디스플레이 및 일시 기능 소자에 적용된 산화물 기반 박막 트랜지스터

(1)

디스플레이 및 일시 기능 소자에 적용된 산화물 기반 박막 트랜지스터

글 _ 남궁석, 송민규, 권장연 연세대학교 디스플레이

특 집

CERAMIST

Abstract

Oxide semiconductor has been spotlighted as a channel material of TFTs in AMLCD as an alternative to Si, due to high mobility ( > 5cm

²

/Vs). It is also one of the strong candidates for TFTs in AMOLED because of high bias stability at amorphous phase. Beyond the advantages mentioned above, oxide semiconductor has many strengths such as transparency, low fabrication temperature and relatively low fabrication cost. For those reasons, the application of oxide semiconductor is not limited to display but can be extended to new types of electronics, for example, transient electronics for human implantable devices. From this context, oxide materials that have been used as semiconductor and insulator at transient electronics are investigated respectively, and conductor and substrate candidates are also explained, since transient electronics require systematic consideration beyond individual oxide films.

Keywords: Oxide semiconductor, Thin film transistor, Transient device

1. 서론

산화물 반도체는 큰 이동도, 높은 투명도, 낮은 공정온 도, 상대적으로 값싼 공정비용 등의 장점 때문에 산업계 및 학계에서 큰 관심을 받아왔고, 현재 능동액정표시장치 (Active Matrix Liquid Crystal Display, AMLCD)와 능 동유기발광다이오드(Active Matrix Organic Light Emitting Diodes, AMOLED)에서 박막트랜지스터 (Thin Film Transistor, TFT)의 채널물질로 사용되고 있다. 차세대 디스플레이는 고해상도, 큰 패널 사이즈, 빠른 화면 전환율을 필요로 하기 때문에 이동도가 높은 반도체 물질을 확보하는 것은 매우 중요하고, 따라서 기 존 약 1 cm

²

/Vs의 이동도의 비정질 실리콘(Amorphous

Si, a-Si)을 사용한 AMLCD에서 5 cm

²

/Vs 이상의 이동 도를 갖는 산화물 반도체를 적용한 것은 자연스러운 흐름 이었다. AMOLED의 구동 트랜지스터(Driving

Fig. 1. 디스플레이에 활용된 다양한 반도체의 성능 비교표

(2)

CERAMIST

디스플레이 및 일시 기능 소자에 적용된 산화물 기반 박막 트랜지스터 디스플레이

특 집

Transistor)의 경우, 전류를 오랜 시간동안 안정적으로 공급하는 것이 상대적으로 더 중요하기 때문에, 신뢰성이 뛰어난 저온 다결정 실리콘(Low Temperature Polycrystalline Silicon, LTPS)을 사용해왔다. 하지만 대면적 균일화와 결정화 공정비용의 한계 때문에, 자연상 태에서 비정질이고 신뢰성도 확보되며 상대적으로 공정 비용이 값싼 산화물 반도체가 매력적인 후보로 두각을 드 러냈다.

¹⁾

(Fig. 1.)

이원자 산화물(산화인듐(In

2

O

3

), 산화아연(ZnO), 산화 주석(SnO

2

))의 경우 자연상태에서 다결정성을 갖기 때문 에 연구진들은 비정질 산화물 반도체를 수득하기 위해 결 정 구조가 다른 In

2

O

3

와 ZnO, 그리고 ZnO와 SnO

2

를 각 각 조합해서 비정질 인듐아연산화물(In-Zn-Oxide, IZO)과 아연주석산화물(Zn-Sn-Oxide, ZTO)을 수득 했다. 하지만 본 재료들의 경우 운반자(Carrier)수가 많 아( >10

¹⁷

cm

^-3

) 오프 전류가 크다는 단점이 있어, 위의 재 료를 기반으로 운반자 개수를 줄일 수 있는 원소를 도핑 하는 방식의 연구가 진행되었다. 현재 사용되는 대표적 산화물 반도체는 인듐갈륨아연산화물(In-Ga-Zn- Oxide, IGZO)이고, 반도체 특성은 감소된 운반자 수 (< 10

¹⁷

cm

^-3

)로 설명된다. 운반자 수의 감소는 Ga

³⁺

이온 의 높은 이온포텐셜(Ionic Potential)이 운반자에 해당하 는 산소공핍(Oxygen Vacancy)의 형성을 저지로 설명된 다.

¹⁾

산화물 반도체가 비정질에서도 5 cm

²

/Vs 이상의 큰 이동도를 가질 수 있는 이유는 재료자체의 전자배열에 있 다. 일반적으로 산화물 반도체의 양이온의 주 양자수(n) 는 5 이상의 값을 갖고, 전자배열은 (n-1)d

¹⁰

ns

⁰

으로 구 성되어 있다. 비어있는 구형 오비탈인 s 오비탈에 의해 등방성을 가지며, 비정질 상태에서도 이웃 양이온과 s 오 비탈 겹침현상으로 전자가 쉽게 전이되어 높은 이동도를 가질 수 있다.

²⁾

산화물 반도체가 실제 디스플레이에 적용되기 위해서 는 높은 이동도 외에 신뢰성이 확보되어야 한다.

AMOLED의 구동 트랜지스터는 OLED가 작동하는 시간 동안 안정적으로 전류를 공급해주어야 하기 때문에, 양의 게이트 전압과 드레인 전압이 인가되어 있는 상태에서의 디바이스 성능 변화를 확인하는 양 전압 인가 스트레스

(Positive Bias Stressing, PBS)평가가 필수적이며, 스 위칭 트랜지스터(Switching Transistor)의 경우, 음의 게이트 전압이 인가되어 있을 때의 디바이스 성능변화를 나타내는 음 전압 인가 스트레스(Negative Bias Stressing, NBS)평가가 필수적이다. PBS 및 NBS 결과 는 소자의 문턱전압이 각각 오른쪽과 왼쪽으로 이동하는 경향을 드러내는데, 산화물 반도체가 일반적으로 a-Si보 다 문턱전압 이동의 절댓값이 작다. 문턱전압(Threshold Voltage)은 게이트 절연체 및 게이트/채널 계면에서의 전자 및 정공 잡힘(Trapping)현상으로 설명 가능하다.

즉, 게이트 절연체의 밴드갭(Bandgap), 포획 밀도(Trap Density)등의 물리적 성질 및 계면 특성에 따라 변화될 수 있기 때문에 다양한 게이트 절연체(SiO

2

, SiN

x

, Al

2

O

3

, HfO

2

등)를 활용하는 다양한 디바이스 구조 및 공정을 조 절하며 신뢰성 테스트가 진행되어 왔다.

¹⁾

산화물 반도체는 앞서 설명한 높은 이동도 및 신뢰성

외에도 낮은 공정 온도, 공정의 간편성과 높은 투명도

의 장점이 있어 다양한 차세대 전자 소자, 예를 들어,

투명하고 유연한 소자, 사람의 피부 및 장기 표면에 부

착되어 인간의 건강상태를 진단하고 치료하는 웨어러

블 기기 및 인체삽입형 소자 등으로 확장되어 사용될 수

있다. 미국 University of Illinois at Urbana-

Champaign의 John A. Rogers 그룹은 처음으로 일

시 기능 전자소자(Transient Electronics)에 대한 개

념을 제시했고,

³⁾

본 소자는 일정시간 뒤 사라져서 소자

회수를 위한 추가 수술이 필요 없는 특징을 갖는다. 현

재까지 개발된 일시기능 전자소자는 질병의 진단 및 치

료에 활용될 수 있는 다양한 구성요소를 포함하고 있

다. 예를 들어, 뇌 피질 전도(Electrocorticogram,

ECoG),

^4-6)

뇌전도(Electroencephalogram, EEG),

심전도(Electrocardiography, ECG), 근전도

(Electromyography, EMG)

⁷⁾

가 가능한 센서가 보고됐

고, 상처 부위에 열을 발산해 감염을 억제하거나 약물

을 전달하는 엑츄에이터(Actuator)가 보고됐으며,

^{3, 8)}

무선주파수(Radio Frequency)소자

⁹⁾

및 에너지 수확

소자

⁸⁾

를 제작하여 데이터 전송 및 에너지 공급이 가능

하게 하여 그 자체로 독립된 칩으로 발전되어 왔다. 본

(3)

남궁석, 송민규, 권장연

특 집

CERAMIST

리뷰논문에서는 인체삽입형 일시 기능 소자 중 전기신 호 계측을 통한 질병 진단에 활용될 수 있는 TFT 센서 에 집중해서 해당 소자에 적용된 산화물 반도체에 대해 서 리뷰하고, 더불어 소자의 신뢰성 및 성능에 영향을 미칠 수 있는 산화물 절연체와 녹는 금속 및 기판물질 도 함께 다루고자 한다.

2. 본론

2.1 반도체 : ZnO, InGaZnO

일시 기능 소자에서 반도체로 활용되고 있는 물질은 크 게 3가지이고, 이는 규소 나노막(Silicon Nanomembrane, Si NM)

3, 4, 7, 9-13)

, 산화물

^{8, 14, 15)}

, 유기물

^{16, 17)}

이다. 성능차원 에서 Si NM이 앞서있기 때문에 현재까지 많이 사용되고 있 으며, 생체에 대한 독성을 줄이기 위해 나노구조로 만들어 적은 양 (< 1μg)으로 소자를 제작해왔다. 소자의 생체적합 성을 확인하기 위해 일시기능 소자를 쥐에 삽입한 뒤 염 증을 확인하는 생체내(In-vivo)테스트

³⁾

나 인간 세포에 대한 독성평가인 세포독성 평가(Cytotoxicity)가 진행되 어 왔다.

^{13, 18)}

산화물 반도체는 Si NM보다는 늦게 일시 기 능 소자 분야에 적용되어 보고된 논문이 몇 안 되지만, 공 정간편성이나 생체적합도 측면에서 큰 장점이 있을 것으 로 보여지기 때문에 산화물 반도체에 대한 보고를 정리하

고자 한다.

ZnO의 경우 반도체 특성을 지녔을 뿐 아니라, 물에 녹 는 성질이 알려져 있어 일시 기능 전자소자에 적용된 산 화물 반도체 중 가장 먼저 활용되었다. 미국 John A.

Rogers 그룹은 ZnO를 트랜지스터(Transistor)뿐 아니 라 기계적 에너지 수확 소자(Mechanical energy harvesters, MEHs)로 활용하여 인체 삽입형 일시 기능 소자를 제작하여 그 가능성을 확인하였다.

⁸⁾

해당 소자는 마그네슘(Mg)을 전극으로, 산화마그네슘(MgO)을 게이 트 절연체로, 그리고 실크(Silk) 단백질을 기판으로 사용 하여 모든 구성요소가 물이나 체액에 녹는 것을 보였다.

(Fig. 2. (a),(c)) 물에 녹은 부산물들은 수산화 마그네슘 (Mg(OH)

2

)과 수산화 아연(Zn(OH)

2

)을 포함하고 있으 며, 이들은 이전 문헌들을 통해 생체에 적합하고 환경적 으로 해롭지 않음이 밝혀져 있다.

^{19, 20)}

디바이스 각 구성 요소는 폴리이미드(Polyimide, PI)로 만들어진 정밀 스 텐실 마스크를 사용 하여 패터닝됐으며, ZnO는 스퍼터 (Sputter), MgO와 Mg은 전자빔 이베포레이터(e-beam evaporator)를 사용하여 Silk 기판 위에 증착하였다.

여기서 ZnO은 N형 반도체로 사용 되었으며, 실크 절 연체 기판 위에서도 0.95 cm

²

/Vs의 이동도(Mobility)와 10

³

의 점멸비(On/off Current Ratio)를 갖는 우수한 성 능을 나타냈다. (Fig. 2. (b)) 또한 약 500 nm의 MgO로

Fig. 2. (a) ZnO를 활용한 일시 기능 소자의 구성요소와 디자인. (b) 일시 기능 ZnO 트랜지스터의 성능 : 게이트 전압에 따른 선형 전달곡선 (Transfer Curve) (좌), 로그 스케일 전달 곡선 (우). (c) 상온의 물에서 시간에 따른 일시 기능 소자 의 녹는 모습. (d) 탈이온수 속 ZnO 일시기능 트랜지스터의 일시동작 성능.⁸⁾

(4)

CERAMIST

디스플레이 및 일시 기능 소자에 적용된 산화물 기반 박막 트랜지스터

보호막(Passivation Layer)을 증착하여 약 3시간 정도의 기능 시간 동안 탈이온수(Deionized Water)속에서 안정 적으로 동작하였으며, 그 후 구성요소들이 용해되면서 약 45분동안 급격히 성능이 저하되는 것을 관찰 하였다.

(Fig. 2. (d)) 전체 트랜지스터는 약 15시간 후 육안으로 확인이 안 될 정도로 녹아 없어졌다. 함께 제작된 에너지 수확소자는 두 Mg 전극 사이에 ZnO 박막을 증착한 축전 기(Capacitor)형태의 배열로 구성되었으며, 반복 굽힘 시험(Bending Cycle)에 따른 전압과 전류가 안정적으로 측정됨을 확인하였다. 즉, 전력 공급이 어려운 인체 내에 서 자가 발전을 하는 일시 기능 소자로서의 활용 가능성 이 확인되었다.

ZnO 외에도 IGZO를 일시 기능 소자의 반도체로 활용 하려는 시도가 있었다.

¹⁴⁾

이 연구의 경우, 전극으로는 몰 리브데넘(Mo), 절연체로는 산화규소(SiO

2

)를 사용하였 으며 기판으로는 폴리바이닐알코올(Polyvinyl alcohol, PVA)을 사용하여 전체 소자가 물 또는 체액의 환경에서

녹을 수 있도록 제작하였다. SiO

2

/Si 기판 위에 니켈(Ni) 층을 희생층(Sacrificial Layer)으로 하여 그 위에 전체 소자를 증착한 후, 열 방출 테이프(Thermal Release Tape)를 통해 PVA 기판으로 전사하는 방식을 사용 하였 고, IGZO를 반도체 층으로 하는 트랜지스터를 기반으로 2 단계 완충장치(2 Stage Buffer)를 포함하는 5 단계 링 오실레이터(5 Stage Ring Oscillator)회로를 디자인하여 제작하였다. (Fig. 3. (a)) 트랜지스터는 8~10 cm

²

/Vs의 이동도와 약 2 * 10

⁶

의 점멸비를 보여 기존 IGZO 트랜 지스터의 성능과 유사한 정도를 나타냈으며(Fig. 3. (b)), 링 오실레이터의 경우, 19 V의 전압에서 5.68 kHz 진동 수의 진동 특성을 보였다.

이 소자에 사용된 전극

²¹⁾

, 절연체

²²⁾

및 기판

²³⁾

의 경우 물에서의 용해과정이 이미 보고되어 있고, IGZO의 경우 위 논문에서 용해과정을 보였다. Fig. 3. (c)는 60

^o

C의 탈이온수에서 IGZO 박막의 아연, 갈륨 그리고 인듐의 시 간에 따른 조성비의 변화를 X선 광전자 분광법(X-ray

Fig. 3. (a) 일시 기능 IGZO 소자의 제작과정, (b) 전달 곡선 (삽도: 완성된 트랜지스터의 광학현미경 이미지(좌), 출력 곡선 (Output Curve)(우)).

(c) 60 ℃ 탈이온수 환경에서 IGZO의 시간에 따른 조성비 변화 XPS 데이터. (d) 탈이온수 환경에서의 일시 기능 IGZO 소자의 용해과정 사진.¹⁴⁾ (e) 60 ℃ 탈이온수 환경에서 IGZO의 시간에 따른 두께 변화 AFM 데이터. (f) IGZO기반 수분 환경 일시 기능 소자 회로의 모식 도, (g) 트랜지스터 출력 곡선 (좌) 및 전달 곡선의 일시 기능 동작 (우), (h) 시간에 따른 소자 형태 변화 (왼쪽부터 0, 48, 60, 72시간)¹⁵⁾

(5)

특 집

CERAMIST

Photoelectron Spectroscopy, XPS)를 통해 관찰 한 모 습이다. 아연과 갈륨은 2일 이내로 녹아 없어지는 것에 반해 인듐은 굉장히 느린 속도로 줄어듦을 확인 할 수 있 다. IGZO가 녹는 과정은 ZnO + H

2

O → Zn(OH)

2

, Ga

2

O + 4(OH) → 2GaO(OH) + H

2

O, In

2

O

3

+ H

2

O → 2In(OH)

3

혹은 In

2

O

3

+ H

2

O → 2InOOH 와 같을 것이라 유추한다. Fig. 3. (e)는 60

^o

C의 탈이온수에서 IGZO가 녹는 모습을 나타낸 원자현미경(Atomic Force Microscope, AFM)이미지이다. 약 5일 정도 지난 후에

는 IGZO 박막이 녹아 점점 분해 되는 것을 볼 수 있으며, 결과적으로 IGZO가 물이나 체액에서 녹을 수 있음을 보 였고, 제작된 전체 소자가 녹는 모습은 Fig. 3. (d)를 통 해 확인 할 수 있다.

위 연구에서 더 나아가 최근에는 액체 뿐 아니라 습도 가 높은 환경에서의 IGZO 기반 일시 기능 소자 활용이 보고되었다.

¹⁵⁾

해당 논문에서는 IGZO를 기반으로 한 트 랜지스터, 메모리(Memory), 다이오드(Diode), 광 검출 기(Photodetector)등의 능동소자와 저항, 축전기, 안테

Fig. 4. (a)(c) MgO 및 SiO2 절연체로 구성된 저항, 축전기, 인덕터, 다이오드, 트랜지스터를 포함하는 일시 기능 소자 사진 및 모식도 (b)(d) 탈이온수에 녹는 일시 기능 소자 사진 (e) BALB/c 쥐 등 피하에 삽입된 일시 기능 소자 사진, (f) 3주 뒤 확인한 수술부위 사진 및 현 미경 이미지^{3, 11)}

(6)

CERAMIST

나 등의 수동소자를 수분에 민감한 폴리산무수물 (Polyanhydride)기판 위에 증착하여 제작하였다. 전극 물질로는 구리(Cu), 절연체 물질로는 MgO를 사용 하였 으며, 옴 접촉(Ohmic Contact)을 위해 니켈(Ni)과 알루 미늄(Al)이 사용되었다. (Fig. 3. (f))

Polyanhydride 기판은 4-펜텐산 무수물(4- Pentenoic Anhydride), 폴리에틸렌 글리콜디아크릴레 이트(Polyethylene Glycol Diacrylate), 펜타에리트리 톨 테트라키스(Pentaerythritol Tetrakis)의 광화학성 가교(Photochemical Cross-linking)를 통해 합성하였 다. 기판 위 박막들은 직접 제작한 PI 마스크를 통해 패 터닝하였으며, Cu, MgO, Al, Ni은 e-beam evapora- tion, a-IGZO는 sputtering으로 각각 증착되었다.

여기서 제작된 일시 기능 IGZO 트랜지스터의 경우 6.98 cm

²

/Vs의 이동도와 7.93 * 10

⁴

의 점멸비를 보였고, 시간에 따라 공기 중 수분에 의해 성능이 저하됨을 볼 수 있다. (Fig. 3. (g)) 또한 Fig. 3. (h)의 광학현미경 이미 지를 통해 시간에 따라 공기 중 수분에 의해 트랜지스터 가 사라지고 있는 모습을 확인할 수 있다.

위 논문들을 통해 ZnO뿐 아니라, 디스플레이 산업에

활용되고 있는 IGZO 역시 인체삽입형 일시 기능 소자의 반도체 층으로의 활용 가능성을 확인하였다. 이로써 기존 Si NM이 주도적이었던 일시기능 전자소자의 반도체 영 역에 다양한 산화물 반도체가 사용 될 수 있고, 다양한 연 구 가능성이 있음을 확인할 수 있다.

2.2 절연체 : MgO, SiO2

일시 기능소자의 절연체는 대부분 MgO와 SiO

2

가 주를 이루었다. 일시 기능소자에 대한 개념이 처음 나온 논문 에서는 Si NM 을 반도체로, MgO를 절연체 및 보호층으 로, Mg을 전극으로 silk를 기판으로 하여 수동 소자인 저 항, 축전기, 인덕터를 제작하고, 능동 소자인 다이오드, 트랜지스터 등을 제작했다. 이후에는 절연체 및 보호층으 로 SiO

2

를 활용해서 일반적인 반도체공정을 통해 트랜지 스터 및 상보성 금속산화막 반도체(Contemporary Metal Oxide Semiconductor) 논리회로(인버터 (Inverter), 부정 곱(NAND), 부정 합(NOR))를 구성한 뒤, silk 기판에 전사함으로 고성능 일시 기능 소자를 구 현하였다.

¹¹⁾

(Fig. 4. (a),(c)) 완성된 일시 기능소자는 탈 이온수에서 분해되었고, (Fig. 4. (b), (d)), BALB/c 쥐

Fig. 5. (a) 녹는 실험을 위한 디바이스 구조도, 및 용액에 담가놓은 시간에 따른 AFM 두께 측정 결과 (b) pH와 SiO2 박막의 밀도에 따른 녹 는 속도 차이 (c) pH와 Si3N4 박막의 밀도에 따른 녹는 속도 차이 (d) 보호층 실험을 위한 소자 모식도. PECVD SiO2 핀홀을 예방하 기 위한 Si3N4 (왼쪽), 및 ALD SiO2 (e) 보호층이 덮힌 Mg의 시간에 따른 저항 변화, (f) 보호층이 녹는 동안의 Mg 광학현미경 사진²²⁾

(7)

특 집

CERAMIST

의 등 피하조직에 소자를 삽입했을 때에도, 특정 시간 이 후 소자가 사라짐을 확인하고, 조직에 염증반응이 발생하 지 않음 또한 보고했다.

³⁾

(Fig. 4. (e),(f))

절연체로 활용된 MgO의 경우, e-beam evaporation 방식으로 증착됐고, 분해 과정은 MgO가 물과 만나 Mg(OH)

2

로 녹는 것으로 설명됐다. 일시 기능 소자 의 경 우, 물에 녹는 시간을 조절하는 기술이 중요하고 그에 따 라, 게이트 절연체 및 보호층으로 활용된 MgO 단일막 및 Mg/MgO 이중층 구조에서 각 재료가 녹는 속도를 정량 화 했다. Mg나 MgO를 다공성 물질로 가정하고, 반응성 확산 모델(Reactive Diffusion Model)을 적용해서 Mg/

MgO 가 물과 반응해서 일어나는 분해과정을 살핀 결과, 반응성 확산 모델로 시뮬레이션 한 이론값과 실험값이 일 치함을 확인했다.

²⁴⁾

SiO

2

의 경우, 일반적으로 열 형성 방식(Thermally Grown), 플라즈마 적용 화학기상증착 방식(Plasma- Enhanced Chemical Vapor Deposition, PECVD), e-beam evaporation 방식으로 형성될 수 있다. John A. Rogers 그룹은 위의 증착 방식으로 SiO

2

박막을 형성 하여 용액의 온도, 산성도, 이온 농도, 그리고 박막의 화 학 및 형태적 속성에 따라 녹는 속도를 계산하고, SiO

2

증 착 방식에 따른 녹는 속도 차이를 규명했다.

²²⁾

각 SiO

2

박 막은 감광(Photo-Resist, PR)공정과 반응성 이온 식각 공정(Reactvie Ion Etching, RIE)을 통해 패터닝 됐고, 박막의 두께는 AFM과 타원계측법(Spectroscopic Ellipsometry)으로 측정됐다. (Fig. 5. (a))

산도(pH)가 7.4부터 12까지 갖는 버퍼에서 각각 thermally grown, PECVD, e-beam evaporated SiO

2

가 어떻게 녹는지 확인됐다. 온도는 상온(Room Temperature, RT)과 37 ℃로 나누어 측정됐고, 온도가 높을수록 시간에 따라 박막의 두께가 빨리 줄어드는 경향 을 보였다. pH가 증가할수록 박막의 용해속도는 선형적 으로 증가했고, pH에 대한 용해속도의 로그값을 그래프 로 그렸을 때, 기울기가 0.31에서 0.44 (at 37 ℃), 0.22 에서 0.62 (at RT)값을 가짐을 확인했다. 같은 pH를 갖 지만 이온 종류와 함유량이 다른 용액, 예를 들어 소 혈청 (pH~7.4), 바닷물(pH~7.8)에서의 용해속도를 측정했

을 때, 표준 용액보다 각각 약 9배, 4배 더 빠른 것을 확 인해 이온함량이 용해속도에 중요함을 확인했다. 여러 가 지 증착 방식으로 얻어진 SiO

2

의 구성 성분비와 밀도는 각각 XPS와 X선 반사측정기(X-ray Reflectometry, XRR)로 측정됐다. Thermally grown, PECVD, e-beam evaporated SiO

2

의 규소와 산소의 비율은 각각 1:2, 1:2, 1:2.2의 값을 가졌고, 밀도는 각각 2.3 g/cm

³

, 2.1 g/cm

³

, 1.9 g/cm

³

의 값을 가졌다. 결과적으로, 밀도 가 낮은 SiO

2

가 가장 높은 용해속도 값을 가졌고, 이는 밀 도 값이 낮은 재료가 상대적으로 수용액이 침투하기 쉽 고, 그에 따른 가수분해 가능한 표면적이 넓어짐으로 설 명할 수 있음을 밝혔다. (Fig. 5. (b)) 용해의 원리를 좀 더 자세히 이해하기 위해 SiO

2

를 다공성 물질로 가정하 고, 반응성 확산 모델을 적용해서 반응계수(Reaction Constant)를 추출하면 thermally grown, PECVD, e-beam evaporated SiO

2

에서 각각 1.7 * 10

^-9

, 1.6 * 10

^-8

, 1.3 * 10

^-9

의 값이 나온다. 반응계수가 다르다는 것 은 밀도가 다른 SiO

2

박막이 단순히 용해 속도에만 영향 을 끼치는 것이 아니라, 반응성에도 영향을 끼침을 말한 다. 증착 방법에 따라 박막이 분자단위로 일정하게 용해 되는 것이 아니라, 나노 단위의 덩어리가 갑작스레 없어 지는 방식으로 반응성 차이가 비롯될 수 있음 가정하고, 투과전자현미경(Transmission Electron Microscopy, TEM)과 AFM을 통해 확인했으나 나노 단위의 덩어리가 분해되는 현상은 발견되지 않았다. 즉, 산화막의 용해 과 정은 분자 단위에서 점차적으로 균일하게 진행됨을 확인 할 수 있었고, 반응계수의 차이는 산화막의 결합력 및 속 도론(Kinetics)차이에 의한 영향으로 설명됐다.

SiO

2

외에 절연체로 활용 가능한 질화규소(Silicon Nitride, Si

3

N

4

)에 대해서도 증착법을 바꾸며 여러 용액 에 녹이는 실험이 진행됐다. 저압력화학증착법(Low Pressure Chemical Vapor Deposition, LPCVD), PECVD로 증착 된 Si

3

N

4

의 녹는 특성을 살폈을 때, 두 박 막 모두에서 pH, 온도, 이온수가 증가함에 따라 용해속 도가 빨라지는 것을 관측했고, 밀도가 작은 박막일수록 더 빨리 녹는 것이 동일하게 확인했다. (Fig. 5. (c))

일시 기능 소자가 유체 내에서 정해진 시간 동안 안정

(8)

CERAMIST

적으로 동작하기 위해서는 소자에 액체와 반응하지 못하 게 하는 보호층이 중요하다. 절연체 내부에 존재하는 핀 홀(Pinhole)은 유체를 통과하게 하는 가장 큰 원인이고, 이에 대한 해결책으로 앞서 설명한 산화물을 사용할 수 있다. 본 논문에서는 Mg 전극 위에 SiO

2

/Si

3

N

4

이중층이 나 PECVD SiO

2

/원자층증착(Atomic Layer Deposition, ALD) SiO

2

를 제작하고, 탈이온수에 넣었을 때, 시간에 따른 Mg의 저항 변화를 측정했다. (Fig. 5. (d)) PECVD SiO

2

(~1 μm)를 단독으로 사용한 경우, 물속에서 수시간 뒤에 Mg의 저항이 급격히 변화됨을 확인했으나, PECVD SiO

2

(~500 nm)와 Si

3

N

4

(500 nm) 그리고 PECVD

SiO

2

/ALD SiO

2

(500 nm / 200 nm)로 이루어진 보호층 은 물속에서 각각 약 1일과 5일동안 동작함을 확인했다.

이중층을 활용한 보호층의 경우, PECVD SiO

2

단독으로 활용한 경우 보다 Mg가 안정적으로 동작하는 시간이 길 었음을 확인했고, Si

3

N

4

대비 ALD SiO

2

는 얇은 두께에서 도 물속에서 더 오랫동안 버티는 것을 알 수 있었다. 즉, ALD로 증착된 SiO

2

의 경우 결함이 상대적으로 적다고 말할 수 있다. 이와 같이 산화물을 증착하는 방식과 다중 층을 활용하는 방식을 통해 일시 기능 소자의 동작시간을 조절할 수 있음을 보였다. (Fig. 5. (e),(f))

Fig. 6. (a) Si NM FET의 전극 변화에 따른 일시 기능 속도 차이 전달 곡선²¹⁾ (b) 녹는 기판 위에서 디바이스 제작과정 (c) PLGA, PLA, PCL 및 rice paper 기판 위에 제작된 소자 사진 (d) 인버터, pMOS, nMOS 특성 평가¹²⁾

(9)

특 집

CERAMIST

2.3 금속 및 기판 물질

금속과 반도체의 접합 특성은 소자의 성능에 중요하기 때문에, 일시 기능소자 관점에서 어떤 금속물질을 활용할 수 있는지를 정리했다. 일시 기능 소자 개념이 처음 나왔 을 당시에는 물속에서 빠르게 녹는다고 알려져 있고, 스 탠트(Stent)와 같은 바이오 의료 재료로 기존에 사용되어 온 Mg이 먼저 적용되었다. 일시 기능소자는 사용하는 환 경에 녹는 속도가 조절되어야 할 필요를 가지며 결과적으 로 Mg 이외에 체액에서 녹을 수 있는 다양한 전극 물질 들이 조사 및 선별 되었다.

후속연구에서 평가된 전극은 Mg, AZ31B Mg alloy, 아연(Zn), 철(Fe), 텅스텐(W), 그리고 Mo이며 탈이온수 와 체액과 비슷한 구성(Hank’s Solution)에서의 시간에 따른 두께 변화 및 녹는 원리를 설명했다.

²¹⁾

단일 박막에 서뿐 아니라 실제 Si NM FET의 소스와 드레인으로 구성 했을 때, 일정 시간동안 안정되게 동작하는지를 확인했 고, 결과적으로 Mg, Zn, AZ31B, W, Mo 순으로 빠르게 녹는 것을 확인했다. (Fig. 6. (a)) Fe의 경우 용액 속에 서 녹지 않는 산화철(Fe

2

O

3

)의 형태로 변화되어 실험평가 에서 제외됐다. 각 박막이 물이나 체액속에 들어갔을 때 의 표면 변화 및 부산물을 확인하기 위해 XPS 측정을 진 행했고, 각각 수산화기(-OH)가 붙거나 산화물 형태로 전극 박막의 표면 구성성분이 변한 뒤, Mg 및 AZ31B의 경우 바늘형태, W과 Mo의 경우 마이크로구멍(Micro Pore), Zn의 경우 비선형적으로 부식되는 것을 확인했 다. 더불어 반응성 확산 모델로 각 전극이 녹는 시간이 이 론적으로 예측되었다. 위 결과를 통해 일시 기능 소자 가 필요로 하는 시간에 따라 소스 드레인 물질을 선별할 수 있게 되었다.

일시 기능 소자에서 기판 물질은 silk를 이용하는 경우 가 많은데, 이는 silk가 생체적합하고 물속에서 녹는 성 질이 있으며 동시에 기계적 강함을 갖기 때문이다.

¹⁰⁾

특 히나 물속에서 녹는 성질로 인해 뇌와 같이 굴곡이 많은 표면에도 등각(Conformal)접촉할 수 있는 특성 때문에 더더욱 각광을 받았다.

⁴⁾

하지만 기판은 모순적이게도 체 액에서 잘 녹는 동시에, 디바이스 제작 공정에 사용되는 화학물질에도 버텨야 될 필요가 있다. 두 가지 조건을 동

시에 만족할 수 있는 기판을 수득하기 위해 기존에 바이 오 의료 소재로 많이 활용되는 PLGA(Poly Lactic-co- Glycolic Acid), PLA(Poly Lactic Acid), PCL (Polycaprolactone)과 라이스페이퍼(Rice Paper)가 기 판 물질로 고려되었다.

¹²⁾

물속에서 녹는 기판 위에 소자를 제작하는 과정은 PI 필름과 PMMA(Poly(methyl methacrylate))재료를 이 용한 전사 공정이 활용됐고, 성공적으로 PLGA, PCL, PLA, rice paper 기판 위에 소자가 제작되었다. (Fig. 6.

(b),(c)) 유연하며 녹는 기판 위에서의 소자 성능은 딱딱 한 기판에서의 성능과 비교가능함을 확인했다. (Fig. 6.

(d)) 최근에는 키토산이나 셀룰로오즈과 같은 다양한 바 이오물질의 기판으로 활용가능성도 탐색되고 있고,

¹⁷⁾

동 시에 금속물질과 스핀 온 글라스(Spin-on Glass) 적층 구조를 기판으로 활용하는 경우들도 연구되고 있다.

²⁵⁾

3. 결론

현재 AMLCD와 AMOLED에 활용되고 있는 산화물 반 도체의 인체삽입형 일시기능 소자로의 가능성을 살펴봤 다. 산화물 반도체의 높은 이동도, 낮은 공정온도, 공정 의 간편성이 유연한 기판에 트랜지스터를 형성하는데 장 점으로 작용했고, 실제 ZnO와 IGZO 박막 트랜지스터를 silk 기판 위에 형성한 보고를 통해 인체삽입형 일시 기능 소자로 작동할 수 있음을 확인했다. MgO와 SiO

2

은 보호 층과 절연층으로 활용 가능하고, 체액에서 동작하는 시간 은 반응성 확산 모델을 통해 정량적으로 예측, 그에 따라 소자의 동작시간을 조절할 수 있음을 보였다. 이는 체액 에서 소자의 녹는 속도를 조절할 뿐 아니라, 추후 산화물 박막 트랜지스터가 프로그램된 시간동안 안정되게 동작 하게 하는 중요한 요소일 것이라 기대한다. 이 밖에도 일 시 기능 소자에 적용 가능한 전극물질과 기판물질을 살핌 으로 기능 시간을 조절하는 전극물질을 취사선택할 수 있 음을 확인했다.

현재까지 인체삽입형 일시 기능 소자를 보고한 TFT의

채널은 대부분 Si NM이 차지하고 있고, 아직 산화물 반

도체의 인체삽입형 일시 기능 소자로의 활용이 보고된 연

(10)

CERAMIST

구는 적다. 분명 산화물 반도체는 공정이 간편하고, 이동 도도 크고, 신뢰성이 좋다는 점에서 Si NM을 대체할 수 있는 충분한 장점이 있기 때문에 추후 생체적합성에 대한 체계적 분석, 체내에서의 신뢰성 평가, 그에 따른 질병 진 단 및 예측 데이터를 취득해야 될 것으로 보인다. 더불어 일시 기능 전자 소자는 반도체 단일박만의 고려 뿐 아니 라 디바이스를 이루는 모든 구성요소(반도체, 절연체, 보 호층, 소스 드레인, 게이트, 기판)가 사용자의 목적에 따 라 일관성 있게 설계되어야 하므로 소자 전체적 관점에서 의 폭넓은 이해와 연구가 필요하다.

참고문헌

1. J. Y. Kwon, D. J. Lee, K. B. Kim, “Review Paper:

Transparent Amorphous Oxide Semiconductor Thin Film Transistor”, Electron. Mater. Lett. 7 [1] 1 (2011).

2. J. Y. Kwon, J. K. Jeong, “Recent progress in high performance and reliable n-type transition metal oxide-based thin film transistors”, Semicond. Sci.

Technol. 30 [2] (2015).

3. S. W. Hwang, H. Tao, D. H. Kim, H. Y. Cheng, J. K.

Song, E. Rill, M. A. Brenckle, B. Panilaitis, S. M.

Won, Y. S. Kim, Y. M. Song, K. J. Yu, A. Ameen, R.

Li, Y. W. Su, M. M. Yang, D. L. Kaplan, M. R. Zakin, M. J. Slepian, Y. G. Huang, F. G. Omenetto, J. A.

Rogers, “A Physically Transient Form of Silicon Electronics”, Science 337 [6102] 1640 (2012).

4. D. H. Kim, J. Viventi, J. J. Amsden, J. L. Xiao, L.

Vigeland, Y. S. Kim, J. A. Blanco, B. Panilaitis, E. S.

Frechette, D. Contreras, D. L. Kaplan, F. G.

Omenetto, Y. G. Huang, K. C. Hwang, M. R. Zakin, B. Litt, J. A. Rogers, “Dissolvable films of silk fibroin for ultrathin conformal bio-integrated electronics”, Nat. Mater. 9 [6] 511 (2010).

5. S. K. Kang, R. K. J. Murphy, S. W. Hwang, S. M.

Lee, D. V. Harburg, N. A. Krueger, J. H. Shin, P.

Gamble, H. Y. Cheng, S. Yu, Z. J. Liu, J. G. McCall, M. Stephen, H. Z. Ying, J. Kim, G. Park, R. C. Webb, C. H. Lee, S. J. Chung, D. S. Wie, A. D. Gujar, B.

Vemulapalli, A. H. Kim, K. M. Lee, J. J. Cheng, Y.

G. Huang, S. H. Lee, P. V. Braun, W. Z. Ray, J. A.

Rogers, “Bioresorbable silicon electronic sensors for the brain”, Nature 530 [7588] 71 (2016).

6. K. J. Yu, D. Kuzum, S. W. Hwang, B. H. Kim, H.

Juul, N. H. Kim, S. M. Won, K. Chiang, M. Trumpis,

A. G. Richardson, H. Y. Cheng, H. Fang, M.

Thompson, H. Bink, D. Talos, K. J. Seo, H. N. Lee, S. K. Kang, J. H. Kim, J. Y. Lee, Y. G. Huang, F. E.

Jensen, M. A. Dichter, T. H. Lucas, J. Viventi, B.

Litt, J. A. Rogers, “Bioresorbable silicon electronics for transient spatiotemporal mapping of electrical activity from the cerebral cortex”, Nat. Mater. 15 [7]

782 (2016).

7. S. W. Hwang, C. H. Lee, H. Y. Cheng, J. W. Jeong, S. K. Kang, J. H. Kim, J. Shin, J. Yang, Z. J. Liu, G.

A. Ameer, Y. G. Huang, J. A. Rogers, “Biodegradable Elastomers and Silicon Nanomembranes/Nanoribbons for Stretchable, Transient Electronics, and Biosensors”, Nano Lett. 15 [5] 2801 (2015).

8. C. Dagdeviren, S. W. Hwang, Y. W. Su, S. Kim, H.

Y. Cheng, O. Gur, R. Haney, F. G. Omenetto, Y. G.

Huang, J. A. Rogers, “Transient, Biocompatible Electronics and Energy Harvesters Based on ZnO”, Small 9 [20] 3398 (2013).

9. S. W. Hwang, X. Huang, J. H. Seo, J. K. Song, S.

Kim, S. Hage-Ali, H. J. Chung, H. Tao, F. G.

Omenetto, Z. Q. Ma, J. A. Rogers, “Materials for Bioresorbable Radio Frequency Electronics”, Adv.

Mater. 25 [26] 3526 (2013).

10. D.-H. Kim, Y.-S. Kim, J. Amsden, B. Panilaitis, D.

L. Kaplan, F. G. Omenetto, M. R. Zakin, J. A. Rogers,

“Silicon electronics on silk as a path to bioresorbable, implantable devices”, Appl. Phys. Lett. 95 [13] (2009).

11. S. W. Hwang, D. H. Kim, H. Tao, T. I. Kim, S. Kim, K. J. Yu, B. Panilaitis, J. W. Jeong, J. K. Song, F. G.

Omenetto, J. A. Rogers, “Materials and Fabrication Processes for Transient and Bioresorbable High- Performance Electronics”, Adv. Funct. Mater. 23 [33]

4087 (2013).

12. S.-W. Hwang, J.-K. Song, X. Huang, H. Cheng, S.-K. Kang, B. H. Kim, J.-H. Kim, S. Yu, Y. Huang, J. A. Rogers, “High-Performance Biodegradable/

Transient Electronics on Biodegradable Polymers”, Adv. Mater. 26 [23] 3905 (2014).

13. S. W. Hwang, G. Park, H. Cheng, J. K. Song, S. K.

Kang, L. Yin, J. H. Kim, F. G. Omenetto, Y. G.

Huang, K. M. Lee, J. A. Rogers, “25th Anniversary Article: Materials for High-Performance Biodegradable Semiconductor Devices”, Adv. Mater.

26 [13] 1992 (2014).

14. S. H. Jin, S. K. Kang, I. T. Cho, S. Y. Han, H. U.

Chung, D. J. Lee, J. Shin, G. W. Baek, T. I. Kim, J.

H. Lee, J. A. Rogers, “Water-Soluble Thin Film

(11)

특 집

CERAMIST

Transistors and Circuits Based on Amorphous Indium-Gallium-Zinc Oxide”, ACS Appl. Mater.

Interfaces 7 [15] 8268 (2015).

15. Y. Gao, Y. Zhang, X. Wang, K. Sim, J. S. Liu, J.

Chen, X. Feng, H. X. Xu, C. J. Yu, “Moisture- triggered physically transient electronics”, Science Advances 3 [9] (2017).

16. C. J. Bettinger, Z. A. Bao, “Organic Thin-Film Transistors Fabricated on Resorbable Biomaterial Substrates”, Adv. Mater. 22 [5] 651 (2010).

17. T. Lei, M. Guan, J. Liu, H. C. Lin, R. Pfattner, L.

Shaw, A. F. McGuire, T. C. Huang, L. L. Shao, K. T.

Cheng, J. B. H. Tok, Z. N. Bao, “Biocompatible and totally disintegrable semiconducting polymer for ultrathin and ultralightweight transient electronics”, Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 114 [20] 5107 (2017).

18. S. W. Hwang, G. Park, C. Edwards, E. A. Corbin, S.

K. Kang, H. Y. Cheng, J. K. Song, J. H. Kim, S. Yu, J. Ng, J. E. Lee, J. Kim, C. Yee, B. Bhaduri, Y. Su, F. G. Omennetto, Y. G. Huang, R. Bashir, L. Goddard, G. Popescu, K. M. Lee, J. A. Rogers, “Dissolution Chemistry and Biocompatibility of Single-Crystalline Silicon Nanomembranes and Associated Materials for Transient Electronics”, ACS Nano 8 [6] 5843 (2014).

19. Y. F. Zheng, R. Z. Li, Y. D. Wang, “IN VITRO AND IN VIVO BIOCOMPATIBILITY STUDIES OF ZNO NANOPARTICLES”, Int. J. Mod. Phys. B 23 [6-7]

1566 (2009).

20. I. Shimizu, D. MacFarlane, “Zinc Oxide Paste as Sunscreen in the Postoperative Period”, Dermatologic Surgery 38 [6] 965 (2012).

21. L. Yin, H. Y. Cheng, S. M. Mao, R. Haasch, Y. H.

Liu, X. Xie, S. W. Hwang, H. Jain, S. K. Kang, Y. W.

Su, R. Li, Y. G. Huang, J. A. Rogers, “Dissolvable Metals for Transient Electronics”, Adv. Funct. Mater.

24 [5] 645 (2014).

22. S. K. Kang, S. W. Hwang, H. Y. Cheng, S. Yu, B. H.

Kim, J. H. Kim, Y. G. Huang, J. A. Rogers,

“Dissolution Behaviors and Applications of Silicon Oxides and Nitrides in Transient Electronics”, Adv.

Funct. Mater. 24 [28] 4427 (2014).

23. G. Paradossi, F. Cavalieri, E. Chiessi, C. Spagnoli, M.

K. Cowman, “Poly(vinyl alcohol) as versatile biomaterial for potential biomedical applications”, J.

Mater. Sci.-Mater. Med. 14 [8] 687 (2003).

24. R. Li, H. T. Cheng, Y. W. Su, S. W. Hwang, L. Yin, H. Tao, M. A. Brenckle, D. H. Kim, F. G. Omenetto, J. A. Rogers, Y. G. Huang, “An Analytical Model of Reactive Diffusion for Transient Electronics”, Adv.

Funct. Mater. 23 [24] 3106 (2013).

25. S. K. Kang, S. W. Hwang, S. Yu, J. H. Seo, E. A.

Corbin, J. Shin, D. S. Wie, R. Bashir, Z. Q. Ma, J. A.

Rogers, “Biodegradable Thin Metal Foils and Spin- On Glass Materials for Transient Electronics”, Adv.

Funct. Mater. 25 [12] 1789 (2015).

 남 궁 석

 2014년 연세대학교 글로벌융합공학부 학사

 2014년~현재 연세대학교 글로벌융합공학과 (석박통합과정)

 송 민 규

 2015년 연세대학교 전기전자공학부 학사

 2015년~현재 연세대학교 글로벌융합공학과 (석박통합과정)

 권 장 연

 2002년 서울대학교 재료공학과 박사

 2002년~2010년 삼성종합기술원 수석 연구원

 2011년~현재 연세대학교 글로벌융합공학과 부교수