ITO (indium tin oxide) is one of the most widely used TCO (transparent conducting oxide) because of low resistivity and high transmittance.
To decrease the amount of ITO usage, silver and purified SWNT were added to the ITO in this study. However, the chemical reaction between $AgNO_3$ and Cl ion in $InCl_3$ and $SnCl_2$ prohibits to use $AgNO_3$ are an additive. Non-uniform dispersion of SWNT in the ITO precursor solution is also another difficulty. To solve these problems, dual spray deposition technique is proposed.
The resistivity of thin film depends on the substrate temperature and concentration of Ag and SWNT. This is because the Ag and SWNT additive and temperature alter the grain size and density of thin film. ITO-Ag thin film deposited at the substrate temperature of 400℃ with the silver concentration of 9.1 at.% had the lowest resistivity of 2.4×$10^{-4}$Ω·cm. Furthermore, the lowest resistivity of 2.6×$10^{-4}$Ω·cm is observed when the ITO-SWNT thin film was prepared at 400℃ with 0.72 wt.%. The transmittance in the visible wavelength region did not have remarkable change when the concentration of Ag and SWNT are increased. The transmittance depended on the film thickness more than the concentration of additives.
ITO (indium tin oxide)는 투명전극으로 가장 널리 사용되는 물질로 우수한 전기적 전도성과 가시광선 영역에서 높은 투과율을 가진다. 이러한 전기적, 광학적 특징 때문에 ITO는 평면 디스플레이, 태양 전지, low-e 유리, 제트기 유리의 서리 제거용 투명 발열체 등에 널리 사용되고 있다. 그러나 평면 디스플레이의 크기가 증가하고 더 발달된 장치에 대한 요구가 증가하면서 가시광선 영역에서의 투과율의 손실을 최소화하고 더 낮은 전기적 저항을 갖는 투명전극에 대한 개발이 요구되고 있다. 본 연구에서는 ITO의 비저항을 낮추기 위해 Ag와 정제된 SWNT (single walled carbon nanotube)를 첨가하여 ITO-Ag 박막과 ITO-SWNT 박막을 제조하였다.
ITO 박막은 CVD, magnetron sputtering, spray pyrolysis 등을 통해 만들어져 왔으며 본 연구에서는 spray deposition of aerosol droplets을 이용하여 박막을 제조하였다. 분무열분해법은 대기압에서 공정이 이루어져 CVD나 sputtering와 비교하였을 때 간단하고 값이 싸다는 장점이 있다. 또한 전구체 용액의 농도와 조성을 변화시켜 비교적 쉽게 박막의 조성을 조절할 수 있다. 이러한 장점 때문에 분무열분해법은 박막의 제조에 널리 사용되고 있으며, 산업용으로 대면적화 시키기에도 적합하다.
분무열분해법을 위한 전구체 물질은 증류수나 알코올에 잘 용해되어야 하고, 함께 사용되는 다른 전구체 물질과 화학적 반응이 일어나지 않아야 한다. 그리고 전구체 물질이 한 용액에서 서로 잘 섞여야 한다. 그러나 본 연구에 사용된 Ag의 전구체 물질인 AgNO3는 ITO의 전구체로 사용된 $InCl_3$ 와 $SnCl_2$ 와 화학 반응을 일으켜 AgCl 침전이 생긴다. 그리고 ITO에 첨가된 SWNT는 서로 응집하려는 성질이 강해 ITO 전구체 용액에 다른 첨가물 없이 잘 분산시키기 힘들다. 이는 ITO-Ag, ITO-SWNT 박막을 하나의 전구체 용액으로 만들 수 없다는 것을 의미한다. 그러므로 본 연구에서는 두 개의 액적 발생 장치를 가지는 dual-spray deposition of aerosol droplets 방법을 이용하여 박막을 제조하였다.
운반기체의 유량을 최적화하기 위해 350℃에서 운반기체의 유량을 변화시켜 ITO 박막을 제조한 결과, 기체의 유량이 3L/min일 때 박막의 비저항이 최소값을 가졌고 550nm 파장에서 높은 투과도를 보였다. 유량에 따른 결정성의 변화는 거의 없었기 때문에 ITO 액적을 운반하는 운반기체의 유량을 3L/min으로 고정하였다.
기판의 온도와 Ag의 농도를 변화시켜 ITO-Ag 박막을 제조한 결과, 기판의 온도가 350℃에서 400℃로 증가할 때 비저항이 감소하였으나 450℃에서는 350℃보다 높은 비저항 값을 가졌다. 350℃에서는 Ag의 농도가 증가할수록 비저항이 감소하였고 400℃와 450℃에서는 Ag 농도가 증가할수록 비저항이 감소하였다가 일정 농도 이상이 되면 다시 증가하였으며 400℃, 9.1 at.% 농도의 Ag가 첨가되었을 때 가장 낮은 값인 2.4×$10^{-4}$Ω·cm 를 가졌다. 이러한 비저항의 변화는 Ag 농도와 기판의 온도에 따라 박막의 입자 크기와 밀도가 변하였기 때문이다. 제조된 ITO-Ag 박막은 Ag의 첨가로 가시광선 영역에서 투과도가 약간 감소하였으나 대부분 80%이상의 높은 투과도를 가졌다. 그리고 XRD 분석 결과, Ag peak는 관찰되지 않고 왼쪽으로 약간 shift된 $In_2O_3$ peak를 나타내었으며, 온도와 Ag 첨가 농도가 증가할수록 (400) plane에서 (222) plane으로 결정이 성장하였다.
정제된 SWNT를 첨가한 ITO-SWNT 박막도 ITO-Ag 박막과 비슷한 결과를 나타내었다. 박막의 비저항은 기판의 온도와 SWNT 농도에 의해 변하였고, 0.72 wt.%의 SWNT를 첨가하여 400℃에서 박막을 제조하였을 때, 2.7×$10^{-4}$Ω·cm 의 최소 비저항값을 가졌다. SEM 사진을 통해 기판의 온도와 첨가된 SWNT의 농도가 증가할수록 박막의 밀도와 입자크기가 증가함을 알 수 있었다. 그리고 박막의 가시광선 영역에서의 투과도는 SWNT 농도보다 박막의 두께에 의해 큰 영향을 받았다.
