[논문]F-Doped SnO2 Thin Film/Ag Nanowire 이중층의 전기적 및 광학적 특성

김종민; 구본율; 안효진; 이태근

doi:10.3740/mrsk.2015.25.3.125

F-Doped SnO2 Thin Film/Ag Nanowire 이중층의 전기적 및 광학적 특성
Electrical and Optical Properties of F-Doped SnO2 Thin Film/Ag Nanowire Double Layers 원문보기

한국재료학회지 = Korean journal of materials research, v.25 no.3, 2015년, pp.125 - 131

김종민 (서울과학기술대학교 신소재공학과) , 구본율 (서울과학기술대학교 신소재공학과) , 안효진 (서울과학기술대학교 신소재공학과) , 이태근 (서울과학기술대학교 신소재공학과)

Abstract ▼ AI-Helper

Fluorine-doped $SnO_2$ (FTO) thin film/Ag nanowire (NW) double layers were fabricated by means of spin coating and ultrasonic spray pyrolysis. To investigate the optimum thickness of the FTO thin films when used as protection layer for Ag NWs, the deposition time of the ultrasonic spray pyrolysis process was varied at 0, 1, 3, 5, or 10 min. The structural, chemical, morphological, electrical, and optical properties of the double layers were examined using X-ray diffraction, X-ray photoelectron spectroscopy, field-emission scanning electron microscopy, transmission electron microscopy, the Hall effect measurement system, and UV-Vis spectrophotometry. Although pure Ag NWs formed isolated droplet-shaped Ag particles at an annealing temperature of $300^{\circ}C$, Ag NWs covered by FTO thin films maintained their high-aspect-ratio morphology. As the deposition time of the FTO thin films increased, the electrical and optical properties of the double layers degraded gradually. Therefore, the double layer fabricated with FTO thin films deposited for 1 min exhibited superb sheet resistance (${\sim}14.9{\Omega}/{\Box}$), high optical transmittance (~88.6 %), the best FOM (${\sim}19.9{\times}10^{-3}{\Omega}^{-1}$), and excellent thermal stability at an annealing temperature of $300^{\circ}C$ owing to the good morphology maintenance of the Ag NWs covered by FTO thin films.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

FTO thin film이 코팅되지 않은 pure Ag NWs의 경우는 300°C에서 유지 시 Ag의 migration에 의해 독립적인 Ag 입자가 형성되는 반면에 FTO thin film 이 코팅된 이중층의 경우 Ag NWs의 high-aspect-ratio 형태가 변함없이 유지되었다. 이는 불규칙적인 원자배열과 결정 입계의 3차원적인 분포를 갖는 비정질 구조의 FTO thin film이 Ag 상의 침투를 억제하는 보호층으로 작용한 결과로 이에 따라 FTO thin film/Ag NWs 이중층의 우수한 전기적 및 광학적 특성을 제공하였다. 그러므로 FTO thin film이 1분 동안 코팅된 sample A에서 가장 우수한 면저항(~14.

제안 방법

7 %의 투과도 특성을 갖는 ITO/Ag NW/ITO multilayers를 제조하였다. Ahn등은¹⁰⁾ Ag NWs 위에 dip coating을 이용하여 reduced graphene oxide를 증착함으로써 최종적으로 Ag NW-rGO 투명전극을 제조하였으며 우수한 전기적 및 광학적 특성뿐만 아니라 열화학적 안정성을 보고하였다. 그러나 아직까지 초음파 분무 열분해법을 활용한 보호 층의 도입에 대한 연구는 보고되지 않았으며, 더욱이 증착된 보호층의 최적두께에 대한 연구보고도 부족한 실정이다.
이는 300°C의 낮은 공정온도로 인해 FTO 상이 결정화되지 못한 결과로 FTO 상이 비정질 구조임을 판단할 수 있다.^16,17) 따라서 FTO thin film/Ag NWs 이중층를 구성하는 모든 원소들의 화학적 결합상태를 자세히 확인하기 위해 XPS 분석을 진행하였다.
이렇게 코팅된 Ag NWs는 유리기판 위에 균일하고 연속적인 network를 형성하므로 우수한 면저항 및 투과도 특성을 제공한다.^6,7) 그 다음으로 Ag NW network 위에 초음파 분무 열분해법을 이용한 FTO thin film의 증착을 실시하여 최종적으로 FTO thin film/Ag NWs 이중층을 제조하였다. 초음파 분무 열분해법은 화학기상증 착법(Chemical Vapour Deposition, CVD)과 유사한 화학 적인 증착방법으로 Fig.
9) sputtering을 이용하여 ITO thin film을 Ag NWs의 위와 아래에 증착하여 ~11.5 Ω/□의 면저항 및 ~84.7 %의 투과도 특성을 갖는 ITO/Ag NW/ITO multilayers를 제조하였다.
FTO thin film/Ag NWs 이중층의 형태 특성을 더 자세히 조사하기 위해서 TEM 분석을 실시하였다. Sample A에 대한 TEM 분석 결과를 보여주는 Fig.
따라서, 본 연구에서는 초음파 분무 열분해법을 이용하여 FTO thin film을 Ag NWs위에 증착하여 FTO thin film/Ag NWs 이중층을 제조하였고 그들의 구조적, 화학적, 전기적 및 광학적 특성의 규명을 통해 FTO thin film의 증착 시간을 최적화 하였다.
6 MHz)를 이용하여 분무시켜 FTO thin film을 Ag NWs위에 성공적으로 증착하였다. 또한 FTO thin film의 두께에 따른 제조된 이중층의 특성을 확인하기 위해 초음파 분무 열분해법의 증착시간을 0, 1, 3, 5 및 10 분으로 각각 조절하였으며, 이를 pure Ag NWs, sample A, sample B, sample C 및 sample D로 각각 언급할 것이다.
제조된 FTO thin film/Ag NWs 이중층의 결정구조 및 화학적 특성은 X-선 회절분석(X-ray diffraction, XRD, Rigaku Rint 2500) 및 X-선 광전자 주사법(X-ray photoelectron spectroscopy, XPS, ESCALAB 250 equipped with an Al Ka X-ray source)을 이용하여 각각 분석하였다. 또한 이중층의 표면특성을 분석하기 위해 주사 전자 현미경(field-emission scanning electron microscopy, FESEM, Hitachi S-4800) 및 투과 전자 현미경(transmission electron microscopy, TEM, JEOL-2100 F, KBSI Suncheon center)을 이용하였다. 이중층의 면저항 특성과 가시광선 영역에서의 투과도 특성은 홀 효과 측정시스템 (Hall effect measurement system, Ecopia, HMS-3000)과 자외선-가시선 흡광 광도법(UV-vis spectroscopy, PerkinElmer, Lambda-35)을 사용하여 각각 비교 분석하였다.
본 연구에서는 300°C의 공정온도 이하에서 초음파 분무 열분해법을 통한 FTO thin film의 증착 시간을 조절 하여 FTO thin film/Ag NWs 이중층을 성공적으로 제조하였다.
또한 이중층의 표면특성을 분석하기 위해 주사 전자 현미경(field-emission scanning electron microscopy, FESEM, Hitachi S-4800) 및 투과 전자 현미경(transmission electron microscopy, TEM, JEOL-2100 F, KBSI Suncheon center)을 이용하였다. 이중층의 면저항 특성과 가시광선 영역에서의 투과도 특성은 홀 효과 측정시스템 (Hall effect measurement system, Ecopia, HMS-3000)과 자외선-가시선 흡광 광도법(UV-vis spectroscopy, PerkinElmer, Lambda-35)을 사용하여 각각 비교 분석하였다.
제조된 FTO thin film/Ag NWs 이중층의 결정구조 및 화학적 특성은 X-선 회절분석(X-ray diffraction, XRD, Rigaku Rint 2500) 및 X-선 광전자 주사법(X-ray photoelectron spectroscopy, XPS, ESCALAB 250 equipped with an Al Ka X-ray source)을 이용하여 각각 분석하였다. 또한 이중층의 표면특성을 분석하기 위해 주사 전자 현미경(field-emission scanning electron microscopy, FESEM, Hitachi S-4800) 및 투과 전자 현미경(transmission electron microscopy, TEM, JEOL-2100 F, KBSI Suncheon center)을 이용하였다.

대상 데이터

이를 위한 FTO 용액은 어떠한 정제과정 없이 tin(IV) chloride pentahydrate(SnCl4 ·5H2O, Daejung)와 ammonium fluoride(NH4F, Aldrich)를 ethyl alcohol(C2H5OH, Duksan)과 de-ionized(DI) water가 혼합된 용액에 3시간 동안 용해하여 준비하였다.

데이터처리

따라서 지금까지 위에서 언급한 모든 샘플의 면저항 및 투과도 특성을 Table 1에 간략하게 정리하였다. 이 결과를 바탕으로 제조된 모든 샘플의 특성 비교를 할 수 있는 기준으로 알려진 figure of merit(FOM)을 다음과 같은 식으로 계산하였다.²²⁾

이론/모형

765로 고정시켰다.¹³⁾ 다음으로 제조된 용액을 분무통에 옮겨 초음파 분무 열분해법을 준비하였다. 이 때 유리기판의 온도는 300°C로 유지하고 carrier gas로 사용되는 air의 공급속도 및 blower 세기를 15 L/min 및 10 Hz로 각각 고정시켰다.
이와 같이 증착된 Ag NWs는 연속적인 network를 형성하고 있으며 추가적으로 잔여 용매를 제거하기 위해서 80°C에서 1 시간 동안 건조 하였다. 또한 이중층의 FTO thin film은 초음파 분무 열분해법으로 증착되었다. 이를 위한 FTO 용액은 어떠한 정제과정 없이 tin(IV) chloride pentahydrate(SnCl₄ ·5H₂O, Daejung)와 ammonium fluoride(NH₄F, Aldrich)를 ethyl alcohol(C₂H₅OH, Duksan)과 de-ionized(DI) water가 혼합된 용액에 3시간 동안 용해하여 준비하였다.
본 연구에서는 스핀코팅법과 초음파 분무 열분해법(Nano SPD, TV500-02, Solar Ceramic)을 이용하여 FTO thin film/Ag NWs 이중층를 제조하였다. 먼저 이중층의 Ag NWs를 증착하기 위해 Ag NW 잉크를 준비하였다.
먼저 이중층의 Ag NWs를 증착하기 위해 Ag NW 잉크를 준비하였다. 준비된 Ag NW 용액은 스핀코팅법을 이용하여 유리기판에 균일하게 증착하였다. 이 때 스핀코팅 조건은 유지속도 2000 rpm 으로 고정시켰다.

성능/효과

0 eV 에서 보여지는 피크들은 metallic Ag 상을 의미한다.¹⁹⁾ 그러므로 XRD와 XPS 결과를 바탕으로 이중층을 구성하는 Ag NWs의 표면은 부분적으로 산화된 Ag 상, 내부는 metallic Ag 상으로 구성되어 있음을 확인하였다.
그러므로 FTO thin film이 1분 동안 코팅된 sample A에서 가장 우수한 면저항(~14.9 Ω/□), 높은 투과율(~88.6 %) 및 우수한 FOM(~19.9 × 10 −3 Ω −1 ) 뿐만 아니라 우수한 열안정성을 나타냈으며 이는 초음파 분무 열분해법을 통해 증착된 FTO thin film의 최적 증착 두께 때문 이다.
즉 core 부분에 위치한 어두운 부분은 Ag NW에 해당하며 shell 부분에 위치한 상대적으로 밝은 부분은 FTO에 해당한다. 따라서 TEM 분석 결과는 Ag NW가비정질 구조를 갖는 FTO에 의해 감싸져 있다는 것을 명확하게 보여준다. 이러한 비정질 구조는 불규칙적인 원자배열과 결정 입계가 3차원적인 분포를 가지고 있어 결정질 구조보다 상대적으로 낮은 유효 확산계수를 갖는다.
6 × 10⁻³Ω⁻¹ 로 계산되었다. 따라서 sample A가 가장 우수한 FOM 특성을 보여주었으며 이러한 결과를 통해서 FTO thin film이 1분 동안 증착된 sample A가 우수한 면저항 및 투과도 특성을 동시에 제공한다는 것뿐만 아니라 FTO 보호층의 도입이 Ag NWs 에게 우수한 열안정성을 제공함을 알 수 있다. 그러므로 초음파 분무 열분해법으로 제조된 FTO thin film/Ag NWs 이중 층은 우수한 전기적, 광학적 특성 및 열안정성을 요구하는 다양한 optoelectronic devices 분야에 적용이 가능할 것으로 기대된다.
반면에 초음파 분무 열분해법의 증착 시간에 따라 제조된 FTO thin film/Ag NWs 이중 층은 300 °C의 공정온도에서 coalescence 없이 Ag NWs 의 high-aspect-ratio 형태를 적절히 유지하고 있다. 또한 증착 시간이 증가함에 따라 Ag NW network 사이가 FTO로 점차 채워질 뿐만 아니라 FTO thin film을 구성 하고 있는 입자크기가 점차 증가함을 보여준다. 결국 10분 동안 증착된 이중 층은 다량의 FTO가 Ag NWs를 감싸고 있으며 증가된 FTO 입자크기에 의해 거친 표면 특성이 확인된다.
반면에 초음파 분무 열분해법을 이용하여 FTO thin film이 증착된 sample A, sample B, sample C 및 sample D의 면저항은 ~14.9 Ω/□, ~23.5 Ω/□, ~34.6 Ω/□ 및 ~45.2 Ω/□로 각각 확인되었다.

후속연구

따라서 sample A가 가장 우수한 FOM 특성을 보여주었으며 이러한 결과를 통해서 FTO thin film이 1분 동안 증착된 sample A가 우수한 면저항 및 투과도 특성을 동시에 제공한다는 것뿐만 아니라 FTO 보호층의 도입이 Ag NWs 에게 우수한 열안정성을 제공함을 알 수 있다. 그러므로 초음파 분무 열분해법으로 제조된 FTO thin film/Ag NWs 이중 층은 우수한 전기적, 광학적 특성 및 열안정성을 요구하는 다양한 optoelectronic devices 분야에 적용이 가능할 것으로 기대된다.
^20,21) 이런 이유로 비정질 구조의 FTO는 Ag상의 침투를 억제함에 따라 300°C의 공정온도에서도 Ag NW 의 1차원 나노 구조를 유지시킨다. 그러므로 초음파 분무 열분해법으로 증착된 비정질 FTO thin film은 Ag NWs를 위한 보호층으로 작용하며 이로 인해 FTO thin film/Ag NWs 이중층의 열안정성을 향상시킴에 따라 우수한 전기적 및 광학적 특성을 제공할 것이다.
결국 10분 동안 증착된 이중 층은 다량의 FTO가 Ag NWs를 감싸고 있으며 증가된 FTO 입자크기에 의해 거친 표면 특성이 확인된다. 그러므로 초음파 분무 열분해법의 증착 시간은 제조된 FTO thin film/Ag NWs 이중층의 전기 적 및 광학적 특성에 직접적인 영향을 미칠 것으로 판단되며 이에 따른 최적 증착 시간 조건은 이후에 논의할 것이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	Ag NWs의 단점은?	6,7) 그러나 Ag NWs는 이러한 장점에도 불구하고 열안정성에 대한 문제에 의해 실제 응용분야의 적용이 제한되고 있다. Ag NWs가 200 o C 이상의 온도에 노출이 되면 쉽게 산화가 발생하고 Ag 입자의 migration에 의해 불연속적으로 고립된 Ag 입자가 형성 되어 전기적 및 광학적 특성의 심각한 감소가 발생하게 된다. 8) 이에 따라서 Ag NWs의 열안정성을 향상시키기 위한 방법으로 보호층의 도입이 제안되었으며 현재까지 이를 위한 다양한 합성법들이 개발되어 왔다.
	초음파 분무 열분해법이란?	그러나 아직까지 초음파 분무 열분해법을 활용한 보호 층의 도입에 대한 연구는 보고 되지 않았으며, 더욱이 증착된 보호층의 최적두께에 대한 연구보고도 부족한 실정이다. 여기서 초음파 분무 열분해법은 비진공 분위기 하에서 고품질의 thin films을 증착 할 수 있는 용액 기반 합성법으로 간단한 구성요소, 저렴한 비용 및 편리한 공정방법 등의 장점뿐만 아니라 분무 변수를 다양하게 조절함에 따라 thin film의 증착 속도 및 두께를 쉽게 제어할 수 있다. 11,12) 또한 이러한 초음파 분무 열분해법을 통해 증착되는 FTO thin film은 전기적 및 광학적 특성이 우수하며 이를 구성하는 원소의 가격이 저렴할 뿐만 아니라 열화학적 안정성이 우수하여 Ag NWs의 보호층 으로 제안될 수 있다.
	Ag nanowires의 장점은?	산화물기반물질로는 In 2 O 3 :Sn(ITO), ZnO:Al(AZO), ZnO:Ga(GZO), SnO 2 :F(FTO), SnO 2 :Sb(ATO)등이 있으며, 탄소기반 물질 에는 graphene, carbon nanotubes등이 있으며, 금속기반 물질에는 Ag nanowires(NWs), Cu NWs등이 보고되고 있다. 2,5,6) 특히 Ag NWs는 낮은 저항과 가시광선 영역 에서의 낮은 흡광계수 등의 장점으로 최근 많은 관심을 받고 있는 TCE 물질이다. Ag NWs는 스핀코팅법 및 스프레이법과 같은 간단한 용액기반 공정을 통해 쉽게 유리기판 위에 코팅되어 연속적인 Ag NW networks의 제작이 가능하다. 6,7) 그러나 Ag NWs는 이러한 장점에도 불구하고 열안정성에 대한 문제에 의해 실제 응용분야의 적용이 제한되고 있다.

참고문헌 (22)

A. R. Madaria, A. Kumar and C. Zhou, Nanotechnology, 22, 245201 (2011).

상세보기
B. Y. Oh, M. C. Jeong, T. H Moon, W. Lee, J. M. Myoung, J. Y. Hwang and D. S. Seo, J. Appl. Phys., 99, 124505 (2006).

상세보기
M. Eritt, C. May, K. Leo, M. Toerker and C. Radehaus, Thin Solid Films, 518, 3042 (2010).

상세보기
C. J. Brabec, Sol. Energy Mater. Sol. Cells, 83, 273 (2004).

상세보기
T. L. Chen, D. S. Ghosh, N. Formica and V. Pruneri, Nanotechnology, 23, 395603 (2012).

상세보기
D. S. Leem, A. Edwards, M. Faist, J. Nelson, D. D. C. Bradley and J. C. de Mello, Adv. Mater., 23, 4371 (2011).

상세보기
Y. C. Lu and K. S. Chou, Nanotechnology, 21, 215707 (2010).

상세보기
A. Kim, Y. Won, K. Woo, C. H. Kim and J. Moon, ACS Nano, 7, 1081 (2013).

상세보기
K. H. Choi, J. Kim, Y. J. Noh, S. I. Na and H. K. Kim, Sol. Energy Mater. Sol. Cells, 110, 147 (2013).

상세보기
Y. Ahn, Y. Jeong and Y. Lee, ACS Appl. Mater. Interfaces, 4, 6410 (2012).

상세보기
A. Nakaruk, D. Ragazzon and C. C. Sorrell, Thin Solid Films, 518, 3735 (2010).

상세보기
P. Singh, A. Kumar, Deepak and D. Kaur, J. Cryst. Growth, 306, 303 (2007).

상세보기
S. I. Noh, H. J. Ahn and D. H. Riu, Ceram. Int., 38, 3735 (2012).

상세보기
E. Shanthi, V. Dutta, A. Banerjee and K. L. Chopra, J. Appl. Phys., 51, 6243 (1980).

상세보기
C. W. Cho, J. H. Lee, D. H. Riu and C. Y. Kim, Jpn. J. Appl. Phys., 51, 045001 (2012).

상세보기
S. J. Ikhmayies and R. N. Ahmad-Bitar, Mater. Sci. Semicond. Process., 12, 122 (2009).

상세보기
D. Miao, Q. Zhao, S. Wu, Z. Wang, X. Zhang and X. Zhao, J. Non-Cryst. Solids, 356, 2557 (2010).

상세보기
W. Z. Samad, M. M. Salleh, A. Shafiee and M. A. Yarmo, Sains Malaysiana, 40, 251 (2011).
B. R. Koo and H. J. Ahn, Appl. Phys. Express, 7, 075002 (2014).

상세보기
O. Nakagawara, Y. Kishimoto, H. Seto, Y. Koshido, Y. Yoshino and T. Makino, Appl. Phys. Lett., 89, 091904 (2006).

상세보기
S. Yu, W. Zhang, L. Li, D. Xu, H. Dong and Y. Jin, Acta Mater., 61, 5429 (2013).

상세보기
J. Liu, A. W. Hains, J. D. Servaites, M. A. Ratner and T. J. Marks, Chem. Mater., 21, 5258 (2009).

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저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

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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