KR20150041501A - Method for manufacturing flexible device, flexible device manufactured thereby, and junction device - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 유연소자의 제조방법, 그에 의하여 제조된 유연소자 및 상기 유연소자간 접합에 의해 형성된 접합소자에 관한 것이다.
BACKGROUND OF THE
유연소자는 딱딱한 기판에 형성된 소자와는 달리 반복적인 스트레스가 가해져도 소자의 특성을 유지하며, 쉽게 구부러지는 특성을 가지고 있어서, 플렉시블 디스플레이, 터치 스크린 등의 구부러지는 전자부품, 또는 자유 곡면 위에 부착 가능한 센서 등에 사용될 수 있다.
Unlike devices formed on a rigid substrate, flexible devices maintain the characteristics of the device even when repeated stress is applied and have easy bending characteristics. Therefore, flexible devices can be used for flexible electronic devices such as a display, a touch screen, Sensor or the like.
종래기술에 의하면, 이러한 유연소자는 일반적으로 기능성 세라믹/금속 소재 등을 유연한 고분자 소재와 혼합하여 유연한 필름 형태로 제조한 후, 전극 증착 등의 후속 공정을 통하여 만들어진다. 또는, 딱딱한 기판 혹은 특수하게 설계된 웨이퍼, 보다 상세하게는 SOI(silicon on insulator), GaN, GaAs 등으로 구성된 반도체용 웨이퍼 위에 반도체 공정을 사용하여 소자를 구현하고, 이를 식각 공정과 전사 공정을 통해 유연기판에 소자를 구현하기도 한다.
According to the prior art, such a flexible device is generally manufactured by mixing a functional ceramic / metal material with a flexible polymer material to form a flexible film, and then performing a subsequent process such as electrode deposition. Alternatively, devices can be fabricated on semiconductor wafers composed of rigid substrates or specially designed wafers, more specifically, silicon on insulators (SOI), GaN, GaAs, etc., and processed by etching Devices may be implemented on the substrate.
이러한 종래기술을 이용하는 경우, 소자의 기능구현을 위한 금속전극 증착 및 패터닝 등의 후속 공정, 고가의 진공 공정, 식각 공정 등을 이용해야 한다. 전사 공정의 경우 유연소자 제조를 위해서는 희생층이 반드시 존재하여야 하기 때문에 식각 공정에 취약한 소재는 사용이 제한된다. 희생층과 소자간의 식각율이 뚜렷한 선택비를 가져야 한다는 점을 고려하여 볼 때 이러한 종래기술을 통한 유연소자 제작은 재료 선택에 있어 제약이 많다. 또한, 소자 간의 접합이 요구될 경우 복잡한 공정과 회로 설계가 요구되어 실제 적용상 한계가 있으며, 유연 기판에 전사된 후에는 접합이 사실상 불가능하다.
When such a conventional technique is used, a subsequent process such as metal electrode deposition and patterning, an expensive vacuum process, an etching process, or the like must be used to realize the function of the device. In the case of the transfer process, since the sacrificial layer must be present in order to manufacture the flexible device, the material which is vulnerable to the etching process is limited in use. Considering that the etch rate between the sacrificial layer and the device must have a distinctive selectivity, fabrication of the flexible device through such prior art has many limitations in material selection. Further, when junctions between devices are required, complicated processes and circuit designs are required, so that practical application limitations are imposed and it is practically impossible to bond after transferring to a flexible substrate.
본 발명의 일 측면은 제조공정을 단순화하여 비용을 줄일 수 있고, 재료 선택의 폭이 광범위하고, 별도의 접합공정을 요하지 않는 유연소자의 제조방법을 제시하고자 한다.An aspect of the present invention is to propose a manufacturing method of a flexible device which can simplify a manufacturing process to reduce cost, has a wide range of material selection, and does not require a separate bonding step.
본 발명의 다른 측면은 수명특성이 우수하고, 기계적 변형에도 영향을 받지 않는 유연소자 및 이를 이용한 접합소자를 제시하고자 한다.
Another aspect of the present invention is to provide a flexible device having excellent lifetime characteristics and being free from mechanical deformation and a junction device using the flexible device.
그러나, 본 발명이 해결하고자 하는 과제는 이상에서 언급한 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
However, the problems to be solved by the present invention are not limited to the above-mentioned problems, and other problems not mentioned can be clearly understood by those skilled in the art from the following description.
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 일 측면은, 기판 상에 금속막을 형성하는 단계, 상기 금속막 상에 소자를 형성하는 단계, 상기 금속막 및 상기 소자 위에 고분자 용액을 도포하여 고분자막을 형성하는 단계, 및 상기 금속막 및 상기 소자를 가지는 고분자막을 상기 기판으로부터 분리하는 단계를 포함하는 유연소자의 제조방법을 제공한다. According to an aspect of the present invention, there is provided a method of manufacturing a thin film transistor, including: forming a metal film on a substrate; forming an element on the metal film; applying a polymer solution on the metal film and the element to form a polymer film; And separating the metal film and the polymer film having the element from the substrate.
본 발명의 다른 측면은, 상기 제조방법에 의하여 제조된 유연소자를 제공한다.Another aspect of the present invention provides a flexible device manufactured by the above manufacturing method.
본 발명의 또 다른 측면은, 상기 제조방법에 의하여 제조된 유연소자 간의 접합에 의하여 형성된 접합소자를 제공한다.
Another aspect of the present invention provides a bonding element formed by bonding between flexible devices manufactured by the above manufacturing method.
본 발명에 의하면, 비교적 간단한 공정으로 다양한 소재를 사용하여 저가의 비용으로 유연소자를 제조할 수 있으며, 수명특성이 우수하고 기계적 변형에도 안정성이 유지되는 간단한 구조의 유연소자 및 접합소자를 제공할 수 있다.
According to the present invention, it is possible to provide a flexible element and a junction element of a simple structure which can manufacture a flexible element at a low cost by using a variety of materials in a relatively simple process, have excellent lifetime characteristics and are stable in mechanical deformation have.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른, 유연소자의 제조공정도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른, 금속박막의 종류별 기판에 대한 결착력과 고분자막의 기계적 특성을 나타낸 도표이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른, 수직배향된 탄소나노튜브 기반 슈퍼커패시터의 구조를 나타낸 그림과 사진이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른, 유연한 슈퍼커패시터의 제조공정상의 일부분도 및 그 사진이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른, 수직배향된 탄소나노튜브 기반 슈퍼커패시터를 이용하여 제조된 유연한 슈퍼커패시터(a) 및 이의 전기화학적 특성을 나타내는 그래프(b~f)이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 의하여 제조된 유연소자의 구부리기(a), 접기(b), 잡아당기기(c), 둥글게 말기(d)에 관한 기계적 변형 실험 사진이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른, 저항(a), 인덕터(b), 커패시터(c) 제조를 위한 리소그래피용 마스크의 패턴이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 다양한 유연소자(a~c), 이들 유연소자의 접합공정 개념도(d), 및 접합 사진(e)이다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른, 접합된 유연소자(a) 및 이의 전압-시간 관계 그래프(b), 접합된 회로 및 이들에 대한 전압-시간 관계 그래프(c, d)이다.FIG. 1 is a manufacturing process diagram of a flexible device according to an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a graph showing the binding force and the mechanical characteristics of a polymer membrane to a substrate of a metal thin film according to an embodiment of the present invention. FIG.
3 is a view illustrating a structure of a vertically aligned carbon nanotube-based supercapacitor according to an embodiment of the present invention.
4 is a photograph and a photograph of a part of a manufacturing process of a flexible supercapacitor according to an embodiment of the present invention.
FIG. 5 is a graph showing a supercapacitor (a) using a vertically aligned carbon nanotube-based supercapacitor and electrochemical characteristics thereof (b to f) according to an embodiment of the present invention.
Fig. 6 is a photograph of a mechanical deformation test relating to bending (a), folding (b), pulling (c) and rounding (d) of a flexible element manufactured according to an embodiment of the present invention.
7 is a pattern of a mask for lithography for manufacturing a resistor a, an inductor b, and a capacitor c, according to an embodiment of the present invention.
FIG. 8 is a conceptual diagram (d) of a joining process of these flexible devices and a joint photograph (e) of various flexible devices a to c manufactured according to an embodiment of the present invention.
Figure 9 is a graph of a bonded flexible element a and its voltage-time relationship graph (b), a junctioned circuit, and a voltage-time relationship graph (c, d) therefor, according to an embodiment of the present invention.
본 명세서 전반에 걸쳐서, 층, 막, 영역, 기판 등의 부분이 다른 구성요소 "위에" 또는 "상에" 있다고 할 때, 이는 다른 구성요소 "바로 위에" 있는 경우뿐만 아니라 그 중간에 또 다른 구성요소가 있는 경우도 포함하는 의미로 해석되어야 한다.
It will be understood that when a section of a layer, film, area, substrate, or the like is referred to as being "on" or "on" another element throughout this specification, Elements are to be construed to mean including.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명의 유연소자의 제조방법, 그에 의하여 제조된 유연소자 및 접합소자를 상세히 설명한다.
DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Hereinafter, a method of manufacturing a flexible device, a flexible device, and a bonding device according to the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
본 발명은 고분자막을 이용하여 기판 위에 제조된 소자를 기판으로부터 분리하여 유연소자를 제조하는 기술에 관한 것이다. 도 1에서는 본 발명의 유연소자의 제조공정도의 일례를 나타내었다.
The present invention relates to a technique for manufacturing a flexible device by separating an element manufactured on a substrate from a substrate using a polymer membrane. 1 shows an example of a manufacturing process of a flexible device of the present invention.
먼저, 기판을 준비하고 상기 기판 상에 금속막을 형성한다. (도 1(a))First, a substrate is prepared and a metal film is formed on the substrate. (Fig. 1 (a))
상기 금속막은 금속 전극층으로 기능할 수 있는 것으로서, 이에 제한되는 것은 아니나, Mo, Au, Cu, Cr, Pt, Ni, Ti, P로 이루어지는 군에서 선택되는 금속; 또는 B, Si, Ge. As, Sb, Te, Po로 이루어지는 군에서 선택되는 준금속과 상기 금속의 합금으로 이루어질 수 있다.The metal film may function as a metal electrode layer, but is not limited to, a metal selected from the group consisting of Mo, Au, Cu, Cr, Pt, Ni, Ti and P; Or B, Si, Ge. As, Sb, Te, and Po, and an alloy of the metal.
상기 금속막 형성을 위해서는 기판 위에 리소그래피를 통하여 소자의 전극영역을 형성하고, 라디오 주파 스퍼터링(radio frequency sputtering) 등의 스퍼터링법, 전자선 증착법, 이온빔 증착법, 펄스-레이저 증착법, 분자선 증착법, 화학기상증착법, 원자층 증착법 등의 방법을 통해 금속막을 형성할 수 있다.In order to form the metal film, an electrode region of the device is formed on the substrate through lithography, and the electrode film is formed by sputtering such as radio frequency sputtering, electron beam evaporation, ion beam evaporation, pulse-laser evaporation, molecular beam evaporation, A metal film can be formed by a method such as atomic layer deposition.
그리고 나서, 리프트-오프(lift-off) 공정 등을 통하여 금속전극 패턴을 형성시킬 수 있다.
Then, a metal electrode pattern can be formed through a lift-off process or the like.
상기 기판으로는 무기물 기판 혹은 유기물 기판을 사용할 수 있다.As the substrate, an inorganic substrate or an organic substrate can be used.
상기 무기물 기판으로는 유리, 석영(Quartz), Al2O3, SiC, Si, GaAs, 또는 InP로 이루어지는 것일 수 있으나 이에 제한되는 것은 아니다. 상기 유기물 기판으로는 켑톤 호일, 폴리이미드(PI, Polyimide), 폴리에테르술폰(PES, polyethersulfone), 폴리아크릴레이트(PAR, polyacrylate), 폴리에테르 이미드(PEI, polyetherimide), 폴리에틸렌 나프탈레이트(PEN, polyethylene naphthalate), 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET, polyethylene terephthalate), 폴리페닐렌 설파이드(PPS, polyphenylene sulfide), 폴리아릴레이트(polyarylate), 폴리카보네이트(PC, polycarbonate), 셀룰로오스 트리 아세테이트(CTA, cellulose triacetate), 셀룰로오스 아세테이트 프로피오네이트(CAP, cellulose acetate propionate)로부터 선택되는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 본 발명의 특성상 상기 무기물 기판 및 상기 유기물 기판은 단단한 소재로 이루어지는 것이 더욱 바람직하다.
The inorganic substrate may be glass, quartz, Al 2 O 3 , SiC, Si, GaAs, or InP, but is not limited thereto. Examples of the organic material substrate include polyimide, polyimide, polyethersulfone (PES), polyacrylate (PAR), polyetherimide (PEI), polyethylene naphthalate (PEN) polyethylene naphthalate, polyethylene terephthalate, polyphenylene sulfide (PPS), polyarylate, polycarbonate (PC), cellulose triacetate (CTA) But is not limited to, cellulose acetate propionate (CAP). On the characteristics of the present invention, it is more preferable that the inorganic substrate and the organic substrate are made of a hard material.
이어서, 상기 금속막 상에 소자를 형성한다. (도 1(b))Subsequently, an element is formed on the metal film. (Fig. 1 (b)).
상기 소자는 상기 금속막 상에 성장한 탄소, 금속, 또는 금속산화물로 이루어질 수 있다. The device may be made of carbon, metal, or metal oxide grown on the metal film.
가령, 탄소로 이루어진 소자는 금속막 상에 탄소나노튜브 형태로 성장한 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. For example, an element made of carbon may be grown in the form of carbon nanotubes on a metal film, but is not limited thereto.
상기 금속으로 이루어진 소자는 Mn, Co, Ni, Ti, V, Cr, Fe, Cu, Zn, Ru, Al, Sn, Rt, 및 Ir으로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나의 원소로 이루어질 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 또한, 상기 금속산화물로 이루어진 소자는 Mn, Co, Ni, Ti, V, Cr, Fe, Cu, Zn, Ru, Al, Sn, Rt, 및 Ir으로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나의 원소의 산화물로 이루어질 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
The element made of the metal may be any one selected from the group consisting of Mn, Co, Ni, Ti, V, Cr, Fe, Cu, Zn, Ru, Al, Sn, Rt and Ir. But is not limited to. The element made of the metal oxide is an oxide of any one element selected from the group consisting of Mn, Co, Ni, Ti, V, Cr, Fe, Cu, Zn, Ru, Al, Sn, But is not limited thereto.
상기 소자는 저항, 커패시터, 인덕터, 슈퍼 커패시터, 커넥터, 다이오드, 트랜지스터 등의 형태로 구현될 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
The device may be implemented in the form of a resistor, a capacitor, an inductor, a supercapacitor, a connector, a diode, a transistor, and the like, but is not limited thereto.
상기 금속막 상에 소자가 성장한 후, 상기 금속막 및 상기 소자 위에 고분자 용액을 도포하고 건조하여 고분자막을 형성한다. (도 1(c))After the device is grown on the metal film, a polymer solution is applied on the metal film and the device and dried to form a polymer film. (Fig. 1 (c))
상기 고분자 용액은 PVA(polyvinyl alcohol)계, PMMA(polymethyl methacrylate)계, PVP(polyvinyl pyrolidone)계, PEO(polyethylene oxide)계, PVC(polyvinyl chloride)계, PAA(polyacrylic acid)계, 및 PAM (Polyacrylamide)계, PDMS(Polydimethylsiloxane)계로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상의 고분자물질을 용매에 용해하여 제조될 수 있다.
The polymer solution may be at least one selected from the group consisting of PVA (polyvinyl alcohol), PMMA (polymethyl methacrylate), PVP (polyvinyl pyrolidone), PEO (polyethylene oxide), PVC (polyvinyl chloride), PAA ), And PDMS (Polydimethylsiloxane) based on the total weight of the polymer.
상기 용매로는 예컨대, 에틸렌글리콜디알킬에테르, 프로필렌글리콜디알킬에테르, 폴리에틸렌글리콜디알킬에테르, 폴리프로필렌글리콜디알킬에테르 등의 사슬형 에테르류; 메탄올, 에탄올, 에틸렌글리콜모노알킬에테르, 프로필렌글리콜모노알킬에테르, 폴리에틸렌글리콜모노알킬에테르, 폴리프로필렌글리콜모노알킬에테르 등의 알코올류; 에틸렌글리콜, 프로필렌글리콜, 폴리에틸렌글리콜, 폴리프로필렌글리콜, 글리세린 등의 다가 알코올류; 아세토니트릴, 글루타로디니트릴, 메톡시아세토니트릴, 프로피오니트릴, 벤조니트릴 등의 니트릴 화합물; 에틸렌카보네이트, 프로필렌카보네이트 등의 카보네이트 화합물; 3-메틸-2-옥사졸리디논 등의 헤테로사이클릭화합물; 디메틸 설폭사이드, 설포란 등의 극성물질; 물 또는 이들의 조합 등을 사용할 수 있다. 이들은 단독으로 사용할 수도 있고, 또는 복수 종을 조합해서 사용할 수도 있다. Examples of the solvent include chain ethers such as ethylene glycol dialkyl ether, propylene glycol dialkyl ether, polyethylene glycol dialkyl ether, and polypropylene glycol dialkyl ether; Alcohols such as methanol, ethanol, ethylene glycol monoalkyl ether, propylene glycol monoalkyl ether, polyethylene glycol monoalkyl ether and polypropylene glycol monoalkyl ether; Polyhydric alcohols such as ethylene glycol, propylene glycol, polyethylene glycol, polypropylene glycol and glycerin; Nitrile compounds such as acetonitrile, glutaronitrile, methoxyacetonitrile, propionitrile, and benzonitrile; Carbonate compounds such as ethylene carbonate, propylene carbonate and the like; Heterocyclic compounds such as 3-methyl-2-oxazolidinone; Polar substances such as dimethyl sulfoxide and sulfolane; Water, or a combination thereof. These may be used alone, or a plurality of species may be used in combination.
상기 용매에 고분자를 넣어서 겔형의 고체상을 형성할 수도 있다.
A polymer may be added to the solvent to form a gel-like solid phase.
또한, 상기 고분자 용액에 산(acid)을 더 첨가할 수 있다.Further, an acid may be further added to the polymer solution.
상기 산(acid)으로는 인산을 예시할 수 있다. 또 이 인산에는 오르토인산 및 축합인산의 양쪽이 포함된다. 상기 산(acid)의 첨가량을 조절함으로써 고분자막의 영률(Young's modulus)를 조절하여 고분자막의 늘어나는 정도를 제어할 수 있다.As the acid, phosphoric acid can be exemplified. These phosphoric acids include both orthophosphoric acid and condensed phosphoric acid. By controlling the addition amount of the acid, Young's modulus of the polymer membrane can be controlled to control the extent of stretching of the polymer membrane.
상기 고분자막의 영률(Young's modulus)은 1 MPa 내지 500 MPa인 것이 바람직한데, 이 경우, 고분자막과 금속막 사이의 접착력을 금속막과 기판 사이의 접착력보다 우세하게 유지할 수 있기 때문이다.The Young's modulus of the polymer membrane is preferably 1 MPa to 500 MPa. In this case, the adhesive strength between the polymer membrane and the metal film can be maintained higher than the adhesion force between the metal film and the substrate.
이를 위하여 상기 고분자 용액에 포함되는 상기 산(acid)의 질량은 상기 고분자의 질량보다 작거나 동일하도록 조절하는 것이 바람직하다. 다만, 고분자의 종류 및 산의 종류에 따라 이러한 혼합비율은 다소 조정될 수도 있다.
For this purpose, the mass of the acid contained in the polymer solution is preferably controlled to be less than or equal to the mass of the polymer. However, depending on the type of polymer and the kind of acid, this mixing ratio may be adjusted to some extent.
또한, 상기 고분자 용액은 이온 전도체 또는 이온성 액체(Ionic Liquid)를 더 포함할 수도 있다. 이들의 예로는 H3PO4, LiCl, Li2SO4, Na2SO4, H2SO4, KOH, NH4SCN, H3BO3 등을 들 수 있다.In addition, the polymer solution may further include an ion conductor or an ionic liquid (Ionic Liquid). Examples thereof include H 3 PO 4 , LiCl, Li 2 SO 4 , Na 2 SO 4 , H 2 SO 4 , KOH, NH 4 SCN and H 3 BO 3 .
이들이 포함된 상기 고분자막는 유기소자에서 겔 전해질 기능을 할 수도 있다. 겔 전해질은 액체 전해질의 누수와 폭발 특성, 고체 전해질의 낮은 이온 전도도의 결점을 보완할 수 있는 대안이 될 수 있다.
The polymer membrane containing them may function as a gel electrolyte in an organic device. The gel electrolyte can be an alternative to compensate for the drawbacks of the leakage and explosion characteristics of the liquid electrolyte and the low ion conductivity of the solid electrolyte.
고분자막이 형성되면, 상기 금속막 및 상기 소자를 가지는 고분자막을 상기 기판으로부터 분리한다. (도 1(d))When the polymer film is formed, the metal film and the polymer film having the device are separated from the substrate. (Fig. 1 (d)).
상기 고분자막은 앞서 제조공정에서 특성제어가 된 상태이므로 금속막과의 높은 접착력을 가지고 있어서, 금속막 및 소자와 함께 기판으로부터 쉽게 탈착이 가능하다.
Since the polymer membrane is in a state of being controlled in characteristics in the manufacturing process, the polymer membrane has a high adhesion strength with the metal film, so that it can be easily detached from the substrate together with the metal film and the element.
본 발명에서는 상기의 제조방법에 의하여 제조된 유연소자를 제공하며, 이와 함께 상기 유연소자 간의 접합에 의하여 형성된 접합소자를 제공한다.The present invention provides a flexible device manufactured by the above-described manufacturing method, and also provides a bonding element formed by bonding between the flexible devices.
이때, 전극끼리 바로 접합할 수도 있기 때문에 전극 상호간을 연결하기 위한 별도의 전선(electric wire)이 필수적 구성요소로 작용하지 않는다. 상기 고분자막은 유연소자 또는 접합소자에 있어서, 기지로서의 역할, 세퍼레이터 기능 및 전해질 기능을 동시에 수행할 수도 있게 되어 소자의 구성을 한층 간단하게 구현할 수 있으며, 소형화가 가능하다.
At this time, since the electrodes can be directly bonded to each other, an electric wire for connecting the electrodes does not act as an essential component. The polymer membrane can simultaneously perform a role as a base, a separator function, and an electrolyte function in a flexible element or a junction element, so that the structure of the element can be further simplified and miniaturization is possible.
본 발명의 유연소자 또는 접합소자는 반복적인 스트레스가 가해져도 소자의 특성을 유지하며, 유연한 에너지 저장소자, 유연한 차세대 디스플레이와 같은 다양한 전자소자 등에 응용이 가능하다.
The flexible device or the junction device of the present invention maintains the characteristics of the device even when repeated stress is applied, and can be applied to various electronic devices such as a flexible energy storage device and a flexible next generation display.
이하, 실시예를 통해 본 발명을 상세히 설명한다. 다만, 하기 실시예는 본 발명을 보다 상세히 설명하기 위한 예일 뿐, 본 발명의 권리범위를 제한하지는 않는다.
Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to Examples. However, the following examples are only for illustrating the present invention in more detail and do not limit the scope of the present invention.
[[ 실시예Example ]]
1. One. 유연소자의Flexible device 제조 및 특성 평가 Manufacturing and characterization
먼저, SiO2 기판 위에 리소그래피를 통하여 소자의 전극영역을 형성하고, 라디오 주파 스퍼터링 (radio frequency sputtering), 전자선 증착기 (e-beam evaporator) 등의 증착장비를 이용하여 금속막을 형성하였다. 아세톤 욕조(bath)를 이용한 리프트-오프 (lift-off) 공정을 통하여 금속 전극 패턴을 형성시키고, 탄소나노튜브 성장을 위한 촉매영역을 리소그래피와 리프트-오프 공정을 사용하여 형성시켰다. 화학기상 증착법 (chemical vapor deposition, CVD)을 통하여 수직배향된 탄소나노튜브를 성장시켰다.
First, an electrode region of the device was formed on a SiO 2 substrate through lithography, and a metal film was formed using a deposition equipment such as radio frequency sputtering or an e-beam evaporator. A metal electrode pattern was formed through a lift-off process using an acetone bath, and a catalyst region for carbon nanotube growth was formed using a lithography and a lift-off process. Vertically oriented carbon nanotubes were grown by chemical vapor deposition (CVD).
고분자막 형성을 위한 용액제조를 위해서 1g의 폴리비닐알콜 (polyvinyl alcohol)을 10g의 물과 혼합하여 60~90℃ 중탕에서 3-12 시간 교반하여 용해하고, 용해된 폴리비닐알콜 용액에 0~1 g의 인산 (phosphoric acid)을 첨가하여 추가로 3~12 시간 교반하였다. In order to prepare a solution for forming a polymer membrane, 1 g of polyvinyl alcohol is mixed with 10 g of water, and the mixture is stirred and dissolved in a 60 to 90 ° C water bath for 3 to 12 hours. To the dissolved polyvinyl alcohol solution, 0 to 1 g Phosphoric acid was added and the mixture was further stirred for 3 to 12 hours.
이 용액을 위에서 준비된 기판 위에 도포한 후, 상온 또는 40~60℃의 오븐에서 건조한 후, 건조된 고분자막을 기판으로부터 기계적으로 떼어내어 최종적으로 탄소나노튜브 기반 소자를 포함하는 유연소자를 제조하였다.
This solution was coated on the substrate prepared above and dried in an oven at room temperature or 40 to 60 ° C, and then the dried polymer membrane was mechanically removed from the substrate to finally produce a flexible device including a carbon nanotube-based device.
금속전극막과 기판간의 접착력 및 금속전극막과 고분자막간의 접착력 평가를 위한 기계적 특성 평가를 실시하였다 (도 2). Cu, Mo, Au를 SiO2 기판 위에 증착한 후, 각각의 금속막의 SiO2 기판에 대한 접착력을 평가하여 도 2의 왼쪽 y 축에 나타내었다. 폴리비닐알콜과 인산의 질량비를 1:0 내지 1:1으로 조절하여 고분자막의 기계적 특성을 제어하고 이를 평가하여 도 2의 x 축에 나타내었다. 최종적으로 SiO2 기판 위에 각각의 금속막을 형성하고, 폴리비닐알콜과 인산의 비가 조절된 용액을 그 위에 도포한 후 건조하고, 고분자막-금속막의 SiO2 기판에 대한 접착력을 평가하여 도 2의 오른쪽 y축에 나타내었다. Au의 경우 SiO2에 대한 낮은 접착력을 가져 고분자막의 기계적 특성과 상관없이 기판으로부터 쉽게 탈착되었고, Mo의 경우 Au보다 높은 접착력을 가지나 기판으로부터 쉽게 탈착되었다. Cu의 경우 높은 접착력을 가져 높은 영률(Young's modulus)를 갖는 고분자막 형성시에만 기판으로부터 탈착되는 것을 관찰하였다. 이는 고분자막의 기계적 특성 제어를 통하여 이들 금속 박막 위에 형성된 소자를 떼어내어 유연소자로 만들 수 있다는 것을 의미한다.
Mechanical properties were evaluated for the adhesion between the metal electrode film and the substrate and the adhesion between the metal electrode film and the polymer film (FIG. 2). Cu, Mo, Au was deposited on the SiO 2 substrate, was also shown on the left y-axis of the second to evaluate the adhesion to the respective metal film is SiO 2 substrate. The mechanical properties of the polymer membrane were controlled by adjusting the mass ratio of polyvinyl alcohol and phosphoric acid to 1: 0 to 1: 1, and evaluated on the x-axis of FIG. 2. Finally, each metal film was formed on the SiO 2 substrate, and a solution having a controlled ratio of polyvinyl alcohol and phosphoric acid was applied thereon and dried. Then, the adhesion of the polymer membrane-metal film to the SiO 2 substrate was evaluated, Axis. In case of Au, it was easily detached from the substrate regardless of the mechanical properties of the polymer film due to its low adhesion to SiO 2 , and Mo had a higher adhesion than Au, but was easily desorbed from the substrate. Cu was observed to be desorbed from the substrate only at the time of forming a polymer film having a high Young's modulus due to its high adhesive strength. This means that the device formed on the metal thin film can be separated from the metal thin film by controlling the mechanical properties of the polymer membrane to make it a flexible device.
2. 슈퍼커패시터의 제조 및 특성 평가2. Manufacturing and Characterization of Super Capacitor
수직 배향된 탄소 나노튜브를 성장시키고, 인산이 포함된 폴리비닐알콜 용액을 겔 전해질로 이용하여 슈퍼커패시터를 제조하였다 (도 3 및 도 4). 순환전압전류법 (Cyclic voltammetry, CV)을 통하여 기판 위에 제조된 슈퍼커패시터의 전기화학적 특성평가를 실시하였다. 제조된 슈퍼커패시터의 특성은 기판으로부터 소자를 분리한 후에도 그 특성이 유지되는 것을 관찰하였다. (도 5) 수명특성 또한 2,000회의 충방전시에도 안정한 특성을 나타내었다 (도 5(c)). 도 6과 같은 여러 가지 기계적인 변형에도 유연한 슈퍼커패시터의 특성변화가 없음을 확인할 수 있었다 (도 5). 예를 들면, 10,000 회의 굽힘 변형(도 5(e))이나 50%의 변형의 스트레칭(도 5(f)) 시에도 특성의 저하가 일어나지 않았다.
Vertically aligned carbon nanotubes were grown, and a polyvinyl alcohol solution containing phosphoric acid was used as a gel electrolyte to prepare a supercapacitor (FIGS. 3 and 4). The electrochemical characteristics of the supercapacitors fabricated on the substrate were evaluated through cyclic voltammetry (CV). It was observed that the characteristics of the manufactured super capacitor were maintained even after the device was separated from the substrate. (FIG. 5), and also showed stable characteristics even at 2,000 charge / discharge cycles (FIG. 5 (c)). It was confirmed that there was no change in the characteristics of the flexible supercapacitor even in various mechanical variations as shown in Fig. 6 (Fig. 5). For example, no deterioration of characteristics occurred even at 10,000 bending deformation (Fig. 5 (e)) or 50% deformation stretching (Fig. 5 (f)).
3. 접합 소자의 제조 및 특성 평가3. Fabrication and characterization of junction devices
저항, 인덕터, 커패시터를 제조하기 위한 여러 가지 패턴 (도 7)을 준비하고, 수직배향된 탄소 나노튜브를 이들 패턴에 맞게 성장시키고, 인산이 포함된 폴리비닐알콜 용액을 이용하여 이들 소자를 제조하고 기판으로부터 분리시켜 최종적으로 유연한 저항, 인덕터, 커패시터를 제조하였다. 도 8에서와 같이 제조된 소자들을 정렬시킨 후, 고분자 막의 접착력만을 이용하여 이들 소자들을 서로 접합하여 저항, 인덕터, 커패시터가 전기적으로 연결된 회로를 구현하였다. 또한, 도 9에서와 같이 5 개의 유연한 슈퍼캐패시터를 서로 직렬연결하고, 이를 태양전지로 충전한 후, 발광소자를 구동시켰으며, 제조된 유연한 저항, 커패시터, 커넥터 (electrical connector)를 서로 접합하여 RC회로를 형성시켜 고역 통과 필터 (high pass filter) 및 저역 통과 필터 (low pass filter)를 제조하였다. 이렇게 형성된 소자들은 접합시에도 정상적인 회로 거동을 보였으며, 비틀림 (twisting)과 같은 기계적 변형에도 영향을 받지 않았다.
Various patterns for fabricating resistors, inductors, and capacitors (FIG. 7) were prepared, vertically aligned carbon nanotubes were grown to fit these patterns, and these devices were fabricated using a polyvinyl alcohol solution containing phosphoric acid Finally, flexible resistors, inductors, and capacitors were fabricated by separating from the substrate. After arranging the manufactured devices as shown in FIG. 8, a circuit in which resistors, inductors, and capacitors are electrically connected to each other by bonding these devices to each other using only the adhesive force of the polymer film is implemented. As shown in FIG. 9, five flexible supercapacitors are connected in series with each other, and the flexible capacitor, the capacitor, and the electrical connector are connected to each other, Circuit was formed to produce a high pass filter and a low pass filter. The devices thus formed showed normal circuit behavior during bonding and were not affected by mechanical deformation such as twisting.
4. 결과 검토4. Review the results
유연 소자의 제조를 위한 기존의 식각 공정을 사용하지 않아 재료의 선택폭이 넓어졌으며, 공정상의 편이성이 증대되었다. 또한 기존의 증착 공정으로는 접근하기 어려운 소자 간 접합이 가능하게 됨에 따라 유연 복합소자의 제조가 가능하게 되었다.
The existing etching process for the fabrication of flexible devices is not used, so that the choice of materials is widened and the process convenience is improved. In addition, it becomes possible to fabricate a flexible composite device as it becomes possible to connect devices that are difficult to access by the conventional deposition process.
Claims (9)
상기 금속막 상에 소자를 형성하는 단계;
상기 금속막 및 상기 소자 위에 고분자 용액을 도포하여 고분자막을 형성하는 단계; 및
상기 금속막 및 상기 소자를 가지는 고분자막을 상기 기판으로부터 분리하는 단계를 포함하는, 유연소자의 제조방법.
Forming a metal film on the substrate;
Forming an element on the metal film;
Applying a polymer solution on the metal film and the device to form a polymer film; And
And separating the metal film and the polymer film having the element from the substrate.
상기 금속막은 Mo, Au, Cu, Cr, Pt, Ni, Ti, P로 이루어지는 군에서 선택되는 금속; 또는 B, Si, Ge. As, Sb, Te, Po로 이루어지는 군에서 선택되는 준금속과 상기 금속의 합금으로 이루어진 것인, 유연소자의 제조방법.
The method according to claim 1,
Wherein the metal film is a metal selected from the group consisting of Mo, Au, Cu, Cr, Pt, Ni, Ti, and P; Or B, Si, Ge. As, Sb, Te, and Po, and an alloy of the metal.
상기 소자는 상기 금속막 상에 성장한 탄소, 금속, 또는 금속산화물로 이루어진 것인, 유연소자의 제조방법.
The method according to claim 1,
Wherein the device is made of carbon, metal, or metal oxide grown on the metal film.
상기 고분자 용액은 고분자를 포함하며, 상기 고분자는 PVA(polyvinyl alcohol)계, PMMA(polymethyl methacrylate)계, PVP(polyvinyl pyrolidone)계, PEO(polyethylene oxide)계, PVC(polyvinyl chloride)계, PAA(polyacrylic acid)계, PAM (Polyacrylamide)계, 및 PDMS(Polydimethylsiloxane)계로 이루어진 군에서 선택되는 1종인 것인, 유연소자의 제조방법.
The method according to claim 1,
The polymer solution includes a polymer, and the polymer is selected from the group consisting of polyvinyl alcohol (PVA), polymethyl methacrylate (PMMA), polyvinyl pyrolidone (PVP), polyethylene oxide (PEO), polyvinyl chloride acid, PAM (polyacrylamide), and PDMS (polydimethylsiloxane).
상기 고분자 용액은 산(acid)을 더 포함하는 것인, 유연소자의 제조방법.
5. The method of claim 4,
Wherein the polymer solution further comprises an acid.
상기 고분자 용액은 이온 전도체 또는 이온성 액체(Ionic Liquid)를 더 포함하는 것인, 유연소자의 제조방법.
5. The method of claim 4,
Wherein the polymer solution further comprises an ionic conductor or an ionic liquid.
상기 고분자막의 영률(Young's modulus)은 1 MPa 내지 500 MPa인 것인, 유연소자의 제조방법.
The method according to claim 1,
Wherein the Young's modulus of the polymer membrane is 1 MPa to 500 MPa.
A flexible device manufactured by the manufacturing method of any one of claims 1 to 7.
A bonding element formed by bonding between flexible devices manufactured by the manufacturing method of any one of claims 1 to 7.
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