KR20130010471A - 표면 임베디드 첨가물을 갖는 구조 및 관련 제조 방법 - Google Patents

표면 임베디드 첨가물을 갖는 구조 및 관련 제조 방법 Download PDF

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알렉산더 초우 미탈
아르준 다니엘 스리니바스
매튜 알. 로빈슨
마이클 유진 영
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이노바 다이나믹스, 인코포레이티드
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Abstract

전기적 도전성 또는 반도전성 첨가물은 다양한 애플리케이션 및 디바이스에서 사용하기 위해 호스트 재료의 표면 내에 임베딩된다. 결과적인 표면 임베디드 구조는 향상된 성능은 물론, 그들의 조성물 및 제조 프로세스로부터 발생하는 비용적 이점을 나타낸다.

Description

표면 임베디드 첨가물을 갖는 구조 및 관련 제조 방법{STRUCTURES WITH SURFACE-EMBEDDED ADDITIVES AND RELATED MANUFACTURING METHODS}
본 발명은 일반적으로 임베디드 첨가물을 갖는 구조에 관한 것이다. 보다 구체적으로, 본 발명은 전기 도전성과 같은 기능을 주는 표면 임베디드 첨가물을 가진 구조에 관한 것이다.
투명 도전성 전극("TCE")은 광투과를 허용하면서, 이러한 TCE를 포함하는 디바이스를 통해 흐르는 전류에 대한 도전 경로를 제공한다. 보통, TCE는 유리 기판의 상부에 배치된, 인듐주석산화물("ITO")과 같은 도핑된 금속 산화물의 코팅으로 형성되어 있다. ITO는 종래의 TCE에서 가장 널리 사용되는 재료인데, 그 이유는 이것이 솔라 플렉스-가중된 투명도 Tsolar 및 시트 저항 R의 특성 사이에서 균형을 유지하여 T solar≥85%의 솔라 플럭스-가중된 투명도에서 R≤10Ω/sq의 성능 레벨에 도달하기 때문이다.
그러나, ITO 코팅은 다수 불리한 점이 있다. 특별히, ITO 코팅은 보통 에너지 집약적인 고온 및 진공 환경에서 소결하고 스퍼터링에 의해 제조되고, 제조 동안 사용되는 에천트는 부식될 수 있고 환경적으로 해로울 수 있다. 또한, 최종 ITO 코팅은 크래킹되기 쉽고 산과 베이시스에 민감할 수 있다. 더욱이, 인듐은 극히 희소한 재료이고, 그 가격은 지난 10년정도에 백배 이상 상승하였다. 높은 투명도 및 높은 전도성의 전통적인 필요에 더하여, 미래는 TCE를 포함하는, 디바이스 및 그 컴포넌트가 종래의 ITO 코팅을 사용하여 달성하기에 어려운, 정교하고, 경량이며, 가요성인 특성을 가질 것을 요구하고 있다. 마찬가지로, 상업적으로, 제조 단가를 낮추는 것이 중요하여서 TCE는 높게 스케일러블하고 효율적인 제조 공정을 사용하여, 낮은 경화 시간으로 대기 온도 및 압력 근방에서 생산가능하여야 한다.
이러한 종래 기술에 대해 여기에 기술된 표면 임베디드 구조 및 관련 제조 방법을 개발할 필요가 있다.
본 발명의 실시예는 정교한 불투명한 도전성 전극, TCE(예를 들어, 태양 전지, 디스플레이 및 조명 장치에 사용됨), 터치 패널, 스마트 윈도우, 전자 페이저, 전자파/무선주파수 실드, 메타재료, 포토닉 디바이스, 플라즈모닉 디바이스, 안테나, 트랜지스터(예를 들어, pn 접합 디바이스, 박막 트랜지스터 및 전계효과 트랜지스터), 다이오드, 발광 다이오드, 유기 발광 다이오드("OLED"), 센서, 액츄에이터, 건축 재료, 빌딩 재료, 일렉트로닉스 케이싱, 컨슈머 디바이스, 메모리 저장 디바이스, 에너지 저장 디바이스(예를 들어, 배터리, 커패시터 및 울트라 커패시터), 태양 에너지 발전 디바이스, 압전 에너지 발전 디바이스, 무선주파수 식별 디바이스, 터미널 도체/냉각/가열 디바이스, 인터커넥트, 하이브리드 디바이스, 주파수 선택 표면 및 디바이스등을 포함하는 다양한 응용 및 디바이스에 사용되는 호스트 재료의 임베딩 표면내에 매립되는 전기 도전성 또는 반도전성 첨가물에 관한 것이다.
표면 임베디드 구조의 실시예는 이들의 조성 및 제조 공정에서 발생하는 비용 장점은 물론, 향상된 성능(예를 들어, 보다 높은 전기 및 열 전도도, 보다 높은 광 투과율, 및 보다 높은 전자계 차폐율 또는 흡수율)을 나타낸다. 이러한 구조는 예를 들어, 호스트 재료의 요구되는 특성(예를 들어, 투명도)을 보존하고 최종 표면 임베디드 구조에 요구되는 추가적인 특성(예를 들어, 전기 도전성)을 주고, 첨가물이 호스트 재료에 물리적으로 매입되는 표면 임베딩 프로세스에 의해 제조될 수 있다.
본 발명의 다른 특징 및 실시예 또한 고려될 수 있다. 상술된 요약 및 다음의 상세한 설명은 본 발명은 임의의 특정 실시예로 한정하는 것이 아니고 단지 본 발명의 일부 실시예를 기술하기 위한 것이다.
본 발명의 일부 실시예의 특성 및 목적을 보다 잘 이해하기 위해, 첨부된 도면과 함께 다음의 상세한 설명을 참조할 수 있다.
도 1a는 첨가물이 기판의 벌크를 통해 혼합된 구조를 도시한다.
도 1b는 기판의 상부에 있는 코팅을 통해 첨가물이 혼합된 구조를 도시한다.
도 1c는 첨가물이 기판의 상부에 중첨되어 또는 표면 증착된 구조를 도시한다.
도 1d 내지 도 1h는 본 발명의 실시예에 따라 구현된 다양한 표면 임베디드 구조를 도시한다.
도 2a 내지 도 2g는 본 발명의 실시예에 따라 구현된 추가 표면 임베디드 구조를 도시한다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른, 첨가물의 로딩 레벨에 대한 저항의 로그 도면이다.
도 4a 내지 도 4c는 본 발명의 실시예에 따라 표면 임베디드 구조를 형성하는 제조 방법을 설명한다.
도 5a는 본 발명의 실시예에 따른 LCD를 도시한다.
도 5b는 본 발명의 실시예에 따른 LCD에 사용되는 컬러 필터를 도시한다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 박막 태양전지를 도시한다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 프로젝티드 용량성 터치 스크린 디바이스를 도시한다.
도 8은 본 발명의 실시예에 따른 OLED 라이팅 디바이스를 도시한다.
도 9는 본 발명의 실시예에 다른 이-페이퍼를 도시한다.
도 10은 본 발명의 실시예에 따른 스마트 윈도우를 도시한다.
도 11은 본 발명의 실시예에 따른, 폴리카보네이트 필름 및 아크릴 내에 표면 임베딩된 실버 나노와이어 네트워크의 (일정한 DC-광 도전비에서의) 투과도 및 상응하는 시트 저항의 트레이드오프 커브를 도시한다.
도 12는 본 발명의 실시예에 따른, 증착직후의 데이터 및 표면 임베딩후의 데이터를 비교하는, 2-스텝 증착 및 임베딩 방법을 통해 제조된 샘플에 수집된 투명도 및 시트 저항 데이터의 테이블이다.
도 13은 본 발명의 실시예에 따른, 표면 임베디드 첨가물을 가진 TCE의 상이한 제조 방법을 위한 전형적인, 평균 시트 저항 및 투명도를 요약하는 테이블이다.
도 14는 본 발명의 실시예에 따른, 호스트 재료의 임베딩 표면에 관련된 첨가물 농도의 다양한 구성을 도시한 도면이다.
정의
다음의 정의는 본 발명의 일부 실시예에 관하여 기술된 엘리먼트의 일부에 적용된다. 이러한 정의는 마찬가지로 여기에서 확장될 수 있다.
여기에 사용된 바와 같이, 단일 용어는 달리 언급이 없는 한 복수의 개념을 포함하고 있다. 따라서, 예를 들어, 물체에 대한 언급은 달리 언급이 없는한 다수의 물체를 포함할 수 있다.
여기에 사용된 바와 같이, 용어 "세트"는 하나 이상의 물체의 집합을 의미한다. 따라서, 예를 들어, 물체의 세트는 단일 물체 또는 다수의 물체를 포함할 수 있다. 세트의 물체는 그 세트의 멤버로서 불릴 수 있다. 세트의 물체는 동일하거나 상이할 수 있다. 일부 예에서, 세트의 물체는 하나 이상의 공통 특징을 공유할 수 있다.
여기에 사용된 바와 같이, 용어 "인접한"은 근방 또는 근접한 것을 의미한다. 인접한 물체는 서로 분리될 수 있거나 서로 실제 또는 직접 접촉될 수 있다. 일부 예에서, 인접한 물체는 서로 연결될 수 있거나 서로 일체로 형성될 수 있다.
여기에 사용된 바와 같이, 용어 "연결하다", "연결된," 및 "연결"은 작동 결합 또는 연결을 의미한다. 연결된 물체는 서로 직접 결합될 수 있거나 또다른 세트의 물체등을 통해 서로 간접적으로 결합될 수 있다.
여기에 사용된 바와 같이, 용어 "실질적으로" 및 "실질상"은 상당한 정도를 가리킨다. 이벤트 또는 환경과 연결되어 사용된 바와 같이, 이러한 용어는 여기에 기술된 제조 방법의 전형적인 허용 레벨과 같은, 이벤트 또는 환경이 가까운 추정치로 발생되는 경우는 물론 이벤트 또는 환경이 정밀하게 발생되는 경우를 나타낼 수 있다.
여기에 사용된 바와 같이, 용어 "선택적" 및 "선택적으로"는 후속되어 기술된 이벤트 또는 환경이 일어날 수 있고 일어나지 않을 수도 있음을 의미하고, 이러한 기재가 이벤트 또는 환경이 발경하는 경우 및 발생하지 않는 경우를 포함하는 것을 의미한다.
여기에 사용된 바와 같이, "내부", "외부", "상부", "하부", "윗방향으로", "하위", "아랫방향으로", "수직의", "수직으로", "측방향의", "측방향으로", "위에" 및 "아래에"는 도면등에 따른, 서로에 대한 물체의 세트의 방위를 나타내지만, 제조 또는 사용동안 이러한 물체의 특정 방위를 요구하는 것은 아니다.
여기에 사용된 바와 같이, 용어 "서브-나노미터 범위" 또는 "서브-nm 범위"는 약 0.1nm 내지 약 1nm와 같은 약 1nm의 아래의 치수 범위를 나타낸다.
여기에 사용된 바와 같이, 용어 "나노미터 범위" 또는 "nm 범위"는 약 1nm 내지 약 1 마이크로미터("㎛")의 치수의 범위를 나타낸다. 이러한 nm 범위는 약 1nm 내지 약 10nm의 치수의 범위를 나타내는 "하위 nm 범위", 약 10nm 내지 약 100nm 의 치수의 범위를 나타내는 "중간 nm 범위" 및 약 100nm 내지 약 1㎛의 치수 범위를 나타내는 "상위 nm 범위"를 포함한다.
여기에 사용된 바와 같이, 용어 "마이크로미터 범위" 또는 "㎛ 범위"는 약 1㎛ 내지 약 1mm의 치수의 범위를 나타낸다. 이러한 ㎛ 범위는 약 1㎛ 내지 약 10㎛의 치수의 범위를 나타내는 "하위 ㎛ 범위", 약 10㎛ 내지 약 100㎛ 의 치수의 범위를 나타내는 "중간 ㎛ 범위" 및 약 100㎛ 내지 약 1mm 치수 범위를 나타내는 "상위 ㎛ 범위"를 포함한다.
여기에 사용된 바와 같이, 용어 "애스펙트 비"는 물체의 최대 치수 또는 정도와 물체의 나머지 치수 또는 정도의 평균의 비를 말하는데, 여기에 나머지 치수는 서로에 대해 그리고 최대 치수에 대해 오소고날하다. 일부 예에서, 물체의 나머지 치수는 실질상 동일하고, 나머지 치수의 평균은 이러한 나머지 치수중 어느 하나에 실질상 대응할 수 있다. 예를 들어, 실린더의 애스펙트 비는 실린더의 길이 및 실린더의 단면 직경의 비를 나타낸다. 또 다른 예로서, 구상의 애스펙트 비는 구상의 최대 축 및 구상의 최소 축의 비를 말한다.
여기에 사용된 바와 같이, 용어 "나노 크기의 첨가물"은 nm 범위에서 적어도 하나의 치수를 갖는 첨가물을 나타낸다. 나노 크기의 첨가물은 광범위한 형상중 하나를 가질 수 있고, 광범위한 재료로 구성될 수 있다. 나노 크기의 첨가물의 예는 나노와이어, 나노튜브 및 나노입자를 포함한다.
여기에 사용된 바와 같이, 용어 "나노와이어"는 실질상 고체상태인 긴, 나노 크기의 첨가물을 나타낸다. 보통, 나노와이어는 nm 범위의 측방향 치수 (예를 들어, 폭, 직경, 또는 직교 방향에 걸쳐서 평균을 나타내는 폭 또는 직경의 형태의 단면 치수), ㎛ 범위의 길이방향 치수 (예를 들어, 길이) 및 약 3 이상인 애스펙트 비를 갖고 있다.
여기에 사용된 바와 같이, 용어 "나노튜브"는 긴, 중공의, 나노 크기의 첨가물을 나타낸다. 보통, 나노튜브는 nm 범위의 측방향 치수 (예를 들어, 폭, 외경, 또는 직교 방향에 걸쳐서 평균을 나타내는 폭 또는 외경의 형태의 단면 치수), ㎛ 범위의 길이방향 치수 (예를 들어, 길이) 및 약 3 이상인 애스펙트 비를 갖고 있다.
여기에 사용된 바와 같이, 용어 "나노입자"는 구상, 나노 크기의 첨가물을 나타낸다. 보통, 나노입자의 각 치수 (예를 들어, 폭, 직경, 또는 직교 방향에 걸쳐서 평균을 나타내는 폭 또는 직경의 형태의 단면 치수)는 nm 범위에 있고, 이러한 나노입자는 약 1과 같은 약 3 미만의 애스펙트 비를 갖고 있다.
여기에 사용된 바와 같이, 용어 "미크론 크기의 첨가물)은 ㎛ 범위의 적어도 하나의 치수를 갖는 첨가물을 나타낸다. 보통,미크론 크기의 첨가물의 각 치수는 ㎛ 범위에 있거나 ㎛ 범위를 넘는다. 미크론 크기의 첨가물은 광범위한 형상중 하나를 가질 수 있고, 광범위한 재료로 형성될 수 있다. 미크론 크기의 첨가물의 예는 마이크로와이어, 마이크로튜브 및 마이크로입자를 포함한다.
여기에 사용된 바와 같이, 용어 "마이크로와이어"는 실질상 고체 상태인 긴, 미크론 크기의 첨가물을 나타낸다. 보통, 마이크로와이어는 ㎛ 범위의 측방향 치수(예를 들어, 폭, 직경, 또는 직교 방향에 걸쳐서 평균을 나타내는 폭 또는 직경의 형태의 단면 치수) 및 약 3 이상인 애스펙트 비를 갖고 있다.
여기에 사용된 바와 같이, 용어 "마이크로튜브"는 긴, 중공의, 미크론 크기의 첨가물을 나타낸다. 보통, 마이크로튜브는 ㎛ 범위의 측방향 치수(예를 들어, 폭, 외경 또는 직교 방향에 걸쳐서 평균을 나타내는 폭 또는 외경의 형태의 단면 치수) 및 약 3 이상의 애스펙트 비를 갖고 있다.
여기에 사용된 바와 같이, 용어 "마이크로입자"는 구상의 미크론 크기의 첨가물을 나타낸다. 보통, 마이크로입자의 각 치수(예를 들어, 폭, 직경, 또는 직교 방향에 걸쳐서 평균을 나타내는 폭 또는 직경의 형태의 단면 치수)는 ㎛ 범위에 있고, 마이크로입자는 약 1과 같이, 약 3 미만의 애스펙트 비를 갖고 있다.
표면 임베디드 첨가물을 갖는 구조
여기에 기술된 표면 임베디드 구조는 전기 도전성 첨가물의 통합을 통해 전기 도전성을 얻는 다른 가능한 방식과 상이하다. 이러한 다른 방식은 도 1a 내지 도 1c에 도시되어 있고 도 1d 내지 도 1h 및 도 2a 내지 도 2g에 도시되고 설명된 향상된 표면 임베디드 구조와 대조된다.
도 1a는 기판(104)의 벌크에 걸쳐 첨가물(102)이 혼합된 구조(100)를 도시하고 있다. 도 1b는 첨가물(108)이 코팅(110)에 걸쳐 혼합되고, (첨가물(108)과 함께) 기판(112)의 상부에 배치된, 구조(106)를 도시하고 있다. 도 1c는 첨가물9116)이 기판(118)의 상부에 얇게 증착되거나 표면 증착된 구조(114)를 도시하고 있고, 이러한 구성에서 기판(118)로의 표면 증착된 첨가물(116)의 부착은 불량하다.
이와 대조적으로, 도 1d 내지 도 1h는 본 발명의 실시예에 따라 구현된 다양한 표면 임베드디 구조(120, 122, 124, 126, 128)를 도시하고 있다. 도 1d는 기판에 대응하는, 호스트 재료(132)의 상부, 임베딩 표면(134)내에 부분적으로 매립되고 부분적으로 노출된 네트워크를 형성하는 표면-임베디드 첨가물(130)의 개략도이다. 도 1d에 도시된 바와 같이, 첨가물(130)의 네트워크는 임베딩 표면(134)에 인접하여 그리고 호스트 재료(132)의 임베딩 영역(138)내에 위치되어 있고, 호스트 재료(132)의 나머지는 대체로 첨가물(130)이 없다. 설명된 실시예에서, 임베딩 영역(138)은 상대적으로 얇아서(예를 들어, 호스트 재료(132)의 전체 두께보다 미만 또는 훨씬 더 작은 두께를 갖거나 첨가물(130)의 특성 치수에 비교가능한 두께를 갖고 있다), "평면" 또는 "평면 형상"으로 불릴 수 있다. 특정 폴리머 또는 폴리머 함유 조성물 재료와 같은 호스트 재료(132)의 적합한 선택을 통해, 기판은 경량은 물론 투명하고 가요성을 가질 수 있다. 그러나, 다른 실시예는 라벨링된 바와 같이 기판이 투명하거나 가용성을 가질 필요가 없도록 구현될 수 있다. (여기에 기술된 다른 표면 임베디드 구조는 물론) 표면 임베디드 구조(120)는 종래의 구조보다 훨씬 더 높은 평활도를 가질 수 있다. 높은 평활도 (예를 들어, 낮은 거칠기)는 예를 들어, 태양전지 및 디스플레이에 사용되는 TCE에 요구될 수 있는데, 그 이유는 거칠기로 인해 인접한 디바이스 층내에 투과될 수 있고 다른 부작용을 나타날 수 있다.
도 1e는 기판에 대응하는, 호스트 재료(142)의 상부 임베딩 표면(140)내에 온전히 매립된 네트워크를 형성하는 표면 임베디드 첨가물(136)의 개략도이다. 도 1e에 도시된 바와 같이, 첨가물(136)의 네트워크는 임베딩 표면(140)에 인접하여 그리고 호스트 재료(142)의 임베딩 영역(144)내에 위치되어 있고, 호스트 재료(142)의 나머지에는 대체로 첨가물(136)이 없다. 도시된 실시예에서, 임베딩 영역(144)은 비교적 얇아서(예를 들어, 호스트 재료(142)의 전체 두께보다 작거나 훨씬 더 작은 두께를 갖거나, 첨가물(136)의 특성 치수에 비교가능한 두께를 갖고 있다), "평면" 또는 "평면 형상"으로 불릴 수 있다. 이러한 방식으로, 첨가물(136)의 네트워크는 특정 비교적 균일한 거리 만큼 임베딩 표면(140)의 아래에 온전히 매립되어 있음에도 불구하고, 실질상 평면 상태로 남을 수 있다. 특정 폴리머 또는 폴리머 함유 조성물 재료와 같은, 호스트 재료(142)의 적합한 선택을 통해, 기판은 경량은 물론 투명하고 가요성을 가질 수 있다. 그러나, 다른 실시예가 기판이 라벨링된 바와 같이 투명하거나 가요성을 가질 필요가 없도록 구현될 수 있다.
도 1f는 기판에 대응하는, 호스트 재료(150)의 상부 임베딩 표면(148)내에 온전히 매립된 네트워크를 형성하는 표면 임베드디 첨가물(146)의 개략도이다. 도 1f에 도시된 바와 같이, 첨가물(146)의 네트워크는 임베딩 표면(148)에 인접하여 그리고 호스트 재료(150)의 임베딩 영역(152)내에 위치되어 있고, 호스트 재료(150)의 나머지에는 첨가물(146)이 대체적으로 없다. 도시된 실시예에서, 임베딩 영역9152)의 두께는 첨가물(146)의 특성 치수(예를 들어, 첨가물(146)중 개별적인 첨가물의 단면 직경 또는 첨가물(146)을 가로지르는 평균 단면 직경) 보다 크지만, 호스트 재료(150)의 전체 두께보다 훨씬 더 작다. 첨가물(146)은 다층으로서 임베딩 영역(152)내에 분포되어 있거나 배열될 수 있고, 특정층의 첨가물(146)은 임베딩 표면(148) 아래에 온전히 매립되어 있음에도 불구하고, 실질상 평면 구성으로 남아 있다. 도 1f에 도시되지 않았음에도 또 다른 구현이 도 1f에 유사하지만, 첨가물(146)의 네트워크가 호스트 재료(150)의 임베딩 표면(148)에 부분적으로 노출되어 있음에 주목해야 한다.
도 1g는 기판(160)의 상부에 배치된, 슬러리 또는 페이스트와 같은, 코딩 또는 다른 2차 재료에 대응하는, 호스트 재료(158)의 상부 임베딩 표면(156)내에 부분적으로 매립되고 부분적으로 노출된 네트워크를 형성하는 표면 임베디드 첨가물(154)의 개략도이다. 도 1g에 도시된 바와 같이, 첨가물(154)의 네트워크는 임베딩 표면(156)에 인접하여 그리고 호스트 재료(158)의 임베딩 영역(162)내에 위치되어 있고, 호스트 재료(158)의 나머지에는 대체로 첨가물(154)이 없다. 첨가물(154)은 첨가물(154)의 특성 치수에 비교가능한 두께를 갖는 비교적 얇은 코팅의 경우에 같이, 호스트 재료(158)내의 보다 큰 볼륨 프랙션을 통해 분포될 수 있다. 도시된 실시예에서, 임베딩 영역(162)은 비교적 얇아서, "평면" 또는 "평면 형상"으로 불릴 수 있다. 도 1g에는 도시되지 않았지만, 첨가물(154)의 네트워크가 호스트 재료(158)의 임베딩 표면(156) 아래에 온전히 매립된 또 다른 구현예가 도 1g 와 유사하다는 것에 주목해야 한다.
도 1h는 순서지정된 패턴을 형성하도록 호스트 재료(166)에 걸쳐 위치된 네트워크를 형성하는 표면 임베드디 첨가물(164)의 개략도이다. 호스트 재료(166)의 임베딩 영역(162)내에 위치되고 상부 임베딩 표면(168)내에 부분적으로 매립될 수 있거나(예를 들어, 도 1d 및 도 1g와 유사하다), 임베딩 표면(168) 아래에 온전히 매립되거나(예를 들어, 도 1e 및 도 1fd와 유사하다), 네트워크가 호스트 재료(166)를 가로질러 균일하게 위치되지 않고 패턴화된, 그 조합이 될 수 있다. 도 1h에 그리드 패턴이 도시되어 있지만, 패턴은, 일반적으로, 다이아몬드 패턴, 정방형 패턴, 직방형 패턴, 삼각형 패턴, 다양한 다각 패턴, 웨이브 패턴, 앵귤러 패턴, (예를 들어, 전자 디바이스, 디스플레이, 태양 패널, 배터리 또는 울트라 커패시터와 같은 에너지 저장 디바이스내의 회로 형태의) 인터커넥트 패턴와 같은 규칙적인 패턴은 물론 불규칙 (또는 비주기, 랜덤) 패턴, 또는 임의의 조합을 포함할 수 있다는 것에 주목해야 한다. 도 1I는 패턴의 형성이 일어남에도 불구하고, 이러한 패턴의 "라인" 섹션의 줌업 뷰는 개별적인 "라인" 섹션의 구성이 도 1d 내지 도 1g 및 아래의 도 2에 도시된 구성의 어느 하나 또는 그 조합과 유사한 표면 임베디드 첨가물을 포함하고 있다는 것을 도시하고 있다. (도 1d 내지 도 1g 및 도 2에 도시된 첨가물은 물론) 첨가물(164)은 실버(또는 Ag) 나노와이, 구리(또는 Cu) 나노와이어, 또는 그 조합과 같은 금속 나노와이어를 포함하고, 평균적으로 이러한 패턴의 특성 길이(예를 들어, 개별적인 "라인" 섹션의 길이)보다 짧은 길이방향 치수, 평균적으로, 이러한 패턴의 특성 폭(예를 들어, 개별적인 "라인" 섹션의 폭)보다 긴 길이방향 치수 또는 양측을 모두 갖는 것이 바람직하다. 또한 실버 나노입자와 같은 금속 나노입자를 포함하는 나노입자와 같은 다른 타입의 첨가물 및 다른 첨가물의 조합이 금속 나노와이어 대신에 또는 조합되어 사용될 수도 있다. 일부 실시예에서, 첨가물(164)은 소결되거나 용융되어 솔리드 라인을 형성할 수 있고, 이것은 터치 스크린 디바이스 및 스마트 윈도우와같은 디바이스에서 사용되기 위한 인터커넥트 또는 인터커넥션 그리드로서 기능할 수 있다. 이러한 실시예는 향상된 내구성을 포함하고, 박리화될 수 있고 도전성을 억제하거나 저항을 증가시킬 수 있는 코팅 또는 다른 결합 재료의 생략을 허용하는, 종래의 방식에 대해 다수의 장점을 제공한다.
표면 임베디드 구조의 다른 구성이 도 2a 내지 도 2g에 도시되어 있다. 도 2a 내지 도 2g에 도시된 표면 임베드디 구조의 특정 특징이 도 1d 내지 도 1h에 도시되고 상술된 것과 유사한 방식으로 구현될 수 있고, 이러한 특징은 아래에 반복되지 않는다.
도 2a는 네트워크가 상이한 타입의 나노와이어, 상이한 타입의 나노튜브 또는 그 조합의 형태로 적어도 2개의 상이한 타입의 첨가물(200, 202)을 포함하는 네트워크를 형성하는 표면 임베드디 첨가물의 개략도이다. 일반적으로, 첨가물(200, 202)은 예를 들어, 이들의 치수, 형상, 재료 조성, 또는 조합에 있어서 상이할 수 있다. 도 2a에 도시된 바와 같이, 첨가물(200, 202)은 층 배열과 같은, 특정 배열에서 임베딩 영역(204)내에 위치되어 있다. 각 층은 상이한 타입의 첨가물 역시 층 사이를 가로지르지만, 주로, 각각, 상이한 타입의 첨가물을 포함할 수 있다. 이러한 첨가물(200, 202)의 층 배열은 또한 상이한 임베딩 영역에 있어서 기술되지 룻 있고, 각 상이한 타입의 첨가물은 각 임베딩 영역내에 위치되어 있다. 첨가물(200, 202)이 온전히 매립되어 있는 것으로 도시되어 있지만, 첨가물(200, 202)의 적어도 일부가 부분적으로 매립될 수 있고 표면 노출될 수도 있다. 도 2b는 도 2a와 유사한 개략도이지만, 적어도 2개의 상이한 타입의 첨가물(206, 208)이 상이한 타입의 나노입자의 형태를 갖고 있다. 이러한 나노입자는 나노와이어 및 나노튜브중 어느 하나 또는 양측과 조합되어 포함될 수도 있다. 또한, 특정 타입의 첨가물에 있어서 여기에 기술된 다른 실시예가 상이한 타입의 첨가물에 의해 구현될 수도 있다. 첨가물(206, 208)이 온전히 매립되어 있는 것으로 도시되어 있지만, 첨가물(206, 208)의 적어도 일부는 부분적으로 매립될 수 있고 표면 노출될 수도 있다.
도 2c는 기판에 대응하는 호스트 재료(212)내에 부분적으로 매립된 표면 임베드드 첨가물(210)의 개략도이고, 여기에서, 코팅(214)은 첨가물(210)의 주변에 적어도 하나의 층을 채우고, 첨가물(210)을 온전히 덮거나 도 2c에 도시된 바와 같이 부분적으로 노출된 상태로 한다. 이러한 코팅(214)은 호스트 재료(212) (또는 여기에 기술된 다른 호스트 재료)와 동일하거나 유사한 조성을 가질 수 있거나, 태양 전기용 TCE에서 작동 기능을 조정하기 위한 버퍼층으로서 기능하는 전기 도전성 재료 또는 반도체(예를 들어, ITO, ZnO(i), ZnO:Al, ZnO:B, SnO2:F, CD2SnO4, CdS, ZnS, 다른 도핑된 금속산화물, 전기 도전성 또는 반도전성 폴리머, 카르본 나노튜브 기반 코팅과 같은 풀러렌계 코팅, 또는 투명한 또 다른 전기 도전성 재료)를 사용하여 구현될 때와 같이, 추가 또는 수정된 기능을 제공하도록, 또는 표면 임베드디 첨가물(210)에 의해 제공된 도전 경로 대신에 또는 조합되어 전류 도전 통로를 제공하도록 상이한 조성을 가질 수 있다. 예를 들어, ITO의 경우에, 표면 임베디드 첨가물(210)이 존재하면, 사용되는 ITO의 양이 감소하여, 약 100nm를 초과하지 않고, 약 75nm를 초과하지 않고, 약 50nm를 초과하지 않고, 약 40nm를 초과하지 않고, 약 30nm를 초과하지 않고, 약 20nm를 초과하지 않고, 약 10nm를 초과하지 않고, 약 5nm 이하와 같은 (첨가물(210)의 부재와 비교하여) 감소된 두께의 코팅(214)이 가능하므올써 비용을 절감할 수 있다. 또한, 표면 임베디드 첨가물(210)이 존재하면 저온 경화로 (스퍼터링 대신에) ITO의 솔루션 증착이 가능할 수 있다. 비교적 낮은 도전성 ITO의 최종층은 작업 기능 매칭을 만족시킬 수 있고, 첨가물(210)은 고온 경화 없이 솔루션-증착된 ITO에 의해 나타난 감소된 도전성을 경감시킬 수 있다. 첨가물(210)이 패턴(예를 들어, 그리드 패턴 또는 도 1h에 설명된 것과 같은 임의의 다른 패턴)으로 배열될 수 있고, 코팅(214)은 실질상 매칭하는 패턴(예를 들어, 매칭 그리드 패턴 또는 도 1h에 설명된 것과 같은 임의의 다른 매칭패턴)에 의해 형성될 수 있어서 온전히 첨가물(210)을 덮거나 부분적으로 노출되도록 할 수도 있다.
도 2d는 도 1d와 유사한 개략도이지만, 나노입자(216)는 나노와이어(218)(또는 다른 높은 애스펙트 비 첨가물)와 조합되어 표면 임베딩되어 있고 "평면" 또는 "평면형상"의 임베딩 영역(222)내에 위치되어 있다. 도시되지는 않았지만, 나노입자(216)와 나노와이어(218)의 어느 하나 또는 양측은 온전히 상부 임베딩 표면(220) 아래에 있을 수 있다(예를 들어, 도 1e 또는 도 1f에 도시된 구성과 유사하다).
도 2e는 도 1d와 유사한 개략도이지만, 적어도 2개의 타입의 첨가물(224, 226)이 상이한 타입의 나노와이어, 상이한 타입의 나노튜브, 또는 나노와이어와 나노튜브의 조합의 형태를 갖고 있다. 도시되지는 않았지만, 상이한 타입의 첨가물(224, 226)의 어느 하나 또는 양측은 온전히 상부, 임베딩 표면(228)의 아래에 있을 수 있다(예를 들어, 도 1e 또는 도 1f에 도시된 구성과 유사하다.).
도 2f는 필름의 형태와 같은 호스트 재료(230)의 개략도이고, 이러한 호스트 재료(230)는 호스트 재료(230)의 어느 한측에 첨가물과 함께 매립되어 있다. 특히, 호스트 재료(230)의 상부 임베딩 표면(236)내에 적어도 부분적으로 매립되어 있고 상부 임베딩 표면(236)에 인접하여 호스트 재료(230)의 임베딩 영역(2400내에 위치되어 있고, 첨가물(234(는 호스트 재료(230)의 하부, 임베딩 표면(238)내에 적어도 부분적으로 매립되어 있고 하부 임베딩 표면(238)에 인접하여 그리고 호스트 재료(230)의 임베딩 영역(242)내에 위치되어 있다. 호스트 재료(230)의 임의의 특정 사이드에 대해, 호스트 재료(230)내의 첨가물의 매립의 정도 또는 상이한 타입의 첨가물의 포함의 정도는 상술된 바와 유사한 방식 그리고 아래에 설명되는 방식으로 구현될 수 있다. 또한, 첨가물은 호스트 재료(230)의 측방향 표면의 어느 하나 또는 그 이상과 같은, 호스트 재료(230)의 추가 표면내에 매립될 수도 있다.
도 2f에 도시된 표면 임베디드 구조는 예를들어, 에너지 저장 디바이스에 사용될 수 있는데, 여기에서, 호스트 재료(230)는 솔리드 폴리머 전해질 재료를 포함하고, 첨가물(232, 234)은 한 쌍의 전극 또는 전류 콜렉터로서 기능하고 카르본, 금속, 금속 산화물, 카르본 블랙, 그랜핀, 또는 그 조합과 전기 도전성 재료를, 나노입자, 마이크로입자, 나노와이어, 마이크로와이어, 나노튜브, 마이크로튜브, 또는 다른 형태 또는 이러한 형태의 조합으로 포함하고 있다. 도 2f에 도시된 표면 임베디드 구조는 또한 터치 스크린 디바이스에 사용될 수 있는데, 여기에서, 첨가물(232, 234)은 한 쌍의 전극으로서 기능하고, 첨가물(232, 234) 사이의 호스트 재료(230)의 영역은 박막 서퍼레이터로서 기능한다.
도 2g는 도 2c와 유사한 개략도이지만, 표면 임베디드 첨가물(244)은 기판(248)의 상부에 배치된 코팅과 대응하는, 호스트 재료(246)내에 부분적으로 매립되어 있고, 또 다른 코팅(250)이 첨가물(244) 주변의 적어도 하나의 층을 채우고 전기적으로 첨가물(244)와 결합되어 있어서, 도 2g에 도시된 바와 같이, 첨가물(244)을 부분적으로 노출시키거나 온전히 덮는다. 첨가물(244)을 온전히 덮음으로써, 코팅(250)의 최종 표면은 매우 평활하다(예를 들어, 실질상, 첨가물(244)의 부재시의 코팅(250)의 고유의 평활도 또는 거칠기의 것과 비교가능한 평활도 또는 거칠기를 갖고 있다). 이러한 코팅(250)은 호스트 재료(246)(또는 여기에 기술된 다른 호스트 재료)와 동일하거나 유사한 조성을 가질 수 있거나, 태양 전기용 TCE에서 작동 기능을 조정하기 위한 버퍼층으로서 기능하는 전기 도전성 재료 또는 반도체(예를 들어, ITO, ZnO(i), ZnO:Al, ZnO:B, SnO2:F, CD2SnO4, CdS, ZnS, 다른 도핑된 금속산화물, 전기 도전성 또는 반도전성 폴리머, 카르본 나노튜브 기반 코팅과 같은 풀러린계 코팅, 또는 투명한 또 다른 전기 도전성 재료)를 사용하여 구현될 때와 같이, 추가 또는 수정된 기능을 제공하도록, 또는 표면 임베드디 첨가물(244)에 의해 제공된 도전 경로 대신에 또는 조합되어 전류 도전 통로를 제공하도록 상이한 조성을 가질 수 있다. 예를 들어, ITO의 경우에, 표면 임베디드 첨가물(244)이 존재하면, 사용되는 ITO의 양이 감소하여, 약 100nm를 초과하지 않고, 약 75nm를 초과하지 않고, 약 50nm를 초과하지 않고, 약 40nm를 초과하지 않고, 약 30nm를 초과하지 않고, 약 20nm를 초과하지 않고, 약 10nm를 초과하지 않고, 약 5nm 이하와 같은 (첨가물(210)의 부재와 비교하여) 감소된 두께의 코팅(250)이 가능하므올써 비용을 절감할 수 있다. 또한, 표면 임베디드 첨가물(244)이 존재하면 저온 경화로 (스퍼터링 대신에) ITO의 솔루션 증착이 가능할 수 있다. 비교적 낮은 도전성 ITO의 최종층은 작업 기능 매칭을 만족시킬 수 있고, 첨가물(244)은 고온 경화 없이 솔루션-증착된 ITO에 의해 나타난 감소된 도전성을 경감시킬 수 있다. 첨가물(244)이 패턴(예를 들어, 그리드 패턴 또는 도 1h에 설명된 것과 같은 임의의 다른 패턴)으로 배열될 수 있고, 코팅(250)은 실질상 매칭하는 패턴(예를 들어, 매칭 그리드 패턴 또는 도 1h에 설명된 것과 같은 임의의 다른 매칭패턴)에 의해 형성될 수 있어서 온전히 첨가물(244)을 덮거나 부분적으로 노출되도록 할 수도 있다.
여기에 기술된 특정 표면 임베디드 구조의 하나의 특징은 호스트 재료에 수직 첨가물 농도 그레디언트를 제공하는 것이다. 즉, 호스트 재료의 두께 방향을 따라 이러한 그레디언트를 제공하는 것이다. (예를 들어, 도 1a에 도시된 바와 같은) 벌크 통합은 집적 및 다른 효과가 이러한 균일한 그레디언트가 실제 달성되는데 방해가 됨에도 불구하고, 호스트 재료에 걸쳐 균일한 수직 첨가물 농도 그레디언트를 제공하는 것을 목표로 한다. (예를 들어, 도 1b에 도시된) 종래의 코팅 구현을 위해, 수직 첨가물 농도 그레디언트가 코팅과 언더라이잉 기판 사이에 존재할 수 있지만, 벌크 통합과 마찬가지로, 종래의 코팅 구현은 코팅에 걸쳐 균일한 수직 첨가물 농도 그레디언트를 제공하는 것이 목적이다. 이에 대조적으로, 표면 임베디드 구조에 의해 호스트 재료의 임베딩 영역내의 첨가물의 위치화에 따라 가변의 제어가능한 수직 첨가물 농도 그레디언트가 가능하다. 특정 구현에 대해, 임베딩 영역내의 첨가물의 위치화의 정도는 (중량, 부피, 또는 밀도에서) 적어도 대부분이 임베딩 영역내에 포함되거나, (중량, 부피, 또는 밀도에서) 적어도 60%가 임베딩 영역내에 포함되거나, (중량, 부피, 또는 밀도에서) 적어도 적어도 70%가 임베딩 영역내에 포함되거나, (중량, 부피, 또는 밀도에서) 적어도 적어도 80%가 임베딩 영역내에 포함되거나, (중량, 부피, 또는 밀도에서) 적어도 적어도 90%가 임베딩 영역내에 포함되거나, (중량, 부피, 또는 밀도에서) 적어도 적어도 95%가 임베딩 영역내에 포함되는 정도이다. 예를 들어, 실질적으로 모든 첨가물은 임베딩 영역내에 위치될 수 있어서, 호스트 재료의 나머지에는 실질상 첨가물이 존재하지 않는다.
일반적으로, 첨가물은 첨가물이 서브-nm 범위의 크기를 갖는 것은 물론 나노-사이즈 첨가물, 미크론-사이즈 첨가물의 형태일 수 있는, 전기 도전성 재료, 반도체, 또는 그 조합을 포함할 수 있다. 예를 들어, 적어도 하나의 첨가물은 약 0.1nm 내지약 1mm의 범위의 단면 치수를 가질 수 있다(또는 첨가물의 집단은 약 0.1nm 내지약 1mm의 범위의 평균 단면 치수를 가질 수 있다). 일부 실시예에서, 단면 치수(또는 평균 단면 치수)는 약 1nm 내지 약 100nm, 약 1nm 내지 약 20nm, 약 20nm 내지 약 100nm, 약 1nm 내지 약 50미크론, 약 100nm 내지 약 1미크론, 약 1nm 내지 약 100미크론, 또는 약 500nm 내지 약 50미크론의 범위에 있다. 일부 실시예에서, 실질상 모든 첨가물은 약 0.1nm 내지 약 1mm 또는 약 0.1nm 내지 약 100미크론의 범위의 단면 치수를 갖고 있다.
전기 도전성 재료의 예들은 금속(예를 들어, 은, 구리 및 금), 금속 합금, 탄소계 전도체(예를 들어, 탄소 나노튜브, 그래핀 및 버키볼), 선택적으로 도핑된 금속 산화물(예를 들어, ITO, ZnO(i), ZnO:Al, ZnO:B, SnO2:F, Cd2SnO4, CdS, ZnS, 및 다른 도핑된 금속 산화물), 전기 도전성 폴리머, 및 이들의 어떤 조합을 포함한다. 반도체 재료의 예들은 반도전성 폴리머, IVB 족 원소(예를 들어, 탄소(또는 C), 규소(또는 Si) 및 게르마늄(또는 Ge)), IVB-IVB 족 2원 합금(예를 들어, 규소 카바이드(또는 SiC) 및 규소 게르마늄(또는 SiGe)), IIB-VIB 족 2원 합금(예를 들어, 카드뮴 셀레나이드(또는 CdSe), 카드뮴 설파이드(또는 CdS), 카드뮴 텔루라이드(또는 CdTe), 산화아연(또는 ZnO), 아연 셀레나이드(또는 ZnSe), 아연 텔루라이드(또는 ZnTe) 및 아연 설파이드(또는 ZnS)), IIB-VIB 족 3원 합금(예를 들어, 카드뮴 아연 텔루라이드(또는 CdZnTe), 수은 카드뮴 텔루라이드(또는 HgCdTe), 수은 아연 텔루라이드(또는 HgZnTe) 및 수은 아연 셀레나이드(또는 HgZnSe)), IIIB-VB 족 2원 합금(예를 들어, 알루미늄 아르세나이드(또는 AlAs), 알루미늄 안티모나이드(또는 AlSb), 알루미늄 니트라이드(또는 AlN), 알루미늄 포스파이드(또는 AlP), 보론 니트라이드(또는 BN), 보론 포스파이드(또는 BP), 보론 아르세나이드(또는 BAs), 갈륨 안티모나이드(또는 GaSb), 갈륨 아르세나이드(또는 GaAs), 갈륨 니트라이드(또는 GaN), 갈륨 포스파이드(또는 GaP), 인듐 안티모나이드(또는 InSb), 인듐 아르세나이드(또는 InAs), 인듐 니트라이드(또는 InN) 및 인듐 포스파이드(또는 InP)), IIIB-VB 족 3원 합금(예를 들어, 알루미늄 갈륨 아르세나이드(또는 AlGaAs 또는 AlxGa1 - xAs), 인듐 갈륨 아르세나이드(또는 InGaAs 또는 InxGa1 - xAs), 인듐 갈륨 포스파이드(또는 InGaP), 알루미늄 인듐 아르세나이드(또는 AlInAs), 알루미늄 인듐 안티모나이드(또는 AlInSb), 갈륨 아르세나이드 니트라이드(또는 GaAsN), 갈륨 아르세나이드 포스파이드(또는 GaAsP), 알루미늄 갈륨 니트라이드(또는 AlGaN), 알루미늄 갈륨 포스파이드(또는 AlGaP), 인듐 갈륨 니트라이드(또는 InGaN), 인듐 아르세나이드 안티모나이드(또는 InAsSb) 및 인듐 갈륨 안티모나이드(또는 InGaSb)), IIIB-VB 족 4원 합금(예를 들어, 알루미늄 갈륨 인듐 포스파이드(또는 AlGaInP), 알루미늄 갈륨 아르세나이드 포스파이드(또는 AlGaAsP), 인듐 갈륨 아르세나이드 포스파이드(또는 InGaAsP), 알루미늄인듐 아르세나이드 포스파이드(또는 AlInAsP), 알루미늄 갈륨 아르세나이드 니트라이드(또는 AlGaAsN), 인듐 갈륨 아르세나이드 니트라이드(또는 InGaAsN), 인듐알루미늄 아르세나이드 니트라이드(또는 InAlAsN) 및 갈륨 아르세나이드 안티모나이드 니트라이드(또는 GaAsSbN)), 및 IIIB-VB 족 5원 합금(예를 들어, 갈륨 인듐 니트라이드 아르세나이드 안티모나이드(또는 GaInN AsSb) 및 갈륨 인듐 아르세나이드 안티모나이드 포스파이드(또는 GaInAsSbP)), IB-VIIB 족 2원 합금(예를 들어, 구리 클로라이드(또는 CuCl)), IVB-VIB 족 2원 합금(예를 들어, 납 셀레나이드(또는 PbSe), 납 설파이드(또는 PbS), 납 텔루라이드(또는 PbTe), 주석 설파이드(또는 SnS) 및 주석 텔루라이드(또는 SnTe)), IVB-VIB 족 3원 합금(예를 들어, 납 주석 텔루라이드(또는 PbSnTe), 탈륨 주석 텔루라이드(또는 Tl2SnTe5 및 탈륨 게르마늄 텔루라이드(또는 Tl2GeTe5)), VB-VIB 2원 합금(예를 들어, 비스무스 텔루라이드(또는 Bi2Te3)), IIB-VB 족 2원 합금(예를 들어, 카드뮴 포스파이드(또는 Cd3P2), 카드뮴 아르세나이드(또는 Cd3As2), 카드뮴 안티모나이드(또는 Cd3Sb2), 아연 포스파이드(또는 Zn3P2), 아연 아르세나이드(또는 Zn3As2) 및 아연 안티모나이드(또는 Zn3Sb2)), 및 구리 인듐 갈륨 셀레나이드(또는 CIGS)와 같은 IB 족(또는 11족) 원소, IIB 족(또는 12족) 원소, IIIB 족(또는 13족) 원소, IVB 족(또는 14족) 원소, VB 족(또는 15족) 원소, VIB 족(또는 16족) 원소, 및 VIIB 족(또는 17족) 원소의 다른 2원, 3원, 4원 또는 더 고급 합금, 뿐만 아니라 이들의 어떤 조합을 포함한다.
첨가물은 예를 들어 나노입자, 나노와이어, 나노튜브(예를 들어, 다중벽 나노튜브("MWNT"), 단일벽 나노튜브("SWNT"), 이중벽 나노튜브("DWNT"), 그래파이트화 또는 변성 나노튜브), 풀러렌, 버키볼, 그래핀, 마이크로입자, 마이크로와이어, 마이크로튜브, 코어-쉘 나노입자 또는 마이크로입자, 코어-멀티쉘 나노입자 또는 마이크로입자, 코어-쉘 나노와이어, 및 실질적으로 튜브형, 입방체, 구형, 또는 피라미드형의 모양을 가지며, 비정질, 결정질, 정방정계, 육방정계, 삼방정계, 사방정계, 단사정계, 또는 삼사정계, 또는 이들의 어떤 조합을 특징으로 하는 다른 첨가물을 포함할 수 있다.
코어-쉘 입자 및 코어-쉘 나노와이어의 예들은 강자성 코어(예를 들어, 철, 코발트, 니켈, 망간, 및 이들 원소 중 하나 이상과 함께 형성된 산화물 및 합금)와 금속, 금속 합금, 금속 산화물, 탄소 또는 이들의 어떤 조합으로 형성된 쉘을 지닌 것들을 포함한다(예를 들어, 은, 구리, 금, 백금, ZnO, ZnO(i), ZnO:Al, ZnO;B, Sn02:F, Cd2Sn04, CdS, ZnS, Ti02, ITO, 그래핀, 및 적합한 첨가물로서 본원에 언급된 다른 재료들). 코어-쉘 나노와이어의 특정한 예는 Ag 코어와 은 코어의 산화를 감소시키거나 방지하기 위해 은 코어를 둘러싼 Au 쉘(또는 백금 쉘이나 다른 타입의 쉘)을 가진 것이다.
또한, 첨가물은 예를 들어 전기 도전성 재료 및 반도체 대신에 또는 조합하여 메타소재와 같은 기능성 제제를 포함할 수 있다. 특유의 전자기 특성을 지닌 메타소재 및 관련된 인조 복합체 구조는, 예를 들어 스플릿 링 공명기, 링 공명기, 클로킹 장치, 나노구조 반사방지층, 고 흡광도 층, 완전 렌즈, 집중장치, 마이크로집중장치, 전자기 에너지 포커서, 커플러 등을 포함할 수 있다. 또한, 첨가물은 예를 들어 적외선, 자외선 및 엑스선 중 어느 하나 이상과 같은 전자기선을 반사, 흡수 또는 산란시키는 재료를 포함할 수 있다. 이러한 재료는, 예를 들어 Au, Ge, Ti02, Si, Al203, CaF2, ZnS, GaAs, ZnSe, KCl, ITO, 산화주석, ZnO, MgO, CaC03, 벤조페논, 벤조트리아졸, 힌더드 아민 광 안정제, 시아노아크릴레이트, 살리실-타입 화합물, Ni, Pb, Pd, Bi, Ba, BaS04, 스틸, U, Hg, 금속 산화물, 또는 이들의 어떤 조합을 포함한다. 첨가물용 재료의 추가의 예들은 PbSO4 , SnO2, Ru, As, Te, In, Pt, Se, Cd, S, Sn, Zn, 이셀렌화 구리인듐("CIS"), Cr, Ir, Nd, Y, 세라믹(예를 들어, 유리), 실리카, 유기 형광염료, 또는 이들의 어떤 조합을 포함한다.
또한, 첨가물은 예를 들어 폴리머-함유 나노튜브, 폴리머-함유 나노입자, 폴리머-함유 나노와이어, 반도전성 나노튜브, 절연된 나노튜브, 나노안테나, 강자성 재료로 형성된 첨가물, 강자성 코어와 고도로 도전성인 쉘로 형성된 첨가물, 유기금속 나노튜브, 금속성 나노입자 또는 마이크로입자, 압전 재료로 형성된 첨가물, 양자 도트로 형성된 첨가물, 도판트를 가진 첨가물, 광 집중 포착 구조, 광 렉테나, 나노 크기 플레이크, 나노-공축 구조, 도파관 구조, 금속성 나노결정, 반도전성 나노결정을 포함할 수 있으며, 뿐만 아니라 다중변색제, 산화물, 화학변색제, 합금, 압전변색제, 열변색제, 광변색제, 무선파변색제, 전기변색제, 메타소재, 질산은, 자기변색제, 독소중화제, 방향족 물질, 촉매, 습윤제, 염, 기체, 액체, 콜로이드, 현탁액, 에멀션, 가소제, UV 차단제, 발광제, 항균제, 정전기방지제, 베헨트리모늄 클로라이드, 코카미도프로필 베타인, 인산 에스테르, 폴리에틸렌 글리콜 에스테르, 폴리올, 디논일나프틸설폰산, 루테늄 금속유기 염료, 산화티타늄, 스크래치 방지제, 그래핀, 구리 프탈로시아닌, 지문방지제, 연무방지제, UV 차단제, 착색제, 반사방지제, 적외선 차단제, 고 반사성 제제, 광 필터링 제제, 방향제, 탈취제, 레진, 윤활제, 용해제, 안정제, 계면활성제, 형광제, 활성탄, 토너제, 회로 요소, 절연체, 전도체, 도전성 유체, 자기성 첨가물, 전자적 첨가물, 플라스몬 첨가물, 유전체 첨가물, 공명성 첨가물, 발광 분자, 형광 분자, 공동, 렌즈, 냉 캐소드, 전극, 나노피라미드, 공명기, 센서, 작동기, 트랜스듀서, 트랜지스터, 레이저, 오실레이터, 포토디텍터, 광결정, 공액 폴리머, 비선형 요소, 복합체, 멀티레이어, 화학적으로 불활성인 제제, 상-전이 구조, 증폭기, 변조기, 스위치, 광전지, 발광 다이오드, 커플러, 안티블록 및 안티슬립 제제(예를 들어, 규조토, 탈크, 탄산칼슘, 실리카 및 실리케이트); 슬립제 및 윤활제(예를 들어, 지방산 아미드, 에루카미드, 올레아미드, 지방산 에스테르, 금속 스테아레이트, 왁스 및 아미드 블렌드), 항산화제(예를 들어, 아민, 페놀계, 오가노포스페이트, 티오에스테르 및 탈활성화제), 정전기방지제(예를 들어, 양이온성 대전방지제, 4차 암모늄 염 및 화합물, 포스포늄, 설포늄, 음이온성 대전방지제), 전기 도전성 폴리머, 아민 및 지방산 에스테르), 바이오시드(예를 들어, 10,10'-옥시비스페녹시아르센(또는 OBPA), 아민-중화 포스페이트, 아연 2-피리딘티안올-1-옥시드(또는 아연-OMADINE), 2-n-옥틸-4-이소티아졸린-3-온, DCOIT, TRICLOSAN, CAPTAN 및 FQLPET), 광 안정제(예를 들어, 자외선 흡수제, 벤조페논, 벤조트리아졸, 벤조에이트, 살리실레이트, 니켈 유기 착물, 힌더드 아민 광 안정제(또는 HALS) 및 니켈-함유 화합물), 전기 도전성 폴리머(예를 들어, 폴리아닐린, 폴리(아세틸렌), 폴리(피롤), 폴리(티오펜), 폴리(p-페닐렌 설파이드), 폴리(p-페닐렌 비닐렌)(또는 PPV), 폴리(3-알킬티오펜), 올리인돌, 폴리피렌, 폴리카바졸, 폴리아줄렌, 폴리아제핀, 폴리(플루오렌), 폴리나프탈렌, 멜라닌, 폴리(3,4-에틸렌디옥시티오펜)(또는 PEDOT), 폴리(스티렌설포네이트) (또는 PSS), PEDOT-PSS, PEDOT-폴리메타크릴산(또는 PEDOT-PMA), 폴리(3-헥실티오펜)(또는 P3HT), 폴리(3-옥틸티오펜)(또는 P3QT), 폴리(C-61-부티르산-메틸에스테르)(또는 PCBM), 및 폴리[2-메톡시-5-(2'-에틸-헥실옥시)-1,4-페닐렌 비닐렌](또는 MEH-PPV)), 적합한 호스트 재료로서 여기 언급된 어떤 재료, 또는 이들의 조합으로 로 형성된 첨가물들을 포함할 수 있다.
특정 실시형태에서, 나노와이어, 나노튜브 및 이들의 조합의 형태와 같은 애스펙트 비가 높은 첨가물이 바람직하다. 예를 들어, 바람직한 첨가물은 탄소 또는 다른 재료로 형성된 나노튜브(예를 들어, MWNT, SWNT, 그래파이트화 MWNT, 그래파이트화 SWNT, 변성 MWNT, 변성 SWNT 및 폴리머-함유 나노튜브), 금속, 금속 산화물, 금속 합금 또는 다른 재료로 형성된 나노와이어(예를 들어, Ag 나노와이어, Cu 나노와이어, 산화아연 나노와이어(도핑되지 않은 것이나, 예를 들어 알루미늄, 붕소, 불소 등으로 도핑된 것), 산화주석 나노와이어(도핑되지 않은 것이나, 예를 들어 불소 도핑된 것), 산화 카드뮴주석 나노와이어, ITO 나노와이어, 폴리머-함유 나노와이어 및 Au 나노와이어), 뿐만 아니라 전기적으로 도전성이거나 반도전성이며, 구형, 피라미드형 등의 다양한 모양을 가진 다른 재료를 포함한다. 첨가물의 추가의 예들은 활성탄, 그래핀, 카본블랙, 켓젠블랙으로 형성된 것들, 및 금속, 금속 산화물, 금속 합금 또는 다른 재료로 형성된 나노입자(예를 들어, Ag 나노입자, Cu 나노입자, 산화아연 나노입자, ITO 나노입자 및 Au 나노입자)를 포함한다.
일반적으로, 호스트 재료는 다양한 모양 및 크기를 가질 수 있고, 투명, 반투명 또는 불투명할 수 있고, 가요성이거나, 휠 수 있거나, 접힐 수 있거나, 또는 강성일 수 있고, 전자기적으로 불투명하거나 전자기적으로 투명할 수 있고, 전기적으로 도전성, 반도전성 또는 절연체일 수 있다. 호스트 재료는 기판의 형태일 수 있거나, 또는 기판이나 다른 재료의 위에 배치된 코팅 또는 다중 코팅의 형태일 수 있다. 적합한 호스트 재료의 예들은 유기 재료, 무기 재료 및 하이브리드 유기-무기 재료를 포함한다. 예를 들어, 호스트 재료는 열가소성 폴리머, 열경화성 폴리머, 엘라스토머, 또는 이들의 코폴리머나 다른 조합을 포함할 수 있으며, 예를 들어 폴리올레핀, 폴리에틸렌(또는 PE), 폴리프로필렌(또는 PP), 폴리아크릴레이트, 폴리에스테르, 폴리설폰, 폴리아미드, 폴리이미드, 폴리우레탄, 폴리비닐, 플루오로폴리머, 폴리카보네이트(또는 PC), 폴리설폰, 폴리락트산, 알릴 디글리콜 카보네이트계 폴리머, 니트릴계 폴리머, 아크릴로니트릴 부타디엔 스티렌(또는 ABS), 페녹시계 폴리머, 페닐렌 에테르/옥시드, 플라스티솔, 오가노솔, 플라스타치 재료, 폴리아세탈, 방향족 폴리아미드, 폴리아미드-이미드, 폴리아릴에테르, 폴리에테르이미드, 폴리아릴설폰, 폴리부틸렌, 폴리카보네이트, 폴리케톤, 폴리메틸펜텐, 폴리페닐렌, 폴리스티렌, 고강도 폴리스티렌, 스티렌 무수 말레산계 폴리머, 폴릴릴 디글리콜 카보네이트 모노머계 폴리머, 비스말레이미드계 폴리머, 폴리알릴 프탈레이트, 열가소성 폴리우레탄, 고밀도 폴리에틸렌, 저밀도 폴리에틸렌, 코폴리에스테르(예를 들어, 상표명 Tritan™으로 입수가능), 염화폴리비닐(또는 PVC), 아크릴계 폴리머, 폴리에틸렌 테레프탈레이트 글리콜(또는 PETG), 폴리에틸렌 테레프탈레이트(또는 PET), 에폭시, 에폭시-함유 수지, 멜라민계 폴리머, 실리콘 및 다른 규소-함유 폴리머(예를 들어, 폴리실란 및 폴리실세스퀴옥산), 아세테이트계 폴리머, 폴리(프로필렌 푸마레이트), 폴리(불화비닐리덴-트리플루오로에틸렌), 폴리-3-히드록시부티레이트폴리에스테르, 폴리아미드, 폴리카프로락톤, 폴리글리콜산(또는 PGA), 폴리글리콜라이드, 폴리락트산(또는 PLA), 폴리락트산 플라스틱, 폴리페닐렌 비닐렌, 전기 도전성 폴리머(예를 들어, 폴리아닐린, 폴리(아세틸렌), 폴리(피롤), 폴리(티오펜), 폴리(p-페닐렌 설파이드), 폴리(p-페닐렌 비닐렌)(또는 PPV), 폴리(3-알킬티오펜), 올리인돌, 폴리프로펜, 폴리카바졸, 폴리아줄렌, 폴리아제핀, 폴리(플루오렌), 폴리나프탈렌, 멜라닌, 폴리(3,4-에틸렌디옥시티오펜)(또는 PEDOT), 폴리(스티렌설포네이트)(또는 PSS), PEDOT-PSS, PEDOT-폴리메타크릴산(또는 PEDOT-PMA), 폴리(3-헥실티오펜)(또는 P3HT), 폴리(3-옥틸티오펜)(또는 P30T), 폴리(C-61-부티르산-메틸 에스테르)(또는 PCBM), 및 폴리[2-메톡시-5-(2'-에틸-헥실옥시)-1,4-페닐렌 비닐렌](또는 MEH-PPV)), 폴리올레핀, 액정 폴리머, 폴리우레탄, 폴리에스테르, 코폴리에스테르, 폴리(메틸메타크릴레이트) 코폴리머, 테트라플루오로에틸렌계 폴리머, 설폰화 테트라플루오로에틸렌 코폴리머, 이오노머, 불화 이오노머, 폴리머 전해질 멤브레인에 상응하거나 거기에 포함되는 폴리머, 불화에탄설포닐계 폴리머, 2-[1-[디플루오로-[(트리플루오로에텐일)옥시]메틸]-1,2,2,2-테트라플루오로에톡시]-1,1,2,2,-테트라플루오로-(테트라플루오로 에틸렌, 테트라플루오로에틸렌-퍼플루오로-3,6-디옥사-4-메틸-7-옥텐설폰산 코폴리머와 함께) 기재 폴리머, 폴리프로필렌, 폴리부텐, 폴리이소부텐, 폴리이소프렌, 폴리스티렌, 폴리락트산, 폴리글리콜라이드, 폴리글리콜산, 폴리카프로락톤, 불화비닐리덴계 폴리머, 트리플루오로에틸렌계 폴리머, 폴리(불화비닐리덴-트리플루오로에틸렌), 폴리페닐렌비닐렌, 구리 프탈로시아닌계 폴리머, 그래핀, 폴리(프로필렌 푸마레이트), 셀로판, 구리암모늄계 폴리머, 레이온, 및 바이오폴리머(예를 들어, 셀룰로오스 아세테이트(또는 CA), 셀룰로오스 아세테이트 부티레이트(또는 CAB), 셀룰로오스 아세테이트 프로피오네이트(또는 CAP), 셀룰로오스 프로피오네이트(또는 CP), 요소, 목재, 콜라겐, 케라틴, 엘라스틴, 니트로셀룰로오스, 플라스타치, 셀룰로이드, 대나무 기재 폴리머, 바이오 유래 폴리에틸렌, 카보디이미드, 연골, 셀룰로오스 니트레이트, 셀룰로오스, 키틴, 키토산, 결합조직, 구리 프탈로시아닌, 목화 셀룰로오스, 엘라스틴, 글리코사미노글리칸, 린넨, 히알루론산, 니트로셀룰로오스, 종이, 양피지, 플라스타치, 녹말, 녹말 기재 플라스틱, 불화비닐리덴 및 비스커스), 또는 이들의 어떤 모노머, 코폴리머, 블렌드 또는 다른 조합으로부터 선택된다. 적합한 호스트 재료의 추가의 예들은 세라믹(예를 들어, SiO2-계 유리; SiOx-계 유리; TiOx-계 유리; SiOx-계 유리의 다른 티타늄, 세륨, 마그네슘 유사체; 스핀-온 그라스, 졸-겔 과정으로부터 형성된 유리, 실란 전구체, 실록산 전구체, 실리케이트 전구체, 테트라에틸오르토실리케이트, 실란, 실록산, 포스포실리케이트, 스핀-온 그라스, 실리케이트, 나트륨 실리케이트, 칼륨 실리케이트, 유리 전구체, 세라믹 전구체, 실세스퀴옥산, 메탈라실세스퀴옥산, 다면체 올리고머 실세스퀴옥산, 할로실란, 폴리이미드, PMMA 포토레지스트, 졸-겔, 규소-산소 수소화물, 실리콘, 스탄옥산, 실라티안, 실라잔, 폴리실라잔, 메탈로센, 이염화 티타노센, 이염화 바나도센; 및 다른 타입의 유리들), 세라믹 전구체, 폴리머-세라믹 복합체, 폴리머-목재 복합체, 폴리머-탄소 복합체(예를 들어, 켓젠블랙, 활성탄, 카본블랙, 그래핀 및 다른 형태의 탄소로 형성된 것들), 폴리머-금속 복합체, 폴리머-산화물, 또는 이들의 어떤 조합을 포함한다.
호스트 재료는, 예를 들어 n-도프형, p-도프형 또는 도핑되지 않은 것일 수 있다. 임베딩되는 첨가물은, 예를 들어 n-도프형, p-도프형 또는 도핑되지 않은 것일 수 있다. 호스트 재료가 전기적으로 도전성이거나 반도전성인 경우, n-도프형, p-도프형 또는 이들 둘 다인 첨가물을 사용하여 p-n 접합부 장치, 트랜지스터, 다이오드, 발광 다이오드, 센서, 메모리 장치, 태양 에너지를 전기 에너지로 전환하는 장치 등을 형성할 수 있다.
도 1a의 구성과 본원에 설명된 특정한 표면 임베디드 구조(예를 들어, 도 1d 내지 도 1h와 도 2a 내지 도 2g에 예시된)의 적어도 한 차이는 벌크 혼입의 특징으로서 도 1a의 기판(104)은 첨가물(102)이 기판(104) 전체에 무작위로 비교적 균일하게 분포된다는 점이다. 반대로, 본원에 설명된 표면 임베디드 구조에서는 첨가물이 호스트 재료의 "평면" 또는 "평면 유사" 임베딩 영역에 상당히 국한될 수 있으며, 이것은 첨가물의 위상학적 무질서도를 줄일 수 있고, 첨가물들 사이에 접합부 형성 발생이 증가하여 전기 전도도가 개선되게 된다. 임베딩 영역은 때로 "평면"이라고도 하지만, 이러한 임베딩 영역은 전형적으로 엄밀하지는 않은 2-차원이며, 첨가물 자체는 전형적으로 3-차원이라는 것이 이해될 것이다. 오히려 "평면"은 상대적 의미로서 사용될 수 있는데, 호스트 재료의 특정 영역 내에 첨가물이 비교적 얇은 석판 모양(또는 층상)으로 국소 농축되고, 호스트 재료의 나머지 부분에는 첨가물이 대부분 없는 상태를 의미한다. 또한, 도 1f, 도 2a 및 도 2b에서와 같이, 이러한 임베딩 영역이 첨가물의 특징적인 치수를 초과하는(예를 들어, 수배를 넘는) 두께를 가질 때에도 임베딩 영역을 "평면"이라고 할 수 있다는 것이 이해될 것이다. 임베딩 영역은 호스트 재료의 한쪽에 인접해서, 또는 호스트 재료의 중간에 인접해서, 또는 호스트 재료의 두께 방향을 따라 임의의 어떤 위치에 인접해서 위치될 수 있으며, 호스트 재료 내에 다수의 임베딩 영역이 서로 인접해서, 또는 서로 이격되어 위치될 수 있다. 각 임베딩 영역은 하나 이상의 타입의 첨가물을 포함할 수 있으며, 임베딩 영역들(동일한 호스트 재료에 위치된)은 상이한 타입의 첨가물을 포함할 수 있다. 첨가물을 호스트 재료의 일군의 "평면" 임베딩 영역에 국한시킴으로써(호스트 재료의 전체에 무작위로 배치하는 것과는 달리), 단위 면적당 주어진 양의 첨가물에서 더 높은 전기 전도도가 달성될 수 있다. 임베딩 영역에 국한되지 않은 첨가물은 과량의 첨가물로서 생략될 수 있다.
도 1b의 구성과 본원에 설명된 특정한 표면 임베디드 구조(예를 들어, 도 1d 내지 도 1h와 도 2a 내지 도 2g에 예시된)의 적어도 한 차이는 종래의 코팅의 특징으로서 도 1b의 코팅(110)에서는 첨가물(108)이 코팅(110) 전체에 혼합되고, 이것이 기판(112) 위에 배치된다는 점이다. 코팅(110) 자체에 관해서, 코팅(110)은 벌크 혼입의 경우에 도 1a에 도시된 것과 유사한 구성을 특징으로 하며, 첨가물(108)은 코팅(110) 전체에 무작위로 비교적 균일하게 분포된다. 반대로, 본원에 설명된 특정한 표면 임베디드 구조에서는 첨가물이 코팅 전체에 균일하게 위치되지 않고, 오히려 기판의 "평면" 또는 "평면 유사" 임베딩 영역에 상당히 국한될 수 있으며, 기판에 첨가물을 결합하는데 코팅이나 다른 이차적인 재료는 필요하지 않지만, 다른 표면 임베디드 구조(예를 들어, 도 1g 및 도 2g에 예시된)에서는 첨가물이 코팅 전체에 균일하게 위치되는 것이 아니라 코팅의 "평면" 또는 "평면 유사" 임베딩 영역에 상당히 국한될 수 있다. 첨가물이 "평면" 또는 "평면 유사" 임베딩 영역에 국한시킴으로써 첨가물의 위상학적 무질서를 줄일 수 있고, 첨가물들 사이에 접합부 형성 발생이 증가하여 전기 전도도가 개선되게 된다. 또한, 도 1b의 코팅(110)은 손상이 쉽게 일어날 수 있고, 코팅(110) 위의 노출된 재료가 스카치테이프, 점착력이나 마모력, 또는 다른 힘에 의해 쉽게 제거될 수 있으며, 표면에서 이동하는 경향을 나타낼 수 있다. 또한, 첨가물(108)을 함유하는 코팅(110)은 적층분리, 균열, 박리, 기포형성 또는 다른 변형을 격을 수 있는데, 이것은 결합을 위해서 필요한 다른 이차적인 재료나 코팅을 사용하지 않고 첨가물이 기판에 직접 임베딩된 본원에 설명된 특정한 표면 임베디드 구조에 의해 극복될 수 있다. 또한, 코팅(110)의 표면은 꽤 거칠며(예를 들어, 첨가물(108)의 일부가 코팅(110) 표면으로부터 연장되는 첨가물(108)의 위상학적 무질서에 의해서 발생), 이것은 누전을 일으키고, 인접한 장치 층과의 밀착된 접촉을 방해할 수 있다. 이것은 영구적인 매끄러운 표면을 특징으로 할 수 있는 본원에 설명된 표면 임베디드 구조와는 대조적이다. 첨가물이 호스트 재료에 실질적으로 또는 충분히 임베딩된 경우(예를 들어, 도 1e 및 도 1f에 예시된 대로), 결과의 표면 임베디드 구조의 임베딩 표면은 꽤 매끄러우며(예를 들어, 임베딩된 첨가물이 없을 때의 호스트 재료의 평활도나 조도와 실질적으로 비슷한 평활도 또는 조도를 가진다), 이때 임베딩 푠면의 표면적은 노출된 첨가물로 전혀 점유되지 않거나, 임베딩 표면의 표면적의 약 1% 이하, 약 5% 이하, 약 10% 이하, 약 25% 이하 또는 약 50% 이하가 노출된 첨가물로 점유된다(예를 들어, 임베딩 표면의 상면도 또는 임베딩 표면의 다른 2-차원 도해를 그려서 측정했을 때, 노출된 첨가물로 인한 표면적 적용범위의 퍼센트를 결정한다).
도 1c의 구성과 본원에 설명된 특정한 표면 임베디드 구조(예를 들어, 도 1d 내지 도 1h와 도 2a 내지 도 2g에 예시된)의 적어도 한 차이는 표면 부착의 특징으로서 기판에(118)에 첨가물(116)이 임베딩되지 않고 기판(118) 위에 첨가물(116)이 배치된다는 것이다. 도 1c의 표면 부착된 구조는 손상이 쉽게 일어날 수 있고, 기판(118) 위에 부착된 재료가 스카치테이프, 점착력이나 마모력, 또는 다른 힘에 의해 쉽게 제거될 수 있으며, 표면에서 이동하는 경향을 나타낼 수 있다. 또한, 표면 부착된 구조(114)의 표면은 꽤 다공성인데(예를 들어, 표면 부착된 첨가물(116)들 사이의 틈이나, 서로의 위에 첨가물(116)이 적층되는 것이나, 또는 둘 다로 인해서 발생한다), 이것은 표면 부착된 첨가물(116) 위에 코팅되거나 도포된 다른 재료의 충분한 침윤을 달성하는데 문제가 되어, 결과적으로 보이드나 다른 계면 결함이 생길 수 있다. 또한, 표면 부착된 구조(114)의 표면은 꽤 거칠며, 이것은 누전을 일으키고, 인접한 장치 층과의 밀착된 접촉을 방해할 수 있다. 이것은 영구적이고, 비교적 비-다공성이며, 매끄러운 표면을 특징으로 할 수 있는 본원에 설명된 표면 임베디드 구조와는 대조적이다. 첨가물이 호스트 재료에 실질적으로 또는 충분히 임베딩된 경우(예를 들어, 도 1e 및 도 1f에 예시된 대로), 결과의 표면 임베디드 구조의 임베딩 표면은 꽤 매끄러우며(예를 들어, 임베딩된 첨가물이 없을 때의 호스트 재료의 평활도나 조도와 실질적으로 비슷한 평활도 또는 조도를 가진다), 이때 임베딩 표면의 표면적은 노출된 첨가물로 전혀 점유되지 않거나, 임베딩 표면의 표면적의 약 1% 이하, 약 5% 이하, 약 10% 이하, 약 25% 이하 또는 약 50% 이하가 노출된 첨가물로 점유된다(예를 들어, 임베딩 표면의 상면도 또는 임베딩 표면의 다른 2-차원 도해를 그려서 측정했을 때, 노출된 첨가물로 인한 표면적 적용범위의 퍼센트를 결정한다). 또한, 표면 부착된 구조(114)는 본원에 설명된 표면 임베디드 구조보다 높은 시트 저항이나 낮은 전도도를 가질 수 있다.
일부 구체예에서, 표면 임베디드 구조는 임베딩 표면에 약 10부피%(또는 그 이하, 예를 들어 약 0.1%)에서 임베딩 표면에 최대 약 100부피%까지 호스트 재료에 임베딩된 첨가물을 가질 수 있으며, 첨가물은 예를 들어 약 0.1%(또는 그 이하) 표면적 적용범위에서 최대 약 99.9%(또는 그 이상) 표면적 적용범위까지 다양한 표면적 적용범위에 노출될 수 있다. 예를 들어, 첨가물의 전체 부피에 대해 임베딩 표면 아래에 임베딩된 첨가물의 부피와 관련하여, 적어도 하나의 첨가물의 임베딩 부피 퍼센트(또는 첨가물 침단의 평균 임베딩 부피 퍼센트)는 약 10% 내지 약 100%, 예를 들어 약 10% 내지 약 50%, 또는 약 50% 내지 약 100% 범위일 수 있다.
일부 구체예에서, 표면 임베디드 구조는 사용된 첨가물의 특징적인 치수를 초과하는 두께의 임베딩 영역을 가질 수 있으며(예를 들어, 나노와이어의 경우, 개별 나노와이어 직경 또는 나노와이어들의 평균 직경을 초과하는), 첨가물은 두께가 호스트 재료의 전체 두께 미만인 임베딩 영역에 상당히 국한된다. 예를 들어, 임베딩 영역의 두께는 호스트 재료의 전체 두께의 약 80% 이하, 예를 들어 전체 두께의 약 50% 이하, 약 40% 이하, 약 30% 이하, 약 20% 이하, 약 10% 이하, 또는 약 5% 이하일 수 있다.
일부 구체예에서, 첨가물은 사용된 첨가물의 특징적인 치수에 대응하여 임베딩 정도를 변경함으로써 호스트 재료에 임베딩될 수 있다(예를 들어, 나노와이어의 경우, 개별 나노와이어의 직경 또는 나노와이어들의 평균 직경에 대응하여). 예를 들어, 임베딩 표면 아래에서 첨가물에 대한 가장 먼 임베딩 지점 거리와 관련하여, 적어도 하나의 첨가물은 특징적인 치수의 약 100%를 초과하는 정도까지 임베딩될 수 있거나, 또는 특징적인 치수의 약 100% 이하인 정도까지, 예를 들어 특징적인 치수의 적어도 약 5% 또는 약 10%와 최대 약 80%, 최대 약 50% 또는 최대 약 25%까지 임베딩될 수 있다. 다른 예로서, 첨가물의 집단이 평균적으로 특징적인 치수의 약 100%를 초과하는 정도까지 임베딩될 수 있거나, 또는 특징적인 치수의 약 100% 이하인 정도까지, 예를 들어 특징적인 치수의 적어도 약 5% 또는 약 10%와 최대 약 80%, 최대 약 50% 또는 최대 약 25%까지 임베딩될 수 있다. 이해되는 바대로, 첨가물이 호스트 재료에 임베딩되는 정도는 임베딩 표면의 조도에 영향을 줄 수 있는데, 예를 들어 이것은 임베딩 표면을 가로지른 높이 변동의 정도로서 측정된다(예를 들어, 평균 높이에 대한 표준편차). 예를 들어, 도 1d와 1c를 비교하면, 도 1d의 표면 임베디드 구조(120)의 조도는 부분적으로 임베딩된 첨가물(130)의 특징적인 치수 미만이고, 도 1c의 구조(114)의 조도는 적어도 표면 부착된 첨가물(116)의 특징적인 치수이며, 특징적인 치수의 약 2배(또는 그 이상)일 수 있다(예를 들어, 서로의 위에 첨가물(116)이 적층된 결과로서).
일부 구체예에서, 적어도 하나의 첨가물이 약 0.1nm 내지 약 1cm, 예를 들어 약 1nm 내지 약 50nm, 약 50nm 내지 100nm, 또는 약 100nm 내지 약 100 마이크론까지 호스트 재료의 임베딩 표면으로부터 연장될 수 있다. 다른 구체예에서, 평균적으로 첨가물의 집단은 약 0.1nm 내지 약 1cm, 예를 들어 약 1nm 내지 약 50nm, 약 50nm 내지 100nm, 또는 약 100nm 내지 약 100 마이크론까지 호스트 재료의 임베딩 표면으로부터 연장될 수 있다. 다른 구체예에서, 호스트 재료의 표면적(예를 들어, 임베딩 표면의 면적)이 실질적으로 전부 첨가물로 점유된다. 다른 구체예에서, 표면적의 최대 약 100% 또는 최대 약 75%가 첨가물로 점유되며, 예를 들어 표면적의 최대 약 50%, 표면적의 최대 약 25%, 최대 약 10%, 최대 약 5%, 표면적의 최대 약 3%, 또는 표면적의 최대 약 1%가 첨가물로 점유된다. 첨가물이 반드시 호스트 재료의 임베딩 표면으로부터 연장될 필요는 없으며, 전체적으로 임베딩 표면 아래에 국소화될 수 있다. 표면 임베디드 구조에서 첨가물의 임베딩 정도와 표면 적용범위는 특정한 장치 또는 용도에 따라서 선택될 수 있다. 예를 들어, 표면 임베디드 구조의 커패시턴스에 기초하여 작동하는 장치는 첨가물의 더 깊은 임베딩 정도와 적은 표면 적용범위를 특정할 수 있고, 표면 임베디드 구조를 통한 또는 가로지른 전류의 흐름에 기초하여 작동하는 장치는 첨가물의 더 적은 임베딩 정도와 높은 표면 적용범위를 특정할 수 있다.
일부 구체예에서, 나노와이어가 첨가물로서 사용된 경우, 전기 전도도에 영향을 미칠 수 있는 특성은, 예를 들어 나노와이어 밀도 또는 로딩 수준, 표면적 적용범위, 나노와이어 길이, 나노와이어 직경, 나노와이어의 균일성, 재료 타입, 및 순도를 포함한다. 일부 구체예에서는 나노와이어가 낮은 접합부 저항과 낮은 벌크 저항을 갖는 것이 선호될 수 있다. 높은 투명도를 유지하면서 더 높은 전기 전도도를 획득하기 위해서, 직경이 더 얇고 길이가 더 긴 나노와이어가 사용될 수 있으며(예를 들어, 애스펙트 비가 비교적 커서 나노와이어 접합부 형성이 용이한 것으로서, 애스펙트 비는 약 50 내지 약 2,000, 예를 들어 약 50 내지 약 1,000, 또는 약 100 내지 약 800 범위), Ag, Cu 및 An 나노와이어와 같은 금속성 나노와이어가 사용될 수 있다. 첨가물로서 나노와이어를 사용하여 Ag 나노와이어 망구조와 같은 나노와이어 망구조를 형성하는 것이 일부 구체예에서 바람직할 수 있다. 또한, 다른 금속성 나노와이어, 비-금속성 나노와이어, 예를 들어 ZnO, ZnO(i), ZnO:Al, ZnO:B, SnO2:F, Cd2SnO4, CdS, ZnS, TiO2, ITO, 및 다른 산화물 나노와이어들도 사용될 수 있다. 전형적으로 가시광은 밴드 에너지 또는 그 안의 계면 트랩에 의해서 흡수되지 않을 것이라는 점에서, 가시 광학 스펙트럼 에너지(예를 들어, <1.8eV 및 >3.1eV)를 바깥에 또는 대략 이 범위 근처에 또는 이 범위를 벗어나서 밴드 갭을 가진 반도체로 이루어진 첨가물들을 사용하여 높은 광학 투명도를 가진 TCE를 만들 수 있다. 이동된 Fermi 레벨 및 Moss-Burstein 효과를 통한 밴드 엣지를 고려해서 다양한 도판트를 사용하여 이들 전술한 반도체의 전도도를 조율할 수 있다. 나노와이어는 치수(예를 들어, 직경 및 길이)와 관련하여 상당히 균일하거나 단분산성일 수 있으며, 예를 들어 약 5%(예를 들어, 평균 직경 또는 길이에 대한 표준편차) 이내, 약 10% 이내, 약 15% 이내, 또는 약 20% 이내에서 동일하다. 순도는, 예를 들어 적어도 약 50%, 적어도 약 75%, 적어도 약 85%, 적어도 약 90%, 적어도 약 95%, 적어도 약 99%, 적어도 약 99.9% 또는 적어도 약 99.99%일 수 있다. 나노튜브의 표면적 적용범위는, 예를 들어 최대 약 100%, 약 100% 미만, 최대 약 75%, 최대 약 50%, 최대 약 25%, 최대 약 10%, 최대 약 5%, 최대 약 3% 또는 최대 약 1%일 수 있다. 나노와이어는 특히 특정 구체예에서 바람직할 수 있는데, 산화의 결과로서 Ag 나노와이어의 표면에 형성할 수 있는(또는 형성될 수 있는) 산화은이 전기 전도성이기 때문이다. 또한, 코어-쉘 나노와이어(예를 들어, 은 코어와 Au나 백금 쉘)는 접합부 저항을 감소시킬 수 있다.
일부 구체예에서, 첨가물로서 나노튜브가 사용된 경우(탄소, 금속, 금속 합금, 금속 산화물 또는 다른 재료로 형성된), 전기 전도도에 영향을 미칠 수 있는 특성은, 예를 들어 나노튜브 밀도 또는 로딩 수준, 표면적 적용범위, 나노튜브 길이, 나노튜브 내경, 나노튜브 외경, 단일벽 또는 다중벽 나노튜브가 사용되었는지의 여부, 나노튜브의 균일성, 재료 타입, 및 순도를 포함한다. 일부 구체예에서는 나노튜브가 낮은 접합부 저항을 갖는 것이 선호될 수 있다. 표시장치와 같은 특정 장치와 관련하여 산란을 감소시키기 위해서 탄소 나노튜브와 같은 나노튜브를 사용하여 나노튜브 망구조를 형성할 수 있다. 또는 달리 또는 조합하여, 작은 직경의 나노와이어를 사용하여 나노튜브의 사용에 대응하여 산란에 있어서 유사한 감소를 달성할 수 있다. 나노튜브는 치수(예를 들어, 외경, 내경 및 길이)와 관련하여 상당히 균일하거나 단분산성일 수 있으며, 예를 들어 약 5%(예를 들어, 평균 외경/내경 또는 길이에 대한 표준편차) 이내, 약 10% 이내, 약 15% 이내, 또는 약 20% 이내에서 동일하다. 순도는, 예를 들어 적어도 약 50%, 적어도 약 75%, 적어도 약 85%, 적어도 약 90%, 적어도 약 95%, 적어도 약 99%, 적어도 약 99.9% 또는 적어도 약 99.99%일 수 있다. 나노튜브의 표면적 적용범위는, 예를 들어 최대 약 100%, 약 100% 미만, 최대 약 75%, 최대 약 50%, 최대 약 25%, 최대 약 10%, 최대 약 5%, 최대 약 3% 또는 최대 약 1%일 수 있다.
첨가물 타입의 수는 주어진 장치나 용도에 맞게 변할 수 있다는 것이 이해되어야 한다. 예를 들어, Ag 나노와이어, Cu 나노와이어 및 Au 나노와이어 중 어느 하나 또는 조합이 ITO 나노와이어와 함께 사용될 수 있으며, 이로써 높은 광학 투명도와 높은 전기 전도도가 얻어질 수 있다. 유사한 조합은, 예를 들어 ITO 나노와이어, ZnO 나노와이어, ZnO 나노입자, Ag 나노입자, Au 나노입자, SWNT, MWNT, 풀러렌계 재료(예를 들어, 탄소 나노튜브 및 버키볼) 및 ITO 나노입자 중 어느 하나 이상과 함께 Ag 나노와이어, Cu 나노와이어 및 Au 나노와이어 중 어느 하나 또는 조합을 포함한다. ITO 나노입자 또는 나노와이어의 사용은, 예를 들어 태양 전지용 TCE와 관련하여 일 함수를 조정하거나, 또는 다른 첨가물들에 의해서 제공되는 도전 경로를 대신하여 또는 그와 조합하여 전류의 흐름을 위한 도전 경로를 제공할 수 있는 버퍼 층으로서 작용함으로써, 추가의 기능성을 제공할 수 있다. 실제로 상이한 타입의 첨가물들이 어떤 수로도 호스트 재료에 임베딩될 수 있다.
일부 구체예에서, 첨가물은 먼저 분리된 물체로서 제공된다. 호스트 재료에 임베딩할 때, "평면" 또는 "평면 유사" 임베딩 영역 내에 첨가물이 정렬되거나 배치되도록 호스트 재료가 첨가물을 둘러싸거나 에워쌀 수 있으며, 일부 구체예에서는 나노와이어, 나노튜브, 마이크로와이어, 마이크로튜브 또는 다른 첨가물과 같은 첨가물의 애스펙트 비가 쉽게 1을 넘도록 하기 위해서, 수평면 또는 임베딩 표면의 평면에 상응하는 또는 그에 평행한 다른 평면에 대해 첨가물들의 길이방향 축 또는 종축이 일정 각도 범위 내에 상당히 국한되도록 첨가물들이 정렬된다. 예를 들어, 첨가물은 길이방향 축 또는 평균적으로 최장 치수 축이 수평면에 대해 약 -45°내지 +45°범위에 국한되도록, 예를 들어 약 -35°내지 약 +35°, 약 -25°내지 약 +25°, 약 -15°내지 약 +15°, 약 -5°내지 약 +5°, 또는 약 -1°내지 약 1° 범위에 국한되도록 정렬될 수 있다. 이 예에서, 거의 또는 실질적으로 모든 첨가물의 길이방향 축 또는 종축은 수평면에 대해 약 -45°내지 약 +45°의 범위를 벗어나서 배향될 수 없다. 임베딩 영역 내에서 이웃한 첨가물들은 일부 구체예에서 서로 접촉될 수 있다. 이러한 접촉은 애스펙트 비가 더 긴 첨가물을 사용하여 개선될 수 있으며, 동시에 원하는 투명도를 위해서 표면적 적용범위는 비교적 적게 유지된다. 일부 구체예에서, 나노와이어, 나노입자, 마이크로와이어 및 마이크로입자와 같은 첨가물 간 접촉은 소결 또는 아닐링을 통해서, 예를 들어 약 50℃, 약 125℃, 약 150℃, 약 175℃ 또는 약 200℃의 온도에서, 또는 약 50℃ 내지 약 125℃, 약 100℃ 내지 약 125℃, 약 125℃ 내지 약 150℃, 약 150℃ 내지 약 175℃ 또는 약 175℃ 내지 약 100℃의 범위에서의 저온 소결, 플래시 소결, 첨가물 위의 부착물이 첨가물과 함께 성장하여 서로 융합되는 레독스 반응을 사용한 소결, 또는 이들의 어떤 조합을 통해서 증가될 수 있다. 예를 들어, Ag 또는 Au 첨가물의 경우, Ag 이온이나 Au 이온이 첨가물 위에 부착되어 첨가물을 이웃한 첨가물과 융합시킬 수 있다. 약 200℃ 또는 그 이상의 온도에서 이루어지는 고온 소결이 또한 고려된다. 또한, 분진 방지 차폐물, 정전기 방지 차폐물, 전자기 방해/무선주파수 차폐물의 경우와 같은 특정 용도와 장치에서는 접촉이 거의 또는 전혀 필요하지 않은 것도 고려되며, 이 경우 실제 접촉이 없어도 전하 터널링이나 호핑이 충분한 전기 전도도를 제공하거나, 또는 호스트 재료 또는 호스트 재료 위의 코팅 자체가 전기 전도성일 수 있다. 이러한 용도 및 장치는 최대 약 106Ω/sq 또는 그 이상의 시트 저항에서 작동할 수 있다. 개별 첨가물은 전자 전달을 위한 전기 및 양자 장벽에 의해 분리될 수 있다.
다음은 도 1a 내지 1c에 예시된 구성에 비해 본원에 설명된 표면 임베디드 구조의 추가의 이점을 제공한다. 도 1a의 구성과는 달리, 원하는 특성을 얻기 위해서 호스트 재료의 전체 벌크에 전체적으로 첨가물이 균일하게 분포될 필요가 없다. 실제로, 적어도 일부 구체예에서는 첨가물이 호스트 재료의 "평면" 또는 "평면 유사" 임베딩 영역에 상당히 국한되는 것이 선호된다. 실제로, 첨가물의 불균일한 혼합과 응집 및 덩어리화가 발생하므로 도 1a에 묘사된 대로 균일한 분포를 실제로 획득하는 것이 어려울 수 있다. 도 1b의 구성과는 달리, 첨가물이 코팅 전체에 혼합되고 호스트 재료의 상부에 도포되는 것이 아니라 호스트 재료에 임베딩된다. 이러한 방식으로 첨가물을 임베딩함으로써 결과의 표면 임베디드 구조는 더 높은 내구성을 가질 수 있다. 또한, 벌크 혼입과 관련된 문제와 유사하게, 종래의 코팅은 불균일한 혼합 및 응집이 일어나기 쉬울 수 있는데, 본원에 설명된 표면 임베디드 구조에서는 이것이 방지되거나 감소될 수 있다. 또한, 종래의 코팅은, 특히 나노미터 및 마이크론 수준에서 꽤 거칠 수 있다. 반대로, 예를 들어 첨가물이 임베딩되고 호스트 재료 내에 첨가물이 정렬됨으로써, 표면 임베디드 구조는 종래의 코팅에 비해 감소된 조도를 가질 수 있으며, 이로써 예를 들어 장치 고장(예를 들어, 장치에 나노와이어가 침투함으로 인한 션트)이 방지되거나 감소될 수 있다. 도 1c의 구성과는 달리, 첨가물은 표면 위에 표면 부착되는 것이 아니라 호스트 재료에 부분적으로 또는 완전히 임베딩되며, 결과적으로 표면 부착된 첨가물에 비해 조도는 감소하고, 내구성과 전도도는 높아진다. 일부 구체예에서, 나노와이어를 임베딩할 때, 호스트 재료의 폴리머 사슬이 나노와이어들을 함께 고정할 수 있으며, 이들이 더 가까워지도록 견인하여서 전도도가 증가하는 것이다.
표면 임베디드 구조는 꽤 영구적일 수 있다. 일부 구체예에서는 이러한 내구성이 강성 및 견고성과 조합되고, 다른 구체예에서는 이러한 내구성이 다른 물리적 작용 중에서도 신축되고 말리고 휘어지고 접히는 능력과 조합되며, 이때 투과율은 예를 들어 약 50% 이하, 약 20% 이하, 약 15% 이하, 약 10% 이하, 약 5% 이하, 약 3% 이하로 감소하거나 또는 실질적으로 감소하지 않으며, 저항은 약 50% 이하, 약 20% 이하, 약 15% 이하, 약 10% 이하, 약 5% 이하, 약 3% 이하로 증가하거나 또는 실질적으로 증가하지 않는다. 일부 구체예에서, 표면 임베디드 구조는 종래 코팅의 내구성 문제에 상당히 면역성을 지니며, 코팅 산업 분야에서 사용되는 표준 스카치테이프 시험에서 살아남을 수 있고, 관찰된 투과율은 실질적으로 감소하지 않거나, 또는 약 5% 이하, 약 10% 이하, 약 15% 이하 또는 약 50% 이하로 감소하며, 관찰된 저항은 실질적으로 증가하지 않거나, 또는 약 5% 이하, 약 10% 이하, 약 15% 이하 또는 약 50% 이하로 증가한다. 일부 구체예에서, 표면 임베디드 구조는 또한 러빙, 스크래칭, 플렉싱, 물리적 마모, 열 순환, 화학적 노출 및 습도 순환에서 살아남을 수 있으며, 이때 관찰된 투과율은 실질적으로 감소하지 않거나, 또는 약 50% 이하, 약 20% 이하, 약 15% 이하, 약 10% 이하, 약 5% 이하 또는 약 3% 이하로 감소하며, 관찰된 저항은 실질적으로 증가하지 않거나, 또는 약 50% 이하, 약 20% 이하, 약 15% 이하, 약 10% 이하, 약 5% 이하 또는 약 3% 이하로 증가한다. 이런 증진된 내구성은 호스트 재료 내에 첨가물이 임베딩된 결과일 수 있으며, 첨가물은 호스트 재료의 분자 사슬이나 다른 성분에 의해서 호스트 재료 내에 물리적으로 또는 화학적으로 고정된다. 일부 경우, 신축이나 압축이 관찰되며, 이들은 전도도를 증가시킬 수 있다.
표면 임베디드 구조의 또 다른 이점은 더 적은 양의 첨가물을 사용하여 전기적 퍼콜레이션의 역치가 얻어질 수 있다는 점이다. 달리 말하면, 적은 첨가물 재료를 사용하여 전기 전도도가 얻어질 수 있으며, 따라서 첨가물 재료와 관련 비용이 절약되고, 투명도는 증가한다. 이해되는 바대로, 전형적으로 한 첨가물로부터 다른 첨가물로 전기 전하의 퍼콜레이션을 허용하는 충분한 양의 첨가물이 존재할 때 전기적 퍼콜레이션 역치에 도달하며, 이로써 첨가물의 망구조의 적어도 일부분을 가로질러 도전 경로가 제공되는 것이다. 일부 구체예에서, 전기적 퍼콜레이션 역치는 도 3a에 예시된 대로 저항 대 첨가물 로딩 수준의 로그 플롯에서 기울기의 변화를 통해서 관찰될 수 있다. 첨가물이 "평면" 또는 "평면 유사" 임베딩 영역에 상당히 국한되므로 더 적은 양의 첨가물 재료가 사용될 수 있으며, 이로써 위상학적 왜곡이 크게 감소되고, 도 1a 내지 1c의 구성과 비교하여 첨가물 간(예를 들어, 나노와이어 간 또는 나노튜브 간) 접합부가 형성될 확률이 높아진다. 다시 말하면, 첨가물이 호스트 재료에서 얇은 임베딩 영역에 국한되기 때문에, 호스트 재료의 두께를 통해 분산되는 것과는 반대로, 첨가물이 상호 연결되어 접합부를 형성할 확률이 크게 증가될 수 있다. 일부 구체예에서, 전기적 퍼콜레이션 역치는, 은 나노와이어와 같은 특정 첨가물의 경우, 약 0.001μg/㎠ 내지 약 100μg/㎠(또는 그 이상), 예를 들어 약 0.01μg/㎠ 내지 약 100μg/㎠, 약 10μg/㎠ 내지 약 100μg/㎠, 0.01μg/㎠ 내지 약 0.4μg/㎠, 약 0.5μg/㎠ 내지 약 5μg/㎠, 또는 약 0.8μg/㎠ 내지 약 3μg/㎠ 범위의 첨가물 로딩 수준에서 얻어질 수 있다. 이들 로딩 수준은 치수, 재료 타입, 공간적 분산, 및 첨가물의 다른 특성들에 따라서 변할 수 있다.
부가적으로, 성긴 2차원 도전성 네크워크의 유효 재료 특성을 나타내는 것으로부터 3차원 도전성 벌크 재료의 유효 특성을 나타내는 것으로의 얇은 레이어의 전이를 나타내는 파라미터인 네트워크-투-벌크(network-to-bulk) 전이를 달성하기 위해 보다 작은 양의 첨가물이 사용될 수 있다(예를 들면, 임베딩 영역의 두께에 의해 증명된 것과 같이). "평면" 또는 "평면형" 임베딩 영역에 첨가물(예를 들면, Ag 나노와이어, Cu 나노와이어, 다중벽 탄소나노튜브("MWCNTs"), 단일벽 탄소나노튜브 ("SWCNTs"), 또는 상기한 것의 임의의 조합)을 제한하는 것에 의해서, 특정 레벨의 솔라 플럭스 가중 투과도(solar flux-weighted transmittance)에서 낮은 시트 저항이 얻어질 수 있다. 더우기, 몇 가지 실시예에서, 첨가물이 혼합되는 별개의 코팅 또는 다른 2차적인 재료와 관련된 계면 결함(interfacial defect)의 감소 또는 제거로 인해 표면 임베디드 구조에 의해 캐리어 재결합(carrier recombination)이 감소될 수 있다.
이러한 장점을 더욱 상세하게 설명하기 위해서, 첨가물의 네트워크가 위상학적 무질서도(topological disorder)와 접촉 저항에 의해 특징지워질 수 있다. 위상학적으로, 첨가물의 임계 밀도보다 높은 밀도에서 그리고 첨가물-첨가물(예를 들면, 나노와이어-나노와이어, 나노튜브-나노튜브, 또는 나노튜브-나노와이어) 결합의 임계 밀도보다 높은 밀도에서, 소스(source)로부터 드레인(drain)으로 전류가 쉽게 흐를 수 있다. 첨가물의 "평면" 또는 "평면형" 네트워크가 첨가물의 특성 치수의 면에서(예를 들면, 나노와이어에 대해서는, 개별 나노와이어의 직경 또는 복수의 나노와이어 전체에 걸친 평균 직경에 대해서) 표현된, 감소된 두께를 가진 네트워크-투-벌크 전이 상태에 도달할 수 있다. 예를 들면, 임베딩 영역은 특성 치수의 약 4배 이하, 약 3배 이하, 또는 약 2배 이하와 같이, 특성 치수의 약 5배(또는 그보다 큰 값) 이하이고, 특성 치수의 약 0.05 또는 약 0.1배 이상의 두께를 가질 수 있어서, 광 투명도(optical transparency)와 전기 전도도를 증가시키면서 장치를 보다 얇게 할 수 있다. 따라서, 본 명세서에 기술된 표면 임베디드 구조는, 몇 가지 실시예에서, d(nm)의 특성 치수를 가진 첨가물이 집중되어 있는, 약 n×d(nm)(여기서 n = 2, 3, 4, 5, 또는 그 이상) 이하의 두께를 가진 임베딩 영역을 제공한다.
표면 임베디드 구조의 또 다른 장점은, 주어진 레벨의 전기 전도도에 대해서, 상기 표면 임베디드 구조가 더 높은 투명도를 만들어낼 수 있다는 것이다. 이것은, 첨가물의 주어진 로딩 레벨에 대해서 첨가물-첨가물 결합의 효율적인 형성이라는 면에서, 상기 레벨의 전기 전도도를 얻기 위해서 적은 양의 첨가물 재료가 사용될 수 있기 때문이다. 알게 되겠지만, 얇은 도전성 재료(예를 들면, 필름의 형태)의 투과도는, 박막에 대해서 아래의 근사 관련식으로 주어지는 바와 같이, 얇은 도전성 재료의 시트 저항(Rsheet)과 광파장의 함수로서 표현될 수 있다.
Figure pct00001
(1)
상기 식에서
Figure pct00002
및
Figure pct00003
는 각각 재료의 광 전도도(optical conductivity) 및 DC 전도도이다. 몇 가지 실시예에서, 가요성의 투명한 기판에 표면 임베디드된 Ag 나노와이어 네트워크는 약 3.2Ω/sq 또는 약 0.2Ω/sq만큼 낮거나, 이보다 훨씬 더 낮은 시트 저항을 가질 수 있다. 다른 실시예에서는, 태양 전지에 적합한 투명한 표면 임베디드 구조가 솔라 플럭스 가중 투과도(Tsolar)에 대해서 약 85%(또는 그보다 큰 값)까지 도달할 수 있고 시트 저항은 약 20Ω/sq(또는 그보다 작은 값)만큼 작을 수 있다. 또 다른 실시예에서는, 표면 임베디드 구조에 의해 85% 이하(예를 들면, 적어도 약 85%, 적어도 약 90%, 또는 적어도 약 95%이고, 약 97%, 약 98%, 또는 그보다 큰 값 이하)의 솔라 플럭스 가중 투과도에서 10Ω/sq 이하의 시트 저항이 얻어질 수 있다. 550nm의 주어진 파장에서의 투과도, 육안(human vision) 또는 광도계 가중 투과도(photometric-weighted transmittance)(예를 들면, 약 350nm에서부터 약 700nm까지), 솔라 플럭스 가중 투과도, 적외선 범위에서의 주어진 파장 또는 일정 범위 파장에서의 투과도, 그리고 자외선 범위에서의 주어진 파장 또는 일정 범위 파장에서의 투과도와 같이, 투과도는 다른 범위의 광파장에 대해서 측정될 수 있다는 사실을 알게 될 것이다. 투과도는 기판(존재하는 경우)에 대해서(예를 들면, 표면 임베디드 첨가물을 가진 호스트 재료 아래에 있는 기저 기판을 고려하여) 측정될 수 있거나, 공기에 대해서(예를 들면, 기저 기판을 고려하지 않고) 측정될 수 있다는 사실도 알게 될 것이다. 공기에 대해 측정되었을 때 비록 유사한 투과도 값(비록 약간 큰 값일 지라도)이 고려되기도 하지만, 본 명세서에 달리 명시되어 있지 않으면, 투과도 값은 기판(존재하는 경우)에 대해서 측정된 값으로 표시되어 있다. 몇 가지 실시예에 대해서, 표면 임베디드 구조의 광 전도도에 대한 DC 전도도의 비율은 약 100 이상, 약 115 이상, 약 300 이상, 약 400 이상, 또는 약 500 이상이고, 약 600 이하, 약 800 또는 그보다 큰 값 이하로 될 수 있다.
일부의 표면 임베디드 구조는, 약 1 nm 내지 약 100 nm, 약 10 nm 내지 약 80 nm, 약 20 nm 내지 약 80 nm, 또는 약 40 nm 내지 약 60 nm 범위의 평균 직경과, 약 50 nm 내지 약 1,000 ㎛, 약 50 nm 내지 약 500 ㎛, 약 100 nm 내지 약 100 ㎛, 약 500 nm 내지 50 ㎛, 약 5 ㎛ 내지 약 50 ㎛, 약 20 ㎛ 내지 약 150 ㎛, 약 5 ㎛ 내지 약 35 ㎛, 약 25 ㎛ 내지 약 80 ㎛, 약 25 ㎛ 내지 약 50 ㎛, 또는 약 25 ㎛ 내지 약 40 ㎛ 범위의 평균 길이의 Ag 나노와이어의 첨가물을 포함할 수 있다. 임베딩 영역의 최상부는 호스트 재료의 최상부 임베딩 표면 아래로 약 0.0001 nm 내지 약 100 ㎛, 예를 들면, 상기 임베딩 표면 아래로 약 0.01 nm 내지 약 100 ㎛, 상기 임베딩 표면 아래로 약 0.1 nm 내지 100 ㎛, 상기 임베딩 표면 아래로 약 0.1 nm 내지 약 5 ㎛, 상기 임베딩 표면 아래로 약 0.1 nm 내지 약 3 ㎛, 상기 임베딩 표면 아래로 약 0.1 nm 내지 약 1 ㎛, 또는 상기 임베딩 표면 아래로 약 0.1 nm 내지 약 500 nm에 배치될 수 있다. 호스트 재료에 임베딩된 나노와이어는 부피 퍼센트로 약 0%에서 약 90%까지, 약 95%까지, 또는 약 99%까지 임베딩 표면으로부터 돌출될 수 있다. 예를 들면, 나노와이어의 전체 부피에 대한 상기 임베딩 표면 위로 노출된 나노와이어의 부피의 면에서, 적어도 하나의 나노와이어는 약 1% 이하, 약 5% 이하, 약 20% 이하, 약 50% 이하, 또는 약 75% 또는 약 95% 이하의 노출된 부피 퍼센트를 가질 수 있다(또는 나노와이어의 집단이 평균값의 노출된 부피 퍼센트를 가질 수 있다). 약 85% 이상의 투과도(예를 들면, 솔라 플럭스 가중 투과도 또는 다른 범위의 광파장에서 측정된 투과도)에서, 시트 저항은 약 500 Ω/sq 이하, 약 400 Ω/sq 이하, 약 350 Ω/sq 이하, 약 300 Ω/sq 이하, 약 200 Ω/sq 이하, 약 100 Ω/sq 이하, 약 75 Ω/sq 이하, 약 50 Ω/sq 이하, 약 25 Ω/sq 이하, 약 10 Ω/sq 이하이고, 약 1 Ω/sq 또는 약 0.1 Ω/sq 또는 이보다 더 작은 값 이상으로 될 수 있다. 약 90% 이상의 투과도에서, 시트 저항은 약 500 Ω/sq 이하, 약 400 Ω/sq 이하, 약 350 Ω/sq 이하, 약 300 Ω/sq 이하, 약 200 Ω/sq 이하, 약 100 Ω/sq 이하, 약 75 Ω/sq 이하, 약 50 Ω/sq 이하, 약 25 Ω/sq 이하, 약 10 Ω/sq 이하이고, 약 1 Ω/sq 또는 이보다 더 작은 값 이상으로 될 수 있다. 몇 가지 실시예에서, 호스트 재료는 표면 임베디드 나노와이어를 가진 기판에 해당하고, 상기 호스트 재료는 투명하거나 불투명하게 될 수 있고, 가요성 또는 강성으로 될 수 있으며, 예를 들면, PE, PET, PETG, 폴리카보네이트, PVC, PP, 아크릴계 폴리머, ABS, 세라믹, 유리, 또는 상기한 것의 임의의 조합으로 이루어질 수 있다. 다른 실시예에서는, 기판이 투명하거나 불투명하게 될 수 있고, 가요성 또는 강성으로 될 수 있으며, 예를 들면, PE, PET, PETG, 폴리카보네이트, PVC, PP, 아크릴계 폴리머, ABS, 세라믹, 유리, 또는 상기한 것의 임의의 조합으로 이루어질 수 있고, 이 경우 상기 기판은 전기 도전성 재료, 절연체, 또는 반도체(예를 들면, 도핑된 금속 산화물 또는 상기 열거한 전기 도전성 폴리머)로 코팅될 수 있고 이 코팅부에는 나노와이어가 임베딩되어 있다.
일부의 표면 임베디드 구조는 약 1 nm 내지 약 100 nm, 약 1 nm 내지 약 10 nm, 약 10 nm 내지 약 50 mn, 약 10 mn 내지 약 80 nm, 약 20 nm 내지 약 80 nm, 또는 약 40 nm 내지 약 60 nm 범위의 평균 외측 직경과, 약 50 nm 내지 약 100 ㎛, 약 100 nm 내지 약 100 ㎛, 약 500 nm 내지 50 ㎛, 약 5 ㎛ 내지 약 50 ㎛, 약 5 ㎛ 내지 약 35 ㎛, 약 25 ㎛ 내지 약 80 ㎛, 약 25 ㎛ 내지 약 50 ㎛, 또는 약 25 ㎛ 내지 약 40 ㎛ 범위의 평균 길이의 MWCNT(다중벽 탄소나노튜브)와 SWCNT(단일벽 탄소나노튜브) 중의 어느 하나 또는 양자 모두의 첨가물을 포함할 수 있다. 임베딩 영역의 최상부는 호스트 재료의 최상부 임베딩 표면 아래로 약 0.01 nm 내지 약 100 ㎛, 예를 들면, 상기 임베딩 표면 아래로 약 0.1 nm 내지 100 ㎛, 상기 임베딩 표면 아래로 약 0.1 mn 내지 약 5 ㎛, 상기 임베딩 표면 아래로 약 0.1 nm 내지 약 3 ㎛, 상기 임베딩 표면 아래로 약 0.1 nm 내지 약 1 ㎛, 또는 상기 임베딩 표면 아래로 약 0.1 nm 내지 약 500 nm에 배치될 수 있다. 호스트 재료에 임베딩된 나노튜브는 임베딩 표면으로부터 부피 퍼센트로 약 0%에서 약 90%까지, 약 95%까지, 또는 약 99%까지 임베딩 표면으로부터 돌출될 수 있다. 예를 들면, 나노튜브의 전체 부피에 대한 상기 임베딩 표면 위로 노출된 나노튜브의 부피의 면에서(예를 들면, 나노튜브의 외측 직경에 대해 한정된 것으로서), 적어도 하나의 나노튜브는 약 1% 이하, 약 5% 이하, 약 20% 이하, 약 50% 이하, 또는 약 75% 또는 약 95% 이하의 노출된 부피 퍼센트를 가질 수 있다(또는 나노튜브의 집단이 평균값의 노출된 부피 퍼센트를 가질 수 있다). 약 85% 이상의 투과도(예를 들면, 솔라 플럭스 가중 투과도 또는 다른 범위의 광파장에서 측정된 투과도)에서, 시트 저항은 약 500 Ω/sq 이하, 약 400 Ω/sq 이하, 약 350 Ω/sq 이하, 약 300 Ω/sq 이하, 약 200 Ω/sq 이하, 약 100 Ω/sq 이하, 약 75 Ω/sq 이하, 약 50 Ω/sq 이하, 약 25 Ω/sq 이하, 약 10 Ω/sq 이하이고, 약 1 Ω/sq 또는 이보다 더 작은 값 이상으로 될 수 있다. 약 90% 이상의 투과도에서, 시트 저항은 약 500 Ω/sq 이하, 약 400 Ω/sq 이하, 약 350 Ω/sq 이하, 약 300 Ω/sq 이하, 약 200 Ω/sq 이하, 약 100 Ω/sq 이하, 약 75 Ω/sq 이하, 약 50 Ω/sq 이하, 약 25 Ω/sq 이하, 약 10 Ω/sq 이하이고, 약 1 Ω/sq 또는 약 0,1 Ω/sq 또는 이보다 더 작은 값 이상으로 될 수 있다. 몇 가지 실시예에서, 호스트 재료는 표면 임베디드 나노튜브를 가진 기판에 해당하고, 상기 호스트 재료는 투명하거나 불투명하게 될 수 있고, 가요성 또는 강성으로 될 수 있으며, 예를 들면, PE, PET, PETG, 폴리카보네이트, PVC, PP, PMMA, 유리, 폴리이미드, 에폭시, 아크릴계 폴리머, ABS, 세라믹, 유리, 또는 상기한 것의 임의의 조합으로 이루어질 수 있다. 다른 실시예에서는, 기판이 투명하거나 불투명하게 될 수 있고, 가요성 또는 강성으로 될 수 있으며, 예를 들면, PE, PET, PETG, 폴리카보네이트, PVC, PP, 아크릴계 폴리머, ABS, 세라믹, 유리, 또는 상기한 것의 임의의 조합으로 이루어질 수 있고, 이 경우 상기 기판은 전기 도전성 재료, 절연체, 또는 반도체(예를 들면, 도핑된 금속 산화물 또는 상기 열거한 전기 도전성 폴리머)로 코팅될 수 있고 이 코팅부에는 나노튜브가 임베딩되어 있다.
표면 임베디드 구조에 대해서 얻은 데이터는 예상치 못한 결과를 보여준다. 특히, 호스트 재료(절연체)가 첨가물의 도전성을 저해하는 것으로 예상되었기 때문에, 물리적으로 호스트 재료에 임베딩된 첨가물보다는 표면의 최상부에 얇게 증착된 첨가물이 더 큰 전기 전도도를 얻을 수 있다는 사실이 미리 예상되었다. 그러나, 예상외로, 호스트 재료 내에 첨가물을 임베딩하는 것에 의해서 도입된 네트워크-투-벌크 전이와 바람직한 결합부 형성의 개념을 지지하는 것으로서, 표면 임베디드 구조에 대해서 향상된 전기 전도도가 관찰되었다.
표면- 임베디드 구조를 포함하는 장치
본 명세서에 기재된 표면 임베디드 구조는 도핑된 금속 산화물 코팅의 형태로 TCEs를 사용하는 장치를 포함하는 다양한 장치에서 전극으로서 사용될 수 있다. 이러한 장치의 적당한 예는 태양 전지(예를 들면, 박막 태양 전지 및 결정 실리콘 태양 전지), 디스플레이 장치(예를 들면, 평면 패널 디스플레이, 액정 디스플레이 ("LCDs"), 플라즈마 디스플레이 또는 유기 발광 다이오드("OLED") 디스플레이, 일렉트로닉-페이퍼("e-paper"(이-페이퍼)), 퀀텀 도트 디스플레이 및 플렉시블 디스플레이, 고상 발광 소자(예를 들면, OLED 발광 소자), 터치 스크린 장치(예를 들면, 프로젝티드 커패시티브 터치 스크린 장치, 레지스티브 터치 스크린 장치), 스마트 윈도우 (또는 다른 윈도우), 윈드 쉴드, 에어로스페이스 트랜스퍼런시, 일렉트로마그네틱 인터퍼런스 쉴드, 차지 디서페이션 쉴드 및 안티-스테이틱 쉴드뿐만 아니라 전자 소자, 광학 소자, 광전자 소자, 퀀텀 소자, 광전지 소자 및 플라스몬 소자를 포함한다.
몇 가지 실시예에서, 표면 임베디드 구조는 LCDs에서 전극으로서 사용될 수 있다. 도 5A에는 본 발명의 실시예에 따른 LCD(500)이 도시되어 있다. 백라이트 모듈(502)는 박막 트랜지스터("TFT") 기판(506)과 바닥 폴라라이저(504)를 통해서 광을 투사하고, 이 폴라라이저는 TFT 기판(506)의 바닥면에 인접해서 배치되어 있다. TFT(508), 픽셀 전극(510) 및 저장 커패시터(512)는 TFT 기판(506)의 최상면에 인접해서 그리고 TFT 기판(506)과 제1얼라인먼트층(514)사이에 배치되어 있다. 시일(516)과 스페이서(518)는 제1얼라인먼트층(514)과 제2얼라인먼트층(520)사이에 제공되어 있고, 이 양층사이에 액정(522)이 끼워져 있다. 공통 전극(524)과 칼라 매트릭스(526)는 칼라 필터 기판(528)의 저면에 인접해서 그리고 칼라 필터 기판(528)과 제2얼라인먼트(520)사이에 배치되어 있다. 전극(510과 524)중 어느 하나 또는 양 전극 모두는 본 명세서에 기재된 표면 엠베디드 구조를 사용해서 실시될 수 있다.
몇 가지 실시예에서, 표면 임베디드 구조는 LCDs에서 사용되는 칼라 필터플레이트에서 공통 전극으로서 사용될 수 있다. 도 5B에는 본 발명의 실시예에 따른 LCD에 사용되는 칼라 필터(540)가 도시되어 있다. 공통 전극(541)은 오버코트/보호층(542)에 인접해서 배치되어 있는데, 이 층(542)은 적, 녹 및 청("RGB") 칼라 매트릭스(543)에 인접해서 배치되어 있고, 이 매트릭스(543)는 블랙 매트릭스(544)에 인접해 있고, 이 모든 매트릭스는 유리 기판(545)상에 배치되어 있다. 오버코트/보호층(542)은 예를 들면 아크릴 수지, 폴리이미드 수지, 폴리우레탄 수지, 에폭시 또는 이것들의 복합물을 포함하고, RGB 칼라 매트릭스(543)와 블랙 매트릭스(544)의 토폴로지를 평탄화하기(planarize) 위해 사용될 수 있다. 다른 실시예에서, 오버코트/보호층(542)은 RGB 칼라 매트릭스(543)와 블랙 매트릭스(544)의 토폴로지에 일치될 수 있다. 다른 실시예에서, 오버코트/보호층(542)은 생략될 수 있다. 몇 가지 실시예에서, 블랙 매트릭스(544)는 도전성이 있도록 할 수 있고, 공통 전극(541)과 전기적 접촉을 형성할 수 있다; 이와같은 실시예에서, 블랙 매트릭스(544)는 공통 전극(541)용 버스바로서 볼 수 있다. 공통 전극(541)은 본 명세서에 기재된 표면 엠베디드 구조를 사용해서 실시될 수 있다.
다른 실시예에서, 표면 임베디드 구조는 태양 전지에서 전극으로서 사용될 수 있다. 태양 전지의 작동중에, 광은 광활성 물질에 의해 흡수되어 전자-홀 쌍의 형태로 차지 캐리어가 생성되는 한편, 홀이 다른 전극을 통해 광활성 물질을 떠난다. 네트 효과는 입사광에 의해 구동되는 태양 전지를 통한 전류의 흐름이며, 그래서 전류는 유용한 작업을 수행하기 위하여 외부 부하로 전달될 수 있다. 태양 전지(또는 디스플레이)의 TCE는 유리로 이루어진 호스트 물질, PMMA, 폴리카보네이트 또는 PET로 구성될 수 있다. 부가적으로, 얇은 PMMA계 필름은 실버 나노와어어가 PMMA에 표면 엠베디드된 상태로 유리위에 코팅될 수 있다. 이와 다르게, 얇은 실란, 실옥산 또는 다른 세라믹 전구체(precusor)는 실버 나노와어어가 PMMA에 표면 엠베디드된 상태로 유리위에 코팅될 수 있다. 이와 같은 유리계 코팅은 실버 나노와이어용 순수 유리 호스트 물질에 비해서 향상된 견고성(robustness), 내스크래치성(scratch-resistance), 가요성(flexibility), 용이한 가공성(facile processability), 저중량이면서 높은 인성(low weight, higher toughness), 탄성(resilience), 내크랙성(crack resistance), 낮은 코스트 등의 잇점을 제공한다. 다른 실시예에서, 임의의 호스트 물질로 구성된 엠베디드 TCE는 또한 투명도를 향상시키거나 이 호스트 물질로 이루어진 하나 이상의 인터페이스상의 반사를 감소시키는 하나 이상의 반반사 코팅(antireflective coating) 또는 표면 개질재(surface modification)를 특징으로 포함한다.
도 6에는 본 발명의 일 실시예에 따라 박막 태양 전지(600,602 및604)가 도시되어 있다. 특히, 박막 태양 전지(600)는 박막 실리콘 태양 전지에 대응하고, 실리콘으로 형성된 광활성 층(photoactive layer)(606)은 TCE(608)와 백 전극(610) 사이에 배치된다. 도 6을 참조하면, 박막 태양 전지(602)는 CdTe 태양 전지에 대응하고, 여기에서 CdTe로 형성된 광활성 층(612)은 TCE(614)와 백 전극(618) 사이에 배치되고, 베어리어 층(616)은 광활성 층(612)과 TCE(614)사이에 배치되어 있다. 그리고, 박막 태양 전지(604)는 CIGS 태양 전지에 대응하고, 여기에서 CIGS로 형성된 광활성 층(620)은 TCE(626)와 백 전극(624) 사이에 배치되고, 베어리어 층(628)은 광활성 층(620)과 TCE(626) 사이에 배치되어 있다. 박막 태양 전지(604)의 다양한 층은 기판(622)의 최상부상에 배치되고, 이 기판은 경질일 수 있다. 유리하게도, TCE(608,614 및 626)는 도 2C 및 도 2G에 도시된 것처럼 본 명세서에 기재된 표면 임베디드 구조를 사용하여 실시될 수 있다. 백(back) 전극(610,618 및 624)이 표면 임베디드 구조를 사용하여 실시되는 것도 고려될 수도 있다. 게다가 표면 임베디드 구조를 사용하여 실시되는 TCE가 결정질, 다결정질, 단결정질 또는 비정질 실리콘 태양 전지에 사용될 수 있음도 고려될 수 있다. 본 명세서에 기재된 표면 임베디드 구조를 사용하여 실시되는 TCE를 사용함으로써 더 적고, 더 얇으며, 더 넓게 이격된 버스바 또는 그것의 조합이 사용될 수 있고, 그래서, 예컨대 버스바에 의해 차단되는 광의 양을 감소시킴으로써 태양 전지의 성능을 증가시킬 수 있다고 고려될 수 있다. 다른 실시예에서, 본 명세서에 기재된 표면 임베디드 구조는, 예컨대 태양 전지로 조사되는 광의 양을 증가시켜서 태양 전지 또는 그것은 복합물로의 흡수되는 광을 증가시킴으로써, 태양 전지의 성능을 향상시키기 위해 사용될 수 있다.
다른 실시예에서, 표면 임베디드 구조는 터치 스크린 장치에서 전극으로서 사용될 수 있다. 터치 스크린 장치는 디스플레이와 통합된 쌍방향 입력 장치로서 통상적으로 실시되고, 사용자가 터치 스크린에 접촉함으로써 입력할 수 있게 해 준다. 터치 스크린은 광 및 이미지가 투과됨을 허용할 정도로 투명한 것이 통상적이다.
도 7에는 본 발명의 일 실시예에 따라 투영된 정전용량식 터치 스크린 장치(700)가 도시되어 있다. 터치 스크린 장치(700)는 TCE(708)의 최상면에 인접하여 배치된 경질 터치 스크린(708)뿐만 아니라 한 쌍의 TCE(702,706) 사이에 배치된 박막 분리기(704)를 포함한다. 커패시턴트에서의 변화는 사용자가 터치 스크린(708)에 접촉할 때 발생하고, 콘트롤러(미도시)는 그 변화를 감지하여 사용자 접촉의 좌표를 분석한다. 유리하게도, TCE(702,706)중 어느 하나 또는 양자 모두는 도 1H에 도시된 것처럼 본 명세서에 기재된 표면 임베디드 구조를 사용하여 실시될 수 있다. 표면 임베디드 구조는 플렉시블 터치 스크린을 포함하고, 사용자가 플렉시블 터치 스크린을 누를 때 한 쌍의 TCE 사이에서의 전기적 접촉에 기초하여 작동되는 저항성 터치 스크린 장치(예컨대 4-와이어, 5-와이어 및 8-와이어 저항성 터치 스크린 장치)에 포함될 수 있다는 것도 고려될 수 있다.
다른 실시예에서, 표면 임베디드 구조는 고상 발광 장치에서 전극으로 사용될 수 있다. 도 8에는 본 발명의 실시예에 따라 OLED 발광 장치(800)가 도시되어있다. OLED 발광 장치(800)는 홀전달층("HTL")(808), 방출층("EML")(810) 및 전자전달층("ETL")(812)을 포함하는 유기 발광소자 필름(806)을 포함한다. 두 개의 전극 즉, 애노드(802) 및 캐노드(804)는 필름(806)의 어느 한쪽에 배치된다. 전압이 전극(802,804)에 인가될 때, 전자(캐노드(D04)로부터) 및 홀(애노드(D02)으로부터)은 필름(806) 속으로 통과한다(스테이지 1). 전자와 홀은 EML(810) 내의 발광 분자의 존재하에서 재결합하고(스테이지 2), 광이 방출되어서(스테이지 3) 캐노드(804)를 통해서 나간다. 유리하게도, 전극(802 및 804)의 어느 한 쪽 또는 양자 모두는 본 명세서에 기재된 표면 임베디드 구조를 사용하여 실시될 수 있다. 표면 임베디드 구조가 도 8에 도시된 것과 유사한 유형으로 실시될 수 있는 OLED 디스플레이에 포함될 수 있는 것 역시 고려될 수 있다.
다른 실시예에서, 표면 임베디드 구조는 이-페이퍼에서 전극으로서 사용될 수 있다. 도 9에는 본 발명의 실시예에 따라 이-페이퍼(900)가 도시되어있다. 이-페이퍼(900)는 TCE(902)와 저부 전극(904)을 포함하는데, 이 TCE(902)와 저부 전극(904) 사이에 캐리어 매체(906)에 분산된 양전하로 대전된 백색 염료(908)와 음전하로 대전된 흑색 염료(910)가 있다. "네가티브" 전기장이 인가될 때, 흑색 염료(910)는 저부 전극(904)을 향하여 이동하는 한편, 백색 안료(908)는 최상부의 투명한 도전성 전극(902)을 향하여 이동하고, 이에 의하여 이-페이퍼(900)의 그 부분이 하얗게 나타나게 된다. 전기장이 역으로 될 때, 흑색 안료(930)는 최상부의 투명한 도전성 전극(902)을 향하여 이동하고, 그것에 의하여 이-페이퍼(900)의 그 부분이 까맣게 나타나게 된다. 유리하게도, 전극(902과904)의 어느 한 쪽 또는 양자 모두는 본 명세서에 기재된 표면 임베디드 구조를 사용하여 실시될 수 있다.
또 다른 실시예에서, 표면 임베디드 구조는 스마트 윈도우에서 전극으로 사용될 수 있다. 도 10에는 본 발명의 실시예에 따라 스마트 윈도우(1000)가 도시되어 있다. 스마트 윈도우(1000)는 한 쌍의 TCE(1002와 1006)을 포함하는데, 스마트 윈도우(1000)를 통한 광의 통과를 제어하는 활성층(1004)이 이 TCE 사이에 있다. 도시된 실시예에서, 활성층(1004)이 현탁된 입자 또는 감전발색 물질을 사용하여 실시될 수 있지만, 활성층(1004)은 액정을 포함한다. 전기장이 인가될 때, 액정은 전기장에 대하여 정렬함으로써 반응하고, 이에 의하여 광의 통과를 허용한다. 전기장이 없을 때, 액정은 랜덤하게 배향하게 되고 이에 의하여 광의 통과를 억제한다. 이러한 방식으로, 스마트 윈도우(1000)는 투명하거나 반투명하게 나타날 수 있다. 유리하게도, 전극(1002과 1006)의 어느 한 쪽 또는 양자 모두는 본 명세서에 기재된 도전성 구조를 사용하여 실시될 수 있다. 부가적으로, 본 명세서에 기재된 표면 임베디드 구조를 사용하여 실시된 TCE의 증가된 평활성은(예컨대 "플래너" 임베딩 영역으로의 첨가물의 로칼라이제이션으로 인하여) 다른 종래 기술의 구조와 비교하여 헤이즈(haze)를 감소시킬 수 있다는 것이 고려된다.
표면 임베디드 구조의 제작 방법
첨가물이 항구적으로 폭넓게 다양한 호스트 재료 내로 표면 임베딩되어 첨가물을 호스트 재료 내로 견고하게 식설시키는, 확장성이 크고, 신속하고 저비용의 방식으로 표면 임베디드 구조를 형성하는 제작 방법이 여기에 개시된다.
몇 가지 실시예의 제작 방법은 일반적으로 다음의 2가지 카테고리로 분류될 수 있다. (1) 표면 임베디드 첨가물을 구비한 호스트 재료를 얻기 위해 첨가물을 건성 조성물 내로 표면 임베딩하는 것; 및 (2) 표면 임베디드 첨가물을 구비한 호스트 재료를 얻기 위해 첨가물을 건성 조성물 내로 표면 임베딩하는 것. 이와 같은 분류는 제시의 용이함을 위한 것이며, "건성" 및 "습윤성"은 상대적인 용어로서 고려될 수 있고(예컨대, 건도와 습도의 다양한 정도로 인해), 제작 방법은 완전 "건성"과 완전 "습윤성" 사이에 걸쳐 연속적으로 적용될 수 있다는 것이 이해될 것이다. 따라서, 한 가지 카테고리(예컨대, 건성 조성물)에 대해 설명되는 공정 조건 및 재료는 또다른 카테고리(예컨대, 건성 조성물)에 대해 적용될 수 있으며, 그 역도 성립한다. 또한, 건성 조성물이 건조되거나 다른 방법으로 건성 조성물로 되고, 표면 임베디드 첨가물을 구비한 호스트 재료를 얻기 위한 건성 조성물 내로의 첨가물의 표면 임베딩이 이어지는 것과 같은 2가지 카테고리의 복합 또는 조합이 시도될 수 있다는 것이 이해될 것이다. 또한, "건성" 및 "습윤성"이 때때로 수분 함량의 레벨 또는 용매 함량의 레벨을 의미할 수 있지만, "건성" 및 "습윤성"은 또한 경우에 따라 가교 또는 중합화의 정도와 같은 조성물의 또다른 특성을 의미할 수도 있다.
먼저 본 발명의 실시예에 따라 건성 조성물 내로 첨가물을 표면 임베딩하기 위한 제작 방법을 예시하고 있는 도 4a 및 도 4b를 참조한다.
개략적으로, 예시의 실시예는 폴리머, 세라믹, 세라믹 전구체 또는 그 조합체를 포함하는 하나의 조성물과 같은 건성 조성물 내로 첨가물이 임베딩되는 것을 허용하도록 임베딩 유체를 적용하는 것을 포함한다. 일반적으로, 임베딩 유체는 용해, 반응, 연화, 용매화, 팽창 또는 이들의 임의의 조합 등에 의해 건성 조성물의 상태를 가역 변화시켜, 건성 조성물 내로의 첨가물의 임베딩을 용이하게 한다. 예를 들면, 임베딩 유체는 폴리머에 대해 효과적인 용매로서 작용하도록 특수하게 조성될 수 있는 한편, 임베딩 유체 내에서의 첨가물의 현탁을 돕도록 안정제(예컨대, 분산제와 같은)로 변경될 수도 있다. 임베딩 유체는 또한 헤이징(hazing), 크레이징(crazing) 및 블러싱(blushing)과 같은 용매/폴리머 상호작용과 관련한 문제점들을 감소시키거나 제거하도록 특수하게 조성될 수도 있다. 임베딩 유체는 저비용, 무 휘발성 유기 화합물("VOC"), VOC 감면 또는 저 VOC, 무 유해 공기 오염물("HAP"), 무 오존 파괴 물질("non-ODS"), 낮은 또는 무 휘발성, 및 낮은 유해성 또는 무 유해성에 최적화되어 있는 용매 또는 용매 혼합물을 포함할 수 있다. 또다른 예로서, 건성 조성물은 겔 또는 반고체 형태의 세라믹 전구체 또는 세라믹을 포함할 수 있고, 임베딩 유체의 적용은 유체로 공극의 막힘에 의해, 부분적으로 비응축된 올리고머 또는 폴리머 체인의 신장에 의해 또는 양자 모두에 의해 겔이 팽창되는 것을 야기할 수 있다. 또다른 예로서, 건성 조성물은 소듐 실리케이트 또는 또다른 알칼리 금속 실리케이트와 같은 이온 폴리머 형태의 세라믹 전구체 또는 세라믹을 포함할 수 있고, 임베딩 유체의 적용은 첨가물의 임베딩을 허용하도록 이온 폴리머의 적어도 일부를 용해시킬 수 있다. 그런 다음, 첨가물의 임베딩에 이어 연화되거나 팽창된 조성물의 경화 또는 상태의 변화가 뒤따르고, 결과적으로 내부에 첨가물을 임베딩시킨 호스트 재료를 낳는다. 예컨대, 연화되거나 팽창된 조성물은 대기 상태에 대한 노출에 의해 또는 연화되거나 팽창된 조성물을 냉각시키는 것에 의해 경화될 수 있고, 다른 실시예에 있어서는, 연화되거나 팽창된 조성물은 임베딩 유체(또는 다른 액체나 현존하는 액상)의 적어도 일부를 기화시키거나 다른 방법으로 제거하는 것, 공기흐름을 적용하는 것, 진공을 적용하는 것 또는 이들의 조합에 의해 경화된다. 세라믹 전구체의 경우에는, 경화는 세라믹 전구체가 유리로 변환되도록 임베딩 후에 실행될 수 있다. 특정 사용처에 따라 경화는 생략될 수도 있다. 특정 세라믹 전구체(예컨대, 실란)에 따라, 완전히 반응된 또는 완전히 형성된 유리로의 경화 또는 변환의 다양한 정도를 성취하도록 더 많은 또는 더 적은 열이 수반될 수 있다.
표면 임베딩의 작용 메커니즘은 개념정립과 제시의 용이함에 도움을 주기 위해 여러 스테이지로 나누어질 수 있다. 하지만, 이들 스테이지는 합쳐지거나 실질적으로 동시에 일어날 수도 있다. 이들 스테이지는 (a) 임베딩 유체가 표면(여기서는, 예컨대 폴리머의 표면)과 상호작용하는 스테이지, (b) 첨가물이 표면 내로 침투하는 스테이지, 및 (c) 임베딩 유체가 표면에서 유출되는 스테이지를 포함한다.
(a) 스테이지에서 임베딩 유체가 표면에 충돌할 때, 건성 조성물의 폴리머 체인이 표면 위에서 풀어져 확장되고, 폴리머 체인을 풀어주는 팽창과 용매화로 인해 큰 체적을 차지한다. 팽창된 폴리머의 구역은 건성 조성물의 원래의 표면 상하로 확장된다. 이 작용은 수 초 미만의 기간에 걸쳐 일어나고, 이는 일반적인 용매/폴리머 용해 과정이 수 시간 및 수 일의 차원에서 실행되는 것을 가정하면 놀랍도록 급속한 것이다. 폴리머의 표면은 고농도의 저분자량 체인, 체인 단부 및 부피에 비해 높은 표면 에너지 효율성을 가지고, 이는 표면에서의 팽창률 또는 용화율을 증가시킬 수 있다.
(b) 스테이지에서 일단 폴리머 표면이 팽창되면, 임베딩 유체가 표면에 충돌할 때의 임베딩 유체와 첨가물의 운동량에 의해(또는 다른 첨가물 또는 임베딩 유체에 대한 속도의 적용에 의해) 그리고 확산/혼합 과정에 의해, 첨가물이 폴리머 체인들 사이의 구역 내로 적용된다. 몇 가지 실시예에 있어서는, 임베딩 유체와 첨가물의 운동량 없이 임베딩이 성취될 수도 있다. 이러한 팽창/분산에 영향을 미칠 수 있는 또다른 인자는 충격 에너지이다. 첨가물이 표면에 충돌하면, 대단히 국한된 영역에서의 첨가물의 운동량 전달이 표면 내로의 에너지 입력을 부여할 수 있고, 이는 표면을 가열하여 폴리머의 용해도를 증가시킬 수 있어, 이에 의해 폴리머 내로의 첨가물의 확실한 임베딩, 표면 침투 또는 부분적 침착을 용이하게 한다.
(c) 스테이지에서 임베딩 유체가 기화하거나 또는 다른 방식으로 제거될 때, 폴리머 체인들은 서로서로 첨가물 둘에서 개편된다. 원래의 표면을 초과하여 확장된 폴리머 체인들은 첨가물을 포집하고 흡수하며, 첨가물을 표면 내로 끌어들여, 첨가물을 표면 내에 확실하게 또한 항구적으로 임베딩시킨다. 임베딩된 입자들로 인한 구조적 섭동(perturbation)은 비교적 작을 수 있으므로, 최종적인 호스트 재료 및 그것에 내포된 첨가물은 실질적으로 그것들의 원래의 광투명도 및 표면 형상을 유지할 수 있다.
도 4a를 참조하면, 건성 조성물(400)은 기판의 형태로 제공되어 있다. 건성 조성물(400)은 호스트 재료에 해당할 수 있고, 구체적으로는 폴리머, 세라믹 또는 이들의 조합과 같은 적합한 재료로서 앞서 열거된 임의의 재료를 포함할 수 있다. 또한, 건성 조성물(400)은 건조, 경화, 가교, 중합화 또는 이들의 임의의 조합과 같은 적합한 공정에 의해 호스트 재료로 변환될 수 있는 호스트 재료 전구체에 해당할 수 있는 것으로 한다. 몇 가지 실시예에 있어서는, 건성 조성물(400)은 고체상과 함께 액체상을 가진 재료를 포함할 수 있고, 적어도 부분적으로 고체이거나 반고체, 겔과 같은 고체의 특성을 닮은 특성을 가진 재료를 포함할 수 있다. 다음으로, 도 4a를 참조하면, 첨가물(402)과 임베딩 유체(404)가 건성 조성물(400)에 적용된다. 첨가물(402)은 용해 상태이거나 또는 다른 방식으로 임베딩 유체(404) 내에 분산될 수 있고, 1단계 임베딩을 통해 건성 조성물(400)에 동시에 적용될 수 있다. 대안적으로, 첨가물(402)은 임베딩 유체(404)가 건성 조성물(400)을 처리하기 전, 중 또는 후에 건성 조성물(400)에 독립적으로 적용될 수도 있다. 첨가물(402)의 독립적인 적용은 2단계 임베딩이라 할 수 있다. 그 결과로서, 최종적인 호스트 재료(406)는 호스트 재료(406)의 표면 내로 부분적으로 또는 완전히 임베딩된 적어도 얼마간의 첨가물(402)을 가진다. 선택적으로, 연화되거나 팽창된 조성물(400)을 호스트 재료(406)로 변환시키기 위한 적합한 공정이 실행될 수 있다.
도 4b는 도 4a와 유사한 공정 흐름도이지만, 건성 조성물(408)이 기판(410)의 최상부 위에 배치되는 코팅 형태로 제공되고 있다. 건성 조성물(408)은 호스트 재료에 해당하거나, 건조, 경화, 가교, 중합화 또는 이들의 임의의 조합과 같은 적당한 공정에 의해 호스트 재료로 변환될 수 있는 호스트 재료 전구체에 해당할 수 있다. 건성 조성물(408)의 그 밖의 특성은 도 4a를 참조하여 전술한 것과 유사할 수 있으므로 이하에서 반복적으로 설명하지 않는다. 도 4b를 참조하면, 기판은 투명하거나 불투명할 수 있고, 가요성이거나 강성일 수 있으며, 예컨대 PE, PET, PETG, 폴리카보네이트, PVC, PP, 아크릴계 폴리머, ABS, 세라믹, 유리, 또는 이들의 임의의 조합뿐만 아니라 적당한 호스트 재료로서 앞서 열거한 임의의 다른 재료로 이루어질 수 있다. 다음으로, 첨가물(412)과 임베딩 유체(414)가 건성 조성물(408)에 적용된다. 첨가물(412)은 용해 상태이거나 또는 다른 방식으로 임베딩 유체(414) 내에 분산될 수 있고, 1단계 임베딩을 통해 건성 조성물(408)에 동시에 적용될 수 있다. 대안적으로, 첨가물(412)은 임베딩 유체(414)가 건성 조성물(408)을 처리하기 전, 중 또는 후에 건성 조성물(408)에 독립적으로 적용될 수도 있다. 전술한 바와 같이, 첨가물(412)의 독립적인 적용은 2단계 임베딩이라 할 수 있다. 그 결과로서, 최종적인 호스트 재료(416)(기판(410)의 최상부 상에 배치된)는 호스트 재료(416)의 표면 내로 부분적으로 또는 완전히 임베딩된 적어도 얼마간의 첨가물(412)을 가진다. 선택적으로, 연화되거나 팽창된 조성물(408)을 호스트 재료(416)로 변환시키기 위한 적합한 공정이 실행될 수 있다.
몇 가지 실시예에 있어서는, 첨가물은 임베딩 유체 내에 분산되거나 또는 독립적인 운반 유체 내에 분산되어 건성 조성물에 독립적으로 적용된다. 분산은 혼합, 초음파 처리, 셰이킹, 진동, 유동 처리, 첨가물 표면의 화학적 개질, 유체의 화학적 개질, 유체에 대한 분산제 또는 현탁제의 첨가, 또는 소정의 분산을 성취하기 위한 다른 방식의 첨가물 처리에 의해 성취될 수 있다. 분산은 균일할 수도 또는 불균일할 수도 있다. 운반 유체는 임베딩 유체(예컨대 추가적인 임베딩 유체)로서 기능할 수 있거나 임베딩 유체와 유사한 특성을 가질 수 있다. 다른 실시예에 있어서는, 캐리어 유체는 첨가물을 동반이동시거나 운반하는 운반 매질로서 기능할 수 있지만, 첨가물과 건성 조성물에 대해서는 실질적인 작용을 하지 않는다.
유체(예컨대, 임베딩 유체 및 운반 유체)는 액체, 기체 또는 초임계 유체를 포함할 수 있다. 상이한 형태의 유체들의 조합도 적합할 수 있다. 유체는 하나 이상의 용매를 포함할 수 있다. 예컨대, 유체는 물, 이온, 이온 함유 용액, 유기 용매(예컨대, 극성 유기 용매; 무극성 유기 용매: 반양성자성 용매; 양성자성 용매; 극성 반양성자성 용매, 또는 극성 양성자성 용매); 무기 용매 또는 이들의 임의의 조합을 포함할 수 있다. 오일도 적합한 유체로서 고려될 수 있다. 염류, 계면활성제, 분산제, 안정제 또는 결합제도 유체에 포함될 수 있다.
적합한 유기 용매의 예들은 2-메틸테트라히드로푸란, 클로로-탄화수소, 플루오로-탄화수소, 케톤, 파라핀, 아세트알데히드, 아세트산, 아세트산 무수물, 아세톤, 아세토니트릴, 알킨, 올레핀, 아닐린, 벤젠, 벤조니트릴, 벤질 알콜, 벤질 에테르, 부탄올, 부탄온, 부틸 아세테이트, 부틸 에테르, 부틸 포르메이트, 부티르알데히드, 부티르산, 부티로니트릴, 이황화탄소, 사염화탄소, 클로로벤젠, 클로로부탄, 클로로포름, 지환족 탄화수소, 시클로헥산, 시클로헥산올, 시클로헥산온, 시클로펜탄온, 시클로펜틸 메틸 에테르, 디아세톤 알콜, 디클로로에탄, 디클로로메탄, 디에틸 카보네이트, 디에틸 에테르, 디에틸렌 글리콜, 디글라임, 디-이소프로필아민, 디메톡시에탄, 디메틸 포름아미드, 디메틸 술폭시드, 디메틸아민, 디메틸부탄, 디메틸에테르, 디메틸포름아미드, 디메틸펜탄, 디메틸술폭시드, 디옥산, 도데카플루오로-1-헵탄올, 에탄올, 에틸 아세테이트, 에틸 에테르, 에틸 포르메이트, 에틸 프로피오네이트, 에틸렌 디클로라이드, 에틸렌 글리콜, 포름아미드, 포름산, 글리세린, 헵탄, 헥사플루오로이소프로판올, 헥사메틸포스포르아미드, 헥사메틸인 트리아미드, 헥산, 헥산온, 과산화수소, 차아염소산염, i-부틸 아세테이트, i-부틸 알콜, i-부틸 포르메이트, i-부틸아민, i-옥탄, i-프로필 아세테이트, i-프로필 에테르, 이소프로판올, 이소프로필아민, 케톤 퍼옥시드, 메탄올 및 염화칼슘 용액, 메탄올, 메톡시에탄올, 메틸 아세테이트, 메틸 에틸 케톤 (또는 MEK), 메틸 포르메이트, 메틸 n-부티레이트, 메틸 n-프로필 케톤, 메틸 t-부틸 에테르, 메틸렌 클로라이드, 메틸렌, 메틸헥산, 메틸펜탄, 광물유, m-크실렌, n-부탄올, n-데칸, n-헥산, 니트로벤젠, 니트로에탄, 니트로메탄, 니트로프로판, 2-N-메틸-2- 피롤리딘온, n-프로판올, 옥타플루오로-1-페탄올, 옥탄, 펜탄, 펜탄온, 석유 에테르, 페놀, 프로판올, 프로피온알데히드, 프로피온산, 프로피오니트릴, 프로필 아세테이트, 프로필 에테르, 프로필 포르메이트, 프로필아민, p-크실렌, 피리딘, 피롤리딘, t-부탄올, t-부틸 알콜, t-부틸 메틸 에테르, 테트라클로로에탄, 테트라플루오로프로판올, 테트라히드로푸란, 테트라히드로나프탈렌, 톨루엔, 트리에틸 아민, 트리플루오로아세트산, 트리플루오로에탄올, 트리플루오로프로판올, 트리메틸부탄, 트리메틸헥산, 트리메틸펜탄, 발레로니트릴, 크실렌, 크실레놀, 또는 이들의 어떤 조합을 포함한다.
적합한 유기 용매는, 예를 들면, 물, 암모니아, 수산화나트륨, 이산화황, 술프릴 클로라이드, 술프릴 클로라이드 플루오라이드, 포스포릴 클로라이드, 삼브롬화인, 사산화이질소, 삼염화안티몬, 오플루오르화브롬, 플루오르화수소, 또는 이들의 조합을 포함한다.
적합한 이온 용액은, 예를 들면, 콜린 클로라이드, 우레아, 말론산, 페놀, 글리세롤, 1-알킬-3-메틸이미다졸륨, 1-알킬피리디늄, N-메틸-N-알킬피롤리디늄, 1-부틸-3-메틸이미다졸륨 헥사플루오로포스페이트, 암모늄, 콜린, 이미다졸륨, 포스포늄, 피라졸륨, 피리디늄, 피롤리디늄, 술포늄, 1-에틸-1-메틸피페리디늄 메틸 카보네이트, 4-에틸-4-메틸모르폴리늄 메틸 카보네이트, 또는 이들의 조합을 포함한다. 1-에틸-3-메틸이미다졸륨 아세테이트, 1-부틸-3-메틸이미다졸륨 테트라플루오로보레이트, 1-n-부틸-3 -메틸이미다졸륨 테트라플루오로보레이트, 1-부틸-3-메틸이미다졸륨 헥사플루오로포스페이트, 1-n-부틸-3-메틸이미다졸륨 헥사플루오로포스페이트, 1-부틸-3-메틸이미다졸륨 1,1,1-트리플루오로-N-[(트리플루오로메틸)술포닐]메탄술폰아미드, 1-부틸-3-메틸이미다졸륨 비스[(트리플루오로메틸술포닐)이미드, 1-부틸-3-메틸이미다졸륨 비스[(트리플루오로메틸)술포닐] 아미드, 및 1-부틸-3-메틸이미다졸륨 비스[(트리플루오로메틸)술포닐]이미드, 또는 이들의 어떤 조합을 포함하는 다른 메틸이미다졸륨 용액이 적당한 것으로 생각될 수 있다.
다른 적합한 유체는 할로겐화 화합물, 이미드, 및 아미드를 포함하고, 예를 들면 N-에틸-N,N-비스(1-메틸에틸)-1-헵탄아미늄 비스[(트리플루오로메틸)술포닐]이미드, 에틸헵틸-디-(1-메틸에틸)암모늄 1,1,1-트리플루오로-N-[(트리플루오로메틸)술포닐]메탄 술폰아미드, 에틸헵틸-디-(1-메틸 에틸)암모늄 비스(트리플루오로메틸술포닐)이미드, 에틸헵틸-디-(1-메틸에틸)암모늄 비스[(트리플루오로메틸)술포닐] 아미드, 또는 이들의 어떤 조합이다. 유체는 또한 에틸헵틸-디-(1-메틸 에틸) 암모늄 비스[(트리플루오로메틸)술포닐]이미드, N5N5N-트리부틸-1-옥탄아미늄 트리플루오로메탄술포네이트, 트리부틸옥틸암모늄 트리플레이트, 트리부틸옥틸암모늄 트리플루오로메탄술포네이트, N,N,N-트리부틸-1-헥산아미늄 비스[(트리플루오로메틸)술포닐]이미드, 트리부틸헥실암모늄 1,1,1-트리플루오로-N-[(트리플루오로메틸)술포닐]메탄술폰아미드, 트리부틸헥실암모늄 비스(트리플루오로메틸술포닐)이미드, 트리부틸헥실암모늄 비스[(트리플루오로메틸)술포닐]아미드, 트리부틸헥실암모늄 비스[(트리플루오로메틸)술포닐]이미드, N,N,N-트리부틸-1-헵탄아미늄 비스[(트리플루오로메틸)술포닐]이미드, 트리부틸헵틸암모늄 1,1,1 -트리플루오로-N-[(트리플루오로 메틸)술포닐]메탄술폰아미드, 트리부틸헵틸암모늄 비스[(트리플루오로메틸술포닐)이미드; 트리부틸헵틸암모늄 비스[(트리플루오로메틸)술포닐]아미드, 트리부틸헵틸암모늄 비스[(트리플루오로메틸)술포닐]이미드, N,N,N-트리부틸-1-옥탄아미늄 비스[(트리플루오로메틸)술포닐]이미드, 트리부틸옥틸암모늄 1,1,1-트리플루오로-N-[(트리플루오로메틸)술포닐] 메탄 술폰아미드, 트리부틸옥틸 암모늄 비스[(트리플루오로메틸술포닐)이미드, 트리부틸옥틸암모늄 비스[(트리플루오로메틸)술포닐]아미드, 트리부틸옥틸암모늄 비스[(트리플루오로메틸)술포닐]이미드, 1-부틸-3-메틸이미다졸륨 트리플루오로아세테이트, 1-메틸-1-프로필피롤리디늄 1,1,1-트리플루오로-N-[(트리플루오로메틸)술포닐]메탄술폰아미드, 1-메틸-1-프로필피롤리디늄 비스(트리플루오로메틸술포닐)이미드, 1-메틸-1-프로필피롤리디늄 비스[(트리플루오로메틸)술포닐]아미드, 1-메틸-1-프로필피롤리디늄 비스(트리플루오로메틸)술포닐]이미드, 1-부틸-1-메틸 피롤리디늄 1,1,1-트리플루오로-N-[(트리플루오로메틸)술포닐]메탄술폰아미드, 1-부틸-1-메틸피롤리디늄 비스(트리플루오로메틸술포닐)이미드, 1-부틸-1-메틸피롤리디늄 비스[(트리플루오로메틸)술포닐]아미드, 1-부틸-1-메틸피롤리디늄 비스[(트리플루오로메틸)술포닐] 이미드, 1-부틸피리디늄 1,1,1-트리플루오로-N-[(트리플루오로메틸)술포닐]메탄술폰아미드, 1-부틸피리디늄 비스(트리플루오로메틸술포닐)이미드, 1-부틸피리디늄 비스[(트리플루오로메틸)술포닐]아미드, 1-부틸피리디늄 비스[(트리플루오로메틸)술포닐]이미드, 1-부틸-3-메틸 이미다졸륨 비스(퍼플루오로에틸술포닐)이미드, 부틸트리메틸암모늄 비스(트리플루오로메틸 술포닐)이미드, 1-옥틸-3-메틸이미다졸륨 1,1,1-트리플루오로-N-[(트리플루오로메틸)술포닐] 메탄술폰아미드, 1-옥틸-3-메틸이미다졸륨 비스(트리플루오로메틸술포닐)이미드, 1-옥틸-3-메틸이미다졸륨 비스[(트리플루오로메틸)술포닐]아미드, 1-옥틸-3-메틸이미다졸륨 비스[(트리플루오로메틸)술포닐]이미드, 1-에틸-3-메틸이미다졸륨 테트라플루오로보레이트, N5N5N-트리메틸-1-헥산아미늄 비스[(트리플루오로메틸)술포닐]이미드, 헥실트리메틸암모늄 1,1,1-트리플루오로-N-[(트리플루오로메틸)술포닐]메탄술폰아미드, 헥실트리메틸암모늄 비스(트리플루오로메틸술포닐)이미드, 헥실트리메틸암모늄 비스[(트리플루오로메틸)술포닐]아미드, 헥실트리메틸암모늄 비스[(트리플루오로메틸)술포닐]이미드, N,N,N-트리메틸-3-헵탄아미늄 비스[(트리플루오로메틸)술포닐]이미드, 헵틸트리메틸암모늄 1,1,1-트리플루오로-N-[(트리플루오로메틸)술포닐]메탄술폰아미드, 헵틸트리메틸암모늄 비스(트리플루오로 메틸술포닐)이미드, 헵틸트리메틸암모늄 비스[(트리플루오로메틸)술포닐]아미드, 헵틸트리메틸암모늄 비스(트리플루오로메틸)술포닐]이미드, N,N,N-트리메틸-1-옥탄아미늄 비스[(트리플루오로메틸)술포닐]이미드, 트리메틸옥틸암모늄 1,1,1-트리플루오로-N-[(트리플루오로 메틸)술포닐]메탄술폰아미드, 트리메틸옥틸암모늄 비스[(트리플루오로메틸술포닐)이미드, 트리메틸옥틸암모늄 비스[(트리플루오로메틸)술포닐]아미드, 트리메틸옥틸암모늄 비스[(트리플루오로메틸)술포닐]이미드, 1-에틸-3-메틸이미다졸륨 에틸 술페이트, 또는 이들의 어떤 조합이다.
첨가물의 표면 임베딩에 대한 제어는 팽창-확산-증발-적용 단계의 적절한 밸런싱을 통해 달성될 수 있다. 이러한 밸런스는, 예컨대, 용제-호스트 재료 상호작용 파라미터, 첨가물의 크기, 임베딩 유체의 반응성 및 휘발성, 첨가물 충격 모멘트 또는 속도, 온도, 습도, 압력, 및 다른 요소에 의해 제어될 수 있다. 더욱 상세하게는, 본 발명의 몇몇 실시예에 대하여 표면 임베딩에 대한 관련 프로세싱 파라미터가 아래에 나열된다.
임베딩 유체 선택:
· 표면과 임베딩 유체의 호환성(예컨대, 힐데브란트 및 한센 용해도 파라미터, 유전상수, 분배계수, pKa 등의 매칭 또는 비교)
· 임베딩 유체의 증발 속도, 끓는점, 증기압, 증발 엔탈피
· 임베딩 유체의 표면으로의 확산: 열역학 및 동역학적 고려사항
· 임베딩 유체의 점도
· 임베딩 유체의 표면 장력, 위킹(wicking), 및 모세관 효과
· 공비혼합물(Azeotroping), 혼화성(miscibility), 및 다른 유체와의 다른 상호작용
적용 조건:
· 유체-표면 노출 시간
· 온도
· 습도
· 적용 방법(예컨대, 스프레잉, 프린팅, 회전 코팅, 그라비아(gravure) 코팅, 슬롯-다이(slot-die), 컵 코팅, 블레이드 코팅, 에어브러싱(airbrushing), 이머전(immersion), 딥(dip) 코팅 등)
· (예컨대, 임베딩의 깊이 또는 정도에 영향을 줄 수 있는) 표면상에서의 첨가물의 임팩트/모멘트/속도
· 후처리 조건(예컨대, 가열, 증발, 유체 제거, 공기 건조 등)
호스트 재료:
· 표면 에너지
· 조도(Roughness) 및 표면적
· 사전처리(예컨대, 자외선 오존처리, 베이스 에칭, 세척, 용제 프라이밍(priming) 등)
· 임베딩 전에 유체 내에 첨가물의 디스퍼전(Dispersion)/현탁(suspension)(예컨대, 첨가물은 물리적 교반, 화학적/캡핑(capping) 안정화, 입체 안정화(steric stabilization)을 통해 용액 내에 분산되어 유지되거나 또는 본질적으로 가용화될 수 있다)
· 바람직하지 않은 효과의 완화(예컨대, 헤이징(hazing), 잔금(crazing), 블러싱(blushing), 호스트 재료의 비가역적 파괴, 불균일한 젖음, 조도 등)
앞서 언급한 파라미터 중 일부 또는 모두는 주어진 호스트 재료로의 첨가물의 임베딩의 깊이를 조절하기 위해 변경되거나 선택될 수 있다. 예를 들어, 호스트 재료의 표면으로 더 높은 정도의 임베딩 깊이는
호스트 재료와 상호작용하는 임베딩 유체의 용해력을 증가시킴으로써, 임베딩 유체 기판의 한센 용해도 파라미터를 근접하게 매칭함으로써, 호스트 재료와 접촉하는 임베딩 유체의 노출 시간을 연장함으로써, 호스트 재료와 접촉하는 임베딩 유체의 양을 증가시킴으로써, 시스템의 온도를 올림으로써, 호스트 재료 상에 충돌하는 첨가물의 모멘트를 증가시킴으로써, 호스트 재료로의 임베딩 유체 및 첨가물 중 하나 또는 모두의 확산을 증가시킴으로써, 또는 이들의 임의의 조합에 의해 달성될 수 있다.
아래의 표 1은 본 발명의 하나의 실시예에 따른, 특정한 폴리머로 이루어진 건성 조성물으로 임베딩 첨가물용으로 적합한 몇몇 임베딩 유체의 예를 제공한다. 앞서 나열한 프로세싱 파라미터를 사용하면, 다른 임베딩 유체가 이러한 특정한 폴리머는 물론, 다른 타입의 폴리머, 세라믹, 및 세라믹 전구체에 대하여 선택될 수도 있음이 이해될 것이다.
폴리머 임베딩 유체
아크릴로니트릴
(또는 ABS)		 아세톤, 디클로로메탄, 디클로로메탄/미네랄 스피릿 80/20vol%, 아세트산 메틸, 메틸에틸케톤, 테트라히드로푸란, 유산 에틸(ethyl lactate), 시클로헥사논, 톨루엔, 테트라플루오르프로판올(tetrafluoropropanol), 트리플루오르에탄올(trifluoroethanol), 헥사플루오르이소프로판올(hexafluoroisopropanol), 또는 이들의 임의의 조합
폴리카보네이트 시클로헥사논, 디클로로메탄, 60vol% 아세트산메틸/20vol% 아세트산 에틸/20vol% 시클로헥사논, 테트라히드로푸란, 톨루엔, 테트라플루오르프로판올, 트리플루오르에탄올, 헥사플루오르이소프로판올, 메틸에틸케톤, 아세톤, 다른 순수 케톤, 또는 이들의 임의의 조합
아크릴-폴리아크릴레이트, 폴리메틸 메타크릴레이트
(또는 PMMA)		 디클로로메탄, 메틸에틸케톤, 테트라플루오르프로판올, 트리플루오르에탄올, 헥사플루오르이소프로판올, 테르피네올, 1-부탄올, 이소프로판올, 테트라히드로푸란, 테리피네올, 트리플루오르에탄올/ 이소프로판올, 다른 플루오르화 알콜, 또는 이들의 임의의 조합
폴리스티렌 아세톤, 디클로로메탄, 테트라히드로푸란, 톨루엔, 50 vol% 아세톤/50 vol% 테트라히드로푸란, 또는 이들의 임의의 조합
폴리염화비닐
(또는 PVC)		 테트라히드로푸란, 50% 아세톤/50% 테트라히드로푸란, 또는 이들의 임의의 조합
유체(예컨대, 임베딩 유체 및 운반 유체(carrier fluid))는 또한 염류(salts), 계면활성제, 안정제, 및 유체에 특정한 세트의 특성을 부여하는데 유용한 다른 에이전트를 포함할 수 있다. 안정제는 상호 첨가 집합체(inter-additive agglomeration)를 적어도 부분적으로 억제할 수 있는 그들의 능력을 기초로 포함될 수 있다. 다른 안정제는 첨가물의 기능성을 보존하는 그들의 능력을 기초로 선택될 수 있다. 다른 에이전트는 유동학적 특성, 증발 속도, 및 다른 특성을 조절하기 위해 사용될 수 있다.
유체 및 첨가물은 건성 조성물의 표면에 대하여 매우 고정적이 되도록 적용될 수 있다. 다른 실시예에서, 애플리케이션은, 예컨대, 표면에 유체를 분사함으로써, 유체의 떨어지는 커튼(falling curtain)을 통해 건성 조성물을 전달함으로써, 또는 유체의 풀(pool) 또는 배스(bath)를 통해 건성 조성물을 전달함으로써, 상대적 움직임과 함께 운반될 수 있다. 유체 및 첨가물의 적용은 에어브러싱, 미립화(atomizing), 분무(nebulizing), 스프레잉, 정전식 스프레잉, 붓기, 롤링(rolling), 커트닝(curtaining), 와이핑(wiping), 스핀 케스팅, 드립핑(dripping), 딥핑, 페인팅, 플로우잉(flowing), 브러싱, 이머징, 패턴화(예컨대, 스탭핑, 잉크젯 프린팅, 제어된 스프레잉, 제어된 초음파 스프레잉 등), 플로우 코팅법(예컨대, 슬롯 다이, 모세관 코팅, 메이어 로드(meyer rod), 컵 코팅, 드로우 다운(draw down) 등) 또는 이들의 임의의 조합에 의해 유효화될 수 있다. 몇몇 실시예에서, 첨가물은 표면상에서, 예컨대, 분무기에 의해 프로펠링되어(propelled), 표면과의 충돌에 의해 임베딩을 용이하게 한다. 다른 실시예에서, 유체, 첨가물, 또는 이둘 모두에 그래디언트(gradient)가 적용된다. 적절한 그래디언트는 자계 및 전계를 포함한다. 그래디언트는 표면상에서 유체, 첨가물, 또는 이둘 모두를 적용하거나, 분산시키거나, 또는 프로펠링하기 위해 사용될 수 있다. 몇몇 실시예에서, 그래디언트는 임베딩의 정도를 제어하기 위해 첨가물을 조종하는데 사용된다. 적용된 그래디언트는 일정하거나 가변적일 수 있다. 그래디언트는 건성 조성물이 연화되거나(softened), 부풀어오르기(swelled) 전에, 건성 조성물이 연화되거나 부풀어오르는 동안, 또는 건성 조성물이 연화되거나 부풀어오른 후에 적용될 수 있다. 건성 조성물이 연화를 달성하기 위해 가열될 수 있고, 유체 및 첨가물 중 하나 또는 모두가 임베딩을 촉진시키기 위해 가열될 수 있다고 생각된다.
유체 및 첨가물의 적용, 및 첨가물의 임베딩은 패턴을 산출하기 위해 공간적으로 제어될 수 있다. 몇몇 실시예에서, 공간적 제어는 적용되는 첨가물의 하나의 세그먼트를 표면과 접촉하는 것을 차단하기 위해 애플리케이터와 표면 사이에 놓여질 수 있는 물리적 마스크를 통해 달성될 수 있고, 이는 첨가물 임베딩의 제어된 패턴화를 야기한다. 다른 실시예에서, 공간적 제어는 포토마스크를 통해 달성될 수 있다. 포지티브 또는 네거티브 포토마스크는 표면과 광원 사이에 놓여질 수 있고, 이는 포토레지스트에 대응할 수 있다. 포토마스트의 투명한 부분을 통해 투과된 광은 포토레지스트의 노출된 부분의 용해도에 선택적으로 영향을 줄 수 있고, 포토레지스트의 결과적인 공간적으로 제어된 용해가능한 영역은 첨가물의 제어된 임베딩을 허용할 수 있다. 다른 실시예에서, 공간적 제어는 전기적 그래디언트, 자기적 그래디언트, 전자계, 열적 그래디언트, 압력 또는 기계적 그래디언트, 표면 에너지 그래디언트(예컨대, 액체-고체-기체 경계, 접착-결합력, 및 모세관 효과), 또는 이들의 임의의 조합의 이용을 통해 달성될 수 있다.
오버라잉 코팅(예컨대, 도 2c 및 도 2g에 각각 도시된 코팅(214 및 250))의 적용은 유사한 방식으로 수행될 수 있다. 예컨대, ITO 또는 다른 투명한 금속 산화물의 경우에, 전기 도전성 재료는 표면-노출된, 표면-임베딩된 첨가물과 함께 조성물 상에 스퍼터링될(sputtered) 수 있다. 전기 도전성 폴리머, 카본기반의 코팅, 및 다른 타입의 코팅의 경우에, 전기 도전성 재료는, 코팅, 스프레잉, 플로우 코팅 등에 의해 달성될 수 있다.
앞서 언급한 바와 같이, 첨가물은 임베딩 유체 내로 분산될 수 있고, 1-단계 임베딩을 통해 임베딩 유체와 함께 건성 조성물에 적용될 수 있다. 첨가물은 또한 2-단계 임베딩을 통해 임베딩 유체로부터 분리되어 건성 조성물에 적용될 수 있다. 후자의 시나리오에서, 첨가물은, 예컨대, 운반 유체 내로 분산시킴으로써, 또는 동일한 임베딩 유체 또는 상이한 임베딩 유체 내에서 분산시킴으로써 젖은 형태로 적용될 수 있다. 또한, 후자의 시나리오에서, 첨가물은 에어로졸화된 파우더 형태와 같은, 건조 형태로 적용될 수도 있다. 또한, 첨가물이, 예컨대, 메탄올, 다른 낮은 끓는점의 알콜, 또는 건성 조성물과 충돌하기 전에 실질적으로 증발하는 다른 낮은 끓는점의 유기 용제와 같은, 휘발성인 운반 유체에 첨가물을 분산시킴으로써 반 건조(quasi-dry) 형태로 적용될 수도 있을 것으로 생각된다.
예를 들어, 하나의 실시예는 건성 조성물상에 적절한 운반 유체 내에 분산된 나노 와이어 또는 다른 전기 도전성 첨가물의 용액을 스프레잉하는 것, 에어브러싱하는 것, 또는 분무하는 것을 포함한다.
다른 예로서, 하나의 실시예는 건성 조성물과 임베딩 유체의 분사 또는 접촉에 의해 건성 조성물을 사전처리한 후, 시간, t1의 경과 후, 일시적으로 연화된 건성 조성물과 나노와이어 충돌 속도의 조합이 나노와이어의 신속하고 내구성있는 표면-임베딩을 허용하도록 하는 속도로 나노와이어 또는 다른 전기 도전성 첨가물를 스프레잉하거나 에어브러싱하는 것을 포함한다. t1은 대략 1나노초 내지 대략 24시간, 대략 1나노초 내지 대략 1시간, 또는 대략 1초 내지 대략 1시간과 같은, 대략 0나노초 내지 대략 24시간의 범위 내에 있을 수 있다. 2개의 스프레이 노즐은 동시에 또는 순차적으로 작동될 수 있는데, 하나의 노즐은 임베딩 유체를 분산시키고, 다른 노즐은 건성 조성물을 향해 운반 유체 내에 분산된 분무된 나노와이어를, 일정한 속도로, 분산시킨다. 에어 큐어링(Air-curing) 또는 고온 애닐링이 옵션으로서 포함될 수 있다.
다른 예로서, 하나의 실시예는 건성 조성물 상에 운반 유체 내에 분산된 나노와이어 또는 다른 전기 도전성 첨가물의 용액을 스프레잉하는것, 에어브러싱하는 것,또는 분무하는 것을 포함한다. 시간 t2의 경과 후, 2차 스프레잉, 에어브러싱, 또는 분무는 효율적인 나노와이어의 표면 임베딩을 허용하기 위해 임베딩 유체를 적용하기 위해 사용된다. t2는 예컨대, 대략 1나노초 내지 대략 24시간, 1 나노초 내지 대략 1시간, 또는 대략 1초 내지 대략 1시간과 같은 0 나노초 내지 대략 24시간의 범위 내에 있을 수 있다. 2개의 스프레이 노즐은 동시에 또는 순차적으로 작동될 수 있는데, 하나의 노즐은 임베딩 유체를 분산시키고, 다른 노즐은 건성 조성물을 향해 운반 유체 내에 분산된 분무된 나노와이어를, 일정한 속도로, 분산시킨다. 에어 큐어링 또는 고온 애닐링이 옵션으로서 포함될 수 있다.
다른 예로서, 하나의 실시예는 규산나트륨 또는 다른 규산 알카리 금속, 또는 다른 고체 유리로 이루어진 건성 조성물상에 나노와이어 또는 다른 전기 도전성 첨가물을 적용하는 것을 포함한다. 동시에 또는 개별적인 오퍼레이션으로서, 가열된 기본적인 물로 이루어진 임베딩 유체는 상온에서 또는 상승된 온도에서 규산나트륨에 액체 또는 증기 형태로 적용되는데, 이는 규산나트륨이 적어도 부분적으로 용해되게 하여, 용해된 규산나트륨으로 나노와이어가 들어가는 것을 허용한다. 물은 증발되거나 제거되어, 규산나트륨이 나노와이어가 규산나트륨 내에 임베딩된 채로 재고체화 되게 한다. 에어 큐어링 또는 고온 애닐링이 옵션으로서 포함될 수 있다.
본 발명의 하나의 실시예에 따른, 습윤성 조성물(418)에 첨가물(422)을 표면 임베딩하는 제조 방법을 도시하는 도 4c를 다시 참조한다. 도 4c를 참조하면, 습윤성 조성물(418)은 기판(420)의 윗면에 배치된 코팅의 형태로 기판(420)에 적용된다. 습윤성 조성물(418)은 호스트 재료의 용해된 형태에 대응할 수 있고, 특히 폴리머, 세라믹, 세라믹 전구체, 또는 이들의 임의의 조합과 같은 적절한 호스트 재료로서 앞서 나열된 임의의 재료의 용해된 형태를 포함할 수 있다. 또한, 습윤성 조성물(418)이 건조, 큐어링, 가교, 폴리머화, 또는 이들의 임의의 조합과 같은 적절한 프로세싱에 의해 호스트 재료로 변환될 수 있는 호스트 재료 전구체에 대응할 수 있다고 생각된다. 예를 들어, 습윤성 코팅 조성물(418)은 완전히 큐어링되거나 안정되지 않은 코팅이거나, 적절한 폴리머화 개시제 또는 가교제를 사용하여 순차적으로 큐어링되거나 가교될 수 있는, 완전히 가교되지 않은 가교가능한 코팅이거나, 또는 적절한 폴리머화 개시제 또는 가교제를 사용하여 순차적으로 폴리머화될 수 있는, 모노머, 올리고머, 또는 모노머와 올리고머의 조합의 코팅일 수 있다. 몇몇 실시예에서, 습윤성 조성물(418)은 액체 상태는 물론 고체 상태를 가진 재료, 또는 적어도 부분적으로 액체이거나, 반고체, 겔 등과 같은 액체와 유사한 특성을 가진 재료를 포함할 수 있다. 기판(420)은 투명하거나 불투명할 수 있고, 유연하거나 단단할 수 있고, 예컨대, PE, PET, PETG, 폴리카보네이트, PVC, PP, 아크릴기반의 폴리머, ABS, 세라믹, 또는 이들의 임의의 조합은 물론, 적절한 호스트 재료로 앞서 나열된 임의의 다른 재료로 이루어질 수 있다.
그 다음, 도 4c의 좌측의 옵션에 따라, 첨가물(422)은 건조 이전에 또는 습윤성 조성물(418) 내에 첨가물(422)의 임베딩을 허용하는 상태로 남아 있는 동안, 습윤성 조성물(418)에 적용된다. 몇몇 실시예에서, 첨가물(422)의 적용은 플로우 코팅법(예컨대, 슬롯 다이, 모세관 코팅, 메이어 로드, 컵 코팅, 드로우 다운 등)을 통해 이루어진다. 좌측에 도시되지는 않았지만, 임베딩 유체가 첨가물(422)의 임베딩을 용이하게 하기 위해 습윤성 조성물(418)에 동시에 또는 개별적으로 적용될 수 있을 것으로 생각된다. 그 다음, 결과적인 호스트 재료(424)는 호스트 재료(424)의 표면으로 부분적으로 또는 완전히 임베딩된 적어 일부의 첨가물(422)을 가진다. 적절한 프로세싱이 습윤성 조성물(418)을 호스트 재료(424)로 변환하기 위해 수행될 수 있다.
도 4c 내의 첨가물(422)의 적용 및 첨가물(422)의 임베딩에 관한 특정한 형태들은 도 4a 및 도 4b에 대하여 앞서 서술한 것과 유사한 프로세싱 조건 및 재료를 사용하여 수행될 수 있으므로, 이러한 형태를 아래에 반복할 필요는 없다. 아래의 내용은 세라믹 또는 세라믹 전구체와 관련된 실시예에 대한 추가적인 세부내용을 제공한다.
몇몇 실시예에서, 첨가물은 용제 및 하나의 세트의 반응종(reactive species)을 포함하는 액체 세라믹 전구체의 코팅의 형태로 습윤성 조성물으로 임베딩된다. 이러한 임베딩은 용제가 완전히 건조되기 전에 수행되고, 세라믹 전구체를 완전히 축합되거나 재구성된 유리로 큐어링 또는 변환하는 옵션이 뒤따른다. 세라믹 전구체 반응종의 예는 스핀온 글래스(spin-on glasses), 실란(예컨대, Si(OR)(OR')(OR'')(R'''), Si(OR)(OR')(R'')(R'''), 및 Si(OR)(OR')(R'')(R'''), 여기서, R, R', R'', 및 R'''은 알킬기, 알케닐기, 알키닐기, 및 아릴기로부터 독립적으로 선택된다), 실란의 티타늄 유사물, 실란의 세륨 유사물, 실란의 마그네슘 유사물, 실란의 게르마늄 유사물, 실록산(예컨대, Si(OR)(OR')(OR'')(OR'''), 여기서 R, R', R'', 및 R'''은 알킬기, 알케닐기, 알키닐기, 및 아릴기로부터 독립적으로 선택된다), 실록산의 티타늄 유사물, 실록산의 세륨 유사물, 실록산의 마그네슘 유사물, 실록산의 게르마늄 유사물, 규산 알카리 금속((e.g., 규산나트륨 및 규산칼륨), 또는 임의의 이들의 조합을 포함한다. 다른 특수한 예로서, 세라믹 전구체 반응종은 테트라메톡시실란(또는 TMOS), 테트라에톡시실란(또는 TEOS), 테트라(이소프로폭시)실란, 이들의 티타늄 유사물, 이들의 세륨 유사물, 이들의 마그네슘 유사물, 이들의 갈륨 유사물, 또는 이들의 임의의 조합과 같은 실록산일 수 있다.
몇몇 실시예에서, 반응종은 첨가물의 임베딩 이전에, 적어도 부분적으로 반응된다. 반응은, 예컨대, 산(acid) 및 촉매가 있는 가수분해에 의해 수행될 수 있고, 축합이 뒤따르고, 그로인해 올리고머 또는 폴리머 체인을 산출한다. 예를 들어, 실란 및 실록산은 Si-O-Si 연결을 가진 올리고머 또는 폴리머 체인을 산출하기 위해 부분적인 축합을 겪을 수 있고, 적어도 몇몇 사이드 그룹은 (OR) 또는 (R)에 대응한다.
몇몇 실시예에서, 액체 세라믹 전구체는 적어도 2개의 상이한 타입의 반응종을 포함한다. 예컨대, TEOS, TMOS, 테트라(이소프로폭시)실란과 같은, 상이한 타입의 종은 서로 반응할 수 있고, 증발 속도 및 사전 큐어링된 필름 형태(morphology)를 제어하기 위해 적절하게 선택될 수 있다. 테트라(이소프로폭시)실란의 경우에 이소프로폭시 대 TMOS의 경우에 메톡시와 같은, 더 큰 사이드 그룹을 가진 반응종은 겔 형태로 변환될 때 더 큰 포어 크기를 산출할 수 있고, 이러한 더 큰 구멍 크기는 임베딩 유체의 존재하에서 팽창을 용이하게 할 수 있다. 또한, 가수분해시, 더 큰 사이드 그룹은 테트라(이소프로폭시)실란의 경우에 이소프로필 알콜 대 TMOS의 경우에 메탄올과 같은, 낮은 점도를 가진 대응하는 알콜로 변환될 수 있는데, 이는 건조 속도를 느리게 할 수 있다. 다른 실시예에서, 상이한 타입의 종은 규산나트륨 및 테트라(이소프로폭시)실란과 같이, 반응할 가능성이 낮다. 이는 첨가물의 임베딩을 허용하기 위해 어느 정도의 지연된 축합을 유지하면서, 규산염을 건조함으로써 형성된 하나의 벌크의 매트릭스의 큐어링 특성을 용이하게 다룰 수 있다.
몇몇 실시예에서, 반응전 또는 반응후의 반응종은 어느 정도의 Si-C 또는 Si-C-Si 연결을 포함할 수 있는데, 이는 강도(toughness), 다공성(porosity), 또는 임베딩 유체의 존재하에서 팽창을 촉진시키기 위해 또는 건조 속도를 늦추기 위해 용제의 트랩핑(trapping)을 허용하는 것과 같은 다른 바람직한 특성을 부여할 수 있다.
몇몇 실시예에서, 반응전 또는 반응후의 반응종은 Si-OR기를 포함할 수 있는데, 여기서 R은 액체 세라믹 전구체의 코팅의 건조 속도를 늦추기 위해 낮은 휘발성을 가진 긴 체인의 사이드 그룹이다. 다른 실시예에서, 반응종은 Si-R'기를 포함할 수 있는데, 여기서 R은 액체 세라믹 전구체의 코팅의 건조 속도를 늦추기 위해 낮은 휘발성을 가진 긴 체인의 사이드 그룹이다. R 및 R' 중 하나 또는 모두는 또한 용제와 상호작용하고 용제를 보유하는 특성을 가질 수 있고, 그로인해 건조 과정이 느려진다. 예를 들어, R 및 R'은 극성, 무극성, 지방성 특성, 또는 용제의 특성과 매칭하는 다른 특성을 가질 수 있다.
몇몇 실시예에서, 액체 세라믹 전구체에 포함된 용제는 물, 알콜, 디메틸포름아미드, 디메틸 술폭시드, 다른 극성 용제, 다른 무극성 용제, 앞서 나열된 임의의 다른 적합한 유체, 또는 이들의 임의의 조합을 포함할 수 있다. 예를 들어, 용제는 무극성일 수 있고, 물이 가수분해동안 이질적으로(heterogeneously) 사용될 수 있고, 세라믹 전구체의 코팅을 건조시킨 후 완전한 축합이 발생한다. 다른 예로서, 주 성분이 반응종을 운반하거나, 적시거나, 레벨링(level)하기 위해 높은 점도를 가지고, 부 성분이 코팅의 건조를 지연시키기 위해 낮은 휘발성을 가지도록 하는 용제의 조합이 선택될 수 있다. 또한, 반응종이 건조를 늦추기 위해 전체 코팅 체적 중 비교적 작은 부분을 형성할 수 있다고 생각된다.
몇몇 실시예에서, 액체 세라믹 전구체는 롤-투-롤 프로세스, 롤 코팅, 그라비아 코팅, 슬롯 다이 코팅, 나이프 코팅, 및 스핀 코팅과 같은 광범위한 코팅법을 사용하여 기판에 적용될 수 있다. 예를 들어, 액체 세라믹 전구체는 스핀 코팅에 의해 적용될 수 있고, 첨가물은 스핀 코팅의 시작시, 또는 스핀 코팅의 시작 후 그러나 최종적인 코팅이 스피너 상에서 건조되기 전에 놓여질 수 있다.
몇몇 실시예에서, 첨가물은 운반 유체 내에 분산된 후, 액체 세라믹 전구체에 젖은 형태로 적용될 수 있다. 운반 유체는 충돌시 유해한 상호작용(adverse interaction)을 피하거나 줄이기 위해 액체 세라믹 전구체의 낮은 점도 성분과 동일한 용제(또는 유사한 특성을 가진 다른 용제)를 포함할 수 있다. 또한, 운반 유체는 휘발성(예컨대, 메탄올, 또는 다른 낮은 끓는점의 알콜)일 수 있고, 이는 실질적으로 충돌 이전에 증발하는 것으로 생각된다. 운반 유체의 다른 예는 물이다.
몇몇 실시예에서, 큐어링은 액체 세라믹 전구체가 유리로 변환되는 것과 같이 임베딩 후에 수행될 수 있다. 예를 들어, 큐어링은 (옵션으로서 (포화된 것일 수 있는) 수증기를 포함하는) 질소 내에서 대략 400℃ 내지 대략 500℃ 범위의 온도까지 가열하는 것, 잔여 용제를 제거하기에 충분한 온도까지(예컨대, 대략 100℃에서 대략 150℃까지) 가열하는 것, 또는 완전히 축합된 유리를 형성하기 위해 대략 800℃ 내지 대략 900℃ 범위의 온도로 가열하는 것을 포함한다. 큐어링은 상온 조건에서 견고한 "클리어 코트"로 건조될 수 있는 규산나트륨(또는 다른 알카리 규산염)의 경우에서처럼 생략될 수 있다. 몇몇 실시예에서, 큐어링은 임베디드 나노와이어, 또는 다른 첨가물에 대한 소결/애닐링 오퍼레이션으로서 역할할 수 있다.
도 4c로 다시 돌아가 우측의 옵션을 참조하면, 습윤성 조성물(418)은 먼저 적절한 프로세싱에 의해, 예컨대, 적어도 부분적으로 건조, 큐어링, 가교, 폴리머화, 또는 이들의 임의의 조합에 의해 건성 조성물(426)으로 변환된다. 그 다음, 첨가물(422) 및 임베딩 유체(428)는 건성 조성물(426)에 적용된다. 첨가물(422)은 용액 내에 있을 수 있고, 또는 임베딩 유체(428) 내에 분산될 수 있고, 1-단계 임베딩을 통해 건성 조성물(426)에 동시에 적용될 수 있다. 대안으로서, 첨가물(422)은 임베딩 유체(428)가 건성 조성물(426)을 다루기 전, 동안, 또는 후에 건성 조성물(426)에 개별적으로 적용될 수도 있다. 앞서 언급한 바와 같이, 첨가물(422)의 개별적인 적용은 2-단계 임베딩이라 부를 수 있다. 이후에, 결과적인 호스트 재료(424)는 호스트 재료(424)의 표면에 부분적으로 또는 완전히 임베딩된 적어도 일부의 첨가물(422)을 가진다. 옵션으로서, 부가적인 건조, 큐어링, 가교, 폴리머화, 또는 이들의 임의의 조합과 같은 적절한 프로세싱이 건성 조성물(426)을 호스트 재료(424)로 변환하기 위해 사용될 수 있다. 도 4c에 도시된 임의의 제조 스테이지 또는 모든 스테이지는 첨가물(422)의 임베딩을 용이하게 하기 위해, 또는 습윤성 조성물(418)의 건조를 느리게 하기 위해, 또는 이둘 모두를 위해 적절한 유체(예컨대, 임베딩 유체 또는 다른 적합한 유체)의 증기 환경의 존재 하에서 수행될 수 있다.
첨가물(422) 및 임베딩 유체(428)의 적용, 및 도 4c에서의 첨가물(422)의 임베딩에 관한 특정한 형태는 도 4a 및 도 4b에 대하여 앞서 서술한 것과 유사한 프로세싱 조건 및 재료를 사용하여 수행될 수 있으므로, 이러한 형태를 아래에 반복할 필요는 없다. 특히 그리고 적어도 특정한 형태에서, 도 4c의 첨가물(422)을 건성 조성물(426)으로 임베딩하는 프로세싱 조건은 도 4b의 건성 조성물(408)에 첨가물(412)을 임베딩할 때 사용되는 것과 매우 유사한 것으로 볼 수 있다. 아래는 세라믹 또는 세라믹 전구체에 관한 실시예에 대한 추가적인 세부사항을 제공한다.
몇몇 실시예에서, 첨가물은 처음에 건조 상태이나, 임베딩 유체에 의해 이후에 팽창되는, 큐어링되지 않은(또는 완전히 큐어링되지 않은) 세라믹 전구체의 코팅 형태로 건성 조성물으로 임베딩된다. 그 다음 첨가물 주변에 코팅 매트릭스를 수축시키는 임베딩 유체의 건조가 뒤따른다. 몇몇 예에서, 프로세싱 조건이 습윤성 조성물으로 첨가물을 임베딩할 때 사용되는 것과 매우 유사하게 보여질 수 있는 경우에, 건조 이전에 세라믹 전구체의 것과 동일한 용제(또는 유사한 특성을 가진 다른 용제)를 포함할 수 있다. 첨가물의 임베딩 이후에 세라믹 전구체를 완전히 축합된 또는 재구성된 유리로 큐어링하거나 또는 변환하는 옵션이 뒤따른다.
몇몇 실시예에서, 반응종은 가수분해 및 축합 이전에 최초로 (예컨대, 모노머형 TEOS 또는 TMOS와 상반되는) 올리고머 또는 폴리머형이도록 선택된다. 이러한 올리고머 또는 폴리머 형태의 반응종은 임베딩 유체의 존재 하에서 팽창을 촉진할 수 있다. 예는 메틸 51, 에틸 50, 에틸 40 등의 지정 하에서 사용가능한 반응종을 포함한다. 다른 실시예에서, 올리고머 또는 폴리머형 반응종은 원하는 분자 중량에 도달하기 위해, 예컨대, 가수분해 및 축합을 통해, 모노머형 반응종을 반응시킴으로써 형성될 수 있다. 올리고머 또는 폴리머형 반응종은 모노머형 반응종과 결합될 수 있는데, 이러한 상이한 종들은 혼화성(miscible), 부분 혼화성, 혼합불능(largely immiscible) 일 수 있다. 이러한 올리고머 또는 폴리머형 반응종은 또한 도 4c의 좌측 옵션에 따라, 즉, 액체 세라믹 전구체의 코팅에 이러한 올리고머 또는 폴리머형 반응종을 포함시키고, 건조 이전에, 옵션으로서 임베딩 유체의 존재하에서, 코팅에 첨가물을 임베딩함으로써 사용될 수 있다.
몇몇 실시예에서, 반응종은 실리콘, 실세스퀴옥산(silsesquioxanes) 등과 같은 최대 2개의 반응 부위를 가진 모노머를 포함할 수 있다. 반응시, 이러한 반응종은 제어가능한 크기의 가교를 가진 폴리머 체인을 형성할 수 있고, 그로 인해 임베딩 유체의 존재 하에서 팽창을 촉진하고, 첨가물의 임베딩을 용이하게 한다. 예를 들어, 반응종은 전형적으로 대략 400℃ 아래에서 가교하지 않으며, 그것의 폴리머 특성으로 인해 임베딩 유체를 통해 팽창할 수 있고, 후속하여 400℃ 초과로 가열함으로써 유리로 가교될 수 있는 Si(OCH2CH3)2(CH3)2와 같은 Si(OR)2R'2를 포함할 수 있다. 이러한 폴리머 반응종은 또한 도 4c의 좌측 옵션에 따라, 즉, 액체 세라믹 전구체의 코팅에 이러한 폴리머형 반응종을 포함시키고, 건조 이전에, 옵션으로서 임베딩 유체의 존재하에서, 코팅으로 첨가물을 임베딩함으로써 사용될 수 있다.
실시예
다음의 실시예들은 본 발명의 일부 구체예들의 특정 양태들을 설명하며, 당업자를 위해 설명을 예시하고 제공한다. 실시예들은 본 발명을 제한하는 것으로서 해석되어서는 안 되며, 실시예들은 본 발명의 일부 구체예들을 이해하고 실시하는데 있어서 유용한 특정 방법을 제공할 뿐이다.
실시예 1
1-단계 임베딩을 통한 투명 도전성 전극의 형성
은 나노와이어(직경 = 90nm, 길이 = 60μm)를 5초간 와동시켜 5mg/mL 농도로 이소프로판올(50vol%)과 2,2,2-트리플루오로에탄올(50vol%)(Alfa Aesar 99%+)의 용액 중에 분산시킨다. 20℃ 및 23% 습도 하에서 은 나노와이어를 함유하는 용액을 투명한 아크릴(폴리메틸메타크릴레이트, Sign Mart, Inc.)의 평탄한 시트 위에 컵 코팅하고(아크릴 시트에서 1mil 떨어진 곳에 블레이드가 있다), 3인치/초의 속도로 인발한다. 나노와이어-함유 용액 0.5mL면 제곱 피트의 아크릴 시트의 절반이 충분히 덮인다. 이 제제 및 과정에서 나노와이어가 아크릴 시트의 표면에 부분적으로 노출된 상태로 효과적으로 용매 임베딩된 은 나노와이어를 얻었으며, Jenway UV-vis 분광광도계와 SP4-Keithley 4-포인트 탐침 시스템에 의해 측정했을 때 아크릴 시트를 포함해서 86.6%의 투과율 T와 29±6Ω/sq(표준편차)의 시트 저항 R을 나타낸다. 나노와이어 임베딩된 아크릴 시트에 스카치테이프 부착 시험을 수행한바, 투과율, 시트 저항 및 다른 특성들에 관찰가능한 변화는 나타나지 않았으며, 이는 임베딩된 나노와이어의 내구성을 증명한다.
실시예 2
2-단계 임베딩을 통한 투명 도전성 전극의 형성
은 나노와이어(직경 = 90nm, 길이 = 60μm)를 2.5mg/mL 농도로 이소프로판올에 분산시키고, 이어서 투명한 아크릴(폴리메틸메타크릴레이트, Sign Mart, Inc.)의 표면 위에 도포하고(Meyer 로드(Gard Co.)가 있으며, 와이어 분리 간격은 20mil이다), 2.5인치/초의 속도로 인발한다. 코팅 후, 결과의 나노와이어 망구조와 아크릴 기판을 40분간 테트라히드로푸란(J.T. Baker 99.5%, BHT로 안정화됨)의 증기에 노출시키는데, 바닥에 테트라히드로푸란 40mL가 담긴 직경 100mm x 20mm의 원형 단면 용기 위에 나노와이어 망구조가 아래를 향하도록 거꾸로 놓아둔다. 이 제제 및 과정에서 아크릴 기판의 표면에 효과적으로 용매 임베딩된 은 나노와이어를 얻었으며, 이것은 아크릴 기판을 포함해서 74.3%의 투과율 T와 31±2Ω/sq(표준편차)의 시트 저항 R을 나타낸다. 나노와이어 임베딩된 아크릴 기판에 스카치테이프 부착 시험을 수행한바, 투과율, 시트 저항 및 다른 특성들에 관찰가능한 변화는 나타나지 않았으며, 이는 임베딩된 나노와이어의 내구성을 증명한다.
실시예 3
2-단계 임베딩을 통한 투명 도전성 전극의 형성
은 나노와이어(직경 = 90nm, 길이 = 60μm)를 1mg/mL 농도로 메탄올(Sigma Aldrich 99%+)에 분산시키고, 이어서 20℃ 및 30% 습도 하에서 기판에서 9인치 떨어진 곳에서 20psi 입구 압력에서 작동하는 Iwata LPH400 HVLP 스프레이 건을 통해 폴리카보네이트 기판(Makrolon?) 위에 도포한다. 메탄올의 증발 속도와 노즐로부터 원뿔형 패턴으로 극도로 미세하게 분무하여 분배하는 스프레이 건 세팅으로 인해서 노즐로부터 분사된 메탄올은 9인치 떨어져 있는 기판에 도달하기 전에 실질적으로 증발한다. 메탄올은 나노와이어를 효과적으로 현탁하는데 사용되었고, 메탄올과 분무 공기압은 나노와이어를 기판을 향해 보내는 추진체로서 작용한다. 그러나, 메탄올은 실질적으로 증발해서 기판 표면을 적시지 않기 때문에 부착된 나노와이어 망구조의 이동, 응집, 커피얼룩 고리 효과, Benard 셀 및 다른 공간적 비균일성을 일으킬 수 있는 기판 표면의 불균일한 습윤이 방지되거나 감소된다. 다음에, 기판에 부착된 결과의 건조 나노와이어 망구조를 아세톤(Sigma Aldrich >99.9%)의 증기에 10분간 노출시켜서 나노와이어 망구조가 기판에 용매 보조하에 임베딩되도록 하는데, 바닥에 아세톤 40mL가 담긴 직경 100mm x 20mm의 원형 단면 용기 위에 나노와이어 망구조가 아래를 향하도록 거꾸로 놓아둔다. 이 제제 및 과정에서 기판의 표면에 효과적으로 용매 임베딩된 은 나노와이어를 얻었으며, 이것은 폴리카보네이트 기판을 포함해서 74.4%의 투과율 T와 23Ω/sq의 시트 저항 R을 나타낸다. 나노와이어 임베딩된 폴리카보네이트 기판에 스카치테이프 부착 시험을 수행한바, 투과율, 시트 저항 및 다른 특성들에 관찰가능한 변화는 나타나지 않았으며, 이는 임베딩된 나노와이어의 내구성을 증명한다.
실시예 4
1-단계 임베딩을 통한 임베딩된 기판의 형성
은-실리카의 분말(5 마이크론)을 6.4mg/mL 농도로 메틸아세테이트(60vol%)/에틸아세테이트(20vol%)/시클로헥산온(20vol%)의 용액에 현탁하고 교반한 다음, 20℃ 및 40% 습도 하에서 기판에서 8인치 떨어진 곳에서 20psi 입구 압력에서 작동하는 니들 사이즈 1.3mm의 Iwata LPH101 HVLP 스프레이 건을 사용하여 투명한 폴리카보네이트 기판 위에 도포한다. 나노와이어-함유 용액에 기판을 수초 간 노출시킨 후, 주변 실온 조건에서 용매 시스템을 증발시켜 연화된 폴리카보네이트 표면에 입자들을 영구적으로 임베딩시킨다.
실시예 5
투명한 도전성 전극의 형성
40mL 신틸레이션 바이알에 건조 200프루프 에탄올(CAS#67-17-5) 18.5mL, 탈이온수("DI" 수)(18x106Ω) 중의 1M 염산 0.075mL 및 추가로 탈이온수 0.92mL를 넣었다. 이 혼합물을 균질해질 때까지 교반했다. 혼합물에 테트라에톡시실란(TEOS, CAS#78-10-4, a.k.a. 테트라오르토실리케이트, Si(OC2H5)4) 5.6mL를 빠르게 교반하면서 가했다. 결과의 용액이 균질해질 때까지 교반을 계속했고(약 15분), 축합을 통해 부분적으로 중합되도록 용액을 2일간 60℃에 보관했다.
유리 기판을 세정 스펀지를 사용하여 기계적으로 교반하면서 2vol% Micro 90 용액으로 세정한 다음, 2개의 탈이온수 헹굼 배스에서 탈이온수를 흘려보내면서 세정했다. 다음 단계를 기다리면서 유리 기판을 탈이온수 배스에 넣어 두었다(3시간을 넘지 않게). 유리 기판을 수조에서 꺼내서 이소프로판올(IPA, a,k.a. 2-프로판올) 배스로 옮긴 후, 흐르는 IPA(분출병)로 헹구고, HVLP 스프레이 건을 사용하여 에어 나이프 건조 단계에서 마무리했다. TEOS 용액을 부착하기 직전에 유리 기판을 UVO 챔버(UVGCS Corp. T10X10)에서 20분간 방치하여 표면을 준비시켰다.
60초간 분당 1,250 회전수로 스핀 캐스팅하여 TEOS 용액을 유리 기판에 부착시켰다. 1M 염산을 1 방울 넣은 챔버 안에서 실온에서 10분간 경화한 후, 3:1=메탄올:IPA 중의 2.5mg/mL 은 나노와이어 0.3mL를 출처에서 45psi 공기압에서 작동하는 1.3mm 니들을 가진 Iwata LPH400 HVLP 스프레이 건을 사용하여 표면 위에 분무했다.
실시예 6
TEOS 유리 위에 투명 도전성 전극의 형성
유리 기판을 세정 스펀지를 사용하여 기계적으로 교반하면서 2vol% Micro 90 용액으로 세정한 다음, 2개의 탈이온수 헹굼 배스에서 탈이온수를 흘려보내면서 세정했다. 다음 단계를 기다리면서 유리 기판을 탈이온수 배스에 넣어 두었다(3시간을 넘지 않게). 유리 기판을 수조에서 꺼내서 이소프로판올(IPA, a,k.a. 2-프로판올) 배스로 옮긴 후, 흐르는 IPA(분출병)로 헹구고, HVLP 스프레이 건을 사용하여 에어 나이프 건조 단계에서 마무리했다. TEOS 용액을 부착하기 직전에 유리 기판을 UVO 챔버(UVGCS Corp. T10X10)에서 20분간 방치하여 표면을 준비시켰다.
스핀-온 그라스(Filmtronics Inc., SOG 20B)를 사용했고, 5초간 분당 2,000 회전수로 스핀 캐스팅에 의해 유리 기판 위에 수용되고 부착되어 약 300nm 두께의 점착성 필름이 얻어졌다. 스핀-온 그라스 부착 후에 75℃에서 20분간 경화한 후, 9:1=메탄올:IPA 중의 1.0mg/mL 은 나노와이어 5mL를 출처에서 20psi 공기압에서 작동하는 Iwata HPTH 에어 브러시를 사용하여 10인치 떨어진 곳에서 표면 위에 분무하고, 니들 조정 손잡이를 반시계 방향으로 180°돌려서 흐름을 설정했다. 이 제제 및 과정에서 유리 기판을 포함해서 79.1%의 투과율 T와 3,000Ω/sq의 시트 저항 R을 얻었다.
실시예 7
투명 도전성 전극의 형성
유리 기판을 세정 스펀지를 사용하여 기계적으로 교반하면서 2vol% Micro 90 용액으로 세정한 다음, 2개의 탈이온수 헹굼 배스에서 탈이온수를 흘려보내면서 세정했다. 다음 단계를 기다리면서 유리 기판을 탈이온수 배스에 넣어 두었다(3시간을 넘지 않게). 유리 기판을 수조에서 꺼내서 이소프로판올(IPA, a,k.a. 2-프로판올) 배스로 옮긴 후, 흐르는 IPA(분출병)로 헹구고, HVLP 스프레이 건을 사용하여 에어 나이프 건조 단계에서 마무리했다. TEOS 용액을 부착하기 직전에 유리 기판을 UVO 챔버(UVGCS Corp. T10X10)에서 20분간 방치하여 표면을 준비시켰다.
스핀-온 그라스(Filmtronics Inc., SOG 20B)를 사용했고, 30초간 분당 2,000 회전수로 스핀 캐스팅에 의해 유리 기판 위에 수용되어 부착된다. 스핀-온 그라스의 스핀 캐스팅을 시작한 직후에(계속 스핀하면서), 1:1=메탄올:IPA 중의 5.0mg/mL 은 나노와이어 0.5mL를 출처에서 40psi 공기압에서 작동하는 Iwata HP-C5 에어 브러시를 사용하여 10인치 떨어진 곳에서 표면 위에 분무했다. 스핀-온 그라스와 나노와이어 부착 후에 코팅된 기판을 20분간 75℃에서 경화시켰다. 이 제제 및 과정에서 유리 기판을 포함해서 57.1%의 투과율 T와 39Ω/sq의 시트 저항 R을 얻었다.
실시예 8
투명 도전성 전극의 형성 및 특성화
폴리카보네이트 중에서 투명 도전성 전극을 형성하여 은 나노와이어 망구조의 임베딩된 평면 영역을 특정했다. 4개의 도전성 패드를 4-포인트 탐침 전기 전도도 측정을 위해 부착했으며, 이것은 적어도 1개 샘플에서 3.2Ω/sq의 시트 저항 R을 나타냈다. 이 저항치는 규소 태양광 전지에서 사용되는 투명 도전성 전극의 전형적인 시트 저항치(30-100Ω/sq)에 비해서, 그리고 표시장치에 사용되는 투명 도전성 전극의 전형적인 시트 저항치(100-350Ω/sq)에 비해서 개선된 것이다. 투과율 값은 UV-vis 분광광도계를 사용하여 판정되었으며, 시트 저항치는 4-포인트 탐침법을 사용하여 판정되었고, Van-der Pauw 법과 2-포인트 탐침법으로 크로스 체크되었다. 이들 값으로부터 DC 대 광학 전도도 비를 유도했다. 기판에 표면 임베디드 나노와이어 망구조는 임베딩되지 않은(표면 부착된) 대응물보다 높은 DC 대 광학 전도도 비를 나타냈다. 나노와이어 망구조는 임베딩 시 손상되지 않고 유지되며, 전기적 퍼콜레이션의 억제는 거의 없거나 전혀 없었다. 동시에, 나노와이어 망구조의 임베딩 성질에 의해서 영구적인 투명한 도전성 전극을 얻었으며, 여러 번의 스카치테이프 내구성 스트레스 시험과 물리적 마모 후에도 시트 저항치는 실질적으로 변하지 않았다.
실시예 9
투명 도전성 전극의 특성화
도 11은 폴리카보네이트 필름 및 아크릴에 표면 임베딩된 은 나노와이어 망구조의 투과율과 상응하는 시트 저항(일정한 DC 대 광학 전도도 비에서)의 트레이드 오프 커브를 예시하며, 여기서 수평선은 주어진 표면에 걸친 시트 저항의 표준편차를 나타낸다.
실시예 10
투명 도전성 전극의 특성화
표 12는 부착 및 표면 임베딩 직후에 데이터를 비교한 2-단계 부착 및 임베딩 법을 통해 제조된 샘플들을 대상으로 수집된 투명도와 시트 저항 데이터의 표이다. 아크릴 항공기 투명도의 단편은 나노와이어가 표면 부착된 아크릴과 나노와이어가 표면 임베딩된 아크릴의 차이를 비교하기 위해서 작성되었다. 나노와이어가 표면 부착된 단편은 대부분 간단한 내구성 스트레스 시험(스카치테이프 법) 전후에 사용된 4-포인트 탐침 툴(Keithley 디지털 멀티미터)의 10MΩ 한계를 초과하는 검출 불가능한 높은 시트 저항치를 나타낸 반면, 표면 임베딩된 단편은 낮은 시트 저항을 나타냈으며, 스트레스 시험에 의해서 크게 변하지 않았다.
도 13은 첨가물이 표면 임베딩된 TCE를 상이한 방법을 사용하여 제작한 경우에 전형적인 평균 시트 저항 및 투명도 데이터를 요약한 표이다.
도 14는 호스트 재료의 임베딩 표면에 대응하는 첨가물 농도의 다양한 구성을 묘사하며, 여기서 유한한 첨가물 농도가 임베딩 영역을 표시한다. 도 14의 모든 플롯에서, 호스트 재료는 0과 10의 x축 값에 국한되며, 밝은 색으로 표시된다. 코팅이 존재할 경우, 그것은 호스트 재료의 상부에 부착되며, x = -2와 x = 0 사이에 위치되고, 밝은 회색으로 표시된다. x축은 임베딩 표면으로부터 호스트 재료의 깊이/두께를 표시한다. 제1 플롯은 첨가물이 벌크 혼입되거나 화합되어 전체 기판의 벌크에 전체적으로 혼합된 기판에 대한 것이다. 그것의 첨가물 농도는 균일한 분포를 나타내며, y = 0.2 농도에서 암회색 영역이 유지된다. 표면 임베딩된 첨가물은 도 14(a)에 묘사된 대로 불연속적으로 단계적으로 또는 호스트 재료의 임베딩 표면으로부터의 두께 또는 깊이의 함수인 델타 함수에 따라 국소화될 수 있다. 또는 달리, 첨가물은 임베딩 표면에 상당히 국소화될 수 있으며, 도 14(b)에서처럼 임베딩 표면에서 더 깊은 곳에 또는 도 14(e)에서처럼 임베딩 표면에 더 가까운 곳에도 미미하게 남는다. 첨가물은 도 14(c)의 방식대로 임베딩 표면 밑에서 충분히 표면 임베딩될 수 있으며, 이 경우 불연속적 깊이에 첨가물이 최대 농도로 존재하고, 이어서 해당하는 불연속적 깊이로부터 양 방향으로 임베딩 표면 아래에 첨가물의 흔적이 남는다. 첨가물을 여러 깊이에 임베딩시키는 것은 변수를 조정해서 임베딩 깊이를 조율함으로써 달성될 수 있으며, 기판 위에 작업을 여러 번 수행함으로써 도 14(d) 및 도 14(f)에 캡처된 바와 같은 이런 다중층 임베딩 기하구조가 얻어질 수 있다. 도 14(g), (h) 및 (i)에서처럼 전술된 접근법을 통한 표면 임베딩에 의해서 이미 벌크 혼입된 기판 위(또는 안)에서도 유사한 기하구조들이 달성될 수 있다. 도 14(j), (k) 및 (l)에 묘사된 것들과 같이 기판 재료의 위뿐만 아니라 코팅된 재료의 코팅층에도 표면 임베딩에 의해서 유사한 기하구조들이 달성될 수 있다.
실시예 11
투명 도전성 전극의 특성화
은 나노와이어(평균 길이 = 7μm, 평균 직경 = 70nm)를 표면 아래의 깊이까지 투명한 폴리카보네이트에 임베딩시켜서 80% 또는 그 이상의 투과율 값과 100Ω/sq 또는 그 이하의 시트 저항치를 얻었다. 더욱 최적화하면 10Ω/sq 이하의 시트 저항치(예를 들어, 3Ω/sq 정도로 낮은)가 얻어질 수 있다. 초점식 이온 빔을 사용한 주사 전자 현미경 이미지를 사용하여 모노리스 호스트 재료의 단면(예를 들어, 코팅이나 계면이 없는)과 표면 아래에 은 나노와이어가 임베딩된 평면 영역이 드러났다.
실시예 12
투명 도전성 전극의 특성화
은 나노와이어(평균 길이 = 7μm, 평균 직경 = 70nm)를 나노와이어 직경의 100% 미만의 깊이까지 투명한 폴리카보네이트에 임베딩시켜서 약 90%의 투과율 값과 약 100Ω/sq의 시트 저항치를 얻었다. 더욱 최적화하면 10Ω/sq 이하의 시트 저항치(예를 들어, 3Ω/sq 정도로 낮은)가 얻어질 수 있다.
실시예 13
투명 도전성 전극의 형성
은 나노와이어(평균 길이 = 7μm, 평균 직경 = 70nm)와 ITO 나노입자(직경 <100nm)를 나노와이어 직경의 100% 미만의 깊이와 나노입자 직경의 100% 미만의 깊이까지 투명한 폴리카보네이트에 임베딩시켰다.
본 발명은 특정 구체예들을 참조하여 설명되었지만, 첨부된 청구항에 의해서 한정되는 본 발명의 진정한 정신 및 범위를 벗어나지 않고서 다양한 변화가 이루어질 수 있으며, 등가물로 치환될 수 있다는 것이 당업자에게 이해되어야 한다. 또한, 특정한 상황, 재료, 물질 조성, 방법 또는 과정을 본 발명을 목적, 정신 및 범위에 맞게 개조하기 위해 많은 변형이 이루어질 수 있다. 모든 이러한 변형은 여기 첨부된 청구항의 범위 내에 들어가도록 의도된다. 특히, 본원에 설명된 방법은 특정한 작업이 특정한 순서로 수행되는 것을 참조해서 설명되었지만, 이들 작업은 본 발명의 교시로부터 벗어나지 않고서 동등한 방법을 형성하기 위해 조합되거나, 세분되거나, 또는 다시 순서를 정할 수 있다는 것이 이해될 것이다. 따라서, 본원에서 특별히 지시되지 않는다면, 작업의 순서 및 그룹화는 본 발명을 제한하지 않는다.

Claims (19)

  1. 임베딩 표면을 가진 호스트 재료; 및
    상기 호스트 재료 내로 적어도 부분적으로 임베딩되고, 상기 임베딩 표면과 인접한 임베딩 영역 내로 국한되는 첨가물을 포함하고,
    상기 임베딩 영역의 두께는 상기 호스트 재료의 전체 두께보다 작고, 상기 첨가물은 전기적 도전성 및 반도전성 중 적어도 하나이고, 상기 첨가물은 나노 크기의 첨가물 및 마이크로미터 크기의 첨가물 중 적어도 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 표면 임베디드 구조.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 임베딩 영역의 두께는 상기 호스트 재료의 전체 두께의 50%를 초과하지 않는 것을 특징으로 하는 표면 임베디드 구조.
  3. 제 2 항에 있어서, 상기 임베딩 영역의 두께는 상기 호스트 재료의 전체 두께의 20%를 초과하지 않는 것을 특징으로 하는 표면 임베디드 구조.
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 첨가물 중 적어도 하나는 nm 범위의 특성 치수를 가지고, 상기 임베딩 영역의 두께는 상기 특성 치수의 5배를 초과하지 않는 것을 특징으로 하는 표면 임베디드 구조.
  5. 제 4 항에 있어서, 상기 임베딩 영역의 두께는 상기 특성 치수의 2배를 초과하지 않는 것을 특징으로 하는 표면 임베디드 구조.
  6. 제 4 항에 있어서, 상기 첨가물 중 적어도 하나는 상기 특성 치수의 100%를 넘지 않는 정도까지 상기 호스트 재료 내에 임베딩되는 것을 특징으로 하는 표면 임베디드 구조.
  7. 제 4 항에 있어서, 상기 첨가물 중 적어도 하나는 상기 특성 치수의 100%를 넘지 않는 정도까지 상기 호스트 재료 내에 임베딩되지만, 상기 임베딩 면에 인접하게 국한된 것을 특징으로 하는 표면 임베디드 구조.
  8. 제 1 항에 있어서, 상기 호스트 재료는 투명 기판에 대응하고, 상기 첨가물은 상기 투명 기판 내로 적어도 부분적으로 임베딩된 것을 특징으로 하는 표면 임베디드 구조.
  9. 제 8 항에 있어서, 상기 투명 기판은 폴리머 및 세라믹 중 적어도 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 표면 임베디드 구조.
  10. 제 1 항에 있어서, 상기 호스트 재료는 코팅에 대응하고, 상기 첨가물은 상기 코팅 내로 적어도 부분적으로 임베딩된 것을 특징으로 하는 표면 임베디드 구조.
  11. 제 10 항에 있어서, 상기 코팅은 폴리머 및 세라믹 중 적어도 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 표면 임베디드 구조.
  12. 제 10 항에 있어서, 기판을 더 포함하고, 상기 코팅은 상기 기판 위에 배치되고, 상기 임베딩 표면은 상기 기판으로부터 먼쪽에 위치하는 것을 특징으로 하는 표면 임베디드 구조.
  13. 제 12 항에 있어서, 상기 코팅은 제1 코팅이고, 상기 제1 코팅 위에 배치되고 상기 첨가물과 전기적으로 연결된 제2 코팅을 더 포함하고, 상기 제2 코팅은 전기 도전성 재료를 포함하는 것을 특징으로 하는 표면 임베디드 구조.
  14. 제 13 항에 있어서, 상기 전기 도전성 재료는 투명한 것을 특징으로 하는 표면 임베디드 구조.
  15. 제 14 항에 있어서, 상기 전기 도전성 재료는 도핑된 금속 산화물 및 전기적 도전성 폴리머 중 적어도 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 표면 임베디드 구조.
  16. 제 1 항에 있어서, 상기 호스트 재료에 상기 첨가물의 로딩(loading)은 전기적 투과 임계값보다 큰 것을 특징으로 하는 표면 임베디드 구조.
  17. 제 1 항에 있어서, 상기 첨가물은 나노튜브, 나노와이어, 및 나노입자 중 적어도 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 표면 임베디드 구조.
  18. 제 1 항에 있어서, 상기 표면 임베디드 구조는 적어도 85%의 투과율, 및 100Ω/sq를 초과하지 않는 시트 저항을 가지는 것을 특징으로 하는 표면 임베디드 구조.
  19. 제 18 항에 있어서, 상기 시트 저항은 25Ω/sq를 초과하지 않는 것을 특징으로 하는 표면 임베디드 구조.
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