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문제 정의
- 투명합성전극의 기본적인 등가회로는 그림 2와 같다. 따라서 본 연구에서는 ITO 박막을 이용하여 ITO/Ag/ITO 다층박막을 제작하였다. ITO/Ag/ITO 다층박막은 금속(Ag)의 삽입으로 상온에서 낮은 면저항과 높은 투과도를 갖는다.
- 변화에 따른 전기적 광학적 특성 ITO/Ag/ITO 다층막을 사용하는 근본 목적은 ITO 상, 하부 층의 가운데에 고전도성 물질인 Ag 층을 삽입함으로써 낮은 전기전도도를 보완하는데 목적이 있다. 따라서 ITO 층은 가능한 투과도를 높일 수 있는 조건을 찾는 것이 중요하다.
- 연구에서는 디스플레이에 가장 많이 사용되고 있는 ITO의 전기적 특성을 향상시키기 위하여 중간층에 Ag층을 삽입하여 투명합성전극을 제작하는 실험을 수행하였다. ITO/Ag/ITO 다층막의 최적의 두께를 확인하기 위해 ITO 단일막과 Ag 단일막의 두께 변화에 따른 전기적, 광학적 특성을 확인하였다.
제안 방법
- 스캔 횟수가 증가함에 따라 Ag 단일막의 두께 또한 일정하게 증가하는 것을 확인할 수 있다. Ag 단일막의 두께 변화에 따른 전기적 광학적 특성을 알아보기 위해 면저항 및 투과도 값의 변화를 측정하였다.
- Ag 단일막의 두께에 따른 전기적 및 광학적 특성을 분석하기 위한 실험을 위하여 소다라임 유리 기판상에 Ag 단일막을 증착하는 실험을 수행하였다. 실험방법은 ITO 증착과 마찬가지로 인-라인 스퍼터링 장치를 이용하였으며, 이때 증착 두께를 수 nm에서 수십 nm로 얇게 조절하기 위하여 RF 마그네트론 스퍼터링 방식을 적용하였다.
- 프라즈마가 발생되면 jig를 일정한 속도(60 cm/min)로 이송하면서 Ag 타겟 앞을 지나가게 하였다. Ag 두께를 변화시키기 위해 ITO 증착실험의 경우와 마찬가지로 jig가 Ag 타겟 앞을 지나가는 스캔 횟수를 1회, 3회, 5회로 다르게 실험을 반복하였다. 기판의 온도는 상온으로 하였다.
- ITO 단일막의 두께에 따른 전기적 및 광학적 특성을 확인하기 위해 소다라임 유리 기판상에 ITO 단일막을 증착하는 실험을 하였다. ‘세로×가로×두께’가 ‘540×165×7 mm’인 대형 타겟으로 단위면적당 Power는 1.
- 연구에서는 디스플레이에 가장 많이 사용되고 있는 ITO의 전기적 특성을 향상시키기 위하여 중간층에 Ag층을 삽입하여 투명합성전극을 제작하는 실험을 수행하였다. ITO/Ag/ITO 다층막의 최적의 두께를 확인하기 위해 ITO 단일막과 Ag 단일막의 두께 변화에 따른 전기적, 광학적 특성을 확인하였다. 하지만 단일막으로서 최적의 투과도를 갖는 조건일지라도 다층막에 적용할 경우 다른 현상이 나타났다.
- 다음으로 ITO/Ag/ITO 다층막 구조에서 Ag 층을 10.7 nm으로 고정시키고 ITO 박막의 두께를 212 Å, 392 Å, 586 Å로 변화시켜 투과도 스펙트럼을 분석하였으며 그 결과가 그림 11에 보여져 있다. 앞의 그림 9에서 보여진 Ag 단일막에 대한 투과도 스펙트럼과 비교하면, ITO/Ag/ITO 다층막 구조인 경우가, 같은 두께의 Ag 단일막인 경우보다 가시광 전체 영역에 걸친 투과도가 훨씬 높게 나타났다.
- 스캔 횟수가 증가함에 따라 ITO 박막의 두께 또한 일정하게 증가하는 것을 확인할 수 있다. 다음으로, 4-point probe 장치(CMT-SR2000NW)를 이용하여 면저항을 측정하였다. 일반적으로 박막의 면저항 값은 비저항 값이 일정하다면 두께가 증가함에 따라 감소한다.
- 다음은 UV/Vis spectrophoto- meter (Lambda 35)를 사용하여 투과도 스펙스럼을 측정분석하였다. ITO 단일막에 대해 두께에 따른 투과도 스펙트럼을 측정한 결과가 그림 6에 보여져 있다.
- 5 nm로 변화시킨 ITO/Ag/ITO 다층막에 대한 면저항 및 광투과도를 측정하였다. 두 번째로는 Ag 박막의 두께를 10.5 nm로 고정시키고 ITO 박막의 두께를 212 Å, 392 Å, 587 Å로 변화시켜 가며 면저항 및 광투과도를 측정하였다. 이렇게 다른 두께 조합을 갖는 ITO/Ag/ITO 다층막을 제작하여 면저항 및 투과도를 측정함으로써, 적절한 면저항 값을 유지하면서 최적의 투과도를 갖는 ITO/Ag/ITO 다층막의 두께 조건을 얻을 수 있었다.
- 그러나 ITO와 Ag의 단일막으로서 최적의 투과도를 갖는 조건일지라도 ITO/Ag/ITO 다층막일 경우 투과도 측면에서 다른 현상이 나타날 것으로 예측된다. 따라서 ITO/Ag/ITO 다층막에 대한 최적의 두께조합을 구하기 위해 단일막에 대한 최적 두께 값을 기준으로 하여 ITO 단일막 및 Ag 단일막의 두께 값을 다양하게 변화시킨 조합으로 ITO/Ag/ITO 다층막 시편들을 제작하였다. 먼저, 상부 및 하부층 ITO 두께를 212 Å으로 고정시키고 가운데층인 Ag 박막을 2.
- 하지만 단일막으로서 최적의 투과도를 갖는 조건일지라도 다층막에 적용할 경우 다른 현상이 나타났다. 따라서, ITO/Ag/ITO 다층막에 대한 최적의 두께 조합을 구하기 위하여 단일막에 대한 최적 두께 값을 기준으로 하여 ITO 층 및 Ag 층의 두께 값을 다양하게 변화시켜 최적의 ITO/Ag/ITO 다층막 두께 조건을 찾아내었다. 본 연구를 통해 제작된 ITO/Ag/ITO 다층막의 경우 5.
- 따라서 ITO/Ag/ITO 다층막에 대한 최적의 두께조합을 구하기 위해 단일막에 대한 최적 두께 값을 기준으로 하여 ITO 단일막 및 Ag 단일막의 두께 값을 다양하게 변화시킨 조합으로 ITO/Ag/ITO 다층막 시편들을 제작하였다. 먼저, 상부 및 하부층 ITO 두께를 212 Å으로 고정시키고 가운데층인 Ag 박막을 2.3 nm, 6.0 nm, 10.5 nm로 변화시킨 ITO/Ag/ITO 다층막에 대한 면저항 및 광투과도를 측정하였다. 두 번째로는 Ag 박막의 두께를 10.
- 본 연구에서는 스퍼터링 방식을 사용하여 ITO/Ag/ITO 다층박막을 형성하는 실험을 하였다. 지금까지 ITO/Ag/ITO에 관한 많은 연구가 진행되어 왔지만 각층의 최적조합에 의한 다층막의 최적 조건이 만족스럽지 않았다.
- 소다라임 유리 기판 상에 Ag 박막을 증착하는 실험을 수행하였다. 스캔 횟수에 따른 두께 값을 알아보기 위해 일정한 속도(60 cm/min)로 1회, 2회, 3회 스캔을 하였고 그 결과 값은 그림 7에 보여져 있다.
- 소다라임 유리기판상에 ITO/Ag/ITO 다층박막 형성실험을 하기 위해, 먼저 각 단일막에 대한 실험을 수행하였다. 실험 장비는 그림 3에서 보여주는 바와 같이 인-라인 스퍼터링 방식의 스퍼터(sputter)장치를 사용하였으며 기판이 일정속도로 이동하면서 증착하는 방식이다.
- 스캔 횟수에 따른 두께 값을 알아보기 위해 일정한 속도(120 cm/min)로 1회, 3회, 5회 스캔을 하였고 α-step 장치(AS-500)를 이용하여 두께에 따른 ITO 단일막의 단차를 측정하였다.
- Ag 단일막의 두께에 따른 전기적 및 광학적 특성을 분석하기 위한 실험을 위하여 소다라임 유리 기판상에 Ag 단일막을 증착하는 실험을 수행하였다. 실험방법은 ITO 증착과 마찬가지로 인-라인 스퍼터링 장치를 이용하였으며, 이때 증착 두께를 수 nm에서 수십 nm로 얇게 조절하기 위하여 RF 마그네트론 스퍼터링 방식을 적용하였다. 타겟은 4인치 직경의 원형인 순수 Ag 금속물질 (순도, 99.
- 앞에서 얻어진 여러 가지 ITO 단일막 및 Ag 단일막에 대해 두께별 전기적, 광학적 특성을 측정하였다. 전기적 특성은 4-point를 통한 면저항 값이며 광학적 특성은 UV spectrometer를 통한 투과도 스펙트럼이다.
- 5 kW의 펄스 전압을 인가하여 프라즈마가 형성되면 jig를 일정속도로 이송하면서 ITO타겟 앞을 지나가게 되는데, 이 때 이송 속도는 120cm/min로 조정하였으며 타겟과 기판 간의 거리는 10cm로 유지되었다. 유리기판 위에 증착되는 ITO 두께는 기판이 타겟 앞을 지나가는 스캔 횟수에 의해 결정되는데 두께를 다양하게 변화시키기 위해 스캔 횟수를 1회, 3회, 5회로 다르게 하여 실험을 반복하였다.
- 이러한 예측에 따라, ITO박막의 두께를 212 Å, 392 Å, 586 Å까지 변화시키고 Ag 층의 두께를 3.4 nm, 7.0 nm, 10.7 nm로 각각 적용시켜 ITO/Ag/ITO 다층막에 대한 면저항 및 광투과도를 측정하였다. ITO 박막과 Ag 박막의 두께 변화에 따른 ITO/Ag/ITO 다층막의 면저항 그래프를 그림 10에 나타내었다.
- 5 nm로 고정시키고 ITO 박막의 두께를 212 Å, 392 Å, 587 Å로 변화시켜 가며 면저항 및 광투과도를 측정하였다. 이렇게 다른 두께 조합을 갖는 ITO/Ag/ITO 다층막을 제작하여 면저항 및 투과도를 측정함으로써, 적절한 면저항 값을 유지하면서 최적의 투과도를 갖는 ITO/Ag/ITO 다층막의 두께 조건을 얻을 수 있었다.
- 전기적 특성은 4-point를 통한 면저항 값이며 광학적 특성은 UV spectrometer를 통한 투과도 스펙트럼이다. 이를 통해 단일막으로서 전기적, 광학적 특성을 통시에 만족하는 최적의 두께를 분석하였다. 그러나 ITO와 Ag의 단일막으로서 최적의 투과도를 갖는 조건일지라도 ITO/Ag/ITO 다층막일 경우 투과도 측면에서 다른 현상이 나타날 것으로 예측된다.
- 5×10-5torr로 베이스 진공을 확보한 다음, 프라즈마 발생을 위한 가스를 주입시켰다. 프라즈마 활성 가스인 Ar 유입량을 50 sccm, 반응성 가스인 O2를 1.5 sccm으로 조절하였으며 throttle 밸브를 통해 압력을 6 mtorr로 조정하였다. 다음 1.
- 프로세스 챔버에서는 로터리 펌프와 터보 펌프를 사용하여 약 2.5×10-5torr로 베이스 진공을 확보한 다음, 프라즈마 발생을 위한 가스를 주입시켰다.
대상 데이터
- In2O3와 SnO2의 중량비(wt%)가 90:10이고 순도 99.99%인 타겟을 사용하였다.
- 기판은 두께가 1.1 mm인 소다라임 유리기판을 사용하였고 실험을 위해 100×100 mm크기로 잘라서 기판홀드(jig)에 부착하여 챔버 내로 이송 시켰다.
- 소다라임 유리기판 상에 ITO를 증착하는 실험을 수행하였다. 스캔 횟수에 따른 두께 값을 알아보기 위해 일정한 속도(120 cm/min)로 1회, 3회, 5회 스캔을 하였고 α-step 장치(AS-500)를 이용하여 두께에 따른 ITO 단일막의 단차를 측정하였다.
- 스퍼터는 2세대 크기로 370×470 mm의 유리 기판이 사용되며, 유리기판이 장착되는 로딩 챔버(loading chamber)와 스퍼터가 진행되는 프로세스 챔버(process chamber)로 구분된다.
- 실험방법은 ITO 증착과 마찬가지로 인-라인 스퍼터링 장치를 이용하였으며, 이때 증착 두께를 수 nm에서 수십 nm로 얇게 조절하기 위하여 RF 마그네트론 스퍼터링 방식을 적용하였다. 타겟은 4인치 직경의 원형인 순수 Ag 금속물질 (순도, 99.99%)을 사용하였다. 프로세서 가스는 순수 Ar을 20 sccm 유량으로 주입시켰으며 압력은 4mtorr로 조정하였다.
이론/모형
- 소다라임 유리기판상에 ITO/Ag/ITO 다층박막 형성실험을 하기 위해, 먼저 각 단일막에 대한 실험을 수행하였다. 실험 장비는 그림 3에서 보여주는 바와 같이 인-라인 스퍼터링 방식의 스퍼터(sputter)장치를 사용하였으며 기판이 일정속도로 이동하면서 증착하는 방식이다. 스퍼터는 2세대 크기로 370×470 mm의 유리 기판이 사용되며, 유리기판이 장착되는 로딩 챔버(loading chamber)와 스퍼터가 진행되는 프로세스 챔버(process chamber)로 구분된다.
성능/효과
- 그림 13에서는 ITO 단일막과 Ag 단일막 그리고 ITO/Ag/ITO 다층막의 가시광선 영역에서의 투과율을 비교하였다. Ag 단일막의 투과율은 ITO 단일막과 ITO/Ag/ITO 다층막보다 현저하게 떨어지는 것을 확인할 수 있다. ITO 단일막과 ITO/Ag/ITO 다층막을 비교해보면 380~540 nm 사이의 파장대에서는 ITO 단일막이 더 우수한 것으로 보이나 540~800 nm 사이의 파장대에서는 ITO/Ag/ITO 다층막의 투과도가 더 우수한 것으로 나타났다.
- Ag 단일막의 투과율은 ITO 단일막과 ITO/Ag/ITO 다층막보다 현저하게 떨어지는 것을 확인할 수 있다. ITO 단일막과 ITO/Ag/ITO 다층막을 비교해보면 380~540 nm 사이의 파장대에서는 ITO 단일막이 더 우수한 것으로 보이나 540~800 nm 사이의 파장대에서는 ITO/Ag/ITO 다층막의 투과도가 더 우수한 것으로 나타났다. 표 1에서는 마그네트론 스퍼터링 방식을 이용하여 제작한 ITO 단일막, Ag 단일막 그리고 ITO/Ag/ITO 다층막의 광학적 투과도와 면저항을 통해 계산되어 투명 전극의 상대적인 성능 지수를 확인할 수 있는 figure of merit 값을 나타내었다.
- 35✕10-3 Ω-1에 비해 훨씬 높게 나타났다. 따라서 ITO/Ag/ITO 다층막에 의한 투명전극 제작 시 각 층의 특성을 최적화 시키는 것 외에도 각 층간의 두께 조합을 최적화시킴으로써 전기적 및 광학적 특성이 동시에 우수한 투명전극의 형성이 가능하다는 것을 알 수 있었다.
- 면저항 측정 결과, 그림 10에서 보여지는 바와 같이 Ag층의 두께를 7.0 nm로 적용하였을 경우 ITO/Ag/ITO 다층막의 전체 면저항은 16 Ω/sq로 나타났다.
- 본 연구를 통해 제작된 ITO/Ag/ITO 다층막의 경우 5.5 Ω/sq의 낮은 면저항과 87.65%의 높은 투과도로 인하여 48.7✕10-3 Ω-1의 높은 figure of merit 값을 가지는 것을 알 수 있으며, 이는 ITO 단일막의 figure of merit 값보다 높은 값을 나타내는 것을 알 수 있다.
- 스캔 횟수에 따른 두께 값을 알아보기 위해 일정한 속도(60 cm/min)로 1회, 2회, 3회 스캔을 하였고 그 결과 값은 그림 7에 보여져 있다. 스캔 횟수가 증가함에 따라 Ag 단일막의 두께 또한 일정하게 증가하는 것을 확인할 수 있다. Ag 단일막의 두께 변화에 따른 전기적 광학적 특성을 알아보기 위해 면저항 및 투과도 값의 변화를 측정하였다.
- 그 결과 값은 그림 4에 보여져 있다. 스캔 횟수가 증가함에 따라 ITO 박막의 두께 또한 일정하게 증가하는 것을 확인할 수 있다. 다음으로, 4-point probe 장치(CMT-SR2000NW)를 이용하여 면저항을 측정하였다.
- 반면에, Ag 층의 두께가 5 nm 이하로 줄어들면 ITO/Ag/ITO 다층막 전체 면저항 값은 거의 ITO 단일막에 의한 값을 갖게 되어 Ag 층이 면저항에 기여하지 못하게 된다. 이 결과를 통해서 ITO/Ag/ITO 다층막 구조에서 높은 전도성을 갖기 위한 Ag 층의 최소 두께는 약 7 nm 이상이 되어야 함을 알 수 있다.
- 따라서 ITO 층은 가능한 투과도를 높일 수 있는 조건을 찾는 것이 중요하다. 이런 목적에 부합하기 위해 앞의 실험을 토대로 Ag 단일막의 두께는 7.0 nm로 하면 낮은 면저항 값을 얻을 수 있다고 예상되었고 ITO 층은 가장 얇은 두께인 273 Å로 적용하면 투과도 측면에서 가장 적합한 결과가 얻어질 것으로 예상된다.
- 이는 ITO 혹은 Ag 개별 층의 최적조건을 사용하여 ITO/Ag/ITO 다층막에 적용했을 경우 최종결과는 광학적 특성 측면에서 최적 값이 아니라는데 있다. 즉, 투과도 향상 측면에서 보면 각 개별 층의 최적 조건 값과 다층박막에서의 각층의 최적조건이 다르다는 것이다. 이는 빛이 어떤 매질을 입사 시에 입사영역의 매질과 투과영역의 매질간의 굴절계수(index of reflection)의 비율에 따라 반사도가 결정되는 성질과 관련 있기 때문이다.
- 표 1에서의 결과를 보면 최적 조건으로 형성된 ITO/Ag/ITO 다층막의 F.O.M 값은 48.7✕10-3 Ω-1으로서 ITO 단일막의 최적값인 3.02✕10-3 Ω-1와 Ag 단일막의 최적값인 1.35✕10-3 Ω-1에 비해 훨씬 높게 나타났다.
후속연구
- 이러한 높은 figure of merit 값은 높은 투과도와 낮은 면저항에 의해 나타나는 것이므로 ITO/Ag/ITO 다층막이 매우 우수한 광학적 전기적 특성을 나타낸다는 것을 알 수 있다. 380~540 nm 파장대에서는 ITO 단일막에 비해 ITO/Ag/ITO 다층막의 투과도가 낮게 나타났는데 이를 개선하기 위한 추가 연구가 진행 중에 있다.
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