KR20160110837A - 금속 나노홀 패턴층을 구비한 다층 투명전극 - Google Patents
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Abstract
금속 나노홀 패턴층을 구비한 다층 투명전극이 제공된다. 구체적으로, 상기 다층 투명전극은, 하부 산화물층, 상기 하부 산화물층 상에 배치된 금속 나노홀 패턴층 및 상기 금속 나노홀 패턴층 상에 배치된 상부 산화물층을 포함할 수 있다. 이에, 본 발명은 금속 나노홀 패턴층의 패턴 주기 및 나노홀 크기를 조절함으로써, 상기 금속 나노홀 패턴층에 의해 발생되는 표면 플라즈몬 현상을 통해 특정 파장영역에서의 다층 투명전극의 투과도를 향상시킬 수 있다. 또한, 본 발명의 금속 나노홀 패턴층을 구비한 다층 투명전극은 홀 크기를 조절하여 최적화된 면저항을 구현할 수 있어, 이를 적용한 소자의 전기적 특성을 향상시킬 수 있다.
Description
본 발명은 투명전극에 관한 것으로, 보다 상세하게는 금속 나노홀(nano hole) 패턴층을 구비한 다층 투명전극에 관한 것이다.
투명전극은 가시광선 영역에서의 높은 광투과도(80% 이상)와 전기 전도도를 동시에 갖는 산화물계 축퇴형(degenerate) 반도체 전극을 의미한다. 이러한 투명전극은 액정 표시장치, 유기 발광 표시장치 등의 표시장치 핵심 부품으로 사용되어 왔으며, 최근에는 디스플레이, 터치패널, 태양전지 등의 전극으로도 널리 이용되고 있다.
현재, 투명전극의 소재로는 약 3.5eV 내지 4.3eV 이상의 넓은 밴드갭을 가진 반도체인 ITO(indium tin oxide)가 가장 많이 사용되고 있다. 상기 ITO는 우수한 전기전도성과 상온/상압에서의 화학적 안정성 및 높은 광투과도를 나타내며, 스퍼터링(sputtering) 등의 간단한 공정을 통해 대면적으로도 용이하게 제작이 가능한 장점이 있다.
하지만, 주원료인 인듐(In)의 수요량 증가와 매장량의 한계에 의해 ITO 재료의 가격이 지속적으로 상승하고 있으며, ITO, IZO(indium zinc oxide) 및 FTO(F-doped tin oxide)와 같은 투명 전도성 산화물 재료는 100nm 이상의 두께에서는 기판의 굽힘이나 휨에 대한 저항이 낮아 쉽게 균열이 형성되면서 전기적 특성이 저하되어 고집적회로나 대면적의 전자 소자에 적용하기 어려운 단점이 있다. 특히, 고전도성 특성을 가진 ITO의 경우, 도펀트 물질인 주석(Sn)의 활성화 온도 이상(200℃ 이상)의 공정이 필수적이기 문에, 유연소자에 적용할 수 없는 한계점이 있다. 아울러, ITO가 가지는 고유의 밴드갭 크기로 인해 약 400nm 이하의 파장에서 광흡수가 일어남에 따라 투과도가 약 80% 미만으로 급감하게 되어, UV LED에 적용시 효율이 저하되는 문제점도 있다.
상술한 문제점들을 해결하기 위해 ITO를 대체할 수 있는 재료로써, 산화물/금속층/산화물의 다층 구조를 가진 투명전극에 대한 연구가 진행되고 있다. 이는, 가시광 영역에서는 80% 이상의 높은 투과도와 매우 낮은 면저항(20Ω/sq)을 나타내지만, 약 400nm 이하의 파장에서는 80% 미만의 투과도를 나타내는 것으로 보고되고 있다(Jin-A Jeong et al, Solar Energy Materials & Solar Cells, 93, 1801-1809(2009) 및 Ho-Kyun Park et al, Solar Energy Materials & Solar cells, 93, 1994-2002(2009)). 이러한 이유로, 다층 구조를 가진 투명전극 또한 종래의 ITO와 마찬가지로 UV소자에 적용하기 어려운 실정이다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는, 낮은 면저항을 가지면서도, 가시광 영역에서도 높은 광투과도를 가져 다양한 광소자에 적용할 수 있는 투명전극을 제공하는 데에 있다.
상기 과제를 해결하기 위하여 본 발명의 일 측면은, 하부 산화물층, 상기 하부 산화물층 상에 배치된 금속 나노홀 패턴층 및 상기 금속 나노홀 패턴층 상에 배치된 상부 산화물층을 포함하는 것을 특징으로 하는 금속 나노홀 패턴층을 구비한 다층 투명전극을 제공할 수 있다.
상기 하부 산화물층 및 상기 상부 산화물층은 인듐 틴 산화물(indium tin oxide, ITO), 알루미늄 첨가 산화아연(aluminum-doped zinc oxide, AZO), 갈륨 첨가 산화아연(gallium-doped zinc oxide, GZO), 산화아연(ZnO) 및 마그네슘산화아연(MgZnO) 중에서 선택되는 적어도 어느 하나의 산화물로 형성될 수 있다.
상기 하부 산화물층 및 상기 상부 산화물층은 동일한 산화물로 형성될 수 있다.
상기 금속 나노홀 패턴층은 금(Au), 은(Ag), 백금(Pt), 구리(Cu) 또는 이들의 두가지 이상의 합금 중에서 선택되는 적어도 어느 하나 이상의 금속으로 형성될 수 있다.
상기 금속 나노홀 패턴층의 홀 크기는 100nm 내지 180nm 일 수 있다.
상기 금속 나노홀 패턴층의 패턴 주기는 200nm 내지 300nm 일 수 있다.
상기 금속 나노홀 패턴층의 두께가 4nm 내지 20nm 일 수 있다.
상기 다층 투명전극의 투과도는 80% 내지 90% 일 수 있다.
본 발명은 금속 나노홀 패턴층의 패턴 주기 및 홀 크기를 조절함으로써, 상기 금속 나노홀 패턴층에 의해 발생되는 표면 플라즈몬(surface plasmon) 현상을 통해 특정 파장영역에서의 다층 투명전극의 투과도를 향상시킬 수 있다.
또한, 본 발명의 금속 나노홀 패턴층을 구비한 다층 투명전극은 홀 크기를 조절하여 최적화된 면저항을 구현할 수 있다.
다만, 발명의 효과는 상기에서 언급한 효과로 제한되지 아니하며, 언급되지 않은 또 다른 효과들을 하기의 기재로부터 당업자에게 명확히 이해될 수 있을 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 다층 투명전극을 나타내는 모식도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 주기적인 육각배열의 패턴을 갖는 금속 나노홀 패턴층을 나타낸 모식도이다.
도 3은 본 발명의 실시예1 및 비교예1의 투명전극의 투과도 스펙트럼을 비교한 도표이다.
도 4는 본 발명의 실시예1 및 비교예2의 투명전극의 투과도 스펙트럼을 비교한 도표이다.
도 5는 본 발명의 실시예1의 패턴 주기에 따른 투과도 스펙트럼의 시뮬레이션(simulation) 결과를 나타낸 도표이다.
도 6은 본 발명의 실시예1의 금속 나노홀 패턴층의 두께 및 홀 크기에 따른 투과도 스펙트럼을 비교한 도표이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 주기적인 육각배열의 패턴을 갖는 금속 나노홀 패턴층을 나타낸 모식도이다.
도 3은 본 발명의 실시예1 및 비교예1의 투명전극의 투과도 스펙트럼을 비교한 도표이다.
도 4는 본 발명의 실시예1 및 비교예2의 투명전극의 투과도 스펙트럼을 비교한 도표이다.
도 5는 본 발명의 실시예1의 패턴 주기에 따른 투과도 스펙트럼의 시뮬레이션(simulation) 결과를 나타낸 도표이다.
도 6은 본 발명의 실시예1의 금속 나노홀 패턴층의 두께 및 홀 크기에 따른 투과도 스펙트럼을 비교한 도표이다.
이하, 첨부된 도면을 참고하여 본 발명에 의한 실시예를 상세히 설명하면 다음과 같다.
본 발명이 여러 가지 수정 및 변형을 허용하면서도, 그 특정 실시 예들이 도면들로 예시되어 나타내어지며, 이하에서 상세히 설명될 것이다. 그러나 본 발명을 개시된 특별한 형태로 한정하려는 의도는 아니며, 오히려 본 발명은 청구항들에 의해 정의된 본 발명의 사상과 합치되는 모든 수정, 균등 및 대용을 포함한다.
도면들에 있어서, 층 및 영역들의 두께는 명확성을 기하기 위하여 과장 또는 축소된 것일 수 있다. 명세서 전체에 걸쳐서 동일한 참고번호들은 동일한 구성요소들을 나타낸다.
본 발명은, 금속 나노홀 패턴층을 구비한 다층 투명전극을 제공할 수 있다. 상세하게는, 상기 다층 투명전극은 하부 산화물층, 상기 하부 산화물층 상에 배치된 금속 나노홀 패턴층 및 상기 금속 나노홀 패턴층 상에 배치된 상부 산화물층을 포함할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 다층 투명전극을 나타내는 모식도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에서, 상기 다층 투명전극은 기판(10) 상에 배치된 것일 수 있다.
상기 기판(10)은 상기 다층 투명전극을 지지할 수 있는 지지체로, 각종 전자소자에 적용할 수 있는 모든 기판을 사용할 수 있다. 상기 기판(10)은, 예를 들어, 유리(glass) 또는 사파이어(sapphire) 기판, 또는 폴리에틸렌나프탈레이트(PEN), 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET), 폴리카보네이트(PC), 폴리에틸렌술폰(PES), 폴리이미드(PI), 폴리아릴레이트(PAR), 폴리싸이클릭올레핀(PCO), 폴리메틸메타크릴레이트(PMMA), 가교형 에폭시(crosslinking type epoxy), 가교형 우레탄 필름(crosslinking type urethane)와 같은 플렉서블(flexible) 투명 기판을 사용할 수 있으나, 이에 한정되지는 않는다.
상기 기판(10) 상에 배치된 상기 하부 산화물층(100) 및 상기 상부 산화물층(300)은 인듐 틴 산화물(indium tin oxide, ITO), 알루미늄 첨가 산화아연(aluminum-doped zinc oxide, AZO), 갈륨 첨가 산화아연(gallium-doped zinc oxide, GZO), 산화아연(ZnO) 및 마그네슘산화아연(MgZnO) 중에서 선택되는 적어도 어느 하나의 산화물로 형성되는 것일 수 있다. 본 발명의 일 실시예에서, 상기 하부 산화물층(100) 및 상기 상부 산화물층(300)의 박막 두께는 10nm 내지 100nm일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에서, 상기 하부 산화물층(100) 및 상기 상부 산화물층(300)은 동일한 산화물로 형성되는 것일 수 있다. 구체적으로 이는, 도 1과 같이, 상기 하부 산화물층(100) 및 상기 상부 산화물층(300)이 동일한 산화물로 형성되어 유전상수(dielectric constant)가 같아지면서, 상기 하부 산화물층(100)/상기 금속 나노홀 패턴층(200)과 상기 금속 나노홀 패턴층(200)/상기 상부 산화물층(300) 사이에 동일한 공명 파장이 존재하게 된다. 이에, 반사도가 감소되면서 상기 다층 투명전극의 투과도가 향상될 수 있다. 구체적으로 이는, 하기 실시예 및 도면을 통해 상세하게 설명될 수 있다.
이와 달리, 하부 산화물층과 상부 산화물층이 서로 다른 산화물로 형성하는 경우에는 산화물의 유전상수가 다르므로, 하부 산화물층/금속 나노홀 패턴층과 금속 나노홀 패턴층/상부 산화물층 사이에 서로 다른 표면 플라즈몬 공명 파장이 존재하게되어 투과도의 향상을 기대하기 어려울 수 있다.
또한, 본 발명의 금속 나노홀 패턴층을 구비한 다층 투명전극은 상기 금속 나노홀 패턴층(200) 상에 상기 상부 산화물층(300)을 증착시킴에 따라, 종래의 투명전극에 배치된 금속층이 이탈되면서 손상되었던 단점 및 화학적 안정성의 문제를 완화시키는 효과가 있다.
이와 같이, 본 발명의 금속 나노홀 패턴층을 구비한 다층 투명전극은 종래의 ITO의 특성을 그대로 가져가면서도, 상기 상부 산화물층 및 상기 하부 산화물층의 박막 두께를 얇게 형성할 수 있어, 유연한 특성이 요구되는 소자에도 적용할 수 있다.
상기 기판(10) 상에 상기 하부 산화물층(100)을 형성하는 방법과 상기 금속 나노홀 패턴층(200) 상에 상기 상부 산화물층(300)을 형성하는 방법은, 공지된 산화물 증착방법을 이용하여 수행할 수 있다. 예를 들어, 상기 하부 산화물층(100) 및 상기 상부 산화물층(300)은 스퍼터링법(sputtering), 화학기상증착법(chemical vapor deposition, CVD), 열 증착법(thermal evaporation), 이온빔(e-beam) 증착법, 분무열분해법(spray pyrolysis) 또는 솔-젤 용법(sol-gel process) 등을 이용하여 수행할 수 있으나, 이에 한정되지는 않는다.
상기 하부 산화물층(100) 상에 배치된 상기 금속 나노홀 패턴층(200)은 나노 크기의 복수개의 나노홀이 주기적으로 배열된 패턴구조를 가진 금속층을 의미할 수 있다. 상기 금속 나노홀 패턴층(200)은 금(Au), 은(Ag), 백금(Pt), 구리(Cu) 또는 이들의 두가지 이상의 합금 중에서 선택되는 적어도 어느 하나 이상의 금속을 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에서, 상기 금속 나노홀 패턴층(200)의 홀 크기는 100nm 내지 180nm일 수 있다. 상기 금속 나노홀 패턴층(200)의 홀 크기가 180nm를 초과하는 경우, 금속 간의 거리가 떨어져 있어서 높은 면저항이 생성될 수 있다. 또한, 상기 금속 나노홀 패턴층(200)의 홀 크기가 100nm에서 가장 낮은 면저항(약 11.5Ω/sq)을 가질 수 있으므로, 상술한 홀 크기의 범위 내에서 다층 투명전극의 전기적 특성이 최적화될 수 있다. 이와 같이, 본 발명의 금속 나노홀 패턴(200)층은 나노홀 크기를 조절하여 면저항을 제어할 수 있으며, 이를 통해 다층 투명전극의 전기적 특성을 향상시킬 수 있다.
상세하게는, 본 발명의 금속 나노홀 패턴층을 구비한 다층 투명전극의 전기적 특성은 다음과 같이 정의될 수 있다.
상기 식(1)에서, RS는 다층 투명전극 전체의 면저항, RMETAL은 금속 나노홀 패턴층의 면저항, RTCO는 상부 산화물층 및 하부 산화물층의 면저항을 의미한다. 상기 식(1)에서와 같이, 다층 투명전극은 이를 구성하는 금속 나노홀 패턴층과 상부 산화물층 및 하부 산화물층의 면저항 값에 따라 다층 투명전극 전체의 면저항 값이 결정된다. 본 발명의 다층 투명전극은 하부 산화물층 및 상부 산화물층을 별도의 도핑 공정 없이 상온에서 증착시키기 때문에, 금속 나노홀 패턴층에 비하여 저항이 매우 높아지게 된다. 구체적으로 이는, 하기 식(2)와 같이 나타낼 수 있다.
이를 통해, 본 발명의 다층 투명전극의 전체 면저항이 상기 다층 투명전극에 구비된 상기 금속 나노홀 패턴층에 의해 결정되는 것을 알 수 있다. 구체적으로 이는, 하기 실시예 및 도면을 통해 상세하게 설명될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에서, 상기 금속 나노홀 패턴층(200)의 패턴 주기는 200nm 내지 300nm일 수 있다. 상기 금속 나노홀 패턴층(200)의 패턴 주기는 상기 금속 나노홀 패턴층(200) 상에 주기적으로 배열된 복수개의 나노홀 사이의 간격(크기)을 의미하는 것으로, 상술한 범위 내에서 다층 투명전극의 전기적 특성이 최적화될 수 있다. 이와 같이, 본 발명의 금속 나노홀 패턴층은 패턴 주기를 조절하여 이를 구비한 다층 투명전극에 대한 특정 파장영역에서의 투과도를 향상시킬 수 있다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따라 복수개의 나노홀을 주기적으로 육각배열(hexagonal arrays)하여 패턴화된 금속 나노홀 패턴층을 나타낸 모식도이다. 도 2와 같이, 상기 금속 나노홀 패턴층(200)의 나노홀(250)이 육각배열로 패턴화된 경우, 일반적으로 하기 식(3)에 의해 공명파장대가 결정되는 것으로 알려져 있다(William L. Barnes et al, Nature, 424, 2003).
상기 식(3)에서 λ는 공명현상이 일어나는 공명 파장대, P는 패턴 주기, εmetal 과 εTCO는 금속 나노홀 패턴층과 상부 산화물층 및 하부 산화물층의 유전상수를 의미한다. 상기 식(3)을 참조하면, 본 발명의 다층 투명전극은 유전상수를 갖는 산화물층의 종류 뿐만 아니라, 상기 금속 나노홀 패턴층(200)에 배열된 홀의 패턴 주기를 조절함으로써, 특정 파장대에서의 공명현상을 유도하여 다층 투명전극의 투과도를 향상시키는 것을 알 수 있다. 구체적으로 이는, 하기 실시예 및 도면을 통해 상세하게 설명될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에서, 상기 금속 나노홀 패턴층(200)의 두께가 4nm 내지 20nm일 수 있다. 상기 금속 나노홀 패턴층(200)의 두께가 4nm 미만인 경우 아일랜드(island) 구조에 의해 전기적 특성이 저하될 수 있으며, 빛이 금속을 투과하는 침투 깊이(skin depth)가 약 20nm 이하인 점을 고려하여 상기 금속 나노홀 패턴층(200)의 두께가 20nm를 초과하지 않도록 형성하는 것일 수 있다. 구체적으로 이는, 하기 실시예 및 도면을 통해 상세하게 설명될 수 있다.
상기 하부 산화물층(100) 상에 상기 금속 나노홀 패턴층(200)을 배치하는 것은 공지된 금속층 증착방법 및 패턴형성을 위한 리소그래피(lithography) 방법을 이용하여 수행할 수 있으므로, 특별히 한정하지는 않는다. 예를 들어, 먼저, 상기 하부 산화물층(100) 상에 상기 금속 나노홀 패턴층(200)을 구성할 금속층을 형성할 수 있다. 상기 하부 산화물층(100) 상에 상기 금속층을 형성하는 방법은 공지된 금속층 증착방법인, 스퍼터링법(sputtering), 화학기상증착법(chemical vapor deposition, CVD), 열 증착법(thermal evaporation), 이온빔(e-beam) 증착법 또는 분무열분해법(spray pyrosis) 등의 방법을 이용하여 수행할 수 있다. 이 후, 상기 하부 산화물층(100) 상에 형성된 상기 금속층에 리소그래피를 이용하여 복수개의 나노홀이 주기적으로 배열된 홀 패턴을 형성할 수 있다.
상기와 같이, 본 발명의 금속 나노홀 패턴층을 구비한 다층 투명전극은 하부 산화물층 및 상부 산화물층 사이에 복수개의 나노 크기의 홀이 주기적으로 배열된 금속 나노홀 패턴층을 배치하여, 상기 금속 나노홀 패턴층의 패턴 주기 및 홀 크기를 조절함으로써, 이에 의해 생성되는 상기 하부산화물층/상기 금속 나노홀 패턴층과 상기 금속 나노홀 패턴층/상기 상부 산화물층 사이의 표면 플라즈몬 현상을 통해 특정 파장영역에서의 투과도를 향상시킬 수 있다. 구체적으로, 본 발명의 일 실시예에서, 상기 다층 투명전극의 투과도는 80% 내지 90%일 수 있다.
이하, 본 발명의 이해를 돕기 위하여 바람직한 실시예를 제시하나, 하기 실시예는 본 발명을 예시하는 것일 뿐 본 발명의 범위가 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다.
[실시예]
<실시예1: 금속 나노홀 패턴층을 구비한 다층 투명전극>
유리 기판 상에 산화물인 마그네슘산화아연(MgZnO)를 증착시켜 하부 산화물층을 형성하였다. 상기 하부 산화물층 상에 은(Ag)을 형성하여 리소그래피를 수행해 복수개의 나노홀이 주기적으로 배열된, 금속 홀 패턴층을 형성하였다. 이 때, 각각의 시료의 은(Ag) 두께는 14nm와 16nm로 나누어 형성하였고, 시료별로 홀 크기를 100nm, 150nm, 180nm로 형성하였으며, 시료별로 패턴 주기는 200nm와 300nm로 형성하였다. 이 후, 상기 은(Ag)으로 이루어진 금속 나노홀 패턴층 상에, 다시 마그네슘산화아연(MgZnO)을 증착시켜 상부 산화물층을 형성하여, 다층 투명전극을 제조하였다.
<비교예1: 상부 산화물층을 구비하지 않은 투명전극>
상기 실시예1에서 상부 산화물층을 형성하는 공정을 제외하고는, 다른 공정은 동일하게 진행하여 MgZnO 상에, 은(Ag) 두께는 14nm, 홀 패턴의 패턴 주기는 200nm, 홀 크기는 150nm인 은(Ag)으로 이루어진 금속 나노홀 패턴층이 형성된 투명 전극을 제조하였다.
하기 표 1은 상기 실시예1의 다층 투명전극의 홀 크기에 따른 면저항 값을 나타낸 표이다.
| 금속 나노홀 패턴층 두께(nm) |
홀 크기(nm) | 면저항(Ω/sq) |
| 14 |
0 | 7.7 |
| 100 | 11.5 | |
| 150 | 14.6 | |
| 180 | >106 | |
| 16 |
0 | 7.7 |
| 100 | 10.2 | |
| 150 | 12.5 | |
| 180 | 34 |
표 1을 참조하면, 종래의 투명전극이 구비한 홀 크기가 0인 즉, 패턴이 형성되지 않은 박막 형태의 금속층의 경우, 10Ω/sq 이하의 낮은 면저항을 나타내는 것을 알 수 있다. 이러한 금속층에 홀 패턴을 형성한 본 발명의 실시예1의 다층 투명전극의 경우 홀 크기가 180nm에서는 금속 간의 거리가 떨어짐에 따라 높은 면저항을 가지게 되지만, 홀의 크기를 100nm 내지 150nm로 줄여서 형성될수록 금속 분율이 증가하면서 면저항이 20Ω/sq 이하로 급격하게 감소하여, 다층 투명전극의 전기적 특성이 향상된 것을 확인할 수 있다. 즉, 본 발명의 금속 나노홀 패턴층을 구비한 다층 투명전극의 면저항은, 상기 금속 나노홀 패턴층의 두께 14nm 내지 16nm에서 10 Ω/sq 내지 30 Ω/sq를 나타내는 것을 알 수 있다. 상기와 같이, 본 발명의 금속 나노홀 패턴층을 구비한 다층 투명전극은 홀 크기를 조절하여 최적화된 면저항을 구현할 수 있어, 이를 적용한 전자 소자의 전기적 특성이 향상될 것을 기대할 수 있다.
도 3은 본 발명의 실시예1 및 비교예1의 투명전극의 투과도 스펙트럼을 비교한 도표이다.
먼저, 도 3(a)는 ZnO 산화물을 사용하여 하부 ZnO 산화물층 및 금속 나노홀 패턴층을 구비한 투명전극과, 하부 ZnO 산화물층, 금속 나노홀 패턴층, 상부 ZnO 산화물층을 순차적으로 구비한 투명전극의 투과도 스펙트럼의 시뮬레이션 결과를 나타낸 것이다. 도 3(a)를 참조하면 상부 ZnO 산화물층을 구비한 투명전극이 이를 구비하지 않는 투명전극 보다 투과도가 거의 전 파장 영역에서 크게 향상된 것을 확인할 수 있다.
실제로 이러한 시뮬레이션과 유사한 조건으로 MgZnO 산화물을 사용하여 상기 실시예1 및 상기 비교예1에서 제조한 투명전극(홀 패턴 크기 150nm, 패턴 주기 200nm, 은(Ag) 두께 14nm)을 비교한 도표인 도 3(b)를 참조하면, 상기 비교예1의 상부 산화물층을 구비하지 않은 투명전극에 비해 상기 실시예1의 상부 산화물층을 구비한 다층 투명전극의 투과도가 약 11%이상 향상된, 80% 내지 90%를 나타나는 것을 확인할 수 있다.
구체적으로 이는, 상기 비교예1의 상부 산화물층을 구비하지 않은 투명전극의 경우 금속 나노홀 패턴층 상에는 공기층이 배치되면서 하부 산화물층과의 유전상수 값과 달라지게 된다. 이에, 공기층/금속 나노홀 패턴층과 금속 나노홀 패턴층/하부 산화물층간의 서로 다른 표면 플라즈몬 공명파장이 존재하면서 투과도를 향상시키기 어렵다. 반면에, 상기 실시예1과 같이, 상부 산화물층과 하부 산화물층을 MgZnO 산화물로 동일하게 형성하는 경우, 하부 산화물층/금속 나노홀 패턴층과 금속 나노홀 패턴층/상부 산화물층 사이에 동일한 공명 파장이 존재하게 되어 반사도가 감소하면서, 특히, 550nm 이하의 파장영역에서 투과도가 11% 이상 향상시킬 수 있다.
<비교예2: 패턴화되지 않은 금속층을 구비한 다층 투명전극>
상기 실시예1에서 하부 산화물층에 형성된 은(Ag) 금속층에 리소그래피 공정을 제외하고는, 모든 공정은 동일하게 진행하여, 은(Ag) 금속층의 두께가 14nm인 다층 투명 전극을 제조하였다.
도 4는 본 발명의 실시예1 및 비교예2의 투명전극의 투과도 스펙트럼을 비교한 도표이다.
먼저, 도 4(a)는 ZnO 산화물을 사용하여 상부 ZnO 산화물층 및 하부 ZnO 산화물층 사이에 금속층을 구비한 다층 투명전극과, 상부 ZnO 산화물층 및 하부 ZnO 산화물층 사이에 나노홀 패턴이 형성된 금속 나노홀 패턴층을 구비한 다층 투명전극의 투과도 스펙트럼의 시뮬레이션 결과를 나타낸 것이다. 도 4(a)를 참조하면, 나노홀 패턴이 형성된 금속 나노홀 패턴층을 구비한 다층 투명전극이 패턴이 형성되지 않은 금속층을 구비한 다층 투명전극 보다 투과도가 약 500nm 이하의 파장 영역에서 7% 정도 투과도가 향상된 것을 확인할 수 있다.
실제로 이러한 시뮬레이션과 유사한 조건으로 MgZnO 산화물을 사용하여 상기 실시예1 및 상기 비교예2에서 제조한 다층 투명전극(나노홀 패턴 크기 150nm, 패턴 주기 200nm, 은(Ag) 두께 14nm)을 비교한 도표인 도 4(b)를 참조하면, 상기 비교예2의 패턴을 형성하지 않은 금속층을 구비한 다층 투명전극은 약 400nm 파장영역에서 낮은 투과도를 나타내는 것을 확인할 수 있다. 이에 비해 상기 실시예1의 나노홀 패턴이 형성된 금속 나노홀 패턴층을 구비한 다층 투명 전극의 투과도가 325nm 내지 500nm 파장 영역에서 최대 7% 정도 향상된 것을 알 수 있다.
이를 통해, 실시예1과 같이 금속층에 나노 크기의 일정한 주기로 배열된 나노홀 패턴을 형성하는 경우, 특정파장영역에서 투과도가 높아지는 특이 광투과(extraordinary optical transmission, EOT) 현상에 의해 300nm 내지 400nm의 UV 영역 또는 300nm 내지 800nm의 가시광 영역에서도 투과도를 향상시킬 수 있는 것을 기대할 수 있다.
도 5는 본 발명의 실시예1의 패턴 주기에 따른 투과도 스펙트럼의 시뮬레이션 결과를 나타낸 도표이다.
도 5를 참조하면, 패턴 주기가 200nm인 경우 약 450nm의 파장영역에서 최대 투과도를 가지는 공명 파장이 존재하며, 패턴 주기가 300nm인 경우 약 600nm 파장 영역으로 공명파장이 이동하면서 앞서 상술한 식(3)과 같이, 투과도 스펙트럼이 장파장 영역으로 확대되는 것을 확인할 수 있다. 즉, 본 발명의 금속 나노홀 패턴층을 구비한 다층 투명전극은 패턴 주기를 조절함으로써, 공명파장대를 변화시켜 다양한 파장 영역에서 다층 투명전극의 투과도가 향상되도록 구현할 수 있음을 알 수 있다.
도 6은 본 발명의 실시예1의 금속 나노홀 패턴층의 두께 및 홀 크기에 따른 투과도 스펙트럼을 비교한 도표이다.
먼저, 도 6(a)는 은(Ag)으로 이루어진 금속 나노홀 패턴층의 두께에 따른 투과도 스펙트럼을 비교한 것으로, 금속 나노홀 패턴층의 두께가 증가하면서 가시광 영역에서의 투과도가 급격이 감소하는 것을 확인할 수 있다. 특히, 금속 두꼐가 8nm일 때 94%이상의 가장 높은 투과도를 나타내는 것을 알 수 있다. 또한, 금속 나노홀 패턴층의 두께가 은(Ag)의 침투 깊이(skin depth)값인 20nm 이하인 경우에서는 가시광 영역에서 80% 이상의 투과도를 확보할 수 있으므로, 은(Ag)으로 이루어진 금속 나노홀 패턴층의 두께가 4nm 내지 20nm인 경우에 가시광 영역에서의 투과도 향상이 최대화될 수 있음을 기대할 수 있다.
도 6(b)는 은(Ag)으로 이루어진 금속 나노홀 패턴층의 홀 크기에 따른 투과도 스펙트럼을 나타낸 것으로, 최대 투과도를 가지는 파장대 영역은 유지되지만, 홀 안에 존재하는 국부적 플라즈몬에 의해 급격하게 빛이 흡수되는 영역(dip)에서는 나노홀의 크기가 감소할수록 장파장 영역으로 이동하는 것을 확인할 수 있다. 즉, 본 발명의 금속 나노홀 패턴층을 구비한 다층 투명전극은 금속 나노홀 패턴층의 홀 크기의 최적화를 통해 특정 파장 뿐만 아니라 넓은 파장에서 투과도를 향상시킬 수 있음을 알 수 있다.
상기 실시예와 표 및 도면을 통해 측정한 투과도와 면저항 값을 이용하여 380nm 파장 영역에서의 이득지수(figure of merit(T10/R8))을 계산해 보면, 본 발명의 다층 투명전극의 경우는 0.0272/Ω이며, 종래의 패턴이 형성되지 않은 금속층을 구비한 투명전극의 경우(GZO/Ag/GZO)는 0.0116/Ω이다. 여기서, 이득지수는 투과도와 면저항의 특성을 이용한 투명전극의 우수한 정도를 나타내는 척도를 의미한다. 상기와 같이, 본 발명의 다층 투명전극은 종래의 패턴이 형성되지 않은 금속층을 구비한 경우보다 두 배 이상의 높은 이득지수를 가지는 것을 알 수 있다.
또한, 본 발명의 금속 나노홀 패턴층을 구비한 다층 투명전극은, 종래의 마이크로 패턴을 가진 메쉬(mesh) 타입의 투명전극이 패턴형성으로 인해 금속층의 두께가 얇아지면서 면저항이 높아지는 문제점을 개선할 수 있다. 구체적으로 이는, 금속층의 두께가 동일한 경우에도, 상기 마이크로 패턴을 가진 메쉬 타입의 투명전극에 비해 본 발명의 금속 나노홀 패턴층은 나노 크기의 홀 패턴 구조에 의해 더 높은 금속 분율을 가질 수 있어, 투명전극의 면저항이 더 낮아질 수 있기 때문이다.
이와 같이, 본 발명의 금속 나노홀 패턴층을 구비한 다층 투명전극은 향후 UV 파장에서 사용 가능한 소자의 투명전극으로 적용 가능할 것으로 예상되며, 더불어 패턴 주기의 조절을 통해 넓은 파장영역에서의 투과도를 용이하게 제어할 수 있어, 다양한 파장대에서 빛을 발광하는 LED와 태양전지, 포토디텍터(photo detector) 등의 여러 종류의 광소자에도 적용될 수 있음이 기대된다.
한편, 본 명세서와 도면에 개시된 본 발명의 실시예들은 이해를 돕기 위해 특정 예를 제시한 것에 지나지 않으며, 본 발명의 범위를 한정하고자 하는 것은 아니다. 여기에 개시된 실시예들 이외에도 본 발명의 기술적 사상에 바탕을 둔 다른 변형 예들이 실시 가능하다는 것은, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명한 것이다.
10: 기판
100: 하부 산화물층
200: 금속 나노홀 패턴층 250: 홀(hole)
300: 상부 산화물층
200: 금속 나노홀 패턴층 250: 홀(hole)
300: 상부 산화물층
Claims (8)
- 하부 산화물층;
상기 하부 산화물층 상에 배치된 금속 나노홀 패턴층; 및
상기 금속 나노홀 패턴층 상에 배치된 상부 산화물층을 포함하는 것을 특징으로 하는 금속 나노홀 패턴층을 구비한 다층 투명전극. - 제1항에 있어서,
상기 하부 산화물층 및 상기 상부 산화물층은 인듐 틴 산화물(indium tin oxide, ITO), 알루미늄 첨가 산화아연(aluminum-doped zinc oxide, AZO), 갈륨 첨가 산화아연(gallium-doped zinc oxide, GZO), 산화아연(ZnO) 및 마그네슘산화아연(MgZnO) 중에서 선택되는 적어도 어느 하나의 산화물로 형성되는 것을 특징으로 하는 금속 나노홀 패턴층을 구비한 다층 투명전극. - 제1항에 있어서,
상기 하부 산화물층 및 상기 상부 산화물층은 동일한 산화물로 형성되는 것을 특징으로 하는 금속 나노홀 패턴층을 구비한 다층 투명전극. - 제1항에 있어서,
상기 금속 나노홀 패턴층은 금(Au), 은(Ag), 백금(Pt), 구리(Cu) 또는 이들의 두가지 이상의 합금 중에서 선택되는 적어도 어느 하나 이상의 금속으로 형성되는 것을 특징으로 하는 금속 나노홀 패턴층을 구비한 다층 투명전극. - 제1항에 있어서,
상기 금속 나노홀 패턴층의 홀 크기는 100nm 내지 180nm인 것을 특징으로 하는 금속 나노홀 패턴층을 구비한 다층 투명전극. - 제1항에 있어서,
상기 금속 나노홀 패턴층의 패턴 주기는 200nm 내지 300nm인 것을 특징으로 하는 금속 나노홀 패턴층을 구비한 다층 투명전극. - 제1항에 있어서,
상기 금속 나노홀 패턴층의 두께가 4nm 내지 20nm인 것을 특징으로 하는 금속 나노홀 패턴층을 구비한 다층 투명전극. - 제1항에 있어서,
상기 다층 투명전극의 투과도는 80% 내지 90%인 것을 특징으로 하는 금속 나노홀 패턴층을 구비한 다층 투명전극.
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| Country | Link |
|---|---|
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| KR (1) | KR20160110837A (ko) |
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR20180057197A (ko) * | 2016-11-22 | 2018-05-30 | 고려대학교 산학협력단 | 페로브스카이트 발광소자 |
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| KR20220122178A (ko) * | 2021-02-26 | 2022-09-02 | 한국화학연구원 | 패턴화된 태양전지용 투명전극 및 이를 포함하는 태양전지 |
Families Citing this family (2)
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|---|---|---|---|---|
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2015
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- 2015-12-29 US US14/983,376 patent/US20160268479A1/en not_active Abandoned
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Also Published As
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