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문제 정의
- Metal mesh film은 높은 투과도에 금속 물질에 기반한 낮은 면저항의 장점을 가지고 있지만 금속의 반사에 기인한 star burst와 미세패턴에 의한 moiré, 금속 산화에 의한 낮은 접착력 등의 단점을 가지고 있다. 따라서, 본 연구에서는 photolithography 법을 이용하여 honey comb, square 두 가지 타입의 mesh film을 각 은, 알루미늄, 구리로 제작하여 광학적, 전기적 특성을 평가하고 접착력 향상을 위한 다층 mesh film을 제작 후 평가하였다.
제안 방법
- PR제거 후, metal etchant 용액에 샘플을 침지하여 금속 박막의 etching 공정을 진행하였다. Etching 후 acetone 용액에 침지하여 남은 PR을 모두 제거하였으며 제작된 mesh film의 구조적, 광학적 특성 및 전기적 특성을 평가하였다. 박막의 전기적 특성은 Halleffect measurements system (ECOPIA, HMS300)을 통해 측정하였으며, 광학적 특성은 US-VIS system (Shimatzu, UV1800), 구조적 특성 평가는 XRD (CuKα radiation at 40 Kv-40 mA, θ-2θ mode, GADDS, BRUKER)을 통해 평가하였다.
- Honeycomb, square 두 타입의 mesh를 은, 알루미늄 및 구리 금속에 대하여 1.0, 1.5, 2.0 μm두께별로 제작 후 전기적·광학적 특성을 평가하였다.
- Metal mesh film을 다양한 금속 및 두께에 따라 제작하고 전기적·광학적 특성 및 접착력을 평가하였다.
- 열처리 된 PR에 honey comb와 square 타입의 mask를 사용하여 노광을 진행하였고 노광 후 에탄올을 사용하여 노광되지 않은 부분의 PR을 제거하였다. PR제거 후, metal etchant 용액에 샘플을 침지하여 금속 박막의 etching 공정을 진행하였다. Etching 후 acetone 용액에 침지하여 남은 PR을 모두 제거하였으며 제작된 mesh film의 구조적, 광학적 특성 및 전기적 특성을 평가하였다.
- 앞선 실험 결과에 따라 구리가 접착력 향상층으로 더 적합하다고 판단하여 상부의 산화 방지층으로 티타늄을 50, 100, 150 nm 로 두께를 달리하여 실험을 진행하였다. 같은 방식으로 전층 박막 형성 후 mesh화하지 않은 상태에서 접착력 test를 진행하였다. Cu/Ag/Ti (50 nm) 샘플의 경우 Cu/Ag 샘플과 큰 차이를 보이지 않았지만, 티타늄 150 nm 이상의 두께에서는 90% 이상의 박막이 남으며 매우 높은 접착력을 나타내었다.
- 0 μm로 고정하였으며, 하부의 접착력 향상층으로 도입된 티타늄, 구리 층의 두께는 150 nm로 고정하였다. 또한, 상부의 산화 및 부식방지를 위한 티타늄 층의 두께는 각 50, 150, 250 nm로 증착하여 결정성을 평가하였다. 결정성 평가는 XRD 측정을 통해 이루어졌으며, 순수 은만 증착된 경우 가장 높은 C(111) peak 강도를 나타내었으며 상·하부에 금속층의 두께가 증가함에 따라 peak의 강도는 감소하는 경향을 나타내었다.
- 본 연구에서는 50 mm × 50 mm 크기의 유리기판 위에 마그네트론 스퍼터링법을 이용하여 은, 알루미늄, 구리 금속 박막을 1.0, 1.5, 2.0 μm 두께로 증착한 뒤 photolithography 공정을 진행하여 mesh film을 구현하였다.
- 그림 6은 Ag, Cu/Ag, Ti/Ag, Cu/Ag/Ti (Ti : 50, 100, 150 nm) 층의 두께에 따른 부식 전·후의 전기적 특성을 평가한 것이다. 부식은 HCl 농도 2N 용액에 5분간 침지 후 세척 및 건조를 진행하여 전기적 특성을 평가하였다. 그림 6에서 나타나듯이 샘플 1~4는 부식실험에 따라 비저항이 증가하는 것을 경향을 나타내었지만 샘플 5, 6은 부식 전·후의 비저항이 거의 일치하는 것을 알 수 있다.
- 구리와 티타늄을 접착력 향상 층으로 삽입하였을 경우 Cu/Ag가 약 81%, Ti/Ag가 약 70% 정도 남고 모두 박리된것을 확인할 수 있었다. 앞선 실험 결과에 따라 구리가 접착력 향상층으로 더 적합하다고 판단하여 상부의 산화 방지층으로 티타늄을 50, 100, 150 nm 로 두께를 달리하여 실험을 진행하였다. 같은 방식으로 전층 박막 형성 후 mesh화하지 않은 상태에서 접착력 test를 진행하였다.
- 유리기판상에 증착된 금속 박막 상부에 spin coater를 이용하여 PR (Photo resist, AZ5214)을 도포하였으며, 도포 후 120°C에서 2분간 열처리를 진행하였다. 열처리 된 PR에 honey comb와 square 타입의 mask를 사용하여 노광을 진행하였고 노광 후 에탄올을 사용하여 노광되지 않은 부분의 PR을 제거하였다. PR제거 후, metal etchant 용액에 샘플을 침지하여 금속 박막의 etching 공정을 진행하였다.
- 위의 실험결과 은이 TSP 전극으로 사용하기에 가장 적합한 metal mesh 전극으로 판단되었지만 그림 3에 나타나듯이 은 두께 2.0 μm 박막의 경우 접착력이 부족하다고 판단되어 접착력 향상을 위한 실험을 진행하였다.
- 유리기판상에 증착된 금속 박막 상부에 spin coater를 이용하여 PR (Photo resist, AZ5214)을 도포하였으며, 도포 후 120°C에서 2분간 열처리를 진행하였다.
- 은, 알루미늄, 구리 금속을 이용하여 DC magnetron sputtering 법으로 각 1.0, 1.5 및 2.0 μm 두께를 가지는 박막 제작 후, honeycomb, square 두 가지 타입의 mesh film을 제작한 뒤 특성평가를 진행하였다.
- 은, 알루미늄, 구리 금속을 이용하여 square type의 mesh film을 1.0, 1.5, 2.0 μm 두께로 제작하였으며 광학적특성은 모든 박막이 90% 이상으로 동일한 수준을 나타내었지만 전기적특성은 은, 알루미늄, 구리 순으로 나타났으며 은의 경우 2.0 μm 박막은 접착력 문제로 인하여 제작할 수 없었다.
- 은박막의 접착력 향상을 위하여 상·하부에 구리 및 티타늄 금속층을 삽입하여 평가를 진행하였고, 은층 하부에 구리가 삽입된 경우 더 높은 접착력을 나타내었다.
- 그림 8은 Ag, Cu/Ag, Ti/Ag, Cu/Ag/Ti (Ti : 50, 100, 150 nm) 샘플의 접착력 test 결과이다. 접착력 test는 3M tape를 이용하여 mesh화하지 않은 금속 박막위에 접착시킨 후 가로, 세로 10줄 씩 자른 후 박리되지 않은 면적을 계산하여 접착력을 평가하였다. 은 단층 박막의 경우 약 40%의 박막만 남고 모두 박리된 것을 확인할 수 있었다.
- 접착력 향상을 통한 전도층으로 삽입된 은 박막층의 두께는 1.0 μm로 고정하였으며, 하부의 접착력 향상층으로 도입된 티타늄, 구리 층의 두께는 150 nm로 고정하였다.
이론/모형
- 박막의 전기적 특성은 Halleffect measurements system (ECOPIA, HMS300)을 통해 측정하였으며, 광학적 특성은 US-VIS system (Shimatzu, UV1800), 구조적 특성 평가는 XRD (CuKα radiation at 40 Kv-40 mA, θ-2θ mode, GADDS, BRUKER)을 통해 평가하였다.
성능/효과
- Cu/Ag/Ti (50 nm) 샘플의 경우 Cu/Ag 샘플과 큰 차이를 보이지 않았지만, 티타늄 150 nm 이상의 두께에서는 90% 이상의 박막이 남으며 매우 높은 접착력을 나타내었다. 결과적으로 상부의 티타늄 층은 내산성 및 접착력 향상 층으로 효과가 있다고 판단된다.
- 또한, 상부에 티타늄 층이 100 nm 이상 증착된 경우 내산성 및 접착력이 향상되는 것을 확인할 수 있었다. 결과적으로 접착력이 우수한 구리 층을 하부에 삽입하고 전도성이 높은 은을 전도층으로, 내산성이 뛰어난 티타늄을 상부에 증착하면 은 또는 구리 단일층보다 좋은 내구성을 가지는 metal mesh film을 제작할 수 있다고 판단된다.
- 결정성 평가는 XRD 측정을 통해 이루어졌으며, 순수 은만 증착된 경우 가장 높은 C(111) peak 강도를 나타내었으며 상·하부에 금속층의 두께가 증가함에 따라 peak의 강도는 감소하는 경향을 나타내었다.
- 은 단층 박막의 경우 약 40%의 박막만 남고 모두 박리된 것을 확인할 수 있었다. 구리와 티타늄을 접착력 향상 층으로 삽입하였을 경우 Cu/Ag가 약 81%, Ti/Ag가 약 70% 정도 남고 모두 박리된것을 확인할 수 있었다. 앞선 실험 결과에 따라 구리가 접착력 향상층으로 더 적합하다고 판단하여 상부의 산화 방지층으로 티타늄을 50, 100, 150 nm 로 두께를 달리하여 실험을 진행하였다.
- 그림 2(a), (b)는 honeycomb 형태의 mesh film의 사진으로 선폭 및 선 간격은 각 10, 1000 μm이고, (c), (d)는 square 형태의 mesh film의 사진으로 선폭 및 선 간격은 15 μm, 500 μm로 mesh 제작에 사용된 mask design과 일치하는 것을 확인하였다. 또한, mesh film 상부 전체를 확인하였을 때 단선 및 불균일한 부분 없이 잘 형성된 것을 확인할 수 있었다. Honeycomb, square 두 타입의 mesh를 은, 알루미늄 및 구리 금속에 대하여 1.
- 은박막의 접착력 향상을 위하여 상·하부에 구리 및 티타늄 금속층을 삽입하여 평가를 진행하였고, 은층 하부에 구리가 삽입된 경우 더 높은 접착력을 나타내었다. 또한, 상부에 티타늄 층이 100 nm 이상 증착된 경우 내산성 및 접착력이 향상되는 것을 확인할 수 있었다. 결과적으로 접착력이 우수한 구리 층을 하부에 삽입하고 전도성이 높은 은을 전도층으로, 내산성이 뛰어난 티타늄을 상부에 증착하면 은 또는 구리 단일층보다 좋은 내구성을 가지는 metal mesh film을 제작할 수 있다고 판단된다.
- 세 종류의 금속 모두 결정화 된 것을 확인할 수 있었으며, 모든 박막이 C(111) 우선 배향을 하는 것을 확인할 수 있었다. 모든 박막에서 두께가 증가함에 따라 주 성장 peak C(111)의 강도가 증가하는 것을 확인할 수 있었으며 유리기판상에 박막이 잘 형성된 것으로 판단된다.
- 그림 7은 Ag, Cu/Ag, Ti/Ag, Cu/Ag/Ti (Ti : 50, 100, 150 nm) 층의 두께에 따른 광학적 특성을 나타낸 결과이다. 모든 샘플의 투과율은 550 nm 파장대에서 약 88.5%를, 반사율은 약 11%를 나타내 었다. 샘플에 따른 큰 차이는 없었으며 작은 차이는 존재하였지만 오차범위라고 생각된다.
- 그림 1은 mesh 제작 전 금속 박막의 XRD 결과이다. 세 종류의 금속 모두 결정화 된 것을 확인할 수 있었으며, 모든 박막이 C(111) 우선 배향을 하는 것을 확인할 수 있었다. 모든 박막에서 두께가 증가함에 따라 주 성장 peak C(111)의 강도가 증가하는 것을 확인할 수 있었으며 유리기판상에 박막이 잘 형성된 것으로 판단된다.
- 결정성 평가는 XRD 측정을 통해 이루어졌으며, 순수 은만 증착된 경우 가장 높은 C(111) peak 강도를 나타내었으며 상·하부에 금속층의 두께가 증가함에 따라 peak의 강도는 감소하는 경향을 나타내었다. 이 결과를 통하여 모든 박막에서 금속층이 잘 형성된 것을 확인할 수 있었으며 결정성에 큰 차이가 없는 것을 확인할 수 있었다.
- 그림 6에서 나타나듯이 샘플 1~4는 부식실험에 따라 비저항이 증가하는 것을 경향을 나타내었지만 샘플 5, 6은 부식 전·후의 비저항이 거의 일치하는 것을 알 수 있다. 이 결과를 통해 상부의 티타늄 박막 층 두께 100 nm 이상 형성된 경우 부식에 대한 저항성이 높아진다는 것을 알 수 있었다. 박막의 전도도는 은 층에 의해 이루어지는데 상부의 티타늄 박막이 산소의 확산에 대한 barrier막으로 작용하여 은 층의 산화를 억제 함으로써 전도가 잘 이루어진 것으로 판단된다.
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