[논문]전자빔 조사 및 Ag 완충층에 의한 ZnO/Ag 박막의 구조적·광학적·전기적 특성 개선 효과

최진영; 엄태영; 박윤제; 최수현; 김대현; 조윤주; 김대일

doi:10.4313/jkem.2018.31.4.221

전자빔 조사 및 Ag 완충층에 의한 ZnO/Ag 박막의 구조적·광학적·전기적 특성 개선 효과
The Effect of Electron Beam Irradiation and Ag Buffer Layer on the Structural, Optical, and Electrical Properties of ZnO/Ag Thin Films 원문보기

전기전자재료학회논문지 = Journal of the Korean institute of electronic material engineers, v.31 no.4, 2018년, pp.221 - 225

최진영 (울산대학교 첨단소재공학부) , 엄태영 (울산대학교 첨단소재공학부) , 박윤제 (울산대학교 첨단소재공학부) , 최수현 (울산대학교 첨단소재공학부) , 김대현 ((주)풍산홀딩스 기술연구소) , 조윤주 ((주)풍산홀딩스 기술연구소) , 김대일 (울산대학교 첨단소재공학부)

Abstract ▼ AI-Helper

In this work, in order to effectively improve the electrical conductivity and visible light transmittance of ZnO thin films, ZnO single layer and ZnO/Ag bi-layer films were deposited on glass substrates by radio frequency and direct current magnetron sputtering, and then, the effects of an Ag buffer layer and electron beam irradiation on the electrical and optical properties of the films were investigated. The observed results indicate that ZnO 100 nm / Ag 7 nm films show higher opto-electrical performance than the ZnO single layer film. In addition, electron beam irradiation also effectively enhanced the visible transmittance and electrical conductivity of the ZnO/Ag bi-layer films.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

따라서 본 연구에서는 ZnO 박막의 전기전도도와 가시광 투과도를 효과적으로 개선하기 위하여 RF와 DC 마그네트론 스퍼터를 이용하여 ZnO/Ag 적층박막을 증착하고 Ag 완충막 두께 변화 및 증착 후 전자빔 표면개질에 따른 ZnO/Ag 박막의 전기광학적 특성 변화를 고찰하여 새로운 ITO 대체제로서의 가능성을 고찰하였다.

제안 방법

본 연구에서는 100 nm 두께의 ZnO 단층박막과 두께가 서로 다른 Ag 완충층을 적용한 ZnO/Ag 적층박막을 실온에서 RF와 DC 마그네트론 스퍼터를 이용하여 유리기판에 증착하고 Ag 완충층 두께 및 전자빔 조사에너지에 따른 전기적⋅광학적 특성 변화를 고찰하였다.

대상 데이터

스퍼터 증착 이전, 챔버의 진공도를 6.0×10⁻⁷ Torr로 배기한 후에, Ar 가스 주입량을 10 sccm으로 유지하며, 유리기판(Corning 1797, 30×30 mm²)에 ZnO 단층박막과 ZnO/Ag 적층박막을 1.0×10⁻³ Torr 조건에서 RF와 DC 마그네트론 스퍼터를 이용하여 증착하였다. 유리기판은 이소프로필 알코올, 증류수 순서로 10분 동안 초음파세척기로 세정한 후에 질소가스로 건조하였다.

데이터처리

154 nm, X’pert pro MRD, philips, 한국기초과학지원연구원, KBSI 대구센터)로 측정하였으며, 박막의 두께 및 증착률은 표면조도측정기(Dektak-150, Varian)로 분석하였다. Ag 완충층 두께 및 전자빔 조사에 따른 전기적 특성(전하밀도, 이동도, 비저항) 변화는 반데르 포 방법(Van der Pauw method)을 적용한 Hall Effect 측정기(HMS-3000, Ecopia)로 측정하였고, 박막의 표면 root mean square (RMS) 거칠기는 원자간력현미경(atomic force microscope, XE-100 Park System)을 이용하여 분석하였다.
증착 이전의 유리기판과 ZnO 및 ZnO/Ag 박막의 평균 가시광 투과율(400~800 nm)은 자외선-가시광 분광기(UV-Visible spectrophotometer, Cary 5000, VARIAN)로 측정하였으며 유리기판의 평균 가시광 투과율은 90%였다. 박막의 결정화는 X선-회절분석기(Cu-kα, λ= 0.154 nm, X’pert pro MRD, philips, 한국기초과학지원연구원, KBSI 대구센터)로 측정하였으며, 박막의 두께 및 증착률은 표면조도측정기(Dektak-150, Varian)로 분석하였다. Ag 완충층 두께 및 전자빔 조사에 따른 전기적 특성(전하밀도, 이동도, 비저항) 변화는 반데르 포 방법(Van der Pauw method)을 적용한 Hall Effect 측정기(HMS-3000, Ecopia)로 측정하였고, 박막의 표면 root mean square (RMS) 거칠기는 원자간력현미경(atomic force microscope, XE-100 Park System)을 이용하여 분석하였다.

성능/효과

1) ZnO 단층박막은 83.2%의 높은 가시광 투과율과 높은 비저항(4.04×10⁵ Ωcm)을 보였으나, Ag 완충 층 도입 및 두께 증가로 ZnO/Ag 10 nm 박막의 전기비저항은 최저 4.8×10^-5 Ωcm로 감소하였다.
2) Ag 완충층 두께 증가로 박막의 가시광 투과도는 감소하였으나, 향상된 전기전도도로 인하여 단일 ZnO 박막보다 ZnO/Ag 7 nm 적층박막의 전기광학적 특성이 상대적으로 우수함을 알 수 있었으며, 새로운 투명전극재로서의 활용 가능성 또한 확인하였다.
3) 증착 후 전자빔 조사 에너지가 증가함에 따라서 박막의 면저항은 감소하고 평균 가시광 투과도는 증가하여, 추가적인 전기광학적 특성 개선 효과를 확인할 수 있었다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	투명전극용 금속산화물은 어떤 특징을 가지는가?	높은 가시광 투과율과 낮은 비저항을 동시에 갖는 투명전극용 금속산화물(transparent conductive oxide, TCO) 박막은 대면적의 표시소자(display device) 및 태양전지의 핵심재료로 활용되고 있다. 종래의 In2O3에 미량의 Sn이 첨가된 ITO (Sn doped In2O3) 박막은 높은 가시광 투과도(>80%)와 낮은 면저항(>100 Ω/□)을 갖기 때문에 대표적인 TCO 소재로 알려져 있으나, 희귀한 인듐(In)의 가격 상승으로 인하여, 원천재료 확보가 용이한 ZnO에 미량의 Ga 또는 Al이 포함된, GZO (Ga doped ZnO)와 AZO (Al doped ZnO) 박막이 ITO 박막의 대체 전극재로 개발되고 있다 [1,2].
	대면적 증착에 효과적인 박막증착기술은 어떤 것이 있는가?	이러한 투명전극 소재의 적층화와 더불어 효과적인 박막증착기술로 마그네트론 스퍼터 증착 후 전자빔 표면개질기술이 보고되었다 [6]. 특히 radio frequency (RF) 마그네트론 스퍼터 증착은 이상적인 TCO 타겟의 조성 확보와 대면적 증착이 용이하기 때문에 생산현장의 양산기술로 활용되고 있다.
	투명전극용 금속산화물 박막은 어느 분야에 활용되는가?	높은 가시광 투과율과 낮은 비저항을 동시에 갖는 투명전극용 금속산화물(transparent conductive oxide, TCO) 박막은 대면적의 표시소자(display device) 및 태양전지의 핵심재료로 활용되고 있다. 종래의 In2O3에 미량의 Sn이 첨가된 ITO (Sn doped In2O3) 박막은 높은 가시광 투과도(>80%)와 낮은 면저항(>100 Ω/□)을 갖기 때문에 대표적인 TCO 소재로 알려져 있으나, 희귀한 인듐(In)의 가격 상승으로 인하여, 원천재료 확보가 용이한 ZnO에 미량의 Ga 또는 Al이 포함된, GZO (Ga doped ZnO)와 AZO (Al doped ZnO) 박막이 ITO 박막의 대체 전극재로 개발되고 있다 [1,2].

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