[논문]Ag 나노완충층 두께에 따른 AZO/Ag 투명전극의 전기광학적 특성 연구

엄태영; 송영환; 문현주; 김대현; 조윤주; 김대일

doi:10.12656/jksht.2016.29.6.272

Ag 나노완충층 두께에 따른 AZO/Ag 투명전극의 전기광학적 특성 연구
Influence of Ag Nano-buffer Layer Thickness on the Opto-electrical Properties of AZO/Ag Transparent Electrode Films 원문보기

열처리공학회지 = Journal of the Korean society for heat treatment, v.29 no.6, 2016년, pp.272 - 276

엄태영 (울산대학교 첨단소재공학부) , 송영환 (울산대학교 첨단소재공학부) , 문현주 (울산대학교 첨단소재공학부) , 김대현 ((주)풍산홀딩스 기술연구소) , 조윤주 ((주)풍산홀딩스 기술연구소) , 김대일 (울산대학교 첨단소재공학부)

Abstract ▼ AI-Helper

Al doped ZnO (AZO) single layer and AZO/Ag bi-layered films were deposited on the glass substrates by radio frequency and direct current magnetron sputtering and then the effect of Ag buffer layer on the electrical and optical properties of the films was investigated. The thicknesses of AZO upper layer was kept as 100 nm, while Ag buffer layer was varied from 5 to 15 nm. The observed results mean that opto-electrical properties of the AZO films is influenced with Ag buffer layer and AZO film with 10 nm thick Ag buffer layer show the higher opto-electrical performance than that of the AZO single layer film prepared in this study.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 기판가열 또는 증착 후 열처리 없이 RF 마그네트론 스퍼터 증착기술로 AZO 박막의 전기전도도와 가시광 투과도를 동시에 개선하기 위하여 층간 금속층으로 연구되고 있는 Ag 박막[6]을 완충충(Buffer Layer)으로 사용하고, Ag 두께변화에 따른 AZO/Ag 적층박막의 전기적, 광학적 특성 변화를 고찰하였다.

제안 방법

본 연구에서는 100 nm 두께의 AZO 단층 박막과 두께가 서로 다른 Ag 완충층을 채택한 AZO/Ag 적층박막을 실온에서 DC와 RF 마그네트론 스퍼터를 이용하여 유리기판에 증착하고 Ag 완충층 두께변화에 따른 전기적, 광학적 특성변화를 고찰하였다.

대상 데이터

증착 전 스퍼터 챔버의 진공도를 2.0×10⁻⁶Torr로 배기한 후에, Ar가스 주입량을 25 sccm으로 유지하며, 유리기판(Corning 1797, 30×30 mm²)에 AZO 100 nm 박막과 AZO/Ag 적층박막을 RF와 DC 마그네트론 스퍼터를 이용하여 증착하였다. 유리기판은 이소프로필 알콜(Isopropyl alcohol), 증류수 순서로 10분 동안 초음파 세척기로 세정한 후에 질소가스로 건조하였다.

이론/모형

증착 후, Ag 완층층 두께에 따른 결정화(Crystallization)는 X-선 회절분석기(Xray Diffraction, XRD, X’pert PRO MRD, PHILIPS, 한국기초과학지원연구원(KBSI) 대구센터)와 Scherrer 관계식[7]으로 측정하였으며, 가시광 영역(파장: 380~780 nm)의 광투과도는 자외선-가시광 분광기(UV-visible spectrophotometer, Cart 5000, VARIAN)로 측정하였다. 또한 박막의 두께 및 증착율은 표면조도측정기(Dektak-150, Varian)를 이용하였으며, 박막의 전기적 특성(면저항, 전하밀도, 이동도, 비저항)은 4 탐침과 반 데르 포 방법(Van der pauw method)을 적용한 Hall Effect 측정기(HMS-3000, Ecopia)로 분석하였다. Ag 완충층의 두께에 따른 상부 AZO 박막의 표면형상 및 Root mean square(RMS) 거칠기는 원자간력현미경(Atomic force microscope, XE-100 Park System)을 이용하여 분석하였다.

성능/효과

Ag 완충층의 두께가 증가할수록 상부 AZO 박막의 결정성이 향상되었으며, 가시광 투과도 또한 10 nm 두께의 Ag 완충층에 의하여 증가하였다. Figure of Merit 수치를 분석한 결과, 두께 100 nm의 단일층 AZO 박막보다 10 nm 두께의 Ag 완충층을 채택한 AZO/Ag 적층박막이 보다 우수한 전기적, 광학적 물성을 가짐을 알 수 있었다.
AZO 100 nm 박막의 가시광 투과도는 81.5%, AZO/Ag 5 nm 박막의 가시광 투과도는 78.7%, AZO/Ag 10 nm 박막의 가시광 투과도는 82.2%로 증가하고, AZO/Ag 15 nm 박막의 투과도는 74.7%로 감소함을 보였다. 이는 Fig.
Ag 완충층의 두께가 증가할수록 상부 AZO 박막의 결정성이 향상되었으며, 가시광 투과도 또한 10 nm 두께의 Ag 완충층에 의하여 증가하였다. Figure of Merit 수치를 분석한 결과, 두께 100 nm의 단일층 AZO 박막보다 10 nm 두께의 Ag 완충층을 채택한 AZO/Ag 적층박막이 보다 우수한 전기적, 광학적 물성을 가짐을 알 수 있었다.

후속연구

4 cm²V⁻¹S⁻¹) 또한 증가된 것으로 사료된다. 이는 앞서 보고된 T. Gong[9]의 ZTO/Ag/ZTO 박막 증착 후, 진공열처리된 박막의 비저항(7.4×10⁻⁵ Ωcm)보다 우수한 결과로서 열에 취약한 폴리머 기판을 이용한 유연한 투명전극 제조에 활용도가 제고될 것으로 기대된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	실온에서 증착된 AZO 박막의 단점은 무엇인가?	앞서 보고된 연구결과[1, 2]와 같이 AZO 박막은 우수한 가시광 투과율과 낮은 비저항을 갖고 있으나, 실온에서 증착된 AZO 박막은 투명전극으로 사용하기에는 다소 미흡한 전기적, 광학적 특성을 갖기 때문에 Au[3], Pd[4] 등의 귀금속 중간층을 활용한 Oxide-Metal-Oxide 적층 박막에 대한 연구가 활발히 이루어지고 있다. 이는 Oxide 부분인 ZnO박막에서 생성된 산소 빈자리(Oxygen vacancy)가 잉여전도전자의 역할을 수행하고, Metal층 내 전자들이 donor 역할 보강함에 따라 n형 반도체의 특성을 나타내기 때문이다.
	비정질 투명전극 산화물의 특징은?	광학적으로 투명하며, 동시에 높은 전기전도성을 갖는 비정질 투명전극 산화물(transparent conductive oxide : TCO) 박막은 현재 다양한 표시소자 및 태양전지의 전극재료로 널리 활용되고 있으며, 특히 In2O3에 미량의 Sn이 첨가된 ITO 박막은 투명유리에 근사한 높은 투광성과 낮은 비저항을 보이기 때문에 대표적인 TCO 소재로 알려져 있으나, ITO 타겟의 주재료인 인듐(In)의 가격상승과 인체유해성으로 인하여, 미량의 Al이 포함된 ZnO(AZO) 박막이 대체 전극재로 이용되고 있다[1].
	AZO 및 AZO/Ag 박막의 가시광 투과율에 차이가 존재하는 이유는 무엇인가?	이는 Fig. 1의 XRD 회절패턴과 같이 Ag 완충층의 두께가 증가할수록 AZO 박막의 결정성이 향상되고 가시광 흡수율이 감소하여 AZO/Ag 10 nm 박막의 가시광 투과도가 증가된 것으로 사료되며, AZO/Ag 15 nm 박막의 투과도 감소는 하부 Ag 박막의 흡수율 증가에 의한 것으로 사료된다.

참고문헌 (9)

D. Miao, S. Jiang, H. Zhao, S. Shang and Z. Chen : J. Alloys Compd., 616 (2014) 26.

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H. Wu and C. Chu : Mater. Lett., 105 (2013) 65.

상세보기
C. Chu, H. Wu and J. Huang : Thin Solid Films, 605 (2016) 121.

상세보기
W. Zhang, J. Xiong, L. Liu, X. Zhang and H. Gu : Solar Energy Mater. Solar Cells, 153 (2016) 52.

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E. Yun, J. W. Jung, K. N. Ko, J. Hwang, B. C. Lee and M. Jung : Thin Solid Films, 518 (2010) 6236.

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Y. S. Kim, Y. J. Lee, S. B. Heo, H. M. Lee, J. H. Kim and D. Kim : Optics Comm., 284 (2011) 2303.

상세보기
S. Kim, S. H. Kim, S. Y. Kim, J. Jeon, T. Gong, D. Choi, D. Son and D. Kim : Ceram. Inter., 40 (2014) 6673.

상세보기
S. Kim, J. Jeon and D. Kim : J. Korean Soc. Heat Treat., 28 (2015) 63.

원문보기 상세보기
T. Gong, S. Heo and D. Kim : Ceram. Inter., 42 (2016) 12341.

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