KR20090024437A

KR20090024437A - 변형된 기판 구조를 갖는 탄소 나노튜브 막 및 그 제조방법

Info

Publication number: KR20090024437A
Application number: KR1020070089464A
Authority: KR
Inventors: 신현진; 윤선미; 최재영; 손진승; 조은형
Original assignee: 삼성전자주식회사
Priority date: 2007-09-04
Filing date: 2007-09-04
Publication date: 2009-03-09
Also published as: KR101336963B1; US7811667B2; US8173217B2; US20090061149A1; US20100316813A1

Abstract

변형된 기판 구조를 갖는 탄소 나노튜브(CNT) 막 및 그 제조방법이 개시된다. 구체적으로 CNT 막은, 투명 기판, 투명 기판 위에 상호 이격되어 형성되는 복수 개의 3차원 입체 구조물; 및 복수 개의 3차원 입체 구조물이 형성되지 않은 투명기판 위에 증착된 CNT를 포함하는 것을 특징으로 하는 구성을 갖는다. 또한, CNT 막의 제조방법은, 투명 기판 위에 복수 개의 3차원 입체 구조물을 상호 이격되게 형성하는 단계; 및 복수 개의 3차원 입체 구조물이 형성된 기판 위에 CNT 용액을 증착시키는 단계를 포함하며, 복수개의 3차원 나노 입체 구조물이 형성되어 있지 않은 투명 기판 부분으로 CNT 용액의 증착이 일어나는 것을 특징으로 하는 구성을 갖는다. 이와 같은 구성에 따른 CNT 막 및 그 제조방법 에 따르면, CNT용액의 증착 메커니즘을 제어할 수 있고 이로써 CNT막의 투명성 증가시킬 수 있으며, 이러한 CNT 막을 포함하는 전극의 전기전도도를 증가시킬 수 있는 효과가 있다.

모세관 압력, 나노 임프린트, 포토리소그래피, 메니스커스

Description

변형된 기판 구조를 갖는 탄소 나노튜브 막 및 그 제조방법 {A carbon nano-tube(CNT) film with a transformed substrate structure and a manufacturing method thereof}

본 발명은 변형된 기판 구조를 갖는 탄소 나노튜브(Carbon Nano-Tube, 이하 'CNT'라고 함) 막 및 그 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 기판상에 형성되는 구조물에 의해 기판 구조를 변형시키고 이에 CNT 용액을 증착시켜서 패터닝된 CNT 막을 형성함으로써 CNT 막의 투명도를 증가시키고, 이러한 CNT막을 이용하여 제조되는 전극의 전기전도도를 높일 수 있는 CNT 막 및 그 제조 방법에 관한 것이다.

디스플레이 소자에서는 투명하면서 전기가 통할 수 있는 투명 전극이 필요하게 되며 현재 가장 많이 사용되고 있는 것은 인듐 주석 산화물(Indium Tin Oxide, 이하 'ITO'라고 함)이다. ITO는 현재 가장 많이 쓰이고 있는 재료이기는 하지만, 인듐의 소비량이 많아짐에 따라 가격이 높아진다는 문제점을 가지고 있으며, 특히 ITO 전극을 굽힐 경우 생성되는 크랙(crack)으로 말미암아 저항이 증가하는 문제점을 가지고 있으므로, 향후 플렉서블한 소자에는 적용하기 어렵다.

따라서, 플렉서블한 소자에 적용할 수 있는 투명 전극의 개발이 필요하며, 최근 가장 각광받고 있는 재료 중 하나가 CNT이다. 이러한 CNT는 전기 전도성과 강도가 우수하며 쉽게 휘어질 수 있는 성질을 가지고 있으므로 CNT를 이용한 플렉서블 투명 전극은 기존의 LCD, OLED 및 페이퍼 유사 디스플레이(paper like display)와 같은 디스플레이 소자뿐만 아니라 태양 전지(solar cell) 및 2차 전지와 같은 에너지 소자에도 전극 물질로서 폭넓게 응용이 가능하다.

CNT 투명전극에 있어서 가장 중요한 특성은 전도도, 투명도, 및 유연성이라고 할 수 있다. 　일반적으로 CNT 투명전극은 CNT 분말을 분산제를 포함한 용액에 분산하여 CNT 잉크를 제조한 다음 이를 플라스틱 기판에 도포함으로써 제조된다. CNT 투명전극의 전도도 향상을 위해서 중요한 것은 캐리어가 CNT 자체를 이동할 뿐만 아니라 CNT와 CNT 사이를 자유롭게 이동할 수 있어야 한다는 것이다.

최근의 연구 결과에 의하면 CNT 망상 구조(network)로 이루어진 투명 전극에 있어서 CNT가 서로 충분히 접촉을 할 정도로 CNT의 양이 많을 경우, 즉 투수 임계점(percolation threshold) 이상인 상태에서는 CNT 자체의 저항이 CNT 망상 구조 막에 미치는 영향은 거의 없는 반면, CNT와 CNT사이의 접촉 저항(contact resistance)이 CNT 망상 구조 막의 저항에 주된 영향을 미친다고 알려져 있다. 따라서 CNT의 망상구조 형성과 CNT와 CNT 사이의 접촉 저항의 감소는 CNT 투명 전극의 전도도 향상을 위하여 매우 중요하다.

그러나, 종래 기술에 따르면,　CNT 용액을 전극 기판 상에 전면적으로 증착시키기 때문에 높은 투과도에 낮은 전도도를 얻는 것은 한계가 있다. 따라서 전극의 투명 기판 상에 CNT 용액이 존재하는 부분과 CNT 용액이 존재하지 않는 투명 부분으로 패턴을 형성하면 구조제어를 통하여 동일 전도도 대비 투과도를 향상시킬 수 있다. 단, 이때 CNT가 전극으로서의 역할을 하려면 기판 상의 모든 CNT는 연결되도록 투명부분의 구조를 제어하여야 한다.

이와 관련하여, 종래 기술(한국 특허출원 제2007-5201호)에 있어서, 폴리스티렌 콜로이드(polystyrene colloid) 입자를 이용하여 기판에 배열하고, 그 위에 CNT 용액을 증착시키는데, 이때 상기 폴리스티렌 콜로이드 입자가 곡면을 가지는 경우에는 그 입자와 입자 사이에서 CNT 용액의 모세관 압력(capillary force)이 발생하게 된다. 그 후, 폴리스티렌 콜로이드 입자를 제거하면 다공성의 패터닝된 CNT 막이 형성되는데, 이러한 CNT 막에서 투과도 대비 면저항의 감소를 검증하여 이를 기판 구조에 적용하고자 한다.

패터닝된 전극에 관한 선행 기술에 따르면, 실제로 투과도 대비 면저항이 매우 감소하게 된다. 즉, 전극 기판 상에 부분적으로 CNT 용액이 증착되지 않는 투명부분을 형성시키면 CNT가 코팅되지 않은 부분은 CNT에 의해 산란되는 부분이 감소하게 되므로 전체적으로 투과도는 증가시키면서 박막전체에 분포된 CNT에 의해서 전극의 전기전도도를 유지할 수 있게 되는 것이다.

그러나 이러한 선행기술의 문제점은 레이저를 이용한 고가의 공정을 필요로 하거나, 플렉서블 기판에 영향을 줄 수 있는 화학 공정(습식 에칭 공정)을 필요로 한다는 것이다. 또한, 패너닝 사이즈, 즉, 투명성을 주는 부분의 사이즈가 수백 ㎛가 되므로 LCD에 사용될 경우 픽셀의 사이즈보다도 전극의 투명 부분의 사이즈가 훨씬 커 전극으로서의 역할을 할 수 없게 된다는 문제점이 있다.

본 발명은 전술한 바와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명에서는 종래의 기판 구조를 사용하지 않고, 기판 위에 구조물을 형성하여 변형시킨 기판 구조를 사용하며, 그 위에 CNT용액을 증착시켜서 패터닝된 CNT 막을 제조함으로써 이러한 CNT막을 포함하는 전극의 전도성을 향상시키는 데에 목적이 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은 CNT 막 및 그 제조방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 기판상에 형성되는 구조물에 의해 기판 구조를 변형시키고 이에 CNT 용액을 증착시켜서 패터닝된 CNT 막을 형성함으로써 CNT 간의 접촉 저항을 감소시키고 CNT 막의 투명도를 증가시키며, 이러한 CNT 막을 이용하여 제조되는 전극의 전기전도도를 높일 수 있는 CNT 막 및 그 제조방법에 관한 것이다.

본 발명에 따르면, 기판 위에 3차원 입체 구조물을 형성시킴으로써 기판의 형태를 변형시킨 후에, 그 위에 CNT 용액을 증착시킨 경우에, 입체 구조물의 곡면과의 위치 에너지 차이 및 CNT들 사이의 모세관 압력에 의해 3차원 입체 구조물이 형성되어 있지 않은 기판 부분으로 CNT 용액의 증착이 일어나게 된다.

나노 임프린트(nano imprint), 레이저(laser), 에칭(etching), 포토리소그래피(photolithography) 방법 등을 이용함으로써 기판 위에 수십 내지 수백 나노 크기의 3차원 나노 입체 구조물의 형성이 가능하며, CNT 용액의 기판에 대한 위치 선 택성으로 인하여 CNT 용액의 증착 만으로 패터닝된 CNT 막의 제조가 가능하다.

이와 같이, 기판 위에 형성된 3차원 입체 구조물 형태에 의해 CNT 증착 메커니즘을 제어할 수 있으며, 기판 위에 형성된 구조물 및 CNT 용액의 위치 선택성으로 의해 기판의 투명성을 증가시킬 수 있게 된다.

구체적으로 본 발명에 따른 변형된 기판 구조를 갖는 CNT막은, 투명 기판; 상기 투명 기판 위에 상호 이격되어 형성되는 복수 개의 3차원 입체 구조물; 및 상기 복수 개의 3차원 입체 구조물이 형성되지 않은 투명기판 위에 증착된 CNT을 포함하는 구성을 갖는다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 복수개의 3차원 입체 구조물은 원뿔, 반구, 다각뿔, 다각기둥 및 원기둥으로 구성된 그룹으로부터 선택되는 1종 이상인 것으로서, 3차원 입체 구조물과 투명기판 접촉부분의 직경이 나노 크기를 가질 수도 있으며, 이러한 3차원 입체 구조물의 표면은 증착될CNT 용액과 반대 극성을 갖는 물질로 표면 처리될 수도 있다. 또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 CNT 용액은 물 또는 유기계에 분산되어 있는 용액이거나 또는 CNT 및 분산제를 포함하는 물 또는 유기계에 분산되어 있는 용액일 수도 있다.

또한, 본 발명은 변형된 기판 구조를 갖는 CNT 막의 제조 방법에 관한 것으로서, 투명 기판 위에 복수 개의 3차원 입체 구조물을 상호 이격되게 형성하는 단계; 및 상기 복수 개의 3차원 입체 구조물이 형성된 기판 위에 CNT 용액을 증착시키는 단계를 포함하며, 상기 복수개의 3차원 나노 입체 구조물이 형성되어 있지 않은 투명 기판 부분으로 상기 CNT 용액의 증착이 일어나는 것을 특징으로 하는 구성 을 갖는다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 복수 개의 3차원 입체 구조물이 형성된 기판 위에 CNT 용액을 증착시키는 단계 이전에, 상기 입체 구조물의 표면을 증착될CNT 용액과 반대 극성을 갖는 물질로 표면 처리하는 단계를 더 포함할 수도 있다. 또한, 상기 복수 개의 3차원 입체 구조물이 형성된 기판 위에 CNT 용액을 증착시키는 단계 이후에, 상기 입체 구조물의 표면에 증착되어 있는 CNT를 제거하는 단계를 더 포함할 수도 있다.

한편, 전술한 바와 같은 구성을 갖는 CNT 막을 포함하는 CNT 전극을 구현할 수 있으며, 이러한 CNT 막을 채널물질로 사용하는 박막 트랜지스터(Thin Film Transistor, 이하 'TFT'라고 함)를 구현할 수 있다.

본 발명에 따르면, 기판상에 형성되는 구조물에 의해 기판 구조를 변형시키고 이에 CNT 용액을 증착시켜서 CNT 막을 형성함으로써, 간단하고 저렴한 공정으로 패터닝된 다공성 CNT 막을 구현할 수 있다. 또한, 본 발명에 따른 기판의 구조물 제어 기술을 사용함으로써 대면적의 패터닝된 CNT 박막화를 가능하게 할 수 있다.

또한, CNT 간의 접촉 저항을 감소시키고 CNT 막의 투명도를 증가시키며, 이러한 CNT막을 이용하여 제조되는 전극의 전기전도도를 높일 수 있다.

한편, 위와 같은 패터닝된 다공성 CNT 막은 CNT 전극뿐만 아니라, TFT, OLED 등의 다양한 소자에도 활용될 수 있다.

이상에서 설명한 본 발명은 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능하다는 것이 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 명백하다 할 것이다.

이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 설명함으로써, 본 발명을 상세히 설명한다. 그러나, 본 발명이 하기 실시예에 한정되는 것은 아니며, 첨부된 특허청구범위 내에서 다양한 형태의 실시예들이 구현될 수 있고 단지 하기 실시예는 본 발명의 개시가 완전하도록 함과 동시에 당업계에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 실시를 용이하게 하고자 하는 것이다.

도 2a 내지 도 2c는 본 발명의 일 실시예에 따라 상부면이 평면인 3차원 나노 입체 구조물에 의해 기판 구조를 변형시킴으로써 패터닝된 CNT 막을 제조하는 과정을 나타낸 단면도이다.

도 2a에 도시된 바와 같이, 투명 기판(20) 위에 원기둥 형태의 3차원 나노 입체 구조물(21)을 전술한 나노 임프린트, 레이저, 에칭 또는 포토리소그래피 공정에 의해 형성시킴으로써 상기 투명 기판(20)의 형태를 변형시킨다. 즉, 원기둥 형태로 패터닝된 기판을 제작하는 것이다. 그 후, 변형된 기판 위에 CNT 용액(22)을 분사함으로써 CNT 용액(22)이 원기둥 형태의 3차원 나노 입체 구조물(21)이 형성되어 있지 않은 투명 기판(20) 부분과 원기둥 형태의 3차원 나노 입체 구조물(21)의 상부면 위에 모두 증착되도록 한다.

이때, 투명 기판(20) 위에 형성되어 있는 원기둥 형태의 3차원 나노 입체 구 조물(21)의 상부면은 굴곡이 없는 평탄한 평면이기 때문에, 원기둥 형태의 3차원 나노 입체 구조물(21)이 형성되어 있지 않은 투명 기판(20) 부분 뿐만 아니라 원기둥 형태의 3차원 나노 입체 구조물(21)의 상부면 위에도 CNT 용액(22)이 증착하여 그대로 남아있게 된다. 이는 결과적으로 CNT 막의 표면 거칠기(roughness)를 증가시키게 되므로, 이러한 원기둥 형태의 3차원 나노 입체 구조물(21)의 상부면 위에 남아 있는 CNT 용액(22)을 제거하는 공정이 추가로 필요하다.

다만 위와 같은 경우에 있어서, 3차원 나노 입체 구조물(21)의 상부면 부분에 곡면이 없이 때문에 완벽하게 위치 에너지의 차이 및 모세관 압력이 존재하지는 않지만, 대부분의 경우에 3차원 나노 입체 구조물(21)이 없는 투명 기판(20) 부분으로 CNT 용액(22)의 증착이 일어나게 된다. 3차원 나노 입체 구조물(21)의 상부면 위에 남아있는 일부 CNT 용액(22)을 제거하기 위해 탈이온화 워터(DI water)나 유기용매와 같은 용매로 세척하거나 태핑(tapping)방식으로 세척해 주면 상기 상부면 부분의 CNT 용액(22)이 대부분 제거될 수 있다.

또한, 도 2b 및 도 2c를 살펴보면, 전술한 도 2a에서와 같이, 투명 기판(20) 위에 상부면이 평면인 3차원 나노 입체 구조물(21)이 형성되어 있는 변형된 기판 구조를 나타내고 있다. 도 2a의 경우에는 3차원 나노 입체 구조물(21)의 상부면과 하부면의 면적이 동일하지만, 도 2b 및 도 2c의 경우에는 3차원 나노 입체 구조물(21)의 상부면과 하부면의 면적이 서로 상이하다는 점에서만 차이가 있을 뿐, 그 밖의 다른 모든 조건은 동일하다. 따라서, 도 2a에서 전술한 바와 같은 각각의 공정 원리가 도 2b 및 도 2c의 경우에도 모두 동일하게 적용된다. 그러나 이러한 구 조물의 경우 구조물의 표면처리를 통하여 증착되는 CNT용액과의 친화성을 떨어뜨려 구조물이 존재하지 않는 곳으로 CNT를 유도하여 박막 증착을 제어할 수 있다.

도 3a 및 도 3b는 본 발명의 일 실시예에 따라 곡면 구조물에 의해 기판 구조를 변형시킴으로써 패터닝된 CNT 막을 제조하는 과정을 나타낸 단면도이다.

도 3a에 도시된 바와 같이, 투명 기판(20) 위에 원뿔 형태의 3차원 나노 입체 구조물(31)을 전술한 나노 임프린트, 레이저, 에칭 또는 포토리소그래피 공정에 의해 형성시킴으로써 상기 투명 기판(30)의 형태를 변형시킨다. 그 후, 변형된 기판 위에 CNT 용액을 분사함으로써 CNT 용액(32)이 원뿔 형태의 3차원 나노 입체 구조물(31)이 형성되어 있지 않은 투명 기판(30) 부분과 원뿔 형태의 3차원 나노 입체 구조물(31)의 상부면 위에 모두 증착되도록 한다.

이때, 투명 기판(30) 위에 형성되어 있는 원뿔 형태의 3차원 나노 입체 구조물(31)의 상부면은 끝이 뾰족하고 굴곡이 있는 곡면이기 때문에, 계면과의 모세관 압력에 의해 원뿔 형태의 3차원 나노 입체 구조물(31)이 형성되어 있지 않은 투명 기판(30) 부분으로 CNT 용액(32)의 증착이 일어나게 된다.

이에 따라, CNT 용액(32)의 증착 메커니즘을 제어하여 CNT용액(32)의 기판에 대한 선택성을 부여하고, CNT 막의 패터닝이 가능하도록 함으로써 결과적으로 CNT막의 투명성을 증가시키게 된다.

또한, 도 3b를 살펴보면, 전술한 도 3a에서와 같이, 투명 기판(30) 위에 상부면이 곡면인 3차원 나노 입체 구조물(31)이 형성되어 있는 변형된 기판 구조를 나타내고 있다. 도 3a의 경우에는 3차원 나노 입체 구조물(31)의 상부면의 끝이 뾰족하지만, 도 3b의 경우에는 3차원 나노 입체 구조물(31)의 상부면이 반구 형태로서 둥그스름하다는 점에서만 차이가 있을 뿐, 그 밖의 다른 모든 조건은 동일하다. 따라서, 도 3a에서 전술한 바와 같은 각각의 공정 원리가 도 3b의 경우에도 모두 동일하게 적용된다.

위와 같이, CNT에 의하여 형성되는 랜덤 네트워크 구조의 CNT 막은 기본적으로 CNT를 용매에 분산하여 얻어진 CNT 분산용액을 기판상에 도포하는 방식으로 형성하는 것이 가장 바람직하다고 할 수 있다.

이러한 CNT 분산용액 제조방법의 경우, 우선 고순도 CNT 1mg을 20mL 유리병에 넣고 NMP(N-methylpyrrolidone) 10mL를 넣은 후, 이를 초음파 배스에 넣고 10시간 음파처리한다. 이 CNT-NMP 용액을 50mL 원뿔형 튜브에 넣고 10000rpm에서 10분간 원심분리한다. 원심분리 후, 침전되지 않은 CNT 분산용액만 취하여 CNT 분산용액을 제조한다.

다음으로, CNT 랜덤 네트워크 구조를 갖는 CNT 막의 제조방법으로 분사 방법을 이용하는데, 변형된 구조의 기판 위에 위의 단계에서 준비된 CNT 분산용액을 분사 장치를 이용하여 코팅을 한다. 이 경우 스핀코팅, 잉크젯 프린팅 등을 사용할 수 있다.

도 4a는 본 발명의 일 실시예에 따라 상부면이 평면인 3차원 나노 입체 구조물(원기둥)이 형성된 기판 위에 CNT 용액이 증착되는 매커니즘을 나타낸 단면도이다.

도 4a에 도시된 바와 같이, 3차원 나노 입체 구조물에 의해 변형된 기판 위 에 CNT 용액을 증착시키는 매커니즘에 있어서, 이를 각 단계별로 순차적으로 설명하면 다음과 같다.

먼저, 투명 기판(40) 위에 원기둥 형태의 3차원 나노 입체 구조물(41)을 형성시킴으로써 변형된 형태의 기판을 제작한다. 이러한 3차원 나노 입체 구조물(41)은 원기둥 형태 이외에 상부면이 평면인 다각뿔 또는 다각기둥의 형태일 수도 있으며, 상기 투명 기판(40)상에 형성된다. 이때, 전술한 바와 같이 나노 임프린트, 에칭 또는 포토리소그래피 방법이 사용되며, 보다 정밀한 설계를 위해 레이저을 이용하는 공정이 추가적으로 필요할 수도 있다.

다음으로, 상부면이 평면인 3차원 나노 입체 구조물(41)에 의해 변형된 기판 위에 CNT 용액(42)을 분사하며, 이러한 CNT 용액(42)은 3차원 나노 입체 구조물(41)이 형성되어 있지 않은 투명 기판(40) 부분과 3차원 나노 입체 구조물(41)의 상부면 위, 즉 변형된 기판의 전면에 걸쳐서 증착되게 된다.

그 후, 변형된 기판의 표면을 따라 CNT 용액(42)의 메니스커스(meniscus)가 발생하게 되고, 결과적으로 투명 기판(40) 부분 위에 형성되어 있는 3차원 나노 입체 구조물(41)의 상부면은 굴곡이 없는 평탄한 평면이기 때문에, 그 상부면 위에 증착된 CNT 용액(42)은 그대로 남아있게 된다.

그러나, 대부분의 경우에 3차원 나노 입체 구조물(41)이 없는 투명 기판(40) 부분으로 CNT 용액(42)의 증착이 일어나게 되며, 이러한 메커니즘에 대해서는 도 4b에서 보다 자세하게 나타내고 있다.

즉, 도 4b는 도 4a의 기판 구조에 따라 CNT 용액이 증착되는 매커니즘에서 모세관 압력이 발생하는 현상을 나타낸 도면이다. 도 4b에 표시된 것과 같은 화살표 방향에 따른 모세관 압력에 의해 3차원 나노 입체 구조물(41)이 없는 투명 기판(40) 부분으로 CNT 용액(42)의 증착이 일어남으로써, 변형된 기판 위에 증착되는 CNT 용액(42)이 3차원 나노 입체 구조물(41)이 형성되어 있지 않은 투명 기판(40) 부분 위로 모이게 된다.

도 5a는 본 발명의 일 실시예에 따라 상부면이 곡면인 3차원 나노 입체 구조물(반구)이 형성된 기판 위에 CNT 용액이 증착되는 매커니즘을 나타낸 단면도이다.

도 5a에 도시된 바와 같이, 3차원 나노 입체 구조물(51)에 의해 변형된 기판 위에 CNT 용액(52)이 증착되는 매커니즘에 있어서, 이를 각 단계별로 순차적으로 설명하면 다음과 같다.

먼저, 투명 기판(50) 위에 반구 형태의 3차원 나노 입체 구조물(51)을 형성시킴으로써 변형된 형태의 기판을 제작한다. 이러한 3차원 나노 입체 구조물(51)은 반구 형태 이외에 상부면이 곡면인 원뿔 형태일 수도 있으며, 상기 투명 기판(50)상에 형성된다. 이때, 전술한 바와 같은 나노 임프린트, 에칭 또는 포토리소그래피 방법이 사용되며, 보다 정밀한 설계를 위해 레이저를 이용하는 공정이 추가적으로 필요할 수도 있다.

다음으로, 상부면이 곡면인 3차원 나노 입체 구조물(51)에 의해 변형된 기판 위에 CNT 용액(52)을 분사하며, 이러한 CNT 용액(52)은 3차원 나노 입체 구조물(51)이 형성되어 있지 않은 투명 기판(50) 부분과 3차원 나노 입체 구조물(51)의 상부면 위, 즉 변형된 기판의 전면에 걸쳐서 증착되게 된다.

그 후, 변형된 기판의 표면을 따라 CNT 용액(52)의 메니스커스(meniscus)가 발생하게 되고, 결과적으로 투명 기판(50) 부분 위에 형성되어 있는 3차원 나노 입체 구조물(51)의 상부면은 굴곡이 있는 곡면이기 때문에, 그 상부면 위에는 CNT 용액(52)이 남아있지 않게 된다.

즉, 3차원 나노 입체 구조물(51)이 없는 투명 기판(50) 부분으로 CNT 용액(52)의 증착이 일어나게 되는데, 이러한 메커니즘에 대해서는 도 5b에서 보다 자세하게 나타내고 있다.

도 5b는 도 5a의 기판 구조에 따라 CNT 용액이 증착되는 매커니즘에서 모세관 압력이 발생하는 현상을 나타낸 도면이다.

도 5b에 표시된 것과 같은 화살표 방향에 따른 모세관 압력에 의해 3차원 나노 입체 구조물(51)이 없는 투명 기판(50) 부분으로 CNT용액(52)의 증착이 일어남으로써, 변형된 기판 위에 증착되는 CNT 용액(52)이 3차원 나노 입체 구조물(51)이 형성되어 있지 않은 투명 기판(50) 부분 위로 모이게 된다.

전술한 바와 같이, 본 발명에서는 3차원 나노 입체 구조물을 형성시켜서 변형된 기판 위에 CNT 용액을 증착시킴으로써 CNT 막을 형성한 경우, 3차원 나노 입체 구조물의 형태에 따라 여러 가지 방식으로 CNT 증착 메커니즘이 나타나게 된다.

즉, 3차원 나노 입체 구조물의 상부면이 평면인 도 4a와 같은 경우에는 모세관 압력에 의해 3차원 나노 입체 구조물(41)이 없는 투명 기판(40) 부분으로 CNT 용액(42)의 증착이 일어나기는 하지만, 3차원 나노 입체 구조물(41)의 상부면이 굴곡 없이 평탄하기 때문에 3차원 나노 입체 구조물(41)의 상부면 위에 CNT 용액(42) 의 일부가 증착된 채로 남아있게 된다. 다만, 도 6과 관련하여 후술하는 바에 따라 이러한 문제를 해결할 수 있다.

이에 비해, 3차원 나노 입체 구조물의 상부면이 곡면인 도 5a와 같은 경우는 모세관 압력에 의해 3차원 나노 입체 구조물(51)이 없는 투명 기판(50) 부분으로 CNT용액(52)의 증착이 일어남에 따라 3차원 나노 입체 구조물(51)의 상부면 위에는 CNT 용액(52)이 남아있지 않게 되며, 3차원 나노 입체 구조물(51)이 형성되어 있지 않은 투명 기판(50) 쪽으로만 모이게 된다.

본 발명은 3차원 입체 구조물과 이웃한 3차원 입체 구조물 사이의 간격, 즉 피치(pitch)사이즈는 100nm 내지 10000nm(10um)이며 피치 사이즈를 1로 가정하였을 경우 구조물이 있는 면적과 없는 면적의 비는 1:1 내지 1:9이다. 형성된 구조물의 크기가 가장 큰 경우인 피치사이즈가 10um이고 구조물이 있는 면적과 없는 면적의 비가 1:9이상일 경우(9um), 전극으로 사용하였을 때 비균일한 전압(LCD)/전류(OLED)편차를 유발할 수 있고, 형성된 구조물의 크기가 가장 작은 경우인 피치사이즈가 100nm이고 구조물이 있는 면적과 없는 면적의 비가 1:9 이하일 경우(10nm), 투명한 부분의 사이즈가 너무 작아 CNT에 의해 산란되어 감소되는 투과도 상쇄 효과를 확인할 수 없다.

도 6은 본 발명의 일 실시예에 따라 3차원 나노 입체 구조물에 의해 기판 형태를 변형시킴으로써 제조된 패터닝된 CNT 막을 세척한 후의 사진을 나타낸 도면이다. 이와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따라 3차원 나노 입체 구조물에 의해 기판 형태를 변형시키고, 극성 용매에 분산된 CNT와의 친화력을 제거하기 위하여 비극 성(nonpolar)인 플루오르(fluorine)계의 화합물을 이용하여 구조물을 표면 처리한 후, 구조물이 존재하지 않는 곳으로 CNT를 유도하여 박막 증착을 제어할 수 있다. 더 나아가 제조된 패터닝된 CNT 막을 세척하여 더욱 박막을 제어할 수 있다.

패터닝된 CNT 막을 제조함에 있어서, 전술한 바와 같이 3차원 나노 입체 구조물에 의해 변형된 기판 위에 CNT 용액을 증착시키는 것만으로도 모세관 압력에 따라 표면 거칠기를 충분히 줄일 수 있다. 이때, 투명 기판 위에 형성되는 3차원 나노 입체 구조물 간의 간격을 좁게 함으로써 밀도 있는 배열을 하는 것이 바람직하다.

전술한 바와 같이, 3차원 나노 입체 구조물이 없는 투명 기판 부분으로 CNT용액의 증착이 일어나게 되지만, 3차원 나노 입체 구조물의 상부면 위에 남아있는 일부 CNT 용액을 제거하기 위해 탈이온화 워터나 유기용매와 같은 용매로 세척하거나 태핑 방식으로 세척해 주면 상기 상부면 부분의 CNT 용액이 대부분 제거될 수 있다.

즉, 도 6의 사진으로부터 확인할 수 있는 바와 같이, 탈이온화 워터나 유기용매와 같은 용매로 세척하거나 태핑 방식으로 세척해 준 후에는 3차원 나노 입체 구조물 위에 CNT가 거의 존재하지 않게 된다.

도 1은 종래 기술에 따라 제조된 패터닝된 탄소 나노튜브(CNT) 막을 나타낸 도면.

도 2a 내지 도 2c는 본 발명의 일 실시예에 따라 상부면이 평면인 3차원 나노 입체 구조물에 의해 기판 구조를 변형시킴으로써 패터닝된 CNT 막을 형성하는 과정을 나타낸 단면도.

도 3a 및 도 3b는 본 발명의 일 실시예에 따라 상부면이 곡면인 3차원 나노 입체 구조물에 의해 기판 구조를 변형시킴으로써 패터닝된 CNT 막을 형성하는 과정을 나타낸 단면도.

도 4a는 본 발명의 일 실시예에 따라 상부면이 평면인 3차원 나노 입체 구조물(원기둥)이 형성된 기판 위에 CNT 용액이 증착되는 매커니즘을 나타낸 단면도.

도 4b는 도 4a의 기판 구조에 따라 CNT 용액이 증착되는 매커니즘에서 모세관 압력(capillary force)이 발생하는 현상을 나타낸 도면.

도 5a는 본 발명의 일 실시예에 따라 상부면이 곡면인 3차원 나노 입체 구조물(반구)이 형성된 기판 위에 CNT 용액이 증착되는 매커니즘을 나타낸 단면도.

도 5b는 도 5a의 기판 구조에 따라 CNT 용액이 증착되는 매커니즘에서 모세관 압력이 발생하는 현상을 나타낸 도면.

도 6은 본 발명의 일 실시예에 따라 3차원 나노 입체 구조물에 의해 기판 형태를 변형시킴으로써 제조된 패터닝된 CNT 막을 세척한 후의 사진을 나타낸 도면.

※ 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 ※

20, 30, 40, 50: 투명 기판

21, 31, 41, 51: 3차원 나노 입체 구조물

22, 32, 42, 52: CNT 용액

Claims

투명 기판;

상기 투명 기판 위에 상호 이격되어 형성되는 복수 개의 3차원 입체 구조물; 및

상기 복수 개의 3차원 입체 구조물이 형성되지 않은 투명기판 위에 증착된 CNT를 포함하는 CNT 막.
제1항에 있어서,

상기 복수개의 3차원 입체 구조물은 원뿔, 반구, 다각뿔, 다각기둥 및 원기둥으로 구성된 그룹으로부터 선택되는 1종 이상인 것을 특징으로 하는 CNT 막.
제1항에 있어서,

상기 입체 구조물의 표면은 증착되는 CNT 용액과 반대 극성을 갖는 물질로 표면 처리된 것을 특징으로 하는 CNT 막.
제 1항에 있어서,

상기 입체 구조물은 투명기판 접촉부분의 직경이 나노 크기인 것을 특징으로 하는 CNT막.
제 1항에 있어서,

상기 복수개의 입체 구조물 사이의 간격은 100nm 내지 10000nm(10um)이고, 상기 입체 구조물이 있는 면적과 상기 입체 구조물이 없는 면적의 비는 1:1 내지 1:9인 것을 특징으로 하는 CNT막.
(i) 투명 기판 위에 복수 개의 3차원 입체 구조물을 상호 이격되게 형성하는 단계; 및

(ii) 상기 복수 개의 3차원 입체 구조물이 형성된 기판 위에 CNT 용액을 증착시키는 단계를 포함하며,

상기 복수개의 3차원 입체 구조물이 형성되어 있지 않은 투명 기판 부분으로 상기 CNT 용액의 증착이 일어나는 것을 특징으로 하는 CNT 막의 제조방법.
제6항에 있어서,

상기 (i) 단계에서, 상기 투명 기판 위에 형성되는 상기 복수개의 3차원 입체 구조물은 원뿔, 반구, 다각뿔, 다각기둥 및 원기둥으로 구성된 그룹으로부터 선택되는 1종 이상의 형태를 갖는 것을 특징으로 하는 CNT 막의 제조방법.
제6항에 있어서,

상기 (i) 단계에서 형성되는 상기 입체 구조물의 표면을 상기 (ii) 단계에서 증착되는 CNT 용액과 반대 극성을 갖는 물질로 표면 처리하는 것을 특징으로 하는 CNT 막의 제조방법.
제6항에 있어서,

상기 (i) 단계에서, 상기 투명 기판 위에 형성되는 상기 입체 구조물은 상기 투명 기판과 접촉하는 부분의 직경이 나노 크기인 것을 특징으로 하는 CNT막의 제조방법.
제6항에 있어서,

상기 (ii) 단계 후에, (ⅲ) 상기 입체 구조물의 표면에 증착되어 있는 CNT를 제거하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 CNT 막의 제조방법.
제10항에 있어서,

상기 (ⅲ) 단계는 상기 CNT를 태핑(tapping)방식으로 세척하거나 또는 탈이온화 워터(DI water), 유기용매로 세척함으로써 제거하는 것을 특징으로 하는 CNT 막의 제조방법.
제6항에 있어서,

상기 (i) 단계에서, 상기 3차원 입체 구조물의 형성은 임프린트, 레이저, 에칭 또는 포토리소그래피 방법에 의해 이루어지는 것을 특징으로 하는 CNT 막의 제조방법.
제6항에 있어서,

상기 (ii) 단계에서 증착되는 CNT 용액은 물 또는 유기계에 분산되어 있는 용액인 것을 특징으로 하는 CNT 막의 제조방법.
제13항에 있어서,

상기 물 또는 유기계에 분산되어 있는 CNT 용액은 분산제를 포함하는 것을 특징으로 하는 CNT 막의 제조방법.
제1항 내지 제5항 중 어느 한 항의 CNT 막을 포함하는 CNT 전극.