3.1 유연투명전극 박막의 전기/광학적 특성연구
그림 1은 PET기판 투명전극 제작을 위한 공정 모식도로 PET기판 위에 RF magnetron sputtering system 장비를 활용하여 얇은 두께의
금속을 증착하고, 상부에 IZO를 증착하여 유연투명전극을 제작한다. 두께를 특정하기 위해 먼저 FDTD시뮬레이션을 통해 각 물질의 굴절률(n,k)
값을 입력하고, 파장에 따른 투과도를 먼저 관찰하였다.
최적의 증착 두께는 FDTD 시뮬레이션을 통해 그림 2(a) 결과에 따라 460 nm 파장대역에서 Ag 금속의 투과도는 두께가 3, 4, 5, 6, 7 nm일 때 각각 80.1, 74.4, 69.1, 64.1,
59.6%를 나타내었고, 그림2(b)의 결과에 따라 IZO 박막의 투과도는 두께가 70, 80, 90, 100 nm일때 각각 80.6, 89.2,
93.8, 91.1%를 나타내었다. 물질의 두께에 따라 광학적 특성이 변화하는 것은 두께에 따른 굴절률 변화와 Fabry-Perot 공진현상에 따라
두께에 따른 광학특성의 변화를 설명할 수 있다[15].
시뮬레이션 결과 값을 기반으로 각 물질별 투과도 값을 확인했을 때, IZO 90 nm 두께를 기본으로 하고, Ag를 3, 5, 7 nm로 하여 투명전극
공정을 진행하였다. 먼저 PET 기판에 각 두께별 Ag금속과 IZO박막을 증착하여 전기/광학적 특성을 확인하였고, 표 1에 각 물질별 투과도, 면저항, 성능지수인 Figure of Merit (FoM)값을 표기하였다. 성능지수는 서로 상반관계를 이루는 투명전극의 투과도와
면저항을 고려한 특성을 비교하기 위한 지수로, FoM값의 계산식 (1)은 다음과 같다[16].
여기서 TE는 특정 파장에서의 전극의 투과도 값을 나타내며, Rsh 는 박막의 면저항을 나타낸다. Ag 3 nm 의 경우 460 nm 파장에서 75.9%를 나타내 측정 값 중 가장 높은 수치를 가지지만 268.1
Ω/sq의 높은 면저항으로 인해 낮은 FoM값을 나타내었고, Ag 7nm는 33.9 Ω/sq의 낮은 면저항을 가지지만 62.3%의 낮은 투과도로 인해
3 nm 와 비슷한 FoM 값을 가지는 것을 확인하였다.
Ag 5 nm의 경우 투과도 71.6%, 면저항 53.8 Ω/sq 으로 , 0.00066의 상대적으로 높은 FoM값을 가진다. 다음은 각 두께별 Ag
층의 표면 상태를 확인하기 위해, FE-SEM장비를 통한 표면이미지를 확보하였다.
그림 3의 Ag 각 두께별 이미지는 100,000배 확대한 이미지이며, PET기판 위 증착되어 있는 금속의 표면상태를 확인할 수 있다. 일반적으로 수nm수준의
Ag는 Volmer-Weber 성장방식에 따라 클러스터에서 섬형태로 뭉쳐있는 표면을 가질 수 있다[17].
먼저 그림 3(a)의 Ag 3 nm 이미지는 Ag 금속이 기판 위에 증착되지 않은 부분이 다수 존재함을 확인하였다. 또한 스퍼터링된 입자들이 핵이 형성되기 전 상태인
경우가 많고, 섬형태의 금속층은 각 금속섬들이 일부 연결되어 있지만 사이사이에 분포하는 채널로 인해 벌크 박막에 비해 면저항이 매우 높게 측정된다[18]. 그림3 (b), (c)의 Ag 5 nm와 7 nm의 경우 3 nm에 비해 여러 클러스터들이 모여 큰 섬형태를 이루고 상대적으로 고르게 분포되어 있는 것을 확인할 수 있으며,
섬 사이의 채널도 줄어들어 면저항 증가가 완화되는 것으로 보인다. 또한 박막형태의 금속에 비해 공극 채널이 존재하는 금속섬형태는 밴딩테스트를 진행함에
있어서도 추가로 기계적 균열이 생길 여지가 적기 때문에 면저항의 변화량이 크지 않다. 본 결과를 토대로 최종적으로 Ag 5 nm의 두께를 가지는 금속을
활용하여 IZO 박막과 유연투명전극을 제작하였다.
그림 4에는 IZO와 Ag/IZO 전극의 시뮬레이션과 실제 측정값의 투과도를 그래프로 나타내었다. 먼저 IZO 박막의 경우 FDTD시뮬레이션 결과에 따라
두께가 90 nm일 때 460 nm 파장대역에서 투과도가 가장 높기에 실제 PET 기판에 IZO 90 nm를 증착하여 결과를 확인하고자 하였다. 증착된
IZO박막의 특성 측정 결과 투과도 90.2%로 460 nm 대역에서 가장 높음을 확인하였고, 면저항은 29.5 Ω/sq를 나타내었다. IZO 단일
박막 결과를 바탕으로 하여 Ag 5 nm를 증착되는 RF파워와 증착 시간을 낮게 조절하여 얇고 균일한 증착 후, 상부에 IZO 90 nm를 증착하여
Ag/IZO 박막을 투명전극으로 선정하였다. Ag/IZO 전극의 경우 460 nm 파장대역에서 91.1%의 투과도를 나타내며, 면저항은 19.8 Ω/sq를
나타내었다. 투과도와 면저항을 고려한 Ag/IZO의 FoM 값은 0.0199로 본 연구에서 가지는 FoM값 중에서 가장 높은 값을 가짐을 확인하였다.
추가로 IZO와 Ag/IZO의 기계적 안정성을 시험하기 위해서 밴딩테스터기를 활용한 곡률반경조사와 밴딩사이클 테스트를 진행하였다.
3.2 유연투명전극 박막의 기계적 특성연구
IZO와 Ag/IZO 전극의 bending radius (R)값에 따른 면저항 변화량과 밴딩 횟수에 따른 면저항을 측정하기 위해 밴딩테스터기를 활용하여
PET 기판 위 전극의 기계적 특성을 측정한 결과를 그림 5에 나타내었다. 결과값은 각 전극의 10개 샘플 측정값의 평균값으로 나타내었다. 먼저 그림 5(a)에서 IZO와 Ag/IZO 두 가지 전극이 5R (5 mm)일 때까지 면저항의 변화가 크지 않았으며, 3R일 때 면저항이 각각 약 1.8, 1.7배
증가하였고, 1R이하로 떨어졌을 때 면저항이 두 전극다 10배 이상 증가함을 확인하였다. Ag/IZO 전극의 경우 마찬가지로 Ag 금속이 박막형태가
아닌 금속 클러스터와 섬형태로 구성된 상태에서 IZO 박막이 증착되기 때문에, 기계적 변형에도 IZO단층 박막과 큰 차이 없이 비슷한 경향을 가지는
것으로 여겨진다. 밴딩테스터기를 활용한 반복밴딩시험의 결과값을 그림5(b)에 나타냈으며, 최초 1회 5R 밴딩시험 후 면저항을 측정하고, 10회, 100회, 1000회의 밴딩시험 후 면저항을 측정하여 그래프로 나타내었다.
각 전극의 면저항 변화량 측정결과 IZO와 Ag/IZO 박막 둘 다 1000 cycle 정도일 때 각각 54.7, 36.2 Ω/sq로 1.85, 1.81배
증가하는 결과를 도출하였다.
해당 전극의 밴딩시험 후 표면 상태를 측정한 FE-SEM 이미지를 그림 6에 나타내었다. 밴딩시험 전 전극의 표면에 비해 곡률반경 5 mm에서 1000회의 밴딩시험 후 SEM 이미지에는 증착된 전극의 표면 일부에 주름 및
균열(크랙)이 발생한 것을 확인하였다. 이러한 결과로 인해 박막 내 주름 및 균열 부분에 전자의 이동이 원활하지 않고 누적되어 전도가 원활하지 않아
밴딩시험 전 상태의 전극보다 저항이 증가하는 것으로 나타난다. 또한 IZO전극 대비 Ag/IZO전극은 IZO 하부에 Ag 금속 클러스터들이 균열이
생긴 IZO박막의 아래에 일부 분포되어 있기 때문에 균열이 생긴 자리에서 전자의 이동을 가능하게 하여 저항 증가량이 낮은 것으로 설명될 수 있다[19].
그림 7의 경우 IZO와 Ag/IZO 전극 각각 10개의 1000회 5R 밴딩테스트 후 면저항의 변화량을 측정한 박스플롯 차트를 나타낸다. 먼저 IZO전극의
경우 면저항의 평균/중간 변화량은 각각 1.85, 1.87배이며, 최대/최소 변화량은 각각 1.92, 1.76 배의 값을 보여준다. Ag/IZO 전극의
경우 면저항의 평균/중간 변화량은 각각 1.81, 1.8배 이며, 최대/최소 변화량은 각각 1.9, 1.75배를 나타낸다. 여기서 밴딩테스트에 따른
면저항 변화량은 180 µm 두께의 PET 기판에 약 90 nm 두께의 박막을 증착하였기 때문에 두께가 2000:1 비율이고, 증착된 전극에 걸리는
응력 역시 기판에 비해 매우 적은 부하가 걸리기 때문에 박막의 균열이 크지 않아 면저항의 변화량이 크지 않은 것으로 측정된다[20].
그 결과 Ag/IZO전극의 기계적 변화에 따른 면저항 변화량은 5R, 1000회 반복시험에도 2배 미만의 증가를 나타내었고, IZO전극의 변화량과
유사한 경향을 유지하며 전기적/광학적 특성이 향상된 것을 확인하였다.