KR20150135639A - 패턴된 그래핀과 금속 나노선을 이용한 유연전극 및 이의 제조 방법 - Google Patents

Abstract

기판, 상기 기판 위에 소정의 패턴을 형성하여 위치하는 그래핀 층, 및 상기 그래핀 층 위에 위치하는 금속 층을 포함하는 그래핀 시트; 상기 그래핀 시트를 포함하는 유연 전극; 상기 유연 전극을 포함하는 전자 소자; 및 상기 유연 전극의 제조방법을 제공한다.

Description

패턴된 그래핀과 금속 나노선을 이용한 유연전극 및 이의 제조 방법{HYBRID COMPLIANT ELECTRODE WITH PATTERNED GRAPHENE AND MATAL-NANOWIRE, AND METHOD OF MANUFACTURING THEREOF}

패턴된 그래핀과 금속 나노선을 이용한 유연전극 및 이의 제조 방법에 관한 것이다.

일반적으로 표시소자, 발광다이오드, 태양 전지 등과 같은 다양한 전자 소자는 광을 투과시켜 화상을 형성하거나 전력을 생성하므로, 광을 투과시킬 수 있는 투명 도전막이 필수적이다. 이와 같은 투명 도전막으로는 인듐 주석 산화물(indium tin oxide, ITO)이 폭넓게 사용되고 있다.

그러나 인듐 주석 산화물은 인듐의 소비량이 많아짐에 따라 가격이 높아져 경제성이 저하될 수 있으며, 특히 인듐을 포함하는 투명 도전막의 기계적, 화학적, 전기적 결함이 존재하여 이를 대체할 수 있는 투명 도전 물질이 필요하다.

이러한 투명 도전 물질로 그래핀(graphene)이 주목받고 있다. 그래핀은 복수 개의 탄소 원자들이 공유 결합으로 연결된 방향족 분자로, 약 10,000 내지 100,000 cm²/Vs의 높은 전자 이동도를 가질 뿐만 아니라 얇은 두께로 인하여 높은 광 투과도를 가진다.

한편, 플렉시블 디바이스에서는 기판의 변화에 따라 변형이 되는 유연 전극이 필요한데, 면 저항이 낮으며 투명한 유연 전극을 얻기 위해서 그래핀과 금속을 각각 사용하거나, 혹은 이들 전도체를 합쳐 하이브리드 형태의 전극을 사용하려는 움직임이 있다. 그러나 이 경우에도 유연 전극의 변형량이 80% 정도에 지나지 않아 보다 큰 변형도가 요구되는 디바이스에의 응용에는 한계가 있었다.

일 구현예는 패터닝된 그래핀 위에 금속을 도포함으로써 변형도가 큰 조건 하에서도 일정한 전도도를 가지는 유연 전극을 제공한다.

다른 구현예는 상기 유연 전극을 포함하는 전자 소자를 제공한다.

또 다른 구현예에 따르면 유연 전극의 제조 방법을 제공한다.

일 구현예에 따르면, 기판, 상기 기판 위에 소정의 패턴을 형성하여 위치하는 그래핀 층, 및 상기 그래핀 층 위에 위치하는 금속 층을 포함하는 유연 전극을 제공한다.

상기 패턴은 소정의 간격을 두고 배치된 복수의 그래핀 단위들을 포함할 수 있다.

서로 인접하는 상기 그래핀 단위 간의 간격은 10 ㎛ 내지 100 ㎛일 수 있다.

상기 그래핀 단위는 정사각형, 직사각형, 또는 마름모 형상을 가질 수 있다.

상기 금속은 나노선(nanowire) 형상을 가질 수 있다.

상기 나노선의 직경은 10 nm 내지 100 nm일 수 있다.

상기 나노선의 길이는 1 ㎛ 내지 20 ㎛일 수 있다.

상기 나노선은 은 나노선, 구리 나노선 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다.

상기 기판은 고분자 필름 기판일 수 있다.

상기 기판은 유연(flexible) 기판일 수 있다.

상기 유연 전극의 광투과도는 70% 이상일 수 있다.

상기 유연 전극의 신축성은 150% 이상일 수 있다.

상기 유연 전극의 표면 저항은 300Ω 이하일 수 있다.

다른 일 구현예에 따르면, 상술한 유연 전극을 포함하는 전자 소자를 제공한다.

또 다른 일 구현예에 따르면, 기판을 준비하는 단계, 상기 기판 위에 그래핀을 적용하고 소정의 패턴을 형성하여 그래핀 층을 형성하는 단계, 및 상기 그래핀 층 위에 금속층을 형성하는 단계를 포함하는 유연 전극의 제조방법을 제공한다.

상기 그래핀 층을 형성하는 단계에서 상기 그래핀은 화학기상 증착법(CVD)에 따라 상기 기판 위에 적용될 수 있다.

상기 그래핀 층을 형성하는 단계에서 상기 패턴은 소정의 간격을 두고 배치된 복수의 그래핀 단위들을 포함할 수 있다.

서로 인접하는 상기 그래핀 단위 간의 간격은 10㎛ 내지 100 ㎛일 수 있다.

상기 그래핀 단위는 정사각형, 직사각형, 또는 마름모 형상을 가지도록 형성될 수 있다.

상기 금속 층을 형성하는 단계에서 상기 금속은 나노선(nanowire) 형상을 가질 수 있다.

상기 금속 층을 형성하는 단계에서 상기 금속은 은 나노선, 구리 나노선 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다.

상기 기판을 준비하는 단계에서 상기 기판은 고분자 필름 기판일 수 있다.

상기 기판을 준비하는 단계에서 상기 기판은 유연(flexible) 기판일 수 있다.

패터닝된 그래핀 위에 금속을 도포함으로써 변형도가 큰 조건 하에서도 일정한 전도도를 가지는 유연 전극을 제공한다.

도 1은 전압이 일 구현예에 따른 유연 전극의 구조를 설명하는 도면이고,
도 2는 소정의 간격을 두고 배치된 복수의 그래핀 단위들을 포함하는 패턴화된 그래핀 층을 설명하는 도면이고,
도 3은 다른 일 구현예에 따른 유연 전극의 제조방법을 설명하는 순서도이다.

이하, 본 발명의 구현예에 대하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 구현예에 한정되지 않는다.

도면에서 여러 층 및 영역을 명확하게 표현하기 위하여 두께를 확대하여 나타내었다. 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 동일한 도면 부호를 붙였다. 층, 막, 영역, 판 등의 부분이 다른 부분 "위에" 있다고 할 때, 이는 다른 부분 "바로 위에" 있는 경우뿐만 아니라 그 중간에 또 다른 부분이 있는 경우도 포함한다. 반대로 어떤 부분이 다른 부분 "바로 위에" 있다고 할 때에는 중간에 다른 부분이 없는 것을 뜻한다.

이하 도 1을 참고하여 일 구현예에 따른 유연 전극에 관하여 설명한다.

도 1은 전압이 도 1은 유연 전극의 구조를 설명하는 도면이다.

도 1을 참고하면, 일 구현예에 따른 유연 전극(100)은 기판(10), 기판(10) 위에 위치하는 그래핀 층(20), 및 금속 층(30)을 포함한다.

기판(10)은 신축성을 가지는 유연 기판(flexible substrate)일 수 있으며, 예컨대 유연 고분자 기판일 수 있다. 예를 들어, 기판(10)은 엘라스토머 필름(elastomer film)일 수 있다.

그래핀 층(20)은 기판(10) 위에 위치한다.

도 2는 그래핀 소재를 설명하는 도면이다. 그래핀(graphene)은 탄소의 동소체 중 하나로서, 탄소 원자들이 각각 sp2 결합으로 연결된 원자 하나 두께의 2차원 구조로, 벤젠 형태의 탄소 고리가 벌집 형태의 결정 구조를 이룬다. 흑연과 비슷한 결정 구조를 가지지만 한 개의 층을 가진다.

그래핀 층(20)은 기판(10) 위에 일정한 간격으로 배열되어 소정의 패턴을 형성한다. 상기 패턴은 예컨대 격자 형상일 수 있다. 상기 격자 형상의 패턴을 형성하기 위해 그래핀 단위가 기판(10) 위에 일정한 간격을 두어 주기적으로 배열될 수 있다. 이에 따라 기판(10) 위에는 그래핀이 배열된 부분과 그래핀이 배열되지 않은 부분이 존재한다.

상기 격자 형상의 패턴은 복수의 그래핀 단위들(21, 22, 23)을 포함하며, 서로 인접하는 상기 그래핀 단위 사이에는 그래핀이 배열되지 않는다. 상기 인접하는 그래핀 단위 간의 간격(L₀)은 예컨대 10 ㎛ 내지 100 ㎛일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.

상기 그래핀 단위(21)는 예컨대 정사각형, 직사각형, 또는 마름모 형상을 가질 수 있다.

그래핀 층(20) 위에는 금속 층(30)이 위치하며, 금속 층(30)은 금속 나노선(nanowire)으로 이루어질 수 있다.

상기 금속 나노선은 예컨대 은 나노선, 구리 나노선 또는 이들의 조합일 수 있으며, 직경은 예컨대 10 nm 내지 100 nm이고, 길이는 예컨대 1 ㎛ 내지 20 ㎛일 수 있다.

상기 금속 층(30)은 금속 나노선을 복수 개 포함할 수 있고, 하나의 금속 나노선은 다른 하나 또는 둘 이상의 금속 나노선과 접합 또는 교차되어 네트워크를 형성할 수 있다. 또는 상기 금속 나노선 중 일 부분은 다른 일 부분과 접합 또는 교차되어 네트워크를 형성할 수 있다. 상기 금속 나노선은 상술한 바와 같이 그래핀 층(20) 위에 위치하고, 뿐만 아니라 그래핀이 위치하지 않은 기판 위의 영역에도 위치할 수 있다. 상기 금속 나노선은 그래핀이 위치하지 않은 기판 위의 영역에 위치하여 전극의 전기 전도도를 보상할 수 있다.

상기 유연 전극은 상술한 바와 같이 그래핀 단위를 일정한 간격을 두어 격자 형상으로 배치시킴으로써 같은 면적의 그래핀 시트 하나를 적층시키는 경우와 비교하여 신축성을 더 향상시킬 수 있다. 상기 유연 전극의 신축성은 예컨대 약 110% 이상, 130% 이상, 150% 이상 또는 200% 이상일 수 있다.

상기 유연 전극은 광을 투과하는 투명 전극이며, 상기 광 투과도는 약 70% 이상일 수 있다. 예컨대 상기 광 투과도는 75% 이상, 80% 이상, 또는 90% 이상일 수 있다.

상술한 바와 같이 본 발명에 따른 유연 전극은 기판 위에 그래핀과 금속 나노선이 하이브리드된 형태이며, 상기 그래핀을 상기 기판 위에 일정한 격자 모양의 패턴을 형성하도록 배열함으로써 그래핀과 금속 나노선 간의 네트워크 구조를 보다 공고히 할 수 있다. 이에 따라 변형도가 큰 조건 하에서도 그래핀과 금속 나노선 간의 네트워크 구조를 유지할 수 있게 됨에 따라 상기 그래핀 시트를 포함하는 유연 전극은 우수한 전기 전도도를 확보할 수 있게 된다.

상기 유연 전극의 표면 저항은 예컨대 약 300Ω 이하일 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.

또 다른 일 구현예에 따르면, 상기 유연 전극을 포함하는 전기 소자를 제공한다. 상기 전기 소자는 유연 전극의 유연성(flexibility) 특성이 요구되는 소자라면 모두 포함되며, 예컨대 생체모사 작동기, 에너지 저장소자, 디스플레이, 태양전지 등 다양한 기기에 적용이 가능하다.

이하 도 3을 참고하여 유연 전극의 제조방법에 관하여 설명한다.

또 다른 일 구현예에 따르면, 기판을 준비하는 단계(111), 상기 기판 위에 그래핀을 적용하고 소정의 패턴을 형성하여 그래핀 층을 형성하는 단계(121), 상기 그래핀 층 위에 금속층을 형성하는 단계(131)를 포함하는 유연 전극의 제조방법을 제공한다.

먼저 상기 기판은 유연한 특성을 가지는 것이면 제한 없이 사용할 수 있으며, 예컨대 유리기판 또는 고분자 기판을 사용할 수 있다. 투명 전극 소재로 상기 그래핀 시트를 사용하는 경우 상기 기판은 투명 기판인 것이 바람직하다.

다음으로 상기 기판 위에 그래핀을 적용하는데, 이 때 화학기상 증착법에 따를 수 있다.

이어서 상기 증착된 그래핀으로 소정의 패턴을 형성하는데, 상기 패턴은 복수의 그래핀 단위들을 포함하는 격자 형상일 수 있다. 이 때 서로 인접하는 상기 그래핀 단위 간의 간격은 10 ㎛ 내지 100 ㎛일 수 있다.

상기 그래핀 단위는 정사각형, 직사각형, 또는 마름모 형상을 가지도록 형성될 수 있다.

상기 그래핀 층이 형성되면 그 위에 금속 나노선(nanowire)을 사용하여 금속 층을 형성한다. 상기 금속 층은 그래핀이 형성되지 않은 기판 영역 위에도 형성될 수 있다. 상기 금속 나노선의 직경은 약 10 nm 내지 100 nm이고, 길이는 약 1 ㎛ 내지 20 ㎛일 수 있다. 상기 나노선은 은 나노선, 구리 나노선 등을 사용할 수 있다.

이상에서 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다.

100: 유연 전극
10: 기판
20: 그래핀 층
21, 22, 23: 그래핀 단위
30: 금속 층
L₀: 인접하는 그래핀 단위 간의 간격

Claims (25)

1. 기판,
   상기 기판 위에 소정의 패턴을 형성하여 위치하는 그래핀 층, 및
   상기 그래핀 층 위에 위치하는 금속 층
   을 포함하는
   유연 전극.
2. 제1항에서,
   상기 패턴은 소정의 간격을 두고 배치된 복수의 그래핀 단위들을 포함하는 유연 전극.
3. 제2항에서,
   서로 인접하는 상기 그래핀 단위 간의 간격은 10 ㎛ 내지 100 ㎛인 유연 전극.
4. 제3항에서,
   상기 그래핀 단위는 정사각형, 직사각형, 또는 마름모 형상을 가지는 유연 전극.
5. 제1항에서,
   상기 금속은 나노선(nanowire) 형상을 가지는 유연 전극.
6. 제5항에서,
   상기 나노선의 직경은 10 nm 내지 100 nm인 것인 유연 전극.
7. 제5항에서,
   상기 나노선의 길이는 1 ㎛ 내지 20 ㎛인 것인 유연 전극.
8. 제5항에서,
   상기 나노선은 은 나노선, 구리 나노선 또는 이들의 조합을 포함하는 유연 전극.
9. 제1항에서,
   상기 기판은 고분자 필름 기판인 유연 전극.
10. 제1항에서,
    상기 기판은 유연(flexible) 기판인 것인 유연 전극.
11. 제1항에서,
    상기 유연 전극의 광투과도는 70% 이상인 유연 전극.
12. 제1항에서,
    상기 유연 전극의 신축성은 150% 이상인 유연 전극.
13. 제1항에서,
    상기 유연 전극의 표면 저항은 300Ω 이하인 유연 전극.
14. 제1항에 따른 유연 전극을 포함하는 전자 소자.
15. 기판을 준비하는 단계,
    상기 기판 위에 그래핀을 적용하고 소정의 패턴을 형성하여 그래핀 층을 형성하는 단계, 및
    상기 그래핀 층 위에 금속층을 형성하는 단계
    를 포함하는
    유연 전극의 제조방법.
16. 제15항에서,
    상기 그래핀 층을 형성하는 단계에서 상기 그래핀은 화학기상 증착법(CVD)에 따라 상기 기판 위에 적용되는 것인 유연 전극의 제조방법.
17. 제15항에서,
    상기 그래핀 층을 형성하는 단계에서 상기 패턴은 소정의 간격을 두고 배치된 복수의 그래핀 단위들을 포함하는 유연 전극의 제조방법.
18. 제17항에서,
    서로 인접하는 상기 그래핀 단위 간의 간격은 10㎛ 내지 100 ㎛인 유연 전극의 제조방법.
19. 제17항에서,
    상기 그래핀 단위는 정사각형, 직사각형, 또는 마름모 형상을 가지도록 형성되는 것인 유연 전극의 제조방법.
20. 제15항에서,
    상기 금속은 나노선(nanowire) 형상을 가지는 것인 유연 전극의 제조방법.
21. 제20항에서,
    상기 나노선은 은 나노선, 구리 나노선 또는 이들의 조합을 포함하는 유연 전극의 제조방법.
22. 제20항에서,
    상기 나노선의 직경은 10 nm 내지 100 nm인 것인 유연 전극의 제조방법.
23. 제20항에서,
    상기 나노선의 길이는 1 ㎛ 내지 20 ㎛인 것인 유연 전극의 제조방법.
24. 제15항에서,
    상기 기판은 고분자 필름 기판인 유연 전극의 제조 방법.
25. 제15항에서,
    상기 기판은 유연(flexible) 기판인 것인 유연 전극의 제조 방법.

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