전기변색(Electrochromic) 네 번째 : 전기증착, 스퍼터링, 진공증착

 

 

 전기변색의 물질로는 무기물인 텅스텐을 주로 사용한다. 전기변색 기기는 유리 아래 전극이 통하도록 ITO, 그 밑에 변색물질이 든 층이 있는 것이 일반적인 구조다.

 

 변색물질이 든 층을 만들기 위해선 텅스텐을 증착시킨 박막을 만들어야 한다. 꼭 전기변색을 위한 텅스텐이 아니더라도 물질을 박막에 증착시키는 대표적인 방법들을 살펴보려고 한다.

 

 

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 1. Electrodeposition(전기증착)

 

 간단하게 설명하자면 타겟에 cathode를 연결하고 표면에 피막을 입힐 금속을 anode에 연결한다. 전해질에 금속을 담그고, 전원을 인가하면 전기분해가 일어나며 용해가 된다.

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 이때 anode에 연결된 금속이온이 전자를 잃으며 산화되고, 타겟은 전자를 얻어 환원이 되면서 얇은 피막을 입게 되는 표면처리법이다.

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 장비와 비용의 문제로 규모가 큰 증착은 힘들지만, potential이나 시간에 따라 형상이 달라지며(나노 구조 형상 제어 가능), 방법이 간단하기 때문에 많이 쓰인다. 나노구조는 반응할 수 있는 비표면적이 넓어 반응성이 좋아짐으로 유리하다.

 

source : google

 

 

 

 2. RF/DC sputtering(AC RF[Radio Frequency] : 교류 주파수 / DC : 직류)

 

source : LG디스플레이

 

 

 음극(Cathode, 하단)엔 증착시킬 물질, 양극(Anode, 상단)엔 기판이 있다. ex) 투명전극인 ITO에 WO₃를 씌우고 싶다면, 음극엔 WO₃, 양극엔 ITO를 둔다.

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 그 사이에 비활성 기체를 삽입하는데, 거진 다 Ar, pure oxide를 넣는다. 이후 전압을 가하면 cathode에서 전자가 튀어나와 anode로 이동하다가 중간에 있는 Ar과 충돌한다.

 

 충돌한 Ar은 플라즈마화(*plasma : 간단히 말해 기체에 에너지를 아주 가했을 때 자유롭게 이동하는 양성자와 전자로 나누어지는 상태를 일컫는다.)가 되어 +를 띄게 되고, cathode에 강하게 이끌려 충돌한다. 충돌하면서 cathode에 있는 전자와 이온이 튀어나오는데, 전자는 Ar과 만나 중성화되고, 이온은 anode로 이동해 증착된다.

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 이때 가하는 전압은 직류(DC)와 교류(RF)로 나뉘는데, 직류 전압은 텅스텐 같은 부도체를 증착시킬 때 불리하다. 증착이 아예 안 되는 건 아니지만, Ar이 이온화돼서 음극에 부딪혀도 부도체라 전자를 내어주지 않는다.

 

 이 때문에 시간이 지날수록 중성화되지 못한 Ar이 음극 표면에 쌓인다. 결과적으로 음극으로 향하던 플라즈마화된 Ar이 음극 표면에 쌓인 Ar 때문에 척력이 발생하여 증착이 진행되지 않는다.

 

 

 

 반면 교류(RF)는 전극을 -와 +를 번갈아 가면서 주기 때문에, Ar이 쌓였을 때 반대 전압을 가하여 이를 밀어낸다. 여기서 음극(cathode)에 영구자석을 깔아 둔 게 magnetron sputtering인데, 자석을 통해 자기장을 강하게 형성함으로써 타겟 근처에 더 많은 이온이 플라즈마화가 되어 충돌이 많이 일어나게끔 유도한다.

 

 즉, 증착 속도가 빨라진다. 다만, 자기장 근처에 있는 이온들만 반응이 잘 일어나다 보니 자기력선이 직선에 가깝게 위치한 곳만 증착이 잘 일어나 증착이 균일하게 되지 않는다는 단점이 있다.

 

 

 

 

 3. Evaporation deposition(진공증착)

 

 

 

 

 진공 증착법 혹은 가열 증착법이라고도 한다. 내부를 진공 펌프를 통해 진공 상태로 유지하기 때문이다. 내부를 진공으로 유지하는 이유는 진공 중에서 물질은 기판을 향해 일자로 이동해 응축되기 때문에 충돌이 일어나지 않아서이다. 가열 방법은 Resistive, inductive, electron beam 등이 있다.

 

 그중 대표적인 전자빔 방식은 필라멘트에 강한 전류를 가해 나오는 전자빔이 증착시킬 물질에 위치하면 전자의 충돌로 사열되어 기체 상태가 되고 기판에 증착되는 것이다. 빔의 세기가 높을수록 증착 속도도 향상되고, 효율도 높지만, 와류와 방전, X선이 발생한다는 단점이 있다.

 

 

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