Development of thin film transistor via intense pulsed light annealing for flexible devices

Abstract

최근, 전자기기의 발점함에 따라, 고성능, 다기능의 전자기기 뿐만 아니라, 기계적으로 변형이 가능한 웨어러블, 폴더블, 플렉서블 소자에 대한 관심이 높아지고 있다. 이러한 변화에 대응하기 위해, 전자 소자는 유연 기판상에서 제작되는데, 기존의 포토리소그라피는 재료의 소모와 긴 공정, 고가의 설비가 사용된다는 단점이 발생한다. 이에 금속잉크, 기능성 용액소재를 유연기판상에 인쇄하여 전자소자를 구현하는 인쇄전자 기술이 발달되면서 큰 각광을 받고 있다. 하지만, 이러한 인쇄된 막을 전자소자에 사용되는 박막으로 구현하기 위해서는 어닐링 또는 소결 공정이 필수적으로 수반되어야 하는데, 높은 온도와 긴 시간의 열어닐링으로 인해, 유연기판 적용에 제약이 발생한다. 이러한 단점을 해결하기 위해, 기판에 손상을 주지 않으며, 광원을 조사하여 소재를 가열하는 레이저, 원자외선 (Deep-UV), 극단파 백색광 (IPL)을 이용한 광어닐링 방법들이 개발되었다. 이 중, IPL 방법은 가시광선의 빛을 조사하여, 수 밀리초 영역안에 소재의 어닐링을 진행할 수 있어, 많은 소재에 대해 적용되었고, 이에 관한 연구들이 진행되었다. IPL을 통하여, 구리와 은, 니켈과 같은 전극 소재 및 금속 산화물계열의 반도체 소재, 유연 전극 소재인 금속 나노와이어, 그래핀(graphene), 탄소나노튜브(CNT)에 적용되어 그 효과가 입증되었다. 하지만, 전자기기 및 전자소자는 이러한 소재들의 복합적인 구조와 다층으로 구성되므로, 한 소재의 적용으로는 IPL의 효과를 극대화시킬 수 없다. 그러므로 인쇄전자 기술을 응용하여, 전반적인 소자 제작 공정을 획기적으로 개선시키기 위해서는, 다층구조에 대한 IPL 어닐링 기술의 개발이 필요한 실정이다. 본 연구에서는, IPL을 통한 박막 트랜지스터 (TFT)에 적용되는 소재의 어닐링 기술 개발과 다층 어닐링을 통한 TFT 제작 기술에 관한 연구를 수행하였다. TFT는 센서와 RFID, OLED, 디스플레이와 같은 전자기기에서 핵심적인 역할을 수행하는 스위칭 전자소자로, 유전체, 반도체, 전극 소재가 사용되며, 이 소재들의 복합층으로 구성된다. 이러한 구조를 제작하기 위하여, IPL을 통하여 TFT를 구성하는 전극, 반도체, 유전체와 같은 개별소재에 대한 어닐링 및 전기적, 재료적 특성 분석을 진행하였다. 반도체 소재로는 높은 전자이동도와 기계적으로 유연한 특성을 갖춘 IGZO가 적용되었고, 전구체 물질을 통한 용액 공정이 활용되었다. 용액공정으로 적용된 IGZO는 IPL을 통하여 광어닐링되었으며, 전극을 증착하여 TFT 구조를 제작하여, 소자특성을 분석하여 성능을 평가하였다. IPL을 통하여, 열어닐링보다 높은 전자이동도의 IGZO가 구현되었으나, 점멸비가 낮아 이를 개선하기 위하여 deep-UV 건조 공정이 적용되었다. Deep-UV를 적용함으로써, IGZO 막내의 금속과 산소의 결합을 활성화 시킬 수 있었으며, 이를 통하여 점멸비가 개선된 IGZO 막을 구현할 수 있었다. 광어닐링된 IGZO 상에, Ag ink를 스크린 인쇄공정을 통하여 소스/드레인 패턴으로 인쇄하였다. IGZO 상에서 소결 조건에 따라 탄소의 확산 및 계면 분석을 진행하였다. 그 결과, IPL을 통하여 Ag 잉크의 물질의 확산없이, 고성능의 TFT가 성공적으로 구현되는 것을 확인할 수 있었다. 추가적으로, 유연 기판상에서 게이트 전극과 BaTiO3 기반의 유전체막이 IPL을 통하여 형성되었다. 소결된 BaTiO3의 결정성 분석과 두께와 누설전류와의 상관관계를 분석하였다. 이를 통하여막내에 흐르는 누설전류를 제어하였고, IPL을 통하여 높은 커패시터 특성의 BaTiO3 막을 제작하였다. 결론적으로, 각 소재의 어닐링 및 소결에 필요한 IPL 에너지 파라미터를 도출하여, 각 소재의 IPL 공정시 손상을 최소화시킬 수 있는 탑게이트 구조의 TFT가 설계되었고, 전공정 IPL 어닐링을 통하여 5cm2/V·s의 전자이동도를 갖춘 TFT가 구현되었다. 유연전자 소자에 적용을 위해, 오버코팅 소재를 활용해 TFT의 기계적 신뢰성을 향상시켰으며, 1000회의 굽힘에서도 TFT의 전기적 특성이 향상되는 것을 확인할 수 있었다. 계면 분석을 통해, IPL을 통한 열적 손상과 TFT 적층구조를 관측하였고, 전기적 특성을 평가하였다. 따라서, IPL을 통하여 TFT를 제작하는 기술은 IGZO 기반의 박막트랜지스터 및 디스플레이 제작 분야에 널리 활용될 것으로 기대된다.