적용되기에는많은어려움이존재한다. 금속산화물나노입자잉크의경우금속산화물이높은결정성을지닌나노입자형태로이미존재하여결정성제어를위해서높은공정온도가필요치않으나인쇄공정을통한박막도포후에도나노입자가박막상에존재하여항상 multi grain을지닌박막의형성만이가능하다. 이로인해서금속산화물나노입자잉크의경우달성가능한전하이동도가졸-겔법에비해서상대적으로낮아서통상적으로 5 cm 2 /Vs 이하의이동도를보고하였다. 금속산화물 TFT는현재기술로유연한플라스틱기판위에공정이가능한낮은온도 (<200 ) 의공정이어렵다고할수있다. 따라서향후지속적인연구개발을통해서보다낮은온도에서공정이가능한금속산화물잉크를개발하여야할것이다. 최근에이에대한고무적인결과들이조금씩보고되고있는추세여서전망이밝다고예측된다. Metal oxide TFTs의또다른큰장점은상대적으로높은밴드갭 (3.3eV 이상 ) 을가지고있어서가시광선영역에서투명한특성을통해서투명디스플레이의제작이가능하다는것이다. 2007년미국의 Oregon주립대의 C.H. Chang 그룹에서는잉크젯프린팅을이용하여 SnO₂ TFT를제작하였다. [13] precursor는 SnCl₄를사용하였고, bottom gate top contact 구조의 TFTs를만들었다. 10 15mm SiO₂ /Si/Au의기판위에잉크젯프린팅방법으로 250nm의 SnO₂를적층하였으며, 소스 / 드레인전극은 Al을 300nm [ 그림 10] 미국 Oregon주립대에서보고한잉크젯프린팅을통해제작된금속산화물 TFT 증착하였다. 실리카기판위에서 SiO₂필름의가시광선영역투과율은 98% 이상의투과율을보였다. 또한이동도는 3.6cm²/Vs, turn-on Voltage는 -39V, On/Off 비는 10³ 을얻었다. 하지만공정온도가 450 이상필요하여 Flexible TFT를제작하는것은불가능하다 [ 그림 10]. 2007년 Cambridge 대 Cavendish 연구소의 Noh et al. 은 top gate 구조의 ZnO NW-FETs의모든공정을용액공정을이용한스핀코팅및잉크젯프린팅공정을사용하여개발했다. [14] Source, Drain 전극은 Self-aligned-inkjet printing(sap) 기술을이용하여 gold(au) nanoparticle ink 로 50-400nm의채널을형성하였으며, 활성층은미리제조된 ZnO nanowires를 IPA 또는 ethylene glycol과혼합한후잉크젯프린팅방법으로트랜지스터의활성층에만선택적으로도포하였다. 게이트절연체는 PMMA를스핀코팅으로형성하였고, 게이트전극은 PEDOT:PSS로잉크젯프린터를사용하여제작하였다. 잉크젯인쇄법으로제작된 ZnO 나노와이어 TFT는 ~ 4 cm²/vs 이동도와 10⁴ 의전류전멸비를보여주었다. 또한동일한방법을통해서플라스틱기판위에 TFT를구현하여유사한성능을얻어내었다. 비록나노와이어의정량을채널위에도포하는것에대한어려움등이존재하지만이러한공정은보다간단한과정을통해금속산화물 Flexible TFT를제조할수있는가능성을보여주어서향후제조비용을낮추는데기여할수있을것으로예상된다. 노스웨스턴대의 Tobin Marks 와 Antonio Facchetti 교수팀은다양한금속산화물전구체를이용하여용액공정을제작된 SnO 2, ITO, IGZO 산화물 TFT를보고하였다. 특히그들은직접개발된 SAND(Self-Assembled Multilayer) 절연체를적용하여 10 cm²/vs의높은이동도를지닌금속산화물 TFT를보고하였다. [2] 또한이러한재료는 Polyera사를통해서최근상용화되기도하였다. 하지만가장낮은공정온도가 250 정도여서플라스틱기판위에적용하기에는아직무리가있다. 2011년영국캠브리지대의 H. Sirringhaus 교수연구팀은삼성분계 IZO(indium zinc oxide) 박막을활성층으로이용한용액공정 TFT를보고하였다 [ 그림 11]. 채널층인 IZO 박막은 Sol-gel 공정을통해서형성하였으며, 활성층 2010 년제 11 권제 6 호 9
기술특집 상용적인공정에적용될것으로기대된다. 하지만장기적으로는인쇄공정이지닌다양한장점으로인해서인쇄공정을통한유연 TFT가대세로자리잡을것으로예상된다. 보다장기적으로는고속으로공정이이루어지는 Roll-to-Roll 프로세스에적용가능한반도체잉크의개발과고속, 저온열처리공정의개발등에대한연구를통해서보다낮은가격에 Flexible 디스플레이를제작할수있을것으로예측된다. 최근들어이에관한연구가학교, 연구소, 기업등에서시작단계에있으며매우빠른속도 [ 그림 11] 용액공정의 IZO를이용하여 230 에서제작된 TFT의전이곡선으로적용된박막은스핀코팅방법을통해서도포하였다. Sol-gel법에사용된전구체를가수분해 / 축합중합반응을통해서 1μm크기이하인콜로이드입자가분산되어있는 sol상태의화합물로만든후이입자들이 3차원적으로결합된망상구조를갖는 gel로형성시킨다음 calcination 또는 pyrolysis하여산화물또는복합산화물을만드는공정을사용하였다 [1]. In/Zn 조성비율을각각다르게실험하여, In/Zn의조성비가 7 : 3 일때가장뛰어난성능을보임을알아내었다. 이전의용액공정산화물반도체 TFT는 500 이상의고온열처리를요구하는문제점이있었으나, 본연구에서사용된삼성분계인 IZO는금속의 S 오비탈을통해서전하의이동이일어나서무정형박막상태에서도비교적높은전하이동도를얻을수있는것이특징이다. 이러한무정형금속산화물 TFT의장점은이미일본동경공대의 Hosono그룹에서보고한바있으나본연구에서는용액공정을통해서이를상용화에가깝게구현한것으로평가받는다. 250 정도의비교적낮은온도의열처리를통하여 10 cm²/vs 정도의높은전하이동도와 10⁶ 정도의높은전류점멸비를구현하였다. Ⅴ. 향후전망및결론 Flexible 디스플레이에적용가능한유연 TFT 기술은단기적으로는공정적용성과수율이우수한기존의진공공정을이용한 poly-si, 금속산화물 TFT, 유기 TFT 등이 로기술의수준이발전하고있어서그리멀지않은미래에 Flexible 디스플레이를 Roll-to-Roll 인쇄공정으로제작하는시대가도래할것이다. Acknowledgement 이글은광역경제권연계협력사업 " 태양전지효율극 대화를위한전자전달증대장치 " 의지원을받아쓰여 졌습니다. 참고문헌 [ 1 ] K.K. Banger, et al., Nat. Mater., 10, p.45(2011). [ 2 ] Antonio Facchetti, 10th International Meeting on Information Display, (2010). [ 3 ] R. Matusbara, Printed Electronics Asia2009, (2009). [ 4 ] T.-H. Moon et al., SID 2009, P-185L(2009). [ 5 ] Y.-Y. Noh et al., Nat. Nanotechnol., 2, p.784(2007). [ 6 ] 유인규외 3명, 전자통신동향분석제24권제6호 (2009). [ 7 ] IDTechEX, Article, Progress in conformal and flexible displays, 20 April, 2009. [ 8 ] www.printedelectronicsworld.com [ 9 ] www.sony.net [10] He Yan et al., Nature, 457, p.679(2009). [11] K.-J. Baeg et al., J. polym. Sci. Part B, 49, p.62(2011). [12] Antonio Facchetti, Chem. Mater. 2010, ASAP. [13] Doo-Hyoung Lee et al., Adv. Mater. 2007, 19, 843-847. [14] Y.-Y. Noh et al., Appl. Phys. Lett, 91, 043109(2007). 10 인포메이션디스플레이
Flexible display 용인쇄 backplane TFT 개발동향및전망 저자약력 노용영 2000 년 : 동국대학교화학공학과학사 2002 년 : 광주과학기술원신소재공학과석사 2005 년 : 광주과학기술원신소재공학과박사 2007년 : University of Cambridge, Cavendish 연구소 Post doc. 2009년 : ETRI, 융합부품 소재연구부문, 플렉시블소자팀선임연구원 2009 년 ~ 현재 : 국립한밭대학교화학공학과교수 관심분야 : Flexible & Printed electronics, Organic electronics (OTFT, OLEDs, Organic memory), Transparent electrode 한 2010 년 : 한밭대학교화학공학과학사 2010 년 ~ 현재 : 한밭대학교화학공학과석사과정 관심분야 : Printed electronics, OTFT 현 조아라 2011 년 : 한밭대학교화학공학과학사 2011 년 ~ 현재 : 한밭대학교화학공학과석사과정 관심분야 : Printed electronics. OTFT 이혜미 2002 년 : 전남대학교학사 2007 년 : 광주과학기술원석사 2009 년 : LKO, University of Erlangen- Nuremberg, 연구원 2010 년 ~ 현재 : 한밭대학교화학공학과연구원 관심분야 : Organic electronics (OTFT, OLEDs) 배광태 2010 년 : 한밭대학교화학공학과학사 2010 년 ~ 현재 : 한밭대학교화학공학과석사과정 관심분야 : Printed electronics. OTFT 2010 년제 11 권제 6 호 11