KR101051662B1 - 휨 특성이 뛰어난 투명 전도막, 및 그것을 이용한 투명 전극 및 유기 전자 소자 - Google Patents
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Abstract
휨 특성이 뛰어난 투명 전도막, 및 그것을 이용한 투명 전극 및 유기 전자 소자가 개시된다. 본 발명에 따른 투명 전도막은, 기판; 상기 기판 상에 적층되며, 상기 기판의 표면을 평탄화시키는 평탄화 층; 상기 평탄화 층 위에 적층된 제1 절연체/반도체 층; 상기 절연체 또는 반도체 층 위에 적층된 금속 박막 층; 및 상기 금속 박막 층 위에 적층된 제2 절연체/반도체 층을 포함하는 것을 특징으로 한다.
투명 전도막, 투명 전극, 휨 특성, 기판, 평탄화, 절연체, 반도체
Description
본 발명은 투명 전도막, 및 그것을 이용한 투명전극 및 유기 전자 소자에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 유기 전자 디바이스(organic electronic device) 또는 유연성 전자기술(flexible electronics)에 적용이 가능하며, 휨 특성이 뛰어난 투명 전도막, 및 그것을 이용한 투명 전극 및 유기 전자 소자에 관한 것이다.
일반적으로, 유기 전자 디바이스는 차세대 디스플레이로 각광받는 유기 발광 소자(OLED: Organic Light Emission Device)와 유기 태양 전지(organic photovoltaic 혹은 organic solar cell), 그리고 유기 박막 트랜지스터(OTFT: Organic Thin Film Transistor) 등을 포함하는 유기 물질로 구성되는 전자 디바이스를 말한다.
또한, 유연성 전자기술은 전자 소자나 또는 그것으로 구성된 회로가 휘어지는 것이 가능한 전자기술을 통칭하는 것으로서, 무선 인식 태그(radio-frequency identification tag), 스마트 라벨 등에 활용되는 전자기술을 포함한다.
이와 같은 유기 전자 디바이스 또는 유연성 전자기술에는 투명전극이 적용되며, 일반적으로 전자 디바이스용 투명전극은 투명 전도성 산화물(TCO: Transparent Conductive Oxide) 형태의 물질을 유리 기판과 같은 투명한 절연 기판 위에 스퍼터링(sputtering) 진공 증착법 등을 사용하여 만든다.
이와 같은 투명 전도성 산화물로는 ITO(Indium Tin Oxide)나 IZO(Indium Zinc Oxide), FTO(F-doped Tin Oxide) 등이 많이 쓰이며, 이들 투명 전도성 산화물 막은 우수한 전도성과 광학적 투과율로 인하여, 디스플레이나 박막 태양전지와 같은 전자 장치에서 많이 활용되고 있다.
그러나 전자 디바이스의 형태가 다양화 되면서 기존의 투명 전도성 산화물 막은 여러 면에서 문제점을 드러내고 있다. 일예로, 대면적 디스플레이나 태양전지 등을 만들 때, 또는 고집적 회로에 선폭이 좁은 투명 전극이 필요할 때, 상기와 같은 투명 전도성 산화물 막은, 투명도를 일정 수준 이상 유지하면서 비저항을 더욱 낮추는 데에 한계가 있게 된다. 특히, 대면적이나 저온 호환 기판을 활용하기 위해 비정질로 만들 때는 더욱 더 한계를 보이기도 한다.
이러한 기존 투명전도성 산화물 막의 문제점을 개선하기 위해서 일본특허 JP2006-347807와 같이 투명 전도성 산화물 함량비나 제조 방법을 개선하여 비저항을 줄이는 방법이 연구 되고 있다. 또 종전에 사용하는 금속 산화물과 그 제조 공정을 그대로 사용하는 방법으로는 대한민국특허 2007-0047089와 같이 금속 산화물 한쪽 혹은 투명 전도성 산화물 막 가운데 전기 전도도가 우수한 금속을 매쉬(mesh) 층과 같은 구조물 형태로 삽입하거나, 대한민국특허 2008-0079891와 같이 양쪽의 투명전도성 산화물 가운데층에 전기 전도도가 우수하고, 광학적 흡수율(absorption)이 상대적으로 낮은 금속, 특히 은(Ag), 금(Au) 등을 최대 500Å두께로 삽입하는 방법이 있다.
그러나 상기와 같은 방법에서는 금속 산화물로 ITO, FTO 등을 사용하는데, ITO나 FTO 등의 금속 산화물 자체가 전도성을 띄기 때문에 투명도는 우수하나 면 저항이 15~100Ω/square 근처로 도선으로 사용하기에는 저항이 크다는 단점이 있다.
또한, 상기와 같은 방법에서는 전도와 관련된 문제점이 어느 정도 해결된다 하더라도, 종래의 투명 전도성 산화물 막은 유기 전자 디바이스 등에 큰 부가 가치를 부여할 수 있는 휨 특성이 매우 떨어지는 단점이 있다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 창안된 것으로서, 투명도 및 면전도의 성능이 뛰어나면서 휨 특성이 우수한 투명 전도막, 및 그것을 이용한 투명전극 및 유기 전자 소자를 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 투명 전도막은, 기판; 상기 기 판 상에 적층되며, 상기 기판의 표면을 평탄화시키는 평탄화 층; 상기 평탄화 층 위에 적층된 제1 절연체/반도체 층; 상기 절연체 또는 반도체 층 위에 적층된 금속 박막 층; 및 상기 금속 박막 층 위에 적층된 제2 절연체/반도체 층을 포함하는 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 기판은 PET(polyethylen terephthalate), PES(polyether sulfone), PEN(polyethylen naphthalate), 폴리이미드(polyimide)를 포함하는 유연성 재질로 구현되는 것이 바람직하다.
또한, 상기 평탄화 층은 고분자 층, 솔-젤 층, 스핀-온 글래스, 산화막, 황화막, 질화막 중의 적어도 하나로 이루어지는 것이 바람직하다.
또한, 상기 제1 절연체/반도체 층 및 상기 제2 절연체/반도체 층은, 각각 황화 아연(ZnS), 산화 텅스텐(WO3), 산화 아연(ZnO), 산화 티타늄(TiOx), 또는 그 각각의 혼성계를 포함하는 것이 바람직하다.
바람직하게는, 상기 제1 절연체/반도체 층 및 상기 제2 절연체/반도체 층의 두께는 1nm 내지 200nm의 범위 내에서 형성된다.
또한, 상기 제1 절연체/반도체 층은 서로 다른 종류의 복층으로 이루어질 수 있다.
또한, 상기 제2 절연체/반도체 층은 서로 다른 종류의 복층으로 이루어질 수 있다.
또한, 상기 금속 박막 층은 은(Ag), 금(Au), 구리(Cu)와 같이 광학적 소멸 계수가 낮고 전도도가 우수한 금속 또는 그 혼합물로 이루어지는 것이 바람직하다.
바람직하게는, 상기 금속 박막 층의 두께는 3nm 내지 50nm의 범위 내에서 형성된다.
상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 투명 전극은, 기판; 상기 기판 상에 적층되며, 상기 기판의 표면을 평탄화시키는 평탄화 층; 상기 평탄화 층 위에 적층된 제1 절연체/반도체 층; 상기 절연체 또는 반도체 층 위에 적층된 금속 박막 층; 상기 금속 박막 층 위에 적층된 제2 절연체/반도체 층; 및 상기 제2 절연체/반도체 층 위에 적층된 유기 반도체 층을 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기의 목적을 달성하기 위한 유기 전자 소자의 제1 실시 예는, 기판; 상기 기판 위에 적층된 하부 박막 층; 상기 하부 박막 층 위에 적층된 적어도 하나의 유기 박막 층; 상기 유기 박막 층 위에 적층된 제1 절연체/반도체 층; 상기 제1 절연체/반도체 층 위에 적층된 상부 금속 박막 층; 및 상기 상부 금속 박막 층 위에 적층되는 제2 절연체/반도체 층을 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 유기 전자 소자의 제2 실시 예는, 기판; 상기 기판 상에 적층되며, 상기 기판의 표면을 평탄화시키는 평탄화 층; 상기 평탄화 층 위에 적층된 제1 절연체/반도체 층; 상기 제1 절연체/반도체 층 위에 적층된 하부 금속 박막 층; 상기 하부 금속 박막 층 위에 적층된 제2 절연체/반도체 층; 상기 제2 절연체/반도체 층 위에 적층된 적어도 하나의 유기 박막 층; 및 상기 유기 박막 층 위에 적층된 상부 금속 박막 층을 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 유기 전자 소자의 제3 실시 예는, 기판; 상기 기판 상에 적층되며, 상기 기판의 표면을 평탄화시키는 평탄화 층; 상기 평탄화 층 위에 적층된 제1 절연체/반도체 층; 상기 제1 절연체/반도체 층 위에 적층된 하부 금속 박막 층; 상기 하부 금속 박막 층 위에 적층된 제2 절연체/반도체 층; 상기 제2 절연체/반도체 층 위에 적층된 적어도 하나의 유기 박막 층; 상기 유기 박막 층 위에 적층된 제3 절연체/반도체 층; 상기 제3 절연체/반도체 층 위에 적층된 상부 금속 박막 층; 및 상기 상부 금속 박막 층 위에 적층되는 제4 절연체/반도체 층을 포함하는 것을 특징으로 한다.
이로써, 본 발명에 따른 투명 전도막, 및 그것을 이용한 투명 전극 및 유기 전자 소자는 전도도와 연성이 우수한 금속을, 수-수십나노미터 두께의 균일하고 연속적인 금속박막을 도포하여 이를 주 전도층으로 이용함으로써, 유기 전자 장치에 충분한 면전도특헝을 확보하고 휨 특성을 획기적으로 개선할 수 있을 뿐만 아니라, 다층박막 구조를 이용하여 광 투과율을 동일 금속박막 자체에 비해 획기적으로 향상시킬 수 있게 된다.
유기 전자 디바이스는 이미 OLED같이 시장을 형성하는 단계에서부터 향후 큰 시장을 만들 수 있는 잠재력이 있다. 더욱이 이러한 유기 전자 디바이스에 휨 특성이 부가되면 다양한 범위의 제품에 적용이 가능하여 그 부가가치가 커진다. 하지만 현재까지의 기술로는 휨 특성이 뛰어나고, 투명도가 높으며, 면전도 특성이 뛰어난 투명 전극을 만들기가 불가능 하였다.
본 발명에 따르면, 금속 박막 층을 포함한 다층박막구조를 이용한 투명 전극을 이용한 유기 전자 디바이스는, 휘어지는 디스플레이, 의류같이 착용 가능한 디스플레이나 유기 태양전지 등에 적용이 가능하며, 지금까지 존재하지 않았던 새로운 제품의 시장을 유도할 것으로 기대한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 형태를 설명한다. 그러나 이하에 기재된 본 발명의 실시 형태는 당업계에서 평균적인 지식을 가진 자가 본 발명을 보다 용이하게 이해할 수 있도록 제공되는 것이며, 본 발명의 실시 범위가 기재된 실시 형태에 한정되는 것은 아니다.
도 1은 휴대성이 매우 우수하며 필요시 그 크기를 키울 수 있는, 유연성 기판에 형성된 OLED 디스플레이를 이용한 전자 장치의 개념도이다(출처:Stephen R. Forrest, "The path to ubiquitous and low-cost organic electronic appliance on plastic," Nature vol.428, pp.911-918, 2004).
휨 특성이 우수한 장치를 만들기 위해서는 기판, 전자소자를 구성하는 능동층과 더불어 일반 전극 및 투명 전극 물질의 우수한 휨특성이 보장되어야 한다. 이들 유연성 전자장치의 휨 특성은, 도 2에 나타낸 바와 같이 유연성 전자장치가 구부려지게 되는 곡률반경의 함수로 나타내어진다. 즉, 유연성 전자장치는, 임계 곡률반경 Rmin 이 존재하여, Rmin 이하의 곡률반경에서 휘어지게 되면 기계적 스트 레스를 견디지 못하고, 그 특성이 매우 악화된다.
따라서, 유연성 전자 장치를 이용한 전체 시스템은, 이점을 고려하여, 유연성 전자장치가 구부러지는 곡률반경이 임계 곡률반경보다 충분히 크도록 설계되어야 한다. 바꾸어 말하면, 임계곡률반경이 작으면 작을수록 전체 장치를 크기를 줄일 수 있을뿐더러, 설계마진이 크며, 형태나 동작 양태 면에서도 다양화가 가능하여, 유연성 전자장치의 응용성과 부가가치 극대화를 꾀할 수 있음을 의미한다.
기존 투명전극의 휨 특성에 대하여, G.-F. Wang et al.은, 잘 휘어지는 플라스틱 기판(substrate)위에 성막된 ITO 투명 전극의 경우, 3mm 의 곡률반경에서 휨 실험을 반복했을 때, 그 면저항이 급격히 증가하는 특징을 보인 바 있다(G.-F. Wang et al. Nanotech. 19, 145201 (2008) 참고.).
또한, 도 3에 나타낸 바와 같이, 플라스틱 기판에 성막된 ITO 전극을 곡률반경을 바꾸어 가면서 실험 했을 때 곡률반경이 15mm가 되면 50번 반복 구부림 후 면저항이 원래 값의 20배 이상 증가하고, 곡률반경이 더욱 줄어들 때 그 면저항이 기하급수적으로 증가함을 알 수 있다. 이는 투명전도성 산화막으로 쓰이는 물질의 연성이 좋지 않기 때문에, 구부림시 막에 골(crack)이 생기기 때문이다. 이러한 문제를 해결하기 위해서 일반적으로 전도성을 갖는 투명한 고분자 필름(conducting polymer film)을 이용하는 방법이 제시 된 바 있고, 대한민국특허 2008-0001333과 같이 탄소나노튜브(carbon nano tube)를 이용하여 투명 전극을 만드는 방법 등이 연구되었다. 하지만, 이런 방법들은 물질의 비저항이 커서, 여전히 그 활용 범위가 제한적이고, 특히, 고효율, 대면적 등이 필요한 많은 유기 전자 장치에 적용하기 엔 비실용적이다.
도 4a는 본 발명에 따른 투명 전극의 실시 예를 나타낸 도면이며, 도 4b는 본 발명에 따른 투명 전극의 다른 실시 예를 나타낸 도면이다.
도면을 참조하면, 본 발명에 따른 투명 전극은 고유연성 다층박막 구조의 투명 전도막(10, 20, 30, 40, 50)에 유기 반도체(60)가 적층되어 형성된다. 여기서, 투명 전도막(10, 20, 30, 40, 50)은 기판(10), 기판(10)에 적층되어 그 표면을 평탄화 시키는 평탄화 층(20), 평탄화 층(20) 위에 적층된 제1 절연체 또는 반도체 층(30), 절연체 또는 반도체 층 위에 적층된 금속 박막 층(40), 및 금속 박막 층(40) 위에 적층된 제2 절연체 또는 반도체 층(50)을 포함한다.
여기서, 기판(10)은 PET(polyethylen terephthalate), PES(polyether sulfone), PEN(polyethylen naphthalate), 폴리이미드(polyimide)를 포함하는 유연성 재질로 구현되는 것이 바람직하다.
또한, 평탄화 층(20)은 기판(10)의 표면의 거칠기를 완충하기 위한 것으로서, 고분자 층, 솔-젤 층, 스핀-온 글래스, 산화막, 황화막, 질화막 중의 적어도 하나로 이루어지는 것이 바람직하다.
또한, 제1 절연체/반도체 층(30) 및 제2 절연체/반도체 층(50)은, 각각 황화 아연(ZnS), 산화 텅스텐(WO3), 산화 아연(ZnO), 산화 티타늄(TiOx), 또는 그 각각의 혼성계(예를 들어, ZnWO3, ZnTiOx 등)로 이루어지며, 그 각각의 두께는 1nm 내지 200nm의 범위 내에서 형성되는 것이 바람직하다.
이때, 제1 절연체/반도체 층(30) 또는 제2 절연체/반도체 층(50)은 도 4b에 도시한 바와 같이, 그 각각이 서로 다른 종류의 복층 구조(35, 55)로 형성될 수도 있다.
또한, 금속 박막 층(40)은, 은(Ag), 금(Au), 구리(Cu)와 같이 광학적 소멸 계수가 낮고 전도도가 우수한 금속 또는 그 혼합물로 이루어지며, 그 두께는 3nm 내지 50nm의 범위 내에서 형성되는 것이 바람직하다.
상기와 같은 다층 박막 구조의 투명 전도막(10, 20, 30, 40, 50)은 유기 전자 소자의 상부 전극으로 이용되거나, 하부 전극으로 이용될 수 있으며, 유기 전자 소자의 상부 전극 및 하부 전극으로 모두 이용되는 시스루 형태로 구현될 수도 있다.
예를 들어, 유기 전자 소자는, PET, PES, PEN, 폴리이미드 등의 플라스틱으로 이루어진 기판 위에 고분자 층, 솔-젤 층, 스핀-온 글래스, 산화막, 황화막 또는 질화막의 평탄화 층을 적층하여 그 표면의 거칠기를 완화하고, 그 평탄화 층 위에 은(Ag), 금(Au), 구리(Cu) 등의 금속 또는 그 혼합물의 하부 금속 박막 층을 적층한 후, 그 위에 적어도 하나의 유기 박막 층을 적층한다. 그 후, 도 4a의 제1 절연체/반도체 층(30), 금속 박막 층(40), 및 제2 절연체/반도체 층(50)을 순차적으로 적층함으로써, 투명 전도막(30, 40, 50)을 유기 전자 소자의 상부 전극으로 이용할 수 있다. 또는, 유기 전자 소자는, 유리 기판과 같은 투명한 절연 기판 위에 ITO(Indium Tin Oxide), IZO(Indium Zinc Oxide), FTO(F-doped Tin Oxide) 등의 투명 전도성 산화물, 또는 Au, Ag 등의 금속, 또는 전도성 고분자나 탄소나노튜브 박 막과 같은 전도성 물질을 적층한 후, 그 위에 유기 박막 층을 적층하고, 그 위에 투명 전도막(30, 40, 50)을 형성할 수도 있다. 즉, 이 경우의 하부 전극은 종래의 전극 형성 방법에 의해 구현될 수도 있다.
또한, 유기 전자 소자는 도 4a와 같이, 기판(10), 평탄화 층(20), 제1 절연체/반도체 층(30), 금속 박막 층(40), 제2 절연체/반도체 층(50)이 순차적으로 적층된 구조 위에 적어도 하나의 유기 박막 층 및 상부 박막 층을 적층함으로써, 투명 전도막(10, 20, 30, 40, 50)을 유기 전자 소자의 하부 전극으로 이용할 수도 있다. 이때, 상부 박막 층은 Ag, Au, Cu 등의 금속 또는 그 혼합물, 또는 전도성 고분자나 탄소나노튜브 박막과 같은 전도성 물질뿐만 아니라, ITO, IZO, FTO 등의 투명 전도성 산화물로 형성될 수도 있다.
또한, 유기 전자 소자는, 도 4a와 같은 기판(10), 평탄화 층(20), 제1 절연체/반도체 층(30), 금속 박막 층(40), 제2 절연체/반도체 층(50)의 적층 구조 위에 적어도 하나의 유기 박막 층을 적층한 후, 제3 절연체/반도체 층, 금속 박막 층, 및 제4 절연체/반도체 층을 순차적으로 적층함으로써, 다층 박막 구조의 투명 전도막을 상부 전극 및 하부 전극으로 사용하는 시스루 형태로 구현될 수도 있다.
다층 박막의 광학적 투과율은 각 막의 복소 굴절율 (complex refractive index, n+ik) 또는 광학상수 (n, k)가 관심 파장에 대해 알려진 경우, 각 막의 두께가 주어지면, 이른바 특성행렬(characteristic matrix) 방법이나 전달행렬 (transfer matrix) 방법 등을 이용하여 예측이 가능하며, 이는 "박막광학 (Thin-Film Optics)"이라 불리는 분야에서 종래부터 널리 활용되어 온 기술로서, 해당분 야의 종사자들에겐 이미 잘 알려진 방법이므로 이론에 대한 상세한 기술은 생략한다[참고1: H. A. Macleod, Thin-Film Optical Filters, 3rd Ed. (IoP, Bristol, 2001), 참고2: L. A. A. Pettersson, L. S. Roman, and O. Inganas, "Modeling photocurrent action spectra of photovoltaic devices based on organic thin films," Journal of Applied Physics 86, 487(1999)].
도 5는 상기의 다층박막 구조가 미치는 광투과율 개선 효과의 일실시 예로 황화아연(ZnS)과 은 박막을 유리 기판/ ZnS(두께: dD1)/ Ag( 두께: 18 nm)/ ZnS (두께: dD2) 형태로 구성할 때의 광투과율을 550nm 파장에서 전달행렬 방법을 이용하여 구한 것이다. 주어진 예의 구조에서 최대 89%의 투과율을 얻을 수 있고, 그때의 황화아연의 두께는 각각 36nm, 37nm 이었다. 이론적인 계산 결과를 실제 실험결과로 확인한 결과, 황화아연의 두께를 각각 40nm, 40nm 로 하였을 때 최종적으로 87% 정도의 투과율이 얻어졌으며, 현재 상용되는 ITO 글라스의 투과율이 약 90%인 점 을 고려하면 거의 유사한 투과율 인 것을 알 수 있다. 이때의 면저항을 측정한 결과 6 Ω/square로 얻어 졌다. OLED 디스플레이 소자나 OPV 셀에 사용되는 ITO 글라스의 경우 면저항이 10-20 Ω/square 정도임을 감안하면 실시예의 구조의 전기적 특성의 우수성을 알 수 있다. 일실시 예에서 은이 사용된 이유는 광학상수 중 k 값이 작아 광소멸계수 a (extinction coefficient)가 작고, 전도도가 우수하기 때문이다. 유사하게 k 값이 작고 전도도가 높은 금속은 구리와 금이 있으며, 이에 국한되지는 않으나 본 발명의 구조의 금속 박막을 구성하는데 좋은 특성을 나타낸다. 다음 [표1]은 여러 금속 물질의 광학상수 값과 은(Ag) 대비 전기전도도를 나타낸다.
[표 1]
| 종류 | 상대적 전기 전도도 | n (@ 550nm) | k (@ 550nm) | a (@ 550nm) |
| Ag | 100 | 0.124 | 3.348 | 0.0764 |
| Cu | 94 | 0.950 | 2.577 | 0.0588 |
| Au | 67 | 0.346 | 2.731 | 0.0623 |
| Al | 57 | 0.963 | 6.700 | 0.1528 |
도 6에 나타난 바와 같이, 박막광학을 이용한 투과율 계산에 따르면, 금속 박막 층 상, 하에 위치하게 되는 절연체(또는 반도체) 박막 층은, k 값이 0에 가까워 높은 투명도를 띠어야 할 뿐 아니라, n값이 크면 클수록, 최대 투과율면에서 유리하다. 황화 아연(ZnS), 산화 텅스텐(WO3), 산화아연(ZnO), 산화티타늄(TiOx) 등이 그러한 물질의 좋은 예이다. 그러나 투과율이 무조건 높기만 한 것이 우수한 것은 아니며, 이는 전체 소자의 광전특성에 미치는 영향을 고려해서 결정되어야 한다.
특히, 기판 쪽에 인접한 절연체(또는 반도체)층은 전기적 역할은 할 필요가 없으며 광학적 투과율을 높이는 용도로만 사용되나 유기 소자에 인접한 나머지 절연체(또는 반도체) 층은 전하가 이동되는 층으로서 그 전기적 특성이 우수해야 한다. 즉, 전체 다층박막 전극이 OLED소자의 양극으로 사용되어야 하는 경우는 정공의 주입에 용이해야 하는데, 이때 금속 박막에서 절연 (또는 반도체) 층으로의 정공주입 장벽이 낮아야 하며, 또한, 절연 (또는 반도체) 층에서 유기층으로의 정공주입 장벽이 충분히 낮아야 한다.
이를 잘 나타내는 일 실시예로서, 도 7의 그래프에 의하면 ZnS (40nm) / Ag (15nm)/ ZnS (40nm) 에 기반한 전극과 ZnS (40 nm) /Ag (15 nm) /WO3 (5 nm) 에 기반한 전극을 표준적인 OLED 구조의 양극으로 활용했을 때의 광전특성의 차이가 뚜렷함을 알 수 있다.
즉, 투명도는 ZnS (40nm) / Ag (15nm)/ ZnS (40nm) 구조가 85% 이상으로, 65% 미만을 보이는 ZnS (40 nm) /Ag (15 nm) /WO3 (5 nm) 구조에 비해 훨씬 더 우수하나, 은에서 ZnS로 정공 주입시 높은 에너지 장벽과 ZnS층의 정공전달 능력의 부족 때문에 광효율도 매우 낮으며, 빛이 켜지기 시작하는 문턱전압도 매우 높게 된다.
반면, 산화 텅스텐인 WO3의 경우, 증착한 상태 그대로 특별한 처리를 하지 않아도, p-도핑된 것과 같은 상태로 금속과 인접시 공핍층의 두께가 매우 얇아 유효적으로 정공주입 장벽의 폭이 매우 작기 때문에 효과적인 전하의 터널링이 일어나 유효적으로 Ohmic 컨택을 구성하며, 그 일함수도 5.0 eV 내지 6.5 eV로 알려져있어, 대부분의 정공 전송용 유기 반도체의 에너지 레벨과도 잘 호환되어, 기존 ITO대비해도 동등 또는 더욱 우수한 성능을 보이게 된다.
상기의 예에서, 본 발명의 다층박막 구조가 갖는 광학적 투과율 향상 가능성, 금속박막을 통한 우수한 면전도 가능성, 그리고 유기소자에 인접한 절연(반도체)층이 가져야 할 요건 등에 관해 설명하였다. 그런데, 금속박막을 통해 우수한 면전도를 이루기 위해선 매우 중요한 요건이 있다.
물질의 비저항이 r 일 때 면저항 Rs는 ρㆇ (막의 두께)로 계산되어진다. 주 의할 것은 수-수십 nm의 매우 얇은 박막일 경우, 금속의 비저항은 벌크 상태의 비저항 보다 큰 것으로 알려져 있다[참고: J. M. Camacho and A. I. Oliva, Thin Solid Films, vol.515, no.4, pp. 1881-1885 (2006)]. 이는 필름의 불연속성과 표면 근처에서의 전하의 산란효과 등 때문인 것으로 알려져 있다.
이러한 점은, 수-수십 nm의 매우 얇은 금속 박막을 증착할 때, 그 금속막이 맞닿는 층의 거칠기 또는 층과 해당 금속막 사이의 특수한 상호작용 등에 의해 더욱 악화 될 수 있다. 특히, 도 8에서 보듯이 금속막이 고립된 섬 형태로 형성될 경우는 면전도가 사실상 이루어지지 못하는 경우가 발생할 수 있다. 도 8은 그러한 예로서, 현미경의 슬라이드 글라스로 쓰이는 유리 기판에 은 박막을 성막할 경우, SU8등과 같은 고분자 층을 이용하여 평탄화하지 않으면, 고립된 섬 형태의 은 박막 성장이 되어 결국 면전도가 이루어지지 못함을 보여준다. 반면, 상기의 고분자 층을 이용하여 평탄화 한 경우에는 동일 Batch에서 동시에 증착이 되었음에도 불구하고 고립된 섬구조가 아닌 상대적으로 균일한 박막 특성을 보여준다.
한 가지 더 주의를 갖고 보아야 할 것은, 도 8의 우측 그림에서 볼 수 있듯이, 절연/반도체 층으로 쓰이는 예로 들은 ZnS 박막층은 아래 기판의 거칠기를 완충해주는 역할도 한다는 것이다. 그러나 PET, PES, PEN 등과 같은 플라스틱이나 SUS와 같은 금속 포일형 유연성 기판은 그 거칠기가 매우 커서 고립된 섬 형태의 금속막 성장 가능성이 높으며, 따라서 평탄화 층을 사용하는 것이 필수적이다. 본 발명에서 개발한 다층박막구조를 이용한 투명 전극은 휨 특성에서 기존 ITO보다 월등히 뛰어난 특성을 보인다. 도 9는 PEN필름 위에 ITO가 증착된 휨 특성이 있는 ITO 기판과 여러 가지 두께의 박막 은(Ag) 층의 상, 하에 황화아연(ZnS)을 각각 40nm, 40nm를 삽입한 투명 전극을 여러 가지 크기의 반경(radius of curvature)을 갖는 원통을 이용해 50회의 휨 평가를 진행한 뒤 저항 변화를 측정한 것이다. 원통 크기가 줄어들면 ITO 기판의 저항은 급격히 증가하는 반면, 다층박막구조를 이용한 투명 전극은 저항 변화가 거의 없다.
이는 다층박막구조에서 전기를 이동시키는 통로가 되는 역할을 하는 것은, 중간 금속 박막 층이고, 금속은 그 자체의 특성상 연성이 좋아 휨 등의 외부 충격에 매우 강하기 때문이다. 반면, 투명전도성 산화물 막을 이용한 경우, 전기를 통하는 부분은 투명 전도성 산화물 막 전체가 되는데, 일반적으로 이들은 휨 특성에 매우 취약하기 때문에 표면 갈라짐(crack)이 발생하기 쉽고, 결과적으로 휨 평가 후 비저항이 크게 증가한다. 도 10은 본 발명의 다층박막 전극을 활용하여 OLED 소자를 만든 경우에도, ITO 보다 훨씬더 휨에 강한 특성을 보임을 잘 보여준다.
상기와 같은 사실로 볼 때, 발명자들은 금속 박막 층을 포함한 다층박막구조를 이용한 투명 전극은 본 발명의 목적으로 하는 휨 특성이 뛰어남과 동시에 투명하고, 비저항이 낮으며, 유기소자에 인접한 절연(또는 반도체) 층을 잘 선택할 경우, 휨 특성과 소자 특성이 우수한 유기전자 장치를 구성할 수 있다는 결론이 도출된다.
이상에서는 본 발명의 바람직한 실시 예에 대해서 도시하고 설명하였으나, 본 발명은 상술한 특정의 실시 예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가 진 자라면 누구든지 다양한 변형 실시가 가능한 것은 물론이고, 그와 같은 변경은 청구범위 기재의 범위 내에 있게 된다.
도 1은 휴대성이 매우 우수하며 필요시 그 크기를 키울 수 있는, 유연성 기판에 형성된 OLED 디스플레이를 이용한 전자 장치의 개념도이다.
도 2는 유연성 장치의 휜 정도를 나타내는 곡률반경을 나타낸 도면이다.
도 3은 PEN 기판상의 ITO 전극을 주어진 곡률반경을 갖는 물체의 둘레에 맞추어 50회 반복하여 휘었을 때의 면저항을 나타낸 도면이다.
도 4는 본 발명에 따른 다층 박막 투명 전도막을 포함하는 투명 전극의 예를 나타낸 도면이다.
도 5는 박막광학을 이용한 투과율 시뮬레이션의 예를 나타낸 도면으로서, 550nm 파장에서 은(18nm) 양쪽에 황화아연(ZnS)을 삽입하였을 때, 최대 투과율 및 황화아연의 최적두께를 나타낸 도면이다(여기서, dD 1 = 기판(유리) 쪽 황화아연의 두께, dD 2 = 공기 쪽 황화아연의 두께)
도 6은 유리/절연체D1(두께 dD1)/은 (두께 18nm)/절연체D2(두께 dD2)을 광학적 투과율에 대해 최적화시 얻을 수 있는 최대 투과율을 절연체의 굴절율의 함수로 나타난 결과로서, 절연체 D1과 D2는 같은 종류 D로 가정한다.
도 7은 본 발명에 따른 다층 박막의 전극 구조가 OLED 소자 특성에 미치는 영향을 비교한 도면이다.
도 8은 10nm 두께의 은 박막을 증착했을 경우 기판에 따른 표면 형태를 비교한 도면이다.
도 9는 ITO 기판과, 본 발명의 예로서 ZnS와 금속 박막 층을 포함한 다층 박막 구조를 이용한 투명전극의 반복된 휨(50회)에 따른 면저항 평가 결과를 나타낸 도면이다.
도 10은 PEN 상의 상용 유연성 ITO 전극과, 본 발명의 예로서 PET/평탄층(SU8)/ZnS (40nm)/ Ag (20nm)/ WO3 (5nm)으로 된 다층 박막 구조를 이용한 유연성 투명 전극의 OLED를 제작하여, 반복된 휨(50회)에 따른 광 출력 특성 변화의 측정 결과를 나타낸 도면이다.
Claims (15)
- 투명 전도막에 있어서,기판;상기 기판 상부에 적층되며, 상기 기판의 표면을 평탄화시키는 평탄화 층;상기 평탄화 층 상부에 적층된 제1 절연체 층;상기 제1 절연체 층 상부에 적층되며, 광학적 소멸 계수가 낮고 전도도가 우수한 금속 또는 그 혼합물로 이루어진 금속 박막 층; 및상기 금속 박막 층 상부에 적층된 제2 절연체 층을 포함하며,상기 금속 박막 층의 두께는,상기 투명 전도막의 전기전도도 및 광학 투과율을 기반으로 결정되고,상기 제1 절연체 층 및 제2 절연체 층 중 적어도 하나는,상기 투명 전도막에서의 전하 주입(carrier injection) 특성에 따라 전하 이동층으로 이용되며, 황화 아연(ZnS), 산화 텅스텐(WO3), 산화 아연(ZnO), 산화 티타늄(TiOx) 또는 각각의 혼성계를 포함하는 것을 특징으로 하는 투명 전도막.
- 청구항 2은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.제 1항에 있어서,상기 기판은 PET(polyethylen terephthalate), PES(polyether sulfone), PEN(polyethylen naphthalate), 폴리이미드(polyimide)를 포함하는 유연성 재질로 구현되는 것을 특징으로 하는 투명 전도막.
- 제 1항에 있어서,상기 평탄화 층은 고분자 층, 솔-젤 층, 스핀-온 글래스, 산화막, 황화막, 질화막 중의 적어도 하나로 이루어진 것을 특징으로 하는 투명 전도막.
- 삭제
- 청구항 5은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.제 1항에 있어서,상기 제1 절연체 층 및 상기 제2 절연체 층의 두께는 1nm 내지 200nm의 범위 내에서 형성되는 것을 특징으로 하는 투명 전도막.
- 제 1항에 있어서,상기 제1 절연체 층은 서로 다른 종류의 복층으로 이루어진 것을 특징으로 하는 투명 전도막.
- 제 1항에 있어서,상기 제2 절연체 층은 서로 다른 종류의 복층으로 이루어진 것을 특징으로 하는 투명 전도막.
- 청구항 8은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.제 1항에 있어서,상기 금속 박막 층은 은(Ag), 금(Au), 구리(Cu) 중 적어도 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 투명 전도막.
- 청구항 9은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.제 1항 또는 제 8항에 있어서,상기 금속 박막 층의 상기 소정 두께는 3nm 내지 50nm의 범위 내에서 형성되는 것을 특징으로 하는 투명 전도막.
- 투명 전극에 있어서,기판;상기 기판 상부에 적층되며, 상기 기판의 표면을 평탄화시키는 평탄화 층;상기 평탄화 층 상부에 적층된 제1 절연체 층;상기 제1 절연체 층 상부에 적층되며, 광학적 소멸 계수가 낮고 전도도가 우수한 금속 또는 그 혼합물로 이루어진 금속 박막 층;상기 금속 박막 층 상부에 적층된 제2 절연체 층; 및상기 제2 절연체 층 상부에 적층된 유기 반도체 층을 포함하며,상기 금속 박막 층의 두께는,상기 투명 전극의 전기전도도 및 광학 투과율을 기반으로 결정되고,상기 제1 절연체 층 및 제2 절연체 층 중 적어도 하나는,상기 투명 전극에서의 전하 주입(carrier injection) 특성에 따라 전하 이동층으로 이용되며, 황화 아연(ZnS), 산화 텅스텐(WO3), 산화 아연(ZnO), 산화 티타늄(TiOx) 또는 각각의 혼성계를 포함하는 것을 특징으로 하는 투명 전극.
- 유기 전자 소자에 있어서,기판;상기 기판 상부에 적층된 하부 박막 층;상기 하부 박막 층 상부에 적층된 적어도 하나의 유기 박막 층;상기 유기 박막 층 상부에 적층된 제1 절연체 층;상기 제1 절연체 층 상부에 적층되며, 광학적 소멸 계수가 낮고 전도도가 우수한 금속 또는 그 혼합물로 이루어진 상부 금속 박막 층; 및상기 상부 금속 박막 층 상부에 적층되는 제2 절연체 층을 포함하며,상기 상부 금속 박막 층의 두께는, 상기 유기 전자 소자의 전기 전도도 및 광학 투과율을 기반으로 결정되고,상기 제1 절연체 층 및 제2 절연체 층 중 어느 하나는,상기 유기 전자 소자에서의 전하 주입(carrier injection) 특성에 따라 전하 이동층으로 이용되며, 황화 아연(ZnS), 산화 텅스텐(WO3), 산화 아연(ZnO), 산화 티타늄(TiOx) 또는 각각의 혼성계를 포함하는 것을 특징으로 하는 유기 전자 소자.
- 제 11항에 있어서,상기 기판 상에 적층되며, 상기 기판의 표면을 평탄화시키는 평탄화 층을 더 포함하며,상기 하부 박막 층은 상기 평탄화 층 위에 적층되는 것을 특징으로 하는 유기 전자 소자.
- 유기 전자 소자에 있어서기판;상기 기판 상부에 적층되며, 상기 기판의 표면을 평탄화시키는 평탄화 층;상기 평탄화 층 상부에 적층된 제1 절연체 층;상기 제1 절연체 층 상부에 적층되며, 광학적 소멸 계수가 낮고 전도도가 우수한 금속 또는 그 혼합물로 이루어진 하부 금속 박막 층;상기 하부 금속 박막 층 위에 적층된 제2 절연체 층;상기 제2 절연체 층 상부에 적층된 적어도 하나의 유기 박막 층; 및상기 유기 박막 층 상부에 적층된 상부 박막 층을 포함하며,상기 하부 금속 박막 층의 두께는, 상기 유기 전자 소자의 전기 전도도 및 광학 투과율을 기반으로 결정되고,상기 제1 절연체 층 및 제2 절연체 층 중 어느 하나는,상기 유기 전자 소자에서의 전하 주입(carrier injection) 특성에 따라 전하 이동층으로 이용되며, 황화 아연(ZnS0, 산화 텅스텐(WO3), 산화 아연(ZnO), 산화 티타늄(TiOx) 또는 각각의 혼성계를 포함하는 것을 특징으로 하는 유기 전자 소자.
- 제 11항 내지 제 13항 중의 어느 한 항에 있어서,상기 하부 박막 층 또는 상기 상부 박막 층은 ITO(Indium Tin Oxide), IZO(Indium Zinc Oxide), FTO(F-doped Tin Oxide)를 포함하는 전도성 물질로 형성되는 것을 특징으로 하는 유기 전자 소자.
- 유기 전자 소자에 있어서,기판;상기 기판 상부에 적층되며, 상기 기판의 표면을 평탄화시키는 평탄화 층;상기 평탄화 층 상부에 적층된 제1 절연체 층;상기 제1 절연체 층 위에 적층된 하부 금속 박막 층;상기 하부 금속 박막 층 위에 적층된 제2 절연체 층;상기 제2 절연체 층 위에 적층된 적어도 하나의 유기 박막 층;상기 유기 박막 층 위에 적층된 제3 절연체 층;상기 제3 절연체 층 위에 적층된 상부 금속 박막 층; 및상기 상부 금속 박막 층 위에 적층되는 제4 절연체 층을 포함하며,상기 하부 금속 박막 층 및 상기 상부 금속 박막 층은,광학적 소멸 계수가 낮고 전도도가 우수한 금속 또는 그 혼합물로 이루어지고, 상기 하부 금속 박막 층의 두께 및 상기 상부 금속 박막 층의 두께는, 상기 유기 전자 소자의 전기 전도도 및 광학 투과율을 기반으로 결정되고,상기 제1 절연체 층 내지 제4 절연체 층 중 적어도 하나는,상기 유기 전자 소자에서의 전하 주입(carrier injection) 특성에 따라 전하 이동층으로 이용되며, 황화 아연(ZnS), 산화 텅스텐(WO3), 산화 아연(ZnO), 산화 티타늄(TiOx) 또는 각각의 혼성계를 포함하는 것을 특징으로 하는 유기 전자 소자.
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