[태양광/연료전지실험]전력 값에 따른AZO박막 증착과 결정구조와 전기 및 광학적특성 2부

실험 결과

1. 표면 저항측정(50W)

위치 시편	상단	중단	하단	평균
1	30.48	29.68	34.34	31.50
2	25.69	24.63	26.22	25.51
3	34.99	34.33	37.21	35.51
4	31.89	31.89	34.89	32.89
전체평균 : 31.35 (단위 KΩ/W)

표1. 증착 직후의 표면저항측정 값

위치 시편	상단	중단	하단	평균
1	257.3	275.4	310.8	281.17
2	261.3	267	275.8	268.03
3	362.6	242.7	335.3	313.53
4	278.1	271.2	288.3	279.20
전체평균 : 285.48 (단위 KΩ/W)

표2. 산화과정을 거친 후의 표면저항측정 값

증착 전력	증착직후(KΩ/W)	시간이 지난 후 측정(2주, KΩ/W)
50W	31.13	293.8
75W	9.584	93.24
100W	9.192	72.16

표3. 3개조의 표면저항 평균값

전력값이 클수록 면 저항값이 작다는 것을 알 수있다. AZO투명전극은 면 저항을 줄일수록 효율을 높일 수 있기 떄문에 증착 시 전력량을 세게 설정하여야 고효율의 투명전극을 얻을수 있다.

 

2. 광투과율

광투과율 그래프

전력의 양이 증가함에 따라서 평균 투과율이 85%가된다. 그러나 400~500㎚의 단파장 내역에서 투과율이 떨어지는 것을 그림을 보면 확인을 할 수 있다.(가시광선 영역:450~700㎚) 그 이유는 전력량의 차이에 따라 증착된 두께가 다르게 되는데 이로 인하여 해당되는 색깔 영역에서 흡수되는 영역이 각각 다르다.

 

3. X선 회절 분석기

XRD 3개조 분석 그래프

3개의 조가 각각 다른 전력값으로 증착시켜 XRD분석한 결과, 더 높은 전력을 가하여 증착했을 경우의 피크 강도 값이 더 크고 피크의 값(002)이 더 sharp해지는 것을 알수 있다.

벌크형태의 AZO

XRD 피크들의 강도 값의 차이는 시편의 두께, 면적, 부피, 결정성, 배향성 등을 들 수 있다. 벌크형태의 AZO에서는 (101)피크값이 가장 Sharp하다

 

4. 홀효과측정

홀 효과 측정

증착전력	벌크 농도 (C)	이동도(u)	비저항(Ω·㎝)	두께
50W	-1.513E+19	0.3508	3.51375	1130㎚
75W	-1.87E+19	0.75865	0.45825	478㎚
100W	-1.91E+19	1.9635	0.3906	425㎚

표4. 홀 효과 측정값과 두께

홀효과로 나온 벌크농도, 이동도, 전도도 및 비저항값을 과 표면저항값을 이용하여 두께를 구할수 있다.보는 것과 같이 원래는 전력량이 높으면 증착되는 두께도 두꺼워진다. 근데 보다시피 두께가 점점 얇아 지는 것을 확인할수 있다. 그 이유에는 증착후 시간이 지나서 두께를 측정하였기 때문에 박막에 붙은 불순물이 붙었기 때문에 불순물의 두께(두께 구하는 공식: 비저항(ρ)/표면저항(sheap))도 합해져 구해진 것으로 예상된다.

 

토의 사항

1. 실험 고찰

1) 플라즈마 형성시 Ar가스를 사용하는 이유는?

아르곤 가스는 안정한 불활성 기체이므로 다른 기체분자나 불순물들과 반응하지 않아 폭발의 위험성과 같은 걱정이 없다. 또, 다른 불활성 기체들 보다 질량이 크기 때문에 이온화되어 타겟에 충돌한다면 더 많은 타겟 원자들이 튕겨져 나와 기판에 증착되어 높은 증착효과를 가져올 수 있다.

 

2) 광투과도에서 시편마다 흡수율이 증가하는 파장이 다른 이유는?

각 시편마다 핵 성장방향이 달라서 흡수율이 증가하는 파장이 각자 다른 것인데 핵 성장방향이 각각 다른 이유는 불순물이나 전력세기의 차이라고 생각한다. 불순물이 기판에 존재했다면 그 불순물이 있는 위치를 중심으로 성장했을 것이고, 전력의 세기가 증가한다면 Ar의 이온화에 의해 플라즈마가 뜨는 양이 많아지고 결국 더 많은 타겟원자가 기판에 증착되어 박막의 두께가 더 두꺼워지기 때문에 투과율이 약간 낮아지는 것이다.

 

3) 광투과도에서 50W의 시편이 표면저항이 가장 크고 두께도 가장 두꺼움에도 불구하고 투과율이가장 좋은 이유는?

전력량이 증가할수록 증착의 속도가 증가 되기 되고 또 두께 증가로 인한 투과율 감소분 만큼 증가된 시편의 이온충돌로 인한 시편의 온도 상승효과 때문이다.

 

4) 전력량이 높아질수록 두께가 낮아지는 이유는?

원래대로 라면 전력량에 의하여 증착되는 박막의 두께가 두꺼워져서 전력량이 높을수록 두께는 두꺼워진다. 하지만 결과값에서 보듯이 50w에서의 두께가 가장 두꺼운 이유는 50w에서 증착시킨후 산화시키는 과정을 2주씩이나 산화시켰기 때문에 산화과정에서 불순물이 들어가 두께가 가장 두껍게 측정이 되었다.

 

2. 결론

AZO박막 증착을 이용한 스퍼터링 방법을 이용하여 증착된 박막의 표면저항, 광투과도, XRD, 홀효과측정을 이용하여 박막의 전기적특성 및 광학적특성과 결정구조에 대해서 관찰하고 전력량에 따른 박막의 결과값을 도출하여 비교 및 분석을 통해서 결론을 도출 시켰다. AZO박막은 전력량이 증가함에 따라 증착속도는 선형적으로 증가 하였으며 비저항은 지수 함수적으로 감소하는 특성을 보였다. 

증착속도가 증가하면 저항률이 하강하고 투과율에는 큰 영향을 주지 않는 것으로 나타났다. 또한 증착속도의 증가로 인하여 비화학량론적인 구조의 AZO박막이 형성 될 수 있다. 그러나 동시에 증가 된 증착속도로 인해 반응종의 충돌이 늘어나면서 비화학양론적인 구조형성을 감쇄하는 요인으로 작용할 가능성이 있다고 확인 하였다.

 

참고 문헌

1. AZO 박막 증착과 특성연구논문, 대한전자공학회

[Engineering/전자전기공학실험] - [태양광/연료전지실험]전력 값에 따른AZO박막 증착과 결정구조와 전기 및 광학적특성 1부