J. Microelectron. Packag. Soc., 25(4), 119-122 (2018) https://doi.org/10.6117/kmeps.2018.25.4.119 Print ISSN 1226-9360 Online ISSN 2287-7525
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용액공정으로 제작한 ZnO/Ag/ZnO 다층구조의 광학적 특성 연구
이형인·김지완† 경기대학교 신소재공학과
Optical Properties of All Solution processed ZnO/Ag/ZnO Multilayers
Hyungin Lee and Jiwan Kim†
Department of Advanced Materials Engineering, Kyonggi University, 154-42, Gwanggyosan-ro, Yeongtong-gu, Suwon 16227, Korea (Received December 3, 2018: Corrected December 18, 2018: Accepted December 27, 2018)
초 록: 본 논문은 용액공정으로 제작한 ZnO/Ag/ZnO 다층구조의 투과도에 대해 연구하였다. 다양한 두께의 ZnO/Ag/
ZnO 다층구조를 스핀코팅을 이용해 제작하였고 광학적 특성을 측정하였다. ZnO는 졸겔법으로 제작하였고 Ag는 Ag 용
액을 이용해 스핀코팅으로 증착하였다. 최적화된 Ag 두께를 찾기 위해 Ag 용액의 농도, 스핀코팅의 회전속도를 조절하 고 두께와 면저항을 측정하였다. ZnO/Ag/ZnO 다층구조의 투과도는 가시광 영역에서 최대 63%까지 증가하였다. 적외선 영역에서 ZnO/Ag/ZnO 다층구조의 투과도는 Ag 용액의 농도가 2.5wt%일 때 투과도가 35%까지 감소하였다.
Abstract: Various ZnO/Ag/ZnO multilayers were fabricated and their optical properties were investigated. Top and bottom ZnO layers were formed by sol-gel method and mid-metal layers were deposited by spin coating. To find suitable deposition condition of Ag, we measure thickness and sheet resistance of Ag monolayer. After the optimization of Ag monolayer, we fabricate ZnO/Ag/ZnO multilayers. Transmittance of ZnO/Ag/ZnO multilayers increased to 63%. In near IR region, transmittance of ZnO/Ag/ZnO multilayers decreased to 35% when the concentration of Ag solution was 2.5wt%.
Keywords: ZnO, OMO multilayers, All solution process
1. 서 론
지난 20년간 평판 디스플레이와 광전소자 분야에서 투 명 전도성 산화물(Transparent Conductive Oxide, TCO)의 사용에 대해 많은 연구가 진행되고 있다.1-3) Indium Tin Oxide (ITO)는 TCO로 가장 많이 사용되는 물질로 높은 투과도와 높은 전기전도성을 지니고 있다. 뿐만 아니라 Organic Light Emitting Diodes에서 효과적으로 정공을 주 입하기 위한 에너지 레벨을 지니고 있다.3,4) 하지만 인듐 (Indium)의 매장량이 제한되어 있어 높은 가격을 가지기 때문에 이를 대체하기 위해 많은 연구가 진행되고 있다.
ZnO는 매장량이 풍부하기 때문에 저렴하며 전자이동도 가 높고 (~2000 cm2/(V·s) at 80K) 가시광 영역 (390~700 nm)에서 투과성이 우수하기 때문에 관련 연구가 활발히 진행되고 있다.5-8) ZnO는 굴절률이 비교적 높기 (n~2.0) 때문에 굴절률이 낮은 금속 박막과 결합하여 TCO를 만 드는 것이 적합하다.9)가시광선 및 적외선 (Infrared, IR)
영역에서 Oxide/Metal/Oxide (OMO) 다층구조의 투과도는 산화물층보다 중간의 금속층의 두께에 영향을 받는다. 금 속층의 두께를 고정시키고 산화물층의 두께를 20 nm에 서 50 nm로 변화시킬 때 투과도에 큰 변화는 보이지 않 았다.8) ZnO 기반의 OMO 다층구조의 투과도는 금속층의 두께를 조절하여 600 nm에서 80%까지 나타내었고 면저 항은 10 Ω/sq이하로 감소하였다.10,11) 일반적으로 OMO 다 층구조는 진공 공정을 이용한 RF 스퍼터링으로 제작하 지만, 본 논문에서는 용액공정을 기반으로 한 다양한 ZnO/Ag/ZnO 다층구조를 제작하여 광학적 특성을 연구 하였다. 본 연구에서 OMO 다층구조의 산화물층은 ZnO 를 사용하였으며 졸겔법을 이용해 제작하였다. 금속층은 Ag를 사용하였으며 Ag 용액을 이용하여 스핀코팅으로 증착을 진행하였다. 상부 및 하부 ZnO층의 두께는 일정 하게 두고 중간 금속층의 두께를 변화시켜 투과도에 어 떤 영향을 미치는지 확인하였다.
†
Corresponding author E-mail: [email protected]
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120 이형인·김지완
마이크로전자 및 패키징학회지 제25권 제4호 (2018)
2. 실험 방법
상부와 하부 ZnO층은 각각 30 nm의 두께로 졸겔법을 이 용해 증착하였다. 먼저 zinc acetate dihydrate (Zn(CH3COO)2· 2H2O) 와 2-methoxyethanol을 섞어 0.3 mmol/ml 농도의 용 액을 제작한다. 이 용액을 75oC에서 2시간동안 스터링과 정을 거친 후 200oC까지 온도를 높이고 용액이 투명해질 때 까지 약 5분간 유지한다. 투명해진 용액을 세척한 유 리기판 위에 스핀코팅을 이용하여 증착한다. 스핀코팅은 5000rpm에서 30초동안 진행하였다. 그 후 50oC의 핫플레 이트 위에서 잔여 용매를 증발시키는 과정을 거친다. 치 밀하고 결정화된 ZnO층을 형성하기 위해 380oC에서 1시 간동안 대기중에서 열처리 과정을 거친다. 금속층의 증 착에는 Ag 용액 (InkTec, TEC-CO-011)을 이용하여 스핀 코팅으로 증착하였다. Ag 용액의 농도는 5wt%, 2.5wt%, 1wt%로 실험하였으며 스핀코팅은 1500rpm과 3000rpm에 서 10초간 증착하였다. 그 후 150oC에서 3분간 열처리 과 정을 거쳤다.
Ag 단일층의 두께를 측정하기 위해 Alpha step IQ를 사 용하였으며 면저항의 측정은 CMT SR1000N을 이용해 측 정하였다. 박막의 투과도는 PerkinElmer Lambda 19 spectrometer를 이용해 300-2000 nm 범위에서 측정하였다.
3. 결과 및 토의
상부와 하부 ZnO층은 졸겔법을 이용해 증착하였다. 스 퍼터링 기술을 이용한 산화물층의 증착은 안정적으로 박 막을 증착할 수 있는 방법이다. 하지만 스퍼터링 기술은 고진공을 유지하기 위해 고가의 장비가 필요하다. 졸겔 법을 이용하면 물질의 화학적 조성의 조절이 용이하고 대 면적 증착에서 비용을 절감할수 있다는 장점이 있다. Fig.
1(a)은 졸겔법을 이용해 증착한 ZnO층의 XRD 패턴을 나 타내며, Fig. 2(b)는 투과도를 나타내었다. 형성된 ZnO 박 막은 후막에서 관찰되는 것과 같은 결정성을 나타낸다.
또한 대부분의 가시광영역에서 85% 이상의 높은 투과도 를 보여준다.
중간의 금속층도 스핀코팅으로 증착하기 위해 Ag 용액 을 사용하였다. Fig. 2는 Ag 용액 5wt%의 스핀속도에 따 른 박막의 두께와 면저항의 상관관계를 나타내었다. 측 정 결과 스핀속도 1500rpm에서 약 66.9 nm정도의 두께로 증착이 되었으며 면저항은 평균 0.58902 Ω/sq를 나타내 었다. 스핀속도 3000rpm에서는 약 53 nm 정도의 두께로 증착되었으며 면저항은 평균 0.89454 Ω/sq로 나타났다.
이는 스핀속도가 증가함에 따라 Ag층은 얇게 증착되고 그에 따라 면저항이 높아진다는 사실과 일치한다.
Ag 용액의 농도와 스핀속도에 따른 Ag 단일층의 투과 도를 Fig. 3에 나타내었다. Ag 용액의 농도가 5wt%일 때 투과도는 40% 이하로 매우 낮게 나타났다. Ag 용액의 농 도를 1wt%까지 줄여 측정한 결과 Ag 단일층의 투과도는 가시광 영역에서 굴곡진 형태로 측정되었다. Ag가 너무 얇은 두께로 박막을 형성하면, 연속적인 막을 형성하기 불충분하기 때문에 나노입자 (island) 형태로 존재하게 된 다.12) 따라서 특정 파장의 빛은 Ag 나노입자에 의해 산란 되어지고 장파장대의 빛은 쉽게 투과가 가능해져 굴곡진 형태의 투과도 그래프가 나타나게 된다.
Fig. 4는 용액공정을 이용해 제작한 ZnO/Ag/ZnO 다층
Fig. 1. (a) XRD pattern of ZnO layer deposited by sol-gel method, (b) Transmittance of ZnO layer deposited by sol-gel method.
Fig. 2. Correlation graph of sheet resistance and thickness of Ag monolayer deposited by spin coating.
용액공정으로 제작한 ZnO/Ag/ZnO 다층구조의 광학적 특성 연구 121
J. Microelectron. Packag. Soc. Vol. 25, No. 4 (2018)
구조의 투과도를 나타내었다. 측정에 사용한 샘플은 Ag농도 2.5wt%, 1wt%와 스핀속도 3000rpm, 4500rpm으로 나 누어 제작하였다. 스핀코팅 중 스핀속도 차이에 의한 투 과도 변화는 크지 않았다. Ag 용액의 농도가 2.5wt%일 때는 1wt%와 비교하여 가시광 영역에서는 약 10% 가량 투과도가 감소하였지만 근적외선 영역에서 투과도가 약 40%가량 감소하였다.
Fig. 5는 ZnO/Ag/ZnO 다층구조를 경기대학교 로고 위 에 올려놓았다. 로고의 적색, 녹색, 청색이 다층구조를 투 과해도 명확히 보이는 것을 확인할 수 있다. 이는 ZnO/
Ag/ZnO 다층구조가 가시광 영역에서 높은 투과도를 지 니고 적외선 영역의 투과도가 낮아졌기 때문에 스마트 윈 도우와 같은 분야에 응용할 수 있음을 보여준다. 또한 용 액공정을 이용하였기 때문에 진공증착과 비교해 비용이 절감되며 대면적 증착이 용이해 다양한 분야로 응용이 가 능할 것이라 생각된다.
4. 결 론
본 논문에서는 용액공정을 이용한 ZnO/Ag/ZnO 다층구 조를 제작하여 광학적 특성을 확인하였다. ZnO는 졸겔법 을 이용하였고 Ag 용액을 스핀코팅하여 Ag층을 증착하 였다. Ag 단일층을 얇게 증착하여 가시광 영역에서 최대 72%의 투과도를 얻었으며 가시광 영역에서 빛의 투과도 를 선택적으로 조절할 수 있었다. 또한 Ag 용액의 농도 와 스핀속도를 다르게 하여 ZnO/Ag/ZnO 다층 구조를 제 작하였다. 스핀속도의 변화는 투과도에 큰 영향을 미치 지 않았으며 Ag 용액의 농도가 2.5wt%일 때 근적외선 영 역에서 투과도가 40% 가량 큰 폭으로 감소하였다. 이러 한 결과는 가시성을 유지한 채 적외선영역의 빛을 제어 할 수 있으며 용액공정의 장점을 지니고 있기 때문에 스 마트 윈도우와 같은 분야로의 응용 가능성을 보여준다.
감사의 글
This work was supported by the Basic Science Research Program through the National Research Foundation of Korea (NRF), funded by the Ministry of Science and ICT (2017- R1A2B4012274). This work was also supported by the Korea Institute of Energy Technology Evaluation and Planning (KETEP) and the Ministry of Trade, Industry & Energy (MOTIE) of the Republic of Korea (No. 20163030013980).
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Fig. 4. Transmittance spectra of ZnO/Ag/ZnO multilayers with various deposition condition of Ag layer.
Fig. 5. Photograph of ZnO/Ag/ZnO multilayers coated glass on the background images.
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