KR102619845B1 - 페로브스카이트 전도체를 포함하는 투명 전도성 세라믹 적층체 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 세라믹 기재, 상기 세라믹 기재 상부에 형성되는 켜쌓기(epitaxy) 템플릿 층 및 상기 템플릿 층 상부에 형성되는 페로브스카이트(perovskite) 투명 전도체 층을 포함하는 페로브스카이트 전도체를 포함하는 투명 전도성 세라믹 적층체로서, 본 발명에 의하면, 일반적인 광학용 기판 위에서 쌓아서 페로브스카이트 투명 전도체 박막을 켜쌓기할 수 있다.
Description
본 발명은 페로브스카이트(perovskite) 투명 전도체(transparent conductor)에 관한 것으로서, 차세대 투명 전도체는 스마트 창, 투명 태양전지, 광학 센서, RF 차폐, 군사용 무기 등 다양한 분야에서 이용할 수 있다.
페로브스카이트 투명 전도체(예: La-doped BaSnO3,강상관전자계 산화물)는 낮은 면저항(< 100 Ω·□-1)과 높은 투과율(> 60%)로 인해 관심을 받고 있다.
페로브스카이트 투명 전도체를 Al2O3(hexagonal,a=b=4.758Å,c=12.992Å,γ=120°), MgAl2O4(cubic,8.083Å),ZnS(cubic,5.420Å)등의 광학용 기판에 코팅하면 박막과 기판의 격자 상수 또는 격자 내의 원자 배열의 불일치에 의해 다결정성 박막이 성장된다. 이러한 박막은 단결정 박막 대비 악화된 전도성과 투과율을 보이므로 투명 전도체 박막의 결정성 향상이 필요하다.
켜쌓기(epitaxy) 성장을 하면 단결정 수준의 고품질 박막을 성장할 수 있지만, 페로브스카이트 기판을 사용할 때만 고품질의 투명 전도체 박막을 제한적으로 성장할 수 있었다. 그런데, 페로브스카이트 기판은 일반적인 광학용 기판에 비해서 대면적으로 만들 수 없어 매우 비싸고, 기계적, 화학적 강도가 안 좋아서 상용화에 사용하기 어렵다.
이상의 배경기술에 기재된 사항은 발명의 배경에 대한 이해를 돕기 위한 것으로서, 이 기술이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 이미 알려진 종래기술이 아닌 사항을 포함할 수 있다.
본 발명은 상술한 문제점을 해결하고자 안출된 것으로서, 본 발명은 일반적인 광학용 기판 위에서 쌓아서 페로브스카이트 투명 전도체 박막을 켜쌓기할 수 있는 페로브스카이트 전도체를 포함하는 투명 전도성 세라믹 적층체를 제공하는 데 그 목적이 있다.
본 발명의 일 관점에 의한 페로브스카이트 전도체를 포함하는 투명 전도성 세라믹 적층체는, 세라믹 기재, 상기 세라믹 기재 상부에 형성되는 켜쌓기(epitaxy) 템플릿 층 및 상기 템플릿 층 상부에 형성되는 페로브스카이트(perovskite) 투명 전도체 층을 포함한다.
그리고, 상기 페로브스카이트 투명 전도체 층은 도핑된 넓은 띠 반도체(La-도핑된 BaSnO3),강상관전도체(SrVO3,SrNbO3,SrMoO3)로 구성된 군에서 선택되는 1종 이상의 세라믹인 것을 특징으로 한다.
나아가, 상기 페로브스카이트 투명 전도체 층은 2.5㎛ 파장 이상에서 투과율 50% 이상, 면저항 200 Ω·sq-1 이하의 특성을 가지는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 템플릿 층은 BaZrO3, MgO, Gd-doped CeO2, Y-stabilized ZrO2로 구성된 군에서 선택되는 1종 이상의 세라믹인 것을 특징으로 한다.
바람직하게는, 상기 템플릿 층의 두께는 100nm 이하인 것을 특징으로 한다.
보다 바람직하게는, 상기 템플릿 층의 두께는 30nm 이하인 것을 특징으로 한다.
그리고, 상기 세라믹 기재는 글래스, 사파이어, 스피넬, ZnS, Al2O3 및 MgAl2O4 중 어느 하나인 것을 특징으로 한다.
한편, 상기 페로브스카이트 투명 전도체 층 상부에 형성되는 코팅층을 더 포함할 수 있다.
그리고, 상기 코팅층은 300℃ 내열 특성을 가지며, 두께는 1.8㎛ ~ 2.5 ㎛인 것을 특징으로 한다.
또한 전체적으로, 400℃ 내열 특성을 가지는 것을 특징으로 한다.
다음으로, 본 발명의 다른 일 관점에 의한 페로브스카이트 전도체를 포함하는 투명 전도성 세라믹 적층체는, 세라믹 기재, 상기 세라믹 기재 상부에 형성되는 켜쌓기(epitaxy) 템플릿 층 및 상기 템플릿 층 상부에 형성되는 페로브스카이트(perovskite) 투명 전도체 층을 포함하고, 상기 세라믹 기재는 글래스, 사파이어, 스피넬, ZnS, Al2O3 및 MgAl2O4 중 어느 하나인 것을 특징으로 하며, 상기 템플릿 층은 BaZrO3, MgO, Gd-doped CeO2, Y-stabilized ZrO2로 구성된 군에서 선택되는 1종 이상의 세라믹인 것을 특징으로 하며, 상기 페로브스카이트 투명 전도체 층은 도핑된 넓은 띠 반도체(La-도핑된 BaSnO3),강상관전도체(SrVO3,SrNbO3,SrMoO3)로 구성된 군에서 선택되는 1종 이상의 세라믹인 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 페로브스카이트 투명 전도체 층은 2.5㎛ 파장 이상에서 투과율 50% 이상, 면저항 200 Ω·sq-1 이하의 특성을 가지는 것을 특징으로 한다.
그리고, 상기 템플릿 층의 두께는 100nm 이하인 것을 특징으로 한다.
본 발명은 일반 광학용 기판 위에서 페로브스카이트 투명 전도체의 켜쌓기를 위한 템플릿 층의 설계 및 제조를 통해 다음의 특징을 갖는다.
1) 템플릿 층을 삽입하여 광학용 기판 위에 단결정 수준의 결정질을 갖는 페로브스카이트 투명 전도체 박막을 켜쌓기 할 수 있다.
2) 템플릿 층의 유무에 따라 전도성이 100배 이상 향상한다.
3) 템플릿 층의 유무에 따라 투과율이 75% 이상 향상된다.
도 1은 본 발명의 페로브스카이트 전도체를 포함하는 투명 전도성 세라믹 적층체를 도시한 것이다.
도 2는 BaZrO3/MgO템플릿 층을 LBSO 박막과 Al2O3기판 사이에 삽입할 때 LBSO 박막의 켜쌓기 실시 예이다.
도 3은 템플릿 층을 사용하여 LBSO의 면저항을 370 Ω·□ -1 이하 수준으로 낮춘 결과이다.
도 4는 자외선-가시선의 투과율 향상을 보여준다.
도 5는 단결정 성장으로 인해 다결정에 비해 자유전자의 이동이 자유로워 면저항이 낮아지는 효과를 보여준다.
도 6은 본 발명의 페로브스카이트 전도체를 포함하는 투명 전도성 세라믹 적층체에 의한 투과율 저항 특성 변화를 나타낸 것이다.
도 2는 BaZrO3/MgO템플릿 층을 LBSO 박막과 Al2O3기판 사이에 삽입할 때 LBSO 박막의 켜쌓기 실시 예이다.
도 3은 템플릿 층을 사용하여 LBSO의 면저항을 370 Ω·□ -1 이하 수준으로 낮춘 결과이다.
도 4는 자외선-가시선의 투과율 향상을 보여준다.
도 5는 단결정 성장으로 인해 다결정에 비해 자유전자의 이동이 자유로워 면저항이 낮아지는 효과를 보여준다.
도 6은 본 발명의 페로브스카이트 전도체를 포함하는 투명 전도성 세라믹 적층체에 의한 투과율 저항 특성 변화를 나타낸 것이다.
본 발명과 본 발명의 동작상의 이점 및 본 발명의 실시에 의하여 달성되는 목적을 충분히 이해하기 위해서는 본 발명의 바람직한 실시 예를 예시하는 첨부 도면 및 첨부 도면에 기재된 내용을 참조하여야만 한다.
본 발명의 바람직한 실시 예를 설명함에 있어서, 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있는 공지의 기술이나 반복적인 설명은 그 설명을 줄이거나 생략하기로 한다.
도 1은 본 발명의 페로브스카이트 전도체를 포함하는 투명 전도성 세라믹 적층체를 도시한 것이다.
이하, 도 1을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 의한 페로브스카이트 전도체를 포함하는 투명 전도성 세라믹 적층체를 설명하기로 한다.
본 발명은 차세대 페로브스카이트 투명 전도체의 우수한 전도성과 투과율을 확보하기 위해서는 일반적인 광학용 기판(Al2O3,MgAl2O4,ZnS)에 단결정 수준으로 성장하도록 범용적으로 사용할 수 있는 켜쌓기 성장법을 도입하기 위한 것이다.
이를 위해, 기판과 박막에 동시에 격자가 일치할 수 있는 템플릿(template) 층을 중간에 삽입하면, 단결정 수준의 결정질을 갖는 차세대 페로브스카이트 투명 전도체 박막의 성장을 기대할 수 있다.
즉, 본 발명의 일 실시예에 의한 투명 전도성 세라믹 적층체는 세라믹 기재(110), 페로브스카이트 투명 전도체 층(130)을 포함하고, 세라믹 기재(110)와 페로브스카이트 투명 전도체 층(130) 간에 켜쌓기(epitaxy) 템플릿 층이 삽입된다. 그리고, 페로브스카이트 투명 전도체 층(130) 상에 코팅층(140)이 형성될 수 있다.
코팅층(140)은 내열/저반사 코팅층으로, 300℃ 내열 특성을 가지고, 두께는 1.8㎛ ~ 2.5 ㎛인 것이 바람직하며, 전체 적층체는 400℃ 내열 특성을 가진다.
중간에 삽입되는 템플릿 층(120)은 페로브스카이트 투명 전도체 층(130)과 격자 구조와 원자 배열이 일치한다.
세라믹 기재(110)는 글래스, 사파이어, 스피넬 및 ZnS 등의 일반적인 광학용 기판 등이 사용될 수 있으며, Al2O3, MgAl2O4, ZnS 일 수 있다.
페로브스카이트 투명 전도체 층(130)은 도핑된 넓은 띠 반도체(La-도핑된 BaSnO3),강상관전도체(SrVO3,SrNbO3,SrMoO3)로 구성된 군에서 선택되는 1종 이상의 세라믹을 포함하는 것으로, 2.5㎛ 파장 이상에서 투과율 50% 이상, 면저항 200 Ω·□-1 이하의 특성을 가지는 페로브스카이트 투명 전도체 층일 수 있다.
그리고, 템플릿 층(120)은 BaZrO3(cubic, 4.19Å), MgO (cubic, 4.20Å), Gd-doped CeO2(cubic, 5.41Å), Y-stabilized ZrO2(cubic, 5.13Å)일 수 있으며, 두께는 100nm 이하인 것이 바람직하다. 페로브스카이트 투명 전도체와 격자 구조 및 원자 배열이 일치하므로 템플릿 층으로 사용할 수 있다. 이러한 템플릿 층을 기판에 증착하면 페로브스카이트 투명 전도체를 그 위에 켜쌓기하여 성장할 수 있다.
여기서, 템플릿 층(120)은 두꺼울수록 기판과 박막의 격자 구조와 원자 배열의 차이를 완화시켜 주지만 재료의 낭비를 가져온다. 그러므로 투명 전도체의 성능을 향상시켜주는 역할을 수행할 수 있는 최소 두께의 템플릿 층의 최적화가 필요하다.
La-doped BaSnO3(LBSO)는 Al2O 기판에 직접 성장하면 도 2와 같이 20,000 Ω·□-1의 면저항을 갖지만, BaZrO3 또는 MgO 템플릿 층을 박막과 기판 사이에 삽입하면 370 ± 10 Ω·□-1의 단결정 수준의 면저항을 가진다. 이때 MgO와 BaZrO3의 최적 두께는 도 3을 참조하면 각각 20nm 이하, 30nm이하가 된다.
또한, 도 4에서 참조되는 바와 같이 자외선-가시선의 투과율은 75% ± 10% 로, 페로브스카이트 기판을 사용할 때보다 높다.
이러한 전도성과 투명성의 향상은 도 5에서 참조되는 바와 같이 켜쌓기를 통한 투명 전도체의 결정질 향상에 기인한다.
켜쌓기 방법은 스퍼터링 증착법 또는 펄스 레이저 증착법을 이용하여 실증하였다.
도 6은 본 발명의 페로브스카이트 전도체를 포함하는 투명 전도성 세라믹 적층체에 의한 투과율 저항 특성 변화를 보여준다. 210은 템플릿 층이 적용되지 않은 BLSO(0001)Al2O3이며, 220은 본 발명의 템플릿 층(BaZrO3/MgO)이 적용된 BLSO(0001)Al2O3이다.
이상과 같은 본 발명은 예시된 도면을 참조하여 설명되었지만, 기재된 실시 예에 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 사상 및 범위를 벗어나지 않고 다양하게 수정 및 변형될 수 있음은 이 기술의 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명하다. 따라서 그러한 수정 예 또는 변형 예들은 본 발명의 특허청구범위에 속한다 하여야 할 것이며, 본 발명의 권리범위는 첨부된 특허청구범위에 기초하여 해석되어야 할 것이다.
110 : 세라믹 기재
120 : 켜쌓기 템플릿 층
130 : 페로브스카이트 투명 전도체 층
140 : 코팅층
120 : 켜쌓기 템플릿 층
130 : 페로브스카이트 투명 전도체 층
140 : 코팅층
Claims (13)
- 세라믹 기재;
상기 세라믹 기재 상부에 형성되는 켜쌓기(epitaxy) 템플릿 층; 및
상기 템플릿 층 상부에 형성되는 페로브스카이트(perovskite) 투명 전도체 층을 포함하고,
상기 페로브스카이트 투명 전도체 층은 도핑된 넓은 띠 반도체(La-도핑된 BaSnO3),강상관전도체(SrVO3,SrNbO3,SrMoO3)로 구성된 군에서 선택되는 1종 이상의 세라믹인 것을 특징으로 하며,
상기 페로브스카이트 투명 전도체 층은 2.5㎛ 파장 이상에서 투과율 50% 이상, 면저항 200 Ω·sq-1 이하의 특성을 가지는 것을 특징으로 하고,
상기 템플릿 층은 BaZrO3 또는 MgO인 것을 특징으로 하며,
상기 템플릿 층의 두께는 30nm 이하인 것을 특징으로 하는,
페로브스카이트 전도체를 포함하는 투명 전도성 세라믹 적층체. - 삭제
- 삭제
- 삭제
- 삭제
- 삭제
- 청구항 1에 있어서,
상기 세라믹 기재는 글래스, 사파이어, 스피넬, ZnS, Al2O3 및 MgAl2O4 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는,
페로브스카이트 전도체를 포함하는 투명 전도성 세라믹 적층체. - 청구항 7에 있어서,
상기 페로브스카이트 투명 전도체 층 상부에 형성되는 코팅층을 더 포함하는,
페로브스카이트 전도체를 포함하는 투명 전도성 세라믹 적층체. - 청구항 8에 있어서,
상기 코팅층은 300℃ 내열 특성을 가지며, 두께는 1.8㎛ ~ 2.5 ㎛인 것을 특징으로 하는,
페로브스카이트 전도체를 포함하는 투명 전도성 세라믹 적층체. - 청구항 9에 있어서,
400℃ 내열 특성을 가지는 것을 특징으로 하는,
페로브스카이트 전도체를 포함하는 투명 전도성 세라믹 적층체. - 삭제
- 삭제
- 삭제
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