A Study on the Improvement of the Electrical Properties of Solution-processed Transparent Conducting Oxides and Metal Films after Annealing

Abstract

용액 공정은 진공 증착 공정에 비해 저가, 상온/상압 공정, 환경 친화적 공정, 유연성 소자의 응용 가능성 등의 많은 장점을 가지고 있다. 하지만, 용액 공정으로 제작된 박막이 실제 소자에 적용되기 위해서는 그 특성과 성능이 향상되어야한다는 문제를 가지고 있다. 용액 공정 이후에는 고상화 및 내부의 결함을 제거하고 특성을 제어하기 위하여 반드시 후속 처리가 필요하다. 전자 소자에서 가장 기본적이고 중요한 역할을 하는 전도성 물질을 선택하여, 용액 공정으로 제작하고 후속 열처리를 통해 특성을 향상시키고 평가하는 연구를 진행하였다. 전도성 물질 중, 전도성이 가장 우수한 금속과 투명성까지 갖춘 투명 전도성 산화물을 주제로 삼았다. 금속 나노입자의 경우, 입자를 싸고 있는 유기 리간드를 제거하고 기공이 없는 조밀한 미세구조를 형성하여 전도도를 향상시킬 수 있었다. 후속 열처리의 빠른 승온 속도를 통해 이와 같은 결과를 달성할 수 있었다. 투명 전도성 산화물의 대표적인 산화인듐-주석 (ITO) 나노입자 연구에서는, 산화물 내부의 산소 공공 농도를 향상시키고, 입자를 싸고 있는 유기 리간드를 효과적으로 제거할 수 있는 최적의 산소 분압을 열처리 과정에서 유지하여 기존의 ITO 나노입자 박막보다 뛰어난 전도도와 투과도를 같는 투명전극박막을 개발하였다. ITO 의 높은 전자 농도 때문에 근적외선 투과도가 저하되는 현상은 주석 대신 몰리브덴을 도핑함으로써 해결할 수 있었다. 또한 증착 방법을 나노입자 용액 때신 전구체 용액을 사용하는 스프레이 코팅으로 전환함으로써 전자 농도는 낮추고 이동도를 향상시켜 전도성 및 투과도를 향상시켰다. 또한 텅스텐, 지르코늄도 새로운 도핑 원소로 이용하였으며, 높은 전도도 및 투과도를 확보하였다.

Solution processing has many advantages over vacuum-assisted deposition, such as the development of printing or coating techniques that are low cost, environmentally friendly, and capable of being performed at atmospheric pressure

however, film quality and performance must be improved. After solution processing, post-treatment processes (post-annealing) are essential to solidify the films, remove the internal defects, and control the properties. Electrical conductors were chosen for study because conducting materials are fundamental and essential materials in electronic devices. Among various potential materials, research on metals and metal oxides (Transparent conducting oxides, TCOs) was conducted in this research. The conductivity of metal nanoparticle films was improved by the elimination of organic ligands capping the nanoparticles and by the formation of a dense microstructure with few pores. This result is due to the high heating rate during annealing. In tin-doped indium oxide (ITO) nanoparticle research, the representative material for TCOs, the optimization of oxygen partial pressure was appropriate for increasing the electron concentration by oxygen vacancy generation and organic ligand removal. ITO nanoparticle films showed improved conductivity and transmittance compared to conventional ITO nanoparticle films after annealing under optimized oxygen partial pressure. However, a high electron concentration in ITO degrades the transmittance in the NIR region. Doping with Mo instead of Sn was the solution to this problem. Spray coating using metal-organic decomposition solution also increased the conductivity and transmittance. W and Zr were used as new doping elements for In2O3, and high conductivity and transmittance were obtained.