[논문]폴리머 애자 코팅을 위한 스퍼터링 되어진 TiO2 박막의 특성

박용섭; 정호성; 박철민; 박영; 김형철

doi:10.5757/jkvs.2012.21.3.158

폴리머 애자 코팅을 위한 스퍼터링 되어진 TiO2 박막의 특성
Characteristics of Sputtered TiO2 Thin Films for Coating of Polymer Insulator 원문보기

韓國眞空學會誌 = Journal of the Korean Vacuum Society, v.21 no.3, 2012년, pp.158 - 163

박용섭 (조선이공대학교 광전자정보과) , 정호성 (한국철도기술연구원) , 박철민 (한국철도기술연구원) , 박영 (한국철도기술연구원) , 김형철 (한국철도기술연구원)

초록
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본 연구에서는 폴리머 애자의 자가세정 코팅을 위한 소재로써 $TiO_2$ 박막을 실리콘과 유리, 폴리머애자 기판위에 증착하였다. $TiO_2$ 박막은 $TiO_2$ 세라믹 타겟이 부착된 RF 마그네트론 스퍼터링 장치를 이용하여 증착하였다. $TiO_2$ 박막은 스퍼터링의 다양한 공정조건 중 RF 파워의 크기에 따라 100 nm의 두께로 증착하였다. RF 파워에 따라 증착되어진 $TiO_2$ 박막의 접촉각, 표면거칠기등 표면 특성을 확인하였으며, UV-visible등 광학적 특성을 고찰하여, 구조적 특성과의 관계를 고찰하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

In this work, we have fabricated the $TiO_2$ thin films on Si and glass, polymer insulator substrates as the self-cleaning coating of polymer insulator. $TiO_2$ films were deposited by RF magnetron sputtering method with $TiO_2$ ceramic target and $TiO_2$ films of 100 nm thickness were fabricated with various RF powers. We have investigated the optical and surface, and structural properties of $TiO_2$ films prepared with various RF powers. As a result, the value of the contact angle of $TiO_2$ thin film is increased with increasing RF power and the value of the rms surface roughness is increased. The transmittance is decreased with increasing RF power. These results indicate that the variation of the surface and optical properties of $TiO_2$ thin films is related to the sputtering effects by increasing RF power.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

그러나 고분자 애자의 경우 재질의 특성 때문에 자기애자보다 분진의 부착이 쉽고 부착된 분진의 세척이 어려운 단점을 가지고 있어, 장기 사용 시 특성 변화가 우려되며, 고분자 애자를 직류전기철도에 적용하기 위해서는 내오손성, 내아크성뿐만 아니라 세척이 특히 용이해야한다[1]. 본 연구에서는 고분자 애자의 자연 세척을 위한 방법으로 광촉매 재료를 제안하였다. 광촉매는 환경 문제를 해결하기 위한 환경 정화 기술의 대안으로써 대두되고 있으며 현재 많은 연구가 진행되고 있다.
본 연구에서는 폴리머 애자의 전기적 절연과 표면 정화를 위한 코팅 소재로써 TiO₂ 박막을 제작하였다. TiO₂ 박막은 RF 마그네트론 스퍼터링 장치로 RF 파워에 따라 실리콘과 유리 기판위에 100 nm의 두께로 증착하였다.

제안 방법

RF 마그네트론 스퍼터링법으로 유리와 실리콘 기판위에 TiO₂ 박막을 증착하였다. 기판은 증류수, 에탄올, 아세톤을 사용하여 세척하였으며, 4인치 TiO₂ 세라믹을 사용하였다.
증착되어진 TiO₂ 박막의 미세구조는 X-ray diffractometer [XRD: Bruker, AXS D8 Discover]로 분석하였고, 박막의 단면과 표면특성은 field emission scanning elecctron microscopy [FESEM: JEOL JSM-6700F], AFM [Atomic force microscopy], 접촉각[Contact angle] 등을 이용하여 확인하였다. 또한 광학적 특성은 UV-visible spectrophotometer [Hitachi, U 3000]를 이용하여 분석하였다.
본 연구에서는 RF 마그네트론 스퍼터링법을 이용하여 실리콘, 유리, 그리고 고분자 애자 기판 위에 RF 파워에 따른 TiO₂ 박막을 증착하였으며, 증착되어진 TiO₂ 박막의 미세구조와 표면 특성, 광학적 특성을 분석하였으며 광촉매 성능간의 상관관계를 고찰하였다.
증착전 타겟에 존재하는 불순물이나 산화막을 제거하기 위하여 5분동안 pre-sputtering을 실시하였으며, TiO₂ 박막은 RF 파워의 크기에 따라 100 nm의 두께로 합성하였다. 증착되어진 TiO₂ 박막의 미세구조는 X-ray diffractometer [XRD: Bruker, AXS D8 Discover]로 분석하였고, 박막의 단면과 표면특성은 field emission scanning elecctron microscopy [FESEM: JEOL JSM-6700F], AFM [Atomic force microscopy], 접촉각[Contact angle] 등을 이용하여 확인하였다. 또한 광학적 특성은 UV-visible spectrophotometer [Hitachi, U 3000]를 이용하여 분석하였다.
타겟과 기판과의 거리는 60 mm이며, 기판의 회전속도는 5 rpm을 유지하였다. 증착전 타겟에 존재하는 불순물이나 산화막을 제거하기 위하여 5분동안 pre-sputtering을 실시하였으며, TiO₂ 박막은 RF 파워의 크기에 따라 100 nm의 두께로 합성하였다. 증착되어진 TiO₂ 박막의 미세구조는 X-ray diffractometer [XRD: Bruker, AXS D8 Discover]로 분석하였고, 박막의 단면과 표면특성은 field emission scanning elecctron microscopy [FESEM: JEOL JSM-6700F], AFM [Atomic force microscopy], 접촉각[Contact angle] 등을 이용하여 확인하였다.

대상 데이터

박막을 제작하였다. TiO₂ 박막은 RF 마그네트론 스퍼터링 장치로 RF 파워에 따라 실리콘과 유리 기판위에 100 nm의 두께로 증착하였다. RF파워의 증가에 따라 TiO₂ 박막의 증착율이 증가되었으며 박막의 거친 표면을 야기하였다.
박막을 증착하였다. 기판은 증류수, 에탄올, 아세톤을 사용하여 세척하였으며, 4인치 TiO₂ 세라믹을 사용하였다. TiO₂ 박막 증착전 스퍼터의 초기 진공도는 3.

성능/효과

60 W의 RF 파워에서는 90% (400∼800 nm)의 투과율을 보이고, 100 W의 RF 파워까지는 87%의 투과도로 우수한 투명성을 보였지만 120 W의 RF 파워에서는 78%까지 투과도가 감소하였다.
RF 파워가 증가함에 따라 접촉각은 증가하였으며, 낮은 RF 파워인 60 W에서는 약 39º 정도 나타내며 120 W의 높은 RF 파워에서는 62º 이상의 값을 나타내었다.
또한 낮은 증착율과 낮은 공정 온도에 의해 TiO₂ 박막은 비정질 특성을 나타내었다. RF 파워의 증가는 TiO₂ 표면을 소수 특성을 향상시키는 것으로 확인되었으나 투과도는 감소시키는 것을 확인하였다. 이러한 결과는 RF 파워의 증가에 의해 이온의 에너지가 증가되고 스퍼터링 효과를 증가시켜 박막의 미세 구조와 표면의 변화에 영향을 미쳤을 것이라고 판단되어진다.
2(b)에서는 실리콘 기판 위에 RF 파워의 증가에 따라 증착되어진 TiO₂ 박막 표면에 있는 원자구성비의 결과를 보여준다. TiO₂ 박막 표면에서 Ti 원자 성분은 다소 증가하였으며, O 원자성분은 약간 감소하는 것을 확인할 수 있다. 이러한 결과는 RF 파워의 증가에 의해 스퍼터링 되어진 이온 중 큰 에너지의 Ti 원자가 기판에 도달되어지는 수가 증가하였기 때문이라고 판단되어진다.
RF 파워의 증가에 따라 접촉각이 증가하는 이유는 RF 파워에 증가에 따라 스퍼터링 과정 동안 타겟으로부터 높은 에너지의 원자들이 기판에 도달되어지기 때문에 박막 표면에는 고에너지의 이온에 의한 결합이 증가하고 기판 주위에서 충돌의 증가로 상승하는 표면 온도 때문에 더욱 안정적인 결합을 형성한다 [3,12]. 결과적으로 스퍼터링 시 인가되어지는 RF 파워는 TiO₂ 박막의 표면을 소수성 특성을 향상시킨다. 즉 표면 에너지를 낮게 만드는 역할을 한다.
그러나 본 연구에서 제작되어진 TiO₂ 박막은 XRD 박막 구조 분석 결과 박막 모두 약간의 아나타제 구조가 포함된 비정질 구조라는 것이 확인되었다. 결국 120 W의 RF 파워에서 투과도의 변화는 스퍼터링 동안 높은 에너지를 가지는 이온들에 결합력에 의한 박막의 미세 구조 변화에 의하여 투과도가 감소되어지고 박막 표면에서의 거칠기, 표면에서의 원자구성과 원자 결합등이 TiO₂박막의 투과도에 영향을 미쳤을 것이라고 판단되어진다.
이러한 투과도 변화는 증가되어진 RF 파워에 의해 박막의 구조가 다소 변화가 일어났다는 것을 가리키며, 특히 박막 표면에서 금속 원자 비율이 증가하여 생긴 결합력에 의해 박막 표면에서의 접촉각이 증가하게 된다. 그러나 본 연구에서 제작되어진 TiO₂ 박막은 XRD 박막 구조 분석 결과 박막 모두 약간의 아나타제 구조가 포함된 비정질 구조라는 것이 확인되었다. 결국 120 W의 RF 파워에서 투과도의 변화는 스퍼터링 동안 높은 에너지를 가지는 이온들에 결합력에 의한 박막의 미세 구조 변화에 의하여 투과도가 감소되어지고 박막 표면에서의 거칠기, 표면에서의 원자구성과 원자 결합등이 TiO₂박막의 투과도에 영향을 미쳤을 것이라고 판단되어진다.
이것은 결론적으로 박막이 비정질구조 특성을 나타내는 것을 가리킨다. 본 실험에서는 박막 성장 시 기판 온도를 상온으로 유지하였고 RF 파워의 크기도 120 W가 최대 값이며, 박막의 두께를 100 nm로 증착하였기 때문에 박막의 구조가 비정질 특성을 나타낸 것이라고 판단되어진다 [10,11]. FESEM 결과에서도 확인하였듯이 특정 grain 을 확인할 수가 없이 균일한 것도 TiO₂ 박막이 비정질임을 의미한다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	전기절연재료 중 전차선로 설비에서 가장 중요한 재료는?	자기애자는 전차선로 설비에서 가장 중요한 전기절연재료이다. 그러나 자기애자는 내충격에 결함이 있어 파괴되기 쉬우며 무겁기 때문에 취급에 어려움이 따른다.
	전기절연재료 중 자기애자의 단점은?	자기애자는 전차선로 설비에서 가장 중요한 전기절연재료이다. 그러나 자기애자는 내충격에 결함이 있어 파괴되기 쉬우며 무겁기 때문에 취급에 어려움이 따른다. 전기철도 분야에서 이러한 자기애자의 단점을 해결하기 위하여 우수한 내오손성, 경량성을 지닌 고분자 애자가 개발되어 시공되고 있고, 전 세계적으로 그 사용은 점점 증가하고 있다.
	본 논문의 실험에서 유리와 실리콘 기판위에 TiO2 박막을 어떤 방법으로 증착시켰는가?	RF 마그네트론 스퍼터링법으로 유리와 실리콘 기판위에 TiO2 박막을 증착하였다. 기판은 증류수, 에탄올, 아세톤을 사용하여 세척하였으며, 4인치 TiO2 세라믹을 사용하였다.

참고문헌 (12)

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용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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