KR101650393B1

KR101650393B1 - 광반사도가 감소된 금속 물질 기반의 투명 전극 및 인쇄 공정을 이용한 상기 투명 전극의 제조 방법

Info

Publication number: KR101650393B1
Application number: KR1020140131894A
Authority: KR
Inventors: 김학린; 박지섭; 최준찬
Original assignee: 경북대학교 산학협력단
Priority date: 2014-09-30
Filing date: 2014-09-30
Publication date: 2016-08-23
Also published as: KR20160038603A

Abstract

본 발명에 따른 광반사도를 감소시킨 금속 물질 기반의 투명 전극은 금속 배선의 하부면, 격벽 및/또는 상부면에 블랙 특성을 갖는 광 흡수층을 형성함으로써, 투명 전극에서의 광 반사도를 최소화시켜 시인성을 향상시키는 것을 특징으로 한다. 또한, 본 발명에 따른 투명 전극 제조 방법은 자기 정렬 및 자발 패턴 효과를 이용하여 미세한 선폭을 갖는 금속 배선의 상/하부면 및 격벽에 광 흡수층을 선택적으로 형성할 수 있는 것을 특징으로 한다.

Description

광반사도가 감소된 금속 물질 기반의 투명 전극 및 인쇄 공정을 이용한 상기 투명 전극의 제조 방법{ Transparent electrode based on metal material having low reflection rate and method for fabricating the transparent electrode }

본 발명은 광반사도가 감소된 금속 물질 기반의 투명 전극 및 그 제조 방법에 관한 것으로서, 더욱 구체적으로는, 투명 전극을 구성하는 금속 배선의 표면에 블랙 특성을 갖는 광 흡수층을 형성하여 광반사도를 감소시킨 투명 전극 및 인쇄 공정을 이용한 상기 투명 전극 제조 방법에 관한 것이다.

최근 모바일 기기 및 IT 기기가 다양하게 개발됨에 따라, 키보드, 마우스 뿐만 아니라 사용이 편리하면서도 효율적인 입력이 가능하도록 하는 다양한 형태의 입력장치들이 사용되고 있다. 특히, 가장 많이 사용되는 입력 장치가 터치 스크린 패널(touch screen panel)이다.

이러한 터치 스크린 패널은 스마트폰, 전자 수첩, 컴퓨터나 단말기 등의 화상표시장치의 표시면에 설치되어, 사용자가 화상을 보면서 쉽게 원하는 정보를 입력하거나 선택할 수 있도록 한다.

전술한 터치 스크린 패널은 사용자의 터치를 감지하기 위하여 전체적으로 투명도를 가지면서도 전기 전도성을 갖는 면전극 형태의 투명 전극을 필요로 한다. 종래에는 투명 전극으로서, 무기물인 ITO(Indium Tin Oxide; 인듐-주석 산화물)을 증착하여 제작하는 기술을 주로 사용하였다. 하지만, ITO는 전기 전도도가 우수하기는 하나, 원료인 인듐이 희토류 금속으로써 가격이 고가이면서 계속 그 가격이 급등하고 있는 실정이다. 또한, ITO는 증착 공정을 통해 제작되기 때문에, 양산성 및 대면적화에 대한 한계를 갖는 문제점이 있다. 따라서, 이러한 문제점들로 인하여, ITO를 대체할 새로운 물질 및 새로운 공정법에 대한 연구 및 개발이 절실하게 요구되고 있는 실정이다.

ITO를 대체하기 위한 기술로서, 인쇄 공정이 용이한 금속 나노 입자가 분산된 전도성 잉크, 금속 나노 와이어, 그래핀(Graphene), 탄소 나노 튜브(Carbon nanotube; CNT), 전도성 고분자 등이 제안되고 있다. 이러한 방법들 중, 금속 나노 입자 기반의 전도성 잉크를 이용하여 얇은 선폭의 금속 배선이 금속 메쉬(metal mesh) 구조로 형성된 투명 전극을 형성하는 방법이나, 금속 나노 와이어 분산액을 도포하여 투명 전극을 형성하는 방법이 전기 전도도가 우수하고 제작 공정이 간단하여, ITO 대체 기술로 각광을 받고 있다.

하지만, 금속으로 이루어진 전극은 금속의 불투명성으로 인해 전극이 사용자에게 시각적으로 인식될 수 있으며, 투명 전극으로 사용되기 어려운 문제가 있다. 이러한 문제를 해결하고 전극이 사용자에게 인식되지 않도록 하기 위하여, 특히 mesh 구조 기반 소자의 경우 사용자가 시각적으로 인식하기 어려운 마이크로미터 단위의 미세 선폭을 갖는 금속 배선을 메쉬(mesh) 구조로 형성되기도 한다.

도 1은 종래의 금속 배선들이 메쉬 구조로 이루어진 투명 전극에 있어서, 자연광이 금속 배선의 정면이나 측면 등에서 반사되는 것을 개념적으로 도시한 단면도이다. 전술한 금속 나노 입자를 기반으로 한 금속 메쉬 방법이나 금속 나노 와이어를 기반으로 한 투명 전극 소자들은 모두 금속 재료를 사용함에 따라, 도 1에 도시된 바와 같이 금속 물질의 빛에 대한 우수한 반사 특성으로 인하여 소자의 정면 및 측면 등에서 자연광에 대한 반사를 하게 된다. 그 결과 시인성을 저하시키게 되는 문제가 발생하게 된다.

한국공개특허공보 제 10-2014-0009805호 한국공개특허공보 제 10-2013-0119763호 한국공개특허공보 제 10-2011-0063550호 한국공개특허공보 제 10-2013-0044058호 한국공개특허공보 제 10-2013-0020313호

전술한 문제점을 해결하기 위한 본 발명은 금속 배선의 상/하부면 및 격벽에 블랙 특성을 갖는 광 흡수층을 형성함으로써, 금속 배선의 광반사도가 감소된 투명 전극을 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명의 다른 목적은 인쇄 공정을 이용하여 전술한 금속 배선의 광반사도가 감소된 투명 전극을 제조하는 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

전술한 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 제1 특징에 따른 금속 물질 기반의 투명 전극은, 투명 기판; 상기 투명 기판위에 형성된 금속 재질의 금속 배선; 블랙 특성을 갖는 광반응성 물질로 구성되어 상기 금속 배선의 표면의 전체 또는 일부에 형성된 광 흡수층; 을 구비하여, 금속 배선에 의한 광 반사성을 감소시킨 것을 특징으로 한다.

전술한 제1 특징에 따른 금속 물질 기반의 투명 전극에 있어서, 상기 금속 배선은 금속 나노 입자를 기반으로 한 전도성 잉크 및 금속 나노 와이어 분산액 중 하나로 구성되며, 상기 금속 배선의 하부면에 형성되거나, 상기 금속 배선의 상부면, 하부면 및 격벽에 형성되는 것이 바람직하다.

전술한 제1 특징에 따른 금속 물질 기반의 투명 전극에 있어서, 상기 금속 배선은 금속 나노 입자들을 기반으로 한 금속 메쉬(metal mesh) 구조로 형성되고, 상기 광 흡수층은 상기 금속 배선의 하부면 및 격벽에 형성되거나, 금속 배선의 하부면, 상부면 및 격벽에 형성될 수 있다.

전술한 제1 특징에 따른 금속 물질 기반의 투명 전극에 있어서, 상기 광 흡수층은 용액 공정이 가능하면서 광 반응성을 갖는 고분자 물질 및 블랙 특성을 갖는 염료나 안료의 혼합 용액으로 구성된 것이 바람직하다.

본 발명의 제2 특징에 따른 투명 전극 제조 방법은, (a) 투명 기판에 블랙 특성을 갖는 물질을 도포하여 버퍼층을 형성하는 단계; (b) 상기 버퍼층에 사전 설정된 메쉬 패턴이 형성된 스탬프를 임프린팅함과 동시에 열처리를 하여, 버퍼층에 메쉬 패턴을 형성하는 단계; (c) 상기 버퍼층의 메쉬 패턴에 배선용 전도성 용액을 주입하여, 메쉬 구조의 금속 배선을 형성하는 단계; (d) 1차 열 소결 처리하여 배선용 전도성 용액의 용매를 제거하고 고형화하는 단계; (e) 상기 금속 배선을 마스크로 하여 상기 버퍼층에 UV 광조사하는 단계; (f) 금속 배선에 의해 self-masking 되어 광조사된 상기 버퍼층을 식각하여 금속 배선의 격벽 및 하부면에 광 흡수층을 형성하는 단계; 를 구비한다.

전술한 제2 특징에 따른 투명 전극 제조 방법에 있어서, 상기 (c) 단계이후, 메쉬 구조의 금속 배선의 상부 표면에 추가의 버퍼층을 형성하는 단계를 더 구비하고, 상기 (f) 단계는 상기 금속 배선의 상부면, 하부면 및 격벽에 광 흡수층을 형성하는 것이 바람직하다.

본 발명의 제3 특징에 따른 투명 전극 제조 방법은, (a) 투명 기판에 블랙 특성을 갖는 물질을 도포함과 동시에 열처리하여 버퍼층을 형성하는 단계; (b) 상기 버퍼층의 표면에 금속 나노 와이어 분산액을 도포하여 금속 나노 와이어 층을 형성하는 단계; (c) 1차 열 소결 처리하여 금속 나노 와이어층을 버퍼층에 접착시키는 단계; (d) 금속 나노 와이어층을 마스크로 하여 상기 버퍼층으로 UV 광조사하는 단계; (e) 금속 나노 와이어층에 의해 self-masking되어 광조사된 상기 버퍼층을 식각하여 금속 나노 와이어들의 하부면에 광 흡수층을 형성하는 단계;를 구비한다.

전술한 제3 특징에 따른 투명 전극 제조 방법에 있어서, 상기 (b) 단계 이후, 금속 나노 와이어 층의 상부 표면에 블랙 특성을 갖는 물질을 도포하여 추가의 버퍼층을 형성하는 단계를 더 구비하고, 상기 (e) 단계는 금속 나노 와이어들의 하부면, 상부면 및 격벽에 광 흡수층을 형성하는 것이 바람직하다.

전술한 제2 및 제3 특징에 따른 투명 전극 제조 방법에 있어서, 상기 버퍼층은, 용액 공정이 가능하면서 광 반응성을 갖는 고분자 물질 및 블랙 특성을 갖는 염료나 안료의 혼합 용액으로 구성된 것이 바람직하다.

전술한 제2 및 제3 특징에 따른 투명 전극 제조 방법에 있어서, 상기 1차 열 소결 처리하는 단계의 열 소결 온도는 상기 버퍼층이 UV 광 조사에 의해 열변성이 일어날 수 있는 상태를 유지할 수 있으며 금속 배선의 용매를 제거하고 고형화를 유도할 수 있는 온도인 것이 바람직하다.

전술한 제2 특징에 따른 투명 전극 제조 방법에 있어서, 상기 1차 열 소결 처리하는 단계의 열 처리 온도는 배선용 전도성 용액의 가교제 물질과 금속 배선에 인접한 버퍼층이 서로 흡착되는 온도이면서, 상기 버퍼층이 UV 광 조사에 의해 열변성이 일어날 수 있는 상태를 유지할 수 있는 온도인 것이 바람직하다.

본 발명에 따른 금속 물질 기반의 투명 전극 구조는 금속 배선의 주변에 박막 형태의 광 흡수층을 형성함으로써, 투명 전극의 투과도 특성을 감소시키지 않으면서도, 자연광이 금속 배선의 격벽이나 상/하부면에서 반사되는 것을 감소시켜, 투명 전극의 시인성을 향상시킬 수 있다.

또한, 본 발명에 따른 금속 물질 기반의 투명 전극 제조 방법은, 광반응성을 갖는 흑색 물질로 이루어진 버퍼층의 상부에 메쉬 구조 기반의 금속 배선을 선택적으로 형성하고, 버퍼층을 식각할 때 금속 배선이 UV 광원에 대하여 마스크 역할을 하도록 하여 self-masking 을 구현함에 따라, 미세 선폭을 갖는 금속 배선의 상/하부면 및 격벽에 얇은 박막 형태의 광 흡수층을 형성할 수 있게 된다.

또한, 본 발명에 따른 금속 물질 기반의 투명 전극 제조 방법은, alignment를 위한 추가 공정이 없기 때문에, 금속 배선에 의해 UV 대역 광 조사에 대한 self-masking이 구현되어 고가의 사진식각 공정 및 미세 alignment를 위한 공정 시스템 구축이 요구되지 않으며, 간단한 UV 조사 및 식각 공정을 통해 금속 배선의 하부에 self-alignment된 광 흡수층을 형성할 수 있게 된다.

도 1은 종래의 금속 배선들이 메쉬 구조로 이루어진 투명 전극에 있어서, 자연광이 금속 배선의 정면이나 측면 등에서 반사되는 것을 개념적으로 도시한 단면도이다.
도 2는 본 발명의 제1 실시예에 따른 투명 전극을 도시한 사시도 및 단면도이다.
도 3은 본 발명의 제1 실시예에 따른 투명 전극 제조 방법을 설명하기 위하여, 제조 방법을 순차적으로 도시한 모식도들이다.
도 4는 본 발명에 따른 투명 전극 제조 방법에 있어서, 광 흡수층이 UV 광조사시 금속 배선에 self-align되어 형성되는 공정을 설명하기 위하여 도시한 개념도이다.
도 5는 본 발명에 따른 투명 전극 제조 방법에 있어서, 배선 주변 영역의 버퍼층의 결합력이 향상되어 UV 조사에 대해 광반응이 유도되지 않게 됨에 따라, 버퍼층에 대한 식각 공정후에도 배선 주변영역은 식각되지 않고 잔존하여 박막 형태의 광 흡수층을 형성한 것을 설명하기 위하여 도시한 개념도이다.
도 6은 본 발명에 따른 투명 전극 제조 방법에 있어서, 1차 열소결 처리시에 가교제와 버퍼층의 구성 물질이 서로 흡착됨에 따라, 버퍼층에 대한 식각 공정후에도 배선 주변영역은 식각되지 않고 잔존하여 박막 형태의 광 흡수층을 형성한 것을 설명하기 위하여 도시한 개념도이다.
도 7은 본 발명의 제2 실시예에 따른 광반사도가 낮은 투명 전극 구조를 도시한 사시도 및 단면도이다.
도 8은 본 발명의 제2 실시예에 따른 투명 전극 구조의 제조 공정을 순차적으로 도시한 모식도이다.
도 9는 본 발명의 제3 실시예에 따른 투명 전극을 도시한 사시도 및 단면도이다.
도 10은 본 발명의 제3 실시예에 따른 투명 전극 제조 방법을 설명하기 위하여, 제조 방법을 순차적으로 도시한 모식도들이다.
도 11은 본 발명의 제4 실시예에 따른 광반사도가 낮은 투명 전극 구조를 도시한 사시도 및 단면도이다.
도 12는 본 발명의 제4 실시예에 따른 투명 전극 구조의 제조 공정을 순차적으로 도시한 모식도이다.
도 13은 본 발명의 제4 실시예에 따른 투명 전극 제조 방법에 있어서, 금속 배선의 격벽, 상/하부면에 광 흡수층이 형성되는 과정을 설명하기 위하여 도시한 개념도이다.

이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명에 따른 다양한 실시예들을 구체적으로 설명한다.

제1 실시예

본 발명의 제1 실시예에 따른 투명 전극 및 그 제조 방법에 대하여 구체적으로 설명한다. 본 실시예에 따른 투명 전극은 메쉬 구조의 금속 배선의 하부면 및 격벽에 박막 형태의 광 흡수층이 형성된 것을 특징으로 한다.

도 2는 본 발명의 제1 실시예에 따른 투명 전극을 도시한 사시도 및 단면도이다. 도 2를 참조하면, 본 실시예에 따른 투명 전극(1)은 기판(100), 메쉬 구조를 갖는 금속 배선(110), 금속 배선의 하부면 및 격벽에 형성된 광 흡수층(120)을 구비한다.

상기 기판(100)은 우수한 내열성을 가지면서 투명한 특성을 갖는 물질로 구성되며 전체적으로 평탄한 기판인 것이 바람직하다. 그 예로서, 유리 기판(glass substrate) 등을 사용할 수 있다. 특히, 기판은 메쉬 구조의 금속 배선 및 광 흡수층을 형성하기 위한 공정에서 사용되는 열처리 온도에서 변형이 발생하지 않는 정도의 내열성이 요구된다.

상기 금속 배선(110)은 전체적으로 메쉬(mesh) 구조로 이루어지며, 인쇄 공정이 가능하며 메쉬 패턴에 주입이 가능한 나노 사이즈의 크기로 물질로서 전도성을 갖는 물질로 구성된다. 상기 금속 배선으로 사용 가능한 배선용 전도성 물질로는, 금속 나노 입자들을 기반으로 한 전도성 잉크 등이 있다. 상기 금속 나노 입자는 Ag, Ni, Cu 등과 같은 금속의 나노 입자 등이 사용될 수 있다. 상기 전도성 잉크는 금속 나노 입자들이 용매(solvent)에 분산되어 있으며, 기판 등과의 결합을 위한 가교제가 포함되어 있다.

상기 광 흡수층(120)은 블랙(black) 특성을 갖는 광반응성 물질로 구성되며, 용액화된 고분자 물질에 블랙 특성을 갖는 염료 또는 안료가 혼합된 상태의 물질로 이루어진다.

상기 광 흡수층을 구성하는 고분자 물질은 용액 공정이 가능하며 UV 대역 광 조사시 반응하여 선택적으로 습식 식각(wet etching)될 수 있는 고분자 물질이어야 한다. 용액 공정이 가능한 상기 고분자 물질로는 포지티브 포토레지스트(positive photoresist) 물질을 사용하거나, 습식 식각이 가능한 고분자 물질에 UV 대역의 광반응성 물질이 혼합된 물질을 사용할 수 있다. 상기 습식 식각이 가능한 고분자 물질로는 폴리이미드(Polyimide;'PI'), 폴리메틸메타크릴레이드(Polymethylmethacrylate;'PMMA'), 폴리하이드록시 부티레이트(Polyhydroxybutyrate;'PHB') 등이 있으며, 상기 UV 대역의 광 반응성 물질로는 벤조페논(benzophenone) 등이 있다. 상기 광 흡수층을 구성하는 블랙 특성을 가지는 염료 또는 안료로는, 카본 블랙(Carbon black), 아미도 블랙(Amido black), 1,5-비스-(4-부틸-페닐아미노)-안트라퀴논(1,5- bis-(4-butyl-phenylamino)-anthraquinone) 등이 선택적으로 사용될 수 있다.

따라서, 광 흡수층을 구성하는 물질의 일 예로서, 포지티브 포토레지스트에 카본 블랙이 혼합된 용액이 사용될 수 있다.

한편, 상기 투명 전극은 블랙 특성을 갖는 상기 광 흡수층에 의해 그 투과도가 감소되어서는 안된다. 따라서, 광 흡수층의 형성에 의한 투명 전극의 투과도 감소를 방지하기 위하여, 광 흡수층과 금속 배선이 정확하게 정렬(align)되어야 하며, 또한 광 흡수층은 자연광은 흡수하면서 투명 전극의 투과도 특성에는 영향을 미치지 않는 두께로 금속 배선의 격벽 등에 형성되어야 한다.

이하, 도 3을 참조하여, 본 실시예에 따른 투명 전극 제조 방법에 대하여 구체적으로 설명한다. 도 3은 본 발명의 제1 실시예에 따른 투명 전극 제조 방법을 설명하기 위하여, 제조 방법을 순차적으로 도시한 모식도들이다.

도 3을 참조하면, 먼저 기판(100)위에 광 흡수층(120)을 형성하기 위한 블랙 특성을 갖는 광 반응성 물질을 도포하여 버퍼층(120')을 형성한다(a). 기판(100) 및 블랙 특성을 갖는 광 반응성 물질은 투명 전극에서 설명한 바와 동일하다. 상기 버퍼층(120')은 후술되는 공정들에 의해 최종적으로 박막 형태의 광 흡수층(120)을 구성하게 된다.

다음, 버퍼층(120')에 메쉬 패턴(mesh pattern)이 형성된 탄성 스탬프(105)를 사용하여 임프린팅(Imprinting)함과 동시에 열처리를 진행하여 버퍼층(120')에 메쉬 패턴을 형성한다(b). 상기 열처리는 버퍼층의 용매를 제거하고 및 고형화를 유도하기 위한 것이다. 따라서, 상기 열처리의 온도 조건은 포토 레지스트의 soft baking 온도보다 낮아야 하며 버퍼층의 용매의 제거가 가능해야 하므로, 약 80℃ 정도가 적당하다. 그 결과, 기판(100)위에 메쉬 패턴이 형성된 버퍼층(120")이 완성된다(c).

탄성 스탬프(Elastomer stamp)는 탄성을 갖는 고분자 물질로 구성될 수 있으며, 그 예로서 폴리디메틸실록산(Polydimethylsiloxane;'PDMS'), 폴리우레탄 아크릴레이트(Polyurethane acrylate;'PUA') 등이 사용될 수 있다. 또한, 탄성 스탬프에 형성된 패턴 구조는 메쉬 타입(Mesh type)으로서, 패턴의 폭(width)과 높이(height)는 자유 자재로 제어 가능하도록 구성한 것이 바람직하다. 본 발명에 따른 금속 배선을 구성하기 위한 탄성 스탬프는, 금속 배선 선폭은 1,2,3,4 ㎛이며, 배선 간의 주기는 공극과 배선 선폭의 합으로 이루어지게 되는데 202 ㎛로 고정하여 실시할 수 있다. 또한 배선의 두께의 경우 0.5, 1, 1.5, 2 ㎛로 실시할 수 있다,

다음, 버퍼층(120")의 메쉬 패턴(105)에 배선용 전도성 용액을 주입하여 금속 배선(110)을 형성한다(d). 배선용 전도성 용액은 인쇄 공정이 가능하고 나노 사이즈의 입자로 구성되어 버퍼층에 형성된 메쉬 패턴에 주입이 가능하며 전기 전도성을 갖는 물질로 구성된다. 상기 배선용 전도성 용액으로는 금속 나노 입자 기반의 전도성 잉크 등이 사용될 수 있다. 전도성 잉크는 Ag, Ni, Cu와 같은 금속 나노 입자가 분산된 잉크 등이 사용될 수 있다. 한편, 배선용 전도성 용액을 메쉬 패턴에 주입시키기 위하여 Blade Method 를 적용할 수 있다.

다음, 1차 열 소결 처리한다(e). 1차 열 소결은 배선용 전도성 용액을 기판 또는 버퍼층에 흡착시키고 배선용 전도성 용액의 용매를 제거하고 고형화를 유도하기 위한 것이다. 따라서, 1차 열 소결 온도는 배선용 전도성 용액의 가교제(binder) 물질이 버퍼층과의 흡착을 유도할 수 있는 온도이상이어야 하며, 배선용 전도성 용액의 용매 제거가 가능한 온도이어야 한다. 만약, 버퍼층으로 포토 레지스트를 사용하는 경우, soft-baking 온도에서 1차 열 소결 처리할 수 있으며, 약 110℃ ~ 130 ℃ 정도가 가능하다.

한편, 버퍼층은 1차 열소결후에 진행될 UV 광조사에 의한 광분해 유도 및 식각 공정을 위해서, 1차 열소결 처리온도는 버퍼층을 구성하는 물질들의 완전한 결합이 유도되는 온도보다 낮아야 한다. 예컨대, 버퍼층이 포토레지스트로 구성되는 경우, 상기 1차 열소결 처리 온도는 추후 식각 공정에 의해 배선이 영향을 받지 않게 하기 위해 주입된 배선용 전도성 용액의 용매 제거 및 고형화를 위한 soft-baking 온도가 바람직하며, 특히 포토레지스트의 완전한 결합이 유도되는 hard-baking 온도 조건보다는 반드시 낮아야 한다.

1차 열소결 처리시에 있어서, 금속 배선을 구성하는 금속 물질의 높은 열전도 특성에 의하여 금속 배선에 인접한 주변 영역에 국부적으로 고온의 열처리가 진행된다. 그 결과, 배선 주변 영역에 위치한 버퍼층은 국부적인 고온의 열처리에 의하여 열변성이 발생하여 결합력이 강해지게 되고, 그 결과 UV 광조사되더라도 광분해가 발생하지 않아 식각 공정에서 식각되지 않고 잔존하게 된다. 또한, 1차 열소결 처리시에, 금속 배선을 구성하는 배선용 전도성 용액에 포함된 가교제와 배선 주변 영역에 위치한 버퍼층이 서로 흡착됨에 따라, 광원 조사후 식각 공정이 진행되더라도 배선 주변부에는 버퍼층이 얇게 잔존하여 박막 형태의 광 흡수층을 형성하게 된다.

다음, 금속 배선을 마스크로 하여 버퍼층(120")에 UV 대역의 광 조사하여 버퍼층(120")의 광분해를 유도한다(f). 이 때, 메쉬 패턴에 주입된 배선용 전도성 용액으로 형성된 금속 배선이 마스크(mask)로서의 기능을 수행하여, 버퍼층 중 금속 배선에 의해 노출되지 아니한 영역은 광분해되지 아니하며, 노출된 영역은 광분해된다. 즉, 금속 배선을 마스크로 하여 광조사함에 따라, 금속 배선에 self-align된 광 흡수층을 금속 배선의 하부면에 형성할 수 있게 된다.

다음, 광분해된 버퍼층을 습식 식각한다(g). 이때, 금속 배선의 하부와 격벽에 위치한 버퍼층은 광분해되지 않았기 때문에, 식각 공정에 의해 식각되지 않고 금속 배선(110)의 하부와 격벽에 잔존하여 박막 형태의 광 흡수층(120)을 형성하게 된다.

다음, 투명 전극의 전도도 향상을 위하여 2차 열소결 처리한다(h). '소결(sintering)'이란 분체가 외부로부터 강한 에너지를 받을 경우 분체 입자 간에 결합이 일어나서 응고하는 현상을 일컫는다. 금속 나노입자들로 구성된 전도성 잉크의 경우 소결 과정을 거치면 단순히 금속 나노 입자들이 서로 결합하여 입자 사이즈가 커져 이상적으로 공극이 존재하지 않는 형태로 변할 뿐만 아니라, 분산 안정성을 향상시키기 위해 금속 나노입자의 표면에 코팅된 물질이 분해되어 사라지게 되므로, 전도도 특성을 극대화시킬 수 있게 된다. 2차 열소결 처리는 투명 전극 물질을 소결시킬 수 있는 온도이면서, 버퍼층을 구성하는 물질의 녹는점(melting temperature)이하의 온도이어야 하므로, 약 180℃ ~ 200 ℃ 정도에서 가능하다.

이하, 도 4 내지 도 6을 참조하여, 본 발명에 따른 투명 전극 제조 방법에 사용된 일부 공정을 보다 구체적으로 설명한다.

도 4는 본 발명에 따른 투명 전극 제조 방법에 있어서, 광 흡수층이 UV 광조사시 금속 배선에 self-align되어 형성되는 공정을 설명하기 위하여 도시한 개념도이다. 도 4를 참조하면, 금속 배선이 형성된 버퍼층에 대해 UV 광조사하는 경우, 금속 배선이 없는 영역의 버퍼층(도 4의 영역 A)만이 UV 광원에 노출되어 광분해되며, 광분해된 버퍼층은 선택적 식각됨에 따라, 금속 배선의 하부면의 버퍼층(도 4의 영역 B)만이 잔존하게 된다.

또한, 1차 열소결시에, 금속 물질의 우수한 열전도 특성에 의하여 금속 배선에 인접한 버퍼층에 국부적으로 고온의 열처리가 진행되고, 그 결과 금속 배선의 주변부의 버퍼층에 국부적으로 열변성이 발생되어 결합력이 향상된다. 도 5는 본 발명에 따른 투명 전극 제조 방법에 있어서, 배선 주변 영역의 버퍼층의 결합력이 향상된 것을 설명하기 위하여 도시한 개념도이다. 도 5의 (a)를 참조하면, 1차 열소결 처리시에, 배선 주변의 버퍼층이 국부적으로 발생된 고온의 열처리에 의하여, 배선 주변의 버퍼층이 국부적으로 열변성되어 결합력이 향상되고 , 결합력 향상에 의해 UV 광조사시 광분해가 유도되지 않는다. 그 결과, 도 5의 (b)에 도시된 바와 같이, 버퍼층이 선택적 식각되는 과정에서, 결합력이 향상된 금속 배선의 격벽에 위치한 버퍼층(도 5의 영역 C )은 식각되지 않고 잔존하여 박막 형태의 광 흡수층을 형성하게 된다.

또한, 1차 열소결시에, 금속 배선을 구성하는 배선용 전도성 용액의 가교제 물질과 버퍼층의 구성 물질이 서로 흡착된다. 도 6은 본 발명에 따른 투명 전극 제조 방법에 있어서, 1차 열소결 처리시에 가교제와 버퍼층의 구성 물질이 서로 흡착됨에 따라 식각 공정에서도 상기 흡착된 영역이 식각되지 않고 잔존하게 되는 것을 설명하기 위하여 도시한 개념도이다. 도 6을 참조하면, 1차 열 소결시에 금속 배선의 가교제와 배선 주변 영역의 버퍼층의 구성 물질이 서로 흡착됨에 따라, 광조사후 선택적 식각 공정이 진행되더라도 배선의 격벽에 위치한 버퍼층은 식각되지 않고 잔존하여 박막 형태의 광 흡수층을 형성하게 된다.

제2 실시예

본 발명의 제2 실시예에 따른 광반사도가 낮은 투명 전극 구조는 금속 배선의 상부면, 하부면 및 격벽에 광 흡수층이 형성된 것을 특징으로 한다.

도 7은 본 발명의 제2 실시예에 따른 광반사도가 낮은 투명 전극 구조를 도시한 사시도 및 단면도이다. 도 7을 참조하면, 본 실시예에 따른 투명 전극 구조(2)는 제1 실시예의 투명 전극 구조와 동일하며, 다만 금속 배선(210)의 하부면 및 격벽 뿐만 아니라, 상부면에도 광 흡수층(220)이 형성되어 있다는 점에서만이 제1 실시예의 투명 전극 구조와 차이가 있다.

도 8은 본 발명의 제2 실시예에 따른 투명 전극 구조의 제조 공정을 순차적으로 도시한 모식도이다. 도 8을 참조하면, 본 실시예에 따른 투명 전극 제조 공정은 제1 실시예의 제조 공정과 전체적으로 동일하며, 다만 버퍼층(220")의 메쉬 패턴에 배선용 전도성 용액을 주입하여 금속 배선(210)을 형성한 후, 그 상부에 블랙 특성을 갖는 광반응성 물질(230)을 도포하여 추가의 버퍼층을 형성하는 단계를 더 구비한다는 점에서만이 제1 실시예의 제조 공정과 차이가 있다(도 8의 e 단계). 금속 배선위에 블랙 특성을 갖는 광반응성 물질을 더 도포하기 위하여 스핀 코팅(spin coating), 바 코팅(bar coating), 딥 코팅(deep coating)공정 등을 이용할 수 있다.

본 실시예에 따른 투명 전극 제조 방법에 따라, 금속 배선(210)의 상부면, 하부면 및 격벽에 블랙 특성을 갖는 광 흡수층(220)이 형성된다.

제3 실시예

본 발명의 제3 실시예에 따른 투명 전극 및 그 제조 방법에 대하여 구체적으로 설명한다. 본 실시예에 따른 투명 전극은 금속 나노 와이어들의 하부면에 얇은 두께의 광 흡수층이 형성된 것을 특징으로 한다.

도 9는 본 발명의 제3 실시예에 따른 투명 전극을 도시한 사시도 및 단면도이다. 도 9를 참조하면, 본 실시예에 따른 투명 전극(3)은 기판(300), 금속 나노 와이어들로 이루어진 금속 나노 와이어층(310), 금속 나노 와이어들의 하부면에 형성된 광 흡수층(320)을 구비한다.

상기 기판(300) 및 광 흡수층(320)은 제1 실시예의 투명 전극의 그것들과 동일하므로 중복되는 설명은 생략한다.

상기 금속 나노 와이어층(310)은 Au, Ag 등과 같은 전기 전도성이 우수한 금속이 나노 와이어 구조의 상태로 광 흡수층위에 도포된 것이다.

한편, 상기 투명 전극은 블랙 특성을 갖는 상기 광 흡수층에 의해 그 투과도가 감소되어서는 안된다. 따라서, 광 흡수층의 형성에 의한 투명 전극의 투과도 감소를 방지하기 위하여, 광 흡수층과 금속 나노 와이어들이 정확하게 정렬(align)되어야 하며, 또한 광 흡수층은 자연광은 흡수하면서 투명 전극의 투과도 특성에는 영향을 미치지 않는 두께로 금속 나노 와이어의 주변부에 형성되어야 한다.

이하, 도 10을 참조하여, 본 실시예에 따른 투명 전극 제조 방법에 대하여 구체적으로 설명한다. 도 10은 본 발명의 제3 실시예에 따른 투명 전극 제조 방법을 설명하기 위하여, 제조 방법을 순차적으로 도시한 모식도들이다.

도 10을 참조하면, 먼저 기판(300)위에 광 흡수층(320)을 형성하기 위한 블랙 특성을 갖는 광 반응성 물질을 도포한 뒤 상기 광반응성 물질에 대한 용매 제거와 고형화를 유도하기 위해 열처리하여 버퍼층(320')을 형성한다(a). 기판(300) 및 블랙 특성을 갖는 광 반응성 물질은 투명 전극 구조에서 설명한 바와 동일하다.

다음, 버퍼층(320')에 금속 나노 와이어 분산액(310)을 도포한다(b). 상기 금속 나노 와이어 분산액은 Au, Ag 등과 같이 전기 전도성이 우수한 금속이 나노 와이어의 상태로 분산되어 있는 용액으로서, 스핀 코팅(spin coating), 바 코팅(bar coating), 블레이드 방법(blade method) 등을 사용하여 버퍼층(320')위에 도포될 수 있다.

다음, 1차 열 소결 처리한다(c). 1차 열 소결은 금속 나노 와이어를 기판 또는 버퍼층에 흡착시키고 금속 나노와이어 분산액의 용매를 제거하기 위한 것이다. 따라서, 1차 열 소결 온도는 금속 나노 와이어 분산 용액의 용매 제거가 가능하며 버퍼층과 흡착이 유도되는 온도이어야 한다.

한편, 버퍼층은 1차 열소결후에 진행될 UV 광조사에 의한 광분해 유도 및 식각 공정을 위해서, 1차 열소결 처리온도는 버퍼층을 구성하는 물질들의 완전한 결합이 유도되지 않는 온도 이하이어야 한다. 예컨대, 버퍼층이 포토레지스트로 구성되는 경우, 상기 1차 열소결 처리 온도는 포토레지스트의 광경화후 습식 식각 공정을 위해 soft-baking 온도가 바람직하며, 특히 포토레지스트의 완전한 결합이 유도되는 hard-baking 온도 조건보다는 반드시 낮아야 한다.

1차 열소결 처리시에 있어서, 금속 나노 와이어를 구성하는 금속 물질의 높은 열전도도 특성에 의하여 금속 나노 와이어의 하부면에 국부적으로 고온의 열처리가 진행된다. 그 결과, 금속 나노 와이어의 하부면에 위치한 버퍼층의 구성 물질들은 국부적인 고온의 열처리에 의하여 국부적인 열변성이 발생되어 결합력이 강해지게 되고, 그 결과 UV 광조사된 후 식각 공정이 진행되더라도 해당 영역의 버퍼층은 식각되지 않고 잔존하여 박막 형태의 광 흡수층을 형성하게 된다.

다음, 금속 나노 와이어들을 마스크로 하여 버퍼층으로 UV 대역의 광 조사하여 버퍼층(120")의 광분해를 유도한다(d). 이 때, 버퍼층에 대한 UV 광 조사시, 금속 나노 와이어들이 마스크(mask)로서의 기능을 수행하여, 버퍼층 중 금속 나노 와이어에 의해 노출되지 아니한 영역은 광분해되지 아니하며, 노출된 영역만이 광분해된다. 즉, 금속 나노 와이어를 마스크로 하여 광조사함에 따라, 금속 나노 와이어의 하부면에 self-align된 광 흡수층을 형성할 수 있게 된다.

다음, 광분해된 버퍼층을 습식 식각한다(e). 이때, 금속 나노 와이어에 의해 광분해되지 아니한 금속 나노 와이어의 하부면에 위치한 버퍼층은, 식각 공정이 진행되더라도 식각되지 않고 금속 나노 와이어(310)의 하부면에 잔존하여 박막 형태의 광 흡수층(320)을 형성하게 된다.

다음, 투명 전극의 전도도 향상을 위하여 2차 열소결 처리한다. '소결(sintering)'이란 분체가 외부로부터 강한 에너지를 받을 경우 분체 입자 간에 결합이 일어나서 응고하는 현상을 일컫는다. 금속 나노 와이어들이 소결 과정을 거치면 나노와이어 분산을 위한 와이어에 코팅된 capping 층이 완전히 제거되고, 이에 따라 교차 지점에서 서로 접합 및 결합하게 되므로, 전도도 특성을 극대화시킬 수 있게 된다.

제4 실시예

본 발명의 제4 실시예에 따른 광반사도가 낮은 투명 전극 구조는 금속 나노 와이어의 상부면, 하부면 및 격벽에 광 흡수층이 형성된 것을 특징으로 한다.

도 11은 본 발명의 제4 실시예에 따른 광반사도가 낮은 투명 전극 구조를 도시한 사시도 및 단면도이다. 도 11을 참조하면, 본 실시예에 따른 투명 전극 구조(4)는 제3 실시예의 투명 전극 구조와 동일하며, 다만 금속 나노 와이어층(410)을 구성하는 금속 나노 와이어들의 하부면 뿐만 아니라 격벽 및 상부면에도 광 흡수층(420)이 형성되어 있다는 점에서만이 제3 실시예의 투명 전극 구조와 차이가 있다.

도 12는 본 발명의 제4 실시예에 따른 투명 전극 구조의 제조 공정을 순차적으로 도시한 모식도이다. 도 12를 참조하면, 본 실시예에 따른 투명 전극 제조 공정은 제3 실시예의 제조 공정과 전체적으로 동일하며, 다만, 버퍼층위에 금속 나노 와이어 분산액을 도포한 후, 그 상부에 블랙 특성을 갖는 광반응성 물질을 도포하여 추가의 버퍼층을 형성하는 단계를 더 구비한다는 점에서만이 제3 실시예의 제조 공정과 차이가 있다(도 12의 c 단계). 금속 나노 와이어 층위에 블랙 특성을 갖는 광반응성 물질을 더 도포하기 하기 위하여 스핀 코팅(spin coating), 바 코팅(bar coating), 딥 코팅(deep coating)공정 등을 이용할 수 있다.

본 실시예에 따른 투명 전극 제조 방법에 따라, 금속 나노 와이어들로 구성된 금속 배선의 상부면, 하부면 및 격벽에 블랙 특성을 갖는 광 흡수층이 형성된다.

도 13은 본 발명의 제4 실시예에 따른 투명 전극 제조 방법에 있어서, 금속 배선의 격벽, 상/하부면에 광 흡수층이 형성되는 과정을 설명하기 위하여 도시한 개념도이다. 도 13을 참조하면, 금속 나노 와이어층의 상부 및 하부에 전체적으로 버퍼층이 형성된 후 1차 열소결 처리함에 따라, 금속 나노 와이어들의 높은 열전도 특성에 의해 금속 나노 와이어들의 주변 영역에 위치한 버퍼층은 경화 정도가 증대되고, 그 나머지 영역의 버퍼층은 경화되지 않게 된다.

이상에서 본 발명에 대하여 그 바람직한 실시예를 중심으로 설명하였으나, 이는 단지 예시일 뿐 본 발명을 한정하는 것이 아니며, 본 발명이 속하는 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성을 벗어나지 않는 범위에서 이상에 예시되지 않은 여러 가지의 변형과 응용이 가능함을 알 수 있을 것이다. 그리고, 이러한 변형과 응용에 관계된 차이점들은 첨부된 청구 범위에서 규정하는 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

본 발명에 따른 투명 전극 및 그 제조 방법은 모바일 기기나 IT 기기의 입력장치인 터치 스크린 패널 등에 널리 사용될 수 있다.

1,2,3,4 : 투명 전극
100, 200, 300, 400 : 기판
110, 210, 310, 410 : 금속 배선
120, 220, 320, 420 : 광 흡수층
120', 120", 220', 220", 320', 420' : 버퍼층
105 : 탄성스탬프

Claims

투명 기판;
상기 투명 기판위에 형성된 금속 재질의 금속 배선;
블랙 특성을 갖는 광반응성 물질로 구성되어 상기 금속 배선의 표면의 전체 또는 일부에 형성된 광 흡수층;
을 구비하고, 상기 광 흡수층은 금속 배선의 하부면에 형성되거나, 금속 배선의 상부면, 하부면 및 격벽에 형성되거나, 금속 배선의 하부면 및 격벽에 형성되어, 금속 배선에 의한 광 반사성을 감소시킨 것을 특징으로 한 금속 물질 기반의 투명 전극.
제1항에 있어서, 상기 금속 배선은 금속 나노 입자를 기반으로 한 전도성 잉크 및 금속 나노 와이어 분산액 중 하나로 구성된 것을 특징으로 한 금속 물질 기반의 투명 전극.
제1항 내지 제2항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 금속 배선은 금속 나노 와이어들로 구성된 것을 특징으로 하는 금속 물질 기반의 투명 전극.
제1항 내지 제2항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 금속 배선은 금속 나노 입자들을 기반으로 한 금속 메쉬(metal mesh) 구조로 형성된 것을 특징으로 하는 금속 물질 기반의 투명 전극.
제1항 내지 제2항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 광 흡수층은 용액 공정이 가능하면서 광 반응성을 갖는 고분자 물질 및 블랙 특성을 갖는 염료나 안료의 혼합 용액으로 구성된 것을 특징으로 하는 금속 물질 기반의 투명 전극.
(a) 투명 기판에 블랙 특성을 갖는 물질을 도포하여 버퍼층을 형성하는 단계;
(b) 상기 버퍼층에 사전 설정된 메쉬 패턴이 형성된 스탬프를 임프린팅함과 동시에 열처리를 하여, 버퍼층에 메쉬 패턴을 형성하는 단계;
(c) 상기 버퍼층의 메쉬 패턴에 배선용 전도성 용액을 주입하여, 메쉬 구조의 금속 배선을 형성하는 단계;
(d) 1차 열 소결 처리하여 배선용 전도성 용액의 용매를 제거하고 고형화하는 단계;
(e) 상기 금속 배선을 마스크로 하여 상기 버퍼층에 UV 광조사하는 단계;
(f) 금속 배선에 의해 self-masking 되어 광조사된 상기 버퍼층을 식각하여 금속 배선의 격벽 및 하부면에 광 흡수층을 형성하는 단계;
를 구비하는 금속 물질 기반의 투명 전극 제조 방법.
제6항에 있어서, 상기 (c) 단계이후, 메쉬 구조의 금속 배선의 상부 표면에 추가의 버퍼층을 형성하는 단계를 더 구비하고,
상기 (f) 단계는 상기 금속 배선의 상부면, 하부면 및 격벽에 광 흡수층을 형성하는 것을 특징으로 하는 금속 물질 기반의 투명 전극 제조 방법.
(a) 투명 기판에 블랙 특성을 갖는 물질을 도포함과 동시에 열처리하여 버퍼층을 형성하는 단계;
(b) 상기 버퍼층의 표면에 금속 나노 와이어 분산액을 도포하여 금속 나노 와이어 층을 형성하는 단계;
(c) 1차 열 소결 처리하여 금속 나노 와이어층을 버퍼층에 접착시키는 단계;
(d) 금속 나노 와이어층을 마스크로 하여 상기 버퍼층으로 UV 광조사하는 단계;
(e) 금속 나노 와이어층에 의해 self-masking되어 광조사된 상기 버퍼층을 식각하여 금속 나노 와이어들의 하부면에 광 흡수층을 형성하는 단계;
를 구비하는 금속 물질 기반의 투명 전극 제조 방법.
제8항에 있어서, 상기 (b) 단계 이후, 금속 나노 와이어 층의 상부 표면에 블랙 특성을 갖는 물질을 도포하여 추가의 버퍼층을 형성하는 단계를 더 구비하고,
상기 (e) 단계는 금속 나노 와이어들의 하부면, 상부면 및 격벽에 광 흡수층을 형성하는 것을 특징으로 하는 금속 물질 기반의 투명 전극 제조 방법.
제6항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 버퍼층은,
용액 공정이 가능하면서 광 반응성을 갖는 고분자 물질 및 블랙 특성을 갖는 염료나 안료의 혼합 용액으로 구성된 것을 특징으로 하는 금속 물질 기반의 투명 전극 제조 방법.
제6항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 1차 열 소결 처리하는 단계의 열 소결 온도는 상기 버퍼층이 UV 광 조사에 의해 열변성이 일어날 수 있는 상태를 유지할 수 있으며 금속 배선의 용매를 제거하고 고형화를 유도할 수 있는 온도인 것을 특징으로 하는 금속 물질 기반의 투명 전극 제조 방법.
제6항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 배선용 전도성 용액은 인쇄 공정이 가능하며 메쉬 패턴에 주입가능한 나노 사이즈의 물질로서 전기 전도성을 갖는 물질로 구성된 것을 특징으로 하는 금속 물질 기반의 투명 전극 제조 방법.
제6항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 1차 열 소결 처리하는 단계의 열 처리 온도는 배선용 전도성 용액의 가교제 물질과 금속 배선에 인접한 버퍼층이 서로 흡착되는 온도이면서, 상기 버퍼층이 UV 광 조사에 의해 열변성이 일어날 수 있는 상태를 유지할 수 있는 온도인 것을 특징으로 하는 금속 물질 기반의 투명 전극 제조 방법.
제6항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 버퍼층을 식각하여 금속 배선의 표면에 광 흡수층을 형성한 후 2차 열소결 처리하는 단계를 더 구비하여, 금속 배선의 전도도를 향상시키는 것을 특징으로 하는 금속 물질 기반의 투명 전극 제조 방법.
제14항에 있어서, 상기 2차 열 소결 처리하는 단계의 열 처리 온도는 버퍼층을 구성하는 물질의 녹는점(melting temperature)이하의 온도인 것을 특징으로 하는 금속 물질 기반의 투명 전극 제조 방법.