1. 서 론
최근 반도체 소자와 관련하여 다양한 연구와 논의가 활발히 진행되고 있다1,2). 금속 산화물 반도체 중에서도 투명하면서 전기적 특성을 가지는 TCO (Transparent Conductive Oxide)구조는 투명 전극으로써 활용될 수 있으며 TCO 중에서도 ITO (Indium Tin Oxide)에 대한 연구가 다양하게 진행되고 있다3).
ITO는 n-type의 금속 산화물 반도체로 가시광 파장대의 Photon Energy보다 더 큰 약 3.5 eV - 4.3 eV의 Energy Bandgap을 가지기 때문에 가시광선 영역에서의 흡수가 이뤄지지 않고 해당 영역에서 높은 투과성을 가진다4). 다만, ITO의 재료인 인듐의 경우 제한된 매장량으로 인하여 가격이 경제적이지 못하고 제작 과정 중 고온의 열처리 과정을 거치기 때문에 ITO의 단일 구조만으로는 유연한 투명 전극 소자에 사용하기가 제한되는 상황이다. 이를 개선하기 위해서 경제적이고 매장량이 많은 금속 산화물을 사용하거나 금속 산화물–금속-금속 산화물 형태인 OMO (Metal oxide/Metal/Metal oxide) 구조의 사용이 주목을 받고 있다5,6,7,8,9). OMO 구조는 금속 산화물층에 TCO를 사용함으로써 투명한 특성을 가지고 금속층을 통해 전기적 특성까지 확보할 수 있다는 장점이 있다. 또한 ITO의 주재료로 사용되는 인듐의 수급이 불안정하면서 발생하는 공급 불균형 문제에 의한 가격의 부담을 완화할 뿐만 아니라 유연한 필름에 적용 시 파손될 위험도 줄일 수 있다10). 이처럼 효율적이고 뛰어난 광투과적 특성을 가진 OMO 구조의 필름을 제작한다면 자체의 투명성을 통해 넓은 시야와 채광을 확보할 수 있는 장점이 있다11). 또한 유연성도 가지고 있어 평판뿐만 아니라 부착형 필름으로써 다방면에서 활용이 가능하다12).
한편 태양광 스펙트럼에서 자외선 UV (Ultraviolet Rays) 영역 대는 인체가 지속해서 노출될 경우 치명적인 피부 손상을 일으키고 적외선 IR (Infrared Ray) 영역 대는 건물 내부의 열을 건물 외부의 열과 평행을 맞추기 위해 유입 또는 방출하여 건물 내부를 냉, 난방을 위한 효율적인 에너지 관리를 어렵게 한다13,14). 이들은 필름을 통한 흡수 또는 반사를 활용하여 투과율을 최소화해야 하는 대상이며 가시광선 VR (Visible Rays) 영역 대는 사람의 눈에 명소 되는 빛이기 때문에 투과성을 높여야 하는 대상이다15). 파장대별 투과율을 조정하여 투명하면서 자외선은 차단할 수 있고 동시에 건물 내외부의 열 유입을 최소화하는 필름을 제작한다면 건축, 산업 분야에서 에너지 효율 증대 목적으로 다양하게 적용될 수 있을 뿐만 아니라 자동차의 wind shield, 전자기기의 디스플레이, 웨어러블 기기 등에도 적용될 수 있다16,17). 따라서 이러한 투명성과 기능성을 가진 필름을 효율적으로 제작하기 위해서는 소자의 특성과 목표 수치에 맞는 두께를 분석하여 제작하는 것이 효과적이기 때문에 예측값을 도출할 수 있는 시뮬레이션 프로그램을 사용하는 것이 효과적이다18). 예측 값을 도출할 수 있는 시뮬레이션 프로그램으로는 Filmtrics의 Reflectance Calculator와 Digiclassic의 Macleod Program이 있다. 두 프로그램 모두 다양한 물질 및 두께에대한 광학적 투과도 및 반사도 등을 예측할 수 있는 프로그램이지만 Reflectance Calculator는 200 nm에서 2000 nm까지의 파장대에서만 분석이 가능한 반면 Macleod Program은 10000 nm 이상의 넓은 파장대에서의 분석이 가능하며, 목표 투과도 및 반사도 수치를 설정하여 최적화 시뮬레이션도 가능하다는 등 다양한 범용성이 있으므로 본 연구에서는 Macleod Simulation Program을 활용하여, 증착 물질과 해당 두께에 따른 투과율을 예측하는 데 활용하였다.
높은 투과도 성질을 가진 필름을 제작하기 위해서는 투명 전극을 활용할 필요가 있기 때문에 TCO 중에서 ITO, ZnO (Zinc Oxide), AZO (Aluminum doped Zinc Oxide)로 증착된 구조의 특성을 비교 분석하고 실제 필름을 제작하기 전 Macleod Program을 사용하여 다양한 파장대와 물질에 대한 Digital Simulation을 진행하였다. 이후 측정된 데이터를 바탕으로 최적의 광투과적 특성을 가진 필름을 제작하였다. 본 연구는 Macleod Program을 통해 도출된 최적화 투과율 값과 실제 제작 필름의 투과율을 분석하고 각 파장대에 따른 투과율을 비교하여 프로그램에 대한 신뢰성을 파악하였다. 또한, 최적화 값을 바탕으로 PET (Polyethylen Terephthalate) 기반 OMO 구조의 필름을 제작하였으며, 3개의 물질 중 필름의 최적 물질과 두께가 무엇인지 파악하기 위해 그래프와 데이터를 비교 및 분석하였다. 이를 바탕으로 실제로 제작했을 때의 값과 예측한 값의 차이를 비교하여 Macleod Simulation Program의 신뢰성과 향후 활용성을 분석하였다.
2. 실험방법 및 필름제작
2.1 Digital Simulation
해당 필름을 실제로 제작하기에 앞서 Digital Simulator인 Macleod Program을 사용하여 최적화된 예측값을 도출하였다. Macleod Program은 Digiclassic에서 제작한 Essential Macleod Program을 사용하였다. Fig. 1은 Essential Macleod Program에서 투과도 예측을 위해 사용한 각 층의 두께를 입력한 표이다. Substrate는 PET로 설정하였고 두께는 실제 제작 시에 사용하는 PET와 근사한 125 µm로 설정하였으며 최적화 이전의 비교군으로 사용할 OMO 구조는 ITO와 Ag (Silver)에 관한 것으로 초기 두께는 임의적으로 설정한 구조 중 광투과적 특성이 우수한 ITO/Ag/ITO-30/15/30 nm 구조로 설정하였다.
Macleod Program에서는 해당 금속 산화물질과 두께를 임의로 설정한 뒤, Refinement-Target-Generate Target 순서를 거쳐서 목적하는 파장대에서 목표로 하는 투과율을 설정한다. 필름은 자외선 파장대는 차단하고 적외선 파장대의 빛을 흡수하며 가시광의 투과율은 높은 3가지의 조건을 만족해야 하므로 100 - 300 nm의 자외선 파장대의 빛은 투과율(Transmittance) 1% 이하, 가시광선 파장대 중에 시인성이 가장 좋은 550 nm를 기준으로 투과율 70% 이상, 780 - 1400 nm의 적외선 파장대의 빛은 투과율 20% 이하가 되도록 설정하였다. 이후 물질과 두께, 원하는 투과율을 설정한 뒤에 최적화된 값을 도출해야 하므로 Refinement-Simplex 하여 최적화된 값을 확인하였다. 목표하는 투과율을 제시하는 필름의 최적화된 두께를 확인하기 위해 Simplex를 한 결과 ITO/Ag/ITO 구조의 필름의 두께는 35/20/30 nm로 가변 되었다.
해당 필름의 투과율을 분석해본 결과 100 - 300 nm 파장대의 자외선 영역에서는 0%의 투과율을 보이고 사람 눈에 명소 시에 가장 큰 영향을 끼치는 550 nm 영역에서 71% 투과율, 780 nm에서 1400 nm의 적외선 영역에서 24 - 5% 투과율을 보였다. 이는 투명하면서도 인체에 유해한 자외선 빛은 차단하고 적외선 영역의 빛 또한 흡수하여 실내외 열 유입을 차단하는 반도체 필름임을 알 수 있다.
Fig. 2는 최적화 진행 전후의 필름의 투과도를 비교 분석한 그래프이다. 최적화 이전 30/15/30 nm 두께의 필름과 비교하였을 때 550 nm의 가시광 영역에서 82%, 적외선 영역에서 37 - 9% 투과율을 보였고, 최적화 진행 후엔 Ag 두께의 증가로인해 투과도가 감소하여 550 nm의 가시광선 영역의 투과도는 11% 감소하였으나, 적외선 영역의 투과도 또한 780 - 1400 nm 파장대에서 10% 가량 감소하여 투명한 특성은 유지하되, 적외선 영역의 투과도가 비약적으로 감소하여 열유입 차단 효과가 더욱 증대될 것으로 판단된다.
또한 다양한 금속 산화물 중 투과 효율을 높이는 데 있어 최적의 물질이 무엇인지 알기 위해 ITO뿐만 아니라 ZnO, AZO 등에 대해서도 Macleod Simulation을 진행하였다. 초기 설정 두께는 OMO-PET 모두 ITO 실험과 동일하게 진행하였으며 목표한 투과율도 같게 설정하였다. 그 결과 금속 산화물을 가변하여도 최적화 후에 기존의 필름보다 가시광선 영역의 투과도가 일정 부분 감소하지만, 적외선 영역의 투과도도 감소하는 것을 Fig. 3을 통해 알 수 있다.
한편 Fig. 3의 (c)를 통해 금속 산화물을 가변하여도 100 - 300 nm의 자외선 영역에서는 큰 차이가 없는 것을 알 수 있다. 이는 금속 산화물의 Energy band gap이 3.5 eV - 4 eV이기 때문에 단파장 대의 빛을 흡수하기 때문이며, 비교군과 대조 시에 550 nm 영역에서 11% 차이가 나지만 투과율이 가장 작은 ITO 필름의 투과율은 71%이다. 그리고 적외선 영역에서는 ITO 필름이 24 - 5%의 투과율을 보이는 반면, ZnO, AZO 필름은 28 - 7%의 투과율을 보이는 것을 확인하였다. 이러한 Macleod Simulation Program 결과를 기반으로 금속 산화물을 이용하여 투명하면서도 자외선과 적외선 파장대의 빛을 최소로 투과함을 알 수 있었고 ITO의 가시광선 및 적외선 파장대의 투과성 특징이 가장 적합하다고 판단되어 이를 만족하는 필름을 직접 제작하게 되었다.
3. 결과 및 토의
Fig. 4의 (a)는 Essential Macleod program을 이용하여 최적화가 된 두께로 증착하여 만든 필름의 실제 모습이며, 가시광 영역에서 투과율이 감소하기는 했으나 사람의 눈에 명소시 투명하다는 것을 확인하였다. Fig. 4의 (b)는 UV-vis 분광광도계(UV-2600)을 이용하여 제작한 필름의 투과도를 측정하여 그래프로 나타낸 것이다. 이 그래프를 바탕으로 각 OMO 구조의 자외선, 가시광선 및 적외선의 투과도를 분석하였는데 가시광 영역인 550 nm에서 71%, 780 - 1400 nm의 파장에서는 31 - 6%의 투과도를, 100 - 300 nm의 파장에서 투과도가 0%인 것을 확인할 수 있다. 즉 적외선 및 자외선 영역에서 차단 및 흡수 효과가 우수한 필름임을 알 수 있다.
Fig. 5은 보다 정밀한 결과와 실제 증착 구조를 확인하기 위해 전계 방출형 주사 현미경(Field Emission Scanning Electron Microscope, FE-SEM)을 사용하여 투명 전극을 촬영한 모습이다. PET 구조의 투명 전극은 PET 층의 두께가 125 µm로 얇아 방출형 주사 현미경으로 촬영 시에 해당 증착 구조를 확인하기가 매우 어려우므로 실리콘 기판에 동일한 OMO 구조를 증착하여 관찰하였고 ITO/Ag/ITO의 구조와 두께는 PET 구조의 투명 전극과 동일하게 제작하였다. 150,000배 확대하여 촬영하였고 OMO 구조의 두께는 하부 ITO는 30 nm, Ag는20 nm, 상부 ITO는 35 nm이다. ITO 기반의 OMO 구조를 이용한 빛의 투과에 대한 Tuning을 위해서, ITO 두께와 Ag 두께를 가변하는 연구를 진행하였다. 기존의 사양은 ITO/Ag/ITO가 각각 30/15/30 nm이었으나, 조금 더 두꺼운 구조를 위해서 35/20/30 nm의 OMO를 제작하였다.
Fig. 6은 Macleod Program 값과 실제로 제작한 샘플의 투과도를 측정한 그래프이며, 시뮬레이션 결과와 비교하여 10% 가량의 오차가 있기는 하나 실제 제작 시에도 파장대별로 투과도의 조율이 가능한 것을 확인하였다. 실제 제작한 ITO/Ag/ITO-35/20/30의 경우 ITO/Ag/ITO-30/15/30보다 두꺼운 ITO 층과 Ag 두께를 가지고 있으므로, 가시광 영역에서의 투과율은 9% 정도 감소하였다. 그러나 적외선 영역에서는 오히려 10% 이상 감소하여 개선된 투과율을 보이고 있다. 이러한 결과는 금속 산화물 또는 금속의 두께를 가변하여 원하는 파장대의 투과도를 능동적으로 조율할 수 있는 것을 의미한다. 투과도의 확보와 적외선 혹은 자외선 파장대의 빛을 효과적으로 차단 혹은 투과하면, 에너지의 효율적인 이용 분야에 활용할 수 있다. 또한 적외선을 효과적으로 차단하는 특징을 이용하여서는, 군사용(Military application) 활용도 가능할 것으로 예상된다.
4. 결 론
본 연구에서는 Essential Macleod Program을 통한 예측값을 바탕으로 최적의 OMO 구조의 필름을 제작하였다. Macleod Program의 ITO-Ag-ITO 구조에서 각각의 두께를 최적화한 결과 35/20/30 nm로 설정되었고 해당 증착 두께에서 투과율은 자외선 영역에서는 완전흡수(차단 100%, 투과율 0%), 가시광선 영역 중 시인성이 가장 좋은 550 nm 영역에서 71%, 780 nm에서 1400 nm의 적외선 영역에서는 24 - 5%의 투과율을 얻을 수 있었다. 이는 최적화 이전의 투과율과 비교 시에 적외선 영역에서 개선된 투과율을 보였으며 해당 디지털 시뮬레이션의 최적화 결과를 바탕으로 35/20/30 nm의 구조를 실제 제작한 결과 가시광선 영역에서 71%, 적외선 영역에서 31 - 6%의 투과율을 확인하면서 투명하고 적외선 차단율이 개선된 필름을 제작하였다.
Macleod Program의 예측 값과 실제 결과 비교시, 가시광선 및 적외선 영역에서는 약 10%의 오차가 발생하였다. 이는 실제 공정 시 증착 파워의 세기 및 다양한 환경조건에 의해 발생하는 오차로 이상적인 값을 제시하는 디지털 수치와 비교했을 때는 차이가 있다. 하지만 OMO 구조를 가지는 필름의 투과도가 550 nm에서 40% 이상이면 시인성을 방해하지 않는 투명도를 확보한 것으로 판단의 근거를 두었다. Essential Macleod Program이 제시하는 최적화된 두께로 실제 필름을 제작하였을 때 특정한 파장대에서 개선된 투과율을 보이며 원하는 파장대의 투과율을 조절할 수 있음을 확인함으로써 Essential Macleod Program을 기반으로 투명도를 예측하여 투명 전극을 설계하는 것이 상당히 효과적인 것을 확인할 수 있다.
효율적으로 제작된 필름은 향후 에너지 효율의 중요성이 강조되는 시기에 건축 분야 및 디스플레이 산업 분야에 적용될 수 있으며 투명소자와 관련하여 다양한 적용 방법을 모색할 수 있는 계기가 될 것으로 예상한다.
