투명용액 상에서 자기집합막을 이용한 ITO 박막 제조

전지선, 조규진*, 문일식*

순천대학교 자연과학대학 화학과, 순천대학교 공과대학 화학공학과*

Preparation of ITO thin films through Self-Assembled Arrays from clear solution

Jisun Jun, Gyoujin Cho*, Il-Shik Moon*

Dept. of Chemistry, Sunchon National University, Chunnam, 540-742, Korea

*Dept. of Chem. Eng., Sunchon National University, Chunnam, 540-742, Korea

서론

Indium tin oxide (ITO) 박막은 투명하고 높은 전도도를 가진다고 잘 알려져 있어서, ECD(electrochronic displays)나 LCD(liquid crystal displays) 같은 장치에 주로 사용되어 왔다. 지금까지는 고온의 sintering 과정을 포함하는 고전적인 세라믹 제조방법들을 사용하였지만 이러한 방법들은 400℃ 이상의 열처리를 해주어야 막이 형성되는 반면 대부분의 플라스틱들은 300℃ 이상의 온도에서 열분해되므로 응용성이 떨어진다. 또한 주로 저온에서 행해지는 MOCVD같은 vapor deposition 방법이나, r.f. sputtering 방법들도 이용하지만 장비가 고가이고 제조 공정이 복잡할 뿐만 아니라 넓은 면적의 기판 표면을 평활하게 코팅하기 어려운 점이 있다1. 비록 저온에서 sol-gel법으로 플라스틱 기판위에 세라믹 박막을 코팅한 경우2는 발표된 바 있지만, 코팅시 발생하는 조밀성 부족, 다공성 및 균열 등의 문제점을 극복하기에는 아직 기술이 미흡한 실정이다. 이러한 문제점 때문에 최근 대두되고 있는 세라믹 박막을 제조하는 방법은 자연을 모방하는 것으로 이 방법을 Biomimetic이라 하며, 자연 상태에서 유기체가 수용액상에서 생체조직같은 기판위에 정교하고 결점 없는 세라믹을 증착시키는 방법을 응용한 것이다3. 이러한 메카니즘은 아직 이해하기 난해하지만 이 과정을 자기집합막에 적용하면 보다 광범위한 곳까지 활용가능하다.

최근에는 자기집합막 말단에 있는 작용기를 이용해, 기판 위에 세라믹을 성장시켰지만 작용기 위에서 성장하는 박막은 두께를 조절해줄 수 없기 때문에 주로 세라믹이 수직적으로 성장하여 박막으로 이용하기에는 어려움이 있었다. 이러한 단점을 보완하기 위해, 본 연구에서는 Biomimetic 방법을 확장한 것인 TFST (Thin Film via Surfactant Template) 기술을 사용하여 2차원적 주형인 자기집합막 안에서 박막을 성장시켜 균일한 두께의 ITO 박막을 제조하고자 한다. 이 방법은 다른 기술과 비교해 볼 때 생산비용이 아주 저렴하고 공정이 단순해 산업화가 용이하고, 물과 계면활성제를 주 시약으로 사용하므로 이차 오염을 극소화 할 수 있는 환경친화적인 방법이므로, 우리는 유리판, silicon wafer 및 플라스틱 표면위에 높은 전도도, 내마모성, 전자파 흡수 및 정전기 방지같은 특성을 지닌 ITO를 제조하고 더 나아가 센서나 □Smart□ 물질로 활용해 보고자 한다.

Fig. 1. Schematic illustration for the preparation of controlled ITO thin films.

실험방법

본 연구에서는 TFST 기술을 다음과 같이 적용시켰다(Fig. 1). 먼저 TPC를 사용하여 silicon wafer 표면을 소수성으로 개질시킨 후, 비이온 계면활성제인 PEG을 이용하여 자기집합된 단분자막을 형성시킨 다음 자기집합된 단분자막 안에서 ITO를 응축시켜 저온에서 세라믹 박막을 성장시켰다

자기집합막 형성  박막을 형성시킬 기판은 반도체인 silicon wafer를 사용하였고 계면활성제가 기판표면에 흡착하는 특성을 이용하여 TPC (3-(triethoxysilyl)propyl isocyanate)를 p-xylene (>99%)에 넣어 환류시키면 기판 표면이 소수성으로 개질된다. 개질된 Si wafer에 PEG (polyethylene glycol, Mw 2000)와 methylene chloride (anhydrous, 99.8%), 촉매로 stannous 2-ethyl-hexanoate를 넣고 반응시키면 자기집합막이 형성된다.

ITO 박막 형성  Table 14에서 처럼 Indium(Ⅲ) nitride (Aldrich)와 Tin(Ⅳ)

Table 1. Composition of ITO solutions

시약	molar ratio
In(NO3)3·5H2O SnCl4·5H2O C2H5OH	1 0.08 residue

chloride (Aldrich)를 각각 에탄올에 녹이고 이 두 용액을 혼합한 용기에 물과 PEG에 의해 자기집합막이 형성된 Si wafer 기판을 넣고 80℃로 고정시킨다. 일정시간이 흐른 뒤 꺼내어 증류수로 헹군 다음 건조시킨다.

특성평가  자기집합막 생성은 contact

angle, surface-reflection FT-IR과 AFM으로 확인한다. ITO 박막 제조과 그 특성 확인은 AFM, SEM, surface-reflection FT-IR, XRD와 conductivity로 규명한다.

결과 및 고찰

자기집합막에 의해 형성된 ITO 박막의 특성은 용액의 농도와 반응시간에 의존한다. 농도와 반응시간같은 변수를 알맞게 조절하기 위해 각 변수에서 나타나는 특성들을 조사하였다. 먼저 투명용액 상에서 Si wafer에 ITO가 자기집합막에 의해 코팅될 때 저항값을 측정해 보았으며 그 결과는 Table 2에 나타내었다. 이때 electrode의 간격과 길이는 5mm로 고정시켰다. Table 2에서 볼수 있듯이 개질된 기판 위에 ITO film을 코팅시킨것의 저항값이 개질되지 않은 것보다 훨씬 낮게 측정되었다. 그리고 반응시간이 증가할수록, 코팅용액의 농도가 증가할수록 저항값이 낮아짐을 볼수 있다.

반응시간에 따른 접촉각의 변화를 Table 3에 나타내었다. 이 결과는 반응시간이 증가할수록 접촉각이 감소되는 것으로 보아 친수성인 oxide기가 생성되고 있음을 확인할 수 있으며, 개질된 기판에서 형성된 ITO 박막의 접촉각이 자기집학막을 입히지 않은 ITO 박막의 접촉각보다 높게 나타나는 이유는 자기집합막에 포함되어 있는 alkyl chain 때문인 것으로 추정된다.

Fig. 2와 3은 개질되지 않은 Si wafer위에 ITO 박막을 증착시킨 것과, 개질된 Si wafer위에 ITO 박막을 증착시킨 것의 SEM image이다. 두 그림에 나타난 표면의 형태가 다름을 알 수 있으며, Fig. 2에 나타난 ITO 박막이 훨씬 더 평활하고 고르게 증착되었음을 볼 수 있다.

Table 2. Resistance of ITO films coated in the uncoated substrate &

SAMs-coated substrate

Reaction time (hrs)		0	8	24	72	100
ITO film	SAMs-uncoated	>40□	>40□	14.4□	6.9□	442□
	SAMs-coated	>40□	25□	3.1□	676□	201□

Table 3. Contact angle of ITO films coated in the uncoated substrate &

SAMs-coated substrate

Reaction time (hrs)		0	8	24	72	100
ITO film	SAMs-uncoated	40。	45。	30。	35。	20。
	SAMs-coated	80。	70。	70。	45。	25。

Fig. 3. SEM of ITO deposited silicon

wafer in the present of SAMs.

(reaction time : 72hr)

Fig. 2. SEM of ITO deposited silicon

wafer without SAMs.

(reaction time : 72hr)

감 사

본 연구는 한국과학재단 지정 순천대학교 자동차부품 및 소재연구 개발센터의 지원에 의한 것입니다.

참고문헌

1. T. Furusaki, K. Kodaira, M. Yamamoto, S. Shimada and T. Matsushite,

Mater. Res. Bull., 2, 995-998 (1986)

2. K. Tadanaga, K. Iwashita, T. Minami, N. Tohge, J. Sol-gel Sci. & Tech.,

6, 107 (1996)

3. P. Calvert, S. Mann, J. Mater. Sci., 23, 3801 (1988)

4. H. J. Jung, H. H. Lee, D. H. Lee and J. K. Lee, Journal of the Korean Ceramic

Society, 29, 48-52 (1992)