FED용 ZnO:Zn 박막제조를 위한 MOCVD 반응기의 해석

박일우, 윤도영, 한춘, 전병수*, 유재수*

광운대학교 화학공학과, 중앙대학교 화학공학과*

An Analysis of MOCVD Reactor for ZnO:Zn Thin Film Phosphor of FED

I.-W. Park, D.-Y. Yoon, C. Han, B.S. Jeon*, J.-S. Yoo*

Dept. of Chemical Engineering, Kwangwoon University, Seoul 139-701

*Dept. of Chemical Engineering, Chung-Ang University, Seoul 156-756

서론

기존의 음극선관(CRT)이외의 새로운 디스플레이 소자를 개발하려는 연구가 활발히 진행되고 있다. 현재 개발 또는 생산중인 대표적인 디스플레이 소자에는 액정 디스플레이(LCD), 플라즈마 디스플레이(PDP), 전계방출 디스플레이(FED)등이 있다. 이중 전계방출 디스플레이는 차세대디스플레이 분야중에서도 신기술로서 많은 다양한 연구가 이루어지고 있다[1]. FED를 이루는 주요요소중에서 anode plate는 형광체가 놓이는 부분으로 기존의 파우더 대용으로 박막이 거론되고 있다. 박막의 경우에는 파우더보다 낮은 효율을 보이는 문제점을 지니고 있지만 고밀도 박막 형광체로 FED의 경우에 합당한 좋은 열 전도도와 전기 전도도를 가진다는 장점을 가지고 있다[2]. 본 연구에서는 LPMOCVD(Low Pressure Metal-Organic Chemical Vapor Deposition) 반응기를 제작하여 박막 형광체를 제조하는 실험을 수행하였다. 이와 더불어 CVD 반응기내에서 일어나는 반응물의 유동 및 전달현상들에 대한 전산모사를 통하여 실험조건 및 결과에 중요한 역할을 하는 인자들을 도출하였다.  본 연구에서는 유한요소법에 근거한 상업용 소프트웨어인 POLYFLOW 를 활용하여 전산모사를 수행하였다.  이와같은 이상적인 CVD 반응기의  모델링 및 모사는 주어진 기하학적 형태를 가진 반응기에 대해서 압력, 온도, 가스유량 및 농도등의 조업조건들을 도출함과 아울러 증착속도, 박막의 조성 및 물성등의 예측을 가능케할 것이다.

실험

본 연구에서 제작된 MOCVD 반응기는 벽면이 stainless steel(316)으로 이루어진 연직 냉벽형(vertical cold wall type)으로 4인치 크기의 흑연가열기(graphite heater)를 사용하여 약 1000℃까지 온도를 올릴 수 있도록 설계되어졌다. 주 반응기의 진공상태유지를 위한 효율을 높이기 위하여 시편을 장입할 수 있는 loadlock chamber를 설치하였다. 반응물로는 DEZ(diethyl zinc), 산화제로 산소가스가 사용되었으며 dilution gas 및 carrier gas로는 질소가스가 이용되었다. DEZ source가 담겨져 있는 bubbler의 온도는 냉각기에 의해 온도를 ±1의 오차내로 조절할 수 있도록 했으며 기체의 유량은 압력제어기(pressure controller)로 제어되도록 설계되어졌다. 시편은 ITO가 코팅된 유리(Pyrex glass)를 이용하였다.  실험 조건은 다음과 같다.

Dilution gas : 300 cc/min

Carrier gas : 8 cc/min

Oxygen : 150 cc/min

Pressure of bubbler : [eqn: 700~Torr~]

Temperature of bubbler : 5℃(▲), 12℃(■), 15℃(●)

Temperature of heater: 500℃

bubbler 의 온도변화를 이용해서 DEZ양을 조절하여 그에 따른 반응기내의 변화 및 증착량의 변화, 그리고 시편위에 증착되는 형광체의 균질성(uniformity)를 살펴보고자 하였다.

모델링

FED를 위하여 설계되어진 본 MOCVD 반응기 내의 유동 및 전달현상을 POLYFLOW 하에서 모델링하기 위하여 다음과 같은 가정이 사용되었다.

(1) 본 반응기는 2차원의 1/2 선대칭으로 설계되어졌다.

(2) 유체의 흐름은 저유속이므로 정상상태의 층류이다.

(3) 본 반응기에서 주요역할을 하는 것은 가열되어진 susceptor으로 접근하는 가스의 팽창에 의한 효과이다.

(4) 본 반응기에 사용된 가스는 비압축성이며 이상기체법칙을 따른다.

(5) 본 반응기의 경우 carrier gas에 포함되어지는 유기금속의 상대적인 몰비가 매우 작기 때문에 반응기내 가스의 부피의 변화는 무시되어진다.

본 반응기의 형태는 그림 1의 (1)에 간략히 나타나 있다.  그림에서 보면, 횡축 r 방향을 그리고 종축이 z 방향을 각각 나타내고 있다. 기준이 되는 종축은 2-3방향이며, 이축에 대하여 축대칭을 이루고 있다.  혼합물의 유입부는 2-1면을 통하여 이루어지며, 7-8면을 통하여 배출되어진다.  그리고 유입부, 배출부(7-8) 그리고 대칭축(2-3)을 제외한 모든 경계면은 고정경계면으로 구성되어 있다. 고정경계면인 wafer 및 susceptor표면(3-4)과 벽면(1-8, 4-5-6-7)은 위의 실험조건에 부합되는 온도로 고정되어 있다.  이와같은 조건하에서 혼합물의 유동, 열 및 물질전달 그리고 화학반응등의 수학적 모델링을 필요로 한다. 본 반응기에 적합한 원통형 좌표계에서 연속방정식은 다음과 같이 주어진다.[3]

[eqn: {1over r} {partial over {partial r}} (rho r v_r ) + partial over {partial z} (rho v_z )=0]

여기서 [eqn: v_r~], [eqn: v_z~] 과 [eqn: rho] 는 반경방향 속도, 축방향 속도와 기체 혼합물의 밀도를 각각 나타내고 있다. 반응기내의 유체의 흐름은 지배하는 유동방정식은 다음과 같다.[3]

[eqn: rho left( v_r~ {partial v_r}over {partial r} +v_z {partial v_r}over partialz right)=- {partial P}over partialr +mu left[partial over {r~ partial r}left(r partialv_r over partialr right)+{partial^2 v_r} over partialz^2 right]]

[eqn: rho left(v_r {partialv_z}over partialr + v_z {partialv_z}over partialz right) = - partialP over partialz + mu left[1over r partial over partialr left(r~ {partialv_z}over partialr right) + {partial^2 v_z} over partialz^2 right]+rho g_z]

여기서 [eqn: P~],[eqn: mu], 와[eqn: g_z~]는 압력, 혼합물의 점도와 중력가속도를 각각 나타낸다.  본 반응기는 susceptor의 회전이 가능하도록 설계되어 있지만, 본 실험의 경우에는 susceptor의 회전을 고려하지 않았으므로 □-component에 대한 물질 방정식은 변화가 없다고 가정을 하였다. 에너지 방정식과 물질수지방정식은 다음과 같다.

[eqn: rho C_p left(v_r {partialT}over partialr + v_z {partialT}over partialz right) = k left[1over r partial over partialr left(r partialT over partialr right)+ {partial^2 T} over partialz^2 right]]

[eqn: left(v_r {partial C}over partialr + v_z {partial C}over partialz right) = D sub mix left[1over r partial over partialr left(r partialC over partialr right)+ {partial^2 C} over partialz^2 right]]

여기서 [eqn: C_p], [eqn: k~]와 [eqn: D sub mix] 는 단위질량당 열용량과 기체혼합물의 열전달계수와 확산계수를 각각 나타낸다. 여기서 벽면은 반응기내의 열손실은 계산해야 하는데 stainless steel 317이 사용되어졌으므로 이에 따른 열전도도가 필요하게 된다.  이에 대한 data는 경험값을 이용하였다[4]. 일반적으로 이동현상방정식에서 이용하는 물리적인 현상들은 온도와 압력, 그리고 유체의 성분에 관한 함수로 이루어진다. 이에 대해 이상기체방정식이 이용된다. 혼합물의 열용량, 점도, 열전도도와 확산계수는 단일성분의 값들에 근거한 경험적인 혼합 상관식들이 사용되어졌다.[3-5]

결과 및 토론

본 연구의 전산모사를 통하여 도출된 결과들은 그림 1의 (2)-(4)에 나타나 있다.  그림 (2)는 susceptor위의 2mm에서의 온도분포를 wafer의 직경에 따라 나타낸 것이다. Wafer의 크기는 4mm이므로, wafer의 중심부에서 2mm까지의 영역은 온도의 변화가 거의 없는 반면에 가장자리에서 온도가 급격히 감소함을 알 수 있다. 이는 벌크 유동의 방향이 출구쪽으로 향하고 있기 때문이며, 온도가 어느정도 일정하게 유지되고 있는 wafer 의 중심부에서는 자연대류의 영향이 증착속도에 중요한 역할을 할 것으로 예측된다.  실제로 실험적으로 증착된 양을 살펴보면 가장자리의 증착량은 중심부의 증착량에 비해 많은 차이를 냄을 알 수 있었다. 이때 bubbler 의 온도는 거의 영향을 미치지 않고 있다.  반면에 bubbler 의 온도는 DEZ의 몰분율을 결정하는데 있어서 중요한 역할을 하고 있다.  그림 (3)에서 보면, bubbler 의 온도가 증가할수록 전반적인 DEZ 의 몰분율은 증가하고 있다.  Wafer 의 면에서는 거의 균일한 값을 보여주고 있으며, 그 값은 온도에 거의 비례하는 값들을 보여주고 있다.  한편, 그림 (4)는 반응기내의 속도분포를 나타낸 것이다. Wafer 의 가장자리에서 유량들이 최대 커짐을 볼 수 있다.  실험에서 구한 박막에 대한 XRD 측정결과 bubbler 온도가 12℃일 경우의 ZnO:Zn의 비가 52:48로 가장 원하는 결과에 근접하게 나온 것을 알 수 있었다.

참고문헌

1. 한국디스플레이연구조합, □제2회 차세대 평판표시장치 기반기술개발사업

WORKSHOP", 1997.

2. Holloway,P.H., & Yu,J.E., Proc. Mat. Res. Soc. Symp., 345, 289, 1994.

3. BSL, "Transport Phenomena", Wiley, 1960.

4. Mirkovich, V.V., "Thermal Conductivity", Vol. 15, Plenum Press, 1978.

5. RPP, "The Properties of Gas & Liquids", McGraw-Hill, 1988.

⑴ 반응기의 경계조건

⑵ 반응기내의 온도분포

⑶ 반응기내의 몰분율

(4) 반응기내의 속도분포

그림 1.  POLYFLOW 를 활용한 MOCVD 반응기의 전산모사