KR101961196B1

KR101961196B1 - 은나노와이어 투명전극 제조 방법 및 이에 의해 제조된 투명전극

Info

Publication number: KR101961196B1
Application number: KR1020170125019A
Authority: KR
Inventors: 박수찬
Original assignee: 주식회사 에스나노텍
Priority date: 2017-09-27
Filing date: 2017-09-27
Publication date: 2019-03-22

Abstract

본 발명은 비교적 간단한 롤투롤 일관 공정에 의해 은나노와이어가 이형지 필름에 견고하게 고정될 수 있도록 함으로써 대량 생산이 가능한 은나노와이어 투명전극 제조 방법 및 이에 의해 제조된 투명전극에 관한 것이다.
본 발명의 은나노와이어 투명전극 제조 방법은 작업대상에 정해진 속도로 공급되는 이형지 필름 위에 폴리머를 분사하는 공정; 상기 폴리머를 경화시키는 공정; 상기 경화된 폴리머 상에 케미컬을 분사하여 표면을 젤 상태로 연화하는 공정; 연화된 폴리머층 표면에 은나노와이어를 코팅하는 공정 및 상기 은나노와이어를 가압하여 상기 폴리머층에 고정시키는 공정을 포함하여 이루어진다.
전술한 구성에서, 상기 폴리머로는 폴리에스터, 폴리스티렌, 폴리이미드, 폴리카보네이트, 폴리우레탄, 폴리메틸메타크릴레이트 및 폴리올레핀 중에서 하나 이상이 사용될 수 있다.
상기 케미컬로는 N-dimethylacetamide(DMAc), N,Ndimethylformamide(DMF), 1-methyl-2-pyrrolidinone(NMP), m-cresol, 메탄올, 에탄올, 프로판올, 부탄올, 펜탄올, 헥산올, 메탄디올, 에틸렌 글라이콜, 프로판디올, 부탄디올, 펜탄디올, 헥산디올, 아세톤 및 이소프로판올 중에서 하나 이상이 사용될 수 있다.

Description

은나노와이어 투명전극 제조 방법 및 이에 의해 제조된 투명전극{Ag nanowire embedded transparent electrode manufacturing method and the transparent electrode thereby}

본 발명은 은나노와이어 투명전극 제조 방법 및 이에 의해 제조된 투명전극에 관한 것으로, 특히 비교적 간단한 일관 공정에 의해 은나노와이어가 기판에 견고하게 고정될 수 있도록 함으로써 대량 생산이 가능한 은나노와이어 투명전극 제조 방법 및 이에 의해 제조된 투명전극에 관한 것이다.

잘 알려진 바와 같이, 전극의 역할은 전기 소자로 전하를 전달함으로써 전 기소자를 구동하는 에너지 전달 역할을 수행한다. 따라서 가능한 한 낮은 비저항과 안정성을 가지는 것이 필수적이다. 이러한 전극의 소재로는 은이나 구리 등의 금속이 주로 사용되는데, 디스플레이 분야에서는 특별히 투명전극(ITO 등)이 사용되고 있다.

투명전극은 통상 80% 이상의 높은 투명도와 500Ω/㎡ 이하의 전도도를 갖는 전자 부품으로서, LCD 전면 전극이나 OLED 전극 등 디스플레이, 터치스크린, 태양전지 및 광전자 소자 등 각종 전자 분야에 광범위하게 사용되는 부품이다. 특히 투명 전도성 전극(Transparent Conductive Electrodes; TCE)은 유기 발광다이오드(OLED), 액정 디스플레이(LCD) 및 유기 솔라셀 등에 많이 이용되고 있다. 이들 디바이스에는 공통적으로 인듐주석산화물(indium tin oxide; 이하 'ITO')이 투명전극으로 이용된다. ITO 전극은 광학적 투명성, 전기 전도도 및 환경 안정성과 같은 많은 장점을 갖는데, 디스플레이 산업이 급성장함에 따라 투명전극에 대한 수요가 급증하고 있다. 이로 인해, 희토류 금속인 인듐의 고갈 문제가 세계적으로 중요한 이슈가 되고 있고, 이러한 산업적 수요 증대는 희토류 금속 자원의 배분 문제를 야기하고 있다.

따라서 ITO를 대체하는 투명전극 소재로서, 투명 금속 산화물, 탄소나노튜브Carbon Nano Tube; 이하'CNT'), 전도성 폴리머 및 그래핀(graphene)과 같은 대안들이 제시되고 있다. 그러나 이들 대안적인 물질들은 고 투명성, 고 전도성, 균일한 전도도 및 기판과의 높은 접착성과 같은 필요 조건들을 모두 충족시키지 못하고 있다.

한편, ITO와 CNT가 주도하는 투명전극 기술시장은 투명필름에 구리 같은 불투명 도체가 아닌 투명전극 도체를 만들어 많은 기능을 구현하고 있다. 기존 터치스크린 패널(Touch Screen Panel; TSP)에 적용된 ITO 전극 소재는 유연성이 약해서 휘거나 곡면인 플렉시블 디스플레이(Flexible Display)에 사용하기 어렵기 때문에 ITO 필름을 대체할 차세대 신소재로 그래핀(Graphene), CNT 및 은나노와이어(Ag nanowires) 등이 주목받고 있다.

은나노와이어는 2차원 네트워크 구조를 가지고 있는데, 와이어에 의한 네트워크는 표면 거칠기가 높은 전극을 제공하고 있다. 이러한 표면 거칠기는 투명전극을 소자에 적용할 때, 적층되는 물질들의 두께를 제어할 수 있으며, 얇은 층 두께에 의한 성능 향상을 제공할 수 있다.

초기 은나노와이어 투명 전극 제조 방법은 롤에 감겨 있는 투명 필름, 예를 들어 PET(Polyethylene Terephthalate) 필름을 일정한 속도로 공급하면서 투명 필름상에 바코터(bar coater) 내지는 슬롯다이 코터(slot-die coater) 등의 방법으로 은나노와이어를 코팅하고, 이렇게 은나노와이어가 코팅된 투명 필름을 가압 롤러를 사용하여 가압하는 방식으로 이루어진다. 이 방식은 비교적 간단한 공정에 의해 투명전극을 신속하면서도 대량으로 제조할 수 있는 반면에 은나노와이어가 투명 필름에 견고하게 고정되어 있지 않기 때문에 적은 외력(외란)에 의해서도 은나노와이어가 투명 필름상에서 쉽게 유동되고, 이에 따라 안정성이 떨어지고 분포가 불규칙해지는 문제점이 있었다.

이런 문제점을 해결하기 위한 하나의 방편으로, 은나노와이어가 코팅된 투명 필름 위에 접착제를 도포한 상태에서 가압 롤러에 의해 압착하는 방식이 제안되었는바, 이 방식에 따르면 전술한 안정성 문제가 해결된 반면에 접착제에 의해 투명 필름의 표면이 울퉁불퉁해져서 후공정인 터치 패널 공정에서 불량을 야기하는 문제점이 있었다.

전술한 문제점을 해결하기 위한 다른 방편으로, 이형지 필름상에 젤 상태의 폴리머를 먼저 도포하고. 그 위에 은나노와이어를 코팅한 상태에서 폴리머를 경화시키며, 다시 가압 롤러로 압착하는 방식이 제안되었는바, 이 방식에 따르면 전술한 안정성 문제가 해결된 반면에 은나노와이어가 서로 다른 깊이로 폴리머에 파묻혀서 경화되기 때문에 전기 전도도가 떨어지거나 불량이 발생하는 등의 문제점이 있었다.

한편, 전술한 것과는 다른 방식의 은나노와이어 투명전극 제조 방법이 후술하는 선행기술 1로 개시되어 있는바, 도 1은 선행기술 1의 투명전극 제조 방법에 따른 공정 설명도이다.

도 1에 도시한 바와 같이, 선행기술 1의 투명전극 제조 방법은 지지체 역할을 하는 기판, 예를 들어 유리기판상에 은나노와이어를 코팅한 후 건조하여 전극을 제조하는 제1 공정(도 1의 a 참조); 예를 들어 폴리비닐피놀리돈(polyvinylpyrrolidone; PVP)과 같은 고분자를 포함하는 혼합용액을 PET 상단에 도포한 후 어닐링하여 고분자층이 형성된 이형필름을 제조하는 제2 공정(도 1의 b 참조); 상기 전극과 이형필름을 압착하여 전극을 이형필름에 전사하는 제3 공정(도 1의 c 참조) 및 상기 이형필름에서 전극의 기판을 분리하여 투명전극을 회수하는 제4 공정(도 1의 d 참조)을 포함하여 이루어진다.

전술한 선행기술 1에 따르면, 안정성과 같은 종래 기술의 문제점을 대부분 해소하고 있지만 일관 공정으로 이루어져 있지 않기 때문에 장치가 복잡할 뿐만 아니라 많은 시간이 소요됨으로써 실험실 수준에서는 사용이 가능하지만 대량 생산에는 적용이 어려울 수 있는 문제점이 있었다.

선행기술1 : 10-2016-0059531호 공개특허공보(발명의 명칭 : 은나노와이어 투명전극 제조방법) 선행기술2 : 10-2016-0061469호 공개특허공보(발명의 명칭 : 지지체를 이용한 은나노와이어 투명전극 제조방법) 선행기술3: 10-2013-0082362호 공개특허공보(발명의 명칭 : 은나노 와이어를 이용한 투명 전극 코팅 장치)

본 발명은 전술한 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 비교적 간단한 롤투롤 일관 공정에 의해 은나노와이어가 이형지 필름에 견고하게 고정될 수 있도록 함으로써 대량 생산이 가능한 은나노와이어 투명전극 제조 방법 및 이에 의해 제조된 투명전극을 제공함을 목적으로 한다.

전술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 은나노와이어 투명전극 제조 방법은 작업대상에 정해진 속도로 공급되는 이형지 필름 위에 폴리머를 분사하는 공정; 상기 폴리머를 경화시키는 공정; 상기 경화된 폴리머 상에 케미컬을 분사하여 표면을 젤 상태로 연화하는 공정; 연화된 폴리머층 표면에 은나노와이어를 코팅하는 공정 및 상기 은나노와이어를 가압하여 상기 폴리머층에 고정시키는 공정을 포함하여 이루어진다.

전술한 구성에서, 상기 폴리머로는 폴리에스터, 폴리스티렌, 폴리이미드, 폴리카보네이트, 폴리우레탄, 폴리메틸메타크릴레이트 및 폴리올레핀 중에서 하나 이상이 사용될 수 있다.

상기 케미컬로는 N-dimethylacetamide(DMAc), N,Ndimethylformamide(DMF), 1-methyl-2-pyrrolidinone(NMP), m-cresol, 메탄올, 에탄올, 프로판올, 부탄올, 펜탄올, 헥산올, 메탄디올, 에틸렌 글라이콜, 프로판디올, 부탄디올, 펜탄디올, 헥산디올, 아세톤 및 이소프로판올 중에서 하나 이상이 사용될 수 있다.

본 발명의 은나노와이어 투명전극 제조 방법에 따르면, 비교적 간단한 일관 공정에 의해 은나노와이어가 투명 필름에 견고하게 고정될 수 있도록 함으로써 고품질의 투명전극을 대량으로 생산할 수가 있다.

도 1은 종래 투명전극 제조 방법에 따른 공정 설명도.
도 2는 본 발명의 은나노와이어 투명전극 제조 방법을 설명하기 위한 공정 흐름도.
도 3은 본 발명의 은나노와이어 투명전극 제조 방법을 설명하기 위한 공정 모식도.

이하에는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 은나노와이어 투명전극 제조 방법의 바람직한 실시예에 대해 상세하게 설명한다.

도 2는 본 발명의 은나노와이어 투명전극 제조 방법을 설명하기 위한 공정 흐름도이고, 도 3은 본 발명의 은나노와이어 투명전극 제조 방법을 설명하기 위한 공정 모식도이다. 도 2 및 도 3에 도시한 바와 같이, 본 발명의 은나노와이어 투명전극 제조 방법은 크게 작업대상에 정해진 속도로 공급되는 이형지 필름 위에 은나노와이어를 고정하는 기판으로 기능하는 폴리머를 분사하는 공정(S10, S20); 폴리머를 경화시키는 공정(S30); 경화된 폴리머층 위에 케미컬을 분사하여 표면을 젤 상태로 연화하는 공정(S40); 연화된 폴리머층 표면에 은나노와이어를 코팅하는 공정(S50) 및 가압 공정(S60)을 포함하여 이루어질 수 있다.

전술한 구성에서, 이형지 필름으로는 예를 들어 PET 필름이 사용될 수 있는데, 이러한 이형지 필름은 공급 롤에서 정해진 속도로 풀리면서 작업대 상에 공급되고 타단에 설치된 권취 롤(미도시)에 의해 회수된다. 한편, 폴리머의 두께는 은나노와이어의 두께에 따라 결정되는데, 은나노와이어의 직경이 대략 40㎚ 정도이기 때문에 대략 1-100㎛, 바람직하게는 1-20㎛ 정도가 될 수 있다. 폴리머는 바 코터나 슬롯 다이 코터를 사용하여 분사될 수 있는데, 전술한 두께에 따라 그 분사 속도가 정해질 것이다.

이러한 폴리머로는 폴리에스터, 폴리스티렌, 폴리이미드, 폴리카보네이트, 폴리우레탄, 폴리메틸메타크릴레이트 및 폴리올레핀 중에서 하나 이상이 사용될 수 있다.

다음으로, 폴리머 경화 공정(S30)에서는 폴리머 전체를 경화시키는데, 이러한 경화 공정에는 UV(Ultra Violet) 경화 또는 50~200℃의 열경화 방법이 사용될 수 있다.

이와 같이 하여 폴리머층 전체가 경화된 이후에는 폴리머 층의 표면에 케미컬을 분사하여 폴리머층의 표면을 젤 상태로 연화(S40)시키는데, 이러한 케미컬 역시 바 코터나 슬롯다이 코터에 의해 분사될 수 있다.

케미컬로는 N-dimethylacetamide(DMAc), N,Ndimethylformamide(DMF), 1-methyl-2-pyrrolidinone(NMP), m-cresol, 메탄올, 에탄올, 프로판올, 부탄올, 펜탄올, 헥산올, 메탄디올, 에틸렌 글라이콜, 프로판디올, 부탄디올, 펜탄디올, 헥산디올, 아세톤 및 이소프로판올 중에서 하나 이상이 사용될 수 있다. 한편, 연화층의 두께는 은나노와이어가 묻힐 수 있는 정도, 예를 들어 100㎚~1㎛가 될 수 있다.

다음 공정에서는 표면이 연화된 폴리머층 위에 은나노와이어가 코팅(S50)되는데, 이러한 은나노와이어 코팅 역시 바 코터나 슬롯다이 코터에 의해 수행될 수 있다. 그리고 이 상태에서는 은나노와이어가 연화된 폴리머층에 묻히지 않고 표면에 떠 있게 된다. 마지막으로 은나노와이어를 연화된 폴리머층 안에 묻히게 하기 위해 롤 프레스를 통한 가압 공정(S60)을 수행하는데, 이에 따라 도 3에 도시한 바와 같이 은나노와이어가 폴리머층에 묻혀서 견고하게 고정되게 된다.

본 발명의 은나노와이어 투명전극 제조 방법에 따르면, 은나노와이어가 폴리머층 내부에 묻히기 때문에 산화가 방지될 수 있고, 투명 전극의 표면 거칠기가 개선될 수도 있다. 또한 은나노와이어 투명 전극의 굽힘 안정성 및 외력에 대한 안정성이 향상되고, 코팅 안정성 역시 향상될 수 있다.

이상, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 은나노와이어 투명전극 제조 방법의 바람직한 실시예에 대하여 상세히 설명하였으나 이는 예시에 불과한 것이며, 본 발명의 기술적 사상의 범주 내에서 다양한 변형과 변경이 가능할 것이다. 따라서, 본 발명의 권리범위는 이하의 특허청구범위의 기재에 의하여 정해져야 할 것이다.

Claims

작업대상에 정해진 속도로 공급되는 이형지 필름 위에 폴리머를 분사하는 공정;
상기 폴리머를 경화시키는 공정;
상기 경화된 폴리머 상에 케미컬을 분사하여 표면을 젤 상태로 연화하는 공정;
연화된 폴리머층 표면에 은나노와이어를 코팅하는 공정 및
상기 은나노와이어를 가압하여 상기 폴리머층에 고정시키는 공정을 포함하여 이루어진 은나노와이어 투명전극 제조 방법.
청구항 1에 있어서,
상기 폴리머로는 폴리에스터, 폴리스티렌, 폴리이미드, 폴리카보네이트, 폴리우레탄, 폴리메틸메타크릴레이트 및 폴리올레핀 중에서 하나 이상이 사용되는 것을 특징으로 하는 은나노와이어 투명전극 제조 방법.
청구항 2에 있어서,
상기 케미컬로는 N-dimethylacetamide(DMAc), N,Ndimethylformamide(DMF), 1-methyl-2-pyrrolidinone(NMP), m-cresol, 메탄올, 에탄올, 프로판올, 부탄올, 펜탄올, 헥산올, 메탄디올, 에틸렌 글라이콜, 프로판디올, 부탄디올, 펜탄디올, 헥산디올, 아세톤 및 이소프로판올 중에서 하나 이상이 사용되는 것을 특징으로 하는 은나노와이어 투명전극 제조 방법.
청구항 1 내지 3 중 어느 한 항의 제조 방법에 의해 제조된 투명전극.