KR20150105798A - 투명전극 및 그 제조방법 - Google Patents

투명전극 및 그 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명에 따른 투명 전극은 제1 투명 산화물층; 상기 제1 투명 산화물층 상에 형성된 제2 투명 산화물층; 및 상기 제1 투명 산화물층 및 상기 제2 투명 산화물층 사이에 형성되며, 적어도 2종류의 금속을 포함하는 금속층을 포함한다.

Description

투명전극 및 그 제조방법{TRANSPARENT ELECTRODE AND MANUFACTURING METHOD THEREOF}
본 발명은 투명전극 및 그 제조방법에 관한 것으로, 특히 다층구조의 투명전극 및 그 제조방법에 관한 것이다.
투명전극은 전기 전도성과 광투과성을 동시에 갖춘 소재로 형성된다. 첨단 정보기술산업과 신재생 에너지산업이 급부상하면서 투명전극 소재에 관한 관심이 높아지고 있다. 특히, 평판 디스플레이, 태양전지 등과 같이 투명 전극을 사용하는 분야의 산업이 발전함에 따라 얇고 투과도가 크며 전기 전도성이 우수한 투명전극 소재가 요구되고 있다.
투명전극 소재로는 얇은 막 형태로 제조된 투명 전도성 산화물(Transparent Conducting Oxide: TCO)이 대표적이다. 투명 전도성 산화물은 가시광선 영역에서의 높은 광학적 투과도(85% 이상)와 낮은 비저항(1×10-3Ωcm)을 동시에 갖는 산화물계의 축퇴된(degenerate) 반도체 전극을 총칭하는 것이다. 투명 전도성 산화물은 면저항 크기에 따라 정전기 방지막, 전자파 차폐 등의 기능성 박막과 평판 디스플레이, 태양전지, 터치패널, 투명 트랜지스터, 플렉시블 광전소자, 투명 광전소자 등의 핵심 전극 재료로 사용되고 있다.
인듐 주석 산화물(Indium Tin Oxide: ITO, 이하, 'ITO'라 한다)은 대표적으로 이용되는 투명 산화물 전극으로서, 인듐 산화물에 10wt%의 주석산화물이 도핑된 것이다. ITO 전극은 가시광 영역의 빛을 90% 이상 투과시킬 수 있어 매우 투명한 특성을 나타내며 낮은 비저항(10-3 ~ 10-4Ωcm)의 특성을 지니고 있어서 각종 광전소자에 널리 사용되고 있다.
최근 투명전극 소재를 이용한 제품들이 대형화되면서 빛 투과율은 그대로 유지되면서 더 낮은 비저항을 갖는 투명전극 소재에 대한 개발이 절실하게 요구되고 있다.
본 발명은 비저항이 낮고 빛 투과율이 우수한 다층구조의 투명 전극 및 그 제조방법을 제공하기 위한 것이다.
본 발명의 실시 예에 따른 투명 전극은 제1 투명 산화물층; 상기 제1 투명 산화물층 상에 형성된 제2 투명 산화물층; 및 상기 제1 투명 산화물층 및 상기 제2 투명 산화물층 사이에 형성되며, 적어도 2종류의 금속을 포함하는 금속층을 포함한다.
상기 제1 투명 산화물층 및 상기 제2 투명 산화물층은 아연 산화물 또는 주석 산화물을 포함할 수 있다.
상기 금속층은 알루미늄과 은을 포함한다.
상기 금속층은 제1 알루미늄층, 상기 제1 알루미늄층 상에 형성된 은층 및 상기 은층 상에 형성된 제2 알루미늄층을 포함하는 3중층 구조로 형성될 수 있다.
상기 금속층은 알루미늄과 은의 합성물을 포함할 수 있다.
상기 합성물은 상기 알루미늄을 12 내지 30 at.%의 비율로 포함한다.
본 발명의 실시 예에 따른 투명 전극의 제조방법은 제1 투명 산화물층을 형성하는 단계; 적어도 2종류의 금속을 스퍼터링하여 상기 제1 투명 산화물층 상에 금속층을 형성하는 단계; 및 상기 금속층 상에 제2 투명 산화물층을 형성하는 단계를 포함한다.
상기 금속층을 형성하는 단계는 알루미늄과 은을 동시에 스퍼터링하여 상기 알루미늄과 상기 은의 합성물을 형성하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 합성물을 형성하는 단계는 1 내지 15%의 질소 또는 산소를 포함하는 아르곤 가스 분위기에서 스퍼터링 방식으로 실시될 수 있다.
상기 금속층을 형성하는 단계는 상기 제1 알루미늄층을 형성하는 단계; 상기 제1 알루미늄층 상에 은층을 형성하는 단계; 및 상기 은층 상에 제2 알루미늄층을 형성하는 단계를 포함할 수 있다.
본 발명은 투명 산화물층들 사이에 적어도 2종류의 금속을 포함하는 금속층을 배치하여 투명 전극을 구성함으로써 투명 산화물층들 사이에 단일 금속층을 배치하는 경우보다 얇은 두께에서 투명 전극의 비저항을 낮출 수 있고 높은 빛 투과도를 확보할 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 투명 전극 단면도.
도 2는 다양한 실시 예에 따른 투명 전극들의 가시광 투과율을 나타내는 그래프.
이하에서는, 본 발명의 가장 바람직한 실시예가 설명된다. 도면에 있어서, 두께와 간격은 설명의 편의를 위하여 표현된 것이며, 실제 물리적 두께에 비해 과장되어 도시될 수 있다. 본 발명을 설명함에 있어서, 본 발명의 요지와 무관한 공지의 구성은 생략될 수 있다. 각 도면의 구성요소들에 참조 번호를 부가함에 있어서, 동일한 구성 요소들에 한해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 번호를 가지도록 하고 있음에 유의하여야 한다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 투명 전극 단면도이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시 예에 따른 투명 전극은 순차로 적층된 제1 투명 산화물층(110), 금속층(120), 및 제2 투명 산화물층(130)을 포함한다. 제1 투명 산화물층(110)과 제2 투명 산화물층(130)은 아연 산화물 또는 주석 산화물을 포함할 수 있다. 금속층(120)은 제1 및 제2 투명 산화물층들(110, 130) 사이에 배치되며 적어도 2종류의 금속을 포함한다.
상기에서 금속층(120)이 전기 전도도가 높은 은 또는 구리의 단일 금속으로 형성된 경우, 투명 전극의 전기 전도도를 높이고, 빛 투과율을 확보할 수 있다. 그러나, 단일 금속으로 금속층(120)을 형성하는 경우, 제1 및 제2 투명 산화물층들(110, 130)보다 낮은 저항의 투명 전극을 얻기 위하여 금속층(120)의 두께를 두껍게 형성해야 한다. 예를 들어, 은 또는 구리로만 금속층을 형성하는 경우 물질의 특성상 10nm 이상의 두께를 증착해야만 막이 형성되며, 10nm 이상의 두께로 증착해야만 전극으로서 사용가능하다.
본 발명은 금속층(120)을 적어도 2종류의 금속을 이용하여 형성함으로써 얇은 두께에서도 제1 및 제2 투명 산화물층들(110, 130)보다 낮은 저항을 갖는 투명 전극을 제공할 수 있다.
상술한 단일 금속으로 이루어진 금속층 보다 얇은 두께에서 제1 및 제2 투명 산화물층들(110, 130)보다 낮은 저항을 갖는 금속층(120)을 형성하기 위해, 본 발명은 알루미늄과 은을 포함하는 금속층(120)을 형성할 수 있다. 보다 구체적으로, 금속층(120)은 제1 알루미늄층, 제1 알루미늄 층 상의 은층, 및 은층 상의 제2 알루미늄층을 포함하는 3중층 구조로 형성될 수 있다. 또는 금속층(120)은 알루미늄과 은의 합성물을 포함할 수 있다.
상술한 적어도 2종류의 금속을 포함하는 금속층(120)을 제1 투명 산화물층(110)과 제2 투명 산화물층(130) 사이에 개재시킨 다층 구조의 투명 전극은 이하와 같은 방식으로 형성될 수 있다.
먼저, 제1 투명 산화물층(110)을 형성한다. 이 후, 적어도 2종류의 금속을 스퍼터링하여 제1 투명 산화물층(110) 상에 금속층(120)을 형성하고, 금속층(120) 상에 제2 투명 산화물층(130)을 형성한다.
알루미늄과 은의 합성물로 이루어진 금속층(120)을 형성하는 경우, 알루미늄과 은을 동시에 스퍼터링한다. 알루미늄과 은의 합성물을 형성하는 스퍼터링은 1 내지 15%의 질소 또는 산소를 포함하는 아르곤 가스 분위기에서 실시될 수 있다.
알루미늄과 은이 혼합된 3중층 구조의 금속층(120)을 형성하는 경우, 제1 알루미늄층을 형성한 후, 제1 알루미늄층 상에 은층을 형성하고, 은층 상에 제2 알루미늄층을 형성하는 단계를 순차로 실시할 수 있다.
스퍼터 방식으로 은을 8nm로 증착하여 막을 형성하면, 은막의 저항이 너무 커서 저항을 측정할 수 없다. 스퍼터 방식으로 알루미늄을 4nm로 증착하여 막을 형성하면, 알루미늄막의 저항이 너무 커서 저항을 측정할 수 없다.
그러나, 상술한 본 발명의 실시 예에서와 같이 알루미늄과 은을 동시에 스퍼터링하여 알루미늄과 은의 합성물로 이루어진 금속층(120)을 형성하면, 금속층(120)은 6nm의 두께에서 2×10-6 Ωcm의 저항값을 가질 수 있다. 이러한 저항값은 인듐 주석 산화물(Indium Tin Oxide; ITO)로 형성된 제1 및 제2 투명 산화물층들(110, 130)의 비저항값 보다 훨씬 낮다. 이와 같이 은과 알루미늄을 동시에 스퍼터링하여 금속층(120)을 형성하는 경우, 구리만 스퍼터링하거나 은만 스퍼터링하여 금속층을 형성하는 경우보다 막이 형성되는 최소 두께를 줄일 수 있으며 단일 금속으로 이루어진 금속층보다 더 얇은 두께에서 더 우수한 전기적 특성을 가진 금속층(120)을 형성할 수 있다. 알루미늄과 은의 합성물 내에서 알루미늄은 12 내지 30 at.%의 비율로 포함된다.
상술한 바와 같이 금속층(120)의 두께를 얇게 형성하면, 제1 투명 산화물층(110), 금속층(120), 및 제2 투명 산화물층(130)을 포함하여 다층 구조로 형성된 투명 전극의 빛 투과율을 높일 수 있다.
또한, 상제1 알루미늄층, 은층 및 제2 알루미늄층을 포함하는 3중층 구조의 금속층(120)을 형성하면, 은층만을 이용한 금속층보다 우수한 전기적 특성 및 빛 투과도를 가진 금속층(120)을 제공할 수 있다.
도 2는 다양한 실시 예에 따른 투명 전극들의 가시광 투과율을 나타내는 그래프이다. 도 2의 A는 투명 산화물층들 사이에 4nm의 은으로만 형성된 금속층을 개재한 다층 구조의 투명전극에 대한 가시광 투과율이다. 도 2의 B는 투명 산화물층들 사이에 알루미늄과 은의 합성물로 형성된 6nm의 금속층을 개재한 다층 구조의 투명전극에 대한 가시광 투과율이다. 도 2의 C는 투명 산화물층들 사이에 2nm의 제1 알루미늄층, 8nm의 은층, 2nm의 제2 알루미늄층을 포함하는 3중층 구조의 금속층을 개재한 다층 구조의 투명전극에 대한 가시광 투과율이다. A, B, C의 경우 모두 투명 산화물층으로 40nm 두께의 인듐 주석 산화물(ITO) 박막이 사용되었으며, 상온에서 스퍼터링 방법으로 제작되었다.
A의 투명 전극은 면저항이 44Ω/sq이고, B의 투명 전극은 면저항이 34Ω/sq이며, C의 투명 전극은 면저항이 18Ω/sq이다. 이로써, 2 종류 이상의 금속을 투명 산화물층들 사이에 개재시킨 B, C의 투명 전극들이 단일 금속을 투명 산화물층들 사이에 개재시킨 A의 투명 전극에 비해 우수한 전기적 특성을 가짐을 알 수 있다.
또한, 도 2에 도시된 바와 같이, 가시광 영역에서 2 종류 이상의 금속을 투명 산화물층들 사이에 개재시킨 B, C의 투명 전극들이 단일 금속을 투명 산화물층들 사이에 개재시킨 A의 투명 전극에 비해 우수한 빛 투과율을 가짐을 알 수 있다.
상술한 바와 같이 본 발명에 따른 투명 전극은 우수한 투과성을 갖는 투명 산화물층들 사이에 알루미늄과 은이 혼재된 얇은 금속층 (예를 들어, 10nm 이하의 금속층)을 포함할 수 있다. 이에 따라, 본 발명의 실시 예에 따른 투명 전극은 금속층을 통해 낮은 저항을 확보할 수 있고, 투명 산화물층과 얇은 두께의 금속층을 통해 높은 투과도를 확보할 수 있다. 이와 같이 낮은 저항 특성과 높은 투과도를 동시에 가진 투명 전극은 다양한 광소자의 투명전극으로 이용될 수 있다.
본 발명은 투명 산화물층들 사이에 적어도 2종류의 금속을 포함하는 금속층을 배치하여 투명 전극을 구성함으로써 투명 산화물층들 사이에 단일 금속층을 배치하는 경우보다 얇은 두께에서 투명 전극의 비저항을 낮출 수 있고 높은 빛 투과도를 확보할 수 있다.
본 발명의 기술 사상은 상기 바람직한 실시예들에 따라 구체적으로 기록되었으나, 상기한 실시예는 그 설명을 위한 것이며 그 제한을 위한 것이 아님을 주의하여야 한다. 또한, 본 발명의 기술 분야의 통상의 전문가라면 본 발명의 기술 사상 범위내에서 다양한 실시예가 가능함을 이해할 수 있을 것이다.
110, 130: 투명 산화물층
120: 2종류 이상의 금속을 포함하는 금속층

Claims (10)

  1. 제1 투명 산화물층;
    상기 제1 투명 산화물층 상에 형성된 제2 투명 산화물층; 및
    상기 제1 투명 산화물층 및 상기 제2 투명 산화물층 사이에 형성되며, 적어도 2종류의 금속을 포함하는 금속층을 포함하는 투명전극.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 제1 투명 산화물층 및 상기 제2 투명 산화물층은 아연 산화물 또는 주석 산화물을 포함하는 투명전극.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 금속층은 알루미늄과 은을 포함하는 투명전극.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 금속층은 제1 알루미늄층, 상기 제1 알루미늄층 상에 형성된 은층 및 상기 은층 상에 형성된 제2 알루미늄층을 포함하는 3중층 구조로 형성된 투명전극.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 금속층은 알루미늄과 은의 합성물을 포함하는 투명전극.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 합성물은 상기 알루미늄을 12 내지 30 at.%의 비율로 포함하는 투명전극.
  7. 제1 투명 산화물층을 형성하는 단계;
    적어도 2종류의 금속을 스퍼터링하여 상기 제1 투명 산화물층 상에 금속층을 형성하는 단계; 및
    상기 금속층 상에 제2 투명 산화물층을 형성하는 단계를 포함하는 투명전극 제조방법.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 금속층을 형성하는 단계는
    알루미늄과 은을 동시에 스퍼터링하여 상기 알루미늄과 상기 은의 합성물을 형성하는 단계를 포함하는 투명전극 제조방법.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 합성물을 형성하는 단계는
    1 내지 15%의 질소 또는 산소를 포함하는 아르곤 가스 분위기에서 스퍼터링 방식으로 실시되는 투명전극 제조방법.
  10. 제 7 항에 있어서,
    상기 금속층을 형성하는 단계는
    상기 제1 알루미늄층을 형성하는 단계;
    상기 제1 알루미늄층 상에 은층을 형성하는 단계; 및
    상기 은층 상에 제2 알루미늄층을 형성하는 단계를 포함하는 투명전극 제조방법.
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