KR102285670B1

KR102285670B1 - 금속 나노와이어 터치센서

Info

Publication number: KR102285670B1
Application number: KR1020150177347A
Authority: KR
Inventors: 장원영; 조수호; 최용석
Original assignee: 동우 화인켐 주식회사
Priority date: 2015-12-11
Filing date: 2015-12-11
Publication date: 2021-08-04
Also published as: KR20170069746A

Abstract

본 발명은 하부 투명 전극층, 금속 나노와이어층, 및 상부 투명 전극층이 이 순서로 적층되고, 상기 금속 나노와이어층에 포함되는 전체 고형분에 대한 유기물 고형분의 중량비가 0.1 내지 0.3인 것을 특징으로 전극배선을 포함하는 터치센서 및 상기 터치센서를 포함하는 유연 디스플레이 장치에 관한 것이다.

Description

금속 나노와이어 터치센서{Metal nanowires touch sensors}

본 발명은 터치센서에 관한 것이며, 더욱 상세하게는 하부 투명 전극층, 금속 나노와이어층, 및 상부 투명 전극층이 이 순서로 적층된 전극배선을 포함하는 터치센서 및 상기 터치센서를 포함하는 유연 디스플레이 장치에 관한 것이다.

유연 디스플레이, 유연 트랜지스터, 유연 터치패널, 유연 태양 전지로 대표되는 유연 정보전자 기기는 투명 유연 전극을 필요로 한다.

투명 유연 전극이란 PET, PES, PEN과 같은 유연 기판 상에 성막시킨 전극으로 높은 전도도와 가시광 영역(400nm 내지 700nm)에서 80% 이상의 높은 투과도를 가지며, 높은 유연성을 갖는 전극을 의미한다.

투명 유연 전극으로 응용이 가능한 소재로는 여러 가지 투명 전도 산화물(Transparent conducting oxide), 탄소나노튜브, 그래핀, 고분자 전도체가 알려져 있으며, 대표적으로 인듐주석산화물(ITO) 박막이 사용되고 있다.

인듐주석산화물(ITO) 박막을 사용하는 투명 유연 전극은 일반적인 투명 전극의 공정 방식에 의해서는 면저항이 높게 형성되어 전기적 특성이 저하되며, 이를 방지하기 위해 고온의 열처리 과정을 거치게 되면, 열처리 과정에서 유연 기판이 열화되어 고품위의 투명 전극을 제작할 수 없다는 단점을 갖는다.

이러한 ITO 투명 전극의 단점을 극복하기 위해 최근 은(Ag)를 포함한 금속 나노와이어를 이용한 투명 전극 제조에 관한 연구가 전세계적으로 활발하게 진행되고 있는 추세이다. 은 나노와이어를 투명 전극에 적용시 면저항은 20 Ohm/square이하를 가지며 투과도는 가시광선 영역의 경우 평균 75% 이상 나오는 것으로 보고되어 미래의 투명 전극 소재로 주목받고 있다.

또한, 대한민국 등록특허 제10-1391510호에 개시된 바와 같이, 투명 유연 기판의 상면에 스퍼터링 방식으로 증착 형성되는 하부 투명 전극층과, 상기 하부 투명 전극층의 상면에 코팅 방식으로 코팅 형성되는 금속 나노와이어층과, 상기 금속 나노와이어층의 상면에 스퍼터링 방식으로 증착 형성되는 상부 투명 전극층을 구비하여 형성된 다층 투명 전극도 사용되고 있다.

그러나 상기 다층 투명 전극의 경우, 금속 나노와이어층의 상면에 상부 투명 전극층을 스퍼터링 방식에 의해 증착하는 경우, 증착이 원활하게 이루어지지 않으며, 그로 인하여 패턴을 형성하는 경우 상부 투명 전극층의 직선성(Linearity)이 저하되는 단점을 갖는다.

대한민국 등록특허 제10-1391510호

본 발명은 종래 기술의 상기와 같은 문제를 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 하부 투명 전극층, 금속 나노와이어층, 및 상부 투명 전극층이 이 순서로 적층되고, 상기 상부 투명 전극층의 직선성(Linearity)이 현저하게 향상된 전극배선을 포함하는 터치센서를 제공하는 것을 목적으로 한다.

또한, 상기 터치센서를 포함하는 유연 디스플레이 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명은,

하부 투명 전극층, 금속 나노와이어층, 및 상부 투명 전극층이 이 순서로 적층되고, 하기 수학식 1에 의해 계산된 상기 상부 투명 전극층의 직선성(Linearity)이 15% 이하인 것을 특징으로 하는 전극배선을 포함하는 터치센서를 제공한다:

[수학식 1]

직선성 (Linearity) = ( CDmax - CDmin )/( CDmax + CDmin ) × 100

또한, 본 발명은

하부 투명 전극층, 금속 나노와이어층, 및 상부 투명 전극층이 이 순서로 적층되고,

상기 금속 나노와이어층에 포함되는 전체 고형분에 대한 유기물 고형분의 중량비가 0.1 내지 0.3인 것을 특징으로 하는 전극배선을 포함하는 터치센서를 제공한다.

또한, 본 발명은

상기 터치센서를 포함하는 유연 디스플레이 장치를 제공한다.

본 발명의 터치센서는 그를 구성하는 전극배선의 상부 투명 전극층의 직선성이 크게 개선된 특징을 갖는다. 또한, 상기 직선선 문제로 인하여 발생하는 단선문제도 현저히 감소되는 특징을 갖는다.

또한, 상기 터치센서를 포함하는 유연 디스플레이 장치는 뛰어난 터치감, 내구성및 화질을 제공한다.

도 1은 실시예 1에서 형성된 전극배선 패턴(a) 및 비교예 1에서 형성된 전극배선 패턴(b)을 촬영한 OM(Optical Microscopy) 이미지이다.
도 2는 시험예 1에서 실시된 직선성(Linearity) 평가의 변수를 설명하기 위한 도면이다.

본 발명은 하부 투명 전극층, 금속 나노와이어층, 및 상부 투명 전극층이 이 순서로 적층되고, 하기 수학식 1에 의해 계산된 상기 상부 투명 전극층의 직선성(Linearity)이 15% 이하인 것을 특징으로 하는 전극배선을 포함하는 터치센서에 관한 것이다:

[수학식 1]

상기에서 상부 투명 전극층의 직선성(Linearity)이 15%를 초과하는 경우, 전극배선에 단선이 발생할 가능성이 크게 증가한다.

상기에서 상부 투명 전극층의 직선성(Linearity)이 10% 이하인 경우에 더욱 바람직하다.

또한, 본 발명은

상기 금속 나노와이어층에 포함되는 전체 고형분에 대한 유기물 고형분의 중량비가 0.1 내지 0.3인 것을 특징으로 하는 전극배선을 포함하는 터치센서에 관한 것이다.

상기에서 전체 고형분에 대한 유기물 고형분의 중량비는 0.15 내지 0.3인 경우에 더욱 바람직하며, 0.15 내지 0.2인 경우에 더 더욱 바람직하다.

상기와 같은 전극배선을 형성하기 위하여, 금속 나노와이어층 위에 상부 투명 전극층을 성막하는 경우, 금속 나노와이어층에 포함된 유기물 성분이 상부 투명 전극층의 성막을 방해하므로 상부 투명 전극층은 많은 결함을 갖게 된다. 그리고, 상기와 같은 결함은 전극배선을 형성하기 위하여 삼중막을 패터닝하는 경우 상부 투명 전극층의 직선성(Linearity) 저하로 나타나며, 그로 인하여 상부 투명 전극층에 단선 등의 문제를 야기한다. 본 발명자들은 상기와 같은 문제를 인식하고, 그러한 문제를 해소하기 위하여 본 발명을 완성하였다.

즉, 본 발명자들은 상기 금속 나노와이어층에 포함되는 전체 고형분에 대한 유기물 고형분의 중량비를 0.1 내지 0.3으로 조절하는 경우, 상부 투명 전극층의 성막시 금속 나노와이어층에 포함된 유기물에 의한 아웃개스 등의 영향으로 인한 상부 투명 전극층의 결함이 현저하게 감소되는 것을 발견하여 본 발명을 완성하였다.

본 발명에서 금속 나노와이어층에 포함되는 전체 고형분에 대한 유기물 고형분의 중량비가 0.1 미만인 경우 나노와이어의 분산성이 저하되어 AgNW의 응집이 발생하고, 그에 따라 응집발생 부분과 응집되지 않은 부분의 에칭공정 상에 차이가 발생하여 직선성(Linearity)이 저하되며, 0.3를 초과하는 경우에는 아웃개스 등의 영향으로 상부 투명 전극층의 결함이 크게 증가한다.

본 발명에서 전체 고형분과 유기물 고형분의 중량은 TGA(Thermogravimetric Analysis), EDX(Energy Dispersive X-ray Spectrometer) 등을 통하여 측정할 수 있다.

본 발명에서 상기 금속 나노와이어층은 Ag, Cr, Ti, Cu, Au, Ni, Al, Mo, 및 이들의 합금으로부터 선택되는 1 종 이상의 금속으로 이루어진 나노와이어를 포함할 수 있다. 그러나 사용가능한 금속 나노와이어가 이들로 한정되는 것은 아니며, 이 분야에서 공지된 나노와이어들이 제한 없이 사용될 수 있다.

본 발명에서는 특히, Ag 및 Ag 합금 중에서 선택되는 1 종 이상의 금속으로 이루어진 나노와이어를 포함하는 것이 더욱 바람직할 수 있다.

상기 금속 나노와이어층은 금속 나노와이어 조성물을 예를 들어 스핀 코팅 또는 브러쉬 코팅 방식을 통해 도포되는 형태로 코팅 형성될 수 있다. 그러나, 이러한 방법으로 한정되는 것은 아니다.

본 발명에 사용되는 금속 나노와이어 조성물은 특별히 제한되지 않으며, 이 분야에서 공지된 조성물이 제한 없이 사용될 수 있다. 이하에서 상기 금속 나노와이어 조성물에 대하여, 간단히 예를 들어 설명한다.

상기 금속 나노와이어 조성물은 금속 나노 와이어, 유기 바인더, 및 용매를 포함할 수 있다.

상기 유기 바인더로는 예컨대, 하이드록시 프로필 메틸 셀룰로오스(hydroxy propyl methyl cellulose), 하이드록시 프로필 셀룰오오스(hydroxy propylcellulose), 크산탄 검(xanthan gum), 폴리비닐 알코올(polyvinyl alcohol), 카르복시 메틸 셀룰로오스(carboxyl methyl cellulose), 하이드록시 에틸 셀룰로오스(hydroxy ethyl cellulose) 등이 사용될 수 있으나, 이들로 한정되지 않으며, 이 분야에 공지된 유기 바인더가 제한 없이 사용될 수 있다.

상기 용매로는 예컨대, 물 또는 폴리올(polyol) 등이 사용될 수 있으나, 이들로 한정되는 것은 아니다. 상기 폴리올로는 에틸렌글라이콜(EG), 프로필렌글라이콜(PG), 글리세린, 글리세롤, 글루코스 등을 들 수 있다.

상기 금속 나노와이어 조성물에는 계면활성제, 도전재 등 이 분야에서 공지된 물질들이 더 포함될 수 있다.

계면활성제로는 예컨대, 실리콘계 계면활성제 또는 플루오르계 계면활성제를 들 수 있다. 상기 실리콘계 계면 활성제는 비교적 적은 첨가로 높은 습윤 효과 및 레벨링(leveling) 효과를 가져올 수 있다. 또한, 상기 플루오르계 계면활성제는 플루오르 카본 사슬을 소수기로 하는 계면활성제로서 탄화수소계 계면활성제에 비해 조성물의 표면 장력을 현저하게 감소시킬 수 있는 특징이 있으며, 소량의 첨가에 의해 높은 계면활성을 나타낼 수 있다.

본 발명에서 상기 하부 투명 전극층 및 상부 투명 전극층은 각각 독립적으로 ITO, ZTO, IZO, IZTO, GZO, AZO, NbTiO₂, FTO, ATO, BZO 및 이들의 합금으로부터 선택되는 1 종 이상의 금속으로 형성될 수 있다. 특히, 상기 하부 투명 전극층 및 상부 투명 전극층은 ITO로 형성된 것이 바람직하게 사용될 수 있다.

상기 하부 투명 전극층 또는 상부 투명 전극층은 스퍼터링 공정을 통해 증착 형성될 수 있으나, 이 방법으로 한정되는 것은 아니다.

본 발명의 전극배선은 특히, 유연 터치스크린 패널에 유용하게 사용될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.

상기 유연 터치스크린 패널을 형성하는 방법을 간단히 설명하면 다음과 같다.

유연 기판의 상면에 먼저 하부 투명 전극층을 형성한 후, 하부 투명 전극층의 상면에 용액 공정으로 금속 나노와이어 조성물을 코팅시킨 후 건조하여 금속 나노와이어층을 형성한다. 다음으로 금속 나노와이어층이 형성된 투명 유연 기판에 상부 투명 전극층을 형성한다.

상기 유연 기판으로는 예컨대, PET(polyethylene terephthalate), PEN(Polyethylene Naphthalate), PES(polyether sulfone), PC(Polycarbonate), PI(Polyimide) 등이 사용될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.

본 발명은 또한, 상기 하부 투명 전극층, 금속 나노와이어층, 및 상부 투명 전극층이 이 순서로 적층된 전극배선을 포함하는 터치스크린 패널에 관한 것이다. 특히, 상기 터치스크린 패널은 유연 터치스크린 패널인 경우 바람직할 수 있다. 상기 터치스크린 패널은 우수한 감도, 내구성을 제공한다.

본 발명은 또한, 상기 터치스크린 패널을 포함하는 유연 디스플레이에 관한 것이다. 상기 유연 디스플레이는 우수한 감도, 내구성 및 화질을 제공할 수 있다.

이하, 본 발명을 실시예 및 비교예를 이용하여 더욱 상세하게 설명한다. 그러나 하기 실시예는 본 발명을 예시하기 위한 것으로서 본 발명은 하기 실시예에 의해 한정되지 않고 다양하게 수정 및 변경될 수 있다.

실시예 1: 전극배선의 형성

두께 700㎛의 글라스 기판 상에 두께 100Å의 ITO를 성막하고, 유기물 고형분/전체 고형분의 중량비가 0.15(TGA측정)이고, 고형분함량 0.15wt%, AgNW 직경 32±5nm, AgNW 길이 22±5㎛인 약액(최종제품 기준 EDX측정 시 Ag 85 Atom% 이상, C, N, O 15 Atom% 이하기준)을 bar coater를 이용하여 27±1㎛의 두께로 코팅 하였다.

상기 코팅 후 기판을 100 오븐에서 5분간 건조하였다(최종 막두께 약 40nm).

상기 코팅층 상에 두께 100Å의 ITO를 성막하고, 기판을 180 오븐에서 30분 열처리를 하였다.

상기 열처리 후 포토에칭법에 의해 ITO/AgNW/ITO 삼중막을 식각하여 패턴을 형성하였다.

상기 식각은 삼중막을 40의 에천트(MA-SO2)에 20초 동안 침지하고, 55의 박리액(SAM-S19)을 120초 동안 분사한 후, 탈이온수(DI water)로 세정하여, 에어건으로 30초간 건조시키는 방식으로 실시하였다.

실시예 2: 전극배선의 형성

두께 700㎛의 글라스 기판 상에 두께 100Å의 ITO를 성막하고, 유기물 고형분/ 전체 고형분의 중량비가 0.15(TGA측정)이고, 고형분함량 0.15wt%, AgNW 직경 32±5nm, AgNW 길이 22±5㎛인 약액(최종제품 기준 EDX측정 시 Ag 85 Atom%이상, C, N, O 15 Atom% 이하기준)을 bar coater를 이용하여 27±1㎛의 두께로 코팅 하였다(최종 막두께 약 40nm).

상기 코팅 후 기판을 100 오븐에서 5분 건조를 하였다.

상기 코팅층 상에 두께 260Å의 ITO를 성막하고, 기판을 180 오븐에서 30분 열처리를 하였다.

실시예 3: 전극배선의 형성

두께 700㎛의 글라스 기판 상에 두께 260Å의 ITO를 성막하고, 유기물 고형분/전체 고형분의 중량비가 0.3(TGA측정)이고, 고형분함량 0.15wt%, AgNW 직경 32±5nm, AgNW 길이 22±5㎛인 약액(최종제품 기준 EDX측정 시 Ag 65 Atom% 이상, C, N, O 35 Atom% 이하기준)을 bar coater를 이용하여 27±1㎛의 두께로 코팅 하였다.

비교예 1: 전극배선의 형성

두께 700㎛의 글라스 기판 상에 두께 100Å의 ITO를 성막하고, 유기물 고형분/ 전체 고형분의 중량비가 0.5(TGA측정)인 고형분함량 0.15wt%, AgNW 직경 32±5nm, AgNW 길이 22±5㎛인 약액 (최종제품 기준 EDX측정 시 Ag 40 Atom%이하, C, N, O 60 Atom%이상 기준)을 bar coater를 이용하여 코팅한 것을 제외하고 실시예1과 동일하게 진행하여 패턴을 형성하였다.

비교예 2: 전극배선의 형성

두께 700㎛의 글라스 기판 상에 두께 100Å의 ITO를 성막하고, 유기물 고형분/ 전체 고형분의 중량비가 0.05(TGA측정)인 고형분함량 0.15wt%, AgNW 직경 32±5nm, AgNW 길이 22±5㎛인 약액 (최종제품 기준 EDX측정 시 Ag 90 Atom%이상, C, N, O 10Atom%이하 기준)을 bar coater를 이용하여 코팅한 것을 제외하고 실시예1과 동일하게 진행하여 패턴을 형성하였다.

시험예 : 직선성 (Linearity) 평가

상기 실시예 1, 2 및 비교예 1에서 형성된 삼중막 패턴의 에칭라인의 직선성을 현미경으로 관찰하였다.

직선성은 하기 수학식 1로 산출하였다.

[수학식 1]

(CDmax 및 CDmin의 정의는 도 2를 참고할 수 있다.)

<평가 기준>

○: 15% 이하

X: 15% 초과

구분	유기물/고형분(wt%)	상부 ITO 막두께	Linearity(%)	Linearity 평가
실시예 1	유기물/고형분=0.15	100	9.4	○
실시예 2	유기물/고형분=0.15	260	7.4	○
실시예 3	유기물/고형분=0.3	100	14.8	○
비교예 1	유기물/고형분=0.5	100	28.9	X
비교예 2	유기물/고형분=0.05	100	25.7	X

상기 실시예 1과 비교예 1의 삼중막 패턴의 OM(Optical Microscopy) 이미지를 도 1에 나타내었다. 상기 표 1 및 도 1로부터, 유기물/고형분의 중량비가 본 발명의 범위에 포함되는 경우(실시예 1 및 2)는 그 범위를 벗어난 경우(비교예 1)와 비교하여 전극배선 패턴의 직선성(Linearity)이 현저하게 우수한 것을 확인할 수 있다.

Claims

하부 투명 전극층, 금속 나노와이어층, 및 상부 투명 전극층이 이 순서로 적층되고, 하기 수학식 1에 의해 계산된 상기 상부 투명 전극층의 직선성(Linearity)이 15% 이하이며,
상기 금속 나노와이어층에 포함되는 전체 고형분에 대한 유기물 고형분의 중량비가 0.1 내지 0.3인 것을 특징으로 하는 전극배선을 포함하는 터치센서:
[수학식 1]
직선성(Linearity) = (CDmax - CDmin)/(CDmax + CDmin) × 100
(상기 수학식 1에서,
CDmax 및 CDmin는, 각각, 도 2에 도시된 바에 따른 상부 투명 전극층의 최대폭 및 최소폭을 의미한다.)
삭제
청구항 1에 있어서,
상기 금속 나노와이어층은 Ag, Cr, Ti, Cu, Au, Ni, Al, Mo, 및 이들의 합금으로부터 선택되는 1 종 이상의 금속으로 이루어진 나노와이어를 포함하는 것을 특징으로 하는 터치센서.
청구항 3에 있어서,
상기 금속 나노와이어층은 Ag 및 Ag 합금 중에서 선택되는 1 종 이상의 금속으로 이루어진 나노와이어를 포함하는 것을 특징으로 하는 터치센서.
청구항 1에 있어서,
상기 하부 투명 전극층 및 상부 투명 전극층은 각각 독립적으로 ITO, ZTO, IZO, IZTO, GZO, AZO, NbTiO2, FTO, ATO, 및 BZO로 이루어진 군으로부터 선택되는 1 종 이상으로 형성된 것을 특징으로 하는 터치센서.
청구항 5에 있어서,
상기 하부 투명 전극층 및 상부 투명 전극층은 ITO로 형성된 것을 특징으로 하는 터치센서.
청구항 1에 있어서,
상기 전극배선은 PET(polyethylene terephthalate), PEN(Polyethylene Naphthalate), PES(polyether sulfone), PC(Polycarbonate), 및 PI(Polyimide)로 이루어진 군으로부터 선택되는 유연 기판 위에 형성되는 것을 특징으로 하는 터치센서.
청구항 1의 터치센서를 포함하는 유연 디스플레이 장치.