플라즈마를 이용한 TiO2 박막의 저온 결정성 향상 및 3차원 유연 커패시터로의 적용 = Plasma-induced Low-temperature Crystallization of TiO2 Thin Film and its Application to 3D Flexible Capacitor

국문 초록 (Abstract)

유연 커패시터(Flexible capacitor) 제작을 위해 사용되는 고분자 기판의 낮은 열적 내구성으로 인하여 100 ℃ 이하의 저온 제조 공정이 불가피하다는 문제가 있다. 하지만 커패시터의 성능에 가장 큰 영향을 미치는 유전 박막은 저온에서 비정질의 박막으로 증착되기 때문에 높은 유전율을 가진 유전 박막 제작에 한계가 있다. 이로 인한 커패시터의 성능 저하 문제를 극복하기 위해, 본 연구를 통해 플라즈마 원자층 증착법(Plasma-enhanced atomic layer deposition, PEALD)를 이용하여 80 ℃의 저온에서 결정성이 높은 TiO2 유전 박막 증착 공정을 개발하였다. PEALD cycle당 30 초의 플라즈마를 조사한 결정질 TiO2 박막과 3 초의 플라즈마를 조사한 비정질 TiO2 박막의 PEALD cycle 비율을 점진적으로 조절하여 결정성 구배(Phase-gradient) TiO2 유전 박막을 설계하였고, 이를 통해 플라즈마를 통한 TiO2 박막의 저온 결정성 향상 및 물리적·화학적·광학적 특성 변화와 커패시터의 전기적 성능 증가를 정밀하게 분석하였다. 분석 결과, 플라즈마를 길게 조사한 PEALD cycle 비율이 점진적으로 높아질수록 밀도와 결정성(anatase phase)이 함께 높아지고, 굴절률과 광학 밴드갭이 낮아지는 것을 확인하였다. 전기적 성능 측정 결과, 결정질 TIO2와 비정질 TiO2의 cycle 비율이 3:1인 구조에서 비정질 TiO2 대비 급진적인 누설 전류의 상승 없이 약 73%의 유전 상수 증가율을 보이며 최적의 성능을 보였다.
고성능의 유연 커패시터를 제작하기 위해 앞선 연구에서 고안된 높은 유전율을 가지는 PEALD 결정질 TiO2(anatase phase)와 누설 전류를 효과적으로 차단할 수 있는 PEALD ZrO2를 이중층으로 하는 유전 박막을 설계하였고, 이를 3차원 구조의 폴리카보네이트(Polycarbonate, PC) 기판 위에 적용하여 표면적이 향상된 3차원 유연 커패시터를 제작하였다. 전기적 성능 평가 결과, PEALD 공정 중 조사되는 플라즈마에 의하여 유전율이 약 24% 증가하였고 DNI 패터닝의 표면적 증가 효과로 인해 정전 용량 밀도가 약 47% 상승하였다. 또한, 10 mm의 곡률(curvature)을 가지는 굽힘 실험(bending test)을 통해 제작된 3차원 유연 커패시터가 10-7 A/cm2 범위의 안정적인 누설 전류와 유연성을 가지는 것으로 증명되었다. 이로써 80 ℃의 저온에서 높은 유전율을 가지고 높은 표면적을 가지는 고성능의 3차원 유연 커패시터를 개발하는데 성공하였다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Due to the low thermal durability of the polymer substrate of flexible capacitors, a low-temperature manufacturing process below 100°C is inevitable, but the dielectric thin film, which has the greatest effect on the performance of the capacitor, is deposited as an amorphous thin film at low temperature. Therefore, it is deposited with a relatively low dielectric constant, leading to the low performance of the capacitor. In this study, in order to overcome the performance degradation problem caused by low processing temperature, a crystalline TiO2 dielectric thin film(c-TiO2) deposition process was developed at a low temperature of 80 °C using plasma-enhanced atomic layer deposition(PEALD). Phase-gradient TiO2 dielectric thin films(PG-TiO2) was designed by gradually adjusting the cycle ratio of the c-TiO2 with 30 s-plasma exposure per PEALD cycle and the amorphous TiO2 with 3 s-plasma exposure per PEALD cycle(a-TiO2). Through PG-TiO2 samples, the improvement of crystallinity, changes in physical, chemical, and optical properties, and increase in electrical performance of capacitors were precisely analyzed. As a result of the analysis, it was confirmed that as the PEALD cycle ratio of the c-TiO2 gradually increased in PG-TiO2, the density and the crystallinity (anatase phase) were increased along with, and the refractive index and the optical band gap were decreased. In the electrical performance measurement, in the structure where the cycle ratio of c-TIO2 and a-TiO2 was 3:1, the dielectric constant increased by about 73% without a radical increase in leakage current compared to all amorphous TiO2 sample, showing optimal capacitor performance.
To fabricate high-performance flexible capacitors, we designed a dielectric thin film composed of PEALD c-TiO2 (anatase phase) with high dielectric constant and PEALD ZrO2, which can effectively block leakage current. Plus, Three-dimensional(3D) polycarbonate(PC) substrates with improved surface area, which were induced by dynamic nanoincribing(DNI) patterning, were adopted as a flexible substrate to achieve even higher-capacitance density. As a result of the electrical performance evaluation, the dielectric constant increased by about 24% (37 → 47) by plasma in PEALD process, and the capacitance density increased by about 47% (17 → 25 nF/mm2) due to the surface area enhancement by DNI patterning. In addition, it was proved that the fabricated 3D flexible capacitor has a stable leakage current and flexibility in the range of 10-7 A/cm2 through a bending test having a curvature of 10 mm(convex condition). In conclusion, we successfully fabricated a high-performance 3D flexible capacitor having a high dielectric constant and a high surface area at a low temperature of 80 ℃.

목차 (Table of Contents)

• I. 서 론 1
• 1. 연구의 배경 및 목적 1
• II. 이론적 고찰 3
• 1. 커패시터(Capacitor) 3
• 2. 플라즈마 원자층 증착법(Plasma-enahced Atomic Layer Deposition, PEALD) 6
• 3. ALD 공정을 적용한 유전 커패시터 제작 선행 연구 8
• III. 실험 장치 및 실험 방법 10
• 1. 실험 분류 10
• 1) PEALD TiO2의 플라즈마 조사 시간에 따른 박막 특성 및 전기적 성능 연구 10
• 2) 저온 결정화 유전 박막의 3차원 구조화 유연 커패시터로의 적용 10
• 2. 실험 방법 11
• 1) Metal-Insulator-Metal(MIM) 커패시터 제작 11
• 2) PEALD 결정성 구배 TiO2 유전 박막 및 결정질 TiO2/ZrO2 유전 박막 증착 11
• 3) 3차원 형상의 유연 기판 준비 12
• 4) 전기적 분석 13
• 5) 물리적, 화학적, 광학적, 형상학적 특성 및 결정성 분석 13
• IV. 실험 결과 및 고찰 16
• 1. PEALD를 이용한 결정질/비결정질 결정성 구배 TiO2 박막 구조 개발 16
• 1) 물리적, 화학적, 광학적, 형상학적 특성 및 결정성 분석 16
• 2) 전기적 성능 분석 21
• 3) 플라즈마에 의한 PEALD TiO2의 결정성 향상과 성능 향상에 대한 고찰 23
• 2. PEALD 결정질 TiO2/ZrO2 유전 박막 구조 개발 25
• 1) 물리적, 형상학적 분석 및 결정성 분석 25
• 2) 전기적 성능 분석 28
• 3) PEALD 결정질 TiO2/ZrO2 유전 박막의 성능 향상에 대한 고찰 30
• 3. PEALD 결정질 TiO2/ZrO2 박막의 3차원 형상의 유연 기판으로의 적용 31
• 1) 3차원 형상의 유연 기판의 표면적 향상 정도 분석 31
• 2) MIM 커패시터의 3차원 형상 유연 기판 위 형상학적 특성 분석 34
• 3) 전기적 성능 분석 37
• 4) 유연성 분석 39
• 5) 3차원 유연 커패시터의 성능 향상에 대한 고찰 42
• V. 결 론 45
• 참고문헌 46
• 영문초록(Abstract) 50
• 감사의 글 52