KR20090038760A - 투명 전극 및 그 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 투명 전극 및 그 제조방법을 개시한다. 본 발명에 따르면, 투명한 도전성 물질로 일정 영역에 걸쳐 형성된 도전층; 및 다수의 애퍼처(aperture)를 갖도록 탄소나노튜브 물질로 패턴 형성된 탄소나노튜브 패턴층;을 구비하며, 도전층과 탄소나노튜브 패턴층 중 선택된 어느 하나가 기질 위에 형성되고, 도전층과 탄소나노튜브 패턴층이 적층되어 배치된 것을 특징으로 한다.

투명, 전극, 탄소나노튜브, 패턴

Description

투명 전극 및 그 제조방법{Transparent electrode and method of manufacturing the same}

본 발명은 각종 평판 디스플레이와, 터치 패널, 발열체 등의 분야와 같이 높은 광투과율이 요구되는 분야에서 사용되는 투명 전극 및 그 제조방법에 관한 것이다.

투명 전극은 TFT-LCD(thin film transistor-liquid crystal display), PDP(plasma display panel), OLED(organic light emitting diode) 등과 같은 평판 디스플레이와, 터치 패널, 전자파 차폐막, 정전기 방지막, 열반사막, 면발열체 및 광전변환소자 등 다양한 분야에 적용되고 있다.

통상적으로, 투명 전극의 전도성은 투과도와 반비례하는 특성이 있다. 이는 투명 전극의 전도성을 향상시키기 위해 투명 전극을 이루는 물질을 기질 위에 다량으로 코팅해야하므로 투명 전극의 투과도가 낮아지기 때문이다.

투명 전극 물질로는 인듐-주석 산화물(indium tin oxide, ITO)이나, 전도성 고분자가 이용되고 있으며, 근래에는 ITO와 전도성 고분자의 대체 물질로서 탄소나노튜브(carbon nanotube, CNT)도 이용되고 있다.

그런데, 전술한 물질로서 투명 전극을 제조함에 있어서, 높은 투과도를 유지하면서 전도성을 일정 값 이상으로 올리는 데는 한계가 있다.

예를 들면, ITO 물질로 기질 위에 대면적으로 코팅하여 투명 전극을 제조하게 되면, 투명 전극의 전류 공급 부위로부터 거리가 멀어질수록 전류의 흐름이 감소하는 현상이 나타난다. 이러한 문제점 때문에 높은 전도성을 요구하는 대면적 투명 전극에는 금속을 사용하고 있는 것이 일반적이다. 즉, ITO 투명 전극 위에 Ag 등과 같은 금속을 실선으로 코팅하여 보완하고 있는데, 그에 따라 금속 사용에 의해 투과도가 낮아지게 된다. ITO 투명 전극의 투과도를 증가시키기 위해 금속 사용량을 줄이려는 시도가 있으나, 투과도를 증가시키는 데는 한계가 있는 실정이다.

그리고, 전도성 고분자나 그 유도체로 코팅된 투명 전극의 경우에는 동일한 투과도 조건에서 ITO 투명 전극 대비 면저항이 매우 크기 때문에 일정 크기 이상의 전도성을 가지면서 높은 투과도를 갖기에는 한계가 있다. 또한, 탄소나노튜브로 형성된 투명 전극의 경우 전도성이 우수한 특성이 있긴 하나, 높은 전도성을 얻기 위해서는 투과도를 감소시킬 수밖에 없는 바, 이 경우에도 일정 크기 이상의 전도성을 가지면서 높은 투과도를 갖기에는 한계가 있을 수밖에 없다.

본 발명의 과제는 상기한 문제점을 해결하기 위한 것으로, 투명한 도전층에 탄소나노튜브 패턴을 형성함으로써, 대면적 투명 전극 제조시 일정 크기 이상의 전도성을 가지면서 높은 투과도를 가질 수 있는 투명 전극 및 그 제조방법을 제공함에 있다.

상기의 과제를 달성하기 위한 본 발명에 따른 투명 전극은 투명한 도전성 물질로 일정 영역에 걸쳐 형성된 도전층; 및 다수의 애퍼처(aperture)를 갖도록 탄소나노튜브 물질로 패턴 형성된 탄소나노튜브 패턴층;을 구비하며, 상기 도전층과 탄소나노튜브 패턴층 중 선택된 어느 하나가 기질 위에 형성되고, 상기 도전층과 탄소나노튜브 패턴층이 적층되어 배치된 것을 특징으로 한다.

그리고, 본 발명에 따른 투명 전극의 제조방법은 투명한 도전성 물질로 일정 영역에 걸쳐 도전층을 형성하는 단계; 및 다수의 애퍼처(aperture)를 갖도록 탄소나노튜브 물질로 탄소나노튜브 패턴층을 형성하는 단계;를 포함하며, 상기 도전층과 탄소나노튜브 패턴층 중 선택된 어느 하나를 기질 위에 형성하고 상기 도전층과 탄소나노튜브 패턴층을 순차적으로 적층하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 투명 전극은 도전층 위에 다수의 애퍼처를 갖는 탄소나노튜브 패턴층이 형성된 구조로 이루어짐으로써, 대면적이더라도 애퍼처 비(aperture ratio)의 조절에 의해 일정 크기 이상의 전도성을 가지면서 높은 투과도를 가질 수 있다. 즉, 전극 전체에 일정한 전기의 흐름이 가능한 대면적 투명 전극의 제조가 가능해질 수 있다.

그리고, 본 발명에 따르면, 투명 전극을 제조함에 있어서, 탄소나노튜브 패턴층이 통상적인 코팅 방법을 활용하여 형성될 수 있으므로, 제조가 용이할 뿐 아니라, 생산 비용이 저렴한 장점이 있을 수 있다.

또한, 본 발명에 따른 투명 전극은 대면적에서 통전율(通電率)의 감소를 보완하여 넓은 면적에 걸쳐 일정한 온도를 유지할 수 있으므로, 대면적의 투명 발열체로도 사용될 수 있는 효과가 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 투명 전극에 대한 사시도이며, 도 2는 도 1의 Ⅱ-Ⅱ선을 따라 절취한 단면도이다.

도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 투명 전극(100)은 도전층(110)과, 탄소나노튜브 패턴층(120)을 구비한다.

도전층(110)은 투명한 도전성 물질로 일정 영역에 걸쳐 형성된다. 예컨대, 도시된 바와 같이, 도전층(110)은 투명한 도전성 물질로써 기질(10) 위에 일정한 두께로 소정 면적을 갖도록 형성될 수 있다. 여기서, 도전성 물질로는 인듐-주석 산화물이나, 전도성 고분자나, 탄소나노튜브가 이용될 수 있다.

한편, 도시하고 있지는 않지만, 기질(10) 위에 탄소나노튜브 패턴층(120)이 먼저 형성된 구조인 경우, 도전층(110)은 탄소나노튜브 패턴층(120) 위에 일정한 두께로 소정 면적을 갖도록 형성됨으로써, 기질(10), 탄소나노튜브 패턴층(120), 도전층(110) 순으로 적층되는 것도 물론 가능하다.

도전층(110) 또는 탄소나노튜브 패턴층(120)이 형성되는 기질(10)은 투명한 플라스틱판 또는 유리기판이 이용될 수 있다. 여기서, 플라스틱판은 열가소성 수지 또는 열경화성 수지로 이루어질 수 있다.

열가소성 수지로는 폴리스티렌 수지, 아크릴계 수지, 폴리메틸메타크릴레이트 수지, 폴리카보네이트 수지, 폴리비닐클로라이드 수지, 폴리비닐리덴클로라이드 수지, 폴리에틸렌 수지, 폴리프로필렌 수지, 폴리아미드 수지, 폴리아미드-이미드 수지, 폴리에테르이미드 수지, 폴리에테르케톤 수지, 폴리아릴레이트 수지, 폴리아세탈 수지, 폴리부틸렌테레프탈레이트 수지, 폴리에틸렌케레프탈레이트 수지 등이 이용될 수 있다.

열경화성 수지로는 셀룰로오스아세테이트 수지, 플루오라이드 수지, 폴리술폰 수지, 폴리에테르술폰 수지, 폴리메틸펜텐 수지, 폴리우레탄 수지 및 디아릴프탈레이트 수지 등이 이용될 수 있다. 플라스틱판은 기계적인 강도를 가지면서 취급상 용이하도록 40㎛ ~ 300㎛의 두께를 가지는 것이 바람직하다.

탄소나노튜브 패턴층(120)은 탄소나노튜브 물질로 다수의 애퍼처(aperture, 121)를 갖도록 패턴 형성된다. 탄소나노튜브 패턴층(120)은 도시된 바와 같이 도전층(110) 위에 패턴 형성됨으로써, 기질(10), 도전층(110), 탄소나노튜브 패턴층(120) 순으로 적층될 수 있다. 이에 한정되지 않고, 탄소나노튜브 패턴층(120)은 기질(10) 위에 형성될 수도 있는데, 이 경우, 도전층(110)은 탄소나노튜브 패턴 층(120) 위에 일정한 두께로 소정 면적을 갖도록 형성됨으로써, 기질(10), 탄소나노튜브 패턴층(120), 도전층(110) 순으로 적층될 수 있다.

탄소나노튜브 패턴층(120)의 애퍼처(121)들은 다각형, 원형, 타원형, 별 모양 중 적어도 하나 이상이 다수 배열된 패턴으로 형성될 수 있다. 상술하면, 탄소나노튜브 패턴층(120)의 애퍼처(121)들은 다각형, 원형, 타원형, 별 모양 각각이 다수 배열된 형태이거나, 다각형, 원형, 타원형, 별 모양이 둘 이상 조합되어 다수 배열된 형태로 이루어질 수 있다.

일 예로, 탄소나노튜브 패턴층(120)에서 애퍼처(121)들은 도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 패턴 형성이 용이하고 애퍼처 비의 조절이 용이하도록 격자 패턴으로 형성될 수 있다. 이 경우, 탄소나노튜브 패턴층(120)에서 격자 패턴은 라인 두께가 20㎚ ∼ 600㎚ 범위이며, 라인 폭이 50㎛ ∼ 1000㎛ 범위이며, 라인 간격이 50㎛ ∼ 4000㎛ 범위로 설정될 수 있는데, 그에 따라 투과도가 30% ∼ 90% 범위로 조절 가능해질 수 있다.

탄소나노튜브 패턴층(120)에 있어서, 라인 두께가 두꺼워지거나, 라인 폭이 커지거나, 라인 간격이 좁아질수록 투과도가 낮아지나, 투명 전극(100)이 대면적인 경우이더라도 도전성을 지닌 탄소나노튜브 패턴층(120)으로 인해 전도성을 높이는데 도움이 될 수 있다. 반면, 라인 두께가 얇아지거나, 라인 폭이 작아지거나, 라인 간격이 넓어질수록, 투명 전극(100)이 대면적인 경우 전도성을 보완하는데 다소 불리할 수 있으나, 투과도가 높아짐으로써 투명 전극의 투과도를 어느 정도 이상으로 확보할 수 있게 된다.

따라서, 라인 두께, 라인 폭, 라인 간격을 적절히 조절하게 되면, 투명 전극(100)은 대면적이더라도 일정 크기 이상의 전도성을 가지면서 높은 투과도를 가질 수 있게 되는 것이다.

가시광 투과성 확보 측면에서, 라인 두께는 100㎚ 이하로 설정되며, 라인 폭은 500㎛ 이하로 설정되며, 라인 간격은 1000㎛ 이상으로 설정되는 것이 바람직하다. 더욱 바람직하게는, 라인 폭은 200㎛ 이하로 설정되며, 라인 간격은 2000㎛ 이상으로 설정될 수 있다.

아울러, 가시광 투과성 확보 측면에서, 탄소나노튜브 패턴층(120)은 40% ∼ 80% 범위의 애퍼처 비(aperture ratio)를 갖도록 형성되는 것이 바람직하다. 여기서, 애퍼처 비는 탄소나노튜브 패턴층(120)에 있어서 탄소나노튜브가 형성된 영역과 형성되지 않은 빈 영역을 전부 포함한 전체 영역에 대해 탄소나노튜브가 형성되지 않은 빈 영역이 차지하는 비율로 정의될 수 있다.

한편, 다른 예로서, 탄소나노튜브 패턴층(120)은 벌집 모양으로 육각형이 다수 배열된 패턴으로 형성되는 것과 같이 다양하게 형성될 수 있으므로, 본 실시예에서 예시한 바에 반드시 한정되지는 않는다.

본 발명의 일 실시예에 따른 투명 전극(100)의 제조방법을 도 3 내지 도 6을 참조하여 설명하면 다음과 같다.

먼저, 도 3에 도시된 바와 같이, 기질(10) 위에 투명한 도전성 물질로 일정 영역에 걸쳐 도전층(110)을 형성한다. 상술하면, 플라스틱판 또는 유리 기판 등으 로 이루어진 기질(10) 위에 투명한 도전성 물질로써 일정한 두께와 소정 면적을 갖도록 도전층(110)을 형성한다. 여기서, 도전성 물질로는 인듐-주석 산화물, 전도성 고분자, 탄소나노튜브 중 어느 하나가 이용될 수 있다.

기질(10) 위에 도전층(110)이 형성된 다음, 도전층(110) 위에 다수의 애퍼처(121)를 갖도록 도 4 내지 도 6에 도시된 바와 같은 과정들에 의해 탄소나노튜브 패턴층(120)을 형성한다.

도 4를 참조하면, 도전층(110) 위에 인쇄법을 이용하여, 형성하고자 하는 패턴의 역상(invert)으로 인쇄물(126)을 인쇄한다. 여기서, 형성하고자 하는 패턴은 애퍼처(121)들이 다각형, 원형, 타원형, 별 모양 중 적어도 하나 이상이 다수 배열된 패턴일 수 있다. 일 예로, 격자 패턴이라면, 라인 폭이 50㎛ ∼ 1000㎛ 이며, 라인 간격이 50㎛ ∼ 4000㎛ 이며, 라인 두께가 20㎚ ∼ 600㎚로 설정될 수 있다. 그리고, 가시광 투과성 확보 측면에서, 패턴은 40% ∼ 80% 범위의 애퍼처 비(aperture ratio)를 갖도록 설정될 수 있다. 이러한 애퍼처 비의 설정에 따라, 투명 전극(100)의 투과도와 전도성이 결정될 수 있는 것이다.

형성하고자 하는 패턴의 역상으로 인쇄물(126)을 인쇄하는 방법은 일반적인 인쇄용 잉크나 토너 등을 이용한 통상적인 프린터에 의한 방법이나, 스크린 인쇄법, 그라비아(Gravure) 인쇄법 등이 이용될 수 있다.

전술한 바와 같이, 도전층(110) 위에 역상으로 인쇄물(126)이 인쇄된 다음, 도 5에 도시된 바와 같이, 인쇄물(126)이 인쇄된 도전층(110) 위에 탄소나노튜브 용액을 도포하여 전면적에 걸쳐 탄소나노튜브 박막(127)을 코팅한다. 여기서, 탄 소나노튜브 용액은 물, 알콜, 기타 유기용제 중 적어도 어느 하나에 분산되거나, 하나 이상의 바인더와 혼합된 것이 이용될 수 있다. 그리고, 탄소나노튜브 용액의 농도는 1 ∼ 50 wt% 로 설정될 수 있다. 이러한 탄소나노튜브 용액은 역상으로 인쇄물(126)이 인쇄된 도전층(110) 위에 균일하게 도포됨으로써, 탄소나노튜브 박막(127)이 용이하게 형성되게 한다.

탄소나노튜브 용액으로 탄소나노튜브 박막(127)을 코팅하는 방법은 분무 방식 코팅법이나, 스핀 코팅(spin coating)법이나, 바 코팅(bar coating)법 등이 이용될 수 있다.

전술한 바와 같이, 도전층(110) 위에 탄소나노튜브 박막(127)이 코팅 완료된 다음, 도 6에 도시된 바와 같이, 인쇄물(126)을 제거한다.

여기서, 인쇄물(126)을 제거하는 방법은 습식 초음파 세정 방법이나, 유기 용제를 이용한 세정 방법 등이 이용될 수 있다. 세정하는 동안, 인쇄물(126) 위에 코팅된 탄소나노튜브 박막(127) 부위는 잉크 혹은 토너 제거과정에서 이와 함께 제거되나, 도전층(110) 위에 바로 코팅된 탄소나노튜브 박막(127) 부위는 도전층(110)과의 높은 표면 접합력에 의해 도전층(110)에 그대로 잔존하게 된다. 그 결과, 인쇄물(126)의 패턴과 반대되는 패턴, 즉 형성하고자 하는 패턴으로 탄소나노튜브 패턴층(120)이 도 6에 도시된 바와 같이 형성될 수 있는 것이다. 이와 같이 본 실시예에 따르면, 탄소나노튜브 패턴층(120)을 형성하는 과정에서, 통상적인 인쇄법이 이용될 수 있으므로, 탄소나노튜브 패턴층(120)을 여러 가지 패턴으로 용이하게 제조할 수 있을 뿐 아니라, 생산 비용도 저렴해지는 장점이 있게 된다.

전술한 바와 같이 탄소나노튜브 패턴층(120)이 형성된 후에는, 도전층(110)에 대한 탄소나노튜브 패턴층(120)의 부착 안정성을 증가시키기 위해 안정화 처리 과정이 추가로 이루어질 수 있다.

한편, 다른 예로서 탄소나노튜브 패턴층을 기질 위에 패턴 형성한 후, 형성된 탄소나노튜브 패턴층 위에 도전층을 일정한 두께와 소정 면적으로 형성함으로써, 기질, 탄소나노튜브 패턴층, 도전층 순으로 적층하는 것도 물론 가능하다. 여기서, 탄소나노튜브 패턴층의 형성 과정은 도 4 내지 도 6에 도시된 바와 같이 이루어질 수 있다.

본 발명은 대면적 투명전극이 필요한 산업 분야나 디스플레이, 발열체 등의 분야에 적용될 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 투명 전극에 대한 사시도.

도 2는 도 1의 Ⅱ-Ⅱ선을 따라 절취한 단면도.

도 3 내지 도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 투명 전극의 제조 방법을 설명하기 위한 도면.

〈도면의 주요 부호에 대한 간단한 설명〉

10..기질 100..투명 전극

110..도전층 120..탄소나노튜브 패턴층

126..인쇄물 127..탄소나노튜브 박막

Claims (16)

1. 투명한 도전성 물질로 일정 영역에 걸쳐 형성된 도전층; 및

   다수의 애퍼처(aperture)를 갖도록 탄소나노튜브 물질로 패턴 형성된 탄소나노튜브 패턴층;을 구비하며,

   상기 도전층과 탄소나노튜브 패턴층 중 선택된 어느 하나가 기질 위에 형성되고, 상기 도전층과 탄소나노튜브 패턴층이 적층되어 배치된 것을 특징으로 하는 투명 전극.
2. 제 1항에 있어서,

   상기 탄소나노튜브 패턴층의 애퍼처들은 다각형, 원형, 타원형, 별 모양 중 적어도 하나 이상이 다수 배열된 패턴으로 형성된 것을 특징으로 하는 투명 전극.
3. 제 2항에 있어서,

   상기 탄소나노튜브 패턴층의 애퍼처들은 격자 패턴으로 형성된 것을 특징으로 하는 투명 전극.
4. 제 3항에 있어서,

   상기 탄소나노튜브 패턴층에서 격자 패턴은 라인 폭이 50㎛ ∼ 1000㎛ 이며, 라인 간격이 50㎛ ∼ 4000㎛ 이며, 라인 두께가 20㎚ ∼ 600㎚ 인 것을 특징으로 하는 투명 전극.
5. 제 1항 내지 제 4항 중 어느 한 항에 있어서,

   상기 탄소나노튜브 패턴층은 40% ∼ 80% 범위의 애퍼처 비(aperture ratio)를 갖도록 형성된 것을 특징으로 하는 투명 전극.
6. 제 5항에 있어서,

   상기 도전층을 이루는 도전성 물질은 인듐-주석 산화물, 전도성 고분자, 탄소나노튜브 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 투명 전극.
7. 투명한 도전성 물질로 일정 영역에 걸쳐 도전층을 형성하는 단계; 및

   다수의 애퍼처(aperture)를 갖도록 탄소나노튜브 물질로 탄소나노튜브 패턴층을 형성하는 단계;를 포함하며,

   상기 도전층과 탄소나노튜브 패턴층 중 선택된 어느 하나를 기질 위에 형성하고 상기 도전층과 탄소나노튜브 패턴층을 순차적으로 적층하는 것을 특징으로 하는 투명 전극의 제조방법.
8. 제 7항에 있어서,

   상기 탄소나노튜브 패턴층을 형성하는 단계는:

   상기 도전층 또는 기질 위에 인쇄법을 이용하여, 형성하고자 하는 패턴의 역 상으로 인쇄물을 인쇄하는 단계; 및

   상기 인쇄물이 인쇄된 도전층 또는 기질 위에 탄소나노튜브 용액을 전면적에 걸쳐 코팅한 후 인쇄물을 제거하는 단계;

   를 포함하는 투명 전극의 제조방법.
9. 제 8항에 있어서,

   상기 탄소나노튜브 용액은 물, 알콜, 기타 유기용제 중 적어도 어느 하나에 분산되거나, 하나 이상의 바인더와 혼합된 것을 특징으로 하는 투명 전극의 제조방법.
10. 제 8항에 있어서,

    상기 탄소나노튜브 용액의 농도는 1 ∼ 50 wt% 인 것을 특징으로 하는 투명 전극의 제조방법.
11. 제 8항에 있어서,

    상기 인쇄물을 제거하는 단계는 습식 초음파 세정 방법과 유기 용제를 이용한 세정 방법 중 어느 하나에 의해 세정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 투명 전극의 제조방법.
12. 제 7항에 있어서,

    상기 탄소나노튜브 패턴층의 애퍼처들을 다각형, 원형, 타원형, 별 모양 중 적어도 하나 이상이 다수 배열된 패턴으로 형성하는 것을 특징으로 하는 투명 전극의 제조방법.
13. 제 7항에 있어서,

    상기 탄소나노튜브 패턴층의 애퍼처들을 격자 패턴으로 형성하는 것을 특징으로 하는 투명 전극의 제조방법.
14. 제 13항에 있어서,

    상기 탄소나노튜브 패턴층에서 격자 패턴을 라인 폭이 50㎛ ∼ 1000㎛ 이며, 라인 간격이 50㎛ ∼ 4000㎛ 이며, 라인 두께가 20㎚ ∼ 600㎚로 형성하는 것을 특징으로 하는 투명 전극의 제조방법.
15. 제 7항 내지 제 14항 중 어느 한 항에 있어서,

    상기 탄소나노튜브 패턴층을 40% ∼ 80% 범위의 애퍼처 비(aperture ratio)를 갖도록 형성하는 것을 특징으로 하는 투명 전극의 제조방법.
16. 제 15항에 있어서,

    상기 도전층을 이루는 도전성 물질은 인듐-주석 산화물, 전도성 고분자, 탄소나노튜브 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 투명 전극의 제조방법.

Images