1. 서 론
투명전도성 산화물(transparent conducting oxide, TCO)은 태양전지 혹은 여러 디스플레이 등에 대,소면적 전자소자에 응용되기 때문에 많은 연구가 진행되고 있다.
전극을 형성하는 박막은 특정 파장 영역의 빛을 통과시키면서 기본적으로 80% 이상의 높은 투과도를 가져야하며 10³Ω/□ 이하의 낮은 면저항을 갖는 특징이 있다. 대표적으로 사용되고 있는 ITO(Indium Tin Oxide)는 희귀 금속의 고갈로 인하여 소재 가격이 급증하고 있으며, 환경적 문제 등 많은 단점들로 인해 새로운 투명전극이 다양하게 진행되고 있다[1]. 그중에서 유전체/ 금속/유전체 다층막 투명전극은 금속을 통해 낮은 면저항을 가질 수 있으며, 다층구조의 광학적 원리를 통해 높은 투과율을 얻을 수 있다. 또한 유전체 박막을 통해 우수한 유연성을 가질 수 있다[2]. 여러 공정방법 중에서 RF 마그네트론 스퍼터링 방법은 높은 증착율과 낮은 기판온도의 유지, 그리고 박막의 조성을 제어할 수 있는 장점들을 가지고 있다.
위와 같은 장점들을 활용하여 RF 마그네트론 스퍼터링 을 이용한 WO3/Ag/WO3 다층구조의 투명전극을 제작하였고, 제작한 WO3/Ag/WO3 다층막은 이전 연구결과를 기준하여 투과율을 가지며 6.41Ω/□의 면저항을 가진다[3].
최근의 반도체 및 전자소자의 집적도 및 소자특성의 향상을 위해서 다층박막의 적층구조에 대한 요구가 증대되고 있다. 이와 같이 적층구조 소자 적용을 위해서는 투명전극 또는 금속 전극은 다른 물질과의 계면 특성이 좋지 못하면 소자의 성능을 저하 시킬 수 있다. 예를 들어 유기 발광 다이오드의 경우, 유기 발광물질과 전극사이의 계면이 발광소자의 양자효율 및 구동전압에 큰 영향을 주며 수명에도 중요한 역할을 한다. 또한 표면에너지도 계면 특성에 중요한 요소로 정공 주입층의 적절한 표면 에너지로 상대적으로 향상된 계면 특성이 필요하다[4]. 이러한 계면 특성을 향상시키기 위한 표면처리 방법으로 wet treatment, UV-처리, self-assembly monolayer treatment, 플라즈마 처리 등이 연구되어져 왔다[5].
본 논문에서는 제작한 WO3/Ag/WO3 다층구조 투명전극을 적층구조에 적용하기 위하여 표면 특성을 제어하기 위한 연구를 진행하였다. 투명전극으로써 특성을 알아보기 위하여 ITO와 비교하였으며, 표면특성 제어를 위해, 박막 공정조건 및 PECVD를 활용한 O2 plasma 표면처리 후 특성을 조사하였다.
2. 실험 방법
2.1 WO3/Ag/WO3 투명전극 제작 및 표면처리
WO3/Ag/WO3 다층구조 투명전극은 RF 마그네트론 스퍼터 (Atech Co.Ltd)를 이용하여 유리 기판에 제작하였다. 유리 기판은 초음파 세척기를 이용하여 아세톤과 에탄올, 증류수 순서로 각각 10분씩 세척하였으며, 질소 가스를 통해 건조 시켰다. 타겟과 기판 사이의 거리는 10cm로 유지하였으며, 증착 온도는 상온에서 하였다. 초기 진공도는 1.8×10⁻⁶torr를 유지하였으며 타켓은 직경과 두께가 각각 4"Dia × 1/8"Th인 WO3(99.95%)와 Ag(99.99%)를 사용하였다. 반응 가스로는 Ar과 O2를 사용하였으며, 유량조절기(mass flow controller)를 거쳐 챔버 내부로 들어오게 된다. 타켓의 표면 세정을 위하여 WO3 과 Ag 타켓을 각각 10분씩 pre-sputtering를 하였다.
WO3 와 Ag 박막의 RF power는 동일하게 100W로 주었다. WO3 박막의 공정조건은 7mTorr에서 Ar 70sccm, O2 2sccm으로 하였다. Ag 박막의 경우에는, 동일한 공정압력에서 Ar의 유량을 30sccm으로 하였다. 그 결과 약 90%내외의 투과율을 가지며 6.41Ω/□의 면저항을 나타낸다. 그림 1은 위와 같은 조건으로 제작한 WO3/Ag/WO3 다층막의 투과율과 면저항을 나타내었다.
그림 1WO3/Ag/WO3 다층막의 투과율과 면저항 Fig. 1 Transmittance and sheet resistance of WO3/Ag/ WO3 multilayer
본 실험에서는 적층구조로 적용할 때, 다른 물질과의 계면을 이루는 WO3 박막의 공정압력을 10m Torr, 7m Torr, 5m Torr로 변경하여 표면특성을 알아보았다.
O2 plasma 표면처리는 PECVD(ATS ICP-5SA ; A-tech system co.)장비를 이용하여 RF power는 150W, 100W, 50W로 변화를 주었으며, 공정시간은 240s, 180s, 120sec, 60s로 변화를 주었다. O2 plasma 표면처리 진공장비는 그림 2에 나타내었으며, 표 1은 각 장비에 대한 공정 조건을 나타낸다.
표 1RF 마그네트론 스퍼터링 및 표면처리 실험 조건 Table 1 Experiment conditions of RF magnetronsputtering
그림 2O2 plasma 표면처리 진공장비(PECVD) (ATSICP-5SA ; A-tech system co.) Fig. 2 O2 plasma surface treatment Vacuum Equipment
2.2 측정 방법
분석을 위하여 사용한 장비는 AFM(Multimode IVa)를 사용하여 표면 거칠기를 측정하였다. 표면에너지는 접촉각을 측정하여 평가하였다. 접촉각의 측정은 그림 3과 같이, 상온에서 박막을 접촉각 측정기 선반에 올린 후 증류수와 Diiodomethane을 sessile drop method으로 측정하였고 표면에너지를 구하기 위해서는 Owen-Wendt 실험식 (1)과 Young 방정식 (2)을 이용하여 표면에너지를 평가하였다. 즉, 표면에너지는 다음과 같은 방법으로 구할 수 있다[6].
그림 3접촉각 측정원리 Fig. 3 Measurement principle of contact angle
실험식 (1)에 방정식 (2)을 대입하면,
첨자 d의 의미는 고체와 액체사이의 쌍극자-쌍극자, 쌍극자-유도쌍극자, 수소결합 등의 분산(비극성)성분이며, 첨자 p는 극성 성분과의 관계를 의미한다. 증류수의 dynes/cm, dynes/cm와 Diiodomethane의 dynes/cm, dynes/cm 이다. 는 증류수와 Diiodomethane의 접촉각을 측정하여 실험식 (3)에 대입하면 표면에너지를 구할 수 있다.
3. 결과 및 고찰
3.1 공정압력에 따른 WO3 박막의 표면 거칠기
그림 4는 기존에 사용된 ITO와 제작한 WO3/Ag/WO3 투명전극에서 계면을 이루는 WO3 박막의 공정압력에 따른 표면 거칠기를 측정한 결과를 나타내었다. 공정압력은 10mTorr, 7mTorr, 5mTorr로 변경하였으며, 고정된 RF power와 가스 유량에 따라 5mTorr 미만의 공정압력에서는 플라즈마가 발생되지 않아 5mTorr에서 최소 공정압력을 보여주었다. 사용된 ITO는 현재 OLED 소자 실험 연구에 사용되고 있는 투명전극으로, 제작한 투명전극과의 표면을 비교하기 위해 사용되었으며 아세톤과 에탄올, 증류수를 이용한 세척과정 후 측정하였다. 먼저 ITO의 경우, 최대 거칠기(Rmax)는 26.965nm와 평균 거칠기(Rq) 2.721nm로 WO3/Ag/WO3 투명전극보다 높은 표면 거칠기를 나타내었다. WO3 박막의 경우에는 공정압력이 낮을수록 평균거칠기가 낮아졌으며, 5mTorr에서 각각 0.763nm를 나타낸다. 이는 박막 증착시 공정압력이 낮아 낮은 입자 밀도로 인해 스퍼터링된 입자들의 이동이 원활해져 나타난 것으로 판단된다. 따라서 실험을 통해 제작된 WO3/Ag/WO3 투명전극은 ITO 보다 낮은 표면 거칠기를 보여줌으로써 보다 표면특성을 보여주었다.
그림 4공정압력에 따른 WO3 박막의 표면 거칠기 Fig. 4 WO3 thin film surface roughness variation according to change of working pressure
3.2 공정압력에 따른 WO3 박막의 표면에너지
표 2는 WO3 박막의 공정압력에 따른 접촉각을 측정한 값을 나타내었으며, 그림 5는 접촉각 측정과 표면에너지의 결과를 나타낸다. 공정압력은 동일하게 10m Torr, 7m Torr, 5m Torr로 변경하였으며, 정확한 값을 위해 5회 이상 접촉각을 측정한 후 그 평균값을 사용하여 표면에너지를 구하였다. 공정압력이 낮아질수록 증류수의 접촉각은 37°에서 47°으로 증가하였으며, Diiodomethane의 접촉각은 35°에서 39°으로 증가하였다. Owen-Wendt 실험식 (3)을 통해 표면에너지를 구한 결과, 공정압력이 낮아질수록 62.0142J/m2에서 55.5774J/m2으로 낮아지는 결과를 보여준다. 실험을 통해 공정압력이 낮아질수록 낮은 표면에너지 즉, 소수성화가 되는 것을 나타내며, 반대로 공정압력이 커질수록 높은 표면에너지 즉, 친수성화가 되는 것을 나타내었다.
표 2공정압력에 따른 WO3 박막의 접촉각 측정 Table 2 WO3 thin film contact angle variation accordingto change of working pressure
그림 5공정압력에 따른 WO3 박막의 접촉각 및 표면에너지 Fig. 5 WO3 thin film contact angle and surface energy variation according to change of working pressure
3.3 O2 plasma 표면처리에 따른 WO3 박막의 표면 거칠기
그림 6은 O2 plasma 표면처리에서 RF power와 공정시간 따른 표면 거칠기를 나타내며, 표 3은 각 최대 거칠기(Rmax)와 평균 거칠기(Rq) 값을 나타내었다. 먼저 RF power는 150W, 100W, 50W로 변경하였으며, 이때 공정시간은 동일하게 180sec로 하였다. O2 plasma 표면처리를 하지 않은 막보다 최대 거칠기는 크게 차이가 나지만, 평균 거칠기는 큰 차이가 없는 값을 보이며, 공정전압이 커질수록 최대 거칠기가 낮아지는 값을 나타낸다. O2 plasma의 RF power가 150W 일 경우에 최대 거칠기가 가장 낮은 값으로 6.437nm와 평균 거칠기는 0.827nm를 나타내었다.
그림 6RF power와 공정시간에 따른 WO3 박막의 표면 거칠기 Fig. 6 WO3 thin film surface roughness variation according to change of RF power and Process time
표 3O2 plasma 표면처리에 따른 WO3 박막의 표면 거칠기 Table 3 WO3 thin film surface roughness variation according to change of O2 plasma surface treatment
공정시간의 경우, 240sec, 180sec, 120sec, 60sec로 변경하였으며, 이때 RF power는 100W로 동일하게 하였다. 공정전압과 동일하게 표면처리를 하지 않은 막보다는 낮은 최대 거칠기 값을 나타내며, 또한 평균 거칠기는 큰 차이가 없는 값을 보이며, 공정시간이 길수록 최대 거칠기가 낮아지는 값을 나타낸다. 공정시간이 240sec일 경우에 최대 거칠기가 가장 낮은 값으로 6.880nm와 평균 거칠기는 0.839nm를 나타내었다. 하지만 두 경우에서 O2 plasma 표면처리가 초과되면 산소입자가 ITO 표면에 영향을 주어 면저항 값이 증가 될 것이라 사료된다. 따라서 기존보다 표면거칠기는 낮으면서 공정조건을 최소로 하였을 경우에 가장 우수한 표면 특성을 가질 수 있다고 판단된다.
3.4 O2 plasma 표면처리에 따른 WO3 박막의 표면 에너지
표 4는 O2 plasma 표면처리에서 RF power와 공정시간 따른 접촉각을 측정한 값을 나타내었으며, 그림 7은 접촉각 측정과 표면에너지의 결과를 나타낸다. 공정조건은 실험 3과 동일하게 변경하였으며, 실험 2와 동일하게 5회 이상 접촉각을 측정한 후 그 평균값을 사용하여 표면에너지를 구하였다. 전체적으로 O2 plasma 표면처리를 하지 않은 박막 보다 높은 표면에너지를 보여주었다. 이는 표면개질을 위한ITO의 O2 표면처리와 비슷한 결과를 보여주었다. 먼저 RF power가 커질수록 증류수의 접촉각은 21°에서 27°으로 증가하였으며, Diiodomethane의 접촉각은 38°에서 42°으로 증가하여 표면에너지는 69.2493J/m2에서 66.1774J/m2으로 감소하였다. 공정시간은 커질수록 증류수의 접촉각은 15°에서 23°으로 증가하였으며, Diiodomethane의 접촉각은 38°에서 42°으로 증가하여 표면에너지는 71.2859J/m2 에서 68.4458J/m2으로 감소하였다. 실험을 통해 RF power와 공정시간이 낮아질수록 높은 표면에너지 즉, 친수성화가 되는 것을 나타내며, 반대로 RF power와 공정시간이 증가할수록 낮은 표면에너지 즉, 소수성화가 되는 것을 나타내었다.
표 4RF power와 공정시간 따른 WO3 박막의 접촉각측정 Table 4 WO3 thin film surface energy variation according to change of RF power and Process time
그림 7RF power와 공정시간 따른 WO3 박막의 접촉각 및 표면에너지 Fig. 7 WO3 thin film contact angle and Surface energy variation according to change of RF power and Process time
4. 결 론
본 연구에서는 기존 디스플레이에서 사용되는 투명전극을 대체하기 위하여 RF 마그네트론 스퍼터링 방법으로 WO3/Ag/WO3 다층막을 제작하고, 다른 물질과의 적층구조에 적용하기 위해 계면을 형성하는 WO3 박막의 공정압력을 변화시켜 기존의 ITO와 표면특성을 비교하였다. 또한 O2 plasma 표면처리를 통해 표면특성을 알아보았다. 그 결과를 요약하면 다음과 같다.
(1) 제작한 WO3/Ag/WO3 투명전극은 기존 ITO와 유사한 약 90% 내외의 투과율과 6.41Ω/□의 면저항을 갖는다. 또한 실험을 통해 ITO보다 낮은 표면 거칠기를 나타내었다. WO3 박막의 공정압력이 낮아질수록 낮은 표면 거칠기를 나타내었고 그 결과로, 공정압력이 5mTorr에서 최대 거칠기(Rmax)는 9.498nm와 평균 거칠기(Rq) 0.763nm으로 최적의 표면 거칠기를 보였다.
(2) 제작한 WO3/Ag/WO3 투명전극의 표면에너지를 측정한 결과, 10mTorr에서 62.0142J/m2 , 5mTorr에서 55.5774 J/m2를 나타내었다. 즉, 공정압력이 낮아질수록 표면에너지가 감소하면서 소수성화가 되는 것을 나타내었으며, 반대로 공정압력이 커질수록 표면에너지가 증가하면서 친수성화가 되는 것을 나타내었다.
(3) 제작한 WO3/Ag/WO3 투명전극에 O2 plasma를 활용하여 RF power와 공정시간에 따른 표면처리를 한 경우, RF power가 150W에서 최대 거칠기(Rmax)는 6.437nm와 평균 거칠기(Rq) 0.827nm를 나타내며, 공정시간이 240sec에서 최대 거칠기(Rmax)는 6.880nm와 평균 거칠기(Rq) 0.839nm를 나타내었다. 표면처리를 하지 않은 박막보다 최대 거칠기는 낮아지지만 평균 거칠기는 큰 차이가 없는 것을 보였다. 그리고 표면에너지를 측정한 결과, RF power가 150W에서 66.1774J/m2를 나타내며, 공정시간이 240sec에서 68.4458 J/m2를 나타내었다. 표면처리를 하지 않은 박막보다 높은 표면에너지를 가지면서 친수성으로 변한 것을 나타내며, RF power와 공정시간이 증가할수록 표면에너지는 감소하면서 소수성화를 보였다
피인용 문헌
- Photocatalyst characteristic of WO3thin film with sputtering process vol.17, pp.7, 2016, https://doi.org/10.5762/KAIS.2016.17.7.420