KR20200142189A - 투명 전극 - Google Patents

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KR20200142189A
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oxide layer
graphene
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김기범
김현미
이상봉
조영호
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서울대학교산학협력단
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Abstract

본 발명은 투명 전극에 관한 것으로, 보다 상세하게는 그래핀과 투명 전도성 산화물 복합 구조를 이용한 투명 전극에 관한 것이다. 본 발명에 따른 투명 전극의 일 실시예는 기판 상에 형성된 비정질(amorphous) 투명 전도성 산화물(transparent conductive oxide, TCO) 층과, 투명 전도성 산화물 층 상에 형성되어 있는 그래핀(graphene) 층을 포함한다. 투명 전도성 산화물 층과 그래핀 층을 포함하여 이루어진 이중층(bilayer)의 면저항(sheet resistance)이 투명 전도성 산화물 층과 그래핀 층 각각의 면저항보다 작고, 그래핀 층에 의해 투명 전도성 산화물 층이 산화되는 것을 방지한다.

Description

투명 전극{TRANSPARENT ELECTRODE}
본 발명은 투명 전극에 관한 것으로, 보다 상세하게는 그래핀과 투명 전도성 산화물 복합 구조를 이용한 투명 전극에 관한 것이다.
플렉서블 소자(flexible device)는 활용도가 증가하고 있어 관련된 연구가 활발하게 진행되고 있다. 이러한 플렉서블 소자를 구성하는 다양한 기술들 중에서 투명 전극은 핵심 기술이다.
투명 전극은 투명하면서도 낮은 저항을 가져야 하고, 소자를 휘거나 접었을 때에도 기계적으로 안정한 강도를 가져야 할 뿐 아니라, 오랜 기간 사용하더라도 이러한 특성이 열화되지 않아야 한다.
투명 전극에 이용되는 소재로는 투명 전도성 산화물(Transparent Conducting Oxide, TCO)이 널리 이용되고 있으며, 투명 전도성 산화물 중에서도 ITO(인듐-주석 산화물, Indium Tin Oxide)가 산업적 요구사항인 50 Ω/□ 이하의 매우 낮은 면저항(sheet resistance)을 가져 현재 대부분의 투명 전극에 사용되고 있다. 그러나 낮은 면저항을 확보하기 위해 결정질 ITO를 사용하여야 하고, 보통 200nm 이상의 두꺼운 ITO 박막이 사용되고 있다. 이로 인하여 플렉서블 소자의 유연성(flexibility) 확보에 한계를 보이고 있다. 또한, ITO 투명 전극은 공기 중의 산소에 오래 노출되었을 때, 전하 농도가 감소하여 면저항의 증가하는 문제점이 있다.
투명 전극에 이용하기 위한 소재로 그래핀(graphene)과 전도성 고분자도 많은 연구가 이루어지고 있다. 한층의 그래핀은 97.7%의 가시광 투과도를 가지며, 화학적 안정성이 높으며, 유연성이 우수한 특징을 가지고 있다. 그러나 그래핀 한층의 면저항은 수백 Ω/□ 정도이고, 전사공정으로 인해 대면적으로 형성시 불균일성이 존재하는 문제점이 있다. 전도성 고분자는 유연성이 매우 우수하고, 증착이 용이한 장점이 있으나, 무기물 소재에 비하여 면저항 확보가 어렵고, 열과 빛 노출에 대한 안정성이 매우 떨어지는 문제점이 있다.
따라서 플렉서블 소자에 이용될 수 있는 새로운 구조의 투명 전극에 대한 개발이 필요한 실정이다.
본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제는 낮은 면저항을 가지면서도 유연성이 우수하며, 화학적 안정성이 우수한 투명 전극을 제공하는 데에 있다.
상기의 기술적 과제를 해결하기 위한, 본 발명에 따른 투명 전극의 일 실시예는 기판 상에 형성된 비정질(amorphous) 투명 전도성 산화물(transparent conductive oxide, TCO) 층; 및 상기 투명 전도성 산화물 층 상에 형성되어 있는 그래핀(graphene) 층;을 포함하며, 상기 투명 전도성 산화물 층과 상기 그래핀 층을 포함하여 이루어진 이중층(bilayer)의 면저항(sheet resistance)이 상기 투명 전도성 산화물 층과 상기 그래핀 층 각각의 면저항보다 작고, 상기 그래핀 층에 의해 상기 투명 전도성 산화물 층이 산화되는 것을 방지한다.
본 발명에 따른 투명 전극의 일부 실시예들에 있어서, 상기 투명 전도성 산화물층은 IZO(인듐-아연 산화물, Indium Zinc Oxide)를 포함하여 이루어질 수 있다.
본 발명에 따른 투명 전극의 일부 실시예들에 있어서, 상기 IZO를 포함하여 이루어진 투명 전도성 산화물층은 인듐(In) 원소와 아연(Zn) 원소의 원자비가 하기 식 (1)을 만족할 수 있다.
0.472≤In/(Zn+In)≤0.915 (1)
본 발명에 따른 투명 전극의 일부 실시예들에 있어서, 상기 IZO를 포함하여 이루어진 투명 전도성 산화물층은 인듐(In) 원소와 아연(Zn) 원소의 원자비가 하기 식 (2)를 만족할 수 있다.
0.80≤In/(Zn+In)≤0.85 (2)
본 발명에 따른 투명 전극의 일부 실시예들에 있어서, 상기 그래핀 층과 상기 투명 전도성 산화물 층은 서로 접촉되도록 형성될 수 있다.
본 발명에 따른 투명 전극의 일부 실시예들에 있어서, 상기 그래핀 층은 도핑되어 있을 수 있다.
상기의 기술적 과제를 해결하기 위한, 본 발명에 따른 투명 전극의 다른 실시예는 기판 상에 형성된 투명 전도성 산화물(transparent conductive oxide, TCO) 층; 및 상기 투명 전도성 산화물 층 상에 형성되어 있는 그래핀(graphene) 층;을 포함하며, 상기 투명 전도성 산화물 층과 상기 그래핀 층을 포함하여 이루어진 이중층(bilayer)의 면저항(sheet resistance)이 상기 투명 전도성 산화물 층과 상기 그래핀 층 각각의 면저항보다 작고, 상기 이중층의 면저항이 상기 투명 전도성 산화물과 상기 그래핀이 이루는 이중층의 이론적인 면저항보다 작다.
본 발명에 따른 투명 전극의 일부 실시예들에 있어서, 상기 투명 전도성 산화물층은 인듐 산화물(In2O3)를 포함하여 이루어질 수 있다.
본 발명에 따른 투명 전극은 비정질 IZO나 In2O3와 같은 투명 전도성 산화물 층 상에 그래핀 층이 형성되어 있어 면저항을 작게 할 수 있다. 또한, 투명 전도성 산화물 층보다 유연성이 우수한 그래핀 층이 함께 형성되어 투명 전극 전체의 유연성이 증가한다. 그리고 화학적, 기계적 안정성이 높은 그래핀 층이 투명 전도성 산화물 층을 보호함으로써 투명 전도성 산화물이 산화되는 것이 방지된다.
도 1은 본 발명에 따른 투명 전극에 대한 일 실시예를 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 2는 인듐(In) 원소와 아연(Zn) 원소의 원자비에 따른 IZO의 결정구조와 비저항의 변화를 나타낸 도면이다.
도 3a 및 도 3b는 본 발명의 일 실시예에 따른 투명 전극의 면저항의 그래프를 나타낸 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 투명 전극의 열처리에 따른 면저항의 면화를 나타낸 도면이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 투명 전극의 550 nm 파장의 가시광에서의 투과도를 나타낸 도면이다.
도 6은 본 발명에 따른 투명 전극에 대한 다른 실시예를 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 투명 전극의 면저항의 그래프를 나타낸 도면이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 투명 전극의 면저항의 균일성을 나타내는 도면이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 본 발명의 실시예들은 당해 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명을 더욱 완전하게 설명하기 위하여 제공되는 것이며, 하기 실시예는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다. 오히려, 이들 실시예는 본 개시를 더욱 충실하고 완전하게 하고, 당업자에게 본 발명의 사상을 완전하게 전달하기 위하여 제공되는 것이다.
도면들에 있어서, 예를 들면, 제조 기술 및/또는 공차(tolerance)에 따라, 도시된 형상의 변형들이 예상될 수 있다. 따라서, 본 발명의 실시예는 본 명세서에 도시된 영역의 특정 형상에 제한된 것으로 해석되어서는 아니되며, 예를 들면 제조상 초래되는 형상의 변화를 포함하여야 한다. 동일한 부호는 시종 동일한 요소를 의미한다. 나아가, 도면에서의 다양한 요소와 영역은 개략적으로 그려진 것이다. 따라서, 본 발명은 첨부한 도면에 그려진 상대적인 크기나 간격에 의해 제한되지 않는다.
도 1은 본 발명에 따른 투명 전극에 대한 일 실시예를 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 투명 전극(100)은 기판(110) 상에 투명 전도성 산화물 층(120)과 그래핀 층(130)이 적층되어 있는 구조를 가진다.
기판(110)은 특별히 한정되지 않으며, Si, SiC, GaN, AlN, 사파이어, 유리 기판 등이 이용될 수 있다. 기판(110) 위에는 각 소자의 목적에 맞게 박막이 형성되어 있을 수 있다.
기판(110) 상에 형성되는 투명 전도성 산화물 층(120)은 비정질(amorphous)이다. 투명 전도성 산화물 층(120)이 비정질로 이루어질 경우, 결정질로 이루어진 경우에 비해 유연성이 우수하다. 투명 전도성 산화물 층(120)은 원자층 증착법(Atomic Layer Deposition, ALD)을 이용하여 형성할 수 있다. 그러나 본 실시예에서 투명 전도성 산화물 층(120)의 형성 방법이 원자층 증착법으로 제한되는 것은 아니며, 물리적 기상 증착법(Physical Vapor Deposition, PVD)이나 화학적 기상 증착법(Chemical Vapor Deposition, CVD)을 이용하여 형성할 수도 있다.
투명 전도성 산화물 층(120)은 IZO(인듐-아연 산화물, Indium Zinc Oxide)를 포함하여 이루어질 수 있다. IZO는 인듐(In) 원소와 아연(Zn) 원소의 원자비에 따라 결정 구조와 비저항(resistivity)이 변화한다. 인듐(In) 원소와 아연(Zn) 원소의 원자비에 따른 IZO의 결정구조와 비저항의 변화를 도 2에 나타내었다.
도 2를 참조하면, IZO의 인듐(In) 원소와 아연(Zn) 원소의 원자비를 나타내는 In/(Zn+In)가 0.472보다 작으면 우르짜이트(Wurzite) 결정 구조를 갖는다. 그리고 In/(Zn+In)가 0.915보다 크면 빅스바이트(Bixbyite) 결정 구조를 갖는다. 즉, In/(Zn+In)가 0.472보다 작거나 0.915보다 크면 결정질로 이루어진다. 따라서 투명 전도성 산화물 층(120)을 이루는 IZO가 비정질이 되기 위해, 인듐(In) 원소와 아연(Zn) 원소의 원자비는 하기 식 (1)을 만족하는 것이 바람직하다.
0.472≤In/(Zn+In)≤0.915 (1)
그리고 비정질 IZO에서 In/(Zn+In)가 0.8 ~ 0.85 범위에 있을 때 비저항이 가장 작으므로, 투명 전도성 산화물 층(120)을 이루는 IZO의 인듐(In) 원소와 아연(Zn) 원소의 원자비가 하기 식(2)를 만족하는 것이 더욱 바람직하다.
0.80≤In/(Zn+In)≤0.85 (2)
그래핀 층(130)은 투명 전도성 산화물 층(120) 상에 형성되며, 바람직하게는 투명 전도성 산화물 층(120)에 직접 접촉되도록 형성된다. 그래핀 층(130)은 전사 공정에 의해 투명 전도성 산화물 층(120) 위에 형성할 수 있다. 즉, 화학적 기상 증착법으로 구리 호일(Cu foil) 위에 그래핀 층을 증착한 이후, 투명 전도성 산화물 층(120) 위에 전사할 수 있다. 그러나 본 실시예에서 그래핀 층(130)의 형성 방법이 전사 공정으로 제한되는 것은 아니며, 저온 공정을 통해 형성할 수 있다면 다른 방법을 이용하여 형성할 수도 있다. 그래핀 층(130)은 투명 전극(100) 전체의 면저항을 증가시키지 않기 위해 1 ~ 2 층 정도의 그래핀으로 이루어진다. 그래핀 층(130)은 그래핀의 홀 농도(hole concentration)를 낮은 1013 레벨로 증가시키기 위해, 벤즈이미다졸(benzimidazole)과 같은 도펀트(dopant)가 도핑되어 있을 수 있다. 전사 공정을 이용하여 그래핀 층(130)을 형성하는 경우, 구리 호일을 식각하는 식각용액(etchant)에 도펀트를 포함시켜 그래핀 층(130)을 도핑할 수 있다.
본 실시예에 따른 투명 전극(100)을 구성하는 비정질 투명 전도성 산화물 층(120)과 그래핀 층(130)으로 이루어진 이중층(bilayer) 전체의 면저항은 투명 전도성 산화물 층(120)과 그래핀 층(130) 각각의 면저항보다 작다. 또한, 본 실시예에 따른 투명 전극(100)을 구성하는 비정질 투명 전도성 산화물 층(120)과 그래핀 층(130)으로 이루어진 이중층(bilayer) 전체의 면저항은 투명 전도성 산화물 층(120)과 그래핀 층(130)으로 이루어진 이중층의 이론적 면저항과도 실질적으로 동일할 정도로 큰 차이가 없다. 그리고 본 실시예에 따른 투명 전극(100)은 그래핀 층(130)이 투명 전도성 산화물 층(120)을 보호하는 캡층(capping layer) 역할을 하여 상기 투명 전도성 산화물 층(120)이 산화되는 것을 방지한다.
도 3a 및 도 3b는 본 발명의 일 실시예에 따른 투명 전극의 면저항의 그래프를 나타낸 도면이다. 도 3a 및 도 3b에서 검은색으로 표시된 그래프(310, 340)는 비정질 IZO로 이루어진 투명 전도성 산화물 층의 면저항을 나타낸 그래프이고, 빨간색으로 표시된 그래프(320, 350)는 비정질 IZO로 이루어진 투명 전도성 산화물 층 상에 그래핀 층이 형성된 투명 전극인 본 발명의 일 실시예에 따른 투명 전극의 면저항을 나타낸 그래프이고, 파란색으로 표시된 그래프(330, 360)는 비정질 IZO와 그래핀이 적층된 경우의 이론적인 면저항을 나타낸 그래프이다. 도 3a는 도핑되지 않은 그래핀 층을 이용한 경우를 나타낸 도면이고, 도 3b는 도핑된 그래핀 층을 이용한 경우를 나타낸 도면이다.
이때, IZO 투명 전도성 산화물 층은 원자층 증착법을 이용하여 형성하였다. 구체적으로, InOx 증착 사이클 9회, ZnOx 증착 사이클 1회를 수퍼사이클로 하여 원자층 증착법으로 IZO 투명 전도성 산화물 층을 형성하였다. 이와 같이 형성한 IZO 투명 전도성 산화물 층은 비정질이었고, IZO 투명 전도성 산화물 층의 인듐(In) 원소와 아연(Zn) 원소의 원자비인 In/(Zn+In)는 0.83이었다. 그리고 그래핀 층은 전사 공정에 의해 형성하였으며, 도핑된 경우(도 3b)의 도펀트는 벤즈이미다졸을 이용하였다. 도핑되지 않은 그래핀 층의 면저항은 380 Ω/□이며, 도핑된 그래핀 층의 면저항은 275 Ω/□이었다.
도 3a를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 투명 전극(비정질 IZO 투명 전도성 산화물 층 상에 그래핀 층 형성)의 면저항(320)은 비정질 IZO 투명 전도성 산화물 층의 면저항(310)에 비해 작고, 도핑되지 않은 그래핀 층의 면저항인 380 Ω/□ 보다 작음을 알 수 있다. 비정질 IZO 투명 전도성 산화물 층의 두께가 증가함에 따라 차이가 크지는 않으나, 비정질 IZO 투명 전도성 산화물 층의 두께가 7 ~ 30 nm 인 경우에는 상당한 차이를 나타냄을 알 수 있다. 또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 투명 전극(비정질 IZO 투명 전도성 산화물 층 상에 그래핀 층 형성)의 면저항(320)은 비정질 IZO와 그래핀이 적층된 경우의 이론적인 면저항(330)과 거의 동일함을 알 수 있다.
도 3b를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 투명 전극(비정질 IZO 투명 전도성 산화물 층 상에 도핑된 그래핀 층 형성)의 면저항(350)은 비정질 IZO 투명 전도성 산화물 층의 면저항(340)에 비해 작고, 도핑된 그래핀 층의 면저항인 275 Ω/□ 보다 작음을 알 수 있다. 비정질 IZO 투명 전도성 산화물 층의 두께가 증가함에 따라 차이가 크지는 않으나, 비정질 IZO 투명 전도성 산화물 층의 두께가 7 ~ 30 nm 인 경우에는 상당한 차이를 나타냄을 알 수 있다. 또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 투명 전극(비정질 IZO 투명 전도성 산화물 층 상에 도핑된 그래핀 층 형성)의 면저항(350)은 비정질 IZO와 도핑된 그래핀이 적층된 경우의 이론적인 면저항(360)과 거의 동일함을 알 수 있다.
또한, 30 nm 비정질 IZO 투명 전도성 산화물 층 상에 도핑되지 않은 그래핀 층이 형성된 투명 전극의 면저항은 120 Ω/□ 정도이고, 30 nm 비정질 IZO 투명 전도성 산화물 층 상에 도핑된 그래핀 층이 형성된 투명 전극의 면저항은 105 Ω/□ 정도로, 면저항이 우수함을 알 수 있다.
즉, 본 발명에 따른 투명 전극은 비정질 투명 전도성 산화물이나 그래핀만을 이용한 경우에 비해 면저항 특성이 개선됨을 알 수 있다. 또한, 유연성이 우수한 그래핀을 이용하므로, 투명 전도성 산화물만을 이용한 투명 전극에 비해 유연성이 개선되며, 하부의 투명 전도성 산화물 층의 일부가 굽힘 등에 의해 파괴되더라도 그래핀 층이 이를 보완할 수 있어, 기존의 투명 전도성 산화물만을 이용한 투명 전극에 비해 유연성이 향상된다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 투명 전극의 열처리에 따른 면저항의 면화를 나타낸 도면이다. 도 4에서 검은색으로 표시된 그래프(410)는 30 nm 비정질 IZO로 이루어진 투명 전도성 산화물 층의 1시간 열처리에 따른 면저항을 나타낸 그래프이고, 빨간색으로 표시된 그래프(420)는 본 발명의 일 실시예에 따른 투명 전극(30 nm 비정질 IZO 투명 전도성 산화물 층 상에 도핑되지 않은 그래핀 층 형성)의 1시간 열처리에 따른 면저항을 나타낸 그래프이다. 비정질 IZO 투명 전도성 산화물 층이나 그래핀 층은 도 3에서 설명한 것과 동일한 방법으로 형성하였다.
도 4를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 투명 전극(30 nm 비정질 IZO 투명 전도성 산화물 층 상에 도핑되지 않은 그래핀 층 형성)의 경우에는 열처리 이후에도 면저항(420)이 조금 감소하거나 변화가 크지 않은 반면, 30 nm 비정질 IZO로 이루어진 투명 전도성 산화물 층의 경우에는 열처리 이후에 면저항(410)이 증가한 것을 알 수 있다. 비정질 IZO로 이루어진 투명 전도성 산화물 층이 열처리 이후에 면저항이 증가한 것은 비정질 IZO로 이루어진 투명 전도성 산화물 층이 열처리에 의해 산화되었기 때문이다. 이에 반해, 본 발명의 일 실시예에 따른 투명 전극(비정질 IZO 투명 전도성 산화물 층 상에 도핑되지 않은 그래핀 층 형성)은 그래핀 층에 의해 비정질 IZO 투명 전도성 산화물 층이 산화되는 것이 방지되어 열처리 이후에도 면저항이 증가하지 않는 것이다. 따라서 본 발명에 따른 투명 전극이 화학적 안정성이 우수함을 알 수 있다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 투명 전극의 550 nm 파장의 가시광에서의 투과도를 나타낸 도면이다. 도 5는 비정질 IZO 투명 전도성 산화물 층 상에 도핑된 그래핀 층이 형성된 투명 전극의 비정질 IZO 투명 전도성 산화물 층의 두께에 따른 투과도를 나타낸 그래프이다. 비정질 IZO 투명 전도성 산화물 층이나 그래핀 층은 도 3에서 설명한 것과 동일한 방법으로 형성하였다.
도 5를 참조하면, 비정질 IZO 투명 전도성 산화물 층의 두께가 7 ~ 30 nm 인 경우에는 투과도가 90% 이상이거나 거의 90% 정도로, 이중층으로 이루어진 투명 전극임에도 투과도가 우수하다는 것을 알 수 있다.
도 6은 본 발명에 따른 투명 전극에 대한 다른 실시예를 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 6을 참조하면, 본 발명에 따른 투명 전극(600)은 기판(610) 상에 투명 전도성 산화물 층(620)과 그래핀 층(630)이 적층되어 있는 구조를 가진다.
기판(610)은 특별히 한정되지 않으며, Si, SiC, GaN, AlN, 사파이어, 유리 기판 등이 이용될 수 있다. 기판(610) 위에는 각 소자의 목적에 맞게 박막이 형성되어 있을 수 있다.
기판(610) 상에 형성되는 투명 전도성 산화물 층(620)은 인듐 산화물(In2O3)을 포함하여 이루어질 수 있다. 투명 전도성 산화물 층(620)은 원자층 증착법을 이용하여 형성할 수 있다. 그러나 본 실시예에서 투명 전도성 산화물 층(620)의 형성 방법이 원자층 증착법으로 제한되는 것은 아니며, 물리적 기상 증착법이나 화학적 기상 증착법을 이용하여 형성할 수도 있다.
그래핀 층(630)은 투명 전도성 산화물 층(620) 상에 형성되며, 바람직하게는 투명 전도성 산화물 층(620)에 직접 접촉되도록 형성된다. 그래핀 층(630)은 전사 공정에 의해 투명 전도성 산화물 층(620) 위에 형성할 수 있다. 즉, 화학적 기상 증착법으로 구리 호일(Cu foil) 위에 그래핀 층을 증착한 이후, 투명 전도성 산화물 층(620) 위에 전사할 수 있다. 그러나 본 실시예에서 그래핀 층(630)의 형성 방법이 전사 공정으로 제한되는 것은 아니며, 저온 공정을 통해 형성할 수 있다면 다른 방법을 이용하여 형성할 수도 있다. 그래핀 층(630)은 투명 전극(600) 전체의 면저항을 증가시키지 않기 위해 1 ~ 2 층 정도의 그래핀으로 이루어진다. 그래핀 층(630)은 그래핀의 홀 농도를 낮은 1013 레벨로 증가시켜 면저항을 감소시키기 위해, 벤즈이미다졸과 같은 도펀트가 도핑되어 있을 수 있다. 전사 공정을 이용하여 그래핀 층(630)을 형성하는 경우, 구리 호일을 식각하는 식각용액에 도펀트를 포함시켜 그래핀 층(630)을 도핑할 수 있다.
본 실시예에 따른 투명 전극(600)을 구성하는 비정질 투명 전도성 산화물 층(620)과 그래핀 층(630)으로 이루어진 이중층 전체의 면저항은 투명 전도성 산화물 층(620)과 그래핀 층(630) 각각의 면저항보다 작다. 또한, 본 실시예에 따른 투명 전극(600)을 구성하는 비정질 투명 전도성 산화물 층(620)과 그래핀 층(630)으로 이루어진 이중층 전체의 면저항은 투명 전도성 산화물 층(620)과 그래핀 층(630)으로 이루어진 이중층의 이론적 면저항보다 작다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 투명 전극의 면저항의 그래프를 나타낸 도면이다. 도 7에서 검은색으로 표시된 그래프(710)는 In2O3로 이루어진 투명 전도성 산화물 층의 면저항을 나타낸 그래프이고, 빨간색으로 표시된 그래프(720)는 In2O3로 이루어진 투명 전도성 산화물 층 상에 그래핀 층이 형성된 투명 전극인 본 발명의 일 실시예에 따른 투명 전극의 면저항을 나타낸 그래프이고, 파란색으로 표시된 그래프(730)는 In2O3와 그래핀이 적층된 경우의 이론적인 면저항을 나타낸 그래프이다. 이때, In2O3 투명 전도성 산화물 층은 원자층 증착법을 이용하여 형성하였다. 그리고 그래핀 층은 전사 공정에 의해 형성하였으며, 그래핀 층의 면저항은 850 Ω/□ 정도이었다.
도 7을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 투명 전극(In2O3 투명 전도성 산화물 층 상에 그래핀 층 형성)의 면저항(720)은 In2O3 투명 전도성 산화물 층의 면저항(710)에 비해 작고, 그래핀 층의 면저항인 850 Ω/□ 보다 작음을 알 수 있다. 또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 투명 전극(In2O3 투명 전도성 산화물 층 상에 그래핀 층 형성)의 면저항(720)은 In2O3의 두께가 10 ~ 30 nm 인 경우에는 In2O3와 그래핀이 적층된 경우의 이론적인 면저항(730)보다 작음을 알 수 있다.
즉, 본 발명에 따른 투명 전극은 투명 전도성 산화물이나 그래핀만을 이용한 경우에 비해 면저항 특성이 개선될 뿐 아니라, 투명 전도성 산화물과 그래핀의 이중층의 이론적인 면저항보다도 더 개선됨을 알 수 있다. 또한, 유연성이 우수한 그래핀을 이용하므로, 투명 전도성 산화물만을 이용한 투명 전극에 비해 유연성이 개선되며, 하부의 투명 전도성 산화물 층의 일부가 굽힘 등에 의해 파괴되더라도 그래핀 층이 이를 보완할 수 있어, 기존의 투명 전도성 산화물만을 이용한 투명 전극에 비해 유연성이 향상된다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 투명 전극의 면저항의 균일성을 나타내는 도면이다. 도 8a는 7cm×7cm 크기의 산화실리콘(SiO2) 기판 위에 그래핀을 형성한 경우 면저항을 나타낸 도면이고, 도 8b는 7cm×7cm 크기의 In2O3 투명 전도성 산화물 위에 그래핀을 형성한 경우 면저항을 나타낸 도면이다. 그래핀과 In2O3 투명 전도성 산화물을 형성하는 방법은 도 7에서 설명한 방법과 동일하다.
도 8a를 참조하면, 산화실리콘 기판 위에 그래핀을 형성한 경우에는 면저항이 매우 불균일하게 나타나, 대면적 소자에서 그래핀을 투명 전극으로 이용하기 어렵다는 것을 알 수 있다. 이에 반해, 도 8b를 참조하면, In2O3 투명 전도성 산화물 위에 그래핀을 형성한 경우에는 면저항이 매우 균일하여, 대면적 소자에서도 본 발명에 따른 투명 전극은 이용하는 것이 가능함을 알 수 있다.
상기에서 살펴본 바와 같이, 본 발명에 따른 투명 전극은 비정질 IZO나 In2O3와 같은 투명 전도성 산화물 층 상에 그래핀 층이 형성되어 있어 면저항을 작게 할 수 있다. 또한, 투명 전도성 산화물 층보다 유연성이 우수한 그래핀 층이 함께 형성되어 투명 전극 전체의 유연성이 증가한다. 그리고 화학적, 기계적 안정성이 높은 그래핀 층이 투명 전도성 산화물 층을 보호함으로써 투명 전도성 산화물이 산화되는 것이 방지된다.
이상에서 본 발명의 실시예에 대해 도시하고 설명하였으나, 본 발명은 상술한 특정의 실시예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형 실시가 가능한 것은 물론이고, 그와 같은 변경은 청구범위 기재의 범위 내에 있게 된다.

Claims (10)

  1. 기판 상에 형성된 비정질(amorphous) 투명 전도성 산화물(transparent conductive oxide, TCO) 층; 및
    상기 투명 전도성 산화물 층 상에 형성되어 있는 그래핀(graphene) 층;을 포함하며,
    상기 투명 전도성 산화물 층과 상기 그래핀 층을 포함하여 이루어진 이중층(bilayer)의 면저항(sheet resistance)이 상기 투명 전도성 산화물 층과 상기 그래핀 층 각각의 면저항보다 작고,
    상기 그래핀 층에 의해 상기 투명 전도성 산화물 층이 산화되는 것을 방지하는 것을 특징으로 하는 투명 전극.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 투명 전도성 산화물층은 IZO(인듐-아연 산화물, Indium Zinc Oxide)를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 투명 전극.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 IZO를 포함하여 이루어진 투명 전도성 산화물층은 인듐(In) 원소와 아연(Zn) 원소의 원자비가 하기 식 (1)을 만족하는 것을 특징으로 하는 투명 전극.
    0.472≤In/(Zn+In)≤0.915 (1)
  4. 제3항에 있어서,
    상기 IZO를 포함하여 이루어진 투명 전도성 산화물층은 인듐(In) 원소와 아연(Zn) 원소의 원자비가 하기 식 (2)를 만족하는 것을 특징으로 하는 투명 전극.
    0.80≤In/(Zn+In)≤0.85 (2)
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 그래핀 층과 상기 투명 전도성 산화물 층은 서로 접촉되도록 형성된 것을 특징으로 하는 투명 전극.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 그래핀 층은 도핑되어 있는 것을 특징으로 하는 투명 전극.
  7. 기판 상에 형성된 투명 전도성 산화물(transparent conductive oxide, TCO) 층; 및
    상기 투명 전도성 산화물 층 상에 형성되어 있는 그래핀(graphene) 층;을 포함하며,
    상기 투명 전도성 산화물 층과 상기 그래핀 층을 포함하여 이루어진 이중층(bilayer)의 면저항(sheet resistance)이 상기 투명 전도성 산화물 층과 상기 그래핀 층 각각의 면저항보다 작고,
    상기 이중층의 면저항이 상기 투명 전도성 산화물과 상기 그래핀이 이루는 이중층의 이론적인 면저항보다 작은 것을 특징으로 하는 투명 전극.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 투명 전도성 산화물층은 인듐 산화물(In2O3)를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 투명 전극.
  9. 제7항 또는 제8항에 있어서,
    상기 그래핀 층과 상기 투명 전도성 산화물 층은 서로 접촉되도록 형성된 것을 특징으로 하는 투명 전극.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 그래핀 층은 도핑되어 있는 것을 특징으로 하는 투명 전극.
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