KR101675201B1 - 지지체를 이용한 은나노와이어 투명전극 제조방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 패턴이 형성된 지지체를 구비하는 기능층을 제조하는 단계(제1단계); 은나노와이어가 분산 코팅된 기반층을 제조하는 단계(제2단계); 및 상기 기능층을 롤러에 감아서 기반층과 면접시키고, 롤러를 회전하여 상기 지지체의 표면에 은나노와이어를 전사시키는 단계(제3단계);를 포함하는 패턴이 형성된 투명전극 제조방법을 제공한다.
따라서 은나노와이어를 포함하는 잉크를 이용하여 플렉시블 지지체 상에 은나노와이어를 전사하므로, 원하는 형상으로 투명전극을 제조할 수 있으며, 선형 또는 면형의 일정한 형상을 가지는 패턴이 형성된 투명전극을 제조할 수 있다. 다양한 형상의 투명전극은 유연전자 소자 및 태양전지에 응용될 수 있으며, 은나노와이어를 직접 도포하는 과정을 대체하여 고가의 은나노와이어의 사용량을 감소시킬 수 있다.

Description

지지체를 이용한 은나노와이어 투명전극 제조방법{Preparing method of transparent electrode having silver nanowires using support}
본 발명은 은나노와이어를 이용하여 투명전극을 제조하는 방법에 관한 것으로서 보다 상세하게는 패턴을 가지는 투명전극을 제조하는 방법에 관한 것이다.
일반적으로 전극은 여러 분야에 널리 사용되고 있다. 전극의 역할은 각 전기소자로 전하를 전달함으로써 각 전기소자를 구동하는 에너지 전달 역할을 수행한다. 따라서 가능한 한 낮은 비저항과 안정성을 가지는 것이 필수적이다. 일반적으로 은, 구리 등의 금속이 전극을 이루는 주요 소재이며, 디스플레이 분야에서는 특별히 투명전극(ITO 등)이 사용되고 있다.
투명전극은 통상 80% 이상의 고투명도와 면저항 500 Ω/sqm 이하의 전도도를 갖는 전자 부품으로 LCD 전면 전극, OLED 전극 등 디스플레이, 터치스크린, 태양전지, 광전자 소자 등 전자분야에 광범위하게 사용되는 기술이다. 특히 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; 이하'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, 탄소나노튜브(Carbon Nano Tube; 이하'CNT'), 전도성 폴리머, 및 그래핀(graphene)과 같은 대안들이 개발되고 있다. 그러나 이들 대안적인 물질들은 고투명성, 고전도성, 균일한 전도도 및 기판과의 높은 접착성과 같은 필요조건들을 모두 충족시키지는 못한다.
한편 ITO와 CNT가 주도하는 투명전극 기술시장은 투명필름에 구리 같은 불투명도체가 아닌 투명전극도체를 만들어 많은 기능을 구현하고 있다. 기존 터치스크린패널(Touch Screen Panel; TSP)에 적용된 ITO 전극 소재는 유연성이 약해 휘거나 곡면인 플렉시블 디스플레이에 사용하기 어렵기 때문에 ITO 필름을 대체할 차세대 신소재로 그래핀(Graphene), CNT, 은나노와이어(Ag nanowires) 등이 주목받고 있다.
은 나노 와이어는 고전도성을 가지며 전기 전도성을 보유한 전극의 소재로 사용되고 있다. 하지만 은나노와이어의 경우, 매우 고가이며, 선 또는 면의 일정한 패턴을 가지는 투명전극을 제조하는 방법은 개시된 바가 없다.
대한민국 특허 제1323764호에서는 핫 엠보싱 후 그라비어인쇄 처리된 투명전극필름의 면상으로 에어 분사와 전기 방사가 동시에 적용될 수 있는 투명전극필름제조방법에 관하여 개시하나, 핫 엠보싱 방법으로 격자형상의 패턴 홈을 형성하는 방법을 개시하였을 뿐 유연성 기판을 포함하여 기반 금속 배선을 이용한 투명전극 의 제조방법에 대해서는 개시된 바가 없다.
본 발명은, 은나노와이어 또는 은나노입자를 포함하는 잉크를 이용하여 선형 또는 면형의 일정한 형상을 가진 패턴이 형성된 투명전극 제조방법을 제공하는데 목적이 있다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 패턴이 형성된 지지체를 구비하는 기능층을 제조하는 단계(제1단계); 은나노와이어가 분산 코팅된 기반층을 제조하는 단계(제2단계); 및 상기 기능층을 롤러에 감아서 기반층과 면접시키고, 롤러를 회전하여 상기 지지체의 표면에 은나노와이어를 전사시키는 단계(제3단계);를 포함하는 패턴이 형성된 투명전극 제조방법을 제공한다.
또한 상기 기능층을 제조하는 단계는, 기판을 준비하고 음각으로 식각하여 패턴을 형성하는 단계, 상기 패턴에 고분자물질을 도포하고, 닥터 블레이드를 이용하여 패턴의 형상만 남기고 제거하여 지지체를 제조하는 단계, 및 롤러에 유연성 기판을 감아서 상기 지지체와 면접시키고, 롤러를 회전하여 유연성 기판에 지지체를 접합시켜 기능층을 제조하는 단계를 포함할 수 있다.
또한 상기 고분자물질은 폴리비닐피놀리돈(polyvinylpyrrolidone; PVP), 폴리디메틸실록산(polydimethylsiloxane; PDMS), 및 폴리비닐아세테이트polyvinylacetate; PVA)로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나일 수 있다.
여기서 상기 고분자물질은 중량평균분자량이 10,000 내지 3,600,000 일 수 있다.
또한 상기 유연성 기판은, 폴리에틸렌 테레프탈레이트(polyethylene terephthalate; PET), 폴리카보네이트(polycarbonate; PC), 및 폴리프로필렌(polypropylene; PP), 폴리에틸렌(polyethylene; PE), 폴리스타일렌(polystyrene; PS), 및 폴리비닐클로라이드(polyvinyl chloride; PVC)으로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나일 수 있다.
또한 상기 기판은 구리(Cu), 유리(glass), 니켈(Ni) 및 폴리디메틸실록산(polydimethylsiloxane; PDMS)으로 이루어진 군에서 선택된 어느 어느 하나일 수 있다.
본 발명은 은나노와이어를 포함하는 잉크를 이용하여 플렉시블 지지체 상에 은나노와이어를 전사하므로, 원하는 형상으로 투명전극을 제조할 수 있으며, 선형 또는 면형의 일정한 형상을 가지는 패턴이 형성된 투명전극을 제조할 수 있다. 다양한 형상의 투명전극은 유연전자 소자 및 태양전지에 응용될 수 있으며, 은나노와이어를 직접 도포하는 과정을 대체하여 고가의 은나노와이어의 사용량을 감소시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 패턴이 형성된 투명전극 제조방법의 공정을 나타낸 모식도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 패턴이 형성된 투명전극 제조방법의 공정 흐름도이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 패턴이 형성된 투명전극 제조방법의 기능층을 제조하는 단계를 나타낸 공정흐름도이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 패턴이 형성된 투명전극의 전자현미경(scanning electron microscopy; SEM) 사진이다.
본 발명자는 투명전극에 사용되는 인듐주석산화물(indium tin oxide; 이하'ITO')을 대체하기 위하여 은나노와이어를 포함한 투명전극의 제조방법을 연구하던 중에 은나노와이어를 포함하는 잉크를 먼저 제조하고, 그라비어 인쇄(gravure imprint) 방법을 사용하여 음각으로 식각된 기판에 도포한 이후에 플렉시블 기능층에 전사하는 방법으로 투명전극을 제조하는 경우에 선 또는 면형의 투명전극을 다양한 패턴으로 형성할 수 있는 것을 확인하여 본 발명을 완성하였다.
이하, 본 발명을 보다 상세하게 설명한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 패턴이 형성된 투명전극 제조방법의 공정을 나타낸 모식도이고, 도 2는 본 발명의 실시예에 따른 패턴이 형성된 투명전극 제조방법의 공정 흐름도이며, 도 3은 본 발명의 실시예에 따른 패턴이 형성된 투명전극 제조방법의 기능층을 제조하는 단계를 나타낸 공정흐름도이다.
도면을 참조하면, 본 발명은 패턴이 형성된 지지체를 구비하는 기능층을 제조하는 단계(제1단계); 은나노와이어가 분산 코팅된 기반층을 제조하는 단계(제2단계); 및 상기 기능층을 롤러에 감아서 기반층과 면접시키고, 롤러를 회전하여 상기 지지체의 표면에 은나노와이어를 전사시키는 단계(제3단계)를 포함하는 패턴이 형성된 투명전극 제조방법을 제공한다.
상기 기능층을 제조하는 단계는, 기판을 준비하고 음각으로 식각하여 패턴을 형성하는 단계, 상기 패턴에 고분자물질을 도포하고, 닥터 블레이드를 이용하여 패턴의 형상만 남기고 제거하여 지지체를 제조하는 단계, 및 롤러에 유연성 기판을 감아서 상기 지지체와 면접시키고, 롤러를 회전하여 유연성 기판에 지지체를 접합시켜 기능층을 제조하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 기판은 구리(Cu), 유리(glass), 니켈(Ni) 및 폴리디메틸실록산(polydimethylsiloxane; PDMS)으로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나일 수 있으며, 그라비어 인쇄 방법에 따라 음각으로 식각할 수 있고, 상기 고분자물질과 반응하지 않는 패턴을 형성할 수 있는 모든 기판이 사용될 수 있다.
상기 기판에 음각으로 식각하는 경우에는 투명기판에 설정된 패턴에 따라 식각하여 오목 홈(intaglio trench)을 형성하고, 상기 오목 홈에 고분자 물질을 도포할 수 있다.
상기 기판을 식각하는 경우에 다양한 패턴을 형성할 수 있으므로, 상기 패턴에 따라 투명전극은 선형 또는 면형의 패턴이 형성될 수 있다. 따라서 본 발명의 일 실시예에 따른 투명전극의 패턴은 일정한 선폭과 배선 사이 간격을 가질 수 있다.
상기 음각으로 식각하여 형성된 패턴에 고분자물질을 도포할 수 있다.
상기 고분자물질은 폴리비닐피놀리돈(polyvinylpyrrolidone; PVP), 폴리디메틸실록산(polydimethylsiloxane; PDMS), 및 폴리비닐아세테이트polyvinylacetate; PVA)로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나일 수 있다.
상기 고분자물질은 기능층을 이루는 지지체를 형성하므로 플렉시블(flexible) 고분자의 특성을 가질 수 있다. 상기 고분자물질이 플렉시블하지 않은 경우 접합되는 기능층의 유연성에 문제가 생길 수 있으며, 은나노와이어가 분산 코팅된 기반층에서 은나노와이어가 제대로 전사되지 않는 문제가 발생할 수 있다.
여기서 상기 고분자물질은 중량평균분자량이 10,000 내지 3,600,000 일 수 있다.
상기 그라비어 인쇄 방법은 기판 상측에서 기판에 면접하여 일 측으로 이동하는 닥터 블레이드(doctor blade)를 포함할 수 있다.
상기 닥터 블레이드는 일 측으로 이동하여 고분자 물질을 분산시키면서, 오목 홈을 채울 수 있으며, 오목 홈을 채우고 난 이후에 기판 상에 잔류하는 고분자물질을 기판에서 제거할 수 있다.
상기 닥터 블레이드는 기판에 면접하여 이동하므로 오목 홈을 채우고 있는 고분자물질만 남기고, 기판 상부에 고분자물질을 제거하여 지지체를 제조할 수 있다.
본 발명의 일실시예에 따른 패턴이 형성된 투명전극 제조방법에 있어서 유연성 기판을 감을 수 있는 롤러를 구비할 수 있다.
상기 롤러는 열형 롤러를 사용할 수 있으며, 유연성 기판을 감아서 상기 기판에서 채워져 있는 지지체와 면접하게 된다. 롤러를 회전하여 유연성 기판의 일면과 지지체의 상부면이 가압되어 서로 접합하게 되면 패턴이 형성된 지지체가 구비된 기능층을 제조할 수 있다(제1단계).
상기 유연성 기판은, 폴리에틸렌 테레프탈레이트(polyethylene terephthalate; PET), 폴리카보네이트(polycarbonate; PC), 및 폴리프로필렌(polypropylene; PP), 폴리에틸렌(polyethylene; PE), 폴리스타일렌(polystyrene; PS), 및 폴리비닐클로라이드(polyvinyl chloride; PVC)으로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나일 수 있다.
상기 유연성 기판은 기능층과 함께 투명전극의 유연성을 유지해야 하므로, 플렉시블 고분자로 구비되는 것이 바람직하다.
상기 제2단계에서 은나노와이어가 분산 코팅된 기반층을 제조하기 위해 은나노와이어를 기반층에 스핀코팅할 수 있다.
상기 스핀코팅을 수행하기 위해 잉크를 제조할 수 있다.
상기 잉크에 은나노와이어 및 은나노입자를 첨가할 수 있으며, 은나노와이어를 0.05 내지 5 wt%로 포함할 수 있으며, 상기 고분자물질과 동일한 물질을 0.01 내지 0.2 wt%로 포함할 수 있다.
상기 조건에서 은나노와이어를 기반층에 균일하게 분산 코팅할 수 있으며, 고분자물질과 동일한 물질을 상기 조건으로 포함하는 경우에는 상기 고분자층과 접착력이 증가하여 은나노와이어가 고분자물질로 이루어진 지지체 상에 용이하게 전사될 수 있다.
상기 제2단계에서 스핀코팅(spin-coating), 바코팅(bar-coating), 및 스프레이 코팅(spray-coating)으로 이루어진 군에서 선택된 어느 한가지의 방법으로 은나노와이어를 분산 코팅하는 것이 가능하나, 스핀코팅을 수행하는 경우에 은나노와이어가 기반층에 균일하게 코팅되어 스핀코팅을 수행하는 것이 바람직하다.
상기 기반층은 은나노와이어와 반응하지 않는 유리기판, 고분자기판, 및 금속기판으로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나 일 수 있으며, 기판의 강도가 유리 이상이며, 경직된(rigid) 것이 바람직하여 유리기판을 선택할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 제3단계에서 상기 기능층이 감겨져 있는 롤러를 기반층과 면접시킬 수 있다. 상기 롤러를 회전하여 지지체 표면에 기반층 분산 코팅된 은나노와이어를 전사할 수 있다. 상기 롤러의 압력과 상기 기능층 상에 구비된 지지체의 접착력에 의해 은나노와이어를 용이하게 전사할 수 있다.
상기 제3단계 이후에 롤러를 이탈시켜 패턴이 형성된 투명전극을 얻을 수 있다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 패턴이 형성된 투명전극의 전자현미경(scanning electron microscopy; SEM) 사진이다.
도면을 참조하면, 음각으로 식각한 패턴에 따라 선형상인 PVP 지지체가 나타났고, 차례대로 은나노와이어가 선형으로 형성된 것으로 나타났으며, PVP 지지체 사이에 유연성 기판인 PET가 확인되어 패턴이 형성된 투명전극이 제조된 것을 확인하였다.
본 발명의 일실시예에 따른 패턴이 형성된 투명전극의 제조방법은 다음과 같다.
구리 기판을 준비하여 음각으로 식각하여 패턴을 형성한다. 이 때 미리 준비된 패턴으로 식각하여 오목 홈을 형성할 수 있다. 상기 오목 홈에 고분자물질인 PVP를 도포하고 닥터 블레이드로 밀어서 오목 홈에 PVP만 남기고 기판 상에 잔류된 PVP를 제거한다. 상기 기판에 PVP가 채워진 상태에서 롤러에 유연성 기판인 PET를 감아서 기판과 면접하여 회전시킨다. PVP와 PET는 가압에 의해 서로 접합 되어 PVP를 지지체로 하는 PET 기능층을 제조한다(제1단계).
은나노와이어를 0.2 wt%로 포함하고 있는 잉크를 제조하여 유리로 구비된 기반층에 스핀코팅한다. 이 때 은나노와이어는 기반층 상에 균일하게 분산 코팅된다.
상기 PET 기능층을 롤러에 감아서 기반층과 면접하여 회전시키면, PET 기능층 상의 PVP지지체에 은나노와이어가 전사된다.
상기 롤러에서 권출되는 PET 기능층을 회수하여 패턴이 형성된 투명전극을 제조할 수 있다.
이상으로 본 발명에 따른 패턴이 형성된 투명전극의 제조방법에 따르면 기판을 음각으로 식각하여 패턴을 형성할 수 있으므로, 다양한 패턴을 가지는 투명전극을 연속적인 공정으로 제조할 수 있다. 또한 은나노와이어를 직접분사하여 도포하는 방법이 아니고, 플렉시블 고분자를 이용한 지지체를 패턴을 가지고 형성하고 상기 패턴에만 은나노와이어를 전사하기 때문에 은나노와이어의 사용량을 감소시킬 수 있다.
본 발명은 한정된 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 다른 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의하여 정해져야 할 것이다.

Claims (6)

  1. 패턴이 형성된 지지체를 구비하는 기능층을 제조하는 단계(제1단계);
    2 wt%의 은나노와이어 입자 및 0.01 내지 0.2 wt%의 폴리비닐피놀리돈(polyvinylpyrrolidone; PVP)를 포함하는 잉크를 기반층 상에 떨어뜨린 후 스핀코팅하여 은나노와이어가 분산 코팅된 기반층을 제조하는 단계(제2단계); 및
    상기 기능층을 롤러에 감아서 기반층과 면접시키고, 롤러를 회전하여 상기 지지체의 표면에 은나노와이어를 전사시키는 단계(제3단계);를 포함하며,
    상기 기능층을 제조하는 단계는,
    구리(Cu) 기판을 준비하고 음각으로 식각하여 패턴을 형성하는 단계,
    상기 패턴에 PVP를 도포하고, 닥터 블레이드를 이용하여 패턴의 형상만 남기고 제거하여 지지체를 제조하는 단계, 및
    롤러에 폴리에틸렌 테레프탈레이트(polyethylene terephthalate; PET)를 감아서 상기 지지체와 면접시키고, 롤러를 회전하여 PET에 지지체를 접합시켜 기능층을 제조하는 단계를 포함하는 패턴이 형성된 투명전극 제조방법.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 PVP는 중량평균분자량이 10,000 내지 3,600,000 인 것을 특징으로 하는 패턴이 형성된 투명전극 제조방법.
  5. 삭제
  6. 삭제
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