스트레처블 전자 소자 적용을 위한 하이브리드 게이트 절연체 박막에 대한 연구 = Study on hybrid gate insulator thin-film for stretchable electronic device application

국문 초록 (Abstract)

본 논문은 UV-Treated Poly(4-VinylPhenol-co-MethylMeth Acrylate) (PVP-co-PMMA) 하이브리드 게이트 절연막이 적용된 저온 공정 (≤ 150 ℃) Indium Gallium Tin Oxide (IGTO) 박막 트랜지스터 (Thin-Film Transistors, TFTs)의 제조에 대한 내용을 기술한다. 주 연구 내용으로, Polymer 절연막의 무른 특성과 높은 하이드록시기 비중을 개선하기 위하여 Hafnia (HfOx)의 첨가와 UV 빛을 조사하는 방법을 활용하였다. UV-Treated 하이브리드 절연막은 기존 Polymer 절연막에 비하여 낮은 하이드록시기 비중, 평탄한 표면, 그리고 더 조밀한 박막 특성을 보였는데, 이는 HfOx의 강한 이온 결합력과 UV 빛의 광자에 의한 유기-무기물 간의 향상된 결합력에 의한 것으로 설명될 수 있다. 이러한 UV-Treated 하이브리드 절연막의 게이트 절연막으로써의 적합성을 판단하기 위하여, Sputtered IGTO를 활성층으로 사용한 바텀 게이트 구조의 TFT를 제작하여 평가를 진행하였으며, 매우 낮은 공정 온도에도 불구하고 우수한 특성을 확보할 수 있었다. 해당 UV-Treated 하이브리드 게이트 절연막이 적용된 IGTO TFT는 150 ℃의 낮은 공정 온도에서 25.9 cm2/Vs의 전계 효과 이동도 (Field-Effect Mobility, μFE), -0.2 V의 문턱 전압 (Threshold Voltage, VTH), 0.4 V/decade의 Subthreshold Swing (SS) 값, 그리고 107 이상의 ION/OFF 점멸비 특성을 보였다. 또한 해당 TFT를 플라스틱 기판 위에 제작하였을 때, 하이브리드 절연막의 유연한 특성 덕에, 1 mm의 매우 작은 곡률 반경에서의 100회 굽힘 시험 이후에도 우수한 특성을 유지하는 것을 확인할 수 있었다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

This letter reports the fabrication of indium gallium tin oxide (IGTO) thin-film transistors (TFTs) with UV-treated PVP-co-PMMA-based hybrid gate insulators at an extremely low temperature (≤ 150 ℃). Synergetic hafnia loading and UV treatment were used to tailor the mechanical softness and hydroxyl fraction in the polymer dielectric film. The UV-treated hybrid dielectric film had the low hydroxyl concentration, a smoother surface, and a denser packing nature, which can be explained by the high ionicity of hafnium oxide and photon-assisted improvement in the cohesion between organic-inorganic materials. Suitability of the UVtreated hybrid dielectric film as a gate insulator was evaluated by fabricating bottom gate TFTs with sputtered IGTO films as a channel layer which showed high carrier mobility at a low temperature. The resulting
IGTO TFTs with a UV-treated hybrid gate insulator exhibited a remarkable high field-effect mobility of 25.9 cm2/Vs, a threshold voltage of -0.2 V, a subthreshold gate swing of 0.4 V/decade, and an ION/OFF ratio
> 107 even at a low annealing temperature of 150 ℃. The fabricated IGTO TFTs with the UV-treated hybrid dielectric film on plastic substrate was shown to withstand the 100 times mechanical bending stress even under the extremely small curvature radius of 1 mm due to the intrinsic stretchability of the hybrid dielectric film.

목차 (Table of Contents)

• 제 1 장 서론 1
• 제 2 장 연구 배경 2
• 2.1 하이브리드 절연체 소재 2
• 2.2 무기 산화물 반도체 소재 3
• 2.3 하이브리드 절연체/무기 산화물 반도체 접목 TFT 연구 동향 3
• 제 3 장 실험 방법 5
• 3.1 절연막 제작 5
• 3.2 절연막 특성 분석 6
• 3.3 소자 제작 및 측정 6
• 3.4 절연막 및 TFT 소자 유연성 검증 7
• 제 4 장 결과 및 고찰 9
• 4.1 절연막 특성 9
• 4.1.1 XPS 및 FTIR 분석 9
• 4.1.2 AFM 분석 12
• 4.1.3 XRR 분석 및 모식도 제작 13
• 4.2 MIM 및 TFT 소자 전기적 특성 16
• 4.2.1 MIM 소자 전기적 특성 16
• 4.2.2 TFT 소자 전기적 특성 17
• 4.3 절연막 및 TFT 소자 유연성 22
• 4.3.1 절연막 유연성 22
• 4.3.2 TFT 소자 유연성 23
• 제 5 장 결론 26
• 제 6 장 참고 문헌 27
• Abstract 32