투명 전극 (Transparent conductive electrode, TCE)이란 400〜700 nm의 가시광선 영역에서 85% 이상의 높은 투과율 및 1×10-3 Ω·cm 이하의 낮은 비저항을 갖는 전극으로, 터치 스크린 패널, 태양 전지, 스마트 윈도우, ...
투명 전극 (Transparent conductive electrode, TCE)이란 400〜700 nm의 가시광선 영역에서 85% 이상의 높은 투과율 및 1×10-3 Ω·cm 이하의 낮은 비저항을 갖는 전극으로, 터치 스크린 패널, 태양 전지, 스마트 윈도우, 유기 발광 다이오드, 그리고 투명 히터 등의 다양한 디바이스에 사용되고 있다. 현재 가장 널리 사용되고 있는 TCE로는 스퍼터링 법으로 증착된 인듐 주석 산화물 (Indium tin oxide, ITO)이 있다. 90〜95% 정도의 산화인듐에 5〜10 % 정도의 산화 주석으로 구성되어 있으며, 3.7 eV 이상의 넓은 밴드 갭으로 인해 가시광선 영역에서 85% 이상의 매우 높은 투과율을 갖으며, 도펀트의 치환 반응으로 인해 1×10-4 Ω·cm 이하의 낮은 비저항을 나타낸다. 최근 들어 4차 산업혁명에 따른 사물 인터넷 기술이 발달하면서 플렉서블 디바이스와 웨어러블 디바이스에 대한 연구들이 많이 진행되고 있다. 따라서 폴리에틸렌 테레프탈레이트 (Polyethylene terephthalate, PET)와 폴리이미드 (Polyimide, PI) 등과 같은 유연 기판에 적용이 가능하고 굽힘 등의 변형이 일어나더라도 광학적, 전기적 특성을 유지할 수 있는 투명 전극의 기술 개발이 중요해지고 있다. 그러나 우수한 특성을 나타내도록 ITO 투명 전극을 제조하기 위해서는 250℃ 이상에서의 고온 공정을 통해 ITO가 결정질의 형태로 기판에 증착이 되어야 하며, 수백 nm 이상의 두께로 증착되어야 한다. 하지만 유연 기판에 증착 시 ITO 박막에서 발생하는 응력으로 인해 기판이 휘는 현상이 발생하며, 세라믹 재료이기 때문에 굽힘 등의 변형에 대한 안정성이 떨어진다는 문제가 있어 플렉서블 디바이스에 적용하기에는 한계가 있다. 이에 따라, 높은 투과율을 갖으면서도 유연성이 뛰어난 ITO 대체재에 대한 개발이 중요하게 되었다. 투명 전도성 산화물 (Transparent conducting oxide, TCO), 산화물/금속/산화물 (Oxide/Metal/Oxide, OMO) 다층 구조, 탄소 나노 튜브, 은 나노 와이어, 전도성 고분자, 그래핀 등 인듐을 사용하지 않는 투명 전극들이 ITO 대체재로써 주목을 받고 있다. 그중에서, 산화물/금속/산화물 다층막 투명 전극은 ITO 투명 전극처럼 스퍼터링 법으로 증착이 가능하고, 100 nm 정도의 얇은 두께로도 높은 투과율과 낮은 면저항 구현이 가능하며, 상온에서 증착하여도 우수한 특성을 갖기 때문에 기판의 제약을 받지 않는다는 장점이 있다. 금속 층으로는 전기 전도도가 가장 높으면서도 이온화 경향이 작은 Ag가 주로 쓰이고 있으며, 산화물 층에는 SnO2, TiO2, 그리고 ZnO 계의 TCO들이 주로 쓰이고 있다. ITO 단일막 또는 OMO 다층막 투명 전극을 정전 용량 방식의 터치 스크린 패널의 전극으로 사용하기 위해서는 전극 패턴 형성을 위한 에칭 공정이 필요하다. 하지만 에칭 과정에서 패턴부와 비패턴부가 나타내는 색상과 반사율 차이로 인해 전극 패턴이 눈으로 보인다는 시인성 문제와 각 계면에서 빛의 반사에 의한 투과율 저하가 발생한다. 따라서 광특성 저하와 시인성 문제를 극복하기 위해서 전극 층과 기판 사이에 인덱스 매칭 층 (Index-matching layer, IML)을 삽입하는 방법이 있다. 일반적으로, 인덱스 매칭 층은 저굴절률 인덱스 매칭 층/고굴절률 인덱스 매칭 층의 구조로 된 이중막 형태를 나타내며, 패턴부와 비패턴부 사이의 반사율 차이를 크게 줄이는 것이 가능하다. 그러나 이중막 구조의 인덱스 매칭 층은 증착 공정이 복잡하거나 투명 전극의 유연성을 저하시키는 문제가 있어, 유연성을 저하시키지 않으면서도 한 번의 증착 공정으로 인덱스 매칭 층을 증착할 수 있는 방법에 대한 연구가 필요하게 되었다. 본 논문에서는 인덱스 매칭 층을 통해 Mn (2.58 wt.%)-doped SnO2와 Ag를 사용한 MTO/Ag/MTO 다층막 투명 전극의 시인성을 개선하고자 하였다. 또한, 인덱스 매칭 층에 의한 유연성 저하와 복잡한 증착 공정 문제를 해결하고자, 인덱스 매칭 층을 하이브리머 (Hybrimer)로 된 단일막 인덱스 매칭 층을 고안하였다. 하이브리머는 유무기 하이브리드 폴리머의 줄임말로 고분자매트릭스에 무기 입자들이 분산되어 있는 구조를 갖는다. 인덱스 매칭 된 OMO 다층막 투명 전극의 구조는 MTO/Ag/MTO/Hybrimer/PET이며, MTO와 Ag는 마그네트론 스퍼터링 방식으로, 하이브리머는 PDMS-OH와 TIP를 혼합한 용액을 스핀 코팅 방식으로 증착하였다. 하지만 하이브리머를 인덱스 매칭 층으로 사용하기 위한 공정 변수에 관한 연구가 전무한 상태이다. 본 연구에서는 하이브리머의 증착 조건에 따른 특성 변화를 확인하기 위해 전극 층의 증착 조건은 고정하였고, PDMS-OH와 TIP 사이의 몰 비가 MTO/ Ag/MTO 다층막 투명 전극에 미치는 영향을 체계적으로 분석하고자 하였다. 시인성 개선 여부는 패턴부인 Hybrimer/PET와 비패턴부인 MTO/Ag/MTO/ Hybrimer/PET 사이의 반사율과 색상 값의 차이를 통해 확인하고자 하였다.
투명 전극 (Transparent conductive electrode, TCE)이란 400〜700 nm의 가시광선 영역에서 85% 이상의 높은 투과율 및 1×10-3 Ω·cm 이하의 낮은 비저항을 갖는 전극으로, 터치 스크린 패널, 태양 전지, 스마트 윈도우, 유기 발광 다이오드, 그리고 투명 히터 등의 다양한 디바이스에 사용되고 있다. 현재 가장 널리 사용되고 있는 TCE로는 스퍼터링 법으로 증착된 인듐 주석 산화물 (Indium tin oxide, ITO)이 있다. 90〜95% 정도의 산화 인듐에 5〜10 % 정도의 산화 주석으로 구성되어 있으며, 3.7 eV 이상의 넓은 밴드 갭으로 인해 가시광선 영역에서 85% 이상의 매우 높은 투과율을 갖으며, 도펀트의 치환 반응으로 인해 1×10-4 Ω·cm 이하의 낮은 비저항을 나타낸다. 최근 들어 4차 산업혁명에 따른 사물 인터넷 기술이 발달하면서 플렉서블 디바이스와 웨어러블 디바이스에 대한 연구들이 많이 진행되고 있다. 따라서 폴리에틸렌 테레프탈레이트 (Polyethylene terephthalate, PET)와 폴리이미드 (Polyimide, PI) 등과 같은 유연 기판에 적용이 가능하고 굽힘 등의 변형이 일어나더라도 광학적, 전기적 특성을 유지할 수 있는 투명 전극의 기술 개발이 중요해지고 있다. 그러나 우수한 특성을 나타내도록 ITO 투명 전극을 제조하기 위해서는 250℃ 이상에서의 고온 공정을 통해 ITO가 결정질의 형태로 기판에 증착이 되어야 하며, 수백 nm 이상의 두께로 증착되어야 한다. 하지만 유연 기판에 증착 시 ITO 박막에서 발생하는 응력으로 인해 기판이 휘는 현상이 발생하며, 세라믹 재료이기 때문에 굽힘 등의 변형에 대한 안정성이 떨어진다는 문제가 있어 플렉서블 디바이스에 적용하기에는 한계가 있다. 이에 따라, 높은 투과율을 갖으면서도 유연성이 뛰어난 ITO 대체재에 대한 개발이 중요하게 되었다. 투명 전도성 산화물 (Transparent conducting oxide, TCO), 산화물/금속/산화물 (Oxide/Metal/Oxide, OMO) 다층 구조, 탄소 나노 튜브, 은 나노 와이어, 전도성 고분자, 그래핀 등 인듐을 사용하지 않는 투명 전극들이 ITO 대체재로써 주목을 받고 있다. 그중에서, 산화물/금속/산화물 다층막 투명 전극은 ITO 투명 전극처럼 스퍼터링 법으로 증착이 가능하고, 100 nm 정도의 얇은 두께로도 높은 투과율과 낮은 면저항 구현이 가능하며, 상온에서 증착하여도 우수한 특성을 갖기 때문에 기판의 제약을 받지 않는다는 장점이 있다. 금속 층으로는 전기 전도도가 가장 높으면서도 이온화 경향이 작은 Ag가 주로 쓰이고 있으며, 산화물 층에는 SnO2, TiO2, 그리고 ZnO 계의 TCO들이 주로 쓰이고 있다. ITO 단일막 또는 OMO 다층막 투명 전극을 정전 용량 방식의 터치 스크린 패널의 전극으로 사용하기 위해서는 전극 패턴 형성을 위한 에칭 공정이 필요하다. 하지만 에칭 과정에서 패턴부와 비패턴부가 나타내는 색상과 반사율 차이로 인해 전극 패턴이 눈으로 보인다는 시인성 문제와 각 계면에서 빛의 반사에 의한 투과율 저하가 발생한다. 따라서 광특성 저하와 시인성 문제를 극복하기 위해서 전극 층과 기판 사이에 인덱스 매칭 층 (Index-matching layer, IML)을 삽입하는 방법이 있다. 일반적으로, 인덱스 매칭 층은 저굴절률 인덱스 매칭 층/고굴절률 인덱스 매칭 층의 구조로 된 이중막 형태를 나타내며, 패턴부와 비패턴부 사이의 반사율 차이를 크게 줄이는 것이 가능하다. 그러나 이중막 구조의 인덱스 매칭 층은 증착 공정이 복잡하거나 투명 전극의 유연성을 저하시키는 문제가 있어, 유연성을 저하시키지 않으면서도 한 번의 증착 공정으로 인덱스 매칭 층을 증착할 수 있는 방법에 대한 연구가 필요하게 되었다. 본 논문에서는 인덱스 매칭 층을 통해 Mn (2.58 wt.%)-doped SnO2와 Ag를 사용한 MTO/Ag/MTO 다층막 투명 전극의 시인성을 개선하고자 하였다. 또한, 인덱스 매칭 층에 의한 유연성 저하와 복잡한 증착 공정 문제를 해결하고자, 인덱스 매칭 층을 하이브리머 (Hybrimer)로 된 단일막 인덱스 매칭 층을 고안하였다. 하이브리머는 유무기 하이브리드 폴리머의 줄임말로 고분자 매트릭스에 무기 입자들이 분산되어 있는 구조를 갖는다. 인덱스 매칭 된 OMO 다층막 투명 전극의 구조는 MTO/Ag/MTO/Hybrimer/PET이며, MTO와 Ag는 마그네트론 스퍼터링 방식으로, 하이브리머는 PDMS-OH와 TIP를 혼합한 용액을 스핀 코팅 방식으로 증착하였다. 하지만 하이브리머를 인덱스 매칭 층으로 사용하기 위한 공정 변수에 관한 연구가 전무한 상태이다. 본 연구에서는 하이브리머의 증착 조건에 따른 특성 변화를 확인하기 위해 전극 층의 증착 조건은 고정하였고, PDMS-OH와 TIP 사이의 몰 비가 MTO/ Ag/MTO 다층막 투명 전극에 미치는 영향을 체계적으로 분석하고자 하였다. 시인성 개선 여부는 패턴부인 Hybrimer/PET와 비패턴부인 MTO/Ag/MTO/ Hybrimer/PET 사이의 반사율과 색상 값의 차이를 통해 확인하고자 하였다.
Transparent conductive electrodes (TCEs) are the components of a variety of photovoltaics and optoelectronics devices requiring the excellent optical and electrical performance. A number of studies have been carried out on flexible TCEs with the oxide/metal/oxide (OMO) multi-layer structures. Recent...
Transparent conductive electrodes (TCEs) are the components of a variety of photovoltaics and optoelectronics devices requiring the excellent optical and electrical performance. A number of studies have been carried out on flexible TCEs with the oxide/metal/oxide (OMO) multi-layer structures. Recently, the oxide/metal/oxide (OMO)-structured films are potential candidates for preparing high-performance, low-cost TCOs with high transmittance, good conductivity, and superior flexibility. For the commercial application of capacitive touch screen panels, the OMO structured TCEs require an etching process to form electrode patterns. However, the etching process on transparent conductive oxide (TCO) film can cause a reflectance and color difference between the etched and un-etched regions of the electrode film and eventually give rise to appearance of the fringes, which can be visually distracting. In order to reduce both the optical loss and fringe effect at the interface, effectively, the index-matching layer (IML) between the electrode layer and the substrate could be one of the possible solutions in OMO structure. In this paper, we fabricated transparent Mn (2.59 wt.%)-doped tin oxide (MTO)/Ag/MTO films with refractive index-matching layer on a polyethylene terephthalate (PET) substrate. The hybrimer index-matching layer containing TIP (Titanium isopropoxide) in hydroxy terminated PDMS (PDMS-OH) matrix was placed between the MTO/Ag/MTO multilayer and the PET substrate. MTO and Ag were deposited by using RF/DC magnetron sputtering at room temperature, whereas a hybrimer mixture was spin-coated on PET substrate after adjusting the molar ratios between TIP and PDMS-OH. Pattern visibility was examined by comparing the differences in color and difference of MTO/Ag/MTO multilayer films before and after placing the hybrimer index-matching layer. As the PDMS-OH concentration increased, the reflectance difference showed a tendency of decreasing from 0.66% to 0.53% and the color difference decreased from 1.18 to 0.77. The index-matched MTO/Ag/MTO multilayer films showed high transmittance (>86% at 550 nm) at the molar ratio of 1:4. When the molar ratio was 1:4, the highest figure of merit value was obtained (39.87 ×10-3Ω-1), which was significantly higher than that of the MTO/Ag/MTO multilayer film without the IML (37.14×10-3Ω-1). Using a radius of curvature of 3 mm, inner and outer bending were performed 10,000 times, and the maximum rates of change in resistance were 0.377% and 2.061%, respectively.
Transparent conductive electrodes (TCEs) are the components of a variety of photovoltaics and optoelectronics devices requiring the excellent optical and electrical performance. A number of studies have been carried out on flexible TCEs with the oxide/metal/oxide (OMO) multi-layer structures. Recently, the oxide/metal/oxide (OMO)-structured films are potential candidates for preparing high-performance, low-cost TCOs with high transmittance, good conductivity, and superior flexibility. For the commercial application of capacitive touch screen panels, the OMO structured TCEs require an etching process to form electrode patterns. However, the etching process on transparent conductive oxide (TCO) film can cause a reflectance and color difference between the etched and un-etched regions of the electrode film and eventually give rise to appearance of the fringes, which can be visually distracting. In order to reduce both the optical loss and fringe effect at the interface, effectively, the index-matching layer (IML) between the electrode layer and the substrate could be one of the possible solutions in OMO structure. In this paper, we fabricated transparent Mn (2.59 wt.%)-doped tin oxide (MTO)/Ag/MTO films with refractive index-matching layer on a polyethylene terephthalate (PET) substrate. The hybrimer index-matching layer containing TIP (Titanium isopropoxide) in hydroxy terminated PDMS (PDMS-OH) matrix was placed between the MTO/Ag/MTO multilayer and the PET substrate. MTO and Ag were deposited by using RF/DC magnetron sputtering at room temperature, whereas a hybrimer mixture was spin-coated on PET substrate after adjusting the molar ratios between TIP and PDMS-OH. Pattern visibility was examined by comparing the differences in color and difference of MTO/Ag/MTO multilayer films before and after placing the hybrimer index-matching layer. As the PDMS-OH concentration increased, the reflectance difference showed a tendency of decreasing from 0.66% to 0.53% and the color difference decreased from 1.18 to 0.77. The index-matched MTO/Ag/MTO multilayer films showed high transmittance (>86% at 550 nm) at the molar ratio of 1:4. When the molar ratio was 1:4, the highest figure of merit value was obtained (39.87 ×10-3Ω-1), which was significantly higher than that of the MTO/Ag/MTO multilayer film without the IML (37.14×10-3Ω-1). Using a radius of curvature of 3 mm, inner and outer bending were performed 10,000 times, and the maximum rates of change in resistance were 0.377% and 2.061%, respectively.
주제어
#Transparent conductive electrode hybrimer index matching layer OMO multilayer
학위논문 정보
저자
조영수
학위수여기관
충북대학교
학위구분
국내석사
학과
재료공학과(원)
지도교수
장건익
발행연도
2020
총페이지
82
키워드
Transparent conductive electrode hybrimer index matching layer OMO multilayer
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