[논문]폴리머 기판상의 Al-doped ZnO 박막의 두께에 따른 특성 변화

김봉석; 김응권; 강현일; 이규일; 이태용; 송준태

doi:10.5757/jkvs.2007.16.2.105

초록
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본 논문에서는 AZO 박막 두께 변화에 따른 구조적, 전기적, 광학적 특성의 영향에 대하여 연구하기 위하여 폴리카보네이트(PC : polycarbonate) 기판 위에 DC 스퍼터링법으로 증착시간을 변화시켜 박막의 두께를 조절하였다. 박막의 두께는 100 nm에서 500 nm까지 100 nm단위로 실험하였으며, 제작된 AZO 박막의 비저항 특성은 four point probe system를 이용하여 측정하였고, 박막의 입자크기, 표면상태를 Environment Secondary Electron Microscopy (ESEM)으로 관찰하였다. 또한 AZO 박막의 결정상태를 조사하기 위하여 High Resolution X-Ray Diffractometer (HR-XRD)를 이용하였고 광학적 투과도는 UV-visible spectrophotometer를 이용하여 분석하였다. 실험 결과 모든 박막에서 90% 이상의 광투과도를 보였으며 400 nm과 500 nm 두께의 AZO 박막에서는 $4.5{\times}10^{-3}\;{\Omega}-cm$의 비저항과 3.61 eV의 광밴드갭 에너지를 보였다.

Abstract ▼ AI-Helper

In this paper, we fabricated TCO (transparent conductive oxide) electrode on flexible substrate in order to study effects of electrical and optical properties according to Al-doped ZnO(AZO) film thickness. The thickness of film was from 100 nm to 500 nm and was controlled by changing deposition time...

In this paper, we fabricated TCO (transparent conductive oxide) electrode on flexible substrate in order to study effects of electrical and optical properties according to Al-doped ZnO(AZO) film thickness. The thickness of film was from 100 nm to 500 nm and was controlled by changing deposition time. We used High Resolution X-ray Diffractometer (HR-XRD) to analyze crystal structure and UV-visible spectrophotometer to measure property of optical transmittance, respectively. The surface images are obtained by using ESEM (Environment Scanning Electron Microscopy). In this experiment, all the AZO films deposited on flexible substrate show high transmittance over 90% and especially in the films with 400 nm and 500 nm thickness, the resistivity ($4.5{\times}10^{-3}\;{\Omega}-cm$) and optical bandgap energy (3.61 eV) are superior to the other films.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서 AZO 박막 두께 변화에 따른 구조적, 전기적, 광학적 특성의 영향에 대하여 연구하기 위하여 폴리카보네이트 기판 위에 DC 스퍼터링법으로 증착시간을 변화시켜 박막의 두께를 달리한 박막을 제조하였다. 박막의 두께는 100 nm에서 500 nm까지 100 nm단위로 제조하였다.

제안 방법

투명전도막을 제조하였다. Al-doped ZnO (AZO) 박막의 증착은 투명전도막의 적용에 있어서 가장 적합한 조건을 얻기 위하여 두께를 달리하여 제조하였다. 박막의 두께는 100 nm에서 500 nm까지 100 nm단위로 제작하였으며 박막의 조건에 따라 전기적, 광학적 특성에 관하여 연구하였다.
0 wt% 도핑한 2인치 ZnO 타겟을 이용하였다. 기존의 실험으로부터 AZO의 증착율을계산하였고, 이를 이용하여 스퍼터링 시간을 조절함으로써 박막의 두께를 제어하였다.
두께를 달리하여 제조된 박막의 결정학적 특성을 HR- XRD (Bruker D8 Discover)를 이용하여 분석하였으며, 전기적 특성은 four point probe system을 이용하였다. 또한 AZO 박막의 광투과도와 표면형상은 각각 UV-visible spectrophotometer (cary5000)와 ESEM (Philips XL30 ESEM-FEG)을 이용하여 분석하였다.
또한 AZO 박막의 광투과도와 표면형상은 각각 UV-visible spectrophotometer (cary5000)와 ESEM (Philips XL30 ESEM-FEG)을 이용하여 분석하였다.
Al-doped ZnO (AZO) 박막의 증착은 투명전도막의 적용에 있어서 가장 적합한 조건을 얻기 위하여 두께를 달리하여 제조하였다. 박막의 두께는 100 nm에서 500 nm까지 100 nm단위로 제작하였으며 박막의 조건에 따라 전기적, 광학적 특성에 관하여 연구하였다.

대상 데이터

본 연구에서는 폴리카보네이트 (PC : poly- carbonate) 기판 위에 A1 을 2 wt% 도핑한 Zinc oxide (ZnO)를 이용하여 투명전도막을 제조하였다. Al-doped ZnO (AZO) 박막의 증착은 투명전도막의 적용에 있어서 가장 적합한 조건을 얻기 위하여 두께를 달리하여 제조하였다.
아르곤 가스는 MFC (Mass Flow Controller)를 통하여 15 seem을 일정하게 주입하였으며 입력 전력은 60 W로 고정하였다. 증착 중 기판의 변형을 방지하기 위하여 온도는 의도적으로 가열하지 않고 상온에서 증착하였으며 A1 을 2.0 wt% 도핑한 2인치 ZnO 타겟을 이용하였다. 기존의 실험으로부터 AZO의 증착율을계산하였고, 이를 이용하여 스퍼터링 시간을 조절함으로써 박막의 두께를 제어하였다.
투명전도막의 제작을 위해서 먼저 0.5 mm 두께의 폴리카보네이트 기판을 준비하였고 박막의 증착은 DC sputtering 방법을 이용하였다. 아르곤 가스는 MFC (Mass Flow Controller)를 통하여 15 seem을 일정하게 주입하였으며 입력 전력은 60 W로 고정하였다.

성능/효과

이 방법을 통하여 얻은 AZO박막의 두께에 따른 광 밴드갭 에너지를 표 1에 나타내었다. 100 nm에서 3.4 eV인광밴드갭 에너지는 박막의 두께가 증가함에 따라 급격히증가하여 400 nm에서 3.61 eV의 큰 값을 보였다. 광밴드갭 에너지는 크게 박막의 응력과 도핑농도의 효과(Moss- Burstein effect)에 의하여 변화될 수 있다.
박막의 두께는 100 nm에서 500 nm까지 100 nm단위로 제조하였다. 실험 결과 400 nm와 500 nm의 두께로 성장시킨 박막에서 4.5X10-3 Q-cm의 비저항, 90%의 광투과도, 그리고 3.61 eV의 광밴드갭으로 100, 200, 300 nm 두께의 박막보다 우수한 특성을 보였다. 그러나 이러한 결과는 유리기판 위에 증착시킨 AZO 박막보다 비저항 특성에 있어서높은 값을 보이기 때문에 투명전도막 응용을 위해서는 앞으로의 연구를 통하여 박막의 비저항 특성을 더욱 향상시켜야 할 것이다.
3°에서 발생한 피크 외의 피크들은 박막을 증착시키지 않은 폴리카보네이트 기판을 분석하였을 때와 동일한 결과로 나타나는 것으로부터 기판에 의해 발생한 피크임을 확인할 수 있었다. 즉 AZO 에 의해 발생한 피크는 34.3°에서 발생한 피크이고 이것은 JCPDS (36-1451) 카드로부터 (002) 피크임을 확인하였다. 그리고 박막의 두께가 증가함에 따라 (002) 피크의 강도가 증가하는 것으로부터 박막 두께의 증가에 따라 회절된 X-선의 강도가 증가하였음을 알 수 있었다 [4].
6°에서 크게 발생하였다. 하지만 34.3°에서 발생한 피크 외의 피크들은 박막을 증착시키지 않은 폴리카보네이트 기판을 분석하였을 때와 동일한 결과로 나타나는 것으로부터 기판에 의해 발생한 피크임을 확인할 수 있었다. 즉 AZO 에 의해 발생한 피크는 34.

후속연구

61 eV의 광밴드갭으로 100, 200, 300 nm 두께의 박막보다 우수한 특성을 보였다. 그러나 이러한 결과는 유리기판 위에 증착시킨 AZO 박막보다 비저항 특성에 있어서높은 값을 보이기 때문에 투명전도막 응용을 위해서는 앞으로의 연구를 통하여 박막의 비저항 특성을 더욱 향상시켜야 할 것이다.

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