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문제 정의
- 본 연구에서는 충분한 투과도가 발생하는 초박형(<10 nm)구조에서 스퍼터링법으로 증착된 Al박막의 비저항 크기 효과를 분석하였고 도출된 결과를 바탕으로 Al의 OMO 투명전극으로서의 활용가능성에 대해 검토하였다.
제안 방법
- 20 mm × 20 mm의 유리(Non-alkari glass, Corning E2000)기판을 아세톤 용액과 IPA(Isopropyl Alcohol) 용액 내에서 각각 5분간 초음파 세척기를 이용하여 세척하였다.
- Al 박막의 투명전극 적용연구를 수행하였다. DC 마그 네트론 스퍼터링법으로 유리 기판 상에 3-12 nm의 두께를 가지는 Al 투명전극을 형성하였으며 투명전극의 주요 특성인 면저항과 광 투과도를 측정하였다.
- Al 박막의 투명전극 적용연구를 수행하였다. DC 마그 네트론 스퍼터링법으로 유리 기판 상에 3-12 nm의 두께를 가지는 Al 투명전극을 형성하였으며 투명전극의 주요 특성인 면저항과 광 투과도를 측정하였다. 면저항은 박막두께가 6 nm 이상일 때부터 측정이 가능하였으며, 두께가 증가할수록 지속적으로 감소하여 12 nm에서 가장 낮은 6.
- Table 1. Film identification, thickness, sheet resistance, optical transmission and grain size for the films in this study. The listed optical transmission is average values over the visible light wavelengths (i.
- 1 Å/s을 바탕으로 박막의 두께를 결정하였다. 면저항 측정기(Four point probe)를 이용하여 박막의 면저항(Sheet Resistance)을 측정하였고, X-ray 회절(X-ray diffraction, XRD)을 이용하여 상분석을 실시하였으며, 주사전자현미경(Scanning electron microscope, SEM)을 이용하여 표면형상을 분석하였다. 박막 내 그레인 크기는 선교차법(line intercept method)10)을 이용하여 측정하였으며 시편당 평균 120개의 그레인에 대한 평균값을 측정하였다.
- 증착된 박막의 두께는 Alpha-step surface profiler(D-100, KLA Tencor)를 이용하여 측정하였으며, 도출된 증착률 3.1 Å/s을 바탕으로 박막의 두께를 결정하였다. 면저항 측정기(Four point probe)를 이용하여 박막의 면저항(Sheet Resistance)을 측정하였고, X-ray 회절(X-ray diffraction, XRD)을 이용하여 상분석을 실시하였으며, 주사전자현미경(Scanning electron microscope, SEM)을 이용하여 표면형상을 분석하였다.
대상 데이터
- 증착 전 챔버의 기저압력(base pressure)은 3.0 × 10-7 Torr 이하였으며, 99.999%의 Ar 가스 주입을 통해 압력을 1.0 × 10-2 Torr로 상승시킨 후, 3 인치 크기의 Al (99.999 wt%) 스퍼터 타겟을 이용하여 증착하였다.
데이터처리
- 면저항 측정기(Four point probe)를 이용하여 박막의 면저항(Sheet Resistance)을 측정하였고, X-ray 회절(X-ray diffraction, XRD)을 이용하여 상분석을 실시하였으며, 주사전자현미경(Scanning electron microscope, SEM)을 이용하여 표면형상을 분석하였다. 박막 내 그레인 크기는 선교차법(line intercept method)10)을 이용하여 측정하였으며 시편당 평균 120개의 그레인에 대한 평균값을 측정하였다. 적외-자외-가시광선 분광계(UV-Visible spectrophotometer)를 이용하여 200-1000 nm 파장대 영역에서의 광 투과도를 측정하였으며, 광투과도 측정 결과를 제시할 때 유리기판 자체의 투과도(약 8%)는 제외하였다.
성능/효과
- 이러한 광 투과도의 감소는 입사 광의 손실에 의해 일어나는데, 표면 반사효과와 더불어 증가에 따라 투과되는 입사광의 침투 깊이의 증가로 인해 흡광도가 상승될 뿐만 아니라, 불연속 박막형태에서의 아일랜드 구조에 의한 플라즈마 공명 효과 (plasmon resonance effect)에 기인한 결과이다.4) Fig 5는 광학적 투 과도를 실제로 보여주는 사진으로 박막의 두께가 증가할수록 광 투과도가 감소하여 투명전극 하단에 위치한 피사체가 흐릿하게 보이는 결과를 확인할 수 있었다. 본 논문에서 연구한 Al 박막의 물성에 대해 Table 1에 정리하였다.
- 2는 3-12 nm 두께를 가지는 박막의 SEM 이미지이다. Al 박막의 증착 거동은 아일랜드 구조의 핵이 초기에 생성되고 성장 단계를 거쳐 연속박막이 형성되는Volmer-weber 유형12)을 따르는 것으로 확인되는 데, 두께가 증가할수록 핵들의 합체(Coalescence)가 점진적으로 진행되지만, 12 nm 두께까지도 완전한 연속박막을 형성하지 못한 것을 확인할 수 있다.
- 4는 200-1000 nm의 파장 영역대에서의 3-12 nm의 두께를 가지는 Al 박막의 두께별 광 투과도를 나타내었다. 가시광선 파장영역(380-770 nm) 내 평균투과도는 3 nm 두께에서 80% 이상의 투과도가 측정된 데 반하여, 4-5 nm 두께에서는 60% 대투과도로 급격하게 감소하였고 6 nm 이상의 두께에서부터는 점진적으로 감소되는 결과를 확인할 수 있었다. 이러한 광 투과도의 감소는 입사 광의 손실에 의해 일어나는데, 표면 반사효과와 더불어 증가에 따라 투과되는 입사광의 침투 깊이의 증가로 인해 흡광도가 상승될 뿐만 아니라, 불연속 박막형태에서의 아일랜드 구조에 의한 플라즈마 공명 효과 (plasmon resonance effect)에 기인한 결과이다.
- 가 측정되었다. 광 투과도는 두께가 3- 5 nm에서 평균 60-80%의 가시광선 투과율이 측정되었으나 그 이후 점진적으로 감소되는 경향을 확인할 수 있었다. 주사전자현미경으로 촬영한 이미지를 확인한 결과 12 nm 두께의 박막에서도 완전히 연속된 박막의 형성이 이루어지지 않은 점이 상대적으로 높은 면저항과 낮은 광 투과도로 이어진 것으로 판단된다.
- 박막 내 그레인 크기는 선교차법(line intercept method)10)을 이용하여 측정하였으며 시편당 평균 120개의 그레인에 대한 평균값을 측정하였다. 적외-자외-가시광선 분광계(UV-Visible spectrophotometer)를 이용하여 200-1000 nm 파장대 영역에서의 광 투과도를 측정하였으며, 광투과도 측정 결과를 제시할 때 유리기판 자체의 투과도(약 8%)는 제외하였다.
- 광 투과도는 두께가 3- 5 nm에서 평균 60-80%의 가시광선 투과율이 측정되었으나 그 이후 점진적으로 감소되는 경향을 확인할 수 있었다. 주사전자현미경으로 촬영한 이미지를 확인한 결과 12 nm 두께의 박막에서도 완전히 연속된 박막의 형성이 이루어지지 않은 점이 상대적으로 높은 면저항과 낮은 광 투과도로 이어진 것으로 판단된다. 향후 Al 박막의 젖음성 개선 연구와 산화방지 및 빛반사방지막 적용을 통해 향상된 투명전극 성능이 기대된다.
후속연구
- 위의 결과를 바탕으로 박막의 물성증진을 위해 Al전극의 산화를 방지하고 빛반사를 저감하기 위하여 산화방지막 및 빛반사 방지막의 형성이 필요한데, 기존 Cu와 Ag을 기반으로 한 투명전극에 활용되었던 OMO (Oxide/ Metal/Oxide)구조4,5)의 도입을 통해서 이러한 목적을 효과적으로 달성할 수 있을 것으로 기대된다. 하부 산화막의 경우에는 Al 박막의 젖음성 향상을 통해 Volmer-Webber 3D 성장모드를 억제시켜 연속박막 성장에 기여할 수 있는 물질을 선정하여야 한다.
- 주사전자현미경으로 촬영한 이미지를 확인한 결과 12 nm 두께의 박막에서도 완전히 연속된 박막의 형성이 이루어지지 않은 점이 상대적으로 높은 면저항과 낮은 광 투과도로 이어진 것으로 판단된다. 향후 Al 박막의 젖음성 개선 연구와 산화방지 및 빛반사방지막 적용을 통해 향상된 투명전극 성능이 기대된다.
- 하부 산화막의 경우에는 Al 박막의 젖음성 향상을 통해 Volmer-Webber 3D 성장모드를 억제시켜 연속박막 성장에 기여할 수 있는 물질을 선정하여야 한다. 향후, 이러한 OMO 구조 및 물질의 최적화를 통해 면저항과 광 투과도 사이의 Trade off 현상을 최소화하여 투명전극으로써의 특성 극대화 연구를 수행할 계획이다.
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