KR102203468B1 - 투명전극 디바이스 - Google Patents

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KR102203468B1 KR1020180154645A KR20180154645A KR102203468B1 KR 102203468 B1 KR102203468 B1 KR 102203468B1 KR 1020180154645 A KR1020180154645 A KR 1020180154645A KR 20180154645 A KR20180154645 A KR 20180154645A KR 102203468 B1 KR102203468 B1 KR 102203468B1
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Abstract

본 발명은 투명전극 디바이스에 관한 것으로, 본 발명에서는 디바이스의 구성을, <투명 지지기재>, <투명 지지기재 상에 배치된 은나노 와이어 투명전극>, <은나노 와이어 투명전극 상에 배치된 유전체층(나노 단위의 콘덴서용 유전체)> 등으로 개선하고, 이를 통해, 은나노 와이어 투명전극이 가지는 단점(예컨대, 은나노 와이어 투명전극의 표면이 산화 박막으로 변하는 단점 등)이 별다른 문제점 없이, 유전체층의 기능수행(예컨대, 은나노 와이어의 표면산화를 차단하는 기능수행, 은나노 와이어의 번-아웃 현상을 차단하는 기능수행, 외부환경의 악영향을 차단하는 기능수행, 은나노 와이어의 응답성을 향상시키는 기능수행 등)에 의해 융통성 있게 해결될 수 있도록 유도함으로써, 디바이스 운영주체 측에서, 나노 스케일을 가지는 유전체 콘덴서층의 오버코팅에 기인한 각종 이점(예컨대, 저렴한 가격으로 투명전극을 형성시킬 수 있게 되는 이점, 투명전극의 응답성능을 향상시킬 수 있게 되는 이점, 투명전극의 전력소비를 낮출 수 있게 되는 이점, 은나노 와이어의 표면을 좀더 미세하고 정확하게 커버할 수 있게 되는 이점, 투명전극의 수명을 연장시킬 수 있게 되는 이점, 오버코트의 전체적인 비용을 저감시킬 수 있게 되는 이점, 제품의 균질성을 향상시킬 수 있게 되는 이점, 투명전극의 전기적인 특성을 향상시킬 수 있게 되는 이점 등)을 효과적으로 향유할 수 있도록 가이드 할 수 있다.

Description

투명전극 디바이스{The transparent electrode device}
본 발명은 투명전극 디바이스에 관한 것으로, 보다 상세하게는 디바이스의 구성을, <투명 지지기재>, <투명 지지기재 상에 배치된 은나노 와이어 투명전극>, <은나노 와이어 투명전극 상에 배치된 유전체층(나노 단위의 콘덴서용 유전체)> 등으로 개선하고, 이를 통해, 은나노 와이어 투명전극이 가지는 단점(예컨대, 은나노 와이어 투명전극의 표면이 산화 박막으로 변하는 단점 등)이 별다른 문제점 없이, 유전체층의 기능수행(예컨대, 은나노 와이어의 표면산화를 차단하는 기능수행, 은나노 와이어의 번-아웃 현상을 차단하는 기능수행, 외부환경의 악영향을 차단하는 기능수행, 은나노 와이어의 응답성을 향상시키는 기능수행 등)에 의해 융통성 있게 해결될 수 있도록 유도함으로써, 디바이스 운영주체 측에서, 나노 스케일을 가지는 유전체 콘덴서층의 오버코팅에 기인한 각종 이점(예컨대, 저렴한 가격으로 투명전극을 형성시킬 수 있게 되는 이점, 투명전극의 응답성능을 향상시킬 수 있게 되는 이점, 투명전극의 전력소비를 낮출 수 있게 되는 이점, 은나노 와이어의 표면을 좀더 미세하고 정확하게 커버할 수 있게 되는 이점, 투명전극의 수명을 연장시킬 수 있게 되는 이점, 오버코트의 전체적인 비용을 저감시킬 수 있게 되는 이점, 제품의 균질성을 향상시킬 수 있게 되는 이점, 투명전극의 전기적인 특성을 향상시킬 수 있게 되는 이점 등)을 효과적으로 향유할 수 있도록 가이드 할 수 있는 투명전극 디바이스에 관한 것이다.
최근 전자기기/디스플레이 관련 기술이 급격한 발전을 이루면서, 투명전극과 관련된 기술 또한 빠른 발전을 거듭하고 있다.
예를 들어, 대한민국공개특허 제10-2014-135918호(명칭: 투명전극 필름의 제조방법)(2014.11.27.자 공개), 대한민국공개특허 제10-2015-39373호(명칭: 투명전극 및 이를 포함하는 전자 소자)(2015.4.10.자 공개), 대한민국공개특허 제10-2018-61800호(명칭: 투명전극의 제조방법)(2018.6.8.자 공개), 대한민국공개특허 제10-2018-109510호(명칭: 투명전극의 제조방법)(2018.10.8.자 공개), 대한민국공개특허 제10-2018-124405호(명칭: 플랙시블 투명전극 및 이의 제조방법)(2018.11.21.자 공개) 등에는 이러한 종래의 기술에 따른 투명전극의 일례가 좀더 상세하게 개시되어 있다.
한편, 이러한 종래의 체제 하에서, 통상적으로, 투명전극의 주재료로는 예컨대, ITO(Indium Tin Oxide), ATO(Antimony Tin Oxide), AZO(Antimony Zinc Oxide), 은나노, 전도성고분자(예컨대, 폴리에틸렌(Polyethylene), 폴리피롤(Polypyrrole), 폴리티오펜(Polythiophene) 등), 탄소나노튜브(CNT), 그래핀 등이 폭 넓게 채용되고 있다.
그러나, 상술한 각각의 투명전극 재료들은 아래와 같은 심각한 단점들을 각기 지니고 있어서, 이들을 최첨단의 차세대 디스플레이 제품(예를 들어, 플렉서블 디스플레이 제품, 웨어러블 디스플레이 제품 등)에 채용하기에는 큰 무리가 따를 수밖에 없게 된다.
우선, ITO(Indium Tin Oxide), ATO(Antimony Tin Oxide), AZO(Antimony Zinc Oxide) 등의 금속 산화물은 매우 좋은 전도도를 보여줄 수 있기는 하나, 금속이 가지는 고유의 특징으로 인해, 유연성이 상당히 떨어짐으로써, 차세대 플랙서블 기판에는 그 사용이 어려운 심각한 단점을 지니고 있다.
또한, 은나노, 또는, 은나노 와이어를 이용한 코팅의 경우, 그 코팅절차가 매우 까다로울 뿐만 아니라, 코팅 후 산소와의 빠른 결합으로 인해 불필요한 표면산화가 이루어짐으로써, 좋은 투과 특성과 플랙서블한 특성을 가지고 있음에도 불구하고, 차세대 디스플레이 제품에는 그 사용이 어려운 심각한 단점을 지니고 있다.
참고로, 종래 에서는 은나노 또는 은나노 와이어 코팅의 표면산화를 방지하기 위하여, 은나노 또는 은나노 와이어 코팅의 표면에, 아크릴, 또는 이와 유사한 수지로 이루어진 오버 코팅층을 추가 배치하는 조치를 강구하기도 하였다. 그러나, 아크릴, 또는 이와 유사한 수지로 이루어진 상기 오버 코팅층은 예를 들어, 은나노 와이어의 고유 특성인 전기 저항 값을 올려, 은나노 와이어의 기능을 저해하는 문제점, 대 면적 코팅에 대한 코팅 안정성 저하 문제점, 투명전극의 균질성 저해 문제점 등을 두루 유발하기 때문에, 상기 종래의 오버 코팅층을 표면산화 방지용으로 상용화하는 데에는 큰 무리가 따를 수밖에 없게 된다.
한편, 상기 각 재료들과 마찬가지로, 종래의 기술에 따른 전도성 고분자의 경우, 플랙서블한 특성은 우수하지만, 높은 저항값을 가지고 있고, 특히, 전도성 고분자가 가지고 있는 특유의 색깔로 인하여, 차세대 디스플레이 제품에는 그 사용이 어려운 심각한 단점을 지니고 있다.
나아가, 탄소나노튜브(CNT), 그래핀 등과 같이 흑연을 기반으로 하는 타입의 소재들은 해당 소재들의 특성 상, 코팅액으로 만들기 위한 분산기술의 한계, 기판과 결합을 위한 바인더 기술의 한계 등을 불가피하게 가지고 있어서, 차세대 디스플레이 제품에는 그 사용이 어려운 심각한 단점을 지니고 있다.
제10-2014-135918호(명칭: 투명전극 필름의 제조방법)(2014.11.27.자 공개) 대한민국공개특허 제10-2015-39373호(명칭: 투명전극 및 이를 포함하는 전자 소자)(2015.4.10.자 공개) 대한민국공개특허 제10-2018-61800호(명칭: 투명전극의 제조방법)(2018.6.8.자 공개) 대한민국공개특허 제10-2018-109510호(명칭: 투명전극의 제조방법)(2018.10.8.자 공개) 대한민국공개특허 제10-2018-124405호(명칭: 플랙시블 투명전극 및 이의 제조방법)(2018.11.21.자 공개)
따라서, 본 발명의 목적은 디바이스의 구성을, <투명 지지기재>, <투명 지지기재 상에 배치된 은나노 와이어 투명전극>, <은나노 와이어 투명전극 상에 배치된 유전체층(나노 단위의 콘덴서용 유전체)> 등으로 개선하고, 이를 통해, 은나노 와이어 투명전극이 가지는 단점(예컨대, 은나노 와이어 투명전극의 표면이 산화 박막으로 변하는 단점 등)이 별다른 문제점 없이(예컨대, 은나노 와이어의 고유 특성인 전기 저항 값을 올려, 은나노 와이어의 기능을 저해하는 문제점, 대 면적 코팅에 대한 코팅 안정성 저하 문제점, 투명전극의 균질성 저해 문제점 등의 발생 없이), 유전체층의 기능수행(예컨대, 은나노 와이어의 표면산화를 차단하는 기능수행, 은나노 와이어의 번-아웃 현상을 차단하는 기능수행, 외부환경의 악영향을 차단하는 기능수행, 은나노 와이어의 응답성을 향상시키는 기능수행 등)에 의해 융통성 있게 해결될 수 있도록 유도함으로써, 디바이스 운영주체 측에서, 나노 스케일을 가지는 유전체 콘덴서층의 오버코팅에 기인한 각종 이점(예컨대, 저렴한 가격으로 투명전극을 형성시킬 수 있게 되는 이점, 투명전극의 응답성능을 향상시킬 수 있게 되는 이점, 투명전극의 전력소비를 낮출 수 있게 되는 이점, 은나노 와이어의 표면을 좀더 미세하고 정확하게 커버할 수 있게 되는 이점, 투명전극의 수명을 연장시킬 수 있게 되는 이점, 오버코트의 전체적인 비용을 저감시킬 수 있게 되는 이점, 제품의 균질성을 향상시킬 수 있게 되는 이점, 투명전극의 전기적인 특성을 향상시킬 수 있게 되는 이점 등)을 효과적으로 향유할 수 있도록 가이드 하는데 있다.
본 발명의 다른 목적들은 다음의 상세한 설명과 첨부된 도면으로부터 보다 명확해질 것이다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명에서는 투명 지지기재와; 상기 투명 지지기재 상에 배치된 은나노 와이어 투명전극과; 상기 은나노 와이어 투명전극 상에 배치된 유전체층을 포함하는 것을 특징으로 하는 투명전극 디바이스를 개시한다.
본 발명에서는 디바이스의 구성을, <투명 지지기재>, <투명 지지기재 상에 배치된 은나노 와이어 투명전극>, <은나노 와이어 투명전극 상에 배치된 유전체층(나노 단위의 콘덴서용 유전체)> 등으로 개선하기 때문에, 본 발명의 구현환경 하에서, 디바이스 운영주체 측에서는, 은나노 와이어 투명전극이 가지는 단점(예컨대, 은나노 와이어 투명전극의 표면이 산화 박막으로 변하는 단점 등)을 별다른 문제점 없이(예컨대, 은나노 와이어의 고유 특성인 전기 저항 값을 올려, 은나노 와이어의 기능을 저해하는 문제점, 대 면적 코팅에 대한 코팅 안정성 저하 문제점, 투명전극의 균질성 저해 문제점 등의 발생 없이), 유전체층의 기능수행(예컨대, 은나노 와이어의 표면산화를 차단하는 기능수행, 은나노 와이어의 번-아웃 현상을 차단하는 기능수행, 외부환경의 악영향을 차단하는 기능수행, 은나노 와이어의 응답성을 향상시키는 기능수행 등)에 의해 융통성 있게 해결할 수 있게 되며, 결국, 나노 스케일을 가지는 유전체 콘덴서층의 오버코팅에 기인한 각종 이점(예컨대, 저렴한 가격으로 투명전극을 형성시킬 수 있게 되는 이점, 투명전극의 응답성능을 향상시킬 수 있게 되는 이점, 투명전극의 전력소비를 낮출 수 있게 되는 이점, 은나노 와이어의 표면을 좀더 미세하고 정확하게 커버할 수 있게 되는 이점, 투명전극의 수명을 연장시킬 수 있게 되는 이점, 오버코트의 전체적인 비용을 저감시킬 수 있게 되는 이점, 제품의 균질성을 향상시킬 수 있게 되는 이점, 투명전극의 전기적인 특성을 향상시킬 수 있게 되는 이점 등)을 효과적으로 향유할 수 있게 된다.
도 1은 본 발명에 따른 투명전극 디바이스의 세부적인 구성을 개념적으로 도시한 예시도.
도 2는 본 발명에 따른 투명전극 디바이스를 제조하기 위한 준비단계를 개념적으로 도시한 예시도.
도 3 내지 도 5는 본 발명에 따른 투명전극 디바이스의 제조절차를 순차적으로 도시한 공정 순서도.
도 6은 본 발명의 다른 실시에 따른 투명전극 디바이스를 개념적으로 도시한 예시도.
이하, 첨부된 도면을 참조하여, 본 발명에 따른 투명전극 디바이스를 좀더 상세히 설명하면 다음과 같다.
도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 투명전극 디바이스(1)는 플렉서블한 특징을 가지는 투명 지지기재(2)(예컨대, PET 필름, 아크릴 필름, 우레탄 필름, PO 필름, PI 필름, PP 필름 등)와, 상기 투명 지지기재(2) 상에 배치된 은나노 와이어 투명전극(4)과, 상기 은나노 와이어 투명전극(4) 상에 배치된 유전체층(5)이 체계적으로 조합된 구성을 취하게 된다.
이때, 본 발명에서는 은나노 와이어를 다양한 분산체에 분산하거나, 은나노 와이어 단독으로 코팅하여, 상기 은나노 와이어 투명전극(4)을 형성함과 아울러, 그 표면에, 유전체 특성을 지닌 무기 산화물을 코팅액으로 만들어, 유전체층(5)을 형성하게 된다.
여기서, 상기 유전체층(5)은 산화네오듐(Nd2O3), 티탄산마그네슘(MgTiO3), 티탄산칼슘(CaTiO3), 티탄산바륨(BaTiO3), 산화비스무스(Bi2O3), 산화티탄(TiO2), 또는 티탄산지르코산연(Pb(Ti, Zr)O3) 중의 어느 하나의 재질을 가지게 된다.
또한, 상기 유전체층(5)은, 액상 상태에서, 롤투롤 공정(Roll-to-Roll process)에 의해 상기 은나노 와이어 투명전극(4) 상에 코팅되는 특징을 가지게 된다.
여기서, 상기 본 발명의 유전체층(5)은 바람직하게, 10nm~1000nm의 나노 단위 두께(즉, 나노 스케일의 두께)를 가지게 된다. 이때, 유전체층(5)이 10nm 미만의 두께를 가지게 될 경우, 오버코팅 고유의 기능을 상실하는 문제점(예를 들어, 은나노 와이어 투명전극(4)의 표면 산화를 차단하지 못하게 되는 문제점 등)이 발생할 수 있게 되며, 유전체층(5)이 1000nm를 초과하는 두께를 가지게 될 경우, 그 두께가 너무 두꺼워져(예컨대, 나노 단위의 두께 유지 의미가 없어져), 예를 들어, 은나노 와이어 투명전극(4)의 면 저항이 떨어지는 문제점, 유전체층(5)이 나노 콘덴서로써의 역할을 수행하지 못하게 되는 문제점 등이 발생할 수 있게 된다.
이처럼, 본 발명에서는 산화네오듐(Nd2O3), 티탄산마그네슘 (MgTiO3), 티탄산칼슘(CaTiO3), 티탄산바륨(BaTiO3), 산화비스무스(Bi2O3), 산화티탄(TiO2), 또는 티탄산지르코산연(Pb(Ti, Zr)O3)등의 무기 산화물을 액상화하여, 롤투롤로 은나노 와이어 투명전극(4)에 코팅하게 되며, 이 경우, 산화티탄이 포함된 모든 물질을 사용 할 수 있고, 그 특징에 따라 다양한 제법으로 은나노 와이어를 보호할 수 있는 오버코팅 박막을 만들 수 있다.
본 발명에서는, 유전층 물질, 즉, 유전체층(5)의 원료인 나노 콘덴서 코팅액을 만들 때, 수열합성법, 졸겔합성, 초임계합성, 가열법, 나노분산, 고상반응법, 수산염법, 유기산법 등의 다양한 합성법을 사용할 수 있고, 또는, 다양한 분산법으로, 나노 단위를 만들어 본 발명에 사용될 나노 유전체를 만들 수 있다.
이때, 상기 졸겔합성의 경우, 출발물질을 사염화티탄을 사용하여 만들 수도 있고, 또는, 테트라 구조로된 티탄을 함유한 다른 물질을 사용할 수도 있다. 그리고, 상기 수열합성법의 경우도 동일하게 진행할 수 있으며, 상기 나노 분산의 경우, 각 물질마다 티탄과 가열합성법으로도 만들어, 산화네오듐(Nd2O3), 티탄산마그네슘(MgTiO3), 티탄산칼슘(CaTiO3), 티탄산바륨(BaTiO3), 산화비스무스(Bi2O3), 산화티탄(TiO2), 또는 티탄산지르코산연(Pb(Ti, Zr)O3)등을 볼밀 등을 이용하여, 나노 사이즈로 만든 후 사용할 수 있다.
여기서, 강유전체로 많이 사용되는 티탄산 바륨(BaTiO3)은 다결정 소결체로, 강유전체이며, 널리 실용된 최초의 물질로서, 자기콘덴서(고유전율계)를 만드는 데 일반적으로 사용된다. 압전 부품으로서도 사용되지만, 이것은 바륨(Ba)이나 티타늄(Ti)을 하나 또는 두 종류의 다른 원소로 치환하여 성능을 개량한 것이 일반적으로 많이 사용된다.
상기 티탄산 바륨은 보통 오르토와 메타의 2종의 염이 알려져 있으며, 오르토티탄산바륨(Ba2TiO4＝386.62)은 탄산바륨과 산화티탄(Ⅳ)의 2 : 1의 혼합물을 1270℃로 가열하여 만들어진다. 오토르티탄산바륨은 분말은 암적색이며 굴절률이 큰 등방성의 작은 결정으로 되어 있다. 차가운 묽은 염산에 의해 염화바륨과 티탄산화물 졸이 되어 완전히 녹으며, 녹은 것을 증류수와 섞어 나노 코팅액을 만들 수 있다.
그리고, 상기 메타티탄산바륨(BaTiO3＝233.26)은 가장 유명한 유전체이며, 결정형이 다른 5종의 염이 알려져 있고, 그중 4종은 페로브스키석형 구조이고, 다른 1종은 육방 결정계이다.
만드는 방법은, 페로브스키석형의 경우, 염화바륨, 탄산바륨, 산화티탄(Ⅳ)를 몰비로 3.3 : 1.4 : 1로 섞어 1250℃로 가열하고, 뜨거운 물 및 질산으로 처리하여 만들고, 육방 결정계형은 등량의 탄산바륨과 산화티탄(Ⅳ)를 탄산알칼리 중에서 녹여 만든다. 그리고, 일반 산화바륨과 산화티탄(Ⅳ)를 고온으로 가열하여. 정방 결정계 또는 육방 결정계 미결정으로 만들기도 한다.
상기 페로브스키석형은 고온에서 등축 결정계가 안정되고, 실온에서는 정방 결정계가 안정하게 된다. 이 중간에 3개의 유사 등축 결정계의 결정형역이 있고, 강한 유전성을 나타내며, 유전체로서 뚜렷한 응용성이 있다. 육방 결정계의 것은 강한 유전성을 나타내지 않는다. 알칼리 용융에 의해 분해되지 않으며, 또한 뜨겁고 묽은 질산에 침해되지 않는다. 환원성 기체의 기류 중에서는 고온에서 환원된다. 백금과 함께 용융하면 백금이 일부 티탄과 교환된다. 메타티탄산스트론튬(SrTiO3)과는 연속적인 혼성 결정을 만들어 유전체로 사용하기도 한다.
결론적으로, 본 발명에서는 도 1에처럼, 투명 지지기재(2) 상에 은나노 와이어 투명전극(4)을 1차 코팅 후, 다시 바인더 성능을 가진 유전체로 2차 오버코팅을 하고, 이를 통해, 은나노 와이어 투명전극(4)을 미세하게 나노 단위로 분극화시킴으로써, 강한 유전성능을 지닌 투명전극을 만들게 되는 것이다.
상기 본 발명에 따른 유전체층(5)은 아래의 수학식으로 정의되는 커패시턴스를 가지게 된다.
<수학식>
Figure 112020091508605-pat00001
(여기서, C는 유전체층(5)이 가지는 커패시턴스, ε은 유전체층(5)이 가지는 고유 유전율, A는 유전체층(5)이 가지는 면적, 유전체층(5)의 두께)
물론, 상기 커패시턴스 값이 커지면 커질수록 본 발명의 유전체층(5) 측에서는 좀더 우수하고 다양한 특성을 융통성 있게 나타낼 수 있게 된다.
이때, 본 발명의 유전체층(5) 측에서는 상술한 바와 같이, 10nm~1000nm의 나노 스케일의 두께를 가지고 있기 때문에, 상기 수학식 [
Figure 112020091508605-pat00002
]에서, 분모의 L 값은 극단적으로 작아지는데 반해, 분자의 A 값은 넓이 단위 스케일(예컨대, ㎠, ㎡ 등)로 커질 수밖에 없게 되며(참고로, ε값은 거의 상수 상태를 유지하게 됨), 결국, 본 발명의 구현환경 하에서, 유전체층(5) 측에서는 매우 큰 커패시턴스 값을 자연스럽게 가질 수 있게 되고, 그 결과, 별다른 어려움 없이, 예를 들어, 은나노 와이어의 표면산화를 차단하는 기능, 은나노 와이어의 번-아웃 현상을 차단하는 기능, 외부환경의 악영향을 차단하는 기능, 은나노 와이어의 응답성을 향상시키는 기능 등을 폭 넓게 발휘할 수 있게 된다.
한편, 상기 투명 지지기재(2) 및 은나노 와이어 투명전극(4)의 계면에는 상기 은나노 와이어 투명전극(4)의 부착력을 향상시키기 위한 하드코팅 층(3)이 추가로 형성된다.
이 경우, 상기 하드코팅 층(3)을 형성하는 조성물은 아크릴관능기, 메타아크릴관능기 또는 다양한 관능기를 가지는 올리고머(Oligomer), 모노머(Momomoer) 또는 올리고머와 모노머의 혼합물, 그리고 필요에 따라 다양한 복합 무기재를 사용하며, 점도와 유동성을 조절하기 위하여 용제와, 광원으로부터 에너지를 흡수하여 중합반응을 일으키기 위한 광개시제, 그리고 산화반응을 방해하기 위한 산화방지제, 중합금지제, 그리고 uv에 안정적인 특성을 보이기 위하여 uv 차단제와 흡수제 그리고, 표면의 조도의 안정성을 위하여 소량의 레벨링제를 사용하여 만들게 된다.
이때, 상기 하드코팅 층(3)은 바람직하게, 2㎛~5㎛의 두께를 가짐과 아울러, 1.4~1.52의 굴절률을 가지게 된다. 여기서, 상기 하드코팅 층(3)은 상황에 따라, 은나노 와이어 투명전극(4)과의 결합력을 향상시키기 위한 에어로 실리카를 추가 구성성분으로 가지게 되며, 이 경우, 상기 에어로 실리카는 1%~10%의 함유량을 가지는 고형분으로 상기 하드코팅 층(3)의 구성성분을 이루게 된다.
상술한 본 발명에서는, 기존의 은나노 와이어에서 항상 문제가 되던 대면적 적용문제 및 늦은 응답성, 빠른 산화와 기능저하 문제, 고비용의 저 효율 문제, 생산안정성 문제를 동시에 해결하면서, 은나노 와이어 투명전극(4)이 더욱 더 뛰어난 성능을 보유할 수 있도록 가이드 할 수 있다.
이러한 본 발명으로 인하여, 저렴한 비용으로 투명 은나노 와이어 투명전극(4)을 만들 수 있고, 또한, 무기물, 즉, 유전체 성분의 유전체층(5)으로써 은나노 와이어 투명전극(4)을 오버코팅 함으로써, 내구성을 향상시킬 수 있다. 특히, 내열성 강화를 통해, 은나노 와이어 투명전극(4)이 쉽게 번-아웃되는 현상을 모두 해결할 수 있다.
또한, 본 발명에서는, 유전체(즉, 유전체 성분의 유전체층(5))를 오버코팅으로 사용함에 따라, 높은 저항의 은나노 와이어 환경 하에서도 뛰어난 응답속도를 보여 주는 투명전극을 만들 수 있게 된다.
특히, 본 발명에 채용된 유전체(즉, 유전체 성분의 유전체층(5))는 직류전류를 생기지 않게 하는 물질로써, 전기장이 가해질 시, 자신의 내부에서 무극성 분자나 유극성 분자 모두 전기 쌍극자 모멘트를 형성하게 됨으로써, 주위의 전기장을 일정 량 상쇄시키는 기능을 수행할 수 있게 되며, 결국, 본 발명의 투명전극 디바이스(1) 측에서는 매우 뛰어난 전기적 특성을 지닐 수 있게 된다.
나아가, 본 발명에서는 유전체 성분의 유전체층(5)을 사용함에 따라, 전기장을 가했을 때, 전기적으로 극성을 띤 분자들이 전체적으로 정렬하여, 분극에 의한 전기장의 방향이 외부 전기장의 방향과 반대로 되고, 그 결과, 유전체내에 전기장의 세기가 외부전기장의 세기보다 작아지게 됨으로써, 결국, 본 발명의 투명전극 디바이스(1) 측에서는 작은 정전용량에도 뛰어난 성능을 발휘할 수 있게 된다.
이와 같이, 본 발명에서는 투명전극 디바이스(1)의 구성을, <투명 지지기재(2)>, <투명 지지기재(2) 상에 배치된 은나노 와이어 투명전극(4)>, <은나노 와이어 투명전극(4) 상에 배치된 유전체층(5)(나노 단위의 콘덴서용 유전체)> 등으로 개선하기 때문에, 본 발명의 구현환경 하에서, 디바이스 운영주체 측에서는, 은나노 와이어 투명전극(4)이 가지는 단점(예컨대, 은나노 와이어 투명전극의 표면이 산화 박막으로 변하는 단점 등)을 별다른 문제점 없이(예컨대, 은나노 와이어의 고유 특성인 전기 저항 값을 올려, 은나노 와이어의 기능을 저해하는 문제점, 대 면적 코팅에 대한 코팅 안정성 저하 문제점, 투명전극의 균질성 저해 문제점 등의 발생 없이), 유전체층의 기능수행(예컨대, 은나노 와이어의 표면산화를 차단하는 기능수행, 은나노 와이어의 번-아웃 현상을 차단하는 기능수행, 외부환경의 악영향을 차단하는 기능수행, 은나노 와이어의 응답성을 향상시키는 기능수행 등)에 의해 융통성 있게 해결할 수 있게 되며, 결국, 나노 스케일을 가지는 유전체 콘덴서층의 오버코팅에 기인한 각종 이점(예컨대, 저렴한 가격으로 투명전극을 형성시킬 수 있게 되는 이점, 투명전극의 응답성능을 향상시킬 수 있게 되는 이점, 투명전극의 전력소비를 낮출 수 있게 되는 이점, 은나노 와이어의 표면을 좀더 미세하고 정확하게 커버할 수 있게 되는 이점, 투명전극의 수명을 연장시킬 수 있게 되는 이점, 오버코트의 전체적인 비용을 저감시킬 수 있게 되는 이점, 제품의 균질성을 향상시킬 수 있게 되는 이점, 투명전극의 전기적인 특성을 향상시킬 수 있게 되는 이점 등)을 효과적으로 향유할 수 있게 된다.
이하, 상술한 본 발명에 따른 투명전극 디바이스(1)의 구체적인 실시 형태를 상세히 살펴보면 다음과 같다.
<실시예 1>(도 2 참조)
1. 투명 지지기재(2)의 준비단계(S1)
투명 지지기재(2)는 광학용으로 성능이 우수한 국내에서 코오롱에서 생산되는 U43R이라는 100마이크로두께를 가진 PET(Polyethylene terephthalate)을 사용하였다, 이 필름은 기본적으로 높은 광학특성을 보유하고 있어, 90%이상의 투과율성능을 나타낸다, 또한, 표면에 우레탄프라이머, 더 엄밀하게 말하면, 폴리에스터층으로된 프라이머층을 50~100nm층으로 구성하고 있어, U43R 기제의 표면위에 하드코팅층을 형성때 안정적인 부착성능을 제공한다.
2. 하드코팅 액의 준비단계(S2)
준비된 투명 지지기재(2) 상에 안정적인 하드코팅 층(3)을 구현하기 위해서는 U43R의 구조 특성상, 하드코팅 층(3)의 굴절율(R.I값)이 1.42~1.48사이가 적당함에 따라서, 일반적으로 사용 가능한 하드코팅은 모두 다 사용 가능하지만, 무기물을 함유하고 있는 하드코팅 액을 제작하였다. 이에 따라 사용되는 무기물은 에로로 실리카 중에 특정되지 않아도 되지만, 에보닉사에서 제공되는 OX50(10g)을 사용하였다.
먼저, 준비된 증류수(80mL), 메탄올(20mL)를 고속 교반기에서 1000rpm으로 미리 10분간 교반시켰다.
이어, 교반된 용액에 에보닉사의 OX50(1KG)을 넣고 소튬폴리아크릴레이트(1G)를 같이 오토클레이브에 넣어, 230도의 온도에서 750atm으로 12시간 반응시켜 초미세 나노사이즈인 실리카졸을 만들었다. 이때 실리카졸은 10~20nm 크기로 하드코팅에서 은나노와 같은 물질의 부착을 유도하는 역할을 할 수 있다.
그 다음으로, 비이커에 우레탄 아크릴레이트 올리고머(EB-1200) 100G과 반응성모노머인 트리메티롤프로판트리아크릴레이트(TMPTA) 20G, 트리(2-하이드록시 에틸)이소이아네이트 디 아크릴레이트(THEICDA) 20G과, 광개시제는 하이드록시 시크로헥실 페닐 케톤(IGCURE 184) 1G과, 벤조페논(BP) 1G에 상기 만들어진 실리카 졸 3ML를 투입하고, 용제는 메틸에틸케톤(MEK) 150G과 톨루엔(Toluene) 150g을 투입하고, 다시 산화방지제 다이뷰틸하이드록시톨루엔(BHT)을 0.3G 투입한 후, 수지의 안전성을 위하여 중합 금지제 하이드로퀴논(Hydroquinone) 0.3g과, 자외선 차단제 할스(HALS) 1G을 추가 후, 고속 교반기에서 500RPM으로 30분간 교반하여 은나노와이어의 부착이 용이한 하드코팅 액을 만들었다.
3. 은나노 와이어를 준비하는 단계(S3)
은나노 와이어는 초미세 구조를 갖는 은 나노와이어를 제조하기 위하여, 일반적인 방법인 이온성 액체와, 은염(Ag salt)이 용해된 수용액을 수열합성기에 투입하고, 온도와 압력을 변화시키면서, 은나노 와이어를 제조하는 하였다(물론, 시중에 일반적으로 판매하는 은나노 와이어를 사용하여도 무방하다).
4. 유전체로 구성된 나노 콘덴서 코팅액을 준비하는 단계(S4)
먼저, 티탄산바륨(BaTiO3)를 수산염법에 의해 제조한다. 수산염법은 원료인 수산염 바륨티타닐(barium titanyl oxalate) 열분해를 통해 BT를 합성하는 방법으로, 100 nm 이하의 BT 합성을 위해서는 출발재료인 미립 BTO를 얻는 것이 중요하다. 수열합성법은 일반적으로 미립의 입도분포가 좁은 티탄산바륨(BaTiO3)을 제조 가능하다.
이때 만들어진 티탄산바륨(BaTiO3) 150G과, 증류수 150G 그리고, 메탄올 150G을 오토클레이브에 넣고 300도의 온도에서 1200atm 하에서 12시간 초임계상태로 만들어, 티탄산바륨(BaTiO3)을 나노입자 사이즈로 만든다. 이때 만들어 진 티탄산바륨 (BaTiO3)의 1차 입자사이즈가 사이즈는 10~20nm사이즈로 만들어 졌다.
5. 투명전극 디바이스(1)를 제조하는 단계(도 3 내지 도 5 참조)
준비된 U43 PET필름 상에 굴절율 1.46으로 만들어진 하드코팅 액을 마이크로 그라비어코팅으로 균일하게 코팅하였다. 80도에서 1분간 열입을 하여, 하드코팅 액 내부에 있는 용제를 모두 날리고, 아크릴 고형분만남긴 상태에서 UV경화기를 통하여 200MJ로 경화시켜 500G 2H의 강도를 가지는 하드코팅 층(3)을 만들었다(도 3 참조).
준비된 하드코팅 층(3)의 표면에, 준비된 은나노 와이어(상기 3번 항목 참조)를 슬롯다이를 사용하여 코팅하고, 이를 통해, 은나노 와이어 투명전극(4)을 형성하였다(도 4 참조). 코팅된 은나노 와이어 투명전극(4)은 150도에서 2분간 경화를 실시하였다. 이때, 은나노 와이어 투명전극(4)과 하드코팅 층(3) 표면의 일부 라디칼들과 실리카들이 소성변화를 하면서, 하드코팅 층(3)과 은나노 와이어가 결합됨으로써, 하드코팅 층(3)상에 은나노 와이어 투명전극(4)이 만들어졌다.
만들어진 은나노 와이어 투명전극(4) 표면을 보호하고, 유전율을 높여 투명전극의 기능을 향샹시키기 위하여, 나노 티탄산바륨(BaTiO3) 코팅액을 은나노 와이어 투명전극(4)의 표면에 슬롯다이를 이용하여 코팅하고, 이를 통해, 유전체층(5)을 제조하였다. 이때, 코팅절차는 150도로 5분간 실시하였다.
<실시예 2>
실시예 2의 <1. 투명 지지기재(2)의 준비단계(S1)>, <2. 하드코팅 액의 준비단계(S2)>, <3. 은나노 와이어를 준비하는 단계(S3)>는 상기 실시예 1과 동일하게 진행하였다.
4. 유전체로 구성된 나노 콘덴서 코팅액을 준비하는 단계(S4)
사염화티탄 100G과 물 100G 메탄올 100G을 500ML 자켓반응기에 넣고 주변온도를 60도로 설정한 후, 200RPM으로 24시간 반응시켰다. 반응된 사염화티탄은 하이드로시스와 중축합을 거쳐 이산화티탄 졸로 만들어졌다.
5. 투명전극 디바이스(1)를 제조하는 단계(도 3 내지 도 5 참조)
먼저, 준비된 U43 PET필름 상에 굴절율 1.46으로 만들어진 하드코팅 액을 마이크로 그라비어코팅으로 균일하게 코팅하고, 이를 통해, 하드코팅 층(3)을 제조하였다. 이때, 80도에서 1분간 열입을 하여, 하드코팅 액 내부에 있는 용제를 모두 날리고, 아크릴 고형분만남긴 상태에서 UV경화기를 통하여 200MJ로 경화시켜 500G 2H의 강도를 가지는 하드코팅 층(3)을 만들었다.
이어, 준비된 하드코팅 층(3)의 표면에, 준비된 은나노 와이어(상기 3번 항목 참조)를 슬롯다이를 사용하여 코팅하고, 이를 통해, 은나노 와이어 투명전극(4)을 형성하였다(도 4 참조). 코팅된 은나노 와이어 투명전극(4)은 150도에서 2분간 경화를 실시하였다. 이때, 은나노 와이어 투명전극(4)과 하드코팅 층(3) 표면의 일부 라디칼들과 실리카들이 소성변화를 하면서, 하드코팅 층(3)과 은나노 와이어가 결합됨으로써, 하드코팅 층(3)상에 은나노 와이어 투명전극(4)이 만들어졌다.
이후, 만들어진 은나노 와이어 투명전극(4) 표면을 보호하고, 유전율을 높여 투명전극의 기능을 향샹시키기 위하여, 이산화티탄(TiO2) 코팅액을 은나노 와이어 투명전극(4)의 표면에 슬롯다이를 이용하여 코팅하고, 이를 통해, 유전체층(5)을 제조하였다. 이때, 코팅절차는 150도로 5분간 실시하였다.
<비교예 1>
비교예 1의 <1. 투명 지지기재의 준비단계>, <2. 하드코팅 액의 준비단계>, <3. 은나노 와이어를 준비하는 단계>는 상기 실시예 1,2와 동일하게 진행하였다.
4. 오버코팅액을 준비하는 단계
먼저, 디트리메틸로프로판 테트라아크릴레이트(DTMPTTA) 30G에 1,6-헥사디올 디아크릴레이트(HDDA)5G 에 이가큐어(IGACURE 184) 1.7G에 메틸에틸케톤(MEK) 150G과 톨루엔(Toluene) 150G을 교반기에 넣고 200RPM으로 20분간 교반하여 오버코팅액을 제조하였다.
5. 각층마다 코팅하는 단계
먼저, 준비된 U43 PET필름상에 굴절율 1.46으로 만들어진 하드코팅액을 마이크로 그라비어코팅으로 균일하게 코팅하였다. 80도에서 1분간 열입을 하여 하드코팅액 내부에 있는 용제를 모두 날리고, 아크릴 고형분만남긴 상태에서 UV경화기를 통하여 200MJ로 경화시켜 500G 2H의 강도를 가지는 하드 코팅을 만들었다.
준비된 하드코팅층 표면에 은나노 와이어를 슬롯다이를 사용하여 코팅하였다. 코팅된 은나노 와이어는 150도에서 2분간 경화를 실시하였다. 이때 은나노와이어와 하드코팅표면의 일부 라디칼들과 실리카들이 소성변화를 하면서 하드코팅층과 은나노와이어가 결합되면서, 하드코팅층상에 은나노 와이어 층이 만들어졌다.
만들어진 은나노 와이어 층 표면을 보호하기 위하여 오버코팅액을 UV경화기로 코팅함으로써, 본 발명과 비교할 수 있는 투명 은나노 와이어 전극필름을 만들었다.
<비교예 2>
비교예 2의 <1. 투명 지지기재의 준비단계>, <2. 하드코팅 액의 준비단계>, <3. 은나노 와이어를 준비하는 단계>는 상기 실시예 1,2와 동일하게 진행하였다.
4. 오버코팅액을 준비하는 단계
먼저, 펜타에리트리톨 트리아크릴레이트(PETA) 30G에 1,6-헥사디올 디아크릴레이트(HDDA) 5G 에 이가큐어(IGACURE 184) 1.7G에 메틸에틸케톤(MEK) 150G과 톨루엔(Toluene) 150G을 교반기에 넣고 200RPM으로 20분간 교반하여 오버코팅액을 제조 하였다
5. 각층마다 코팅하는 단계
준비된 U43 PET필름상에 굴절율 1.46으로 만들어진 하드코팅액을 마이크로 그라비어코팅으로 균일하게 코팅하였다. 80도에서 1분간 열입을 하여 하드코팅액 내부에 있는 용제를 모두 날리고, 아크릴 고형분만남긴 상태에서 UV경화기를 통하여 200MJ로 경화시켜 500G 2H의 강도를 가지는 하드 코팅을 만들었다.
하드코팅층 표면에, 준비된 은나노와이어를 슬롯다이를 사용하여 코팅하였다. 코팅된 은나노 와이어는 150도에서 2분간 경화를 실시하였다. 이때 은나노와이어와 하드코팅표면의 일부 라디칼들과 실리카들이 소성변화를 하면서 하드코팅층과 은나노와이어가 결합되면서, 하드코팅층상에 은나노 와이어 층이 만들어졌다.
만들어진 은나노와이어 층 표면을 보호하기 위하여 오버코팅액을 UV경화기로 코팅함으로써, 본 발명과 비교할 수 있는 또 하나의 투명 은나노 와이어 전극필름을 만들었다.
상기와 같이 제조된 각 투명전극 디바이스들은 아래의 표1에 제시된 바와 같은 결과를 나타내었다.
아래의 실험 테이터에서와 같이, 본 발명에 따른 유전체를 사용한 오버코팅을 지닌 투명전극 디바이스(1)가, 상기 비교예 1,2와 비교하여, 더 낮은 저항 값을 가지고 있으며, 또한, 오버코팅 후 저항 값 변화를 거의 일으키지 않으면서, 저 저항 값 기능을 유지하고 있고, 나아가, 대면적으로 코팅시에도, 제품의 균질성이 뛰어남을 알 수 있다. 그리고 노화 시에도, 무기물 유전체로 구성된 본 발명에 따른 투명전극 디바이스(1)가 뛰어난 내구성을 가짐을 알 수 있었다.
(항목별 저항값 데이터)
항목 실시예1 실시예2 비교예1 비교예2
오버코팅 전 저항(Ω) 29 29 29 29
오버코팅 후 저항(Ω) 29 29 50 60
오버코팅 후 대면적 균질성
(좌/중/우)
(Ω)		 29/29/29 28/29/29 51/×/60 62/×/59
80도 100시간 노화 후 저항
(Ω)		 30 29 1250 1300
이러한 본 발명은 상황에 따라, 다양한 변형을 이룰 수 있다.
예를 들어, 도 6에 도시된 바와 같이, 본 발명에서는 투명 지지기재(1)의 후면에도 하드코팅 층(3)을 추가 형성시키는 변화된 조치를 취할 수도 있게 된다.
물론, 이러한 다른 실시의 경우에도, 디바이스 운영주체 측에서는, 은나노 와이어 투명전극(4)이 가지는 단점(예컨대, 은나노 와이어 투명전극(4)의 표면이 산화 박막으로 변하는 단점 등)을 별다른 문제점 없이 유전체층(5)의 기능수행에 의해 융통성 있게 해결할 수 있게 되며, 결국, 나노 스케일을 가지는 유전체 콘덴서층의 오버코팅에 기인한 각종 이점을 효과적으로 향유할 수 있게 된다.
이러한 본 발명은 특정 분야에 국한되지 아니하며, 전해질의 유출 차단이 필요한 여러 분야에서, 전반적으로 유용한 효과를 발휘한다.
그리고, 앞에서, 본 발명의 특정한 실시 예가 설명되고 도시되었지만 본 발명이 당업자에 의해 다양하게 변형되어 실시될 가능성이 있는 것은 자명한 일이다.
이와 같은 변형된 실시 예들은 본 발명의 기술적 사상이나 관점으로부터 개별적으로 이해되어서는 안되며 이와 같은 변형된 실시 예들은 본 발명의 첨부된 특허청구의 범위 안에 속한다 해야 할 것이다.
1: 투명전극 디바이스
2: 투명 지지기재
3: 하드코팅 층
4: 은나노 와이어 투명전극
5: 유전체층

Claims (10)

  1. 투명 지지기재와;
    상기 투명 지지기재 상에서 상기 투명 지지기재와 접촉하여 적층되는 은나노 와이어 투명전극과;
    상기 은나노 와이어 투명전극 상에서 상기 은나노 와이어 투명전극과 접촉하여 적층되는 유전체층을 포함하는 투명전극 디바이스로서,
    상기 유전체층은 티탄산바륨(BaTiO3)으로서 직류전류를 생기지 않게 하는 강유전체이고,
    상기 투명전극 디바이스에 전기장이 가해지는 경우, 상기 유전체층은 주위의 전기장을 상쇄하며,
    상기 티탄산바륨(BaTiO3)은 페로브스키석형으로서 등축 결정계의 결정형을 이루는 것을 특징으로 하는 투명전극 디바이스.
  2. 삭제
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 유전체층은, 액상 상태에서, 롤투롤 공정(Roll-to-Roll process)에 의해 상기 은나노 와이어 투명전극 상에 코팅되는 것을 특징으로 하는 투명전극 디바이스.
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 유전체층은 10nm~1000nm의 두께를 가지는 것을 특징으로 하는 투명전극 디바이스.
  5. 제 1 항에 있어서, 상기 투명 지지기재 및 은나노 와이어 투명전극의 계면에는 상기 은나노 와이어 투명전극의 부착력을 향상시키기 위한 하드코팅 층이 추가 형성되는 것을 특징으로 하는 투명전극 디바이스.
  6. 제 5 항에 있어서, 상기 하드코팅 층은 관능기를 가지는 올리고머(Oligomer), 모노머(Momomoer), 복합 무기재, 점도와 유동성을 조절하기 위한 용제, 중합반을을 일으키기 위한 광개시제, 산화반응을 방해하기 위한 산화방지제, 중합금지제, uv차단제, 흡수제, 또는, 레벨링제를 포함하는 하드코팅 액의 코팅절차 및 경화절차에 의해 형성되는 것을 특징으로 하는 투명전극 디바이스.
  7. 제 5 항에 있어서, 상기 하드코팅 층은 2㎛~5㎛의 두께를 가지는 것을 특징으로 하는 투명전극 디바이스.
  8. 제 5 항에 있어서, 상기 하드코팅 층은 1.4~1.52의 굴절률을 가지는 것을 특징으로 하는 투명전극 디바이스.
  9. 제 5 항에 있어서, 상기 하드코팅 층은 에어로 실리카를 추가 구성성분으로 가지는 것을 특징으로 하는 투명전극 디바이스.
  10. 제 9 항에 있어서, 상기 에어로 실리카는 1%~10%의 함유량을 가지는 고형분으로 상기 하드코팅 층의 구성성분을 이루는 것을 특징으로 하는 투명전극 디바이스.
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