KR102266779B1 - 도전성 필름, 이의 제조방법 및 도전성 필름을 포함하는 표시장치 - Google Patents

도전성 필름, 이의 제조방법 및 도전성 필름을 포함하는 표시장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은, 매트릭스(Matrix) 물질, 매트릭스 물질에 분산되어 있는 다수의 그래핀 플레이크(Graphene Flake) 및 그래핀 플레이크의 단부에 결합된 연결부를 포함하며, 연결부에 의해 다수의 그래핀 플레이크가 서로 수평으로 연결되어 있는 도전성 필름, 이의 제조방법 및 도전성 필름을 포함하는 표시장치를 제공한다.

Description

도전성 필름, 이의 제조방법 및 도전성 필름을 포함하는 표시장치{CONDUCTIVE FILM, METHOD FOR FABRICATING THE SAME AND DISPLAY DEVICE HAVING CONDUCTIVE FILM}
본 발명은 도전성 필름, 이의 제조방법 및 도전성 필름을 포함하는 표시장치에 관한 것이다.
탄소 원자 하나의 두께를 갖고 있고 sp2 탄소 네트워크로 구성된 이차원 물질인 그래핀(graphene)은 오랜 기간 동안 많은 과학자들의 관심사였다. 2004년 Dr. Geim과 Dr. Novoselov가 스카치 테이프를 이용해 흑연으로부터 그래핀을 쉽게 얻어내고, 그래핀의 뛰어난 전기적 성질을 처음 보고한 이후 트랜지스터, 투명전극, 에너지 저장 물질(초고용량 캐퍼시터, 이차전지, 수소저장 물질 등), 센서, 고분자 복합체 등 여러 분야에서 그래핀을 기반으로 한 소재들의 응용이 연구되고 있다.
정보화 사회가 발전함에 따라 화상을 표시하기 위한 표시장치에 대한 요구가 다양한 형태로 증가하고 있으며, 근래에는 액정표시장치(LCD: Liquid Crystal Display), 플라즈마표시장치(PDP: Plasma Display Panel), 유기전계발광표시장치(OLED: Organic Light Emitting Diode Display Device) 등과 같은 여러 가지 표시장치가 활용되고 있다.
종래의 표시장치에서, 나노 크기의 그래핀 플레이크(Graphene Flake)를 포함하는 도전성 필름의 경우, 그래핀 플레이크가 뭉치는 현상이 발생하여, 광 투과도, 면저항 및 전기전도도 특성이 저하되고, 그래핀 플레이크가 단순히 혼합되어 있음으로 인해 기계적/화학적 신뢰성이 저하되는 문제점이 발생하였다.
또한, 도전성 필름을 패터닝(Patterning)하는 과정에 있어서, 에칭(Etching) 공정으로 인해, 공정 수 및 공정 시간이 증가하고, 제조 원가가 증가하는 문제점이 있었다.
공개특허공보 제10-2013-0079232호
본 발명의 목적은, 광 투과도, 면저항 및 전기전도도 특성을 개선시키고, 기계적/화학적 신뢰성을 향상시키며, 공정 수 및 공정 시간을 단축시키고, 제조 원가를 절감시키는 도전성 필름, 이의 제조방법 및 도전성 필름을 포함하는 표시장치를 제공함에 있다.
전술한 문제점을 해결하기 위하여, 일 측면에서, 본 발명에 따른 도전성 필름은, 매트릭스(Matrix) 물질, 매트릭스 물질에 분산되어 있는 다수의 그래핀 플레이크(Graphene Flake) 및 다수의 그래핀 플레이크의 단부에 결합된 연결부를 포함할 수 있다.
여기서, 연결부에 의해 다수의 그래핀 플레이크가 서로 수평으로 연결되어 있을 수 있다.
다른 측면에서, 본 발명에 따른 도전성 필름의 제조방법은, 베이스 기판 상에, 매트릭스 물질, 매트릭스 물질에 분산되어 있는 다수의 그래핀 플레이크(Graphene Flake) 및 연결 전구체를 포함하는 도전성 용액을 도포하는 단계 및 도전성 용액에 열처리 또는 광 조사를 통해 연결 전구체가 그래핀 플레이크와 결합하여 연결부를 형성하는 단계를 포함할 수 있다.
또다른 측면에서, 본 발명에 따른 표시장치는, 표시패널 및 표시패널에 배치되고, 신호가 인가되는 다수의 신호전극을 포함할 수 있다.
여기서, 다수의 신호전극 중 적어도 하나는, 매트릭스 물질, 매트릭스 물질에 분산되어 있는 다수의 그래핀 플레이크 및 그래핀 플레이크의 단부에 결합된 연결부를 포함하며, 연결부에 의해 다수의 그래핀 플레이크가 서로 수평으로 연결되어 있는 도전성 필름으로 이루어질 수 있다.
본 발명에 따른 도전성 필름, 이의 제조방법 및 도전성 필름을 포함하는 표시장치는, 광 투과도, 면저항 및 전기전도도 특성을 개선시키고, 기계적/화학적 신뢰성을 향상시키며, 공정 수 및 공정 시간을 단축시키고, 제조 원가를 절감시키는 효과를 갖는다.
도 1은 일반적인 도전성 필름의 개략적인 평면도와 확대도이다.
도 2는 일실시예에 따른 도전성 필름의 개략적인 평면도와 확대도이다.
도 3a는 그래핀 플레이크 간의 결합의 일예를 나타낸다.
도 3b는 도 3a의 그래핀 플레이크 간의 결합을 개시하는 연결 전구체의 형성 메커니즘을 나타낸다.
도 3c는 그래핀 플레이크와 도 3b의 연결 전구체의 결합 과정을 나타낸다.
도 4는 실시예들에 따른 도전성 필름과 일반적인 도전성 필름의 면저항 값을 비교한 표이다.
도 5a 내지 도 5e는 다른 실시예에 따른 도전성 필름의 제조방법을 나타낸다.
도 6은 실시예들에 따른 도전성 필름을 포함하는 표시장치의 단면을 개략적으로 나타낸다.
이하, 본 발명의 일부 실시예들을 예시적인 도면을 통해 상세하게 설명한다. 각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 또한, 본 발명의 실시예들을 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.
또한, 발명의 구성 요소를 설명하는 데 있어서, 제 1, 제 2, A, B, (a), (b) 등의 용어를 사용할 수 있다. 이러한 용어는 그 구성 요소를 다른 구성 요소와 구별하기 위한 것일 뿐, 그 용어에 의해 해당 구성 요소의 본질이나 차례 또는 순서 등이 한정되지 않는다. 어떤 구성 요소가 다른 구성요소에 "연결", "결합" 또는 "접속"된다고 기재된 경우, 그 구성 요소는 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되거나 또는 접속될 수 있지만, 각 구성 요소 사이에 또 다른 구성 요소가 "연결", "결합" 또는 "접속"될 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 같은 맥락에서, 어떤 구성 요소가 다른 구성 요소의 "상"에 또는 "아래"에 형성된다고 기재된 경우, 그 구성 요소는 그 다른 구성요소에 직접 또는 또 다른 구성 요소를 개재하여 간접적으로 형성되는 것을 모두 포함하는 것으로 이해되어야 할 것이다.
도 1은 일반적인 도전성 필름의 개략적인 평면도와 확대도이다.
도 1을 참조하면, 일반적인 도전성 필름(110)은, 매트릭스(Matrix) 물질(120) 및 매트릭스 물질(120)에 분산되어 있는 그래핀 플레이크(140)를 포함할 수 있다.
구체적으로, 매트릭스 물질(120)은, 도전성 필름(110)의 골격이 되는 물질로서, 수용성 원자들로 구성되어 있으면서 중점의 역할 또는 상 분리나 내용물의 변질을 막아주는 등 안정화 역할이 가능한 수지일 수 있다.
매트릭스 물질(120)은, 예를 들어, 테트라에틸오르소실리케이트(TetraEthylOrthoSilicate, TEOS)일 수 있으나(도 1의 확대도 참조), 이에 제한되지 않는다.
그래핀 플레이크(140)는, 나노 사이즈의 도전성 물질로서, 그래핀, 산화 그래핀(Graphene Oxide) 및 환원 그래핀(reduced Graphene Oxide) 중 어느 하나로 이루어질 수 있다. 이러한 그래핀 플레이크(140)는 상대적으로 매우 낮은 저항값을 가지며, 전기 전도도가 높은 성질을 갖는다.
한편, 도전성 필름(110)은, 용액 상태의 조성물을 광 또는 열을 가하여 경화시켜 형성된다. 이 과정에서, 도 1에 도시된 바와 같이, 그래핀 플레이크(140)는, 분산이 충분히 일어나지 않은 경우, 반데르발스의 인력(Van Der Waals Force)에 의해 뭉침이 발생할 수 있다. 이에 따라 그래핀 플레이크(140)가 뭉친 영역의 경우, 광 투과도가 저하될 우려가 있다.
또한, 그래핀 플레이크(140)의 뭉침이 발생하면, 조성물을 코팅하여 경화시킨 경우, 면저항 값의 산포가 발생하여, 영역별로 면저항 값이 균일하지 않게 되고, 이에 따라 전기전도성이 저하되는 문제점이 발생한다. 다시 말해서, 그래핀 플레이크(140)가 뭉쳐 있지 않은 영역(도면에서 A 영역)의 경우, 전도성을 갖는 그래핀 플레이크(140)가 존재하지 않기 때문에, 전기전도성이 극히 낮게 형성된다. 이에 따라 도전성 필름(110)이 전극으로 기능하는 경우, 그 역할을 수행할 수 없게 된다.
또한 나노 크기의 그래핀 플레이크(140)가 화학적 또는 기계적으로 연결되어 있지 않기 때문에, 화학적 안정성 또는 기계적 안정성이 저하되는 단점을 갖는다. 즉, 단순한 그래핀 플레이크(140)의 혼합 및 분산 만으로는, 다수의 그래핀 플레이크(140) 간 접촉(Contact) 확률이 낮기 때문에, 전기전도도가 필요한 값에 비해 낮게 형성되고, 접촉 확률을 높이기 위해 그래핀 플레이크(140)의 농도를 높이게 되면, 광 투과도가 저하되는 문제점이 발생할 수 있다.
한편, 도전성 필름(110)은, 전술한 전기전도성 저하의 문제점을 해결하기 위하여 가교제(Cross-linker)를 포함할 수 있는데, 이러한 가교제를 이용하는 경우, 그래핀 플레이크(140)의 표면에 존재하는 결함(Defect)으로 인하여 그래핀 플레이크(140) 간에 상하 방향(도 1의 확대도에서 위 아래 방향)으로의 쌓임(Stacking)이 형성된다. 또한 반데르발스의 인력은 표면적이 넓을수록 크게 작용하기 때문에, 상하 방향의 쌓임이 발생할 확률이 많게 된다. 이에 따라 광 투과도가 저하되고, A영역과 같이 전기전도성이 저하되는 영역이 생성되는 문제점이 발생한다.
반면, 실시예들에 따른 도전성 필름(110)은 전술한 문제점들을 해결할 수 있는 구조를 갖는다.
도 2는 일실시예에 따른 도전성 필름의 개략적인 평면도와 확대도이고, 도 3a는 그래핀 플레이크 간의 결합의 일예를 나타내며, 도 3b는 도 3a의 그래핀 플레이크 간의 결합을 개시하는 연결 전구체의 형성 메커니즘을 나타내고, 도 3c는 그래핀 플레이크와 도 3b의 연결 전구체의 결합 과정을 나타낸다.
도 2 내지 도 3c를 참조하면, 도전성 필름(210)은, 매트릭스(Matrix) 물질(220), 매트릭스 물질(220)에 분산되어 있는 다수의 그래핀 플레이크(Graphene Flake, 240) 및 그래핀 플레이크(240)의 단부에 결합된 연결부(250)를 포함할 수 있고, 연결부(250)에 의해 다수의 그래핀 플레이크(240)가 서로 수평으로 연결되어 있을 수 있다.
구체적으로, 매트릭스 물질(220)은, 도전성 필름(210)의 골격이 되는 물질로서, 수용성 원자들로 구성되어 있으면서 중점의 역할 또는 상 분리나 내용물의 변질을 막아주는 등 안정화 역할이 가능한 수지일 수 있다.
매트릭스 물질(220)은, 예를 들어, 테트라에틸오르소실리케이트(TetraEthylOrthoSilicate, TEOS)일 수 있으나(도 1의 확대도 참조), 이에 제한되지 않는다.
한편, 연결부(250)는, 인접한 그래핀 플레이크(240) 간을 연결시키는 기능을 수행한다. 연결부(250)는, 그래핀 플레이크(240)의 단부에 위치하는 관능기(또는 작용기, Functional Group)에 결합된다.
이러한 연결부(250)에 의해, 그래핀 플레이크(240)는 수평(도면에서 좌우 방향)으로 연결된다. 다시 말해서, 연결부(250)에 의해 수평으로 연결된 각 그래핀 플레이크(240)는 동일한 평면에 위치한다. 즉, 연결된 각 그래핀 플레이크(240)는 동일한 층에 위치한다.
본 명세서에서, 동일한 평면으로 그래핀 플레이크(240) 간을 연결시키는 이러한 결합 형태를 수평 결합 또는 측면 결합으로 기재한다.
수평 결합(또는 측면 결합)에 의해, 매트릭스 물질(220)에 분산된 그래핀 플레이크(240)는 단일 평면(또는 단일 층)에 존재하고, 도전성 필름(210)의 전면에 걸쳐 균일하게 분산되어 있을 수 있다.
또한 수평 결합은 그래핀 플레이크(240) 간의 간격을 최소화시켜 접촉 확률을 증가시킴으로서, 도 1에 도시된 A 영역과 같은 그래핀 플레이크(240)의 농도가 낮아 전기전도성이 낮은 영역의 형성을 방지하고, 일부 영역에서 그래핀 플레이크(240)의 뭉침을 방지하여, 광 투과도 저하를 방지하는 효과를 발생시킨다. 이에 따라 도전성 필름(210)의 광 투과도 및 전기전도도 특성이 향상될 수 있다.
또한 실시예에 따른 도전성 필름(210)은, 전면에 걸쳐 균일한 면저항 값과 전기전도도 값을 갖는 효과를 갖는다.
연결부(250)에 의해 화학적으로 결합된 그래핀 플레이크(240)를 포함하는 도전성 필름(210)은, 그래핀 플레이크(240) 자체의 기계적 유연성 및 신뢰성이 매우 뛰어날뿐만 아니라, 화학적으로 결합되어 기계적 유연성이 매우 우수하기 때문에 플렉서블(Flexible) 표시장치에 활용될 수 있다.
이러한 커넥팅 물질(250)은, 커넥팅 물질 전구체가 열처리 또는 광 조사됨으로써 형성될 수 있다. 연결 전구체는, 예를 들어, 다이아조(Diazo) 계열의 물질일 수 있다. 다이아조 계열의 물질로는,
Figure 112014126347327-pat00001
,
Figure 112014126347327-pat00002
,
Figure 112014126347327-pat00003
,
Figure 112014126347327-pat00004
,
Figure 112014126347327-pat00005
,
Figure 112014126347327-pat00006
등의 화합물을 예로 들 수 있다. 다만, 이러한 다이아조 계열의 물질은, 설명의 편의를 위해서 일예로서 제시된 것일뿐, 실시예들은 이에 제한되지 않고, 그래핀 플레이크(240)의 단부에 위치하는 관능기와 결합되어 인접한 그래핀 플레이크(240) 화학적으로 연결할 수 있다면, 이에 해당할 수 있음에 유의하여야 한다.
한편, 그래핀 플레이크(240)의 단부(끝부분)에 위치하는 관능기(또는 작용기)는 카복실기(Carboxyl group)일 수 있다. 카복실기의 높은 산도를 띄는 양성자에 의해 결합이 시작되어, 카복실기의 산소 음이온이 연결 전구체에서 친전자성을 띄는 원소에 결합할 수 있다.
도 3b 및 도 3c를 참조하여 예를 들어 설명하면, 연결 전구체는, 다이아조 계열의 물질인, 토실히드로존 염(Tshydrozone salt)일 수 있다.
토실하이드로존 염의 형성 메커니즘이 도 3b에 도시되어 있다. 작용기로서 두 개의 케톤(ketone)기를 갖는 벤젠이 파라-토실히드라진(p-Tshydrazine)과 반응하여 히드라존(Hydrazone) 계열의 화합물이 되고, 강염기인 메톡시(methoxy)기가 히드라존의 산성 양성자를 제거하면서 토실히드로존 염이 생성될 수 있다.
토실히드로존 염은 그래핀 플레이크(240)가 포함된 분산액에 혼합되어 베이스기판(미도시)에 코팅되고, 이에 열처리(50℃내지 60℃)가 수행되면, 질소(N2) 기체가 빠져나오면서 인접한 그래핀 플레이크(240)의 단부에 위치하는 관능기(카복실기)에 연결된 연결부(250)가 형성된다.
여기서, 연결부(250)와 그래핀 플레이크(240)와의 결합은, 카복실기의 산소원자가 히드로존 염과 반응하여 형성된 에스터(Ester) 결합일 수 있다.
이러한 연결 전구체와 그래핀 플레이크(240)의 결합에 관해서는 도전성 필름(210)의 제조방법과 관련된 부분에서 상세히 설명한다. 다만 도 3a 내지 도 3c에 도시된 연결 전구체, 연결부, 생성 메커니즘 등은, 설명의 편의를 위해 일예로서 제시된 것이고, 실시예들은 이에 제한되지 않고, 다양한 물질로 이루어질 수 있고, 다양한 결합으로 연결될 수 있으며, 다양한 형성 메커니즘에 의해 형성될 수 있다.
또한 매트릭스 물질(220)과 그래핀 플레이크(240)의 농도는 광 투과도, 면저항 및 전기전도도 등의 설계 값에 따라 다양하게 조절될 수 있다.
실시예에 따른 연결부(250)에 의해 수평으로 연결된 그래핀 플레이크(240)를 포함하는 도전성 필름(210)은, 그래핀 플레이크(240)가 고르게 분산되어 있고, 상하 방향이 아닌 수평 결합에 의해 단일층 형태로 형성되어 있으며, 연결부(250)에 의해 접촉되어 있기 때문에, 우수한 전기전도도 특성 및 광 투과도 특성을 구현한다. 뿐만 아니라, 굽힘 또는 접힘 등의 환경에서도 화학적으로 또는 기계적으로 우수한 신뢰성을 구현할 수 있는 특징을 갖는다.
한편, 연결부(250)는 감광성 물질일 수 있고, 예를 들어, 일정 파장을 갖는 광에 조사되면 경화되는 광 경화성 물질일 수 있다.
따라서, 연결부(250)에 의해 연결된 그래핀 플레이크(240)를 포함하는 도전성 필름(210)에 광을 조사하는 노광 공정 이후, 현상액에 현상(Development)하는 공정을 거치게 되면, 도전성 물질이 패터닝(Patterning)될 수 있다. 다시 말해서, 도전성 필름(210)은, 별도의 공정이 부가되지 않고, 포토리소그래피(Photolithography) 공정 만으로 패터닝될 수 있다. 이에 따라 투명 전극 등으로 활용될 수 있는 도전성 필름(210)의 패터닝 공정이 단순화되고, 공정 시간이 단축되며, 제조 원가가 절감되는 효과를 발생시킨다.
이에 대해서는, 도전성 필름(210)의 제조방법과 관련된 부분에서 상세하게 설명한다.
도 4는 실시예들에 따른 도전성 필름과 일반적인 도전성 필름의 면저항 값을 비교한 표이다.
도 4를 참조하면, 샘플 1(#1)에서, 매트릭스 물질을 포함하지 않고, 그래핀 플레이크(140)를 1 wt% 포함하는 도전성 필름(110)에 열처리(130℃, 30분)를 수행했을 경우의 면저항 값은 11000Ω/□로서, 도전성 필름(110)은 매우 높은 값을 갖는다. 샘플 2(#2)에서, 매트릭스 물질(120)로서 폴리비닐알코올(PolyVinyl Alcohol, PVA)과 그래핀 플레이크(140)를 1 wt% 포함하는 도전성 필름(110)에 열처리(130℃, 30분)를 수행했을 경우의 면저항 값은 7500Ω/□이다.
한편, 샘플 3(#3)에서, 매트릭스 물질(220)로서 폴리비닐알코올(PolyVinyl Alcohol, PVA), 그래핀 플레이크(240)를 1 wt%, 연결부(250)로서 다이페닐 에터(Diphenyl Ether)를 0.5 wt% 포함하는 도전성 필름(210)에 열처리(130℃, 30분)를 수행했을 경우의 면저항 값은 500Ω/□으로서, 샘플 1과 샘플 2에 비해 현저하게 낮은 값인 것을 알 수 있다. 여기서, 연결부(250)인 다이페닐 에터의 연결 전구체는 다이아조 계열의 화합물인
Figure 112014126347327-pat00007
이고, 이의 제조방법은 하기 반응식 1과 같다.
[반응식 1]
Figure 112014126347327-pat00008
샘플 4(#4)에서, 매트릭스 물질(220)로서 폴리비닐알코올(PolyVinyl Alcohol, PVA), 그래핀 플레이크(240)를 1 wt%, 연결부(250)로서 바이페닐(Biphenyl)을 0.5 wt% 포함하는 도전성 필름(210)에 열처리(130℃, 30분)를 수행했을 경우의 면저항 값은 450Ω/□으로서, 샘플 1과 샘플 2에 비해 현저하게 낮은 값인 것을 알 수 있다. 여기서, 연결부(250)인 바이페닐의 연결 전구체는 다이아조 계열의 화합물인
Figure 112014126347327-pat00009
이고, 이의 제조방법은 하기 반응식 2와 같다.
[반응식 2]
Figure 112014126347327-pat00010
샘플 5(#5)에서, 매트릭스 물질(220)로서 폴리비닐알코올(PolyVinyl Alcohol, PVA), 그래핀 플레이크(240)를 1 wt%, 연결부(250)로서 나프틸(Naphtyl)을 0.5 wt% 포함하는 도전성 필름(210)에 열처리(130℃, 30분)를 수행했을 경우의 면저항 값은 230Ω/□으로서, 샘플 1과 샘플 2에 비해 현저하게 낮을 뿐만 아니라, 가장 낮은 값인 것을 알 수 있다. 여기서, 연결부(250)인 나프틸의 연결 전구체는 다이아조 계열의 화합물인
Figure 112014126347327-pat00011
이고, 이의 제조방법은 하기 반응식 3과 같다.
[반응식 3]
Figure 112014126347327-pat00012
전술한 샘플들(#1 내지 #5)의 면저항 값을 검토하면, 매트릭스 물질(220), 매트릭스 물질에 분산되어 있는 그래핀 플레이크(240) 및 인접한 그래핀 플레이크 사이를 수평으로 연결시키는 연결부(250)를 포함하는 도전성 필름(210)은, 일반적인 도전성 필름(110)에 비해 현저하게 낮은 면저항 값을 갖는 것을 볼 수 있다.
이는, 연결부(250)에 의해 수평으로 연결된 각 그래핀 플레이크(240)가 동일한 평면(또는 동일한 층)에 위치하는 것에 기인한다. 다시 말해서, 수평 결합(또는 측면 결합)에 의해, 매트릭스 물질(220)에 분산된 그래핀 플레이크(240)는 단일 평면(또는 단일 층)에 존재하고, 뭉치지 않고 도전성 필름(210)의 전면에 걸쳐 균일하게 분산되어 있을 수 있다.
이러한 수평 결합을 갖는 도전성 필름(210) 및 이를 포함하는 표시장치는 그래핀 플레이크(240) 간의 간격을 최소화시켜 접촉 확률을 증가시킴으로서, 도전성 필름(210)의 전면에 걸쳐 균일한 면저항 값과 전기전도도 값을 갖게할 뿐만 아니라, 우수한 면저항 및 전기전도도 특성을 갖게 하는 효과를 갖는다. 또한 그래핀 플레이크(240)의 뭉침을 방지하여, 우수한 광 투과도 특성을 구현할 수 있다.
또한 연결부(250)에 의해 화학적으로 결합된 그래핀 플레이크(240)를 포함하는 도전성 필름(210)은, 그래핀 플레이크(240) 자체의 기계적 유연성 및 신뢰성이 매우 뛰어날뿐만 아니라, 화학적으로 결합되어 기계적 유연성이 매우 우수하기 때문에 플렉서블(Flexible) 표시장치에 활용될 수 있다.
도 5a 내지 도 5e는 다른 실시예에 따른 도전성 필름의 제조방법을 나타낸다.
도 5a 내지 도 5e를 참조하면, 도전성 필름(210)의 제조방법은, 베이스 기판(202) 상에, 매트릭스(Matrix) 물질(220), 매트릭스 물질(220)에 분산되어 있는 다수의 그래핀 플레이크(Graphene Flake, 240) 및 연결 전구체(250')를 포함하는 도전성 용액(210')을 도포하는 단계 및 도전성 용액(210')에 열처리 또는 광 조사를 통해 연결 전구체(250')가 그래핀 플레이크(240)와 결합하여 연결부(250)를 형성하는 단계를 포함할 수 있다.
여기서, 연결부(250)를 형성하는 단계는, 연결 전구체(250')가 그래핀 플레이크(240)의 단부에 위치하는 관능기와 결합하여, 그래핀 플레이크(240) 사이를 수평으로 연결하여 도전성 필름(210)을 형성하는 단계이다.
또한 전술한 광 조사를 통해 연결부(250)를 형성하는 단계는, 도전성 필름(210) 형성 단계 이후에, 마스크(502)를 사용하여 도전성 용액(210')에 노광한 후, 현상(Development)하는 패터닝(Patterning) 단계를 포함할 수 있다.
구체적으로, 베이스 기판(202) 상에 다수의 물질들이 포함된 도전성 용액(210')을 도포하는 단계가 수행된다.
여기서 베이스 기판(202)은, 글래스(Glass) 기판뿐만 아니라, PET(Polyethylen terephthalate), PEN(Polyethylen naphthalate), 폴리이미드(Polyimide) 등의 플라스틱 기판 등일 수 있다. 베이스 기판(202)은, 표시장치(100)에서 트랜지스터 등이 구비된 하부 기판이거나, 또한 터치 스크린 패널에서의 기판일 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.
도전성 용액(210')에 포함되는 매트릭스 물질(220)은, 도전성 필름(210)의 골격이 되는 물질로서, 수용성 원자들로 구성되어 있으면서 중점의 역할 또는 상 분리나 내용물의 변질을 막아주는 등 안정화 역할이 가능한 수지일 수 있다.
그래핀 플레이크(240)는, 나노 사이즈의 도전성 물질로서, 그래핀, 산화 그래핀(Graphene Oxide) 및 환원 그래핀(reduced Graphene Oxide) 중 어느 하나로 이루어질 수 있다.
한편, 연결 전구체(250')는, 예를 들어, 다이아조(Diazo) 계열의 물질일 수 있다. 다이아조 계열의 물질로는,
Figure 112014126347327-pat00013
,
Figure 112014126347327-pat00014
,
Figure 112014126347327-pat00015
,
Figure 112014126347327-pat00016
,
Figure 112014126347327-pat00017
,
Figure 112014126347327-pat00018
등의 화합물을 예로 들 수 있다. 다만, 이러한 다이아조 계열의 물질은, 설명의 편의를 위해서 일예로서 제시된 것일뿐, 실시예들은 이에 제한되지 않고, 그래핀 플레이크(240)의 단부에 위치하는 관능기와 결합되어 인접한 그래핀 플레이크(240) 화학적으로 연결할 수 있다면, 이에 해당할 수 있음에 유의하여야 한다.
이 단계에서, 그래핀 플레이크(240)와 연결 전구체(250')는 화학적으로 결합되지 않은 상태로 혼합되어 있다. 다시 말해서, 열처리 또는 광 조사 이전의 도전성 용액(210')에서, 그래핀 플레이크(240)는 불규칙한 형태로 혼합되어 있고, 예를 들면, 반데르 발스 인력에 의한 상하 방향(도면에서 위/아래 방향)으로 쌓여 있거나, 다수의 그래핀 플레이크(240)가 일정 영역에 뭉쳐 있는 형태를 가질 수 있다. 이러한 그래핀 플레이크(240)는, 이후의 열처리 또는 광 조사에 의한 연결부(250) 형성 단계에 의해 단일층 형태의 화학적 결합을 갖게 된다.
한편, 도시되지는 않았지만, 도전성 필름(210)의 제조방법은, 도전성 용액(210')을 도포하는 단계 이후, 도전성 용액(210')에 포함된 용매 물질을 제거하는 건조 단계를 포함할 수 있다.
이어서, 베이스 기판(202) 상의 용액에 열을 가하거나 광을 조사하는 연결부(250) 형성 단계가 수행된다(도 5b 및 도 5c 참조).
열처리 또는 광 조사를 통해, 연결 전구체(250')가 그래핀 플레이크(240)의 단부에 위치하는 관능기(또는 작용기)와 결합하여 연결부(250)를 형성하면서, 인접한 그래핀 플레이크(240)가 수평으로 결합될 수 있다. 이 과정을 통해 연결부(250)에 의해 수평으로 연결된 각 그래핀 플레이크(240)는 동일한 평면에 위치하게 되고, 도전성 필름(210)이 형성된다.
여기서, 그래핀 플레이크(240)의 단부에 위치하는 관능기는, 예를 들어, 카복실기일 수 있고, 연결 전구체(250')는, 예를 들어, 토실히드로존염(
Figure 112014126347327-pat00019
)일 수 있다. 다만, 이는 설명의 편의를 위해 예로 든 것일뿐, 본 발명은 이에 제한되지 않고, 그래핀 플레이크(240) 사이의 수평의 결합을 생성할 수 있다면, 다양한 관능기와 연결 전구체(250')가 이에 해당할 수 있음에 유의하여야 한다.
열처리 또는 광 조사에 의한 연결부(250) 형성 단계에서, 그래핀 플레이크(240)의 단부에 위치하는 관능기와 연결 전구체(250')가 결합하는 메커니즘은 하기 반응식 4와 같다.
[반응식 4]
Figure 112014126347327-pat00020
반응식 4를 참조하면, 연결 전구체(250')에 대략 50℃ 이상의 열을 가하거나 광, 예를 들어 자외선(UV)을 조사하게 되면, 이탈기 능력이 좋은 토실기가 이탈되면서, 질소와 탄소 원자에 부분 음전하를 띄는 다이아조 화합물이 형성된다(반응식 4의 (1) 참조). 반응식 4에서 G는 그래핀 플레이크(240)를 의미한다.
이어서 다이아조 화합물과 카복실기의 산성 수소에 의해 산-염기 반응이 일어나고, 카복실기의 산소 음이온이 연결 전구체(250')에서 친전자성을 띄는 탄소 원소에 결합하게 되어 연결부(250)가 형성되고, 이 과정에서 질소(N2) 가스가 배출된다. 이러한 연결부(250)는, 예를 들어, 에스터(Ester) 결합으로 형성될 수 있다.
연결부(250)에 의해 수평으로 연결된 각 그래핀 플레이크(240)는 동일한 평면에 위치할 수 있다. 따라서, 전술한 바와 같이, 실시예들에 따른 도전성 필름은, 그래핀 플레이크(240)가 뭉치는 현상이 방지되어, 광 투과도가 향상되고, 면저항 값이 감소하고, 전기전도도가 상승하는 효과를 갖는다.
이어서, 패터닝(Patterning) 단계가 수행된다(도 5d 및 도 5e 참조).
패터닝 단계는, 베이스 기판(202) 상에 형성된 도전성 필름(210)의 형태를 설계 형태에 대응되도록 변형시키는 단계로서, 마스크(502)를 통해 도전성 필름(210)에 광을 조사하고, 이어서 현상액에 현상하여, 광이 조사된 부분 또는 광이 조사되지 않은 부분을 제거하는 공정이다.
도전성 필름(210)에서, 노광 및 현상 공정에 의한 제거 공정은 파지티브(Positive) 방식 또는 네거티브(Negative) 방식일 수 있다. 파지티브 방식은, 도전성 필름(210)에서 광이 조사된 부분이 제거되는 방식으로서, 도 5d 및 도 5e에서는 파지티브 방식을 도시하고 있다. 다만, 실시예들에 따른 도전성 필름(210)은, 이에 제한되지 않고 네거티브 방식에 의해서도 형성될 수 있다.
구체적으로, 열처리 단계를 통해 형성된 도전성 필름(210)에서, 연결부(250)는 감광성 물질일 수 있다. 이는 도전성 필름(210) 자체가 포토리소그래피(Photolithography) 공정에서의 포토레지스트(Photoresist)의 기능을 수행할 수 있음을 의미한다.
구체적으로, 마스크(502)는 광 투과부(506) 및 광 차단부(504)를 포함하고, 광 투과부(506)를 통해 도전성 필름(210)에 광이 조사된다. 여기서, 광은, 예를 들면, 자외선일 수 있다.
이후, 수용성 알칼리 용액인 현상액에 도전성 필름(210)이 형성된 베이스 기판(202)을 담가 현상하는 공정이 수행된다. 이 과정에서, 광 투과부(506)을 통해 도전성 필름(210)에서 광이 조사된 부분이 제거된다(파지티브 방식의 경우).
이렇게 패터닝 단계를 거친 도전성 필름(210)은, 양극, 음극, 트랜지스터의 전극 또는 터치전극 등의 다수의 신호전극으로 활용될 수 있다. 실시예들에 따른 도전성 필름(210)은 광 투과도, 면저항 및 전기전도도 특성이 우수하기 때문에, 전극으로서의 뛰어난 성능을 구비할 수 있다.
또한 도전성 필름(210)의 연결부(250)가 감광성 물질로 이루어짐으로 인해서, 별도의 에칭(Etching) 공정을 수행하지 않고 패터닝할 수 있게 되기 때문에, 공정 수 및 공정 시간이 단축되고, 제조원가가 절감되는 효과를 갖는다.
도 6은 실시예들에 따른 도전성 필름을 포함하는 표시장치의 단면을 개략적으로 나타낸다.
도 6을 참조하면, 표시장치(200)는, 표시패널(663) 및 표시패널(663)에 배치되고, 신호가 인가되는 다수의 신호전극(664, 668)을 포함한다.
여기서, 다수의 신호전극(664, 668) 중 적어도 하나는, 매트릭스(Matrix) 물질(220), 매트릭스 물질(220)에 분산되어 있는 그래핀 플레이크(Graphene Flake, 240) 및 그래핀 플레이크(240)의 단부에 위치하는 관능기와 결합되어 인접한 그래핀 플레이크(240) 사이를 수평으로 연결시키는 연결부(250)를 포함하는 도전성 필름(210)으로 이루어질 수 있다.
또한 표시장치(200)는, 표시패널(663) 상에 위치하는 터치 스크린 패널(Touch Screen Panel, TSP, 672)을 추가로 포함할 수 있고, 터치 스크린 패널(672)에 배치된 터치전극은 도전성 필름(210)으로 이루어질 수 있다.
도 6에 도시된 표시장치(200)는, 하부기판(662), 하부기판(662) 상에 위치하는 제1전극(664), 제1전극(664) 상에 위치하는 셀(666), 셀(666) 상에 위치하는 제2전극(668), 제2전극(668) 상에 위치하는 상부기판(670) 및 상부기판(670) 상에 위치하는 터치 스크린 패널(672)을 포함한다.
다만, 도 6의 표시장치(200)는, 설명의 편의를 위하여 일예로서 도시된 것임에 유의하여야 한다. 예를 들어, 표시장치(200)는 표시패널(663)과 분리되어 상부기판(670) 상에 위치하는 터치 스크린 패널(672)을 별도로 구비하는 온셀(On Cell) 또는 애드온(Add on) 타입일 수 있다. 다만, 이는 하나의 예시일 뿐이고, 표시장치(200)는 터치전극을 셀(666) 내에 내장하는 인셀(In Cell) 타입의 표시장치(200)일 수도 있다.
표시패널(663)에 배치되고, 신호가 인가되는 다수의 신호전극(664, 668)은, 도면에는 제1전극(664)과 제2전극(668)만이 도시되었지만, 하부기판(662)에 위치하는 다수의 트랜지스터의 전극과 셀(666) 내부에 내장된 인셀 타입의 터치전극을 포함할 수 있다.
본 명세서에서, 제1전극(664)은 양극, 애노드(Anode) 전극, 화소전극, 픽셀전극과 같은 의미일 수 있고, 제2전극(668)은 음극, 캐소드(Cathode) 전극, 공통전극과 같은 의미일 수 있다. 또한 셀(660)은, 일 예로, 액정표시장치(LCD)에서의 액정층이거나 유기전계발광표시장치(OLED)의 유기층일 수 있다.
표시장치(200)에서, 트랜지스터의 전극, 제1전극(또는 양극, 664), 제2전극(또는 음극, 668), 인셀 타입의 터치전극, 온셀 또는 애드온 타입의 터치 스크린 패널(672)에서의 터치전극 등은, 도전성 필름(210)으로 이루어질 수 있다.
따라서 도전성 필름(210)을 포함하는 표시장치(200)는, 상대적으로 낮은 면저항 값을 갖고, 전기전도도 특성이 뛰어나며, 광 투과도가 우수하고, 기계적/화학적 신뢰성이 뛰어난 효과를 갖는다. 또한 도전성 필름(210)의 연결부(250)가 감광성 물질로 이루어짐으로 인하여, 공정 수 및 공정 시간이 단축되고, 제조 원가가 절감되는 효과를 갖는다.
이상 도면을 참조하여 실시예들을 설명하였으나 본 발명은 이에 제한되지 않는다.
이상에서 기재된 "포함하다", "구성하다" 또는 "가지다" 등의 용어는, 특별히 반대되는 기재가 없는 한, 해당 구성 요소가 내재될 수 있음을 의미하는 것이므로, 다른 구성 요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있는 것으로 해석되어야 한다. 기술적이거나 과학적인 용어를 포함한 모든 용어들은, 다르게 정의되지 않는 한, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가진다. 사전에 정의된 용어와 같이 일반적으로 사용되는 용어들은 관련 기술의 문맥 상의 의미와 일치하는 것으로 해석되어야 하며, 본 발명에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 발명에 개시된 실시예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
202: 베이스 기판 210': 용액
210: 도전성 필름 220: 매트릭스 물질
240: 그래핀 플레이크 250: 연결부

Claims (12)

  1. 삭제
  2. 삭제
  3. 베이스 기판 상에, 매트릭스(Matrix) 물질, 상기 매트릭스 물질에 분산되어 있는 다수의 그래핀 플레이크(Graphene Flake) 및 단분자인 다이아조 계열의 연결 전구체를 포함하는 도전성 용액을 도포하는 단계; 및
    상기 도전성 용액에 열처리 또는 광 조사를 통해 상기 연결 전구체가 상기 그래핀 플레이크와 결합하여 연결부를 형성하는 단계를 포함하는 도전성 필름의 제조방법.
  4. 제 3항에 있어서,
    상기 광 조사를 통해 연결부를 형성하는 단계는,
    마스크를 사용하여 상기 도전성 용액에 노광한 후, 현상(Development)하는 패터닝(Patterning) 단계를 포함하는 도전성 필름의 제조방법.
  5. 제 3항에 있어서,
    상기 연결부를 형성하는 단계는,
    상기 연결 전구체가 상기 그래핀 플레이크의 단부에 위치하는 관능기와 결합하여, 상기 그래핀 플레이크 사이를 수평으로 연결하여 도전성 필름을 형성하는 단계인 도전성 필름의 제조방법.
  6. 제 3항에 있어서,
    상기 연결부를 형성하는 단계에서,
    상기 그래핀 플레이크의 관능기와 상기 연결 전구체는 에스터(Ester) 결합에 의해 결합하는 도전성 필름의 제조방법.
  7. 제 3항에 있어서,
    상기 연결 전구체는 하기 화합물 중 어느 하나인 도전성 필름의 제조방법:
    Figure 112021016286202-pat00033
    ,
    Figure 112021016286202-pat00034
    ,
    Figure 112021016286202-pat00035
    ,
    Figure 112021016286202-pat00036
    ,
    Figure 112021016286202-pat00037
    ,
    Figure 112021016286202-pat00038
    .
  8. 표시패널; 및
    상기 표시패널에 배치되고, 신호가 인가되는 다수의 신호전극을 포함하되,
    상기 다수의 신호전극 중 적어도 하나는,
    매트릭스(Matrix) 물질, 상기 매트릭스 물질에 분산되어 있는 다수의 그래핀 플레이크(Graphene Flake) 및 상기 다수의 그래핀 플레이크의 단부에 결합된 연결부를 포함하며, 상기 연결부는 상기 그래핀 플레이크의 단부에 위치하는 관능기와 단분자인 다이아조 계열의 연결 전구체가 반응하여 형성되고, 상기 연결부에 의해 상기 다수의 그래핀 플레이크가 서로 수평으로 연결되어 있는 도전성 필름으로 이루어진 표시장치.
  9. 제 8항에 있어서,
    상기 다수의 신호전극은,
    트랜지스터의 전극, 양극, 음극 및 터치전극 중 적어도 하나를 포함하는 표시장치.
  10. 제 8항에 있어서,
    상기 표시패널 상에 위치하는 터치 스크린 패널을 추가로 포함하되,
    상기 터치 스크린 패널에 배치된 터치전극은 상기 도전성 필름으로 이루어진 표시장치.
  11. 제 8항에 있어서,
    상기 각 그래핀 플레이크는 동일한 평면에 위치하는 표시장치.
  12. 제 8항에 있어서,
    상기 연결 전구체는 하기 화합물 중 어느 하나인 표시장치:
    Figure 112021016286202-pat00039
    ,
    Figure 112021016286202-pat00040
    ,
    Figure 112021016286202-pat00041
    ,
    Figure 112021016286202-pat00042
    ,
    Figure 112021016286202-pat00043
    ,
    Figure 112021016286202-pat00044
    .
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