Transparent conductive coatings have various applications such as low emissivity coating, flat panel display, electromagnetic interference (EMI) shielding and solar cells. An efficient coating requires low sheet resistance and high transmittance in the visible region. Transparent conducting oxides (TCO) such as indium tin oxide (ITO), zinc oxide (ZnO) are widely used due to their good electrical and optical properties. However, it is difficult to achieve low sheet resistance when using single TCO film. Inserting a thin metal layer between oxide films has been made to increase the conductivity without sacrificing transmittance. Usually, Ag has been used as the metal layer because of its high conductivity and low extinction coefficient in the visible region. From these approaches, the high transmittance and the low sheet resistance of such a multilayer system at room temperature have been reported as satisfactory. However it is reported that the transparent conductive multilayer with Ag layer has a severe problem of durability. Agglomeration of Ag atoms occurs under the heat. The corrosion of Ag films occurs in a humid environment. The white dots are appeared on the Ag inserted multilayer system and the degradation is accelerated by moisture. Hence, in this research the performance of the transparent conductive multilayer was improved by introducing a new TCO material and adding metallic elements to the Ag film. The degradation mechanism in humid environments was also investigated.
Until now, ITO has been most widely used as a TCO material. Recently, several advantages of indium-zinc-oxide (IZO) have been reported. These advantages are: high transmittance and low specific resistivity even when deposited at room temperature, excellent surface smoothness, and stable amorphous structure.
In this research, the electrical and optical properties of IZO/Ag-alloy/IZO multilayer system were investigated. Optical constants of IZO thin film were obtained from the transmittance measurement. Then the transmittance of IZO/Ag-alloy/IZO multilayer system was calculated and compared with measured one. The correlation between the Ag-alloy thickness and electrical and optical properties of IZO/Ag-alloy/IZO multilayer system was investigated. The effect of added metallic elements in the Ag-alloy layers of the multilayer on the durability against heat and humidity was also investigated. Durability against heat was improved by the added metallic elements in the Ag-alloy layers of the IZO/Ag/IZO multilayer system. When Ag film was heat-treated, agglomeration occurred due to the surface diffusion of Ag atoms. The added metallic elements such as Pd, Cu, and Au increased the onset temperature and the activation energy for agglomeration. The optical and electrical properties of the IZO/Ag/IZO multilayer were greatly deteriorated after the humidity test at 85℃-85% relative humidity (RH) in air. The degradation of Ag-alloy layer was due to the combined effect of heat, water vapor, and sulfur in air. However the deterioration did not occur for the IZO/Ag-alloy/IZO multilayer with an AgAu layer after the humidity test. The IZO/Ag-alloy/IZO multilayer with the AgAu layer containing 10 wt% Au especially exhibited superior characteristics after the humidity test at 85℃-85%RH in air for 720 hours.
투명전도막은 건물의 단열 유리, 평판 디스플레이의 전극, 전자파 차폐 재료, 태양 전지 등에 다양하게 사용된다. 효율적인 투명전도막은 높은 가시광선 투과도 뿐 아니라 낮은 면저항이 요구된다. 투명전도막의 면저항이 낮을수록 디스플레이 소자의 응답시간이 단축되고 전자파 차폐 효과가 증가하기 때문이다. 투명전도막 재료 중에서도 indium tin oxide (ITO)와 같은 transparent conducting oxide (TCO)는 우수한 전기적, 광학적 성질로 인해 널리 이용된다. 하지만 이러한 TCO 단일막 만으로는 저항을 낮추는데 한계가 있으므로 TCO층 중간에 광침투 깊이 이하의 매우 얇은 금속층을 삽입하여 광투과도의 손실을 최소화하면서 박막의 전기 전도도를 높이는 다층구조가 연구되었다. 첨가되는 금속층으로는 비저항이 낮고 가시광선 영역에서 빛의 흡수가 적은 Ag가 주로 연구되었다. 이에 따라 TCO/Ag/TCO 다층 구조를 사용하면 상온에서도 보다 낮은 면저항과 높은 광투과도를 가지는 투명전도막을 얻을 수 있다는 연구 결과들이 발표되었다. 하지만 Ag를 포함한 다층구조 투명전도막은 내구성에 문제가 제기되고 있다. 열처리 하에서 Ag의 응집이 일어나고 수분 분위기 하에서 Ag의 부식이 일어났다. Ag를 포함한 다층구조 투명전도막에 흰 반점이 형성되었으며 이는 수분에 의해 더욱 가속되었다. 따라서 본 연구에서는 다층구조 투명전도막의 특성을 향상시키기 위해 새로운 TCO 물질과 Ag alloy를 사용하였다. 또한 열 및 수분 분위기 하에서의 내구성 저하 mechanism을 밝혔다.
TCO 물질로는 ITO가 널리 이용되고 있다. 하지만 최근 들어 indium-zinc-oxide (IZO)의 여러 장점들이 보고 되고 있다. IZO는 상온에서 증착되어도 높은 광투과도와 낮은 비저항을 가지며 표면이 부드럽고 안정된 비정질 구조를 갖는다. 본 연구에서는 IZO/Ag-alloy/IZO 다층구조 투명전도막의 전기적, 광학적 특성이 연구되었다.
광투과도 측정을 통해 IZO의 광학상수를 얻었으며 이를 바탕으로 IZO/Ag-alloy/IZO 다층막의 이론적 투과도 및 실제 측정된 투과도가 비교되었다. 또한 Ag-alloy 층의 두께와 IZO/Ag-alloy/IZO 다층구조 투명전도막의 전기적, 광학적 특성의 관계를 연구되었다. Ag-alloy 층에 첨가되는 금속 원소가 열 및 수분 환경에서의 내구성에 미치는 영향도 연구되었다. 다층구조 투명전도막의 열에 대한 내구성은 Ag-alloy 층에 금속 원소를 첨가함으로서 향상되었다. Ag 막이 열처리 되었을 때 Ag 원자의 표면 확산에 의해 응집이 일어났다. 하지만 Pd, Cu, Au 등의 첨가원소는 응집의 onset temperature와 activation energy를 향상시켰다. IZO/Ag/IZO 다층구조 투명전도막의 전기적, 광학적 특성은 85℃-85% 상대습도 (RH) 분위기에서의 수분 테스트 후 저하되었다. Ag-alloy 층의 특성 저하는 열, 수분 및 대기중의 sulfur의 복합적인 작용 때문이었다. 하지만 AgAu 층을 첨가한 IZO/Ag-alloy/IZO 다층구조 투명전도막은 수분 테스트 후에도 특성 저하가 일어나지 않았으며 10 wt% Au를 첨가한 다층막의 경우 오히려 수분 테스트 후 특성이 향상되었다. 이를 통해 Ag 층에 첨가된 금속 원소가 다층구조 투명전도막의 내구성 향상에 효과가 있음을 알 수 있었다.
