Sputtering기법을 이용한 VO2 박막의 제작 및 특성평가

Abstract

이산화 바나듐 (VO2)은 Metal-Insulator Transition (MIT) 특성을 가지는 물질로서 임계온도인 68℃ 에서 그 광학적 전기적 특성이 변화한다[1]. 임계온도 이하에서는 Insulator상태이며 적외선을 투과시키고, 임계온도 이상에서는 metal상태로 적외선을 반사 시킨다. 이러한 VO2의 특성을 이용하여 외부온도에 따라 자동으로 적외선의 투과도를 변화시켜서 건물의 냉난방 부하를 줄일 수 있는 스마트윈도우를 제작할 수 있다. 하지만 VO2박막은 높은 형성온도 및 산소분압의 미세한 조절이 가능하여야 형성이 가능하다. 본 연구에서는 RF magnetron sputtering 기법을 이용하여 비 결정질인 glass기판에 VO2박막을 형성하는데 성공 하였다. 임계온도에서의 VO2의 물성변화는 그 구조의 변화에서 온다. 임계온도 이하에서는monoclinic phase로 존재하다가 임계온도 이상에서는 tetragonal phase로 phase transition이 일어나게 된다. 결정화된 VO2 monoclinic phase를 만들기 위하여 V-metal target을 이용하여 상온에서 O2와 Ar의 혼합가스 분위기에서 sputtering 실시 후 500℃ 산소분위기 에서 열처리를 실시하였다. 산소 분압과 열처리 조건의 실험을 통하여 적외선 변환효율이 최대가 되는 조건으로 VO2박막을 형성할 수 있는 조건을 연구하였고, 적외선 변환 효율을 유지하면서 가시광 투과 효율을 향상 시키기 위하여 TiO2, SiO2, ZnO 등의 박막을 이용하여 Anti-Reflection coating 실험을 실시 하였다.[33] 그 결과 SiO2가 가시광 투과 성능 향상 및 적외선 변환 효율이 가장 우수한 결과를 얻었고, TiO2 다층박막 구조에서는 가시광 투과도가 가장 높았으나 적외선 변환 효율은 가장 떨어졌다. ZnO다층 박막의 경우에는 전체적인 적외선 변환효율은 떨어지나 TiO2 다층박막 구조보다는 높은 적외선 변환 효율을 보여주었고, VO2단일 박막 보다는 높은 가시광 투과도를 나타냈다. 다음으로는 기존의 Low-E glass 상에 VO2박막을 형성하여 Low-E glass의 취약점인 Near Infrared (NIR) 영역에서 cut off 능력을 더욱 향상 iv 시키고 온도에 따른 적외선 차폐 및 투과 특성을 추가 함으로써 향상된 Low-E glass를 제작하였다. 마지막으로 전기 전도 특성이 우수하며, 탄성이 우수하고, 투명하여 차세대 투명 전극 물질로 유망한 graphene[13]과 hybrid하여 세계 최초로 Flexible한 PET 기판상에 VO2박막을 전사하였고 또한 온도에 따라 적외선을 차폐 혹은 투과 시키는 특성이 유지되는 것을 확인 하였다. Graphene은 VO2결정이 잘 생기도록 buffer layer역할 및 전사를 위한 transfer물질로 사용되었으며 또한 VO2박막과 결합되어 가시광 투과 향상의 결과도 얻게 되었다. 이러한 결과는 높은 형성 온도 때문에 항상 rigid한 기판 위에서만 형성 할 수 밖에 없었던 VO2박막을 flexible한 기판상에 재현하였고, 이를 이용하여 기존의 유리를 교체 하지 않고 현재 glass tint형식으로 바로 붙여서 사용할 수 있는 방법을 제시 하였다. 이는 저렴한 비용으로 기존의 glass를 스마트 윈도우로 교체 할 수 있는 길을 열게 되었다