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정전기 스프레이와 스핀 코팅을 통한 나이오븀 도핑된 이산화 티타늄 박막 증착

Nb-doped TiO2 Thin Film via Electro-static Spray Deposition and Spin Coating

  • 라영민 (Ra, Young Min, 대학원 기계공학과 기계공학전공)

초록/요약

본 연구에서는 나이오븀이 도핑된 이산화 티타늄을 이용하여 투명 전도성 전극과 광 촉매에 적용해 보았다. 객관적인 비교와 상호 보완을 위해 동일한 레시피의 전구체를 사용하여 정전기 스프레이와 스핀 코팅 두 가지 방법으로 실험을 진행하였다. 정전기 스프레이를 이용하여 나이오븀의 도핑 농도가 7 at%일 때, 1.323×103 Ωcm의 최소 저항을 얻었고, 가시광선 영역(380~770 nm)에서 평균 72.5 %의 투과도를 얻었다. 또한, 도핑 농도가 증가할수록 표면 거칠기가 나빠지고, 투과도가 저하되며, 전기 저항은 감소한다는 것을 확인할 수 있었다. 한편, 스핀 코팅을 사용하여 적절한 전기적인 특성치는 얻지 못했으나, 가시광선 영역에서 평균 88.6 %의 비교적 높은 투과도를 얻었고, Methylene blue solution을 이용한 자외선 조사 실험에서 2시간 조사 후 모든 시편에서 광 촉매 작용을 통한 70 %이상의 유기물 분해 효과를 확인할 수 있었다. 또한, 도핑 농도의 증가에 비례하여 광 촉매 작용도 활발해진다는 것을 알 수 있었다.

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초록/요약

In this study, the Niobium doped Titanium dioxide (NTO) thin films were deposited for Transparent Conducting Oxide (TCO) and photocatalysis application. For objective comparison and mutual supplementary, experiment was progressed by two methods electro-static spray deposition (ESD) and spin coating using a same precursor recipe. In this result, minimum resistivity of 1.323×103 Ωcm was achieved for 7 at% NTO with 72.5 % transmittances in visible region (VIS) for the films deposted by ESD. The transmittance and electrical resistivity were decreased and surface roughness (Ra value) was increased when doping concentration was increased. In case of spin coating, no electrical data was appeard, but 88.6 % of a good transmittance in VIS was obtained. The photocatalytic activity of spin coated NTO films was studied using methylene blue solution as pollutant model for different time intervals under 365nm UV irradiation. The photocatalytic activity was observed to be increased for higher Nb doping.

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목차

제 1 장 서 론 ……………………………………………………………………… 1
1.1 나이오븀이 도핑된 이산화 티타늄(Nb-doped TiO2) -------------------------- 1
1.1.1 이산화 티타늄(Titanium dioxide) --------------------------------------------- 1
1.2.1 나이오븀(Niobium) --------------------------------------------------------------- 3
1.2 응용 분야(Application) --------------------------------------------------------------- 7
1.2.1 투명 전도성 전극(Transparent Conducting Oxide) ------------------------ 7
1.2.2 이산화 티타늄의 광 촉매 작용(Photocatalytic Activity) ---------------- 12
1.3 연구 동향 ------------------------------------------------------------------------------ 14
1.3.1 진공 방식 증착(Deposition of Vacuum Method) --------------------------- 14
1.3.2 비 진공 방식 증착(Deposition of Non-Vacuum Method) ----------------- 21
1.3.3 열처리 과정(Annealing Process) ---------------------------------------------- 24
1.4 정전기 스프레이 증착(Electro-static Spray Deposition) ----------------------- 25
1.4.1 정전기 스프레이의 특성 ------------------------------------------------------ 25
1.4.2 정전기 스프레이 이론 --------------------------------------------------------- 27
1.5 스핀 코팅(Spin Coating) ------------------------------------------------------------- 36
1.5.1 스핀 코팅의 특성 --------------------------------------------------------------- 36
1.5.2 스핀 코팅 이론 ------------------------------------------------------------------ 37
1.6 연구 목적 ------------------------------------------------------------------------------
42
제 2 장 실험 방법 ………………………………………………………………… 44
2.1 전구체 제작 --------------------------------------------------------------------------- 44
2.2 실험 및 측정 장비 ------------------------------------------------------------------ 46
2.2.1 정전기 스프레이(Electrostatic Spay Deposition) --------------------------- 46
2.2.2 스핀 코팅(Spin Coating) -------------------------------------------------------- 52
2.2.3 기타 측정 장치 ------------------------------------------------------------------ 54
2.3 특성 분석 ------------------------------------------------------------------------------ 58
2.3.1 표면 형상 분석 (SEM, AFM) ------------------------------------------------- 58
2.3.2 결정성 분석 (XRD) ------------------------------------------------------------- 61
2.3.3 조성 분석 (EDX) ---------------------------------------------------------------- 62
2.3.4 전기적 특성 분석 (4-Probe Station) ----------------------------------------- 63
2.3.5 광학적 특성 분석 (UV/VIS-Spectrophotometer) -------------------------- 64

제 3 장 실험 결과 및 고찰 ……………………………………………………… 66
3.1 선행 연구 ------------------------------------------------------------------------------ 66
3.1.1 개요 --------------------------------------------------------------------------------- 66
3.1.2 재료적인 조건의 최적화 ------------------------------------------------------ 68
3.1.3 열처리 조건의 최적화 --------------------------------------------------------- 71
3.1.4 정전기 스프레이 조건의 최적화 ------------------------------------------- 73
3.1.5 스핀 코팅 조건의 최적화 ---------------------------------------------------- 77
3.2 정전기 스프레이를 이용한 NTO 박막 제작 --------------------------------- 81
3.2.1 개요 --------------------------------------------------------------------------------- 81
3.2.2 박막의 결정성 (XRD) ---------------------------------------------------------- 82
3.2.3 박막의 형상 (SEM) ------------------------------------------------------------- 83
3.2.4 박막의 거칠기 (AFM) ---------------------------------------------------------- 85
3.2.5 박막의 투과도 (UV Spectrometer) ------------------------------------------- 87
3.2.6 박막의 전기적인 특성 (4-Probe Station) ----------------------------------- 88
3.3 스핀 코팅을 이용한 NTO 박막 제작 ------------------------------------------ 90
3.3.1 개요 --------------------------------------------------------------------------------- 90
3.3.2 박막의 결정성 (XRD) ---------------------------------------------------------- 91
3.3.3 박막의 형상 (SEM) ------------------------------------------------------------- 92
3.3.4 박막의 거칠기 (AFM) ---------------------------------------------------------- 94
3.3.5 박막의 투과도 (UV Spectrometer) ------------------------------------------- 96
3.3.6 박막의 전기적인 특성 (4-Probe Station) ----------------------------------- 97
3.3.7 광 촉매 작용 (Photocatalytic Activity) -------------------------------------- 98

 
제 4 장 결 론 ……………………………………………………………………… 102
4.1 정전기 스프레이: 투명 전도성 전극 ------------------------------------------- 103
4.2 스핀 코팅: 광 촉매 작용 ---------------------------------------------------------- 107

참고문헌 …………………………………………………………………………… 110

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