Effect of substrate and processing parameter on the thermochromic properties of VO2 thin film for smart window application

Abstract

기판과 공정변수가 이산화바나듐(VO2) 박막에 미치는 영향을 알아보기 위하여, VO2 박막을 pulsed laser deposition법과 radio frequency magnetron sputtering법에 의하여 다양한 단결정과 완충층이 적용된 유리 기판 위에 증착하였다. 먼저, 격자 불일치가 VO2 박막의 상전이 온도에 미치는 영향을 알아보기 위하여, VO2 박막을 c-cut sapphire와 MgO(111) 단결정 기판위에 pulsed laser deposition법을 사용하여 증착하였다. 모든 VO2 박막은 (002)면과 평행하게 heteroepitaxial 한 성장을 보였다. Sapphire와 MgO에 증착된 VO2 박막은 동일한 두께, 배향성, 그리고 증착조건에서 제조되었음에도 불구하고, 각각 다른 상전이 온도를 보였다. 이러한 결과는 박막과 기판간의 격자 불일치를 고려하는 것이 VO2 박막의 상전이 온도를 조절하는 방법 중 하나임을 제시하는 것으로 볼 수 있다. 두번째로, 알칼리 이온의 확산을 방지하는 것이 VO2 박막의 상 형성에어떠한 영향을 미치는 지 알아보기 위하여, 질화규소 박막이 증착된 soda lime glass위에 VO2 박막을 증착하였다. 30nm 이상의 질화규소 박막이 확산 방지층으로 적용된 soda lime glass기판을 사용하였을 경우, XRD와 XPS 분석을 통하여 알칼리 이온의 확산이 성공적으로 방지되었고 이에 따라 VO2 박막의 성공적인 증착에 기여하였음을 알 수 있었다. 상온에서부터 80oC 까지 온도를 변화시키며 2500nm 파장의 적외선 투과도 변화 폭이 크게 증가하였고, hysteresis width 역시 6 oC 정도 줄어들었다. 이러한 결과는 확산 방지층을 적용하는 것이 VO2 박막의 열변색 특성을 개선하여 에너지 절약형 스마트 코팅에 적용하기에 적합하도록 기여하고, 질화규소 박막이 확산방지층으로 적합한 재료임을 보여준다. 세번째로, ZnO, TiO2, SnO2, CeO2 박막을 완충층으로 적용한 soda lime glass위에 VO2 박막을 증착하여 산화물 완충층이 VO2 박막의 상형성과 열변색 특성 변화에 미치는 영향을 알아보았다. 50nm이상의 완충층은 VO2박막의 상형성에 영향을 미치는 것이 XRD분석을 통하여 확인되었다. ZnO, TiO2, SnO2의 경우 열변색을 보이는 VO2(M) 상을 형성하는데 크게 기여하였지만, CeO2의 경우에는 열변색을 보이지 않는 VO2(B) 형성을 도운 것으로 확인되었다. ZnO, TiO2, SnO2완충층 적용 시, VO2박막의 열변색 특성은 우수하였으며, 특히, ZnO의 경우 높은 결정성과 함께 가장 우수한 열변색 특성을 가졌다. 이러한 결과는 VO2박막을 soda lime glass위에 증착함에 있어서, 완충층의 구조적 유사성이 VO2박막 형성에 기여하고, 결정성이 좋은 완충층일수록 VO2 박막의 결정성과 열변색 특성을 크게 향상시킨다는 것을 의미한다. 마지막으로, 공정변수가 VO2 박막의 열변색 특성에 미치는 영향을 알아보기 위하여, 증착 파워를 달리하여 VO2 박막을 증착하였다. VO2 박막의 결정립 크기는 XRD측정 및 Scherrer의 식을 활용한 계산과 TEM 분석을 통하여 측정되었다. 증착파워가 증가함에 따라 VO2박막의 결정립 크기는 감소하였고, hysteresis width는 결정립 크기에 비례하여 변화하였다. 이러한 결과는 RF sputtering으로 VO2 박막을 증착할 경우, 증착파워를 조절함에 따라 VO2박막의 hysteresis width를 효과적으로 조절할 수 있음을 의미한다.

Vanadium dioxide (VO2) thin films were deposited by pulsed laser deposition method and radio frequency magnetron sputtering on various single crystal or buffered soda lime glass substrates in order to investigate the effect of the substrate and the processing parameter on the thermochromic properties of VO2 thin film. First, VO2 thin films were deposited on c-cut sapphire and MgO (111) substrate using pulsed laser deposition method in order to investigate the effect of lattice misfit between the thin film and the substrate on the transition temperature of VO2 thin film. All vanadium dioxide thin films showed heteroepitaxial growth with (002) preferred orientation. VO2/c-sapphire and VO2/MgO(111) had different transition temperatures, regardless of the thickness, orientation, and deposition conditions of the thin film. These results suggest that considering lattice mismatch between thin film and substrate is another promising option for controlling transition temperature of VO2 thin films. Second, VO2 thin films were deposited on soda lime glass substrates with silicon nitride sodium-diffusion barrier layer as diffusion barrier, in order to investigate the effect of sodium ion diffusion on the formation of VO2. SiNx layers with thicknesses over 30 nm were found to successfully prevent sodium ion diffusion in VO2 thin film and also contribute to the formation of VO2 thin film, which was confirmed by XRD spectra and XPS measurements. The change of infrared transmittance at 2500 nm wavelength with temperature change from room temperature to 80oC was increased significantly, and the optical hysteresis width of the sample decreased by almost 6K as well. The results suggest that applying diffusion barrier can improve the thermochromic properties of the VO2 films for energy-saving smart coatings, and silicon nitride can be one of the effective materials to prevent sodium ion diffusion. Third, VO2 thin films were deposited on soda lime glass substrates with ZnO, TiO2, SnO2 and CeO2 thin films applied as buffer layers between the VO2 films and the substrates in order to investigate the effect of buffer layer on the formation and the thermochromic properties of VO2 film. Buffer layers with thicknesses over 50 nm were found to affect the formation of VO2 film, which was confirmed by XRD spectra. By using ZnO, TiO2 and SnO2 buffer layers, monoclinic VO2 (VO2(M)) film was successfully fabricated on soda lime glass at 370oC. On the contrary, films of VO2 (B) which is known to have no phase transition near room temperature was formed rather than VO2 (M) when the film was deposited on CeO2 buffer layer at the same film deposition temperature. The excellent thermochromic properties of the films deposited on ZnO, TiO2 and SnO2 buffer layers were confirmed from the temperature dependence of electrical resistivity from room temperature to 80oC. Especially, due to the tendency of ZnO thin film to grow with high degree of preferred orientation on soda lime glass at low temperature, the VO2 film deposited on ZnO buffer layer exhibits the best thermochromic properties compared to those on other buffer layer materials used in this study. These results suggest that deposition of VO2 films on soda lime glass at low temperature with excellent thermochromic properties can be achieved by considering the buffer layer material having structural similarity with VO2. Moreover, the degree of crystallization of buffer layer is also related with that of VO2 film, and thus ZnO can be one of the most effective buffer layer materials. Finally, the VO2 films were deposited on fused silica with different sputtering power of 200W, 300W, and 400W. The grain size of each sample was calculated and measured using XRD, Scherrers formula, and TEM analysis. As the sputtering power increases, the grain size of VO2 film decreased. Hysteresis width can be affected by the grain size of the VO2 film. Hysteresis width tends to decrease while increasing sputtering power. The results suggest that grain size can be controlled by changing sputtering power, and can effectively control the hysteresis width of the VO2 film.