KR101892919B1 - 투명 하이브리드 전극 및 그 제조방법 - Google Patents

Abstract

투명 하이브리드 전극 및 그 제조방법이 개시된다. 본 발명에 따른 투명 하이브리드 전극의 제조방법은, 그래핀 필름 상에 은 나노와이어를 코팅하고, 은 나노와이어가 함몰되도록 은 나노와이어 상에 자외선 경화성 폴리머를 코팅하고, 자외선 경화성 폴리머가 코팅된 은 나노와이어 측과 기판을 접착한다. 상술한 방법에 따르면, 은 나노와이어가 자외선 경화성 폴리머막층에 함몰되어 있어 은 나노와이어 표면의 거칠기가 개선되므로, 그래핀 필름이 기판에 전사될 때 그 표면이 손상되는 현상과 이로 인해 전극 상에 제작되는 소자가 단락되는 문제점을 해결할 수 있다.

Description

투명 하이브리드 전극 및 그 제조방법{TRANSPARENT HYBRID ELECTRODE AND MANUFACTURING METHOD THEREOF}

본 발명은 투명 하이브리드 전극 및 그 제조방법에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 금속 나노 와이어를 이용한 투명 하이브리드 전극 및 그 제조방법에 관한 것이다.

투명 전극은 터치 스크린, 유기 발광 다이오드, 평판디스플레이, 태양 전지 등 투명전자소자 및 투명디스플레이 분야에서 널리 사용되고 있다. 일반적으로 투명전극으로 인듐 주석 산화물(ITO) 를 주로 사용하고 있는데, ITO는 가시광선 영역 전체에서 우수한 투명성을 가지며, 상대적으로 면저항이 낮고, 유기반도체에서 전하 운반체가 주입되고 모아지는데 적절한 일함수를 가지고 있기 때문이다.

그러나 ITO는 대부분 스퍼터링과 같은 박막 증착 공정을 통해서 증착이 이루어져서 공정 가격이 비쌀 뿐만 아니라, 플라스틱 기판에서는 사용될 수 없으며, 결정질 구조를 갖는 치밀한 박막이 형성이 되기 때문에 반복적인 휘어짐 과정에서 크랙이 발생하거나 ITO 전극이 하부 기판에서부터 박리되는 문제점이 발생하므로 유연한 성능을 갖는 플렉서블용 투명전극으로는 적합하지 않는 단점이 있으며, 인듐의 고갈 문제 및 인듐의 매장량이 특정 국가에 집중되어 있다는 문제로 인해 가격상승에 대한 부담감이 내재되어 있다.

이러한 문제점을 극복하기 위한 대체 소재로 탄소나노튜브(CNTs:Carbon nanotube)를 이용하는 방법이 제시되었다. 탄소나노튜브는 우수한 전기전도도와 높은 투과도를 나타낸다는 장점이 있지만 ITO 특성에 비해서는 성능이 낮으며, 탄소나노튜브의 함량이 소정의 임계량을 넘어서게되면 투명전극이 탁한 검은색을 띄는 문제점이 있어 상업적인 응용에서는 한계가 있다.

한편, 상기와 같은 문제를 해결하기 위해 최근에는 그래핀 투명전극과 금속 나노와이어 투명전극에 대한 연구개발이 활발히 이루어지고 있다. 그러나 그래핀은 화학증착공정으로 인한 고비용, 복잡한 공정 및 높은 전기저항 등의 문제점이 있고, 금속 나노와이어는 전기저항이 낮고, 소량으로도 높은 투명도를 가질 수 있으며, 대량합성이 가능하고 공정이 간단하다는 장점이 있지만, 대기 중에서 쉽게 산화되며, 이로 인하여 산화물이 형성되어 점진적으로 전기전도도가 떨어진다는 문제점이 있다.

특허문헌 1. 대한민국 등록특허 제1,324,281호 특허문헌 1. 대한민국 등록특허 제1,338,682호

본 발명의 일 측면은, 그래핀 필름과 은 나노와이어를 이용한 투명 하이브리드 전극의 제조 방법으로서, 그래핀 필름 상에 은 나노와이어를 코팅하고, 은 나노와이어가 함몰되도록 자외선 경화성 폴리머를 코팅하며, 기판에 접착한 뒤 그래핀 필름을 기판상에 전사시키는 투명 하이브리드 전극의 제조방법을 제공하고자 한다.

본 발명의 다른 측면은 기판, 그래핀 필름, 은 나노와이어 및 은 나노와이어가 함몰되도록 은 나노와이어 상에 코팅되는 자외선 경화성 폴리머막을 포함한 투명 하이브리드 전극을 제공하고자 한다.

본 발명의 일 측면에 따른 투명 하이브리드 전극은 그래핀 필름, 상기 그래핀 필름 상에 코팅되는 은 나노와이어, 상기 은 나노와이어가 함몰되도록 상기 은 나노와이어 상에 코팅되는 자외선 경화성 폴리머막 및 상기 은 나노와이어가 함몰된 자외선 경화성 폴리머막과 접착되는 기판을 포함한다.

한편, 자외선 경화성 폴리머막은, 노아(Norland Oprical Adhesive, NOA) 로 구성될 수 있다.

또한, 자외선 경화성 폴리머막은 기판과 접착된 후 자외선이 조사되어 경화될 수 있다.

또한, 그래핀 필름은 열 전사 테이프를 포함하고, 상기 기판에 열을 가하면 상기 열 전사 테이프의 박리가 일어나 상기 기판상에 건식전사될 수 있다.

또한, 은 나노와이어는 상기 그래핀 필름 상에 스핀코팅될 수 있다.

또한, 은 나노와이어는 1000 내지 5000rpm 으로 스핀코팅될 수 있다.

또한, 은 나노와이어는 직경이 25 내지 35㎚이고, 길이는 30㎛일 수 있다.

본 발명의 다른 측면에 따른 투명 하이브리드 전극의 제조방법은, 그래핀 필름 상에 은 나노와이어를 코팅하고, 상기 은 나노와이어가 함몰되도록 상기 은 나노와이어 상에 자외선 경화성 폴리머를 코팅하고, 상기 자외선 경화성 폴리머가 코팅된 상기 은 나노와이어 측과 기판을 접착한다.

한편, 자외선 경화성 폴리머는, 노아(Norland Oprical Adhesive, NOA) 로 구성될 수 있다.

또한, 기판을 접착하면, 자외선을 조사하여 상기 자외선 경화성 폴리머를 경화시킬 수 있다.

또한, 그래핀 필름은 열 전사 테이프를 포함하고, 상기 기판에 열을 가하면 상기 열 전사 테이프의 박리가 일어나 기판상에 건식전사될 수 있다.

또한, 은 나노와이어는 상기 그래핀 필름 상에 스핀코팅될 수 있다.

또한, 은 나노와이어는 1000 내지 5000rpm 으로 스핀코팅될 수 있다.

또한, 은 나노와이어는 직경이 25 내지 35㎚이고, 길이는 30㎛일 수 있다.

상술한 본 발명에 따르면, 은 나노와이어가 자외선 경화성 폴리머막층에 함몰되어 있어 은 나노와이어 표면의 거칠기가 개선되므로, 그래핀 필름이 기판에 전사될 때 그 표면이 손상되는 현상과 이로 인해 전극 상에 제작되는 소자가 단락되는 문제점을 해결할 수 있다.

도 1 은 종래의 투명 하이브리드 전극을 제조하는 과정을 도시한 도면이다.
도 2 는 본 발명의 일 실시예에 따른 투명 하이브리드 전극을 제조하는 과정과 그 결과 생성된 투명 하이브리드 전극의 모습을 도시한 도면이다.
도 3 은 본 발명의 일 실시예에 따른 투명 하이브리드 전극 제조방법을 도시한 순서도이다.
도 4a 는 기존 은 나노와이어 필름의 표면 거칠기 특성을 나타낸 원자현미경(Atomic force microscopy;AFM) 사진이다.
도 4b 는 도 1 에 도시된 종래 방법으로 제조된 투명 하이브리드 전극의 표면 거칠기 특성을 나타낸 원자현미경(Atomic force microscopy;AFM) 사진이다.
도 4c 는 도 3 에 따라 제조된 투명 하이브리드 전극의 표면 거칠기 특성을 나타낸 원자현미경(Atomic force microscopy;AFM) 사진이다.

본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭한다.

본 명세서에서 사용된 용어는 실시예들을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 명세서에서 사용되는 "포함한다(comprises)" 및/또는 "포함하는(comprising)"은 언급된 구성요소, 단계 및 동작은 하나 이상의 다른 구성요소, 단계 및 동작의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다.

투명 전극을 제조하기 위해 은 나노와이어를 적용할 경우, 은 나노와이어의 밀도증가시 광투과도 감소 및 헤이즈 증가의 문제점, 대기중 노출시 저항증가의 문제점이 있다. 따라서, 이를 해결하기 위해 은 나노와이어에 그래핀 필름을 적용한 은 나노와이어/그래핀 투명 하이브리드 전극이 있다. 이러한 은 나노와이어/그래핀 투명 하이브리드 전극은 도 1 과 같다.

도 1을 참조하면, 기판(10) 상에 은 나노와이어(20)를 코팅하고, 은 나노와이어(20) 상에 그래핀 필름(30)을 도포한 후 열을 가해 전사하는 과정을 통해 기판(10), 은 나노와이어(20), 그래핀 필름(30) 순으로 적층된 투명 하이브리드 전극이 제조된다. 이러한 도 1 에 따라 제조된, 은 나노와이어/그래핀 투명 하이브리드 전극은 그래핀 필름(30)이 은 나노와이어(20) 메쉬의 빈 공간을 채우고 은 나노와이어(20)층을 보호하는 역할을 하여 전기전도도 및 대기중 노출 등으로 인한 안정성 문제를 해결할 수 있다.

그러나, 그래핀 필름의 전사 공정시에 은 나노와이어층의 표면 거칠기에 의해 그래핀 필름이 찢어지는 문제가 발생할 수 있고, 이로 인해 투명 하이브리드 전극 상에 소자를 배치할 경우 소자간에 단락되는 문제가 발생할 수 있다. 따라서, 은 나노와이어층의 표면 거칠기를 줄여 그래핀 필름이 찢어지는 문제점을 해결하기 위해, 개선된 은 나노와이어/그래핀 투명 하이브리드 전극의 제조방법이 아래와 같이 개시된다.

도 2 는 본 발명의 일 실시예에 따른 투명 하이브리드 전극을 제조하는 과정과 그 결과 생성된 투명 하이브리드 필름 및 투명 하이브리드 전극의 모습을 도시한 도면이고, 도 3 은 본 발명의 일 실시예에 따른 투명 하이브리드 전극 제조방법을 도시한 도면이다.

도 2 및 도 3을 참조하면, 먼저, 그래핀 필름(100) 상에 은 나노와이어(200)를 코팅한다(S100).

그래핀 필름(100)은 열 전사 테이프(110)가 부착된 상태이다.

또한, 은 나노와이어(200)는 스핀코터의 도포방법으로 그래핀 필름(100) 상에 코팅될 수 있다. 본 실시예에서는 은 나노와이어 용액을 도포하고, 스핀코터를 1000 내지 5000 rpm 으로 유지하여 은 나노와이어를 코팅할 수 있다. 한편, 본 실시예에서는 은 나노와이어의 코팅 방법으로 스핀코터의 방식을 이용하였으나, 바코터(bar coating), 스프레이 코터 및 어플리케이터(applicator) 등 다른 코팅 방식으로 코팅할 수 있음은 물론이다. 또한, 은 나노와이어(200)는 직경이 25 내지 35㎚, 길이는 30㎛ 일 수 있고, 코팅시 은 나노와이어 입자가 0.3wt% 포함된 은 나노와이어 잉크용액을 이용할 수 있으며, 이에 한정되는 것은 아니다.

은 나노와이어(200)를 그래핀 필름(100) 상에 코팅하면(S100), 코팅된 은 나노와이어(200)가 함몰되도록 자외선 경화성 폴리머막(210)을 코팅한다.(S200)

여기서, 자외선 경화성 폴리머막(210)은 자외선을 조사하여 경화시킬 수 있는 투명재질의 폴리머막으로서, 본 실시예에서는 노아(Norland Oprical Adhesive, NOA) 로 구성될 수 있다. 노아는 아크릴레이티드 폴리우레탄 계열의 투명하고, 무색이며, 액상의 광중합성 폴리머 화합물로서, 자외선에 노출시켜 경화시킬 수 있다.

또한, 자외선 경화성 폴리머막(210)이 코팅되면(S200), 자외선 경화성 폴리머막(210)측에 기판(300)을 접착한다.(S300)

여기서, 기판(300)은 투명하고 유연성이 있는 소재라면 제한이 없으며, 예컨대 PET, PES, PMMA, PC, PEN, COC, PI 중에서 선택된 1 종 이상인 것이 바람직하다. 또한, 도포된 그래핀 필름(100)/은 나노와이어(200)를 지지하는 지지체 역할을 수행해야 하므로 일정 이상의 강도를 가지며, 고분자층과 반응성이 없어야 한다.

이렇게 자외선 경화성 폴리머막(210)측과 기판(300)이 접착되면(S300), 자외선을 조사하여 자외선 경화성 폴리머막(210)을 경화시키고 열을 가하여 그래핀 필름(100) 상에 부착된 열 전사 테이프(110)를 박리시켜 그래핀 필름(100)이 기판(300)에 전사되도록 한다.(S400) 이로써, 기판(300), 은 나노와이어(200)가 함몰된 자외선 경화성 폴리머막(210)층, 그래핀 필름(100)의 순으로 적층된 투명 하이브리드 전극이 제조된다.

이러한 투명 하이브리드 전극은 표면저항이 500Ω/□이하이고, 투명도가 80% 이상이며, 헤이즈가 5% 이하인 특성을 가질 수 있어, 평판 디스플레이, 터치패널, 태양전지, 투명 트랜지스터 전극 등의 광범위한 분야에 이용될 수 있다.

특히, 본 실시예에 따른 투명 하이브리드 전극의 제조방법에 따르면, 은 나노와이어가 자외선 경화성 폴리머막층에 함몰되어 있어 은 나노와이어층의 표면 거칠기가 개선되므로 그래핀 필름이 전사될 때 은 나노와이어층의 거칠기와 메쉬 빈 공간에 의한 그래핀 필름의 손상을 방지할 수 있다.

이하, 본 발명의 이해를 돕기 위하여 바람직한 실시예를 제시하나, 하기 실시예는 본 발명을 예시하는 것일 뿐 본 발명의 범위가 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다

<실시예> 은 나노와이어의 거칠기가 개선된 투명 하이브리드 전극의 제조

1. 은 나노와이어/그래핀 하이브리드 필름 제조

그래핀 필름 상에 은 나노와이어 잉크용액을 코팅하였다. 구체적으로, 먼저 직경 25~35㎚, 길이 30㎛ 은 나노와이어가 DI water 에 0.3wt% 분산된 은 나노와이어 잉크용액을 그래핀 필름 상에 도포하고, 스핀 코터로 1000~5000rpm으로 회전시켜 은 나노와이어 코팅막을 형성한 후 100℃에서 1분간 열처리를 진행하여 용매를 증발시키면 그래핀 필름 상에 은 나노와이어만 남길 수 있다.

한편, 스핀 코터의 회전속도를 조절하면 은 나노와이어의 밀도가 변하므로, 이로 인해 은 나노와이어 층의 투과도 및 면저항 특성을 조절할 수 있다. 스핀 코터의 회전 속도와 이에 따른 은 나노와이어 층의 투과도 및 면저항 특성의 관계는 아래 표 1 과 같다.

회전속도(rpm)	투과도(550㎚,%)	면저항(Ω/sq)
1000	89	30
2000	90	50
3000	90.4	70
5000	91	150

2. 자외선 경화성 폴리머막 코팅

은 나노와이어를 그래핀 필름 상에 코팅하면 은 나노와이어가 함몰되도록 은 나노와이어측에 자외선 경화성 폴리머막을 코팅한다. 여기서, 자외선 경화성 폴리머막의 재료로 노아(Norland Oprical Adhesive, NOA) 를 사용하였다. 또한, 은 나노와이어가 함몰된 자외선 경화성 폴리머막측에 기판을 부착한 후 자외선을 조사하여 자외선 경화성 폴리머막을 경화시킨다.

3. 그래핀 전사 공정

그래핀 필름은 한쪽면에 열 전사 테이프가 부착되어 있다. 이러한 그래핀 필름의 전사 공정은 기판 전체에 120~150℃ 의 온도를 가하면, 그래핀과 열 전사 테이프 사이 접착제의 접착력이 낮아져서 그래핀만 기판에 전사시키고, 열 전사 테이프는 그래핀으로부터 박리된다.

<비교예 1> 기판에 은 나노와이어를 코팅한 투명전극

실시예에 따른 투명 하이브리드 전극과 종래의 은 나노와이어를 이용한 투명 전극의 표면 거칠기를 비교하기 위해 기판 상에 직접 은 나노와이어를 스핀 코팅으로 형성하여 투명 전극을 제조하였다.

<비교예 2> 기판에 은 나노와이어/그래핀 필름을 코팅한 투명전극

실시예에 따른 투명 하이브리드 전극과 종래의 은 나노와이어/그래핀 필름 투명 하이브리드 전극의 표면 거칠기를 비교하기 위해 기판 상에 은 나노와이어를 스핀 코팅으로 형성하고 그 위에 그래핀 필름을 부착 및 전사하여 투명 하이브리드 전극을 제조하였다.

<실험예>

도 4a 내지 도 4c는 투명 전극의 표면 거칠기 특성을 나타낸 원자현미경(Atomic force microscopy;AFM) 사진이다.

AFM 사진을 가지고 투명 전극 표면의 거칠기를 확인하기 위해, 팁과 실시예, 비교예 1 및 2 에서 제조된 투명 전극과의 인력 또는 척력을 측정하였다. 척력을 이용하는 접촉식 방법을 사용하여 켄틸레버의 끝부분에 해당하는 팁과 투명전극을 미세하게 접근시킨 이후에 팁을 투명전극 샘플 표면을 따라 스캔하였다. 또한, 비 접촉식 방법을 사용하여 인력을 측정하였다.

이렇게 측정 및 스캔된 투명 전극의 표면 거칠기를 살펴보면, 비교예 1 에 따라 기판 상에 은 나노와이어층만 적층된 투명 전극 샘플의 표면은, 도 4a 에서 보는 바와 같이, 12.25㎚ 의 Rq, 59.85㎚ 의 Rpv 값을 가진다. 또한, 비교예 2 에 따라 기판 상에 은 나노와이어층과 그래핀 필름을 순차적으로 적층한 투명 전극 샘플의 표면은, 도 4b 에서 보는 바와 같이, 8.6㎚ 의 Rq, 47.74㎚ 의 Rpv 값을 가진다.

한편, 실시예에 따라 기판 상에 자외선 경화성 폴리머막에 함몰된 은 나노와이어층과 그래핀 필름을 순차적으로 적층한 투명 전극 샘플의 표면은 도 4c에서 보는 바와 같이, 7.33㎚ 의 Rq, 38.45㎚ 의 Rpv 값을 가진다. 따라서, 표면 거칠기로 샘플의 높이변화가 줄어드는 것을 확인함으로써, 실시예에 따라 제조된 투명전극의 표면 거칠기 특성이 증가되어 평탄화된 투명 전극이 제조되었음을 확인하였다.

상술한 본 발명에 따르면, 은 나노와이어가 자외선 경화성 폴리머막층에 함몰되어 있어 은 나노와이어 표면의 거칠기가 개선되므로, 그래핀 필름이 기판에 전사될 때 그 표면이 손상되는 현상과 이로 인해 전극 상에 제작되는 소자가 단락되는 문제점을 해결할 수 있다.

이상 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다.

100: 그래핀 필름
110: 열 전사 테이프
200: 은 나노와이어
210: 자외선 경화성 폴리머막
300: 기판

Claims (14)

1. 삭제
2. 삭제
3. 삭제
4. 삭제
5. 삭제
6. 삭제
7. 삭제
8. 열 전사 테이프를 포함하는 그래핀 필름 상에 은 나노와이어를 코팅하고,
   상기 은 나노와이어가 함몰되도록 상기 은 나노와이어 상에 자외선 경화성 폴리머를 코팅하고,
   상기 자외선 경화성 폴리머가 코팅된 상기 은 나노와이어 측과 기판을 접착하고,
   상기 기판 전체에 120~150℃의 온도를 가하여 상기 열 전사 테이프를 그래핀으로부터 박리시켜 상기 그래핀을 기판에 전사시키는 투명 하이브리드 전극의 제조방법.
9. 제 8 항에 있어서,
   상기 자외선 경화성 폴리머는,
   노아(Norland Optical Adhesive, NOA) 로 구성되는 투명 하이브리드 전극의 제조방법.
10. 제 8 항에 있어서,
    상기 기판을 접착하면,
    자외선을 조사하여 상기 자외선 경화성 폴리머를 경화시키는 투명 하이브리드 전극의 제조방법.
11. 제 8 항에 있어서,
    상기 기판에 열을 가하면, 상기 열 전사 테이프의 박리가 일어나고, 상기 그래핀 필름은 기판상에 건식전사되는 투명 하이브리드 전극의 제조방법.
12. 제 8 항에 있어서,
    상기 은 나노와이어는 상기 그래핀 필름 상에 스핀코팅되는 투명 하이브리드 전극의 제조방법.
13. 제 12 항에 있어서,
    상기 은 나노와이어는
    1000 내지 5000rpm 으로 스핀코팅되는 투명 하이브리드 전극의 제조방법.
14. 제 8 항에 있어서,
    상기 은 나노와이어는
    직경이 25 내지 35㎚이고, 길이는 30㎛인 투명 하이브리드 전극의 제조방법.

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