KR20090103250A - 투명 전극용 잉크 조성물 및 이를 이용한 투명 전극 제조방법 - Google Patents

투명 전극용 잉크 조성물 및 이를 이용한 투명 전극 제조방법

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KR20090103250A
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김영훈
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Abstract

본 발명은 투명 전극용 잉크 조성물 및 이를 이용한 투명 전극 제조 방법에 관한 것으로, 나노 입자크기의 폴리에틸렌디옥시티오펜계 전도성 고분자 0.1 내지 2중량%; 나노 입자크기의 금속 입자 0.1 내지 5중량%; 탄소 나노튜브 0.1 내지 5중량%; 열경화 또는 UV경화형 가교제 3 내지 50중량%; 및 잔량으로 물, 이소프로판올, 메탄올, 에탄올, 아세톤, 클로로포름, 클로로벤젠, 톨루엔, 아니솔, 벤젠, 디클로로벤젠, 자일렌과 이들의 혼합액 중 하나를 함유하고 있는 것을 특징으로 한다.
따라서, 본 발명은 투명 전극용 잉크 조성물로 제조된 투명전극은 광투과도 및 전기전도도가 우수하여 광범위한 분야의 전극으로 활용할 수 있는 장점이 있다.

Description

투명 전극용 잉크 조성물 및 이를 이용한 투명 전극 제조 방법 { Ink composition for transparent electrode and method of manufacturing transparent electrode using the ink composition }
본 발명은 광투과도 및 전기전도도가 우수한 투명 전극용 잉크 조성물 및 이를 이용한 투명 전극 제조 방법에 관한 것이다.
최근 터치스크린 기능을 탑재한 휴대폰, 개인정보단말기(PDA), 게임기, 네비게이션 및 디지털 미디어 방송(DMB) 수신기 등이 급속히 진보되고, 상품화되면서 정보전달매체가 다양 및 다기능화되고 있다.
차세대 디스플레이인 전자종이, 휘는 디스플레이 및 전자기기 등의 등장은 기존의 전기적 특성만 고려하면 되었던 전극이 이제는 전기적 특성뿐 아니라 광학적, 기계적 특성도 동시에 고려해야 하는 시점에 도달한 것을 의미하고 있다.
현재 전자기기에 사용되고 있는 전극을 크게 두 분류로 나누면 전기적 신호를 전달할 수 있는 배선용 저저항 금속 전극과 광학적으로 투명한 특성을 가진 화소 및 공통전극용 산화물 전극으로 나눌 수 있다.
일반적으로 배선용 전극은 알루미늄, 몰리브덴, 구리 등 비저항이 낮은 금속 물질이 주로 사용되고 있으며 광학적 기능보다는 RC delay에 의한 신호 지연을 최소화할 수 있는 물질을 선택하는 것이 바람직하다.
그리고, 광학적으로 투명하면서 높은 전기전도도를 가진 투명전극으로는 산화물 계열인 ITO(Indium-tin-oxide), IZO(Indium-zinc-oxide), SnO2 등이 산업계에서 널리 사용되고 있다.
이와 더불어, Ag와 Au 등의 금속막을 아주 얇게 제작하여 투명전극으로 사용하는 방법도 있으나, 금속막의 경우 산화물 투명전극에 비해 전기전도도는 높으나 가시광 영역에서의 투과도가 매우 떨어진다는 단점이 있어 널리 사용되지 못하고 있다.
또한, ITO, IZO 등의 산화물 투명전극은 스퍼터링(Sputtering), 전자빔 증착(E-beam evaporation) 등의 방법을 이용하여 진공 상태에서 박막을 형성하게 되는데, 대면적 기판에 전극을 형성할 경우 진공 장치의 규모가 커져 투자 비용이 증가하게 되고 박막의 두께, 전기전도도 등 균일도 확보가 어렵다는 단점이 있다.
또한, 플렉서블 기판 등에 적용하기가 쉽지 않은 기술이다.
특히, 투명전극을 단순 공통전극이 아닌 화소 전극이나 배선 전극으로 사용할 경우에는 포토리소그래피 방법 및 화학적 방법을 이용하여 투명전극을 특정 형태로 패터닝해야 한다.
기존의 포토리소그래피 방법을 거치지 않고 기판 위에 직접 원하는 패턴을 형성하는 기술로는 직접 인쇄법(Direct printing)이 가장 유력시되고 있다.
잉크젯 프린팅, 스탬프 프린팅, 오프셋 프린팅 등으로 잘 알려진 직접 인쇄법은 인쇄 장비 장치 내에서, 또는 미리 패턴된 스탬프를 이용하여 기판 상에 원하는 회로를 형성하는 방법으로서 기존의 복잡한 포토리소그래피 공정을 단순화할 수 있다.
또한, 직접 인쇄법의 경우 포토리소그래피 공정을 제거함으로써 포토레지스트, 현상액, 식각액 등의 폐액 발생을 원천적으로 차단할 수 있다.
현재 사용되고 있는 ITO, IZO 등의 산화물 투명전극을 직접 인쇄법으로 제작하려면 나노 크기를 갖는 산화물 입자를 제조하고 이를 이용하여 잉크나 페이스트를 제조 및 인쇄해야 한다.
그리고, 인쇄된 산화물은 바인더 등의 유기물을 포함하고 있기 때문에 전기전도도의 향상을 위해서는 250℃ 이상의 고온 열처리를 해줘야 한다는 단점이 있어 제조상 문제점을 야기시킬 수 있다.
본 발명은 투명 전극을 제조하는 공정상 발생되는 문제점을 해결하는 것이다.
본 발명의 바람직한 양태(樣態)는,
나노 입자크기의 폴리에틸렌디옥시티오펜계 전도성 고분자 0.1 내지 2중량%; 나노 입자크기의 금속 입자 0.1 내지 5중량%; 탄소 나노튜브 0.1 내지 5중량%;
열경화 또는 UV경화형 가교제 3 내지 50중량%; 및
잔량으로 물, 이소프로판올, 메탄올, 에탄올, 아세톤, 클로로포름, 클로로벤젠, 톨루엔, 아니솔, 벤젠, 디클로로벤젠, 자일렌과 이들의 혼합액 중 하나를 함유하고 있는 것을 특징으로 하는 투명 전극용 잉크 조성물이 제공된다.
본 발명의 바람직한 다른 양태(樣態)는,
나노 입자크기의 폴리에틸렌디옥시티오펜계 전도성 고분자 0.1 내지 2중량%, 나노 입자크기의 금속 입자 0.1 내지 5중량%, 탄소 나노튜브 0.1 내지 5중량%, 열경화 또는 UV경화형 가교제 3 내지 50중량%, 및 잔량으로 물, 이소프로판올, 메탄올, 에탄올, 아세톤, 클로로포름, 클로로벤젠, 톨루엔, 아니솔, 벤젠, 디클로로벤젠, 자일렌과 이들의 혼합액 중 하나를 함유하고 있는 투명 전극용 잉크 조성물을 교반하는 단계와;
상기 교반된 투명 전극용 잉크 조성물을 대상물에 도포하는 단계와;
상기 도포된 투명 전극용 잉크 조성물을 경화시켜 투명 전극을 형성하는 단계로 이루어진 투명 전극 제조 방법이 제공된다.
본 발명은 투명 전극용 잉크 조성물로 제조된 투명전극은 광투과도 및 전기전도도가 우수하여 광범위한 분야의 전극으로 활용할 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명은 투명 전극용 잉크 조성물을 대상물에 직접 도포하여 전극을 형성할 수 있는 효과가 있다.
도 1a와 1b는 본 발명에 따른 투명 전극용 잉크로 투명 전극을 형성하는 방법을 설명하기 위한 개략적인 단면도
도 2는 본 발명에 따른 투명 전극용 잉크로 투명 전극을 형성하는 방법을 설명하기 위한 개략적인 단면도
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 설명하면 다음과 같다.
도 1a와 1b는 본 발명에 따른 투명 전극용 잉크로 투명 전극을 형성하는 방법을 설명하기 위한 개략적인 단면도로서, 먼저, 도 1a에 도시된 바와 같이, 나노 입자크기의 폴리에틸렌디옥시티오펜계 전도성 고분자 0.1 내지 2중량%; 나노 입자크기의 금속 입자 0.1 내지 5중량%; 탄소 나노튜브 0.1 내지 5중량%; 열경화 또는 UV경화형 가교제 3 내지 50중량%; 및 잔량으로 물, 이소프로판올, 메탄올, 에탄올, 아세톤, 클로로포름, 클로로벤젠, 톨루엔, 아니솔, 벤젠, 디클로로벤젠, 자일렌과 이들의 혼합액 중 하나를 함유하고 있는 투명 전극용 잉크 패턴(110)을 대상물(100)에 형성한다.
여기서, 상기 대상물(100)에 투명 전극용 잉크를 도포하고, 도포된 투명 전극용 잉크를 패터닝하여 투명 전극용 잉크 패턴(110)을 형성하거나, 또는 투명 전극용 잉크를 인쇄하여 투명 전극용 잉크 패턴(110)을 형성한다.
그 후, 상기 투명 전극용 잉크 패턴(110)을 경화시켜 투명 전극(120)을 형성한다.(도 1b)
도 2는 본 발명에 따른 투명 전극용 잉크로 투명 전극을 형성하는 방법을 설명하기 위한 개략적인 단면도로서, 본 발명에 따른 투명 전극용 잉크 조성물을 교반한다.(S10단계)
즉, 투명 전극용 잉크 조성물이 나노 입자크기의 폴리에틸렌디옥시티오펜계 전도성 고분자 0.1 내지 2중량%; 나노 입자크기의 금속 입자 0.1 내지 5중량%; 탄소 나노튜브 0.1 내지 5중량%; 열경화 또는 UV경화형 가교제 3 내지 50중량%; 잔량으로 용매를 함유하도록, 용매에 나노 입자크기의 폴리에틸렌디옥시티오펜계 전도성 고분자, 나노 입자크기의 금속 입자, 탄소 나노튜브와 열경화 또는 UV경화형 가교제를 넣고, 나노 입자크기의 폴리에틸렌디옥시티오펜계 전도성 고분자, 나노 입자크기의 금속 입자, 탄소 나노튜브와 열경화 또는 UV경화형 가교제가 용매에 잘 분산되도록 교반하는 것이다.
여기서, 상기 교반된 투명 전극용 잉크 조성물의 점도는 5 ~ 1,000 cPs의 점성을 가지는 것이 바람직하다.
상기 교반은, 상기 입자들이 상기 용매 내에서 균일하게 분산되도록 초음파 발생기를 이용하는 것이 바람직하다.
그 후, 상기 교반된 투명 전극용 잉크 조성물을 대상물에 도포하고(S20단계), 상기 도포된 투명 전극용 잉크 조성물을 경화시켜 투명 전극을 형성한다.(S30단계)
여기서, 상기 교반된 투명 전극용 잉크 조성물을 대상물에 도포하는 것은 스핀 코팅, 잉크젯 프린팅, 딥 코팅, 일렉트로 스피닝, 바 코팅 등의 방법을 이용한다.
이때, 상기 대상물은 소자를 제조하는 기판이 바람직하며, 상기 대상물에 도포하는 것은 상기 교반된 투명 전극용 잉크 조성물로 상기 대상물에 원하는 전극 패턴을 직접 인쇄하는 것이 바람직하다.
그리고, 상기 도포된 투명 전극용 잉크 조성물을 경화시키는 것은 50 ~ 200℃의 온도에서 경화시키는 것이 바람직하다.
또한, 상기 투명 전극의 두께는 0.1 내지 10㎛인 것이 바람직하다.
그리고, 상기 투명 전극은 가시광 영역에서 광투과도 80% 이상이며, 면저항이 1 ~ 500Ω/sq.인 것이 바람직하다.
한편, 본 발명에 따른 투명전극용 잉크 구성물 중 전기 전도성을 부여해 주는 구성물은 폴리에틸렌디옥시티오펜계 전도성 고분자, 금속 재질로 구성된 금속 나노입자, 그리고 탄소 나노튜브이다.
이때, 상기 폴리에틸렌디옥시티오펜계 전도성 고분자는 전기 전도성을 향상시키기 위해 폴리스티렌설포네이트(Polystyrene sulfonate)가 도핑되어 있으며, 크기는 1 나노미터 내지 90 나노미터 정도의 크기를 갖는 것이 바람직하다.
그리고, 상기 폴리에틸렌디옥시티오펜계 전도성 고분자는 잉크 조성물의 총 중량 대비 0.1 내지 2중량% 정도로 함유하는 것이 바람직하다.
또한, 상기 금속 나노입자의 재료로는 Ag, Cu, Au, Ni, W, Mo, Al, Ta, Ti 중 하나인 것이 바람직하다.
이때, 상기 금속 나노입자의 크기는 1 나노미터 내지 90 나노미터가 바람직하며, 잉크 조성물의 총 중량 대비 0.1 내지 5중량% 정도로 함유되는 것이 바람직하다.
그리고, 상기 탄소 나노튜브는 멀티월(Multi-wall) 타입의 탄소 나노튜브, 싱글월(Single-wall) 타입의 탄소 나노튜브와 이들이 혼합된 탄소 나노튜브 중 하나가 사용될 수 있다.
다만, 광투과도 향상을 위해서는 광산란이 적은 싱글월 타입의 탄소 나노튜브를 사용하는 것이 바람직하다.
그리고, 잉크 조성물의 총 중량 대비 0.1 내지 5중량% 정도로 함유되는 것이 바람직하다.
게다가, 본 발명에 따른 투명전극용 잉크 구성물 중 전도성 나노 입자간의 결합력을 증진시키고 전도성 나노입자와 기판과의 접착력을 향상시키기 위해 열경화형 또는 UV경화형 가교제를 총 잉크 중량 대비 3 내지 50중량% 첨가하는 것이 바람직하다.
더불어, 본 발명에 따른 투명전극용 잉크 조성물은 용매로는 물, 이소프로판올, 메탄올, 에탄올, 아세톤, 클로로포름, 클로로벤젠, 톨루엔, 아니솔, 벤젠, 디클로로벤젠, 자일렌 또는 이들 물질로 구성된 혼합액을 사용하는 것이 바람직하며, 나열된 용매에 한정되는 것은 아니다.
＜실시예＞
이스프로판올(IPA; Isopropanol)과 물로 구성된 용매에 전도성 입자인 나노금속입자인 니켈(Ni)과 멀티월(Multi wall) 타입의 탄소나노튜브, 그리고 폴리에틸렌디옥시티오펜계의 전도성 고분자를 하기의 표 1의 조성에 따라 넣고, 교반한 후 다시 UV 경화제를 첨가하여 투명 전극용 잉크를 제조하였다.
＜표 1＞
실시예(중량 %)
실시예1 실시예2 실시예3 실시예4 실시예5
니켈 입자 1 1 3 5 10
멀티월 타입의 탄소 나노 튜브 2 2 2 2 2
폴리에틸렌디옥시티오펜전도성 고분자 1.3 2 1.3 1.3 1.3
UV 경화제 5 5 5 5 5
이소프로탄올 25 25 25 25 25
물 잔량 잔량 잔량 잔량 잔량
상기 표 1의 조성으로 제조된 투명 전극용 잉크를 스핀 코팅 방법으로 코팅하여 투명 전극을 제조해, 각 실시예의 투명 전극의 면저항 특성 및 광투과도는 하기의 표 2와 같이 측정되었다.
여기서, 면저항은 4-point probe 방법으로 측정하였고, 광투과도는 UV-vis 스펙트로포토미터(Spectrophotometer)를 이용하여 550nm 파장대에서의 광투과도를 측정하였다.
＜표 2＞
실시예 1 실시예 2 실시예 3 실시예 4 실시예 5
면저항(Ω/sq.) 200 160 35 1 0.8
광투과도(%,@550nm) 91 89 85 82 65
상기 표 2를 참조하면, 각 실시예의 조성이 달라서, 각 실시예의 면저항과 광투과도는 다른 값으로 측정되었다.
즉, 각 실시예에서 측정된 면저항은 1 내지 500Ω/sq.로 분포되어 면저항 특성이 우수한 것을 알 수 있다.
그리고, 측정된 광투과도는 65 내지 91%로 분포되었고, 나노 금속 입자가 과량 첨가된 실시예 5의 광투과도는 투명 전극으로는 사용하기 어려울 정도로 65%로 측정되었다.
그러므로, 본 발명에 따른 투명 전극용 잉크 조성물은 면저항 특성이 우수하여 전기 전도도가 금속과 유사한 정도로 전극으로 사용할 수 있으며, 광투과도도 우수하여 광학적으로 투명한 투명 전극으로 사용할 수 있는 특성을 가지고 있음을 알 수 있다.
따라서, 본 발명에 따른 잉크 조성물로 제조된 투명 전극은 면저항이 200 ~ 500Ω/sq.인 경우는 디스플레이용 터치 패널, 액정 디스플레이(Liquid crystal display)용 화소 전극, 유기발광 다이오드(Organic light emitting diode)용 화소 전극, 전자종이(Electronic paper)용 배선 및 화소 전극, 전자파 차폐용 전극, 정전기 발생 억제용 전극 등으로 적용이 가능하다.
그리고, 면저항이 1 ~ 200Ω/sq.인 투명전극의 경우, 액정 디스플레이용 배선 전극, 유기박막 트랜지스터(Organic thin-film transistor)용 게이트 및 소스/드레인 전극, 플라즈마 디스플레이(Plasma display panel)용 배선전극, RF-ID(Radio frequency identification)용 안테나 전극, 각종 센서용 전극 등으로 적용이 가능하다.
따라서, 본 발명의 투명 전극용 잉크 조성물로 제조된 투명전극은 광투과도 및 전기전도도가 우수하여 광범위한 분야의 전극으로 활용할 수 있는 장점이 있다.
본 발명은 구체적인 예에 대해서만 상세히 설명되었지만 본 발명의 기술사상 범위 내에서 다양한 변형 및 수정이 가능함은 당업자에게 있어서 명백한 것이며, 이러한 변형 및 수정이 첨부된 특허청구범위에 속함은 당연한 것이다.

Claims (6)

  1. 나노 입자크기의 폴리에틸렌디옥시티오펜계 전도성 고분자 0.1 내지 2중량%; 나노 입자크기의 금속 입자 0.1 내지 5중량%; 탄소 나노튜브 0.1 내지 5중량%;
    열경화 또는 UV경화형 가교제 3 내지 50중량%; 및
    잔량으로 물, 이소프로판올, 메탄올, 에탄올, 아세톤, 클로로포름, 클로로벤젠, 톨루엔, 아니솔, 벤젠, 디클로로벤젠, 자일렌과 이들의 혼합액 중 하나를 함유하고 있는 것을 특징으로 하는 투명 전극용 잉크 조성물.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 금속 입자는,
    Ag, Cu, Au, Ni, W, Mo, Al, Ta와 Ti 중 하나의 입자인 것을 특징으로 하는 투명 전극용 잉크 조성물.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 탄소 나노튜브는 멀티월(Multi-wall) 타입의 탄소 나노튜브, 싱글월(Single-wall) 타입의 탄소 나노튜브와 이들이 혼합된 탄소 나노튜브 중 하나인 것을 특징으로 하는 투명 전극용 잉크 조성물.
  4. 나노 입자크기의 폴리에틸렌디옥시티오펜계 전도성 고분자 0.1 내지 2중량%, 나노 입자크기의 금속 입자 0.1 내지 5중량%, 탄소 나노튜브 0.1 내지 5중량%, 열경화 또는 UV경화형 가교제 3 내지 50중량%, 및 잔량으로 물, 이소프로판올, 메탄올, 에탄올, 아세톤, 클로로포름, 클로로벤젠, 톨루엔, 아니솔, 벤젠, 디클로로벤젠, 자일렌과 이들의 혼합액 중 하나를 함유하고 있는 투명 전극용 잉크 조성물을 교반하는 단계와;
    상기 교반된 투명 전극용 잉크 조성물을 대상물에 도포하는 단계와;
    상기 도포된 투명 전극용 잉크 조성물을 경화시켜 투명 전극을 형성하는 단계로 이루어진 투명 전극 제조 방법.
  5. 청구항 4에 있어서,
    상기 투명 전극용 잉크 조성물을 교반하는 단계는,
    초음파 발생기를 이용하여 상기 투명 전극용 잉크 조성물을 교반하는 것을 특징으로 하는 투명 전극 제조 방법.
  6. 청구항 4에 있어서,
    상기 교반된 투명 전극용 잉크 조성물을 대상물에 도포하는 단계는,
    상기 교반된 투명 전극용 잉크 조성물로 상기 대상물에 전극 패턴을 직접 인쇄하는 단계인 것을 특징으로 하는 투명 전극 제조 방법.
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