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문제 정의
- 본 연구에서는 Ga 도핑된 ZnO 박막을 투명 플라스틱 기판인 PES (Polyethersulfone) 에 고주파 마그네트론 스퍼터링 법으로 증착하였고, 여러 가지 공정 변수 중 RF 파워에 변화에 대한 구조적 특성과 광학적 및 전기적 특성 변화를 조사하여 GZO 박막의 투명 전도막으로의 응용 가능성에 대해서 알아보았다.
제안 방법
- GZO 박막의 구조적 특성을 분석하기 위해 X-ray Diffractometer (XRD, X-ray diffracto meter : Philips, PW3020) 을 이용하여 2θ 가 20° ～ 60° 범위에서 측정 하였고, 박막의 표면 상태는 Atomic Force Microscope (AFM, VG, Microlab 310F) 을 사용하였다. GZO 박막의 광학적 특성인 투과율과 밴드갭 에너지는 UV / VIS spectro-phometer (Carry-500, Varian, Mul grave, Australia) 를 이용하여 상온에서 가시광 영역의 투과도 스펙트럼을 측정하여 조사하였다. 전기적 특성은 van der Pauw 법을 이용한 Hall effect measurement (Accent, HL5500PC) 을 실시하여 GZO 박막의 캐리어 농도와 이동도 및 비저항 값을 조사하였다.
- 고주파 마그네트론 스퍼터링 법을 이용하여 PES 기판에 GZO 박막을 증착시켰다. PES 기판 표면에 있는 불순물을 제거하기 위해 초음파 세척기를 이용하여 2-Propanol (10분) / 증류수(10분) 의 과정을 2 회 반복하였고 질소 가스를 이용하여 건조하였다. 진공조는 로터리 펌프와 터보 펌프를 사용하여 챔버안의 압력을 2×10-6 Torr 이하로 배기한 후, Mass Flow Controller (MFC) 로 Ar 가스와 O2 가스를 주입하여 원하는 압력을 조절하였다.
- 스퍼터링 타겟은 Ga2O3 이 도핑된 2인치 1/4 세라믹 타겟 (Ga2O3 : 5 wt %, ZnO : 95 wt %) 을 사용하였다. 공정압력 5 mTorr, 기판온도 200℃ 에서 RF 파워를 50 에서 80 W 로 변화시키면서 GZO 박막을 제작하였다.
- 본 연구에서는 고주파 마그네트론 스퍼터링 법으로 RF 파워 (50~80 W) 를 변화시켜가며 PES 플라스틱 기판 위에 GZO (Ga2O3 : 5 wt %, ZnO : 95 wt %) 박막을 제작하여, 구조적 특성과 광학적 및 전기적 특성을 조사하였다. XRD 측정을 통해 공정 조건에 관계없이 모든 GZO 박막이 c 축으로 우선 성장함을 확인할 수 있었고, 70 W 에서 제작한 GZO 박막이 반가폭 0.
- 진공조는 로터리 펌프와 터보 펌프를 사용하여 챔버안의 압력을 2×10-6 Torr 이하로 배기한 후, Mass Flow Controller (MFC) 로 Ar 가스와 O2 가스를 주입하여 원하는 압력을 조절하였다. 증착 전 20 분 정도의 예비 스퍼터링을 수행하여 타겟 표면의 이물질을 제거한 후, 본 스퍼터링을 수행하였다. 스퍼터링 타겟은 Ga2O3 이 도핑된 2인치 1/4 세라믹 타겟 (Ga2O3 : 5 wt %, ZnO : 95 wt %) 을 사용하였다.
- 진공조는 로터리 펌프와 터보 펌프를 사용하여 챔버안의 압력을 2×10-6 Torr 이하로 배기한 후, Mass Flow Controller (MFC) 로 Ar 가스와 O2 가스를 주입하여 원하는 압력을 조절하였다.
대상 데이터
- 증착 전 20 분 정도의 예비 스퍼터링을 수행하여 타겟 표면의 이물질을 제거한 후, 본 스퍼터링을 수행하였다. 스퍼터링 타겟은 Ga2O3 이 도핑된 2인치 1/4 세라믹 타겟 (Ga2O3 : 5 wt %, ZnO : 95 wt %) 을 사용하였다. 공정압력 5 mTorr, 기판온도 200℃ 에서 RF 파워를 50 에서 80 W 로 변화시키면서 GZO 박막을 제작하였다.
이론/모형
- GZO 박막의 구조적 특성을 분석하기 위해 X-ray Diffractometer (XRD, X-ray diffracto meter : Philips, PW3020) 을 이용하여 2θ 가 20° ～ 60° 범위에서 측정 하였고, 박막의 표면 상태는 Atomic Force Microscope (AFM, VG, Microlab 310F) 을 사용하였다.
- 고주파 마그네트론 스퍼터링 법을 이용하여 PES 기판에 GZO 박막을 증착시켰다. PES 기판 표면에 있는 불순물을 제거하기 위해 초음파 세척기를 이용하여 2-Propanol (10분) / 증류수(10분) 의 과정을 2 회 반복하였고 질소 가스를 이용하여 건조하였다.
- GZO 박막의 광학적 특성인 투과율과 밴드갭 에너지는 UV / VIS spectro-phometer (Carry-500, Varian, Mul grave, Australia) 를 이용하여 상온에서 가시광 영역의 투과도 스펙트럼을 측정하여 조사하였다. 전기적 특성은 van der Pauw 법을 이용한 Hall effect measurement (Accent, HL5500PC) 을 실시하여 GZO 박막의 캐리어 농도와 이동도 및 비저항 값을 조사하였다.
성능/효과
- 또한, 모든 GZO 박막은 370 nm 부근에서 흡수선이 발생하는 것을 볼 수 있었다. 370 nm 부근의 흡수선에서 RF 파워가 50 에서 70 W 로 증가함에 따라 흡수선이 단파장 영역으로 이동하는 청색 편이 (blue-shift) 현상이 발생하였고, RF 파워가 80 W 로 증가하면 흡수선이 다시 장파장으로 이동하는 적색 편이 (red-shift) 현상을 확인할 수 있었다.
- Hall 측정결과, RF 파워 70 W 에서 제작한 GZO 박막에서 가장 낮은 비저항 6.93 × 10-4 Ω·cm 값 과 가장 높은 캐리어 농도 7.04 × 1020 cm-3 및 이동도 12.70 cm2/Vs 값을 나타내었다.
- ) 이 된다. RF 파워가 50 에서 70 W 로 증가할수록 에너지 밴드갭이 3.38 에서 3.50 eV 로 증가하였고, 80 W 에서 다시 3.46 eV 로 감소하는 것을 확인 할 수 있었다. 이는 캐리어 농도가 증가함에 따라 에너지 밴드갭이 넓어지는 Burstein-Moss 효과[12]로 설명할 수 있으며, 그림 4에 나타낸 전자 농도의 추세와 일치하는 결과이다.
- 그림 3 은 RF 파워에 따른 GZO 박막의 표면 형상을 나타낸 AFM 사진이다. RF 파워가 50 에서 70 W 로 증가할수록 좀 더 균일한 표면 형상을 나타내고, 표면 거칠기(RMS) 도 3.47 에서 0.20 nm 로 감소하였다. 80 W 에서의 표면 거칠기는 0.
- XRD 측정을 통해 공정 조건에 관계없이 모든 GZO 박막이 c 축으로 우선 성장함을 확인할 수 있었고, 70 W 에서 제작한 GZO 박막이 반가폭 0.44° 로 가장 우수한 결정성을 나타내었다.
- 96 nm 로 감소한다. 따라서, RF 파워가 70 W 일 때 가장 우수한 결정성을 나타냄을 알 수 있다.
- 70 cm2/Vs 값을 나타내었다. 모든 GZO 박막은 RF 파워에 무관하게 가시광 영역에서 약 80 % 정도의 투과율을 나타내었다. RF 파워가 50 에서 70 W 로 증가할수록 에너지 밴드갭이 3.
- 그림 1 은 RF 파워에 따른 GZO 박막의 XRD 패턴을 나타낸 것이다. 모든 박막들의 결정성장은 기판과 수직인 방향으로 성장했음을 나타내는 (002) 피크 만이 관찰되었고, 이는 결정립들이 c 축으로 우선 배향되었음을 의미하는 것이다. RF 파워가 50 에서 70 W 로 증가함에 따라 (002) 피크의 세기가 커지지만, RF 파워가 70에서 80 W 로 증가하면 (002) 피크의 세기가 오히려 감소하였다.
- 44° 로 가장 우수한 결정성을 나타내었다. 박막의 표면을 AFM 으로 조사한 결과, RF 파워가 50 에서 70 W 로 증가함에 따라 표면 거칠기 값은 3.47 에서 0.20 nm 로 감소하다, 80 W 에서 0.23 nm 로 다시 증가하였다. Hall 측정결과, RF 파워 70 W 에서 제작한 GZO 박막에서 가장 낮은 비저항 6.
후속연구
- 본 연구를 통해 투명 플라스틱 기판에 성장시킨 GZO 박막이 우수한 광학적 및 전기적 특성을 나타냄을 확인할 수 있었고, 향후 저온 증착에 대한 연구 개발을 진행한다면 플렉시블 디스플레이의 투명 전도막으로서 매우 유망한 재료가 될 것으로 기대된다.
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