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문제 정의
- 본 연구에서는 ITO/Ag/ITO 다층박막에 대해 광학적 설계를 하고 설계된 구조에 대해 FDTD(Fourier Discrete Time Division) 방식을 적용한 파동광학(wave optics) 기반의 광학 시뮬레이션을 수행하였다. 이전 연구에서는 2차원적 구조를 통한 해석이 이루어 졌으나[13], 보다 정확한 분석을 위해 3차원 구조설계를 적용하였으며, ITO와 Ag 물질이 갖는 분산특성을 고려해 실제 측정을 통해 얻어진 복소굴절 계수(Complex indices of refraction)를 CAD 상의 물질속성을 위한 정보로 활용하였다.
제안 방법
- CAD 윈도우 상에서 구조 설계시, ITO, Ag 및 소다라임 유리에 대한 물질 속성 설정시 각 물질의 굴절계수는 ellipsometry (Elli-SEU-R, Ellipso Tech.)로 측정한 실수(n) alc 허수(k) 값들을 적용하였다.
- Fig. 1(a)의 보라색 테두리는 설정된 시뮬레이션 도메인(domain)이며 x- 및 y- 방향으로 무한정 확장을 위해 경계 조건을 periodic으로 설정하였으며 빔이 진행하는 z-방향으로는 경계조건을 perfect macthed layer(PML)로 설정하여 도메인을 떠나는 파동에 대해 경계면에서 모두 흡수되도록 하였다.
- 먼저, 소다라임 유리 기판 상에 ITO 단일층이 형성되는 경우 ITO 막의 두께에 따른 투과도 시뮬레이션을 수행하여 보았다. ITO 두께를 20 nm에서 120 nm까지 20 nm 간격으로 증가시켜 가며 시뮬레이션 하였는데, 그 결과 Fig. 3에서와 같이 나타났다. 입사 파장의 범위가 약 450 nm 이하인 경우는 ITO 박막의 두께가 증가할수록 투과도는 점점 감소하였는데, 입사 파장이 약 500 nm 이상의 범위에서는 ITO 두께가 40 nm 까지 증가함에 따라 투과도는 감소하다가 ITO 두께가 60 nm 이상인 경우는 두께 증가에 따라 투과도가 다시 증가하는 현상을 보여주고 있다.
- ITO/Ag/ITO 다층박막 형성을 위한 실험에 앞서, 파동광학 기반의 시뮬레이터를 이용한 투과도 계산을 수행하여 보았다. 시뮬레이터는 RSoft® 사에서 제공되는 FullWAVE 모듈이며 다층박막의 설계는 3차원 구조로 이루어졌다.
- 또한 기판은 분당 120 cm의 속도로 왕복 이송하였는데, 기판과 타겥과의 거리는 100 mm를 유지 시켰다. ITO의 두께 조절은 이송되는 기판의 스캔(scan) 회수로 조정하였다.
- 고전도성 투명전극으로서 ITO/Ag/ITO 다층막에 대한 투과도 현상을 파동광학 기반의 3차원 구조 설계의 시뮬레이터를 통해 분석하였다. 그 결과 최적의 투과도를 얻기 위해서는 각 막들 간의 분산특성에 의한 굴절계수를 정확히 파악하고, 그에 따라 막들간 최적의 조합을 통해서 반사광의 상쇄간섭이 최대가 되는 조건을 찾는 것이 중요하다는 것을 알 수 있었다.
- 나노미터 범위의 두께에 대해 시뮬레이션 정확도를 높이기 위해 그리드 설정을 각 층별로 다르게 설정하였다. 즉, z-방향으로의 그리드 설정을 Ag 층에 대해서는 0.
- 다음은, 역시 소다라임 유리 기판 상에 Ag 단일층이 형성되는 경우 Ag막의 두께에 따른 투과도 시뮬레이션을 수행하여 보았다. Fig.
- 먼저, 소다라임 유리 기판 상에 ITO 단일층이 형성되는 경우 ITO 막의 두께에 따른 투과도 시뮬레이션을 수행하여 보았다. ITO 두께를 20 nm에서 120 nm까지 20 nm 간격으로 증가시켜 가며 시뮬레이션 하였는데, 그 결과 Fig.
- 시뮬레이션 결과들을 검증하기 위해 실제 ITO/Ag/ITO 다층막 구조의 형성 실험을 수행 하였다. 박막형성은 인라인 펄스형 DC 마크네트론 스퍼터링 시스템을 이용하였는데, 소다라임 유리 기판 상에 ITO 박막 스퍼터링을 위해 O2/Ar 혼합가스를 1.5 sccm/50 sccm의 유량비로 하여 6 mTorr의 압력을 유지 시켰다. 또한 기판은 분당 120 cm의 속도로 왕복 이송하였는데, 기판과 타겥과의 거리는 100 mm를 유지 시켰다.
- 시뮬레이션 결과들을 검증하기 위해 실제 ITO/Ag/ITO 다층막 구조의 형성 실험을 수행 하였다. 박막형성은 인라인 펄스형 DC 마크네트론 스퍼터링 시스템을 이용하였는데, 소다라임 유리 기판 상에 ITO 박막 스퍼터링을 위해 O2/Ar 혼합가스를 1.
- 시뮬레이션 결과들을 토대로 실제 실험을 통해 만들어진 ITO/Ag/ITO 다층막에 대한 투과도 측정을 하여 보았다. 실험에서 적용된 ITO 막과 Ag 막의 두께들은 스퍼터링 장비의 조절 변수에 의해 결정되므로 그 값들이 시뮬레이션에서 적용된 값들과 정확히 일치시키기는 어려우며, 다만 그 경향에 있어서의 상대적 비교를 하기에 충분히 고려해 볼 만하다.
- 여러 가지 경우의 ITO 및 Ag 박막의 두께에 대해 UV-vis spectrophotometer (Perkin Elmer-Lambda 35) 분석장비를 사용 하여 투과도를 측정하였다.
- 이제, 본 연구의 최종 목적인 ITO/Ag/ITO 다층막의 구조에 대해 ITO 두께 및 Ag 두께의 조합에 따른 투과도 시뮬레이션을 수행하였다. 여기서, 상부층의 ITO와 하부층의 ITO는 두께를 동일하게 적용하였다.
대상 데이터
- Ag 박막 증착의 경우는, 99.99 %의 순도를 갖는 4인치 대각선 크기의 원형 타겥을 사용하였으며 RF 마그네트론 방식을 사용하여 30 W의 최소 전력을 적용하였다. 이 경우는 순수 Ar 가스만을 사용하였고 20 sccm의 유량으로 4 mTorr의 압력을 유지 시켰다.
- 시뮬레이터는 RSoft® 사에서 제공되는 FullWAVE 모듈이며 다층박막의 설계는 3차원 구조로 이루어졌다.
성능/효과
- 그 결과 최적의 투과도를 얻기 위해서는 각 막들 간의 분산특성에 의한 굴절계수를 정확히 파악하고, 그에 따라 막들간 최적의 조합을 통해서 반사광의 상쇄간섭이 최대가 되는 조건을 찾는 것이 중요하다는 것을 알 수 있었다. ITO 및 Ag 층에 대해 시뮬레이션에서 적용된 두께와 유사한 조건으로 실험을 병행하였으며 그 결과, 두께가 너무 얇은 경우에 있어서는 시뮬레이션 결과와 실험 결과들이 다소 불일치 하는 경향을 보였으나 ITO 두께가 50 nm 이상, Ag 두께가 15 nm 이상인 조건에서는 시뮬레이션과 실험 결과들에 있어서 유사한 경향을 보여 주었다.
- 고전도성 투명전극으로서 ITO/Ag/ITO 다층막에 대한 투과도 현상을 파동광학 기반의 3차원 구조 설계의 시뮬레이터를 통해 분석하였다. 그 결과 최적의 투과도를 얻기 위해서는 각 막들 간의 분산특성에 의한 굴절계수를 정확히 파악하고, 그에 따라 막들간 최적의 조합을 통해서 반사광의 상쇄간섭이 최대가 되는 조건을 찾는 것이 중요하다는 것을 알 수 있었다. ITO 및 Ag 층에 대해 시뮬레이션에서 적용된 두께와 유사한 조건으로 실험을 병행하였으며 그 결과, 두께가 너무 얇은 경우에 있어서는 시뮬레이션 결과와 실험 결과들이 다소 불일치 하는 경향을 보였으나 ITO 두께가 50 nm 이상, Ag 두께가 15 nm 이상인 조건에서는 시뮬레이션과 실험 결과들에 있어서 유사한 경향을 보여 주었다.
- 이러한 현상은 Ag 두께가 10 nm 이하인 경우는 Ag 층이 입사광의 침투 깊이(penetration depth) 보다 얇아 Ag 층에 의한 흡수현상은 거의 무시되며, 오히려 표면 및 경계면에서 반사되는 광들 간에 상쇄 간섭보다는 보강 간섭이 발생하여 반사도가 증가하기 때문인 것으로 판단 된다. 따라서, 이와 같은 두께 범위에서는 투과 도를 높이기 위해 두께를 무조건 얇게 하기 보다는 적절한 두께 조합에 의해 반사광들의 상쇄간섭을 유도하는 것이 중요하다고 결론 지을 수 있다.
- 주목할 것은 ITO 두께가 증가하는 경우 투과도의 피크 위치가 점차 높은 파장의 위치로 이동한다는 것을 볼 수 있다. 본 결과들에서는 ITO 두께를 25 nm로 하고 Ag 층을 5내지 10 nm를 적용한 경우 가시광 전영역에 걸쳐 투과도가 매우 높게 나타났다
- 5(c)에 각각 보여져 있다. 시뮬레이션 결과들에서 보는 바와 같이 ITO/Ag/ITO 다층막 구조에서는 세 가지 ITO 두께들에 대해 모두 Ag 층의 두께가 증가할수록 투과도는 가시광 전영역에 걸쳐 점진적으로 감소하는 경향을 보여주고 있다. 주목할 것은 ITO 두께가 증가하는 경우 투과도의 피크 위치가 점차 높은 파장의 위치로 이동한다는 것을 볼 수 있다.
- 실험한 결과들 중에서 ITO 상⋅하부층의 두께가 각 21 nm인 경우와 59 nm인 경우에 대해 Ag 층의 두께를 3.4 nm에서 13.
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