• Proceedings of the Korean Vacuum Society Conference
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• 2012.08a
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• pp.317-317
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• 2012

사파이어는 우수한 광학적, 물리적, 화학적 특성을 가지고 있는 물질 중의 하나이며, 청색 발광특성을 나타내는 GaN와 격자상수, 열팽창 계수가 가장 유사할 뿐만 아니라 가격도 상대적으로 저렴하여 GaN 성장을 위한 기판으로 사용된다. 실제로 사파이어는 프로젝터와 전자파장치, 군사용 장비 등 다양한 분야에 응용되고 있으며, 발광 다이오드(LED)를 위한 기판으로 활용됨으로써 그 수요가 급격히 증가하고 있다. 그러나 사파이어 결정의 성장 중에 생길 수 있는 전위(dislocation)와 적층결함(stacking fault) 등의 결정 결함들은 결정 내에 존재하여 역학적, 전기적 성질에 큰 영향을 미칠 수 있다. 특히 사파이어가 청색 발광소자의 기판으로 사용되는 경우, 사파이어 기판 내부의 결정 결함은 증착되는 박막 특성에 영향을 미치게 된다. 따라서 사파이어의 보다 나은 응용을 위해서는 결함의 형성 메커니즘과 결정 결함의 평가기술 등에 대한 이해가 필요하고, 특히 결함의 정량적 평가 기술의 개발은 사파이어의 상용화에 중요한 핵심요소 중 하나이다. 결정 내 결함이 위치하는 부분은 분자나 원자간의 결합이 약하거나 높은 에너지 상태이므로, 결정의 표면을 적절한 산이나 염기 등을 이용하여 에칭하면 에칭반응은 결정의 전위 위치에 해당하는 부분부터 일어나 결정의 표면에 에치핏을 형성한다. 따라서 결정 표면에 나타나는 에치핏의 개수를 관찰하면 결정의 전위 밀도 파악이 비교적 간단하고, 에칭반응의 이러한 특징은 전위의 정량적 평가에 이용이 가능하다. 본 연구는 4인치 사파이어 조각기판을 수산화칼륨(KOH)으로 습식에칭 후 표면에 나타나는 에치핏의 형성거동과 이의 시간 및 온도 의존성에 관한 연구를 진행하였다. 또한 단결정의 전위밀도를 예측하기 위해 사파이어 조각시편의 단위면적당 에치핏의 개수를 파악하여 에치핏밀도(EPD, etch pid density)를 계산하였고, 값의 불확도(uncertainty)를 계산하여 전위밀도의 신뢰도를 평가하였다. 그 결과, 사파이어 조각시편의 에치핏밀도는 단위면적($cm^2$)당 약 ${\sim}10^2$개로 확인되었고, 이 값은 약 2%의 상대불확도를 가지는 것으로 나타났다.

• Proceedings of the Materials Research Society of Korea Conference
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• 2009.05a
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• pp.8.2-8.2
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• 2009

구리(Cu)-인듐(In)-갈륨(Ga)-셀레늄(Se)의 4 원소 화합물 반도체인 Cu(InGa)$Se_2$ (CIGS) 태양전지 세계 최고 셀효율은 2008년 현재 19.9% 로서 박막형 태양전지 중 가장 높은 효율을 보이고 있다. 이는 다결정(폴리) 실리콘 태양전지의 20.3%와 대등한 수준이다. 이 CIGS 태양전지는 제조단가를 표준 결정형 실리콘 태양전지 대비 50% 대로 획기적으로 낮출 수 있어 가장 경쟁력이 있는 차세대 재료로 꼽히고 있다. 본 연구에서는 CIGS태양전지를 고진공 물리 증작법으로 제작하였으며 표면과 박막의 순도를 외부오염을 방지하기 위하여 후면전극, 광흡수체 및 전면전극을 동일 진공에서 제작할 수 있는 멀티 챔버 클러스터 증착 시스템을 이용하였다. 기판으로 소다라 임유리, 후면전극으로 Mo, 전면전극으로 I-ZnO/Al:ZnO 및 ITO를 이용하였다. 버퍼층으로 CdS를 chemical bath deposition (CBD)를 이용하였다. 소자는 무반사막을 사용하지 않고 Al/Ni전극 그리드를 이용하였다. 이 소자로부터 0.22 $cm^2$에서 16%의 효율을 얻었다. 각 박막층 간 계면의 분석을 전기적인 특성, ellisometry에 의한 광특성, 표면과 결정성에 대한 SEM 및 XRD의 특성을 보고한다. 또한, 대표적 화합물 반도체 박막 태양전지인 CIGS 태양전지의 기술의 현황, 학문적인 과제 및 실용화의 문제점을 발표하기로 한다.

• Proceedings of the Korean Vacuum Society Conference
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• 2011.02a
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• pp.129-129
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• 2011

ISFET (ion sensitive field effect transistor)는 용액 중의 각종 이온 농도를 측정하는 반도체 이온 센서이다. ISFET는 작은 소자 크기, 견고한 구조, 즉각적인 반응속도, 기존의 CMOS공정과 호환이 가능하다는 장점이 있다. ISFET의 기본 구조는 기존의 MOSFET (metal oxide semiconductor field effect transistor)에서 고안되었으며, ISFET는 기존의 MOSFET의 게이트 전극 부분이 기준전극과 전해질로 대체되어진 구조를 가지고 있다. ISFET소자의 pH 감지 메커니즘은 감지막의 표면에서 pH용액 속의 이온들이 감지막의 표면에서 속박되어 막의 표면전위의 변화를 유발하는 것을 이용한다. 그 결과, ISFET의 문턱전압의 변화를 일으키게 되고 드레인 전류의 양 또한 달라지게 된다. ISFET의 높은 pH감지능력을 얻기 위하여 높은 high-k물질 들이 감지막으로서 연구되었다. Al2O3와 HfO2는 높은 유전상수, non-ideal 효과에 대한 immunity 그리고 높은 pH 감지능력 등 많은 장점을 가지고 있는 물질로 알려졌다. 본 연구에서는, SiO2/HfO2/Al2O3 (OHA) 적층막을 이용한 EIS (electrolyte- insulator-silicon) pH센서를 제작하였다. EIS구조는 ISFET로의 적용이 용이하며 ISFET보다 제작 방법과 소자 구조가 간단하다는 장점이 있다. HfO2은 22~25의 높은 유전상수를 가지며 높은 pH 감지능력으로 인하여 감지막으로서 많은 연구가 이루어지고 있는 물질이다. 하지만 HfO2의 물질이 가진 고유의 특성상 화학적 용액에 대한 non-ideal 효과는 다른 금속계열 산화막에 비하여 취약한 모습을 보인다. 반면에 Al2O3의 유전상수는 HfO2보다 작지만 화학용액으로 인한 손상에 대하여 강한 immunity가 있는 재료이다. 이러한 물질들의 성질을 고려하여 OHA의 새로운 감지막의 적층구조를 생각하였다. 먼저 Si과 high-k물질의 양호한 계면상태를 이루기 위하여 5 nm의 얇은 SiO2막을 완충막으로서 성장시켰다. 다음으로 높은 유전상수를 가지고 있는 8 nm의 HfO2을 증착시킴으로서 소자의 물리적 손상에 대한 안정성을 향상시켰다. 최종적으로 화학용액과 직접적인 접촉이 되는 부분은 non-ideal 효과에 강한 Al2O3을 적층하여 소자의 화학적 손상에 문제점을 개선시켰다. 결론적으로 감지막의 적층 모델링을 통하여 각각의 high-k 물질이 가진 고유의 특성에 대한 한계점을 극복함으로써 높은 pH 감지능력뿐만 아니라 신뢰성 있는 pH 센서가 제작 되었다.

• Korean Journal of Optics and Photonics
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• v.13 no.2
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• pp.105-112
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• 2002

We studied the optical and structural properties of conventional and ion-beam-assisted-deposition (IBAD) Nb$_2$O$_{5}$ films which were evaporated by an electron beam gun. The vacuum-to-air spectral shift and the cross sectional SEM images of the Nb$_2$O$_{5}$ films were investigated. The results show that the IBAD Nb$_2$O$_{5}$ films have a higher packing density than the conventional Nb$_2$O$_{5}$ films. The average refractive index of IBAD Nb$_2$O$_{5}$ films was increased, while the extinction coefficient was decreased compared with the conventional films. As the oxygen flow was increased, the average refractive index and extinction coefficient of the conventional and IBAD films decreased. Both the conventional and IBAD Nb$_2$O$_{5}$ films showed inhomogeneity in refractive index, and the degree of inhomogeneity of the IBAD Nb$_2$O$_{5}$ films became larger as the ion current density was increased. All Nb$_2$O$_{5}$ films were found to be amorphous by x-ray diffraction (XRD) analysis, and hence the crystal structure of Nb$_2$O$_{5}$ films was not changed by IBAD.

• Proceedings of the Korean Vacuum Society Conference
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• 2012.02a
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• pp.566-566
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• 2012

그래핀(Graphene)은 모든 탄소 동소체의 기본구성 요소로 2 차원 결정구조를 가지며, 양자홀 효과(quantum Hall effect), 뛰어난 열 전도도, 고 탄성, 광학적 투과성 등과 같은 탁월한 물리적 성질을 보이는 물질이다. 이러한 그래핀의 우수한 특성은 전계 효과 트랜지스터(field effect transistor), 화학/바이오 센서, 투명 전극(transparent electrode) 등의 다양한 전자소자를 개발하는 응용 가능하다. 그 중, 그래핀 투명전극의 제조는 가장 응용가능성이 높은 분야이다. 현재 투명전극 물질로는 인듐-주석 산화물(indium tin oxide; ITO)가 널리 이용되고 있으나, 인듐의 고갈로 인한 공급부족 문제 및 고 생산비용, 휘어지지 않는 취성 등의 단점을 지니고 있다. 따라서, 우수한 광학적 투과성과 전기전도성을 지닌 그래핀이 ITO의 대체 물질로서 각광받고 있다.[1-5] 본 연구에서는 그래핀의 투명전도필름의 응용을 위해 면저항을 낮추기 위한 방법으로 화학적 도핑(doping)을 이용하였다. 그래핀은 구리(copper; Cu) 호일을 촉매로 사용하여 열 화학증착법(Thermal Chemical Vapor Deposition)을 이용하여 합성하였다. 합성된 그래핀은 PMMA(Poly(methyl methacrylate)) 전사법을 이용하여 산화실리콘(SiO2) 기판에 전사 후, 염화은(AgCl)과 클로로벤젠(C6H5Cl)으로 만든 콜로이드(colloid) 용액에 디핑(dipping)하여 그래핀에 은 입자를 도핑 하였다. 그 결과, 은 입자 도핑 농도에 따라 면저항이 감소하는 양상을 보였다. 제작된 그래핀 투명전도성 필름의 투과도는 자외선-가시광선-근적외선 분광법(UV-Vis-NIR spectroscopy)를 이용하여 측정하였고, 라만 분광법(Raman spectroscopy)을 통해 그래핀 필름의 질적 우수성과 성장 균일도를 조사하였다.

• Journal of the Korean Society of Radiology
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• v.9 no.7
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• pp.439-443
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• 2015

An electrical signals of a conventional radiation medical imaging sensor are obtained by charge integration method. In this study, the polycrystalline cadmium telluride(p-CdTe) film was fabricated by a thermal evaporation method for the photon counting sensor development with excellent resolution in low exposure dose. From the fabricated p-CdTe sensor, the physical properties(SEM, XRD) and the electrical properties(leakage current, x-ray sensitivity, SNR) were evaluated. As a result, the leakage current of below $5nA/cm^2$ and $7{\mu}C/cm^2-R$ of the X-ray sensitivity were showed in below $1V/{\mu}m$. In addition, the signal to noise ratio showed the values of above 5000 at operating voltage.

• Proceedings of the Korean Vacuum Society Conference
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• 1999.07a
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• pp.189-189
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• 1999

초미세 전자 소자에 대한 개발에 대한 요구는 최근 들어 원자 단위의 구조물 제작에 대한 연구로까지 나아 가게 하고 있다. 좋은 물리적 성장을 가지는 양자도선(quantum wire), quantum dot와 같은 nano 단위 구조물 제작에 대한 요구는 그 가능성의 하나로 , 기울어진 vicinal) 표면위에서의 박막 성장에 대한 연구로 이어지고 있다. 기울어진 표면은 한 원자층으로 된 많은 계단들을 가지고 있는 표면이고, 이러한 계단들의 존재는 박막 성장 시 흡착 원자가 계단 끝에 부착될 확률을 증가 시켜, stepflow 성장과 같은 준 층별 성장을 만들 가능성을 높여주며, sub-ML증착에 대해서 원자가 계단면을 따라 길게 늘어선 양자도선과 같은 성장이 가능한 표면이라는 점에서 관심을 갖게 한다. 그러나 최근의 연구들에 의하면 기울어진 표면 위에서의 성장도 Schwoebel 장벽과 같은 분산 장벽의 존재로 계단과 수직인 축 방향으로 거친 모양의 island가 형성되는 Bails-Zangwill 불안정성이 나타나는 것으로 보고되고 있고, 이것은 준 층별 성장이나 양자 도선과 같은 성장을 방해하는 것으로 알려져 있다. 이러한 불안정성을 해결할 가능성으로 최근 들어 한 계단의 높이가 큰 step bunching 이 생겨난 표면위에서의 성장이 제기 되고 있으나, 아직 확인되지 않았다. 본 연구는 이러한 기울어진 표면 위에서 박막을 성장 할 때 층흐름(step flow) 성장이 가능한 역학적 동역학적 조건을 구하고자 하며, 방법으로는 KMC 시뮬레이션을 이용한다. 단원자로 구성된 계단이 있는 기울어진 표면 위에서의 homoepitaxy의 경우, 성장 양식은 계단과 계단 사이의 테라스 간격에 크게 의존한다. 테라스 간격이 좁을수록 성장은 보다 층흐름 성장에 근접한다. 그러나 다층으로 성장시킨 시뮬레이션의 결과는 일반적인 장벽 조건 아래에서는 계단의 방향과 수직인 방향으로 평평한 면에서와 동일한 크기를 가지는 island가 성장하는 것을 볼 수 있고, 이 것은 Bails-Zangwill 불안정성이다. 그러나 계단 사이의 테라스 간격이 매우 좁은 경우 5-6ML 성장 이하에서는 층흐름 성장과 동일한 성장이 이루어지나 계단을 따라서 미소한 크기의 거칠기가 나타난다. 동일한 기울어진 경사면에 대해서는 분산속도가 좋을수록 보다 계단 면을 따라 보다 큰 크기의 island가 나타난다. 분산 장벽과 같이 동역학적인 요소만으로는 완벽한 층흐름 성장은 높은 온도, 극히 낮은 분산 장벽이라는 조건 이외에는 얻기 어렵다. 그리고 층흐름 성장의 가능성으로 제시된 step bunching 일 일어난 다층 높이의 계단을 가진 면도 다층의 수만큼 계단수를 늘려주는 것과 동일한 결과가 나타나며, 이 경우도 층흐름 성장에는 근접하지만 완전한 형태의 성장은 얻기는 역시 어렵다. 따라서 원자단위의 도선이나 층흐름 성장은 계단과 계단 사이의 인력 또는 척력과 같은 역학적인 요소를 고려할 때 만이 가능할 것으로 보인다.

• Journal of the Korean Vacuum Society
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• v.18 no.6
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• pp.459-467
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• 2009

$Cd_2GeSe_4$ and $Cd_2GeSe_4:Co^{2+}$ films were prepared on indium-tin-oxide(ITO)-coated glass substrates by using thermal evaporation. The crystallization was achieved by annealing the as-deposited films in flowing nitrogen. X-ray diffraction spectra showed that the $Cd_2GeSe_4$ and the $Cd_2GeSe_4:Co^{2+}$ films were preferentially grown along the (113) orientation. The crystal structure was rhomohedral(hexagonal) with lattice constants of $a=7.405\;{\AA}$ and $c=36.240\;{\AA}$ for $Cd_2GeSe_4$ and $a=7.43\;{\AA}$ and $c=36.81\;{\AA}$ for $Cd_2GeSe_4:Co^{2+}$ films. From the scanning electron microscope images, the $Cd_2GeSe_4$ and $Cd_2GeSe_4:Co^{2+}$ films were plated, and the grain size increased with increasing annealing temperature. The optical energy band gap, measured at room temperature, of the as-deposited $Cd_2GeSe_4$ films was 1.70 eV and increased to about 1.74 eV and of the as-deposited $Cd_2GeSe_4:Co^{2+}$ films was 1.79 eV and decreased to about 1.74 eV upon annealing in flowing nitrogen at temperatures from $200^{\circ}C$ to $500^{\circ}C$. The dynamical behavior of the charge carriers in the $Cd_2GeSe_4$ and $Cd_2GeSe_4:Co^{2+}$ films were investigated by using the photoinduced discharge characteristics technique.

• Proceedings of the Korean Institute of Electrical and Electronic Material Engineers Conference
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• 2009.04b
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• pp.49-49
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• 2009

최근 범세계적인 그린에너지 정책에 관련해 화석연료를 대체할 수 있는 수소, 풍력, 태양광 등의 대체 에너지에 대한 관심이 고조되고 있다. 이러한 여러 대체에너지 중에서도 태양광을 전기에너지로 변환하는 태양전지에 관한 연구가 집중되고 있다. 태양전지는 구조적으로 단순하고 제조 공정도 비교적 간단하지만, 보다 널리 보급되기 위해서는 경제성 향상이라는 문제점을 해결해야 한다. 이를 위해서는 기존의 실리콘 태양전지를 대체할 수 있는 신물질에 대한 연구가 필요하며, 그 중에서도 반도체 기술을 이용한 박막형 태양전지는 기존의 실리콘 태양 전지가 가지고 있는 고비용이라는 문제점을 극복할 수 있을 것으로 기대를 모으고 있다. 박막형 태양전지의 박막 재료로는 CIGS, CdTe 등이 연구되어지고 있지만, 아직까지는 기존의 실리콘 태양전지에 비해 에너지변환효율이 낮은 이유로 인해 실용화가 많이 이루어지지 못하고 있는 것이 사실이다. 이러한 박막형 태양전지의 재료들 중에서도 CdTe는 이종접합 박막형 태양전지에 흡광층으로 사용되는 것으로 상온에서 1.45eV 정도의 밴드갭(band gap) 에너지를 갖는 II-VI족 화합물반도체로써 태양광 스펙트럼과 잘 맞는 이상적인 밴드랩 에너지와 높은 광흡수도 때문에 박막형 태양전지로 가장 주목을 받고 있다. CdTe 박막의 제조 방법으로는 진공증착법(vacuum evaporation), 전착법(electrodeposition), 스퍼터링법(sputtering) 등이 있지만 본 연구에서는 스퍼터링법을 이용하여 박막을 증착하였다. 이상과 같이 증착된 CdTe 박막을 화학적기계적연마(CMP, chemical mechanical polishing) 공정을 적용시킴으로써, 태양전지의 에너지변환효율에 직접적인 영향을 끼칠 수 있는 CdTe 박막의 물리적, 전기적 특성들의 변화를 연구하기 위한 선행 연구를 진행하였다. 특히 본 연구에서는 CdTe 박막의 화학적 기계적 연마 특성을 분석하여 정규화를 통한 모델링을 수행하였다. 또한 화학적기계적연마 공정 전과 후의 표면 특성을 관찰하기 위해 SEM(scanning electron microscopy)과 AFM(atomic forced microscope)를 이용하였으며, 구조적 특성 관찰을 XRD(X-ray diffraction)를 사용하여 실험을 수행하였다.

• Proceedings of the Korean Vacuum Society Conference
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• 2011.02a
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• pp.506-507
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• 2011

경사코팅 기술(Oblique Angle Deposition; OAD)은 입사 증기가 기판에 수직으로 입사하지 않고 90도 보다 작은 각도로 비스듬히 입사하도록 조절하여 코팅하는 물리증착 기술의 하나로 피막의 조직을 다양하게 제어할 수 있는 방법으로 알려져 있다. 초기의 경사 코팅 기술은 경사각을 가진 정지된 기판 상에 코팅하였으나 최근에는 기판의 각도와 회전을 동시에 조절하여 이루어지는 소위 스침각 증착(Glancing Angle Deposition; GLAD) 기술이 개발되어 다양한 형태의 구조를 제어하는 연구가 활발히 진행되고 있다. 특히, 컴퓨터를 이용하여 입사각과 방위각을 정밀 제어함에 의해 나노 스케일의 Zigzag 및 나선형, 기둥형 조직 등 복잡한 형태의 박막을 제조하는 것이 가능하게 되었다. 현재, GLAD 기술과 다양한 형태의 나노 조직을 이용하여 각종 센서는 물론 태양전지와 같은 에너지 소자, 필터와 같은 광학코팅 등에 응용하기 위한 연구가 세계적으로 폭넓게 진행되고 있다. 본 연구에서는 조직의 치밀도 향상을 통한 특성 향상을 위해 Al 및 TiN 박막을 제조함에 있어서 경사코팅 기술을 응용하여 단층 및 다층 피막(각도를 반대로 하여 여러 층을 제조)을 제조하고 그 특성을 비교하였다. Al 박막은 UBM (Un-Balanced Magnetron) 스퍼터링 소스를 이용하여 타겟 표면과 기판 표면이 이루는 각도 즉, 입사빔과 기판이 이루는 각도를 각각 0, 30, 45, 60 및 90도의 각도에서 강판 및 실리콘 웨이퍼 상에 시편을 제조하되 단층 및 다층으로 시편을 제조하고 치밀도 및 내식성과 반사율 및 조도 등의 특성을 비교하였다. 그 결과 경사각으로 코팅한 시편에서 조도 및 반사율이 향상됨은 물론 치밀도 및 내식성이 향상됨을 확인하였다. 특히, 염수분무에 의한 내식성 시험에서 경사 코팅된 시편의 경우 내식성이 현저히 향상되었는데, 이는 경사 코팅 방법이 박막의 치밀도를 향상시켜 나타난 현상으로 판단된다. TiN 박막은 Cathodic Arc 방식을 이용하되 Al 박막과 동일한 방법으로 코팅을 하고 내식성 및 경도 등의 특성을 비교하였다. TiN 박막은 경사각이 커지면서 경도가 낮아지며 특히 다층막의 경우 경도 감소가 현저함을 알 수 있었다. 다만, 45도에서는 다른 경사각에 비해 약간의 경도 상승이 측정되었다. 경사각 코팅에서의 경도 감소는 피막의 경사에 의해 탐침이 미끄러지거나 또는 우선 방위에 의한 경도 증가 효과가 나타나지 않아 생기는 현상으로 판단되었다. Ferroxyl 시험을 이용한 기공도 시험에서는 경사각 코팅의 경우가 기공이 다소 감소함을 확인하였다.