Transparency is well expected as the one of the important qualities of next generation display devices, transparent electrode whose transmittance affect the total transmittance of the devices the most should have high optical properties to achieve transparent display devices. When an Ag layer is inserted between two transparent conductive oxide (TCO) layers, reflections at each layer can be theoretically minimized by index matching. The Ag layer sandwiched between TCO layers such as indium-tin-oxide (ITO), indium-zinc-oxide (IZO), and zinc-oxide (ZnO) have been thoroughly studied and achieved reasonably good optical and electrical characteristics compare to TCO only as an electrode. Currently, transmittance enhancements of the varying thickness of the Ag layer in TCO/Ag/TCO multilayer electrodes in former researches are to be expected as the effect of a surface plasmon (SP); however, the precise explanation of this effect is required. Therefore, in this paper, the focus is investigating the relationship between transmittance enhancements of ITO/Ag/ITO transparent electrodes and SP effect based on various surface formations of the Ag layer. From this study, we found the optimal condition of the Ag layer in TCO/Ag/TCO multilayer electrodes with more precise understanding.
By modifying an Ag layer sandwiched between two ITO layers, the transmittance of ITO/Ag/ITO multilayer electrode was enhanced. In order to change the formation of the Ag layer in the multilayer electrode, an additional annealing process was inserted and utilized in the deposition process of the Ag layer. Due to annealing time and temperature of samples, formation has successfully changed and it could be observed the difference with bare eyes. The change of the surface formation of the Ag layer has proven by scanning electron microscopy (SEM) images compared to the non-annealed sample as a reference.
For numerical comparisons between samples, average size of clusters and connected clusters of the Ag layer was calculated as well as coverage of the layer. ImageJ was used as an image processing program. According to the surface formation of the Ag layer, the enhancement of the transmittance was differentiated in two types. Connected clusters with the coverage of 60% resulted in the enhancement over all wavelengths due to the decreased absorption by the change of the SP mode and those with the coverage of 50% resulted in the enhancement with peak shift due to the change in reflection by the change of the roughness of the samples.
The suggested formation of the Ag layer surface is expected to be applied in any TCO/Ag/TCO multilayer electrode with different materials for top and bottom layers and obtaining higher transmittance and quality factor are remained as further work. There are various ways of changing the surface formation of the Ag layer and the one of them with deposition rate controlling has been simply tried and demonstrated a transmittance enhancement by simulation using MATLAB.
투명도는 다음세대 디스플레이 소자에 있어서 중요한 요소중 하나로 기대되고 있는 특성으로, 투명 디스플레이 소자에서의 투명도에 가장 많은 영향을 미치는 투명 전극의 경우 소자에서 높은 광학적 특성을 얻기 위해서 높은 투명도를 가져야 한다. 투명 전극에의 응용으로 사용되는 구조 중 하나로, Ag 박막이 두 개의 투명전도산화막의 사이에 샌드위치 되는 형태로 추가되게 될 경우, Ag 와 투명전도산화막의 경계에서의 굴절율 조절을 통해 이론적으로 반사를 최소화 시키는 것이 가능하다. 현재 투명전도산화막으로 ITO, IZO, 그리고 ZnO 와 같은 물질이 사용되어 이와 같은 구조의 투명 전극이 심도있게 연구되어 왔으며, 기존에 투명 전극으로 사용되던 투명전도산화막과 비교하여 좋은 광학적, 전기적 특성을 얻는 결과가 다수 발표되었다. 현재 투명전도산화막/Ag/투명전도산화막 구조를 가지는 다층박막 전극에서의 선행 연구들의 경우, Ag 박막의 두께 조절을 통해 투과도를 최적화 하는 과정을 거치게 되는데, 일부 선행 연구들에서 이와 같은 Ag 박막 두께 조절에 따른 투과도 향상의 결과를 표면 플라즈몬의 효과라고 결론 짓는 경우가 더러 있었다. 이와 같은 구조의 다층박막 전극에서 표면 플라즈몬 효과가 나타날 것이라고 기대할 수는 있지만, 표면 플라즈몬 효과와 다층박막전극에서의 투과도 향상과의 관계에 대한 보다 정확한 이해와 설명이 필요하다.
그러므로, 본 연구는 표면 플라즈몬 효과와 다층박막 전극에서의 투과도 향상의 관계를 규명하기 위해 ITO/Ag/ITO 구조의 다층 박막 전극과 Ag 박막의 표면 구조 변화에 따른 표면 플라즈몬 효과와의 관계를 면밀히 분석한다. 일련의 연구 결과를 통해 투명전도산화막/Ag/투명전도산화막 구조의 다층 박막 전극에서의 Ag 박막의 최적 조건에 대한 보다 나은 이해도 추가적으로 제공한다. 두 개의 ITO 박막 사이에 샌드위치 된 Ag 박막 표면을 변화시킴으로서, ITO/Ag/ITO 구조의 다층박막 전극의 투명도가 향상 되었다. 다층박막 전극에서 Ag 박막의 표면 구조를 변화시키기 위해서 Ag 박막 형성 과정에 추가 열처리를 진행 하였다.
다양한 조건의 열처리 온도와 시간에 따라, Ag 박막 표면의 구조가 성공적으로 변화 되었으며, 눈으로도 확인할 수 있을만큼의 확연한 변화가 관찰 되었다. 이러한 표면 구조의 변화는 SEM 분석을 통해 열처리를 하지 않은 시료를 기준으로 분석 되었다. 열처리 조건에 따른 시료 간의 정량적인 분석을 위해 Ag 박막 표면에 분포한 클러스터 들의 평균 크기와 커버리지가 계산 되었다. 오픈소스 이미지 처리 프로그램인 ImageJ 가 사용 되었으며, 변화된 Ag 박막 표면 구조에 따라 다층박막 전극의 투과도 향상이 두 가지 경향으로 관찰 되었다. 60% 이상의 커버리지를 가지는 연결된 클러스터 구조의 Ag 박막 표면의 경우 표면 플라즈몬 모드의 변화에 따라 전 가시광 파장 영역에 걸친 투과도 향상이 나타났고 50% 이하의 커버리지를 가지는 구조의 경우 표면 거칠기의 변화와 새로운 클러스터의 형성에 따라 피크가 변화하는 형태의 투과도 향상을 관찰할 수 있었다.
최적화 되어 제안된 Ag 박막의 구조의 경우 투명전도산화막/Ag/투명전도산화막 구조의 다층박막 전극에서 위 아래 박막을 ITO 외의 다른 물질을 사용한 경우에도 적용될 수 있으며, 본 연구에서 진행된 결과보다 더 높은 투과도를 얻는 것은 이후 과제로 남아있다. 본 연구에서 선택된 추가 열처리 이외에도 다층박막 전극에서의 Ag 박막 표면 구조를 변화시키는 방법은 다양하며, Ag 박막 증착 속도 조절을 통한 변화도 Matlab을 이용한 투과도 향상 시뮬레이션 결과를 통해 간략히 고찰되었다.
