KR101270803B1 - 금속 전극의 제조방법 - Google Patents

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단국대학교 산학협력단
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Abstract

트리 형상 또는 뿌리 형상을 가지는 금속 전극의 형성방법이 개시된다. 염을 용해한 수용액의 재결정화를 통해 결정립 패턴을 형성한다. 결정립 패턴은 제2 기판으로 전사되고, 염의 결정립은 수분에 용해된다. 수분의 용해와 함께 제2 기판은 제1 기판으로부터 분리된다. 패턴이 전사된 제2 기판은 금속을 포함하는 도전성 잉크로 매립되고, 임프린팅 공정을 통해 제3 기판으로 전사된다.

Description

금속 전극의 제조방법{Method of forming Metal Electrode}
본 발명은 금속 전극의 제조방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 미세 패턴을 이용하여 광투과도를 확보하고, 우수한 도전성을 확보할 수 있는 금속 전극의 제조방법에 관한 것이다.
전극은 반도체, 전지, 태양전지 또는 발광 다이오드 등의 다양한 전자 소자에 전기적 에너지를 공급하는 채널로 활용된다. 적어도 2개의 전극들 사이에는 바이어스가 인가되어 동작을 개시시키거나, 2개의 전극에 일정한 전압이 유기되는 양상으로 전자 소자들은 동작된다.
이러한 전자 소자들에 적용되는 전극은 다양한 재질과 구성상의 특징을 가진다. 전극에 요구되는 특성은 높은 전도도와 함께 전자 소자의 고유의 특성에 따라 높은 가공성, 광투과도 또는 표면 거칠기 등이 요구되기도 한다.
예컨대, 태양전지에 적용되는 전극의 경우, 높은 광투과도와 함께 전자가 전달되는 적층구조의 전면에 고르게 분포하여 형성될 것이 요구된다. 따라서, 태양전지에 적용되는 전극으로는 금속 메쉬 구조가 채용되기도 하며, 나노 와이어의 형태로 사용되기도 한다. 또한, 최근에는 그라핀 등이 사용이 연구되고 있다. 이외에 발광 다이오드에서는 금속 재질의 전극 이외에 높은 광투과도를 확보하기 위해 도전성 산화물이 전극 재료로 사용된다. 대표전인 도전성 산화물로는 ITO 등이 있다. ITO는 높은 광투과도를 가지나, 금속 재질에 비해 비교적 낮은 도전율을 가지며, 표면의 거칠기로 인해 와이어 본딩 시에 금 재질의 본딩 와이어와의 접합의 불균일성이 문제된다.
상술한 바와 같이 전극은 다양한 재료와 다양한 구성을 가지고 전자 소자에 채용되고 있다. 다만, 금속 재질의 전극의 경우, 광투과도를 확보하는데 곤란한 점이 있다. 광투과도를 확보하기 위해서는 메쉬 타입의 금속 패턴을 형성하여야 하는바, 이를 위해서는 별도의 리소그래피 공정이 요구된다. 이외에 다수의 와이어를 순차적으로 교대적층하여 메쉬 타입의 와이어층을 형성하기도 하나, 미세한 면적 상에 금속 패턴을 적용하는데는 상당한 어려움이 있다. 또한, 광투과도를 확보하기 위해 투명 재질의 도전성 산화물을 적용하고 있으나, 도전성 산화물은 증착 공정 및 패턴화 공정 등의 원인으로 인해 소자로의 적용이 까다로우며, 금속 재질에 비해 낮은 전도도를 가지는 것이 약점이다.
따라서, 높은 광투과도와 높은 전도도를 가지는 금속 재질의 전극의 형성기술은 요청된다 할 것이다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 미세 패턴을 가지고, 높은 전도도와 광투과성을 가지는 금속 전극의 형성방법을 제공하는데 있다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명은, 제1 기판 상에 염의 결정립 패턴을 형성하는 단계; 상기 염의 결정립 패턴을 제2 기판으로 전사하여 결정립 전사 패턴을 형성하는 단계; 상기 제2 기판의 상기 결정립 전사 패턴에 도전성 잉크를 매립하는 단계; 및 상기 결정립 전사 패턴에 매립된 도전성 잉크를 제3 기판에 전사하는 단계를 포함하는 금속 전극의 형성방법을 제공한다.
또한, 본 발명의 상기 기술적 과제는, 제1 기판 상에 염의 결정립 패턴을 형성하는 단계; 상기 제1 기판 상에 금속층을 형성하여 상기 결정립 패턴을 매립하는 단계; 및 상기 결정립 패턴을 용해하여 상기 제1 기판의 표면 일부를 노출시키는 관통 패턴을 형성하는 단계를 포함하는 금속 전극의 형성방법의 제공을 통해서도 달성된다.
상술한 본 발명에 따르면, 물에 대해 높은 용해도를 가진 염을 결정화하여 미세패턴을 형성한다. 형성된 미세패턴은 나노 사이즈 또는 마이크로 사이즈의 트리 형상 또는 뿌리 형상을 가진다. 형성된 미세패턴을 이용하여 형성된 금속 전극은 높은 광투과도를 가지며, 도전성 재질인 금속 고유의 전도도를 확보한다.
또한, 금속 재질의 전극의 제조공정에서 패턴의 형성을 위해 수분을 사용하여 결정립 패턴을 용해할 수 있다. 따라서, 저비용으로 미세패턴을 형성할 수 있으며, 빠른 시간 내에서 패턴을 형성할 수 있어 생산성을 확보할 수 있다.
또한, 입사되는 광에 대한 높은 광투과도를 가지고, 높은 전도도를 가지는 금속 전극을 형성할 수 있다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따라 금속 전극을 형성하는 방법을 도시한 흐름도이다.
도 2 내지 도 8은 본 발명의 제조예에 따른 금속 전극을 형성하는 과정을 설명하기 위한 사시도 및 이미지들이다.
도 9는 본 발명의 제조예에 따라 제조된 금속 전극의 광투과도를 도시한 그래프이다.
도 10 내지 도 12는 본 발명의 제2 실시예에 따라 금속 전극을 형성하는 방법을 도시한 단면도들이다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 본문에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용하였다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
이하, 첨부한 도면들을 참조하여, 본 발명의 바람직한 실시예를 보다 상세하게 설명하고자 한다.
제1 실시예
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따라 금속 전극을 형성하는 방법을 도시한 흐름도이다.
도 1을 참조하면, 제1 기판 상에 염(salt)의 결정립 패턴을 형성한다(S110). 결정립 패턴은 염의 재결정화에 의해 형성되며, 트리(tree) 형상 또는 뿌리(root) 형상을 가진다.
염의 결정립 패턴 형성을 위해 염은 물에 용해되어 수용액을 형성하고, 수용액은 제1 기판 상에 코팅된다. 물의 건조과정을 통해 용해된 염은 재결정화되어 특정의 형상을 가진 결정립 패턴으로 형성된다. 형성된 결정림 패턴은 제1 기판 상에 돌출된 볼록한 형상으로 형성된다.
이어서 제1 기판 상에 형성된 염의 결정립 패턴은 제2 기판으로 전사된다(S120). 제2 기판으로의 전사는 염의 결정립 패턴이 형성된 제1 기판 상에 고분자 기판을 형성하고, 수분의 공급을 통한 염의 용해를 통해 달성된다. 따라서, 수분의 공급을 통해 패턴화된 염은 용해되어 제거되며, 제2 기판은 제1 기판으로부터 박리된다. 박리된 제2 기판 상에는 염의 결정립 패턴이 전사된 상태이므로, 제2 기판으로부터 함몰된 오목한 형상으로 전사된 패턴이 형성된다.
계속해서 제2 기판의 함몰된 오목한 형상에 도전성 잉크가 매립된다(S130). 상기 도전성 잉크는 전도성 금속입자를 포함한다. 예컨대, 은 또는 금의 도전성 입자가 도전성 잉크에 포함되며, 함몰된 패턴에 충진된다.
또한, 도전성 잉크가 충진된 제2 기판은 제3 기판에 접합되고, 임프린팅 공정을 통해 충된된 도전성 잉크의 패턴은 제3 기판에 전사된다(S140). 이를 통해 제3 기판 상에 형성된 도전성 패턴은 제1 기판 상에 형성된 염의 결정립 패턴과 동일한 형상을 가지고, 제3 기판 상에 전사된다.
제조예
도 2 내지 도 8은 본 발명의 제조예에 따른 금속 전극을 형성하는 과정을 설명하기 위한 사시도 및 이미지들이다.
도 2를 참조하면, 염이 용해된 수용액이 준비된다. 상기 염은 Na2CO3이다. 또한, 농도는 0.01wt% 내지 5wt%로 설정된다. 염의 농도가 0.01wt% 미만인 경우, 염의 결정립 패턴의 형성에 과도한 시간이 소요되거나, 결정립 패턴 사이의 간격이 넓어지고 전극으로 활용하기에 어려운 문제가 발생된다. 또한, 염의 농도가 5wt%를 상회하는 경우, 높은 농도로 인해 패턴 사이의 간격이 매우 좁으며, 패턴 사이가 접합되어 소정의 광투과도를 확보할 수 없는 문제가 발생된다.
제조된 수용액은 제1 기판(100) 상에 코팅된다. 코팅은 수용액을 분무하거나 스핀 코팅 등의 다양한 방법을 통해 수행된다. 또한, 상기 제1 기판(100)의 재질에는 특별한 한정이 없으며, 다양한 재질의 적용이 가능하다. 따라서, 수분의 건조 공정 시에 염의 결정립 패턴의 형성을 위한 표면 평탄도를 가진 재질이라면 어느 것이나 가능할 것이다. 본 제조예에서는 실리콘 기판이 사용된다.
제1 기판(100) 상에 코팅된 수용액에 대한 건조공정이 수행된다. 상기 건조공정은 수분의 증발을 위한 것으로 상온 또는 100℃ 미만의 온도에서 수행된다. 수분의 증발과 함께 제1 기판(100) 상에는 염의 재결정이 유도된다. 따라서, 트리 형상 또는 뿌리 형상의 결정립 패턴(110)이 형성된다.
도 3은 Na2CO3가 0.15wt%의 농도로 실리콘 재질의 제1 기판 상에 코팅되고, 재결정화된 상태를 도시한 이미지이다.
도 3을 참조하면, 25℃의 상온에서 약 30분의 건조공정을 통해 염의 결정립 패턴(110)이 실리콘 재질의 제1 기판(100) 상에 형성된 것을 볼 수 있다. 또한, 형성된 염의 결정립 패턴(110)은 상호간에 물리적으로 연결된 상태로 뿌리 형상 또는 트리 형상을 가지는 것을 알 수 있다.
도 4를 참조하면, 결정립 패턴(110)이 형성된 제1 기판(100) 상에 제2 기판(200)을 형성한다. 상기 제2 기판(200)은 패턴의 전사가 수행되는 주형의 역할을 수행한다. 이를 위해 제1 기판(100) 상에 poly(dimethyl siloxane)(PDMS)와 경화제를 혼합하고, 혼합용액을 제1 기판(100) 상에 떨어뜨린 후 경화한다. 이를 통해 PDMS 재질의 유연한 제2 기판(200)을 형성할 수 있다.
상기 제1 기판(100) 상에 형성된 결정립 패턴들(110)은 양각의 양상을 가지므로 PDMS 재질의 제2 기판(200)은 음각의 양상으로 결정립 전사 패턴들이 형성된다.
이어서 도 5를 참조하면, 제1 기판(100) 및 제2 기판(200)에 수분을 공급하여 제1 기판(100) 및 제2 기판(200)을 상호간에 분리한다. 염의 결정립 패턴은 수용성이므로 수분의 공급을 통해 제1 기판(100)과 제2 기판(200) 사이에 형성된 염의 결정립 패턴은 용해된다. 따라서, 제2 기판(200)은 제1 기판(100)으로부터 용이하게 분리될 수 있다. 수분의 공급은 제1 기판(100) 및 제2 기판(200)을 수분에 침지시킴을 통해 달성될 수 있다.
또한, 제1 기판(100)과 제2 기판(200)의 접합에 의해 제2 기판(200)에는 음각의 양상으로 형성된 결정립 전사 패턴(210)이 형성된다. 상기 결정립 전사 패턴(210)은 용해된 결정립 패턴이 제2 기판(200)에 전사된 것이다.
도 6은 상기 도 5에서 제1 기판으로부터 분리된 제2 기판의 이미지이다.
도 6을 참조하면, 용해된 결정립 패턴으로 인해 제2 기판(200)은 표면으로부터 함몰된 음각의 결정립 전사 패턴(210)을 가진다.
도 7을 참조하면, 분리된 제2 기판(200)의 음각의 결정립 전사 패턴 상에 도전성 잉크(220)를 매립한다. 상기 도전성 잉크(220)는 은을 포함한다. 먼저, 분리된 제2 기판(200)에 도전성 잉크(220)를 코팅한다. 코팅을 통해 도전성 잉크(220)는 제2 기판(200)의 전면에 도포된다. 이어서, 브러쉬 또는 평탄화된 글라스를 통해 제2 기판(200)을 드래깅(dragging)하면 음각의 결정립 전사 패턴을 제외한 제2 기판(200) 상의 도전성 잉크는 제거된다. 따라서, 음각의 결정립 패턴 상에 도전성 잉크(220)는 매립된다. 또한, 매립된 도전성 잉크(220)에 대한 별도의 건조공정이 수행될 수 있다.
도 8을 참조하면, 제3 기판(300) 상에 도 7의 제2 기판(200)을 적용한다. 임프린팅 공정을 통해 제2 기판(200)의 음각의 결정립 전사 패턴을 매립하는 도전성 잉크(220)는 제3 기판(300)의 표면상에 양각으로 전사된다. 따라서, 도 3의 염의 결정립 패턴(110)의 형상은 제3 기판(300) 상에 전사된다. 특히, 상기 제3 기판(300)은 압착 또는 열압착 공정을 통해 제2 기판(200)의 음각의 결정립 전사 패턴을 매립하는 도전성 잉크(220)과 결합된다. 이를 통해 제3 기판(300) 상에는 은 재질의 양각 패턴이 형성되며, 형성된 양각 패턴은 제1 기판(100) 상에 형성된 염의 결정립 패턴(110)과 동일한 형상을 유지한다. 마지막으로 제2 기판(200)을 용해하거나 제3 기판(300)으로부터 제2 기판(200)을 분리함을 통해 제3 기판(300) 상에 형성된 금속 재질의 도전성 패턴을 얻을 수 있으며, 전극으로의 형성을 완료할 수 있다.
상기 제3 기판(300)은 특정 기능을 수행하는 막질일 수 있으며, 발광 다이오드의 구성물 또는 태양전지의 구성물일 수 있다.
도 9는 본 제조예에 따라 제조된 금속 전극의 광투과도를 도시한 그래프이다.
도 9를 참조하면, 적색 곡선은 유리기판 상에 은을 3nm의 두께로 균일하게 코팅한 경우의 광투과도를 도시한 그래프이다. 또한, 청색 곡선은 유리기판을 제3 기판으로 하고, Na2CO3가 0.15wt%의 농도로 하여 전사를 수행한 경우의 광투과도를 도시한 그래프이다.
상기 그래프에서 은의 트리 형상 또는 뿌리 형상으로 전극을 형성한 경우는 3nm의 얇은 막질로 형성한 경우에 비해 높은 광투과도를 보이고 있음을 알 수 있다.
제2 실시예
도 10 내지 도 12는 본 발명의 제2 실시예에 따라 금속 전극을 형성하는 방법을 도시한 단면도들이다.
도 10을 참조하면, 제1 기판(400) 상에 염(salt)의 결정립 패턴(410)을 형성한다. 결정립 패턴(410)은 염의 재결정화에 의해 형성되며, 트리(tree) 형상 또는 뿌리(root) 형상을 가진다.
염의 결정립 패턴(410) 형성을 위해 염은 물에 용해되어 수용액을 형성하고, 수용액은 제1 기판(400) 상에 코팅된다. 물의 건조과정을 통해 용해된 염은 재결정화되어 특정의 형상을 가진 결정립 패턴(410)으로 형성된다. 형성된 결정립 패턴(410)은 제1 기판(400) 상에 돌출된 양각의 형상으로 형성된다.
도 11을 참조하면, 제1 기판(400) 상에 금속층(420)을 형성한다. 상기 금속층(420)은 제1 기판(400) 상에 양각의 형상으로 돌출된 결정립 패턴(410)을 매립하면서 형성된다. 다만, 통상의 고온의 금속증착 공정을 수행하는 경우, 염의 결정립 패턴(410)의 형상이 손상될 수 있다. 따라서, 스핀 코팅 또는 도전성 잉크의 분사 등의 용액 공정을 통해 금속층(410)이 형성됨이 바람직하다. 상술한 용액 공정이 수행되는 경우, 양각의 형상을 가진 결정립 패턴(410)의 측부에는 금속층(420)이 형성되지 않고 일부 노출될 수 있다.
도 12를 참조하면, 금속층(420)이 형성된 제1 기판(400)에 대한 용해공정이 수행된다. 상기 도 10에서 형성된 염의 결정립 패턴은 물에 대한 높은 용해도를 가지므로, 제1 기판(400)에 대한 수분의 공급으로 염의 결정립 패턴은 제거된다. 따라서, 결정립 패턴 상부에 형성된 금속층도 제거된다. 이를 통해 용해된 결정립 패턴의 하부의 제1 기판(400)의 일부는 노출되고, 금속층이 형성되지 않은 관통 패턴(430)이 형성된다. 또한, 결정립 패턴이 형성되지 않은 금속층(420)은 잔류한다.
상술한 제2 실시예를 통해 제1 기판 상에 형성된 염의 결정립 패턴은 제거되고, 제1 기판 상의 나머지 부위는 금속층으로 형성된다. 따라서, 형성된 금속층은 트리 형상 또는 뿌리 형상의 공간을 가진다. 형성된 금속층이 금속 전극으로 작용하는 경우, 금속 전극은 소정의 광투과도를 확보할 수 있다.
상술한 본 발명에서는 물에 대해 높은 용해도를 가진 염을 결정화하여 미세패턴을 형성한다. 형성된 미세패턴은 나노 사이즈 또는 마이크로 사이즈의 트리 형상 또는 뿌리 형상을 가진다. 형성된 미세패턴을 이용하여 형성된 금속 전극은 높은 광투과도를 가지며, 도전성 재질인 금속 고유의 전도도를 확보한다.
또한, 금속 재질의 전극의 제조공정에서 패턴의 형성을 위해 수분을 사용하여 결정립 패턴을 용해할 수 있다. 따라서, 저비용으로 미세패턴을 형성할 수 있으며, 빠른 시간 내에서 패턴을 형성할 수 있어 생산성을 확보할 수 있다.
또한, 입사되는 광에 대한 높은 광투과도를 가지고, 높은 전도도를 가지는 금속 전극을 형성할 수 있다.
100, 400 : 제1 기판 110, 410 : 결정립 패턴
200 : 제2 기판 210 : 결정립 전사 패턴
220 : 도전성 잉크 300 : 제3 기판
420 : 금속층 430 : 관통 패턴

Claims (15)

  1. 제1 기판 상에 염의 결정립 패턴을 형성하는 단계;
    상기 염의 결정립 패턴을 제2 기판으로 전사하여 결정립 전사 패턴을 형성하는 단계;
    상기 제2 기판의 상기 결정립 전사 패턴에 도전성 잉크를 매립하는 단계; 및
    상기 결정립 전사 패턴에 매립된 도전성 잉크를 제3 기판에 전사하는 단계를 포함하는 금속 전극의 형성방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 염의 결정립 패턴을 형성하는 단계는,
    염이 용해된 수용액을 상기 제1 기판에 코팅하는 단계; 및
    상기 코팅된 수용액의 수분을 증발시키고, 상기 염의 재결정을 유도하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 금속 전극의 형성방법.
  3. 제2항에 있어서 상기 염은 Na2CO3 인 것을 특징으로 하는 금속 전극의 형성방법.
  4. 제2항에 있어서, 상기 수용액에서 상기 염의 농도는 0.01wt% 내지 5wt%인 것을 특징으로 하는 금속 전극의 형성방법.
  5. 제1항에 있어서, 상기 제2 기판 상에 상기 결정립 전사 패턴을 형성하는 단계는,
    PDMS와 경화제를 혼합한 혼합용액을 형성하는 단계;
    상기 혼합용액을 상기 제1 기판 상에 도입하여 유연성을 가진 제2 기판을 형성하고, 상기 제2 기판의 표면으로부터 함몰된 음각의 상기 결정립 전사 패턴을 형성하는 단계; 및
    상기 결정립 전사 패턴이 형성된 상기 제2 기판을 상기 제1 기판으로부터 분리하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 금속 전극의 형성방법.
  6. 제5항에 있어서, 상기 제2 기판을 상기 제1 기판으로부터 분리하는 단계는, 상기 제1 기판 및 상기 제2 기판에 수분을 도입하여 상기 결정립 패턴을 용해시키는 것을 특징으로 하는 금속 전극의 형성방법.
  7. 제1항에 있어서, 상기 결정립 전사 패턴에 도전성 잉크를 매립하는 단계는,
    상기 제2 기판에 도전성 잉크를 코팅하는 단계; 및
    상기 도전성 잉크가 코팅된 상기 제2 기판을 드래깅하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 금속 전극의 형성방법.
  8. 제7항에 있어서, 상기 도전성 잉크는 은을 포함하는 것을 특징으로 하는 금속 전극의 형성방법.
  9. 제1항에 있어서, 상기 결정립 패턴은 뿌리 형상 또는 트리 형상을 가지는 것을 특징으로 하는 금속 전극의 형성방법.
  10. 제1 기판 상에 염의 결정립 패턴을 형성하는 단계;
    상기 제1 기판 상에 금속층을 형성하여 상기 결정립 패턴을 매립하는 단계; 및
    상기 결정립 패턴을 용해하여 상기 제1 기판의 표면 일부를 노출시키는 관통 패턴을 형성하는 단계를 포함하는 금속 전극의 형성방법.
  11. 제10항에 있어서, 상기 염의 결정립 패턴을 형성하는 단계는,
    염이 용해된 수용액을 상기 제1 기판에 코팅하는 단계; 및
    상기 코팅된 수용액의 수분을 증발시키고, 상기 염의 재결정을 유도하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 금속 전극의 형성방법.
  12. 제11항에 있어서 상기 염은 Na2CO3 인 것을 특징으로 하는 금속 전극의 형성방법.
  13. 제11항에 있어서, 상기 수용액에서 상기 염의 농도는 0.01wt% 내지 5wt%인 것을 특징으로 하는 금속 전극의 형성방법.
  14. 제10항에 있어서, 상기 결정립 패턴은 뿌리 형상 또는 트리 형상을 가지는 것을 특징으로 하는 금속 전극의 형성방법.
  15. 제10항에 있어서, 상기 결정립 패턴의 용해는 수분의 공급을 통해 달성하는 것을 특징으로 하는 금속 전극의 형성방법.
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