KR102415935B1 - 폴더블 전극 구조체 및 이를 포함하는 폴더블 전자소자 - Google Patents

폴더블 전극 구조체 및 이를 포함하는 폴더블 전자소자 Download PDF

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Abstract

폴더블 전극 구조체가 개시된다. 폴더블 전극 구조체는 금속 나노와이어 네트워크층; 상기 금속 나노와이어 네트워크층 상부에 배치된 제1 고분자 필름; 및 상기 금속 나노와이어 네트워크층 하부에 배치된 제2 고분자 필름을 구비하는 적층 전극 복합체를 포함하고, 상기 적층 전극 복합체가 절반으로 접힌 상태에서 상기 적층 전극 복합체의 중립면이 상기 금속 나노와이어 네트워크층 내부에 위치한다.

Description

폴더블 전극 구조체 및 이를 포함하는 폴더블 전자소자{FOLDABLE ELECTRODE STRUCTURE AND FOLDABLE ELECTRONIC DEVICE HAVING THE ELECTRODE STRUCTURE}
본 발명은 주름 패턴의 형성 없이 뒤틀리고 접힐 수 있는 폴더블 전극 및 이를 포함하는 폴더블 전자소자에 관한 것이다.
플렉시블 및 웨어러블 전자소자를 넘어선 폴더블 전자소자는 차세대 전자소자로서 우리의 일상 생활을 진보시킬 것으로 기대되고 있고, 최근 글로벌 회사들이 폴더블 스마트폰을 출시하고 미래 폴더블 소자에 대한 연구 및 개발 계획을 경쟁적으로 발표하는 등, 폴더블 전자소자에 대한 관심이 증가하고 있다.
지난 수십년 동안, 벤딩, 트위스팅, 스트레칭과 같은 다양한 변형 모드에서 안정한 성능을 갖는 플렉시블 전자소자를 만들려는 연구가 수행되었다. 구체적으로, 벤더블 전자소자에 대한 연구를 시작으로, 복잡한 변형을 견딜 수 있는 스트레처블 전자소자까지 소재 및 소자 구조의 관점에서 다양한 연구가 수행되었고, 폴더블 전자소자는 벤더블 및 스트레처블 전자소자 다음을 보장하는 기술로서 많은 관심을 받고 있다. 폴더블 전자소자는 효과적인 공간 사용 때문에 저장 및 운반성의 측면에서 많은 장점을 가지고 있다.
한편, 다양한 폴더블 전자소자에서, 주름 패턴의 형성 없이 뒤틀리고 접힐 수 있는 폴더블 전극의 개발이 요구된다. 폴딩은 일반적으로 3mm 이내의 곡률 반경으로 굽혀지는 것을 나타내고, 다양한 폴더블 전극은 다양한 전극 물질과 함께 폴리머, 모직, 페이퍼 기판에 기초하여 개발되어 왔다. 그러나 이러한 전극들은 낮은 수준의 접힘성, 전극 물질에 인가되는 높은 스트레인을 야기하는 구조적 디자인, 기판에 대한 나노물질의 접착 불량성, 기계적/열적 미스매치로 인한 물질 계면의 박리 등의 문제점을 갖고 있기 때문에, 높은 공간 효율성을 위해 10μm 이하의 극도로 작은 곡률반경에서 반복적인 뒤틀림 및 폴딩에도 초박막 및 전기적 안정성의 특성을 요구하는 폴더블 전자소자에는 적용될 수 없다.
본 발명의 일 목적은 전도성 경로를 형성하는 금속 나노와이어 네트워크층을 복합체 필름의 중립면에 위치시킴으로써 반복적인 폴딩이나 뒤틀림에도 우수한 전기적 특성을 유지할 수 있고, 우수한 기계적 특성을 갖는 폴더블 전극 구조체를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 상기 폴더블 전극 구조체를 구비하는 폴더블 전자소자를 제공하는 것이다.
본 발명의 실시예에 따른 폴더블 전극 구조체는 금속 나노와이어 네트워크층; 상기 금속 나노와이어 네트워크층 상부에 배치된 제1 고분자 필름; 및 상기 금속 나노와이어 네트워크층 하부에 배치된 제2 고분자 필름을 구비하는 적층 전극 복합체를 포함하고, 상기 적층 전극 복합체가 절반으로 접힌 상태에서 상기 적층 전극 복합체의 중립면이 상기 금속 나노와이어 네트워크층 내부에 위치한다.
일 실시예에 있어서, 상기 금속 나노와이어 네트워크층은 실버(Ag), 구리(Cu), 금(Au), 백금(Pt), 니켈(Ni), 철(Fe), 알루미늄(Al) 등의 나노와이어 또는 탄소나노튜브(CNT)로 형성될 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 금속 나노와이어들 사이의 접합 부위는 용접될 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 제1 및 제2 고분자 필름 각각은 폴리에틸렌테레프탈레이트(polyethylene terephthalate, PET), 폴리이미드(Polyimide, PI), 폴리에틸렌 설폰(PES), 폴리에틸렌 나프탈레이트(PEN), 폴리카보네이트(PC), 폴리에스터(PE) 등으로부터 선택된 하나로 형성될 수 있다. 상기 제1 및 제2 고분자 필름은 동일한 두께를 가질 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 적층 전극 복합체가 절반으로 접힌 상태에서, 상기 적층 전극 복합체의 중립면과 상기 금속 나노와이어 네트워크층의 중심면 사이의 거리는 상기 금속 나노와이어 네트워크층의 두께의 절반보다 작을 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 폴더블 전극 구조체는 상기 제1 고분자 필름 상에 부착되고 기 설정된 제1 굽힘 패턴이 형성된 제1 패턴층; 및 상기 제2 고분자 필름 하부에 부착되고 기 설정된 제2 굽힘 패턴이 형성된 제2 패턴층을 더 포함할 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 제1 및 제2 패턴층 각각은 종이, 모직 또는 고분자 재료로 형성될 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 폴더블 전극 구조체는 상기 제1 고분자 필름 상에 부착되고 탄성 중합체로 형성된 제1 엘라스토머층; 및 상기 제2 고분자 필름 하부에 부착되고 탄성 중합체로 형성된 제2 엘라스토머층을 더 포함할 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 제1 및 제2 엘라스토머층 각각은 서로 독립적으로 폴리디메틸실록산(Polydimethylsiloxane, PDMS), 합성 폴리이소프렌(IR for isoprene rubber), 폴리부타디엔(BR for butadiene rubber), 클로로프렌 고무(Chloroprene rubber, CR), 폴리클로로프렌(polychloroprene), 네오프렌(Neoprene), 부틸고무(copolymer of isobutylene and isoprene), 할로겐화 부틸 고무(Halogenated butyl rubbers), 스티렌부타디엔 고무(copolymer of styrene and butadiene), 니트릴고무(copolymer of butadiene and acrylonitrile), 에틸렌프로필렌 고무(a copolymer of ethylene and propylene), 에틸렌프로필렌디엔 고무(a terpolymer of ethylene, propylene and a diene-component), 에피클로로하이드린 고무(Epichlorohydrin rubber), 폴리아크릴 고무(Polyacrylic rubber), 실리콘 고무(Silicone rubber), 플루오로실리콘 고무(Fluorosilicone Rubber), 플루오로엘라스토머(Fluoroelastomers), 퍼플루오로엘라스토머(Perfluoroelastomers), 폴리에테르블록아마이드(Polyether block amides), 클로로술포네이트 폴리에틸렌(Chlorosulfonated polyethylene) 및 에틸렌비닐아세테이트(Ethylene-vinyl acetate)로 이루어진 그룹으로부터 선택된 어느 하나의 재료로 형성될 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 폴더블 전극 구조체가 폴딩된 경우, 상기 제1 및 제2 엘라스토머층에 의해 상기 제1 및 제2 고분자 필름에 인가되는 최대 변형률이 상기 제1 및 제2 고분자 필름의 탄성 변형 영역 내에 있을 수 있다.
앞에서 설명한 폴더블 전극 구조체는 폴더블 전자 소자에 적용될 수 있다.
본 발명의 폴더블 전극 구조체에 따르면, 제1 및 제2 고분자 필름 및 이들 사이에 배치된 금속 나노와이어 네트워크층을 구비하고 폴딩이 되더라도 중립면이 상기 금속 나노와이어 네트워크층 내부에 존재하도록 설계된 적층 전극 복합체를 포함하므로, 반복적인 폴딩 또는 뒤틀림에도 전기적 특성이 일정하게 유지될 수 있고, 우수한 기계적 특성을 가질 수 있다. 이러한 폴더블 전극 구조체는 모든 폴더블 전자 소자, 예를 들면, 폴더블 디스플레이, 소프트 로보틱스 등에 적용될 수 있다.
도 1a 및 도 1b는 각각 본 발명의 일 실시예에 따른 폴더블 전극 구조체의 언폴딩 및 폴딩 조건에서의 단면도들이다.
도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 폴더블 전극 구조체를 설명하기 위한 단면도이다.
도 3a는 본 발명의 적층 전극 복합체의 제조공정을 설명하기 위한 도면이고, 도 3b는 제조된 적층 전극 복합체의 단면 SEM 이미지들 및 AgNW 네트워크층의 SEM이고, 도 3c는 거미줄 상에 배치된 적층 전극 복합체 및 바늘에 감겨진 적층 전극 복합체의 이미지들이다.
도 4a는 적층 전극 복합체(PET/AgNWs/PET)를 굽힐 때 발생하는 중립축 이동 현상을 설명하기 위한 도면이고, 도 4b는 ‘PET(1.5μm)/AgNW(400μm)/PET(1.5μm)’구조의 제1 적층 전극 복합체(좌측) 및 ‘PET(60μm)/AgNW(400μm)/PET(60μm)’구조의 제2 적층 전극 복합체(우측)를 완전히 절반으로 폴딩한 조건(R/t=1)에서 획득된 단면 SEM 이미지들이며, 도 4c 내지 도 4e는 PET 필름의 두께, AgNW의 양, AgNW 네트워크층의 선폭을 다르게 한 조건에서 벤딩 반경에 따른 저항변화를 각각 측정한 결과를 나타내는 그래프들이고, 도 4f 및 도 4g는 ‘PET(1.5μm)/AgNW(400μm)/PET(1.5μm)’구조의 제1 적층 전극 복합체에 대해 측정된 벤딩 반경에 따른 저항변화 및 인가 압력에 따른 저항 변화를 각각 측정한 그래프들이다.
도 5a는 소재에 따른 주름 패턴 형성을 설명하기 위한 도면이고, 도 5b는 엘라스토머의 영률 및 두께에 따른 폴더블 전극 구조체의 중립면과 AgNW 네트워크층의 중심선 사이의 거리(X) 및 PET 필름 최대 스트레인(
Figure 112020020611455-pat00001
)의 최적화를 설명하기 위한 도면이고, 도 5c는 다른 엘라스토머 소재를 적용한 폴더블 전극 구조체에 측정된 폴딩 회수에 따른 저항 변화를 나타내는 그래프이고, 도 5d는 “네트워크층/PET”구조의 적층 전극 복합체(e, f) 및 “네트워크층/PET/Elastomer”구조의 폴더블 전극 구조체(g, h)에 대해 구김 전, 후의 사진들이다.
도 6a는 “PET(1.5μm)/AgNW네트워크층(400nm)/PET(1.5μm)”적층 전극 복합체를 제조하기 위한 열압착 공정의 공정 조건(온도, 압력)에 따른 AgNW 네트워크의 SEM 이미지들이고, 도 6b는 열압착 공정의 공정 온도에 따라 측정된 AgNW 네트워크층의 면저항을 나타내는 그래프이다.
도 7a는 “PET(1.5μm)/AgNW네트워크층(400nm)/PET(1.5μm)”구조를 갖는 오메가 형상의 적층 전극 복합체에 대해 측정된 내구성 테트의 결과를 나타내는 그래프이고, 도 7b는 내구성 테스트에 적용된 적층 전극 구조체의 형상을 나타내는 도면이다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 대해 상세히 설명한다. 본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 본문에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명을 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다.
본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로서 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, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
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 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
도 1a 및 도 1b는 각각 본 발명의 일 실시예에 따른 폴더블 전극 구조체의 언폴딩 및 폴딩 조건에서의 단면도들이다. 도 1a 및 도 1b에서 빨강색 점선은 적층 전극 복합체의 중립면(neutral surface)을 나타내고, 본 명세서에 있어서, 상기 적층 전극 복합체의 중립면(neutral surface)은 상기 적층 전극 복합체가 변형된 경우에도 응력이 존재하지 않아서 변형이 일어나지 않는 내부면을 의미한다.
도 1a 및 도 1b를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 폴더블 전극 구조체(1000)는 금속 나노와이어 네트워크층(1110), 제1 고분자 필름(1120) 및 제2 고분자 필름(1130)을 구비하는 적층 전극 복합체(1100)를 포함한다.
상기 금속 나노와이어 네트워크층(1110)은 전기 전도성을 갖는 금속의 나노와이어들이 서로 용접되어 형성될 수 있다. 예를 들면, 상기 금속 나노와이어 네트워크층(1110)은 실버(Ag), 구리(Cu), 금(Au), 백금(Pt), 니켈(Ni), 철(Fe), 알루미늄(Al) 등의 전도성 금속의 나노와이어나, 탄소나노튜브(CNT) 등의 전도성 소재로 형성될 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 금속 나노와이어 네트워크층(1110)은 상기 금속 나노와이어들이 서로 중첩되어 일정한 두께를 갖는 구조를 가질 수 있고, 금속 나노와이어들 사이의 접합 부위는 열압착 공정을 통해 용접될 수 있다. 일 실시예로, 상기 금속 나노와이어 네트워크층(1110)은 약 200 내지 1000 nm의 두께로 형성될 수 있다.
상기 제1 고분자 필름(1120) 및 상기 제2 고분자 필름(1130)은 상기 금속 나노와이어 네트워크층(1110)을 사이에 두고 서로 마주보도록 배치되고 열압착 공정을 통해 서로 결합될 수 있다. 상기 제1 및 제2 고분자 필름(120, 310)은 각각 열가소성 고분자 재료로 형성될 수 있다. 예를 들면, 상기 제1 및 제2 고분자 필름(120, 310)은 서로 동일한 고분자 재료로 형성될 수도 있고, 서로 다른 고분자 재료로 형성될 수도 있다. 일 실시예에 있어서, 상기 제1 및 제2 고분자 필름(120, 310) 각각은 폴리에틸렌테레프탈레이트(polyethylene terephthalate, PET), 폴리이미드(Polyimide, PI), 폴리에틸렌 설폰(PES), 폴리에틸렌 나프탈레이트(PEN), 폴리카보네이트(PC), 폴리에스터(PE) 등의 투명 열가소성 고분자 재료로 형성될 수 있다.
상기 금속 나노와이어 네트워크층(1110)과 상기 제1 및 제2 고분자 필름(120, 130)으로 이루어진 상기 적층 전극 복합체(1100)에 있어서, 폴딩(folding) 및 언폴딩(unfolding) 조건 모두에서 상기 적층 전극 복합체(1100)의 중립면(neutral surface)이 상기 금속 나노와이어 네트워크층(1110) 내부에 위치하도록, 상기 제1 고분자 필름(1120) 및 상기 제2 고분자 필름(1130)의 재료 및 두께가 결정될 수 있다.
이와 같이 폴딩(folding) 및 언폴딩(unfolding) 조건 모두에서 상기 적층 전극 복합체(1100)의 중립면(neutral surface)이 상기 금속 나노와이어 네트워크층(1110) 내부에 위치하는 경우, 상기 폴더블 전극 구조체(100)의 반복적인 폴딩 및 언폴딩에도 불구하고 상기 금속 나노와이어 네트워크층(1110)에서 발생되는 스트레인 양이 최소화되어 상기 폴더블 전극 구조체(100)의 전기적 안정성 및 기계적 안정성을 향상시킬 수 있다.
일 실시예에 있어서, 언폴딩 조건에서 상기 적층 전극 복합체(1100)의 중립면이 상기 금속 나노와이어 네트워크층(1110)의 중심면과 일치하도록, 상기 제1 및 제2 고분자 필름(120, 130)은 서로 동일한 고분자 재료로 형성되고 서로 동일한 두께를 가질 수 있다. 이 경우, 상기 적층 전극 복합체(1100)가 위로 볼록하게 벤딩 또는 폴딩되는 경우, 상부에 위치한 제1 고분자 필름(1120)에는 인장 스트레인이 작용하여 그 두께가 얇아지고, 하부에 위치한 제2 고분자 필름(1130)에는 압축 스트레인 작용하여 그 두께가 두꺼워져서, 상기 적층 전극 복합체(1100)의 중립면은 응력 밸런스를 유지하기 위해 상기 제2 고분자 필름(1130) 방향으로 이동하게 되고, 그 결과 상기 적층 전극 복합체(1100)의 중립면은 상기 금속 나노와이어 네트워크층(1110)의 중심면과 이격되게 된다.
상기와 같이 벤딩 또는 폴딩에 의해 상기 적층 전극 복합체(1100)의 중립면이 이동하는 경우에도, 상기 금속 나노와이어 네트워크층(1110)에 작용하는 스트레인의 양을 최소화하기 위해서는 상기 적층 전극 복합체(1100)의 중립면이 상기 금속 나노와이어 네트워크층(1110) 내부에서만 이동될 수 있도록, 본 발명의 폴더블 전극 구조체(1000)에서는 상기 제1 및 제2 고분자 필름(120, 130)의 재료 및 두께를 결정한다.
일 실시예에 있어서, 상기 적층 전극 복합체(1100)의 곡률 반경이 상기 적층 전극 복합체(1100) 전체 두께의 절반과 동일해 지도록 폴딩된 조건에서, 상기 적층 전극 복합체(1100)의 중립면이 상기 금속 나노와이어 네트워크층(1110) 내부에 위치하도록, 상기 적층 전극 복합체(1100)의 중립면과 상기 금속 나노와이어 네트워크층(1110)의 중심면 사이의 거리는 상기 금속 나노와이어 네트워크층(1110)의 두께의 절반보다 작을 수 있다.
일반적으로 고분자 필름의 벤딩 스트레인은 하기 수식 1과 같이 표현될 수 있고, 벤딩 스트레인과 상기 고분자 필름의 두께 사이에는 하기 수식 2의 관계가 수립될 수 있으며, 수식 1 및 2를 이용하면 벤딩 후의 상기 고분자 필름의 두께는 수식 3으로 표현될 수 있다.
[수식 1]
Figure 112020020611455-pat00002
[수식 2]
Figure 112020020611455-pat00003
[수식 3]
Figure 112020020611455-pat00004
수식 1 내지 3에서,
Figure 112020020611455-pat00005
및
Figure 112020020611455-pat00006
는 고분자 필름의 길이방향 변형률 및 횡방향 변형률을 각각 나타내고, y, R, h, h0 및 ν는 고분자 필름의 하부면으로부터 중립면까지의 거리, 고분자 필름의 곡률반경, 벤딩 후의 고분자 필름의 두께, 벤딩 전의 초기 고분자 필름의 두께 및 고분자 필름의 포아송비를 각각 나타낸다.
한편, 동일한 폭을 가진 n개의 층으로 이루어진 다층 복합체 필름에 있어서, i번째 층의 유효 탄성 계수(
Figure 112020020611455-pat00007
), 복합체 필름의 바닥으로부터 i번째 층까지의 높이(
Figure 112020020611455-pat00008
) 및 복합체 필름의 바닥으로부터 중립면까지 거리(
Figure 112020020611455-pat00009
)는 하기 수식 4, 수식 5 및 수식 6으로 각각 표현될 수 있다.
[수식 4]
Figure 112020020611455-pat00010
[수식 5]
Figure 112020020611455-pat00011
[수식 6]
Figure 112020020611455-pat00012
수식 4 내지 6에 있어서, li, wi, hi, Ei 및 νi는 i번째 층의 길이, 폭, 두께, 탄성 계수 및 포아송 비를 각각 나타낸다.
본 발명에 있어서, 상기 적층 전극 복합체(1100)의 곡률 반경이 상기 적층 전극 복합체(1100) 전체 두께의 절반과 동일해 지도록 위로 볼록하게 절반으로 완전히 폴딩된 경우, 상기 적층 전극 복합체(1100)의 중립면이 상기 금속 나노와이어 네트워크층(1110) 내부에서만 이동되므로 상기 금속 나노와이어 네트워크층(1110)의 두께는 폴딩 전 및 후에 일정하게 유지될 수 있는 반면, 감소된 상기 제1 고분자 필름(1120)의 두께 및 증가된 상기 제2 고분자 필름(1130)의 두께는 상기 수식 3에 의해 산출될 수 있고, 폴딩에 의해 이동된 상기 적층 전극 복합체(1100)의 중립면의 위치는 상기 수식 4 내지 6을 통해 산출될 수 있다. 폴딩에 의해 변형된 제1 및 제2 고분자 필름(1120, 1130)의 두께가 산출되는 경우, 상기 금속 나노와이어 네트워크층(1110)의 두께는 변화가 없으므로 상기 적층 전극 복합체(1100)의 박닥으로부터 상기 금속 나노와이어 네트워크층(1110)의 중심면까지의 거리가 결정될 수 있고, 그 결과 상기 금속 나노와이어 네트워크층(1110)의 중심면과 상기 적층 전극 복합체(1100)의 중립면 사이의 거리를 산출할 수 있다. 본 발명에서는 상기 금속 나노와이어 네트워크층(1110)의 중심면과 상기 적층 전극 복합체(1100)의 중립면 사이의 거리가 상기 금속 나노와이어 네트워크층(1110) 두께의 절반보다 작거나 같도록 상기 제1 및 제2 고분자 필름(1120, 1130)의 재료 및 두께를 설정할 수 있다.
한편, 도면에 도시되어 있지 않지만, 상기 폴더블 전극 구조체(1000)는 상기 제1 고분자 필름(1120) 상에 부착된 제1 패턴층(미도시) 및 상기 제2 고분자 필름(1130) 하부에 부착된 제2 패턴층(미도시)을 더 포함할 수 있다.
상기 제1 및 제2 패턴층은 본 발명의 폴더블 전극 구조체의 폴딩 라인에 대응되는 기 설정된 굽힘 패턴을 구비할 수 있다. 상기 폴딩 라인을 따라 형성되는 상기 굽힘 패턴은 레이저를 이용하여 일부를 제거함으로써 형성될 수 있다. 이러한 상기 제1 및 제2 패턴층은 반복적인 폴딩 및 뒤틀림에도 본 발명의 폴더블 전극 구조체의 기계적 안정성을 향상시킬 수 있고, 이러한 목적을 달성할 수 있고 폴더블하다면 상기 제1 및 제2 패턴층의 재료는 특별히 제한되지 않는다. 예를 들면, 상기 제1 및 제2 패턴층 각각은 종이, 모직, 고분자 재료 등으로부터 선택된 어느 하나의 재료로 형성될 수 있다.
도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 폴더블 전극 구조체를 설명하기 위한 단면도이다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 다른 실시예에 따른 폴더블 전극 구조체(2000)는 적층 전극 복합체(2100), 제1 엘라스토머층(2200) 및 제2 엘라스토머층(2300)을 포함하고, 상기 적층 전극 복합체(2100)는 금속 나노와이어 네트워크층(2110), 제1 고분자 필름(2120) 및 제2 고분자 필름(2130)을 포함한다.
상기 금속 나노와이어 네트워크층(2110), 제1 고분자 필름(2120) 및 제2 고분자 필름(2130)을 포함하는 적층 전극 복합체(2100)는 도 1a 및 도 1b를 참조하여 설명한 적층 전극 복합체(1100)와 실질적으로 동일하므로 이에 대해서는 상세한 설명을 생략한다.
상기 제1 및 제2 엘라스토머층(2200, 2300)은 상기 적층 전극 복합체(2100)의 상부면 및 하부면에 각각 부착될 수 있다. 상기 제1 및 제2 엘라스토머층(2200, 2300)은 낮은 영률(Young's Modulus) 및 높은 파괴 변위(failure strain)를 가진 탄성중합체로 형성될 수 있다. 예를 들면, 상기 제1 및 제2 엘라스토머층(2200, 2300) 각각은 서로 독립적으로 폴리디메틸실록산(Polydimethylsiloxane, PDMS), 합성 폴리이소프렌(IR for isoprene rubber), 폴리부타디엔(BR for butadiene rubber), 클로로프렌 고무(Chloroprene rubber, CR), 폴리클로로프렌(polychloroprene), 네오프렌(Neoprene), 부틸고무(copolymer of isobutylene and isoprene), 할로겐화 부틸 고무(Halogenated butyl rubbers), 스티렌부타디엔 고무(copolymer of styrene and butadiene), 니트릴고무(copolymer of butadiene and acrylonitrile), 에틸렌프로필렌 고무(a copolymer of ethylene and propylene), 에틸렌프로필렌디엔 고무(a terpolymer of ethylene, propylene and a diene-component), 에피클로로하이드린 고무(Epichlorohydrin rubber), 폴리아크릴 고무(Polyacrylic rubber), 실리콘 고무(Silicone rubber), 플루오로실리콘 고무(Fluorosilicone Rubber), 플루오로엘라스토머(Fluoroelastomers), 퍼플루오로엘라스토머(Perfluoroelastomers), 폴리에테르블록아마이드(Polyether block amides), 클로로술포네이트 폴리에틸렌(Chlorosulfonated polyethylene), 에틸렌비닐아세테이트(Ethylene-vinyl acetate) 등으로부터 선택된 어느 하나의 재료로 형성될 수 있다.
일반적으로 복합체 필름 전극이 폴더블 디스플레이에 적용되는 경우, 반복적인 폴딩 및 언폴딩에 의해 상기 복합체 필름 전극에 주름 패턴이 생성되면 이러한 주름 패턴은 표시 화면에 시인되므로 폴더블 디스플레이의 표시 품질을 저하시키는 문제점을 야기한다. 이러한 문제점을 해결하기 위해서는 반복적인 폴딩 및 언폴딩에도 주름이 형성되지 않는 전극 구조체의 개발이 요구된다.
본 발명에서는 상기 적층 전극 복합체(2100)의 양측에 상기 제1 및 제2 엘라스토머층(2200, 2300)을 형성함으로서, 본 발명의 폴더블 전극 구조체(2000)에 반복적인 폴딩 또는 뒤틀림에 의해 주름 패턴이 형성되는 것을 방지할 수 있다.
일 실시예로, 상기 제1 및 제2 엘라스토머층(2200, 2300)을 구비하는 폴더블 전극 구조체(2000)가 폴딩 또는 뒤틀린 경우에, 상기 제1 및 제2 고분자 필름(2120, 2130)에 인가되는 최대 변형률이 상기 제1 및 제2 고분자 필름(2120, 2130)의 탄성 변형 영역 내에 있도록 상기 제1 및 제2 엘라스토머층(2200, 2300)의 두께가 결정될 수 한다. 예를 들면, 상기 제1 및 제2 엘라스토머층(2200, 2300)이 폴리디메틸실록산(PDMS) 또는 실리콘 고무 등으로 형성된 경우, 상기 제1 및 제2 엘라스토머층(2200, 2300)의 두께는 약 75 내지 125 ㎛의 두께로 형성될 수 있다.
일 실실예에 있어서, 상기 제1 및 제2 엘라스토머층(2200, 2300)이 PDMS로 형성된 경우, 대응되는 고분자 필름과 엘라스토머층은 산소 플라즈마 처리 후 접착층을 통해 서로 결합될 수 있다. 이 때, 상기 접착층으로는 서로 접착된 크롬 박막 및 실리콘산화물 박막이 사용될 수 있다. 상기 크롬 박막은 상기 고분자 필름과 접착하고, 상기 실리콘산화물 박막은 상기 엘라스토머층과 접착될 수 있다.
일 실실예에 있어서, 상기 제1 및 제2 엘라스토머층(2200, 2300)이 Ecoflex로 형성된 경우, 대응되는 고분자 필름과 엘라스토머층은 산소 플라즈마 처리 후 상기 고분자 필름을 (3-Aminopropyl) triethoxysilane으로 약 2 내지 10분동안 처리하고, 상기 Ecoflex를 UV-오존 경화 시스템을 이용하여 약 1 내지 5분 동안 자외선-오존(UV-Ozone) 처리한 후 이들을 기계적으로 결합시킬 수 있다.
본 발명의 폴더블 전극 구조체에 따르면, 제1 및 제2 고분자 필름 및 이들 사이에 배치된 금속 나노와이어 네트워크층을 구비하고 폴딩이 되더라도 중립면이 상기 금속 나노와이어 네트워크층 내부에 존재하도록 설계된 적층 전극 복합체를 포함하므로, 반복적인 폴딩 또는 뒤틀림에도 전기적 특성이 일정하게 유지될 수 있고, 우수한 기계적 특성을 가질 수 있다. 이러한 폴더블 전극 구조체는 모든 폴더블 전자 소자, 예를 들면, 폴더블 디스플레이, 소프트 로보틱스 등에 적용될 수 있다.
이하 본 발명의 다양한 실시예와 비교예 그리고 이들의 특성 분석 결과를 설명한다. 다만, 본 발명의 범위가 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다.
도 3a는 본 발명의 적층 전극 복합체의 제조공정을 설명하기 위한 도면이고, 도 3b는 제조된 적층 전극 복합체의 단면 SEM 이미지들 및 AgNW 네트워크층의 SEM이고, 도 3c는 거미줄 상에 배치된 적층 전극 복합체 및 바늘에 감겨진 적층 전극 복합체의 이미지들이다.
도 3a를 참조하면, 상기 적층 전극 복합체는 스트엔레스 스틸 플레이트 상에 테플론 필름 및 PET 필름을 순차적으로 적층시키는 단계, 상기 PET 필름 상에 AgNW를 전사하여 AgNW 네트워크층을 형성하는 단계, 상기 AgNW 네트워크층을 포토리소그라피 공정을 통해 패터닝하는 단계, 패터닝된 상기 AgNW 네트워크층 상부에 다른 ‘필름/테플론 필름/스테인레스 스틸 플레이트’적층체를 배치시키는 단계, Ag의 융점보다 낮은 온도에서 일정시간 동안 수행되는 열압착 공정을 통해 상부 PET 필름과 하부 PET 필름을 결합시키는 단계를 통해 제조된다. 이 때, 상기 열압착 공정은 180℃ 내지 200℃의 온도 조건 및 5 내지 15MPa의 압력 조건 하에서 수행되었다.
도 3b를 참조하면, 열압착 공정을 통해 PET 필름들이 완전히 결합되었고, 이들 사이에 샌드위치된 AgNW들의 접합부가 용접되어 잘 접합되었음을 확인할 수 있다. 이와 같이 AgNW들의 접합부가 용접되는 경우, 접촉 저항이 감소되고 더 많은 스트레인을 견딜 수 있는 네트워크가 형성될 수 있다.
도 3c를 참조하면, 적층 전극 복합체는 거미줄 상에 배치될 수 있을 정도로 매우 경량이면서 얇고 투명함을 알 수 있다. 그리고 직경이 약 1.3mm인 바늘에 감겨진 적층 전극 복합체를 나타내는 이미지로서, 적층 전극 복합체의 매우 얇은 두께(~3μm)로 인해 직경이 약 1.3mm인 바늘에 감긴 경우에도 컨포멀 접촉을 가능함을 확인할 수 있다.
도 4a는 적층 전극 복합체(PET/AgNWs/PET)를 굽힐 때 발생하는 중립축 이동 현상을 설명하기 위한 도면이고, 도 4b는 ‘PET(1.5μm)/AgNW(400μm)/PET(1.5μm)’구조의 제1 적층 전극 복합체(좌측) 및 ‘PET(60μm)/AgNW(400μm)/PET(60μm)’구조의 제2 적층 전극 복합체(우측)를 완전히 절반으로 폴딩한 조건(R/t=1)에서 획득된 단면 SEM 이미지들이며, 도 4c 내지 도 4e는 PET 필름의 두께, AgNW의 양, AgNW 네트워크층의 선폭을 다르게 한 조건에서 벤딩 반경에 따른 저항변화를 각각 측정한 결과를 나타내는 그래프들이고, 도 4f 및 도 4g는 ‘PET(1.5μm)/AgNW(400μm)/PET(1.5μm)’구조의 제1 적층 전극 복합체에 대해 측정된 벤딩 반경에 따른 저항변화 및 인가 압력에 따른 저항 변화를 각각 측정한 그래프들이다. 그리고 표 1은 PET 필름의 두께 및 폴딩 정도에 따라 산출된 적층 전극 복합체의 중립축과 AgNW 네트워크의 중심선 사이의 거리(X)를 나타낸다.
PET 필름의 두께
[㎛]		 “네트워크층(400nm)/PET”적층 전극 복합체
적층 전극 복합체의 중립축과 AgNW 네트워크층의 중심선 사이의 거리(X)
R/t=1 R/t=5 R/t=10 R/t=20 R/t=30
1.5 67 nm 13.4 nm 6.7 nm 0.34 nm 0.13 nm
25 5.41 ㎛ 1.08 ㎛ 0.541 ㎛ 27.1 nm 10.8 nm
50 12.6 ㎛ 2.51 ㎛ 1.26 ㎛ 62.8 nm 25.1 nm
100 27.3 ㎛ 5.47 ㎛ 2.73 ㎛ 137 nm 54.1 nm
도 4a를 참조하면, 언폴딩 조건에서의 편평한 적층 전극 복합체 중립축은 AgNW 네트워크층의 중심선과 동일한 위치에 있다. 그리고 적층 전극 복합체가 특정 곡률반경(R)으로 위로 볼록하게 굽혀질 때, 인장 스트레인으로 인해 상부 PET 필름의 두께는 감소하고, 압축 스트레인으로 인해 하부 PET 필름의 두께는 증가된다. 그리고 이러한 상부 및 하부 PET 필름들의 두께 변화로 인해 적층 전극 복합체의 중립축은 응력 밸런스를 유지하기 위해 하부 PET 필름 방향으로 이동한다. 이 경우, 도 4a의 ‘i’및 ‘ⅱ’에 도시된 바와 같이, 이동된 적층 전극 복합체의 중립축이 AgNW 네트워크층 내부에 존재하는 경우('i') 및 AgNW 네트워크층을 벗어나 하부 PET 필름 내부에 존재하는 경우(‘ⅱ’)가 발생될 수 있다.
벤딩에 의해 이동된 적층 전극 복합체의 중립축이 AgNW 네트워크층 내부에 존재하는 경우('i'), 중립축 위의 AgNW 네트워크층 부분에서의 인장 스트레인 및 중립축 하부의 AgNW 네트워크층 부분에서의 압축 스트레인에 의해, AgNW 네트워크층 전체로는 스트레인이 거의 발생하지 않아서 그 두께가 일정하게 유지될 수 있다.
이에 반해, 벤딩에 의해 이동된 적층 전극 복합체의 중립축이 하부 PET 필름 내부에 존재하는 경우(‘ⅱ’), AgNW 네트워크층 전체에서 인장 스트레인이 증가하여 AgNW 네트워크층의 두께가 감소된다. 이 경우, 인장 스트레인에 의해 AgNW 네트워크가 단절되어, 상기 적층 전극 복합체의 전기적 저항이 증가한다.
따라서, 굽히거나 접혔을 때에도 적층 전극 복합체의 전기적 저항을 일정하게 유지하기 위해서는 적층 전극 복합체가 완전히 절반으로 접히는 최대의 폴딩 조건(R/t=1, R은 적층 전극 복합체의 곡률 반경을 나타내고, t는 적층 전극 복합체 전체 두께의 절반을 나타냄)에서 이동된 적층 전극 복합체의 중립축이 AgNW 네트워크층 내부에 존재하여야 하고, 이를 위해서는 최대 폴딩 조건(R/t=1)에서 이동된 중립축과 AgNW 네트워크층의 중심선 사이의 거리(X)가 AgNW 네트워크층 전체 두께의 절반(b)보다 작아야 한다.
도 4b를 참조하면, 제1 적층 전극 복합체가 완전히 절반으로 접히도록 폴딩된 경우, 상부 PET 필름의 두께는 약 1μm까지 감소됨에 반해, 하부 PET 필름의 두께는 약 2μm로 증가됨을 확인할 수 있다. 그리고 접혀진 상태에서 계산된 제1 적층 전극 복합체의 중립축과 AgNW 네트워크층의 중심선 사이의 거리(X)는 약 67nm이고, 이는 AgNW층의 두께의 절반(b=200nm)보다 작다. 그 결과 제1 적층 전극 복합체가 완전히 절반으로 접히도록 폴딩된 경우, 제1 적층 전극 복합체의 이동된 중립축은 여전히 AgNW 네트워크층 내부에 존재한다.
이에 반해, 제2 적층 전극 복합체가 완전히 절반으로 접히도록 폴딩된 경우, 상부 PET 필름의 두께는 약 43μm까지 감소됨에 반해, 하부 PET 필름의 두께는 약 87μm로 증가됨을 확인할 수 있다. 그리고 접혀진 상태에서 계산된 제2 적층 전극 복합체의 중립축과 AgNW 네트워크층의 중심선 사이의 거리(X)는 약 19.1㎛이고, 이는 AgNW층의 두께의 절반(b=200nm)보다 크다.
도 4c 및 표 1을 참조하면, 100μm, 50μm 및 25μm 두께의 PET 필름을 갖는 적층 전극 복합체들을 완전히 절반(R/t=1의 조건)으로 100번 폴딩한 후 측정된 저항(R)은 초기 저항(R0)보다 약 60배, 약 8.5배 및 약 3.5배 각각 증가한 340.1Ω, 51Ω 및 20Ω이었다. 이에 반해, 1.5μm 두께의 PET 필름을 갖는 적층 전극 복합체를 100번의 폴딩한 후에 측정된 저항(R)은 초기 저항(R0)과 거의 변화가 없었다.
이러한 결과는 25, 50, 100μm 두께의 PET 필름이 적용된 적층 전극 복합체들의 경우, R/t=1까지 폴딩된 조건에서 이동된 적층 전극 복합체의 중립축과 AgNW 네트워크층의 중심선 사이의 거리(5.41μm, 12.6μm, 27.3μm)가 AgNW 네트워크층 두께의 절반인 200nm보다 더 크고, 1.5μm 두께의 PET 필름이 적용된 적층 전극 복합체의 경우, R/t=1까지 폴딩된 조건에서 이동된 적층 전극 복합체의 중립축과 AgNW 네트워크층의 중심선 사이의 거리(67nm)가 AgNW 네트워크층 두께의 절반인 200nm보다 작기 때문이다.
도 4d를 참조하면, 농도가 475 mg/m2인 AgNW 용액을 20μL, 100μL, 300μL 및 500μL를 전사하여 형성된 AgNW 네트워크층들을 각각 구비하는 “PET(1.5μm)/AgNW 네트워크층/PET(1.5μm)”구조의 적층 전극 복합체들에 있어서, 완전히 절반으로 접히도록 100번의 폴딩 후 100μL, 300μL 및 500μL를 전사하여 형성된 AgNW 네트워크층들을 각각 구비하는 적층 전극 복합체들은 초기 저항을 일정하게 유지하는 반면, 20μL를 전사하여 형성된 AgNW 네트워크층을 구비하는 적층 전극 복합체의 저항은 146.8Ω으로부터 161.4Ω으로 증가하였다.
20μL AgNW 용액이 전사되어 형성된 AgNW 네트워크층의 두께는 AgNW의 직경에 대응되는 약 70nm이었고, 이러한 적층 전극 복합체에서 R/t=1의 조건으로 폴딩된 경우에 계산된 X는 213nm로서, AgNW 네트워크층의 절반의 두께(35nm)보다 더 큰 것으로 나타났다.
도 4e의 (a)를 참조하면, AgNW 네트워크층의 선폭이 증가함에 따라 적층 전극 복합체의 저항은 감소하였으나, 300μm, 500μm 및 1000μm의 선폭의 AgNW 네트워크층들을 각각 구비하는 적층 전극 복합체들의 저항은 100번의 폴딩 후에도 일정하게 유지되었다. 즉, 적층 전극 복합체에서 AgNW 네트워크층의 선폭은 저항 변화에 크게 영향을 미치지 않는 것으로 판단된다.
도 4e의 (b)를 참조하면, AgNW 네트워크층(400nm)이 적용된 적층 전극 복합체의 경우에는 100번의 폴딩 후에도 저항이 일정하게 유지되었으나, Ag 박막(400nm)이 적용된 “PET(1.5μm)/Ag박막(400nm)/PET(1.5μm)”구조의 적층 전극 복합체의 경우 완전히 절반으로 접힐 정도로 100번의 폴딩 후의 저항은 초기 저항에 비해 약 14.8% 증가한 것으로 나타났다. 이는 Ag 박막의 경우, 크랙에 의해 유도된 피로 파괴가 일어나기 때문인 것으로 판단된다.
도 4f를 참조하면, ‘PET(1.5μm)/AgNW(400μm)/PET(1.5μm)’구조의 적층 전극 복합체의 경우 2μm 곡률반경으로 폴딩된 경우에도 저항 변화(△R/R0)가 단지 0.85%에 불과한 것으로 나타났다.
도 4g를 참조하면, ‘PET(1.5μm)/AgNW(400μm)/PET(1.5μm)’구조의 적층 전극 복합체에 대해 1x4cm 직사각형 로드에 의해 100, 200 및 300N이 인가되었을 때, 저항은 3.556Ω, 3.558Ω 및 3.561Ω까지 각각 증가한 후 0.5초 이내에 초기 저항을 회복하였다.
도 5a는 소재에 따른 주름 패턴 형성을 설명하기 위한 도면이고, 도 5b는 엘라스토머의 영률 및 두께에 따른 폴더블 전극 구조체의 중립면과 AgNW 네트워크층의 중심선 사이의 거리(X) 및 PET 필름 최대 스트레인(
Figure 112020020611455-pat00013
)의 최적화를 설명하기 위한 도면이고, 도 5c는 다른 엘라스토머 소재를 적용한 폴더블 전극 구조체에 측정된 폴딩 회수에 따른 저항 변화를 나타내는 그래프이고, 도 5d는 “네트워크층/PET”구조의 적층 전극 복합체(e, f) 및 “네트워크층/PET/Elastomer”구조의 폴더블 전극 구조체(g, h)에 대해 구김 전, 후의 사진들이다.
도 5a 내지 도 5c를 참조하면, 폴딩에 의한 주름 패턴의 형성은 물질의 탄성 영역에 관련되어 있는데, 열가소성인 PET 필름은 약 2%의 낮은 탄성 변형 영역을 가지고 있어서 완전히 절반으로 접는 폴딩시에 주름 패턴이 형성되는 반면, 엘라스토머는 넓은 탄성 영역을 가지고 있기 때문에 완전히 절반으로 접는 폴딩시에도 인식 가능한 주름 패턴이 형성되지 않는다. 따라서, PET 필름 코어 및 엘라스토머 쉘로 이루어진 복합체 필름이 접혀지는 경우, PET 필름에 대한 벤딩 스트레인이 탄성 변형 영역 내에 있다면 복합체 필름에 주름이 형성되지 않는다.
따라서, “Elastomer/PET(1.5㎛)/AgNW 네트워크층(400nm)/PET(1.5㎛)/Elastomer”구조의 폴더블 전극 구조체에 있어서, 완전히 절반으로 접히는 폴딩시에 PET 필름에 발생하는 최대 스트레인(
Figure 112020020611455-pat00014
)이 약 2%보다 작아서 PET의 탄성 변형 영역 내에 있다면, 폴딩에도 불구하고 상기 폴더블 전극 구조체에는 주름 패턴이 형성되지 않을 것이다. 이러한 조건을 만족시키기 위해서는 상기 엘라스토머층의 두께는 일정 두께 이상으로 두꺼워야 하고, 상기 엘라스토머층을 형성하는 소재의 영률은 상대적으로 더 작아야 한다.
PDMS 및 Ecoflex로 상기 엘라스토머층을 형성한 경우, 상기 엘라스토머층의 두께가 약 82㎛ 이상인 경우 폴더블 전극 구조체에 주름 패턴이 형성되지 않는 것으로 나타났다. 다만, 상기 엘라스토머층의 두께가 증가하면 상기 폴더블 전극 구조체의 중립면이 이동되는 거리도 증가하므로, 상기 폴더블 전극 구조체의 중립면이 AgNW 네트워크층 내부에서만 이동하도록 상기 엘라스토머층의 두께는 일정 두께 이하로 형성하는 것이 바람직하다. 일 실시예로, 상기 엘라스토머층은 약 82 ㎛ 이상 150㎛ 이하, 예를 들면, 약 90㎛ 이상 120㎛ 이하, 바람직하게는 약 95㎛ 이상 105㎛ 이하의 두께로 형성될 수 있다.
한편, PDMS(100μm, 1.4MPa)를 가진 폴더블 전극 구조체가 절반으로 접혀졌을 때 이동된 중립축은 AgNW 네트워크층 외부에 위치하므로, PDMS(100μm, 1.4MPa)를 가진 폴더블 전극 구조체의 저항변화(△R/R0)는 100번의 폴딩 후 116%까지 증가되었다. 이에 반해, 도 5b의 초록색 직사각형 영역에 대응하는 PDMS(100μm, 0.5MPa), Ecoflex(100μm, 0.17MPa)를 가진 폴더블 전극 구조체의 경우 100번의 폴딩 후 저항 변화가 단지 8.2% 및 0.98% 증가하는 것으로 나타났다.
도 5d를 참조하면, “네트워크층/PET”구조의 적층 전극 복합체(e, f)에서는 PET 필름의 플라스틱 변형에 의해 주름 패턴이 생성되었음에 반해, “네트워크층/PET/Elastomer”구조의 폴더블 전극 구조체(g, h)에서는 주름 패턴이 형성되지 않았다.
도 5e를 참조하면, “네트워크층/PET/Elastomer”구조의 폴더블 전극 구조체의 경우 2개의 셀폰에 의해 절반으로 접혀졌을 때 어떠한 주름 패턴도 형성되지 않았다.
도 6a는 “PET(1.5μm)/AgNW네트워크층(400nm)/PET(1.5μm)”적층 전극 복합체를 제조하기 위한 열압착 공정의 공정 조건(온도, 압력)에 따른 AgNW 네트워크의 SEM 이미지들이고, 도 6b는 열압착 공정의 공정 온도에 따라 측정된 AgNW 네트워크층의 면저항을 나타내는 그래프이다. 도 6a 및 도 6b에서, AgNW 네트워크층은 약 70nm의 직경 및 약 100 내지 200㎛의 길이를 갖는 AgNW를 이용하여 형성되었고, 열압착 공정은 30초 동안 수행되었다.
도 6a 및 도 6b를 참조하면, 공정 온도 및 압력에 따라 적층 전극 복합체의 전기적 특성 및 기계적 특성이 발생됨을 확인할 수 있다. 구체적으로, 적층 전극 복합체가 (160℃, 5MPa), (160℃, 10MPa), (180℃, 5MPa), (180℃, 10MPa)의 공정 조건 하에서 열압착되었을 때에는 AgNW 네트워크의 접합부들이 용접되었으나, 적층 전극 복합체가 (200℃, 5MPa), (200℃, 10MPa), (220℃, 5MPa) 및 (220℃, 10MPa)의 공정 조건 하에서 열압착되었을 때에는 AgNW 네트워크는 끊어졌고, 구형 형상의 구조로 전환된 것으로 나타났다. 이러한 결과는, 큰 부피 대비 표면적의 비율을 갖는 나노구조 특성 때문에 AgNW의 녹는점이 벌크상태 실버의 녹는점(961.8℃)보다 현저하게 낮기 때문에, 200℃ 이상의 공정 온도에서는 AgNW 네트워크를 파괴되었음을 나타낸다.
한편, 적층 전극 복합체가 (160℃, 5MPa) 또는 (160℃, 10MPa)의 공정 조건 하에서 열압착되었을 때에는 PET 필름들이 박리된 반면, 적층 전극 복합체가 (180℃, 5MPa) 또는 (180℃, 10MPa)의 공정 조건에서 열압착되었을 때에는 PET 필름들은 잘 결합되었을 뿐만 아니라 열압착 공정 후 PET 필름에서 열수축은 일어나지 않았다. 이러한 결과는 PET 필름들이 180℃ 이상의 공정 온도에서 잘 결합됨을 보여준다.
도 6b에 도시된 바와 같이, (180℃, 5MPa) 및 (180℃, 10MPa) 조건 하에서 열압착되어 제조된 적층 전극 복합체는 다른 공정 조건들 하에서 열압착되어 제조된 적층 전극 복합체들보다 더 낮은 저항을 갖는 것을 나타났다.
도 7a는 “PET(1.5μm)/AgNW네트워크층(400nm)/PET(1.5μm)”구조를 갖는 오메가 형상의 적층 전극 복합체에 대해 측정된 내구성 테트의 결과를 나타내는 그래프이고, 도 7b는 내구성 테스트에 적용된 적층 전극 구조체의 형상을 나타내는 도면이다. 내구성 테스트는 1x4cm의 사각형 막대를 이용하여 300N의 수직 방향 힘을 적층 전극 복합체에 반복적으로 인가한 후 저항 변화를 측정하는 방식으로 수행되었다.
도 7a 및 도 7b을 참조하면, 3000 사이클의 압력 테스트 후 적층 전극 복합체의 저항은 단지 3.48Ω에서 3.52Ω으로 증가되었다. 이러한 결과를 통해, 본 발명의 적층 전극 복합체는 우수한 기계적 강도를 기지므로, 접힘성 및 우수한 기계적 특성을 요구하는 폴더블 소자에 적용될 수 있음을 알 수 있다.
상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
1000, 2000: 폴더블 전극 구조체 1110, 2110: 금속 나노와이어 네트워크층
1120, 2120: 제1 고분자 필름 1130, 2130: 제2 고분자 필름
1100, 2100: 적층 전극 복합체 2200: 제1 엘라스토머층
2300: 제2 엘라스토머층

Claims (12)

  1. 금속 나노와이어 네트워크층; 상기 금속 나노와이어 네트워크층 상부에 배치된 제1 고분자 필름; 및 상기 금속 나노와이어 네트워크층 하부에 배치된 제2 고분자 필름을 구비하는 적층 전극 복합체를 포함하고,
    상기 적층 전극 복합체의 전체 두께(t)에 대한 상기 적층 전극 복합체의 곡률 반경(R)의 비가 1이 되도록 상기 적층 전극 복합체가 최대로 폴딩된 상태에서, 상기 적층 전극 복합체의 폴딩 영역의 중립면과 상기 금속 나노와이어 네트워크층의 폴딩 영역의 중심면 사이의 거리는 상기 금속 나노와이어 네트워크층의 두께의 절반보다 작으며,
    상기 적층 전극 복합체의 언폴딩 상태 및 최대 폴딩 상태 모두에서, 상기 적층 전극 복합체의 중립면이 상기 금속 나노와이어 네트워크층 내부에 위치하고,
    상기 적층 전극 복합체의 두께는 3.4μm 이상 200.4 μm 이하인 것을 특징으로 하는, 폴더블 전극 구조체.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 금속 나노와이어 네트워크층은 실버(Ag), 구리(Cu), 금(Au), 백금(Pt), 니켈(Ni), 철(Fe) 및 알루미늄(Al)으로 이루어진 그룹으로부터 선택된 하나의 나노와이어로 형성된 것을 특징으로 하는, 폴더블 전극 구조체.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 금속 나노와이어들 사이의 접합 부위는 용접된 것을 특징으로 하는, 폴더블 전극 구조체.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 고분자 필름 각각은 폴리에틸렌테레프탈레이트(polyethylene terephthalate, PET), 폴리이미드(Polyimide, PI), 폴리에틸렌 설폰(PES), 폴리에틸렌 나프탈레이트(PEN), 폴리카보네이트(PC) 및 폴리에스터(PE)로 이루어진 그룹으로부터 선택된 하나로 형성된 것을 특징으로 하는, 폴더블 전극 구조체.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 고분자 필름은 동일한 두께를 갖는 것을 특징으로 하는, 폴더블 전극 구조체.
  6. 삭제
  7. 제1항에 있어서,
    상기 제1 고분자 필름 상에 부착되고 기 설정된 제1 굽힘 패턴이 형성된 제1 패턴층; 및
    상기 제2 고분자 필름 하부에 부착되고 기 설정된 제2 굽힘 패턴이 형성된 제2 패턴층을 더 포함하는 것을 특징으로 하는, 폴더블 전극 구조체.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 패턴층 각각은 종이, 모직 또는 고분자 재료로 형성된 것을 특징으로 하는, 폴더블 전극 구조체.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 제1 고분자 필름 상에 부착되고 탄성 중합체로 형성된 제1 엘라스토머층; 및
    상기 제2 고분자 필름 하부에 부착되고 탄성 중합체로 형성된 제2 엘라스토머층을 더 포함하는 것을 특징으로 하는, 폴더블 전극 구조체.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 엘라스토머층 각각은 서로 독립적으로 폴리디메틸실록산(Polydimethylsiloxane, PDMS), 합성 폴리이소프렌(IR for isoprene rubber), 폴리부타디엔(BR for butadiene rubber), 클로로프렌 고무(Chloroprene rubber, CR), 폴리클로로프렌(polychloroprene), 네오프렌(Neoprene), 부틸고무(copolymer of isobutylene and isoprene), 할로겐화 부틸 고무(Halogenated butyl rubbers), 스티렌부타디엔 고무(copolymer of styrene and butadiene), 니트릴고무(copolymer of butadiene and acrylonitrile), 에틸렌프로필렌 고무(a copolymer of ethylene and propylene), 에틸렌프로필렌디엔 고무(a terpolymer of ethylene, propylene and a diene-component), 에피클로로하이드린 고무(Epichlorohydrin rubber), 폴리아크릴 고무(Polyacrylic rubber), 실리콘 고무(Silicone rubber), 플루오로실리콘 고무(Fluorosilicone Rubber), 플루오로엘라스토머(Fluoroelastomers), 퍼플루오로엘라스토머(Perfluoroelastomers), 폴리에테르블록아마이드(Polyether block amides), 클로로술포네이트 폴리에틸렌(Chlorosulfonated polyethylene) 및 에틸렌비닐아세테이트(Ethylene-vinyl acetate)로 이루어진 그룹으로부터 선택된 어느 하나의 재료로 형성된 것을 특징으로 하는, 폴더블 전극 구조체.
  11. 제9항에 있어서,
    상기 폴더블 전극 구조체가 폴딩된 경우, 상기 제1 및 제2 엘라스토머층에 의해 상기 제1 및 제2 고분자 필름에 인가되는 최대 변형률이 상기 제1 및 제2 고분자 필름의 탄성 변형 영역 내에 있는 것을 특징으로 하는, 폴더블 전극 구조체.
  12. 제1항 내지 제5항 및 제7항 내지 제11항 중 선택된 어느 한 항의 폴더블 전극 구조체를 구비하는 폴더블 전자 소자.
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