SiO2-TiO2 교대 적층 구조 박막의 증착과 UV 차단 특성

국문 초록 (Abstract)

OLED(organic light-emitting diode)는 자체 발광을 할 수 있는 형광성 유기화합물이다. OLED를 활용한 디스플레이는 높은 휘도와 시인성을 갖추고, 우수한 명암비를 지녀 차세대 디스플레이로써 각광받고 있다. 여러 장점을 지닌 OLED는 최신 스마트폰, tablet, 스마트 워치 등의 다양한 IT 기기에 탑재되어 사용되고 있다. 최근 시장에 폴더블(foldable) 디스플레이를 장착한 스마트폰의 시제품이 공개됨에 따라 중요 부품인 OLED에 대한 관심은 더욱 증폭되었다. 하지만 OLED의 많은 장점에도 불구하고, 발광 소자의 짧은 수명 문제는 반드시 개선해야 할 문제로 지속 제기되어 왔다. UV(ultraviolet)는 소자를 열화 시키는 주요 원인 중 하나로 알려져 있다. 최근 발표된 연구 결과에서 UV에 의해 OLED 발광 소자의 비정상적 전자 전이 과정이 야기되어 소재 분해가 가속화 된다는 사실이 보고 되었다 [1]. 이에 소자로 입사되는 UV를 효율적으로 차단하기 위한 코팅 기술의 중요성이 대두되고 있다. 본 연구에서는 최신 IT 기기에 사용되고 있는 cover-glass를 기판으로 사용하여 UV 투과를 차단할 수 박막을 제조하고, 해당 박막의 투과 특성을 조사해보고자 하였다.
박막의 재료로는 SiO2와 TiO2를 선정하였다. UV 차단 특성을 갖는 많은 산화물 재료 중 SiO2와 TiO2는 큰 굴절률 차이를 가지고 있으며, 큰 밴드 갭(band gap)을 가지고 있어 가시광선 전 영역에서 투명한 성질을 지니기 때문에 박막의 구성 물질로써 적합하다 [2]. 미국 코닝사에서 제조한 고릴라 글래스 5(Gorilla Glass 5)를 기판으로 사용하였다. 박막은 RF 마그네트론 스퍼터링 방식을 이용하여 제조하였다. E-beam evaporation, thermal deposition 등의 다양한 증착 기법 중 RF 마그네트론 스퍼터링은 높은 kinetic 에너지를 가지고 있어 박막의 packing density를 높일 수 있는 방법이다 [3, 4]. 또한 박막의 층간 밀착력과 uniformity를 높일 수 있고 [5], 공정 조건 및 변수 제어가 용이한 증착 방법으로 알려져 있다.
본 연구에서는 광학 필름 설계 소프트웨어를 사용하여 원하는 광학 특성을 갖는 박막의 구조를 미리 설계한 후 실험을 진행하였다. 설계 결과를 기반으로 SiO2와 TiO2가 교대로 증착된 10층, 14층, 18층 3가지 구조의 다층 박막을 제조하였다. 층(layer)수가 다른 박막을 각각 제조하여, 층수에 따른 박막의 투과 특성 변화를 조사하였다. 또한 소프트웨어로 설계된 박막과 실험을 통해 제조된 박막의 투과 특성을 비교하였다.
spectrophotometer를 이용하여 제조한 박막의 투과율을 확인하였다. FIB-SEM과 XRR을 이용하여 박막의 각 층 두께와 총 두께를 측정하였다. SEM과 EDS를 활용하여 박막 표면의 morphology와 성분을 확인하였다. 박막의 상 분석을 위해 XRD 분석을 진행하였고, AFM을 이용하여 박막 표면의 roughness를 확인하였다.
분석을 통해 확인한 제조 박막의 투과 특성은 소프트웨어로 설계된 박막의 투과 특성과 많은 차이가 있었다. 본 연구에서는 제조 박막의 투과 특성이 설계 박막의 투과 특성과 달라진 이유에 대해서 다각적으로 살펴보고자 하였다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

The organic light-emitting diode (OLED) has attracted attention due to many advantages such as high luminance, high visibility and good contrast ratio. OLED is widely used in IT applications such as smart phones, tablets and watches. Even with its commercial success, the short lifetime of OLED remains an issue which needs to be improved. The degradation caused by UV is one of the problems which have to be solved in order to improve the lifetime of OLED. Recent studies revealed that UV causes abnormal electron transfer of organic materials which accelerates the decomposition of materials used in OLED.
In this study, alternating stack multilayer films which consist of SiO2 and TiO2 with good UV-shielding property were deposited on cell-phone cover glass by reactive RF magnetron sputtering, and the optical properties of the deposited films were investigated. RF magnetron sputtering provides higher film packing density and good adhesion between the layers of films. SiO2 and TiO2 are suitable materials for multilayer films with UV-shielding property due to their large contrast of refractive index. The architectures of the multilayer films which have specific optical properties (transmittance in UV and visible light range) were simulated using a commercial software “Essential Macleod”. The transmittance of the films was measured using an UV/VIS spectrophotometer. Focused Ion Beam Scanning Electron Microscopy (FIB-SEM) and X-ray reflectivity (XRR) measurements were used to evaluate the thickness of each layer and the total thickness of the films. Surface morphology and roughness of the films were examined by Atomic Force Microscopy (AFM).
The transmittance measured from the multilayer were compared with the values calculated by the software, and large variations in the transmittance was seen. Variation of the transmittance was more evident as the number of layers increased. In this study, the reason of variation in transmittace between measured and calculated film will be presented and discussed. And future works for fabrication films with proper UV-shielding property will be presented.

목차 (Table of Contents)

• 1. 서론 1
• 2. 이론적 배경
• 2-1 박막 재료의 물성과 밴드 갭(Band gap) 7
• 2-1.1 SiO2, TiO2의 물성 7
• 2-1.2 밴드 갭 에너지와 투과율 8
• 2-2 Optical simulation 10
• 2-2.1 프로그램의 사용 순서와 변수 입력 10
• 2-2.2 투과율 계산 Matrix 11
• 2-3 RF 마그네트론 스퍼터링 (RF magnetron sputtering)
• 2-3.1 스퍼터링의 원리 14
• 2-3.2 스퍼터링 증착의 중요 변수 15
• 3. 실험 방법 19
• 4. 결과 및 토의
• 4-1 XRD 분석을 통한 박막의 상 확인 25
• 4-2 SEM, EDS 분석을 활용한 박막 표면 분석 27
• 4-3 FIB-SEM을 이용한 박막 Layer의 두께 측정 29
• 4-4 XRR을 이용한 박막 Layer의 두께 측정 36
• 4-5 AFM을 이용한 박막 표면의 Roughness 측정 40
• 4-6 UV/VIS Spectrophotometer 분석을 통한 박막의 투과 특성 확인 43
• 4-7 “Macleod” 소프트웨어를 이용한 Reverse Engineering 49
• 5. 결론 51
• 6. 참고 문헌 53
• 7. Abstract 59