• 공업화학
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• 제20권6호
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• pp.617-621
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• 2009

Zinc oxide (ZnO)을 금(Au)과 fluorine-doped tin oxide (FTO) 촉매로 산화실리콘($SiO_2$) 기판에 산화아연입자 20 nm, $20{\mu}m$를 각각 사용하여 기체-액체-고체(VLS) 합성법으로 성장시켰다. 나노로드의 표면특성, 화학조성, 그리고 결정특성을 엑스레이회절(X-ray diffraction (XRD)), 에너지 분산형 X선 분광기(Energy-dispersive X-ray spectroscopy (EDX)), 표면 방출주사현미경(Field-emission scanning electron microscope (FE-SEM))으로 분석하였다. ZnO의 입자 크기 뿐만 아니라 결정형태가 성장에 크게 영향을 미쳤다. ZnO의 모든 나노구조가 6방정계(六方晶系), 단일결정구조를 가지고 있었다. 최적온도는 $1030^{\circ}C$, 입자크기는 20 nm이다. 그러므로 Au 대신 플루오린 첨가 도핑으로 전기음성도가 증가된 FTO 증착에 의해서 생성된 나노로드는 경제성 있는 대체물질로서의 가치가 있을 것으로 사료된다.

• 한국진공학회:학술대회논문집
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• 한국진공학회 2014년도 제46회 동계 정기학술대회 초록집
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• pp.335-335
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• 2014

Over the past several years, transparent conducting oxides have been extensively studied in order to replace indium tin oxide (ITO). Here we report on fluorine doped zinc tin oxide (FZTO) films deposited on glass substrates by radio-frequency (RF) magnetron sputtering using a 30 wt% ZnO with 70 wt% SnO2 ceramic targets. The F-doping was carried out by introducing a mixed gas of pure Ar, CF4, and O2 forming gas into the sputtering chamber while sputtering ZTO target. Annealing temperature affects the structural, electrical and optical properties of FZTO thin films. All the as-deposited FZTO films grown at room temperature are found to be amorphous because of the immiscibility of SnO2 and ZnO. Even after the as-deposited FZTO films were annealed from $300{\sim}500^{\circ}C$, there were no significant changes. However, when the sample is annealed temperature up to $600^{\circ}C$, two distinct diffraction peaks appear in XRD spectra at $2{\Theta}=34.0^{\circ}$ and $52.02^{\circ}$, respectively, which correspond to the (101) and (211) planes of rutile phase SnO2. FZTO thin film annealed at $600^{\circ}C$ resulted in decrease of resistivity $5.47{\times}10^{-3}{\Omega}cm$, carrier concentration ~1019 cm-3, mobility~20 cm2 V-1s-1 and increase of optical band gap from 3.41 to 3.60 eV with increasing the annealing temperatures and well explained by Burstein-Moss effect. Change of work function with the annealing temperature was obtained by ultraviolet photoemission spectroscopy. The increase of annealing temperature leads to increase of work function from ${\phi}=3.80eV$ (as-deposited FZTO) to ${\phi}=4.10eV$ ($600^{\circ}C$ annealed FZTO) which are quite smaller than 4.62 eV for Al-ZnO and 4.74 eV for SnO2. Through X-ray photoelectron spectroscopy, incorporation of F atoms was found at around the binding energy of 684.28 eV in the as-deposited and annealed FZTO up to 400oC, but can't be observed in the annealed FZTO at 500oC. This result indicates that F atoms in FZTO films are loosely bound or probably located in the interstitial sites instead of substitutional sites and thus easily diffused into the vacuum from the films by thermal annealing. The optical transmittance of FZTO films was higher than 80% in all specimens and 2-3% higher than ZTO films. FZTO is a possible potential transparent conducting oxide (TCO) alternative for application in optoelectronics.

• 한국표면공학회지
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• 제56권4호
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• pp.233-242
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• 2023

In recent years, energy-management studies in buildings have proven useful for energy savings. Typically, during heating and cooling, the energy from a given building is lost through its windows. Generally, to block the entry of ultraviolet (UV) and infrared (IR) rays, thin films of deposited metals or metal oxides are used, and the blocking of UV and IR rays by these thin films depends on the materials deposited on them. Therefore, by controlling the thicknesses and densities of the thin films, improving the transmittance of visible light and the blocking of heat rays such as UV and IR may be possible. Such improvements can be realized not only by changing the two-dimensional thin films but also by altering the zero-dimensional (0-D) nanostructures deposited on the films. In this study, 0-D nanoparticles were synthesized using a sol -gel procedure. The synthesized nanoparticles were deposited as deep coatings on polymer and glass substrates. Through spectral analysis in the UV-visible (vis) region, thin-film layers of deposited zinc oxide nanoparticles blocked >95 % of UV rays. For high transmittance in the visible-light region and low transmittance in the IR and UV regions, hybrid multiple layers of silica nanoparticles, zinc oxide particles, and fluorine-doped tin oxide nanoparticles were formed on glass and polymer substrates. Spectrophotometry in the UV-vis-near-IR regions revealed that the substrates prevented heat loss well. The glass and polymer substrates achieved transmittance values of 80 % in the visible-light region, 50 % to 60 % in the IR region, and 90 % in the UV region.

• 한국전기전자재료학회논문지
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• 제30권6호
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• pp.401-405
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• 2017

Because silicon thin film solar cells have a high absorption coefficient in visible light, they can absorb 90% of the solar spectrum in a $1-{\mu}m$-thick layer. Silicon thin film solar cells also have high transparency and are lightweight. Therefore, they can be used for building integrated photovoltaic (BIPV) systems. However, the contact electrode needs to be replaced for fabricating silicon thin film solar cells in BIPV systems, because most of the silicon thin film solar cells use metal electrodes that have a high reflectivity and low transmittance. In this study, we replace the conventional aluminum top electrode with a transparent aluminum-doped zinc oxide (AZO) electrode, the band level of which matches well with that of the intrinsic layer of the silicon thin film solar cell and has high transmittance. We show that the AZO effectively replaces the top metal electrode and the bottom fluorine-doped tin oxide (FTO) substrate without a noticeable degradation of the photovoltaic characteristics.

• 한국재료학회지
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• 제30권9호
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• pp.441-446
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• 2020

Synthesizing nanostructured thin films of oxide semiconductors is a promising approach to fabricate highly efficient photoelectrodes for hydrogen production via photoelectrochemical (PEC) water splitting. In this work, we investigate the feasibility as an efficient photoanode for PEC water oxidation of zinc oxide (ZnO) nanostructured thin films synthesized via a simple method combined with sputtering Zn metallic films on a fluorine-doped tin oxide (FTO) coated glass substrate and subsequent thermal oxidation of the sputtered Zn metallic films in dry air. Characterization of the structural, optical, and PEC properties of the ZnO nanostructured thin film synthesized at varying Zn sputtering powers reveals that we can obtain an optimum ZnO nanostructured thin film as PEC photoanode at a sputtering power of 40 W. The photocurrent density and optimal photocurrent conversion efficiency for the optimum ZnO nanostructured thin film photoanode are found to be 0.1 mA/㎠ and 0.51 %, respectively, at a potential of 0.72 V vs. RHE. Our results illustrate that the ZnO nanostructured thin film has promising potential as an efficient photoanode for PEC water splitting.

• 한국재료학회지
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• 제30권5호
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• pp.239-245
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• 2020

Synthesizing one-dimensional nanostructures of oxide semiconductors is a promising approach to fabricate highefficiency photoelectrodes for hydrogen production from photoelectrochemical (PEC) water splitting. In this work, vertically aligned zinc oxide (ZnO) nanorod arrays are successfully synthesized on fluorine-doped-tin-oxide (FTO) coated glass substrate via seed-mediated hydrothermal synthesis method with the use of a ZnO nanoparticle seed layer, which is formed by thermally oxidizing a sputtered Zn metal thin film. The structural, optical and PEC properties of the ZnO nanorod arrays synthesized at varying levels of Zn sputtering power are examined to reveal that the optimum ZnO nanorod array can be obtained at a sputtering power of 20 W. The photocurrent density and the optimal photocurrent conversion efficiency obtained for the optimum ZnO nanorod array photoanode are 0.13 mA/㎠ and 0.49 %, respectively, at a potential of 0.85 V vs. RHE. These results provide a promising avenue to fabricating earth-abundant ZnO-based photoanodes for PEC water oxidation using facile hydrothermal synthesis.

• 센서학회지
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• 제24권1호
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• pp.15-21
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• 2015

Transparent and conductive multilayer thin films consisting of three alternating layers FZTO/Ag/$WO_3$ have been fabricated by radio-frequency (RF) sputtering for the applications as transparent conducting oxides and the structural and optical properties of the resulting films were carefully studied. The single layer fluorine doped zinc tin oxide (FZTO) and tungsten oxide ($WO_3$) films grown at room temperature are found to have an amorphous structure. Multilayer structured electrode with a few nm Ag layer embedded in FZTO/Ag/$WO_3$ (FAW) was fabricated and showed the optical transmittance of 87.60 % in the visible range (${\lambda}=380{\sim}770nm$), quite low electrical resistivity of ${\sim}10^{-5}{\Omega}cm$ and the corresponding figure of merit ($T^{10}/R_s$) is equivalent to $3.0{\times}10^{-2}{\Omega}^{-1}$. The resultant power conversion efficiency of 2.50% of the multilayer based OPV is lower than that of the reference commercial ITO. Asymmetric D/M/D multilayer is a promising transparent conducting electrode material due to its low resistivity, high transmittance, low temperature deposition and low cost components.

• 한국진공학회:학술대회논문집
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• 한국진공학회 2012년도 제42회 동계 정기 학술대회 초록집
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• pp.591-591
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• 2012

본 연구는 Transparent conducting oxide (TCO, 산화물투명전극)를 이용한 박막태양전지 효율향상에 관한 것으로, 이중의 TCO층(Double-stacked TCO layer)의 효과적인 광학 및 전기적 설계에 관한 것이다. 기존 박막 태양전지에서는 투명전극 TCO layer로서, ITO (Indium-Tin-Oxide), FTO (Fluorine- Tin-Oxide), 및 AZO(Aluminum-doped Zinc Oxide) 등을 사용해 왔다. 각 TCO layer마다 장점이 있지만 단점 또한 존재한다. ITO의 경우 높은 전기적 특성을 가지는 반면 수소 플라즈마에 취약하고 기계적 강도에 취약해 ITO 단일층만으로 박막 태양전지에 적용하는 것에 제한을 받는다. 한편, AZO의 경우 전기적 특성도 우수할 뿐만 아니라 수소 플라즈마에도 내구성이 강한 장점이 있지만, 일함수가 p형 반도체보다 낮아 Schottky junction이 되어, 높은 전위장벽이 형성된다. 이는 정공의 이동을 방해하고, 정공의 축적이 일어나서 순방향 전압을 인가할 때 많은 전류의 감소를 가져온다. 또한, AZO와 p형 반도체 사이의 높은 직렬저항으로 인해 광전압(Voc, Open circuit voltage)와 충실률 (FF, Fill factor)가 떨어진다는 단점이 있다. 본 실험에서는 ITO/AZO 2중구조의 TCO층을 적용하여 상기의 문제점을 해결하고자 한다. 이중 구조 TCO층은 Magnetron sputter system을 이용하여, 단계적으로 증착되었다. 빛이 입사하는 유리에 ITO를 제1전도층으로 증착하였는데, ITO는 입사광의 투과도와 전기전도성이 우수하다. 제2전도층으로는 AZO층을 이용하였으며, 실리콘 반도체층과 접하게 된다. AZO는 실리콘 증착시 발생하는 수소 플라즈마에 안정적이고, 물리적 강도 또한 우수한 장점이 있다. 이중 구조층위에 실리콘 광흡수층(Si absorber)을 증착하였으며, pin 구조를 가진다. 기존, 단일막 TCO층과 2중구조 TCO층을 이용하여, 실리콘 박막 태양전지를 구성하였다. 이때, ITO/AZO의 2중구조를 적용하였을 때 태양 전지 특성이 크게 향상된 결과를 얻을 수가 있었다. 특히, 전류밀도의 경우 ITO, FTO, AZO 각각 14.5 mA/cm2, 11.2 mA/cm2, 8.18 mA/cm2를 나타낸 반면 ITO/AZO 2중구조의 경우 약 17mA/cm2 로 크게 향상 되었고, 태양전지 변환 효율도 각각 7.5%, 6.9%, 4%에서 ITO/AZO 2중 구조의 경우 8.05%로 크게 향상되었다. 본 발표에서는 2중구조 TCO를 이용한 현공정에 적용 가능한 박막태양전지 효율향상 기법에 대해 논의하고자 한다.

• 한국진공학회:학술대회논문집
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• 한국진공학회 2011년도 제41회 하계 정기 학술대회 초록집
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• pp.259-259
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• 2011

염료감응형 태양전지(Dye-Sensitized Solar Cells:DSSC)는 환경 친화적이며, 저가의 공정에 대한 가능성으로 기존의 고가의 결정질 실리콘 태양전지의 경제적인 대안으로 각광을 받고 있다. 최근 염료감응형 태양전지는 투명 전도성 산화막(Transparent Conducting Oxide : TCO)으로 사용되는 Fluorine Tin Oxide (FTO)가 증착된 유리기판 위에 주로 제작된다. FTO는 낮은 비저항과 가시광선 영역에서 높은 투과도를 가지는 우수한 전기-광학적 특성을 갖지만, 비교적 공정이 까다로운 Chemical Vapor Deposition (CVD)법으로 제조하며, 전체 공정비용의 60%를 차지하는 높은 생산단가로 인해 현재 FTO를 대체할 재료개발 연구가 활발히 진행되고 있다. 그 중 ZnO (Zinc Oxide)는 우수한 전기-광학적 특성과 비교적 저렴한 가격으로 새로운 TCO로써 주목받고 있다. ZnO는 넓은 energy band gap (3.4 [eV])의 육방정계 울자이트(hexagonal wurtzite) 결정 구조를 가지는II-VI족 n형 반도체 물질이며, III족 금속원소인 Al, Ga 및 In 등의 불순물을 첨가하면 TCO로서 우수한 전기-광학적 특성과 안정성을 나타낸다. 이들 물질중 $Zn^{2+}$ (0.060 nm)의 이온반경과 유사한 $Ga^{2+}$0.062 nm) 이온이 ZnO의 격자반경을 최소화 시킬 수 있다는 장점으로 최근 주목 받고 있다. 하지만 Ga-doped ZnO (GZO)의 경우 DSC에 사용되는 루테늄 계열의 산성 염료 하에 장시간 두면 표면이 파괴되는 문제가 발생하며, $TiO_2$ paste를 Printing 후 열처리하는 과정에서도 박막의 파괴가 발생할 수 있다. 이를 방지하기 위해 $TiO_2$ Blocking Layer를 GZO 투명전극 위에 증착하였다. 또한, $TiO_2$ Blocking Layer를 적용한 GZO 박막을 전면전극으로 이용하여 DSC를 제작하여 효율을 확인하였다. 2wt%의 $Ga_2O_3$가 도핑된 ZnO 박막은 20mTorr 400$^{\circ}C$에서 Pulsed Laser Deposition (PLD)에 의해 성장되었고, $TiO_2$박막은 Ti 금속을 타겟으로 이용하여 30mTorr 400$^{\circ}C$에서 증착되었다. Scanning electron microscopy (FE-SEM)을 이용한 박막 분석 결과 $TiO_2$가 증착된 GZO 박막의 경우 표면 파괴가 일어나지 않았다. Solar Simulator을 이용하여 I-V특성 측정결과 상용 FTO를 사용한 DSC 수준의 효율을 나타내었다. 이에 따라 Pulsed Laser Deposition을 이용해 제작된 GZO 기판은 $TiO_2$ Blocking Layer를 이용하여 표면 파괴를 방지할 수 있었으며, 이는 향후 염료감응형 태양전지의 투명전극에 적용 가능 할 것으로 판단된다.