유기 트랜지스터 배열의 성능 유통에 대한 이미징 기술

인쇄 전자의 실용적인 응용 프로그램의 가속화

일본국립연구개발법인 산업기술종합연구소(National Institute of Advanced Industrial Science and Technology 이하, AIST)의 플렉시블 일렉트로닉스 연구 센터 플렉시블 재료 기반 연구팀은 유기 트랜지스터의 성능 분포를 광학 이미지로서 일괄하여 평가할 수 있는 새로운 디바이스 평가 기술을 개발하였다. 이 기술에 의해 전자 페이퍼나 디스플레이 등 방대한 수의 트랜지스터 배치가 필수인 정보 단말 기기의 제조 공정에서 각 소자의 검사에 필요한 시간을 큰 폭으로 단축할 수 있다.

게이트 변조 이미징(GMI) 기술 개발
정보화 사회의 진전과 함께 디스플레이 등 정보 단말의 각 화소의 온/오프를 제어하는 액티브 백플랜의 제조 기술 진화가 강하게 요구되고 있다. 대면적화 및 에너지 절약이 가능한 인쇄 기술을 이용한 디바이스 제조 기술(‘인쇄 전자’ 기술)은 가장 유망한 솔루션으로서 기대되고 있다. 하지만 방대한 수(통상 수백만 개 이상)의 트랜지스터가 어레이에 배치된 액티브 백플랜을 단시간에 성능 검사하는 것은 어렵고 이것이 생산기술로서 도입되는데 있어서 큰 장애물이었다.
이번에 유기 트랜지스터에 게이트 전압을 걸었을 때 발생하는 반도체의 광투과율·반사율의 아주 작은 변화를 CCD 센서로 촬영하여 디바이스 성능의 분포를 광학 이미지화하는 게이트 변조 이미징(Gate Modulation Imaging : GMI) 기술을 개발했다. 이 기술에 의해 액티브 백플랜을 구성하는 방대한 수의 유기 트랜지스터의 성능 분포가 일괄적으로 평가된다.

개발의 사회적인 배경
개발의 사회적 배경으로 프린티드 일렉트로닉스 기술은 디스플레이나 시트 상 센서 등의 대면적 전자기기를 제조할 때 대규모 진공 설비를 필요로 하지 않는 점, 롤-투-롤(Roll-to-roll) 프로세스에 의한 높은 생산성을 기대할 수 있는 점으로 향후 일렉트로닉스 산업에 큰 변화를 가져올 것으로 기대되고 있다.
이러한 완전히 새로운 디바이스 제조 기술을 실용화하려면 재현성이 균일한 디바이스 특성을 얻기 위한 기술의 고도화가 필수이다. 특히 액티브 백플랜의 제조 공정으로는 수백만 개의 트랜지스터 성능 분포 평가가 필요하기 때문에 전 소자의 성능을 고속으로 일괄해서 평가할 수 있는 새로운 개념의 검사 기술이 필요하게 된다.

연구개발 경위
AIST에서는 프린티드 일렉트로닉스 기술의 실용화를 목표로 한 연구 개발을 폭넓게 실시하고 있다. 그 일환으로서 인쇄법을 이용한 액티브 백플랜의 제조 기술의 개발과 이것에 대응할 수 있는 고속의 디바이스 성능 평가 기술 개발을 진행시켜 왔다.
수백만 개의 트랜지스터로 구성되는 액티브 백플랜의 검사를 실시하려면 기존의 전기 측정에 근거하는 검사 방법으로는 시간이 많이 소요되고 현실적이지 않다(1 소자에 1분이라고 해도 2년 걸린다). 또한 액정 디스플레이에 이용되는 일괄 검사법으로는 디스플레이의 도트 누락의 원인이 되는 결함 소자는 검출할 수 있지만 휘도나 표시 속도 저하에 영향을 주는 소자 성능(이동성, 응답 속도)의 분포 평가까지는 어려웠다.
따라서 AIST에서는 액티브 백플랜을 고속으로 일괄해서 성능을 평가하기 위하여 게이트 전압을 가하는 것으로 유기 트랜지스터에 생기는 광투과율·반사율의 미소 변화를 가시화하는 기술 개발을 진행시켜 왔다.

연구내용
<그림 1>에 이번에 개발한 게이트 변조 이미징법의 개략도를 나타내었다.
유기 트랜지스터에 게이트 전압을 주어 캐리어를 축적하면 유기 반도체 층의 광투과율·반사율이 불과 1만 분의 1 정도 변화한다. 게이트 변조 이미징법에서는 액티브 백플랜에 배치된 모든 트랜지스터에 대해서 게이트 전압을 가한 상태와 가하지 않은 상태의 광학 이미지를 각각 촬영하여 양자의 차이를 화상 처리하고 미소한 변화의 이미지(게이트 변조 이미지)를 고감도로 얻는다. 게이트 변조 이미지에는 정상 동작하는 트랜지스터만 나타나기 때문에 배선 불량이나 반도체 층의 결함에 의한 동작 불량 개소를 일괄해서 특정할 수 있다.
<그림 2>에 실제 유기 트랜지스터 어레이의 게이트 변조 이미지를 나타내었다.
황색 부분이 정상 동작하는 트랜지스터에 생긴 광투과율 변화에 의하는 것으로 황색에 색조가 변화하고 있지 않는 부분은 동작 불량의 트랜지스터에 대응한다. 그리고 게이트 변조 이미지의 신호 강도와 트랜지스터 특성 사이에는 명료한 상관이 있어 고강도의 신호가 트랜지스터의 고이동도로, 저강도의 신호가 트랜지스터의 저이동도에 대응하고 있다. 즉 게이트 변조 이미지의 신호 강도로부터 디스플레이의 휘도에 관련되는 트랜지스터의 이동도의 분포를 일괄하게 조사할 수 있다.
그리고 게이트 전압을 가해 촬영할 때까지의 시간을 바꾸어 게이트 변조 이미지를 측정하면 트랜지스터가 구동하기까지 필요로 하는 시간을 조사할 수 있다. <그림 3> 왼쪽 그림에서 게이트 전압을 가한 후 서서히 트랜지스터가 구동 상태로 이행하는 모습을 알 수 있다. <그림 3> 오른쪽 그림의 확대도에서 반도체 채널 내에 불량 개소가 있는 트랜지스터에서는 불량 개소가 없는 것보다 채널 전체의 캐리어 축적에 시간이 걸리므로 응답이 현저하게 늦어진다. 이와 같이 게이트 변조 이미지의 시간 변화로부터 디스플레이의 표시 속도에 관련되는 트랜지스터의 응답 속도의 분포를 조사할 수 있다.

이번에 개발한 게이트 변조 이미징법의 특징은 액티브 백플랜 등의 다수 트랜지스터의 성능 분포를 일괄하고 검사할 수 있는 것에 있다. 일반적인 400만 화소의 CCD 센서를 사용하여 200ppi의 액티브 백플랜의 검사를 실시하는 경우 이미징 시야를 1cm2로 하면 1회 촬영(10분 정도)에 의해 6,200개의 트랜지스터를 일괄적으로 검사할 수 있다.
그리고 보다 고속의 센서를 다수(예를 들면 400개) 배치해서 이것들을 이용한 일괄 검사를 실시하면 250만개 이상의 트랜지스터가 집적한 액티브 백플랜의 전체 트랜지스터의 성능을 몇 분 이내에 비파괴로 검사할 수 있게 된다.
향후계획
향후에는 게이트 변조 이미징 기술의 고속·고감도화, 검사 범위의 대면적화를 진행시켜 생산 라인에서의 실장을 향한 실용화 연구에 임할 예정이라고 한다.

자료출처 | KISTI 미리안 「글로벌동향브리핑」

용어설명

•유기 트랜지스터, 캐리어
반도체 내를 흐르는 캐리어(전자 또는 정공)의 흐름에 게이트를 설계하는 원리로 게이트 전극에 전압을 가하는 것으로 소스·드레인 단자 간의 전류를 제어하는 트랜지스터를 전계 효과 트랜지스터라고 한다. 유기 트랜지스터는 그 일종으로 유기 반도체의 박막이 유리 기판 등의 위에 형성되고 있다. 액정 디스플레이등의 각 화소의 표시를 제어하기 위해서 이용된다.
•액티브 백플랜
디스플레이의 표시부분에 이용되는 소자(액정 소자, EL 소자 등)를 프런트 프레인, 표시 소자의 표시를 제어하기 위한 구동 회로로부터 구성되는 패널을 액티브 백플랜이라고 한다. 액티브 백플랜은 박막 트랜지스터 등의 능동 소자를 각 화소에 배치하여 전압을 가하지 않는 상태에서도 온 상태나 오프 상태를 유지할 수 있는 능동적인 회로를 가진 백플랜을 말한다.
•프린티드 일렉트로닉스
반도체나 금속 입자를 용해·분산시킨 잉크를 인쇄법을 이용하여 제막·패터닝해 전자 디바이스를 제조하는 기술이다. 디스플레이나 시트상 센서 등의 대면적 전자기기를 제조할 때 대규모 진공 설비를 필요로 하지 않고 높은 생산성을 기대할 수 있기 때문에 향후의 일렉트로닉스 산업에 큰 변혁을 가져올 것으로 기대되고 있다.
•광투과율·반사율
광학·분광법에 있어서 특정 파장의 입사광이 물질을 통과·반사하는 비율
•CCD 센서
CCD란 전하 결합 소자(Charge-coupled device : CCD)의 약어로 고체 촬상 소자의 일종으로 CCD 센서는 비디오 카메라, 디지털 카메라 등에 폭넓게 사용되고 있다. 한 장의 실리콘 기판 상에 다수의 수광 소자를 격자 모양에 늘어 놓을 수 있는 수광면을 가지고 있다. 광학 렌즈를 이용하여 수광면에 결상(結像)하는 것으로 결상된 광신호를 디지털 전기신호로 변환한다.
•롤-투-롤(Roll-to-roll) 프로세스
유연한 시트를 원통형으로 감아 시트에서의 가공을 연속적으로 실시하는 생산법으로 프린티드 일렉트로닉스의 주요한 과제로 자리매김 되고 있다.
•유기 반도체
유기물로부터 되는 반도체로 저분자계와 고분자계가 있지만 모두 π(파이) 전자로 부르는 활성이 높은 전자를 포함한 재료가 이용된다. 용제에 녹기 쉽고 유연해서 접어 구부리기가 가능한 플렉시블 정보기기 단말을 고생산성의 인쇄 프로세스에 의해 제조하는 ‘프린티드 일렉트로닉스 기술’을 실현하기 위한 코어 재료로서 기대되고 있다.
•ppi
Pixel per inch의 약어로 디스플레이의 해상도를 나타내는 단위로 1인치 당 화소의 수에 대응하여 이 값이 클수록 정밀도가 높게 된다.