KR101524069B1 - 나노 물질층을 포함하는 적층형 투명 전극 - Google Patents

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Abstract

본 발명은, 나노 물질층을 포함하고, 낮은 면저항, 높은 광 투과율, 고 유연성, 고 신축성을 가지는 적층형 투명 전극을 제공한다. 본 발명의 일실시예에 따른 적층형 투명 전극은, 광이 투과되는 기판 상에 위치하고, 제1 2차원 나노 물질층과 제1 1차원 나노 물질층을 포함하는 제1 하이브리드 투명 전극 구조체; 및 제1 하이브리드 투명 전극 구조체 상에 위치하고, 제2 2차원 나노 물질층과 제2 1차원 나노 물질층을 포함하는 제2 하이브리드 투명 전극 구조체;를 포함한다.

Description

나노 물질층을 포함하는 적층형 투명 전극{Stacking type transparent electrode having nano material layer}
본 발명의 기술적 사상은 적층형 투명 전극에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는, 낮은 면저항, 높은 광 투과율, 및 고 유연성을 가지는 나노 물질층을 포함하는 적층형 투명 전극 및 그 제조 방법에 관한 것이다.
발광 다이오드 또는 터치 스크린 등은 투명 전극을 이용하여 전기적 신호를 인가한다. 이러한 투명 전극으로서, 일반적으로 인듐-주석 산화물(indium tin oxide, ITO)가 많이 사용되고 있다. 그러나, 인듐-주석 산화물은 면저항이 높고, 재료 비용이 높으며, 또한 원료 시장에서의 인듐 수급이 불안정한 한계가 있다.
최근에는, 인듐-주석 산화물을 대체하는 투명 전극 물질에 대한 연구가 이루어지고 있다. 예를 들어, 그래핀을 이용하여 투명 전극을 구현하는 기술이 제안되었으나, 이러한 그래핀 또한, 면저항이 높은 한계를 가지고 있다. 따라서, 낮은 면저항을 가지며, 높은 광 투과율을 보유하는 투명 전극 재료의 개발이 요구되고 있다.
또한, 유연성 전자 장치(flexible electronic device)의 등장으로, 광 투과율을 유지하면서 동시에 유연성과 신축성을 가지는 투명 전극이 요구되고 있다.
한국공개특허 10-2012-0092431호
본 발명의 기술적 사상이 이루고자 하는 기술적 과제는, 나노 물질층을 포함하고, 낮은 면저항, 높은 광 투과율, 고 유연성, 고 신축성을 가지는 적층형 투명 전극을 제공하는 것이다.
본 발명의 기술적 사상이 이루고자 하는 다른 기술적 과제는, 나노 물질층을 포함하고, 낮은 면저항, 높은 광 투과율, 고 유연성, 고 신축성을 가지는 적층형 투명 전극을 제조하는 방법을 제공하는 것이다.
그러나 이러한 과제는 예시적인 것으로, 본 발명의 기술적 사상은 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 기술적 사상에 따른 적층형 투명 전극은, 광이 투과되는 기판 상에 위치하고, 2차원 나노 물질들로 구성된 제1 2차원 나노 물질층과 1차원 나노 물질들로 구성된 제1 1차원 나노 물질층을 포함하는 제1 하이브리드 투명 전극 구조체; 및 상기 제1 하이브리드 투명 전극 구조체 상에 위치하고, 2차원 나노 물질로 구성된 제2 2차원 나노 물질층과 1차원 나노 물질들로 구성된 제2 1차원 나노 물질층을 포함하는 제2 하이브리드 투명 전극 구조체;를 포함한다.
본 발명의 일부 실시예들에 있어서, 상기 기판으로부터, 상기 제1 2차원 나노 물질층, 상기 제1 1차원 나노 물질층, 상기 제2 2차원 나노 물질층, 및 제2 1차원 나노 물질층의 순서로 배치될 수 있다.
본 발명의 일부 실시예들에 있어서, 상기 기판으로부터, 상기 제1 1차원 나노 물질층, 상기 제1 2차원 나노 물질층, 상기 제2 1차원 나노 물질층, 및 상기 제2 2차원 나노 물질층의 순서로 배치될 수 있다.
본 발명의 일부 실시예들에 있어서, 상기 기판으로부터, 상기 제1 2차원 나노 물질층, 상기 제1 1차원 나노 물질층, 상기 제2 1차원 나노 물질층, 및 제2 2차원 나노 물질층의 순서로 배치될 수 있다.
본 발명의 일부 실시예들에 있어서, 상기 기판으로부터, 상기 제1 1차원 나노 물질층, 상기 제1 2차원 나노 물질층, 상기 제2 2차원 나노 물질층, 및 상기 제2 1차원 나노 물질층의 순서로 배치될 수 있다.
본 발명의 일부 실시예들에 있어서, 상기 제1 1차원 나노 물질층과 상기 제2 1차원 나노 물질층은 하나의 층으로 일체화되도록 결합될 수 있다.
본 발명의 일부 실시예들에 있어서, 상기 제1 2차원 나노 물질층과 상기 제2 2차원 나노 물질층은 하나의 층으로 일체화되도록 결합될 수 있다.
본 발명의 일부 실시예들에 있어서, 상기 제1 1차원 나노 물질층은 상기 제1 2차원 나노 물질층과 접촉하도록 위치하고, 서로 겹쳐져 네트워크를 형성하는 제1 나노 물질들을 포함하고, 상기 제1 2차원 나노 물질층에 비하여 낮은 면저항을 가질 수 있다.
본 발명의 일부 실시예들에 있어서, 상기 제2 1차원 나노 물질층은 상기 제2 2차원 나노 물질층과 접촉하도록 위치하고, 서로 겹쳐져 네트워크를 형성하는 제2 나노 물질들을 포함하고, 상기 제2 2차원 나노 물질층에 비하여 낮은 면저항을 가질 수 있다.
본 발명의 일부 실시예들에 있어서, 상기 제1 2차원 나노 물질층, 상기 제2 2차원 나노 물질층, 또는 이들 모두는, 그래핀, 그라파이트를 포함할 수 있다.
본 발명의 일부 실시예들에 있어서, 상기 제1 1차원 나노 물질층, 상기 제2 1차원 나노 물질층, 또는 이들 모두는, 금속 나노 물질을 포함하거나 또는 탄소 나노 튜브를 포함할 수 있다.
본 발명의 일부 실시예들에 있어서, 상기 제1 1차원 나노 물질층, 상기 제2 1차원 나노 물질층, 또는 이들 모두는, 나노 와이어(nanowire), 나노 입자(nanoparticle), 나노 로드(nanorod), 나노 월(nanowall), 나노 튜브(nanotube), 나노 벨트(nanobelt), 및 나노 링(nanoring) 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다.
본 발명의 일부 실시예들에 있어서, 상기 제1 하이브리드 투명 전극 구조체 및 상기 제2 하이브리드 투명 전극 구조체의 전체 높이는, 상기 제1 하이브리드 투명 전극 구조체의 높이와 상기 제2 하이브리드 투명 전극 구조체의 높이의 개별적인 합에 비하여 작을 수 있다.
본 발명의 일부 실시예들에 있어서, 상기 제1 하이브리드 투명 전극 구조체 및 상기 제2 하이브리드 투명 전극 구조체의 전체적인 비저항은 0.2 μΩm 내지 0.3 μΩm 범위일 수 있다.
본 발명의 일부 실시예들에 있어서, 상기 적층형 투명 전극의 면저항은 30 Ω/□ 내지 160 Ω/□ 범위일 수 있다.
본 발명의 일부 실시예들에 있어서, 상기 적층형 투명 전극은 0 % 초과 100 % 범위의 변형율에 대하여, 0% 내지 20% 범위의 저항 변화를 가질 수 있다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 기술적 사상에 따른 적층형 투명 전극의 제조 방법은, 2차원 나노 물질로 구성된 2차원 나노 물질층과 1차원 나노 물질들로 구성된 1차원 나노 물질층을 각각 포함하는 복수의 하이브리드 투명 전극 구조체들이 적층된 적층형 투명 전극의 제조 방법이다. 상기 하이브리드 투명 전극 구조체들 각각은, 광이 투과되는 기판을 제공하는 단계; 상기 기판 상에 트랜스퍼 방식을 이용하여 상기 2차원 나노 물질층을 형성하는 단계; 및 상기 기판 상에 나노 물질을 포함하는 용액을 스핀 코팅하여, 상기 기판 상에 상기 2차원 나노 물질층과 접촉하도록 위치하고, 상기 나노 물질들이 서로 겹쳐져 네트워크를 형성하고, 상기 2차원 나노 물질층에 비하여 낮은 면저항을 가지는 1차원 나노 물질층을 형성하는 단계;를 포함한다.
본 발명의 일부 실시예들에 있어서, 상기 2차원 나노 물질층을 형성하는 단계를 수행한 후에 상기 1차원 나노 물질층을 형성하는 단계를 수행하거나, 또는 상기 1차원 나노 물질층을 형성하는 단계를 수행한 후에 상기 2차원 나노 물질층을 형성하는 단계를 수행할 수 있다.
본 발명의 일부 실시예들에 있어서, 상기 1차원 나노 물질층을 형성하는 단계는, 100 rpm 내지 3000 rpm 범위의 속도로 스핀 코팅하여 수행될 수 있다.
본 발명의 일부 실시예들에 있어서, 상기 1차원 나노 물질층을 형성하는 단계는, 상기 1차원 나노 물질층을 80℃ 내지 100℃의 온도 범위에서 50초 내지 150초 동안 건조하는 제1 건조 단계; 및 상기 1차원 나노 물질층을 140℃ 내지 160℃의 온도 범위에서 50초 내지 150초 동안 건조하는 제2 건조 단계;를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일부 실시예들에 있어서, 상기 2차원 나노 물질층을 형성하는 단계는, 희생 기판을 제공하는 단계; 상기 희생 기판 상에 화학기상증착법을 이용하여 그래핀을 포함하는 그래핀층을 형성하는 단계; 상기 희생 기판으로부터 상기 그래핀층을 분리하는 단계; 및 상기 기판 상에 상기 분리된 그래핀층을 전사시켜 상기 2차원 나노 물질층을 형성하는 단계;를 포함할 수 있다.
본 발명의 기술적 사상에 따른 적층형 투명 전극은, 그래핀 등과 같은 2차원 나노 물질들로 구성된 2차원 나노 물질층과 상기 2차원 나노 물질층과 접촉하고 네트워크로 구성된 나노 와이어 등과 같은 1차원 나노 물질들로 구성된 제1 1차원 나노 물질층을 포함하는 복수의 하이브리드 투명 전극 구조체들을 포함하도록 형성함으로써, 높은 광 투과율, 고 유연성, 낮은 면저항을 가지는 효과를 제공할 수 있다.
상술한 본 발명의 효과들은 예시적으로 기재되었고, 이러한 효과들에 의해 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 투명 전극을 도시하는 단면도이다.
도 2 및 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 도 1의 투명 전극에 포함된 나노 물질층을 나타내는 주사전자현미경 사진이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 투명 전극을 도시하는 단면도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 도 1의 투명 전극의 제조 방법을 나타내는 흐름도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 도 5의 투명 전극의 제조 방법에서 상기 그래핀 층을 형성하는 단계를 나타내는 흐름도이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 도 5의 제조 방법을 이용하여 형성한 투명 전극을 나타내는 사진이다.
도 8 및 도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 투명 전극의 고온 및 고습 신뢰성 테스트 결과를 나타내는 그래프이다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 투명 전극의 전기적 특성을 검토하기 위하여, 다양한 폭을 가지는 투명 전극을 나타내는 사진이다.
도 11 내지 도 14는 본 발명의 일 실시예에 따른 투명 전극의 전기적 특성을 나타내는 그래프들이다.
도 15 내지 도 17은 본 발명의 일 실시예에 따른 투명 전극의 물리적 특성 및 전기적 특성을 스핀 코팅 공정에서의 스핀 코팅 속도에 따른 변화를 나타내는 그래프들이다.
도 18 및 도 19는 본 발명의 실시예에 따른 투명 전극을 물리적으로 변형하는 경우의 결과들을 나타내는 그래프들이다.
도 20은 본 발명의 실시예에 따른 투명 전극에 포함되는 나노 와이어를 인장하는 경우의 조직 사진과 변형 모식도를 나타낸다.
도 21 내지 도 24는 본 발명의 일 실시예에 따른 적층형 투명 전극을 도시하는 단면도이다.
도 25 및 도 26은 본 발명의 일 실시예에 따른 적층형 투명 전극의 회로 구성을 나타내는 모식도이다.
도 27 및 도 28은 본 발명의 일 실시예에 따른 적층형 투명 전극을 도시하는 도면이다.
도 29는 본 발명의 일 실시예에 따른 적층형 투명 전극의 하이브리드 투명 전극 구조체의 층 수에 따른 면 저항의 변화를 나타내는 그래프이다.
도 30은 본 발명의 일 실시예에 따른 적층형 투명 전극의 하이브리드 투명 전극 구조체의 층 수에 따른 높이 변화를 나타내는 원자힘 현미경을 이용한 그래프이다.
도 31은 본 발명의 일 실시예에 따른 적층형 투명 전극의 면저항에 따른 광 투과도를 나타내는 그래프이다.
도 32는 본 발명의 일 실시예에 따른 적층형 투명 전극의 변형율에 따른 저항 변화를 나타내는 그래프이다.
도 33 및 도 34는 본 발명의 일 실시예에 따른 적층형 투명 전극의 응용 예들을 나타내는 사진들이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 본 발명의 실시예들은 당해 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명의 기술적 사상을 더욱 완전하게 설명하기 위하여 제공되는 것이며, 하기 실시예는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 기술적 사상의 범위가 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다. 오히려, 이들 실시예는 본 개시를 더욱 충실하고 완전하게 하고, 당업자에게 본 발명의 기술적 사상을 완전하게 전달하기 위하여 제공되는 것이다. 본 명세서에서 사용된 바와 같이, 용어 "및/또는"은 해당 열거된 항목 중 어느 하나 및 하나 이상의 모든 조합을 포함한다. 동일한 부호는 시종 동일한 요소를 의미한다. 나아가, 도면에서의 다양한 요소와 영역은 개략적으로 그려진 것이다. 따라서, 본 발명의 기술적 사상은 첨부한 도면에 그려진 상대적인 크기나 간격에 의해 제한되지 않는다.
본 발명의 기술적 사상은 적층형 투명 전극을 제공하는 것이다. 상기 적층형 투명 전극은 복수의 하이브리드(hybrid) 투명 전극 구조체들을 포함할 수 있다. 각각의 하이브리드 투명 전극 구조체는 2차원 나노 물질층과 1차원 나노 물질층을 포함할 수 있다.
상기 2차원 나노 물질층은, 2차원 나노 물질(들)로 구성될 수 있고, 예를 들어 그래핀, 그라파이트와 같은 탄소 나노 물질을 포함할 수 있다. 2차원 나노 물질의 의미는 나노 물질이 평면적인 형상을 가짐을 의미하며, 예를 들어 시트(sheet) 등과 같은 형상을 가질 수 있다.
상기 1차원 나노 물질층은, 1차원 나노 물질들로 구성될 수 있고, 예를 들어 은 나노 와이어와 같은 금속 나노 물질을 포함할 수 있다. 1차원 나노 물질의 의미는 나노 물질이 선형적인 형상으로 가짐을 의미하며, 예를 들어 와이어 등과 같은 형상을 가질 수 있다.
그러나, 이러한 상기 2차원 나노 물질층과 상기 1차원 나노 물질층의 형상은 예시적이며, 본 발명의 기술적 사상은 이에 한정되는 것은 아니다.
이하에서는, 상기 2차원 나노 물질층을 예시적으로 지칭하는 것으로서 그래핀층을 기재하고, 상기 1차원 나노 물질층을 예시적으로 지칭하는 것으로서 나노 물질층을 기재하여 본 발명의 기술적 사상을 설명하기로 한다. 본 명세서에서, "제1" 및 "제2"는 구성 요소들을 서로 구분하기 위하여 사용하는 것이며, 이에 한정되는 것은 아니다.
또한, 하이브리드 투명 전극 구조체가 상기 그래핀층을 대신하여 유연성을 가지는 전도성 폴리머층 또는 유연성을 가지는 비전도성 폴리머층를 포함하는 경우도 본 발명의 기술적 사상에 포함된다.
또한, 한 층의 그래핀 층과 한 층의 나노 물질층을 포함하여 구성된 한 층의 하이브리드 투명 전극 구조체를 포함하는 투명 전극(100)에 대하여 설명하기로 한다. 상기 투명 전극(100)은 플렉서블한 특성을 가질 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 투명 전극(100)을 도시하는 단면도이다.
도 1을 참조하면, 투명 전극(100)는 한 층의 그래핀층(120), 및 한 층의 나노 물질층(130)을 포함한다. 한 층의 그래핀층(120), 및 한 층의 나노 물질층(130)은 한 층의 하이브리드 투명 전극 구조체(140)를 구성할 수 있다.
도 1에 도시된 실시예의 투명 전극(100)에서는, 그래핀층(120)은 투명 기판(110) 상에 접촉하여 위치하고, 나노 물질층(130)은 그래핀층(120) 상에 접촉하여 위치한다. 즉, 그래핀층(120)이 투명 기판(110)과 나노 물질층(130) 사이에 개재되어 있다.
투명 기판(110)은 광을 통과시키는 투명한 물질을 포함할 수 있다. 또한, 투명 기판(110)은 원하는 파장의 광을 선별적으로 통과시키는 물질을 포함할 수 있다. 투명 기판(110)은, 예를 들어 유리, 석영, 실리콘 산화물, 알루미늄 산화물 또는 폴리머를 포함할 수 있고, 예를 들어 폴리에틸렌 테레프탈레이트(polyethyleneterephthalate, PET)를 포함할 수 있다. 투명 기판(110)은 가요성(flexible) 물질로 이루어질 수 있고, 이에 따라 하이브리드 투명 전극 구조체(140)가 투명 기판(110)과 함께 플렉서블한 특성을 가질 수 있다.
투명 기판(110)은 반도체 소자 또는 광 소자가 미리 형성된 구조체로 구성될 수 있다. 예를 들어, 투명 기판(110)은 발광 다이오드(LED) 구조체를 포함하거나, LCD 또는 OLED와 같은 디스플레이 구조체를 포함하거나, 또는 터치 패드 구조체를 포함할 수 있다.
그러나, 상술한 투명 기판(110)의 특성 및 재질은 이는 예시적이며, 본 발명의 기술적 사상은 이에 한정되는 것은 아니다. 또한, 투명 기판(110)을 대신하여 반투명 기판 또는 불투명 기판을 사용하는 경우도 본 발명의 기술적 사상에 포함된다.
그래핀층(120)은 투명 기판(110) 상에 위치한다. 그래핀층(120)은 그래핀(graphene)으로 구성될 수 있다. 상기 그래핀은 2차원 형상의 카본 나노 구조체이고, 전하이동도가 약 15,000cm2/Vs로 크고 열전도성이 우수한 것으로 알려져 있다. 이에 따라 그래핀은 전계효과 트랜지스터에 현재 사용되는 실리콘 물질을 대체할 차세대 물질로서 주목받고 있다. 그래핀 물질을 이용하는 경우에는, 기존의 반도체 공정 기술을 이용하여 소자를 제조하기 용이하며, 특히 대면적 집적화가 용이한 잇점이 있다.
그래핀층(120)은 다양한 방법을 이용하여 형성할 수 있다. 예를 들어, 그래핀층(120)은 흑연 결정으로부터의 기계적 박리법 또는 정전기적 박리법에 의하여 형성할 수 있다. 또한, 그래핀층(120)은, 실리콘 탄화물의 열분해법, 히드라진(hydrazine, NH2NH2)과 같은 산화제를 용제로 이용한 추출법, 또는 수소 및 탄소를 포함하는 반응 가스를 이용하는 화학기상증착법(chemical vapor deposition, CVD)에 의하여 형성할 수 있다. 그래핀층(120)을 형성하는 예시적인 방법이 하기에 도 6을 참조하여 설명되어 있다.
또한, 그래핀층(120)은 예시적이며, 본 발명의 기술적 사상은 이에 한정되는 것은 아니고, 그라파이트로 구성된 경우도 본 발명의 기술적 사상에 포함된다.
나노 물질층(130)은 투명 기판(110) 상에, 구체적으로 그래핀층(120) 상에 위치한다. 나노 물질층(130)은 서로 겹쳐져 네트워크를 형성하는 나노 물질들을 포함할 수 있다. 상기 네트워크 구조에 대하여는 도 2 및 도 3을 참조하여 하기에 설명하기로 한다. 그래핀층(120)과 나노 물질층(130)은 서로 물리적으로 및/또는 전기적으로 접촉할 수 있다.
나노 물질층(130)은 도전성을 가질 수 있고, 예를 들어 그래핀층(120)에 비하여 낮은 면저항을 가질 수 있다. 이에 따라, 투명 전극(100)은 약 30 Ω/□ 내지 약 160 Ω/□ 범위의 면저항을 가질 수 있다. 그래핀을 단독으로 사용한 경우에는 약 400 Ω/□ 이상의 면저항을 가지므로, 투명 전극(100)이 나노 물질층(130)을 포함함에 따라 면저항을 낮출 수 있다.
나노 물질층(130)은 다양한 형태의 나노 물질을 포함할 수 있다. 예를 들어, 나노 물질층(130)은, 나노 와이어(nanowire), 나노 입자(nanoparticle), 나노 로드(nanorod), 나노 월(nanowall), 나노 튜브(nanotube), 나노 벨트(nanobelt) 및 나노 링(nanoring) 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다.
또한, 나노 물질층(130)은 금속 나노 물질을 포함하거나 또는 탄소 나노 튜브를 포함할 수 있다. 상기 금속 나노 물질은 은(Ag), 스칸듐(Sc), 티타늄(Ti), 크롬(Cr), 망간(Mn), 철(Fe), 코발트(Co), 니켈(Ni), 구리(Cu), 아연(Zn), 이트륨(Y), 지르코늄(Zr), 니오브(Nb), 몰리브덴(Mo), 테크네늄(Tc), 루테늄(Ru), 로듐(Rh), 팔라듐(Pd), 카드뮴(Cd), 하프늄(Hf), 탄탈(Ta), 텅스텐(W), 레늄(Re), 오스뮴(Os), 이리듐(Ir), 백금(Pt), 금(Au), 수은(Hg), 란탄족 원소(lanthanide), 및 악티늄족 원소(actinoid), 실리콘(Si), 게르마늄(Ge), 주석(Sn), 비소(As), 안티몬(Sb), 비스무트(Bi), 갈륨(Ga), 및 인듐(In)로 이루어지는 군에서 선택되는 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다. 그러나, 나노 물질층(130)을 구성하는 나노 물질의 형상과 재질은 예시적이며, 본 발명의 기술적 사상은 이에 한정되는 것은 아니다.
도 2 및 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 도 1의 투명 전극(100)에 포함된 나노 물질층(130)을 나타내는 주사전자현미경 사진이다.
도 2 및 도 3을 참조하면, 나노 물질층(130)은 복수의 나노 와이어들을 포함하고, 상기 나노 와이어들은 서로 겹쳐져 형성된 네트워크로서 그래핀층(120) 상에 위치한다.
상기 나노 와이어들은 도전성을 가질 수 있고, 서로 겹쳐져 형성된 네트워크로서 그래핀층(120) 상에 위치함에 따라, 그래핀층(120)에 흐르는 전류가 상기 나노 와이어들을 통하여 흐를 수 있다. 상기 나노 와이어들은 그래핀층(120)에 비하여 낮은 저항을 가지므로, 결과적으로 그래핀층(120)을 단독으로 도전층으로서 사용하는 경우에 비하여, 그래핀층(120)과 나노 물질층(130)이 함께 포함되는 경우가 면저항이 낮아지게 된다. 또한, 그래핀층(120) 없이 나노 물질층(130)을 단독으로 도전층으로서 사용하는 경우에는, 상기 나노 물질이 금속을 포함함에 따라 광 투과율이 낮아지는 반면, 그래핀층(120)과 나노 물질층(130)이 함께 포함되는 경우에는 이러한 광 투과율의 저하를 방지할 수 있다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 투명 전극(200)을 도시하는 단면도이다. 도 4에 도시된 실시예는 도 1에 도시된 실시예의 투명 전극(100)의 일부 구성 요소를 변경한 것이며, 이에 따라 중복되는 설명은 생략하기로 한다.
도 4를 참조하면, 투명 전극(200)은 투명 기판(210), 한 층의 나노 물질층(230), 및 한 층의 그래핀층(220)을 포함한다. 한 층의 그래핀층(220), 및 한 층의 나노 물질층(230)은 한 층의 하이브리드 투명 전극 구조체(240)를 구성할 수 있다. 도 4의 그래핀층(220), 나노 물질층(230) 및, 하이브리드 투명 전극 구조체(240)는 도 1의 그래핀층(120), 나노 물질층(130) 및, 하이브리드 투명 전극 구조체(140)에 대응할 수 있다.
도 4에 도시된 실시예의 투명 전극(200)에서는, 나노 물질층(230)은 투명 기판(210) 상에 접촉하여 위치하고, 그래핀층(220)은 나노 물질층(230) 상에 접촉하여 위치한다. 즉, 나노 물질층(230)이 투명 기판(210)과 그래핀층(220) 사이에 개재되어 있다. 도 1의 투명 전극(100)과 비교하면, 도 4의 투명 전극(200)은 나노 물질층(230)과 그래핀층(220)의 위치가 서로 바뀌어져 있다. 즉, 하이브리드 투명 전극 구조체(240)가 투명 기판(210) 상에 상하가 뒤집혀서 위치한다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 도 1의 투명 전극(100)의 제조 방법(S100)을 나타내는 흐름도이다. 도 5을 참조하여 설명된 제조 공정 단계들의 순서는 예시적이며, 다른 순서로 수행되는 경우도 본 발명의 기술적 사상에 포함된다.
도 5를 참조하면, 투명 전극(100)의 제조 방법(S100)은, 투명 기판을 제공하는 단계(S110), 상기 투명 기판 상에 그래핀 층을 형성하는 단계(S120), 및 상기 투명 기판 상에 스핀 코팅을 이용하여, 나노 물질층을 형성하는 단계(S130)를 포함한다. 이에 따라, 상기 그래핀층과 상기 나노 물질층을 포함하는 하이브리드 투명 전극 구조체를 형성할 수 있다.
상기 투명 기판을 제공하는 단계(S110)는, 투명 전극이 형성될 수 있는 투명 기판을 제공한다. 상기 투명 기판은 예시적이며, 본 발명의 기술적 사상은 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 그래핀 층을 형성하는 단계(S120)는, 예를 들어 트랜스퍼 방식을 이용하여 구현할 수 있다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 도 5의 투명 전극의 제조 방법(S100)에서 상기 그래핀 층을 형성하는 단계(S120)를 나타내는 흐름도이다.
상기 그래핀 층을 형성하는 단계(S120)는, 희생 기판을 제공하는 단계(S121), 상기 희생 기판 상에 화학기상증착법(chemical vapor deposition, CVD)을 이용하여 그래핀층을 형성하는 단계(S122), 상기 희생 기판으로부터 상기 그래핀층을 분리하는 단계(S123), 및 상기 투명 기판 상에 상기 분리된 그래핀층을 전사시키는 단계(S124)를 포함한다.
상기 희생 기판은 상기 그래핀층이 형성될 수 있는 다양한 기판을 사용할 수 있다. 상기 희생 기판은, 예를 들어 금속을 포함할 수 있고, 예를 들어 구리 기판으로 이루어질 수 있다.
상기 희생 기판 상에 상기 그래핀층을 형성하는 단계(S122)는, 예를 들어 메탄(CH4), 수소(H2), 및 아르곤(Ar)의 혼합 가스를 이용하여 수행될 수 있다. 그러나, 이는 예시적이며 본 발명의 기술적 사상은 이에 한정되는 것은 아니다. 상기 메탄(CH4)을 대신하여 상기 그래핀 층을 형성하기 위한 탄소를 제공할 수 있는 기체를 사용할 수 있다.
상기 그래핀층을 분리하는 단계(S123)는, 예를 들어 PMMA를 상기 그래핀층 상에 코팅한 후에, 적절한 식각제를 이용하여 희생 기판을 제거하여 수행될 수 있다. 예를 들어, 상기 희생 기판이 구리 기판인 경우에는, 상기 식각제로서 구리 에천트(FeCl3)를 이용하여 상기 희생 기판을 식각하여 제거할 수 있다.
상기 그래핀층을 분리하는 단계(S123) 및 상기 투명 기판 상에 상기 그래핀층을 전사시키는 단계(S124)는 다양한 방법을 이용하여 수행될 수 있고, 예를 들어 소프트 트랜스퍼 프린팅, PDMS 전사 방법, PMMA 전사방법, 열방출 테이프 전사 방법 또는 롤 전사 방법을 이용할 수 있다.
다시 도 5를 참조하면, 상기 나노 물질층을 형성하는 단계(S130)는, 상기 투명 기판 상에 나노 물질을 포함하는 용액을 스핀 코팅하여, 상기 투명 기판 상에 상기 그래핀층과 접촉하도록 위치하고, 상기 나노 물질들이 서로 겹쳐져 네트워크를 형성하도록 이루어질 수 있다. 상기 나노 물질층은 상기 그래핀층에 비하여 낮은 면저항을 가질 수 있다.
상기 나노 물질층을 형성하는 단계(S130)는, 예를 들어 약 100 rpm 내지 약 3000 rpm 범위의 속도, 예를 들어 약 500 rpm의 속도로 스핀 코팅하여 수행될 수 있다. 상기 스핀 코팅은, 예를 들어 약 1초 내지 약 10분 동안, 예를 들어 약 30초 동안 수행될 수 있다. 이러한 스핀 코팅의 스핀 속도에 따라, 상기 투명 전극의 면저항과 투과도가 변경될 수 있다.
상기 나노 물질층을 형성하는 단계(S130)는, 스핀 코팅된 상기 나노 물질층을 건조하는 단계를 포함할 수 있다. 상기 건조 단계를 통하여, 상기 나노 물질층에 포함된 용매가 제거될 수 있다. 그러나, 상기 건조 단계는 선택적이며, 생략될 수 있다.
상기 건조 단계는 복수의 단계로서 구성될 수 있다. 상기 건조 단계는 상기 나노 물질층을, 예를 들어 약 80℃ 내지 약 100℃의 온도 범위에서, 예를 들어 약 90℃의 온도에서, 예를 들어 약 50초 내지 약 150초 동안, 예를 들어 약 90초 동안 건조하는 제1 건조 단계를 포함할 수 있다. 이어서, 상기 건조 단계는, 상기 나노 물질층을, 예를 들어 약 140℃ 내지 약 160℃의 온도 범위에서, 예를 들어 약 150℃의 온도에서, 예를 들어 약 50초 내지 150초 동안, 예를 들어 약 90초 동안 건조하는 제2 건조 단계를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 그래핀 층을 형성하는 단계(S120)를 수행한 후에, 상기 나노 물질층을 형성하는 단계(S130)를 수행할 수 있다. 이러한 경우에는, 상기 투명 기판 상에 상기 그래핀층, 및 상기 나노 물질층이 순차적으로 적층되며, 이에 따라, 상기 그래핀층과 상기 나노 물질층을 포함하는 하이브리드 투명 전극 구조체를 형성할 수 있다. 또한, 도 1의 투명 전극(100)을 구현할 수 있다.
다른 실시예에 있어서, 상기 나노 물질층을 형성하는 단계(S130)를 수행한 후에, 상기 그래핀 층을 형성하는 단계(S120)를 수행할 수 있다. 이러한 경우에는, 상기 투명 기판 상에 상기 나노 물질층 및 상기 그래핀층이 순차적으로 적층되며, 이에 따라, 상기 그래핀층과 상기 나노 물질층을 포함하는 하이브리드 투명 전극 구조체를 형성할 수 있다. 또한, 도 4의 투명 전극(200)을 구현할 수 있다.
이하에서는, 본 발명의 실시예에 따른 투명 전극의 특성들을 검토하기로 한다. 이하에서 언급되는 투명 전극은 PET를 투명 기판으로서 사용하였고, 나노 물질층에 포함되는 나노 물질은 은(Ag) 나노 와이어를 사용하였다. 비교예로서, PET 상에 그래핀 만을 사용하여 형성한 투명 전극(Gr/PET로 지칭됨)을 선택하였다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 도 5의 제조 방법을 이용하여 형성한 투명 전극(100, 200)을 나타내는 사진이다.
도 7을 참조하면, 투명 전극(100, 200)은 도 1의 투명 전극(100)의 구조 또는 도 4의 투명 전극(200)의 구조를 가질 수 있다. 나노 물질층(130)은 은(Ag) 나노 와이어를 사용하여 투명 전극(100, 200)을 구현할 수 있다. 투명 전극(100, 200)의 하단에 위치하는 인쇄물의 활자들이 명확하게 보이는 바와 같이, 투명 전극(100, 200)은 우수한 광 투과율을 가짐을 알 수 있다.
도 8 및 도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 투명 전극의 고온 및 고습 신뢰성 테스트 결과를 나타내는 그래프이다. 신뢰성 테스트는 약 80℃의 온도, 약 80% 습도 하에서 240 시간까지 위치시켰다.
도 8를 참조하면, 비교예(Gr/PET)는 고온 고습 신뢰성 테스트를 수행하기 전(0 hrs)에는 약 500 Ω/square의 면저항을 나타내며, 상기 테스트가 진행됨에 따라 급격하게 증가하여 240 시간에서는 약 2000 Ω/square의 면저항을 나타내었다. 반면, 본 발명의 일 실시예들에 따른 투명 전극들은 고온 고습 신뢰성 테스트 이전과 이후에 모두 약 100 Ω/square 이하의 면저항을 나타내었다.
도 9를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따라, PET-나노 물질층-그래핀층(Gr/AgNW/PET)으로 적층되어 구성된 투명 전극은 상기 고온 고습 신뢰성 테스트 수행 전후의 면저항의 변화가 거의 나타나지 않았으며, 구체적으로 0 hrs 내지 240 hrs 에서 약 40 Ω/square 또는 그 이하의 면저항을 나타내었다. 반면, 본 발명의 실시예에 따라, PET-그래핀층-나노 물질층(AgNW/Gr/PET)으로 적층되어 구성된 투명 전극은 상기 고온 고습 신뢰성 테스트가 수행됨에 따라 면저항이 증가되는 경향을 보이며, 구체적으로 0 hrs 에서 약 40 Ω/square, 240 hrs 에서 약 80 Ω/square의 면저항을 나타내었다. 그러나, 이러한 면저항의 증가도 약 2000 Ω/square로 증가된 비교예와 비교하면 거의 적은 정도로 변화됨을 알 수 있다. 따라서, 본 발명의 실시예에 따른 투명 전극은 비교예의 투명 전극에 비하여 매우 낮은 면저항을 제공할 수 있고, 고온 고습 상태에서 장시간 사용하더라도 낮은 면저항을 계속하여 제공할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 투명 전극의 투과도는 상기 고온 고습 신뢰성 테스트 수행 전후에 거의 변화되지 않고, 약 85% 내지 약 90% 범위를 보였다. 이러한 투과도 결과는 PET-그래핀층-나노 물질층의 투명 전극과 PET-나노 물질층-그래핀층의 투명 전극에서 동일하게 나타났다. 또한, 상기 투과도는 비교예의 투과도와 거의 유사한 범위로 나타났다. 따라서, 본 발명의 실시예에 따른 투명 전극은 우수한 투과도를 제공할 수 있다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 투명 전극의 전기적 특성을 검토하기 위하여, 다양한 폭을 가지는 투명 전극을 나타내는 사진이다.
도 10을 참조하면, 양 단부의 도전 패턴 사이를 연결하는 투명 전극이 형성되어 있고, 상기 투명 전극은 약 30 ㎛, 약 100 ㎛, 또는 약 500 ㎛의 폭을 가지도록 형성되어 있다. 또한, 이러한 폭 외에도 다양한 폭을 가지는 투명 전극을 형성하여, 상기 투명 전극의 폭에 따른 전기적 특성을 검토하였다.
도 11 내지 도 14는 본 발명의 일 실시예에 따른 투명 전극의 전기적 특성을 나타내는 그래프들이다.
도 11을 참조하면, 비교예로서, 투명 전극이 투명 기판(예를 들어 PET) 상에 은 나노 와이어("AgNW"로 표시됨)만 형성한 경우에는, 상기 투명 전극의 폭(Electrode width)이 20 ㎛ 이상에서는 상기 투명 전극이 매우 낮은 면저항(sheet resistance) 값을 나타내지만, 투명 전극의 폭이 20 ㎛ 미만에서는 면저항이 급격하게 증가하여 매우 높게 나타나며, 전기가 거의 통하지 않는 절연체 특성을 가지게 된다. 다른 비교예로서, 투명 전극이 투명 기판(예를 들어 PET) 상에 그래핀("Graphene"으로 표시됨)만 형성한 경우에는, 약 103 Ω/□ 내지 약 104 Ω/□ 범위의 면저항을 나타낸다.
본 발명의 실시예에 따른 투명 전극("AgNW+Graphene"으로 표시됨)은 약 101 Ω/□ 내지 약 102 Ω/□ 범위의 면저항을 나타내며, 폭의 두께와 무관하게 상기 면저항의 범위가 유지된다. 따라서, 본 발명의 실시예에 따른 투명 전극은 은 나노 와이어 만을 사용한 투명 전극에 비하여, 투명 전극의 폭을 20 ㎛ 미만으로 구현하는 경우에도 면저항의 변화가 없으므로, 미세한 소자 형성을 구현할 수 있다. 또한, 본 발명의 실시예에 따른 투명 전극은 그래핀 만을 사용한 투명 전극에 비하여, 낮은 면저항을 가지는 투명 전극을 제공할 수 있다.
도 12를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 투명 전극은 폭이 2 ㎛ 일 경우의 전류(Current)-기전력(E) 곡선에서, 0 V/㎛ 내지 3 V/㎛ 범위에서 30 mA 이상의 피크를 나타내고, 3 V/㎛ 이상으로 증가되는 경우, 전류가 점진적으로 증가하다가 기전력(E)이 20 V/㎛ 부근에서 항복(breakdown)이 일어난다. 따라서, 본 발명의 실시예에 따른 투명 전극은 상기 치수에서 항복 기전력인 20 V/㎛ 까지 전류를 흐르게 할 수 있다. 반면, 은 나노 와이어 만을 사용한 투명 전극의 경우 상기 치수에서 기전력이 1 V/㎛ 부근에서 항복이 일어났고, 그래핀만을 사용한 투명 전극의 경우에는 상기 치수에서 2.5 V/㎛ 에서 항복이 일어났으며, 두 경우 모두 최대 전류가 5 mA 이하로 본 발명의 실시예에 따른 투명 전극의 값에 비해 낮았다. 이에 따라, 본 발명의 실시예에 따른 투명 전극은 소자 미세화를 구현할 수 있다.
도 13을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 투명 전극에서는, 채널 길이에 따른 항복 전압(Ebreakdown)은 채널 길이(Channel length)가 증가함에 따라 감소하다가, 30 ㎛ 이상의 채널 길이에서는 거의 변화하지 않았다. 이러한 항복 전압의 거동은 은 나노 와이어 만을 사용한 투명 전극 또는 그래핀 만을 사용한 투명 전극에서도 유사하게 나타났다. 본 발명의 실시예에 따른 투명 전극은 은 나노 와이어 만을 사용한 투명 전극 또는 그래핀 만을 사용한 투명 전극에 비하여 높은 항복 전압 수준을 가지고 있는 것으로 나타났다. 따라서, 본 발명의 실시예에 따른 투명 전극은 전기적 안정성이 높음을 의미한다.
도 14를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 투명 전극은, 채널 길이(Channel length)에 따른 최대 전류(Max Current)가 은 나노 와이어 만을 사용한 투명 전극 또는 그래핀 만을 사용한 투명 전극에 비하여 높은 수준으로 나타났다. 따라서, 본 발명의 실시예에 따른 투명 전극은 많은 전류를 흐르게 할 수 있으므로, 전력을 증가시킬 수 있다.
도 15 내지 도 17은 본 발명의 일 실시예에 따른 투명 전극의 물리적 특성 및 전기적 특성을 스핀 코팅 공정에서의 스핀 코팅 속도에 따른 변화를 나타내는 그래프들이다.
도 15를 참조하면, 스핀 코팅 속도(Spin coating rate)가 증가함에 따라 투명 전극의 나노 물질층 내의 은 나노 와이어의 밀도(Ag NW density)가 감소하였다.
도 16을 참조하면, 투명 전극의 면저항(Sheet resistance)은 스핀 코팅 속도(Spin coating rate)가 500 rpm 또는 1000 rpm에서 가장 낮은 값을 가졌고, 스핀 코팅 속도가 증가함에 따라 증가되는 경향을 나타내었다. 이는 도 15의 스핀 코팅 속도가 증가함에 따라 은 나노 와이어의 밀도가 감소한 결과와 일치한다. 즉, 투명 전극 내의 전도도가 높은 은 나노 와이어의 밀도가 감소하게 되므로, 투명 전극의 면저항을 증가된다. 반면, 상기 투명 전극의 광 투과도는 스핀 코팅 속도의 증가에 대하여 거의 무관하게 일정한 값을 나타내었다.
도 17을 참조하면, 스핀 코팅 속도가 증가함에 따라 광의 투과도(Transmittance)가 약간 증가한 것으로 나타났고, 200 nm 내지 1400 nm 의 파장(Wavelength) 범위에서 유사한 거동을 보였다. 즉, 스핀 코팅 속도는 상기 파장 범위 내의 광의 투과도에 거의 영향을 주지 않는다.
따라서, 도 15 내지 도 17의 결과로부터, 스핀 코팅 속도가 500 rpm 또는 1000 rpm인 경우에, 투명 전극이 낮은 면저항을 가지며, 투과도는 일정하므로, 상기 스핀 코팅 속도가 바람직할 수 있다.
도 18 및 도 19는 본 발명의 실시예에 따른 투명 전극을 물리적으로 변형하는 경우의 결과들을 나타내는 그래프들이다.
도 18을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 투명 전극을 굽힘하는 경우, 굽힘 반경(bending radius)에 따라 저항 변화(ΔR/R0)가 거의 일정한 것으로 나타났다.
도 19를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 투명 전극은, 연신율(strain)에 다른 저항 변화(RsL)가 거의 없는 것으로 나타났다. 다만, 80% 미만의 연신율과 80% 이상의 연신율에서 저항 변화(RsL)가 다른 수치를 보이는 것으로 나타났지만, 큰 변화는 아닌 것으로 분석된다.
도 20은 본 발명의 실시예에 따른 투명 전극에 포함되는 나노 와이어를 인장하는 경우의 조직 사진과 변형 모식도를 나타낸다.
도 20을 참조하면, 상기 나노 와이어는 66.6%의 연신율에서도 끊어지지 않고, 길이가 늘어날 수 있다. 이에 따라, 이러한 나노 와이어를 사용한 투명 전극은 우수한 플렉서블 특성을 제공할 수 있다.
이하에서는, 한 층의 그래핀 층과 한 층의 나노 물질층을 포함하여 구성된 하이브리드 투명 전극 구조체가 복수로 적층된 적층형 투명 전극에 대하여 설명하기로 한다. 상기 적층형 투명 전극은 플렉서블한 특성을 가질 수 있다.
도 21 내지 도 24는 본 발명의 일 실시예에 따른 적층형 투명 전극(300, 300a, 300b, 300c)을 도시하는 단면도이다. 도 21에 도시된 실시예는 상술한 실시예들의 투명 전극(100, 200)의 일부 구성 요소를 변경한 것이며, 이에 따라 중복되는 설명은 생략하기로 한다.
도 21을 참조하면, 적층형 투명 전극(300)은 투명 기판(310), 투명 기판(110) 상에 위치하는 제1 하이브리드 투명 전극 구조체(341) 및 제2 하이브리드 투명 전극 구조체(342)를 포함한다. 도 21의 제1 하이브리드 투명 전극 구조체(341) 및 제2 하이브리드 투명 전극 구조체(342)는 도 1의 하이브리드 투명 전극 구조체(140)에 대응할 수 있다.
제1 하이브리드 투명 전극 구조체(341)는 한 층의 제1 그래핀층(321) 및 한 층의 제1 나노 물질층(331)을 포함하도록 구성될 수 있다. 제1 나노 물질층(331)은 제1 그래핀층(321)과 접촉하도록 위치할 수 있고, 서로 겹쳐져 네트워크를 형성하는 제1 나노 물질들을 포함하고, 제1 그래핀층(321)에 비하여 낮은 면저항을 가질 수 있다.
제2 하이브리드 투명 전극 구조체(342)는 한 층의 제2 그래핀층(322) 및 한 층의 제2 나노 물질층(332)을 포함하도록 구성될 수 있다. 제2 나노 물질층(332)은 제2 그래핀층(322)과 접촉하도록 위치할 수 있고, 서로 겹쳐져 네트워크를 형성하는 제2 나노 물질들을 포함하고, 제2 그래핀층(322)에 비하여 낮은 면저항을 가질 수 있다.
제1 나노 물질층(331), 제2 나노 물질층(332) 또는 이들 모두는, 금속 나노 물질을 포함하거나 또는 탄소 나노 튜브를 포함할 수 있다. 또한, 제1 나노 물질층(331), 제2 나노 물질층(332) 또는 이들 모두는, 나노 와이어(nanowire), 나노 입자(nanoparticle), 나노 로드(nanorod), 나노 월(nanowall), 나노 튜브(nanotube), 나노 벨트(nanobelt), 및 나노 링(nanoring) 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다.
도 21의 제1 그래핀층(321) 및 제2 그래핀층(322)은 도 1의 그래핀층(120)에 대응할 수 있다. 도 21의 제1 나노 물질층(331) 및 제2 나노 물질층(332)은 도 1의 나노 물질층(130)에 대응할 수 있다. 도 21의 제1 나노 물질층(331)에 포함되는 상기 제1 나노 물질 및 제2 나노 물질층(332)에 포함되는 제2 나노 물질은 도 1을 참조하여 상술한 바와 같이 나노 물질층(130)에 포함되는 나노 물질과 동일하거나 유사할 수 있다.
제1 그래핀층(321) 및 제2 그래핀층(322)은 서로 동일하거나 서로 다른 물질, 형태, 치수 등을 가질 수 있다. 또한, 제1 나노 물질층(331)과 제2 나노 물질층(332)은 서로 동일하거나 서로 다른 물질, 형태, 치수 등을 가질 수 있다.
또한, 제1 그래핀층(321) 및 제2 그래핀층(322)은 예시적이며, 본 발명의 기술적 사상은 이에 한정되는 것은 아니고, 그라파이트 또는 탄소 나노 튜브로 구성된 경우도 본 발명의 기술적 사상에 포함된다.
도 21에 도시된 실시예에서는, 투명 기판(310) 상에 제1 하이브리드 투명 전극 구조체(341)와 제2 하이브리드 투명 전극 구조체(342)가 순차적으로 적층된다. 또한, 투명 기판(310)으로부터, 제1 그래핀층(321), 제1 나노 물질층(331), 제2 그래핀층(322), 및 제2 나노 물질층(332)의 순서로 배치된다.
도 22 내지 도 24는, 적층형 투명 전극(300a, 300b, 300c)에서 제1 그래핀층(321), 제1 나노 물질층(331), 제2 그래핀층(322), 및 제2 나노 물질층(332)의 순서가 다른 경우에 대하여 도시한다.
도 22를 참조하면, 적층형 투명 전극(300a)에서, 투명 기판(310)으로부터, 제1 나노 물질층(331), 제1 그래핀층(321), 제2 나노 물질층(332), 및 제2 그래핀층(322)의 순서로 배치된다.
도 23을 참조하면, 적층형 투명 전극(300b)에서, 투명 기판(310)으로부터, 제1 그래핀층(321), 제1 나노 물질층(331), 제2 나노 물질층(332), 및 제2 그래핀층(322)의 순서로 배치된다. 이러한 경우에는, 제1 나노 물질층(331)과 제2 나노 물질층(332)이 서로 얽혀지는 등의 결합이 가능하고, 또한, 실질적으로 하나의 층으로 일체화되도록 결합될 수 있다.
도 24를 참조하면, 적층형 투명 전극(300c)에서, 투명 기판(310)으로부터, 제1 나노 물질층(331), 제1 그래핀층(321), 제2 그래핀층(322), 및 제2 나노 물질층(332)의 순서로 배치된다. 이러한 경우에는, 제1 그래핀층(321)과 제2 그래핀층(322)이 서로 얽혀지는 등의 결합이 가능하고, 또한, 실질적으로 하나의 층으로 일체화되도록 결합될 수 있다.
도 25 및 도 26은 본 발명의 일 실시예에 따른 적층형 투명 전극의 회로 구성을 나타내는 모식도이다.
도 25는 도 1 및 도 4에 도시된 바와 같이, 투명 전극(100, 200)이 그래핀층(120, 220)과 나노 물질층(130, 230)을 포함하는 한 층의 하이브리드 투명 전극 구조체(140, 240)로 구성된 경우를 도시한다. 반면, 도 26은 도 21 내지 도 24에 도시된 바와 같이, 적층형 투명 전극(300, 300a, 300b, 300c)이 그래핀층(321, 322)과 나노 물질층(331, 332)을 각각 포함하는 복수의 하이브리드 투명 전극 구조체(341, 342)로 구성된 경우를 도시한다.
도 25를 참조하면, 나노 물질층(130, 230)에 포함된 나노 물질이 직렬 연결의 회로를 구성하고, 그래핀층(120, 220)이 상기 나노 물질에 대하여 병렬 연결의 회로를 구성할 수 있다. 다만, 그래핀층(120, 220)과 나노 물질층(130, 230)이 각각 한 층으로 구성됨에 따라, 병렬 연결의 수가 적어 전기적 특성이 저하될 우려가 있고, 신축성이나 유연성이 효과적이지 않을 우려가 있다.
도 26를 참조하면, 나노 물질층(331, 332)에 포함된 나노 물질이 주로 직렬 연결의 회로를 구성하고, 그래핀층(321, 322)이 상기 나노 물질에 대하여 주로 병렬 연결의 회로를 구성할 수 있다. 또한, 나노 물질층(331, 332)과 그래핀층(321, 322)이 복수의 층으로 구성됨에 따라, 나노 물질층(331, 332)도 병렬 연결의 회로를 더 구성할 수 있고, 그래핀층(321, 322)도 직렬 연결의 회로를 더 구성할 수 있다. 이에 따라 나노 물질층(331, 332)과 그래핀층(321, 322)은 더 많은 병렬 연결을 가지게 되어 전체 저항의 감소를 이룰 수 있다. 또한, 신축성과 유연성의 증가를 제공할 수 있다.
도 21 내지 도 24에 도시된 적층형 투명 전극(300, 300a, 300b, 300c)은 두 층의 하이브리드 투명 전극 구조체들을 포함하는 경우를 나타내었으나, 이는 예시적이며 본 발명의 기술적 사상은 이에 한정되는 것은 아니다. 즉, 상기 적층형 투명 전극에 있어서, 두 개 이상의 하이브리드 투명 전극 구조체가 더 적층될 수 있다.
도 27 및 도 28은 본 발명의 일 실시예에 따른 적층형 투명 전극(400, 500)을 도시하는 도면이다. 도 27 및 도 28은 적층형 투명 전극(400, 500)에서 두 개 이상의 하이브리드 투명 전극 구조체가 적층되어 형성된 투명 전극을 예시적으로 나타내고 있다. 발명의 명확한 설명을 위하여, 각 층들은 분리되어 도시되어 있으나, 실제로는 서로 접촉하여 구성됨에 유의한다.
도 27을 참조하면, 적층형 투명 전극(400)에서는, 투명 기판(310) 상에 5 층의 하이브리드 투명 전극 구조체들이 적층되어 있다. 즉, 투명 기판(310) 상에 제1 하이브리드 투명 전극 구조체(341), 제2 하이브리드 투명 전극 구조체(342), 제3 하이브리드 투명 전극 구조체(343), 제4 하이브리드 투명 전극 구조체(344), 및 제5 하이브리드 투명 전극 구조체(345)가 적층되어 있다. 제1 내지 제5 하이브리드 투명 전극 구조체(341, 342, 343, 344, 345)들 각각은 나노 물질층(331, 332)과 그래핀층(321, 322)을 포함한다. 또한, 나노 물질층(331, 332)과 그래핀층(321, 321)의 적층 방법은 도 22에 도시된 바와 같이, 제1 나노 물질층(331) 상에 제1 그래핀층(321)이 적층되고, 그 상에 다시 제2 나노 물질층(332)과 제2 그래핀층(322)이 순차적으로 적층된다. 본 명세서에서는 상기 적층 방법을 "ABAB" 형 적층으로 지칭하기로 한다. 또한, 도 21의 적층 방법에 따라 적층되는 경우도 본 발명의 기술적 사상에 포함된다.
도 28을 참조하면, 적층형 투명 전극(500)에서는, 투명 기판(310) 상에 4 층의 하이브리드 투명 전극 구조체들이 적층되어 있다. 즉, 투명 기판(310) 상에 제1 하이브리드 투명 전극 구조체(341), 제2 하이브리드 투명 전극 구조체(342), 제3 하이브리드 투명 전극 구조체(343), 및 제4 하이브리드 투명 전극 구조체(344)가 적층되어 있다. 제1 내지 제4 하이브리드 투명 전극 구조체(341, 342, 343, 344)들 각각은 나노 물질층(331, 332)과 그래핀층(321, 322)을 포함한다. 또한, 나노 물질층(331, 332)과 그래핀층(321, 322)의 적층 방법은 도 23에 도시된 바와 같이, 제1 그래핀층(321) 상에 제1 나노 물질층(331)이 적층되고, 그 상에 다시 제2 나노 물질층(332)과 제2 그래핀층(322)이 순차적으로 적층된다. 이에 따라, 제1 나노 물질층(331)과 제2 나노 물질층(332)은 직접적으로 접촉한다. 본 명세서에서는 상기 적층 방법을 "BAAB" 형 적층으로 지칭하기로 한다. 또한, 도 24의 적층 방법에 따라 적층되는 경우도 본 발명의 기술적 사상에 포함된다.
도 29는 본 발명의 일 실시예에 따른 적층형 투명 전극(400, 500)의 하이브리드 투명 전극 구조체의 층 수에 따른 면 저항의 변화를 나타내는 그래프이다. 도 27의 적층형 투명 전극(400)은 "ABAB"로 나타나고, 도 28의 적층형 투명 전극(500)은 "BAAB"로 나타나 있다.
도 29를 참조하면, 두 경우 모두 하이브리드 투명 전극 구조체의 층 수가 증가함에 따라 면저항이 감소되는 경향을 보이며, 일반적인 금속의 면저항에 가까워진다. "ABAB"와 "BAAB"를 비교하면, "BAAB"의 경우가 면저항의 감소 값이 더 크게 나타난다. 이는 나노 물질층에 포함된 나노 물질들의 물리적 및/또는 전기적 접촉이 증가함에 따라 면저항이 더 크게 감소한 것으로 나타난다. 상기 하이브리드 투명 전극 구조체의 층 수가 5 층 보다 많은 경우에는 면저항의 감소가 거의 없거나 두드러지지 않을 것으로 예상된다.
도 30은 본 발명의 일 실시예에 따른 적층형 투명 전극(400)의 하이브리드 투명 전극 구조체의 층 수에 따른 높이(height) 변화를 나타내는 원자힘 현미경(Atomic Force Microscope)을 이용한 그래프이다. 도 30에서 적층 방식은 도 27에서 설명한 바와 같이 "ABAB"인 경우이다.
도 30을 참조하면, 하이브리드 투명 전극 구조체가 1 층인 경우에는 최대 높이가 약 70 nm 수준으로 나타난다. 그러나, 하이브리드 투명 전극 구조체가 2 층인 경우에는, 1 층의 경우와 거의 유사한 높이를 나타내며, 최대 높이는 산술적으로 계산된 수치인 70 nm의 2배인 140 nm이 아닌, 1 층과 비슷한 수준의 70 nm로 나타난다. 하이브리드 투명 전극 구조체가 3 층 및 4 층인 경우에도, 전체적인 높이가 증가하기는 하지만, 산술적으로 계산된 최대 높이(즉, 3층인 경우에는 210 nm, 4층인 경우에는 280 nm)에 비하여 낮은 값을 나타낸다.
이는 나노 물질층은 필름과 같이 얇은 막을 가지는 그래핀층에 의하여 감싸지게 되어, 상기 하이브리드 투명 전극 구조체가 울퉁불퉁한 표면 모폴로지를 가질 수 있다. 상기 울퉁불퉁한 표면 모폴로지에서 골짜기에 다른 나노 물질층의 나노 물질들이 끼워들 수 있으므로, 결과적으로 높이의 감소를 나타낼 수 있다. 이러한 결과로서, 하이브리드 투명 전극 구조체는 나노 물질층과 그래핀층의 밀접한 접촉을 구현할 수 있고, 이에 따라 적측형 투명 전극의 우수한 전기적 특성과 박형화를 구현할 수 있다. 즉, 도 21에서, 제1 하이브리드 투명 전극 구조체(341) 및 제2 하이브리드 투명 전극 구조체(342)의 전체 높이는, 제1 하이브리드 투명 전극 구조체(341)의 높이와 제2 하이브리드 투명 전극 구조체(342)의 높이의 개별적인 합에 비하여 작을 수 있다.
상기 하이브리드 투명 전극 구조체가 1층에서 4층까지 적층된 경우의 비저항은, 0.2 μΩm 내지 0.3 μΩm 범위의 수치를 가짐을 확인하였다. 따라서, 상기 하이브리드 투명 전극 구조체가 적층됨에 따라 두께가 두꺼워지기는 하지만 비저항 수치가 일정 수준으로 유지될 수 있으므로 우수한 전기적 특성을 제공함과 동시에 두꺼운 두께로 인하여 우수한 기계적 특성을 제공할 수 있다. 또한, 상기 하이브리드 투명 전극 구조체가 1층에서 4층까지 적층된 경우의 비저항은, 예를 들어 0.1 μΩm 내지 1.0 μΩm 범위일 수 있다.
도 31은 본 발명의 일 실시예에 따른 적층형 투명 전극의 면저항에 따른 광 투과도를 나타내는 그래프이다.
도 31을 참조하면, 적층형 투명 전극의 면저항이 증가함에 따라 광 투과도가 증가하는 경향을 나타내고 있다. 즉, 적층형 투명 전극에서 하이브리드 투명 전극 구조체의 적층 수가 증가됨에 따라 면저항이 감소되며, 이에 따라 광 투과도가 증가한다. 이러한 경향은 "ABAB" 적층 방식과 "BAAB" 적층 방식에서 거의 유사한 경향을 나타내었다. 반면, 면저항이 5 Ω/□ 이하인 경우에도, 광 투과도가 약 50 이상의 수치를 보임에 따라, 적층형 투명 전극은 상대적으로 높은 광 투과도를 제공할 수 있다.
도 32는 본 발명의 일 실시예에 따른 적층형 투명 전극의 변형율(strain)에 따른 저항 변화(ΔR/R0)를 나타내는 그래프이다.
도 32를 참조하면, 적층형 투명 전극은 0 % 초과 100 % 범위의 변형율에 대하여, 0% 내지 20% 범위의 저항 변화를 가진다. 특히, 0 % 초과 70 % 범위의 변형율에서는 저항 변화가 거의 없다. 이러한 결과로서, 본 발명의 일 실시예에 따른 적층형 투명 전극은 외부의 힘에 의한 인장과 압축에 거의 무관하게 일정한 전기적 특성을 나타내므로, 신축성이 요구되는 전극으로 사용가능함을 예측할 수 있다.
도 33 및 도 34는 본 발명의 일 실시예에 따른 적층형 투명 전극의 응용 예들을 나타내는 사진들이다.
도 33을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 적층형 투명 전극이 적용된 손목 시계를 나타낸다. 손목 시계의 경우에는 일반적으로 시계줄을 제외한 부분은 신축성이 없으나, 본 발명의 일 실시예에 따른 적층형 투명 전극을 이용하는 경우에는, 사용자의 손목에 맞게 유연하고 신축성 있게 변형될 수 있어, 보다 우수한 착용감을 제공할 수 있다.
도 34를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 적층형 투명 전극이 적용된 의료용 장갑을 나타낸다. 의학 분야 발달로 질병을 치료함에 있어서 점점 더 섬세한 손길이 필요하게 되며, 인간의 손의 센싱 한계를 극복하기 위해서 장갑에 센서를 부착하여 그 한계를 극복할 수 있다. 일반적인 금속을 이용하여 배선을 형성하는 경우, 신축성이 제한적이 되며, 이는 손의 움직임을 저하하는 요소가 될 수 있다. 그러나, 본 발명의 일 실시예에 따른 적층형 투명 전극은 신축성을 이용할 수 있으므로, 손의 움직임을 더 자유롭게 할 수 있다. 도 34에서는 색상을 가지는 배선들을 대신하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 적층형 투명 전극을 사용할 수 있고, 이러한 경우에는 투명성 때문에 보이지 않을 수 있다.
또한, 본 발명의 기술적 사상에 따른 적층형 투명 전극은 다양한 전자 장치에 적용될 수 있다. 예를 들어, 상기 적층형 투명 전극은 발광 다이오드(LED) 또는 레이저 다이오드(LD)와 같은 광소자 장치, 액정 디스플레이(LCD) 또는 유기발광 디스플레이(OLED)와 같은 디스플레이 장치, 또는 터치 패널 장치에 적용될 수 있다.
이상에서 설명한 본 발명의 기술적 사상이 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 한정되지 않으며, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능하다는 것은, 본 발명의 기술적 사상이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 명백할 것이다.
100, 200: 투명 전극, 110: 투명 기판, 120: 그래핀층, 130: 나노 물질층
140: 하이브리드 투명 전극 구조체
300, 300a, 300b, 300c, 400, 500: 적층형 투명 전극,
310: 투명 기판, 321, 322: 그래핀층, 331, 332: 나노 물질층,
341, 342, 343, 344, 345: 하이브리드 투명 전극 구조체,

Claims (21)

  1. 적층형 투명 전극에 있어서,
    광이 투과되는 기판 상에 위치하고, 2차원 구조를 가지는 그래핀을 이용하여 화학기상증착법에 의하여 제조된 후 상기 기판 상에 전사되어 형성되는 제1 2차원 나노 물질층과, 상기 제1 2차원 나노 물질층과 접촉된 상태로 상기 제1 2차원 나노 물질층에 덮이며, 서로 겹쳐져 네트워크를 형성하며 1차원 구조를 가지는 나노 와이어들로 형성되고, 상기 제1 2차원 나노 물질층에 비하여 낮은 면저항을 가지는 제1 1차원 나노 물질층을 포함하는 제1 하이브리드 투명 전극 구조체; 및
    상기 제1 하이브리드 투명 전극 구조체 상에 위치하고, 2차원 구조를 가지는 그래핀을 이용하여 화학기상증착법에 의하여 제조된 후 전사되어 형성되는 제2 2차원 나노 물질층과, 상기 제2 2차원 나노 물질층과 접촉된 상태로 상기 제2 2차원 나노 물질층에 덮이며, 서로 겹쳐져 네트워크를 형성하며 1차원 구조를 가지는 나노 와이어들로 형성되고, 상기 제2 2차원 나노 물질층에 비하여 낮은 면저항을 가지는 제2 1차원 나노 물질층을 포함하는 제2 하이브리드 투명 전극 구조체를 포함하고,
    상기 제1 2차원 나노 물질층 및 상기 제2 2차원 나노 물질층 중 하나가 상기 적층형 투명 전극의 최외곽에 위치하고,
    상기 기판으로부터, 상기 제1 2차원 나노 물질층, 상기 제1 1차원 나노 물질층, 상기 제2 1차원 나노 물질층, 및 제2 2차원 나노 물질층의 순서로 배치되어, 상기 제1 1차원 나노 물질층과 상기 제2 1차원 나노 물질층은 하나의 층으로 일체화되도록 결합됨으로써, 상기 제1 하이브리드 투명 전극 구조체 및 상기 제2 하이브리드 투명 전극 구조체의 전체 높이는, 상기 제1 하이브리드 투명 전극 구조체의 높이와 상기 제2 하이브리드 투명 전극 구조체의 높이의 개별적인 합에 비하여 작은, 적층형 투명 전극.
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  14. 제 1 항에 있어서,
    상기 제1 하이브리드 투명 전극 구조체 및 상기 제2 하이브리드 투명 전극 구조체의 전체적인 비저항은 0.2 μΩm 내지 0.3 μΩm 범위인, 적층형 투명 전극.
  15. 제 1 항에 있어서,
    상기 적층형 투명 전극의 면저항은 30 Ω/□ 내지 160 Ω/□ 범위인, 적층형 투명 전극.
  16. 제 1 항에 있어서,
    상기 적층형 투명 전극은 0 % 초과 100 % 범위의 변형율에 대하여, 0% 내지 20% 범위의 저항 변화를 가지는, 적층형 투명 전극.
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