KR101614516B1

KR101614516B1 - 금속 구조물 및 이의 제조방법

Info

Publication number: KR101614516B1
Application number: KR1020140041491A
Authority: KR
Inventors: 곽민기; 김종웅
Original assignee: 전자부품연구원
Priority date: 2014-04-07
Filing date: 2014-04-07
Publication date: 2016-04-21
Also published as: KR20150116345A

Abstract

금속 구조물 및 이의 제조방법이 제공되고, 본 발명의 일 구현예에 따른 금속 구조물은 나노 와이어(nanowire) 형상을 갖고 금속을 포함하는 코어(core)부, 그리고 코어(core)부의 외부 전체를 둘러싸고 있으며 금속을 포함하는 제1 쉘(shell)부를 포함하고, 코어(core)부의 외주면의 적어도 일부가 제1 쉘(shell)부의 내면과 접촉하는 코어-쉘(core-shell)구조를 갖는 금속 나노 와이어를 포함할 수 있다.

Description

금속 구조물 및 이의 제조방법{METAL STRUCTURE AND MANUFACTURING METHOD THEREOF}

금속 구조물 및 이의 제조방법이 제공된다.

디스플레이 분야, 예를 들어 터치패널의 투명전극은 대개 ITO로 제조되는데, ITO 내 인듐의 희소성 및 부서지기 쉬운 특성 때문에 이를 대체하기 위한 소재 개발이 한창 진행 중 이다.

대표적인 대체 소재 중 하나는 금속의 일종인 Ag를 나노급 직경을 가지는 와이어 형태로 제조한 Ag 나노 와이어로, 종횡비(aspect ratio), 약 100 이상의 Ag 나노 와이어를 유리 또는 폴리머 투명 기판에 저밀도로 코팅하게 되면 투명하면서 전도성을 띄는 투명전극을 형성할 수 있다. 상기 Ag 나노 와이어를 포함하는 투명전극은 Ag 특유의 고전도성 및 유연성에 의해 ITO에 준하는 투명전극으로서의 특성을 나타내면서도 대단히 우수한 유연성을 나타내므로 차세대 플렉서블 투명전극 물질로 크게 각광받고 있다.

그러나, Ag는 비교적 고가의 금속으로, 인듐의 판매 단가가 낮아질 경우 대체소재로서의 매력이 크게 감소할 뿐만 아니라, Ag 표면의 높은 광 반사율 때문에 투명전극으로 형성 시 stratburst 또는 rainbow와 같은 여러 가지 광학적 문제를 야기할 수 있다.

따라서, Ag 이외의 물질로 나노 와이어를 합성하고자 하는 시도가 이루어지고 있다. 그러나, Ag 이외의 물질을 나노 와이어로 합성하여 사용하기 위해서는, 일단 개별 금속의 합성법 자체가 각각 개발되어야 하고, 또한 금속에 따라 전도도가 Ag에 미치지 못하거나(대부분의 금속), 표면이 활성을 가져 산화에 취약하거나(Cu, Ni 등), 표면 반사율이 Ag보다 더 높은(Al 등) 등의 적용상 어려움이 존재한다.

본 발명의 일 구현예는 투명 전극 등으로 사용될 수 있는 경제적인 코어-쉘(core-shell)구조의 금속 구조물을 제공하기 위한 것이다.

본 발명의 일 구현예는 경제적이고, 우수한 품질의 코어-쉘 구조의 금속 구조물을 제조하기 위한 방법을 제공하기 위한 것이다.

상기 과제 이외에도 구체적으로 언급되지 않은 다른 과제를 달성하는 데 본 발명에 따른 실시예가 사용될 수 있다.

본 발명의 일 구현예에서는 나노 와이어(nanowire) 형상을 갖고 금속을 포함하는 코어(core)부, 그리고 코어부의 외부 전체를 둘러싸고 있으며 금속을 포함하는 제1 쉘(shell)부를 포함하는 금속 나노 와이어를 포함하고, 코어부 외주면의 적어도 일부가 제1 쉘(shell)부의 내면과 접촉하는 코어-쉘(core-shell)구조를 갖는 금속 구조물을 제공한다.

금속 구조물은 금속 나노 와이어를 2 이상 포함하고, 복수개의 금속 나노 와이어의 적어도 일부는 서로 연결되어 있을 수 있다.

복수개의 금속 나노 와이어는 코어부와 상기 제1 쉘부의 사이에 위치하고, 코어부의 외주면의 일부만을 둘러싸고 있으며 금속을 포함하는 1 이상의 제2 쉘부를 더 포함할 수 있다.

코어(core)부, 제1 쉘(shell)부 또는 제2 쉘(shell)부는 Ag, Au, Pt, Cu, Ni, Ni-P, Ni-B, Pd, Cr 또는 Zn 중 1 이상을 포함할 수 있다.

본 발명의 일 구현예에서는 지지체 상에 제1 금속을 이용한 무전해 도금을 통해 나노 와이어 형상을 갖고, 제1 금속을 포함하는 코어부를 형성하는 단계, 코어부 상에 제2 금속을 이용한 무전해 도금을 이용하여 제2 금속을 포함하는 제1 쉘부를 형성하는 단계, 그리고 코어부 및 제1 쉘부를 포함하는 금속 나노 와이어를 지지체로부터 박리하는 단계를 포함하는 금속 구조물의 제조방법을 제공한다.

금속 구조물의 제조방법은 상기 지지체로부터 박리하는 단계 이전에, 무전해 도금을 이용하여 제3 금속을 포함하는 제2 쉘부를 형성하는 단계를 더 포함하고, 금속 나노 와이어는 제2 쉘부를 더 포함할 수 있다.

본 발명의 일 구현예에 따르면, 투명 전극 등으로 사용될 수 있는 경제적인 코어-쉘구조의 금속 구조물을 제공할 수 있고, 경제적이고, 우수한 품질의 코어-쉘구조의 금속 구조물을 제조하기 위한 방법을 제공할 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 코어-쉘 구조의 금속 구조물의 제조방법을 나타내고 있는 공정 모식도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 코어-쉘 구조의 금속 구조물의 제조방법의 각 단계에서 제조될 수 있는 금속 구조물을 나타낸 모식도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에서 제조된 지지체 상의 코어-쉘 구조의 금속 구조물을 촬영한 SEM 사진이다.

첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대해 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다.

본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일한 도면부호가 사용되었다. 또한 널리 알려져 있는 공지기술의 경우 그 구체적인 설명은 생략한다.

도면에서 여러 층 및 영역을 명확하게 표현하기 위하여 두께를 확대하여 나타내었다. 층, 막, 영역, 판 등의 부분이 다른 부분 "위에" 또는 "상에" 있다고 할 때, 이는 다른 부분 "바로 위에" 있는 경우뿐 아니라 그 중간에 또 다른 부분이 있는 경우도 포함한다. 한편, 어떤 부분이 다른 부분 "바로 위에" 있다고 할 때에는 중간에 다른 부분이 없는 것을 뜻한다. 반대로 층, 막, 영역, 판 등의 부분이 다른 부분 "아래에" 있다고 할 때, 이는 다른 부분 "바로 아래에" 있는 경우뿐 아니라 그 중간에 또 다른 부분이 있는 경우도 포함한다. 한편, 어떤 부분이 다른 부분 "바로 아래에" 있다고 할 때에는 중간에 다른 부분이 없는 것을 뜻한다.

이하, 본 발명의 일 구현예를 상세히 설명하기로 한다. 다만, 이는 예시로서 제시되는 것으로, 이에 의해 본 발명이 제한되지는 않으며 본 발명은 후술할 청구범위의 범주에 의해 정의될 뿐이다.

도 1 및 도 2를 참고하면, 나노 와이어(nanowire) 형상을 갖고 금속을 포함하는 코어(core)부(7), 그리고 코어부(7)의 외부 전체를 둘러싸고 있으며 금속을 포함하는 제1 쉘(shell)부(9)를 포함하는 금속 나노 와이어를 포함하고, 코어부(7) 외주면의 적어도 일부가 제1 쉘부(9)의 내면과 접촉하는 코어-쉘(core-shell)구조를 갖는 금속 구조물을 제공한다.

제1 쉘부(9)는 나노 와이어 형상을 갖는 코어부(7) 중심으로부터 가장 멀리 위치하여, 코어부(7)의 외부 전체를 둘러싸고 있는 쉘부이다.

예를 들어, 도 1에 도시된 것처럼, 코어부(7)의 외부 전체를 둘러싸고 있는 쉘부가 단일층인 경우에는, 제1 쉘부(9)가 코어부(7)의 외주면 전체와 접촉할 수 있다. 도 2의 (d)에 도시된 것처럼, 코어부(7)의 외부 전체를 둘러싸고 있는 쉘부가 복수층인 경우에는, 제1 쉘부(9)가 코어부(7)의 외주면 일부와 접촉할 수 있다.

또한, 도 2의 (d)에 도시된 것처럼, 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 금속 구조물은 금속 나노 와이어를 2 이상 포함하고, 복수개의 금속 나노 와이어의 적어도 일부는 서로 연결되어 있는 형상일 수 있다.

금속 구조물은 랜덤하게 교차되어 있는 2 이상(복수)의 금속 나노와이어를 포함할 수 있고, 복수개의 금속 나노 와이어는 1 이상의 교차지점을 통하여, 서로 연결되어 있는 형상일 수 있다. 이러한 랜덤하게 분산되어 고정된 복수개의 금속 나노 와이어에 의해 생성된 빈 공간 및 교차지점을 적절히 포함하는 구조는, 금속 구조물이 투명 전극으로 활용되는 경우에, 가시광선 투광도 및 전기 전도도 특성을 갖는데 기여할 수 있다. 즉, 와이어가 없이 노출된 빈 공간을 통해서는 광학적 투과성을 갖게 하고, 와이어가 교차하는 구조를 통해 전도성을 구현하면서, 결과적으로는 광 투과성 전도막을 형성하게 되는 것이다.

또한, 복수개의 금속 나노 와이어는 코어부(7)와 제1 쉘부(9)의 사이에 위치하고, 코어부(7)의 외주면의 일부만을 둘러싸고 있으며 금속을 포함하는 1 이상의 제2 쉘부(10)를 더 포함할 수 있다.

금속 구조물은 1 이상의 쉘부를 더 포함할 수 있는데, 예를 들어, 제조방법 상의 무전해 도금 단계의 반복 횟수에 따라 쉘부의 층 수가 달라질 수 있다.

예를 들어, 제조방법 상의 무전해 도금이 2 회 수행되는 경우에는, 제조되는 금속 구조물은 코어부(7) 및 단일층의 쉘부, 즉, 제1 쉘부(9)를 포함한다. 이 경우, 코어부(7)의 외주면 전체와 제1 쉘부(9)의 내부 표면 전체가 접촉한다.

제조방법 상의 무전해 도금이 3회 수행되는 경우에는, 제조되는 금속 구조물은 코어부(7), 제1 쉘부(9) 및 코어부(7)와 제1 쉘부(9) 사이에 위치하는 단일층의 제2 쉘부(10)를 포함할 수 있다. 이 경우, 코어부(7)의 외주면 중 지지체(4)와 접촉하고 있던 부분은 제1 쉘부(9)의 내부 표면과 접촉한다.

제조방법 상의 무전해 도금이 4회 이상 수행되는 경우에도, 제조되는 금속 구조물은 코어부, 제1 쉘부(9), 그리고 코어부(7)와 제1쉘부(9) 사이에 위치하는 제2 쉘부(10)를 포함할 수 있으나, 이때, 제2 쉘부(10)는 단일층이 아닌, 각각 별도 조성을 갖는 복수층의 층상구조이다. 이 경우, 코어부(7)의 외주면 중 지지체(4)와 접촉하고 있던 부분은 제1 쉘부(9)의 내부 표면과 접촉한다.

금속 구조물 내 코어부(7), 제1 쉘부(9), 단일층 또는 복수층의 제2 쉘부(10)는 각각 서로 다른 금속원소를 포함할 수 있다.

코어부(7)가 포함하는 금속은 무전해 도금이 가능한 금속일 수 있다. 예를 들어, 코어부(7)가 포함하는 금속은 Ag, Au, Pt, Cu, Ni, Ni-P, Ni-B, Pd, Cr 또는 Zn 등일 수 있다.

제1 쉘부(9)가 포함하는 금속은 무전해 도금이 가능한 금속일 수 있다. 예를 들어, 제1 쉘부(9)가 포함하는 금속은 Ag, Au, Pt, Cu, Ni, Ni-P, Ni-B, Pd, Cr 또는 Zn 등일 수 있다.

투명 전극을 구성하는 금속 구조물 전체가 아닌, 코어-쉘 구조의 이종금속으로 이루어진 금속 구조물에서, 일부분만을 형성하는 재료로서 귀금속이 사용되는 경우, 상대적으로 코어-쉘 구조의 이종금속으로 이루어진 금속 구조물 내의 귀금속 함량을 감소시킬 수 있고, 전도성 및 투명성의 저하를 최소화 할 수 있다.

또한, 코어부(7)와 제1 쉘부(9)의 사이에 위치하고, 코어부(7)의 외주면의 일부만을 둘러싸고 있으며 금속을 포함하는 1 이상의 제2 쉘부(10)가 포함하는 금속은 무전해 도금이 가능한 금속일 수 있다. 예를 들어, 1 이상의 제2 쉘부(10)가 포함하는 금속은 Ag, Au, Pt, Cu, Ni, Ni-P, Ni-B, Pd, Cr 또는 Zn 등일 수 있다.

종래 코어-쉘 나노 와이어 구조의 제조방법에 의하면, 코어-쉘 나노 와이어 구조를 제조하기 위하여 일반적으로 하기와 같은 단계를 순서대로 수행할 수 있다. 먼저, 코어 나노 와이어를 합성(단계 1)하고, 코어 나노 와이어를 코팅층 형성 용액에 분산(단계 2)시키고, 쉘 코팅층 형성(단계 3)을 통해 수행할 수 있다. 여기서, 합성된 코어 나노 와이어에 2차 쉘을 형성하기 위해서는 2차 쉘 형성 용액에 코어 나노 와이어를 분산시켜 응집이 없도록 유지시키는 것이 필요하다. 그 후, 적정 공정을 통해 쉘을 형성해야 하는데, 이러한 3 단계에 걸친 공정은 복잡할 수 있고 공정의 원활한 진행이 어려울 수 있다. 예를 들면, 나노 와이어를 쉘 형성 용액에 응집 없이 분산시킨 후 쉘이 형성되는 동안 유지하기 쉽지 않을 뿐만 아니라, 분산을 유지하기 위해 분산제 또는 표면 전하층 등을 형성시킬 경우 쉘 형성이 균일하지 않을 수 있다. 또한, 2차 쉘 형성 과정에서 코어-쉘 나노 와이어 외 쉘 물질로만 구성된 2차 생성물(나노입자 또는 와이어 등)의 생성 가능성이 매우 높으므로 이들을 분리 정제하는 공정이 추가되어야 할 수 있다.

이에, 본 발명의 일 구현예에서 코어-쉘구조의 금속 구조물의 제조방법이 제공된다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 코어-쉘구조를 갖는 금속 구조물 의 제조방법을 나타내고 있는 공정 모식도이다.

도 1을 참조하면, 본 발명의 일 구현예에서는 지지체(4) 상에 제1 금속을 이용한 무전해 도금(S6)을 통해, 나노 와이어 형상을 갖고 제1 금속을 포함하는 코어부(7)를 형성하는 단계, 코어부(7) 상에 제2 금속을 이용한 무전해 도금(S7)을 이용하여 제2 금속을 포함하는 제1 쉘부(9)를 형성하는 단계, 그리고 코어부(7) 및 제1 쉘부(9)를 포함하는 금속 나노 와이어를 지지체로부터 박리하는 단계(S8)를 포함하는 금속 구조물의 제조방법을 제공한다.

이하, 본 발명의 일 구현예를 각 단계별로 상세히 설명한다.

먼저, 지지체(4) 상에 제1 금속을 이용한 무전해 도금(S6)을 통해 나노 와이어 형상을 갖고, 제1 금속을 포함하는 코어부(7)를 형성하는 단계는 코어-쉘 구조를 형성하기 위하여, 금속 나노 코어부(7)를 지지체(4) 상에 형성시키는 단계이다. 본 발명의 일 구현예에 따른 방법을 통해, 공정을 단순화 할 수 있고, 2차 생성물 발생을 차단 할 수 있을 뿐만 아니라, 종래 공정상 포함될 수 있는 별도의 분리 공정 없이 합성용액을 지속적으로 재사용할 수 있다.

지지체(4)는 폴리머 물질일 수 있고, 예를 들어, 폴리이미드, 폴리에틸렌 테레프탈레이트 (PET), 폴리에틸렌 설폰 (PES), 폴리에틸렌 나프탈레이트 (PEN), 폴리카보네이트 (PC), 폴리메틸메타크릴레이트 (PMMA), 폴리에테르이미드 (PE), 폴리다이메틸실론세인(PDMS), 실리콘 수지, 불소수지, 변성 에폭시 수지 또는 이들의 조합일 수 있다. 지지체(4)의 내부에서 한 쪽 표면에 가까운 곳에 복수개의 나노 와이어 형상을 갖는 나노 소재(3)가 임베디드(embedded)되어 있으며, 2 개 이상의 나노 와이어는 서로 물리적으로 연결되어 있다. 예를 들어, 나노 소재(3)의 일부는 노출되어 있으며, 나노 소재(3)의 노출 표면과 지지체(4)의 한 쪽 표면은 실질적으로 동일한 표면에 위치할 수 있다.

예를 들어, 나노 소재(3)가 임베디드되어 있는 지지체(4)는 도 1의 S1 내지 S5를 통하여 형성될 수 있다.

예를 들면, 유리 등의 소재로 이루어진 기판(1)을 세정(S1)하고, 기판(1) 상에 용매, 열 또는 광 에너지로 제거 가능한 유기 또는 무기물질로 조성되는 희생층(2)을 코팅(S2)한 후, 희생층(2)의 상부에 무전해 도금에 이용될 수 있는 나노 소재의 현탁액을 코팅(S3)한다. 예를 들어, 나노 소재의 현탁액은 Ag, Cu 등과 같이 습식 대량합성이 가능한 금속을 포함할 수 있다. 무전해 도금에 이용될 수 있는 나노 소재 및 희생층(2)의 상부에 지지체(4) 물질인 경화성 폴리머를 코팅(S4)하고 나서, 경화성 폴리머층을 경화시키고, 용매, 열 또는 광 에너지를 이용하여 희생층(2)을 선택적으로 제거(S5)한다. 이러한 단계를 통하여, 나노 소재(3)가 임베디드되어 있는 지지체(4)는 기판(1)으로부터 용이하게 분리될 수 있다. 예를 들어, 나노 소재는 무전해 도금에서 금속 나노 코어 구조에 포함되는 원소와 산화-환원반응을 통해 무전해 도금이 될 수 있는 것이면 제한 받지 않고 사용할 수 있고, 예를 들어, Ag 또는 Cu을 포함하는 나노 와이어일 수 있다.

또한, 희생층(2)은 고분자 물질일 수 있고, 예를 들어, 경화성 고분자 물질일 수 있다. 예를 들어, PMMA 물질일 수 있다.

지지체 상에 제1 금속을 이용한 무전해 도금(S6)을 수행하는 경우, 본 발명의 일 실시예에 따른 지지체(4) 상에 형성된 무전해 도금에 이용될 수 있는 나노 소재(3)를 무전해 도금에 사용되는 제1 금속 원소가 포함된 용액(6) 내에 함침 시켜, 무전해 도금에 이용될 수 있는 나노 소재(3) 및 제1 금속을 포함한 코어부(7)를 형성하는 금속 간의 산화-환원 반응에 의하여 무전해 도금을 수행할 수 있다. 이를 통해, 외부로부터의 별도의 에너지 투입이 없이, 단순한 공정으로 안정적으로 코어 층 상에 쉘 층을 형성시킬 수 있다. 코어부(7)는 지지체(4)에 임베디드되어 있는 나노 소재(3)의 노출면에 접촉하도록 형성되고, 코어부(7)는 나노 소재(3)와 중첩하므로, 코어부(7)는 나노 소재(3)와 실질적으로 동일한 평면 형상을 가질 수 있다.

다음으로, 코어부(7) 상에 제2 금속을 이용한 무전해 도금(S7)을 이용하여 제2 금속을 포함하는 제1 쉘부(9)를 형성하는 단계를 통해, 코어부(7) 상에 제1 쉘부(9)를 안정적이며 효율적으로 형성시킬 수 있다.

함침되는 용액 내 금속을 변경한 것만을 제외하고는, 코어부(7)를 형성시키는 방법과 동일한 방법으로 무전해 도금을 실시하여, 코어부(7) 상에 제2 금속을 포함하는 제1 쉘부(9)를 형성시킬 수 있다.

본 발명의 일 구현예에 따른 금속 구조물의 제조방법은 상기 지지체로부터 박리하는 단계 이전에, 무전해 도금을 이용하여 코어부(7)와 제1 쉘부(9) 사이에 제3 금속을 포함하는 제2 쉘부(10)를 형성하는 단계를 더 포함하고, 금속 나노 와이어는 제2 쉘부(10)를 포함할 수 있다.

본 발명의 일 구현예에 따른 제조방법 내 수행되는 무전해 도금 단계는 2 회 이상 수행될 수 있다. 예를 들어, 무전해 도금 단계가 2 회 수행되는 경우에는 제1 금속을 포함하는 코어부(7) 및 제2 금속을 포함하는 제1 쉘부(9)를 포함하는 금속 구조물이 제조될 수 있다. 또한, 무전해 도금 단계가 3 회 이상 수행되는 경우에는 제1 금속을 포함하는 코어부(7), 제2 금속을 포함하는 제1 쉘부(9), 그리고 코어부(7) 및 제1 쉘부(9)의 사이에 위치하는 제2 쉘부(10)를 포함하는 금속 구조물이 제조될 수 있다.

본 발명의 일 구현예에 따른 제조방법 상의 무전해 도금이 4 회 이상 수행되는 경우에도, 제조되는 금속 구조물은 코어부(7), 제1 쉘부(9), 그리고 코어부(7)와 제1 쉘부(9) 사이에 위치하는 제2 쉘부(10)를 포함할 수 있으나, 이때, 제2 쉘부(10)는 단일층이 아닌, 각각 별도 조성을 갖는 복수층의 층상구조일 수 있다.

다음으로, 코어부(7) 및 제1 쉘부(9)를 포함하는 금속 나노 와이어를 상기 지지체로부터 박리하는 단계(S8)를 더 포함할 수 있다. 예를 들어, 본 발명의 일 구현예에 따라 제조된 코어-쉘 구조의 금속 구조물을 지지체(4)로부터 박리하는 단계(S8)는 초음파를 인가하여 수행할 수 있다. 박리 단계는 제2 금속이 포함된 용액(8) 내에서 수행되므로, 지지체(4)의 나노 소재(3)의 노출 표면에 접촉하고 있던 코어부(7)의 외주면은 제2 금속과 접촉하면서 제2 금속에 의해 둘려 쌓일 수 있다.

도 2의 A는 본 발명의 일 구현예에 따른 제조방법의 각 단계를 수행하고 난 금속 구조물의 단면을 나타낸 모식도이고, B는 지지체(4) 상에 형성된 금속 구조물을 지지체(4)로부터 박리하는 단계(S8)를 수행하기 직전에, 지지체(4) 및 지지체(4) 상에 형성된 금속 구조물의 상부 표면을 나타낸 평면도이다.

먼저, 도 2의 A 내 (a)는 지지체(4) 상에 무전해 도금을 통해 제1 금속을 포함하는 코어부(7)를 형성하는 단계(S6)까지만 수행하여 형성된 코어부(7)의 단면을 나타낸 그림이고, (b)는 제3 금속을 이용한 무전해 도금이 수행되어 단일 층의 제2 쉘(shell)부(10)가 코어(7)부 상에 형성된 코어-쉘 구조의 금속 구조물의 단면을 나타낸 그림이고, (c)는 제2 금속을 이용한 무전해 도금(S7)을 추가적으로 수행하여 제2 쉘부(10) 위에 제2 금속을 포함하는 제1 쉘부(9)가 형성된 코어-쉘 구조를 갖는 금속 구조물의 단면을 나타낸 그림이고, (d)는 박리 단계 이후, 형성된 코어-쉘 구조의 금속 구조물의 단면을 나타낸 그림이다.

제 금속을 이용한 무전해 도금이 추가적으로 수행되는 경우, 금속 구조물 내 나노 와이어는 코어부(7), 제2 쉘부(10) 및 제1 쉘부(9)을 포함하는 구조일 수 있다.

본 발명의 일 구현예에 따른 코어-쉘구조의 금속 구조물의 제조방법에 따라 제조된 코어-쉘구조의 금속 구조물은 전해 또는 무전해 도금을 할 수 있는 대부분의 금속을 코어 또는 쉘로 도입 가능하므로, 전술한 투명 전극으로 사용되는 용도에 국한되지 않고, 다양한 분야에 적용 가능하다. 예를 들어, 코어-쉘 와이어를 지지체로부터 떼어낸 후 폴리이미드 등 폴리머에 분산시켜 전도성을 구현하는 경우 전자파 차폐 필름 등을 제조할 수 있으며, 전도성 페이스트를 제조함에 있어서 금속 필러 (filler)로도 이용될 수 있다.

이하, 실시예를 들어 본 발명에 대해서 더욱 상세하게 설명할 것이나, 하기의 실시예는 본 발명의 실시예일뿐 본 발명이 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다.

< 실시예 1>

유리 기판을 준비하고, 상기 유리기판 표면을 아세톤 용액으로 처리하여 세정한다.

그 후, 세정된 상기 유리기판에 희생층을 형성하기 위하여, 폴리비닐알코올(PVA, 99%, MW=90000), 약 10 중량 %를 탈이온수에 용해시켜 만들어진 용액을 만든다. 이 후, PVA를 포함하는 용액을 상기 기판 상에 약 1500 rpm으로 약 30초간 스핀코팅 하고, 이를 건조하여 희생층을 형성시킨다.

다음으로, 은 나노와이어가 약 0.1 중량%로 분산된 이소프로필알코올 (IPA) 용액을 약 2000 rpm으로 상기 희생층 위에 스핀코팅하며, 이를 약 80 ℃에서 약 10분간 건조시킨다.

다음으로, 상기 은 나노와이어를 포함하는 희생층 상에 폴리다이메틸실록세인(polydimethylsiloxane, PDMS)을 포함하는 용액(㈜세왕 하이텍, Sylguard 184^TM)을 약 800 rpm에서 약 30초간 스핀코팅하여 경화성 폴리머층을 형성시킨다.

이어서, 상기 형성된 폴리머층을 약 120 ℃에서 약 1시간 동안 열처리하여 경화시킨다.

다음으로, 상기 희생층의 선택적 제거를 위해, 상기 희생층은 나노와이어, 그리고 경화성 폴리머층을 포함하는 기판을 탈이온수(DI)에 침지시켜 희생층(PVA)을 제거한다.

희생층이 제거된 후에, 상기 은 나노와이어를 포함하는 경화성 폴리머층을 상기 유리기판으로부터 박리하여, 은 나노와이어가 함침되어 있는 PDMS 기판을 분리하여 코어-쉘 와이어 형성을 위한 기판의 준비를 마친다.

도 3의 A에서 은 나노와이어가 함침된 PDMS 기판의 표면을 나타내고 있다.

여기에 코어-쉘 와이어를 형성하기 위하여 상용의 무전해 도금액 및 무전해 도금법을 사용하여 다양한 금속을 코어 및 2층 이상의 쉘부를 포함하는 형태로 형성할 수 있다.

구체적으로, 하기와 같은 방법을 통해 금속 구조물을 형성한다.

먼저, 은 나노와이어가 함침된 PDMS 기판을 탈이온수(DI), CuSO₄, 에틸렌다이아민테트라아세트산(ethylenediaminetetraacetic acid, EDTA), 그리고 NaOH의 혼합액으로 제조된 구리 도금액이 담긴 용기에 침지시켜 구리를 포함하는 코어부를 형성시킨다. 도 3의 B는 무전해 구리 도금액을 이용하여 구리를 도금한 결과를 나타낸다.

다음으로, 구리를 포함하는 코어구조를 포함하는 은 나노와이어가 함침된 PDMS 기판을 용기로부터 꺼내어, ZnO, NaOH, NaNO₃, Sodium tartrate 그리고 탈이온수(DI)를 포함하는 혼합용액에 침지시켜 구리 도금층 표면에 Zn 시드를 형성시킨 후, 도금액(㈜케이피엠테크, Nimuden SX^TM)을 포함하는 용기에 침지시켜 Ni-P를 포함하는 제1 쉘부를 형성시킨다.

이어서, 기판을 침지한 채로 초음파을 인가하여 도금된 코어-쉘 와이어를 기판으로부터 떼어내어 금속 구조물을 제조한다.

이러한 금속 구조물을 이용하여 전도성 폴리머 등을 제조하는 경우 필러 (filler)로 활용할 수 있다.

이상에서 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다.

1: 기판 2: 희생층
3: 무전해 도금용 나노 소재 4: 지지체
5: 용기 6: 무전해 도금에 사용되는 제1 금속 원소를 포함한 용액
7: 코어부
8: 무전해 도금에 사용되는 제2 금속 원소를 포함한 용액
9: 제1 쉘부
10: 제2 쉘부
11: 지지체 상의 금속 구조물

Claims

나노 와이어(nanowire) 형상을 갖고 금속을 포함하는 코어(core)부,
상기 코어(core)부의 외부 전체를 둘러싸고 있으며 금속을 포함하는 제1 쉘(shell)부, 그리고
상기 코어(core)부와 상기 제1 쉘(shell)부의 사이에 위치하고 금속을 포함하는 1 이상의 제2 쉘(shell)부
를 포함하는 금속 나노 와이어를 포함하고,
상기 코어(core)부 외주면의 적어도 일부가 제1 쉘(shell)부의 내면과 접촉하고, 상기 제2 쉘(shell)부가 상기 코어(core)부 외주면의 일부만을 둘러싸고 있는
코어-쉘(core-shell)구조를 갖는 금속 구조물.
제1항에서,
상기 금속 구조물은,
상기 금속 나노 와이어를 2 이상 포함하고, 복수개의 금속 나노 와이어의 적어도 일부는 서로 연결되어 있는 금속 구조물.
삭제
제1항 또는 제2항에서,
상기 코어(core)부, 상기 제1 쉘(shell)부 또는 상기 제2 쉘(shell)부는 Ag, Au, Pt, Cu, Ni, Ni-P, Ni-B, Pd, Cr 또는 Zn 중 1 이상을 포함하는 것인 금속 구조물.
제1 금속을 이용한 무전해 도금을 통해 지지체에 임베디드(embedded)되어 있는 나노 소재 상에 나노 와이어 형상을 갖고, 상기 제1 금속을 포함하는 코어부를 형성하는 단계,
상기 코어부 상에 제2 금속을 이용한 무전해 도금을 이용하여 상기 제2 금속을 포함하는 제1 쉘부를 형성하는 단계, 그리고
상기 코어부 및 상기 제1 쉘부를 포함하는 금속 나노 와이어를 상기 지지체로부터 박리하는 단계
를 포함하는 금속 구조물의 제조방법.
제5항에서,
상기 금속 구조물의 제조방법은 상기 지지체로부터 박리하는 단계 이전에, 무전해 도금을 이용하여 상기 코어부와 상기 제1 쉘부 사이에 위치하고 제3 금속을 포함하는 제2 쉘부를 형성하는 단계를 더 포함하고,
상기 금속 나노 와이어는 상기 제2 쉘부를 더 포함하는 금속 구조물의 제조방법.