1. 서 론

투명전극(Transparent conductive Electrode, TCE)은 높은 전기전도성을 가지면서 광학적 투명성을 지닌 전극으로 다양한 응용 분야에서 핵심적인 역할을 한다¹⁾. 기존의 불투명전극을 투명전극으로 대체함으로써 투과성을 확보하여 투명태양전지(Transparent Photovoltaic, TPV)를 건물 외벽에 사용할 수 있고 디스플레이나 스마트 윈도우, LED 조명 등에 활용할 수 있다. 높은 투과도는 구조적 유연성을 제공하여 이에 따른 투명전극의 투과도 개선의 필요성이 증가하고 있다^2,3,4).

높은 투과도와 전도성을 제공하는 투명전극을 개발하기 위해 투명 전도성 산화물(Transparent Conductive Oxide, TCO) 중에서도 인듐 주석 산화물(Indium Tin Oxide, ITO)에 대한 연구가 진행되고 있다¹⁾. ITO는 n-type의 금속산화물 반도체로 가시광 파장대의 Photon Energy보다 더 큰 약 3.5 eV–4.3 eV의 Energy Bandgap을 가져 가시광선 영역에서 높은 투과성을 가진다⁵⁾. 그러나 ITO의 주재료인 인듐의 제한된 매장량으로 인해 가격이 비경제적이며 제작과정 중 고온의 열처리 과정을 거치기 때문에 ITO의 단일 구조만으로는 투명전극 소자에 사용하기가 제한되는 상황이다^6,7). 이를 개선하기 위해 금속을 증착한 OMO (Metal oxide/Metal/ Metal oxide)구조의 사용이 주목을 받고 있다⁸⁾.

OMO 구조는 금속산화물 사이에 금속을 삽입하여 투명성은 유지하되 전기적 특성을 높인 구조이다⁹⁾. ITO를 사용한 OMO 구조를 사용하면 금속산화물 층에 TCO를 사용함으로써 투명한 특성을 가지면서 금속층으로 인한 전기적 특성까지 확보할 수 있다. OMO 구조의 금속산화물의 총 사용 두께가 더 얇아지면서 낮은 면저항과 높은 투과율을 얻을 수 있다¹⁰⁾. 따라서 ITO의 단일 구조의 사용에 비해 공급 불균형이나 가격 부담을 완화할 수 있다¹¹⁾. 금속층의 재료로는 은(Ag), 구리(Cu), 알루미늄(Al), 아연(Zn) 등이 사용된다^12,13). 그 중에서도 Ag는 전기전도성이 뛰어나고, 빛의 분산 특성이 우수해 다른 금속과 같은 조건일 때 광학적 특성이 탁월하다¹⁴⁾. 이에 따라 ITO/Ag/ITO 구조에 대한 연구가 활발히 이루어지고 있다¹⁵⁾. OMO 구조에서 저항은 금속의 두께가 큰 영향을 미친다. 금속층의 저항은 OMO 구조의 전체 저항에 많은 영향을 끼치므로, 금속의 저항이 낮을수록 OMO 구조의 저항이 낮아진다¹⁴⁾.

Ag층의 두께가 두꺼울수록 OMO 구조의 저항은 감소하지만 그에 따라 투과율이 떨어져 전기적 성능과 광학적 특성 간의 균형을 고려하여 적절한 두께와 구조를 선택하는 것이 중요하다¹⁶⁾.

투명전극의 투과도 개선을 위해서 금속 패턴 공정을 활용하는 방법도 주목받고 있다¹⁷⁾. 패턴은 빛의 산란을 최소화하고, 패턴 사이에 금속층이 얇은 구간을 만들어 전기전도성은 유지한 채 광 투과도를 높여주는 효과를 얻을 수 있다¹⁸⁾. 따라서 Fig. 1과 같이 OMO 구조의 투명전극을 패턴형 전극으로 제작하게 되면 평면구조 대비 높은 표면적비를 가지고, 구조 내부에 입사된 빛의 흡수, 반사 및 산란 효과를 중첩적으로 일으켜 광 투과성을 향상시킨다¹⁹⁾.

Fig. 1.

Schematic of light behaviors through the OMO transparent conductor with patterned metal layer

전극 중에서 금속 층에 패턴을 만드는 방식에는 열 나노리소그래피를 사용하여 금속 접촉을 패턴화하는 포토리소그래피 방법, 금속 메쉬 패턴화하는 에칭 방법, 그리고 PET(Polyethylene Terephthalate) 시트를 이용한 마스킹 방식이 있다^20,21,22). 그런데 포토리소그래피나 에칭 같은 경우 공정과정이 복잡하고 비용이 많이 발생한다는 단점을 가지고 있다. 반면에 PET 시트를 이용하면 선택적으로 원하는 부분을 증착하기 용이하여 금속층에 패턴을 형성할 수 있다.

본 연구에서는 PET 시트와 레이저 커팅기를 이용하여 유리기판 위에 패턴이 있는 금속층을 증착한 OMO 구조의 투명전극을 제작하였다. 2가지의 패턴 구조를 디자인하여 금속층에 패턴을 형성함으로써 기존의 평면 OMO 구조보다 패턴 OMO 구조의 투과도의 증가를 확인하여, 투명전극의 효율성을 높이기 위한 금속 패턴의 광투과성 향상의 가능성을 고찰하였다.

2. 실험 방법

본 실험에서는 OMO 구조의 전극을 제작하기 위해 Glass 기판 위에 ITO/Ag/ITO 구조를 증착하였다. 증착 공정에 앞서 기판으로 사용될 Glass를 초음파 세정기를 이용하여 아세톤, 메탄올, 증류수 순서로 각 과정당 10분간 세정하고, 질소가스를 이용하여 건조 작업하였다. 금속층의 패턴을 구현하기 위해 레이저 커팅기를 이용하여 PET 시트를 재단하였다.

금속 패턴의 형성을 위해서 사용한 PET 마스킹 시트는 홀-패턴(Hole-patterned) 구조와 선-패턴(Stripe-patterned) 구조로 제작되었으며, Fig. 2(a)와 (b)에 각각 도시되었다. 이를 통해서, 평면구조(Planar structures)를 대비한 빛의 거동과 전기적 특성 향상에 대한 방안을 모색하였다. 실험공정은 Fig. 2(c), (d)에 나타낸 순서로 진행했다. Fig. 2(c)는 기존의 평면 OMO 구조, Fig. 2(d)는 패턴 OMO 구조의 공정과정이다. 박막 증착은 물리기상 증착법(Physical Vapor Deposition, PVD)인 스퍼터링 방식을 이용하여, 대면적 공정에 적용될 수 있도록 고안되었다. Magnetron Sputtering System (SNTEK-12SN048)을 사용하여 산화물인 ITO 증착에는 RF 전력을, 금속인 Ag 증착에는 DC 전력을 이용하였다. ITO는 Room Temperature (27℃)에서 RF 50 W, Ar flow 50 sccm, 공정압력 7 mtorr에서, Ag는 Room temperature에서 DC 50 W, Ar flow 50 sccm, 공정압력 5 mtorr의 조건에서 증착을 진행했다. ITO는 상층부와 하층부의 두께를 35 nm로 증착하였으며, 평면 OMO 구조에서의 Ag층은 20 nm와 15 nm의 두 가지 두께로 제작하여, 35/20/35 nm 구조와 35/15/35 nm 구조를 증착하였다.

Fig. 2.

Fabrication structure of PET masking sheet of (a) Hole pattern and (b) Stripe pattern. Fabrication steps of (c) planar OMO structures and (d) patterned OMO structures

Fig. 3은 PET 시트를 이용해 Ag 패턴층을 형성하는 과정을 나타낸 그림이다. 패턴 OMO 구조의 금속층 증착 시에는 Fig. 3과 같이 Ag를 15 nm 증착 후, 그 위에 패턴 구조를 형성한 PET 시트로 마스킹 작업한 후 5 nm의 Ag층을 추가로 증착하였다. 금속층에 15 nm, 20 nm 두께로 증착된 영역의 차이를 형성하여 금속층 패턴 OMO 35/15-20/35 nm 구조를 증착하였다. 제작한 샘플에 대한 투명전극의 특성을 분석하기 위해서 UV-Vis spectrophotometer (UV-2600)를 통해 샘플의 광학적 투과율을 측정하였고, 4-Point Probe (CMT-100S/J)를 사용하여 면저항(Sheet Resistance, Ω/□)을 측정하였다. 제작한 샘플의 구조를 관측하기 위해서 전계 방출형 주사 현미경(Field Emission Scanning Electron Microscope, FE-SEM) 7001F을 사용하였다.

Fig. 3.

Fabrication steps of patterned Ag layer by PET masking sheet

3. 결과 및 토의

Fig. 4(a)는 패턴 ITO/Ag/ITO 구조를 도식화하여 나타낸 그림이다. Fig. 4(b) ~ (d)는 실제 샘플의 사진을 촬영한 내용으로 평면 OMO 구조와 패턴 OMO 구조인 OMO-Stripe과 OMO-Hole 구조를 순서대로 나타냈다. 세 가지 구조 모두 높은 투과성을 보이며, 구조의 차이를 육안으로 확인할 수 있다.

Fig. 4.

(a) Structure of patterned OMO (ITO/Ag/ITO) Photoimages of (b) planar, (c) Striped-patterned, and (d) Hole-patterned structures

Fig. 5는 샘플들의 면저항 Rs을 나타낸 그림이다. OMO 구조의 전기적 특성을 알아보기 위하여 면저항을 측정하였다. OMO 35/20/35 nm, OMO 35/15/35 nm, OMO-Stripe 35/15-20/35 nm, OMO-Hole 35/15-20/35 nm를 비교하였다. 패턴 마스킹 영역에 따라 Ag층이 20 nm와 15 nm가 증착된 패턴 OMO 구조를 35/15-20/35 nm와 같이 나타냈다. OMO 35/20/35 nm 구조는 2.06Ω/□, OMO 35/15/35 nm 구조는 3.00Ω/□, OMO-Stripe 35/15-20/35 nm 구조는 2.15Ω/□, OMO-Hole 35/15-20/35 nm 구조는 2.11Ω/□로 나타난다.

Fig. 5.

Sheet Resistance of planar OMO and patterned OMO

Fig. 6은 금속층의 두께에 따른 자유전자의 농도와 이동도를 모식화하여 나타낸 그림이다. OMO 구조의 전체 면저항은 가운데 층인 금속의 전기전도성에 기인한다. Fig. 6(b)와 같이 패턴 OMO 구조 35/15-20/35 nm 에서의 전체 금속 사용량은 Fig. 6(c)와 같이 기존의 OMO 35/15/35 nm 구조보다 많고, Fig. 6(a)와 같이 OMO 35/20/35 nm 구조보다는 적다. 금속층은 자유전자 농도를 증가시키고 전자가 이동할 수 있는 경로를 만들어주기 때문에, 금속층의 두께와 전기전도도는 비례 관계에 있다. 패턴 OMO 35/15-20/35 nm 구조에서 금속층인 Ag층의 전체적인 두께는 OMO 35/20/35 nm 구조보다 감소한다. 하지만 일부 20 nm 두께를 가진 금속층이 존재해 자유전자의 농도와 이동 경로가 확보되어 면저항 손실이 작으며 전류의 이동을 원활하게 한다^23,24).

Fig. 6.

Concentration and Migration Path of Free Electrons as a Function of Metal Layer Thickness of (a) OMO (35/20/35) (b) patterned OMO (35/15-20/35) (c) OMO (35/15/35)

다음으로 Fig. 7은 분광 광도계(UV-Vis spectro photometer, UV-2600)를 이용하여 측정한 샘플의 투과율 그래프이다. OMO 구조 중 35/20/35 nm, 35/15/35 nm의 구조와 35/15-20/35 nm의 Stripe형, Hole형 패턴 OMO 구조 샘플들의 투과율을 비교하였다. 가시광선 파장대 중에 시인성이 가장 좋은 550 nm에서의 투과율은 순서대로 65.70%, 80.74%, 73.94%, 74.51%이다. 패턴 OMO 구조는 평면 OMO 35/20/35 nm보다 투과율이 증가했으며, 투과율이 높은 OMO 35/15/35 nm 구조에 더 근접한 투과율을 보인다.

Fig. 7.

Transmittance of planar OMO and patterned OMO

다음으로 Fig. 8는 ITO와 Ag 단일 층의 투과율을 나타낸 것이다. 광학 상수 n, k에서 n은 굴절률(Refractive Index), k는 소멸계수(Extinction Coefficient)를 나타낸 값이다. ITO층의 n값과 k값은 1.82, 0.001이고 Ag층의 n값과 k값은 0.13, 2.678이다. 반사율은 k값이 증가하고 n값이 감소함에 따라 높아진다²⁵⁾. 따라서 ITO 층은 높은 n값과 낮은 k값으로 인해 높은 투과율을 갖고, Ag층은 낮은 n값과 높은 k값으로 인해 낮은 투과율을 갖는다.

따라서 OMO 구조에서는 금속층의 낮은 가시광 투과도를 Oxide 층인 ITO가 보완하는 역할을 하는데 금속층에 패턴을 도입하면 패턴 사이의 얇은 Ag층으로 인해 패턴 사이의 공간을 통해 빛이 더 많이 통과할 수 있게 되어 금속층에서도 투과율을 조율할 수 있다. 본 연구는 높은 전기전도성을 유지한 채 투과도를 높이는 투명전극개발을 목표로 하므로 기존의 OMO 구조 중 전도성이 좋은 OMO 35/20/35 nm 구조와 패턴 OMO 구조를 비교하였다. 패턴 OMO 35/15-20/35 nm 구조는 OMO 35/20/35 nm 구조와 비슷한 면저항 값을 가지면서 OMO 35/20/35 nm 구조보다 8.2-8% 이상 높은 가시광 투과도를 나타내므로 전도성이 좋으면서도 투과도를 개선하는 구조임을 알 수 있다.

Fig. 8.

Transmittance of single layer of ITO and Ag

Fig. 9는 소자의 공정 후의 측면에 관한 FE-SEM 이미지이다. Fig. 9(a)와 (b)는 평면 OMO 구조로 각각 ITO/Ag/ITO가 35/20/35 nm와 35/15/35 nm로 증착된 구조이다. Fig. 10(c)와 (d)는 패턴 OMO 35/15-20/35 nm 구조에서 PET 시트로 금속층에 패턴 마스킹한 영역과 마스킹하지 않은 영역을 촬영한 것이다. Ag층이 영역에 따라 각각 15 nm, 20 nm의 다른 두께로 증착되어 패턴을 형성할 수 있음을 확인할 수 있다.

Fig. 9.

FE-SEM images of planar (a) OMO 35/20/35 nm (b) OMO 35/15/35 nm patterned OMO 35/15-20/35 nm with (c) 15nm Ag layer (d) 20 nm Ag layer

Table 1에서 평면 OMO 구조와 패턴 OMO 구조의 평균 가시광 투과율(Average Visible Transmittance, AVT), 550 nm에서의 투과율 및 면저항을 나타내었다. OMO-Hole 구조는 OMO-Stripe 구조에 비해 투과율과 면저항이 모두 향상되었는데, 주기적인 패턴 구조에서 20 nm의 Ag층 면적을 확보하면서도 너비와 높이 양방향에서의 패턴 구조로 인해 입사된 빛의 흡수, 반사 및 산란 효과가 더 중첩적으로 일어나기 때문이다. 높은 전기전도성을 갖는 OMO 35/20/35 nm 구조와 패턴 OMO 35/15-20/35 nm 구조를 비교하였을 때 투과도가 향상되어 면저항 감소 대비 투과율이 개선된 것을 확인할 수 있다. 패턴화된 금속층이 있는 OMO 구조가 광학적 투과를 향상시키는 동시에 전기적 성능을 유지할 수 있어 우수한 투명전극임을 알 수 있다.

4. 결 론

본 연구는 금속산화물 기반의 투명전극의 특성을 향상하기 위한 것으로 금속층에 패턴을 설계하여 광학적 투과도와 함께 전기전도성을 향상하는 방법을 고찰하였다. 투명한 금속산화물인 ITO와 금속인 Ag를 사용해 금속층의 패턴을 활용하였다. 홀-패턴(Hole-patterned) 과 선-패턴(Stripe-patterned) 구조를 형성하여 기존의 평면(Planar) OMO 구조와의 비교를 통해서 광학적, 전기적 특성을 분석하였다.

패턴 OMO 구조에서 550 nm에서의 투과율은 Stripe형에서 73.94%, Hole형에서 74.51%으로, 전도성이 좋은 OMO 35/20/35 nm 구조와 비교해서 약 8% 이상 투과도가 개선되었다. 패턴 OMO 35/15-20/35 nm 구조에서의 면저항은 2.15 Ω/□, 2.11Ω/□으로 OMO 35/20/35 nm 구조와 유사한 전기전도성을 가진다. 금속 패턴층을 적용한 OMO 구조가 투과도와 전기전도성을 개선하여 전체적으로 투명전극의 효율성이 향상된다는 것을 알 수 있다.

패턴이 있는 OMO 구조는 PET 시트 마스킹을 통한 간단한 공정과정으로 금속층에 패턴을 형성할 수 있어 투과도를 향상하는 투명전극 개발에 기여할 수 있다. 실생활에서 투명전극의 투과도 향상은 디스플레이 해상도를 높이고, 플렉서블 및 웨어러블 소자 개발로 이어져 초박막 디스플레이, 스마트센서, 스마트 워치 등으로 응용될 수 있다. 투과도를 향상시킨 투명 패턴 전극 개발은 디스플레이 해상도와 에너지 효율을 증가시킬 것으로 전망된다.