박막의 우선성장방향(Preferred Orientation) #2

   후후후... 6년을 함께 살아온 24인치 작업용 모니터를 고치려 뜯었더니 역시 캐퍼시터가 몇개 나갔군요. 벌써 같은 증상으로 수리만 4번째인데.. 용량맞는 넘을 구해서 교체하면 될텐데, 구하려다 못구하는 바람에 시간만 잡아먹었네요.. ㅠㅠ  걍 새거 한대 사버리고 싶지만 .. ㅠㅠ 그래서 별수없이 모니터는 시간내서 차차 고치기로 하고.. 저는 지금 자그만치 11인치 초대화면 노트북으로 작업을 시작합니다.  ;ㅁ;

   박막의 우선성장방향(Preferred Orientation)에 대한 두번째 이야기 입니다. 1편에서 박막은 다른 일반적인 벌크 재료와는 달리 그 성장하는 방법이나 특성상 우선성장이 나타나기가 대단히 용이하다는 말을 했었습니다. 오히려 우선성장방향이 안나타나기가 쉽지 않지요. 우선성장방향이 나타날 수 밖에 없는 이유는 지난번 글에서 설명이 충분히 되었다고 생각합니다. 사실 그거면 필요한것은 다 한거나 마찬가지 입니다만, 아쉽게도 하나 빼먹은것이 있어서요. 그 내용을 이번 두번째 이야기에서 추가합니다.

   우리가 박막을 만들어서 볼때는 거의 박막의 표면을 보게 됩니다. 박막을 만든다는 것은 표면 원자층을 한층한층 쌓아올리는 작업이기 때문에 당연히 표면이 중요합니다. 표면의 상태, 색상, 전기적 특성, 물리적 특성, 화학적 특성 및 광학적 특성은 어떤가 하는 등등은 모두 표면 관찰과 측정을 통해서 이루어 집니다. 그것들은 박막이 완성 된 뒤에 하는 작업입니다. 그러나, 박막을 만드는 연구자 입장에서는 박막에는 단면이 있다는 것을 결코 잊으면 안됩니다. 제아무리 박막이 얇다고 해도 그것은 3차원의 부피를 가졌기 때문입니다. 그리고 박막은 우선성장방향의 특성이 있다고 하는 말의 의미를 다른 방향으로 말하면, 그것은 재료에 '이방성(Anisotropic)' 특성이 있다는 것이며, 결국 박막의 표면과 단면은 서로 다른 기계적, 물리적, 전기적, 화학적 특성을 가졌다는 것을 의미합니다. 자, 그럼 예를 들어 어떤 재료를 가지고 (100) 우선성장면을 가진 박막을 만들었다고 해 봅시다. 그렇다면 그 박막은 이렇게 성장 했을겁니다. 

 

 

 

         단결정이면 이렇게 달랑 하나.              다결정은 (100)면을 가진 결정들의 집합.  

 

   단결정이 아닌 다결정 재료는 언제나 결정립계(grainboundary)가 있기 마련이고, 이것들은 재료에 분명히 어떠한 특성을 발생시킵니다. 위 두가지 경우를 기계적, 물리적, 전기적 특성들을 측정하게 되면 미세할지라도 분명 차이를 보이게 됩니다. 그러나 여기서 말하고 싶은것은 단결정과 다결정의 차이가 아닙니다. 어차피 우리가 박막으로 단결정을 만들것은 아니니까요. 말하고 싶은것은 비록 같은 우선성장방향을 가졌지만, 단면에서 보면 또 서로 다른 다결정과 다결정 입니다. 위 그림에서 단결정과 다결정 모두 박막 표면은 (100)면 이지만, 과연 옆에서 보는 단면은? 박막 단면의 면방향도 모두 같을까요?

 

 

사골게리온만큼 우려먹고자 작정한 사진

보는 방향에 따라 서로 다른 면을 가진다.

결정은 3차원임을 항상 인지하고 있어야 한다.

  위 결정모양 또 가져왔습니다. ㅠㅠ 위에서 내려다 볼땐 (001)면 하나만 보입니다만, 동서남북의 방향들은 서로 다릅니다. 이게 핵심이죠. 비록 박막의 위쪽은 모두 (001)의 같은 면을 보이고 있다고 해도, 그 (001)면을 가진 결정립들을 옆쪽에서, 즉 단면에서 보게되면 서로 다른 면을 갖고있을 수 있습니다.

비록 박막 표면은 모두 같은 면으로 성장했어도, 단면쪽 방향도 같으리란 보장은 없으니까요..

 

    그래서 박막 표면만이 아닌, 어느 한쪽 단면의 방향에서 보았을때에도 모두 같은 면을 갖고있는지 까지 우선성장방향의 범주에 넣어야 합니다. 이때 표면을 out-of-plane, 단면쪽을 in-plane 이라 불러서 구분합니다. 이렇게 out-of-plane과 in-plane 이 모두 우선성장방향이 이루어진 박막은 사실상 거의 단결정에 가까운 특성을 나타내게 됩니다. 

 

 

박막에서 우선성장방향은 out-of-plane 과  in-plane 을 구분해야 한다.

 

 

Out-of-plane과 in-plane 모두 우선성장방향이 일치한다면 이렇게 됩니다.

이때는 단결정에 입계가 있는것과 마찬가지가 되므로,

여러 특성들이 단결정과 거의 비슷하게 나올 수 있음.

 

 

   박막 표면의 우선성장방향은 일반적인 XRD 법으로도 대략적 측정이 가능하지만, 단면의 우선성장방향은  오메가(ω)스캔, 파이(φ)스캔, 극점도(Pole Figure) 등의 측정이 가능한 추가적인 장치 및 프로그램의 옵션이 필요합니다. 보통은 이들을 두가지 이상 측정해서 복합적으로 분석하곤 하죠.    

 

XRD 측정시, 시편을 어떤 방향으로 회전시키느냐에 따라 다른 결과값을 얻을 수 있지요.. 

측정법에 대한건 가까운 교수님께 물어보세연. 이거 글로 설명하려면 몇개월 걸립니다. -_ -

 

   참고로 집합조직(Texture)과 우선성장방향을 같은것으로 알고있는 분들이 간혹 계십니다. 집합조직이란 다결정 재료내 결정방향이 어느 일정한 방향으로 배열한 것을 말합니다. 우선방향이 없는 다결정 재료를 인장이나 압축등의 가공을 하게되면 그 에너지로 인해 결정방향이 특정한 방향으로 배열하여 이방성을 나타내게 되는데, 이것을 변형(or 가공) 집합조직이라 합니다. 흔히 집합조직이라 말하면 이들 변형 집합조직을 말하는 경우가 대부분입니다. 집합조직이 열처리로 인해 나타나는 경우도 있습니다. 다결정 재료가 열처리에 의해 재결정 되면서 동일 방향으로 결정방향이 정렬되는데 이런경우 재결정 집합조직이라 합니다. 박막 같은 경우는 박막이 성장하면서 나타나므로 성장 집합조직으로 분류할 수 있습니다. 주조시 나타나는 주상정 조직도 성장 집합조직 입니다. 이러한 집합조직 특성상 우선방향이 나타나게 됩니다. 그런데 집합조직이란 용어는 미세조직의 상태를 나타내는 것이고, 우선성장은 결정들의 방향에 관한 것이죠. 또한 집합조직은 많은 다결정 묶음으로 고려해야 하지만, 우선성장은 단결정이나 몇개의 결정만 갖고도 말할 수 있습니다. 그래서 이들의 의미와 쓰이는 용례는 엄밀하게 다릅니다. 아무때나 섞어 쓰게되면 곤란합니다.. ㅠㅠ 

 

 

 

... by 개날연..

 

 

 

 

커피만 줄창 볶다가 간만에 글쓰려니 손꾸락이 잘 안움직여요...ㅠㅠ

정말 7개월간 하루도 못쉬었군요... 

그야말로 비인간적인 노동력 착취가 스스로 자행되고 있습니다. ㅠㅠ  

 

 

 

글 : 개날라리연구원
그림 : 개날라리연구원
업로드 : 개날라리연구원
발행한곳 : 개날라리연구소

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