현재 LCD, PDP, OLED, 태양전지, 광센서 등 여러 응용분야에서 투명전도 산화막(TCO, ...
현재 LCD, PDP, OLED, 태양전지, 광센서 등 여러 응용분야에서 투명전도 산화막(TCO, transparent conducting oxide)이 다양하게 쓰이고 있다. 이에 따라 각종 소자의 개발이 가속화 되면서 이러한 소자에 필수적인 투광성과 전기 전도성이 우수한 투명 전극용 재료의 개발이 활발하게 이루어지고 있다. 가장 널리 사용되고 있는 투명전도 산화막 재료는 ITO로 1990년대부터 마그네트론 스퍼터링법을 사용하여 증착면적이 대형화됨에 따라 디스플레이에 사용되기 시작하였다. ITO (indium tin oxide)는 산화인듐(In2O3)을 혼합하여 사용하며, 산화주석이 5-10 wt% 함유되었을 경우 투명전극으로의 특성이 가장 좋기 때문에 상품화된 타겟의 경우 산화주석을 10 wt% 함유한 조성을 많이 사용하고 있다. 이렇게 투명 전극 재료의 대표적인 물질인 ITO는 디스플레이 산업에 있어 없어서는 안 될 핵심적인 부품 중의 하나이다. 그러나 수요증가에 따른 In의 가격상승과 수소플라즈마에 노출 시 특성의 열화 발생이 문제시 되고 있다. 이러한 ITO의 단점을 보완할 수 있는 재료로 SnO2 나 ZnO에 적절한 불순물을 첨가한 물질들에 대한 연구가 활발히 이루어지고 있다. 그 중에 특히 ZnO는 적외선 및 가시광선 영역에서의 투광성과 전기전도성이 우수하며, 수소플라즈마에 대한 내구성이 좋고, 원재료의 가격이 비교적 낮은 점 등으로 볼 때 ITO를 대체하기 위한 재료로 적당하다고 여겨지고 있다1). 그런데 3.3 eV 정도의 넓은 에너지 금지대역을 가지는 n-type 반도체인 ZnO가 높은 전기전도도를 지니기 위해서는 ZnO 내부에서 Zn와 O의 화학 양론적 정량비가 어긋남에 따라 과량의 Zn에 의한 interstitial 이나 O vacancy 가 전자주게의 역할을 해야 하는 것으로 알려져 있다. 따라서 과량의 Zn를 포함한 ZnO박막은 산소 분위기에서 열처리를 거치면 Zn와 O의 정량비가 변함에 따라 전기적 성질의 열화가 발생하게 되므로, 이러한 전기적 성질의 열적 불안정성을 해결하고 전기적 성질의 향상을 위해 Al, Ga, In 등 여러 가지 첨가물을 사용하고 있다.2-4) 최근에는 ITO보다 가격과 독성이 낮고 수소 플라즈마 에서도 안정한 doped-Zno (AZO, GZO, IZO) 주목 받고 있다. 하지만 이러한 장점들에도 불구하고 태양전지 전극에 제한적으로 사용되고 있다. 좀 더 효율적인 태양전지(CdTe, DSSC) 디바이스를 만들기 위해선 대기중 고온의 공정이 필요하지만 GZO막은 대기중에서 300◦C 정도만 되어도 비저항이 급격히 증가하는 열적 불안정성을 나타내 투명전극의 기능을 하지 못하기 때문이다. 이러한 열화 현상의 원인은 대기중 산소 또는 물 분자가 표면에 흡착되어 결정 입계 사이를 통하여 박막의 내부로 쉽게 침투하게 되고 산소원자는 전 산소 공공과 결합하여 캐리어 밀도를 감소시키고 결정립계에 흡착된 산소 또는 물분자는 전하를 트랩시켜 또 다른 전자의 이동도를 감소시켜 전체적인 전도도를 감소시키게 된다고 보고되어 있다.5) 따라서 본 연구는 상대적으로 열적으로 안정하고 투습이 낮은 비정질ZTO 박막을 GZO 단일막 위에 마그네트론 스퍼터를 이용해 증착하여 열적 안정성을 개선시키고자 실험을 진행하였다.
현재 LCD, PDP, OLED, 태양전지, 광센서 등 여러 응용분야에서 투명전도 산화막(TCO, transparent conducting oxide)이 다양하게 쓰이고 있다. 이에 따라 각종 소자의 개발이 가속화 되면서 이러한 소자에 필수적인 투광성과 전기 전도성이 우수한 투명 전극용 재료의 개발이 활발하게 이루어지고 있다. 가장 널리 사용되고 있는 투명전도 산화막 재료는 ITO로 1990년대부터 마그네트론 스퍼터링법을 사용하여 증착면적이 대형화됨에 따라 디스플레이에 사용되기 시작하였다. ITO (indium tin oxide)는 산화인듐(In2O3)을 혼합하여 사용하며, 산화주석이 5-10 wt% 함유되었을 경우 투명전극으로의 특성이 가장 좋기 때문에 상품화된 타겟의 경우 산화주석을 10 wt% 함유한 조성을 많이 사용하고 있다. 이렇게 투명 전극 재료의 대표적인 물질인 ITO는 디스플레이 산업에 있어 없어서는 안 될 핵심적인 부품 중의 하나이다. 그러나 수요증가에 따른 In의 가격상승과 수소플라즈마에 노출 시 특성의 열화 발생이 문제시 되고 있다. 이러한 ITO의 단점을 보완할 수 있는 재료로 SnO2 나 ZnO에 적절한 불순물을 첨가한 물질들에 대한 연구가 활발히 이루어지고 있다. 그 중에 특히 ZnO는 적외선 및 가시광선 영역에서의 투광성과 전기전도성이 우수하며, 수소플라즈마에 대한 내구성이 좋고, 원재료의 가격이 비교적 낮은 점 등으로 볼 때 ITO를 대체하기 위한 재료로 적당하다고 여겨지고 있다1). 그런데 3.3 eV 정도의 넓은 에너지 금지대역을 가지는 n-type 반도체인 ZnO가 높은 전기전도도를 지니기 위해서는 ZnO 내부에서 Zn와 O의 화학 양론적 정량비가 어긋남에 따라 과량의 Zn에 의한 interstitial 이나 O vacancy 가 전자주게의 역할을 해야 하는 것으로 알려져 있다. 따라서 과량의 Zn를 포함한 ZnO박막은 산소 분위기에서 열처리를 거치면 Zn와 O의 정량비가 변함에 따라 전기적 성질의 열화가 발생하게 되므로, 이러한 전기적 성질의 열적 불안정성을 해결하고 전기적 성질의 향상을 위해 Al, Ga, In 등 여러 가지 첨가물을 사용하고 있다.2-4) 최근에는 ITO보다 가격과 독성이 낮고 수소 플라즈마 에서도 안정한 doped-Zno (AZO, GZO, IZO) 주목 받고 있다. 하지만 이러한 장점들에도 불구하고 태양전지 전극에 제한적으로 사용되고 있다. 좀 더 효율적인 태양전지(CdTe, DSSC) 디바이스를 만들기 위해선 대기중 고온의 공정이 필요하지만 GZO막은 대기중에서 300◦C 정도만 되어도 비저항이 급격히 증가하는 열적 불안정성을 나타내 투명전극의 기능을 하지 못하기 때문이다. 이러한 열화 현상의 원인은 대기중 산소 또는 물 분자가 표면에 흡착되어 결정 입계 사이를 통하여 박막의 내부로 쉽게 침투하게 되고 산소원자는 전 산소 공공과 결합하여 캐리어 밀도를 감소시키고 결정립계에 흡착된 산소 또는 물분자는 전하를 트랩시켜 또 다른 전자의 이동도를 감소시켜 전체적인 전도도를 감소시키게 된다고 보고되어 있다.5) 따라서 본 연구는 상대적으로 열적으로 안정하고 투습이 낮은 비정질 ZTO 박막을 GZO 단일막 위에 마그네트론 스퍼터를 이용해 증착하여 열적 안정성을 개선시키고자 실험을 진행하였다.
ZnO was a limit of application on photovoltaic devices such as CIGS, CdTe, and DSSC requiring high process temperature, because it’s electrical resistivity unstable above 300◦C at atmosphere. Therefore, we introduced ZTO (zinc tin oxide) to improve permeability and thermal stability of GZO fil...
ZnO was a limit of application on photovoltaic devices such as CIGS, CdTe, and DSSC requiring high process temperature, because it’s electrical resistivity unstable above 300◦C at atmosphere. Therefore, we introduced ZTO (zinc tin oxide) to improve permeability and thermal stability of GZO film. The resistivity of GZO (300nm) single layer increased remarkably from 1.8×10-3Ωcm to 5.5×10-1Ωcm, when GZO was post-annealed at 400◦C in air atmosphere. In the case of the ZTO (150nm)/GZO (150nm) double layer, resistivity showed relatively small change from 3.1×10-3Ωcm (RT) to 1.2×10-2Ωcm (400◦C), which showed good agreement with change of carrier density. This result means that ZTO upper layer act as a barrier for oxygen at high temperature. Also ZTO (150nm)/GZO (150nm) double layer showed lower WVTR compared to GZO (300nm) single layer. Because ZTO has lower WVTR compared to GZO, ZTO thin film acts as a barrier by preventing oxygen and water molecules to penetrate on top of GZO thin film.
ZnO was a limit of application on photovoltaic devices such as CIGS, CdTe, and DSSC requiring high process temperature, because it’s electrical resistivity unstable above 300◦C at atmosphere. Therefore, we introduced ZTO (zinc tin oxide) to improve permeability and thermal stability of GZO film. The resistivity of GZO (300nm) single layer increased remarkably from 1.8×10-3Ωcm to 5.5×10-1Ωcm, when GZO was post-annealed at 400◦C in air atmosphere. In the case of the ZTO (150nm)/GZO (150nm) double layer, resistivity showed relatively small change from 3.1×10-3Ωcm (RT) to 1.2×10-2Ωcm (400◦C), which showed good agreement with change of carrier density. This result means that ZTO upper layer act as a barrier for oxygen at high temperature. Also ZTO (150nm)/GZO (150nm) double layer showed lower WVTR compared to GZO (300nm) single layer. Because ZTO has lower WVTR compared to GZO, ZTO thin film acts as a barrier by preventing oxygen and water molecules to penetrate on top of GZO thin film.
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