[논문]나노 소재 기반의 전기장 투과 전극에 관한 연구동향

이재형; 신재혁; 이상일; 박원일

doi:10.6117/kmeps.2020.27.1.009

나노 소재 기반의 전기장 투과 전극에 관한 연구동향
Review on Electric-field Transparent Conduct Electrodes Based on Nanomaterials 원문보기

마이크로전자 및 패키징 학회지 = Journal of the Microelectronics and Packaging Society, v.27 no.1, 2020년, pp.9 - 15

이재형 (한양대학교 신소재공학과) , 신재혁 (한양대학교 신소재공학과) , 이상일 (한양대학교 신소재공학과) , 박원일 (한양대학교 신소재공학과)

Abstract ▼ AI-Helper

The 'field-effect' underlies the operation of most conventional electronic devices. However, effective control and implementation of the field-effect in semiconductor devices are limited due to screening of the electric-field by conducting electrodes. Thus far, the electronic devices have necessarily been designed to avoid or minimize the electric-field screening effect. As an alternative approach to this, a new type of conducting electrodes which would be transparent to both visible light and electric-field while being electrically conductive have been developed. Here, we define these electrodes as 'electric-field transparent electrodes' and provide a review on related work. Particular attention is paid to the material selection and design strategies to enhance the electric-field transparency of the electrodes while maintaining good electrical conductivity and optical transparency. We then introduce potential applications of the electric-field transparent electrodes in electronic and optoelectronic devices.

주제어

표/그림 (6)

그림 Fig. 1. Characteristics of conventional/transmittance/electric-field transparent electrodes.
그림 Fig. 2. SEM image of (a)metal electrode patterned with nano-mesh (b)silver nanowire. (c) A Schematic of graphene and SEM image of graphene mesh.
그림 Fig. 3. (a) Structure of parallel transistor and vertical transistor (b) 3-Dimensional schematic of barristor and False-colored SEM image of the Barristor.
그림 Fig. 4. (a) 3-Dimensional schematic of Si-SWNT solar cell device and cross-section view. (b) J-V curves of the illuminated Si-SWNT solar cell with external bias.
그림 Fig. 6. 3-Dimensional schematic of (a)vertical organic field-effect transistor and (b)carbon nanotube-vertical field-effect transistor.
그림 Fig. 5. (a) 3-Dimensional schematic of graphene mesh-Si schottky junction solar cell device (b) FEA simulation for graphene-Si and graphene mesh-Si Schottky junction solar cell with an external bias. (c, d) J-V curves of the graphene-Si and graphene mesh-Si Schottky junction solar under illumination.

AI 본문요약
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문제 정의

13-18) 전극 재료의 전기장 차폐라는 물리적 제약에서 벗어나 기존 반도체 소자의 성능을 향상시키거나, 태양전지 등의 광전 소자의 성능 및 에너지 변환 효율을 향상시킨 연구가 활발히 진행되고 있다. 본 논문에서는 전극의 소재 발달 과정 및 활용 범위에 대해 소개하고, 이를 활용한 전자 소자와 광전 소자 응용에 대한 최근 연구동향을 소개하고자 한다.
본 논문에서는 전기장 투과 전극의 발달 과정과 특성에 대해 설명하고, 이를 활용한 응용 소자의 연구 동향에 대해서 살펴보았다. 비교적 우수한 전기 전도성을 갖고 빛과 전기장이 투과할 수 있는 전기장 투과 전극은 트랜지스터, 태양전지, 발광트랜지스터 등 다양한 소자에 적용되어 성능 및 에너지 변환 효율을 향상시키는 연구가 지속적으로 진행되고 있다.
본 연구 그룹에서는 그래핀의 전기장 투과를 더 향상시키기 위해서 Fig. 2(c)의 사진과 같이 나노 스케일의 홀패턴 배열을 가지는 그래핀 메쉬 전극을 제안하였다. 성장된 그래핀 메쉬는 그래핀의 손상을 줄이기 위해 패턴 공정을 진행하지 않고, 실리카 비드를 이용하여 배열된 홀 패턴을 갖는 그래핀 메쉬를 직접 성장시켰다.

제안 방법

2(c)의 사진과 같이 나노 스케일의 홀패턴 배열을 가지는 그래핀 메쉬 전극을 제안하였다. 성장된 그래핀 메쉬는 그래핀의 손상을 줄이기 위해 패턴 공정을 진행하지 않고, 실리카 비드를 이용하여 배열된 홀 패턴을 갖는 그래핀 메쉬를 직접 성장시켰다. ^{10, 13)} 그 결과 그래핀 메쉬는 기존 전극과 비슷한 전기 전도성과 빛 투과도를 갖는 특성을 보임과 동시에, 전 영역에 효과적으로 전계 효과를 인가할 수 있어서, 전기전도도의 큰 손실없이 그래핀의 높은 전기장 투과도 특성을 보였다.
하지만 이 경우, 낮은 전하 이동도와 긴 채널 길이로 인해 높은 구동 전압이 필요하며 구동 속도가 저하되는 문제점이 발생하였다. 이 문제를 해결하기 위해 홀 패턴의 금속 전극을 이용하여 수직 구조의 유기물 트랜지스터를 개발하였다. Fig.
6(a)에서 보여주었다. 이 연구에서는 ITO 금속을 이용하였고, 홀 크기를 최적화 하여 전극을 제작하였다. 외부 전기장을 인가하기 위해 강유전체 산화물(HfO₂)을 이용하여 전계 효과를 가한 결과 on/off ratio가 10⁴ 까지 향상되었다.
이를 극복하기 위한 방안으로 높은 빛 투과도와 우수한 전기 전도도를 가지면서 동시에 전기장을 투과 시킬 수 있는 이른바 ‘전기장 투과 전극(electrical-field transparent electrode)’을 도입하여 외부에서 인위적으로 전계를 인가하여 소자의 성능을 최적화 하는 새로운 시도가 제안되었다.
2(a)에 주사전자현미경으로 확인하였다. 패턴된 금속 전극은 금속 특성에 따라 전기 전도성이 매우 우수하고, 패턴된 부분을 통하여 전기장이 투과 할 수 있도록 설계되었다. 하지만 남아있는 전극 부분에서 빛을 투과하지 못 할 뿐만 아니라, 금속 내부에 존재하는 다량의 자유전하들이 도체 내부의 전위를 상쇄시키는 방향으로 이동하기 때문에 전기장을 차단하게 되었다.

이론/모형

1D 소재 기반의 전극은 은 나노선 또는 탄소나노튜브 등의 1D 소재들의 배열 또는 네트워크화를 통한 연구를 플로리다 대학교의 G. Rinzler 교수 그룹에서 진행하였다. ^{12,15,19,21-24)} Fig.
그래핀과 그래핀 메쉬의 전류-전압 그래프를 보았을 때, 그래핀 메쉬 소자의 효율 증가율이 그래핀 소자의 효율 증가율보다 훨씬 더 큰 것을 알 수 있다. Fig. 5(b)에서 전계 효과가 패턴이 없을 때 보다, 패턴 부분에서 더 효과적으로 영향을 미치는 것을 유한요소 분석법(FEA, finite element analysis) 모델링으로 확인하였다. 그 결과 외부 전계 효과에 의한 그래핀 소자의 경우 외부 전압이 0 V에서 -1 V까지 증가함에 따라 효율이 6.

성능/효과

0%까지 증가하였고 증가율은 42%였다. 10) 이와 같이 그래핀 소자 보다 그래핀 메쉬 소자에서 외부 전계에 의한 효율 증가율이 5배 이상 더 크게 나타나는 것을 보여주었다. ‘Schockley-Queisser’ 이론에 따르면, 실리콘 태양전지의 최대 효율은 32 %이나 현재까지 구현된 최고 성능은 27.
성장된 그래핀 메쉬는 그래핀의 손상을 줄이기 위해 패턴 공정을 진행하지 않고, 실리카 비드를 이용하여 배열된 홀 패턴을 갖는 그래핀 메쉬를 직접 성장시켰다. ^{10, 13)} 그 결과 그래핀 메쉬는 기존 전극과 비슷한 전기 전도성과 빛 투과도를 갖는 특성을 보임과 동시에, 전 영역에 효과적으로 전계 효과를 인가할 수 있어서, 전기전도도의 큰 손실없이 그래핀의 높은 전기장 투과도 특성을 보였다.
3(b)과 같이 배리스터는 수직적 구조를 갖고 있으며, 외부 전계 효과에 의한 그래핀의 일함수 변화를 이용하여 전류 밀도를 10⁴ A/cm² 까지 증가시키고, on/off ratio를 10⁵ 까지 향상시키는 연구가 진행되었다. ¹⁸⁾ 배리스터의 경우도 전계 효과에 의해 그래핀의 페르미 준위가 변하게 된다는 점에서 전기장 투과 전극을 이용한 예로 볼 수 있다.
그 결과 외부 전계 효과에 의한 그래핀 소자의 경우 외부 전압이 0 V에서 -1 V까지 증가함에 따라 효율이 6.5%에서 7.0%로 증가율이 8%인데 비해, 그래핀 메쉬의 소자의 효율은 5.6%에서 8.0%까지 증가하였고 증가율은 42%였다.
외부 전기장을 인가하기 위해 강유전체 산화물(HfO2)을 이용하여 전계 효과를 가한 결과 on/off ratio가 104 까지 향상되었다.

후속연구

6%로 답보 상태에 있다. 전기장 투과 전극 기반의 에너지 변환 효율 극대화 기술은 기존의 태양 전지 성능의 한계를 극복하고 이론적 한계치에 근접하도록 성능을 최적화하는 데 활용될 수 있을 것으로 기대된다.
특히 나노 스케일 패턴이 된 그래핀 메쉬 전극은 전 영역으로 전계 효과를 전달할 수 있기 때문에 전기 전도도의 큰 손실 없이 그래핀의 전기장 투과도 보다 높게 보여주었다. 전기장 투과 전극을 활용한다면, 기존 광전자 소자의 구조와 성능의 한계성을 극복하고, 모바일 전자기기, 미래 에너지원 및 국방/의료기기 등 다양한 분야에 적용할 수 있을 것으로 예상된다.

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저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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