KR102092344B1 - 투명 도전체 및 그 제조 방법과 상기 투명 도전체를 포함하는 전자 소자 - Google Patents

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Abstract

금속 유리를 포함하는 투명 도전체 및 그 제조 방법과 상기 투명 도전체를 포함하는 전자 소자에 관한 것이다.

Description

투명 도전체 및 그 제조 방법과 상기 투명 도전체를 포함하는 전자 소자{TRANSPARENT CONDUCTOR AND METHOD OF MANUFACTURING THE SAME AND ELECTRONIC DEVICE INCLUDING THE TRANSPARENT CONDUCTOR}
투명 도전체 및 그 제조 방법과 상기 투명 도전체를 포함하는 전자 소자에 관한 것이다.
액정 표시 장치 또는 유기 발광 장치와 같은 전자 소자는 투명 전극으로서 투명 도전체로 포함한다.
상기 투명 도전체는 재료에 따라 크게 세 가지로 분류될 수 있다. 첫째는 도전성 고분자, 탄소 나노체 또는 그래핀과 같은 유기물 기반의 투명 도전체이고, 둘째는 인듐 틴 옥사이드(indium tin oxide, ITO)와 같은 산화물 기반의 투명 도전체이고, 셋째는 금속 그리드(metal grid)와 같은 금속 기반의 투명 도전체이다.
그러나 상기 도전성 고분자는 비저항이 높고 투명도가 낮으며 수분 및 공기에 노출시 쉽게 열화될 수 있고 상기 탄소 나노체는 제조비용이 높으며 상기 그래핀은 대면적 투명 도전체로 형성하기 어렵다. 또한 상기 인듐 틴 옥사이드(ITO)는 핵심 원소인 인듐의 가격이 비싸서 제조비용이 높아질 수 있으며 상기 금속 그리드는 진공 공정이 필요하여 제조비용이 높아질 수 있다.
이에 따라 비저항 및 투명도를 확보하면서도 대면적으로 형성가능하고 제조비용을 낮출 수 있는 투명 도전체가 필요하다.
일 구현예는 비저항 및 투명도를 확보하면서도 대면적으로 형성가능하고 제조비용을 낮출 수 있는 투명 도전체를 제공한다.
다른 구현예는 상기 투명 도전체의 제조 방법을 제공한다.
또 다른 구현예는 상기 투명 도전체를 포함하는 전자 소자를 제공한다.
일 구현예에 따르면, 금속 유리를 포함하는 투명 도전체를 제공한다.
상기 투명 도전체는 산화물 유리를 더 포함할 수 있다.
상기 투명 도전체는 상기 산화물 유리를 포함하는 매트릭스 부분, 그리고 상기 금속 유리를 포함하고 상기 매트릭스 부분들 사이를 망상으로 연결하는 도전성 네트워크 부분을 포함할 수 있다.
상기 도전성 네트워크 부분은 가시광선 파장 영역보다 작은 폭을 가질 수 있다.
상기 도전성 네트워크 부분은 약 0.1nm 내지 380nm의 폭을 가질 수 있다.
상기 금속 유리는 상기 산화물 유리보다 적은 함량으로 포함될 수 있다.
상기 금속 유리는 상기 투명 도전체의 총 부피에 대하여 약 0.1 내지 15부피%로 포함될 수 있다.
상기 투명 도전체는 금속 유리 그리드를 포함할 수 있다.
상기 금속 유리 그리드는 제1 방향을 따라 뻗은 복수의 제1 금속 유리 와이어들과 상기 제1 방향과 교차하는 제2 방향으로 뻗은 복수의 제2 금속 유리 와이어들을 포함할 수 있고, 상기 복수의 제1 금속 유리 와이어들과 상기 복수의 제2 금속 유리 와이어들은 소결되어 접합되어 있는 복수의 접합점을 가질 수 있다.
상기 투명 도전체는 투명 기재 위에 형성되어 있는 상기 금속 유리 그리드를 포함할 수 있고, 상기 금속 유리 그리드의 면적은 상기 투명 기재의 총 면적에 대하여 약 15% 이하일 수 있다.
상기 금속 유리는 알루미늄(Al), 구리(Cu), 지르코늄(Zr), 티타늄(Ti), 니켈(Ni), 철(Fe), 금(Au), 마그네슘(Mg), 칼슘(Ca), 세륨(Ce), 스트론튬(Sr), 이테르븀(Yb), 아연(Zn), 백금(Pt), 코발트(Co), 팔라듐(Pd), 세륨(Ce), 란탄(La), 이트륨(Y), 가돌륨(Gd), 베릴륨(Be), 탄탈늄(Ta), 갈륨(Ga), 하프늄(Hf), 니오븀(Nb), 납(Pb), 백금(Pt), 은(Ag), 인(P), 보론(B), 규소(Si), 카본(C), 주석(Sn), 아연(Zn), 리튬(Li), 몰리브덴(Mo), 텅스텐(W), 망간(Mn), 에르븀(Er), 크롬(Cr), 프라세오디뮴(Pr), 툴륨(Tm) 및 이들의 조합 중에서 선택된 적어도 하나를 포함하는 합금일 수 있다.
상기 투명 도전체는 약 85% 이상의 투과율 및 약 10-3Ω㎝ 이하의 비저항을 만족할 수 있다.
다른 구현예에 따르면, 금속 유리 또는 금속 유리를 포함하는 혼합물을 적용하는 단계, 그리고 상기 금속 유리의 유리 전이 온도보다 높은 온도에서 상기 금속 유리 또는 상기 금속 유리를 포함하는 혼합물을 소성하는 단계를 포함하는 투명 도전체의 제조 방법을 제공한다.
상기 금속 유리를 포함하는 혼합물은 산화물 유리를 포함할 수 있다.
상기 금속 유리 또는 상기 금속 유리를 포함하는 혼합물을 적용하는 단계는 잉크젯 인쇄 또는 스크린 인쇄로 수행할 수 있다.
상기 금속 유리 또는 상기 금속 유리를 포함하는 혼합물을 소성하는 단계는 약 50 내지 800℃에서 수행할 수 있다.
상기 금속 유리 또는 상기 금속 유리를 포함하는 혼합물을 적용하는 단계는 압인(imprinting) 방법으로 수행할 수 있다.
상기 금속 유리 또는 상기 금속 유리를 포함하는 혼합물을 적용하는 단계는 상기 금속 유리를 포함하는 금속 유리 시트를 배치하는 단계, 그리고 상기 금속 유리 시트를 스탬프로 압인하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 금속 유리 또는 상기 금속 유리를 포함하는 혼합물을 적용하는 단계는 상기 금속 유리를 포함하는 페이스트를 도포하는 단계, 그리고 상기 도포된 페이스트를 스탬프로 압인하는 단계를 포함할 수 있다.
또 다른 구현예에 따르면, 상기 투명 도전체를 포함하는 전자 소자를 제공한다.
비저항 및 투명도를 확보하면서도 대면적으로 형성가능하고 제조비용을 낮출 수 있는 투명 도전체를 구현할 수 있다.
도 1은 투명 도전체의 일 예를 도시한 개략도이고,
도 2는 투명 도전체의 다른 예를 보여주는 개략도이고,
도 3은 투명 도전체의 또 다른 예를 보여주는 개략도이고,
도 4는 일 구현예에 따른 투명 도전체의 제조 방법을 보여주는 개략도이고,
도 5는 다른 구현예에 따른 투명 도전체의 제조 방법을 보여주는 개략도이고,
도 6 내지 도 8은 각각 다른 구현예에 따른 투명 도전체의 제조 방법을 보여주는 개략도이고,
도 9는 일 구현예에 따른 태양 전지를 도시한 단면도이다.
이하, 본 발명의 구현예에 대하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 구현예에 한정되지 않는다.
도면에서 여러 층 및 영역을 명확하게 표현하기 위하여 두께를 확대하여 나타내었다. 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 동일한 도면 부호를 붙였다. 층, 막, 영역, 판 등의 부분이 다른 부분 "위에" 있다고 할 때, 이는 다른 부분 "바로 위에" 있는 경우 뿐만 아니라 그 중간에 또 다른 부분이 있는 경우도 포함한다. 반대로 어떤 부분이 다른 부분 "바로 위에" 있다고 할 때에는 중간에 다른 부분이 없는 것을 뜻한다.
이하에서 '원소'는 금속 및 반금속을 포괄하는 용어이다.
이하 일 구현예에 따른 투명 도전체를 설명한다.
일 구현예에 따른 투명 도전체는 금속 유리(metallic glass)를 포함한다.
금속 유리는 복수의 원소들이 무질서한 원자 구조를 가지는 비정질 상태의 합금으로, 비정질 금속(amorphous metal)이라고도 부른다. 상기 금속 유리는 복수의 원소들이 급속 응고됨으로써 형성된 비정질 부분을 가진다. 상기 비정질 부분은 상기 금속 유리의 약 50 내지 100부피%일 수 있고, 그 중에서 약 70 내지 100부피%일 수 있고, 그 중에서 약 90 내지 100부피%일 수 있다.
상기 금속 유리는 고온에서 액체(liquid) 상태일 때 형성된 비정질 부분을 상온(room temperature)에서도 그대로 유지할 수 있다. 따라서, 상기 금속 유리는 고상으로 응고되었을 때 원자들이 규칙적인 배열 구조를 가지는 결정질 구조의 일반 합금과 다르고, 상온에서 액체(liquid) 상태로 존재하는 액체 금속(liquid metals)과도 다르다. 또한 상기 금속 유리는 실리케이트(silicate)와 같은 일반 유리와 달리 비저항이 낮아 도전성을 나타낸다.
상기 금속 유리는 전이 금속, 귀금속, 희토류 금속, 알칼리 토금속, 반금속(semimetal)의 합금 등의 조합으로 이루어질 수 있으며, 예컨대 알루미늄(Al), 구리(Cu), 지르코늄(Zr), 티타늄(Ti), 니켈(Ni), 철(Fe), 금(Au), 마그네슘(Mg), 칼슘(Ca), 세륨(Ce), 스트론튬(Sr), 이테르븀(Yb), 아연(Zn), 백금(Pt), 코발트(Co), 팔라듐(Pd), 세륨(Ce), 란탄(La), 이트륨(Y), 가돌륨(Gd), 베릴륨(Be), 탄탈늄(Ta), 갈륨(Ga), 하프늄(Hf), 니오븀(Nb), 납(Pb), 백금(Pt), 은(Ag), 인(P), 보론(B), 규소(Si), 카본(C), 주석(Sn), 아연(Zn), 리튬(Li), 몰리브덴(Mo), 텅스텐(W), 망간(Mn), 에르븀(Er), 크롬(Cr), 프라세오디뮴(Pr), 툴륨(Tm) 및 이들의 조합 중에서 선택된 적어도 하나를 포함하는 합금일 수 있다.
상기 금속 유리는 예컨대 알루미늄계 금속 유리, 구리계 금속 유리, 지르코늄계 금속 유리, 티타늄계 금속 유리, 니켈계 금속 유리, 철계 금속 유리, 세륨계 금속 유리, 스트론튬계 금속 유리, 골드계 금속 유리, 이테르븀 금속 유리, 아연계 금속 유리, 칼슘계 금속 유리, 마그네슘계 금속 유리 및 플라티늄계 금속 유리 등을 들 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 알루미늄계 금속 유리, 구리계 금속 유리, 지르코늄계 금속 유리, 티타늄계 금속 유리, 니켈계 금속 유리, 철계 금속 유리, 세륨계 금속 유리, 스트론튬계 금속 유리, 골드계 금속 유리, 이테르븀 금속 유리, 아연계 금속 유리, 칼슘계 금속 유리, 마그네슘계 금속 유리 및 플라티늄계 금속 유리는 각각 알루미늄, 구리, 지르코늄, 티타늄, 니켈, 철, 세륨, 스트론튬, 골드, 이테르븀, 아연, 칼슘, 마그네슘 및 플라티늄을 주성분으로 하고, 예컨대 니켈(Ni), 이트륨(Y), 코발트(Co), 란탄(La), 지르코늄(Zr), 철(Fe), 티타늄(Ti), 칼슘(Ca), 베릴륨(Be), 마그네슘(Mg), 나트륨(Na), 몰리브덴(Mo), 텅스텐(W), 주석(Sn), 아연(Zn), 칼륨(K), 리튬(Li), 인(P), 팔라듐(Pd), 백금(Pt), 루비듐(Rb), 크롬(Cr), 스트론튬(Sr), 세륨(Ce), 프라세오디뮴(Pr), 프로메티윰(Pm), 사마리움(Sm), 루테티움(Lu), 네오디뮴(Nd), 니오븀(Nb), 가돌리늄(Gd), 테르비움(Tb), 디스프로슘(Dy), 호르미움(Ho), 에르븀(Er), 툴륨(Tm), 도륨(Th), 스칸듐(Sc), 바륨(Ba), 이테르븀(Yb), 유로퓸(Eu), 하프늄(Hf), 비소(As), 플루토늄(Pu), 갈륨(Ga), 게르마늄(Ge), 안티몬(Sb), 규소(Si), 카드뮴(Cd), 인듐(In), 백금(Pt), 망간(Mn), 니오븀(Nb), 오스뮴(Os), 바나듐(V), 알루미늄(Al), 구리(Cu), 은(Ag) 및 수은(Hg)에서 선택된 적어도 하나를 포함하는 합금일 수 있다. 여기서 주성분이란 금속 유리 중 가장 많은 몰 비율을 가지는 원소를 말한다.
상기 금속 유리는 유리 전이 온도(glass transition temperature, Tg) 이상에서 연화되어 액체와 같은 거동을 보일 수 있다. 이러한 액체와 같은 거동은 유리 전이 온도(Tg)와 결정화 온도(crystalline temperature, Tx) 사이에서 유지되며, 이 온도 구간을 과냉각 액체구간(ΔTx)이라 한다.
상기 금속 유리는 예컨대 약 800℃ 이하의 유리전이온도(Tg)를 가질 수 있으며, 예컨대 약 50 내지 800℃의 유리전이온도(Tg)를 가질 수 있다. 상기 금속 유리의 과냉각 액체구간(ΔTx)은 약 0K 내지 200K일 수 있다.
상기 금속 유리는 예컨대 결정화 후 비저항이 약 500μΩ㎝ 이하일 수 있으며, 상기 범위의 비저항을 가짐으로써 도전체로서 효과적으로 사용될 수 있다. 상기 범위 내에서 비저항은 약 150μΩ㎝ 이하일 수 있다.
표 1은 상기 금속 유리의 예를 보여주나, 이에 한정되는 것은 아니다.
조성 Tg(℃) Tx(℃) 결정화 후 비저항(μΩ㎝)
Al86Ni6Y4 .5Co2La1 .5 250 261 21
Al84 .5Ni5 .5Y10 207 244 12
Al86La5Ni9 234 249 14
Al86La6Ni8 257 269 17
Al85La6Ni9 256 272 15
Al85La5Ni10 243 260 19
Ti50Cu50 403 449 77
Ti50Cu35Ni15 430 464 126
Ti50Cu32Ni15Sn3 431 473 119
Ti50Cu30Ni15Sn5 439 475 142
Ti50Cu25Ni15Sn5Zr5 431 481 123
Ti50Cu42 .5Ni7 .5 420 447 77
Ti47 .5Cu42 .5Ni7 .5Zr2 .5 407 440 63
Ti45Cu40Ni5Sn5Zr5 436 480 145
Zr48Cu28Al8Ag8Ni8 447 508 137
Zr70Cu30 335 389 85
Cu50Zr50 424 465 167
Cu46Zr46Al8 455 518 161
Cu58 .1Zr35 .9Al6 491 532 192
Cu45Zr45Ag10 420 479 167
Cu43Zr43Al7Ag7 454 515 186
Zr48Cu34Al8Ag8Ni2 445 533 456
Zr 50.7Cu28Al 12.3Ni9 453 526 251
Zr53Cu18 .7Al16 .3Ni12 466 547 242
Ni55Zr34Al11 562 580 213
Ni57 .5Zr35Al7 .5 550 575 206
Ni45Zr25Ti20Al10 500 545 194
일 예로, 상기 투명 도전체는 상기 금속 유리와 함께 산화물 유리(oxide glass)를 포함할 수 있다.
상기 산화물 유리는 금속, 반금속 및/또는 비금속의 산화물로 투명도가 높은 물질이며, 예컨대 규산염, 붕산염, 인산염, 아연염, 바륨염 또는 나트륨염을 들 수 있다. 상기 산화물 유리는 예컨대 PbO, SiO2, B2O3, ZnO, BaO, P2O5 , Na2O, PbO-SiO2계, PbO-SiO2-B2O3계, PbO-SiO2-B2O3-ZnO계, PbO-SiO2-B2O3-BaO계, PbO-SiO2-ZnO-BaO계, ZnO-SiO2계, ZnO-B2O3-SiO2계, ZnO-K2O-B2O3-SiO2-BaO계, Bi2O3-SiO2계, Bi2O3-B2O3-SiO2계, Bi2O3-B2O3-SiO2-BaO계, ZnO-BaO-B2O3-P2O5-Na2O계, Bi2O3-B2O3-SiO2-BaO-ZnO계 또는 이들의 조합을 들 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 산화물 유리 또한 상기 금속 유리와 마찬가지로 유리 전이 온도(Tg) 이상에서 연화되어 액체와 같은 거동을 보일 수 있다. 상기 산화물 유리는 예컨대 약 800℃ 이하의 유리전이온도(Tg)를 가질 수 있으며, 예컨대 약 50 내지 800℃의 유리전이온도(Tg)를 가질 수 있다.
따라서 상기 금속 유리와 상기 산화물 유리의 혼합물을 이들의 유리 전이 온도(Tg) 이상으로 소성하는 경우, 상기 금속 유리와 상기 산화물 유리가 연화되고 소결되면서 투명도 및 도전성이 높은 투명 도전체로 형성될 수 있다.
도 1은 투명 도전체의 일 예를 도시한 개략도이다.
도 1을 참고하면, 분말 형태의 산화물 유리(11)와 금속 유리(12)를 혼합하고 유리 전이 온도(Tg) 이상의 온도로 소성하는 경우, 산화물 유리(11)의 소결체로 이루어진 매트릭스(matrix) 부분(11a)과 금속 유리의 소결체로 이루어진 도전성 네트워크 부분(12a)을 포함하는 투명 도전체(20)로 형성된다.
매트릭스 부분(11a)은 산화물 유리(11)가 소결된 부분으로 높은 투명도를 가질 수 있고, 도전성 네트워크 부분(12a)은 금속 유리(12)가 소결된 부분으로 매트릭스 부분(11a) 사이를 망상으로 연결함으로써 높은 도전성을 확보할 수 있다.
도전성 네트워크 부분(12a)은 가시광선 파장 영역보다 작은 폭을 가질 수 있다. 상기 가시광선 파장 영역이 약 400nm 내지 780nm 라고 할 때, 도전성 네트워크 부분(12a)은 예컨대 약 0.1nm 내지 380nm의 폭을 가질 수 있으며, 예컨대 약 0.1nm 내지 100nm의 폭을 가질 수 있다. 상기 범위의 폭을 가짐으로써 도전성 네트워크 부분(12a) 또한 어느 정도 투명성을 가질 수 있어서 투명 도전체(20)의 투명도를 더욱 높일 수 있다.
이때 산화물 유리(11) 및 금속 유리(12)의 함량은 투명도 및 도전성을 동시에 만족하도록 계산될 수 있으며, 예컨대 산화물 유리(11)의 비저항, 금속 유리(12)의 비저항 및 산화물 유리(11)와 금속 유리(12)가 차지하는 면적을 고려하여 하기 계산식 1로 계산될 수 있다.
[계산식 1]
Figure 112013045707696-pat00001
상기 계산식 1에서, ρ는 투명 도전체의 비저항, ρ1는 산화물 유리의 비저항, ρ2는 금속 유리의 비저항, A는 투명 도전체의 총 단면적, A1는 산화물 유리로 이루어진 매트릭스 부분의 단면적, A2는 금속 유리로 이루어진 도전성 네트워크 부분의 단면적이다.
이 때 투명 도전체의 투명도는 도전성 네트워크 부분의 면적에 비례하여 감소하는 것으로 가정할 때, 예컨대 하기 계산식 2에 의해 산화물 유리(11) 및 금속 유리(12)의 함량이 결정될 수 있다.
[계산식 2]
Figure 112013045707696-pat00002
상기 계산식 2에서, ρ는 투명 도전체의 비저항, ρ1는 산화물 유리의 비저항, ρ2는 금속 유리의 비저항, x는 투명 도전체 중 금속 유리의 부피분율이다.
예컨대, 상기 투명 도전체의 사용하고자 하는 목적에 따른 투명도 및 비저항에 따라 상기 계산식 1 및 2를 사용하여 산화물 유리와 금속 유리의 함량을 계산할 수 있다.
예컨대 상기 투명 도전체는 일반적인 투명 전극으로 사용시 요구되는 투명도를 만족하기 위하여 상기 금속 유리가 상기 산화물 유리보다 적은 함량으로 포함될 수 있다. 예컨대 금속 유리는 투명 도전체의 총 부피에 대하여 약 0.1부피% 이상 약 50부피% 미만으로 포함될 수 있으며, 그 중에서 예컨대 약 0.1 내지 15부피%로 포함될 수 있다. 상기 범위로 포함함으로써 도전성을 확보하면서도 높은 투명도를 나타낼 수 있다.
다른 예로, 상기 투명 도전체는 금속 유리 그리드(metallic glass grid)일 수 있다.
상기 금속 유리 그리드는 금속 유리로 만들어진 격자 형태의 패턴일 수 있으며, 예컨대 일 방향을 따라 뻗은 복수의 금속 유리 와이어들 및 이들과 교차하는 방향으로 뻗은 복수의 금속 유리 와이어들을 포함할 수 있다.
도 2는 투명 도전체의 다른 예를 보여주는 개략도이다.
도 2를 참고하면, 금속 유리 그리드(30)는 제1 방향을 따라 뻗은 복수의 제1 금속 유리 와이어(13) 및 제2 방향을 따라 뻗은 복수의 제2 금속 유리 와이어(14)를 포함하고, 제1 금속 유리 와이어(13)와 제2 금속 유리 와이어(14)의 교차 지점에 위치하는 접합점(15)을 포함한다.
제1 금속 유리 와이어(13)와 제2 금속 유리 와이어(14)는 약 1nm 내지 100㎛의 폭을 가질 수 있으며, 예컨대 약 10nm 내지 10㎛의 폭을 가질 수 있다.
접합점(15)은 제1 금속 유리 와이어(13)와 제2 금속 유리 와이어(14)가 금속 유리의 유리 전이 온도(Tg) 이상에서 소성될 때 접합된 부분으로, 금속 유리의 과냉각 액체 구간에서 액체 거동을 하면서 소결성이 높아질 수 있다. 이에 따라 제1 금속 유리 와이어(13)와 제2 금속 유리 와이어(14)의 연결성이 높아져 금속 유리 그리드(30)의 도전성을 개선할 수 있다.
한편 제1 금속 유리 와이어(13)와 제2 금속 유리 와이어(14)에 의해 구획되는 개구 영역(16)은 광을 투과시킬 수 있는 빈 공간으로, 예컨대 하부기재가 투명한 경우 개구 영역(16)은 광을 투과시킬 수 있는 영역이다.
도 3은 투명 도전체의 또 다른 예를 보여주는 개략도이다.
도 3을 참고하면, 투명 기재(110) 위에 형성되어 있는 금속 유리 그리드(30)를 포함하며, 금속 유리 그리드(30)는 상술한 바와 같이 제1 금속 유리 와이어(13), 제2 금속 유리 와이어(14) 및 접합점(15)을 포함한다.
전술한 바와 같이, 금속 유리 그리드(30)는 격자 형태의 미세 패턴으로 형성되어 도전성을 확보할 수 있으며, 투명 기재(110) 중 금속 유리 그리드(30)가 형성되지 않은 부분, 즉 개구 영역(16)은 빛을 투과할 수 있는 영역으로 투명도를 확보할 수 있다.
이 때 금속 유리 그리드(30)의 면적은 투명 기재(110)의 총 면적에 대하여 약 30% 이하일 수 있으며, 예컨대 약 15% 이하일 수 있다. 상기 범위의 면적으로 형성됨으로써 투명도를 확보할 수 있다.
상기 투명 도전체는 전술한 바와 같이 투명도 및 도전성을 동시에 확보함으로써, 가시광선 영역에서 약 85% 이상의 투과율을 가지는 동시에 약 10-3Ω㎝ 이하의 비저항을 가질 수 있다. 상기 범위 내에서 약 85 내지 99.9%의 투과율 및 약 10-4 내지 10-3 Ω㎝의 비저항을 만족할 수 있다.
상기 투명 도전체는 상기와 같이 비저항 및 투명도를 확보할 수 있는 동시에, 대기(air)에서 공정을 수행할 수 있으므로 제조 비용을 낮출 수 있다. 또한 대면적 투명 도전체를 형성하는데 한계가 없으므로 대면적 투명 전극을 형성하는데 유용하게 적용될 수 있고, 인듐 틴 옥사이드(ITO)의 인듐(In)과 같은 고가의 재료를 사용하지 않으므로 제조 비용을 낮출 수 있다.
이하, 상기 투명 도전체의 제조 방법에 대하여 설명한다.
일 구현예에 따른 투명 도전체의 제조 방법은 금속 유리 또는 금속 유리를 포함하는 혼합물을 적용하는 단계, 그리고 상기 금속 유리의 유리 전이 온도보다 높은 온도에서 상기 금속 유리 또는 상기 금속 유리를 포함하는 혼합물을 소성하는 단계를 포함한다.
먼저, 전술한 구현예 중, 금속 유리와 산화물 유리를 포함하는 투명 도전체의 제조 방법을 설명한다.
도 4는 일 구현예에 따른 투명 도전체의 제조 방법을 보여주는 개략도이다.
도 4를 참고하면, 몰드(40)에 분말 형태의 산화물 유리(11)와 금속 유리(12)를 넣고 일 방향 또는 복수의 방향으로 소정의 압력을 가하면서 고온 소결한다. 이 때 고온 소결은 대기(air)에서 예컨대 약 0 내지 2000 MPa의 압력 및 약 50 내지 800℃의 온도에서 수행될 수 있다.
이에 따라 산화물 유리(11)와 금속 유리(12)는 과냉각 액체 구간에서 각각 연화될 수 있고, 연화된 산화물 유리 사이에 연화된 금속 유리가 밀착되면서 산화물 유리(11)의 소결체로 이루어진 매트릭스 부분(11a)과 금속 유리의 소결체로 이루어진 도전성 네트워크 부분(12a)을 포함하는 투명 도전체(20)로 형성될 수 있다.
도 5는 다른 구현예에 따른 투명 도전체의 제조 방법을 보여주는 개략도이다.
도 5는 기판 위에 투명 전극으로서 투명 도전체가 적용된 예를 보여준다.
도 5를 참고하면, 기판(110) 위에 도전성 페이스트(120a)를 소정 패턴으로 적용한다. 도전성 페이스트(120a)는 예컨대 잉크젯 인쇄(inkjet printing) 또는 스크린 인쇄(screen printing)으로 적용될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
도전성 페이스트(120a)는 산화물 유리(11), 금속 유리(12) 및 유기 비히클(organic vehicle)을 포함한다.
산화물 유리(11) 및 금속 유리(12)는 전술한 바와 같다.
상기 유기 비히클은 산화물 유리(11) 및 금속 유리(12)와 혼합되어 적절한 점도를 부여할 수 있는 유기 화합물과 이들을 용해 또는 분산하는 용매를 포함한다.
유기 화합물은 예컨대 (메타)아크릴레이트계 수지; 에틸 셀룰로오스와 같은 셀룰로오스 수지; 페놀 수지; 알코올 수지; 테플론; 및 이들의 조합에서 선택된 적어도 하나를 포함할 수 있으며, 분산제, 계면활성제, 증점제 및 안정화제와 같은 첨가제를 더 포함할 수 있다.
용매는 이들을 혼합할 수 있는 형태이면 특히 한정되지 않으며, 예컨대 터피네올, 부틸카비톨, 부틸카비톨 아세테이트, 펜테인디올, 다이펜틴, 리모닌, 에틸렌글리콜 알킬에테르, 디에틸렌글리콜 알킬에테르, 에틸렌글리콜 알킬에테르 아세테이트 디에틸렌글리콜 알킬에테르 아세테이트, 디에틸렌글리콜 디알킬에테르 아세테이트, 트리에틸렌글리콜 알킬에테르 아세테이트, 트리에틸렌 글리콜 알킬에테르, 프로필렌글리콜 알킬에테르, 프로필렌글리콜 페닐에테르, 디프로필렌글리콜 알킬에테르, 트리프로필렌글리콜 알킬에테르, 프로필렌글리콜 알킬에테르 아세테이트, 디프로필렌글리콜 알킬에테르 아세테이트, 트리프로필렌글리콜 알킬 에테르 아세테이트, 디메틸프탈산, 디에틸프탈산, 디부틸프탈산 및 탈염수에서 선택된 적어도 하나 이상일 수 있다.
기판(110) 위에 산화물 유리(11), 금속 유리(12) 및 유기 비히클을 포함하는 도전성 페이스트를 적용하고 산화물 유리(11) 및 금속 유리(12)의 유리 전이 온도(Tg)보다 높은 온도로 소성함으로써, 전술한 바와 마찬가지로, 산화물 유리(11)의 소결체로 이루어진 매트릭스 부분(11a)과 금속 유리의 소결체로 이루어진 도전성 네트워크 부분(12a)을 포함하는 투명 전극(120)으로 형성될 수 있다.
다음, 전술한 구현예 중, 금속 유리 그리드를 포함하는 투명 도전체의 제조 방법을 설명한다.
도 6 내지 도 8은 각각 다른 구현예에 따른 투명 도전체의 제조 방법을 보여주는 개략도이다.
도 6 내지 도 8은 투명 기재 위에 투명 전극으로서 금속 유리 그리드를 형성하는 예를 보여준다.
도 6을 참고하면, 투명 기재(110) 위에 복수의 개구부를 가진 소정 패턴의 스크린 판(50a)을 배치하고 스퀴즈(squeeze)(50b)를 사용하여 도전성 페이스트(120a)를 밀어내는 스크린 인쇄 방법으로 금속 유리 그리드용 패턴을 형성할 수 있다. 그러나 이에 한정되지 않고 금속 유리 그리드용 패턴을 잉크젯 인쇄로 형성할 수도 있다.
이 때 도전성 페이스트(120a)는 금속 유리 및 유기 비히클을 포함할 수 있으며, 선택적으로 금속 분말을 더 포함할 수 있다. 금속 유리 및 유기 비히클은 전술한 바와 같으며, 금속 분말은 저저항 금속일 수 있으며 금속 유리 그리드(30)의 도전성을 개선할 수 있다.
이어서 금속 유리(12)의 유리 전이 온도(Tg)보다 높은 온도, 예컨대 약 50 내지 800℃로 소성함으로써, 금속 유리의 소결체로 이루어진 금속 유리 그리드(30)를 형성할 수 있다.
도 7을 참고하면, 기판(110) 위에 금속 유리를 포함하는 금속 유리 시트(metallic glass sheet)(60)를 배치하고 그 위에서 압인용 스탬프(stamp)(65)를 사용하여 압인함으로써 금속 유리 그리드용 패턴을 형성할 수 있다. 이 때 압인용 스탬프(65)는 일면에 복수의 양각 및/또는 음각을 가지며 상기 양각 및/또는 음각은 예컨대 격자 패턴과 같은 금속 유리 그리드용 패턴을 가질 수 있다.
이어서 금속 유리 시트(60)를 이루는 금속 유리의 유리 전이 온도(Tg)보다 높은 온도, 예컨대 약 50 내지 800℃로 소성함으로써, 금속 유리 시트(60)의 압인된 부분만 투명 기재(110) 위에 밀착시킬 수 있고 이에 따라 금속 유리의 소결체로 이루어진 금속 유리 그리드(30)를 형성할 수 있다.
도 8을 참고하면, 기판(110) 위에 금속 유리를 포함하는 도전성 페이스트(120a)를 도포하고 그 위에서 압인용 스탬프(65)를 사용하여 압인함으로써 금속 유리 그리드용 패턴을 형성할 수 있다. 상기 도전성 페이스트(120a)는 예컨대 스핀 코팅, 슬릿 코팅, 잉크젯 인쇄 및/또는 스크린 인쇄 방법으로 도포될 수 있다.
도전성 페이스트(120a)는 금속 유리 및 유기 비히클을 포함할 수 있으며, 선택적으로 금속 분말을 더 포함할 수 있다. 금속 유리 및 유기 비히클은 전술한 바와 같으며, 금속 분말은 저저항 금속일 수 있으며 금속 유리 그리드(30)의 도전성을 개선할 수 있다. 압인용 스탬프(65)는 일면에 복수의 양각 및/또는 음각을 가지며 상기 양각 및/또는 음각은 예컨대 격자 패턴과 같은 금속 유리 그리드용 패턴을 가질 수 있다.
이어서 도전성 페이스트(120a)에 포함된 금속 유리의 유리 전이 온도(Tg)보다 높은 온도, 예컨대 약 50 내지 800℃로 소성함으로써, 도포된 도전성 페이스트(120a) 중 압인된 부분만 투명 기재(110) 위에 밀착시킬 수 있고 이에 따라 금속 유리의 소결체로 이루어진 금속 유리 그리드(30)를 형성할 수 있다.
여기서는 상기 투명 도전체를 형성하는 예시적인 방법을 설명하였지만, 이에 한정되지 않고 다양한 방법으로 형성될 수 있다.
상기 투명 도전체는 투명성 및 도전성이 요구되는 용도에 모두 적용될 수 있으며, 예컨대 전자 소자의 전극으로 적용될 수 있다.
상기 전자 소자는 예컨대 액정 표시 장치, 유기 발광 장치, 플라즈마 표시 장치, 태양 전지 등일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 전자 소자 중 하나인 태양 전지에 대하여 도면을 참고하여 예시적으로 설명한다.
이하에서는 설명의 편의상 반도체 기판(100)을 중심으로 상하의 위치 관계를 설명하지만 이에 한정되는 것은 아니다. 또한 반도체 기판(100) 중 태양 에너지를 받는 면을 전면(front side)이라 하고 전면의 반대면을 후면(rear side)이라 한다.
도 9는 일 구현예에 따른 태양 전지를 도시한 단면도이다.
도 9를 참고하면, 일 구현예에 따른 태양 전지는 하부 반도체 층(100a) 및 상부 반도체 층(100b)을 포함하는 반도체 기판(100)을 포함한다.
반도체 기판(100)은 결정질 규소 또는 화합물 반도체로 만들어질 수 있으며, 결정질 규소인 경우 예컨대 실리콘 웨이퍼가 사용될 수 있다. 하부 반도체 층(100a) 및 상부 반도체 층(100b) 중 하나는 p형 불순물로 도핑된 반도체 층일 수 있으며 다른 하나는 n형 불순물로 도핑된 반도체 층일 수 있다. 예컨대 하부 반도체 층(100a)은 n형 불순물로 도핑된 반도체 층이고, 상부 반도체층(100b)은 p형 불순물로 도핑된 반도체 층일 수 있다. 이 때 n형 불순물은 인(P)과 같은 V족 화합물일 수 있고, p형 불순물은 붕소(B)와 같은 III족 화합물일 수 있다.
반도체 기판(100)의 전면에는 얇은 두께의 실리콘 산화막(111)이 형성되어 있다. 실리콘 산화막(111)은 반도체 기판(100)이 자연적으로 산화되어 형성된 것을 포함하며, 약 10nm 이하의 얇은 두께를 가질 수 있으며, 경우에 따라 없을 수도 있다.
실리콘 산화막(111) 위에는 복수의 투명 전극(120)이 형성되어 있다. 투명 전극(120)은 예컨대 반도체 기판(110)의 일 방향을 따라 나란히 뻗어 있거나 격자 형태로 뻗어 있거나 전면에 형성될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
투명 전극(120)은 전술한 금속 유리와 산화물 유리를 포함하는 투명 도전체 또는 금속 유리 그리드를 포함하는 투명 도전체로 만들어질 수 있다. 상기 투명 도전체에 대한 구체적인 설명은 전술한 바와 같으며, 여기서는 설명을 생략한다.
상술한 투명 도전체를 투명 전극(120)으로 사용함으로써 전술한 바와 같이 투명성 및 도전성을 동시에 확보할 수 있으며, 이에 따라 태양 전지의 전면에서 흡수하는 빛의 양을 늘리는 동시에 전하 이동성을 높여 태양 전지의 효율을 개선할 수 있다.
투명 전극(120) 위에는 전면 버스 바(bus bar) 전극(도시하지 않음)이 형성되어 있다. 버전면 스 바 전극은 복수의 태양 전지 셀을 조립할 때 이웃하는 태양 전지 셀을 연결하기 위한 것이다.
반도체 기판(100) 후면에는 얇은 두께의 실리콘 산화막(111)이 형성되어 있다. 실리콘 산화막(111)은 반도체 기판(100)이 자연적으로 산화되어 형성된 것으로, 약 20nm 이하의 얇은 두께를 가질 수 있다. 실리콘 산화막(111)은 예컨대 약 10nm 이하의 얇은 두께를 가질 수 있으며, 경우에 따라 없을 수도 있다.
실리콘 산화막(111) 하부에는 후면 전극(140)이 형성되어 있다. 후면 전극(140)은 도전성 물질로 만들어질 수 있으며, 예컨대 알루미늄(Al)과 같은 불투명 금속으로 만들어질 수 있다. 후면 전극(140)은 도전성 페이스트를 사용한 스크린 인쇄 방법으로 형성될 수 있다.
여기서는 태양 전지의 전면에 위치하는 투명 전극을 예시적으로 설명하였지만 이에 한정되지 않고 태양 전지의 모든 전극으로도 동일하게 적용할 수 있다. 또한 여기서는 투명 도전체를 태양 전지에 적용한 예를 설명하였지만, 이에 한정되지 않고 투명 전극이 사용되는 모든 전자 소자의 전극으로 사용될 수 있으며, 예컨대 액정 표시 장치의 화소 전극 및/또는 공통 전극, 유기 발광 장치의 애노드 및/또는 캐소드, 플라즈마 표시 장치의 표시 전극 등으로 사용될 수 있다.
이상에서 본 발명의 바람직한 실시예들에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리 범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구 범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리 범위에 속하는 것이다.
11: 산화물 유리 11a: 매트릭스 부분
12: 금속 유리 12a: 도전성 네트워크 부분
13: 제1 금속 유리 와이어 14: 제2 금속 유리 와이어
15: 접합점 16: 개구 영역
20: 투명 도전체 30: 금속 유리 그리드
40: 몰드 50a: 스크린 판
50b: 스퀴즈 60: 금속 유리 시트
65: 압인용 스탬프 100: 반도체 기판
100a: 하부 반도체 층 100b: 상부 반도체 층
110: 투명 기재, 기판 111: 실리콘 산화막
120: 투명 전극 120a: 도전성 페이스트
140: 후면 전극

Claims (20)

  1. 금속 유리와 산화물 유리를 포함하고,
    상기 금속 유리는 복수의 원소들이 무질서한 원자 구조를 가진 합금이고 유리전이온도를 가진
    투명 전극.
  2. 삭제
  3. 제1항에서,
    상기 투명 전극은
    상기 산화물 유리를 포함하는 매트릭스 부분, 그리고
    상기 금속 유리를 포함하고 상기 매트릭스 부분들 사이를 망상으로 연결하는 도전성 네트워크 부분
    을 포함하는 투명 전극.
  4. 제3항에서,
    상기 도전성 네트워크 부분은 가시광선 파장 영역보다 작은 폭을 가지는 투명 전극.
  5. 제4항에서,
    상기 도전성 네트워크 부분은 0.1nm 내지 380nm의 폭을 가지는 투명 전극.
  6. 제1항에서,
    상기 금속 유리는 상기 산화물 유리보다 적은 함량으로 포함되어 있는 투명 전극.
  7. 제6항에서,
    상기 금속 유리는 상기 투명 전극의 총 부피에 대하여 0.1 내지 15부피%로 포함되어 있는 투명 전극.
  8. 삭제
  9. 삭제
  10. 삭제
  11. 제1항에서,
    상기 금속 유리는 알루미늄(Al), 구리(Cu), 지르코늄(Zr), 티타늄(Ti), 니켈(Ni), 철(Fe), 금(Au), 마그네슘(Mg), 칼슘(Ca), 세륨(Ce), 스트론튬(Sr), 이테르븀(Yb), 아연(Zn), 백금(Pt), 코발트(Co), 팔라듐(Pd), 세륨(Ce), 란탄(La), 이트륨(Y), 가돌륨(Gd), 베릴륨(Be), 탄탈늄(Ta), 갈륨(Ga), 하프늄(Hf), 니오븀(Nb), 납(Pb), 백금(Pt), 은(Ag), 인(P), 보론(B), 규소(Si), 카본(C), 주석(Sn), 아연(Zn), 리튬(Li), 몰리브덴(Mo), 텅스텐(W), 망간(Mn), 에르븀(Er), 크롬(Cr), 프라세오디뮴(Pr), 툴륨(Tm) 및 이들의 조합 중에서 선택된 적어도 하나를 포함하는 합금인 투명 전극.
  12. 제1항에서,
    투과율 85% 이상 및 비저항 10-3Ω㎝ 이하를 만족하는 투명 전극.
  13. 금속 유리와 산화물 유리를 포함하는 혼합물을 적용하는 단계, 그리고
    상기 금속 유리의 유리 전이 온도보다 높은 온도에서 상기 금속 유리와 산화물 유리를 포함하는 혼합물을 소성하는 단계
    를 포함하고,
    상기 금속 유리는 복수의 원소들이 무질서한 원자 구조를 가진 합금이고 유리전이온도를 가진
    투명 전극의 제조 방법.
  14. 삭제
  15. 제13항에서,
    상기 금속 유리와 산화물 유리를 포함하는 혼합물을 적용하는 단계는 잉크젯 인쇄 또는 스크린 인쇄로 수행하는 투명 전극의 제조 방법.
  16. 제13항에서,
    상기 금속 유리와 산화물 유리를 포함하는 혼합물을 소성하는 단계는 50 내지 800℃에서 수행하는 투명 전극의 제조 방법.
  17. 제13항에서,
    상기 금속 유리와 산화물 유리를 포함하는 혼합물을 적용하는 단계는 압인(imprinting) 방법으로 수행하는 투명 전극의 제조 방법.
  18. 제17항에서,
    상기 금속 유리와 산화물 유리를 포함하는 혼합물을 적용하는 단계는
    상기 금속 유리를 포함하는 금속 유리 시트를 배치하는 단계, 그리고
    상기 금속 유리 시트를 스탬프로 압인하는 단계
    를 포함하는 투명 전극의 제조 방법.
  19. 제17항에서,
    상기 금속 유리와 산화물 유리를 포함하는 혼합물을 적용하는 단계는
    상기 금속 유리를 포함하는 페이스트를 도포하는 단계, 그리고
    상기 도포된 페이스트를 스탬프로 압인하는 단계
    를 포함하는 투명 전극의 제조 방법.
  20. 제1항, 제3항 내지 제7항, 제11항 및 제12항 중 어느 한 항에 따른 투명 전극을 포함하는 전자 소자.
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