물리학과 첨단기술 MARCH 20 20 32
친환경 압전세라믹스 개발과 소재활용을 위한 유전완화 및
교류전기전도 특성평가
친환경 신소재 개발에 대한 연구가 활발 하게 진행되고 있다. Pb(Zr,Ti)O3 (PZT)계 세라믹스는 강유전 및 압전 전자소재로 널 리 사용되었으나 이 재료에 포함된 납(Pb) 은 심각하게 인체를 중독시키고 환경을 오 염시킨다. PZT계 중요 대체물질 중 (Na, K)NbO3 (NKN)은 사방정-정방정상에 의한상공존 특성(polymorphic phase tran-sition, PPT)을 갖는다. 특히, 압전특성이 향상된 상공존 영역이 확대되고 또 상온 근처로 이동하면 이 신소재의 상용범위가 크게 확대될 수 있다. 이미 이온치환 및 개 선된 재료 성장법으로 NKN계 소재의 기초 특성은 향상되었고, 이후 응용특성 향상과 소재활용에 대한 연구가 진행되고 있다. 세라믹스 소결공정 중 Na와 K 휘발에 의한 낮은 결정화와 불균일한 조성성분은 소재의 응용특성을 크게 저하시킨다. 따라 서 소재 내부의 결함을 줄이고 응용특성 향상을 위해 최적 소결온도와 적절한 Na/ K 보상이 필요하다. 본 연구에서 Nb 대신 Ta을 45 mol% 치환하여 상공존 영역을 상온 쪽으로 조절하였다. Na/K 부족 및 과 잉 성분의 (Na0.53+xK0.47+x)(Nb0.55Ta0.45)O3 세라믹스를 합성하였고, 온도에 따른 결정 구조의 상변화와 유전거동특성을 그림과 같이 확인하였다. 특히, 압전특성이 향상 된 이 NKNT 세라믹스의 유전완화 및 전기 전도특성을 자세히 연구하였다. 이를 위해 실온에서 600oC의 측정온도 및 1 Hz‒1 MHz의 넓은 교류주파수를 선택하여 온도 와 주파수에 따른 강유전상과 상유전상의 복소 유전반응 및 전기 전도특성을 연구하 였다.
김진수, 이호섭 New Physics: Sae Mulli 70, 1 (2020).
인듐 주석 산화물 박막의 질소 플라즈마 처리에 관한 연구
대표적 투명전극 물질인 인듐 주석 산화 물(In2O3:Sn, ITO)은 높은 전기 전도성과 가시광선 투과성을 동시에 지닌다. 따라서 디스플레이, 발광 다이오드, 광센서, 태양 전지 등의 투명한 전도성 코팅으로써 널리 사용된다. 다양한 응용 면에서 ITO의 전도 성을 바꾸기 위해서 플라즈마 처리 방법이 소개된 바 있다. 예로 ITO에 산소 플라즈 마 처리 후 면저항과 일함수가 증가했다는 보고가 있고, 산소-질소 플라즈마 처리로 ITO의 산소 공핍이 질소로 대체되면서 산 소의 결합 상태가 안정화되고 저항이 증가 되는 것으로 알려졌다. 이에 관련하여, 우 리는 축전 결합 방전 플라즈마(capacitively coupled plasma, CCP) 방법을 사용하여 ITO에 단일 질소 플라즈마 처리를 진행하 고 광방출 플라즈마(optical emission spectroscopic, OES) 방법을 이용하여 각 각의 플라즈마 종을 연구하였다. 이렇게 질소플라즈마 처리가 된 ITO 박막의 다양 한 물성을 연구하였다. 구체적으로 질소 유량이 증가함에 따른 질소 플라즈마 중 중성 분자인 1st, 2nd positive series의 밀도와 에너지가 증가하고 이온 분자의 1st negative series의 밀도가 감소함을 OES 분석을 통해 확인할 수 있었다. 또한 전자주사현미경(SEM)으로 질소 플라즈마 처리를 한 ITO의 표면 형태를 분석하였을 때, 질소 유량 증가에 따라 그레인(grain) 사이즈가 점점 증가하고, 더욱 더 응집됨 을 관찰하였다(그림: 질소유량변화에 따른ITO 표면 SEM 이미지 (a) 10 sccm, (b) 20 sccm, (c) 40 sccm, and (d) 60 sccm). 이는 플라즈마 에너지가 표면입자 의 확산에 쓰여져, 모폴로지 변화에 직접 적 영향을 줌을 의미한다고 할 수 있다.
자외선-가시광선 분광광도계(ultraviolet- visible spectroscopy, UV-vis) 측정을 했는데, 중성 분자 플라즈마의 밀도와 에 너지가 높아지고 이온 분자 플라즈마의 밀도가 낮아질수록, ITO 박막의 투과율 이 감소하고 에너지 밴드테일(band-tail) 이 증가하며, 또한 면저항이 감소함을 관 찰할 수 있었다. 이를 통해 질소 CCP 플라즈마 처리시 중성, 이온분자 종의 역 학적 에너지 변화에 따른 결정결함의 형 성과 그에 따른 ITO 박막의 광학적, 전 기적 특성의 변화를 이해할 수 있었다. 장지원, 지혁, 서혜원, New Physics: Sae Mulli 70, 103 (2020).
