원자층 증착 Al2O3/In2O3 이종접합을 통한 In2O3 박막 특성 제어 연구

Abstract

디스플레이를 통해 정보를 효율적으로 전달하는 것은 현재의 정보화 사회에 있어 중요한 이슈이다. 한편, 차세대 디스플레이에는 형태의 제한을 낮추는 고유연성이 대두될 것으로 보인다. 이러한 기조에 맞춰 디스플레이의 요소 기술인 투명 전극 또한 고유연성 확보를 위한 공정 및 소재 개발이 필요해지고 있는 시점이다. 본 연구에서는 기존의 투명전극에 주로 사용되는 인듐 주석 산화물 같은 도핑이나 합금 방식의 한계를 벗어나, 최근에 연구되고 있는 이종 산화물 간 계면에서 형성되는 이차원전자구름을 원자층 증착(ALD) 인듐 산화물(In2O3)과 알루미늄 산화물(Al2O3)의 이종접합을 통해 구현하고자 했다. 이를 바탕으로 고유연성 기판인 폴리이미드(PI) 필름에 적용하여 나노 두께의 고유연성, 고시인성, 고전도성의 소재의 가능성을 확인하고자 했다. 우선, ALD Al2O3와 In2O3 박막의 물성을 평가하여 이종 접합에 적합한 조건을 추정하였다. Al2O3는 100도의 저온 증착 대비 200도의 고온 증착에서 2.45% 정도 낮은 산소포화도를 갖으며, In2O3는 100도에서 200도까지 ALD 증착 온도를 가졌으며 온도에 따라 결정양상이 달라지는 것을 확인하였다. ALD Al2O3/In2O3 이종 접합 제작에 있어서 최적의 Al2O3 증착 조건은 온도가변형 홀측정법을 통해 250도의 증착 온도 임을 확인하였다. 전기적 특성 평가에서 ALD Al2O3/In2O3 는 In2O3의 면저항을 최대 73.6 % 감소시켰으며, 전자이동도는 최대 53.4 % 증가시켰다. 동시에 가시광선 영역의 투과도는 95 % 이상을 유지했다. 이는 각분해 광전자 분광분석 기법에 의해 In2O3 열처리에 의한 효과가 5 % 계면의 환원된 Inx+의 영향이 16 %에 달하는 것으로, Al2O3에 의한 산소 공공 결함 형성이 주요 요인임을 보였다. 실제 유연 투명전극으로 적용 가능성을 확인하기 위해, ALD Al2O3/In2O3 이종 접합을 플라즈마 처리된 고유연성 PI 기판에 적용하여 유연성과 전도성을 평가하였다. 또한, PI와 In2O3 사이에 Al2O3 버퍼층을 도입해 전도성의 향상 대비 유연성의 차이를 확인하였다. 홀 측정, 투과전자현미경, 광전자손실에너지 분광 분석 및 전자 회절 분석을 통해 하부의 Al2O3 버퍼층은 In2O3와 혼합층을 형성함과 동시에 결정화 정도를 높여주며 PI의 열화를 막아주는 역할을 하며, In2O3 전기적 물성을 소폭 향상시켜주는 것으로 확인했다. 한편, 상부에 형성한 이차원전자구름은 In2O3 채널의 굽힘 응력에 강하게 의존하는 것을 국부 탐침 현미경을 통해 표면에너지와 표면 누설전류를 측정하여 확인하였다. 이 후 굽힘 실험을 통해 버퍼층의 효과 대비 In2O3의 결정성이 유연성에 더 직접적인 영향을 주는 것으로 확인했다. 이러한 실험 결과를 바탕으로 ALD Al2O3/In2O3 이 도핑이나 합금과 같은 방식에 준하는 전기적 특성을 향상시킬 수 있는 공정임을 확인하였다. 또한, ALD Al2O3/In2O3/Al2O3 샌드위치 구조의 이종 접합 박막은 고유연성 기판인 PI에 적용되어 공정 온도에 따라 전기적 특성을 쉽게 조절할 뿐만 아니라, 굽힘 특성 또한 조절이 가능한 다각화 가능한 소재임을 보였다. 앞으로의 차세대 투명전극은 고유연성이 필요로 되는 부분도 있겠지만, 투명산화물전극과 같이 고시인성을 요구하며 낮은 유연성을 요구하는 부분도 있을 것으로 보인다. 유연/시인/단가 등의 복합적인 요소의 다각화가 가능한 공정기술 개발에 있어서 이번 연구결과가 대면적화가 가능한 ALD의 디스플레이 접목성을 재고해보고, 이종 접합을 통한 계면 제어 연구의 초석이 되길 기대한다.