KR20160114411A - 다층 전극 구조물 - Google Patents

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Abstract

다층 전극 구조물은 유연 기판 및 상기 유연 기판 상에 배치되며 제1 우르짜이트 구조 박막/금속 박막/제2 우르짜이트 구조 박막이 순차적으로 형성된 다층 박막체를 포함한다.

Description

다층 전극 구조물{MULTI-LAYERED ELECTRODE STRUCTURE}
본 발명은 다층 전극 구조물에 관한 것이다. 보다 상세하게는 본 발명은 광학적으로 투명한 특성 및 전기적으로 우수한 전기 전도도를 갖는 다층 박막체를 구비한 다층 전극 구조물에 관한 것이다.
ITO 투명 전극은 우수한 전기전도도 및 높은 광투과도를 갖는 전극 재료로서 현재까지 광범위하게 사용되고 있다. 하지만, 상기 ITO 투명 전극을 형성하기 위하여 고온 열처리를 통한 결정화 공정이 요구된다. 하지만 기판이 플렉서블한 고분자로 이루어질 경우, 상기 고온 열처리 공정이 어려운 문제가 있다.
따라서, ITO 투명 전극을 대체하고자 많은 연구가 진행되고 있다. 일 예로서, 옥사이드/메탈/옥사이드 (OMO) 다층 구조의 투명 전극이 개시되어 있다. 고온 열처리가 필요한 ITO 투명 전극에 비해 상기 다층구조의 투명 전극은 열처리가 필요하지 않아서 플렉서블한 폴리머 기판을 사용할 수 있으며, 경제적인 측면에서도 열처리 공정을 줄이고, ITO에 비해 생산 가격을 낮출 수 있는 경쟁력을 지니고 있다.
이러한 많은 장점을 지니고 있는 다층 구조의 투명 전극도 단점이 하나 있는데, 기존의 투명 전극으로 사용되는 ITO에 비해서 낮은 면저항을 지니고 있음에도 불구하고 중간에 삽입 된 금속 박막으로 인해 광투과도가 낮아서 유기태양전지의 효율이 낮다는 문제점을 지니고 있다. 특히, 유연 기판 상에 상기 다층 구조의 투명 전극을 포함한 유연 소자의 경우, 상기 유연 소자의 벤딩에 의하여 상기 투명 전극의 면저항이 급속히 증대되는 문제가 있다.
본 발명은 이와 같은 문제점을 감안한 것으로써, 본 발명의 일 목적은 상대적으로 낮은 면저항 및 높은 광투과도를 갖고 개선된 내구성을 갖는 다층 전극 구조물을 제공하는 것이다.
본 발명의 일 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 실시예들은 다층 전극 구조물은 유연 기판 및 상기 유연 기판 상에 배치되며 제1 우르짜이트 구조 박막/금속 박막/제2 우르짜이트 구조 박막이 순차적으로 형성된 다층 박막체를 포함한다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 제1 및 제2 우르짜이트 구조 박막들 각각은 아연 산화물 또는 갈륨 질화물로 이루어질 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 다층 박막체는 ZnO/Ag/ZnO으로 이루어질 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 금속 박막은 17 내지 23 nm 범위를 두께를 가지고, 상기 금속 박막에 대한 상기 제1 및 제2 우르짜이트 구조 박막들 각각의 두께비는 1.9 내지 3.1 범위를 가질 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 다층 전극 구조물은 기존 ITO 물질을 대체하여 제1 우르짜이트 구조 박막/금속 박막/제2 우르짜이트 구조 박막이 순차적으로 형성된 다층 박막체를 포함한다. 따라서, 높은 투과도와 낮은 면저항을 지닌 다층 박막체가 유연 기판에 적용할 수 있다. 또한 상기 제1 우르짜이트 구조 박막/금속 박막/제2 우르짜이트 구조 박막을 포함하는 다층 전극 구조물이 벤딩 테스트 결과 우수한 벤딩 특성을 가짐을 확인할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 다층 전극 구조물을 설명하기 위한 단면도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 다층 전극 구조물을 나타내는 투과주사 현미경 사진이다.
도 3은 다층 전극 구조물(실시예1) 및 ITO 투명 전극(비교예1)에 대한 광투과도를 도시한 그래프이다.
도 4는 다층 전극 구조물(실시예1 내지 3 및 비교예 2-3)에 대한 광투과도를 도시한 그래프이다.
도 5는 ITO 투명 전극(비교예1)에 대한 벤딩 테스트 결과에 따른 면저항을 도시한 그래프이다.
도 6은 다층 전극 구조물(실시예1)에 대한 벤딩 테스트 결과에 따른 면저항을 도시한 그래프이다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들에 대해 상세히 설명한다. 본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 본문에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 첨부된 도면에 있어서, 대상물들의 크기와 양은 본 발명의 명확성을 기하기 위하여 실제보다 확대 또는 축소하여 도시한 것이다.
제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다.
본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "구비하다" 등의 용어는 명세서 상에 기재된 특징, 단계, 기능, 구성요소 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 다른 특징들이나 단계, 기능, 구성요소 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
한편, 다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
다층 전극 구조물
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 다층 전극 구조물을 설명하기 위한 단면도이다.
도 1을 참고하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 다층 투명 전극 구조물(100)은 유연 기판(110) 및 다층 박막체를 포함한다. 상기 다층 투명 전극 구조물(100)은 상대적으로 우수한 광투과도 및 전도성을 가짐에 따라 태양전자, 유기발광다이오드, 액정표시장치의 전극으로서 적용될 수 있다.
상기 유연 기판(110)은 광학적으로 투명한 성질을 갖는다.
상기 유연 기판(110)은 다층 전극 구조물을 지지한다. 상기 유연 기판(110)은, 폴리에틸렌나프탈레이트(PEN), 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET), 폴리카보네이트(PC), 폴리에틸렌술폰(PES), 폴리이미드(PI), 폴리아릴레이트(PAR), 폴리싸이클릭올레핀(PCO), 폴리메틸메타크릴레이트(PMMA), 가교형 에폭시(crosslinking type epoxy), 또한 가교형 우레탄 필름(crosslinking type urethane)을 포함할 수 있다.
상기 다층 박막체는 제1 우르짜이트 구조 박막(121), 금속 박막(130) 및 제2 우르짜이트 구조 박막(122)을 구비한다.
상기 제1 우르짜이트 구조 박막(121)은 상기 기판(110) 상에 형성된다. 상기 제1 우르짜이트 구조 박막(121)은 우르짜이트 결정 구조(wurtzite crystal structure)를 갖는 물질로 이루어진다. 상기 우르짜이트 결정 구조는 C-plane ((001) 평면)에서 보면 벌집 구조(honey comb structure)를 가짐에 따라 벤딩 테스트시 우수한 특성을 가질 수 있다. 이로써, 상기 제1 우르짜이트 구조를 갖는 다층 전극 구조물이 우수한 벤딩 특성을 가질 수 있다.
상기 우르짜이트 결정 구조를 가는 물질의 예로는 아연 산화물 또는 갈륨 질화물을 들 수 있다. 또한, 상기 아연 산화물 또는 갈륨 질화물에는 우르짜이트 결정 구조를 기초로 하여 3족-5족 원소 또는 2족-6족 원소가 도펀트로서 도핑될 수 있다.
상기 금속 박막(130)은 상기 제1 우르짜이트 구조 박막(121)에 형성된다. 상기 금속 박막(130)은 상대적으로 높은 전기 전도도를 갖는 반면에 광학적으로 상대적으로 낮은 광투과도를 가지는 문제가 있다. 따라서, 상대적은 낮은 광투과도를 갖는 상기 금속 박막(130)은 가능한 한 얇은 두께, 예를 들면 10 nm 이하의 두께를 가지도록 요구되고 있다. 하지만, 상기 금속 박막(130)은 상대적으로 높은 전기 전도도를 가짐에 따라 상기 다층 투명 전극 구조물(100)의 면저항을 감소시키는 기능을 할 수 있다.
상기 제2 우르짜이트 구조 박막(122)은 상기 금속 박막(130) 상에 형성된다. 상기 제2 우르짜이트 구조 박막(122)은 상기 제1 우르짜이트 구조 박막(121)과 실질적으로 동일한 물질로 이루어 질 수 있다. 상기 제1 및 제2 우르짜이트 구조 박막들(121, 122)은 상호 동일한 두께를 가질 수 있도록 구비될 수 있다.
하지만 본 발명의 실시예들에 따른 상기 금속 박막(130)은 17 내지 23 nm 의 두께를 가진다. 이 경우, 상기 금속 박막(130)이 단독으로 투명 전극으로 사용될 경우 상술한 바와 같이 낮은 광투과도를 가짐에 따라 투명 전극으로 사용되기에는 적합하지 않은 문제를 가질 수 있다.
하지만, 본 발명의 실시예들에 따른 다층 박막체는 상기 금속 박막(130)이 상기 제1 및 제2 우르짜이트 구조 박막들(121, 122) 사이에 샌드위치 방식으로 개재된다. 상기 제1 및 제2 우르짜이트 구조 박막들(121, 122) 각각은 상기 금속 박막(130)에 대하여 1.9 내지 3.1의 두께비를 가질 수 있다. 이로써 상기 제1 및 제2 우르짜이트 구조 박막들(121, 122) 및 상기 제1 및 제2 우르짜이트 구조 박막들(121, 122) 사이에 샌드위치 방식으로 개재된 금속 박막(130)을 포함하는 다층 전극 구조물(100)은 상기 금속 박막(130)이 상대적인 높은 두께를 가짐에 따라 전기 전도성이 개선될 수 있다. 나아가, 상기 금속 박막(130)이 상대적인 높은 두께를 가짐에도 불구하고, 제1 및 제2 우르짜이트 구조 박막들(121, 122) 각각은 상기 금속 박막(130)에 대하여 1.9 내지 3.1배의 두께 비(thickness ratio)를 가짐에 따라 상기 다층 투명 전극 구조물(100)이 개선된 광투과도를 가질 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 금속 박막(130)은 17 내지 23 nm 의 두께를 가질 경우, 상기 제1 및 제2 우르짜이트 구조 박막들(121, 122)은 24 내지 56 nm 의 두께를 각각 가질 수 있다.
상기 제1 우르짜이트 구조 박막(121), 금속 박막(123) 및 상기 제2 우르짜이트 구조 박막(125)은 각각 스퍼터링 공정을 통하여 형성될 수 있다. 이로써, 상기 제1 우르짜이트 구조 박막(121), 금속 박막(123) 및 상기 제2 우르짜이트 구조 박막(125)은 대면적에 일정한 균일도(uniformity)를 갖도록 형성될 수 있다.
상기 제2 우르짜이트 구조 박막(125)은 상기 제1 우르짜이트 구조 박막(121)과 실질적으로 동일한 물질로 이루어 질 수 있다. 상기 제1 및 제2 우르짜이트 구조 박막들(121, 125)은 상호 동일한 두께를 가질 수 있도록 구비될 수 있다.
다층 전극 구조물에 대한 평가
PET 기판(1.5ㅧ1.5 cm2) 상에 RF 스퍼터링 공정을 통하여 제1 아연 산화물박막, 실버(Ag) 박막 및 제2 아연 산화물 박막이 순차적으로 형성되었다. 세라믹 아연 산화물 타겟(순도 99.999%) 및 실버 타겟(순도 99.99%)이 상온에서 1ㅧ10-6 의 압력 조건에서 이용되었다. 공정 조건으로 90W RF 전력 및 30W RF 전력이 각각 아연 산화물 박막 및 실버 박막을 형성하는 데 적용되었다. 제1 아연 산화물 박막 및 제2 아연 산화물 박막들 각각은 8 내지 80 nm 의 두께로 변경하였다. 이에 대한 자세한 내용은 아래의 표1에 기술한다.
면저항을 측정하기 위하여 4 포인트 프로브 기술이 적용되었으며, UV/visible spectrometer (UV-1800, Shimadzu 社)를 이용하여 가시광선 영역에 대한 광투과도를 측정하였다.
한편, 벤딩 테스틀 수행하기 위하여, 평탄한 시료의 중심을 기준으로 양 단부들을 홀딩하여 각각 90도로 수차례 벤딩한다.
구분 실시예1
(ZAZ)		 실시예2
(ZAZ)		 실시예3
(ZAZ)		 비교예1
(ITO)		 비교예2
(ZAZ)		 비교예3
(ZAZ)
실버 박막의 두께((nm) 19 19 19 - 19 19
제1 및 제2 아연 산화물 박막들의 각 두께(nm) 40 24 56 - 8 80
ITO 박막의 두께 - - - 100 - -
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 다층 전극 구조물을 나타내는 투과주사 현미경 사진이다.
도 2를 참조하면, 상기 PET 기판 상에 ZnO/Ag/ZnO 박막이 순차적으로 형성된 다층 박막체를 구비한 다층 전극 구조물이 형성됨을 확인할 수 있다.
도 3은 다층 전극 구조물(실시예1) 및 ITO 투명 전극(비교예1)에 대한 광투과도를 도시한 그래프이다.
도 3을 참조하면, 가시광선 영역에 빛에 대하여 다층 전극 구조물(실시예1)은 ITO 투명 전극(비교예1)과 유사하게 우수한 광투과도를 나타냄을 확인할 수 있다.
도 4는 다층 전극 구조물(실시예1 내지 3 및 비교예 2-3)에 대한 광투과도를 도시한 그래프이다.
도 4를 참조하면, 실시예1 내지 실시예3에 따른 제1 전극은 비교예2 및 비교예3과 비교할 때 가시광선 영역에서 우수한 광투과도를 가짐을 확인할 수 있다. 상기 금속 박막 대비 상기 제1 및 제2 우르짜이트 구조 박막들 각각의 두께비는 2.1 내지 2.9 범위를 가질 수 있다.
여기서, 상기 금속 박막은 17 내지 23 nm 범위를 두께를 가진다. 이로써 상기 금속 박막이 충분한 두께를 가짐으로써 상기 다층 전극 구조물이 상대적으로 낮은 면저항을 가질 수 있다. 상기 금속 박막이 충분한 두께를 가질 경우, 광투과도가 악화될 수 있는 문제가 있을 수 있으나, 상기 금속 박막에 대한 상기 제1 및 제2 우르짜이트 박막들 각각의 두께비는 2.1 내지 2.9 범위를 가짐으로써, 상기 제1 및 제2 우르짜이트 박막이 광투과도 측면에서 우수한 광학 특성을 가질 수 있다. 이는, 상기 제1 및 제2 우르짜이트 박막들 및 금속 박막 사이의 굴절율에 기인한다.
도 5는 ITO 투명 전극(비교예1)에 대한 벤딩 테스트 결과에 따른 면저항을 도시한 그래프이다.
도 5를 참조하면, 5회 벤딩 후 ITO 투명 전극의 저항이 급격히 증가함을 확인할 수 있다. 이는 ITO 투명 전극이 끊어져 전기적으로 개방됨을 알 수 있다.
도 6은 다층 전극 구조물(실시예1)에 대한 벤딩 테스트 결과에 따른 면저항을 도시한 그래프이다.
도 6을 참조하면, 1,000회 벤딩까지 다층 전극 구조물의 저항 변화가 거의 없음을 확인할 수 있다. 이는 다층 전극 구조물이 우수한 벤딩 특성을 가짐을 확인할 수 있다.
본 발명의 실시예들에 따른 유기 태양 전지는 플렉서블한 폴리머 기판에도 사용가능하며, 비틀림과 꺾임 속에서도 전기적 특성을 유지할 수 있다. 또한 ITO 기반의 투명 전극 소재를 대체할 수 있으며 이를 통하여 제조 단가를 낮추는 효과까지 얻을 수 있다.
상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

Claims (4)

  1. 유연 기판; 및
    상기 유연 기판 상에 배치되며 제1 우르짜이트 구조 박막/금속 박막/제2 우르짜이트 구조 박막이 순차적으로 형성된 다층 박막체를 포함하는 다층 전극 구조물.
  2. 제1항에 있어서, 상기 제1 및 제2 우르짜이트 구조 박막들 각각은 아연 산화물 또는 갈륨 질화물로 이루어진 것을 특징으로 하는 다층 전극 구조물.
  3. 제1항에 있어서, 상기 다층 박막체는 ZnO/Ag/ZnO으로 이루어진 것을 특징으로 하는 다층 전극 구조물.
  4. 제1항에 있어서, 상기 금속 박막은 17 내지 23 nm 범위를 두께를 가지고, 상기 금속 박막에 대한 상기 제1 및 제2 우르짜이트 구조 박막들 각각의 두께비는 1.9 내지 3.1 범위를 갖는 것을 특징으로 하는 다층 전극 구조물.
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