1. 서 론
에너지 소비 증가와 환경문제로 인한 지구온난화 기후 위기를 극복하기 위해 화석 에너지 사용을 줄일 수 있는 친환경 기술 개발에 이목이 쏠리고 있다. 에너지 절약을 위한 저비용의 수단으로써 적외선(Infrared, IR)차단 필름은 많은 관심을 받는 연구 분야이다1). 적외선은 가시광선보다 긴 파장을 가지는 빛이며, 물질에 흡수가 잘 되고 흡수된 광에너지는 열로 바뀐다. 전 세계 에너지의 약 1/3은 건물에서 쓰이고 그 중 50% 이상의 에너지는 내부 공간의 냉난방이나 조명에 사용되며 에너지의 상당 부분은 건축자재의 햇빛 흡수 및 창문을 통한 IR 통과와 관련이 있다2). 특히 냉방 시스템으로 인한 에너지 사용은 지구 기후 변화나 경제성장으로 인한 에너지 소비 증가에 따라 2100년까지 약 40배 증가할 것으로 예상된다3).
따라서 건물이나 자동차의 내부 온도를 높이는 주된 요인인 햇빛으로 인해 유입되는 열을 차단하면 냉방 에너지를 크게 줄일 수 있다. 자외선(Ultraviolet, UV)은 일상생활에서 눈병이나 피부 노화, 피부암, 면역 억제 등을 비롯한 질병을 유발할 수 있다4). 또한 내부 인테리어와 가구, 의류, 바닥재 등 탈색 및 변색을 유발한다. 따라서 IR과 UV 차폐 기능을 가진 투명한 소재의 필름을 건물이나 차량의 윈도우에 활용한다면 냉방 효율 개선과 제품의 탈변색을 방지할 수 있고 거주자나 차량 탑승자의 anti-aging 개선에도 도움이 된다5,6). 실생활 분야 외에도 군사적 목적에서 IR 차폐 스텔스 기술이나 자외선과 적외선 영역의 파장을 포함하고 있는 전자기파의 차폐를 이용한 전자기 펄스(Electromagnetic Pulse, EMP) 방호기술 개발에도 기여할 수 있을 것으로 기대된다7,8).
스텔스 기술은 적의 지상, 해상 및 항공기 탑재 레이더로부터 아군의 항공기나 함정, 지상무기 등이 탐지될 수 있는 확률을 낮추기 위한 종합적 기술이다9). 그 중 침투나 은폐 및 심층 공격 능력을 향상시키기 위해 스텔스 기술 연구의 중요성이 대두되고 있다. 기술 고도화로 인해 전술 미사일에서 스텔스의 기술 탐지 시스템이나 미사일 등 코팅 및 구조체의 재료가 지속적으로 연구 및 개발될 필요성이 증가하고 있다10). 군사적 목적에서 스텔스 기능은 Infrared (IR)을 차단하는 것이다. IR은 열에너지를 포함하고 있기 때문에 적군이 적외선 탐지 시스템으로 아군의 위치를 확인할 수 있고, IR의 열에너지로 인해 군사 운송체의 내부 성능이 저하될 수 있기 때문이다11,12,13,14). 아울러 현재 사용되고 있는 Missile Approach Warning (MAW)이나 Radar Absorption Material (RAM)기술은 상당한 고가이며 기술원리가 복잡하여 군 전반에 광범위하게 적용되기 어렵다는 단점을 가지고 있다15,16). 따라서 IR을 효과적으로 차단할 수 있으면서 단가를 낮추고 공정이 간단한 코팅필름은 스텔스 기술에 활용될 수 있다.
Transparent Conductive Oxide (TCO) 중 하나인 Indium Tin Oxide (ITO)은 가시광선 투과율이 약 90%로 높다. ITO는 근적외선 영역에서는 표면 플라즈몬 공명(Surface Plasmon Resonance, SPR)에 따른 흡수 기능을 가진다. SPR은 금속 표면에 빛이 조사되었을 때 빛의 외부 전계에 의해 금속 표면의 자유전자가 집단에서 진동하는 현상이다. SPR 흡수는 SPR 이 일어나고 있을 때 빛 에너지가 표면 플라즈몬으로 변환되는 것에 따라 특정 파장의 빛이 흡수되는 것을 의미한다. ITO의 가시광선 영역에서는 SPR 흡수는 존재하지 않고 근적외선 영역에서는 SPR 흡수가 일어난다. 따라서 ITO는 적외선 차단 재료로 사용될 수 있다17). ITO는 비저항이 낮으며 3.5 ~ 4.3 eV 정도의 넓은 Energy Band gap을 가지고 있어 자외선 차폐 필름으로써도 활용될 수 있다18). ITO 박막에 중간 금속층을 삽입하면 TCO 기반 전극의 투명도와 전도성을 높일 수 있다19).
Oxide/Metal/Oxide (OMO) 다층박막 구조는 상하부의 산화물 박막이 금속 박막을 산화 및 열화에 의한 특성 저감을 방지하며, 전기적 특성을 유지하면서 전체 구조의 내구성을 증대하게 한다. OMO 구조는 단일 박막에 비해 높은 투과율을 가진다. 또한 산소 사이 금속층에 Surface Plasmon effect가 발생하여 OMO 구조의 광학적 특성이 향상될 수 있다.
OMO 구조의 Metal 층으로 Ag를 사용하면 비저항이 낮으므로 전기전도도가 높아 전도성 필름으로써 특성이 우수하다. 또한 금속 박막 양쪽에 적층된 반도체나 유전층은 가시광선 영역에서의 금속의 반사를 억제하고 선택적인 투명 효과를 부여할 수 있다20). 또한 Ag는 가시광선 투과율이 높고 적외선 스펙트럼 범위에서 반사율이 높다21).
Fig. 1은 ITO/Ag/ITO (OMO) 구조의 필름 과 ITO/Ag/ITO/Ag/ITO (OMOMO) 구조의 필름을 투과하는 빛의 거동을 보여주는 도식이다. Oxide/Metal/Oxide/Metal/Oxide (OMOMO)구조는 브래그 법칙과 스넬의 법칙의 원리에 입각하여 빛이 투과될 때 ITO와 금속의 반사지수 차이로 인해 빛은 각 층마다 전송되거나 반사된다. 전송과 반사가 반복되면서 반사율이 증가하고 SPR이 일어난다. 또한 물질 간의 굴절률 차이로 인해 빛은 굴절되고 경로가 변경되며, 다층구조에서 과정을 반복한다22,23). ITO의 반사 지수는 2.1로 높고 Ag는 0.14로 낮다. 이 값이 다르므로 빛이 그대로 통과되지 않고 빛의 입사각과 이동 경로가 증가하여 장파장 영역의 반사율이 증가한다. 브래그 법칙에 따라 다층박막에서 빛의 반사율은 박막의 층수에 비례하여 증가한다24).
본 연구에서는 ITO/Ag/ITO 구조의 필름과 ITO/Ag/ITO/Ag/ITO 구조의 필름의 각 층 두께를 가변하여 비교 분석함으로써 OMO 필름에서 metal-oxide 다층박막을 추가하였을 때 시인성에 방해가 되지 않으면서 적외선 차폐도 향상을 확인하였다. 또한 에너지 절약을 위한 냉방 효율을 개선하고, 더불어 군용 스텔스에 활용할 수 있도록 적외선 반사율을 높이는 방향으로 투과율과 반사율 및 전자파 차폐 성능을 고찰하였다.
2. 실험 방법
본 실험에서는 OMO 구조의 필름을 만들기 위해 기판으로 PET를 사용하였다. Oxide 층에는 ITO를 사용하고 Metal 층에는 Ag를 사용하여 실험을 진행하였다. ITO/Ag/ITO 필름의 가운데 Ag층은 20 nm로 고정하고 상하부 ITO층을 30 nm, 35 nm, 40 nm로 두께를 가변하여 증착하였다.
증착 공정은 Physical Vapor Deposition (PVD)방식의 Magnetron Sputtering System (SNTEK-12SN048)을 사용하여 진행하였다. ITO는 Room Temperature (27℃)에서 RF 50 W, Ar flow 50 sccm, 공정압력 7 mtorr, Ag는 Room temperature에서 DC 50 W, Ar flow 50 sccm, 공정압력 5 mtorr의 조건에서 증착을 진행하였다. Oxide층에는 ITO를 사용하고 Metal층에는 Ag를 사용하여 OMOMO 구조의 필름을 제작하였다. 실제 제작하기 전 최적의 조건을 찾기 위해서 Digital Simulator인 Macleod Program (Digiclassic, USA)을 사용하여 최적화를 진행하고, OMO 구조의 필름의 특성과 비교하였다. 최적화는 기판을 PET로 설정하고 기판의 두께를 실제 제작 시에 사용하는 기판의 두께와 근사한 125 μm로 설정하고, OMOMO 구조의 두께는 100 ~ 300 nm의 자외선의 파장대의 빛은 투과율이 1% 이하, 가시광선의 파장대의 빛은 시인성이 가장 좋은 550 nm 기준으로 투과율이 70% 이상, 780 ~ 1400 nm의 적외선 파장대의 빛은 반사율이 75% 이상이 되도록 설정하였다.
결과적으로 각 기판의 두께는 ITO 30 nm/Ag 10 nm/ITO 70 nm/Ag 10 nm/ITO 30 nm로 최적화되었다. 이를 기준으로 Ag의 두께를 10 nm, 15 nm로 가변하여 적외선 영역에서 반사율이 높은 필름을 제작하였다. 필름의 광학적 특성을 측정하기 위해 UV-vis spectrophotometer (UV-2600)을 통해 광학적 투과율과 반사율을 측정하였고 면저항(Sheet Resistance, Ω/□)을 측정하기 위해 4-Point Probe (CMT-100S/J)를 사용하였고 필름의 구조를 관측하기 위해서 전계 방출형 주사 현미경(FE-SEM 7001F)을 사용하였고, 전자파 차폐 성능을 검증하기 위해 Electromagnetic Interference Shielding Efficiency (EMI SE)는 식을 일반화하여 표면 저항을 대입해 도출하였다.
3. 본 론
금속 삽입된 금속 산화물(OMO) 구조를 제작하여 기본 성능을 측정하기 위해서, PET 위에 ITO/Ag/ITO 구조의 필름을 증착하였다. PET는 인간의 눈이 명소시일 때 광반응 곡선의 최대치와 가까운 파장인 550 nm에서 투과율이 89.8%이고, 1400 nm에서 반사율이 9.4%이다. 투과율을 확보하면서 적외선 파장 영역대에서의 반사율을 높이기 위해 ITO는 30 nm, 35 nm, 40 nm로 두께를 가변하고, Ag는 20 nm로 고정하여 광학적 특성과 전기적 특성을 분석하였다.
Fig. 2(a)를 통해 550 nm에서 투과율이 상하부층을 모두 35 nm로 증착하였을 때 83.2%로 가장 높고 하부층을 40 nm, 상부층을 30 nm로 증착하였을 때가 70.2%로 비교적 낮은 것을 확인할 수 있다. 하지만 반사율은 ITO 하부층을 40 nm, 상부층을 30 nm로 증착하였을 때 근적외선 영역인 1400 nm에서 87.3%로 가장 높은 값을 갖는 것을 확인할 수 있다. 본 연구는 적외선 차폐의 기능을 증가시키는 것이 목적이므로 PET - ITO 40 nm/Ag 20 nm/ITO 30 nm의 조건이 가시광선 파장대의 투과율은 비교적 낮지만 시인성에 방해가 되지 않고, 근적외선 영역의 파장대인 1400 nm에서 반사율이 가장 높으므로 적외선 차폐에 더 적합한 것을 알 수 있다.
Fig. 2(b)는 주사전자 현미경(Field Emission Scanning Electron Microscope, FE-SEM)을 이용해 ITO/Ag/ITO 필름의 단면을 촬영한 사진이다. 단면 사진을 통해 각각의 두께가 하부 ITO 40 nm, Ag 20 nm, 상부 ITO 30 nm로 증착된 구조를 확인할 수 있다.
Fig. 3(a)는 ITO/Ag/ITO/Ag/ITO 구조의 필름의 구조도를 도식화하여 나타낸 그림이다. Fig. 3(b)를 통해 ITO/Ag/ITO/Ag/ITO 구조의 필름이 투명하고 유연한 필름임을 알 수 있다.
Fig. 4(a), (b)는 Macleod program으로 최적화한 두께의 값인 ITO 30 nm/Ag 10 nm/ITO 70 nm/Ag 10 nm/ITO 30 nm의 시뮬레이터 결과와 동일한 두께에서 실제 제작한 OMOMO 구조의 투과율 및 반사율 그래프이다. 또한 근적외선 영역의 반사율을 증가시키기 위해 상하부 금속층의 두께를 10 nm, 15 nm로 각각 가변하여 투과율 및 반사율을 비교하였다. Fig. 4(c)는 Essential Macleod program을 이용하여 도출한 최적화된 두께(30/10/70/10/30 nm)의 OMOMO 구조의 필름을 실제 증착하여 주사전자 현미경(Field Emission Scanning Electron Microscope, FE-SEM)을 이용해 ITO/Ag/ITO/Ag/ITO 구조의 단면을 촬영한 사진이다. 단면 사진을 통해 각 층의 두께가 ITO 30 nm/Ag 10 nm/ITO 70 nm/Ag 10 nm/ITO 30 nm로 증착된 구조를 확인할 수 있다.
Macleod program으로 최적화된 시뮬레이터 결과는 100 ~ 300 nm 파장대의 자외선 영역에서 0%의 투과율을 가지며, 550 nm 파장대에서 85.98%의 투과율, 근적외선 영역인 1400 nm 파장에서의 반사율은 94.19%를 가진다. 반면 실제 증착하였을 때, 550 nm에서 투과율이 74.59%이고, 근적외선 영역인 1400 nm 파장대에서 반사율이 73.48%인 것을 확인할 수 있다. 이는 실제 PVD 증착법 에서는 진공도, 공정 압력, 주변 대기환경 등 다양한 변수가 존재하지만 디지털 시뮬레이션 프로그램은 변수를 고려하지 않고 이상적인 결과를 제시하기 때문에 발생한 오차이다. 실제 증착한 필름에서의 적외선 반사율이 ITO/Ag/ITO 구조 필름보다 낮게 측정되었으며, 적외선 반사 제어를 위해 적외선 파장대에서 우수한 반사율을 가지는 Ag층의 두께를 5 nm씩 가변하였다.
그 결과, 상하부 Ag층을 모두 15 nm로 증착하였을 때 1400 nm의 파장대에서 94.02%의 우수한 반사율을 가지며 550 nm의 가시광선 영역에서 65.43%의 투과율을 가져 시인성을 확보할 수 있고, 근적외선과 자외선 영역에서는 낮은 투과율을 갖는 필름임을 알 수 있다.
Table 1에서 OMO 구조의 ITO 두께 및 OMOMO 구조의 Ag 두께에 따른 투과율, 반사율, 표면저항 및 EMI SE 값을 나타내었다. 일반적으로 실용화하기 위해서 요구되는 전자파 차폐 계수(EMI SE)는 20 dB 이상으로 알려져 있다. EMI SE값이 20 dB일 때 전자기파를 99% 차폐하고, 30 dB 이상일 때 99.9% 차폐하는 것으로 알려져 있다. 따라서 제작한 필름들이 모두 전자파 차폐 계수가 30 dB 이상으로 전자파 차폐용으로 사용가능하다. 필름의 총 두께가 skin depth보다 매우 얇은 조건에서 식(1)을 따라 EMI SE 값을 도출할 수 있다. 본 연구에서 제작한 필름 중 최대 두께의 필름의 총 두께는 160 nm로 skin depth보다 매우 얇으므로 식(1)을 따라 EMI SE 값을 구할 수 있다. 이때 Z0는 자유 공간의 파동 임피던스로 377 Ω이고, Rs는 면저항 값이다.
Table 1
Optical and electrical properties of OMO and OMOMO films
Fig. 5는 PET - ITO 40 nm/Ag 20 nm/ITO 30 nm의 OMO 구조의 필름과 PET - ITO 30 nm/Ag 15 nm/ ITO 70 nm/Ag 15 nm/ ITO 30 nm의 OMOMO 구조의 필름의 투과율과 반사율을 비교하여 나타낸 그래프이다. OMO 구조의 필름 중 근적외선 영역에서 열에너지의 양이 가장 높은 780 nm와 근적외석 영역의 최장 파장인 1400 nm에서 가장 높은 반사율을 갖는 PET - ITO 30 nm/Ag 20 nm/ ITO 40 nm 구조의 필름의 투과율이 550 nm 파장에서 70.23%이고 1400 nm 파장에서 반사율이 87.31%이다. OMOMO 구조의 필름 중 근적외선 영역인 1400 nm에서 가장 높은 반사율을 갖는 ITO 30 nm/Ag 15 nm/ ITO 70 nm/Ag 15 nm/ ITO 30 nm의 OMOMO 구조에서는 550 nm 파장에서 투과율이 65.43%, 1400 nm 파장에서 반사율이 94.02%임을 확인할 수 있다.
4. 결 론
본 연구는 기존의 OMO･구조에 metal-oxide 기반의 다층박막 구조를 추가한 OMOMO 구조를 제작하여 우수한 가시광 투과율을 가지면서 적외선 파장대의 파장을 더욱 효과적으로 차단하는 필름을 제작하였다. ITO를 금속 산화물층에 사용하고, Ag를 금속층에 사용하여 제작한 OMO 구조의 필름과 Macleod Program으로 최적화한 두께의 OMOMO 구조의 필름을 제작해 필름의 투과율과 반사율을 비교하였다.
OMO (40/20/30 nm) 구조의 필름의 투과율은 인간의 눈이 명소시 일 때 광반응 곡선의 최대치의 파장인 550 nm에서 70.23%이고, 반사율은 근적외선 파장대인 1400 nm에서 87.31%이다. OMOMO (30/15/70/15/30 nm) 구조의 필름은 550 nm에서 투과율이 65.43%로 사람이 관측할 수 있는 최소 투과율인 40% 보다 현저히 높으므로 시인성에 방해가 되지 않고, 적외선 반사율은 1400 nm에서 94.02%로 근적외선 차폐 성능이 매우 우수하다. 또한 표면저항이 1.78 Ω/□으로 EMI SE 값이 40.59 dB을 가지므로 전자파 차폐율이 99.9% 이상임을 알 수 있다.
OMOMO 구조의 필름은 기존의 OMO 구조보다 우수한 적외선 반사도를 보이며 다양한 파장대에서 투과도를 더욱 유연하게 제어할 수 있다. 건물과 자동차의 창문에 부착해 에너지효율 향상과 더불어 시인성을 확보하면서 자외선 영역의 파장을 차단해 인체에 미치는 악영향을 최소화할 수 있을 것으로 기대된다. 전자파 차폐 기능을 이용해 EMP 방호기술 개발에 기여할 수 있으며, 실생활에서는 디스플레이 등 전자제품의 다양한 분야에 적용할 수 있을 것으로 예상된다. 또한 군사적 운송체의 전면부에 장착하여 적의 적외선 탐지기술로부터 자유로워질 수 있고, 태양의 적외선으로부터 발생한 열에 의해 군사 기기의 내부 성능이 저하되는 문제를 해결할 수 있을 것으로 전망된다.
