1. 서 론

최근 전자기기 및 통신기기의 사용량이 증가하면서 전자파 (Electromagnetic Waves) 차단에 관심이 증가하고 있다. 전자파란 적외선 이상 (주파수 3000 GHz이하)의 파장을 가진, 전계와 자계가 90도로 이루어진 전파이다. 이러한 관심의 증가는 전자파가 사람의 건강에 악영향을 끼친다는 것과 전자기기 간의 전자파 간섭현상 (Electromagnetic Interference, EMI)에 기인한다.

특히 현대인들은 과도한 스마트폰 등의 전자기기 사용으로 전자파에 상당히 노출되어있다. WHO (World Health Organization)의 보고에 의하면 스마트폰은 그룹 2B 발암 가능성 물질로 분류되어 있다. 따라서 EMI 차폐 (EMI Shielding) 물질의 개발은 인간의 건강과 전자기기 사용의 안정성에 상당히 중요하며, 현재 금속 필름, 탄소 기반 재료, 전도성 고분자 복합체 등 EMI 차폐 재료 연구에 상당한 노력이 기울여지고 있다 ⁽¹⁾.

이러한 EMI 차폐 물질은 범용적으로 사용되고 있으나, 일반적으로 금속을 이용하기 때문에 불투명하여 시인성이 확보되지 않아서 스마트폰 전면에 적용하지 못하고, 후면에 부착하는 방식으로 사용되고 있다. 그러므로 EMI 차폐 물질이 높은 투과율을 가져 시인성이 확보된다면 스마트폰 전면디스플레이, TV, 윈도 등에 상업적으로 다양하게 적용이 가능할 것으로 전망된다.

TCO (Transparent Conductive Oxide)는 투명하면서도 전도성이 있는 물질로 주로 투명전극 (Transparent Conductive Electrode, TCE)으로 사용된다. TCO는 가시광 영역 (400 nm-700 nm)에서 80% 이상의 높은 광학적 투과율, 넓은 Energy bandgap (>3.0 eV) 그리고 낮은 비저항 ($10^{-3}$ Ω × -$10^{-4}$ Ω)을 가지는 특징으로 디스플레이, 태양전지, 발광다이오드 (LED) 등 다양한 분야에서 널리 이용되고 있다.

특히 TCO 중 하나인 ITO (Indium Tin Oxide)는 EMI Shielding 재료로 광범위하게 사용되고 있다. ITO는 n-type의 금속산화물 반도체 (Metal-oxide semiconductor)이며, 3.5 eV 이상의 넓은 Energy Bandgap을 가지고 있어 높은 광학적 투과성을 가지며 높은 전기전도성으로 인해 상업적으로 널리 이용되고 있다 ⁽²⁾⁽³⁾.

Sputtering, Evaporation, CVD (Chemical Vapor Deposition), Sol-gel method, Spray pyrolysis 등은 ITO를 증착하는 보편적인 기법들이다. 이들 중 Magnetron Sputtering은 높은 증착률, 우수한 재현성, 상용화 가능한 대면적 증착 공정으로 상업적으로 적용 가능한 기법이다 ⁽⁴⁾.

광학적 투과성과 전기전도도를 개선하기 위한 효과적인 방법으로 Dielectric/Metal/Dielectric (D/M/D)의 Sandwich 구조를 형성하는 것이 있다. 이 구조에서 매우 얇은 금속 (Metal)층은 유전체 (Dielectric)층 사이에 삽입되어 유전층의 광학적 투과율을 저하하지 않고, 전기전도도를 개선할 수 있다. 특히 Au, Ag, Al, Cu 등의 금속들과 그 Alloy (합금)들은 D/M/D 구조에 광범위하게 연구되고 있다 ⁽⁵⁾.

EMI 차폐 재료로 사용되는 금속 중 Ag (Silver)는 비저항이 낮은 물질로 전기전도도가 높아 전도성 필름으로써 특성이 우수하다. 나노 단위의 매우 얇은 금속 박막은 디바이스의 전기전도도를 향상시킬 수 있으며, 금속 박막 양쪽에 적층된 반도체나 유전체층은 가시광 영역 (400 nm-700 nm)에서의 금속의 반사를 억제하고 선택적 투명 효과를 부여할 수 있다 ⁽⁶⁾.

본 실험에서는 PVD (Physical Vapor Deposition) 방식의 Sputtering 공정을 통해 기능성 필름을 제작하였다. D/M/D 구조를 형성하기 위해 ITO/Ag/ITO 순서대로 교번하여 증착을 진행하였다. 제작한 필름의 성능을 파악하기 위해 박막 두께에 따른 광학적, 전기적 특성과 전자파 차폐 성능 EMI SE를 고찰하였다.

2. 실험방법

증착 공정에 앞서 Ultrasonic Cleaner를 이용하여 유리기판 (Soda Lime Glass)을 아세톤, 메탄올, DI Water 순서대로 세정작업을 하고 나서, Nitrogen gas를 이용하여 건조작업을 하여 기판을 준비하였다.

Magnetron Sputtering System (SNTEK-12SN048)으로 증착 공정이 진행되었으며, ITO는 300℃에서 DC 300 W, Ar flow 30 sccm, 공정압력 5 mtorr, Ag는 RT (Room Temperature, 27℃)에서 DC 55 W, Ar flow 30 sccm, 공정압력 3 mtorr의 조건에서 증착이 진행되었다. 고순도의 증착을 진행하기 위하여 Sputtering target의 표면 오염물질을 제거하는 Pre-sputtering 과정을 3분간 진행한 후, 증착을 진행하였다.

샘플의 광학적 특성을 측정하기 위하여 UV-vis spectro photometer (UV-2600)를 통해 광학적 투과율을 측정하였고, 전기적 특성을 측정하기 위하여 Hall effect Measurement System (HMS-5300)를 통해 전기전도도, 캐리어 농도, 전자이동도를 측정하였다. 또한 면저항 (Sheet Resistance, Ω/□)을 측정하기 위해 4-Point Probe (CMT-100S/J)를 사용하였고, 샘플의 층구조를 관측하기 위해 전계 방출형 주사 현미경(FE-SEM 7001F)이 사용되었다.

전자파 차폐 성능의 척도를 알 수 있는 EMI SE (Shielding Effectiveness)는 면저항과의 관계를 이용한 수식을 통해 도출하였다.

3. 실험 결과 및 고찰

투명한 전도성 전자파 차폐 필름을 제작하기 위해 유리기판 위에 ITO/Ag/ITO 구조를 증착하였다. ITO는 90 nm/135 nm/180 nm, Ag는 2.5 nm/5 nm/10 nm로 두께를 가변하여 그에 따른 전기적 특성, 광학적 특성, 전자파 차폐 성능을 고찰하였다. Fig.1은 필름 구조도와 실제 이미지이다.

Fig.2은 FE-SEM으로 측정한 ITO/Ag/ITO의 측면 구조이다. 유리기판 위에 300℃에서 ITO를 증착시키고, 그 위에 순서대로 RT에서 Ag, 300℃에서 다시 ITO를 증착시켰다.

Fig.3(a)는 ITO/Ag/ITO 샘플에서 Ag의 두께만 가변했을 때의 투과율 (Transmittance) 곡선이다. Ag층의 두께가 두꺼울수록 투과율이 떨어지는 것을 확인할 수 있다. Ag층의 투과율은 증착 시간에 대하여 의존적이며, Ag층의 두께는 샘플의 투과율에 큰 영향을 끼친다 ⁽⁷⁾.

Fig.3(b), (c), (d)는 샘플에서 ITO층의 두께만 가변했을 때의 투과율 곡선이다. ITO층의 두께가 두꺼울수록 투과도 곡선의 Peak 점이 장파장 방향으로 이동하는 것을 볼 수 있다. 이는 Fig.3(e)의 ITO 단일막의 두께에 따른 투과율 곡선과 유사한 동향인 것을 확인할 수 있다.

Table 1을 살펴보면, 전기특성에 대해서 ITO의 영향은 Ag보다 상대적으로 작은 것을 알 수있다. Ag층의 두께가 두꺼울수록 ITO/Ag/ITO 투명필름의 저항이 크게 저감하고, 그에 따라 EMI SE 성능 향상을 크게 향상시키는 것을 확인할 수 있다.

550 nm는 인간의 눈이 명소시 (Photopic vision)일 때 광반응 곡선의 최대치와 가장 가까운 파장이다. ITO층의 두께가 90 nm일 때가 550 nm 파장에서의 투과율이 가장 높으며, 135 nm, 180 nm의 두께에서는 투과율이 두께에 따라 비례하여 감소하는 경향을 보인다.

이를 통하여 ITO층의 두께에 따라 투과율을 선택적으로 조절할 수 있는 것을 확인하였다.

Fig.4는 Hall effect Measurement System으로 측정한 ITO/Ag/ITO 필름의 전기전도도 (Conductivity), 캐리어 농도 (Carrier concentration) 그리고 전자이동도 (Electron mobility)이다.

Fig.4(a)는 ITO층의 두께가 90 nm일 때 Ag층의 두께에 따른 전기적 특성이다. 금속층이 두꺼워져 전기전도도가 최대 30000 S/cm까지 (ITO90 nm/Ag10 nm/ITO90 nm) 증가하는 것을 확인할 수 있다. 전기전도도와 캐리어 농도는 비례관계이기 때문에 전기전도도가 증가하면 캐리어 농도가 같이 증가하는 것을 확인할 수 있다. Ag층의 두께가 5 nm일 때까지 두꺼울수록 전자 이동도가 낮아졌지만, 10 nm부터는 다시 증가하였다.

Fig.4(b)는 Ag층의 두께가 2.5 nm일 때 ITO층의 두께에 따른 전기적 특성이다. ITO층의 두께가 135 nm일 때 전기전도도와 캐리어 농도가 크게 증가하는 것을 보이다가, 그 이상의 두께에서는 크게 감소하는 것을 확인할 수 있다. 전자 이동도는 전기 전도도와 캐리어 농도와 반비례적인 동향을 보인다.

Fig.5면저항에 따른 EMI SE 값을 도식적으로 나타낸다. EMI SE는 Electromagnetic wave를 제어하는데 가장 중요한 파라미터이며, 특히 20 dB은 상업적으로 활용 가능한 EMI SE 값의 기준값이다 ⁽⁸⁾.

EMI SE의 계산은 일반적으로 식(1)을 따른다.

여기서, $P_{i}$는 incident power, $P_{t}$는 transmittance power이다.

상기 식(1)은 good-conductor approximation을 통해 식(2)와 같이 나타낼 수 있다 ⁽¹⁾.

여기서 $\sigma$는 전기전도도, $\omega$는 각주파수, $\epsilon_{0}$는 진공에서의 유전상수, $d$는 두께, $\delta$는 skin depth이다.

다시, 식(2)는 ITO/Ag/ITO 필름의 두께가 Skin depth보다 얇은 조건에서 식(3)과 같이 요약하여 나타낼 수 있다.

여기서 $R_{s}$는 면저항, $Z_{0}$는 자유공간에서의 wave impedance($Z_{0}$=377 Ω)이다.

Fig.5에서 ITO90 nm/Ag2.5 nm/ITO90 nm, ITO90 nm/Ag5 nm/ ITO90 nm 그리고 ITO90 nm/Ag10 nm/ITO90 nm를 비교하여 알 수 있듯이, EMI SE 값은 Ag층의 두께에 의존적인 것을 확인할 수 있다. 또한, Table 1에서 나타나는 바와 같이 ITO90 nm/Ag2.5 nm/ITO90 nm에 이어 ITO135 nm/Ag2.5 nm/ITO135 nm 는 투과율이 큰 폭으로 떨어지지만 이전 ITO두께의 구조와 비슷한 SE 값을 갖는 ITO180 nm/Ag2.5 nm/ITO180 nm에서는 투과율이 이전 단계와 비교하여 소폭 상승한 것을 볼 수 있다.

이러한 실험 결과로 ITO/Ag/ITO 필름이 광학적으로 투명하면서 ITO층의 두께에 따라 선택적으로 투과율을 조절할 수 있으며, 우수한 전기전도성과 20dB 이상의 EMI 차폐 성능을 지니고 있어 상업적으로 스마트폰 전면 디스플레이, TV, 윈도 등에 적용이 가능할 것으로 전망된다.

4. 결 론

본 실험에서는 대면적 증착 공정이 가능한 Sputtering 방식을 이용하여 투명한 전도성 전자파차폐 필름을 제작하였다. 필름의 광학적, 전기적 특성 그리고 전자파차폐 성능(EMI SE)을 최적화하기 위해 ITO/Ag/ITO 필름의 ITO층과 Ag층의 두께를 각각 독립적으로 가변하였다.

투과율의 변화로는, Ag층이 두꺼울수록 감소하는 경향을 보였고, ITO층이 두꺼울수록 투과율의 Peak 점이 장파장 방향으로 이동하는 경향을 보여 선택적으로 투과율을 조절할 수 있는 것을 확인할 수 있었으며, 투과율은 최대 43%까지 달성하였다. ITO 두께의 조절과 열정리 공정의 최적화를 통해서 투과율을 더욱 향상시킬 수 있을 것으로 판단된다.

전기적 특성으로는 Ag층이 두꺼울수록 전기전도도가 최대 30000 S/cm까지 (ITO90 nm/Ag10 nm/ITO90 nm) 증가하는 것을 보였으며, ITO층의 두께를 변화시켰을 때의 전기전도도는 Ag층의 두께에 따라 달라져 각기 다른 특성을 보였다. 또한, Ag층의 두께가 두꺼울수록 면저항이 감소하여 EMI SE 값이 크게 증가하는 것을 알 수 있었다.

본 실험에서 제작된 전도성 잔자파 차폐 기능성 필름들은 EMI SE가 20 dB 이상부터 Ag층의 두께에 따라 최대 40 dB까지 전자파 차폐 성능을 보여주었고, 전기전도성을 가지면서 최대 43%의 투과율을 나타내었다.

스마트폰 전면 디스플레이, TV, 윈도 등, 투명하고 전기전도성과 전자파 차폐 성능이 필요한 분야의 요구에 맞춰 상업적으로 적용이 가능할 것으로 기대된다.