KR101160845B1

KR101160845B1 - 금속산화물계 투명전극의 제조방법

Info

Publication number: KR101160845B1
Application number: KR1020110083976A
Authority: KR
Inventors: 박종수; 전표용; 탁남수; 이도경; 신한재
Original assignee: 주식회사 나우테크
Priority date: 2011-08-23
Filing date: 2011-08-23
Publication date: 2012-06-29

Abstract

본 발명은 금속산화물계 투명전극의 제조방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 IGZO 투명전극의 제조방법에 관한 것이다. 본 발명은 플라스틱 기판을 표면 처리하는 제1단계; 상기 플라스틱 기판 상에 언더 코팅층을 형성하는 제2단계; 및 상기 언더 코팅층 상에 IGZO 박막을 형성하는 제3단계를 포함하되, 상기 제2단계는 언더 코팅층을 75㎚ ~ 95㎚의 두께로 형성하고, 상기 제3단계는 IGZO 박막을 언더 코팅층 상에 스퍼터링하여 형성하되, 스퍼터링 장치의 DC 파워 135W ~ 155W의 전력으로 IGZO 박막을 형성하는 IGZO 투명전극의 제조방법을 제공한다. 본 발명에 따르면, 플라스틱 기판과 IGZO 박막의 사이에 언더 코팅층을 형성하되, 상기 언더 코팅층의 두께와 스퍼터링 공정 조건 등이 최적화되어, 우수한 전기적 특성과 함께 높은 광투과율을 가지는 IGZO 투명전극을 제조할 수 있다.

Description

금속산화물계 투명전극의 제조방법 {METHOD FOR MANUFACTURING METAL OXIDE BASED TRANSPARENCY ELECTRODE}

본 발명은 금속산화물계 투명전극의 제조방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 언더 코팅층의 두께와 스퍼터링 공정 조건을 최적화시킴으로써 우수한 전기적 특성과 광투과율을 가지는 금속산화물계 투명전극의 제조방법에 관한 것이다.

다성분 금속산화물계 박막은 각종 광학 및 전기ㆍ전자 소자 등의 투명전극으로 유용하게 사용되고 있다.

예를 들어, ITO(인듐-주석-옥사이드 ; Indium Tin Oxide), IZO(인듐-아연-옥사이드 ; Indium Zinc Oxide) 및 ATO(알루미늄-주석-옥사이드 ; Aluminum Tin Oxide) 등의 2성분 금속산화물계 박막이나 IGZO(인듐-칼륨-아연-옥사이드 ; Indium Gallium Zinc Oxide) 등의 3성분 금속산화물계 박막은 액정 디스플레이(LCD ; Liquid Crystal Display), 플라즈마 디스플레이(PDP ; Plasma Display Panel), 전계 방사형 디스플레이(FED ; Field Emission Display), 발광 소자 디스플레이(LED Display) 등과 같은 평판 디스플레이(Flat Panel Display) 분야에서 널리 사용되고 있다.

일반적으로, 위와 같은 다성분 금속산화물계 박막은 기판 상에 스퍼터링(sputtering) 등의 방법으로 증착되어 투명전극으로 사용된다. 예를 들어, 대한민국 공개특허 제10-2007-0050143호[선행 특허문헌 1]에는 진공 챔버 내의 감압 하에서 투명 산화물 타겟(target)을 기판 상에 이온빔 스퍼터링하여 전극을 제조하는 방법이 제시되어 있다.

최근 디스플레이 및 태양전지의 급격한 기술발전과 더불어 가볍고 휘어지면서도 소자의 특성이 그대로 유지되는 플렉시블(flexible) 디스플레이와 플렉시블 태양전지에 대한 관심이 날로 증대되고 있다. 플렉시블 디스플레이나 플렉시블 태양전지를 구현하기 위해서는 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET) 등과 같은 플라스틱 기판 상에 증착시킨 고품위의 플렉시블 투명전극이 필요하다.

또한, 2성분 이상의 다성분 금속산화물계 박막은 금속 원소의 조성비(화학 양론비)에 따라 전기적 특성이 결정되는데, 종래의 방법에 따라 제조된 투명전극은 전기적 특성이 다소 부족하다. 특히, IGZO 투명전극이 그러하다.

상기 IGZO 투명전극과 관련하여, 대한민국 공개특허 제10-2010-0094597호[선행 특허문헌 2]에는 In(인듐)과 Ga(갈륨)의 합량에 대한 In(인듐)의 원자수비와, In(인듐)과 Ga(갈륨)과 Zn(아연)의 합량에 대한 아연(Zn)의 원자수비를 특정하고, 적정 스퍼터 파워 밀도에서 기판 상에 성막하는 IGZO 산화물 박막의 제조방법이 제시되어 있다.

ITO 투명전극 등의 경우에는 활발한 연구 개발의 성과로 인듐(In)과 주석(Sn)의 최적 조성이 정립되어 전기적 특성이 비교적 양호한 편이다. 그러나 이에 비해 연구 개발이 미흡한 IGZO 박막은 전기적 특성이 다소 부족하고 광투과율이 낮은 문제점이 있다.

[선행 특허문헌 1] 대한민국 공개특허 제10-2007-0050143호

[선행 특허문헌 2] 대한민국 공개특허 제10-2010-0094597호

이에, 본 발명은 플라스틱 기판과 IGZO 박막 사이의 광투과율 등을 향상시키기 위한 언더 코팅층(under coating layer)을 형성하고, 상기 언더 코팅층의 두께와 스퍼터링 공정 조건 등을 최적화시킴으로써, 우수한 전기적 특성과 높은 광투과율을 가지는 IGZO 투명전극의 제조방법을 제공하는 데에 그 목적이 있다.

보다 구체적으로, 본 발명은 1.0 x 10^-2 Ω㎝ 이하의 우수한 저항 특성과, 80% 이상의 높은 광투과율을 가지는 IGZO 투명전극의 제조방법을 제공하는 데에 그 목적이 있다.

상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명은,

플라스틱 기판을 표면 처리하는 제1단계;

상기 플라스틱 기판 상에 언더 코팅층을 형성하는 제2단계; 및

상기 언더 코팅층 상에 IGZO 박막을 형성하는 제3단계를 포함하되,

상기 제2단계는 언더 코팅층을 75㎚ ~ 95㎚의 두께로 형성하고,

상기 제3단계는 IGZO 박막을 언더 코팅층 상에 스퍼터링하여 형성하되, 스퍼터링 장치의 DC 파워 135W ~ 155W의 전력으로 IGZO 박막을 형성하는 IGZO 투명전극의 제조방법을 제공한다.

이때, 상기 제1단계는 플라즈마 처리 공정을 포함하고, 상기 플라즈마 처리 공정은 대기압에서 250 ~ 550W의 전력으로 플라즈마 처리하는 것이 바람직하다.

또한, 상기 제3단계는, In, Ga 및 Zn의 조성비가 1 : 0.8 ~ 1.2 : 0.8 ~ 4.0인 IGZO 타겟을 스퍼터링하여 IGZO 박막을 형성하는 것이 좋다. 아울러, 상기 제3단계는 진공 챔버 내에 불활성 가스와 산소를 300 ~ 1000 : 1의 유량비로 주입하여 스퍼터링하는 것이 바람직하다.

본 발명에 따르면, 플라스틱 기판과 IGZO 박막 사이에 언더 코팅층을 형성하되, 상기 언더 코팅층의 두께와 스퍼터링 공정 조건 등이 최적화되어, 우수한 전기적 특성과 함께 높은 광투과율을 가지는 IGZO 투명전극이 제조된다. 구체적으로, 1.0 x 10^-2 Ω㎝ 이하의 우수한 저항 특성과, 80% 이상의 높은 광투과율을 가지는 IGZO 투명전극을 제조할 수 있다.

도 1은 본 발명에서 기판의 표면 처리 시에 사용될 수 있는 대기압 플라즈마 처리 장치의 구성도를 예시한 것이다.
도 2는 본 발명에 따라 제조된 IGZO 투명전극의 단면 구성도를 예시한 것이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따라 PET 필름의 플라즈마 표면 처리 시, 인가 전력에 따른 접촉각 변화를 측정한 결과이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따라 PET 필름의 플라즈마 처리 전과 처리 후의 표면 모폴로지(surface morphology)를 보인 이미지이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 SiO₂/PET 필름의 SiO₂층 두께에 따른 표면 조도를 보인 이미지이다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따라 증착된 IGZO 박막의 두께 측정 결과를 보인 그래프이다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따라 제조된 IGZO 투명전극의 비저항 측정 결과를 보인 그래프이다.
도 8은 본 발명의 실시예에 따라 제조된 IGZO 투명전극의 캐리어 농도 측정 결과를 보인 그래프이다.
도 9는 본 발명의 실시예에 따라 제조된 IGZO 투명전극의 광투과율 평가 결과를 보인 그래프이다.

전술한 바와 같이, 다성분 금속산화물계 투명전극 중에서, IGZO 투명전극은 ITO 등의 다른 산화물 투명전극에 비해 연구 성과가 미흡하여 전기적 특성이 부족하고 광투과율이 낮다.

이에, IGZO 투명전극에 대한 연구를 거듭한 결과, IGZO 투명전극의 전기적 특성과 광투과율은 IGZO 타겟의 조성뿐만 아니라, 기판과 IGZO 박막의 사이에 형성된 언더 코팅층과 스퍼터링 공정 조건에 따라 매우 큰 영향이 있음을 알고 본 발명을 완성하게 되었다.

구체적으로, IGZO 투명전극의 전기적 특성과 광투과율은 IGZO 타겟의 조성에도 영향이 있지만, 기판과 IGZO 박막의 사이에 언더 코팅층을 형성하되, 상기 언더 코팅층의 두께와 IGZO 박막의 스퍼터링 공정 조건이 최적화된 경우, 우수한 전기적 특성과 높은 광투과율을 가짐을 알 수 있었다. 또한, 기판을 표면 처리함에 있어, 대기압 하에서 플라즈마를 이용하여 처리하되, 플라즈마 처리 시 적정 전력이 인가되는 경우에 언더 코팅층과의 부착력이 양호함을 알 수 있었다.

이하, 본 발명을 상세히 설명한다.

본 발명에 따른 IGZO 투명전극의 제조방법은, (1) 기판을 표면 처리하는 제1단계; (2) 상기 기판 상에 언더 코팅층(under coating layer)을 형성시키는 제2단계; 및 (3) 상기 언더 코팅층 상에 IGZO 박막을 형성시키는 제3단계를 포함한다. 이때, 상기 제2단계는, 상기 언더 코팅층을 75㎚ ~ 95㎚의 두께로 형성한다. 그리고 상기 제3단계는, 상기 IGZO 박막을 스퍼터링하여 형성하되, 스퍼터링 장치의 DC 파워 135W ~ 155W의 전력으로 IGZO 박막을 형성(증착)한다. 각 단계별로 설명하면 다음과 같다.

(1) 기판의 표면 처리

기판은 플라스틱 기판(필름)으로서, 이는 바람직하게는 플렉시블(flexible)한 것이면 제한되지 않는다. 기판은, 예를 들어 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET), 폴리카보네이트(PC), 폴리에틸렌나프탈레이트(PEN) 및 폴리에테프술폰(PES) 등으로부터 선택된 하나 이상을 포함하는 수지로부터 제조된 필름을 사용할 수 있다. 기판은, 바람직하게는 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET) 필름으로부터 선택될 수 있다.

위와 같은 기판 상에 언더 코팅층을 형성하기에 앞서, 기판과 언더 코팅층의 부착력 향상을 위해 기판을 표면 처리한다. 표면 처리는 통상과 같은 방법으로 진행될 수 있다.

이때, 상기 표면 처리는, 바람직하게는 기판의 표면을 식각하여 미세 요철을 형성시키는 표면 개질 공정을 포함하면 좋다. 또한, 상기 표면 처리는 표면 개질 공정(미세 요철 형성)에 앞서 진행되는 것으로서, 세척 공정 등의 전처리 공정을 더 포함할 수 있다. 상기 세척 공정에서는 예를 들어 초음파 등이 이용될 수 있다.

상기 표면 개질(미세 요철 형성)은, 여러 가지 방법이 고려될 수 있으나, 바람직하게는 플라즈마 처리 공정을 포함하면 좋다. 이때, 플라즈마 처리는 통상과 같이 진공 챔버 내에서, 즉 진공 상태에서 진행할 수 있으나, 바람직하게는 대기압 하에서 진행하는 것이 좋다.

도 1은 본 발명에 따라 기판의 표면 처리 시에 사용될 수 있는 대기압 플라즈마 처리 장치의 구성도를 예시한 것이다. 도 1에 예시한 바와 같이, 대기압 플라즈마 처리 장치는 플라즈마를 발생시키는 플라즈마 소스(Plasma Source)와, 기판을 이송시키는 롤링 시스템(Rolling System)을 포함할 수 있다. 이때, 상기 롤링 시스템(Rolling System)은 플라즈마 소스(Plasma Source)의 하단에 설치된 2개의 이송 롤러(Roller)를 포함하여 기판을 연속적으로 이송시킨다. 그리고 플라즈마 소스는 대기압 하에서 플라즈마를 발생시켜 기판의 표면을 처리(미세 요철 형성)한다.

상기 대기압 플라즈마를 통한 표면 처리는, 예를 들어 아르곤(Ar), 질소(N₂) 및 산소(O₂) 등으로부터 선택된 하나 이상의 플라즈마 가스를 이용할 수 있다. 플라즈마 가스는, 바람직하게는 산소(O₂)를 포함하면 좋다.

플라즈마를 통한 표면 처리를 실시함에 있어서, 진공상태에서 처리하지 않고 위와 같이 대기압에서 처리하는 경우 장치 설비가 간단하고 공정 수를 줄일 수 있다. 그리고 도 1에 예시한 바와 같은 장치를 이용하는 경우, 즉 이송 롤러를 통해 기판을 연속적으로 이송시키면서 처리하는 경우, 공정시간이 줄어들고 대량 처리가 가능한 장점이 있다.

본 발명의 바람직한 구현예에 따라서, 상기와 같이 대기압에서 플라즈마 처리하는 경우, 250 ~ 550W의 전력으로 플라즈마 처리하는 것이 바람직하다. 즉, 플라즈마 소스에 250 ~ 550W의 전력을 인가하여 플라즈마를 발생시키는 것이 바람직하다. 이와 같이, 250 ~ 550W의 전력으로 플라즈마 처리하는 경우, 기판의 접촉각이 적절히 형성되어 언더 코팅층과의 부착력이 양호하게 개선된다.

구체적으로, 대기압 플라즈마 처리 시, 인가 전력이 250W 미만인 경우(조도 거칠기)가 양호하지 못하여 부착력을 개선하기 어렵다. 즉, 본 발명에 따르면, 250W 이상의 전력이 인가되는 경우 기판의 거칠기가 양호하고, 원뿔(conical) 형태의 접촉각이 형성되어 언더 코팅층과의 부착력이 우수해짐을 알 수 있었다. 또한, 인가 전력이 550W를 초과하는 경우 기판에 손상을 줄 수 있으며, 과잉 인가 전력에 따른 상승효과(조도)가 그다지 크지 않고, 에너지 면에서 바람직하지 않음을 알 수 있었다.

따라서 본 발명에 따르면, 플라즈마를 통한 표면 처리를 실시하되, 대기압 상태에서 처리하는 것이 공정 효율 면에서 바람직하고, 이 경우에는 250 ~ 550W의 전력을 인가하여 처리하는 것이 거칠기가 양호하게 형성되어 언더 코팅층과의 부착력 개선에 바람직함을 알 수 있었다.

(2) 언더 코팅층( under coating layer )의 형성

상기와 같이 표면 처리된 기판 상에 언더 코팅층(under coating layer)을 형성한다. 본 발명에서 언더 코팅층은 IGZO 투명전극의 광투과율을 개선시킬 수 있는 것이면 제한되지 않는다. 상기 언더 코팅층은 금속산화물로부터 선택된다.

상기 언더 코팅층은, 바람직하게는 산화규소(SiO₂), 산화니오븀(Nb₂O₅), 산화알루미늄(Al₂O₃), 산화세슘(CeO₂), 산화지르코늄(ZrO₂) 및 산화티타늄(TiO₂) 등으로부터 선택된 하나 이상의 금속산화물을 포함할 수 있다. 언더 코팅층은, 보다 바람직하게는 상기 나열된 것들 중에서 산화규소(SiO₂) 및 산화니오븀(Nb₂O₅) 중에서 선택된 하나 이상을 포함하는 것이 좋다. 구체적으로, 언더 코팅층은 산화규소(SiO₂) 단독, 산화니오븀(Nb₂O₅) 단독, 상기 두 물질의 혼합, 또는 산화규소(SiO₂)나 산화니오브(Nb₂O₅)에 상기 나열된 다른 금속산화물로부터 선택된 하나 이상(예, Al₂O₃ 등)의 혼합으로 구성될 수 있다. 상기 산화규소(SiO₂)와 산화니오븀(Nb₂O₅)은 굴절율을 감소시켜 광투과율을 효과적으로 향상시킬 수 있어 본 발명에 유용하다. 언더 코팅층은, 가장 바람직하게는 산화규소(SiO₂)를 포함하면 좋다.

상기 언더 코팅층의 형성 방법은 제한되지 않는다. 언더 코팅층은 진공 증착방법으로서, 예를 들어 DC 스퍼터링(DC sputtering), RF 스퍼터링(RF sputtering), 마그네트론 스퍼터링(Magnetron sputtering), 반응 스퍼터링(Reactive sputtering) 및 전자-빔 증착(E-beam evaporation) 등의 방법으로 형성할 수 있다.

이때, 본 발명에 따라서, 상기 언더 코팅층은 75㎚ ~ 95㎚의 두께로 형성한다. 본 발명에 따르면, 언더 코팅층을 위와 같은 두께 범위로 형성한 경우, 우수한 광투과율을 갖는다. 즉, 언더 코팅층의 두께가 75㎚ 미만인 경우, 코팅 전보다 광투과율의 증가를 보이기는 하나 양호하지 않다. 그리고 95㎚ 초과하는 경우 광투과율이 오히려 감소되며, 두께 증가에 따른 재료비 사용으로 경제적으로 바람직하지 않다.

위와 같이, 언더 코팅층이 상기의 두께 범위(75㎚ ~ 95㎚)를 가지는 경우, 코팅된 기판은 사람의 눈에 가장 민감한 파장 범위(대략 540 ~ 560㎚)에서 90% 이상의 우수한 광투과율을 갖는다. 또한, 상기 언더 코팅층 상에 IGZO 박막이 형성된 후, 즉 기판/언더 코팅층/IGZO 박막의 층 구조를 가지는 IGZO 투명전극은 80% 이상의 높은 광투과율을 갖는다. 아울러, 본 발명에 따르면, 언더 코팅층이 상기의 두께 범위(75㎚ ~ 95㎚)를 가지는 경우, 표면 조도가 양호하여 IGZO 박막과의 부착력이 개선될 수 있다.

(3) IGZO 박막 형성

상기와 같이 적정 두께의 언더 코팅층을 형성한 다음에는 상기 언더 코팅층 상에 IGZO 박막을 형성(증착)한다. 상기 IGZO 박막은 스퍼터링 방법으로 형성한다. 즉, 통상과 같은 스퍼터링 장치에서, 스퍼터 건(sputter gun)에 타겟(target)을 장착하여 언더 코팅층 상에 스퍼터링한다. 상기 타겟은 1개 또는 복수 개이어도 좋다.

이때, 본 발명에 따라서, 상기 IGZO 박막의 스퍼터링 시, 135W ~ 155W의 전력으로 스퍼터링한다. 구체적으로, 스퍼터링 장치의 DC 파워(power)를 135W ~ 155W의 인가 전력으로 하여 스퍼터링한다. 이와 같이, IGZO 박막을 135W ~ 155W의 인가 전력으로 스퍼터링하여 형성(증착)하는 경우, 광투과율이 높으면서 저항 특성 및 캐리어 농도 등의 전기적 특성이 우수하다. 이때, DC 파워가 135W 미만이면, 광투과율 및 전기적 특성의 개선도가 미미하다. 그리고 155W를 초과하면, 전기적 특성의 경우 오히려 저하된다.

즉, 본 발명에 따르면, IGZO 박막의 스퍼터링 시, 여러 가지 공정 변수를 고려하여 수행해본 결과, 특히 DC 파워를 135W ~ 155W의 조건에서 스퍼터링한 경우, 높은 광투과율을 가짐은 물론, 우수한 전기적 특성을 가짐을 알 수 있었다. 보다 구체적으로, 언더 코팅층을 상기의 두께 범위(75㎚ ~ 95㎚)로 형성한 후, 그 위에 IGZO 박막을 상기의 DC 파워 범위(135W ~ 155W)로 스퍼터링한 결과, 광투과율의 경우 80% 이상, 비저항의 경우 1.0 x 10^-2 Ω㎝ 이하의 우수한 전기적 특성을 가짐을 알 수 있었다.

또한, 상기 IGZO 박막의 증착에 사용되는 타겟은 금속 원소로서 인듐(In), 갈륨(Ga) 및 아연(Zn)을 포함하는 IGZO 타겟을 사용하되, In(인듐), Ga(갈륨) 및 Zn(아연)의 조성비(원자 몰분율)가 1 : 0.8 ~ 1.2 : 0.8 ~ 4.0인 것을 사용하는 것이 좋다. 즉, 상기 IGZO 타겟은 In_xGa_yZn_zO의 조성식으로 표시될 수 있는데, 이때 상기 x = 1일 때, 0.8 ≤ y ≤ 1.2 및 0.8 ≤ z ≤ 4.0인 것을 사용하는 것이 좋다.

본 발명에 따르면, 상기 IGZO 타겟이 상기 범위의 조성비를 가지는 경우 다른 조성비에 비해 전기적 특성이 개선된다. 특히, 본 발명에 따르면, IGZO 박막은 인듐(In)에 대한 아연(Zn)의 조성비에 따라 전기적 특성이 달라짐을 알 수 있었는데, 이때 인듐(In)에 대해 아연(Zn)이 0.8 ~ 4.0의 조성비를 가지는 경우(즉, 상기 조성식에서 0.8 ≤ z ≤ 4.0인 경우), 바람직하게는 1.0 ~ 3.0(1.0 ≤ z ≤ 3.0)의 조성비를 가지는 경우 우수한 전기적 특성을 가짐을 알 수 있었다.

또한, 상기 IGZO 박막의 스퍼터링 시, 스퍼터링 장치 내에 주입되는 주입가스(Inlet gas)의 분압 비율, 즉 진공 챔버 내에 주입되는 플라스마 가스(불활성 가스)와 반응성 가스(산소)의 유량비(flow rate)를 300 ~ 1000 : 1로 주입하여 스퍼터링하는 것이 좋다. 즉, 상기 IGZO 타겟의 스퍼터링 시, 불활성 가스와 산소를 300 ~ 1000 : 1의 유량비(불활성 가스 : 산소 = 300 ~ 1000 : 1)로 진공 챔버 내에 주입하여 스퍼터링하는 것이 바람직하다. 보다 구체적으로, 진공 챔버 내에 산소를 1sccm(㎤/min)의 유량으로 주입하는 경우, 불활성 가스는 300 ~ 1000sccm으로 주입하는 것이 바람직하다. 이때, 불활성 가스는 통상과 같은 것이 사용될 수 있으며, 바람직하게는 아르곤(Ar) 등으로부터 선택될 수 있다.

본 발명에 따르면, IGZO 박막의 스퍼터링 시, 불활성 가스와 산소를 상기와 같은 유량비(300 ~ 1000 : 1)로 주입하는 경우, 전기적 특성이 보다 개선된다. 이와 함께, IGZO 박막의 증착 속도와 표면 조도가 개선된다.

ITO 등의 산화물 박막의 스퍼터링 시, 일반적으로 불활성 가스(Ar)와 산소(O₂)를 대략 200 : 1, 많게는 50 : 1로서 산소 주입량이 많다. 이때, 본 발명에 따르면, IGZO 박막의 경우 산소의 주입량을 낮게, 즉 상기와 같이 300 ~ 1000 : 1(Ar : O₂)의 유량비로 종래보다 산소의 주입량을 낮게 하는 경우 저항 및 캐리어 농도 등의 전기적 특성이 개선되고, 이와 함께 증착 속도 및 표면 조도가 보다 양호해짐을 알 수 있었다.

보다 구체적으로, 산소에 대한 불활성 가스의 유량비를 300 이상으로 주입하여 스퍼터링한 결과, 낮은 저항과 높은 캐리어 농도를 가졌다. 그리고 산소에 대한 불활성 가스의 유량비가 1000을 초과한 경우에는 과잉 불활성 가스 주입에 따른 저항 및 캐리어 농도의 개선 효과가 미미하였으며, 이 경우에는 전하 이동도가 낮아져 바람직하지 않음을 알 수 있었다.

따라서 저항, 캐리어 농도 및 전하 이동도 등의 전기적 특성을 고려하여, 상기 IGZO 박막의 스퍼터링 시, 불활성 가스와 산소를 300 ~ 1000 : 1의 유량비로 주입하는 것이 바람직하다. 보다 바람직하게는 500 ~ 1000 : 1의 유량비로 주입하는 것이 좋다. 불활성 가스의 유량비 500 이상에서 저항이 감소됨은 물론, 특히 캐리어 농도가 개선된다.

(4) 하드 코팅층( hard coating layer )의 형성

한편, 본 발명에 따른 IGZO 투명전극의 제조방법은, 상기 제3단계, 즉 IGZO 박막을 형성하는 단계 이후에 진행되는 것으로서, 하드 코팅층(hard coating layer)을 형성하는 단계를 더 포함할 수 있다.

이때, 상기 하드 코팅층은 IGZO 박막을 보호하거나, 광투과율 및 전기적 특성 등을 개선시킬 수 있으면 좋다. 이러한 하드 코팅층은, 상기 언더 코팅층과 동일하게 구성될 수 있다. 구체적으로, 상기 하드 코팅층은 상기한 바와 같은 산화규소(SiO₂) 및 산화니오븀(Nb₂O₅) 등의 금속산화물이 IGZO 박막 상에 증착되어 형성될 수 있다.

도 2는 이상에서 설명한 본 발명의 제조방법에 따라 제조된 IGZO 투명전극의 단면 구성도를 예시한 것이다. 도 2를 참조하면, 본 발명에 따라 제조된 IGZO 투명전극은 상기한 바와 같이 제조되어 플라스틱 기판(10); 상기 플라스틱 기판(10) 상에 형성된 언더 코팅층(20); 및 상기 언더 코팅층(20) 상에 형성된 IGZO 박막(30)을 포함한다. 그리고 선택적으로 상기 IGZO 박막(30) 상에 형성된 하드 코팅층(40)을 더 포함할 수 있다.

본 발명의 제조방법에 따라 제조된 IGZO 투명전극은 특별히 한정하는 것은 아니지만, 예를 들어 광학, 전자소자의 투명전극이나 터치 패널 등으로 유용하게 사용될 수 있다. 예를 들어, 액정 디스플레이(LCD : Liquid Crystal Display), 플라즈마 디스플레이(PDP : Plasma Display Panel), 전계 방사형 디스플레이(FED : Field Emission Display), 발광 디스플레이(LED Display : Light Emitting Device Display) 등과 같은 평판 디스플레이(FPD : Flat Panel Display) 분야에서 사용될 수 있다. 또한, 모바일 시스템, 플렉시블 유기발광소자 및 플렉시블 유기물 태양전지 등에 사용될 수 있으나, 그 적용 분야는 제한되지 않는다.

이상에 설명한 본 발명에 따르면, 플라스틱 기판과 IGZO 박막의 사이에 언더 코팅층을 형성하되, 상기 언더 코팅층의 두께와 IGZO 박막의 스퍼터링 공정 조건(DC 파워)이 최적화되어, 우수한 전기적 특성과 높은 광투과율을 가지는 IGZO 투명전극이 제조된다. 구체적으로, 전술한 바와 같이 1.0 x 10^-2 Ω㎝ 이하의 우수한 저항 특성과, 80% 이상의 높은 광투과율을 가지는 IGZO 투명전극이 제조된다.

이하, 본 발명의 실시예를 예시한다. 하기에 예시된 실시예는, 본 발명을 도출하기 위한 많은 실험예 중에서 본 발명의 이해를 돕도록 하기 위한 일부의 실험예로서, 이는 단지 예시적인 것이며, 이에 의해 본 발명의 기술적 범위가 한정되는 것은 아니다. 하기의 실시예는 기판으로서 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET) 필름을 사용하고, 언더 코팅층으로서 SiO₂를 증착하여 실시한 것을 예시하였다.

[실시예]

1. PET 표면 처리

박막 제조 공정에서 기판과 박막의 부착력은 박막의 내구성을 결정짓는 매우 중요한 요소이다. 기판과 박막 사이에 부착력이 약하여 계면 분리가 일어나면 제품의 신뢰성에 큰 영향을 미친다. 이에, 부착력을 향상시키고자 다음과 같이 PET(폴리에틸렌테레프탈레이트) 필름을 표면 처리하였다.

먼저, 25㎛두께의 PET 필름을 증류수로 초음파 세척한 다음, 105℃의 열풍 건조기에서 1시간 동안 건조시켰다. 그리고 실리카 겔(silica gel)이 들어 있는 데시케이터(desiccator)에서 24시간 동안 보관하였다.

다음으로, O₂를 플라즈마 처리 가스로 하여 대기압 하에서 PET의 표면을 개질시켰다. 이때, 플라즈마 발생 장치의 작동 압력(Working pressure)은 5 x 10^-3 Torr로 하되, 플라즈마 발생 장치의 ICP power 인가 전력을 300W, 400W 및 500W로 달리 실시하였다. 플라즈마 처리 전과 인가 전력에 따른 접촉각 변화를 측정하였다.

첨부된 도 3은 인가 전력에 따른 접촉각 변화를 보인 것이다. 도 3에 보인 바와 같이, 플라즈마 처리 전(Pristine PET)의 경우, 표면 접촉각이 약 74^o로 측정되었다. 그리고 인가 전력을 증가할수록 접촉각은 점점 감소하여 표면 거칠기 증가함을 알 수 있었다.

첨부된 도 4는 플라즈마 처리 전과 처리 후의 표면 모폴로지(surface morphology)를 보인 것이다. 도 4에 보인 바와 같이, 플라즈마 처리 전에는 평탄한 표면을 가지나, 대기압에서 500W의 인가 전력으로 플라즈마 처리된 경우 conical 형태로 조도가 개선되었음을 알 수 있었다.

2. 언더 코팅층(SiO₂) 형성

상기와 같이 표면 처리된 PET 필름 상에 IGZO 박막을 증착하기에 앞서 광투과율을 위한 언더 코팅층을 증착하였다. 언더 코팅층을 위한 물질로는 SiO₂를 사용하였다. SiO₂(타겟)는 크기 2~3 mm, 순도 99.99%의 과립상 SiO₂를 선택하였으며, 전자-빔(E-beam) 증착기를 이용하여, PET 필름을 상온으로 유지하고 0.5Å/s의 증착속도로 증착하였다. 이때, SiO₂층의 두께를 70㎚, 80㎚, 90㎚, 100㎚ 및 110㎚으로 시편마다 달리하여 증착하였다.

위와 같이, SiO₂층이 형성된 PET 필름(SiO₂/PET)에 대하여 광투과율을 평가하고 그 결과를 하기 [표 1]에 나타내었다.

< SiO₂층 두께에 따른 광투과율 평가 결과 >

SiO₂층 두께	Bare PET	70㎚	80㎚	90㎚	100㎚	110㎚
광투과율(%) [550㎚ 파장]	82.12	88.97	91.27	90.98	88.31	86.34
평균 광투과율(%) [380 ~ 770㎚ 파장의 평균]	86.91	90.75	92.56	93.30	92.10	91.40

상기 [표 1]에서, 'Bare PET'는 SiO₂을 증착하지 않은 PET 필름 시편이다. 상기 [표 1]에 나타난 바와 같이, SiO₂를 증착한 경우 광투과율이 증가하며, SiO₂층의 두께에 따라 광투과율을 달라짐을 알 수 있었다.

이때, 상기 [표 1]에 나타난 바와 같이, 75㎚ ~ 95㎚의 사이, 즉 80㎚와 90㎚의 두께를 가지는 경우, 사람의 눈에 가장 민감한 550㎚ 파장대에서 90% 이상의 높은 광투과율을 가짐을 알 수 있었다. 또한, 380 ~ 770㎚ 파장 범위에서 92% 이상의 평균 광투과율을 가졌다. 특히, 80㎚의 두께에서 가장 양호한 결과를 가졌다. 그리고 두께를 더 증가시킨 경우, 즉 100㎚과 110㎚의 두께에서는 광투과율이 오히려 감소함을 알 수 있었다.

따라서 SiO₂의 두께가 증가할수록 광투과율도 비례하여 증가하는 것은 아니며, 적절한 두께(75㎚ ~ 95㎚의 사이)를 가지는 경우에 높은 광투과율을 가짐을 알 수 있었다.

첨부된 도 5는 SiO₂층의 두께에 따른 표면 조도를 보인 이미지이다. 도 5에 보인 바와 같이, 80㎚와 90㎚의 두께에서 표면 조도가 양호하게 평가되었으며, 100㎚과 110㎚의 경우에는 표면 조도가 다소 낮아짐을 알 수 있었다. 따라서 80㎚와 90㎚의 두께에서는 표면 조도도 양호하여 IGZO 박막과의 부착력도 향상될 수 있음을 알 수 있었다.

3. IGZO 박막 증착

두께 80㎚의 SiO₂층 상에 IGZO 박막을 스퍼터링하여, IGZO/SiO₂(80㎚)/PET의 층 구조를 가지는 투명전극 시편을 제조하였다. 이때, DC 스퍼터링 장치를 이용하여, 하기 [표 2]에 보인 조건으로 스퍼터링하되, 각 시편마다 DC 파워(power)를 달리하였다.

< 스퍼터링 장치의 IGZO 박막 증착 조건 >

항 목 (Parameter)	조 건 (Condition)
IGZO 타겟	In : Ga : Zn = 1 : 1 : 2
초기 압력 (Base pressure)	5.0 X 10^-6 Torr
작동 압력 (Working pressure)	10 mTorr
주입가스 (Inlet gas)	Ar
증착 시간 (sputtering time)	30분
DC 파워 (DC power)	50W부터 증가시킴

상기 DC 파워에 따른 각 투명전극 시편에 대하여 두께(㎚), 저항 및 캐리어 농도를 측정하고, 그 결과를 첨부된 도 6 내지 도 8에 나타내었다. 이때, 도 6 내지 8에는 DC 파워 110W, 120W, 130W, 140W 및 150W에 대한 결과를 나타내었다.

도 6은 증착된 IGZO 박막의 두께 측정 결과를 보인 그래프이고, 도 7은 IGZO 투명전극(IGZO/SiO₂(80㎚)/PET)의 비저항 측정 결과를 보인 그래프이다. 그리고 도 8은 IGZO 투명전극(IGZO/SiO₂(80㎚)/PET)의 캐리어 농도 측정 결과를 보인 그래프이다.

먼저, 도 6에 나타난 바와 같이, DC 파워가 증가할수록 IGZO 박막의 두께는 증가하였으며, 150W에서는 감소 경향을 보였다.

또한, 도 7에 나타난 바와 같이, DC 파워가 증가할수록 비저항은 감소하다가 140W에서 대폭 감소하였으며, 150W에서는 140W보다 약간 증가하였다. 그리고 135 ~ 155W의 사이, 즉 140W와 150W에서 1.0 x 10^-2 Ω㎝ 이하로서 우수한 비저항 특성을 가짐을 알 수 있다.

아울러, 도 8에 나타난 바와 같이, DC 파워가 증가할수록 캐리어 농도는 조금씩 증가하다가 140W에서 대폭 증가하였으며, 150W에서는 140W보다 감소되는 경향을 보였다. 그리고 캐리어 농도의 경우에도 135 ~ 155W의 사이, 즉 140W와 150W에서 가장 우수한 결과를 가졌다.

첨부된 도 9는 상기 각 DC 파워에 따른 IGZO 투명전극(IGZO/SiO₂(80㎚)/PET)의 광투과율 평가 결과를 보인 그래프이다. 도 9에 나타낸 바와 같이, 광투과율의 경우에도 DC 파워 135 ~ 155W의 사이, 즉 140W와 150W에서 양호한 결과를 가졌으며, 80% 이상의 광투과율을 구현함을 알 수 있다.

한편, 하기 [표 3]은 주입가스 유량비에 따른 IGZO 투명전극의 비저항 평가 결과를 나타낸 것이다. 이때, 상기와 동일하게 실시하되, IGZO 박막의 스퍼터링 시, DC 파워를 140W로 하고, 스퍼터링 장치의 챔버 내에 Ar과 O₂를 주입하되, 이들의 유량비를 하기 [표 3]에 보인 바와 같이 각 시편마다 달리하여, IGZO(140W)/SiO₂(80㎚)/PET의 층 구조를 가지는 투명전극 시편들을 제조하였다.

< Ar과 O₂의 유량비에 따른 비저항 평가 결과 >

Ar : O₂의 유량비	100 : 1	200 : 1	300 : 1	500 : 1	1000 : 1
비저항 (Ω㎝)	0.91 x 10^-2	0.89 x 10^-2	0.47 x 10^-2	0.38 x 10^-2	0.36 x 10^-2

상기 [표 3]에 보인 바와 같이, Ar과 O₂의 유량비가 300 : 1 이상에서, 즉 O₂에 대한 Ar의 유량비 300 이상에서 저항이 대폭 감소하면서 양호한 값을 보임을 있었다. 그리고 500 : 1 이상에서 보다 양호한 저항 특성을 가짐을 알 수 있다.

이상의 실시예를 통해 확인되는 바와 같이, 플라스틱 기판(PET 필름)과 IGZO 박막의 사이에 언더 코팅층(SiO₂)을 형성하되, 상기 언더 코팅층(SiO₂)의 두께와 IGZO 박막의 스퍼터링 공정 조건(DC 파워, 주입가스 유량비)이 최적화된 경우, 우수한 전기적 특성과 함께 높은 광투과율을 가짐을 알 수 있다.

10 : 플라스틱 기판 20 : 언더 코팅층
30 : IGZO 박막 40 : 하드 코팅층

Claims

플라스틱 기판을 표면 처리하는 제1단계;
상기 플라스틱 기판 상에 언더 코팅층을 형성하는 제2단계; 및
상기 언더 코팅층 상에 IGZO 박막을 형성하는 제3단계를 포함하되,
상기 제2단계는 언더 코팅층을 75㎚ ~ 95㎚의 두께로 형성하고,
상기 제3단계는 IGZO 박막을 언더 코팅층 상에 스퍼터링하여 형성하되, 스퍼터링 장치의 DC 파워 135W ~ 155W의 전력으로 IGZO 박막을 형성하며,
상기 제2단계는 산화규소(SiO₂), 산화니오븀(Nb₂O₅), 산화알루미늄(Al₂O₃), 산화세슘(CeO₂), 산화지르코늄(ZrO₂) 및 산화티타늄(TiO₂)으로부터 선택된 하나 이상의 금속산화물을 포함하는 언더 코팅층을 형성하는 것을 특징으로 하는 IGZO 투명전극의 제조방법.
제1항에 있어서,
상기 제1단계는 플라즈마 처리 공정을 포함하고, 상기 플라즈마 처리 공정은 대기압에서 250 ~ 550W의 전력으로 플라즈마 처리하는 것을 특징으로 하는 IGZO 투명전극의 제조방법.
제1항에 있어서,
상기 제3단계는, In, Ga 및 Zn의 조성비가 1 : 0.8 ~ 1.2 : 0.8 ~ 4.0인 IGZO 타겟을 스퍼터링하여 IGZO 박막을 형성하는 것을 특징으로 하는 IGZO 투명전극의 제조방법.
제1항 내지 제3항 중 어느 하나의 항에 있어서,
상기 제3단계는 진공 챔버 내에 불활성 가스와 산소를 300 ~ 1000 : 1의 유량비로 주입하여 스퍼터링하는 것을 특징으로 하는 IGZO 투명전극의 제조방법.