http://dx.doi.org/10.3938/NPSM.68.724
Crystal Structure and Surface Characteristics of ZnO Thin Films Deposited by Using RF Magnetron Sputtering
Bong Ju Lee
Department of Physics, Chosun University, Gwangju 61452, Korea
Myung Bok Lee
∗Department of Mechanical and Metallic Mold Engineering, Gwangju University, Gwangju 61743, Korea (Received 31 March 2018 : revised 1 June 2018 : accepted 4 June 2018)
In this paper, we investigate the hydrophobic properties of ZnO thin films according to their crystal structure and surface morphology. We deposited ZnO thin films on Si and glass substrates by using RF magnetron sputtering and investigated the variations in the crystalline orientation and surface morphology with changes in the sputtering process conditions. The grain size and the surface roughness decreased with increasing of O2 gas molar ratio in an ambient gas mixture of Ar and O2 during film deposition. X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) results showed that neither the chemical state nor the composition depended on the Ar/O2 gas ratio in the ambient gas mixture. The contact angle of water on the film’s surface became larger as the grain size and the surface roughness of the film decreased. Therefore, one can conclude that the hydrophobicity of the ZnO film depends strongly on its surface morphology and roughness of the film rather than on its crystalline structure and chemical state.
PACS numbers: 68.47.Gh, 81.15.Cd, 77.55.hf
Keywords: RF magnetron sputtering, ZnO thin film, Surface morphology, Chemical state, Hydrophobicity
RF 마그네트론 스퍼터링법으로 제작한 산화아연 박막의 결정 구조 및 표면 특성
이봉주
조선대학교 물리학과, 광주 61452, 대한민국
이명복
∗광주대학교 기계· 금형공학부, 광주 61743, 대한민국
(2018년 3월 31일 받음, 2018년 6월 1일 수정본 받음, 2018년 6월 4일 게재 확정)
본 논문에서는 산화아연 박막의 결정 구조 및 표면형상에 따른 산화아연 박막 표면의 친·소수성에 대하여 연구하고자 한다. RF 마그네트론 스퍼터링 (magnetron sputtering) 을 이용하여 Si 및 유리 (glass) 기판 위에 산화아연 박막을 증착하여, 스퍼터링 조건에 따른 결정 구조 및 배향성과 표면형상의 변화를 조사하 였다. 스퍼터링 시에 분위기 혼합가스 중 아르곤과 산소 가스의 비율 변화에 따른 산화아연 박막의 표면
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형상을 관찰한 결과, 산소 가스의 몰 비가 높아질수록 결정립이 작아지고 표면이 미세해졌다. XPS 분석 결과 혼합가스의 몰 비에 따른 산화아연 박막의 표면 화학결합 상태 및 조성은 변화하지 않았다. 산화아연 박막의 물방울과의 접촉각을 측정한 결과, 산화아연 박막 표면의 표면거칠기와 결정립이 작아질수록 접촉각이 커지는 경향을 나타내었다. 따라서, 산화아연 박막의 친소수성 여부는 결정 구조나 배향성, 표면원자의 화학결합 상태보다는 박막의 표면 형상 및 거칠기에 더 좌우되는 것으로 판단된다.
PACS numbers: 68.47.Gh, 81.15.Cd, 77.55.hf
Keywords: 고주파 마그네트론 스퍼터링, 산화아연 박막, 표면형상, 화학상태, 소수성
I. 서 론
산화아연은 육방정계 우르짜이트 (wurtzite) 결정 구조를 가지고 있는 n형 반도체로 상온에서 3.37 eV의 넓은 직접천 이형 밴드갭과 60 meV의 큰 엑시톤 결합 에너지를 가지기 때문에 나노레이저 등의 광전소자로 활용 가능한 재료이다.
또한 높은 가시광 투과율과 적외선광 반사율, 높은 전기 전 도성을 가지고 있는 재료로서 태양전지 및 각종 디스플레이 의 투명 전극 등의 핵심소재로 널리 이용되고 있으며, 결정 구조에 기인하는 압전 특성을 이용한 압전소자, 압력센서, 바이오센서 응용 소재로서도 유망하다 [1–4].
한편, 최근에 산화아연의 광촉매 특성을 이용하여 전자기 기의 터치 패널의 박테리아 오염 방지를 위한 항균 필름으로 산화아연 박막이 주목받고 있다 [5]. 항균 필름으로 적용을 위해서는 산화아연 박막의 미세 구조 및 표면 특성의 개선을 통하여 소수성을 변화시킴으로써 내오염성이 우수한 산화 아연 박막 제작이 필요하다. 그러나, 아직까지 산화아연 박막의 다양한 결정 구조나 표면형상 및 화학결합 상태의 변화에 따른 친소수성 등의 표면 특성에 대한 체계적 연구는 미흡한 실정이다. 이런 소수성 박막을 제조하기 위해서는 기판의 표면에 우선 요철 구조를 갖는 거친 표면을 형성시 키는 공정과 그 표면을 낮은 표면에너지를 갖는 화합물을 이용하여 표면을 개질하는 공정이 필요하다 [6,7].
현재까지, 산화아연 박막은 졸-겔법, 스퍼터링법, 화학 기상증착법 (chemical vapor deposition, CVD), 펄스레 이저퇴적법 (pulsed laser deposition, PLD), 액상퇴적법 (liquid phase deposition, LPD) 등의 다양한 방법들에 의 해 제조되어 왔다 [8–12]. 그 중에서 스퍼터링 방법으로 형 성한 산화아연 박막은 공정조건에 의한 표면 형상의 제어가 용이하며 결정배향성이 우수한 다결정 박막을 대면적으로 형성하는 데에 유리하다.
본 논문에서는 터치스크린 패널 등 전자기기의 오염방지 를 목적으로, RF 마그네트론 스퍼터링법을 사용하여 산화 아연 박막을 제작하고, 스퍼터링 실험 조건의 변화에 따른 박막의 결정 구조 및 배향성, 표면형상 및 화학결합 상태의 변화를 파악하고 친소수성 등의 표면 특성 변화에 대하여 규명하고자 한다.
∗E-mail: [email protected]
Table 1. Sputtering conditions for ZnO thin film depo- sition.
Deposition parameters Conditions
RF power 70 W
Substrate Si(100), Glass Substrate temperature R.T., 200◦C
Ar/O2 gas ratio (sccm) 100/0, 75/25, 50/50, 25/75, 0/100 Ambient pressure 10 mTorr
Target-substrate distance 50 mm
II. 실험 방법
산화아연 박막의 제조를 위하여 RF 마그네트론 스퍼터링 장치를 이용하였다. 순도 99.99%인 직경 2인치의 산화아 연 소결체를 타겟으로 하여 Si(100) 및 Corning 7059 유리 (glass) 기판 위에 산화아연 박막을 스퍼터링으로 증착하 였다. 기판은 아세톤, IPA, 초순수의 순으로 각각 5분간 초음파 세척한 후에 질소 가스를 분사하여 잘 건조시킨 후, 반응 챔버 내의 기판 홀더 위에 장입하였다. 챔버 내의 진공은 터보 펌프와 로타리 펌프를 사용하여 유지하였으 며 초기 진공도는 1 × 10−6 Torr까지 도달하도록 하였다.
목표로 하는 진공도에 도달한 후에 기판 히터를 켜서 설정 온도로 가열하였고, 아르곤 가스 및 산소 가스의 MFC를 조절하여 유량을 설정하였다. 타겟 셔터를 닫은 상태에 서 RF 전력을 인가하여 예비 스퍼터링하여 타겟 표면의 불순물을 제거하고 플라즈마의 안정화 상태를 확인한 후, 셔터를 열어 증착을 시작하였다. 스퍼터링 중의 분위기 가스 압력은 진공 게이지를 통하여 체크하였다. 각 박막의 증착 후에는 RF 전력을 끄고 도입 가스를 잠근 후에, 기판 히터의 전원을 차단하여 시편을 챔버 내에서 약 분당 8◦C 의 냉각 속도로 상온까지 자연 냉각시켰다. 스퍼터링 시의 챔버 내 분위기 가스의 압력은 10 mTorr, 고주파 출력은 70 W로 고정하였으며, 기판 온도와 혼합 가스 중의 아르곤 및 산소 가스의 상대적인 비율을 변화시켜 가면서 산화아연 박막을 증착하였다. 기판과 타겟 간의 거리는 50 mm로 고정하였다. Table 1에 스퍼터링 실험 조건을 정리하여 나타내었다.
Fig. 1. Deposition rate of ZnO thin films with variation of O2 gas molar ratio in ambient gas.
제작된 산화아연 박막의 두께는 탐침법 (DEKTAK 3030) 으로 측정하였고, 박막의 결정 구조는 CuKα선에 의한 X 선 회절계 (XRD, Rigaku 사, D/MAX 2550 V) 를 사용 하여 평가하였다. 박막의 표면 형상은 고분해능 전계방 출형 주사전자현미경 (FE-SEM, Hitachi 사, S-4700) 및 원자힘현미경 (AFM, PSI 사, XE-100) 으로 측정하였고, 표면의 화학결합 상태 및 조성은 X-선 광전자 분광 분석 기 (XPS, ThermoFisher Scientific, K-ALPHA+) 에 의 해 측정하였다. 박막 표면의 친소수성을 평가하기 위해 Contact angle analyzer (SEO사, Phoenix 300 Touch) 를 사용하여 물방울과의 표면 접촉각을 측정하였다. 박막 의 표면 에너지가 달라질 때 표면 거칠기에 따른 접촉 각의 변화 거동을 조사하기 위하여, As-depo 상태에서 의 접촉각 측정과 함께 fluoroalkyltrimethoxysilane (FAS, CF3(CF2)7CH2CH2Si(OCH3)3) 를 이용하여 발수 처리한 상태에서의 박막의 표면 접촉각도 확인하였다.
III. 결과 및 토의
Fig. 1은 진공 챔버 내의 분위기 혼합가스의 전체 유량을 10 sccm으로 고정시키고 아르곤과 산소 가스의 유량 비율을 상대적으로 변화시켰을 때, 산소 가스의 몰 비에 따른 산화 아연 박막의 증착 속도를 나타낸다. 산소 가스의 몰 비가 0일 때, 즉 아르곤 10 sccm, 산소 0 sccm일 때 산화아연 박막의 증착속도가 가장 크며, 산소 가스의 몰 비가 커질 수록 산화아연 박막의 증착속도는 점차 거의 직선적으로 감소하는 경향을 나타내었다. 동일한 산소 가스 몰 비일
Fig. 2. (Color online) AFM images of ZnO thin films deposited on Si(100) substrates with variation of O2gas molar ratio. (a) O2/(Ar+O2) = 0, (b) O2/(Ar+O2) = 0.25, (c) O2/(Ar+O2) = 0.5, (d) O2/(Ar+O2) = 0.75, (e) O2/(Ar+O2) = 1.
때는 기판 온도에 따른 증착속도의 차이는 거의 나타나지 않았다. 산소는 아르곤에 비해 타겟의 스퍼터링을 일으킬 수 있는 비율이 상대적으로 작기 때문에 혼합가스 중 산소가 증가할수록 스퍼터링 속도가 저하하여 박막의 성장속도가 감소한다고 생각된다. 그 이유는 아르곤 등의 비활성 가스를 방전 가스로 사용하는 경우에는 아르곤 이온이 타겟 표면의 원자와 충돌한 후 대부분은 공간으로 다시 확산하는 반면, 산소 등의 다른 반응성 이온들의 경우에는 타겟 물질에 흡 착하여 달라붙을 가능성이 있기 때문이다.
Fig. 2는 진공 챔버 내의 분위기 혼합가스 중 아르곤과 산소의 비율을 상대적으로 변화시켰을 때, 산소 가스의 몰 비에 따른 산화아연 박막의 표면 형상을 3 µm × 3 µm 면적에서 AFM으로 관찰한 사진을 나타낸다. 산소 가스의 몰 비가 0일 때 산화아연 박막의 표면이 가장 거칠며, 산소 가스의 몰 비가 커질수록 산화아연 박막의 표면 거칠기는 감소하는 경향을 나타내었다. 3 µm × 3 µm 면적에서 측정한 표면 거칠기는 (a) 에서 Rq = 10.8 nm, Ra = 8.6 nm, (b) 에서 Rq = 2.2 nm, Ra = 1.8 nm, (c) 에서 Rq
= 2.0 nm, Ra = 1.5 nm, (d) 에서 Rq = 1.9 nm, Ra = 1.4 nm, (e) 에서 Rq = 1.5 nm, Ra = 1.2 nm로 측정되 었다. 결정립의 크기는 산소 가스의 몰 비가 0일 때 산화 아연 박막의 결정립 (grain) 이 가장 크며, 산소 가스의 몰 비가 커질수록 산화아연 박막의 결정립은 점차 작아지는 경향을 나타내었다. 또한, FE-SEM으로 산화아연 박막의 단면 형상을 관찰한 결과, 아르곤과 산소 가스의 몰 비율을
Fig. 3. (Color online) XRD patterns of ZnO thin films deposited in various O2gas ambient at substrate temper- ature of 200 ◦C on (a) Si(100) substrate, and (b) glass substrate.
변화시키면서 증착한 박막은 모두 주상정 구조 (columnar structure) 로 성장한다는 것을 알 수 있었다.
한편, 기판 온도 200◦C에서 Si(100) 과 유리 기판 위에 분위기 혼합 가스 중 아르곤과 산소의 비율을 변화시켜 가 면서 증착한 산화아연 박막의 결정 구조와 배향성을 XRD 로 측정한 결과를 Fig. 3에 나타내었다. Fig. 3(a) 에서 보는 바와 같이, Si 기판 위에서는 혼합 가스의 비율을 변화시킨 모든 박막에서 다결정으로 성장하였으며, 산소 가스 몰 비가 1인 경우를 제외하고는 모든 박막에서 (002) 피크와 (103) 피크가 높게 나타났고, 특히 (002) 피크의 강도가 가장 높게 나타나 (002) 방향, 즉 c 축으로 우선 배향 성장하였음을 알 수 있다. 가장 양호한 c축 배향을 얻기 위해서는 아르 곤 또는 산소의 단일 가스를 사용하는 것보다는 아르곤과 산소를 적절하게 혼합하여 사용하는 편이 유리한 것을 알 수 있다. 또한 Fig. 3(b) 에서 보는 바와 같이, 유리 기판 위에서도 마찬가지로 혼합 가스의 비율을 변화시킨 모든 박막에서 다결정으로 성장하였고, 산소 가스 몰 비가 1인 경우를 제외하고는 모든 박막에서 (002) 피크가 가장 높게 나타나 c축으로 우선 배향 성장하였음을 알 수 있다. 이와 같은 XRD 결과는 기판 온도가 상온일 때도 크게 변화하 지 않고 거의 유사한 결과를 나타내었다. RF 마그네트론 스퍼터링으로 성장시킨 산화아연 박막이 Si 기판과 유리
기판 위에서 c축으로 우선 배향한다는 사실은 다른 실험 결과들에서도 확인되었으며, 이는 육방정계 구조에서 (002) 결정면이 열역학적으로 가장 안정한 면이기 때문인 것으로 판단된다.
한편, 분말 상태에서 산화아연의 JCPDS 카드의 (002) 피크는 34.42◦에서 나타난다. 본 실험에서 (002) 피크가 나 타나는 각도는 34.06◦∼ 34.30◦로 낮은 각도 쪽으로 이동한 값을 보였다. 이와 같이 (002) 피크가 이동하는 원인은 산 화아연 박막 증착 시의 비화학양론적 결합으로 인한 격자의 변형에 기인하는 것으로 생각된다. 결정면 사이의 면간거리 d는 Bragg의 회절법칙에 따라 nλ = 2d· sin θ (λ = X선의 파장) 식으로부터 구할 수 있다. 또한, 산화아연은 육방정계 구조를 가지고 있으므로 다음 식을 이용하여 격자상수 c 를 계산할 수 있다.
1 d2 =3
4
(h2+ hk + k2 a2
) +l2
c2 (1)
위 식으로부터 격자상수 c 를 구한 결과, bulk 상태의 표준 격자상수 5.210 Å보다 높은 5.225∼ 5.261 Å의 값을 나타 냈다. 이는 산화아연 박막의 결정이 잔류응력이 없는 정상 상태의 산화아연에 비하여 기판에 수직한 방향으로 길이가 늘어난 상태이며 압축응력을 받고 있음을 의미한다. RF 마 그네트론 스퍼터링에 의해 증착한 산화아연 박막은 수 GPa 이하의 이축 압축응력을 나타내며 [13,14], 이 압축응력은 증착 후의 열처리를 통하여 완화할 수 있다 [13]. 이러한 응력 완화를 통하여 산화아연 박막의 결정성이 향상되고 빛의 내부 산란을 감소시켜 광학적 특성도 향상될 수 있다고 보고되고 있다 [15]. 본 실험에서는 증착 시의 기판 온도 및 기판의 종류에 따른 격자상수 c 의 차이는 거의 나타나지 않았으며 그에 따른 압축응력의 값도 유의미한 차이를 보 이지는 않았다.
스퍼터링 시의 분위기 혼합가스 중 아르곤과 산소 가스의 비율을 상대적으로 변화시켰을 때 산화아연 박막 표면의 화학상태 및 결합상태 분석과 조성의 정량 분석을 위하여 XPS 분석을 실시하였다. Fig. 4는 Si(100) 기판 위에 기 판 온도 200 ◦C, 산소 가스의 몰 비가 0인 조건에서 증착 된 산화아연 박막의 XPS 분석에 따른 Zn2p 및 O1s 결합 에너지 스펙트럼을 나타낸다. 모든 결합에너지 (binding energy) 의 값은 C1s, 284.6 eV로 보정된 값을 나타내었으 며, 정량 분석에 이용된 민감도 인자 (sensitivity factor) 의 값은 Zn2p1은 10.47, Zn2p3는 21.39, O1s는 2.88이었다.
As depo. 상태의 박막 표면에서는 흡착된 산소 및 탄소의 오염에 의해 상대적으로 작은 Zn2p 및 O1s 피크 강도를 나타내므로, 각 시료는 동일하게 1분간 아르곤 이온 에칭 을 실시하여 표면의 오염을 제거하고 XPS 분석을 실시
Table 2. Results of XPS surface analysis for ZnO thin films deposited according to various Ar/O2gas ratio.
Ar/O2 gas
Zn2p3 O1s A O1s B Atomic Percent Adsorbed
ratio Zn O oxygen (%) O/Zn
10 / 0 1021.67 530.44 532.27 50.97 42.1 6.93 0.962
7.5 / 2.5 1021.61 530.35 532.39 52.1 42.42 5.48 0.919
5 / 5 1021.31 530.1 532.13 51.71 42.76 5.52 0.934
2.5 / 7.5 1021.46 530.21 532.19 51.73 42.8 5.47 0.933
0 / 10 1021.52 530.3 532.29 51.39 43.06 5.56 0.946
Fig. 4. (Color online) XPS spectra of ZnO thin films deposited on Si(100) substrate at temperature of 200◦C, RF power of 70 W, ambient gas pressure of 10 mTorr, and O2gas molar ratio O2/(Ar+O2) = 0. (a) Zn2p1 and Zn2p3 spectra, (b) O1s spectra, The smaller peak O1sB denotes the spectra originating from adsorbed oxygen.
하였다. 산화아연 박막에서는 이온 에칭에 의해서도 그 화학적 이동 (chemical shift), 즉, 피크 위치의 변화가 없는 것으로 보고되고 있으며 [16], 본 실험에서도 피크 위치의 변화가 관찰되지 않았다. Fig. 4에서 530 eV 정도의 작은 결합에너지 값의 O1s A 피크는 산화아연 박막의 결합산소, 532 eV 정도의 큰 결합에너지 값의 O1s B 피크는 표면에 흡착된 산소의 결합에너지이다 [17]. 스퍼터링 시의 혼합 가스 중의 아르곤과 산소 가스의 비율에 따라 Zn 및 O의 스펙트럼 피크를 구하고, 피크의 면적으로부터 산화아연
박막 표면의 Zn와 O의 함량을 구한 정량분석 결과를 Table 2에 정리하여 나타내었다. Table 2에서 O/Zn는 산화아연 박막에서 아연에 대한 산소의 비, 즉 ZnO1−x에서의 1− x 의 값을 나타낸다. O/Zn은 혼합가스의 Ar/O2비율에 관계 없이 약 0.92 이상의 화학양론비를 보였다. 이 결과를 볼 때 산화아연 박막은 Zn 대비 O가 부족한 비화학양론적인 박막이며 이로 인한 산소 이온 결함으로 n형 반도체 특성을 나타낼 것임을 예상할 수 있다. 또한 예상과는 달리 산화아 연 박막의 화학양론비는 혼합 가스 중의 산소 가스 함량에 좌우되지 않는 것으로 밝혀졌다. 이상의 XPS 측정 결과를 종합하면, 혼합 가스 중의 아르곤과 산소 가스의 비율은 산화아연 박막의 화학결합 상태 및 화학양론비에 영향을 미치지 않는다는 것을 알 수 있다.
제작된 산화아연 박막 표면의 형상 변화 및 화학 결합 상태에 따른 표면 친소수성 특성을 조사하기 위해 산화아연 박막의 물방울과의 접촉각을 측정하였다. Fig. 5는 스퍼터 링 시의 분위기 혼합가스 중 아르곤과 산소 가스의 상대적 비율의 변화에 따른 산화아연 박막의 물방울과의 접촉각을 측정한 결과이다. 접촉각 측정은 Si(100) 과 유리 기판 위의 산화아연 박막에 대하여 as depo. 상태의 박막 표면과, 낮은 표면에너지를 갖게 하기 위하여 FAS 코팅으로 발수 처리를 한 박막 표면에 대하여 실시하였다. As-depo. 상태의 산 화아연 박막의 접촉각은 90◦이하로 친수성을 나타냈으며, 유리 기판 위에 증착한 산화아연 박막의 경우가 Si 기판 위에 증착한 산화아연 박막보다 전반적으로 접촉각이 더 높게 나타나 친수성이 더 낮은 경향을 보였다. FAS 코팅 으로 물방울과의 접촉각은 크게 증가하여 소수성 표면으로 변화하였다. As depo. 상태의 산화아연 박막은, Si 기판 위의 박막과 유리 기판 위의 박막의 경우에 동일하게 산소 가스의 몰 비가 높아질수록 물방울과의 접촉각이 커지는 것으로 나타났다. 즉, 산화아연 박막 표면의 표면 거칠기가 작아지고 결정립이 작아질수록 소수성이 커지는 경향을 나타내었다. FAS 처리 후의 박막도 산소 가스의 몰 비가 높아질수록 물방울과의 접촉각이 약간 커지는 것으로 나타 났으나 그 변화의 정도는 As depo. 상태의 박막에 비하여 매우 미미하였다.
Fig. 5. Variation of contact angle with water droplet for the surfaces of ZnO thin films deposited according to variation of O2 gas molar ratio on (a) Si(100) substrate, (b) glass substrate.
한편, Kim 등은 LPD법에 의하여 유리 기판 위에 산화 아연 박막을 성장시키고 수용성 산화아연 코팅 용액 내의 침적 시간에 따른 박막 표면의 친·소수성의 변화에 대하여 연구하였다 [18]. As depo. 상태의 산화아연 박막은 20◦
∼ 30◦의 접촉각을 갖는 친수성을 나타내었으나 FAS 표면 처리에 의해 145◦ ∼ 161◦의 접촉각을 갖는 초소수성 표면 으로 바뀌었다. 또한 침적 시간이 증가 할수록 산화아연 rod의 직경이 증가하고 거친 표면을 나타내었으며, FAS 처리 전과 후의 접촉각은 모두 침적 시간이 증가할수록 감 소하였다. 본 실험에서 As depo. 상태의 산화아연 박막이 친수성을 보이고 FAS 처리 후에 소수성 표면으로 변화하는 것과, 산화아연 박막의 결정립이 크고 표면이 거친 산소 몰 비가 낮은 조건에서 접촉각이 상대적으로 작게 나타난 결과는 상기 문헌과 대체로 일치하는 경향을 보이는 것이다.
As depo. 상태의 산화아연 박막은 표면에너지가 높으므로 친수성을 나타내게 되며, 박막의 표면 거칠기가 클수록 표
면적이 커지므로 접촉각이 작아지는 쪽이 고체-액체 계면 에너지를 더 낮추게 되어 시스템 전체적으로 열역학적으로 안정한 상태가 되게 한다. 한편 고체 표면에 물리적 요철이 존재하는 경우에, 액체 물방울과 고체 표면 사이에 공기층이 존재하지 않고 고체와 액체가 전면적으로 접촉하는 균질 습윤 (homogeneous wetting) 상태를 가정하면 Wenzel 모 델에 따라 표면 거칠기와 접촉각 사이의 관계는 다음 식으로 표현할 수 있다 [19].
cos θw= r· cos θ (2) 여기에서 θw는 표면에 요철이 있는 상태의 접촉각, θ 는 평면 상태의 접촉각, 그리고 r 은 거칠기 인자를 나타낸다.
Wenzel의 이론에 따르면 표면 에너지가 높은 As-depo. 상 태의 산화아연 박막은 표면 거칠기가 클수록 접촉각이 작아 지게 되며, FAS 처리를 통하여 표면 에너지가 낮아진 상태 에서는 반대로 표면 거칠기가 클수록 접촉각이 커져야 한다.
본 연구에서 As-depo. 상태의 박막에서 표면 거칠기와 접 촉각 크기의 관계는 Wenzel의 이론과 잘 일치한다. 그러나, FAS 처리 후에 표면 거칠기에 따른 접촉각의 변화가 거의 없는 원인은, Wenzel의 가정과 달리 산화아연 박막과 물방 울 사이에 약간의 공기층이 존재하여 완전하게 접촉하지 못 하거나 본 실험에서 산화아연 박막의 표면 요철이 충분히 크지는 않기 때문인 것으로 생각된다.
한편, Fig. 5의 접촉각 측정 결과를 Fig. 3의 XRD 분석 결과와 비교해 보면 산화아연 박막의 결정 구조 및 배향성 차이는 산화아연 박막의 친소수성에 영향을 미치지 않음을 알 수 있다. 또한 Table 2의 XPS 분석 결과에 나타난 바와 같이, 혼합가스 중 아르곤과 산소의 상대적 비율에 따라 화 학결합 상태 및 표면의 화학양론 즉 Zn와 O의 조성 비율에 차이는 보이지 않았으므로, 본 실험에서 산화아연 박막의 친소수성 여부는 박막 표면의 화학적 상태보다는 표면의 거칠기와 결정립 크기 등의 표면 형상에 더 좌우되는 것으로 보인다.
IV. 결 론
RF 마그네트론 스퍼터링에 의해 Si(100) 및 유리 기판 위에 산화아연 박막을 제작하고 기판온도 및 혼합 가스 중의 아르곤과 산소 가스의 비율이 박막의 증착 속도, 표면형상, 결정 구조와 배향성, 표면의 화학결합 상태 및 화학양론비, 표면의 친소수성에 미치는 영향을 조사하였다. 혼합가스 중의 산소 가스 몰 비가 증가할 수록 박막의 증착 속도는 감 소하였고 표면거칠기와 결정립의 크기는 감소하는 경향을 보였다. 산화아연 박막은 본 실험조건에서 다결정 박막으로
성장하였고 산소 가스 몰 비가 1.0인 경우를 제외하고는 대 체로 (002) 방향으로 우선배향 성장하는 것으로 나타났다.
산화아연 박막 표면의 화학결합 상태 및 화학양론비는 혼합 가스의 비율에 영향을 받지 않는 것으로 나타났다. 혼합가스 의 비율에 따른 산화아연 박막 표면의 물방울과의 접촉각을 측정한 결과 혼합가스 중의 산소 가스 몰 비가 증가할 수록 소수성이 커지는 것으로 나타났다. 본 연구결과를 종합한 결과, 산화아연 박막 표면의 친소수성은 박막의 결정 구조 및 배향성, 표면의 화학결합 상태 및 화학양론비에 의존하지 않고, 표면거칠기 및 결정립의 크기 등 박막의 표면형상에 크게 좌우되는 것으로 나타났다.
감사의 글
이 논문은 2018학년도 조선대학교 학술연구비의 지원을 받아 연구되었습니다.
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