[신소재공학실험]투명전극 IZO, ITO, ZnO 박막 특성 분석 2부

실험 결과

1. Alpha step 을 이용한 두께

조건	Alpha step 을 이용한 단면	평균 두께
Baking하지 않은 ITO		0.010 um
IZO sample a		0.138 um
IZO sample b		0.020 um
IZO sample c		0.020 um
ZnO		ZnO는 단차측정기로 계속 측정이 힘들었지만 약 0.02 ~0.03 um

증착조건이 다른 IZO와 ZnO를 이용하여 두께를 측정하였다. ITO는 같은 증착조건이기 때문에 비교할 필요가 없다. ZnO는 위 그래프처럼 측정이 잘 되지 않아서 자를 이용하여 구할 수 있었다. 위에서 IZO를 보면 증착 조건에 따라 0.138 ㎛, 0.020 ㎛, 0.020 ㎛의 두께로 증착이 되었음을 확인할 수 있다.

 

2. Sheet resistance와 비저항

금속박막	1차 측정	2차 측정	3차 측정	4차 측정	5차 측정	평균
IZO 두께 0.020um	0.009 MΩ	0.009 MΩ	0.009 MΩ	0.009 MΩ	0.009 MΩ	0.009 MΩ
IZO 두께 0.058um	91 Ω	78 Ω	113 Ω	102 Ω	66 Ω	90 Ω
IZO 두께 0.138um	42 Ω	51 Ω	52 Ω	50 Ω	55 Ω	50 Ω
ZnO	Overflow	Overflow	Overflow	Overflow	Overflow	Overflow
ITO baking 않함	44.71 Ω	35.528 Ω	40.441 Ω	51.899 Ω	63.842 Ω	47.484 Ω
ITO 10분 baking	48 Ω	66 Ω	42 Ω	53 Ω	52 Ω	52 Ω
ITO 20분 baking	47.78 Ω	38.23 Ω	18.94 Ω	46.11 Ω	58.34 Ω	52.35 Ω

위의 표는 IZO 두께 별로, ZnO, ITO 가별 시간변화에 따른 Sheet resistance이다. 이전의 실험에서 계속 확인하였듯이 증착이 너무 안된 경우에는 IZO 박막(두께 0.020㎛)이 제대로 형성되지 않아 높은 저항을 갖게됨을 다시 확인할 수 있었다. 이것은 Glass위에 ITO가 흩뿌려져 있어 서로 완전한 link가 이루어지지 않아 저항이 매우 높게 형성되었음을 확인할 수 있다. 나머지 두 개로 경향성을 본다면 두께가 두꺼워지면 전도도가 올라가기 때문에 저항이 줄어드는 것을 볼 수 있다.

ITO는 Baking을 오래할 수록 산소와 결합하여 저항이 증가하였다. 이것은 열화 작용을 실험한 것으로 주의할 점은 같은 지점을 택하여 저항을 측정해야 한다.

이것을 이용하여 비저항을 구해보면 아래와 같다. resistivity(비저항)은 sheet resistance(ρ/t)에서 두께(t)를 곱하면 나온다. 여기서 ITO의 두께는 0.010 ㎛로 동일하다. ZnO는 면저항 측정이 안되었으므로 구할 수 없었다.

금속박막	IZO 0.020㎛	IZO 0.058㎛	IZO 0.138㎛	ZnO
비저항	1.8 ×10 -4 Ωm	5.2 ×10 -6 Ωm	6.9 ×10 -6 Ωm	X
금속박막	ITO baking 않함	ITO 10분 baking	ITO 20분 baking
비저항	4.7 ×10 -7 Ωm	5.2 ×10 -7 Ωm	5.2 ×10 -7 Ωm

3. Absorption 및 Trasmittance

IZO와 ZnO의 absorption

IZO와 ZnO의 Trasmittance

위의 그래프를 보면 IZO와 ZnO의 흡수와 투과도를 볼 수 있다. 두 박막은 가시광선 영역에서는 매우 우수한 투과도를 보여주고 있다. 약간 ZnO가 높게 나타나는데, 만약 두 박막이 전도도가 같다면 투명전극으로 ZnO를 선택하는것이 유리할 것이다. 하지만 ZnO는 자외선 영역에서는 불투명하다고 할 수 있다. 이것을 다른 조의 두께별로 비교해보면 두께가 얇을 수록 투과도는 높아진다. 이것은 예상된 결과이다. Skin depth에 의해 불투명한 금속이라도 얇게 증착하게되면 투명할 수 있다.

ITO의 Trasmittance

위의 그래프는 ITO를 baking 시간 변화에 따른 투과도를 측정해보았다. baking시간은 0분, 10분, 20분으로 변화를 주었는데, 위 그래프를 보듯이 3개의 박막에는 큰 차이가 없다. 원래 baking을 할 때에 산소가 충분히 공급된다면 산소가 박막에 결합되어 박막에 함유되는 산소의 비율이 시간에 따라 증가하였을 것이며, 이렇게 산소의 함유량이 많아지면 저항이 증가하고 투과도가 증가한다. 하지만 우리 실험에서는 산소가 공급되지 않는 상태에서 baking을 해서 그런 것인지 온도를 올렸다가 식히는 과정에서 원래 상태로 되돌아 온 것인지 투과도의 차이가 크게 나지 않았다.

토의 사항

1. 실험 고찰

본 실험을 통해 투명전극으로 이용되는 IZO, ITO, ZnO의 특성을 알아보았다. 투명전극의 특성 평가요소인 transmittance와 함께 4-probe measurement를 이용하여 sheet resistance를 구하고 단차를 측정하여 투명전극을 평가해보았다.

단차측정기를 이용하여 두께를 측정하였는데, ITO는 0.010 um로 비교적 얇은 편이었다. 증착조건이 다른 IZO와 ZnO를 측정할 때는 ZnO의 경우 매우 얇게 증착되어서인지 단차측정기로 측정 비교가 힘들었다. IZO의 경우는 증착 조건에 따라 0.138 um, 0.020 um, 0.020 um의 두께로 증착이 되었음을 확인할 수 있다.

4-probe measurement를 이용하여 sheet resistance를 구했는데 이전의 실험에서 계속 확인하였듯이 증착이 너무 안된 경우에는 IZO 박막(두께 0.020um)이 제대로 형성되지 않아 높은 저항을 갖게됨을 다시 확인할 수 있었다. 이것은 Glass위에 ITO가 흩뿌려져 있어 서로 완전한 link가 이루어지지 않아 저항이 매우 높게 형성되었음을 확인할 수 있다. 나머지 두 개로 경향성을 본다면 두께가 두꺼워지면 전도도가 올라가기 때문에 저항이 줄어드는 것을 볼 수 있다.

ITO는 Baking을 오래할 수록 산소와 결합하여 저항이 증가하였다. 이것은 열화 작용을 실험한 것으로 주의할 점은 같은 지점을 택하여 저항을 측정해야 한다는 것이다.

이것을 이용하여 비저항을 구해보면 아래와 같다. resistivity(비저항)은 sheet resistance(ρ/t)에서 두께(t)를 곱하면 나온다. 여기서 ITO의 두께는 0.010 um로 동일하다. ZnO는 면저항 측정이 안되었으므로 구할 수 없었다. 비저항값은 물질 고유의 특성과도 같지만 여러 오차요인에 의해(산소 함유, 두께의 비정확성, 면저항의 비균일 등) 실제와도 다르고 실험내에서도 서로 조금씩 다르게 측정되었다.

IZO와 ZnO의 흡수와 투과도를 보면 두 박막은 가시광선 영역에서는 매우 우수한 투과도를 보여주고 있다. 약간 ZnO가 높게 나타나는데, 만약 두 박막이 전도도가 같다면 투명전극으로 ZnO를 선택하는것이 유리할 것이다. 하지만 ZnO는 자외선 영역에서는 불투명하다고 할 수 있다. 이것을 다른조의 두께별로 비교해보면 두께가 얇을 수록 투과도는 높아진다. 이것은 예상된 결과이다. Skin depth에 의해 불투명한 금속이라도 얇게 증착하게되면 투명할 수 있다.

그리고 ITO를 baking 시간 변화에 따른 투과도를 측정해보았다. baking시간은 0분, 10분, 20분으로 변화를 주었는데, 위 그래프를 보듯이 3개의 박막에는 큰 차이가 없다. 원래 baking을 할 때에 산소가 충분히 공급된다면 산소가 박막에 결합되어 박막에 함유되는 산소의 비율이 시간에 따라 증가하였을 것이며, 이렇게 산소의 함유량이 많아지면 저항이 증가하고 투과도가 증가한다. 하지만 우리 실험에서는 산소가 공급되지 않는 상태에서 baking을 해서 그런 것인지 온도를 올렸다가 식히는 과정에서 원래 상태로 되돌아 온 것인지 투과도의 차이가 크게 나지 않았다.

실험을 통해 여러 가지 투명전극을 집적 다뤄볼 수 있어서 좋은 경험이 되었고 투명전극의 투과도의 중요성, 그리고 전도도의 상충관계로 인해 서로 적당한 균형을 맞추는 것이 좋다는 생각까지 할 수 있었다.

 

 

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