KR20090101571A - 붕소가 추가도핑된 산화아연계 투명 전도막 및 그 제조방법 - Google Patents

붕소가 추가도핑된 산화아연계 투명 전도막 및 그 제조방법

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Abstract

본 발명에 따른 붕소가 추가도핑된 산화아연계 투명 전도막의 제조방법은 기판 상에 투명 전도막을 제조하는 방법으로서, 알루미늄(Al)이 도핑된 ZnO 타겟 또는 갈륨(Ga)이 도핑된 ZnO 타겟에 붕소(B)를 추가 도핑하여 투명 전도막을 생성하는 단계(S1); 및 상기 투명 전도막이 상기 기판 상에 증착되는 단계(S2)를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 붕소가 추가도핑된 산화아연계 투명 전도막과 그 제조방법은 ITO를 대체할 정도의 전기적ㆍ광학적 특성이 구현되는 효과가 있다. 특히 연질 소재의 기판에서 양호한 특성이 구현되는 효과가 있다. 나아가 박막의 구조적 안정성을 증가시키는 효과가 있다.

Description

붕소가 추가도핑된 산화아연계 투명 전도막 및 그 제조방법{BORON-DOPED Zinc OXIDE BASED TRANSPARENT CONDUCTING FILM AND MANUFACTURING METHOD OF THEREOF}
본 발명은 기판상에 형성되는 투명 전도막 및 이를 제조하는 방법에 관한 것으로서 더욱 상세하게는 B(붕소)가 도핑된 산화아연 투명 전도막에 관한 것이다.
빛에 대한 투과성을 가지는 투명 전도막은 태양전지용 투명전극이나 LCD, PDP 등의 디스필레이, 광전지, 촬상관 등의 감광소자로 사용되고 있다.
여기서 태양전지는 실리콘으로 대표되는 반도체로서, 태양전지 제조기술 개발은 주로 신뢰성 및 에너지 변환효율 향상, 저가화에 주요 포인트를 두고 기술개발을 추진하고 있다. 태양광 발전시스템의 설치비용 중 태양전지가 약 40%이상을 차지하고 있어 태양전지의 저가화는 태양광발전의 핵심기술이라고 할 수 있다. 태양광발전의 보급·활성화를 촉진하기 위해서는 저가·고효율의 새로운 태양전지 재료와 제조 공정의 개발이 필요한데, 박막 태양전지는 이러한 목적에 가장 적합한 형태로 인정되고 있다. 따라서 제작비용이 저렴하고 효율이 비교적 높으며, 안정한 박막 태양전지가 미래의 가장 유망한 태양전지로 주목받고 있다.
이에 사용되는 투명 전도막(TCO: Transparent Conducting film)의 일반적인 재료로는 주석(Sn)이 도핑된 In2O3(ITO: Indium Tin Oxide), 안티몬(Sb)이 도핑된 SnO2(ATO) 또는 플루오르(F)가 도핑된 SnO2(FTO), 알루미늄(Al)이 도핑된 ZnO(AZO) 등의 4 가지가 실험실 또는 상업용으로 사용되고 있다.
여기서 ITO의 경우, 막의 전기적, 광학적 특성이 다른 재료들보다 우수하며, 대면적 기판에 낮은 가격으로 행해지는 습식 식각이 비교적 용이하다는 장점 때문에 현재 대부분의 투명 전도막의 투명전극으로 사용되고 있다. 그러나 ITO의 경우, 인듐(In)의 재료 가격이 비싸고, 플라즈마에 대한 내화학적 안정성이 떨어지는 단점으로 인해 이를 대체할 물질에 대한 연구가 요구되고 있는 실정이다.
또한 경질(rigid) 소재의 기판 뿐 아니라 연질(flexible) 소재의 기판에도 적용가능한 물질에 대한 연구가 요구되고 있는 실정이다.
이에, SnO2 및 ZnO계 투명 전도성 박막은 ITO에 비해서 재료비가 낮아 연구개발이 활성화되고 있는데, 이들 막은 도핑되지 않은 경우에는 ITO에 비해 1∼2 order 정도의 높은 비저항을 나타낸다. 하지만 SnO2의 경우에는 Sb 또는 F를, ZnO의 경우에는 Al 등을 도핑함으로써 10-3 이하의 낮은 비저항을 나타내기도 한다.
본 발명에 따른 투명 전도막 및 그 제조방법은 다음과 같은 해결과제를 가진다.
첫째, 붕소(B)를 산화아연계 투명전도막에 추가도핑하여 인듐(In)을 대체할 정도의 전기적ㆍ광학적 특성을 개선시킨다.
둘째, 붕소(B)의 추가도핑을 이용하여 박막의 구조적 안정성을 증가시킨다.
셋째, 붕소(B) 원소의 최적의 추가 함량을 제시한다.
본 발명에 따른 붕소가 추가도핑된 산화아연계 투명 전도막 제조방법은 기판 상에 투명 전도막을 제조하는 방법으로서, 알루미늄(Al)이 도핑된 ZnO 타겟 또는 갈륨(Ga)이 도핑된 ZnO 타겟에 붕소(B)를 추가 도핑하여 투명 전도막을 생성하는 단계(S1); 및 상기 투명 전도막이 상기 기판 상에 증착되는 단계(S2)를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 투명 전도막 제조방법의 S1 단계의 경우, (알루미늄 + 붕소) 또는 (갈륨 + 붕소)는 1 내지 3 중량%가 함유되는 것이 바람직하다. 이 경우 붕소는 0.1 내지 1 중량% 인 것이 바람직하다.
본 발명에 따른 투명 전도막 제조방법의 S2 단계의 경우, 증착방법은 스퍼터링(sputtering)인 것이 바람직하다.
본 발명에 따른 붕소가 추가도핑된 산화아연계 투명 전도막은 기판; 및 상기 기판상에 형성되는 투명 전도막을 포함하며, 상기 투명 전도막은 알루미늄(Al)이 도핑된 ZnO 타겟 또는 갈륨(Ga)이 도핑된 ZnO 타겟에 붕소(B)를 추가 도핑하여 형성되는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 투명 전도막의 기판은 경질 소재 또는 연질 소재인 것이 가능하다.
본 발명에 따른 투명 전도막의 경우, 도핑되는 (알루미늄 + 붕소) 또는 (갈륨 + 붕소)는 1 내지 3 중량%가 함유되는 것이 바람직하다. 이 경우 붕소는 0.1 내지 1 중량% 인 것이 바람직하다.
본 발명에 따른 투명 전도막의 경우, 기판과 투명 전도막 사이에 적어도 하나의 다른 전극층이 적층배치되는 것도 가능하다. 이 경우 상기 다른 전극층은 금속층인 것이 바람직하고, 상기 금속층은 도전성을 갖는 투명한 산화물인 것도 가능하다.
본 발명에 따른 붕소가 추가도핑된 산화아연계 투명 전도막과 그 제조방법은 ITO를 대체할 정도의 전기적ㆍ광학적 특성이 구현되는 효과가 있다. 특히 연질 소재의 기판에서 양호한 특성이 구현되는 효과가 있다. 나아가 박막의 구조적 안정성을 증가시키는 효과가 있다.
도 1은 AZO 및 AZOB 투명 전도막의 XRD 스펙트럼을 나타내는 그래프이고,
도 2a 내지 도 2e는 AZO 및 AZOB 투명 전도막의 SEM 이미지이고,
도 3은 AZO 및 AZOB 투명 전도막의 투과율을 나타내는 그래프이고,
도 4는 붕소(B) 원소 함유량에 따른 AZOB 박막의 결정특성을 나타내는 그래프이고,
도 5a 내지 도 5d는 종래 기술 및 본 발명에 따른 투명 전도막의 여러 실시예를 나타내는 개략도이다.
* 주요 도면부호에 대한 설명 *
10 : 기판 21 : 투명전도막
22, 23 : 전극층
투명 전도막은 태양전지나 액정표시장치 등의 박막 표시장치에서 투명전극으로 사용되는데, 이러한 전극층은 광투과율이 높고 전기저항이 작으며 화학적으로 안정되어 있어야 한다.
본 발명은 아연 화합물 계 중 하나인 AZO 또는 GZO에 첨가원소로서 붕소(B)를 첨가한 박막으로서, 실리콘 기판이나 유리기판, 플라스틱 기판상에 형성시켜 구조적 안정을 통하여 화학적 안정도를 높이고 투과율을 상승시키며 전기저항을 낮추는 것을 기술적 특징으로 한다.
보다 구체적으로, 본 발명에 따른 기판상에 투명 전도막을 제조하는 방법은 알루미늄(Al)이 도핑된 ZnO 타겟 또는 갈륨(Ga)이 도핑된 ZnO 타겟에 붕소(B)를 추가 도핑하여 투명 전도막을 생성하는 단계(S1); 및 상기 투명 전도막이 상기 기판상에 증착되는 단계(S2)를 포함하는 것을 특징으로 한다.
산화 아연계 투명 전도막은 육방정계의 wurzite 결정구조로 형성이 되어 있다. 이에, 알루미늄(Al)이나 갈륨(Ga)같은 원소가 첨가되면, 첨가된 원소는 산화아연 결정에서 생성되는 공공(vacancy)에 위치하게 되어, 아연(Zn)을 대체하게 된다.
알루미늄(Al)을 예로 들면, 첨가된 알루미늄(Al)이 침입형 알루미늄(Al)으로 위치하게 되어, XRD(X-ray diffraction)로 측정하면 알루미늄(Al)에 대한 결정성은 나타나지 않고 산화아연(ZnO)에 대한 결정성만이 나타나게 된다. 이 경우 저항이 수십 메가 옴(mega ohm)이던 산화 아연과는 다르게, 낮은 저항 또는 비저항값을 나타나게 된다.
여기에 추가적으로 붕소(B)을 첨가하게 되면 정량적으로 AlZnO (AZO) 상에 있는 공공(vacancy)에 3족 원소 중 가장 작은 원소인 붕소(B)가 위치함으로써, 공공(vacancy)에 대하여 보완작용을 한다. 이러한 원리는 GZO의 경우에도 동일하게 적용된다.
이러한 보완이 주는 효과는 다음과 같다. 첫째, 전기적으로는 결정과 결정 사이를 이동하는 전자가 원소의 부재(공공)으로 인해 에너지 손실(누설전류)이 발생되고, 결정(grain)의 원소간 거리가 길어짐으로 인해 국부 전위(local field)의 감소와 같은 예상치 못한 결과가 발생되는 것을 방지한다.
둘째, 결정구조적으로 공공에 위치한 붕소(B)로 인하여 원자와 원자 사이에 생성된 전기적 인력이 증가하게 되어 더욱 강한 구조를 형성한다. 이는 제품을 생산하였을 경우, 물질들이 같은 고유특성인 노화(fatigue or aging)를 기존의 AZO 박막에 비하여 보다 장기간 방지할 수 있는 특징을 가진다.
셋째, 화학적으로 공기 중에 노출되었을 경우, 타 투명 전도막에 비해 쉽게 산화하지 않는 특징을 가진다. 이는 전기적, 구조적으로 박막이 안정되어 공기 중에 노출되어도 쉽게 산소와 결합하지 아니하기 때문이다. 또한, 태양전지 제작시에 사용되는 각종 용매에 대해서도 기존의 AZO보다 쉽게 용해되지 않는 향상된 내구성을 특징으로 가진다.
본 발명에 따른 투명 전도막 제조방법에 있어서, S1 단계의 경우, (알루미늄 + 붕소) 또는 (갈륨 + 붕소)는 1 내지 3 중량%가 함유되는 것이 바람직하다. 즉 첨가되는 3족 원소의 총합은 1 내지 3 중량%인 것이 바람직하다.
현재 알려진 AZO 또는 GZO 투명 전도막의 경우, 일반적으로 첨가되는 알루미늄(Al) 또는 갈륨(Ga) 원소의 경우, 최소함량 1 중량% 에서 최대함량 3 중량% 가 주로 사용되고 있다. 본 발명의 경우에도 비록 붕소(B)가 첨가되는 점이 상이하나, 3족 원소의 총 함량의 측면에서는 이를 따르기로 한다.
또한 본 발명의 S1 단계의 경우, 붕소(B)의 함량은 0.1 내지 1 중량% 인 것이 바람직하다.
그리고 본 발명에 따른 S2 단계의 경우, 증착방법은 스퍼터링(sputtering)인 것이 바람직하다.
도 1은 AZO 및 AZOB 투명 전도막의 XRD(X-Ray Diffraction) 스펙트럼을 나타내는 그래프이다. 기판은 연질(flexible) 소재의 일 예로서 폴리카보네이트(PC:Polycarbonate) 소재와 경질(rigid) 소재의 일 예로서 유리(glass) 소재를 사용하였다. 도 1에 도시된 바와 같이, 약 34 degree 부근에서 공극이 형성된 특성을 보이고 있다. 그런데 AZO 투명 전도막보다 AZOB 투명 전도막이 더욱 결정화가 잘 이루어 지며, 또한 경질 소재의 기판에서보다 연질 소재의 기판에서 더욱 결정화가 잘 이루어짐을 알 수 있다. 이러한 실험결과로부터, 붕소(B)의 추가는 결정화를 더욱 향상시킬 수 있음을 알 수 있다.
도 2a 내지 도 2e는 AZO 및 AZOB 투명 전도막의 SEM 이미지와 단면 이미지로서, 불순물인 붕소(B) 원소의 존재뿐 아니라 기판의 종류에 따른 영향도 보여준다. 연질 소재(PC) 상에 증착된 투명 전도막은 경질 소재(glass) 상에 증착된 투명 전도막보다 조밀함을 알 수 있다.
도 3은 AZO 및 AZOB 투명 전도막의 투과율을 나타내는 그래프이다. 투명 전도막의 평균 투과율은 가시영역(400-700nm)에서 대략 80%임을 알 수 있다.
도 4는 붕소(B) 원소 함유량에 따른 AZOB 박막의 결정특성에 관한 그래프이고, 아래 표 1은 붕소(B) 원소 첨가에 따른 AZOB 박막의 비저항 특성을 나타낸다.
결정성에 있어서 붕소(B)의 최초 함량이 0 중량%인 순수 AZO 박막에 0.2 중량% 씩 도핑농도를 증가시켜 제작한 박막에 대하여 특성을 나타낸다. 붕소(B)의 함량을 0.2 중량% 첨가하였을 때 순수한 AZO 보다 높은 결정성을 보였고 붕소(B)의 함량이 증가됨에 따라 결정성 및 전기적 특성 수치가 저하되어 양호한 상태로 되는 것을 도 5 및 표 1을 통하여 알 수 있다.
B 첨가량(wt%) 비저항 측정치 (× 10-3 Ω-cm)
1차 측정 2차 측정 3차 측정
0 0.953 0.904 0.901
0.2 0.763 0.781 0.723
0.4 0.891 0.884 0.747
0.6 1.233 1.272 1.242
0.8 3.027 3.082 3.121
1.0 4.423 4.151 4.121
본 발명에 따른 투명 전도막 제조방법에 있어서, 붕소(B)의 첨가 함량은 약 0.2 중량%에 해당될 때, 양호한 특성을 보이기 시작한다. 그리고 붕소(B)의 첨가 함량이 약 1.0 중량%에 해당될 때, 양호한 특성이 저하되기 시작함을 알 수 있다.
이에 본 발명에 따른 투명 전도막 제조방법에 있어서, S1 단계의 경우, 붕소(B)의 최소 함량은 0.1 중량%인 것이 바람직하고, 최대 함량은 1.0 중량% 인 것이 바람직하다. 본 발명의 실험예는 붕소(B)의 함량을 0.2 중량% 단위로 추가하였으나, 붕소(B)의 추가함량이 0.1 중량%인 경우에도 양호한 특성이 발현됨이 자명하므로, 본 발명에 따른 붕소(B)의 최소 함량으로서 0.1 중량%가 제시되는 것이다.
이하에서는 본 발명에 따른 투명 전도막에 관하여 설명한다. 본 발명에 따른 붕소가 추가도핑된 산화아연계 투명 전도막은, 기판(10); 및 상기 기판(10)상에 형성되는 투명 전도막(21)을 포함하며, 상기 투명 전도막은 알루미늄(Al)이 도핑된 ZnO 타겟 또는 갈륨(Ga)이 도핑된 ZnO 타겟에 붕소(B)를 추가 도핑하여 형성되는 것을 특징으로 g한다.
본 발명에 따른 투명 전도막의 기판(10)은 경질(rigid) 소재 또는 연질(flexible) 소재인 것이 가능한다.
본 발명에 따른 투명 전도막에 도핑되는 (알루미늄 + 붕소) 또는 (갈륨 + 붕소)는 1 내지 3 중량%가 함유되는 것이 바람직하다. 나아가 상기 붕소는 0.1 내지 1 중량% 인 것이 바람직하다.
도 5a는 투명 전도막의 종래 기술을 나타낸다. 기판(10)과 태양전지/발광소자(30)의 사이에 ITO 박막이 형성되어 있다.
도 5b는 본 발명에 따른 투명 전도막의 일 실시예를 나타낸다. 기판(10)과 태양전지/발광소자(30)의 사이에 AZOB 또는 GZOB 박막(21)이 형성된다.
도 5c 및 도 5d는 본 발명에 따른 투명 전도막의 다른 실시예를 나타낸다. 즉 본 발명에 따른 투명 전도막은 기판(10)과 투명 전도막(21) 사이에 적어도 하나의 다른 전극층(22,23)이 적층배치되는 것이 가능하다.
이 경우 상기 다른 전극층은 금속층인 것이 바람직하며, 상기 금속층은 도전성을 갖는 투명한 산화물인 것이 바람직하다.
본 실시예 및 본 명세서에 첨부된 도면은 본 발명에 포함되는 기술적 사상의 일부를 명확하게 나타내고 있는 것에 불과하며, 본 발명의 명세서 및 도면에 포함된 기술적 사상의 범위 내에서 당업자가 용이하게 유추할 수 있는 변형 예와 구체적인 실시예는 모두 본 발명의 권리범위에 포함되는 것은 자명하다.

Claims (11)

  1. 기판 상에 투명 전도막을 제조하는 방법으로서,
    알루미늄(Al)이 도핑된 ZnO 타겟 또는 갈륨(Ga)이 도핑된 ZnO 타겟에 붕소(B)를 추가 도핑하여 투명 전도막을 생성하는 단계(S1); 및
    상기 투명 전도막이 상기 기판 상에 증착되는 단계(S2)를 포함하는 것을 특징으로 하는
    붕소가 추가도핑된 산화아연계 투명 전도막 제조방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 S1 단계의 경우, (알루미늄 + 붕소) 또는 (갈륨 + 붕소)는 1 내지 3 중량%가 함유되는 것을 특징으로 하는
    붕소가 추가도핑된 산화아연계 투명 전도막 제조방법.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 붕소는 0.1 내지 1 중량% 인 것을 특징으로 하는
    붕소가 추가도핑된 산화아연계 투명 전도막 제조방법.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 S2 단계의 경우, 증착방법은 스퍼터링(sputtering)인 것을 특징으로 하는
    붕소가 추가도핑된 산화아연계 투명 전도막 제조방법.
  5. 기판; 및
    상기 기판상에 형성되는 투명 전도막을 포함하며,
    상기 투명 전도막은 알루미늄(Al)이 도핑된 ZnO 타겟 또는 갈륨(Ga)이 도핑된 ZnO 타겟에 붕소(B)를 추가 도핑하여 형성되는 것을 특징으로 하는
    붕소가 추가도핑된 산화아연계 투명 전도막.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 기판은 경질 소재 또는 연질 소재인 것을 특징으로 하는
    붕소가 추가도핑된 산화아연계 투명 전도막.
  7. 제5항에 있어서,
    도핑되는 (알루미늄 + 붕소) 또는 (갈륨 + 붕소)는 1 내지 3 중량%가 함유되는 것을 특징으로 하는
    붕소가 추가도핑된 산화아연계 투명 전도막.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 붕소는 0.1 내지 1 중량% 인 것을 특징으로 하는
    붕소가 추가도핑된 산화아연계 투명 전도막.
  9. 제5항에 있어서,
    상기 기판과 투명 전도막 사이에 적어도 하나의 다른 전극층이 적층배치되는 것을 특징으로 하는
    붕소가 추가도핑된 산화아연계 투명 전도막.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 다른 전극층은 금속층인 것을 특징으로 하는
    붕소가 추가도핑된 산화아연계 투명 전도막.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 금속층은 도전성을 갖는 투명한 산화물인 것을 특징으로 하는
    붕소가 추가도핑된 산화아연계 투명 전도막.
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