[재료공학기초실험]니켈-구리 무전해도금

실험 목적

ELP 샘플 제작 방법과 원리를 이해하고 직접 제작해본다.

 

실험 이론 및 원리

1. 태양전지의 구성과 원리

무전해도금 실험은 태양전지의 제작 과정 중 한가지이므로 태양전지의 작동 원리와 구성을 알아보았다. 태양전지의 원리를 이해하기 위해서는 광전 효과에 대해 알아야 한다. 광전 효과란 금속 등의 물질에 일정한 진동수 이상의 빛을 비추었을 때, 물질의 표면에서 전자가 튀어나오는 현상입니다. 전자는 금속 내에서 원자핵 양성자의 전기력 힘에 의해 속박되어 있습니다. 여기에 빛을 쬐면 빛의 입자 성질에 의해 빛의 알갱이 광자가 전자와 충돌하게 됩니다. 이후 전자는 광자가 가진 에너지를 가지게 되어 튀어나오게 됩니다.

태양전지는 태양빛을 이용한 광전 효과로 튀어나온 전자의 흐름을 전기에너지로 이용하는 장치입니다. 태양빛의 광자가 태양전지를 비추게 되면 자유 전자가 튀어나옵니다. 튀어나온 자유전자는 반도체 pn접합에 전기에너지로 전환됩니다. pn접합에 의해 전기에너지가 만들어지는 원리는 다음과 같습니다. 

일단 p형 반도체란 최외곽전자가 4개인 반도체 물질에 최외곽전자가 3개인 알루미늄, 붕소, 갈륨 등의 불순물을 첨가하여 공유 결합을 형성하여 최외곽전자가 1개 부족한 정공을 가지고 있는 반도체입니다. n형 반도체는 p형 반도체와 반대로 반도체에 최외곽전자가 5개인 인,비소 등의 불순물을 첨가하여 공유결합 형성 시 자유 전자가 1개 남아 원자 사이를 돌아다니는 형식의 반도체입니다.

태양전지의 작동 원리 모형도

p형 반도체와 n형 반도체를 접합시키면 공유결합을 안정되게 하기 위해 n형 반도체의 자유 전자가 p형 반도체의 정공으로 이동합니다. 그로 인해 접합 부위에서 n형 반도체는 (+)를 띄게 되고 p형 반도체는 (-)를 띄게 됩니다. 이 상태에서 접합부위에 태양빛이 비추어지면 전기적 힘에 의해 자유전자는 n형 반도체로 이동하게 되고 p형 반도체에는 정공이 생깁니다. 

빛이 계속 비추어지면 n형 반도체에는 자유전자가 계속 쌓이게 되고 p형 반도체에는 정공이 계속 쌓입니다. 외부 회로가 있다면 자유 전자가 외부 회로를 이용해 p형 반도체의 정공으로 이동하면서 전기가 만들어지는 것입니다. 태양전지는 이런 원리로 작동되는데 본 무전해도금 실험에서는 구리를 실리콘 웨이퍼위에 증착시킴으로써 외부 회로를 만들어 주는 과정을 하는 것입니다.

 

2. 무전해도금

도금은 크게 전해도금과 무전해도금으로 나눌 수 있습니다. 전해도금의 경우 전기의 공급으로 금속을 환원시켜 도금을 하는 방법입니다. 그리고 무전해 도금은 외부로부터 전기에너지를 공급받지 않고 금속염 수용액 중의 금속이온을 환원제의 힘에 의해 자기 촉매 적으로 환원시켜 피처리물의 표면 위에 금속을 석출시키는 방법이다. 즉, 전기에너지를 주지 않고 도금액에 환원제를 넣어주는 방법의 도금으로써 전해 도금보다 용액의 관리가 어렵고 비용이 높지만 도금의 두께가 일정하다는 장점이 있습니다.

무전해도금의 종류로는 치환도금과 촉매 화학도금이 있습니다. 치환도금은 산화, 환원력의 차이에 의해서 발생합니다. 치환도금의 예로 Ni/Au도금이 있습니다. 니켈이 증착되있는 금속을 금 이온이 들어있는 용액에 담가두게 되면 금 이온의 환원력이 니켈보다 강하기 때문에 니켈은 산화가 되어 이온이 되고 금은 환원이 되어 금속에 증착됩니다. 촉매 화학도금은 도금액에 강한 환원제를 넣어 금속이 환원되어 도금이 되는 방식입니다. 본 실험에서 촉매 화학도금을 이용하여 구리를 웨이퍼에 도금하였습니다.

 

실험 방법

1. 실험 과정

1) 실리콘 단결정(웨이퍼)을 유리칼을 사용하여 적절한 크기로 자른다. 단결정이기 때문에 굉장히 잘 부서져서 웨이퍼의 끝부분을 유리칼로 살짝 찝는 식으로 자른다. 또, 단결정 특성 상 결정 결대로 밖에 잘리지 않는 점을 유의한다.

2) 도금을 하기 전 도금 용액들이 pH와 온도를 가지고 있는지 확인한다. 적정 온도와 pH에서 반응이 빠르게 일어나고 너무 높은 온도에서는 반응이 불안정 해진다. 측정은 Ph 시험지, 측정기, 온도기를 사용한다.

3) 웨이퍼를 집게로 집어 묽은 불산 용액에 1분 30초가량 넣는다. 불산 용액에 넣는 이유는 웨이퍼의 표면이 공기 중에 산소와 만나 생성한 산화막을 제거하기 위해서이다. 용액에 넣을 때 주의점으로 비커 벽을 따라 집어넣어 웨이퍼를 세워둔다.

4) 눕혀 넣게 될 시 집게로 웨이퍼를 꺼낼 때 잘 집어지지 않아 웨이퍼 표면을 긁게 되어 물리적 손상을 입힐 수 있다. 또, 불산은 독성 물질이기 때문에 비커에 얼굴을 가까이 하지 않고 불산은 유리를 녹이는 성질이 있으므로 불산 용액은 플라스틱에 보관한다.

5) 1분 30초 후 웨이퍼를 꺼냈을 때 웨이퍼에 물이 묻어나오지 않는 hydrophobic 상태가 되었다면 표면 산화막이 잘 제거된 것이다. 꺼낸 웨이퍼와 집개를 깨끗한 물에 담군다.

6) 팔라듐 용액에 웨이퍼를 3분간 담군다. 불산 용액에 넣을 때처럼 비커에 세워서 넣어둔다. 팔라듐 용액에 넣는 이유는 다음으로 니켈이 잘 증착되게 하기 위함이다. 3분후 웨이퍼를 꺼내 물에 담군다.

7) 니켈 용액에 5분간 웨이퍼를 담군다. 마찬가지로 세워서 넣어 둔다. 니켈 증착을 시키는 이유는 다음 증착시킬 구리가 PN전극까지 침투하여 환원되는 것을 방지하는 베리어 역할을 하기 위함이다.

8) 5분후 웨이퍼를 꺼냇을 때 은회색으로 니켈이 환원된 모습이 보여야한다.

9) 꺼낸 웨이퍼를 물에 담궈둔다. 주의점으로 이 전에 사용했던 물 비커를 사용하지 말고 다른 비커를 사용하여야한다. 니켈 용액은 그 전 용액들과 온도가 다르기 때문이다.

10) 웨이퍼를 넣기 전에 구리 용액에 촉매 역할을 하는 포르말린을 넣어 구리의 환원 반응을 돕는다.

11) 웨이퍼를 10분간 구리 용액에 담구어 구리 전극을 입힌다. 구리 증착이 너무 얇게 되면 저항이 올라가서 태양전지의 효율이 극히 떨어지게 되므로 주의한다. 니켈 용액과 마찬가지로 온도가 다르기 때문에 깨끗한 물 비커를 따로 준비한다.

 

실험 결과 및 토의

1. 결과 분석

무전해도금 결과로 구리까지 도금시킨 웨이퍼를 얻어냈다. 하지만 니켈 도금이 웨이퍼 전체적으로 되지 않고 얼룩덜룩 도금이 안 된 부분이 나타났다. 니켈 용액에 더 오래 반응을 시켜 보았지만 완벽하게 되지는 않았다. 실제 효율 측정에는 무리가 있어서 다음 주 효율 측정 실험은 이번 웨이퍼를 사용하지 않고 다른 웨이퍼를 사용하기로 하였다.

 

2. 실험 고찰

본 실험은 실제 태양전지 제작 과정 중 한가지로 이론을 배우는 것으로 실제 태양전지 제작이라는 점이 의미가 있었다. 또, 실험을 통해서 금속 무전해도금의 종류, 장점 등에 대해서 알게 되었다. 실험을 진행하면서 들었던 의문점을 알아보았습니다. 처음 웨이퍼의 산화막을 제거하기 위해 불산 용액에 담궜습니다. 웨이퍼가 처음에는 물이 잘 달라붙는 친수성이었다가 불산 용액에 담구는 시간이 많을수록 점점 소수성으로 바뀌다가 나중에는 아예 물이 달라붙지 않았습니다. 그 원리에 대해서 알아보았습니다. 또 니켈 용액 도금의 도금이 잘 되지 않아 웨이퍼에 은회색이 얼룩덜룩 도금되어 있었습니다. 니켈 도금이 잘 안 됬던 이유를 생각해 보았습니다.

1) 불산 용액에 담구면 웨이퍼가 친수성에서 소수성으로 바뀌는 이유는?

실리콘 웨이퍼(Si 단결정)의 표면은 공기 중의 산소와 접촉하게 되어 SiO2라는 유리와 동일한 구조의 물질을 만들게 됩니다. 실리콘 웨이퍼 위에 구리를 증착시키기 위해 SiO2를 제거 해야 되는데 이 때 유리를 녹이는 성질이 있는 불산을 이용하는 것입니다. 전문 용어로 에칭이라고 합니다. SiO2는 친수성이고 Si단결정은 소수성입니다. 그런데 불산을 통해 SiO2를 제거하였으니 불산 용액에 오래 담궈둘수록 친수성에서 소수성으로 바뀌는 것입니다.

2) 니켈 도금이 잘 안되었던 이유는?

니켈을 웨이퍼에 도금시키면 은회색으로 나타납니다. 하지만 실험을 하였을 때는 은회색이 전체적으로 도포되지 않고 얼룩덜룩 도금이 되지 않은 부분이 있었습니다. 도금이 잘 되지 않은 이유를 추측해보았습니다.

니켈 도금에 영향을 끼치는 요소는 적정 온도, 적정 pH, 촉매, 니켈 용액 농도로 4가지가 있을 것 같습니다. 온도와 pH는 실험 전 pH미터기와 온도기로 적정치인 것을 확인하였습니다. 그럼 니켈 용액 자체와 촉매 역할인 팔라듐을 문제 요인으로 볼 수 있습니다. 실험 내용으로 니켈, 팔라듐 용액이 굉장히 오래 되었다고 하셨습니다. 용액을 공기에 계속 누출시킬시 용액의 성질이 조금 변할 수도 있다고 하셨습니다. 따라서 니켈 도금의 실패 요인은 니켈 용액과 촉매로 쓰였던 팔라듐 용액이라고 유추해보았습니다.

 

참고 문헌

Ni/Cu 금속전극 태양전지의 Ni electroless plating에 관한 연구, 이재두, 김민정, 권혁용, 이수홍1, 세종대학교 전자공학과