나노구조 제어에 의한 고기능성 F-doped SnO₂ 막의 제조

Abstract

FTO(F-doped Tin oxide)는 높은 광학적 투과도와 전기전도도를 나타내며 내화학성과 고온 특성이 우수하여 투명전도성산화막 (TCO: Transparent Conductive Oxide) 재료로 사용되어지고 있다. FTO는 산화주석에 불소를 도핑한 막으로서 온도 증가에 따른 저항치의 증가가 작으며 사용온도는 기판유리의 연화점에 의존한다. 본 연구에서는 고가의 공정장비가 요구되는 진공장치를 이용한 저압 CVD나, 플라즈마 CVD등의 방법에 비해 상대적으로 경제적이며, 대 면적에 균일하게 코팅하는 것이 가능한 졸-겔 법을 사용하였고, Spray Pyrolysis 장비를 고안하여 FTO 박막을 제조하였다. TCO의 전도도는 코팅막 두께와 도핑 정도에 의존하며, 도핑은 금속원자의 치환, 산소원자의 다른 원자 치환에 영향을 받게 된다. Na₂O나 K₂O 같은 알칼리 산화물이 함유된 유리 기판은 알카리 이온의 표면확산으로 인하여 FTO막을 손상시키고, 자유전자의 농도를 줄여 전기전도도를 저하시킨다. 이를 방지하기 위해 Silica 보호막을 우선 1차로 기판유리 표면에 코팅 하거나 조성 중에 알카리가 전혀 없고 Al₂O₃가 다량 첨가된 산화알루미늄붕규산유리(Alumino borosilicate)기판을 사용하였다. 또한 박막 증착시 분무하는 액적이 기판에 도달하기 전에 미세 입자로 날아가는 것을 방지하기 위해 용액안정화제로서 에틸렌글리콜을 첨가하여 농도에 따른 특성을 고찰 하였다. 전도도는 막 두께와 도핑양에 의존 하므로 F의 농도변화를 시도 하였으며, 최종적으로 최적의 농도조건에서 막 두께를 변화시켜 전기적, 광학적 특성변화와 함께 표면과 결정구조를 관찰함으로써 최적 성장 조건의 도출을 시도하였다.; F-doped tin oxide (FTO) film shows a high electrical conductivity with a good visible light transmission behavior, and thus is used widely for solar cells, spectrally selective windows, and liquid crystal display. Recently, studies on tin oxide films of transparent conducting oxide (TCO) semiconductors have attracted the attentions of many researchers because of their wide range of applications in science and technology. These materials are very efficient in reflecting broadband infrared heat radiation in a manner similar to highly conducting metal-like materials and in transmitting the light in the visible region as if they are insulators. In this research, F-doped tin oxide (FTO) coating solution was synthesized by sol-gel process using tin(Ⅳ) chloride pentahydrate, ammonium fluorine, ethylene glycol, ethanol and distilled water. For preapration of FTO thin film, the coating solution was coated on alumino borosilicate glass substrate using a sol-gel spray coating method. According to variation of amount of dopant F and additive of ethylene glycol, various properties of microstructure, electricity and optical properties of F-doped tin oxide films were investigated. Transparent conductive films of FTO were successfully deposited on a alumino borosilicate glass by sol-gel spray coating method. FTO films with 450nm in thickness showed the best electrical and optical properties: a high optical transmittance of 80% in the visible range, a low electric resistivity of 3.6 × 10^(-4)Ωcm, Hall mobility of 4.5 ㎠/Vs, and carrier concentration of 34.5 × 10^(20)cm^(-3).