PLD 법으로 플렉서블 기판에 성장된 MgxZn1-xO 박막의 성장조건에 따른 특성 연구

Abstract

미래의 디스플레이 산업은 소자의 유연성과 다양한 모양, roll to roll 공정에 의한 높은 생산성, 기존 소자에 비해 초경량에 의한 경제성 등의 장점으로 플렉서블 디스플레이가 이끌 것으로 보인다[1]. 플렉서블 디스플레이용 소자는 기존에 사용되던 글라스, 사파이어 등의 기판이 아닌 플라스틱 기판위에 제작되어야 한다. 글라스, 사파이어 기판에 제작된 소자는 고온공정으로 제작되기 때문에 우수한 구조 및 전기적 특성을 얻을 수 있지만 플라스틱 기판에 제작된 소자는 저온공정으로 제작되기 때문에 우수한 구조적, 전기적 특성을 얻기 어렵다. 기존 디스플레이 소자의 TCO 재료인 ITO는 우수한 전기, 광학적 특성을 가지기 위해서는 300℃ 이상에서의 열처리가 필요하며 AMOLED(active matrix organic light emitting diode)와 AMLCD(active matrix liquid crystal display)의 구동회로로 사용되는 a-si TFT, p-si TFT는 낮은 전자 이동도와 고온공정으로 플렉서블 디스플레이용 소자 적용을 위해서는 한계점이 존재한다[2-4]. 최근 200℃ 이하의 저온공정이 가능하고 빠른 전자 이동도를 갖는 ZnO가 플렉서블 디스플레이 소자에 적용되는 재료로 주목 받고 있다.

ZnO는 대표적인 Ⅱ-Ⅵ족 산화물 반도체로 열적․화학적으로 안정한 상태로 저온 성장이 가능할 뿐만 아니라 60 meV의 높은 자유 엑시톤 결합 에너지와 3.36 eV의 비교적 넓은 밴드갭을 가지고 있다. 또한 직접 천이형 화합물 반도체로서 80 % 이상의 광 투과도와 높은 전기 전도성으로 인해 TCO, TTFT, 태양전지 등의 분야에서 각광 받고 있다[5-8]. 또한 UV 영역의 광소자에 응용하기 위하여 밴드갭 에너지를 증가시키는 방향으로 밴드갭 엔지니어링에 대한 연구가 활발히 이루어지고 있다[9,10]. 특히 Zn2+와 Mg2+간의 이온반경이 0.60 Å과 0.57 Å으로 비슷하여 밴드갭 확장이 가능한 ZnO(3.36 eV) MgO(7.8 eV)를 적절하게 고용하여 높은 밴드갭 에너지를 확보하는 연구가 주목 받고 있다. 하지만 ZnO(hexagonal structure)와 MgO(cubic structure)는 서로 다른 결정구조를 가지고 있어 Mg에 의한 부정합 형성으로 상변이가 일어나며 상변화가 일어나지 않는 최대 고용한계치가 33 mol.%로 알려져 있다[11-14]. 따라서 Mg 함유량에 영향을 미칠 수 있는 MgxZn1-xO의 성장조건 및 방법 등이 중요하다. 최근에는 MgxZn1-xO 박막 성장에 대한 연구로 MOCVD, MBE, sputtering, PLD 등의 다양한 방법을 통해 연구되고 있으며, Mg의 조성비, 증착압력 등의 증착조건에서 성장 시 사용된 기판, 버퍼층 (Buffer layer)등의 종류에 따른 MgXZn1-XO 박막의 특성 분석에 관한 연구도 진행되고 있다[15-20]. 대부분의 연구는 글라스 기판 및 사파이어 기판에 대한 연구가 많이 행해져 왔으며 고온에서 성장 할 수 없을 뿐만 아니라 표면 평탄도가 좋지 않은 플라스틱 기판에서의 MgZnO 박막 성장에 대한 연구는 많이 보고되지 않은 실정이다. 또한 플라스틱 기판에서 Mg 조성비가 다른 MgxZn1-xO 타겟을 이용한 성장조건 및 버퍼층의 종류에 따른 MgxZn1-xO 박막의 특성에 대한 연구는 미흡하다. 현재 플렉서블 디스플레이 소자 제작에 사용되는 기판으로는 PET, PEN, PC, PES 등의 고분자 기판이 있으며 이 중 영국 ICI사에서 개발한 비결정성 투명한 호박색인 PES 기판은 투명한 디스플레이 및 소자를 위한 내열성, 광학적 등방성, 투과성, 치수안정성이 비교적 우수한 것으로 알려져 있다[21].

따라서 본 논문은 PES 기판에서 MgxZn1-xO를 이용한 플렉서블 소자를 제작하기 위해 펄스레이저 증착법으로 PES 기판위에 MgXZn1-XO 박막을 성장시켜 조건에 따른 구조 및 광학적 특성에 관한 연구를 수행하였다. 또한 amorphous의 고분자인 PES 기판인 점을 고려하여 펄스레이저 증착 시, 버퍼층의 종류에 따른 고품위 MgxZn1-xO 박막의 구조 및 광학적 특성에 관해 분석하였다.