스프레이 코팅 기법을 이용한 탄소나노튜브 박막 트랜지스터 연구

Abstract

기존 디스플레이의 투명 전극으로 사용되고 있는 ITO(Indium Tin Oxide)는 외부의 스트레스에 의하여 쉽게 파괴되며 증착 방식에 따른 고비용, 인듐의 매장량 한계 등의 문제점이 있어 향후 대체 소재의 개발이 요구되고 있다. 따라서 본 연구에서는 ITO의 대체 소재로서 각광 받고 있는 Carbon Nanotube(CNT)를 이용하여 투명 전도성 필름을 제작 및 특성 평가를 실시하였다.

Spray coating 기법을 이용한 CNT thin-film 형성은 간단한 공정으로 대면적의 전기적 특성이 균일한 thin-film 형성이 가능하다는 장점이 있다. 따라서 본 연구에서는 spray coating 기법을 이용하여 투명 전도성 필름을 제작하였으며 전기적 특성 향상을 위한 화학적 후 처리 공정과 전기적 균일도 향상을 위하여 기판과 CNT의 adhesion을 향상 시키는 표면 기능화 공정에 대한 연구를 수행하였다. 대면적의 투명 전도성 필름을 제작하여 90.4 %의 광투과도에서 420 Ω/□의 표면저항 값을 얻었으며 DC conductivity는 1997.97 S/cm의 값을 갖는 우수한 투명 전도성 필름을 제작하였다. 이렇게 확보된 전기적 균일도와 전도 특성을 바탕으로 Carbon nanotube Network Thin-Film Transistor(CNTFT)을 제작하여 소자간의 distribution을 확인하였고 제작된 CNTFT의 반도체 특성 향상을 위한 연구를 수행하였다.

차세대 TFT의 하나로 연구되고 있는 CNTFT는 개개의 CNT 하나가 TFT의 채널 역할을 할 수 있으나 합성과정에서 완벽히 제어되어 분리되지 못하는 metallic CNT의 혼재로 인해 아직 실현 가능성에 많은 걸림돌이 되고 있다. 또한 합성된 개개의 CNT는 기판의 원하는 곳에 정렬시키는 것이 어려우며 나노사이즈의 작은 크기로 인해서 소자 제작에 어려움을 동반하게 된다.

이를 해결하고자 개개의 CNT들을 무질서하게 배열시켜 random network 형태의 CNTFT 소자를 제작하여, 그 전기적 특성을 개선시키는 연구를 진행하였다. Single-Walled Nanotubes(SWNTs)를 solution 상태로 분산하여 SiO2/Si 기판위에 SWNTs network를 형성하는 spray coating 기법을 이용하여 CNTFT를 제작하였다. CNTFT가 가지는 metallic percolation path를 줄여 semiconducting 특성을 향상시키기 위하여 SWNTs network의 밀도와 channel dimension을 조절하여 전기적 특성을 확인하였다.

또한 본 연구에서 도입된 striping 공정은 metallic percolation threshold를 넘는 농도에서도 CNTFT의 semiconducting 특성을 향상시키는데 효과적임을 보여주었다. 즉, 저농도 SWNTs network의 낮은 Ion 과 고농도 SWNTs network의 낮은 Ion/Ioff 를 해결하고자 채널 내에 Striping 수를 증가시켜 semiconducting 특성을 개선하였다. Striping 공정을 도입하여 최종 얻어진 CNTFT는 Ion/Ioff 가 ~105 이상을 보여 주었고 낮은 Ioff ~10-12 A을 보여 소자내의 누설전류(leakage current)를 많이 감소 시킬 수 있음을 확인하였다.