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문제 정의
- 이들 변수의 조정에 의해서 ZnO:Al 투명 전도막의 전기적, 광학적 특성 및 표면 조직화 식각 처리 특성이 크게 변화될 수 있는데, 이를 확인하였다. 따라서 본 논문에서는 제 변수에 따른 ZnO:Al 박막 코팅을 진행 후, 표면 조직화 공정을 진행하여 실험 결과를 제시한다. 또한 이들 결과의 전기적, 광학적 분석을 통해서 최적의 공정 조건을 설정하고자 한다.
- 따라서 본 논문에서는 제 변수에 따른 ZnO:Al 박막 코팅을 진행 후, 표면 조직화 공정을 진행하여 실험 결과를 제시한다. 또한 이들 결과의 전기적, 광학적 분석을 통해서 최적의 공정 조건을 설정하고자 한다.
- 본 연구에서는 표면 조직화 처리된 ZnO:Al 투명전극 박막을 제작함에 있어서 스퍼터링 공정의 공정 압력, 증착 파워, 증착 온도 등의 중요한 변수들에 따른 영향성을 분석하였다. 이들 변수의 조정에 의해서 ZnO:Al 투명 전도막의 전기적, 광학적 특성 및 표면 조직화 식각 처리 특성이 크게 변화될 수 있는데, 이를 확인하였다.
제안 방법
- 0 내외이며[11], 그보다 더 낮으면 산소의 비중이 높거나, 혹은 박막이 공극률이 높아 밀도가 높지 못할 때에 굴절률이 감소하는 경향을 보일 수 있다. 또한 그림 3(b)에서 보는 바와 같이, 압력의 변화에 따른 광학적 투과도를 550 nm와 1000 nm 의 가시광 및 근적외선 영역에서 평가하였다. 태양광스펙트럼이 강하게 분포하는 550 nm의 영역에서는 낮은 압력에서 증착한 박막이 투과율이 더 높은 현상을 보여주었으며, 90% 이상의 투과율이 1mTorr 공정에서 확보되었다.
- 200 mm × 200 mm 사이즈의 유리 기판은 유기세정 및 건조 공정을 통해 미리 준비되었으며, 스퍼터 챔버는 고진공(1.0×10-7 Torr) 분위기를 미리 Cryo 펌프(GENESIS ICP-200)를 통해 조성하였다.
- %)을 이용하였다. ZnO:Al 박막은 다양한 공정 조건의 변화에 따라서 증착이 진행되었으며, 공정 압력(working pressure)은 1~5 mT, 증착 파워는 0.8~1.2 kW, 그리고 증착 온도(상온 ~ 400 oC)의 주요 파라미터를 변화시키며 진행되었다. 또한 이외의 파라미터인 공정 가스는 알곤(argon) 가스를 10~20 sccm으로 각 압력에 맞게 조절하면서 증착이 진행되었으며 기타 다른 변수는 모두 고정되었다.
- 표면조직화 공정이 완성된 ZnO:Al 박막의 광학적 특성을 평가하기 위하여 ultraviolet-visible-near infrared (UV-vis-NIR) spectrophotometer (Varian Cary 5000) 장비가 활용되었으며, 광학적 투과도 및 광 산란도(haze, diffusive transmittance/(diffusive transmittance + specular transmittance×100 (%))를측정하였다. 또한 표면 조직화 처리된 ZnO:Al의 박막 표면은 전계 주사현미경 (Carl Zeiss SUPRA 55VP)을 통해서 분석/조사되었다.
- 이를 통해 비저항(ρ = Rs × thickness) 값들을 확보하였다. 또한, 태양전지에의 광산란 역할을 포함한 투명전극으로의 응용 가능성을 평가하기 위하여 표면 조직화 과정이 진행되었는데, 이는 0.5 %의 농도로 희석된 염산용액을 이용하여 약 40초간 담구어 습식 식각 공정을 진행하였다. 이를 통해서 초기 두 께와 최종 두께의 차이를 통해, 감소된 두께를 파악하여 식각률을 계산 하였다.
- Woollam; M2000-U) 장비로 Tauc-Lorentz optical model을 이용하여 측정하였다. 면저항(Sheet resistance, Rs)는 4-point probe 장비를 이용하여 측정하였다. 이를 통해 비저항(ρ = Rs × thickness) 값들을 확보하였다.
- 본 논문에서는 스퍼터링 시스템을 이용하여 공정 압력(1~5mT), 증착 파워(0.8~1.2 kW), 증착 온도(25~400 oC)의 변화에 따른 ZnO:Al 투명 전극을 증착하는 공정 및 표면 조직화하는 공정을 진행하여 박막태양 전지의 투명 전극 관점에서 분석 및 평가를 진행하였다. 공정 압력은 1 mT로 낮춰 공정을 진행했을 때,2.
- 1에 근접하는 굴절률이 확인되었다. 이 증착 변수 범위를 기초로 하여 증착 온도변화에 따른 표면 조직화 공정이 진행된 ZnO:Al 박막의 표면 topography 분석이 진행되었다. 증착 온도는 200~300 oC의 공정온도 영역에서 진행하여 표면 조직화 식각 공정을 진행했을 때 우수한 표면 구조를 제공하여 광산란 비율을 증가시킬 수 있는 것으로 확인되었다.
- 이를 통해 비저항(ρ = Rs × thickness) 값들을 확보하였다.
- 5 %의 농도로 희석된 염산용액을 이용하여 약 40초간 담구어 습식 식각 공정을 진행하였다. 이를 통해서 초기 두 께와 최종 두께의 차이를 통해, 감소된 두께를 파악하여 식각률을 계산 하였다.
- 표면조직화 공정이 완성된 ZnO:Al 박막의 광학적 특성을 평가하기 위하여 ultraviolet-visible-near infrared (UV-vis-NIR) spectrophotometer (Varian Cary 5000) 장비가 활용되었으며, 광학적 투과도 및 광 산란도(haze, diffusive transmittance/(diffusive transmittance + specular transmittance×100 (%))를측정하였다.
대상 데이터
- 스퍼터 장비는 DC 및 RF 증착이 모두 가능하고, 200 mm × 200 mm까지의 기판 사이즈에 대응 가능하다. 본 실험에서의 ZnO:Al의 증착은 DC 모드를 통해서 증착하며, 스퍼터 타겟은 Al-doped ZnO(2wt.%)을 이용하였다. ZnO:Al 박막은 다양한 공정 조건의 변화에 따라서 증착이 진행되었으며, 공정 압력(working pressure)은 1~5 mT, 증착 파워는 0.
- 본 연구에서는 ZnO:Al 박막을 유리 기판에 스퍼터링 공정을 이용하여 증착하였다. 200 mm × 200 mm 사이즈의 유리 기판은 유기세정 및 건조 공정을 통해 미리 준비되었으며, 스퍼터 챔버는 고진공(1.
이론/모형
- 증착된 ZnO:Al 박막을 분석하기 위해서 먼저, 박막의 두께는 spectroscopic ellipsometry(J. A. Woollam; M2000-U) 장비로 Tauc-Lorentz optical model을 이용하여 측정하였다. 면저항(Sheet resistance, Rs)는 4-point probe 장비를 이용하여 측정하였다.
성능/효과
- 8에서 1.2 kW로 증가할수록 굴절률이 상승하는 결과를 얻었으며, 그림 4(b)와 4(c)에서 보는 것처럼, 투과율 역시도 550 nm에서는 높은 파워에서 더욱 우수한 투과율을 보여 박막의 구조적/광학적 특성이 향상됨을 파악할 수 있다. 장파장인 1000 nm에서는 투과율이 다소 감소하는데, 알루미늄 함량 이 증가하여 장파장 빛의 free carrier absorption 효과에 따라서 약간의 손실을 보는 것으로 보인다.
- 그림 3(c)에서 보이는 haze는 입사광을 얼마나 산란시켜 줄 수 있는지에 대한 파라미터로서 총 투과율 중에 확산(산란광)된 빛의 비율을 의미한다. 공정 범위 내에서 550 nm 파장 대역의 haze 값은 70 % 이상으로 우수한 수준을 보였고 장파장으로 갈수록 빛의 산란도가 감소하게 되는데, 1000 nm에서는 약 20% 내외의 haze를 보여주었다. 상대적으로 3 mTorr의 샘플은 투과율 및 haze가 부족하며 굴절률도 낮은 상태를 보였는데, 결정성 및 공극이 많은 박막 형성을 의미한다.
- 공정 압력은 1 mT로 낮춰 공정을 진행했을 때,2.3×10-4 ohm·cm의 우수한 전기적 비저항, 2.1에 근접하는 굴절률, 우수한 가시광/근적외선 투과율 및 haze 특성을 갖는 것으로 확인되었다.
- 장파장인 1000 nm에서는 투과율이 다소 감소하는데, 알루미늄 함량 이 증가하여 장파장 빛의 free carrier absorption 효과에 따라서 약간의 손실을 보는 것으로 보인다. 그러나, 태양광 스펙트럼의 파장별 세기를 감안하면 1000 nm에서의 약간의 투과율 감소보다는, 앞서 언급된 바, 전기적 특성, 굴절률, 그리고 가시광 영역에서의 우수한 투과율 등 다양한 장점이 많기에 높은파워에서 증착하는 것이 종합적으로 우수한 특성의 ZnO:Al을 제작할 수 있다고 판단된다.
- 8×10-4 ohm·cm으로 높아지는 모습을 보여주었다. 낮은 압력에서 이온 충돌이 적은 상태로 박막의 결정성장을 이루어 갈 때, mean free path가 증가함에 따라서 밀도 높은 박막의 형성을 통한 우수한 전기적 특성을 갖는 ZnO:Al 박막이 얻어짐을 확인하였다.
- 7 nm/s로 증착률이 증가하게 되는데, 이는 스퍼터링 현상을 단위시간당 더 강력하게 해주기 때문에 더 높은 증착률을 얻을 수 있다. 또한 식각률 부분에 서도 높은 파워에서 약 1 nm/s 수준의 더 낮은 식각률을 보여주었는데, 이는 높은 파워에서 증착된 박막이 단지 빠르게만 증착된 것이 아니라 밀도 높은 박막의 형성에도 도움이 되고 있음을 보여준다. 이 설명에 대한 또 하나의 단서는 그림 2(b)에서 나타난다.
- 또한 증착 파워의 관점에서는 1.2 kW로 높일수록 2.0×10-4 ohm·cm에 가까워지는 비저항 값과, 2.1에 근접하는 굴절률이 확인되었다.
- 상대적으로 3 mTorr의 샘플은 투과율 및 haze가 부족하며 굴절률도 낮은 상태를 보였는데, 결정성 및 공극이 많은 박막 형성을 의미한다. 상기의 전기적, 광학적 특성을 종합하여 볼 때, 공정 압력이 1 mTorr로 낮은 압력일 때, 전기적 비저항 값이 가장 우수하고 굴절률도 2.1로 밀도 높은 박막의 형성을 의미하였으며, 광학적 투과도 및 haze 관점에서도 우수한 모습을 보였다. 이온끼리 충돌하여 플라즈마의 평균 자유이동거리가 짧아지지 않도록 하였을 때 우수한 특성을 갖는 ZnO:Al 박막이 얻어지는 것으로 판단된다.
- 본 연구에서는 표면 조직화 처리된 ZnO:Al 투명전극 박막을 제작함에 있어서 스퍼터링 공정의 공정 압력, 증착 파워, 증착 온도 등의 중요한 변수들에 따른 영향성을 분석하였다. 이들 변수의 조정에 의해서 ZnO:Al 투명 전도막의 전기적, 광학적 특성 및 표면 조직화 식각 처리 특성이 크게 변화될 수 있는데, 이를 확인하였다. 따라서 본 논문에서는 제 변수에 따른 ZnO:Al 박막 코팅을 진행 후, 표면 조직화 공정을 진행하여 실험 결과를 제시한다.
- 1로 밀도 높은 박막의 형성을 의미하였으며, 광학적 투과도 및 haze 관점에서도 우수한 모습을 보였다. 이온끼리 충돌하여 플라즈마의 평균 자유이동거리가 짧아지지 않도록 하였을 때 우수한 특성을 갖는 ZnO:Al 박막이 얻어지는 것으로 판단된다.
- 이 증착 변수 범위를 기초로 하여 증착 온도변화에 따른 표면 조직화 공정이 진행된 ZnO:Al 박막의 표면 topography 분석이 진행되었다. 증착 온도는 200~300 oC의 공정온도 영역에서 진행하여 표면 조직화 식각 공정을 진행했을 때 우수한 표면 구조를 제공하여 광산란 비율을 증가시킬 수 있는 것으로 확인되었다. 이러한 공정 변수의 최적화를 통한 ZnO:Al 박막의 증착 및 표면 조직화 공정은 박막태양전지의 효율적인 공정에 도움이 될 수 있다.
- 증착 파워가 높은 상황에서 증착된 박막이 더 낮은 비저항 값을 보여주며 약 5.0 × 10-4 ohm·cm에서 2.0 × 10-4 ohm·cm의 매우 우수한 비저항 값에 가까워지는 것을 확인할 수 있다.
- 또한 그림 3(b)에서 보는 바와 같이, 압력의 변화에 따른 광학적 투과도를 550 nm와 1000 nm 의 가시광 및 근적외선 영역에서 평가하였다. 태양광스펙트럼이 강하게 분포하는 550 nm의 영역에서는 낮은 압력에서 증착한 박막이 투과율이 더 높은 현상을 보여주었으며, 90% 이상의 투과율이 1mTorr 공정에서 확보되었다. 1000 nm의 장파장 대역의 투과도 부분에서는 굴절률에서와 유사하게 이 샘플이 가장 낮은 투과율을 보여주었다.
- 200~300 oC의 공정온도 영역에서는 유사한 수준의 crater size와 분포를 보여주어 광산란 관점에서 이점을 보여준 반면, 400 oC의 상대적으로 높은 공정온도에서는 박막 표면에 crater 형성이 매우 적게 이루어졌는데, 이는 박막 밀도가 너무 높아서 식각이 원활하게 이루어지지 못했음을 의미한다. 효율적인 입사광의 산란이라는 관점에서 200~300 oC의 공정온도 영역이 우수한 표면 구조를 제공해 줄 수 있음이 본 실험을 통해서 확인되었다. 이러한 공정 파라미터의 최적화를 통해 표면조직화된 ZnO:Al 투명전극 기판을 확보하였고, 이 기술은 태양전지 소자 제작에 다양하게 응용될 수 있을 것으로 기대된다.
후속연구
- 스퍼터링의 공정 압력 및 공정 파워에 따라서 증착률, 표면 조직화 식각률, 그리고 비저항이 변화할 수 있기 때문 에, 먼저 이 영향성에 대한 분석을 기초로 하여, 최종으로 공정 온도에 대한전기/광학적 및 표면 식각에 대한 영향 성 및 최적화 공정을 진행할 것이다. 그림 1(a)에서 보는 것과 같이, 스퍼터링 공정 압력의 변화에 따른 ZnO:Al 박막의 증착률과 표면 조직화 식각률, 그리고 전기 비저항 값의 변화를 보여준다.
- 효율적인 입사광의 산란이라는 관점에서 200~300 oC의 공정온도 영역이 우수한 표면 구조를 제공해 줄 수 있음이 본 실험을 통해서 확인되었다. 이러한 공정 파라미터의 최적화를 통해 표면조직화된 ZnO:Al 투명전극 기판을 확보하였고, 이 기술은 태양전지 소자 제작에 다양하게 응용될 수 있을 것으로 기대된다.
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