졸-겔법에 의한 (Pb,La)TiO3 박막 제조 및 특성

임동규, 김종성, 신영화*, 윤영수**

경원대학교 화학공학과, 경원대학교 전기전자공학과*,

한국과학기술연구원 박막기술연구센타**

(Pb,La)TiO3 Thin Film Fabrication and Characteristic by Sol-gel Method

Dongkyu Lim, Jongsung Kim, Younghwa Shin*, YoungSoo Yoon**

Department of Chemical Engineering, Kyungwon University,

Department of Electrical and Electronic Engineering, Kyungwon University*

Korea Instituted of Science and Technology, Thin Film Technology Research Center**

서론

최근 적외선 감지소자에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다. 적외선 감지소자는 가시광선 밖의 적외선을 이용하기 때문에 야간에 물체를 인식할 수 있어 군사, 의료, 산업 등의 분야에서 이용되고 있으며, 화상시스템 등 그 응용분야가 계속 확대되고 있는 추세이다. PLT 박막은 초전특성을 갖는 대표적인 강유전체로1),2) 메모리 소자, 센서 등에 응용되고 있다. 적외선이 강유전체의 표면에 도달할 때 표면에서의 분역구조가 변하는데 이를 이용하면 적외선을 감지하는 센서로 응용 가능하다. 본 연구에서는 적외선 감지막으로 사용될 수 있는 PLT 박막을 sol-gel 법으로 제조하여 박막 특성을 고찰하였다. Sol-gel 법은 강유전체 합성시의 복잡한 조성비 조절이 용이하며, 고가의 장비가 필요하지 않고, 대면적의 박막을 짧은 시간에 쉽게 얻을 수 있는 장점을 지니고 있다3)-6). 따라서 sol-gel 법에 의해 페로브스카이트 구조의 PLT 초전 박막을 제조하고 이의 열적 거동 및 광학특성과 Pt/PLT/Pt/SiO2/Si의 커패시터 구조상에서의 P-E 이력특성을 연구 고찰하였다.

실험

본 실험에서의 PLT 박막의 주원료로서 Lead acetate trihydrate(SHINYO), Lanthanum acetate hydrate(Aldrich), Titanium isopropoxide(KINTO)를 사용하였으며, 용매로서는 2-methoxyethanol(JUNSEI)을 사용하였다. Fig.1은 PLT sol 용액의 제조 및 박막의 제조 과정을 나타내고 있다. 먼저 lead acetate trihydrate와 lanthanum acetate hydrate를 각각 용매인 2-methoxyethanol에 양론비에 맞추어 혼합한 후, distillation 및 reflux 과정을 거쳐 lead 및 lanthanum 기본용액을 제조하였다. 제조된 lanthanum 기본용액에 titanium iso-propoxide를 첨가하여 distillation과 reflux 과정을 거쳐 La-Ti 용액을 제조하였고, 여기에 lead 기본용액을 첨가하여 PLT sol 용액을 제조하였다. 제조된 용액은 0.45□의 시린지 필터를 이용하여 여과 후 사용하였다. 또한 여분의 용액을 겔화시킨 후 TGA(Thermogravimetric Analyzer; TA Instrument)를 사용하여 PLT 겔의 열적 거동을 관찰하였다. 광투과 특성 실험에는 투명한 quartz glass를 기판으로 사용하였고, P-E 이력 특성 실험에는 Pt 두께가 1500Å이고, SiO2 막의 두께가 3000Å으로 되어있는 Pt/SiO2/Si(100) 구조를 갖는 기판을 사용하였다. 제조된 sol 용액을 500rpm에서 2초간 pre-spin 한 후 4000rpm에서 10초간 spin coating하고, 건조과정과 열처리 과정(650℃에서 10분)후 재코팅을 수차례 반복하였다. 제조된 시편은 RT66-A (Ferroelectric Test System V2.1, Radiant사)를 사용하여 P-E 이력 특성을 측정하였으며, UV-Vis Spectrometer (HP-8453, HP사)를 사용하여 광투과 특성을 측정하였다.

Fig. 1. Flow chart for PLT sol solution and thin film fabrication

결과 및 고찰

Fig.2는 PLT gel의 TGA 곡선을 보여준다. 그림에서와 같이 약 300 ℃까지 완만한 질량 감소를 보이다 320 ℃부터 450℃사이에서 급격한 감소 후 일정 질량을 (약 94%) 유지한다. 따라서 100 ℃와 400℃의 건조 과정에서 잔류 유기물을 제거하였고  페로브스카이트 구조의 형성을 위해 650℃에서 열처리를 실시하였다.

Fig. 2. TGA curve of PLT gel

Fig.3은 PLT 박막의 P-E 이력특성을 보여준다. Pt/SiO2/Si(100) 기판에 PLT 박막을 10회 코팅, 650℃에서 열처리하였고, 상부전극으로 Pt를 사용하여 직경 300□인 전극을 DC sputter로 진공증착 후, RT66-A를 사용하여 P-E 이력곡선을 측정하였다. 두 그래프를 비교해 보면, La 치환농도가 9%일 때(b)보다 5%일 때(a) 더욱 큰 잔류 분극 값을 나타내는 것을 알 수 있다. La 치환 농도는 박막의 초전특성과 강유전 특성을 동시에 고려하여 결정하여야 할 것이다.

(a) PLT(5)	(b) PLT(9)

Fig. 3. Hysteresis roops for PLT thin film

Fig.3은 fused silica에 코팅되어진 PLT 박막의 광투과도 곡선을 보여주고 있다. PLT sol 용액을 fused silica에 코팅, 열처리하여 PLT 박막을 제조한 후, UV-Vis spectrometer를 사용하여 광투과도를 측정한 것이다. 본 연구에서 제조된 PLT 박막은 궁극적으로 적외선 센서의 감지막으로 사용되어야 하므로 적외선 영역에서의 높은 감도와 동시에 높은 광투과도를 갖는 것이 중요하다. 본 실험에서 제조된 PLT 박막은 400-700□의 가시광 영역에서는 약 35-60%의 광투과도를 보이지만 IR 영역으로 갈수록 60% 이상의 광투과도를 보이고 있어 광투과도를 좀더 개선해야 하는 문제점을 안고 있다.

Fig. 4. Optical transmittance of PLT thin film on fused silica

결론

Sol-gel 법을 이용하여 적외선 센서의 감지막으로 사용되는 PLT 박막을 제조하였다. 제조된 박막은 잔류분극이 높은 강유전 특성을 보이나 광투과도의 개선이 요구된다.

감사

본 연구는 신소재 응용연구센터 (KRRC)의 지원을 받아 수행되었으며, 이에 감사드린다.

참고문헌

1. S. K. Dey and R. Zuleeg, Ferroelectrics, 112, 309-319 (1990)

2. V. K. Seth and W. A. Schulze, Ferroelectrics,112, 283-307 (1990)

3. L.M.Sheppard, □Advances in Processing of Ferroelectrics Thin Films□, Ceramic Bulletin, Vol.71, No.1, pp.85∼95, 1992

4. C.J.Brinker, et al., □Review of Sol-Gel Thin Film Formation□, J. Non-Cryst. Solids. Vol.147-148, pp.424∼436, 1992

5. G.H.Haertling, □PLZT Thin Films Prepared from Acetate Precursor□, Ferroelectrics, Vol.116, pp.51∼63, 1991

6. N.J.Phillips and S.J.Milne, □Sol-Gel deried lead titanate films□, J. Non-Cryst. Solids. Vol.147, pp.251∼254, 1989