RGB 색상을 위한 우수한 유연성 투명 전도성 전극으로서 최대 성능 지수를 갖춘 나노 규모 플라즈몬 와이어

Scientific Reports 12권, 기사 번호: 11029(2022) 이 기사 인용

현대 광전자 장치의 응용 분야가 엄청나게 증가함에 따라 우수한 전도성 투명 전극(TCE) 후보를 확보하려는 요구가 중요하고 시급해졌습니다. 그러나 투과율과 전도도를 동시에 높이는 것은 본질적인 한계입니다. 이 연구에서는 해당 플라즈마 주파수를 낮춤으로써 가시광선 영역에서 TCE로 기능하는 은나노스케일 플라즈몬 와이어(Ag NPW)를 제시합니다. Ag NPW의 기하학적 치수를 신중하게 설계하여 각각 빨간색, 녹색 및 파란색에 대한 성능을 최적화합니다. RGB 색상에 대해 입증된 성능 지수는 시뮬레이션에서 각각 443.29, 459.46, 133.78로 나타났고 실험에서는 302.75, 344.11, 348.02로 나타났습니다. 분명히 Ag NPW는 인듐 주석 산화물로 가장 자주 구성되는 기존 TCE보다 훨씬 더 큰 FoM을 제공하고 유연한 고해상도 광전자 장치의 응용 분야에 유연성과 모아레 효과가 적은 추가 이점을 보여줍니다.

현재 투명 전도성 전극(TCE)은 태양전지(SC)1,2,3,4,5,6, 발광 다이오드(LED)3,7, 8,9,10,11,12,13,14,15, 터치 패널13,16,17 등. 즉, TCE는 뛰어난 광학 투명성과 전기 전도성을 동시에 나타내야 하지만 이 두 가지 기본 물리적 특성은 본질적으로 서로 모순됩니다. 이러한 딜레마가 발생하는 이유는 물질 속 자유전자가 전기를 전도할 뿐만 아니라 입사파도 차단하기 때문이다. 드물기는 하지만 연구원들은 ITO(인듐 주석 산화물)와 같은 일부 세라믹이 내부 산소 결함으로 인해 광학 투명성을 유지하면서 전기를 전도한다는 사실을 발견했습니다. 따라서 ITO는 가시광 영역에서 동시 85% 투과율과 100Ω/sq18 미만의 시트 저항을 보장하기 때문에 다양한 유형의 광전자 장치에서 널리 사용됩니다. 그럼에도 불구하고 ITO는 재료 희소성, 독성, 취약성17,19,20,21, 높은 굴절률22,23으로 인한 낮은 출력 효율 및 고온 제조 절차를 비롯한 여러 가지 고유한 한계로 인해 어려움을 겪고 있습니다. 이러한 제한은 연구자들이 특히 차세대 유연한 고해상도 디스플레이 패널에 대한 요구를 충족할 수 있는 사람들을 위해 대안을 찾는 계기가 되었습니다24,25,26.

지금까지 산업계와 학계에서는 탄소나노튜브(CNT)8,19,20,27,28,29, 그래핀11,19,30,31, 금속와이어2,32 등 ITO를 대체할 대체 물질을 개발하기 위해 많은 노력을 기울여 왔습니다. ,33,34,35,36,37,38. 이러한 대안은 예를 들어 무작위로 배향된 CNT 네트워크를 위한 풍부한 재료 자원으로 높은 기계적 강도와 유연성, 100-1000 Ω/sq의 적절한 시트 저항 및 단일 가시 영역에서 80% 투과율29,30과 같은 고유한 장점을 보여줍니다. 층상 그래핀, 상향식 전기방사 또는 하향식 리소그래피 공정으로 제조된 금속 와이어의 높은 전도성 및 연성을 제공합니다. 불행하게도 이러한 방법들에는 여전히 몇 가지 부족한 점이 나타나고 있습니다. 첫째, CNT 박막은 ITO4에 비해 투과율은 낮고 면저항은 높다. 둘째, 단일층 그래핀의 시트 저항은 광전지 및 광전자 장치의 실제 적용에 비해 너무 높습니다. 그래서 일부 연구자들은 다층 그래핀을 통해 전도성을 향상시킬 것을 제안했습니다. 하지만 그래핀 층을 추가하면 투과율이 3% 정도 감소할 수밖에 없습니다. 또한, 대면적 제조 공정에서 결정립계와 전위가 많이 발생하여 그에 따라 전도성이 더욱 낮아진다. 따라서 금속 와이어는 차세대 TCE를 위한 가장 유망한 솔루션입니다.

보고된 최첨단 미크론 규모의 금속 구조는 전기방사 공정39에서 90% 투과율과 10Ω/sq 시트 저항을 달성했으며, 리소그래피 절차에서는 88.6% 투과율과 2.1Ω/sq40 시트 저항을 달성했습니다. 이 두 개의 금속 와이어는 태양 전지41 및 OLED42 애플리케이션에 통합되었습니다. 그럼에도 불구하고, OLED 디스플레이의 픽셀 크기가 서브미크론 규모에 가까워지면 이 두 가지 기술은 매우 부족한 것으로 보입니다. 예를 들어, 다중 접합이 있는 무작위 전기방사 와이어는 투과율 및 시트 저항의 변동을 초래합니다. 또한, 무작위 분포로 인해 고해상도 배열 OLED 적용에 적합하지 않습니다. 반대로, 미세 금속 메쉬는 모아레 무늬로 인해 증강 현실 및 가상 현실을 포함한 고해상도 광전자 장치 분야에서의 적용을 방해합니다. 위에서 언급한 문제를 해결하기 위해 본 연구에서는 나노스케일 플라즈몬 와이어(NPW)라고 불리는 나노스케일 주기성을 갖는 2차원 플라즈몬 와이어를 제안했습니다. NPW의 주기성이 회절 한계에 접근하더라도 여전히 높은 투과율과 전도성을 동시에 달성할 수 있습니다. 우리는 제안된 NPW의 디자인을 최적화하여 성능 지수(FoM)를 더욱 극대화하고 고해상도 OLED 디스플레이를 위한 우수한 TCE를 제시했습니다43.