• 한국전기전자재료학회논문지
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• 제36권6호
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• pp.582-587
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• 2023

The effects of the annealing temperature on the structural, morphological, and luminescent properties of SrWO₄:Sm³⁺ thin films grown on quartz substrates by radio-frequency magnetron sputtering were investigated. The thin films were annealed at various annealing temperatures for 20 min in a rapid thermal annealer after growing the thin films. The experimental results showed that the annealing temperature has a significant effect on the properties of the SrWO₄:Sm³⁺ thin films. The crystal structure of the as-grown SrWO₄:Sm³⁺ thin films was transformed from amorphous to crystalline after annealing at 800℃. The preferred orientation along (112) plane and a significant increase in average grain size by 820 nm were observed with increasing the annealing temperature. The average optical transmittance in the wavelength range of 500~1,100 nm was decreased from 72.0% at 800℃ to 44.2% at an annealing temperature of 1,000℃, where the highest value in the photoluminescence intensity was obtained. In addition to the red-shift of absorption edge, a higher annealing temperature caused the optical band gap energy of the SrWO₄:Sm³⁺ thin films to fall rapidly. These results suggest that the structural, morphological, and luminescent properties of SrWO₄:Sm³⁺ thin films can be controlled by varying annealing temperature.

• 한국재료학회지
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• 제34권1호
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• pp.34-43
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• 2024

New piezoelectric and triboelectric materials for energy harvesting are being widely researched to reduce their processing cost and complexity and to improve their energy conversion efficiency. In this study, BaTiO₃ films of various thickness were deposited on Ni foams by R.F. magnetron sputtering to study the piezoelectric and triboelectric properties of the porous spongy structure materials. Then piezoelectric nanogenerators (PENGs) were prepared with spongy structured BaTiO₃ and PDMS composite. The output performance exhibited a positive dependence on the thickness of the BaTiO₃ film, pushing load, and poling. The PENG output voltage and current were 4.4 V and 0.453 ㎂ at an applied stress of 120 N when poled with a 300 kV/cm electric field. The electrical properties of the fabricated PENG were stable even after 5,000 cycles of durability testing. The triboelectric nanogenerators (TENGs) were fabricated using spongy structured BaTiO₃ and various polymer films as dielectrics and operated in a vertical contact separation mode. The maximum peak to peak voltage and current of the composite film-based triboelectric nanogenerator were 63.2 V and 6 ㎂, respectively. This study offers new insights into the design and fabrication of high output nanogenerators using spongy structured materials.

• 한국전자통신학회논문지
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• 제19권1호
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• pp.39-46
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• 2024

본 연구에서는 고주파 마그네트론 스퍼터링 법으로 공정압력을 1에서 7mTorr 로 변화시켜 가며 GTZO (Ga-Ti-Zn-O)박막을 제작하여, 구조적 특성과 전기적 및 광학적 특성을 조사하였다. XRD측정을 통해 공정압력에 무관하게 모든 GTZO박막이 c-축으로 우선 성장함을 확인할 수 있었고, 1mTorr 에서 제작한 GTZO 박막이 반가폭 0.38˚ 로 가장 우수한 결정성을 나타내었다. 가시광 영역(400~800 nm)에서의 평균 투과도는 공정압력에 상관없이 80% 이상의 값을 나타내었고, 공정압력이 증가함에 따라 캐리어 농도가 감소하고 이로 인해 에너지 밴드갭이 좁아지는 Burstein - Moss 효과도 관찰할 수 있었다. 공정압력 1mTorr 에서 증착한 GTZO박막의 재료 평가 지수는 9.08 × 10³ Ω^-1·cm^-1 로 가장 우수한 값을 나타내었고 이때 비저항과 가시광 영역에서의 평균 투과도는 각각 5.12 × 10^-4 Ω·cm 과 80.64 % 이었다.

• 한국응용과학기술학회지
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• 제41권1호
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• pp.46-57
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• 2024

In this study, the various process conditions for high-power DC Magnetron Sputtering (DCMS) on the surface roughness of carbon thin films were investigated. The optimal conditions for Si/C coating were 40min for deposition time, which does not deviate from normal plasma, to obtain the maximum deposition rate, and the conditions for the best surface roughness were -16volt bias voltage and 400watt DC power with 1.3x10-3torr chamber pressure. Under these optimal conditions, an excellent carbon thin film with a surface roughness of 1.62nm and a thickness of 724nm was obtained. As a result of XPS analysis, it was confirmed that the GLC structure (sp² bonding) was more dominant than the DLC structure (sp³ bonding) in the thin film structure of the carbon composite layer formed by DC sputtering. Except in infrequent cases of relatively plasma instability, the lower bias voltage and applied power induces smaller surface roughness value due to the cooling effect and particle densification. For the optimal conditions for Graphite/C composite layer coating, a roughness of 36.3 nm and a thickness of 711 nm was obtained under the same conditions of the optimal process conditions for Si/C coating. This layer showed a immensely low roughness value compared to the roughness of bare graphite of 242 nm which verifies that carbon coating using DC sputtering is highly effective in modifying the surface of graphite molds for glass forming.

• 한국지반공학회논문집
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• 제40권4호
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• pp.81-90
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• 2024

최근 달에서 얼음 형태의 물 등 에너지자원이 발견됨에 따라 달은 심우주 탐사를 위한 전초기지로 주목받고 있다. 지속가능한 심우주 탐사를 위한 전초기지 구축을 위해 현지자원 활용 개념이 주목받음에 따라, 현지재료인 월면토 고형화 기술이 요구되고 있다. 본 연구에서는 보조가열재를 이용한 하이브리드 마이크로파 소결로를 활용해 인공월면토 소결 실험을 수행하며 시스템 구성 및 소결온도 유지시간이 소결체 형성에 미치는 영향을 평가하였다. 그 결과 보조가열재 구성 및 마그네트론으로부터의 거리가 균질한 소결 블록 제작에 영향을 미치는 것으로 나타났다. 또한, 소결온도(1,080℃) 유지시간을 변화시키며 소결 블록을 제작한 결과, 임계시간을 초과하여 소결온도를 유지할 경우 재료의 불균질성이 증가해 소결 효율을 감소시키는 것으로 나타났다.

• 한국방사선학회논문지
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• 제3권2호
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• pp.27-31
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• 2009

현재 의료용 엑스선 장비는 기존의 아날로그 방식의 필름, 카세트를 대신하여 디지털 방식인 CR, DR 이 널리 사용되면 그에 관한 연구개발이 활발히 진행되고 있다. 본 연구 에서는 디지털 엑스선 장비의 변환물질로 $BiI_3$(Bismuth tri-iodide)를 적용하여 실험하였으며 기존 선행연구에 비해 만족할만한 결과 값은 얻을 수 없었지만 가장 많이 사용되고 있는 a-Se(Amorphous Selenium)의 단점인 고전압인가와 제작방식의 어려움을 보완할 수 있는 새로운 가능성을 제시해 주었다. 본 연구에서 사용되어진 변환 물질은 순도 99.99%의 $BiI_3$가 이용되었으며 $3cm{\times}3cm$의 크기와 200um의 두께를 가지는 변환물질 층이 제작되었다. 변환 물질의 상하부에는 Magnetron Sputtering system장비를 이용한 ITO 전극이 형성되었다. 형성된 $BiI_3$ 엑스선 변환 물질의 특성 평가를 위해 구조적 분석과 전기적 분석이 이루어 졌다. SEM 측정을 통해 제작된 필름의 표면 및 단면적, 구성 성분을 관찰하였고, 전기적 분석을 위해서는 누설전류, 엑스선에 대한 신호량 및 잡음 대 신호비의 관찰이 이루어졌다. 실험 결과 $BiI_3$는 $1.6nA/cm^2$의 누설전류와 $0.629nC/cm^2$의 신호량을 측정할 수 있었으며, 이렇게 Screen print method로 제작된 엑스선 검출 물질은 PVD방법을 이용해 제작된 물질과 비슷하거나 더 나은 전기적 특성을 가지고 있었고 이는 제작 방법의 간소화 및 수율을 향상 시킬 수 있어 BiI3도 a-Se를 대체하기 위한 변환물질로 적합하다고 사료된다.

• 한국진공학회:학술대회논문집
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• 한국진공학회 2013년도 제44회 동계 정기학술대회 초록집
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• pp.368-370
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• 2013

투명 전극은 전기전도도를 갖는 동시에 가시광선을 투과하는 소재를 말하며, 구체적으로는 빛의 파장이 400~700 nm 영역대의 가시광선을 80% 이상 투과하며 전기전도도가 비저항으로 $10^{-3}{\Omega}cm$이하이거나 면저항이 $10^3{\Omega}$/${\Box}$소재를 의미한다. 투명 전극은 전기전도도에 따라 사용되는 용도가 다양하다. LCD, PDP, OLED 와 같은 평판디스플레이 및 3D 디스플레이의 투명전극으로 사용되는 핵심재료일 뿐만 아니라 터치스크린, 투명필름, 대전방지막, 열반사막, EMI 방지막, 태양전지 분야에 광범위하게 이용되고 있다. 일반적으로, 투명전극 박막에 가장 많이 사용되고 있는 소재는 ITO (indium tin oxide)이나, 주성분인 In의 사용량 증가로 상용 ITO 타겟 가격이 급등하고 있음으며, 고가의 ITO 타겟을 대체하기 위한 저가의 투명전극 소재 개발이 절대적으로 요구되며, 신규 소재 개발을 통한 기술력 우위 선점이 필수적으로 요구되는 상황이다. 본 연구에서는 기존에 디스플레이 분야에서 널리 활용되는 고가의 ITO를 대체하기 위한 다성분 금속산화물 투명전극 스퍼터링 타겟 제조기술을 개발하기 위한 연구로서, Metal이 첨가된 In-Ga-Zn-O기반의 3성분계 투명도전성 소재를 조성설계, 고밀도 균질 타겟 제조 및 투명전극 박막을 형성하는 연구를 실시하였다. 고체산화물 산화인듐(In2O3)분말, 산화갈륨(Ga2O3) 분말그리고 산화아연(ZnO)분말과 Metal을 몰비로 칭량한 후 분말을 폴리에틸렌제 포트에 넣고 에탄올을 충분히 채운 후 지르코니아(ZrO2) 볼(ball)을 이용하여 24 h 동안 볼 밀링(ball milling) 방법으로 혼합한 뒤, $120^{\circ}C$의 플레이트위에서 마그네틱 바로 stirring하면서 건조하였다. 이 분말을 건조기에서 완전히 건조한 후 알루미나 유발을 이용해서 pulverizing한 후 sieving기를 이용하여 분말의 조립화를 하였다. 이 분말을 금형에 넣고 300 kg/$cm^2$의 압력으로 press하여 성형한 뒤 대기중에서 소결하였다 소결을 위한 승온 온도는 $10^{\circ}C$/min이었고 소결은 $1,450^{\circ}C$에서 6 h 동안 하였다. IGZO target의 조성 비율은 1:1:12 (mol%)를 사용하였으며, 첨가한 Metal은 Boron (B), Germanium (Ge), Barium (Ba)을 사용하여 타겟을 제작하였다. M-IGZO 박막은RF magnetron Sputter를 이용하여 증착하였으며, 앞선 실험에서 제작한 타겟을 사용하여 M-IGZO박막을 투명전극으로 사용하기 위한 각각의 특성을 파악하였다. 모든 박막은 상온에서 증착을 하였으며, 증착된 박막두께를 측정하기 위해 ${\alpha}$-step IQ를 사용하였고, 광학적 특성을 분석하기 위해 UV-Visible spectrophotometer 로 투과율을 측정하였다. 그리고 전기적 특성을 측정하기 위해 Hall effect measurement 및 4-probe를 사용하였으며, 결정성 분석을 위하여 XRD를 이용하여 분석하였다. 표1은 M-IGZO타겟을 사용하여 증착시간에 따른 면저항 특성을 나타내었다. Ge, B, Ba이 첨가된 IGZO 박막은 증착시간이 증가할수록 면저항이 낮아짐을 알 수 있었다. 또한, Ge이 첨가된 IGZO 박막이 다른 금속이 첨가된 IGZO 박막의 면저항보다 현저히 낮음을 알 수 있었다. Fig. 1(a), (b), (c)는 각 타겟을 동일한 조건으로 증착을 하여 광학적특성을 나타내는 그래프이다. GZO 박막의 광학적 특성을 보면 가시광 영역에서 평균 투과율은 모두 80% 이상으로 우수한 광투과 특성을 보여 투명전자소자로 사용가능하다. 특히, 자외선 영역을 모두 차단하는 UV cut 능력이 우수함을 알 수 있었다. 따라서, 금속이 첨가된 IGZO 박막을 태양전지용 투명전극으로 사용할 경우, 자외선에 의하여 수명이 단축되는 현상을 줄여줄 수 있음을 기대할 수 있으며 내구성 향상에 크게 기여할 것으로 보인다. Fig. 2는 Ge=0, 0.5, 5%인 IGZO 투명전극을 총 40회 반복하여 증착을 실시한 후 각각의 면저항을 측정한 결과이다. 실험결과에 따르면 Ge가 0%, 5%인 IGZO 투명전극은 증착을 거듭할수록 면저항이 증가하는 결과를 나타내었으며, 0.5%인 IGZO 투명전극은 점차 안정화되어가는 결과를 나타내었다. 따라서 안정화 되었을 때 평균 면저항은 26ohm/sq.로 나타났으며, 광투과율은 Fig. 3과 같이 가시광영역에서 평균 80%이상의 결과를 보였으며, 550 nm에서는 86.36%의 우수한 특성을 나타내었다. 본 연구에서는 Metal이 첨가된 In-Ga-Zn-O기반의 3성분계 투명도전성 소재 target을 제작하여 RF magnetron sputter로 박막을 형성한 후 특성을 비교하였다. M-IGZO target 중 Ge (0.5%)을 첨가한 IGZO 타겟을 사용한 투명전극이 가장 우수한 특성을 보였으며, 제작된 M-target의 In 비율이 30% 정도로 기존의 ITO (90%) 대비하여 투명전극 제작 단가를 절감할 수 있다.

• 한국진공학회지
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• 제21권5호
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• pp.273-278
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• 2012

현재 Hf (Hafnium)을 기반으로한 게이트 유전체의 연구는 여러 분야에서 다양하게 진행되어져 왔다. 이는 기존의 $SiO_2$보다 유전상수 값이 크고, 또한 계속되는 scaling-down 공정에서도 양자역학적인 터널링을 차단하는 특성이 뛰어나기 때문이다. MOSFET 구조에서 유전체 박막의 두께 감소로 인한 전기적 특성 저하를 보완하기 위해서 high-K 재료가 대두되었고 현재 주를 이루고 있다. 그러나 현재까지 $HfO_2$에 대한 nano-mechanical 특성 연구는 부족한 상태이므로 본 연구에서는 게이트 절연층으로 최적화하기 위하여 $HfO_2$ 박막의 nano-mechanical properties를 자세히 조사하였다. 시료는 rf magnetron sputter를 이용하여 Si (silicon) 기판 위에 Hafnium target으로 산소유량(4, 8 sccm)을 달리하여 증착하였고, 이후 furnace에서 400에서 $800^{\circ}C$까지 질소분위기에서 20분간 열처리를 실시하였다. 실험결과 산소 유량을 8 sccm으로 증착한 시료가 열처리 온도가 증가할수록 누설전류 특성 성능이 우수 해졌다. Nano-indenter로 측정하고 Weibull distribution으로 정량적 계산을 한 결과, $HfO_2$ 박막의 stress는 as-deposited 시료를 기준으로 $400^{\circ}C$에서는 tensile stress로 변화되었다. 그러나 온도가 증가(600, $800^{\circ}C$)할수록 compressive stress로 변화 되었다. 특히, $400^{\circ}C$ 열처리한 시료에서 hardness 값이 (산소유량 4 sccm : 5.35 GPa, 8 sccm : 5.54 GPa) 가장 감소되었다. 반면에 $800^{\circ}C$ 열처리한 시료에서는(산소유량 4 sccm : 8.09 GPa, 8 sccm : 8.17 GPa) 크게 증가된 것을 확인하였다. 이를 통해 온도에 따른 $HfO_2$ 박막의 stress 변화를 해석하였다.

• 한국진공학회지
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• 제21권6호
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• pp.333-341
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• 2012

본 연구는 RF 마그네트론 스퍼터링법을 이용하여 산소유량 변화에 따라 증착된 ITO 박막 구조적, 전기적, 광학적 특성을 분석하였다. ITO (Indium Tin Oxide) 박막은 $1.0{\times}10^{-3}$ Torr의 공정 압력과 2 kW 및 13.56 MHz의 RF 전력, 1,000 sccm의 Ar 가스 조건하에 0~12 sccm의 $O_2$ 가스 유량을 변경하면서 증착하였다. 광투과율 측정은 적분구를 이용하였으며, 측정 파장 범위는 300~1,100 nm이다. 4-point probe를 이용하여 면저항을 측정하였으며, Hall Measurement System을 이용하여 비저항, 캐리어 농도 및 전자이동도를 측정하였다. Scanning electron microscope 장비를 이용하여 ITO 박막 표면을 분석하였고, 박막의 거칠기는 Atomic force microscope을 이용하여 측정하였다. ${\gamma}$-Focused ion beam system을 이용하여 ITO 박막의 이차전자방출계수를 측정하였으며, 이차전자방출계수 값으로 Auger neutralization mechanism 분석법을 이용해 ITO 박막의 일함수를 결정하였다. 3 sccm의 산소 유량에서 증착된 ITO 박막의 비저항은 약 $2.4{\times}10^{-4}{\Omega}{\cdot}cm$로 가장 좋았으며, 광학적 특성 또한 84.93% (Weighted average)로 가장 좋은 것을 확인할 수 있었다. 이 조건에서 이차전자방출 계수가 가장 높았고 일함수는 가장 낮은 경향의 일치함을 확인하였다.

• 한국진공학회:학술대회논문집
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• 한국진공학회 2012년도 제42회 동계 정기 학술대회 초록집
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• pp.100-101
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• 2012

The plasma damage free and room temperature processedthin film deposition technology is essential for realization of various next generation organic microelectronic devices such as flexible AMOLED display, flexible OLED lighting, and organic photovoltaic cells because characteristics of fragile organic materials in the plasma process and low glass transition temperatures (Tg) of polymer substrate. In case of directly deposition of metal oxide thin films (including transparent conductive oxide (TCO) and amorphous oxide semiconductor (AOS)) on the organic layers, plasma damages against to the organic materials is fatal. This damage is believed to be originated mainly from high energy energetic particles during the sputtering process such as negative oxygen ions, reflected neutrals by reflection of plasma background gas at the target surface, sputtered atoms, bulk plasma ions, and secondary electrons. To solve this problem, we developed the NBAS (Neutral Beam Assisted Sputtering) process as a plasma damage free and room temperature processed sputtering technology. As a result, electro-optical properties of NBAS processed ITO thin film showed resistivity of $4.0{\times}10^{-4}{\Omega}{\cdot}m$ and high transmittance (>90% at 550 nm) with nano- crystalline structure at room temperature process. Furthermore, in the experiment result of directly deposition of TCO top anode on the inverted structure OLED cell, it is verified that NBAS TCO deposition process does not damages to the underlying organic layers. In case of deposition of transparent conductive oxide (TCO) thin film on the plastic polymer substrate, the room temperature processed sputtering coating of high quality TCO thin film is required. During the sputtering process with higher density plasma, the energetic particles contribute self supplying of activation & crystallization energy without any additional heating and post-annealing and forminga high quality TCO thin film. However, negative oxygen ions which generated from sputteringtarget surface by electron attachment are accelerated to high energy by induced cathode self-bias. Thus the high energy negative oxygen ions can lead to critical physical bombardment damages to forming oxide thin film and this effect does not recover in room temperature process without post thermal annealing. To salve the inherent limitation of plasma sputtering, we have been developed the Magnetic Field Shielded Sputtering (MFSS) process as the high quality oxide thin film deposition process at room temperature. The MFSS process is effectively eliminate or suppress the negative oxygen ions bombardment damage by the plasma limiter which composed permanent magnet array. As a result, electro-optical properties of MFSS processed ITO thin film (resistivity $3.9{\times}10^{-4}{\Omega}{\cdot}cm$, transmittance 95% at 550 nm) have approachedthose of a high temperature DC magnetron sputtering (DMS) ITO thin film were. Also, AOS (a-IGZO) TFTs fabricated by MFSS process without higher temperature post annealing showed very comparable electrical performance with those by DMS process with $400^{\circ}C$ post annealing. They are important to note that the bombardment of a negative oxygen ion which is accelerated by dc self-bias during rf sputtering could degrade the electrical performance of ITO electrodes and a-IGZO TFTs. Finally, we found that reduction of damage from the high energy negative oxygen ions bombardment drives improvement of crystalline structure in the ITO thin film and suppression of the sub-gab states in a-IGZO semiconductor thin film. For realization of organic flexible electronic devices based on plastic substrates, gas barrier coatings are required to prevent the permeation of water and oxygen because organic materials are highly susceptible to water and oxygen. In particular, high efficiency flexible AMOLEDs needs an extremely low water vapor transition rate (WVTR) of $1{\times}10^{-6}gm^{-2}day^{-1}$. The key factor in high quality inorganic gas barrier formation for achieving the very low WVTR required (under ${\sim}10^{-6}gm^{-2}day^{-1}$) is the suppression of nano-sized defect sites and gas diffusion pathways among the grain boundaries. For formation of high quality single inorganic gas barrier layer, we developed high density nano-structured Al2O3 single gas barrier layer usinga NBAS process. The NBAS process can continuously change crystalline structures from an amorphous phase to a nano- crystalline phase with various grain sizes in a single inorganic thin film. As a result, the water vapor transmission rates (WVTR) of the NBAS processed $Al_2O_3$ gas barrier film have improved order of magnitude compared with that of conventional $Al_2O_3$ layers made by the RF magnetron sputteringprocess under the same sputtering conditions; the WVTR of the NBAS processed $Al_2O_3$ gas barrier film was about $5{\times}10^{-6}g/m^2/day$ by just single layer.