Transfer of Heat-treated ZnO Thin-film Plastic Substrates for Transparent and Flexible Thin-film Transistors

182 J. Sens. Sci. Technol. Vol. 27, No. 3, 2018 Journal of Sensor Science and Technology

Vol. 27, No. 3 (2018) pp. 182-185 http://dx.doi.org/10.5369/JSST.2018.27.3.182 pISSN 1225-5475/eISSN 2093-7563

투명 유연 박막 트랜지스터의 구현을 위한 열처리된 산화아연 박막의 전사방법 개발

권순열 · 정동건 · 최영찬 · 이재용 · 공성호⁺

Transfer of Heat-treated ZnO Thin-film Plastic Substrates for Transparent and Flexible Thin-film Transistors

Soon Yeol Kwon, Dong Geon Jung, Young Chan Choi, Jae Yong Lee, and Seong Ho Kong⁺

Abstract

Zinc oxide (ZnO) thin films have the advantages of growing at a low temperature and obtaining high charge mobility (carrier mobil- ity) [1]. Furthermore, the zinc oxide thin film can be used to control application resistance depending on its oxygen content. ZnO has the desired physical properties, a transparent nature, with a flexible display that makes it ideal for use as a thin-film transistor. Though these transparent flexible thin-film transistors can be manufactured in various manners, manufacturing large-area transistors using a solu- tion process is easier owing to the low cost and flexible substrate. The advantage of being able to process at low temperatures has been attracting attention as a preferred method. However, in the case of a thin-film transistor fabricated through a solution process, it is reported that charge mobility is lower. To improve upon this, a method of improving the crystallinity through heat treatment and increas- ing electron mobility has been reported. However, as the heat treatment temperature is relatively high at 500°C, an application where a flexible substrate is absent would be more suitable.

Keywords : ZnO thin film, Polysilazane, Thin film transistor, Flexible thin film, Transparent thin film transistor

1. 서 론

유연하고 투명한 플라스틱 기판의 전자소자에 대한 산화아연 박막 트랜지스터는 최근 경량화, 저비용, 고효율, 투명성 및 유 연성을 위해 많은 주목을 받고 있다[1]. 산화아연(ZnO)박막은 낮은 온도에서 성장이 가능하며 높은 전하 이동도 (carrier mobility) 를 얻을 수 있는 장점을 가지고 있다. 또한, 산화아연박막은 산 소함량에 따라 저항을 제어 할 수 있기 때문에 원하는 물성을 얻기에 매우 용이하게 사용되며 투명한 성질은 투명 유연 디스 플레이의 박막 트랜지스터로 응용을 할 수 있다는 장점을 지닌 다[2,3]. 그러나 용액 처리 ZnO thin film transistors (TFTs)의 병 목 현상은 낮은 캐리어 이동성이라는 것이 널리 알려져 있다.

이 문제를 극복하기 위해 다양한 금속으로 금속 산화물을 도핑

하는 것과 관련된 막대한 노력과 연구가 진행 되어 왔고 진행 되고 있다[4-6].

이러한 투명 유연 박막 트랜지스터는 다양한 방법으로 제작 이 가능하지만 용액공정을 통한 제작은 저비용에 대면적의 제 작이 용이하며 낮은 온도에서 공정이 가능하다는 장점으로 인 해 유연한 기판에 적용 가능한 방법으로 각광받고 있다. 하지만 용액공정을 통해 제작된 박막 트랜지스터의 경우 전하 이동도 가 낮다고 보고되고 있다[7,8]. 이를 개선하기 위해서 열처리를 통해 결정성을 향상시키고 전자 이동도를 증가시키는 방법이 보 고 된 바 있지만 열처리 온도가 500

C 로 비교적 높기 때문에 유연 기판에 적용하기에는 적합하지 않다.[9]

본 연구에서는 연마된 구리 기판 용액에 용액공정을 통해 산 화아연 박막을 제작 한 후 열처리 과정을 통해 결정성을 향상 시키고, 열처리가 끝난 후에 유연 기판 위로 전사 하는 연구를 진행 하였다.

2. 연구 방법

2.1 산화아연 박막 제작

본 연구에서는 용액공정을 이용하여 산화아연 박막을 제작 하

National University)

80 Daehakro, Bukgu, Daegu 41566 Korea.

+Corresponding author: [email protected]

(Received: Apr. 4, 2018, Revised: May. 23, 2018, Accepted: May. 25, 2018)

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183 J. Sens. Sci. Technol. Vol. 27, No. 3, 2018 기 위해 먼저 zinc acetate dihydrate(Zn(CH

COO)2·2H

O)를

methoxyethanol 에 0.05 M을 70

C 를 1시간 동안 희석시켰다. 구 리박막(Sigma Aldrich社)을 chemical mechanical polishing (CMP)를 이용하여 표면을 연마 하였다. 희석 된 zinc acetate dihydrate용액을 연마된 구리기판 위spin coater 로 1000 revolution per minute(RPM) 으로 30초 동안 코팅을 하였다. 코팅하는 조 건은 1분간 150

C로 20회를 반복하여 얇은 박막을 제작하였 다. 코팅이 끝난 구리기판은 200

C, 400

C, 600

C로 각각 1시 간 동안 사후 열처리를 진행하였다.

2.2 유연한 기판에 전사

열처리가 끝난 구리기판을 투명한 기판에 전사 하기 위해 다 음과 같이 실험을 진행하였다. 이 실험에서는 일반적으로 그래 핀을 전사하는 방법인 poly(methyl methacrylate) (PMMA)- assisted wet transfer 방법으로 전사를 하였다. Fig. 2는 일반적 인 그래핀 전사방법의 모식도 이다. 우선 연마된 구리 기판 위 에 산화아연을 스핀코팅 방법을 통해 제작하고, 그 위에 PMMA 를 스핀코팅 하였다. 그 후 구리 용해액(CE-100)을 이용하여 구 리를 식각 하였다.

3. 결과 및 고찰

3.1 산화아연 박막의 특성평가

본 연구에서는 균일한 산화아연 박막을 얻기 위해 구리 기판 을 연마 하였다. Fig. 3에서 연마 전, 후의 구리 표면의 광학현 미경 사진과 atomic force microscope (AFM)사진으로 표면의 거칠기가 83.7 nm에서 4.38 nm로 감소한 것을 확인 되었다.

먼저 산화아연 박막은 열처리 온도가 증가함에 따라 형성된 박막의 grin size가 증가하는 양상을 확연하게 관측 할 수 있 다. 또한 열처리 온도와는 무관하게 약 80 nm의 두께를 지는 산 화아연박막이 형성된 것을 확인 할 수 있었다.

Fig. 4 은 AFM 관측을 통해서 열처리 온도가 증가 할수록 박 막의 RMS 거칠기가 증가하는 것을 확인 하였다. 열처리를 함 으로써 결함 요소들이 감소하면서 산화아연박막의 막질이 향상 되는 것을 확인 할 수 있다.

Fig. 5 에서는 구리 기판을 식각 했을 때 산화아연박막이 염 Fig. 1. SEM image of the surface for the ZnO thin films post

annealed at various temperature.

Fig. 2. Graphene PMMA-assisted wet transfer process.

Fig. 3. Image of optical microscope of polished copper foil and Root Mean Square (RMS) roughness.

Fig. 4. AFM image (a) the surface for the ZnO thin film post annealed at various temperature and RMS roughness (b):

200

C, 400

C, and 600

C.

Soon Yeol Kwon, Dong Geon Jung, Young Chan Choi, Jae Yong Lee, and Seong Ho Kong

J. Sens. Sci. Technol. Vol. 27, No. 3, 2018 184 산, 질산, FeCl

가 포함된 구리 식각액에 반응하여 사라진 것을 확인 할 수 있었다. 구리 기판이 식각 되는 것을 방지하기 위해 PMMA 를 먼저 코팅을 하고 그 위에 산화아연을 코팅하였다. 이 경우 PMMA가 구리 식각액 으로부터 산화 아연 을 보호하는 보호막 역할을 한다.

Fig. 7은 광학현미경 사진으로 봤을 때, 전사한 박막에서 갈 라지는 것을 확인 할 수 있었다. 이 갈라짐으로 인해 전기적 특 성 측정이 어렵고, 그 사이로 구리 식각액에 의해 산화아연 박 막이 식각이 되는 현상도 나타났다.

이러한 문제점을 해결하기 위해 polysilazane이라는 물질을 protective layer 로 insulating layer를 이용함으로써 이를 바로 소 자의 gate insulator를 이용하고 산화아연을 채 채널층으로 이용 하고자 사용하였다. Fig. 8에서 보는 것과 같이 전사 방법은 앞

서 실험한 일반적으로 그래핀을 전사하는 방법과 동일한 방법 으로 진행polysilazane을 추가 하여 실험을 진행 하였다.

Fig. 9 은 X-ray photoelectron spectroscopy (XPS)측정 결과를 통해 앞서 전사 실험한 산화아연 박막에 비해 매우 높은 강도 를 지닌 산화 아연 박막을 실리콘 기판 위에 전사 된 것을 확 인 할 수 있었다.

다음은 highly p-type 으로 도핑 되어 있는 실리콘 기판에 ZnO/

polysilazane 을 전사하여 전기적 특성을 확인한 결과와 유연하고 투명한 polyethylene terephthalate (PET)위에 전사하여 투과도를 확인하였다. TFT의 제작은 도핑된 실리콘을 bottom gate로 이 용하였고, 전사된 polysilazane을 gate insulator로 ZnO를 채널층 으로 이용하였다. 알루미늄을 100 nm두께로 thermal evaporator 를 이용하여 증착 하였다.

Fig. 10 에서 우선 전기적 특성을 측정한 결과 n-type behavior 를 보이는 것을 확인 할 수 있고 on-off ratio가 약 10

인 것을 확인 할 수 있다. 이러한 결과는 산화아연에 형성된 전사과정에 서 야기되는 미세한 틈으로 인해 소자 특성에 영향을 준 것으 로 생각된다. PET위에 형성된 박막의 투과도를 측정한 결과 550 nm의 파장에서 약 89%이며 비교적 우수한 광학 투과도를 가지고 있음을 확인할 수 있었다.

Fig. 5. X-ray diffraction (XRD) pattern of ZnO thin film deposite on SiO

substrate.

Fig. 6. ZnO PMMA-assisted wet transfer process.

Fig. 7. ZnO on SiO

direct coating and transferred ZnO thin film.

Fig. 8. ZnO polysilazane-assisted wet transfer process.

Fig. 9. XPS pattern of ZnO thin film.

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4. 결 론

본 연구에서는 연마된 구리 기판 위에 용액공정을 통해 산화 아연 박막을 제작한 후 열처리 과정을 통해 결정성을 향상시키 고, 열처리가 끝난 후에 유연 기판 위로 전사하는 연구를 진행 하였다. 실험은 용액공정을 이용하여 산화 아연 박막을 제작하 였고, 열처리에 따른 구조적 변화를 확인 하였다. 박막의 균열 에 의한 문제로 인하여 여러 방법으로 실험을 진행하였다. 그 결과 polysilazane을 gate insulator로 사용하여 박막의 갈라지는 현상을 낮추고 전기적 특성을 분석하였다. 그 결과 통해 n-type behavior를 보이는 것을 확인 할 수 있고 on-off ratio가 약 10

인 것을 확인 할 수 있었고 박막의 투과도를 측정한 값도 550 nm 의 파장에서 약89%의 우수한 광학 투과도를 가지고 있음을 확인하였다.

본 연구에서의 결과를 바탕으로 향후 다른 실험과 이러한 문 제점들을 개선한다면 투명하고 유연한 기판에 고효율 TFT 소 자를 제작 하여 여러 방면에서 다양한 소자와 뿐 아니라 다양 한 센서에도 응용 할 수 있을 거라 예상된다.

감사의 글

이 논문은 2015학년도 경북대학교 전임교원 연구년 교수 연 구비에 의하여 연구되었음. (This research was supported by Kyungpook National University Research Fund, 2015)

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Fig. 10. Transparency (c) and electrical properties of ZnO thin film

transferred to transparent flexible electrode (b)