KR20090038326A - 플렉서블 투명전극 제조 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 탄소나노튜브(Cabon Nano Tube, CNT)/전도성 고분자 박막의 이형 패턴을 가지는 플렉서블 투명전극 제조 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 기존의 포토리소그라 피 공정을 사용하지 않고, 소프트 리소그라피 공정을 사용하여 전도성 고분자 박막 패턴을 형성한 뒤 자기 조립층(Self Assembled Monolayer, SAM) 처리를 실시하여 얼라인할 필요없이 상부에 탄소나노튜브(CNT)를 형성시켜 이형의 패턴을 가지는 플렉서블 투명전극 제조 방법에 관한 것이다.
CNT, 전도성 고분자, 이형 패턴, SAM
Description
본 발명은 탄소나노튜브(Cabon Nano Tube, CNT)/전도성 고분자 박막의 이형 패턴을 가지는 플렉서블 투명전극 제조 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 기존의 포토리소그라피 공정을 사용하지 않고, 소프트 리소그라피 공정을 사용하여 전도성 고분자 박막 패턴을 형성한 뒤 자기 조립층(Self Assembled Monolayer, SAM) 처리를 실시하여 얼라인할 필요없이 상부에 탄소나노튜브(CNT)를 형성시켜 이형의 패턴을 가지는 플렉서블 투명전극 제조 방법에 관한 것이다.
종래에 투명전극으로 널리 사용되는 인듐산화주석(Indum , ITO)를 플렉시블 소자에 적용할 때, 외부에서 스트레스(Stress)를 주거나, 구부렸을 때 쉽게 파괴되는 문제가 발생하며, ITO의 주재료인 인듐은 고가일 뿐만 아니라, 한정적 자원으로서 계속적인 사용에 따른 고갈로 인해 이를 대체할 물질이 시급한 상황이다.
이를 대체할 물질로 전도성 고분자 및 탄소나노튜브 등에 관심이 모아지고 있는데, 특히 탄소나노튜브는 다른 후보물질에 비해 우수한 특성을 가지는데, 다른 재료들이 5%이상이 함유되어야만 요구하는 전기전도도가 만족되는데 비해, 탄소나노튜브(CNT)는 침출 문턱(Percolation threshold)가 0.04wt% 이내로 광학적 성질을 그대로 유지하면서 전도도를 만족시킬 수 있다.
그러나, 이를 위해서는 탄소나노튜브(CNT)가 침출(Percolation)을 이루기 위해 분산되는 것이 매우 중요한데 이는 기술적으로 매우 어려울 뿐만 아니라, 전도성 고분자 재료 역시 전도도, 투명도 측면에서 가장 가능성 있는 물질이지만 열적, 화학적 안정성이 떨어지는 문제점이 있으므로 상기 탄소나노튜브와 전도성 고분자 재료를 사용하여 각각의 단점을 보완하려는 추세에 있다.
상기에서 나타낸 바와 같이 탄소나노튜브(CNT)와 전도성 고분자를 복합체로 사용하려는 움직임이 있는데, 이때 가장 중요한 것은 고분자 내에 탄소나노튜브(CNT)를 효과적으로 분산시키는 것이다.
고분자 내에 탄소나노튜브(CNT)를 분산시키는 것에 대한 연구는 3차원 공간의 고분자 내에 탄소나노튜브(CNT)를 최소량으로 분산시킴으로 침출(Percolation)시키는 것은 고분자 표면에서 응집되는 현상과 실제로 공정에서 문제가 되므로 아직도 초기단계이다.
또한, 종래에는 탄소나노튜브(CNT)박막을 패터닝하기 위해서는 보통 화학기상증착법(Chemical Vapor Deposition, CVD)으로 기판상에 탄소나노튜브(CNT)를 형성한 뒤 포토리소그라피(Photolithography) 공정을 이용하여 패터닝하거나 포토리소그라피 공정으로 포토레지스트(PhotoResist, PR) 희생층을 형성하여 그 상부에 소수성 또는 친수성 자기조립 박막층을 형성, 리프트-오프(Lift-off)시킨 후 탄소나노튜브(CNT)를 흡착시키는 방법 등을 이용한다.
도 1은 종래의 탄소나노튜브(CNT)와 전도성 고분자 복합체 제조 방법을 개략적으로 도시한 공정도이다.
도 1을 참조하면, 포토리소그라피 공정을 이용하여 SiO2가 형성된 기판에 포토레지스트(PhotoResist, PR) 희생층을 형성한 뒤(도 1a), 금(Au)을 증착하고(도 1b) 그 상부에 화학적으로 탄소나노튜브(CNT) 흡착이 일어날 수 있는 물질(예를 들어, 양(+)으로 차징(charging)된 극성 물질)을 코팅한다.(도 1c)
다음으로 리프트-오프(lift-off)를 실시하여 포토레지스트(PR)부분을 제거한 뒤(도 1d), 하이드로포빅하며 탄소나노튜브(CNT) 흡착이 일어나지 않는 물질(비극성 물질)을 코팅하여 자기조립 패턴을 형성한 뒤(도 1e), 탄소나노튜브(CNT) 용액에 담그어 탄소나노튜브(CNT) 패턴을 형성시킨다.(도 1f)
그러나, 종래의 공정법은 기본적으로 포토리소그라피 공정이 포함되므로 공정이 복잡하고, 이를 수행하기 위해 각종 장비 등에 소요되는 공간 및 시간, 비용 등이 많이 소비되는 문제가 있다.
또한, 특별히 전도성 고분자는 물, 케미칼, 고온 등에 취약하므로 여기에 포토리소그라피 공정을 적용하게 되면 박막을 손상시킬 수 있을 뿐만 아니라, 패터닝 형성이 불가능한 문제가 있다.
그리고, 각각의 단일막이 아닌 이형의 이층막을 패터닝한다면, 이를 얼라인(align)하는 것이 필수인데, 마이크로 및 나노 사이즈의 미세패턴을 형성할 경우 얼라인이 거의 불가능한 문제가 있다.
상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로써, 본 발명의 목적은 탄소나노튜브(CNT)와 전도성 고분자의 장점을 이용하되 복합체 박막으로 제조할 경우 3차원 공간의 고분자내에 탄소나노튜브(CNT)를 분산시킬 때 발생할 수 있는 분산 및 응집 등의 어려움을 해결하기 위해 고분자 및 탄소나노튜브(CNT) 박막을 각각 따로 형성시켜 각각의 요구물성을 최대화시키며, 탄소나노튜브(CNT) 분산을 2차원의 탄소나노튜브(CNT)박막 내에 형성시킴으로써 소량으로 분산을 최대화시킬 수 있는 플렉서블 투명전극 제조방법을 제공하는 데 있다.
또한, 기존의 포토리소그라피 공정 대신하여 직접 패터닝(direct patterning) 방법 중 하나인 소프트 리소그라피 공정을 사용하여 고분자 박막 패턴시 손상을 줄 수 있는 문제를 해결하고 나노사이즈의 미세패턴까지도 가능하며, 자기조립방법에 의해 고분자와 탄소나노튜브(CNT)를 쉽게 얼라인하여 이형 이층막 패턴을 형성시킬 수 있는 플렉서블 투명전극 제조방법을 제공하는 데 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위해 본 발명의 제 1실시예에 따른 플렉서블 투명전극 제조방법은 (2a) 기판 상에 자가조립층을 형성하는 단계와 (2b) 소프트 리소그라피 공정에 의해 상기 기판 상에 전도성 고분자층을 패터닝하는 단계와 (2c) 상기 기판 상에 탄소나노튜브(CNT) 용액을 이용하여 상기 전도성 고분자층 상 에 탄소나노튜브(CNT)층을 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
그리고, 제 2 실시예에 따른 플렉시블 투명전극 제조방법은 (3a) 기판 상에 소프트 리소그라피 공정에 의해 자가조립층을 패터닝하는 단계와 (3b) 상기 기판 상에 전도성 고분자 용액을 도포하여 상기 자가조립층 이외의 영역에 전도성 고분자층을 형성하는 단계와 (3c) 상기 기판 상에 탄소나노튜브(CNT) 용액을 이용하여 상기 전도성 고분자층 상에 탄소나노튜브(CNT)층을 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 제 3 실시예에 따른 플렉시블 투명전극 제조방법은 (4a) 기판 상에 소프트 리소그라피 공정에 의해 전도성 고분자층을 패터닝하는 단계와 (4b) 상기 기판 상에 자가조립 물질을 도포하여 상기 전도성 고분자층 이외의 영역에 자가조립층을 형성하는 단계와 (4c) 상기 기판 상에 탄소나노튜브(CNT) 용액을 이용하여 상기 전도성 고분자층 상에 탄소나노튜브(CNT)층을 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 자가조립층은 실록산 계통의 물질을 사용하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 탄소나노튜브(CNT)층은 탄소나노튜브 용액내에 기판을 담그거나, 탄소나노튜브 용액을 기판상에 도포하여 형성되는 것을 특징으로 한다.
그리고, 상기 소프트 리소그라피 공정은 보조기판 상에 포토레지스터를 도포하여 패턴을 형성하는 단계와 PDMS를 보조기판 상에 도포하는 단계와 상기 PDMS가 건조하여 PDMS 몰드가 형성되면 상기 보조기판을 분리하는 단계와 상기 분리된 PDMS 몰드에 전도성 고분자 또는 자가조립 물질을 도포하여 상기 기판상에 스탬핑하여 전도성 고분자층 또는 자가조립층을 형성하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 전도성 고분자 용액은 폴리아세틸렌(polyacetylene), 폴리아닐린(polyaniline), 폴리피롤 (polypyrrole), 폴리티오펜(polythiophene) 계열 중 선택된 어느 하나를 사용하는 것을 특징으로 한다.
상기의 과제 해결 수단을 통해 살펴본 바와 같이, 본 발명에 따른 플렉시블 투명전극 제조방법은 하기와 같은 탁월한 효과가 발생한다.
1) 고분자 및 탄소나노튜브(CNT) 박막을 각각 따로 형성시켜 하나의 이층 박막에 포함시켜 제조함으로써 각각의 요구 물성을 최대화시킬 수 있을 뿐만 아니라, 탄소나노튜브(CNT) 분산을 2차원의 탄소나노튜브(CNT) 박막 내에 형성시켜 소량으로 분산을 최대화할 수 있다.
2) 패턴 형성시 기존의 포토리소그라피 공정을 사용하지 않고, 직접 패터닝의 일종인 소프트 리소그라피 공정을 사용하여 패터닝함으로써 고분자 박막을 손상없이 패터닝할 수 있을 뿐만 아니라 공정이 간단하고, 제작 비용을 절감할 수 있다.
3) 나노 임프린트 방법의 일종인 소프트 리소그라피 공정으로 패턴을 형성시킴으로써, 포토리소그라피 공정의 한계인 마이크로 사이즈 패턴을 뛰어넘어 나노 사이즈의 미세한 스케일까지 패턴이 가능하고, 자기 조립법을 또한 사용함으로써 이중층 각 층을 쉽게 얼라인(Align)할 수 있다.
이하, 본 발명의 구체적인 실시예를 도면을 참조하여 상세하게 설명하기로 한다.
도 2는 본 발명의 제 1 실시예에 따른 플렉시블 투명 전극 제조방법을 개략적으로 도시한 공정도이다.
도 2를 참조하면, 이형 이중층을 형성하기 위해 SiO2가 형성된 기판(11) 상에 자가조립 물질을 코팅하여 자가조립층(21)을 형성한다.(도 2a)
여기서, 기판은 유리, 플라스틱 등의 기판이 가능하고, 상기 자가조립 물질은 소수성을 띄는 Octadecyltrichlorosilane(OTS) 등의 실란계열의 물질이 사용될 수 있다.
이어서, 전도성 고분자층(31)를 소프트 리소그라피 공정으로 패터닝한다.(도 2b)
보다 구체적으로 소프트 리소그라피 공정을 도 5를 참조하여 살펴보면, 보조 기판 상에 PR을 도포하고, 마스크를 이용한 포토리소그라피 공정을 통해 상기 도포된 PR을 패터닝한다. 여기서, PR은 포지티브 또는 네가티브형 PR 모두를 사용할 수 있으나 도 5a는 네가티브형 PR을 사용한 것의 예를 도시한 것이다.
PR패턴이 완료되면 PDMS(polydimethylsiloxane)을 기판 상에 도포하여 몰드 틀을 제작한다.(도 5b)
상기 PDMS가 기판 상에 도포되면 건조를 통해 PDMS가 굳어서 PDMS 몰드(53)가 형성된다. 상기 PDMS 몰드가 형성되면 보조기판(51)을 PDMS 몰드(53)로부터 분리하고(도 5c), 패터닝된 PDMS 몰드(53)에 전도성 고분자를 도포하고 상기 기판 상에 스탬핑(Stemping)하고, 열처리하여 전도성 고분자층(31)을 형성하게 된다.
여기서, 기판(11) 상에 자기조립 물질에 의해 자기조립 패턴을 가진 자기조립층(21)이 형성되어 있으므로 상기 기판(11) 상에 탄소나노튜브(CNT) 용액을 도포하면 상기 자기조립층(21)을 제외한 나머지 전도성 고분자층(31) 상부에 탄소나노튜브(CNT) 패턴의 탄소나노튜브(CNT)층(41)이 형성되어 전도성 고분자와 탄소나노튜브(CNT)의 이형 이중층 박막이 형성된다.(도 2c)
여기서, 상기 이형 이중층은 상기 자가조립층(Self-Assembled Monolayer, SAM) 처리에 의해 나노단위의 미세 패턴을 정확하게 얼라인(align)할 수 있다.
도 3는 본 발명의 제 2 실시예에 따른 플렉시블 투명 전극 제조방법을 개략적으로 도시한 공정도이다.
도 3을 참조하면, 먼저 기판(12) 상에 자가조립층(22)을 소프트 리소그라피 공정에 의해 패터닝한다.(도 3a)
여기서, 소프트 리소그라피 공정은 상기 제 1실시예와 같으므로 구체적인 설명은 생략하기로 한다.
상기 제 1 실시예와 같이 소프트 리소그라피 공정에 의해 패터닝된 PDMS 몰드(53)에 자가조립 물질(OTS)을 도포하여 상기 기판상에 스탬핑(Stemping)하여 자 가조립층(22)을 패터닝한다.
상기 자가조립층(22)이 패터닝된 기판(12) 상에 전도성 고분자 용액을 도포하여 전도성 고분자층(32)을 형성한다. (도 3b)
보다 구체적으로, 상기 전도성 고분자 용액을 도포하면 상기 자가조립 패턴을 제외한 나머지 부분에 전도성 고분자 패턴이 형성되며 열처리하여 박막을 고착화시켜서 전도성 고분자층(32)을 형성하게된다.
이어서, 탄소나노튜브(CNT) 용액을 기판(12) 상에 도포하면 마찬가지로 상기 자가조립 패턴을 제외한 전도성 고분자층(32) 상부에만 탄소나노튜브가 흡착하여 이중층 박막 패턴이 형성된다.(도 3c)
도 4는 본 발명의 제 3 실시예에 따른 플렉시블 투명 전극 제조방법을 개략적으로 도시한 공정도이다.
도 4를 참조하면, 먼저 기판(13) 상에 소프트 리소그라피 공정에 의해 전도성 고분자층(33)을 형성한다.(도 4a) 이에 대한 구체적인 공정은 상기 제 1 실시예의 전도성 고분자층 형성과정(도 2b)과 동일하므로 구체적인 설명은 생략하기로 한다.
이어서, 자가조립 물질을 기판 표면에 도포하여 상기 전도성 고분자층(33) 외에 기판의 SiO2가 노출되는 부분에 자가조립 패턴을 가진 자가조립층(23)을 형성시킨다.(도 4b)
다음으로, 탄소나노튜브(CNT) 용액을 도포하여 자가조립 패턴이 형성된 나머 지 부분, 즉 전도성 고분자층(33) 상에 탄소나노튜브(CNT)층(43)을 형성시켜 이형 이중층의 패턴을 형성하게된다.(도 4c)
상기 제 1 내지 3 실시예에 사용되는 전도성 고분자 물질은 전도성 고분자이기만 하면 무엇이나 사용 가능하며, 폴리아세틸렌(polyacetylene), 폴리아닐린(polyaniline), 폴리피롤(polypyrrole), 폴리티오펜(polythiophene) 등이 사용될 수 있다.
이상에서 설명한 본 발명의 상세한 설명에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 본 발명의 보호범위는 상기 실시예에 한정되는 것이 아니며, 해당 기술분야의 통상의 지식을 갖는 자라면 본 발명의 사상 및 기술영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할수 있을 것이다.
도 1은 종래의 탄소나노튜브(CNT)등을 사용한 플렉시블 투명 전극 제조방법을 개략적으로 도시한 공정도이다.
도 2는 본 발명의 제 1 실시예에 따른 플렉시블 투명 전극 제조방법을 개략적으로 도시한 공정도이다.
도 3은 본 발명의 제 2 실시예에 따른 플렉시블 투명 전극 제조방법을 개략적으로 도시한 공정도이다.
도 4는 본 발명의 제 3 실시예에 따른 플렉시블 투명 전극 제조방법을 개략적으로 도시한 공정도이다.
도 5는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 소프트 리소그라피공정을 개략적으로 도시한 공정도이다.
*도면의 주요부분에 대한 부호의 설명*
11, 12, 13 : 기판 21, 22, 23 : 자가조립층
31, 32, 33 : 전도성 고분자층 41, 42, 43 : 탄소나노튜브층
51 : 보조기판 52 : PR
53 : PDMS 몰드
Claims (7)
- (a) 기판 상에 자가조립층을 형성하는 단계와;(b) 소프트 리소그라피 공정에 의해 상기 기판 상에 전도성 고분자층을 패터닝하는 단계와;(c) 상기 기판 상에 탄소나노튜브(CNT) 용액을 이용하여 상기 전도성 고분자층 상에 탄소나노튜브(CNT)층을 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 플렉시블 투명전극 제조방법.
- (a) 기판 상에 소프트 리소그라피 공정에 의해 자가조립층을 패터닝하는 단계와;(b) 상기 기판 상에 전도성 고분자 용액을 도포하여 상기 자가조립층 이외의 영역에 전도성 고분자층을 형성하는 단계와;(c) 상기 기판 상에 탄소나노튜브(CNT) 용액을 이용하여 상기 전도성 고분자층 상에 탄소나노튜브(CNT)층을 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 플렉시블 투명전극 제조방법.
- (a) 기판 상에 소프트 리소그라피 공정에 의해 전도성 고분자층을 패터닝하 는 단계와;(b) 상기 기판 상에 자가조립 물질을 도포하여 상기 전도성 고분자층 이외의 영역에 자가조립층을 형성하는 단계와;(c) 상기 기판 상에 탄소나노튜브(CNT) 용액을 이용하여 상기 전도성 고분자층 상에 탄소나노튜브(CNT)층을 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 플렉시블 투명전극 제조방법.
- 제 1항 내지 제 3항 중 선택된 어느 하나의 항에 있어서,상기 자가조립층은소수성의 실록산 계통의 물질을 사용하는 것을 특징으로 하는 플렉시블 투명전극 제조방법.
- 제 1항 내지 제 3항 중 선택된 어느 하나의 항에 있어서,상기 탄소나노튜브(CNT)층은탄소나노튜브 용액내에 기판을 담그거나, 탄소나노튜브 용액을 기판상에 도포하여 형성되는 것을 특징으로 하는 플렉시블 투명전극 제조방법.
- 제 1항 내지 제 3항 중 선택된 어느 하나의 항에 있어서,상기 소프트 리소그라피 공정은보조기판 상에 포토레지스터를 도포하여 패턴을 형성하는 단계와;PDMS를 보조기판 상에 도포하는 단계와;상기 PDMS가 건조하여 PDMS 몰드가 형성되면 상기 보조기판을 분리하는 단계와;상기 분리된 PDMS 몰드에 전도성 고분자 또는 자가조립 물질을 도포하여 상기 기판상에 스탬핑하여 전도성 고분자층 또는 자가조립층을 형성하는 것을 특징으로 하는 플렉시블 투명전극 제조방법.
- 제 1항 내지 제 3항 중 선택된 어느 하나의 항에 있어서,상기 전도성 고분자 용액은폴리아세틸렌(polyacetylene), 폴리아닐린(polyaniline), 폴리피롤 (polypyrrole), 폴리티오펜(polythiophene) 계열 중 선택된 어느 하나를 사용하는 것을 특징으로 하는 플렉시블 투명전극 제조방법.
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| KR101136504B1 (ko) * | 2009-12-07 | 2012-04-17 | 한국과학기술원 | 초소수성 표면을 포함하는 펩타이드 나노구조체의 제조방법 |
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- 2007-10-15 KR KR1020070103757A patent/KR100963204B1/ko active IP Right Grant
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