Properties of Metallic Grids with a Wide Range of width as Transparent Electrodes

Abstract

투명전극은 액정 디스플레이, 터치스크린, 유기 발광 다이오드, 태양전지와 같은 많은 전자 기기에서 중요한 역할을 한다. 가장 중요한 투명전극의 특성은 광학 투과도와 면저항이다. 이 두 특성은 기기 성능에 아주 큰 영향을 미치게 되지만 높은 투과도와 낮은 저항은 둘의 trade-off 관계로 인해 동시에 실현되기 어렵다. 인듐 주석 산화물(Indium tin oxide)은 높은 투과도와 낮은 면저항으로 인해 광전 소자에서 투명전극으로 널리 사용된다. 그러나 인듐의 고갈로 인한 재료의 가격상승, 유연성의 부족 등 많은 문제점을 가지고 있다. 금속 기반의 투명전극은 금속의 높은 전기 전도도 때문에 가장 유망한 후보 중 하나이다. 높은 투과도와 전기전도도를 동시에 확보하기 위해 주기적인 구조의 금속 와이어에 대해 많은 연구가 되었다. 본 논문에서는 금속 그리드 형태의 구조를 갖는 투명전극을 FDTD(Finite-difference time-domain) simulation을 통해 광학적 특성을 예측하고 전기적 저항을 기존 문헌 조사를 통해 추정하였다. 또한 실제로 유리 기판 및 유연 기판 위에 금속 그리드 투명 전극을 제작하여 특성을 평가하고 시뮬레이션 값과 비교하였다. 2장에서는 FDTD 시뮬레이션을 이용한 투명전극의 광투과 특성 결과를 보여준다. 선폭을 25nm 부터 5μm까지 갖는 은 및 알루미늄의 일차원 주기 구조의 투과율을 FDTD를 통해 계산하였다. 90%, 95%의 두 종류의 개구율을 갖는 구조를 이용하여 투과도 비교를 직관적으로 할 수 있도록 하였다. 마이크로 크기의 폭을 갖는 그리드의 경우, 그리드의 투과율은 개구율과 거의 일치하는 투과도를 보였다. 그러나 나노 크기의 폭을 갖는 그리드에서는 Rayleigh anomaly, TE 편광에서의 투과율 감소(cut off), 국소 표면 플라즈몬(Localized surface plasmon) 등의 세 현상이 나타났다. 선폭이 100nm 이하로 작아지면 TE cutoff가 가시광선 영역에서 나타나 투과도를 감소하는 역할을 하였다. Rayleigh anomaly는 투과 정점을 만들며 평균 투과도를 증가시킨다. 마지막으로 국소 표면 플라즈몬이 투과도의 하락을 유발하여 평균 투과도를 낮추는 역할을 한다. 위의 세 현상으로 인해 나노 폭 그리드는 불균일한 광투과도를 보이게 된다. 추가적으로 기판이 있는 경우에는 나노 폭 그리드에서 국소 표면 플라즈몬의 효과가 강화되고 Rayleigh anomaly 현상이 발생하지 않아 평균 투과도가 더욱 감소하는 현상을 확인하였다. 나노 폭 그리드의 경우 마이크로 폭 그리드 보다 더 높은 저항을 가질 것이라 예측되기 때문에 마이크로 폭 그리드가 투명전극으로 사용함에 있어서 더욱 우수한 성능을 나타낼 것이라고 예측하였다. 3장에서는 실제로 포토리소그래피 공정을 통하여 유리기판 위에 마이크로 금속 그리드 구조를 구현하고 2장에서 계산된 시뮬레이션 결과와 구현된 투명전극의 특성을 비교하였다. 투명전극 물질로는 50nm 의 은을 사용하였으며 Cr은 은과 유리의 접착력을 증가시키기 위한 접착층으로 10nm 증착되었다. 그리드의 형태는 1D, 2D 두 가지 형태로 제작되었고 선폭은 2.5 μm와 5 μm 로, 그리드의 주기는 금속이 덮이지 않은 영역(개구율)이 80%, 90%, 95%만큼 되도록 설정하였다. 5μm 선폭을 갖는 1차원 그리드는 95% 투과율과 16.2 Ω/□의 면저항을 나타내어 ITO와 상응하는 값을 보였다. 추가적으로 같은 구조의 투명전극을 유연기판 위에 구현하고 특성을 평가하였다. 결론적으로, FDTD 시뮬레이션을 통해 나노 그리드와 마이크로 그리드 투명전극이 광학적 특성을 예측하고, 예측한 특성을 바탕으로 마이크로 그리드 투명전극이 우수한 투명전극 특성을 나타낼 것이라 예측하였다. 예측된 특성을 바탕으로 유리기판 위에 구현하여 ITO와 상응하는 전기적 및 광학적 특성을 보이는 것을 확인하였고 유연기판 위에 구현된 투명전극도 안정적인 저항을 나타내었다. 마이크로 그리드 투명전극은 향후 우수한 전기적 특성과 광학적 특성으로 ITO를 대체할 차세대 투명전극 재료로 활용 될 수 있다.