flexible display용 인쇄 backplane tft 개발 동향 및 전망 display용... · 2012-06-14 ·...

기술특집

2 ❙ 인포메이션 디스플레이

Ⅰ. 서 론

최근 다양한 모바일 기기의 폭발 인 인기로 인해서

가볍고, 떨어뜨려도 쉽게 부서지지 않으며, 구부리거나

말아서 휴 가 가능한 Flexible display에 한 연구 개발

이 활발히 진행되고 있다. 실제로 련 기업에서는 향후

5년 ~ 10년 이내에 모바일 기기에 용될 Flexible display

패 의 상용화가 가능할 것으로 측하고 있다. Flexible

display는 통상 유연한 라스틱이나, metal foil 등의 기

에 제조된 디스 이를 칭하며 디스 이의 표시

부(Front panel)의 구동방식에 따라서 Flexible OLED,

LCD, E-paper 디스 이로 구별될 수 있다. 이러한 다양

한 표시부를 지닌 능동 구동 방식의 Flexible display를 제

조하기 해서는 표시부를 구동하는 Flexible한 backplane

TFT가 반드시 필요하다. Flexible display용 backplane

TFT는 제작 공정에서 따라 크게 기존의 진공공정을 기반

으로 제작된 TFT와 새로운 형태의 제조공정인 용액공정

을 기반으로 제작된 인쇄 TFT로 나뉠 수 있다. 이 진공

공정을 기반으로 하는 TFT는 실리콘이나 산화물을 기반

으로 하는 TFT가 가장 활발하게 연구되고 있다. 이러한

TFT는 비교 높은 안정성과 공정성 면 화가 용이

한 장 을 지니고 있으나, 공정비용이 비싸고 유연한 기

을 rigid 한 기 에 부착해서 공정하고 다시 탈착해야

하는 등의 단 을 지니고 있다. 반면 기능성 잉크 용액의

인쇄를 기반으로 하는 연속 인쇄공정(R2R printing process)

은 당장의 상용화 가능성은 진공공정에 비해서는 낮으나

기 의 유연성이라는 특성과 가장 잘 어울리는 backplane

TFT 제조 공정이라고 할 수 있다. 한 인쇄공정을 기반

으로 하는 Flexible display 제조공정은 기존 진공기반의

디스 이 제조공정에 비해서 공정비용을 획기 으로

낮출 수 있을 것으로 기 된다. 본 기고에서는 Flexible

디스 이에 용되기 해 재 연구 개발되는 backplane

TFT 기술 인쇄공정으로 제작된 backplane TFT에 한정

하여 이에 한 연구 개발동향 망에 해서 살펴보

고자 한다.

[표 1]에서는 재 Flexible display의 backplane TFT로

연구 개발되고 있는 표 인 4가지 TFT에 해서 비교

를 해 두었다. [표 1]에서 언 된 4가지 TFT 재 기술

수 으로 속 산화물 TFT와 유기 박막 트랜지스터

(OTFT)가 용액공정을 기반으로 하는 인쇄공정으로 제조

가 가능하다. OTFT는 우선 인쇄공정을 통한 제조에 10년

이상의 비교 오랜 연구 역사를 지니고 있으며 가장 낮

은 공정 온도 (<150℃) 에서 소자의 제작이 가능하여 유

연한 라스틱기 에 공정하는데 가장 합한 소자라

고 할 수 있다. 한 반도체 잉크의 안정성이나 인쇄 공정

성 한 다른 소재에 비해 우수하다고 할 수 있다. 반면

OTFT에 활성층으로 사용되는 유기반도체는 다른 반도체

소재에 비해서 상 으로 낮은 이동도 (0.1 ~ 10 cm2/Vs)

를 보여주고 있어서 이에 한 지속 인 연구가 필요하

다. 속산화물 TFT는 앞서 설명한 OTFT에 비해서 높은

이동도를 보고하고 있으나 비교 공정온도가 높아서

(>350℃) 유연한 라스틱기 의 공정에는 어려움을

노용영, 한 현, 배광태, 조아라, 이혜미 (한밭대학교 화학공학과)

Flexible display용 인쇄 backplane TFT 개발 동향 및 전망

Flexible display용 인쇄 backplane TFT 개발 동향 및 전망❙

2010년 제11권 제6호 ❙ 3

TFT종류 a-Si TFT poly-Si TFT Oxide TFT OTFT

반도체무정형실리콘

다결정실리콘

금속산화물

유기반도체

uniformity Good Poor Fair Fair

mobility 1 100 10 ~ 50 0.1 ~ 10

stability △Vth<20V

△Vth<0.5V

△Vth<5V

△Vth<5V

TFT Type PMOS CMOS NMOS CMOS

용액공정성

X X △ O

Merits낮은가격대면적화

높은이동도

높은이동도

용액공정용이

Weakness낮은

이동도

높은 가격,높은 공정온도,

불균일성

높은 가격, 높은

공정온도낮은 이동도

[표 1] Flexible display에 사용가능한 TFT의 비교

지니고 있다. 최근에 캠 리지 캐빈디쉬 연구소의 H.

Sirringhaus 교수 이나 노스웨스턴 의 Tobin Marks &

Antonio Facchetti 교수 이 각각 250℃정도의 비교 낮

은 온도에서 공정되면서 10 cm2/Vs 정도의 높은 이동도

를 보여주는 새로운 속 산화물 TFT를 보고 하여 이러

한 재료의 가능성을 높여주고 있다.[1,2] 본론에서는 우선

backplane TFT 제작공정에 사용되는 다양한 인쇄기술에

해서 간략히 소개를 하고, 이어서 인쇄기술로 제작된

backplane TFT의 연구개발동향에 해서 OTFT와 metal

oxide TFT를 주로 소개하고자 한다.

Ⅱ. 인쇄기술을 통한 TFT 제작 공정 소개

Flexible display의 backplane TFT을 인쇄 공정으로 제

조하기 한 세부공정은 크게 (1) source/drain 극의 형

성, (2) 반도체 박막의 도포, (3) 연체 박막의 도포, (4)

게이트 극 (5) 속 배선의 형성 공정으로 나뉠 수

있다. 의 각각의 세부공정들의 요구사항은 다양하여 이

들에 합한 인쇄공정은 각자 다를 수 있다. 가령

source/drain 극 형성공정의 경우 통상 5 um 정도의 채

길이를 구 가능한 인쇄공정이 용되어야 한다. 따라

서 이를 가능하게 하기 해서 비교 고정세의 인쇄공정

이 개발 용되어야 한다. 아래에서는 Flexible display의

backplane TFT 제조에 용될 수 있는 다양한 인쇄공정

에 해서 간략히 소개한다.

1. Source/drain 전극 형성공정 및 전도성 잉크소재

재 TFT-LCD에 사용되는 source/drain 극의 간격은

6 ~ 8 um 수 인 것으로 알려져 있다. 이러한 미세한 간

격을 지닌 도성 극을 인쇄공정으로 형성하는 것 쉬운

일이 아니다. 재까지 몇 가지 선택 인 인쇄방법만이

이러한 미세한 선폭을 지닌 도성 패턴을 형성이 가능하

다. 아래에서는 이러한 미세한 인쇄방법에 해서 자세히

소개하고자 한다.

(1) Gravure offset & reverse gravure offset

그라비아 인쇄는 주로 photolithograph 방식으로 제작

된 오목 (그라비아 인쇄) 혹은 조각식으로 만든 오목

에 잉크를 채우고 이를 원하는 기 에 이하여 인쇄하는

방식을 말한다. 그라비아 은 동 도 된 실린더에 재

하고, 경질 크롬도 가공한 것이 부분인데 오목 의

깊이는 2 ~ 40 um 정도가 일반 이다.

그라비아 인쇄는 폭 넓은 피인쇄체에 용될 수 있고

비교 방법이 쉽고 공정 속도가 매우 빨라서 다양한 인

쇄물의 인쇄에 리 사용되고 있다. 그라비아 인쇄는

자소자 제작 공정에 용하기에는 인쇄해상도가 낮고 인

쇄되는 패턴의 두께가 두꺼운 단 을 지니고 있다. 최근

에는 그라비아 인쇄법을 이용하되 보다 높은 해상도를 지

닌 인쇄를 가능하게 하는 다양한 응용된 그라비아 인쇄방

법이 개발 용되고 있다. 그 표 이 방법들이

gravure offset 인쇄법과 reverse gravure offset 인쇄법이

다. gravure offset 인쇄법은 오목 인쇄방식인 그라비아 인

쇄법과 blanket roll을 사용하여 인쇄하는 offset 방식을 결

합한 인쇄방식이다[그림 1]. Gravure offset 인쇄법은

gravure 인쇄법이 가진 낮은 해상도의 단 을 보완하고자

하여 고안된 방식이다. 보통 그라비아 인쇄법에서 그라비

아의 음각롤의 홈에 채워진 잉크가 피인쇄체에 부 이

되지 않고 남는 경우가 종종 생기게 된다. 이는 속 그라

비아 롤과 잉크사이의 착이 기 과 잉크사이의 착력

보다 우수하여 생기는 상, 그리고 잉크의 용매가 인쇄

에 증발하여 음각 롤 표면에서 오목한 메니스커스가 형

성되면서 나타나는 상 때문이기도 하다. 이러한 패턴의

불완 한 이는 연속, 고속인쇄공정에서 패턴 모양이나

❙기술특집❙


[그림 1] 그라비아 옵셋 인쇄법의 개념

[그림 2] 리버스 그라비아 오프셋의 개념도 해상도의 변형을 유발하게 된다. 이러한 상을 방지하기

해 그라비아 롤과 피인쇄체 기 사이에 패턴을 달해

수 있는 blanket roll를 삽입하여 인쇄의 품질을 향상시

키는 방식이 gravure offset 인쇄법이다. 따라서 그라비아

옵셋 인쇄법을 해서는 음각의 그라비아 롤, blanket roll,

피인쇄체 기 의 3가지 요소가 필요하며 그라비아 음각

에 채워진 잉크가 잉크의 흡착력이 우수한 Blanket roll에

이되고 다시 Blanket roll에서 피인쇄체 기 에 이되

는 방식으로 인쇄가 이루어지게 된다[그림 1]. Gravure

offset 인쇄법의 해상도 인쇄품질을 좌우하는 요한

요소가 바로 blanket roll이며 주로 PDMS 등 rubber like

한 고분자 소재를 패턴 이를 한 롤의 표면으로 사용

하여 제작된다.

Gravure offset 인쇄법은 기존 그라비아 인쇄법의 단

인 낮은 해상도의 단 을 보완한 방법으로써 수 um 두께

를 지닌 수십 um 해상도의 패턴을 비교 high throughput

으로 인쇄 할 수 있다. 하지만 인쇄공정을 Flexible 디스

이의 backplane TFT의 source/drain 제조에 용하기

해서는 보다 고해상도의 얇은 박막을 인쇄해야할 필요

가 생긴다. 가령 backplane TFT의 경우 source/drain 극

은 일반 으로 수 um 정도의 해상도가 필요하며 통상

인 두께는 수십 nm 정도이다. 이러한 패턴을 형성하기

해서는 gravure offset 인쇄법보다 보다 고해상도의 인쇄

방법이 필요하다. 따라서 최근에 새롭게 연구되고 있는

방법이 reverse gravure offset 인쇄법이다.

Reverse gravure offset 인쇄법은 gravure offset 인쇄법

과 유사하지만 이를 역으로(reverse) 이용하는 방식을 사

용한다는데 그 차이 있다. 우선 reverse gravure offset

인쇄법은 blanket roll에 slit die nozzle 등을 이용해서 얇

고 균일한 잉크 박막을 형성하고(보통의 두께는 인쇄를

원하는 패턴의 두께임) 이를 미리 photolithography 나

e-beam lithography등을 이용해서 제작된 패턴이 새겨진

cliche 기 에 이시킨다. 이때 cliche에 새겨진 패턴

은 실제 형성하고자 하는 패턴의 역모양을 가지고 있어서

본 인쇄법을 reverse gravure offset 이라고 부른다. 이 게

하여 실제 모양의 reverse한 패턴을 cliche를 통해서 제거

한 후에 blanket roll에 남아 있는 패턴을 실제 피인쇄체

기 에 이하여 원하는 패턴을 형성하게 된다. 이러

한 reverse gravure offset 인쇄법은 gravure 인쇄법으로는

비교 높은 수 um의 해상도를 지닌 패턴을 형성 할 수

있는 방법이다. 형성한 패턴의 두께는 비교 얇아서 일

반 으로 수십 nm에서 수백 nm 정도의 두께가 가능하다.

일본의 Toppan ink사와 Sony사는 이러한 reverse

gravure offset 방식을 통해서 Flexible e-paper용 backplane

TFT의 source/drain 극을 형성하는 공정에 가장 앞선

기술을 보고 하 다.[3] 2009년 발표된 자료에 의하면 그

들은 은나노 잉크를 사용하여 reverse gravure offset 방식

으로 8 um의 채 길이를 지닌 TFT를 640 x 480(VGA)

해상도로 구 하 다. [그림 3] 최근에는 국내의 LG디스

이사, 삼성 자사, ETRI등 여러 그룹에서도 동일한

방식으로 고해상도의 도성 잉크의 인쇄를 성공하 다.

LG디스 이사에서는 2009년 SID에서 보고한 결과에

따르면 앞서 소개한 reverse gravure offset법을 이용해서

backplane용 배선 트랜지스터용 source/drain 극을


2010년 제11권 제6호 ❙ 5

[그림 3] 일본의 Toppan ink사와 Sony사에서 보고한 reverse

gravure 인쇄방식을 적용해서 은나노 잉크로 형성한 flexible

display의 source/drain 전극(출처: Toppan ink사)

[그림 4] (a)Self-aligned inkjet printing 기술의 모식도, (b) AFM

이미지, (c) 300nm 미세 패턴의 SEM 이미지, (d) 넓은 면적의

self-aligned printing을 통한 4800개의 channel 동시 형성

성공 으로 제작 하 다.[4] Ag잉크와 reverse gravure

offset법을 이용해서 약 3 ~ 5 μm 정도의 해상도를 지닌

패턴을 성공 으로 형성하 고 이를 소스 드 인 극으

로 사용해서 a-Si TFT를 제작한 결과를 보고 하 다. 제

작된 트랜지스터의 주요성능은 mobility 0.16cm2/Vs,

on/off ~ 1.5×106, SS = 1203mV/dec, VTH = 3 V 이며 향

후 이를 이용해서 LCD나 e-paper용 backplane TFT에

용 할 것으로 알려져 있다. Reverse gravure offset 방식은

고해상도가 가능하긴 하지만 잉크의 소모량이 많고 인쇄

품질이 주변의 환경 요인에 민감하게 의존하는 단 을

지니고 있다. 따라서 이러한 공정이 실제 양산 공정에

용하기 해서는 보다 지속 인 연구가 필요할 것으로

측된다.

(2) Self-aligned inkjet printing

2007년 캠 리지 Cavendish 연구소의 Noh et al.에

의해서 보고되었으며 도성 잉크의 두 번 린 을 통해

서 50 nm - 400 nm까지의 고해상도를 지닌 패턴을 형

성할 수 있는 획기 인 방법이라고 할 수 있다.[5] 구체

인 공정 방법은 다음과 같다.([그림 4]-(a) 참조) 우선 기

에 첫 번째 도성 라인을 잉크젯 린 을 통해서

형성한다. 린 된 도성 라인의 표면에 지를 도성

재료에 따라서 다양한 표면처리 방법을 이용해서 낮추어

다. 이어서 두 번째 도성 라인을 첫 번째 라인 에

약간 겹치게 린 을 한다. 이 때 도성 잉크와 첫 번째

라인의 표면 간에 dewetting이 일어나서 두 번째 잉크가

첫 번째 라인 표면에서 미끄러져 기 에 떨어지면서 자연

스럽게 두 라인 사이에 작은 틈이 형성되게 된다. 이 게

형성된 틈은 도성 잉크와 첫 번째 린 라인 사이의

반발력, 잉크용매의 증발속도 등에 따라서 50 nm 부터

400 nm까지 자유롭게 조 가능하다([그림 4]-(b)와 [그

림 4]-(c)).

한 self-aligned printing을 통해서 넓은 면 을 린

하고 8000개의 channel을 동시에 형성하 을 때도 공

정이 균일하게 용되었음을 보고하 다. 이때 사용되는

도성 잉크로는 도성 고분자나 metal nanoparticles 잉

크 등을 들 수 있으며 도성 잉크의 종류에 따라서 표면

처리 방법이 다를 수 있다. 높은 스 칭 속도를 지닌 회로

를 제작하기 해 이 게 형성된 수백 나노미터 크기의

패턴을 OTFT의 채 에 용하 다. 이 게 self-aligned

printing 으로 제작된 OTFT는 6 V 이내의 낮은 구동 압

과 0.2 cm2/Vs이상의 높은 이동도, 1.6 MHz의 높은 스

칭 속도를 보여주었다[그림 4]-(b). 이는 재까지 보고된

잉크젯 린 으로 제작된 OTFT의 최고성능에 해당하며

채 길이를 임에 따라서 회로의 구동속도가 획기 으

로 높아짐을 보여주는 결과라고 할 수 있다.

(3) 도성 잉크 소재

도성 잉크소재는 Backplane TFT의 source/drain 혹은

❙기술특집❙


[그림 5] 현재 대표적으로 사용되는 전도성 잉크재료들

(a) PEDOT:PSS 전도성 고분자, (b) 금속나노 입자, (c) 표면이

개질된 Carbon Nanotube

gate 극 외에 TFT간의 배선에도 사용되게 된다. 이때

용되는 도성 잉크소재의 가장 요한 물성은 바로 높

은 도도이다. 도도 외에도 source/drain 극의 경우

반도체에 하를 주입해야 하므로 하주입에 당한 일

함수를 지녀야 한다. 한 이 밖의 요구사항으로는 낮은

공정온도, 낮은 제조단가 잉크의 안정성 등을 들 수 있

다. 재 주로 사용되고 있거나 활발히 연구되고 있는

도성 잉크재료는 도성 고분자 용액, 속 나노 입자가

분산된 용액, 탄소나노튜 (CNT, carbon nanotube) 혹은

graphene 분산 용액 이에 한 복합체 재료를 들 수 있

다[그림 5]. 이들 재료는 각각 장 과 단 을 동시에 보유

하고 있어서 재 모든 요구사항을 완벽히 만족시키는

도성 잉크는 없는 실정이다. 재 가장 높은 가능성을 보

여주고 있는 속 나노입자의 경우 source/drain 극으로

용되기 한 높은 도도를 보유하고 있으나, 이들을

분산시키기 해 사용되는 분산재를 제거하기 해서는

비교 높은 소성온도(>150oC)를 요구하며 제조 단가도

비싼 편이다. 따라서 좀 더 낮은 단가에 제조가 가능한 공

정의 개발과 소성온도를 낮출 수 있는 분산재를 개발하는

것이 필요하다. 도성 고분자의 경우 높은 분산 특성과

낮은 공정 온도 때문에 공정이 가장 용이 하나, 속 나노

입자에 비해 도도가 턱없이 낮다(1 ~ 750 S/cm). 따라

서 도성이 높은 도성고분자 재료에 한 연구가 필요

하다. CNT 혹은 graphene 분산 용액은 자체로는 일반

인 용매에 분산이 어려워 표면이 개질된 CNT 혹은 산화

된 graphene을 물 등의 용매에 분산해서 잉크로 사용하고

있다. 속 나노입자보다는 낮으나 비교 높은 도도

(100 ~ 1000 S/cm) 와 낮은 공정 온도(100℃) 때문에 최

근에 활발히 연구되고 있으나 장기간 안정 인 분산을 얻

기 어려우면 인쇄를 통해 극을 형성할 수 있는 높은 농

도의 분산 한 어려워서 이에 한 연구가 더욱 필요하

다. 재 모든 재료가 가지고 있는 장단 으로 인해서 한

가지 재료를 통해서 TFT의 극형성, TFT간의 연결

배선 등을 모두 수행하는 것은 바람직하지 않아 보인다.

한 각각의 용도에 따른 도성 잉크의 요구사항도 조

씩 다르다. 를 들면 배선재료는 높은 도성을 우선으

로 요구하나, TFT의 극은 도성 외에도 소자내의

항을 낮출 수 있는 재료를 선택해야 한다. 따라서 인

쇄 가능한 여러 도성 재료를 각각의 용도에 맞게 혼합

하여 사용하는 것이 가장 높은 성능을 얻을 수 있는 방향

으로 여겨진다.

2. 반도체 잉크 소재 및 박막 형성 공정

반도체 잉크재료는 인쇄기술을 통해서 제작되는 각종

자소자의 활성층으로 주로 사용되는 핵심재료로써 소

자의 성능에 가장 요한 향을 미치기 때문에 재 가

장 활발히 연구되고 있는 재료이다. 반도체 잉크재료는

재료의 화학 인 성분상 유기물기반 반도체 잉크재료와

무기물기반 반도체 잉크재료로 나뉠 수 있다. 한 유기

물 반도체 잉크재료는 공액성분자(conjugated molecules)

나 carbon nanotube(CNT) 혹은 graphene 등 탄소기반 재

료를 들 수 있고, 무기물 잉크재료는 속 산화물이나 실

리콘 용액 기반 잉크를 꼽을 수 있다. 이 탄소기반 잉크

는 본고에서는 지면의 한계 상 자세히 다루지 않겠다.

반도체 잉크를 이용해 박막을 형성하는 인쇄기술은 주

로 잉크젯 방식을 채택하고 있다. 2009년 보고된 각종 디

스 이 학회의 논문들을 보면 거의 모든 그룹들이 반도

체 잉크의 인쇄에 비 식 잉크젯 방식을 사용하고 있는

것을 알 수 있다.[6] 이는 잉크젯 인쇄방식이 다른 인쇄방

식에 비해서 잉크의 소모량이 작으며 비교 도포된 박막

의 결정성 제어에 용이한 방식이기 때문인 것으로 추측된


2010년 제11권 제6호 ❙ 7

[그림 6] 삼성종합기술원에서 보고한 4.8-inch QVGA

Flexible e-paper(출처: 삼성종합기술원)

[그림 7] PARC에서 보고한 printed OTFT backplane과 이를

통해 구동되는 Flexible e-paper

다. 부분의 반도체 잉크는 잉크의 단가가 비교 높아

서 공정시 잉크의 소모량을 최소화 하려고 하며 요구하는

TFT 활성층의 패턴 해상도도 100 um 이상의 고해상도이

기 때문에 이에 합한 방식이 잉크젯 방식이라 할 수 있

다. 잉크젯 외에 소수이긴 하지만 micro-contact printing,

transfer printing 등을 사용하여 반도체 박막을 형성한 기

술도 보고되었다.

Ⅲ. 인쇄 OTFT 연구동향

인쇄공정으로 제조된 유기박막트랜지스터(OTFT)는 반

도체 특성을 지닌 공액분자(conjugated molecule)를 트랜

지스터의 활성층으로 사용한다. 이러한 공액분자는 분자

량의 크기에 따라서 단분자 유기반도체와 고분자 유기반

도체로 나뉠 수 있다. pentacene의 표되는 단분자 유기

반도체는 유기용매에 용해가 되지 않아서 주로 진공챔버

내에서 열증착 공정을 통해서 박막을 형성하 으나 최근

에는 물질의 화학 인 변화를 통해서 다양한 유기용매에

용해될 수 있는 물질들이 개발되고 있다. 그 표 인

재료로 p-type의 TIPS pentacene과 n-type의 PTCDI8-CN2

를 들 수 있다. 이러한 용해 가능한 단분자 유기반도체는

최근 용액공정을 통해서 1 ~ 5 cm2/Vs 정도의 하 이동

도를 보고하고 있으며 이는 고분자 유기반도체에 비해서

약간 높은 이동도라 할 수 있다. 다만 단분자 잉크의 낮은

도에 의해서 인쇄공정시에 coffee-ring effect 등에 의해

서 소자 간 성능의 균일성이 비교 낮은 단 을 지니고

있다. 반면에 고분자 반도체 잉크는 비교 높은 도로

인해서 소자 간 성능 균일성이 보다 높은 것으로 알려져

있다. 최근 Polyera사 등에서 보고한 최신의 고성능 고분

자 반도체재료가 1 ~ 2 cm2/Vs의 이동도를 달성하여서

이러한 재료의 응용가능성을 보다 높이고 있다. 하지만

유기반도체 재료는 산화물 반도체나 poly Si에 비해서 낮

은 하이동도와 안정성으로 인해서 향후 지속 인 연구

가 필요하다.

삼성종합기술원은 지난 수년간 유기고분자 반도체 잉

크를 직 개발하고 이를 잉크젯 인쇄를 통해서 라스틱

기 에 인쇄하여 Flexible e-paper를 시 하 다.[7] 최

근의 결과에서 그들은 4.8-in QVGA active-matrix

electrophoretic display을 printed polymer TFT를 구 하

여 보고 하 다. 낮은 온도에서 공정한 TFT array는

bottom-gate, bottom-contact의 소자구조를 갖고 유기반도

체, 게이트 연체, passivaion은 용액공정을 용하 다.

포화 역에서 계산된 인쇄 TFT의 계효과 이동도는 Vg

= -20V에서 0.05 ~ 0.1 cm2/Vs를 갖는다.

Xerox 계열의 PARC는 수년 부터 Flexible e-paper의

backplane에 용하기 해서 유기트랜지스터를 inkjet

printing을 통해서 제작하는 연구를 수행하고 있다. 자체

개발한 thiophene 계열의 공액고분자를 사용하고 있으며

성능이 0.1 cm2/Vs정도의 성능을 보여주고 있다. 특히

2009년 SID등에서는 유기트랜지스터를 이용해서 구동되

는 2-3인치 수 의 e-paper의 시 품을 보고 하 다.[8]

PARC가 주로 보유하고 있는 기술은 그들이 digital

lithography라고 명명한 잉크젯 인쇄법과 여러 종류의 유

기반도체용 공액고분자에 한 물질 특허 등을 지니고 있

으며, 아직 연속공정기술에 한 보고를 하지 않고 있다.

Sony사는 2010년 5월 SID에서 80μm두께의 4.1-in

121ppi의 얇은 실린더에 감 수 있는 full color flexible

❙기술특집❙


[그림 8] Sony사에서 보고한 printed OTFT를 backplane으로

사용한 full color flexible OLED 디스플레이

[그림 9] 한밭대 노용영 교수팀이 Polyera, ETRI와 공동연구로

보고한 Polymer CMOS circuits

OLED 디스 이를 보고하 다.[9] 이 디스 이에는

유기반도체 물질(PXX derivative)로 제작된 OTFT가 사용

되었고 하 이동도 0.4cm2/Vs, on/off ratio는 106정도의

성능을 보고하 다. 20μm 두께의 유연한 박막 기 과

모든 통합회로의 연체에 부드러운 유기 연체를 사용

하 다. OLED 디스 이에서 감는 것을 방해하는 딱딱

한 driver IC를 gate-driver회로를 통합한 OTFT를 사용하

여 기 을 유연하게 하는 기술을 사용하 다[그림 8].

한 이에 항하는 획기 인 Flexible OLED 소자가 국내

의 SMD 사에서 보고 되었으나 backplane TFT가 진공에

서 증착된 poly-Si를 사용하여서 본고에서는 자세히 다루

지 않을 것이다.

Ployera사는 미국 노스웨스틴 의 Antonio Facchetti

교수가 spin off한 회사로써 유기반도체 재료의 개발에 세

계선두의 기술을 보유하고 있는 회사이다. Polyera사에서

특히 n-type 단분자 혹은 고분자 유기반도체 잉크에 많은

특허 기술을 보유하고 있다. 특히 지난 2009년 Nature

에 보고된 n-type 고분자 잉크인 N2200은 0.5 cm2/Vs 정

도의 높은 하 이동도를 보고 하 으며 소자안정성도 비

교 우수한 것으로 알려져 있다.[10] 특히 최근에는 한밭

노용 교수 은 ETRI, Polyera사 등과의 공동연구를

통해서 50 KHz에 구동되는 인쇄 고분자 CMOS circuits

을 세계 최 로 보고 하 다.[11] N2200 과 P2100 반도체

고분자 잉크를 각각 n-channel 과 p-channle 물질로 사용

하고 이들의 패턴과 비아홀을 모두 잉크젯으로 형성하여

인쇄공정의 장 인 공정의 단순성과 신성을 동시에 보

여 주었다. 그밖에도 여러 그룹에서 보다 성능이 향상된

printed OTFT 소자에 해서 보고를 하 으나 지면의 한

계로 인해서 이에 한 자세한 사항은 최근에 발표된 다

른 리뷰 논문을 참고하길 바란다.[12]

Ⅳ. 인쇄 Metal Oxide TFT 연구동향

인쇄 산화물 TFT는 속 산화물 잉크를 활성층으로 사

용하여 제작된 TFT로써 크게 구체를 졸-겔법을 이용하

여 속 산화물 박막을 형성하거나 속산화물 나노 입자

를 제조하고 이를 용매에 분산한 잉크를 이용하여 박막을

형성하는 방법으로 TFT가 제작되고 있다. 속 산화물의

종류에 따라서 2성분계인 ZnO(Zinc Oxide), SnO(Tin

Oxide)를 사용하거나 3성분계인 TiO(Titanum Oxide),

ZTO(Zinc Tin Oxide) 4성분계 IGZO(Indume Galium Zinc

Oxide) 등의 산화물을 트랜지스터의 활성층으로 사용하

고 있다. 사용되는 속산화물의 원소성분이 복잡해질수

록 보다 낮은 온도에서 무정형의 상태로 높은 이동도를

얻을 수 있는 반면에 용액공정으로 정확한 stoichiometry

를 재 성 있게 달성하는데 어려움을 지니고 있다. 2성분

계 졸-겔법의 경우 구체를 고체 박막으로 변환하는 데

는 200℃ 정도의 비교 낮은 온도가 요구되나 이러한 박

막을 이용하여 보다 높은 이동도를 얻기 해서는 400℃

이상의 고온으로 열처리를 하여 높은 결정성을 확보 하여

야 한다. 재 3성분계 이상의 다성분계도 용액공정의 경

우 250℃ 가 가장 낮은 공정온도로 알려져 있어서 다양한


2010년 제11권 제6호 ❙ 9

[그림 10] 미국 Oregon주립대에서 보고한 잉크젯 프린팅을

통해 제작된 금속 산화물 TFT

라스틱 기 에 용되기에는 많은 어려움이 존재한

다. 속 산화물 나노입자 잉크의 경우 속 산화물이 높

은 결정성을 지닌 나노 입자형태로 이미 존재하여 결정성

제어를 해서 높은 공정 온도가 필요치 않으나 인쇄공정

을 통한 박막 도포 후에도 나노입자가 박막상에 존재하여

항상 multi grain을 지닌 박막의 형성만이 가능하다. 이로

인해서 속 산화물 나노입자 잉크의 경우 달성 가능한

하이동도가 졸-겔법에 비해서 상 으로 낮아서 통상

으로 5 cm2/Vs 이하의 이동도를 보고 하 다. 속 산

화물 TFT는 재 기술로 유연한 라스틱 기 에 공

정이 가능한 낮은 온도(<200℃)의 공정이 어렵다고 할 수

있다. 따라서 향후 지속 인 연구개발을 통해서 보다 낮

은 온도에서 공정이 가능한 속산화물 잉크를 개발하여

야 할 것이다. 최근에 이에 한 고무 인 결과들이 조

씩 보고 되고 있는 추세여서 망이 밝다고 측된다.

Metal oxide TFTs의 다른 큰 장 은 상 으로 높은

밴드갭(3.3eV 이상)을 가지고 있어서 가시 선 역에서

투명한 특성을 통해서 투명 디스 이의 제작이 가능하

다는 것이다.

2007년 미국의 Oregon주립 의 C.H. Chang 그룹에서

는 잉크젯 린 을 이용하여 SnO₂ TFT를 제작하

다.[13] precursor는 SnCl₄를 사용하 고, bottom gate top

contact 구조의 TFTs를 만들었다. 10 × 15mm SiO₂

/Si/Au의 기 에 잉크젯 린 방법으로 250nm의

SnO₂를 층하 으며, 소스/드 인 극은 Al을 300nm

증착하 다. 실리카 기 에서 SiO₂필름의 가시 선

역 투과율은 98%이상의 투과율을 보 다. 한 이동도

는 3.6cm²/Vs, turn-on Voltage는 -39V, On/Off 비는 10³을

얻었다. 하지만 공정온도가 450℃ 이상 필요하여 Flexible

TFT를 제작하는 것은 불가능하다[그림 10].

2007년 Cambridge Cavendish 연구소의 Noh et al.은

top gate 구조의 ZnO NW-FETs의 모든 공정을 용액공정

을 이용한 스핀코 잉크젯 린 공정을 사용하여

개발했다.[14] Source, Drain 극은 Self-aligned-inkjet

printing(SAP)기술을 이용하여 gold(Au) nanoparticle ink

로 50-400nm의 채 을 형성하 으며, 활성층은 미리 제

조된 ZnO nanowires를 IPA 는 ethylene glycol과 혼합

한 후 잉크젯 린 방법으로 트랜지스터의 활성층에만

선택 으로 도포하 다. 게이트 연체는 PMMA를 스핀

코 으로 형성하 고, 게이트 극은 PEDOT:PSS로 잉크

젯 린터를 사용하여 제작하 다. 잉크젯 인쇄법으로 제

작된 ZnO 나노와이어 TFT는 ~ 4 cm²/Vs 이동도와 10⁴

의 류 멸비를 보여주었다. 한 동일한 방법을 통해서

라스틱 기 에 TFT를 구 하여 유사한 성능을 얻어

내었다. 비록 나노와이어의 정량을 채 에 도포하는 것

에 한 어려움 등이 존재하지만 이러한 공정은 보다 간

단한 과정을 통해 속산화물 Flexible TFT를 제조할 수

있는 가능성을 보여주어서 향후 제조비용을 낮추는데 기

여할 수 있을 것으로 상된다.

노스웨스턴 의 Tobin Marks 와 Antonio Facchetti 교

수 은 다양한 속 산화물 구체를 이용하여 용액공정

을 제작된 SnO2, ITO, IGZO 산화물 TFT를 보고하 다.

특히 그들은 직 개발된 SAND(Self-Assembled Multilayer)

연체를 용 하여 10 cm²/Vs의 높은 이동도를 지닌

속 산화물 TFT를 보고 하 다.[2] 한 이러한 재료는

Polyera사를 통해서 최근 상용화되기도 하 다. 하지만

가장 낮은 공정온도가 250℃ 정도여서 라스틱 기

에 용하기에는 아직 무리가 있다.

2011년 국 캠 리지 의 H. Sirringhaus 교수 연구

은 삼성분계 IZO(indium zinc oxide) 박막을 활성층으로

이용한 용액 공정 TFT를 보고하 다[그림 11]. 채 층인

IZO 박막은 Sol-gel 공정을 통해서 형성하 으며, 활성층

❙기술특집❙


[그림 11] 용액공정의 IZO를 이용하여 230℃에서 제작된 TFT의

전이곡선

으로 용된 박막은 스핀코 방법을 통해서 도포하 다.

Sol-gel법에 사용된 구체를 가수분해/축합 합반응을

통해서 1㎛ 크기 이하인 콜로이드 입자가 분산되어 있는

sol상태의 화합물로 만든 후 이 입자들이 3차원 으로 결

합된 망상구조를 갖는 gel로 형성시킨 다음 calcination

는 pyrolysis하여 산화물 는 복합산화물을 만드는 공정

을 사용하 다[1]. In/Zn 조성 비율을 각각 다르게 실험 하

여, In/Zn의 조성비가 7 : 3 일 때 가장 뛰어난 성능을 보

임을 알아내었다. 이 의 용액공정 산화물 반도체 TFT는

500℃이상의 고온 열처리를 요구하는 문제 이 있었으

나, 본 연구에서 사용된 삼성분계인 IZO는 속의 S 오비

탈을 통해서 하의 이동이 일어나서 무정형 박막상태에

서도 비교 높은 하 이동도를 얻을 수 있는 것이 특징

이다. 이러한 무정형 속 산화물 TFT의 장 은 이미 일

본 동경공 의 Hosono그룹에서 보고한 바 있으나 본 연

구에서는 용액공정을 통해서 이를 상용화에 가깝게 구

한 것으로 평가받는다. 250℃정도의 비교 낮은 온도의

열처리를 통하여 10 cm²/Vs 정도의 높은 하 이동도와

10⁶ 정도의 높은 류 멸비를 구 하 다.

Ⅴ. 향후 전망 및 결론

Flexible 디스 이에 용 가능한 유연 TFT 기술은

단기 으로는 공정 용성과 수율이 우수한 기존의 진공

공정을 이용한 poly-Si, 속 산화물 TFT, 유기 TFT 등이

상용 인 공정에 용될 것으로 기 된다. 하지만 장기

으로는 인쇄공정이 지닌 다양한 장 으로 인해서 인쇄공

정을 통한 유연 TFT가 세로 자리 잡을 것으로 상된

다. 보다 장기 으로는 고속으로 공정이 이루어지는

Roll-to-Roll 로세스에 용가능한 반도체 잉크의 개발

과 고속, 온 열처리공정의 개발 등에 한 연구를 통해

서 보다 낮은 가격에 Flexible 디스 이를 제작할 수 있

을 것으로 측된다. 최근 들어 이에 한 연구가 학교,

연구소, 기업 등에서 시작단계에 있으며 매우 빠른 속도

로 기술의 수 이 발 하고 있어서 그리 멀지 않은 미래

에 Flexible 디스 이를 Roll-to-Roll 인쇄공정으로 제작

하는 시 가 도래 할 것이다.

Acknowledgement

이 은 역경제권 연계 력사업 "태양전지 효율 극

대화를 위한 전자전달증대장치" 의 지원을 받아 쓰여

졌습니다.

참 고 문 헌

[ 1 ] K.K. Banger, et al., Nat. Mater., 10, p.45(2011).

[ 2 ] Antonio Facchetti, 10th International Meeting on

Information Display, (2010).

[ 3 ] R. Matusbara, Printed Electronics Asia2009, (2009).

[ 4 ] T.-H. Moon et al., SID 2009, P-185L(2009).

[ 5 ] Y.-Y. Noh et al., Nat. Nanotechnol., 2, p.784(2007).

[ 6 ] 유인규 외 3명, 전자통신동향분석 제24권 제6호(2009).

[ 7 ] IDTechEX, Article, Progress in conformal and flexible

displays, 20 April, 2009.

[ 8 ] www.printedelectronicsworld.com

[ 9 ] www.sony.net

[10] He Yan et al., Nature, 457, p.679(2009).

[11] K.-J. Baeg et al., J. polym. Sci. Part B, 49, p.62(2011).

[12] Antonio Facchetti, Chem. Mater. 2010, ASAP.

[13] Doo-Hyoung Lee et al., Adv. Mater. 2007, 19,

843-847.

[14] Y.-Y. Noh et al., Appl. Phys. Lett, 91, 043109(2007).


2010년 제11권 제6호 ❙ 11

저 자 약 력

노 용 영

∙ 2000년 : 동국대학교 화학공학과 학사

∙ 2002년 : 광주과학기술원 신소재공학과

석사

∙ 2005년 : 광주과학기술원 신소재공학과

박사

∙ 2007년 : University of Cambridge, Cavendish

연구소 Post doc.

∙ 2009년 : ETRI, 융합부품 ․ 소재연구부문,

플렉시블소자팀 선임연구원

∙ 2009년~현재 : 국립한밭대학교 화학공학과 교수

∙ 관심분야 : Flexible & Printed electronics, Organic electronics

(OTFT, OLEDs, Organic memory), Transparent electrode

한 현

∙ 2010년 : 한밭대학교 화학공학과 학사

∙ 2010년~현재 : 한밭대학교 화학공학과

석사과정

∙ 관심분야 : Printed electronics, OTFT

배 광 태



석사과정

∙ 관심분야 : Printed electronics. OTFT

조 아 라



석사과정

∙ 관심분야 : Printed electronics. OTFT

이 혜 미

∙ 2002년 : 전남대학교 학사

∙ 2007년 : 광주과학기술원 석사

∙ 2009년 : LKO, University of Erlangen-

Nuremberg, 연구원


연구원

∙ 관심분야 : Organic electronics (OTFT,

OLEDs)

flexible display용 인쇄 backplane tft 개발 동향 및 전망 display용... · 2012-06-14 ·...

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