KR102120040B1

KR102120040B1 - 무에칭인쇄형 마이크로 전극의 패턴을 형성하는 방법

Info

Publication number: KR102120040B1
Application number: KR1020180132829A
Authority: KR
Inventors: 김세현; 이신림
Original assignee: 주식회사 라훔나노테크
Priority date: 2018-11-01
Filing date: 2018-11-01
Publication date: 2020-06-10
Also published as: WO2020091198A1; KR20200050499A

Abstract

본 출원은 마이크로 전극의 패턴을 형성하는 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는, 포토 리쏘그래피 및 에칭 공정을 사용하지 않으며, 플렉시블 터치스크린 패널 및 유기발광다이오드, 트랜지스터, 센서 및 변색 소자와 같은 다양한 전자 소자를 위한 미세 선폭의 형성이 가능한 마이크로 전극의 패턴을 형성하는 방법에 관한 것이다.

Description

무에칭인쇄형 마이크로 전극의 패턴을 형성하는 방법{ETCHINGLESS PRINTING TYPE METHOD FOR FORMING MICRO ELECTRODE PATTERN}

본 출원은 마이크로 전극의 패턴을 형성하는 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는, 포토 리쏘그래피 및 에칭 공정을 사용하지 않으며, 플렉시블 터치스크린 패널(touch screen panel) 및 유기발광다이오드, 트랜지스터, 센서 및 변색 소자와 같은 다양한 전자 소자를 위한 미세 선폭의 형성이 가능한 마이크로 전극의 패턴을 형성하는 방법에 관한 것이다.

터치스크린 패널은 패널에 표시된 화면을 가압하여 화면에 대응되는 정보를 입력한다. 사용상의 편의성으로 인해 최근들어 터치스크린 패널이 모든 디스플레이 장치에 활발하게 적용되고 있다.

일반적으로, 터치스크린 패널은 정전용량방식, 저항막방식, 표면초음파 방식, 적외선방식 등을 이용하여 가압된 부분의 좌표를 추출하고 정보를 입력한다. 여기서, 정전용량방식은 사용자가 화면을 터치하는 경우, 인체의 정전용량을 이용해 전류 변화량을 인식하여 위치를 검출한다.

이러한 터치스크린 패널은 기본적으로 유리 또는 필름으로 이루어진 기판의 중앙부에 다수의 전극 센서를 형성함으로써 구동되는데 최근에는 센서 영역이 확장되고 복잡해지는 추세에 따라 전극 패턴도 점점 더 미세한 패턴으로 형성할 것이 요구되고 있다.

종래에 전극 패턴을 형성하는 방법은 대표적으로 스크린 프린팅 방법(screen printing method)이나 그라비아 오프셋 프린팅 방법(Gravure off-set printing method) 등을 포함하는 인쇄식 공법, 임프린팅 공법(imprinting method), 및 포토리소그래피(photolithography) 등이 있다.

위 인쇄식 공법 중, 스크린 프린팅 방법은, 형성하고자 하는 전극 패턴 모양으로 된 스크린을 사용하여 인쇄형 도전성 페이스트 조성물을 기판 표면에 일정 두께로 인쇄를 한 다음, 이를 경화함으로써 전극 패턴을 형성하는 방식이다. 이러한 스크린 프린팅을 통한 방법은 포토리소그래피 방식에 비해 제조 장비 및 공정이 간단하여 설비 및 재료비를 절감할 수 있는 장점이 있으나 80마이크론 이하의 전극 배선의 미세 패턴 구현이 어려운 문제점이 있다.

그라비아 오프셋 프린팅 방법은, 형성하고자 하는 전극 패턴 모양으로 된 음각의 그라비아 롤 및 평판의 실리콘 Blanket을 이용하여 인쇄형 도전성 페이스트 조성물을 기판 표면에 일정 두께로 인쇄한 다음, 이를 경화함으로써 전극 패턴을 형성하는 방식이다. 이러한 그라비아 오프셋 프린팅 방법은 포토리소그래피 방식에 비해 제조 장비 및 공정이 간단하여 설비 및 재료비를 절감할 수 있는 장점이 있으나 20㎛ 이하의 전극 배선의 미세 패턴 구현이 어려운 문제점이 있다.

포토리소그래피 방법은, 먼저, 스퍼터링 공정으로 기판 상에 도전막을 형성하고, 도전막 상에 포토레지스트를 도포한 후, 마스크를 이용하여 포토레지스트를 선택적으로 노광시켜 도전막의 일부를 노출시킨다. 노출된 도전막은 에칭으로 제거하여 전극 패턴을 형성하고, 나머지 포토레지스트를 제거함으로써, 최종적으로 전극 패턴을 완성하게 된다. 이러한 포토리소그래피 방법은 미세 선폭 구현이 가능하나, 진공 하에서 도전막 증착 후 포토레지스트 도포, 노광, 현상, 에칭 및 박리 공정이 이루어져야 하기 때문에 복잡한 공정을 거쳐야 하고, 고가의 장비가 요구되어 투자비 및 생산 단가가 증가하는 단점이 있다.

그래서, 이러한 복잡한 공정을 사용하지 않으면서도, 안정한 패턴을 제공할 수 있는 전극의 패턴을 형성할 수 있는 방법에 대한 연구가 필요하다.

본 출원의 일 실시예에 따르면, 복잡한 포토리쏘 그래피 및 에칭 공정을 사용하지 않고 용액공정용 투명 전도체 및 탄소 전극의 마이크로 패턴 형성 공정을 제공하고자 한다.

본 출원의 일 측면은 마이크로 전극의 패턴을 형성하는 방법은 기판을 준비하는 단계; 기판을 UV-O₃ 또는 플라즈마로 처리하여, 기판에 친수성 표면을 형성하는 단계; 기판에 실란계 말단 관능기를 포함한 고분자 화합물로 패터닝하는 단계; 기판을 50 ℃ 내지 200 ℃ 의 온도 범위로 가열한 후 세척하는 단계; 기판을 전도성 재료로 코팅하는 단계; 및 기판을 건조하는 단계를 포함한다.

일 예시에서, 기판을 UV-O3 또는 플라즈마 처리하여, 기판이 친수성 표면을 갖는 경우, 기판을 클리닝(cleaning)하거나, 기판이 소수성 표면을 갖는 경우, 기판에 hydroxyl 관능기를 형성한다.

일 예시에서, 고분자 화합물은 중량 평균 분자량이 7,500 내지 20,000이다.

일 예시에서, 고분자 화합물의 주쇄는 불소, 알킬체인 및 방향족 관능기 중 적어도 하나를 포함한다.

일 예시에서, 고분자 화합물은 폴리스티렌 주쇄 말단에 디메틸클로로실란(dimethylchlorosiliane) 관능기가 결합된 고분자 화합물이다.

일 예시에서, 패터닝하는 단계에서, 고분자 화합물은 용매에 혼합된 용액이 사용되며, 용액의 무기 함량은 0.5 중량% 내지 2.0 중량%이다.

일 예시에서, 패터닝하는 단계는 전기수력학(electrohydrodynamic, EHD) 잉크젯 프린팅 방법에 의하여 수행된다.

일 예시에서, 패터닝하는 단계는 마이크로-드립핑(micro-dripping) 모드로 수행되며, 토출되는 잉크 방울은 불연속적이다.

일 예시에서, 전기수력학 잉크젯 프린팅 방법을 수행시 3.0 kV 내지 4.0 kV으로 전압을 인가한다.

일 예시에서, 전기수력학 잉크젯 프린팅 방법을 수행시, 프린팅 속도는 0.5 mm/s 내지 15 mm/s이다.

일 예시에서, 세척 후, 고분자 화합물 패턴의 두께는 3 nm 내지 1 nm 이다.

일 예시에서, 전도성 재료는 초순수물에 혼합되어 사용된다.

본 출원의 다른 측면은 전술한 패터닝 방법에 의하여 형성된 전극이다.

본 출원의 또 다른 측면은 기판; 및 기판 상에 형성된 전술한 전극을 포함한 전자 소자이다.

본 출원의 일 실시예에 따르면, 종래의 포토리쏘그래피 및 에칭 공정과 같은 복잡한 공정을 거치지 않고, 마이크로 전극의 패턴을 형성하는 방법을 제공할 수 있다.

본 출원의 일 실시예에 따르면, 낮은 온도에서 열처리 공정을 수행하여, 인쇄된 고분자층과 기판과의 결합력을 향상시켜, 안정한 패턴을 제공할 수 있다.

본 출원의 일 실시예에 따르면, 의도하고자 하는 선폭을 갖도록 EHD jet 인쇄 공정을 제어할 수 있으며, 다양한 패턴을 정확하게 제공할 수 있다.

본 출원의 일 실시예에 따르면, 미세 선폭의 형성이 가능한 마이크로 전극의 패턴을 형성하는 방법을 제공하여, 플렉시블 터치스크린 패널(touch screen panel) 및 유기발광다이오드, 트랜지스터, 센서 및 변색 소자와 같은 다양한 전자 소자 등에 다양하게 적용될 수 있다.

도 1은 본 출원의 일 실시예인 마이크로 전극의 패턴을 형성하는 방법에 대한 플로우 차트이다.
도 2는 본 출원의 일 실시예인 마이크로 전극의 패턴을 형성하는 방법에 대한 개략도이다.
도 3은 본 출원의 일 실시예인 전기수력학(electrohydrodynamic, EHD) 잉크젯 프린팅 방법에 대한 개략도이다.
도 4는 본 출원의 일 실시예인 열처리 전후의 화학결합 및 접촉각 변화를 나타내는 개략도이다.
도 5는 본 출원의 일 실시예인 인쇄속도에 따른 고분자 화합물에 의한 선의 형상에 대한 이미지이다.
도 6은 본 출원의 일 실시예인 인쇄속도 15mm/s의 속도에서 토출된 잉크 방울간 최소 중첩을 나타내는 이미지이다.
도 7은 본 출원의 일 실시예인 전기수력학 잉크젯 프린팅 방법에 의하여 인쇄된 다양한 형상의 고분자 화합물의 패턴의 이미지이다.
도 8은 본 출원의 일 실시예인 마이크로 전극의 패턴을 형성하는 방법 중 여러 단계에서의 패턴에 대한 이미지이다.
도 9는 본 출원의 일 실시예인 탄소나노튜브 전극과 그래핀/탄소나노튜브 전극 패턴에 대한 이미지이다.
도 10은 본 출원의 일 실시예인 은나노선 패턴에 대한 이미지이다.
도 11은 본 출원의 일 실시예인 은나노선의 투과도 및 패턴 이미지이다.

본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서 상에 기재된 특징, 구성요소 등이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 구성요소 등이 존재하지 않거나 부가될 수 없음을 의미하는 것은 아니다.

다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.

본 출원에서 용어 "나노"는 나노 미터(nm) 단위의 크기를 의미할 수 있고, 예를 들어, 1 내지 1,000 nm의 크기를 의미할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 또한, 본 명세서에서 용어 "나노 입자"는 나노 미터(nm) 단위의 평균 입경을 갖는 입자를 의미할 수 있고, 예를 들어, 1 내지 1,000 nm의 평균입경을 갖는 입자를 의미할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 출원의 마이크로 전극의 패턴을 형성하는 방법을 상세히 설명한다. 다만, 첨부된 도면은 예시적인 것으로, 본 출원의 마이크로 전극의 패턴을 형성하는 방법의 범위가 첨부된 도면에 의해 제한되는 것은 아니다.

도 1은 본 출원의 일 실시예인 마이크로 전극의 패턴을 형성하는 방법에 대한 플로우 차트이다. 도 2는 본 출원의 일 실시예인 마이크로 전극의 패턴을 형성하는 방법에 대한 개략도이다.

도 1 및 2에 도시한 바와 같이, 본 출원의 마이크로 전극의 패턴을 형성하는 방법은 기판을 준비하는 단계(S110); 기판을 UV-O3 또는 플라즈마로 처리하여, 기판에 친수성 표면을 형성하는 단계(S120); 기판에 실란계 말단 관능기를 포함한 고분자 화합물로 패터닝하는 단계(S130); 기판을 50 ℃ 내지 200 ℃ 의 온도 범위로 가열한 후 세척하는 단계(S140); 기판을 전도성 재료로 코팅하는 단계(S150); 및 기판을 건조하는 단계(S150)를 포함한다.

먼저, 기판을 준비한다(S110). 여기서, 기판의 종류는 특별히 한정되는 것은 아니며, 다양한 기판이 적용될 수 있다. 다양한 용도에 적용되도록 다양한 기판이 목적에 맞게 적용될 수 있다. 또한, 플렉시블 기판이 적용될 수 있다. 또한, 기판의 표면이 친수성이거나 소수성이거나 모두 적용가능하다. 구체적인 예시로서 웨이퍼, 유리, 고분자로 이루어진 기판이 적용될 수 있다.

다음, 준비된 기판을 UV-O3 또는 플라즈마로 처리하여, 기판에 친수성 표면을 형성한다(S120).

여기서, 기판이 친수성 표면을 갖는 경우, UV-O3 또는 플라즈마 공정은 기판을 클리닝(cleaning)하게 되어, 기판 위에 존재하였던 이물질을 제거하여, 친수성 표면을 노출시킬 수 있다. 반면에, 기판이 소수성 표면을 갖는 경우, UV-O₃ 또는 플라즈마 공정은 기판 표면에 hydroxyl 관능기를 형성할 수 있다. 구체적으로, -OH 또는 -COOH 관능기를 형성할 수 있다.

UV-O₃처리의 경우, 254 nm UV를 공기중에서 기판의 표면에 약 20분간 조사할 수 있다. 또한, O₂ 플라즈마는 100 W 기준 3분간 처리할 수 있다.

이러한 처리 후, 기판 표면의 접촉각(물)은 거의 0 도에 가까워진다. 이를 통하여, 기판 표면에 충분한 hydroxyl 관능기가 형성되며, 기판 표면이 친수성을 나타냄을 확인할 수 있다.

다음, 친수성을 갖는 기판에 실란계 말단 관능기를 포함한 고분자 화합물로 패터닝한다(S130).

고분자 화합물의 주쇄 말단에는, 기판의 표면과 화학결합을 할 수 있는 실란계 관능기를 포함하는 것이 바람직하다.

또한, 고분자 화합물은 중량 평균 분자량이 7,500 내지 20,000인 것이 바람직하다. 7,500 내지 20,000의 분자량을 갖는 고분자 화합물은 용해도가 좋고, 사슬간 엮임이 줄어들면서, 각각의 사슬이 표면과 화학결합을 통하여, 나노사이즈의 표면층을 형성할 수 있다. 그래서, 기판 고유의 광학특성을 유지하는데, 유리하다.

또한, 고분자 화합물의 주쇄는 불소, 알킬체인 및 방향족 관능기 중 적어도 하나를 포함한다. 고분자 화합물의 주쇄는 용액 공정용 전도체 재료와 젖음성이 낮아, 패턴 형성 후 이웃 전극간 빈 공간을 형성시킬 수 있는 불소, 알킬체인, 벤젠을 포함한 방향족 관능기를 포함하는 것이 바람직하다.

일 예시에서, 고분자 화합물은 하기 화학식과 같은 폴리스티렌 주쇄 말단에 디메틸클로로실란(dimethylchlorosiliane) 관능기가 결합된 고분자 화합물이다. 폴리스티렌 주쇄 말단에 디메틸클로로실란 관능기가 한쪽에만 존재하여 폴리스티렌을 hydroxyl 관능기를 지닌 기판의 표면에 화학결합 형성하여 용액 후공정시 고분자 브러쉬 층이 안정적으로 기판에 접착될 수 있게 한다.

[화학식]

여기서, 전술한 고분자 화합물을 적용하여, 전기수력학(electrohydrodynamic, EHD) 잉크젯 프린팅 방법에 의하여 패터닝을 수행한다. 도 4에 전기수력학 잉크젯 프린팅 방법에 대하 모식도를 나타내었다.

전술한 고분자 화합물을 용매에 혼합한 후, 잉크로 사용할 수 있다. 일 예시로서, 용매는 톨루엔(toluene)을 포함할 수 있다.

또한, 용액의 무기 함량은 0.5 중량% 내지 2.0 중량%일 수 있다. 이러한 범위로 한정하는 이유는 본 공정은 고분자화합물들이 최소두께로 완전히 아래 기판을 덮을 수 있어야 하는데, 기판과 화학결합이 일어나지 않는 고분자 화합물들은 후술하는 바와 같이 세척과정에서 제거되기 때문에, 최소 두께 이상의 고분자 화합물 중량은 고분자화합물의 로스(loss)로 작용하기 때문이다. 따라서, 전술한 무김 함량의 범위가 가장 적절한 수치 범위이다.

EHD jet 인쇄 방법은 노즐과 기판사이에 전기장을 가하여 잉크의 토출을 유도하는 방법으로 전기장 및 인쇄공정 조건에 따라, 드립핑(dripping), 마이크로-드립핑(micro-dripping), 콘-젯트(cone-jet), 멀티-젯(multi-jet) 인쇄 모드로 나눌 수 있다. 이하, 마이크로-드립핑을 중심으로 설명한다. 다만, 이러한 설명은 설명의 편의를 위한 것일 뿐, 본 출원이 마이크로 드립핑 모드로 한정되는 것은 아니다.

마이크로-드립핑 모드에서 불연속적인 잉크방울의 토출된다.

또한, 전기수력학 잉크젯 프린팅 방법을 수행시 3.0 kV 내지 4.0 kV으로 전압을 인가한다. 또한, 전기수력학 잉크젯 프린팅 방법을 수행시, 프린팅 속도는 0.5 mm/s 내지 15 mm/s로 제어하는 것이 바람직하다. 이를 통하여, 본 출원이 의도하는 선폭의 패턴을 확보할 수 있다.

구체적으로, EHD jet 인쇄의 인쇄공정 조건은 인가전압: 3.0~4.0 kV, 노즐-기판간 거리: 80 ㎛, 잉크의 flow rate: 0.3 μm로 유지하는 것이 바람직하다.

특히, 전도성 재료의 전압은 약 1.0 kV인데, 절연성 고분자재료들은 EHD jet printing 에서 잉크내 전하의 양이 충분하지 않아 jetting 이 일어나기 위해서 충분히 큰 전압이 필요하기 때문에, 3.0~4.0 kV로 제어하는 것이 바람직하다.

인쇄 속도를 0.5 mm/s에서 15 mm/s로 조정하는 것이 바람직하다. 인쇄속도가 0.5 mm/s에서는 선폭이 228 ㎛이며, 인쇄속도 증가함에 따라 선폭이 점진적으로 감소하여, 15 mm/s 에서는 최소 선폭 6 ㎛을 획득할 수 있다.

또한, 인쇄속도 감소할수록 토출되는 잉크방울의 중첩현상이 나타나서, 연속적인 선의 형상과 선폭이 증가하는 현상이 나타난다. 이에 비해, 인쇄속도가 증가할수록, 잉크방울간 중첩이 사라지게 되며, 선폭 역시 감소하게 된다. 15 mm/s 의 속도는 토출되는 잉크와 잉크 사이의 최소 중첩이 일어나서 연속적인 선이 만들어지면서, 최소선폭 6 ㎛을 획득할 수 있는 조건이다.

전술한 EHD jet 인쇄방법 및 조건을 통해서, 다양한 패턴 모양의 고분자 화합물의 연속선을 형성할 수 있다. 이를 통하여, 다양한 전자 소자 및 응용사례에서 요구하는 패턴 형상을 구현할 수 있다.

다음으로, 기판을 50 ℃ 내지 200 ℃의 온도 범위로 가열한 후 세척한다(S140).

이를 통하여, 기판과 고분자 화합물 패턴의 화학결합을 촉진시켜, 우수한 결합력을 부여할 수 있다. 구체적으로, 50 ℃ 내지 200 ℃, 바람직하게는 100 ℃에서 20분 공기중에서 열처리를 할 수 있다.

기판을 가열한 후, 세척한다. 이러한 공정을 통하여, 미반응 고분자 화합물을 제거할 수 있다. 구체적으로, 열처리 후, 기판과 미반응한 고분자 화합물을 톨루엔 용매를 이용하여 2분간 세척하여 제거한다. 다만, 본 출원이 톨루엔 용매에 한정되는 것은 아니며, 고분자 화합물을 세척할 수 있는 용매라면 다른 용매도 적용될 수 있다.

세척 후 3 nm 내지 10 nm의 고분자 화합물 패턴이 기판에 증착된다. 본 출원의 적용 목적에 따라, 4 nm 내지 8 nm으로, 또는 5 nm 내지 6 nm의 두께로 제어할 수 도 있다. 특히, Dimethylchlorosilane terminated polystyrene 고분자 화합물의 경우, 기판 표면 처리 후 90 도 정도의 접촉각 (물)을 나타내어, 소수성 (hydrophobic) 특성을 나타낸다. 도 4에 전술한 접촉각의 변화에 대한 모식도를 나타낸다.

다음으로, 기판을 전도성 재료로 코팅한다(S150).

전도성 재료로서, 탄소나노튜브 (Carbon nanotube, 그래핀 (Graphene), 은나노선 (AgNWs)를 사용할 수 있다. 다만, 전도성 재료의 범위가 이에 한정되는 것은 아니며, 다양한 전도성 재료가 사용될 수 있다.

또한, 전도성 재료는 초순수물에 혼합되어 사용된다. 고분자 화합물 라인 또는 패턴은 소수성 표면성질을 가지고 있어서, 초순수물에 분산되어 있는 탄소나노튜브 및 그래핀/탄소나노튜브와 같은 전도성 재료 잉크의 젖음성이 현저히 낮다. 반면에, 친수성 표면에서는 젖음성에 의해, 코팅이 될 수 있다.

전술한 전도성 재료의 코팅은 스핀코팅, 딥코팅, 어플리케이터 및 슬롯다이 코팅 방법 중 어느 하나에 의하여 수행될 수 있다.

일 예시에서, 탄소나노튜브의 경우, multi-wall 탄소나노튜브를 초순수물에 0.5 wt% 내지 1.5 wt% 함량으로 분산하여 제조할 수 있다. 계면활성제 (탄소나노튜브 대비 10 wt%) Polyethylene glycol tert-octylphenyl ether (TX-100)를 투여하고, 초음파 분산기 (750 W)를 통해 1시간 동안 분산 후 사용할 수 있다.

일 예시에서, 또한, 그래핀 잉크의 경우, 그래핀 플레이크 잉크를 탄소나노튜브와 중량비 7:3과 분산제 TX-100 (전체 그래핀 및 탄소나노튜브 대비 10 wt%)를 첨가하여 초순수물에서 분산하여 사용할 수 있다.

일 예시에서, 또한, 은나노선 잉크의 경우 1 wt% 함량으로 초순수물에 분산된 용액을 사용할 수 있다.

다음으로, 기판을 건조한다(S150).

건조하는 공정은 특별히 한정되는 것은 아니며, 다양한 건조 방법이 적용될 수 있다. 일 예시에서, 코팅된 전도체층을 100 ℃에서 20분 공기중에서 건조를 수행할 수 있다. 이를 통하여, 본 출원이 의도하는 전극을 수득할 수 있다.

본 출원의 다른 측면은 전술한 패터닝 방법에 의하여 형성된 전극이다. 본 출원의 실시예에 따른 전극 패턴은, 전술한 특징으로 인하여, 전극의 초미세 선폭을 구현할 수 있으며, 이에 따라, 미세 전극 패터닝을 요구하는 다양한 디바이스, 특히, 터치스크린 패널에 구비되는 터치 센서 등을 형성하는 데에 유용하게 적용할 수 있다.

이하, 실험예를 통하여 본 출원을 보다 상세히 설명한다.

[실험예 1]

254 nm UV를 공기중에서 플렉시블 기재 표면에 약 20분간 조사하였다. Dimethylchlorosilane의 관능기가 말단에 결합된 polystyrene을 이용하여, EHD jet 인쇄 방법을 실시하여, 전술한 기판 상에 고분자 화합물로 패턴을 형성하였다.

구체적으로 마이크로-드립핑 모드를 이용하여, EHD jet 인쇄방법을 수행하였다. 이 때, 인가된 전압은 3.5 kV였으며, 노즐과 기판 사이의 거리는 80 ㎛였으며, 잉크의 유속(flow rate)은 0.3 ㎛로 제어되었으며, 인쇄 속도는 속도를 0.5 mm/s에서 15 mm/s로 제어하였다.

인쇄 속도가 0.5, 1, 3, 5, 6, 10 및 15 mm/s 일 때, 고분자 화합물 라인의 형상을 촬영하여, 그 이미지를 도 5a 내지 도 5g에 나타내었다. 도 5에 도시된 바와 같이, 인쇄속도가 증가함에 따라, 선폭은 감소하였으며, 최소 6 ㎛의 너비의 선폭을 확보할 수 있음을 확인할 수 있었다.

또한, 인쇄속도가 15 mm/s 일 때, 고분자 화합물 라인의 형상을 보다 확대하여 촬영하여, 그 이미지를 도 6에 나타내었다. 도 6에 도시한 바와 같이, 15 mm/s 의 속도는 토출되는 잉크와 잉크 사이의 최소 중첩이 일어나서, 연속적인 선이 만들어지면서, 최소선폭 6 ㎛을 획득할 수 있는 조건임을 확인할 수 있었다.

[실험예 2]

다양한 패턴이 성공적으로 형성될 수 있는지 확인하기 위하여, 실험예 1과 동일한 방법을 이용하여, 기판에 다양한 고분자 화합물 라인 및 패턴을 형성하였다. 다양한 패턴에 대하여 촬영하여, 그 이미지를 도 7에 도시하였다. 도 7에 도시한 바와 같이, 다양한 형상의 패턴을 의도하고자 하는 바에 따라 성공적으로 형성할 수 있음을 확인할 수 있었다.

[실험예 3]

본 출원의 공정의 각단계별 패턴 형성 과정을 확인하기 위하여, 실험예 1과 동일한 방법을 이용하여, 기판에 고분자 화합물 라인 및 패턴을 형성하였다. 기판에 고분자 화합물 패턴을 형성하고, 100 ℃에서 열처리한 후 기판과 미반응한 고분자 화합물을 톨루엔 용매를 이용하여 2분간 세척하였다. 그 후 형성된 패턴을 촬영하여, 그 이미지를 도 8a 내지 도 8c에 도시하였다.

또한, multi-wall 탄소나노튜브를 초순수물에 1.0 wt% 함량으로 분산하여 제조하였으며, 이때, 계면활성제 (탄소나노튜브 대비 10 wt%) Polyethylene glycol tert-octylphenyl ether (TX-100)를 분산제 투여하였으며, 초음파 분산기 (750 W)를 통해 1시간 동안 분산 후 사용하였다. 이를 이용하여 코팅한 후, 100 ℃에서 20분간 건조하였다. 그 후 형성된 패턴을 촬영하여, 그 이미지를 도 8d 내지 도 8f에 도시하였다.

또한, 그래핀 플레이크 잉크를 탄소나노튜브와 중량비 7:3과 분산제 TX-100 (전체 그래핀 및 탄소나노튜브 대비 10 wt%)를 첨가하여 초순수물에서 분산하여 사용하였다. 이를 이용하여 코팅한 후, 100 ℃에서 20분간 건조하였다. 그 후 형성된 패턴을 촬영하여, 그 이미지를 도 8g 내지 도 8i에 도시하였다.

도 8에 도시한 바와 같이, 고분자 화합물의 패턴 위에는 탄소나노튜브 및 탄소나노튜브/그래핀이 코팅되지 않았으며, 고분자 화합물의 패턴이 없는 공간에만 코팅되어 있는 것을 확인할 수 있었다. 이를 통하여, 고분자 화합물 패턴은 소수성 표면성질을 가지고 있어서 초순수물에 분산되어 있는 탄소나노튜브 및 탄소나노튜브/그래핀 잉크의 젖음성이 현저히 낮고, 고분자 화합물이 코팅되어 있지 않은 표면에서는 젖음성에 의해 탄소나노튜브 및 탄소나노튜브/그래핀이 코팅이 되어 있는 것을 확인할 수 있었다.

[실험예 4]

탄소나노튜브 및 그래핀/탄소나노튜브 잉크를 각각 적용하는 경우 본 출원이 의도한 선폭의 전극을 제공할 수 있는지 확인하기 위하여, 실험예 3과 동일한 방법으로 실험을 실시하였다.

탄소나노튜브 및 그래핀/탄소나노튜브 잉크를 각각 적용하는 경우 제작된 기판을 scanning electron microscope(SEM)을 이용하여 촬영 후, 그 이미지를 도 9a 내지 9c(탄소나노튜브)와 도 9d 내지 도 9f(그래핀/탄소나노튜브)에 각각 도시하였다.

도 9에 도시한 바와 같이, 고분자 화합물이 부착되어 있는 선간격 영역에서는 탄소나노튜브 및 그래핀/탄소나노튜브가 거의 존재하지 않음을 확인할 수 있었으며, 전극 표면에서는 와이어 형태의 탄소나노튜브와 판상의 그래핀이 확인되었다.

[실험예 5]

본 출원의 패턴 형성방법에 은나노선을 적용하여, 전극 패턴을 형성할 수 있는지 확인하기 위하여 추가적인 실험을 수행하였다. 구체적으로, SiO₂ 웨이퍼를 기판으로 준비하였다. 254 nm UV를 공기중에서 기판에 약 20분간 조사하였다. Dimethylchlorosilane의 관능기가 말단에 결합된 polystyrene을 이용하여, EHD jet 인쇄 방법을 실시하여, 전술한 기판 상에 고분자 화합물로 패턴을 형성하였다. 구체적으로 마이크로-드립핑 모드를 이용하여, EHD jet 인쇄방법을 수행하였다. 이 때, 인가된 전압은 3.5 kV였으며, 노즐과 기판 사이의 거리는 80 ㎛였으며, 잉크의 유속(flow rate)은 0.3 ㎛로 제어되었으며, 인쇄 속도는 속도를 15 mm/s로 제어하였다. 이 후, 100 ℃에서 열처리하였다. 함량 1 wt% 은나노선 잉크를 사용하여, 초순수물에 분산된 잉크를 사용하였다. 전술한 은나노선 잉크를 이용하여 코팅을 실시한 후, 100 ℃에서 20분간 건조하였다. 은나노선 패턴을 촬영하여, 도 10a 내지 도 10d에 나타내었다.

도 10에 도시한 바와 같이, 전술한 탄소나노튜브 및 그래핀/탄소나노튜브 전극의 패턴 결과와 동일하게, 고분자 화합물층이 형성된 부분은 은나노선이 거의 존재하지 않고, 그 외 부분에만 은나노선이 존재함을 확인할 수 있었다.

기판을 유리기판으로 대체한 것 이외에는 전술한 실험예와 동일한 실험을 추가적으로 수행하였다. 은나노선 전극의 패턴 이미지를 도 11a 내지 도 11c에 나타내었다.

도 11에 도시한 바와 같이, 유리기판의 투과도를 100 %로 정하였을 때, ITO 유리가 98 %, 은나노선 패턴된 유리 기판의 경우, 93 %로 측정되었다. 또한, 유리기판 위에서 25 ㎛의 고분자 화합물 패턴을 형성하였으며, 웨이퍼 기판과 동일하게 고분자 화합물 패턴 위에서는 은나노선이 코팅되지 않았고, 그 외 부분에서만 코팅됨을 확인할 수 있었다.

상기에서는 본 출원의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 출원을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

Claims

무에칭-인쇄형 마이크로 전극의 패턴을 형성하는 방법으로서,
기판을 준비하는 단계;
상기 기판을 UV-O₃ 또는 플라즈마로 처리하여, 상기 기판에 친수성 표면을 형성하는 단계;
상기 기판에 실란계 말단 관능기를 포함하고, 주쇄는 불소, 알킬체인 및 방향족 관능기 중 적어도 하나를 포함하는 고분자 화합물로 패터닝하는 단계;
상기 기판을 50 ℃ 내지 100 ℃의 온도 범위로 가열한 후, 세척하는 단계;
상기 기판을 전도성 재료로 코팅하는 단계; 및
상기 기판을 건조하는 단계를 포함하는 마이크로 전극의 패턴을 형성하는 방법.
제 1 항에 있어서,
상기 기판을 UV-O₃ 또는 플라즈마 처리하여,
상기 기판이 친수성 표면을 갖는 경우, 상기 기판을 클리닝(cleaning)하거나,
상기 기판이 소수성 표면을 갖는 경우, 상기 기판에 hydroxyl 관능기를 형성하는 마이크로 전극의 패턴을 형성하는 방법.
제 1 항에 있어서,
상기 고분자 화합물은 중량 평균 분자량이 7,500 내지 20,000인 마이크로 전극의 패턴을 형성하는 방법.
삭제
제 1 항에 있어서,
상기 고분자 화합물은 폴리스티렌 주쇄 말단에 디메틸클로로실란(dimethylchlorosiliane) 관능기가 결합된 고분자 화합물인 마이크로 전극의 패턴을 형성하는 방법.
제 1 항에 있어서,
상기 패터닝하는 단계에서, 상기 고분자 화합물은 용매에 혼합된 용액이 사용되며, 상기 용액의 무기 함량은 0.5 중량% 내지 2.0 중량%인 마이크로 전극의 패턴을 형성하는 방법.
제 1 항에 있어서,
상기 패터닝하는 단계는 전기수력학(electrohydrodynamic, EHD) 잉크젯 프린팅 방법에 의하여 수행되는 마이크로 전극의 패턴을 형성하는 방법.
제 7 항에 있어서,
상기 패터닝하는 단계는 마이크로-드립핑(micro-dripping) 모드로 수행되며, 토출되는 잉크 방울은 불연속적인 마이크로 전극의 패턴을 형성하는 방법.
제 7 항에 있어서,
상기 전기수력학 잉크젯 프린팅 방법을 수행시 3.0 kV 내지 4.0 kV으로 전압을 인가하는 마이크로 전극의 패턴을 형성하는 방법.
제 7 항에 있어서,
상기 전기수력학 잉크젯 프린팅 방법을 수행시, 프린팅 속도는 0.5 mm/s 내지 15 mm/s인 마이크로 전극의 패턴을 형성하는 방법.
제 1 항에 있어서,
상기 세척 후, 상기 고분자 화합물 패턴의 두께는 3 nm 내지 10 nm인 마이크로 전극의 패턴을 형성하는 방법.
제 1 항에 있어서,
상기 전도성 재료는 초순수물에 혼합되어 사용되는 마이크로 전극의 패턴을 형성하는 방법.
제 1 항 내지 제 3 항 및 제 5 항 내지 제 12 항 중 어느 한 항의 전극의 패턴을 형성하는 방법에 의하여 형성된 전극.
기판; 및
상기 기판 상에 형성된 제 13 항의 전극을 포함한 전자 소자.