KR101544723B1 - 투명 전극 제조방법 - Google Patents
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Abstract
용액법을 이용하는 투명 전극 제조방법이 개시된다. 이러한 제조방법은 (가) 기판 상에 다수개의 트렌치홈 라인을 가지는 템플릿을 형성하는 단계와, 템플릿 상에 적어도 다수개의 트렌치홈 라인을 매립하도록 전도성 물질을 배치하는 단계와, (다) 다수개의 트렌치홈 라인에 매립된 전도성 물질을 남기고 템플릿 및 템플릿 상의 전도성 물질을 제거하는 단계를 포함한다. 기판으로는 글라스 또는 플렉시블 PET, PI, 금속 호일, PEN, PC, PES, COC, PAR이 이용될 수 있다. 고가의 진공 시스템의 사용 없이, 용액법을 적용한 연속공정으로 투명한 격자 전극을 형성할 수 있다.
Description
본 발명은 반도체 분야에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 용액법 공정을 이용하여 제조되는 격자 무늬형 투명 전극 제조방법에 관한 것이다.
투명 전도성 전극(Transparent conductive electrodes: TCE)이 유기 발광다이오드(OLED), 액정 디스플레이(LCD), 유기 솔라셀 등에 많이 이용되고 있다. 이들 디바이스에는 공통적으로 인듐주석산화물(indium tin oxide: ITO)이 투명전극으로 이용된다. ITO 전극은 광학적 투명성, 전기전도도, 및 환경 안정성과 같은 많은 장점을 가진다.
디스플레이 산업이 급성장함에 따라, 투명전극에 대한 수요가 급증하고 있다. 그로 인해, 인듐 고갈 문제가 세계적으로 중요한 이슈가 되고 있고, 이러한 산업적 수요의 증대는 희토류 금속 자원의 배분 문제를 야기하고 있다. 따라서, ITO를 대체하는 투명전극용으로서, 투명 금속 산화물, 카본 나노튜브(CNT), 전도성 폴리머, 및 그래핀과 같은 대안들이 개발되고 있다. 그러나, 이들 대안적인 물질들은 고투명성, 고전도성, 균일한 전도도 및 기판과의 높은 접착성과 같은 필요조건들을 모두 충족시키지는 못한다. 더구나, 대부분 상용의 투명전극 제품들이 진공 증착 시스템에서 제조되고 있는데, 이러한 진공 공정은 차세대 플렉시블 전극 개발에서 추구하고 있는 롤투롤(roll-to-roll: R2R) 연속 공정에 적합하지 않다. 대안으로서, 폴리머 템플릿 상면에 금속 나노파티클 용액을 도말(spreading)시키는 방법이 주목을 받고 있는데, 이는 고-진공 장비를 사용하지 않고 전극을 제조할 수 있다.
얇은 금속 라인으로 전기가 통하며 입사광이 금속 라인 사이의 갭으로 전파되는 격자무늬 투명 전극이 ITO를 대체할 수 있는 투명 전극으로서 연구되고 있다. 여기서는 금(Au) 및 은(Ag) 그리드가 금속 나노파티클(NP) 용액을 이용하여 자기 조립 현상과 증발 리소그래피를 통해 각각 제조되었다. 또한 유기발광다이오드(OLED)의 투명 플렉시블 전극으로서 은 나노와이어-네트워크 필름이 연구되고 있다.
투명 전극 개발의 진전에 따라서, 투명 박막 트랜지스터(TTFT)를 구동유닛으로 이용하여 투명 디스플레이를 제작하는 것이 실현될 수 있다. 투명 금속 산화물(즉, ZnO, ZTO) 트랜지스터에 의해 구동되는 투명 능동형 및 싱글 TTFT OLED가 발표된 바 있으나, 여기서는 투명 콘택 전극으로 채용된 ITO 또는 금속 산화물 전극이 연속 공정에 적합하지 않은 고-진공 증착 시스템에 의해 증착되었다.
본 발명은 상술한 종래의 문제점을 감안하여 안출된 것으로서, 용액법 공정을 이용하여 투명 전극을 제조하는 방법을 제공한다.
본 발명은 용액형 공정을 이용하여 격자 무늬형의 투명 전극을 제조하는 방법을 제공한다.
본 발명은 용액형 공정을 이용하여 플렉시블한 투명 전극을 제조하는 방법을 제공한다.
본 발명은 투명 전극 제조방법을 제공하며, 이 방법은: (가) 기판 상에 다수개의 트렌치홈 라인을 가지는 템플릿을 형성하는 단계; (나) 상기 템플릿 상에 적어도 상기 다수개의 트렌치홈 라인을 매립하도록 전도성 물질을 배치하는 단계; 및 (다) 상기 다수개의 트렌치홈 라인에 매립된 전도성 물질을 남기고 상기 템플릿 및 상기 템플릿 상의 전도성 물질을 제거하는 단계;를 포함한다.
여기서 상기 기판은 리지드 또는 플렉시블 기판일 수 있고, 예를 들어, 글라스, PET(Polyethlene Terephthalate), PI(Polyimide), PEN(Polyehylene Napthalene), PC(Polycarbonate), PES(Plyether Sulfone), PAR(Polyarylate), COC(Cycolefin Copolymer), 금속호일 중의 어느 하나일 수 있다.
상기 다수개의 트렌치홈 라인은 격자무늬를 형성한다.
상기 단계 (나)의 상기 전도성 물질은 금속 나노파티클 용액이거나 전도성을 갖는 금속을 포함하는 용액이다.
상기 단계 (나)와 상기 단계 (다) 사이에 상기 전도성 물질인 상기 금속 나노파티클 용액에 열을 가하여 솔벤트를 제거하는 과정을 더 포함할 수 있다.
상기 남겨진 전도성 물질을 소결하는 단계를 더 포함한다.
상기 단계 (가)에서 상기 템플릿의 형성은: 투명 기판 상면에 폴리머 물질층을 형성하는 단계; 및 격자 스탬프를 이용하여 폴리머 물질층에 격자형 트렌치홈을 형성하는 단계;를 포함한다.
상기 폴리머 물질층은 스핀코팅이나 드롭핑(dropping) 또는 닥터블레이드법(doctor blade)으로 형성될 수 있다.
본 발명에 따르면, 전체 용액법 공정(all-solution processed) 투명 전극이 제공된다. 더구나 본 발명은 투명 전극 제조방법은 진공장비를 이용하는 고비용 공정을 진행하지 않을 뿐만 아니라 이를 연속공정으로 진행할 수도 있기 때문에, 획기적으로 비용절감이 이루어질 수 있다. 이렇게 제조된 금속 격자 투명 전극은 글라스와 같은 리지드 기판이나 PET과 같은 플렉시블 기판에 모두 적용될 수 있으며, 격자 전극에 의한 투과도 저하가 비교적 낮기 때문에 투명 반도체 장치에 채용되어 투명 디스플레이와 같은 반도체 장치의 구동유닛으로 적용될 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 투명 금속 그리드 전극의 제조 과정을 개략적으로 보여주는 도면이다.
도 2a 및 2b는 본 발명의 투명 전극 제조방법에 채용되는 폴리머 템플릿에 대한 전계방사형 주사전자현미경 이미지이다.
도 3a 및 3b는 본 발명의 투명 전극 제조방법에 의해 제조된 투명 전극에 대한 사진으로서, 도 3a는 주사전자현미경 이미지이고, 도 3b는 AFM 이미지이다.
도 4a 및 4b는 본 발명의 제조방법에 따라 각각 글라스 기판과 플렉시블 PET 기판에 제조된 투명 전극의 사진과, 파장에 따른 투과도를 나타내는 그래프를 포함하는 도면이다.
도 5는 본 발명의 투명 전극 제조방법에 의해 제조된 투명 전극과 기존의 ITO 전극의 벤딩 테스트의 결과를 나타내는 그래프이다.
도 6a 및 6b는 본 발명의 투명 전극 제조방법에 의해 제조된 투명 전극의 벤딩에 따른 광출력 강도 변화를 보여주는 사진이다.
도 2a 및 2b는 본 발명의 투명 전극 제조방법에 채용되는 폴리머 템플릿에 대한 전계방사형 주사전자현미경 이미지이다.
도 3a 및 3b는 본 발명의 투명 전극 제조방법에 의해 제조된 투명 전극에 대한 사진으로서, 도 3a는 주사전자현미경 이미지이고, 도 3b는 AFM 이미지이다.
도 4a 및 4b는 본 발명의 제조방법에 따라 각각 글라스 기판과 플렉시블 PET 기판에 제조된 투명 전극의 사진과, 파장에 따른 투과도를 나타내는 그래프를 포함하는 도면이다.
도 5는 본 발명의 투명 전극 제조방법에 의해 제조된 투명 전극과 기존의 ITO 전극의 벤딩 테스트의 결과를 나타내는 그래프이다.
도 6a 및 6b는 본 발명의 투명 전극 제조방법에 의해 제조된 투명 전극의 벤딩에 따른 광출력 강도 변화를 보여주는 사진이다.
이하 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시 예를 상세하게 설명한다. 본 발명의 실시예를 설명함에 있어서, 관련된 공지기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.
도 1은 본 발명에 따른 투명 금속 그리드 전극의 제조 과정을 개략적으로 보여주는 도면이다.
본 발명의 투명 전극 제조방법은, 도 1의 (a) 내지 (c)에 도시한 바와 같이, 기판(111) 상에 폴리머 템플릿(120)을 형성하는 단계를 포함한다.
이러한 템플릿(120)은 투명한 기판(111)의 상면에 폴리머 물질을 스핀코팅하여 폴리머 물질층(12)을 형성한 후 스탬프(130)로 각인시켜서 다수개의 트렌치홈 라인으로 이루어진 격자무늬 트렌치홈(120g)을 가지는 템플릿(120)을 형성한다. 도시한 바와 같이, 이러한 템플릿(120)은 스탬프(130)를 이용하여 제작되며 이에 대하여 간략하게 설명한다.
본 발명의 투명 전극 제조방법에 이용되는 스탬프(130)는 직각형 격자(grid) 형상을 가지는 h-PDMS(hard polydimethylsiloxane) 스탬프로서 이는 공지된 기술을 이용하여 변형과 뒤틀림이 발생하지 않도록 제작한다.
예를 들어, 본 발명의 투명 전극 제조방법에 이용하기 위하여 다음과 같이 스탬프(130)를 제작하였다. 먼저, h-PDMS 용액(30㎛)을 포토리소그래피 공정에 의해 형성된 실리콘 마스터 몰드에 스핀코팅한 후 베이킹하였다. 이어, s-PDMS(soft polydimethylsiloxane) 용액을 h-PDMS의 상에 10㎜ 두께로 스핀코팅하였다. h-PDMS와 s-PDMS를 마스터 몰드로부터 분리하면 스탬프(130)가 제조된다. 이러한 스탬프(130)는 예를 들어 선폭 3㎛과 갭(gap) 사이즈 30㎛을 가지는 직사각형 격자 형상을 가진다. 또한 스탬프(130)는 h-PDMS와 s-PDMS를 모두 포함함으로써, 결과적으로 연성과 경성을 함께 가지게 된다. 스탬프(130)에 포함된 s-PDMS는 압력 또는 자극 흡수부로 사용되어, 기판(111)에 균일한 접촉을 가능하게 한다. 스탬프(130)의 사이즈는 예를 들어 2.5×2.5㎝2이었다.
다시 도 1의 (a) 내지 (c)의 템플릿(120)의 형성단계의 설명으로 돌아오면, 상술한 바와 같이 제작된 스탬프(130)를 이용하여 도 1의 (b)에서와 같이 폴리머 물질층(12)에 격자무늬 트렌치홈(120g)을 전사시킴으로써 템플릿(120)을 형성하게 된다. 폴리머 물질층(12)은 예를 들어 포토레지스트 용액일 수 있다.
이때의 기판(111)은 리지드 또는 플렉시블 기판일 수 있다. 예를 들어 기판은 글라스, PET(Polyethlene Terephthalate), PI(Polyimide), PEN(Polyehylene Napthalene), PC(Polycarbonate), PES(Plyether Sulfone), PAR(Polyarylate), COC(Cycolefin Copolymer), 금속호일 중의 어느 하나일 수 있다.. 플렉시블 기판이 이용될 경우에는 플렉시블 전극을 구현할 수 있다.
바람직하게 템플릿(120)에 형성된 격자무늬 트렌치홈(120g)은 바닥면에 기판(111)의 상면을 노출하도록 형성된다.
이어서, 도 1의 (d)에서와 같이 템플릿(120) 상에 적어도 다수개의 트렌치홈 라인 또는 격자무늬 트렌치홈(120g)을 매립하도록 전도성 물질(14)을 배치한다. 전도성 물질은 금속 나노파티클 용액이거나 전도성을 갖는 금속을 포함하는 용액으로 형성할 수 있다. 이러한 전도성 물질(14)은 바람직하게는 스핀코팅, 드롭핑(dropping) 또는 닥터블레이드법(doctor blade) 등으로 형성할 수 있다.
이어, 바람직하게는 전도성 물질(14)인 금속 나노파티클 용액에 열을 가하여 솔벤트를 제거할 수 있다.
이어, 도 1의 (e)와 같이 트렌치홈(120g)에 매립된 전도성 물질(14)을 남기고 템플릿(120) 및 템플릿(120) 상의 전도성 물질(14)을 제거한다. 예를 들어 템플릿(120)을 형성한 폴리머가 포토레지스트일 경우에 아세톤을 이용하여 템플릿(120)을 제거할 수 있다. 템플릿(120)이 제거될 때 그 위에 있는 전도성 물질(14)도 함께 분리되며, 도 1의 (e)에서 알 수 있는 바와 같이, 트렌치홈(120g) 내부에 매립되어 격자무늬를 이루는 전도성 물질(14)만이 기판(111) 상에 잔류하게 된다.
다음에, 도 1의 (f)와 같이, 기판(111) 상에 남겨진 격자무늬의 전도성 물질(14)을 소결함으로써 전기적 경로를 확립함으로써 전극(11)을 형성한다. 이 과정에서 유기 분산제 등도 제거될 수 있다.
<실시예>
템플릿 제조
폴리머 물질로서 SU-8 레지스트(MicroChem, Germany)를 희석제 AZ-1500(AZ Electronics Materials, Germany)으로 희석하였으며, 중량비 2:1이었다.
기판(111) 상에 희석된 레지스트 용액을 떨어뜨리고 나서 스핀코팅함으로써 폴리머 물질층(12)을 형성하였다(도 1의 (a) 참조).
상술한 바와 같은 h-PDMS 스탬프(130)를 9.8kPa의 압력을 가지는 콘택 프린터(HTM-500, Hutem)를 이용하여 레지스트 상에 압박하였다. 다음에, h-PDMS 스탬프(130)/폴리머 물질층(12)/기판(111)으로 이루어진 조립체를 1분 동안 100℃로 가열하였다(도 1의 (b) 참조).
h-PDMS 스탬프(130)를 분리한 후에 폴리머 물질층(12)에 역 패턴이 전사된 템플릿(120)이 형성되었다. 여기서 역 패턴은 다수개의 트렌치홈 라인, 바람직하게는 격자무늬 트렌치홈(120g)이다(도 1의 (c) 참조).
투명 전극 제조
금속 나노파티클 용액으로서, Ag 나노파티클 용액(NPS-J, Harima Chem., Japan, 5nm particle size on average, dispersed in tetradecane at 60 wt%)을 헥산(Sigma Aldrich, USA)을 이용하여 중량비 1:20으로 희석하였다. 이러한 Ag 나노파티클 용액을 폴리머 템플릿(120) 30초당 4,000rpm으로 스핀코팅하고 난 후, 핫플레이트에서 1분 동안 100℃로 가열하여 솔벤트를 증발시켰다(도 1의 (d)).
마지막으로, 아세톤에 침지한 상태에서 손으로 교반하여 폴리머 물질층(12)인 SU-8 레지스트를 제거하였다(도 1의 (e)).
Ag 나노파티클들의 전기적 연결을 확립하기 위해, 100℃의 오븐에서 5시간 동안 소결하였다(도 1의 (f)).
도 2a 및 2b는 본 발명의 제조방법에 채용된 폴리머 템플릿(120)에 대한 전계방사형 주사전자현미경 이미지로서, 폴리머 템플릿(120)이 320nm의 두께를 가지는 것이다. 도시된 바와 같이, 트렌치홈(120g) 내부 영역에 잔류층이 남지 않았다는 것을 알 수 있다. 또한 도 2a의 삽입 이미지는 본 발명에 이용되는 템플릿(120)의 광역 패턴성을 보여준다.
도 3a 및 3b는 본 발명의 투명 전극 제조방법에 의해 제조된 투명 전극에 대한 사진으로서, 도 3a는 주사전자현미경 이미지이고, 도 3b는 AFM 이미지이다.
도 3a 및 3b에서 알 수 있는 바와 같이 전극(11)을 이루는 Ag 격자는 소결 이후에 와이어를 따라 크랙이나 베이컨시(vacancy)가 관찰되지 않는 양호한 재현성을 보여준다.
도 4a 및 도 4b는 본 발명의 제조방법에 따라 각각 글라스 기판과 플렉시블 PET 기판에 제조된 Ag 격자를 포함하는 투명 전극의 사진과, 파장에 따른 해당 전극의 투과도를 나타내는 그래프를 포함하는 도면이다. 도 4a 및 4b에서는 기판이 4cm2 면적을 가진다. 또한 도면에는 순수한 글라스(bare glass) 기판 또는 순수한 PET(bare PET) 기판의 투과도가 비교를 위해 표시되었다. 또한 Ag 격자(grid) 전극을 Ag 메쉬(mesh) 전극으로 표시하기도 하였다.
도면의 그래프에서 알 수 있는 바와 같이, 글라스 기반 전극(도 4a)과 PET기반 전극(도 4b)은 각각 가시 영역(400 내지 800nm)에서 79.4%와 69.4%의 평균 투과도를 나타낸다. Ag 전극을 통한 투과도 손실은 양자 모두 대략 13%이다.
투명 전극의 성능을 평가하는 데 있어서 시트 저항 역시 중요한 파라미터이다. 리지드 전극(도 4a)과 플레시블 투명 전극(도 4b)이 각각 6.13±0.12과 7.95±0.12 Ω/sq으로 측정되었다.
더구나, 상술한 본 발명의 실시예에 따라 제조된 Ag 격자 전극의 투과도와 시트 저항은 4개월 이상 동안 변하지 않았다.
도 5는 본 발명의 투명 전극 제조방법에 의해 제조된 투명 전극과 기존의 ITO 전극의 벤딩 테스트의 결과를 나타내는 그래프이다. 그래프는 벤딩 싸이클 수(number of bending cycle) 대비 R/Ro를 나타낸다.
벤딩 테스트를 실시하여 물리적 응력 하에 플렉시블 PET 기판 상에 형성된 본 발명의 Ag 격자 전극의 전도도의 안정성을 평가하였다. 도 5는 1,000 사이클의 벤딩(반지름 ≤ 12 mm)에 대한 R/Ro를 나타내며, 여기서 Ro은 초기 저항으로서 ITO PET과 Ag 격자 PET이 각각 108.1과 8.4Ω으로 측정되었다. Ro과 R이 벤딩 테스트 전과 후에 기판의 양 엣지 부위에 2㎝ 간격으로 배치된 2개의 전기 프로브 라인을 이용하여 자동으로 측정되었다. 본 발명의 Ag 격자 PET의 R/Ro는 1,000 벤딩 사이클 동안 일정하게 유지되었지만, ITO PET의 R/Ro는 ITO의 크랙으로 인해 5배로 증가하였다. 테이핑 테스트 역시 Ag 격자 전극이 기판에 견고하게 부착된다는 것을 보여주었다.
도 6a 및 6b는 본 발명의 투명 전극 제조방법에 의해 제조된 투명 전극의 벤딩에 따른 광출력 강도 변화를 보여주는 사진이다.
또한 본 발명의 Ag 격자 플렉시블 PET 전극을 크로커다일 집게(crocodile clip)를 통해 발광 다이오드에 전기적으로 연결하여, 벤딩시키는 동안 광출력 강도의 변화를 모니터링함으로써 Ag 격자 전극의 전기 전도도를 측정하였다. 도 6a(flat) 및 6b(bent)에 나타낸 바와 같이, Ag 격자 PET 전극의 경우에는 벤딩에 따른 변화가 관찰되지 않았다. 그에 비해, 기존의 ITO PET 전극의 경우, 광출력 강도가 벤딩에 민감하였으며, 실제로 구부림 상태에서는 다이오드의 광출력 강도가 거의 없었고 기계적 변형이 제거되었을 때 광출력 강도가 복구되었다.
이상, 본 발명의 상세한 설명에서는 구체적인 실시예에 관해서 설명하였으나, 본 발명의 범위에서 벗어나지 않는 한도 내에서 여러 가지 변형이 가능함은 당해 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 자명하다 할 것이다.
11: 전극 12: 폴리머 물질층
14: 전도성 물질 111: 기판
120: 템플릿 120g: 트렌치홈
130: 스탬프
14: 전도성 물질 111: 기판
120: 템플릿 120g: 트렌치홈
130: 스탬프
Claims (9)
- 투명 전극 제조방법으로서:
(가) 기판 상에 다수개의 트렌치홈 라인을 가지는 템플릿을 형성하는 단계;
(나) 상기 템플릿 상에 적어도 상기 다수개의 트렌치홈 라인을 매립하도록 전도성 물질 용액을 스핀코팅, 드롭핑, 또는 닥터블레이드법을 이용하여 도포하는 단계; 및
(다) 상기 다수개의 트렌치홈 라인에 매립된 전도성 물질을 남기고 상기 템플릿 및 상기 템플릿 상의 전도성 물질을 제거하는 단계;를 포함하고,
상기 단계 (가)에서 상기 템플릿의 형성은, 투명 기판 상면에 폴리머 물질층으로서 포토레지스트층을 형성하는 단계와, 경성과 연성을 함께 가지는 격자 스탬프를 이용하여 폴리머 물질층에 바닥에 상기 기판을 노출하는 격자형 트렌치홈을 형성하는 단계를 포함하고,
상기 단계 (나)와 (다) 사이에 상기 전도성 물질 용액에서 솔벤트를 제거한 후, 상기 단계 (다)에서 아세톤을 이용하여 상기 템플릿을 제거함으로써 상기 템플릿 상의 전도성 물질을 함께 제거하는 것인,
투명 전극 제조방법.
- 청구항 1에 있어서,
상기 기판은 리지드 또는 플렉시블 기판인 것인,
투명 전극 제조방법.
- 청구항 2에 있어서,
상기 기판은 글라스, PET(Polyethlene Terephthalate), PI(Polyimide), PEN(Polyehylene Napthalene), PC(Polycarbonate), PES(Plyether Sulfone), PAR(Polyarylate), COC(Cycolefin Copolymer), 금속호일 중의 어느 하나인,
투명 전극 제조방법.
- 삭제
- 청구항 1에 있어서,
상기 단계 (나)의 상기 전도성 물질은 금속 나노파티클 용액이거나 전도성을 갖는 금속을 포함하는 액체인,
투명 전극 제조방법.
- 삭제
- 청구항 1에 있어서,
상기 남겨진 전도성 물질을 소결하는 단계를 더 포함하는 것인,
투명 전극 제조방법.
- 삭제
- 삭제
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