KR101973859B1 - 대면적 투명 전극의 제조방법 및 이를 이용하여 제조된 대면적 투명 전극 - Google Patents
대면적 투명 전극의 제조방법 및 이를 이용하여 제조된 대면적 투명 전극 Download PDFInfo
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Abstract
본 발명은 대면적 투명 전극의 제조방법 및 이를 이용하여 제조된 대면적 투명 전극에 관한 것으로서, 본 발명의 일 실시예에 따른 대면적 투명 전극의 제조방법은 전기방사법을 이용하여 기판 상에 고분자 물질을 방사하여, 상기 기판 상에 고분자 파이버를 형성하는 단계; 상기 고분자 파이버를 전처리하는 단계; 상기 전처리된 고분자 파이버 상에 금속층을 형성하는 단계; 및 상기 고분자 파이버를 제거하여 나노 파이버를 포함하는 투명 전극을 형성하는 단계;를 포함한다.
Description
본 발명은 대면적 투명 전극의 제조방법 및 이를 이용하여 제조된 대면적 투명 전극에 관한 것이다.
최근 스마트 전자 디바이스의 발달로 인하여, 기존의 견고한 디스플레이 장치를 대신하는 플렉서블 디스플레이(flexible display) 디바이스 또는 스트레처블 디스플레이(stretchable display) 디바이스에 대한 연구가 진행되고 있다. 디스플레이 장치에는 투명성을 가지는 투명 전극이 요구되며, 인듐 주석 산화물(indium tin oxide, ITO)가 통상적으로 사용되어 왔다. 그러나, 이러한 ITO는 유연성이나 신축성이 낮아 플렉서블 디스플레이 장치에 적용되기 어렵다. 이러한 ITO의 한계를 극복하기 위하여, 다른 물질을 포함하는 투명 전극, 예를 들어, 투명성, 전도성, 유연성 등 여러 장점이 있는 그래핀, 은 나노 와이어, 전도성 고분자를 이용한 투명 전극이 산업계, 학계 등에서 많은 관심을 받고 있다. 그러나, 현재까지의 연구 결과는 그래핀, 나노 와이어, 전도성 고분자를 이용한 투명 전극은 공정이 복잡하고, 제품의 신뢰성이 낮고, 대면적으로 제조하기 어려운 한계가 있다.
본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위한 것으로, 본 발명의 목적은, 간단한 방법으로 고투광성, 고전도성의 투명 전극을 대면적으로 제조할 수 있는, 대면적 투명 전극의 제조방법 및 이를 이용하여 제조된 대면적 투명 전극을 제공하는 것에 있다.
그러나, 본 발명이 해결하고자 하는 과제는 이상에서 언급한 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 통상의 기술자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
일 실시예에 있어서, 전기방사법을 이용하여 기판 상에 고분자 물질을 방사하여, 상기 기판 상에 고분자 파이버를 형성하는 단계; 상기 고분자 파이버를 전처리하는 단계; 상기 전처리된 고분자 파이버 상에 금속층을 형성하는 단계; 및 상기 고분자 파이버를 제거하여 나노 파이버를 포함하는 투명 전극을 형성하는 단계;를 포함하는, 대면적 투명 전극의 제조방법을 제공한다.
일 측에 있어서, 상기 기판 상에 고분자 파이버를 형성하는 단계는, 상기 기판에 음(-)의 전압을 인가하여 수행하는 것일 수 있다.
일 측에 있어서, 상기 음(-)의 전압은 -1 KV 내지 -10 KV의 범위의 직류전압 또는 교류전압인 것일 수 있다.
일 측에 있어서, 상기 대면적 투명 전극은, 25 cm2 이상의 대면적인 것이고, 투과도가 80 % 이상이고, 면저항이 500 Ω/cm2 이하인 것일 수 있다.
일 측에 있어서, 상기 고분자 파이버를 전처리하는 단계는, 상기 고분자 파이버를 열처리하는 단계; 및 상기 열처리된 고분자 파이버를 자외선(UV) 처리하는 단계;를 포함하는 것일 수 있다.
일 측에 있어서, 상기 고분자 파이버를 열처리하는 단계는, 유리 전이(glass transition) 온도에서 30 분 내지 3 시간 동안 수행하는 것일 수 있다.
일 측에 있어서, 상기 열처리된 고분자 파이버를 자외선(UV) 처리하는 단계는, 150 nm 내지 370 nm의 파장을 가지는 자외선을 1 kw 내지 25 kw의 강도로 10 초 내지 5 분 동안 조사하는 것일 수 있다.
일 측에 있어서, 상기 고분자 파이버의 직경은 100 nm 내지 1 ㎛인 것일 수 있다.
일 측에 있어서, 상기 고분자 물질은, 폴리비닐피롤리돈(PVP), 폴리비닐알콜(PVA), 폴리메틸메스아크릴레이트(PMMA), 폴리디메틸실록산(PDMS), 폴리아크릴, 폴리우레탄, 폴리에테르우레탄, 셀룰로오스 아세테이트, 셀룰로오스 아세테이트 부틸레이트, 셀룰로오스 아세테이트 프로피오네이트, 폴리메틸아크릴레이트(PMA), 폴리비닐아세테이트 (PVAc), 폴리아크릴로니트릴(PAN), 폴리퍼퓨릴알콜(PPFA), 폴리스티렌, 폴리에틸렌 옥사이드(PEO), 폴리프로필렌옥사이드(PPO), 폴리카보네이트(PC), 폴리비닐클로라이드(PVC), 폴리카프로락톤, 폴리비닐플루오라이드 및 폴리아마이드로 이루어지는 군에서 선택되는 적어도 어느 하나를 포함하는 것일 수 있다.
일 측에 있어서, 상기 기판은, 프리 스탠딩(free standing) 기판인 것일 수 있다.
일 측에 있어서, 상기 금속층은, 은(Ag), 구리(Cu), 백금(Pt), 금(Au), 코발트(Co), 스칸듐(Sc), 티타늄(Ti), 크롬(Cr), 망간(Mn), 철(Fe), 니켈(Ni), 구리(Cu), 아연(Zn), 이트륨(Y), 지르코늄(Zr), 알루미늄(Al), 니오븀(Nb), 몰리브덴(Mo), 테크네늄(Tc), 루테늄(Ru), 로듐(Rh), 팔라듐(Pd), 카드뮴(Cd), 하프늄(Hf), 탄탈(Ta), 텅스텐(W), 레늄(Re), 오스뮴(Os) 및 이리듐(Ir)으로 이루어지는 군에서 선택되는 적어도 어느 하나를 포함하는 것일 수 있다.
일 측에 있어서, 상기 금속층의 두께는 50 nm 내지 1 ㎛인 것일 수 있다.
다른 실시예에 있어서, 일 실시예에 따른 대면적 투명 전극의 제조방법으로 제조되고, 중공 구조의 나노 파이버가 메쉬 형상 또는 웹 형상을 가지도록 배열된 것인, 대면적 투명 전극을 제공한다.
일 측에 있어서, 상기 대면적 투명 전극은, 25 cm2 이상의 대면적인 것일 수 있다.
일 측에 있어서, 상기 대면적 투명 전극은 투과도가 80 % 이상인 것일 수 있다.
일 측에 있어서, 상기 대면적 투명 전극은 면저항이 500 Ω/cm2 이하인 것일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 대면적 투명 전극의 제조방법 및 이를 이용하여 제조된 대면적 투명 전극에 의하여, 간단한 방법으로 대면적의 고투광성, 고전도성의 투명 전극을 제조할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른, 대면적 투명 전극의 제조방법을 나타내는 순서도이다.
도 2는 도 1의 고분자 파이버 전처리 단계의 세부단계를 나타내는 순서도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따라 사각형 프리 스탠딩 기판 상에 고분자 파이버를 형성하는 단계를 도시한 개략도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따라 환형 프리 스탠딩 기판 상에 고분자 파이버를 형성하는 단계를 도시한 개략도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 고분자 물질, 고분자 물질 상에 형성된 금속층 및 중공 구조의 나노 파이버의 모식도이다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따라 제조된 대면적 투명 전극의 사진이다.
도 7은 본 발명의 비교예에 따라 제조된 투명 전극의 사진이다.
도 2는 도 1의 고분자 파이버 전처리 단계의 세부단계를 나타내는 순서도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따라 사각형 프리 스탠딩 기판 상에 고분자 파이버를 형성하는 단계를 도시한 개략도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따라 환형 프리 스탠딩 기판 상에 고분자 파이버를 형성하는 단계를 도시한 개략도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 고분자 물질, 고분자 물질 상에 형성된 금속층 및 중공 구조의 나노 파이버의 모식도이다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따라 제조된 대면적 투명 전극의 사진이다.
도 7은 본 발명의 비교예에 따라 제조된 투명 전극의 사진이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들을 상세히 설명한다. 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략할 것이다. 또한, 본 명세서에서 사용되는 용어들은 본 발명의 바람직한 실시예를 적절히 표현하기 위해 사용된 용어들로서, 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 본 발명이 속하는 분야의 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 따라서, 본 용어들에 대한 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다. 각 도면에 제시된 동일한 참조 부호는 동일한 부재를 나타낸다.
명세서 전체에서, 어떤 부재가 다른 부재 "상에" 위치하고 있다고 할 때, 이는 어떤 부재가 다른 부재에 접해 있는 경우뿐 아니라 두 부재 사이에 또 다른 부재가 존재하는 경우도 포함한다.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
이하, 본 발명의 대면적 투명 전극의 제조방법 및 이를 이용하여 제조된 대면적 투명 전극에 대하여 실시예 및 도면을 참조하여 구체적으로 설명하도록 한다. 그러나, 본 발명이 이러한 실시예 및 도면에 제한되는 것은 아니다.
일 실시예에 있어서, 전기방사법을 이용하여 기판 상에 고분자 물질을 방사하여, 상기 기판 상에 고분자 파이버를 형성하는 단계; 상기 고분자 파이버를 전처리하는 단계; 상기 전처리된 고분자 파이버 상에 금속층을 형성하는 단계; 및 상기 고분자 파이버를 제거하여 나노 파이버를 포함하는 투명 전극을 형성하는 단계;를 포함하는, 대면적 투명 전극의 제조방법을 제공한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른, 대면적 투명 전극의 제조방법을 나타내는 순서도이고, 도 2는 도 1의 고분자 파이버 전처리 단계의 세부단계를 나타내는 순서도이다. 도 1을 참조하면, 투명 전극의 제조방법은, 고분자 파이버 형성 단계(110); 고분자 파이버 전처리 단계(120); 전처리된 고분자 파이버 상에 금속층 형성 단계(130); 고분자 파이버 제거하여 나노 파이버를 포함하는 투명 전극 형성 단계(140);를 포함한다. 도 2를 참조하면, 고분자 파이버 전처리 단계(120)는, 열처리 단계(122); 및 자외선 처리 단계(124);를 포함한다.
일 측에 있어서, 상기 기판 상에 고분자 파이버를 형성하는 단계(110)는, 전기방사법을 이용하여 기판 상에 고분자 물질을 방사하여, 상기 기판 상에 고분자 파이버를 형성하는 것일 수 있다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따라 사각형 프리 스탠딩 기판 상에 고분자 파이버를 형성하는 단계를 도시한 개략도이다. 도 3을 참조하면, 전기방사법을 이용하여 기판(200) 상에 고분자 물질(300)을 방사하여 고분자 파이버(310)를 형성하는 것일 수 있다.
일 측에 있어서, 본 발명의 일 실시예에 따른, 대면적 투명 전극은 방사 용액 탱크, 방사 노즐, 방사 노즐팁, 외부 전원 및 컬렉터 기판을 포함하는, 전기 방사 장치(미도시)를 이용하여 제조될 수 있다. 컬렉터 기판은, 본 발명에서 기판과 동일한 것일 수 있다. 방사 용액 탱크는 방사 용액을 저장할 수 있다. 방사 용액은 방사(Spinning)를 원하는 물질에 따라 변경할 수 있다.
일 측에 있어서, 상기 기판(200)은, 프리 스탠딩(free standing) 기판인 것일 수 있다. 상기 프리 스탠딩 기판은, 중앙 부분이 관통되고, 외각 테두리로 구성된 형상으로 하측을 지지하지 않는 기판일 수 있다. 구체적으로, 기판(200)은 프리스탠딩 구조의 대상체를 형성할 수 있는 모든 종류의 기판을 포함할 수 있다. 상기 기판(200)은, 도 3에 도시된 바와 같이, 중앙 부분이 뚫려있고, 외각 테두리가 연결된 사각형 형상을 가질 수 있다. 또한, 기판은 사각형뿐만 아니라 삼각형, 오각형과 같은 다각형 형상을 가질 수 있으며, 중앙 부분이 뚫려있고, 외각 테두리가 연결되지 않은 다각형 형상을 가질 수 있다. 또한, 기판(200)은, 도 4에 도시된 바와 같이, 중앙 부분이 뚫려있고 외각 테두리가 연결된 환형 형상을 가질 수 있다. 또한, 기판은 중앙 부분이 뚫려있고 외각 테두리가 연결되지 않은 편자(horseshoe) 형상을 가질 수 있다.
일 측에 있어서, 방사 장치의 방사 용액 탱크는 내장된 펌프를 이용하여 방사 용액을 가압하여 방사 노즐에 방사 용액을 제공할 수 있다. 방사 노즐은 방사 용액 탱크로부터 방사 용액을 제공받아 일단부에 위치한 방사 노즐팁을 통하여 방사 용액을 방사할 수 있다. 방사 노즐팁은 펌프에 의하여 방사 용액이 가압되어 내부의 노즐관을 채운 후에, 외부 전원에 의하여 인가된 전압에 의하여 방사 용액을 방사할 수 있다.
일 측에 있어서, 상기 방사 용액은 상기 전기방사가 가능한 고분자 물질 및 용매를 포함할 수 있다.
일 측에 있어서, 상기 고분자 물질은, 폴리비닐피롤리돈(PVP), 폴리비닐알콜(PVA), 폴리메틸메스아크릴레이트(PMMA), 폴리디메틸실록산(PDMS), 폴리아크릴, 폴리우레탄, 폴리에테르우레탄, 셀룰로오스 아세테이트, 셀룰로오스 아세테이트 부틸레이트, 셀룰로오스 아세테이트 프로피오네이트, 폴리메틸아크릴레이트(PMA), 폴리비닐아세테이트 (PVAc), 폴리아크릴로니트릴(PAN), 폴리퍼퓨릴알콜(PPFA), 폴리스티렌, 폴리에틸렌 옥사이드(PEO), 폴리프로필렌옥사이드(PPO), 폴리카보네이트(PC), 폴리비닐클로라이드(PVC), 폴리카프로락톤, 폴리비닐플루오라이드 및 폴리아마이드로 이루어지는 군에서 선택되는 적어도 어느 하나를 포함하는 것일 수 있다.
일 측에 있어서, 상기 용매는, 물, 메탄올, 에탄올, 프로판올, 부탄올, 아세톤, 트리플루오르에틸렌(TFE), 트리플루오르아세트산(TFA), 디메틸포름아마이드(DMF), 디메틸아세트아마이드(DMA), 디메틸설폭시드, 헥사플루오르이소프로판올(HFIP), 헥세인, 벤젠, 아세트산, 포름산, 클로로포름, 테트라하이드로퓨란(THF) 및 디클로로메탄(DCM)으로 이루어지는 군에서 선택되는 적어도 어느 하나를 포함하는 것일 수 있다.
일 측에 있어서, 상기 방사 용액의 농도는 전기방사 시 고분자 파이버 형태를 유지할 수 있는 농도가 적당하며, 용매에 대해 고분자 물질 기준으로 5 중량% 내지 90 중량%의 범위가 적당하다. 고분자 물질의 비율이 5 중량% 미만인 경우 전기방사 시 고분자 파이버를 형성하기 보다는 낮은 농도에 기인한 드롭이 형성되어 고분자 파이버를 형성하지 못할 경우가 많으며, 90 중량% 초과인 경우에는 고분자 물질의 함량이 많아 고분자 파이버를 형성하지 못하는 경우가 발생할 수 있다. 따라서, 사용하는 고분자 물질에 따라 고분자 파이버가 형성될 수 있는 적당한 농도 범위에서 방사용액을 제조할 필요가 있다. 특히, 하나 이상의 고분자 물질을 블렌드하여 방사할 경우, 고분자와 용매는 상용성이 있어야 하며, 상분리 등이 발생하지 않는 조건에서 행해야 한다. 또한, 용매는 1종 내지 2종 혼합하여 용매의 휘발에 대해서도 고려하면서 방사 용액을 제조하는 것이 바람직하다.
일 측에 있어서, 상기 기판 상에 고분자 파이버를 형성하는 단계(110)는, 상기 기판에 음(-)의 전압을 인가하여 수행하는 것일 수 있다.
일 측에 있어서, 상기 음(-)의 전압은 -1 KV 내지 -10 KV의 범위의 직류전압 또는 교류전압인 것일 수 있다. 상기 전압은 방사 용액의 종류 및 방사 양에 따라 변화될 수 있다.
일 측에 있어서, 방사 용액의 토출 속도는 0.1 ml/h 내지 10 ml/h, 방사 거리는 3 cm 내지 30 cm 및 상대습도 1 % 내지 50 %의 전기방사 조건으로 3 분 내지 10 분 동안 기판 상에 고분자 물질을 방사할 수 있다. 상기 범위의 전기방사 조건으로 수득한 고분자 파이버의 경우 인장강도, 파단신율 등의 기계적 물성이 우수하고, 유연성이 증대되며, 비표면적이 높다.
일 측에 있어서, 상기 고분자 파이버의 직경은 100 nm 내지 1 ㎛인 것일 수 있다. 상기 고분자 파이버의 직경이 100 nm 미만인 경우, 추후에 고분자 파이버가 제거된 후에 제조되는 중공 구조의 나노 파이버를 포함하는 투명 전극의 광투과도가 낮아지게 될 우려가 있고, 1 ㎛인 경우 투명 전극의 저항이 높아질 수 있다.
이처럼, 초기 방사 시에 얻어진 고분자 파이버의 직경 범위에 따라 중공 구조의 나노 파이버의 내경과 외경의 크기를 조절할 수 있다.
일 측에 있어서, 상기 고분자 파이버를 전처리하는 단계(120)는, 상기 고분자 파이버를 열처리하는 단계; 및 상기 열처리된 고분자 파이버를 자외선(UV) 처리하는 단계;를 포함하는 것일 수 있다.
일 측에 있어서, 상기 고분자 파이버를 열처리하는 단계(122)는, 유리 전이(glass transition) 온도에서 30 분 내지 3 시간 동안 수행하는 것일 수 있다. 상기 열처리는 고분자 파이버들 사이의 결합력을 증가시킬 수 있다. 상기 열처리는 공기 분위기, 아르곤 가스나 질소 가스를 포함하는 불활성 분위기 또는 수소 가스를 포함하는 환원성 분위기에서 수행될 수 있다.
일 측에 있어서, 상기 열처리된 고분자 파이버를 자외선(UV) 처리하는 단계는, 고분자 파이버에 금속층을 형성하기 직전에 수행하는 것일 수 있다. 상기 자외선(UV) 처리에 의해 고분자 파이버의 표면을 활성화하여 고분자 파이버와 금속층 간의 접합력을 향상시킬 수 있다.
일 측에 있어서, 상기 열처리된 고분자 파이버를 자외선(UV) 처리하는 단계는, 150 nm 내지 370 nm의 파장을 가지는 자외선을 1 kw 내지 25 kw의 강도로 10 초 내지 5 분 동안 조사하는 것일 수 있다. 상기 자외선의 파장 범위보다 낮은 파장의 경우 고분자 파이버와 금속층 간의 접합력이 증가하는 본 발명의 효과가 발생하지 않을 수 있고, 상기 범위보다 높은 파장의 경우 UV 파장대를 넘어서 본 발명의 효과를 얻을 수 없다. 상기 자외선 조사 강도가 1 kw 미만이거나 조사 시간이 10 초 미만인 경우 고분자 파이버와 금속층 간의 접합력이 증가하는 본 발명의 효과를 얻을 수 없고, 조사 강도가 25 kw를 초과하거나 5 분을 초과하는 경우 본 발명의 효과가 미미하다.
일 측에 있어서, 본 발명에 따른 전처리 단계는 열처리 및 자외선(UV) 처리와 같은 간단한 공정을 통해 수행되므로, 저비용으로 고분자 파이버와 금속층의 접합력을 향상시킬 수 있다.
일 측에 있어서, 상기 전처리된 고분자 파이버 상에 금속층 형성 단계(130)는, 상기 전처리된 고분자 파이버 상에 금속층을 형성하는 것으로서, 고분자 파이버의 외측의 적어도 일부를 둘러싸서 금속층이 형성되는 것일 수 있다.
일 측에 있어서, 상기 금속층의 형성은 스퍼터링, 증착법, 이온플레이팅, 무전해 도금 및 전해도금으로 이루어지는 군에서 선택되는 적어도 어느 하나를 포함하는 방법이 사용될 수 있다.
일 측에 있어서, 상기 금속층은, 은(Ag), 구리(Cu), 백금(Pt), 금(Au), 코발트(Co), 스칸듐(Sc), 티타늄(Ti), 크롬(Cr), 망간(Mn), 철(Fe), 니켈(Ni), 구리(Cu), 아연(Zn), 이트륨(Y), 지르코늄(Zr), 알루미늄(Al), 니오븀(Nb), 몰리브덴(Mo), 테크네늄(Tc), 루테늄(Ru), 로듐(Rh), 팔라듐(Pd), 카드뮴(Cd), 하프늄(Hf), 탄탈(Ta), 텅스텐(W), 레늄(Re), 오스뮴(Os) 및 이리듐(Ir)으로 이루어지는 군에서 선택되는 적어도 어느 하나를 포함하는 것일 수 있다.
일 측에 있어서, 상기 금속층의 두께는 50 nm 내지 1 ㎛인 것일 수 있다. 바람직하게는, 상기 금속층의 두께는 50 nm 내지 500 nm인 것일 수 있다. 상기 금속층의 두께 50 nm 미만인 경우 균일한 두께로 형성하기 어렵고, 전극으로서 전도도가 너무 낮아서 전기저항이 커지게 될 수 있고, 1 ㎛ 초과인 경우 템플릿으로 사용되는 고분자 파이버가 끊어지는 현상이 발생할 수 있다.
일 측에 있어서, 상기 고분자 파이버 제거하여 투명 전극 형성 단계(140)는, 상기 고분자 파이버를 제거하여 나노 파이버를 포함하는 투명 전극을 형성하는 것으로서, 상기 고분자 파이버를 열처리하거나 유기 용매로 처리하여 고분자 파이버를 제거하는 것일 수 있다.
일 측에 있어서, 상기 유기 용매는 고분자 파이버를 용해할 수 있는 모든 종류의 용매를 포함할 수 있다. 상기 용매는 헥산(hexane)과 같은 알칸족(Alkanes), 톨루엔(toluene)과 같은 방향족(Aromatics), 디에틸 에테르(diethyl ether)와 같은 에테르족(Ethers), 클로로포름(chloroform)과 같은 알킬 할라이드족(Alkyl halides), 에스테르족(Esters), 알데히드족(Aldehydes), 케톤족(Ketones), 아민족(Amines), 알코올족(Alcohols), 아미드족(Amide), 카르복실산족(Carboxylic acids), 및 물 등 다양한 물질을 포함할 수 있다. 또한, 아세톤(Acetone), 플로로알칸(Fluoroalkanes), 펜탄(Pentanes), 헥산(Hexane), 2,2,4-트리케틸펜탄(2,2,4-Trimethylpentane), 데칸(Decane), 시클로헥산(Cyclohexane), 시클로펜탄(Cyclopentane), 디이소부틸렌(Diisobutylene), 1-펜텐(1-Pentene), 카본디설파이드(Carbon dissulfide), 카본테트라클로라이드(Carbon tetrachloride), 1-클로로부탄(1-Chlorobutane), 1-클로로펜탄(1-Chloropentane), 실렌(Xylene), 디이소프로필 에테르(Diisopropyl ether), 1-클로로프로판(1-Chloropropane), 2-클로로프로판(2-Chloropropane), 톨루엔(Toluene), 틀로로벤젠(Chlorobenzene), 벤젠(Benzene), 브로모에탄(Bromoethane),디에틸 에테르(Diethyl ether), 디에틸 설파이드(Diethyl sulfide), 클로로포름(Chloroform), 디클로로메탄(Dichloromethane), 4-메틸-2-프로파논(4-Methyl-2-propanone), 테트라하이드로퓨란(Tetrahydrofuran), 1,2-디클로로에탄(1,2-Dichloroethane), 2-부타논(2-Butanone), 1-니트로프로판(1-Nitropropane), 1,4-디옥산(1,4-Dioxane), 에틸 아세테이트(Ethyl actate), 메틸 아세테이트(Methyl acetate), 1-펜타놀(1-Pentanol), 디메틸 설폭사이드(Dimethyl sulfoxide), 아닐린(Aniline), 디에틸아민(Diethylamine), 니트로메탄(Nitromethane), 아세토니트릴(Acetonitrile), 피리딘(Pyridine), 2-부톡시에탄올(2-Butoxyethanol), 1-프로판올(1-Propanol), 2-프로판올 2-Propanol), 에탄올(Ethanol), 메탄올(Methanol), 에틸렌 글리콜(Ethylene glycol) 및 아세트 산(Acetic Acid)으로 이루어지는 군에서 선택되는 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 고분자 물질, 고분자 물질 상에 형성된 금속층 및 중공 구조의 나노 파이버의 모식도이다. 도 5에 도시된 바와 같이, 고분자 파이버(310)의 외측의 적어도 일부를 둘러싸서 금속층(320)이 형성되므로, 고분자 파이버(310)를 제거하면, 금속층(320)은 내부가 빈 중공(hollow) 구조를 가지게 되고, 이에 따라 금속층(320)으로 구성된 나노 파이버(330)도 중공 구조를 가지게 된다. 나노 파이버(330)는 다양한 나노 형상을 가지는 물질로 구성될 수 있고, 예를 들어 나노 와이어(nanowire), 나노 튜브(nanotube) 및 나노 로드(nanorod)로 이루어지는 군에서 선택되는 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다.
일 측에 있어서, 본 발명의 일 실시예에 따른 대면적 투명 전극은, 중공 구조의 나노 파이버(330)가 서로 겹쳐져 연결되어 형성된 1차원, 2차원 또는 3차원 도전성 네트워크 구조체를 구성하도록 배열될 수 있다. 이러한, 네트워크 구조에 의하여 투명 전극은 일정 수준 이상의 전도도를 확보할 수 있다. 또한, 투명 전극은 소정의 패턴을 가지는 형상으로 배열될 수 있고, 예를 들어, 메쉬(mesh) 형상을 가지거나, 웹(web) 형상을 가지도록 배열될 수 있다.
일 측에 있어서, 본 발명의 일 실시예에 따른 대면적 투명 전극은, 프리 스탠딩 기판 하측에 제2의 기판(미도시)을 배치시키고, 제2 기판을 들어올려, 프리 스탠딩 기판으로부터 제2 기판 상에 나노 파이버가 메쉬 또는 웹 형상으로 배열된 투명 전극을 안착하여 사용할 수 있다. 제2 기판은 광을 통과시키는 투명한 물질 또는 원하는 파장의 광을 선별적으로 통과시키는 물질을 포함할 수 있다. 제2 기판은, 예를 들어 유리, 석영, 실리콘 산화물, 알루미늄 산화물 또는 폴리머를 포함할 수 있고, 예를 들어, 폴리이미드(polyimide), 폴리에틸렌 나프탈레이트(polyethylenenaphthalate, PEN), 폴리에틸렌 테레프탈레이트(polyethyleneterephthalate, PET), 폴리메틸메스아크릴레이트(PMMA) 및 폴리디메틸실록산(PDMS)로 이루어지는 군에서 선택되는 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다. 제2 기판은 플렉서블 물질을 포함할 수 있고, 이에 따라 제조된 대면적 투명 전극이 플렉서블한 특성을 가질 수 있다.
다른 실시예에 있어서, 일 실시예에 따른 대면적 투명 전극의 제조방법으로 제조되고, 중공 구조의 나노 파이버가 메쉬 형상 또는 웹 형상을 가지도록 배열된 것인, 대면적 투명 전극을 제공한다.
일 측에 있어서, 상기 대면적 투명 전극은, 25 cm2 이상의 대면적인 것일 수 있다. 투명 전극의 면적은 특별히 한정하지 않으며, 장비에 따라 얼마든지 제어가 가능하다. 본 발명에서 사용한 장비를 통해 수행한 경우 그래핀 투명전극의 면적은 25 cm2 이었으며, 이러한 면적은 제한이 없다.
일 측에 있어서, 상기 대면적 투명 전극은 투과도가 80 % 이상, 바람직하게는 85 % 이상인 것일 수 있다.
일 측에 있어서, 상기 대면적 투명 전극은 면저항이 500 Ω/cm2 이하인 것일 수 있다.
일 측에 있어서, 상기 투과도와 면저항은 제조 공정에서 금속층의 함량을 조절하여 얼마든지 제어할 수 있으며, 적용하고자 하는 제품 스펙 범위에 맞도록 생산이 가능하다. 예를 들어, 터치패널로 사용되는 투명전극의 경우 300 Ω/cm2 내지 400 Ω/cm2, 스마트폰 100 Ω/cm2 미만, TV 20 Ω/cm2으로 알려져 있으며, 본 발명에 따른 중공 구조의 나노 파이버로 이루어진 대면적 투명 전극을 대체하여 사용할 수 있다.
이하, 하기 실시예 및 비교예를 참조하여 본 발명을 상세하게 설명하기로 한다. 그러나, 본 발명의 기술적 사상이 그에 의해 제한되거나 한정되는 것은 아니다.
[
실시예
]
폴리비닐피롤리돈(PVP) 1.6 g 및 에탄올 20 ml을 혼합하여 40 에서, 750 ppm으로 10 분 내지 15 분 동안 혼합하여 방사 용액을 제조하였다. 방사 용액을 방사 장치의 방사 용액에 넣고, 상대습도 50 %인 환경에서 방사 거리 20 cm에서 방출 속도 1.0 ml/h로, 전압 -9.0 kV, 3 분 내지 10 분 동안 금속 템플릿 위에 전기방사하였다. 전기방사된 서로 겹쳐져 연결된 웹 형태의 고분자 파이버를 제조하였다. 제조된 웹 형태의 고분자 파이버를 150 ℃에서 1 시간 반 동안 열처리 하였다. 열처리 후 금속 증착 직전에 열처리된 고분자 파이버에 자외선(UV)을 60 초 동안 조사하였다. 이어서, 전극으로 쓰일 금속재료로서, 은(Ag)을 고분자 파이버 상에 증착시키고, 아세톤을 이용하여 PVP 구조물을 녹여 제거하여 중공 구조의 나노 파이버를 포함하는 대면적 투명 전극을 제조하였다.
[
비교예
]
전기방사 시 0 V의 접지 전압을 인가한 것을 제외하고 실시예와 동일한 방법으로 투명전극을 제조하였다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따라 제조된 대면적 투명 전극의 사진이고, 도 7은 본 발명의 비교예에 따라 제조된 투명 전극의 사진이다. 도 6을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따라 제조된 대면적 투명 전극은 약 500 nm의 균일한 나노 파이버가 웹 형태로 있는 25 cm2의 대면적 투명전극을 제조할 수 있음을 확인하였다. 그러나, 도 7에서와 같이, 0 V의 접지 전압을 인가하였을 때, 고분자 파이버들이 프리스탠딩 기판에 충분히 걸리지 않게 되는 것을 확인하였다.
이상과 같이 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 상기의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 그러므로, 본 발명의 범위는 설명된 실시예에 제한되어 정해져서는 아니 되며, 후술하는 특허청구범위뿐 아니라 이 특허청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.
200: 기판
300: 고분자 물질
310: 고분자 파이버
320: 금속층
330: 나노 파이버
300: 고분자 물질
310: 고분자 파이버
320: 금속층
330: 나노 파이버
Claims (16)
- 전기방사법을 이용하여 기판 상에 고분자 물질을 방사하여, 상기 기판 상에 고분자 파이버를 형성하는 단계;
상기 고분자 파이버를 전처리하는 단계;
상기 전처리된 고분자 파이버 상에 금속층을 형성하는 단계; 및
상기 고분자 파이버를 제거하여 나노 파이버를 포함하는 투명 전극을 형성하는 단계;
를 포함하고,
상기 기판 상에 고분자 파이버를 형성하는 단계는, 상기 기판에 음(-)의 전압을 인가하여 수행하고,
상기 고분자 파이버를 전처리하는 단계는,
상기 고분자 파이버를 열처리하는 단계; 및
상기 열처리된 고분자 파이버를 자외선(UV) 처리하는 단계; 를 포함하고,
상기 열처리된 고분자 파이버를 자외선(UV) 처리하는 단계는, 150 nm 내지 370 nm의 파장을 가지는 자외선을 10 초 내지 5 분 동안 조사하고,
상기 투명 전극은, 25 cm2 이상의 대면적인 것이고, 투과도가 80 %이상이고, 면저항이 20 Ω/cm2 내지 500 Ω/cm2 이하인 것인,
대면적 투명 전극의 제조방법.
- 삭제
- 제1항에 있어서,
상기 음(-)의 전압은 -1 KV 내지 -10 KV의 범위의 직류전압 또는 교류전압인 것인, 대면적 투명 전극의 제조방법.
- 삭제
- 삭제
- 제1항에 있어서,
상기 고분자 파이버를 열처리하는 단계는, 유리 전이(glass transition) 온도에서 30 분 내지 3 시간 동안 수행하는 것인, 대면적 투명 전극의 제조방법.
- 제1항에 있어서,
상기 열처리된 고분자 파이버를 자외선(UV) 처리하는 단계는, 상기 자외선을 1 kw 내지 25 kw의 강도로 조사하는 것인, 대면적 투명 전극의 제조방법.
- 제1항에 있어서,
상기 고분자 파이버의 직경은 100 nm 내지 1 ㎛인 것인, 대면적 투명 전극의 제조방법.
- 제1항에 있어서,
상기 고분자 물질은, 폴리비닐피롤리돈(PVP), 폴리비닐알콜(PVA), 폴리메틸메스아크릴레이트(PMMA), 폴리디메틸실록산(PDMS), 폴리아크릴, 폴리우레탄, 폴리에테르우레탄, 셀룰로오스 아세테이트, 셀룰로오스 아세테이트 부틸레이트, 셀룰로오스 아세테이트 프로피오네이트, 폴리메틸아크릴레이트(PMA), 폴리비닐아세테이트 (PVAc), 폴리아크릴로니트릴(PAN), 폴리퍼퓨릴알콜(PPFA), 폴리스티렌, 폴리에틸렌 옥사이드(PEO), 폴리프로필렌옥사이드(PPO), 폴리카보네이트(PC), 폴리비닐클로라이드(PVC), 폴리카프로락톤, 폴리비닐플루오라이드 및 폴리아마이드로 이루어지는 군에서 선택되는 적어도 어느 하나를 포함하는 것인, 대면적 투명 전극의 제조방법.
- 제1항에 있어서,
상기 기판은, 프리 스탠딩(free standing) 기판인 것인, 대면적 투명 전극의 제조방법.
- 제1항에 있어서,
상기 금속층은, 은(Ag), 구리(Cu), 백금(Pt), 금(Au), 코발트(Co), 스칸듐(Sc), 티타늄(Ti), 크롬(Cr), 망간(Mn), 철(Fe), 니켈(Ni), 구리(Cu), 아연(Zn), 이트륨(Y), 지르코늄(Zr), 알루미늄(Al), 니오븀(Nb), 몰리브덴(Mo), 테크네늄(Tc), 루테늄(Ru), 로듐(Rh), 팔라듐(Pd), 카드뮴(Cd), 하프늄(Hf), 탄탈(Ta), 텅스텐(W), 레늄(Re), 오스뮴(Os) 및 이리듐(Ir)으로 이루어지는 군에서 선택되는 적어도 어느 하나를 포함하는 것인, 대면적 투명 전극의 제조방법.
- 제1항에 있어서,
상기 금속층의 두께는 50 nm 내지 1 ㎛인 것인, 대면적 투명 전극의 제조방법.
- 제1항에 따른 대면적 투명 전극의 제조방법으로 제조되고,
중공 구조의 나노 파이버가 메쉬 형상 또는 웹 형상을 가지도록 배열되고,
상기 투명 전극은, 25 cm2 이상의 대면적인 것이고, 투과도가 80 %이상이고, 면저항이 20 Ω/cm2 내지 500 Ω/cm2인 것인,
대면적 투명 전극. - 삭제
- 삭제
- 삭제
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