KR101317216B1 - 패턴 형성방법 및 이를 적용한 투명전극, 터치스크린, 태양전지, 마이크로 히터, 투명 박막 트랜지스터, 플렉서블 디스플레이 패널, 플렉서블 태양전지, 전자책, 박막 트랜지스터, 전자파 차폐시트, 플렉서블 인쇄회로기판 - Google Patents
패턴 형성방법 및 이를 적용한 투명전극, 터치스크린, 태양전지, 마이크로 히터, 투명 박막 트랜지스터, 플렉서블 디스플레이 패널, 플렉서블 태양전지, 전자책, 박막 트랜지스터, 전자파 차폐시트, 플렉서블 인쇄회로기판 Download PDFInfo
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Abstract
본 발명의 패턴 형성방법은, 탄소나노튜브 용액과 금속잉크와의 혼합물을 만드는 단계; 혼합물을 기판에 코팅하는 단계; 기판을 가열하여 혼합물의 점도를 레이저 조사가 용이하도록 조절하는 단계; 기판에 레이저를 조사하여, 금속잉크의 금속입자가 녹아 탄소나노튜브 용액의 탄소나노튜브를 연결하여, 소정 형상의 패턴을 선택적으로 형성하는 단계; 및 기판을 세척하는 단계;를 포함한다.
Description
본 발명은 패턴 형성방법 및 이를 적용한 투명전극, 터치스크린, 태양전지, 마이크로 히터, 투명 박막 트랜지스터, 플렉서블 디스플레이 패널, 플렉서블 태양전지, 전자책, 박막 트랜지스터, 전자파 차폐시트, 플렉서블 인쇄회로기판에 관한 것이다.
탄소나노튜브는 탄소 6개로 이루어진 육각형 모양이 서로 연결되어 관 모양을 이루고 있는 구조이다. 이러한 관의 지름은 수~수십nm 정도에 불과하며, 전기 전도도는 구리와 비슷하고(탄소나노튜브의 전기 전도도는 구리보다 매우 우수하다.), 열 전도율, 강도 등 물리적, 전기적, 기계적 특성이 기존에 사용되고 있는 물질보다 매우 우수한 미래형 신소재 물질로 주목받고 있다. 또한, 이러한 탄소나노튜브는 그 벽면의 두께(또는 직경)와 그것을 구성하는 구조에 따라 금속과 같은 전기적 도체가 되기도 하고, 반도체가 되기도 한다.
이러한 탄소나노튜브는 그 자체가 반도체의 소자로 사용될 수 있기 때문에, 컴퓨터, 각종 통신장비, 전자장비 등의 높은 전기적 성질을 요구하는 분야에 사용될 수 있을 뿐만 아니라, 기계적 성질이 우수하기 때문에 인공위성, 우주 탐사선 등 항공우주분야에 널리 사용될 수 있다. 또한, 화학적 성질이 안정적이고 열에도 매우 잘 견디기 때문에 초강력섬유나 냉각소자로 사용되고, 마찰에도 매우 우수한 성질을 갖기 때문에 표면재료로도 사용 가능한 장점을 갖는다.
이와 같이, 탄소나노튜브는 산업상 다양한 분야에 걸쳐 이용 가능하기 때문에 미래의 신소재로 각광받고 있다. 그 중에서도 최근의 탄소나노튜브는 우수한 전기적 특성 때문에 유연 투명전극, 에너지 소자, 센서, 메모리, 복합소재 산업에 적용 가능한 물질로 각광받고 있다.
그러나, 도 1을 참조하면, 탄소나노튜브는 방향에 따라 그 특성이 크게 달라짐을 알 수 있다. 즉, 탄소나노튜브의 주축 방향으로는 전기적 성질이 양호(우수)하지만, 주축 방향의 직각 방향으로는 전기적 성질이 양호하지 못하다. 이러한 특성 때문에, 탄소나노튜브의 방향성에 따른 전기적 특성이 문제되고 있다. 그러므로, 멀티 월(multi wall) 탄소나노튜브(MWNT)보다는 싱글 월(single wall) 탄소나노튜브(SWNT)가 요구되고 있다.
또한, 도 2를 참조하면, 탄소나노튜브의 화합물(solution)은 크게 탄소나노튜브(1), 용매 및 첨가물(2), 바인더(또는 분산제, binder, 3)로 구성되어 있는데, 유기물인 바인더가 탄소나노튜브 외각을 코팅하고 있기 때문에 탄소나노튜브를 접합하여 기판(5) 상에 코팅층을 형성할 경우 기판(5)의 도전성을 저하시킨다. 그리고, 접촉상태가 양호하지 않기 때문에 전기적, 기계적 성질이 우수하지 못하여 도전성(또는 전도성)이 저하된다. 또한, 탄소나노튜브의 합성은 고도한 기술을 요구하므로, 멀티 월 탄소나노튜브(M으로 표시됨.)는 제조가 용이하지만 싱글 월 탄소나노튜브(S로 표시됨.)는 대량생산이 어렵다.
이로 인하여, 탄소나노튜브를 사용하여 전자제품, 반도체, 인공위성 등에 대면적으로 사용할 때, 탄소나노튜브의 방향성에 따른 물리적, 전기적, 기계적 특성의 차이로 인하여 안정성이 저하되는 문제점이 있다.
또한, 탄소나노튜브를 이용하여 전도성 막(conductive film)을 형성함에 있어서, 접합영역에서의 불안정성으로 인하여 물리적, 전기적, 기계적 특성이 우수하지 못하기 때문에 전도성 막으로 사용되는데 제한적이다.
또한, 패턴 형성과 관련해서도 용액공정을 적용하여 30㎛ 이하의 선폭을 갖도록 하는 것은 매우 어렵다.
한편, 코어와 쉘로 이루어진 물질(예를 들어, PEDOT:PSS)만으로 투명전극을 만들 경우, 그 콜로이드 입자 크기가 균일하지 않을 경우가 많다. 이때, 기판과의 접촉과 그 콜로이드 입자 간의 접촉도가 저하되기 때문에, 상대적으로 저항이 높아져서 도전성이 낮다. 그리고, 콜로이드 입자 크기를 균일하게 하고 작게 하여 기판과 입자 간의 접촉면적을 증가시킨다고 하여도, 코어(core)를 덮고 있는 쉘(shell)은 저항의 역할을 하기 때문에 도전성이 낮은 문제점이 있다.
본 발명은 싱글 월 탄소나노튜브뿐만 아니라, 멀티 월 탄소나노튜브로도 원하는 부위에 선택적으로 고도전성의 전극을 제조하는 패턴 형성방법 및 이를 적용한 투명전극, 터치스크린, 태양전지, 마이크로 히터, 투명 박막 트랜지스터, 플렉서블 디스플레이 패널, 플렉서블 태양전지, 전자책, 박막 트랜지스터, 전자파 차폐시트, 플렉서블 인쇄회로기판을 제공한다.
본 발명은 탄소나노튜브를 사용하여 전자제품, 반도체, 인공위성 등에 대면적, 선택적으로 사용할 때, 탄소나노튜브의 접합부에서 탄소나노튜브의 방향성에 따른 물리적, 전기적 및 기계적 특성의 차이로 인하여 안정성이 저하되는 것을 방지하는 패턴 형성방법 및 이를 적용한 투명전극, 터치스크린, 태양전지, 마이크로 히터, 투명 박막 트랜지스터, 플렉서블 디스플레이 패널, 플렉서블 태양전지, 전자책, 박막 트랜지스터, 전자파 차폐시트, 플렉서블 인쇄회로기판을 제공한다.
또한, 본 발명은 다양한 투명도를 갖는 투명전극을 제조할 수 있을 뿐만 아니라, 특히 기판에 레이저를 선택적으로 조사하면 10㎛ 이하의 미세 투명전극을 제조하는 패턴 형성방법 및 이를 적용한 투명전극, 터치스크린, 태양전지, 마이크로 히터, 투명 박막 트랜지스터, 플렉서블 디스플레이 패널, 플렉서블 태양전지, 전자책, 박막 트랜지스터, 전자파 차폐시트, 플렉서블 인쇄회로기판을 제공한다.
또한, 본 발명은 코어(core)와 쉘(shell)로 이루어진 물질을 이용하여 패턴을 형성할 경우, 기판이 고도전성을 갖도록 하는 패턴 형성방법 및 이를 적용한 투명전극, 터치스크린, 태양전지, 마이크로 히터, 투명 박막 트랜지스터, 플렉서블 디스플레이 패널, 플렉서블 태양전지, 전자책, 박막 트랜지스터, 전자파 차폐시트, 플렉서블 인쇄회로기판을 제공한다.
청구항 1에 관한 발명인 패턴 형성방법은, 탄소나노튜브 용액과 금속잉크와의 혼합물을 만드는 단계; 혼합물을 기판에 코팅하는 단계; 기판을 가열하여 혼합물의 점도를 레이저 조사가 용이하도록 조절하는 단계; 기판에 레이저를 조사하여, 금속잉크의 금속입자가 녹아 탄소나노튜브 용액의 탄소나노튜브를 연결하여, 소정 형상의 패턴을 선택적으로 형성하는 단계; 및 기판을 세척하는 단계;를 포함한다.
따라서, 청구항 1에 관한 발명인 패턴 형성방법에 의하면, 탄소나노튜브 사이에서 금속입자가 연결고리 역할을 하기 때문에, 탄소나노튜브의 방향성에 따른 전기적 및 기계적 특성의 단점을 보완할 수 있다. 또한, 탄소나노튜브가 특정한 방향에 맞게 배열되어 있지 않아도, 금속입자가 무작위한 탄소나노튜브 배열에 전기적 및 기계적 특성을 보완하기 때문에, 특정한 배열을 하지 않아도 된다.
청구항 2에 관한 발명인 패턴 형성방법은, 청구항 1에 관한 발명인 패턴 형성방법에 있어서, 금속잉크는, 금속 나노파티클 잉크 또는 유기금속화합물잉크이다.
청구항 3에 관한 발명인 패턴 형성방법은, 탄소나노튜브 용액과, 전도성 고분자 물질이 분산된 용액과의 혼합물을 만드는 단계; 혼합물을 기판에 코팅하는 단계; 기판을 가열하여 혼합물의 점도를 레이저 조사가 용이하도록 조절하는 단계; 기판에 레이저를 조사하여, 전도성 고분자 물질의 쉘이 녹아 제거되는 것과 함께 광열반응에 의해 전도성 고분자 물질의 온도가 유리전이온도(Tg) 이상으로 되게 하여, 전도성 고분자 물질의 고분자가 탄소나노튜브 용액의 탄소나노튜브를 연결하여, 소정 형상의 패턴을 선택적으로 형성하는 단계; 및 기판을 세척하는 단계;를 포함한다.
따라서, 청구항 3에 관한 발명인 패턴 형성방법에 의하면, 탄소나노튜브 사이에서 고분자(구체적으로는, 코어)가 연결고리 역할을 하기 때문에, 탄소나노튜브의 방향성에 따른 전기적 및 기계적 특성의 단점을 보완할 수 있다. 또한, 탄소나노튜브가 특정한 방향에 맞게 배열되어 있지 않아도, 고분자가 무작위한 탄소나노튜브 배열에 전기적 및 기계적 특성을 보완하기 때문에, 특정한 배열을 하지 않아도 된다. 또한, 탄소나노튜브와 마찬가지로, 고분자도 높은 투명성을 갖기 때문에 투명전극으로 사용 가능하다. 또한, 탄소나노튜브 사이 접촉부에서 전기적, 기계적, 물리적 특성이 저하되는 현상을 해결할 수 있다.
청구항 4에 관한 발명인 패턴 형성방법은, 청구항 3에 관한 발명인 패턴 형성방법에 있어서, 전도성 고분자 물질은, PEDOT:PSS이다.
청구항 5에 관한 발명인 투명전극은, 청구항 1 내지 4 중 어느 한 항에 관한 발명인 패턴 형성방법에 있어서, 청구항 1 내지 4 중 어느 한 항에 기재된 패턴 형성방법에 의하여 형성된 패턴에 의하여 형성된다.
청구항 6에 관한 발명인 터치스크린은, 청구항 1 내지 4 중 어느 한 항에 관한 발명인 패턴 형성방법에 있어서, 청구항 1 내지 4 중 어느 한 항에 기재된 패턴 형성방법에 의하여 형성된 패턴에 의하여 형성되는 전극을 포함한다.
청구항 7에 관한 발명인 태양전지는, 청구항 1 내지 4 중 어느 한 항에 관한 발명인 패턴 형성방법에 있어서, 청구항 1 내지 4 중 어느 한 항에 기재된 패턴 형성방법에 의하여 형성된 패턴에 의하여 형성되는 전극을 포함한다.
청구항 8에 관한 발명인 마이크로 히터는, 청구항 1 내지 4 중 어느 한 항에 관한 발명인 패턴 형성방법에 있어서, 청구항 1 내지 4 중 어느 한 항에 기재된 패턴 형성방법에 의하여 형성된 패턴에 의하여 형성되는 전극을 포함한다.
청구항 9에 관한 발명인 투명 박막 트랜지스터는, 청구항 1 내지 4 중 어느 한 항에 관한 발명인 패턴 형성방법에 있어서, 청구항 1 내지 4 중 어느 한 항에 기재된 패턴 형성방법에 의하여 형성된 패턴에 의하여 형성되는 게이트, 소스, 드레인을 갖는 전극을 포함한다.
청구항 10에 관한 발명인 플렉서블 디스플레이 패널은, 청구항 1 내지 4 중 어느 한 항에 관한 발명인 패턴 형성방법에 있어서, 청구항 1 내지 4 중 어느 한 항에 기재된 패턴 형성방법에 의하여 형성된 패턴에 의하여 형성되는 전극을 포함한다.
청구항 11에 관한 발명인 플렉서블 태양전지는, 청구항 1 내지 4 중 어느 한 항에 관한 발명인 패턴 형성방법에 있어서, 청구항 1 내지 4 중 어느 한 항에 기재된 패턴 형성방법에 의하여 형성된 패턴에 의하여 형성되는 전극을 포함한다.
청구항 12에 관한 발명인 전자책은, 청구항 1 내지 4 중 어느 한 항에 관한 발명인 패턴 형성방법에 있어서, 청구항 1 내지 4 중 어느 한 항에 기재된 패턴 형성방법에 의하여 형성된 패턴에 의하여 형성되는 전극을 포함한다.
청구항 13에 관한 발명인 박막 트랜지스터는, 청구항 1 내지 4 중 어느 한 항에 관한 발명인 패턴 형성방법에 있어서, 청구항 1 내지 4 중 어느 한 항에 기재된 패턴 형성방법에 의하여 형성된 패턴에 의하여 형성되는 게이트, 소스, 드레인을 갖는 전극을 포함한다.
청구항 14에 관한 발명인 전자파 차폐시트는, 청구항 1 내지 4 중 어느 한 항에 관한 발명인 패턴 형성방법에 있어서, 청구항 1 내지 4 중 어느 한 항에 기재된 패턴 형성방법에 의하여 형성된 패턴을 갖는다.
청구항 15에 관한 발명인 플렉서블 인쇄회로기판은, 청구항 1 내지 4 중 어느 한 항에 관한 발명인 패턴 형성방법에 있어서, 청구항 1 내지 4 중 어느 한 항에 기재된 패턴 형성방법에 의하여 형성된 패턴에 의하여 형성되는 전극을 포함한다.
본 발명에 따르면, 싱글 월 탄소나노튜브뿐만 아니라, 멀티 월 탄소나노튜브로도 원하는 부위에 선택적으로 고도전성의 전극을 제조할 수 있다.
또한, 본 발명에 따르면, 탄소나노튜브를 사용하여 전자제품, 반도체, 인공위성 등에 대면적, 선택적으로 사용할 때, 탄소나노튜브의 접합부에서 탄소나노튜브의 방향성에 따른 물리적, 전기적 및 기계적 특성의 차이로 인하여 안정성이 저하되는 것을 방지할 수 있다.
또한, 본 발명에 따르면, 다양한 투명도를 갖는 투명전극을 제조할 수 있을 뿐만 아니라, 특히 기판에 레이저를 선택적으로 조사하면 10㎛ 이하의 미세 투명전극을 제조할 수 있다.
또한, 본 발명은, 전도성 고분자 물질을 이용하여 패턴을 형성할 경우, 기판이 고도전성을 갖도록 할 수 있다.
도 1은 종래의 탄소나노튜브 방향 및 종류를 나타낸 도면이다.
도 2는 종래의 탄소나노튜브 구성을 도시한 도면이다.
도 3은 본 발명의 제1 실시예에 따른 패턴 형성방법을 나타낸 흐름도이다.
도 4a 내지 도 4h는 본 발명의 제1 실시예에 따른 패턴 제조과정을 나타낸 단면도이다.
도 5a는 본 발명의 제1 실시예에 따른 탄소나노튜브와 은 나노파티클의 하이브리드 결합형태를 개략적으로 나타낸 사시도이다.
도 5b는 본 발명의 제1 실시예에 따른 탄소나노튜브와 은 나노파티클의 하이브리드 결합형태를 개략적으로 나타낸 단면도이다.
도 6은 본 발명의 제2 실시예에 따른 패턴 형성방법을 나타낸 흐름도이다.
도 7은 본 발명의 제2 실시예에 따른 패턴 형성방법에서 사용될 수 있는 PEDOT:PSS의 개략적인 구조도이다.
도 8a는 본 발명의 제2 실시예에 따른 탄소나노튜브와 PEDOT:PSS의 하이브리드 결합형태를 개략적으로 나타낸 사시도이다.
도 8b는 본 발명의 제2 실시예에 따른 탄소나노튜브와 PEDOT:PSS의 하이브리드 결합형태를 개략적으로 나타낸 단면도이다.
도 9는 본 발명의 제2 실시예에 따른 패턴 형성방법에서 PEDOT:PSS 사용에 의한 도전성 향상을 설명하기 위한 개념도이다.
도 2는 종래의 탄소나노튜브 구성을 도시한 도면이다.
도 3은 본 발명의 제1 실시예에 따른 패턴 형성방법을 나타낸 흐름도이다.
도 4a 내지 도 4h는 본 발명의 제1 실시예에 따른 패턴 제조과정을 나타낸 단면도이다.
도 5a는 본 발명의 제1 실시예에 따른 탄소나노튜브와 은 나노파티클의 하이브리드 결합형태를 개략적으로 나타낸 사시도이다.
도 5b는 본 발명의 제1 실시예에 따른 탄소나노튜브와 은 나노파티클의 하이브리드 결합형태를 개략적으로 나타낸 단면도이다.
도 6은 본 발명의 제2 실시예에 따른 패턴 형성방법을 나타낸 흐름도이다.
도 7은 본 발명의 제2 실시예에 따른 패턴 형성방법에서 사용될 수 있는 PEDOT:PSS의 개략적인 구조도이다.
도 8a는 본 발명의 제2 실시예에 따른 탄소나노튜브와 PEDOT:PSS의 하이브리드 결합형태를 개략적으로 나타낸 사시도이다.
도 8b는 본 발명의 제2 실시예에 따른 탄소나노튜브와 PEDOT:PSS의 하이브리드 결합형태를 개략적으로 나타낸 단면도이다.
도 9는 본 발명의 제2 실시예에 따른 패턴 형성방법에서 PEDOT:PSS 사용에 의한 도전성 향상을 설명하기 위한 개념도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시형태를 설명한다. 그러나, 본 발명의 실시형태는 여러 가지의 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 이하 설명하는 실시형태로만 한정되는 것은 아니다. 도면에서의 요소들의 형상 및 크기 등은 보다 명확한 설명을 위해 과장될 수 있으며, 도면상의 동일한 부호로 표시되는 요소는 동일한 요소이다.
도 3은 본 발명의 제1 실시예에 따른 패턴 형성방법을 나타낸 흐름도이고, 도 4a 내지 도 4h는 본 발명의 제1 실시예에 따른 패턴 제조과정을 나타낸 단면도이다. 도 3 및 도 4a 내지 도 4h를 참조하면, 본 발명의 제1 실시예에 따른 패턴 형성방법은 다음과 같다.
먼저, 탄소나노튜브(carbonnanotube, CNT) 용액(20)과 금속잉크(30)와의 혼합물(40)을 만든다(S100). 혼합물(40)을 만들 때, 도 4a에 도시된 바와 같이, 용액을 채울 수 있는 용액용기(10) 내에, 탄소나노튜브 용액(20)과 금속잉크(30)를 채워 혼합물(40)을 만든다. 탄소나노튜브 용액(20)에 금속잉크(30)를 혼합하는 이유는, 탄소나노튜브가 갖는 접합 문제 및 방향성에 따른 특성 차이를 보완하기 위함이다. 예를 들어, 탄소나노튜브 용액(20)과 은 나노파티클 잉크(Ag nanoparticle ink, 30)를 혼합하는 경우, 은 나노파티클이 탄소나노튜브 사이에 침투하여 탄소나노튜브 사이 접합부 부근의 전기적, 기계적 특성의 단점을 보완할 수 있기 때문이다. 이와 같이, 혼합되는 은 나노파티클 용액(30)의 양을 조절하여 다양한 투명도를 갖는 투명전극을 제조할 수 있다.
금속잉크(30)는 금속 나노파티클 잉크 또는 유기금속화합물잉크가 사용될 수 있는데, 금속잉크(30) 대신에 각종 금속의 나노와이어(nanowire), 그래핀 (graphene), 풀러렌(fullerene) 등도 사용될 수 있다. 여기서, 금속은 금, 은, 또는 구리일 수 있고, 이에 한정되지 않고 금속이라면 모두 가능하다. 여기서, 탄소나노튜브 용액(20)은 상용으로 판매되고 있는 용액과 동일한 용매가 사용되고, 은 나노파티클 용액(30)은 상용으로 판매되고 있는 용액과 화학적으로 유사한 특성을 나타내는 용매가 사용된다.
S100 단계 이후, 혼합물(40)을 기판(100)에 코팅한다(S110). 혼합물(40)을 기판(100)에 코팅할 때, 도 4b에 도시된 바와 같이, 유리와 같은 경한 기판(hard substrate)이나 PI(polyimide), PET(Poly-ethylenetelephtalene)와 같은 유연 기판(flexible substrate) 상에 각종 코팅방식을 이용하여 혼합물(40)을 코팅한다. 제1 실시예에서는 스핀 코팅(spin coating)을 예로 들었으나, 이에 한정되지 않고 롤 코팅, 스핀 코팅, 슬롯다이 코팅, 스크린 스퀴즈 코팅, 블레이드 코팅 등과 같이 현존하는 모든 코팅방식이 적용될 수 있다. 기판(100)에 코팅이 완료되면, 도 4c에 도시된 바와 같이, 기판(100) 상에 혼합물(40)에 의한 코팅층(이하, 코팅층, 200)이 형성된다.
S110 단계 이후, 기판(100)을 가열하여 혼합물의 점도를 레이저 조사가 용이하도록 조절한다(S120). 즉, 가열하면 혼합물의 점도는 혼합만 되어있던 상태보다는 올라가는데, 이렇게 하여 레이저의 조사가 용이하도록 조절하는 것이다. 기판(100)을 가열할 때, 도 4d에 도시된 바와 같이, 기판(100) 아래에 배치된 핫 플레이트(hot plate, 50)를 이용하는데, 핫 플레이트(50) 외에도 가열램프, 컨벡션 오븐(convection oven) 등과 같이 가열이 가능한 수단이라면 모두 이용 가능하다.
금속잉크(30)가 은 나노파티클 잉크일 경우, 기판(100)의 가열에 의해 기판(100) 상의 코팅층(200)에서 유기물이 증발되고, 은 나노파티클(220)이 자가생성된다(self-generated). 이렇게 하여 코팅층(200)에는 탄소나노튜브(210)와 은 나노파티클(220)이 존재하게 된다.
S120 단계 이후, 기판(100)에 레이저(60)를 조사하여, 금속잉크의 금속입자가 녹아 탄소나노튜브 용액의 탄소나노튜브를 연결하여, 소정 형상의 패턴(P)을 선택적으로 형성한다(S130). 기판(100)에 레이저(60)를 조사할 때, 도 4e에 도시된 바와 같이, 탄소나노튜브 사이에 은 나노파티클이 순간적으로 용융되어 레이저가 탄소나노튜브의 결합부로 침투하여 탄소나노튜브와 은 나노파티클이 결합함으로써, 탄소나노튜브와 은 나노파티클의 연속체가 패턴(P)으로 형성된다. 탄소나노튜브 사이에 은 나노파티클이 형성됨으로써, 연속체는 탄소나노튜브 주축 방향의 직각 방향으로의 전기적 특성 또는 기계적 특성이 양호하지 못한 단점을 보완한다.
레이저(60)가 은 나노파티클을 통과하면, 은 나노파티클은 고상으로 변하여 탄소나노튜브 사이의 결합부를 더욱 견고히 한다. 탄소나노튜브와 은 나노파티클의 유기 분산제는 레이저(60)가 조사될 때 높은 온도에 의해 증발되어 제거된다. 이렇게 함으로써, 탄소나노튜브 사이의 접합상 존재하는 기계적, 전기적 단점을 보완할 수 있고, MWCNT에서도 고도전성(또는 고전도성)(conductivity)을 얻을 수 있다. 또한, 기판(100)에 레이저(60)를 선택적으로 조사하면 10㎛ 이하의 미세 투명전극을 제조할 수 있다.
S130 단계 이후, 기판(100)을 세척한다(S140). 기판(100)을 세척할 때, 도 4f에 도시된 바와 같이, 기판(100) 상의 코팅층(200)에 세척액 분사기(70)를 이용하여 세척액을 분사할 수 있고, 이 외에도 기판(100)을 세척액에 담그는 방식을 이용할 수 있다. 기판(100) 세척을 실시하면, 도 4g에 도시된 바와 같이, 탄소나노튜브와 은 나노파티클의 결합체의 패턴(P)을 제외한 나머지 부분은 제거되고, 탄소나노튜브와 은 나노파티클의 결합체만 남게 된다. 도 4h에 도시된 바와 같이, 기판(100) 상면을 보면 기판(100)에 패턴(P)이 형성된 상태를 쉽게 알 수 있다.
도 3에서는, 탄소나노튜브 용액과 은 나노파티클 잉크의 하이브리드(hybrid) 합성을 통하여 혼합물을 만들고, 기판(100)에 레이저(60)를 조사하여 은 나노파티클을 순간적으로 용융상태로 만들어 은 나노파티클이 탄소나노튜브 사이의 접합부에 순간적으로 채워지게 함으로써, 싱글 월 탄소나노튜브뿐만 아니라, 멀티 월 탄소나노튜브로도 원하는 부위에 선택적으로 고도전성의 전극을 제조할 수 있음을 보였다.
이때, 탄소나노튜브를 사용하여 전자제품, 반도체, 인공위성 등에 대면적, 선택적으로 사용할 때, 탄소나노튜브의 접합부에서 탄소나노튜브의 방향성에 따른 물리적, 전기적 및 기계적 특성의 차이로 인하여 안정성이 저하되는 것을 방지할 수 있다.
도 5a는 본 발명의 제1 실시예에 따른 탄소나노튜브와 은 나노파티클의 하이브리드 결합형태를 개략적으로 나타낸 사시도이고, 도 5b는 본 발명의 제1 실시예에 따른 탄소나노튜브와 은 나노파티클의 하이브리드 결합형태를 개략적으로 나타낸 단면도이다.
도 5a 및 도 5b에 도시된 바와 같이, 탄소나노튜브(20a) 사이에 은 나노파티클(30a)이 연결고리 역할을 하여 탄소나노튜브(20a)의 방향에 따른 전기적, 기계적 특성의 단점을 보완한다. 또한, 탄소나노튜브(20a)의 특정방향에 맞는 배열이 없이도, 은 나노파티클(30a)이 무작위한 탄소나노튜브(20a)의 배열에 전기적, 기계적 특성의 단점을 보완하기 때문에, 특정배열을 하지 않아도 되는 장점을 갖는다. 이러한 탄소나노튜브(20a)와 은 나노파티클(30a)의 하이브리드 결합을 이용하여 선택적으로 패턴을 형성할 수 있다.
도 6은 본 발명의 제2 실시예에 따른 패턴 형성방법을 나타낸 흐름도이다. 도 6을 참조하면, 본 발명의 제2 실시예에 따른 패턴 형성방법은 다음과 같다. 도 4a 내지 도 4h, 및 도 6을 참조하면, 본 발명의 제1 실시예에 따른 패턴 형성방법은 다음과 같다. 제2 실시예의 패턴 형성방법에서는, 제1 실시예의 금속잉크 대신에, 전도성 고분자 물질이 분산된 용액을 사용한다는 것을 제외하고는 제1 실시예의 패턴 형성방법과 동일하므로, 동일한 설명은 생략하기로 한다.
먼저, 탄소나노튜브 용액(20)과, 전도성 고분자 물질(코어(core)와 쉘(shell)로 이루어진 물질, 도 7에 도시됨.)이 분산된 용액과의 혼합물을 만든다(S200). 혼합물을 만들 때, 용액을 채울 수 있는 용액용기(10) 내에, 탄소나노튜브 용액(20)과, 전도성 고분자 물질이 분산된 용액을 채워 혼합물을 만든다. 예를 들면, 전도성 고분자 물질은 PEDOT:PSS(Poly(3,4-ethylenedioxythiophene) poly(styrenesulfonate))일 수 있다. 탄소나노튜브 용액과 PEDOT:PSS 용액의 혼합물을 만들 때, 탄소나노튜브와 PEDOT:PSS의 하이브리드 결합은 탄소나노튜브 사이 접합부 부근의 전기적, 기계적 특성의 단점을 보완할 수 있고, PEDOT는 투명성을 갖기 때문에 혼합되는 PEDOT의 양을 조절하여 다양한 투명도를 갖는 투명전극을 제조할 수 있다. 또한, 탄소나노튜브 사이의 접촉부에서의 전기적, 물리적 특성이 저하되는 현상을 PEDOT를 통해 해결할 수 있다. S200 단계 이후, 혼합물을 기판(100)에 코팅한다(S210).
S210 단계 이후, 기판(100)을 가열하여 혼합물의 점도를 레이저(60) 조사가 용이하도록 조절한다(S220).
S220 단계 이후, 기판(100)에 레이저(60)를 조사하여, 전도성 고분자 물질의 쉘이 녹아 제거되는 것과 함께 광열반응에 의해 전도성 고분자 물질의 온도가 유리전이온도(Tg) 이상으로 되게 하여, 전도성 고분자 물질의 고분자가 탄소나노튜브 용액의 탄소나노튜브를 연결하여, 소정 형상의 패턴을 선택적으로 형성한다(S230). 기판(100)에 레이저(60)를 조사하면, PEDOT:PSS의 PSS가 레이저(60)의 광열에 의해 쉘이 녹아 제거되고 PEDOT만 남게 된다. PSS가 제거된 PEDOT는 탄소나노튜브 사이의 접합부에 결합된다. 이때, 레이저(60) 조사에 의해 PEDOT:PSS의 쉘이 제거되기 때문에 도전성을 향상시킬 수 있다. 또한, 기판(100)에 레이저(60)를 선택적으로 조사하면 10㎛ 이하의 미세 투명전극을 제조할 수 있다.
S230 단계 이후, 기판(100)을 세척한다(S240).
도 6에서는, 탄소나노튜브 용액과, 전도성 고분자 물질이 분산된 용액과의 하이브리드(hybrid) 합성을 통하여 혼합물을 만들고, 기판(100)에 레이저(60)를 조사하여 고분자(구체적으로, 코어)가 탄소나노튜브 사이의 접합부에 순간적으로 결합되게 함으로써, 싱글 월 탄소나노튜브뿐만 아니라, 멀티 월 탄소나노튜브로도 원하는 부위에 선택적으로 고도전성의 전극을 제조할 수 있음을 보였다.
이때, 탄소나노튜브를 사용하여 전자제품, 반도체, 인공위성 등에 대면적으로 사용할 때, 탄소나노튜브의 접합부에서 탄소나노튜브의 방향성에 따른 물리적, 전기적 및 기계적 특성의 차이로 인하여 안정성이 저하되는 것을 방지할 수 있다.
도 7은 본 발명의 제2 실시예에 따른 패턴 형성방법에서 사용될 수 있는 PEDOT:PSS의 개략적인 구조도이다. 도 7에 도시된 바와 같이, PEDOT:PSS는 그 코어에 PEDOT(30'a)가 있고, 쉘인 PSS(30'b)가 PEDOT(30'a)를 감싸는 구조로 형성되어 있는데, PEDOT[Poly(3,4-EthyleneDiOxyThiophene](30'a)와 PSS[Poly(4-StyreneSulfonic acid)](30'b)가 결합된 콜로이드 입자로, 높은 고도전성과 고투명성을 갖는 물질이다. PEDOT:PSS는 투명전극의 소재로 주로 사용되고 있는 ITO (Indium Tix Oxide)의 대체물질로 사용되고 있다. 이러한 PEDOT:PSS의 장점 때문에, 도전성이 우수하고, 기계적, 물리적 특성이 우수하며, 화학적으로 안정된, 탄소나노튜브와 PEDOT:PSS의 하이브리드 결합을 이용한다.
도 8a는 본 발명의 제2 실시예에 따른 탄소나노튜브와 PEDOT:PSS의 하이브리드 결합형태를 개략적으로 나타낸 사시도이고, 도 8b는 본 발명의 제2 실시예에 따른 탄소나노튜브와 PEDOT:PSS의 하이브리드 결합형태를 개략적으로 나타낸 단면도이다.
도 8a 및 도 8b에 도시된 바와 같이, 탄소나노튜브(20a) 사이에 PEDOT:PSS(30'a)가 연결고리 역할을 하여 탄소나노튜브(20a)의 방향에 따른 전기적, 기계적 특성의 단점을 보완한다. 또한, 탄소나노튜브(20a)의 특정방향에 맞는 배열이 없이도, PEDOT:PSS(30'a)가 무작위한 탄소나노튜브(20a) 배열에 전기적, 기계적 특성의 단점을 보완하기 때문에, 특정배열을 하지 않아도 되는 장점을 갖는다. 이러한 탄소나노튜브(20a)와 PEDOT:PSS(30'a)의 하이브리드 결합을 이용하여 선택적인 패턴을 형성할 수 있다.
도 9는 본 발명의 제2 실시예에 따른 패턴 형성방법에서 PEDOT:PSS 사용에 의한 도전성 향상을 설명하기 위한 개념도이다. 도 9를 참조하면, PEDOT:PSS의 상태를 (a), (b), (c)의 3가지 경우로 설명할 수 있다. 여기서, PEDOT(30'a)는 도전층의 역할을 하고, PSS(30'b)는 절연층의 역할을 한다.
(a)는 PEDOT:PSS의 입자 크기가 균일하지 않고, PSS(30'b)가 제거되지 않은 경우이다. 이를 박막화한 경우에는 높은 투명성을 갖지만, 그 입자 간의 접촉도가 저하되기 때문에 상대적으로 저항이 높아져서 도전성이 낮다.
(b)는 PEDOT:PSS의 입자 크기가 균일하지만, PSS(30'b)가 제거되지 않은 경우로 (a)의 경우에서 원심분리된 경우이다. 이를 박막화한 경우에는 높은 투명성을 갖고, 그 입자 간의 접촉도가 양호하지만 PSS(30'b)가 제거되지 않았기 때문에 상대적으로 도전성이 낮다.
(c)는 PEDOT:PSS의 입자 크기가 균일하고 PSS(30'b)가 제거된 경우로 (b)의 경우에서 용매효과가 발생한 경우이다. 이를 박막화한 경우에는 높은 투명성을 갖고, 그 입자 간의 접촉도가 양호하고 PSS(30'b)가 제거되었기 때문에 상대적으로 도전성이 높다.
(a), (b), (c)를 통하여, PEDOT:PSS의 입자 크기 균일 여부, 또는 PSS(30'b)의 제거 여부에 관계없이 투명성은 높지만, PEDOT:PSS의 입자 크기가 균일하고 PSS(30'b)가 제거된 경우에만 도전성이 높다는 것을 알 수 있다. 이와 관련하여, 제2 실시예에서는 레이저 조사에 의해 PEDOT:PSS의 PSS(30'b)가 제거되기 때문에 도전성을 향상시킬 수 있다 이와 같이, 전도성 고분자 물질을 이용하여 패턴을 형성할 경우, 기판이 고도전성을 갖도록 할 수 있다.
상기와 같은 패턴 형성방법에 의하여 형성된 패턴은, 투명전극, 터치스크린, 태양전지, 마이크로 히터의 전극 배선을 형성할 때 적용될 수 있다. 또한, 본 패턴 형성방법에 의하여 형성된 패턴은, 게이트, 소스, 드레인을 갖는 전극을 포함하는 투명 박막 트랜지스터에 적용될 수 있다. 또한, 본 패턴 형성방법에 의하여 형성된 패턴은, 플렉서블 디스플레이 패널, 플렉서블 태양전지, 전자책을 형성할 때 적용될 수 있다. 또한, 본 패턴 형성방법에 의하여 형성된 패턴은, 게이트, 소스, 드레인을 갖는 전극을 포함하는 박막 트랜지스터에 적용될 수 있다. 또한, 본 패턴 형성방법에 의하여 형성된 패턴은, 전자파 차폐시트, 플렉서블 인쇄회로기판에 적용될 수 있다.
본 발명은 상술한 실시형태 및 첨부된 도면에 의해 한정되지 아니한다. 첨부된 청구범위에 의해 권리범위를 한정하고자 하며, 청구범위에 기재된 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 형태의 치환, 변형 및 변경이 가능하다는 것은 당 기술분야의 통상의 지식을 가진 자에게 자명할 것이다.
10 : 용액용기
20 : 탄소나노튜브 용액
20a : 탄소나노튜브
30 : 금속잉크
30'a : PEDOT
30'b : PSS
40 : 혼합물
50 : 핫 플레이트
60 : 레이저
70 : 세척액 분사기
100 : 기판
200 : 코팅층
20 : 탄소나노튜브 용액
20a : 탄소나노튜브
30 : 금속잉크
30'a : PEDOT
30'b : PSS
40 : 혼합물
50 : 핫 플레이트
60 : 레이저
70 : 세척액 분사기
100 : 기판
200 : 코팅층
Claims (15)
- 탄소나노튜브 용액과 금속 나노파티클 잉크와의 혼합물을 만드는 단계;
상기 혼합물을 기판에 코팅하는 단계;
상기 기판을 가열하여 상기 혼합물의 점도를, 레이저 조사에 의한 패턴 형성이 용이하도록, 조절하는 단계;
상기 기판에 레이저를 조사하여, 상기 금속 나노파티클 잉크의 금속입자가 녹아 상기 탄소나노튜브 용액의 탄소나노튜브를 연결하여, 상기 레이저가 조사된 위치에 소정 형상의 패턴을 선택적으로 형성하는 단계; 및
상기 기판을 세척하는 단계;
를 포함하는,
패턴 형성방법. - 탄소나노튜브 용액과 유기금속화합물 잉크와의 혼합물을 만드는 단계;
상기 혼합물을 기판에 코팅하는 단계;
상기 기판을 가열하여 상기 혼합물의 점도를, 레이저 조사에 의한 패턴 형성이 용이하도록, 조절하는 단계;
상기 기판에 레이저를 조사하여, 상기 유기금속화합물 잉크의 금속입자가 녹아 상기 탄소나노튜브 용액의 탄소나노튜브를 연결하여, 상기 레이저가 조사된 위치에 소정 형상의 패턴을 선택적으로 형성하는 단계; 및
상기 기판을 세척하는 단계;
를 포함하는,
패턴 형성방법. - 탄소나노튜브 용액과, 코어(core)와 쉘(shell)을 포함하는 전도성 고분자 물질이 분산된 용액과의 혼합물을 만드는 단계;
상기 혼합물을 기판에 코팅하는 단계;
상기 기판을 가열하여 상기 혼합물의 점도를, 레이저 조사에 의한 패턴 형성이 용이하도록, 조절하는 단계;
상기 기판에 레이저를 조사하여, 상기 전도성 고분자 물질의 쉘이 녹아 제거되는 것과 함께 광열반응에 의해 상기 전도성 고분자 물질의 온도가 유리전이온도(Tg) 이상으로 되게 하여, 상기 전도성 고분자 물질의 코어가 상기 탄소나노튜브 용액의 탄소나노튜브를 연결하여, 상기 레이저가 조사된 위치에 소정 형상의 패턴을 선택적으로 형성하는 단계; 및
상기 기판을 세척하는 단계;
를 포함하는,
패턴 형성방법. - 제3항에 있어서,
상기 전도성 고분자 물질은, PEDOT:PSS인,
패턴 형성방법. - 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 기재된 패턴 형성방법에 의하여 형성된 패턴에 의하여 형성되는 투명전극.
- 청구항 6은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 기재된 패턴 형성방법에 의하여 형성된 패턴에 의하여 형성되는 전극을 포함하는 터치스크린.
- 청구항 7은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 기재된 패턴 형성방법에 의하여 형성된 패턴에 의하여 형성되는 전극을 포함하는 태양전지.
- 청구항 8은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 기재된 패턴 형성방법에 의하여 형성된 패턴에 의하여 형성되는 전극을 포함하는 마이크로 히터.
- 청구항 9은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 기재된 패턴 형성방법에 의하여 형성된 패턴에 의하여 형성되는 게이트, 소스, 드레인을 갖는 전극을 포함하는 투명 박막 트랜지스터.
- 청구항 10은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 기재된 패턴 형성방법에 의하여 형성된 패턴에 의하여 형성되는 전극을 포함하는 플렉서블 디스플레이 패널.
- 청구항 11은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 기재된 패턴 형성방법에 의하여 형성된 패턴에 의하여 형성되는 전극을 포함하는 플렉서블 태양전지.
- 청구항 12은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 기재된 패턴 형성방법에 의하여 형성된 패턴에 의하여 형성되는 전극을 포함하는 전자책.
- 청구항 13은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 기재된 패턴 형성방법에 의하여 형성된 패턴에 의하여 형성되는 게이트, 소스, 드레인을 갖는 전극을 포함하는 박막 트랜지스터.
- 청구항 14은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 기재된 패턴 형성방법에 의하여 형성된 패턴을 갖는 전자파 차폐시트.
- 청구항 15은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 기재된 패턴 형성방법에 의하여 형성된 패턴에 의하여 형성되는 전극을 포함하는 플렉서블 인쇄회로기판.
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