유기 강유전 박막의 종이기판 응용가능성 검토

컴퓨터, 통신기술에 있어서 현재의 기술을 뛰어넘는 대 용량, 초고속, 저소비전력, 그리고 신기능성의 구현이 요 오늘날 정보통신 산업은 한 국가의 중추 신경망계 로 구된다. 현재 이러한 요구에 있어 중요한 기술 중의 하나 비유되며, 국가의 모든 산업, 정치, 경제, 그리고 문화에 는 기본 단위 전자소자의 소형화 기술이지만, 기술적, 본 커다란 발전적 영향을 끼치고 있다. 이를 위하여 반도체, 질적인 한계상황에 직면하게 되었다. 따라서 향후 유비 이 논문은 2013년도 서울시립대학교 교내학술연구비에 의하여 연구되었음 * Corresponding Author : Byung-Eun Park(University of Seoul) Tel: +82-2-6490-2343 email: Received February 16, 2015 Revised March 10, 2015 Accepted March 12, 2015 Published March 31, 2015
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한국산학기술학회논문지 제16권 제3호, 2015쿼터스(ubiquitous) 시대의 도래와 20년 후의 전자산업 특성 평가를 위해서 제작된 PVDF-TrFE 박막은 메탈마 등의 전망은 새로운 발상의 전환과 근본적인 문제에 대 스크 (Metal Mask)를 이용하여 진공증착법으로 상부전 한 패러다임의 전환을 요구한다. 전자산업 측면에서, 나 극을 형성하였다. 제작된 PVDF-TrFE 박막은 주사 전자 노기술과 더불어 유연성이 있는 유기물 전자소자는 광소 현미경법(SEM (scanning electron microscopy)), 원자간 자, 태양전지, 집적회로용 박막 전계효과 트랜지스터 등 력 현미경(AFM (atomic force microscopy))을 이용하여 의 전자소자에 폴리머 재료를 도입함으로써 기존의 소자 박막의 단면상태 및 표면상태의 특성을 평가하였다. 또 에 비하여 경량, 가용성, 투명성, 대량생산 가능성과 같은 한, 강유전체 특성을 평가하기 위해 전압에 따른 분극특 경쟁을 장점으로 전자산업을 크게 혁신시킬 것으로 기대 성(P-E)을 측정하였다. 된다. 이밖에도 태양전지, 유기센서 등의 분야에도 점점 폴리머 재료를 이용한 전자소자의 응용이 활발하게 진행 되고 있다[1-3]. 이러한 폴리머 재료 중 강유전성 특성을 보여주고 있는 PVDF (polyvinylidene fluoride)는 전기장 에 의해서 반복적으로 변환될 수 있는 쌍안정 잔류분극 Fig. 1은 종이기판 위에 제작된 PVDF-TrFE 박막의 (bistable remanent polarization)을 가지기 때문에 메모 시편사진이다. 시편전체에 형성되어 있는 원형의 형태는 리 소자에 매우 유용하게 적용될 수 있다. PVDF는 상당 메탈마스크를 이용하여 형성된 상부전극이다. 그림에서 히 저렴하고, 화학적으로 불활성이며, 높은 온도에서 견 알 수 있듯이 종이를 기판으로 사용했음에도 불구하고 딜 수 있으나, 4개(α,β,γ,δ)의 서로 다른 결정상 중 트랜스 전반적으로 PVDF-TrFE 박막이 매우 잘 형성되어 있음 형의 β상만이 가장 좋은 강유전성을 나타낸다[4-6]. 일반 을 확인 할 수 있었다. 적으로, PVDF는 상온에서 만들어지고, 이 물질은 비극 성상 속에서 결정화되기 때문에 상당히 거칠고 강유전 성질을 갖지 못하기 때문에, 트리플루오르에틸렌 (trifluoroethylene)을 가진 PVDF 공중합체 (PVDF-TrFE) 를 이용하여 보다 쉽게 박막을 형성한다[7-12]. 본 연구 에서는 유기물 강유전체인 폴리비닐리덴트리플루오르에 틸렌 (PVDF-TrFE) 박막을 종이기판 위에 형성하고, 그 특성을 파악함으로써 기존 실리콘 기반의 소자에 비하여 매우 저렴하고, 간단한 공전으로 손쉽게 제작 가능한 비 휘발성 유기물 메모리 소자의 가능성을 검토하고자 한다.[Fig. 1]
   Photograph of a fabricated PVDF-TrFE thin film with upper electrodes on paper substrate.

   진공증착법을 이용하여 종이기판 위에 하부전극 알루 Fig. 2은 종이기판 위에 제작된 PVDF-TrFE 박막의 미늄을 증착하였다. 하부전극이 형성된 종이기판 위에 주사 전자 현미경 사진이다. Fig. 2(a) 의 경우, 화살표로 졸-겔 (sol-gel) 방법을 이용하여 PVDF-TrFE 용액을 표시된 부분은 상부전극이며, 전체적인 시편의 형태를 도포하였다. PVDF-TrFE 용액은 메틸에틸케톤 (MEK 파악 할 수 있었다. Fig. 2(b)는 제작된 PVDF-TrFE 박 (Methyl Ethyl Ketone))을 용매로 사용하였고, 박막 두께 막의 단면사진이다. 조절을 위해 몰비를 조절하였다. 졸-겔 (sol-gel) 방법을 그림에서 알 수 있듯이 종이기판 위에 형성된 하부전 이용한 전형적인 박막 형성 조건은 3,000rpm, 25초 동안 극 및 용액공정으로 형성된 PVDF-TrFE 박막의 형태를 스핀코팅(spin coating)하였고, 결정화 공정으로 140°C, 명확히 파악 할 수 있었다. 이는 매우 중요한 사항으로 대기상태에서에서 1시간 동안 열처리를 하였다. 전기적 종이를 기판으로 사용하여 박막을 형성하는 경우, 일반 2132
유기 강유전 박막의 종이기판 응용가능성 검토 적으로 종이의 성질상 액체 상태인 용액을 흡수하기 때 Fig. 3은 Fig. 2은 종이기판 위에 제작된 PVDF-TrFE 문에 박막 형성이 불가능하거나 설사 박막이 형성 되었 박막의 원자간력 현미경 사진이다. 을지라도 그 계면상태가 매우 불규칙하거나 단차가 형성 시료는 1μm x 1μm 범위에서 측정되었고, 평균 거칠 되어진다. 그러나 그림에서도 알 수 있듯이 본 실험에서 기 (roughness)는 4.49nm로 매우 평탄한 PVDF-TrFE 제작된 PVDF-TrFE 박막의 경우, 종이를 기판으로 사용 박막이 형성되어 있음을 확인 할 수 있었다. 이러한 결과 했음에도 불구하고 PVDF-TrFE 박막이 균일하게 매우 는 Fig. 2에서도 알 수 있듯이 종이기판 위에 형성된 하 잘 형성되어 있음을 확인 할 수 있었다. 부전극 및 PVDF-TrFE 박막의 매우 뛰어난 계면상태에 기인한다고 생각되어진다.(a)
   (b) [Fig. 2] SEM images of a fabricated PVDF-TrFE thin thin film on paper substrate.
[Fig. 4]
   [Fig. 3] AFM image of a fabricated PVDF-TrFE thin thin film on paper substrate.
Fig. 4는 전압에 따른 분극특성을 측정한 것이며, 측정 주파수는 1 kHz에서 이루어졌다. Fig. 4 (a) 의 경우, 종 이기판 위에 제작된 PVDF-TrFE 박막의 전압에 따른 분극특성을 측정한 것으로, 잔류분극 값 (Pr : remanent polarization)은 8.3 μC/cm 2 이며, 항전계 값 (Ec : coercive field)은 1.8 MV/cm 이다. Fig. 4(b)는 종이기판 위에 제 작된 PVDF-TrFE 박막과의 분극특성을 비교하기 위하
   (b) Polarization versus electric field characteristic of (a) Au/PVDF-TrFE/Al/paper structure (b) Au/PVDF-TrFE/Al/SiO 2 /Si structure

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여, 같은 박막 조건하에서 실리콘 기판위에 제작한 PVDF-TrFE 박막의 전압에 따른 분극특성을 측정한 것 이다. 측정된 잔류분극 값은 9.2 μC/cm 2 이며, 항전계 값 은 1.8 MV/cm 이다. Fig. 4의 결과에서 알 수 있듯이 종 이를 기판으로 사용한 경우나 기존의 실리콘을 기판으로 사용한 경우나 항전계값은 변화가 없었다. 단지, 종이를 기판으로 사용하여 제작한 PVDF-TrFE 박막의 잔류분 극 값이 다소 적게 나온 것을 확인 할 수 있었다. 이러한 결과들은 종이를 기판으로 사용했음에도 불구하고 제작 된 PVDF-TrFE 박막이 매우 훌륭한 강유전체 특성을 나타내고 있음을 말해준다.
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