산소와 아르곤 가스 유량비율에 따른 Mn-SnO2/Ag/Mn-SnO2 투명 다층 전도막의 광학적, 전기적 특성 :Effect of O2 and Ar Gas Mixing Ratio on Optical and Electrical Properties of Mn-SnO2/Ag/Mn-SnO2 Transparent Multilayer Conducting Films

김태근

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자료유형: 학위논문

저자정보: 김태근 (충북대학교, 충북대학교 대학원)

지도교수: 장건익

발행연도: 2018

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이용수7

이 논문의 연구 히스토리 (2)

2021

혼합기체 O2/Ar+O2 농도 변화가 Mn 도핑된 SnO2 투명전도막의 상 안정성에 미치는 영향

김태근 , 장건익 한국결정성장학회지 2021.08 학술저널

2018

산소와 아르곤 가스 유량비율에 따른 Mn-SnO2/Ag/Mn-SnO2 투명 다층 전도막의 광학적, 전기적 특성

김태근 재료공학과 2018.01 학위논문

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투명 전도성 산화물 (Transparent conducting oxide : TCO) 박막은 평판 디스플레이, 가스 센서, Low-E 유리, 스마트 윈도우(Smart window), 터치 패널(Touch panel), 유기 발광 다이오드(Organic light emitting diode : OLED)와 같은 광전자 소자에 많이 이용되고 있다.[1-3] TCO는 시대의 요구에 맞추기위해 많은 연구가 필요하다. 인듐 주석 산화물(ITO)는 현재 가장 일반적으로 사용되는 TCO로서 가시광선 영역에서 85 % 이상의 높은 광 투과율과 3×10-4 Ω·cm 가량의 높은 전기전도성을 동시에 갖는 우수한 소재이다.[4] 하지만 ITO가 이러한 우수한 특성을 얻기 위해서는 300℃이상의 고온 열처리 공정이 필요하여 저 융점을 지닌 유연기판등에 적용하기 어렵고, 또한 고온 열처리 공정에 의해 ITO의 결정화가 되기 때문에 취성으로 인해 기계적 안정성이 떨어져 flexible기기의 소재로 사용하기에 부적합한 결함을 가지고 있다.[5-7]
이러한 문제점을 해결하기 위해서 비 인듐계 TCO에 대한 연구가 진행되고 있으며, ITO와 비교하여 낮은 투과율과 전기전도도를 가지고 있기 때문에 Oxide/metal/Oxide(OMO) 구조의 다층구조와 도핑을 통하여 높은 투과율, 우수한 전도성, 유연성을 갖춘 고성능 저비용 TCO물질들의 연구가 활발히 진행되고 있다. 그러한 물질들로는 ZnO/Ag/ZnO와 ZnO에 다른 물질을 도핑하여 특성을 향상시키는 ZnO계(AZO/Ag/AZO, GZO/Ag/GZO, MZO/Ag/MZO)와 SnO2/Ag/SnO2와 SnO2에 다른 물질을 도핑하여 특성을 향상시키는 SnO2계(MTO/Ag/MTO, ZTO/Ag/ZTO, FTO/Ag/FTO)가 주를 이루고 있고 이들이 ITO 대체 물질로 잠재적인 후보로 자리 잡고 있다.[8-16] 그중에서 SnO2 기반 산화물 박막은 저온공정이 가능하고 내화학성 및 내마모성이 우수하며 3.6 eV이상의 넓은 광학 밴드갭을 가져 가시광선 영역의 높은 투과율을 가지고 있다. 또한 SnO2 박막은 상온에서 비정질 형태를 유지하고 있기 때문에 유연성이 뛰어나 flexible device 적용 재료로 주목받고 있다. 그러나 OMO구조의 관한 연구로 상/하부의 산화물층과 중간층인 금속의 두께조절에 의한 전기적, 광학적 특성 향상에 치중되어있었다. 이러한 편향된 시각에서 벗어나 다른 증착조건인 분위기 가스에 대한 조절로 투명 전도성 다층막의 전기적, 광학적 특성을 알아보고자 한다.
본 연구에서는 상온에서 RF/DC 마그네트론 스퍼터링을 통해 두께 50 μm인 유연기판 PET기판에 다층막에 적용하기에 앞서 1차적으로 Mn-SnO2의 단일막에 O2/Ar+O2 의 비율을 조절하며 전기적, 광학적 특성의 변화를 알아본 뒤 Mn-SnO2/Ag/Mn-SnO2 3중 다층 투명 전도막의 제조 후 분위기가스인 O2/Ar+O2 의 비율에 따른 전기적, 광학적, 표면거칠기, 유연성 등을 조사하고자 하였다.

Transparent conductive oxide (TCO) thin films play an important role in photoelectric devices such as organic photovoltaic cells (OPVs) and organic light-emitting diodes (OLEDs). Indium tin oxide (ITO) is the most commonly used TCO because of its excellent electrical and optical properties. Although, ITO has low resistivity and high transmittance, the brittle nature and thermal instability remain as critical drawsbacks for its use as flexible and transparent electrode. Recently, oxide/metal/oxide (OMO) structured films are potential candidates for high-performance, low cost TCOs with high transmittance, good conductivity, and superior flexibility. OMO films have been proposed as a low-emittance(low-E) glass coating that reflects infrared light and allows visible light to pass through. In addition, the OMO structure ensure superior mechanical flexibility against severe substrate bending conditions, along with competitive stability under ambient atmosphere. Many advantages of the metal embedded multilayer structure have been over the single layer of TCO. In this study, we investigated the optical and electrical properties of OMO hybrid film consisting of Mn (4.04 at. %) doped SnO2(MTO) and Ag.
It was found that the measured transmittance of MTO (40 nm)/Ag (13 nm)/MTO (40 nm) multilayer film exhibited the high transmittance of 86.1 % at 550 nm wavelength and the highest figure of merit of 36.6 × 10-3 Ω-1, showing good optical and electrical properties. So far, a number of researches have been performed to find potential alternative for ITO electrode on flexible substrates. However, most papers regarding OMO structured films are reporting the effect of thickness of top/bottom oxide layer and the metal interlayer on electrical and optical characteristics, not much on by deposition condition itself. Based on our previous studies, a proper control of processing parameter, especially gas mixture ratio between O2 and Ar, was found to be crucial in attaining a high transmittance and improved electrical properties.
Initially, Mn-doped SnO2/Ag/Mn-doped SnO2 multilayer thin films were deposited by sequential using RF/DC magnetron sputtering at room temperature on PET substrate. The layer thickness was fixed at Mn-doped SnO2(40 nm)/Ag(13 nm)/Mn-doped SnO2(40 nm). As O2/Ar+O2 concentration increased from 0 to 7.9 %, the transmittance varied from 82.9 to 88.1 % at 550 nm wavelengths and the sheet resistance changed from 5.9 to 6.9 Ω/□. The addition of O2 increased the band gap energy from 3.0 to 3.6 eV. The highest value of figure of merit φTC was 48.1 × 10-3 Ω-1 for O2/Ar+O2 concentration 2.7 %, while the transmittance was 88.1 % at 550 nm wavelength and the sheet resistance was 5.9 Ω/□.

#TCOs #Mn-SnO2 OMO structure, Figure of merit

Ⅰ. 서 론 1
Ⅱ. 이론적 배경 3
2. 1 투명 전도성 산화물 3
2. 1. 1 인듐 주석 산화물 3
2. 1. 2 SnO2 계 산화물 4
2. 2 Oxide/Metal/Oxide 다층박막의 원리 7
2. 3 전기전도도와 가시광 영역의 투과도 12
2. 4 광학적 밴드갭에너지 15
Ⅲ. 실험 방법 16
3. 1 막 증착 조건 16
3. 2 EMP Simulation 18
3. 3 Mn-SnO2 단일막 제조 및 특성 평가 20
3. 4 Mn-SnO2/Ag/Mn-SnO2 다층막의 제조 및 특성 평가 21
Ⅳ. 실험 결과 및 고찰 22
4. 1 Mn-SnO2 박막의 광학 계수 22
4. 2 Mn-SnO2 단일막의 특성평가 25
4. 2. 1 다층막의 광학적 특성 25
4. 2. 2 다층막의 전기적 특성 35
4. 3 Mn-SnO2/Ag/Mn-SnO2 다층막의 특성 평가 38
4. 3. 1 다층막의 광학적 특성 38
4. 3. 2 다층막의 전기적 특성 44
4. 3. 3 다층막의 성능지수 46
4. 3. 4 다층막의 표면 거칠기 특성 49
4. 3. 5 다층막의 굽힘 특성 51
Ⅴ. 결론 53
참고문헌 55

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