태양전지, 디스플레이장치 등의 투명전극에 주로 사용되는 ITO(Indium Tin Oxide)는 In의 희소성으로 인한 고가격과 유독성, 화학적 불안정성 등의 문제 때문에 이를 대체 할 수 있는 물질인 SnO2 (Tin Oxide)에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다. 불순물이 첨가 되지 않은 SnO2는 대기중에 노출 시 산소의 흡착으로 인하여 ...
태양전지, 디스플레이장치 등의 투명전극에 주로 사용되는 ITO(Indium Tin Oxide)는 In의 희소성으로 인한 고가격과 유독성, 화학적 불안정성 등의 문제 때문에 이를 대체 할 수 있는 물질인 SnO2 (Tin Oxide)에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다. 불순물이 첨가 되지 않은 SnO2는 대기중에 노출 시 산소의 흡착으로 인하여 면 저항이 증가되는 단점으로 인해 상용화가 어렵다. 그러나 3가 및 5가 원소를 SnO2에 치환하여 기법을 사용하면 광투과도는 유지함과 동시에 보다 높은 전기전도도를 가진 투명전극 물질을 만들 수 있다. 본 연구에서는 3가 및 5가 원소를 치환한 SnO2 투명전극을 PLD (pulsed laser deposion)법을 이용하여 제작한 후 이의 치환원소 효과를 규명함으로써 고특성 SnO2 투명전극을 구현하고자 하였으며, 또한 Sb2O3-SnO2 및 Al/SnO2/Al의 투명전극을 PLD 및 스퍼터링법을 이용하여 각각 제작 후 열처리를 수행함으로써 p-형 SnO2투명전극을 제작하고자 하였다 이에 본 연구의 연구결과는 다음과 같다.
1. SnO2 투명전극의 특성에 미치는 5가원소의 영향 SnO2내에 5가원소(Nb2O5, Ta2O5, Sb2O5)의 치환효과를 규명하고자 하였다. 연구 결과는 다음과 같이 요약할 수 있다. - Sb2O5-SnO2 투명전극의 모든 박막에서는 광투과율이 80%이상으로 우수하고 optical band gap(direct)이 4.22∼4.27로 넓게 나타나는 박막을 제작할 수 있었다. 결론적으로 Sb2O5를 6wt.%, 산소압력을 60mTorr, 기판온도를 500℃에서 제작한 Sb2O5-SnO2 투명전극에서 광투과도 84%, 비저항값은 6.8×10-4Ω?㎝의 가장 우수한 n-형 투명전극 특성을 가지는 것으로 확인되었으며, 이에 순수 SnO2의 비저항이 수 Ω?㎝인 것에 비추어 볼 때 Sb2O5가 첨가됨으로써, 보다 향상된 투명전극 특성을 가질 수 있는 치환효과를 나타낸 것으로 판단할 수 있다.
2. SnO2 투명전극의 특성에 미치는 3가원소의 영향 SnO2내에 3가원소(Bi2O3, Al2O3, Y2O3, Ga2O3, Sb2O3)의 치환효과를 규명하고자 하였다. 연구 결과는 다음과 같이 요약할 수 있다. - Sb2O3-SnO2 투명전극의 모든 박막에서는 광투과율이 80%이상을 가지는 것을 확인하였으며 결론적으로 Sb2O3을 6wt.%, 산소압력을 60mTorr, 기판 온도를 500℃에서 제작한 Sb2O3-SnO2 투명전극에서 광투과도 84%, 비저항값은 1.3×10-3Ω?㎝의 가장 낮은 값을 가지는 n-형 투명전극이 형성인 것으로 확인되었으며, 이 역시 5가의 Sb첨가시와 마찬가지로 순수 SnO2의 비저항이 수 Ω?㎝인 것에 비추어 볼 때 Sb2O3가 첨가됨으로써, 보다 향상된 투명전극 특성을 가질 수 있는 치환효과를 나타낸 것으로 판단할 수 있다.
3. SnO2 투명전극의 특성에 미치는 5가 및 3가원소 동시치환 효과 - Al2O3과 Y2O3 을 SnO2에 동시 치환하여 이온반경을 주격자 이온(Sn4+)과의 이온반경비를 유사하게 조절함으로써 Strain energy를 보다 감소시켜 고용영역을 확대하고자 하였다. 결론적으로 Al과 Y의 첨가량이 4 : 2 일 때 평균이온 반경이 Sn4+과 가장 유사한 것으로 확인되었으며, 이에 가장 낮은 비저항값인 6.7×10-3Ω?㎝를 가지는 n-형 투명전극이 형성되는 것이 확인 되었다.
4. Sb2O3-SnO2 투명전극 전도거동에 미치는 열처리의 영향 - 박막두께 500nm로 제작된 Sb2O3-SnO2 투명전극에서는 상대적으로 얇은 두 께를 가짐으로써 보다 많은 치환에너지가 제공되어 800℃, 4시간 열처리된 15wt%.-Sb3+이온의 조성이 첨가된 Sb2O3-SnO2. 투명전극에서 비저항 1.4×10-1Ω?㎝, 광투과율 80%이상의 우수한 특성을 가지는 p-형 Sb2O3-SnO2 투명전극이 형성되는 것을 확인할 수 있었다. - 15wt%.-Sb3+이온의 조성첨가 및 두께 500nm로 Sb2O3-SnO2 투명전극을 제작 한 후 600 ∼ 1000℃까지 100℃의 온도간격을 두고 열처리를 수행 후 홀 특성을 분석한 결과 측정된 샘플 모두 I-V curve 측정을 통해 오믹접촉을 하는 것으로 평가되었다. p-형 거동의 샘플에서는 800℃를 기점으로 가장 낮은 비저항 특성을 가지는 것으로 확인 되었으나 그 이상의 열처리 온도에서는 다시 비저항이 상승하는 것으로 확인되었다.
5. Al/SnO2/Al 다층투명전극 전도거동에 미치는 열처리의 영향 - Al 두께 50nm를 최적두께로 선택하여 Al(50nm)/SnO2(800nm)/Al(50nm)의 다 층 박막 제작 후 열처리 온도를 350 ~ 550℃까지 50℃ 간격을 두고 각각 4시간 열처리한 후 특성평가를 수행해보았다. 결정구조 분석 결과 450℃까지의 열처리 온도에서는 모두 SnO2의 결정구조인 Tetragonal rutile structure이 형성되는 것이 확인되었으나, 그 이상의 온도에서는 Al-O간에서 형성된 새로운 화합물인 AlxOy가 존재하는 것을 예측 할 수 있었으며, 이는 SIMS 분석결과 및 JCPDF-893072로써 Al-O간 화합물의 생성을 확인할 수 있었다. - 전기적, 광학적 특성분석 결과 열처리 온도 450℃에서 p-형을 가짐과 동시에 평균투과율 80% 이상, 비저항 5.38×10-1 Ω·㎝의 p-형으로써 우수한 특성을 가지는 투명전극이 제작되는 것을 확인하였으며, 그 이상의 온도에서는 다시 비저항이 상승 하는 거동이 나타났는데, 이는 박막 내 AlxOy가 존재함으로써 전기이동도(σ)를 감소시켜 나타나는 현상으로 설명할 수 있다.
태양전지, 디스플레이장치 등의 투명전극에 주로 사용되는 ITO(Indium Tin Oxide)는 In의 희소성으로 인한 고가격과 유독성, 화학적 불안정성 등의 문제 때문에 이를 대체 할 수 있는 물질인 SnO2 (Tin Oxide)에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다. 불순물이 첨가 되지 않은 SnO2는 대기중에 노출 시 산소의 흡착으로 인하여 면 저항이 증가되는 단점으로 인해 상용화가 어렵다. 그러나 3가 및 5가 원소를 SnO2에 치환하여 기법을 사용하면 광투과도는 유지함과 동시에 보다 높은 전기전도도를 가진 투명전극 물질을 만들 수 있다. 본 연구에서는 3가 및 5가 원소를 치환한 SnO2 투명전극을 PLD (pulsed laser deposion)법을 이용하여 제작한 후 이의 치환원소 효과를 규명함으로써 고특성 SnO2 투명전극을 구현하고자 하였으며, 또한 Sb2O3-SnO2 및 Al/SnO2/Al의 투명전극을 PLD 및 스퍼터링법을 이용하여 각각 제작 후 열처리를 수행함으로써 p-형 SnO2투명전극을 제작하고자 하였다 이에 본 연구의 연구결과는 다음과 같다.
1. SnO2 투명전극의 특성에 미치는 5가원소의 영향 SnO2내에 5가원소(Nb2O5, Ta2O5, Sb2O5)의 치환효과를 규명하고자 하였다. 연구 결과는 다음과 같이 요약할 수 있다. - Sb2O5-SnO2 투명전극의 모든 박막에서는 광투과율이 80%이상으로 우수하고 optical band gap(direct)이 4.22∼4.27로 넓게 나타나는 박막을 제작할 수 있었다. 결론적으로 Sb2O5를 6wt.%, 산소압력을 60mTorr, 기판온도를 500℃에서 제작한 Sb2O5-SnO2 투명전극에서 광투과도 84%, 비저항값은 6.8×10-4Ω?㎝의 가장 우수한 n-형 투명전극 특성을 가지는 것으로 확인되었으며, 이에 순수 SnO2의 비저항이 수 Ω?㎝인 것에 비추어 볼 때 Sb2O5가 첨가됨으로써, 보다 향상된 투명전극 특성을 가질 수 있는 치환효과를 나타낸 것으로 판단할 수 있다.
2. SnO2 투명전극의 특성에 미치는 3가원소의 영향 SnO2내에 3가원소(Bi2O3, Al2O3, Y2O3, Ga2O3, Sb2O3)의 치환효과를 규명하고자 하였다. 연구 결과는 다음과 같이 요약할 수 있다. - Sb2O3-SnO2 투명전극의 모든 박막에서는 광투과율이 80%이상을 가지는 것을 확인하였으며 결론적으로 Sb2O3을 6wt.%, 산소압력을 60mTorr, 기판 온도를 500℃에서 제작한 Sb2O3-SnO2 투명전극에서 광투과도 84%, 비저항값은 1.3×10-3Ω?㎝의 가장 낮은 값을 가지는 n-형 투명전극이 형성인 것으로 확인되었으며, 이 역시 5가의 Sb첨가시와 마찬가지로 순수 SnO2의 비저항이 수 Ω?㎝인 것에 비추어 볼 때 Sb2O3가 첨가됨으로써, 보다 향상된 투명전극 특성을 가질 수 있는 치환효과를 나타낸 것으로 판단할 수 있다.
3. SnO2 투명전극의 특성에 미치는 5가 및 3가원소 동시치환 효과 - Al2O3과 Y2O3 을 SnO2에 동시 치환하여 이온반경을 주격자 이온(Sn4+)과의 이온반경비를 유사하게 조절함으로써 Strain energy를 보다 감소시켜 고용영역을 확대하고자 하였다. 결론적으로 Al과 Y의 첨가량이 4 : 2 일 때 평균이온 반경이 Sn4+과 가장 유사한 것으로 확인되었으며, 이에 가장 낮은 비저항값인 6.7×10-3Ω?㎝를 가지는 n-형 투명전극이 형성되는 것이 확인 되었다.
4. Sb2O3-SnO2 투명전극 전도거동에 미치는 열처리의 영향 - 박막두께 500nm로 제작된 Sb2O3-SnO2 투명전극에서는 상대적으로 얇은 두 께를 가짐으로써 보다 많은 치환에너지가 제공되어 800℃, 4시간 열처리된 15wt%.-Sb3+이온의 조성이 첨가된 Sb2O3-SnO2. 투명전극에서 비저항 1.4×10-1Ω?㎝, 광투과율 80%이상의 우수한 특성을 가지는 p-형 Sb2O3-SnO2 투명전극이 형성되는 것을 확인할 수 있었다. - 15wt%.-Sb3+이온의 조성첨가 및 두께 500nm로 Sb2O3-SnO2 투명전극을 제작 한 후 600 ∼ 1000℃까지 100℃의 온도간격을 두고 열처리를 수행 후 홀 특성을 분석한 결과 측정된 샘플 모두 I-V curve 측정을 통해 오믹접촉을 하는 것으로 평가되었다. p-형 거동의 샘플에서는 800℃를 기점으로 가장 낮은 비저항 특성을 가지는 것으로 확인 되었으나 그 이상의 열처리 온도에서는 다시 비저항이 상승하는 것으로 확인되었다.
5. Al/SnO2/Al 다층투명전극 전도거동에 미치는 열처리의 영향 - Al 두께 50nm를 최적두께로 선택하여 Al(50nm)/SnO2(800nm)/Al(50nm)의 다 층 박막 제작 후 열처리 온도를 350 ~ 550℃까지 50℃ 간격을 두고 각각 4시간 열처리한 후 특성평가를 수행해보았다. 결정구조 분석 결과 450℃까지의 열처리 온도에서는 모두 SnO2의 결정구조인 Tetragonal rutile structure이 형성되는 것이 확인되었으나, 그 이상의 온도에서는 Al-O간에서 형성된 새로운 화합물인 AlxOy가 존재하는 것을 예측 할 수 있었으며, 이는 SIMS 분석결과 및 JCPDF-893072로써 Al-O간 화합물의 생성을 확인할 수 있었다. - 전기적, 광학적 특성분석 결과 열처리 온도 450℃에서 p-형을 가짐과 동시에 평균투과율 80% 이상, 비저항 5.38×10-1 Ω·㎝의 p-형으로써 우수한 특성을 가지는 투명전극이 제작되는 것을 확인하였으며, 그 이상의 온도에서는 다시 비저항이 상승 하는 거동이 나타났는데, 이는 박막 내 AlxOy가 존재함으로써 전기이동도(σ)를 감소시켜 나타나는 현상으로 설명할 수 있다.
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