[신소재공학실험]투명전극 IZO, ITO, ZnO 박막 특성 분석 1부

실험 목적

투명전극으로 이용되는 IZO, ITO, ZnO의 특성을 알아보고 투명전극의 특성 평가요소인 transmittance, sheet resistance와 함께 단차를 측정해보고 IZO, ITO, ZnO를 평가해본다.

실험 이론 및 원리

① ITO ( Indium-Tin Oxide ) : 산화인듐주석

ITO 는 Indium-Tin Oxide의 약자로서 산화 인듐 주석 이라고도 한다. ITO는 전기전도가 우수하면서 Band-gap이 약 4.3eV으로 work function이 크고, 가시광선영역의 빛의 투과성이 좋고, 전기 전도도가 높으며, pattern하기가 쉽기 때문에 평판 디스플레이 제작에 쓰이기 용이하다. 또 ITO가 투명한 이유는 산화물 세라믹이어서 Band-gap이 크기 때문이다.

ITO는 매트릭스 방식으로 구동되는 PDP, LCD 등의 얇고 평평한 디스플레이에서 투명전극으로 사용된다. 매트릭스 구동방식은 기본적으로 다수의 가로 전극과 다수의 세로 전극을 모기장처럼 배치하고 가로 몇 번째 세로 몇 번째 전극에 신호를 주어 그 위치의 셀이 발광하도록 하는 원리인데, 이 전극들이 불투명하면 전극 사이에서 발생 하는 빛이 전극에 가려져 잘 보이지 않게 되므로 투명한 전극이 필요하다.

ITO는 주원료 In에 의한 재료비의 상승 In의 확산으로 인한 소자열화 수소 plasma 하에서의 In Sn의 높은 환원성 그에 따라 수반되는 소자의 불안전성 등 의 문제점을 가진다. 이러한 문제점을 보완할 수 있는 새로운 물질의 개발이 요구되었고 다양한 재료의 개발이 이루어져 왔다.

ITO glass는 유리기판 위에 ITO Target을 물리적으로 진공 증착하여 유리 기판에 얇은 막이 형성된 유리를 말한다. 이러한 ITO 코팅유리는 전기가 흐르는 특성과 함께 높은 투명성이 우수하여 핸드폰, 전자계산기 화면표시장치의 주 소재로 사용되어진다. 핸드폰의 액정화면을 통해 문자를 읽고 동영상을 다운 받을 수 있는 것은 LCD 액정 유리의 표면에 입히는 투명 전도막 코팅기술 덕분이다.

 

② ZnO (zinc oxide)

ZnO(zinc oxide)는 3.4 eV 근처의 band gap을 갖는 전형적인 n-type 반도체로서 광전 소자로 사용하기위한 투명전도 물질로 많은 장점을 가지고 있다. ZnO 박막은 도핑이 용이하여 좁은 전도대역을 가지기 때문에 도핑물질에 따라 전기 광학적 성질의 조절이 용이하다. 저비용으로 제작 가능하며 높은 광투과성과 전도성을 가지므로 실용적인 투명 전도막 재료로 유망하다. 

진성 ZnO의 전기적인 성질은 거의 부도체에 가깝기 때문에 전도성의 부여하기 위한 별도의 공정이 필요하고 이에는 크게 세가지 방법이 있다. 첫 번째 방법은 열처리를 통해 ZnO 박막의 결함 형성 농도를 증가시켜 내부 결함에 의해 저항을 낮추는 것이다. 그러나 열처리에 의한 방법은 결함의 제어가 쉽지 않고 온도등의 외부 환경에 의한 박막의 특성 변화가 크다는 단점이 있다.

 

③ IZO(indium zinc oxide)

IZO(Indium Zinc Oxide)는 인듐산화물(In2O3)과 아연산화물(ZnO)의 화합물로 ITO에 비해 상온 증착이 가능하고, 식각 공정에서 발생하는 불량률이 ITO에 비해 낮으며, 표면 거칠기(Surface Roughness)가 우수하다는 장점이 있어 적극적으로 검토되었고 현재 IZO 박막은 태양전지, 가스 센서, 평판 디스플레이 등의 투명전곡으로, 또한 박막 트랜지스터와 전자발광 디스플레이와 같은 디바이스로 광범위하게 사용되고 있다.

IZO 박막은 ITO와 FTO와는 달리 열처리 과정을 진행하지 않고도 낮은 저항도와 높은 투과도를 타나내고 있다. 그러나 비저항이 350μΩ-cm로 ITO에 비해 75% 높고, 투명도 또한 10%p 낮은 단점이 있다. 또한 ITO 필름도 상온 증착 공정과 표면거칠기 향상, 식각 불량 감소를 위한 공정이 개발되어 IZO 필름의 사용량은 2007년 6.2% 수준이며 향후 증가할 가능성 또한 낮은 것으로 전망된다..

 

④ Four-Point Probe Measurement

4-point probe는 탐침이 4개가 달린 표면저항측정용으로 사용하는 probe를 일컫는 말이다. 보통은 1mm간격이며 일렬(Linear type)로 탐침을 정렬시킨 것을 말한다. 이것은 이용반도체의 resistivity, 특히 그림과 같이 절연체 위에 형성된 금속박막의 저항율를 측정하는데 있어서 가장 널리 사용되는 방법으로 특별한 calibration 절차가 필요 없는 측정이 매우 간단하고 정확한 방법이다.

4-point probe의 가장 큰 특징은 그림과 같이 4 개의 probe tip이 약 1mm정도의 일정한 간격으로 떨어져서 일렬로 정렬되어 있다는 것이다. 물론 다른 형태도 가능하지만 대부분이 일렬로 그림과 같이 정렬되어 있다. 4-point probe의 기본적인 개념은 Probe 단자 1과 4에 일정한 전류를 흘려주고 Probe 단자 2와 3사이의 전압을 측정하여 전압과 전류사이의 비율을 이용하여 비저항을 계산하는 것이다. 따라서 4-point probe에서 우리가 얻는 값은 면저항 값이 되며, 면저항 값에 두께를 곱하면 바로 비저항이 된다.

 

⑤ 물질이 투명할 조건

우리가 가시광선 영역에서 투명하다고 생각하는 물질의 경우, 물질과 EM wave가 상호 작용하는 특별한 주파수가 가시광선이 아닌 다른 영역에 있다는 뜻이다. 먼저 물체에 빛을 쪼이면 어떤 현상이 일어나는지를 살펴보자. 이 설명에는 양자역학적인 이해가 꼭 필요하지만, 우선 지금까지 알려진 사실을 종합해 본다. 첫째는 빛이 통과하는 현상이 있다. 유리처럼 투명한 물질이 이 범주에 속한다. 둘째는 빛이 반사한다. 

금속 표면을 잘 갈아 놓으면, 이 금속은 빛을 거의 반사한다. 셋째는 빛을 흡수한다. 숯 검정이와 같은 것이다. 대체적으로 물질들은 빛을 흡수하지만, 약간 반사하기도 한다. 흡수하는 물질은 곧 더워진다. 그러나 빛이 투과하거나 반사하는 물질은 더디 더워진다. 즉 빛이 흡수된다는 것은 빛이 물질 속에 있는 분자나 원자 속에 있는 전자의 운동을 발생시키는 것과 관계한다는 것을 알 수 있다. 그런데 이 전자가 움직이면서 다른 전자들과 충돌을 많이 해서 운동에너지를 많은 전자 및 분자들과 공유하면 열로 변하고, 빛에서 주는 자극에 맞추어 움직이되 다른 전자들과 충돌하지 않으면 다시 빛으로 되 발산할 수 있기 때문에 반사한다. 

즉 빨간 빛으로 쪼이면, 빨간 빛으로, 파란 빛으로 쪼이면 파란 빛으로 반사한다. 한상편, 빛이 전자에게 자극을 주는 데, 그 자극이 전자의 특성과 잘 맞지 않으면, 자극으로 받아들이지 않아서, 그냥 통과하게 된다. 따라서 물질에 있는 전자의 특성과 잘 (진동수가) 맞는 빛을 쪼이면, 그 빛은 흡수되지만, 그렇지 않은 빛에는 투과하는 것이다. 유리는 우리가 잘 보는 가시광선 영역에서의 빛은 통과시키지만, 넘보라살, 적외선(넘붉은살) 영역에서의 빛은 흡수해 버린다. 유리로 된 안경은 그 자체가 적외선을 차단한다. 더 잘 차단하기 위해 색깔을 넣는다고 하지만, 사실은 유리이기 때문에 차단되는 것이다.

빛에는 진동수가 있고 파장이라는 개념이 있다. 진동수는 차원이 1/T, 즉 시간의 역수이고, 파장은 길이의 차원을 가진다. 이 둘의 곱이 빛의 속도로 언제나 고정되기 때문에, 진동수를 알면, 파장을 곧 알 수 있다. 가시광선은 그 파장이 약 수 천 옹그스트롱(1억분의 1 cm)이며, 물질 내에서의 분자사이의 거리가 수 옹그스트롱 정도니까, 수 천개의 분자사이에서 전자들이 자유스럽게 왕래할 수 있어야 빛은 반사할 수 있다. 따라서 금속은 대체로 자유스럽게 전자가 이동할 수 있는 물질이므로, 반사도 금속 표면이 잘 되는 것이다.

 

⑥ 투명전극 재료 및 특징

투명전극의 재료로는 금, 플라티늄 등이 금속의 박막에, 산화 제이주석, 삼산화인듐, 이산화티탄 등이 반도체의 박막에 쓰인다. 이들 재료의 특징은 다음과 같다.

a. 가시광선영역(400nm ~ 700nm)에서 80%정도의 광투과도를 가진다.

b. ~10^3/옴센티의 높은 전기전도도를 가지는 재료여야 한다.

c. Optical bandwidth가 3.5eV 정도이기 때문에 자외선 영역은 모두 투과 시키고 적외선 영역은 높은 반사율을 가진다.

d. 적절한 에칭 특성을 가지고 있어야 한다.

 

실험 기구

1. 실험 재료

ITO, IZO, ZnO Glass, reference glass, UV/VIS Spectrophotometer, IPA, Beaker, Al etchant, ITO etchant, Oven, 4-Point Probe, Alpha-step, 칼

 

실험 방법

1. Sample 세척

① ITO, IZO, ZnO의 sample을 준비하고 칼을 이용하여 적당한 크기로 자른다.

glass 자르는 모습

② Å 단위로 쌓인 박막의 두께를 정확히 측정하기 위해 물에 적당시간 동안 헹궈준다.

③ 만약 particle이 있으면 큰 오차를 가져오므로 비커에 IPA를 넣고 Glass를 담갔다 뺀다.

④ 각각의 sample을 air cleaning(N2)을 이용하여 말리면서 한번 더 cleaning을 해준다.

glass 세척하는 모습 (물, IPA, N2)

⑤ 은박지로 glass를 올려놓을 그릇을 만들어 깨끗이 이물질은 제거한 3개의 glass를 올려 놓는다.

2. 단차 측정

① ITO는 ITO etchant에, IZO와 ZnO는 Al etchant에 5분간 담궈서 두께 측정을 위한 단차를 만든다. etching한 후 물에 담궈서 추가적인 etching을 방지한다.

② Alpha step와 컴퓨터의 전원을 켜고 두께 측정을 준비한다.

③ 각각의 sample을 두께 측정 홀더에 올리고 etching된 곳과 안된 곳의 경계에 탐침을 위치시키고 두께를 측정한다. ITO, IZO, ZnO를 각각 바꾸어 가면서 두께를 측정한다.

Etch 하는 모습

Alpha step

3. Sheet Resistance를 이용한 비저항 구하기

① Sheet resistance를 측정하기 위해 Four-Point Probe Measurement를 준비한다.

② Four probe system은 네개의 prove로 양 끝에 전류(0.1uA)를 가해주고 가운데 두 prove로 전압차를 측정하여 저항을 측정하는 장비이다. 여기에 측정할 금속 박막을 장비에 올려 놓은 뒤 레버를 내려 probe를 접촉시키면 연결되어있는 멀티미터로 전압과 저항이 측정된다.

③ 가해주는 전류는 항상 10.000mA로 일정하고 ITO, IZO, ZnO 박막의 저항은 총 5군데 측정한다. 5군데는 박막 가운데 지점과 네 모서리 지점을 측정한다.

Sheet resistance 측정 모습

4. Absorption 및 Trasmittance 측정

① Absorption과 transmittance를 측정하기 위해 UV/VIS Spectrophotometer을 사용한다.

② UV-Vis spectrophotometer를 켜고 램프가 안정화 되었는지 확인한다.

③ Lab pro plus를 실행하고 UV/Vis spectroscopy에 reference를 잡기 위해 깨끗한 glass를 놓고 run blank를 클릭하여 기준을 잡는다.

UV/VIS Spectrophotometer

④ 이후에 측정하고자 하는 IZO와 ITO, ZnO를 UV/Vis spectroscopy에 위치시키고 run sample을 클릭하여 sample의 transmittance와 absorption을 측정한다.

 

5. ITO 가열 시간에 따른 특성 분석

① ITO glass를 3개 준비하여 가열하지 않는 조건, 10분 가열한 조건, 20분 가열한 조건에 따라 위의 실험들을 진행하여 값을 비교해본다.

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