[논문]전자빔 조사에너지에 따른 ITO/ZnO 적층박막의 구조적, 전기적, 광학적 특성 변화

김선경; 김대일

doi:10.12656/jksht.2014.27.5.225

[국내논문] 전자빔 조사에너지에 따른 ITO/ZnO 적층박막의 구조적, 전기적, 광학적 특성 변화
Effect of Electron Irradiation on the Structural Electrical and Optical Properties of ITO/ZnO Thin Films 원문보기

열처리공학회지 = Journal of the Korean society for heat treatment, v.27 no.5, 2014년, pp.225 - 229

김선경 (울산대학교 첨단소재공학부) , 김대일 (울산대학교 첨단소재공학부)

Abstract ▼ AI-Helper

The influence of electron irradiation energy(eV) on the structural, electrical and optical properties of ITO/ZnO bi-layered films prepared with RF magnetron sputtering has been investigated. The ITO/ZnO show the lowest resistivity of $2.8{\times}10^{-4}{\Omega}cm$. The optical transmittance in a visible wave length region also increased with the electron irradiation energy. The film irradiated at 900 eV shows 82---- of optical transmittance in this study. By comparison of figure of merit, it was observed the optical transmittance and electrical resistivity of the films were dependent on the electron irradiation energy and optoelectrical performance of ITO/ZnO film is improved with electron irradiation.

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AI 본문요약
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제안 방법

본 연구에서는 Radio Frequency(RF) 마그네트론 스퍼터링을 이용하여 PC기판위에 5 nm의 ZnO 박막을 기저층으로 증착하고 상부에 100 nm의 ITO 박막을 적층형태로 증착하였다. 적층형태의 ITO/ZnO 박막을 증착한 후에 특정 에너지를 갖는 전자빔을 표면에 조사하여 빔 에너지에 따른 박막의 구조적, 광학적 그리고 전기적 특성변화를 고찰하였다.
증착 후 두께측정기(Dektak-150, Varian)을 사용하여 증착율을 측정하였고, 전자빔 조사는 1.3 × 10−2 Pa에서 유도결합플라즈마(Inductive Coupled Plasma, ICP) 안테나에 RF 300 W를 인가하여 Ar 플라즈마 방전을 유지하며, 그리드 전압을 가변시켜 300, 600, 900 eV의 에너지를 갖는 전자빔을 30분간 박막 표면에 조사하였다.
전자빔 조사에너지에 따른 박막의 결정성 변화는 X선 회절분석기(X-ray Diffractormeter : XRD, X'pert pro MRD, philips)로 측정하였으며, In2O3(222) 회절피크의 반가폭(Full Width at Half Maximum, FWHM)과 Scherrer 관계식을 이용하여 박막의 결정립 크기를 구하였다[13].
본 연구에서는 Radio Frequency(RF) 마그네트론 스퍼터링을 이용하여 PC기판위에 5 nm의 ZnO 박막을 기저층으로 증착하고 상부에 100 nm의 ITO 박막을 적층형태로 증착하였다. 적층형태의 ITO/ZnO 박막을 증착한 후에 특정 에너지를 갖는 전자빔을 표면에 조사하여 빔 에너지에 따른 박막의 구조적, 광학적 그리고 전기적 특성변화를 고찰하였다.
본 연구에서는 RF 마그네트론 스퍼터를 이용하여 PC기판에 5 nm 두께의 ZnO 완충층을 증착하고 상부에 100 nm의 ITO 박막을 증착 한 후, 적층화 및 전자빔 조사에너지에 따른 박막의 구조적, 광학적 그리고 전기적 특성변화를 연구하였다.

대상 데이터

본 연구에서는 직경이 3인치인 ZnO(순도 99.99%) 및 ITO(In₂O₃ 95 Wt%- SnO₂ 5 Wt%) 타겟을 사용하였고 박막의 증착율과 화학적 조성비를 용이하게 조절 할 수 있는 Radio Frequency(RF) 마그네트론 스퍼터링을 이용하여 PC기판위에 5 nm의 ZnO 박막을 기저층으로 증착하고 상부에 100 nm의 ITO 박막을 적층형태로 증착하였다. 증착 이전에 기판은 초음파 세척기를 이용하여 에탄올과 증류수에 각각 10분씩 세척하고 질소가스로 건조하였다.

이론/모형

가시광 영역(380~780 nm)의 광투과도 분석은 자외선-가시광 분광기(UV-Visible Spectrophotometer, 측정영역 190~900 nm, Cary 100 Cone, Varian)를 사용하였으며, 표면거칠기(Root mean square : RMS)는 원자간력현미경(Atomic Force Microscope : AFM, 측정영역 2 × 2 µm2, XE-100, Park system)을 이용하였고, 전기적 특성은 Van der pauw 법을 적용한 Hall효과 측정기 (HMS-3000, Ecopia)로 측정하였다.

성능/효과

15406 nm)의 파장, B는 In₂O₃(222) 피크의 반가폭이며 θ는 X선 회절각도를 의미한다. 600 eV 전자빔이 조사된 박막의 결정립 크기는 13.1 nm이었으며, 900 eV 전자빔이 조사된 박막의 결정립 크기는 18.8 nm로 증가하였다. 이러한 결정립 크기의 증가는 전자빔 조사에 따른 박막의 결정화에 의한 것으로 사료된다[15].
투명전극용 박막의 거친 표면은 전기비저항의 증가와 가시광 흡수의 원인이 되므로 ITO박막의 표면거칠기는 투명전극 소재 활용에 중요한 요소이다. ITO와 ITO/ZnO 박막의 표면거칠기는 각각 1.5 nm, 1.2 nm이었으나, 전자빔 조사에너지가 증가함에 따라 ITO/ZnO 박막(f)의 표면거칠기가 0.8 nm로 감소한 것을 확인할 수 있었다. 이는 박막의 돌출부에 충돌한 전자빔의 열에너지 전달에 의하여 박막의 표면거칠기가 감소된 것으로 사료된다[16].
3은 전자빔 조사에너지에 따른 박막의 가시광투과도를 측정한 결과이다. ITO박막과 전자빔을 조 사하지 않은 ITO/ZnO 적층박막의 평균 가시광투과도(380~780 nm)는 각각 79.2%와 80.1%였으나 전자빔 에너지가 증가함에 따라 투과도는 최대 82.1%까지 증가하였다.
본 연구에서 전자빔 조사 이전의 ITO/ZnO 박막의 FOM 수치는 4.1 × 10−3 Ω−1이었으나, 900 eV 전자빔이 조사된 ITO/ZnO 박막의 FOM 수치는 7.6 × 10−3 Ω−1로 증가하여 박막의 광학적 전기적 완성도가 전자빔 조사에 의하여 향상되었음을 알 수 있었다.
전자빔 조사 이전의 ITO/ZnO 박막의 비저항은 2.6 × 10−4 Ωcm로 측정되었으나 900 eV 전자빔이 조사된 박막에서 더 낮은 비저항(1.8 × 10−4 Ωcm)과 상대적으로 높은 82%의 가시광 투과율이 측정되었다.
ITO/ZnO 적층박막의 결정화는 전자빔 에너지가 600 eV일 때, In₂O₃(222) 결정면을 보였고, 전자빔 에너지가 증가함에 따라 결정성이 향상되었으며 표면 거칠기는 0.8 nm로 감소하였다. 전자빔 조사 이전의 ITO/ZnO 박막의 비저항은 2.
본 연구를 통하여 ITO 단층박막 보다는 적층형의 ITO/ZnO 박막을 증착하고 전자빔 조사를 이용한 표면개질을 실시할 경우 PC 기판을 이용한 가볍고 유연한 표시소자의 전기적, 광학적 물성개선을 확보 할 수 있음을 확인하였다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	기존의 플라즈마 공정이 갖고 있는 장단점은?	그러나 PC, PET, PES 등의 고분자 기판을 사용한 ITO 증착은 열처리 온도에 제약을 받기 때문에 박막의 전기적, 광학적 물성을 개선시키는 방법으로 ITO/metal[2], ITO/Oxide[5], ITO/Metal/ITO[6]등의 적층형태의 증착기술이 연구되고 있으며, 또한 플라즈마를 이용한 이온빔(Ion Beam Irradiation)[7], 이온주입(ion implantation)[8] 전자빔(Electron Beam Irradiation)[9] 표면조사를 이용한 표면개질 기술 또한 제시되고 있다. 기존 플라즈마 공정은 이온 입자 충돌효과를 갖고 있으나 이온 입자의 충돌 에너지가 일정하지 않기 때문에 상대적으로 높은 에너지를 갖고 가속된 입자들은 기판에 국부적인 결함을 유발하는 단점이 있다. 그러나 전자빔 조사 공정에서는 기판에 가속되는 전자의 에너지가 일정하기 때문에 기판 결함이 상대적으로 감소되는 장점이 있다.
	미량의 주석이 첨가된 인듐 산화물 박막의 장점은?	미량의 주석(Sn)이 첨가된 인듐 산화물(Indium Tin Oxide; ITO) 박막은 높은 가시광 투과도와 낮은 비저항을 동시에 갖기 때문에 태양전지(Solar cell), 평면 디스플레이(Flat panel display) 투명전극 등의 다양한 전기전자재료 분야에서 활용되고 있다[1]. 최근에는 유연성을 갖는 표시소자에 ITO 박막을 적용하기 위하여 유리기판 대신 Poly Carbonate(PC), PolyEthylene Terephthalate(PET) 그리고 PolyEtherSulfon(PES) 기판을 이용한 투명전극 증착에 대한 연구가 보고되고 있다[2-4].
	전자빔 조사에너지가 증가함에 따라 박막 표면거칠기가 감소한 이유는?	8nm로 감소한 것을 확인할 수 있었다. 이는 박막의 돌출부에 충돌한 전자빔의 열에너지 전달에 의하여 박막의 표면거칠기가 감소된 것으로 사료된다[16]. Fig.

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