KR20160012268A - 다층 그래핀을 이용한 신축성이 높은 전극 및 그 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 다층 그래핀을 이용한 신축성이 높은 전극 및 그 제조방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 기판에 다층 그래핀을 전사하고 그 위에 투명 산화물 전도막 또는 은나노잉크 전극을 올려 전기전도도와 신축성이 높은 다층 그래핀을 이용한 신축성이 높은 전극 및 그 제조방법에 관한 것이다. 본 발명에 의하면, 기판에 다층 그래핀을 전사하고 그 위에 투명 산화물 전도막 또는 은나노잉크 전극을 올려 전기전도도와 신축성이 높은 전극을 제공할 수 있는 효과가 있다.

Description

다층 그래핀을 이용한 신축성이 높은 전극 및 그 제조방법{highly stretchable electrode using multi-layer graphene and manufacturing method thereof}

본 발명은 다층 그래핀을 이용한 신축성이 높은 전극 및 그 제조방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 기판에 다층 그래핀을 전사하고 그 위에 투명 산화물 전도막 또는 은나노잉크 전극을 올려 전기전도도와 신축성이 높은 다층 그래핀을 이용한 신축성이 높은 전극 및 그 제조방법에 관한 것이다.

현재 투명전극으로 인듐주석산화물(Indium tin oxide : ITO)이 주로 사용되는데 취성의 특성으로 잘 부러지는 특성이 있어 유연 디스플레이 전극으로 활용하는데 어려움이 있다.

이에 많은 대체재들이 연구되고 있고, 대표적으로 전도성 폴리머, 탄소나노튜브(CNT), 은 나노와이어, 메탈그리드, 그래핀(graphene) 등이 있다. 그 중 그래핀은 높은 광 투과도와 기계적 신축성, 전기 전도성 때문에 신축성 있는 투명전극을 위한 유망한 재료로 여겨져 왔다. 흑연에서 기계적 박리법으로 얻은 프리스틴 그래핀의 파괴 변형률을 고려하면 그래핀은 2축 변형에서 약 25%의 변형을 견디는 것으로 기대된다.

그래핀이 전극으로 상용화되기 위해서는 화학기상증착법(Chemical vapor deposition, CVD) 같이 크게 만들 수 있는 방식으로 합성되어야 하고, 투명한 폴리머 필름에 전사되어야 한다.

결정입계가 잘 엮어져 있고 기계적 손상이 무시되는 CVD 그래핀은 프리스틴 그래핀에 상응하는 기계적 강도를 가지지만, 대면적의 CVD 그래핀은 통계적으로 많은 중첩된 결정입계를 가지고 있고, 합성, 촉매금속의 에칭, 전사과정 등으로부터 기계적인 손상들을 받게 된다. 그러므로 CVD 그래핀의 파괴 변형률은 프리스틴 그래핀보다 훨씬 더 낮게 된다. 이 CVD 그래핀의 결정적인 약점이 그래핀을 신축성 있는 투명전극으로 상업화 하는데 핵심 장애물로 작용한다.

한편, 최근 수에서 수십 나노미터 지름을 갖는 금, 은 또는 구리 나노입자 같은 금속 나노입자 기반의 잉크를 사용하여 마이크로 전자소자를 제작하는데 다양한 용액 기반의 직접 인쇄 과정에 대한 관심이 증대되어 왔다. 대표적인 인쇄 방법으로는 그래비어프린팅, 플렉소그래피프린팅, 나노임프린팅, 트랜스퍼프린팅, 잉크젯 프린팅 등이 있다.

이 기술들은 비싼 장비나 엄격히 제한적인 진공 환경을 요구하는 스퍼터링 또는 전자 빔 증착 같은 전통적인 증착 과정 없이 전 용액 공정 방식의 단순한 공정을 가능하게 한다.

또한, 저 에너지 소모, 저렴한 제조 비용 그리고 다양한 기판의 적용 가능성 같은 다양한 이점을 가지고 있다. 이런 이유들로, 직접 인쇄방법은 전자 소자에서 마이크로 나노 스케일의 금속 전극과 연결부를 제작하는데 넓게 사용된다.

또한, 플렉서블 디스플레이 적용을 위해서는 이 소자들이 유연한 기판 위에 올려지게 되고, 종종 인장, 굽힘, 비틀림 같은 기계적 하중을 받으면서 작동하게 되므로 기계적 특성이 매우 중요하다. 반면에 은나노잉크 전극에서 나타나는 입자구조 및 다공성 특징으로 기존의 방식인 전자 빔 증착으로 만들어진 은 박막에 비해 신축성이 낮다는 문제점이 있었다.

KR 10-2011-0095751 A

본 발명은 이와 같은 문제점을 해결하기 위해 창안된 것으로서, 기판에 다층 그래핀을 올리고, 그 위에 투명 산화물 전도막 또는 은나노잉크 전극을 올려 전기전도도와 신축성이 높은 전극을 제공할 수 있도록 한 다층 그래핀을 이용한 신축성이 높은 전극 및 그 제조방법을 제공함을 목적으로 한다.

또한, 그래핀 층간의 약한 상호작용을 이용하여 신축성을 향상시키고 그 위에 투명 산화물 전도막 또는 은나노잉크 전극을 올림으로써 보다 우수한 유연 전극을 제공할 수 있도록 한 다층 그래핀을 이용한 신축성이 높은 전극 및 그 제조방법을 제공함을 목적으로 한다.

상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 다층 그래핀을 이용한 신축성이 높은 전극의 일 측면에 따르면, 기판; 상기 기판 위에 두층 이상으로 전사되는 다층 그래핀; 및 상기 기판 위에 전사된 다층 그래핀 위에 증착되는 투명 산화물 전도막을 포함하고, 상기 다층 그래핀은 상기 기판 위에 형성되는 하위층 그래핀과, 상기 하위층 그래핀 위에 형성되는 상위층 그래핀을 포함한다.

상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 다층 그래핀을 이용한 신축성이 높은 전극의 제조방법의 일 측면에 따르면, (a) 그래핀이 구리 포일 위에 화학기상증착 방법으로 합성되는 단계; (b) 기판 위에 두층 이상으로 다층 그래핀이 전사되는 단계; 및 (c) 상기 기판 위에 전사된 다층 그래핀 위에 투명 산화물 전도막이 증착되는 단계를 포함한다.

본 발명에 의하면, 기판에 다층 그래핀을 전사하고 그 위에 투명 산화물 전도막 또는 은나노잉크 전극을 올려 전기전도도와 신축성이 높은 전극을 제공할 수 있는 효과가 있다.

또한, 다층 그래핀에서 인장 하중을 주었을 때 그래핀 층간의 약한 상호작용으로 슬라이딩이 발생하여 전기기계적 신축성이 향상되고, 다층 그래핀 위에 투명 산화물 전도막 또는 은나노잉크 전극을 올려 전기전도도를 높일 수 있는 효과가 있다.

또한, 기판위에 다층의 그래핀을 전사하고, 그 위에 인듐주석산화물(Indium tin oxide : ITO)이나 아연산화물(ZnO) 등의 투명 산화물 전도막이나 은나노잉크 전극을 올려 전기전도도가 높으면서 유연한 전극을 제공하여 그래핀 층간의 슬라이딩을 활용하여 투명 산화물 전도막 또는 은나노잉크 전극에 변형율 전달이 줄어들게 함으로써 맨 위에 올려진 전도막의 높은 전기전도도를 가지면서 신축성이 향상된 구조를 제공할 수 있는 효과가 있다.

또한, 각종 디스플레이뿐만 아니라 이미지센서, 태양전지, 터치패널, 디지털 페이퍼, 전자파 차폐재, 정전기 발생 억제재 등으로 활용이 가능하여 그 파급효과가 매우 큰 효과가 있다.

또한, 투명 산화물 전도막 또는 은나노잉크 전극과 그래핀을 융합함으로써 플렉서블 디스플레이 전극 제작 및 그래핀의 보다 빠른 상용화에 기여할 수 있는 효과가 있다.

또한, 최근 전세계적으로 스마트폰과 태블릿 PC의 수요 증가와 더블어 디스플레이 시장이 각광받고 있으며, 향후 디스플레이 시장의 핵심 기술로 플렉서블 디스플레이가 떠오르고 있다. 따라서, 이에 적용되는 유연 전극의 수요가 크게 증가할 것으로 예상되므로 산업체의 적용이 매우 용이한 효과가 있다.

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 폴리머 기판 위에 다층 그래핀이 형성되는 경우의 일예를 나타내는 도면.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 폴리머 기판 위에 형성된 다층 그래핀 위에 투명 산화물 전도막이 형성되는 경우의 일예를 나타내는 도면.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 다층 그래핀을 이용한 신축성이 높은 전극의 제조 방법을 나타내는 도면.

이하 첨부된 도면을 참조로 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다. 따라서, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 폴리머 기판 위에 다층 그래핀이 형성되는 경우의 일예를 나타내는 도면이다.

도시된 바와 같이, 폴리머 기판(10) 위에 두층 이상의 그래핀(30)을 올리는 구조를 갖는다. 이러한 구조는 그래핀이 한층 일 때보다 면저항을 효과적으로 감소시키면서 투과도는 한 층당 약 2.3% 만 감소시켜 높은 투과도와 전기 전도성을 가진다.

그리고 도면에서와 같이 두층 이상의 그래핀(30)이 형성된 폴리머 기판(10)에 인장하중(A)을 가했을 때 맨 아래층의 그래핀(31)은 폴리머 기판(10)과의 접착력이 커서 폴리머 기판(10) 표면의 거동에 따라 균열(B)이 발생하나, 그 위층의 그래핀(32)은 그래핀 간의 낮은 접착력으로 슬라이딩이 발생하여 변형 전달이 작아 균열(C)이 적게 발생하게 된다.

따라서 폴리머 기판(10) 위에 두층 이상의 그래핀(30)을 올리는 구조는 한층의 그래핀에 비해 전기 기계적 신축성이 증가하게 된다.

도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 폴리머 기판 위에 형성된 다층 그래핀 위에 투명 산화물 전도막이 형성되는 경우의 일예를 나타내는 도면이다.

도시된 바와 같이, 폴리머 기판(10) 위에 전사된 다층 그래핀(30) 위에 인듐주석산화물(Indium tin oxide : ITO) 또는 아연산화물(ZnO) 박막과 같은 투명 산화물 전도막(50)이 형성되는 구조를 갖는다.

그리고 도면에서와 같이 다층 그래핀(30) 위에 인듐주석산화물(Indium tin oxide : ITO) 또는 아연산화물(ZnO) 박막과 같은 투명 산화물 전도막(50)이 형성되는 구조를 갖는 폴리머 기판(10)에 인장하중(A)을 가했을 때 맨 아래층의 그래핀(31)은 폴리머 기판(10)과의 접착력이 커서 폴리머 기판(10) 표면의 거동에 따라 균열(B)이 발생하나, 그 위층의 그래핀(32)은 그래핀 간의 낮은 접착력으로 슬라이딩이 발생하여 변형 전달이 작아 균열(C)이 적게 발생하게 된다.

이러한 구조는 그래핀 자체의 높은 면저항을 크게 줄이면서 그래핀 층간에 슬라이딩이 발생하는 것을 이용하여 투명 산화물 전도막(50)이 보다 큰 변형률에서 견딜 수 있는 구조가 된다.

즉, 인공적으로 쌓은 다층 그래핀 구조에서는 신축성이 향상된다. 다층 그래핀의 경우 PET(폴리에틸렌테레프탈레이트) 기판에 가해진 변형은 PET 기판에 붙은 아래층 그래핀에 전달되나, 그래핀 층 사이에 작은 상호작용 때문에 아래층 그래핀은 위층 그래핀에 많은 손실과 함께 변형을 전달한다.

그래핀 사이에서 변형의 차이는 층간 미끄러짐을 만들고, 따라서 단층 그래핀과 다층 그래핀의 위층 그래핀에 다른 균열 밀도를 갖게 한다. 다층 그래핀에서 발생한 더 작은 균열 밀도는 단층 그래핀보다 다층 그래핀이 더 높은 신축성을 가지는 원인이 된다.

전술한 도 1은 이러한 다층 그래핀의 특성을 이용하여 다층 그래핀 만으로 신축성 있는 투명전극에 관한 것이며, 도 2는 도 1의 경우보다 우수한 전도성을 가지도록 다층 그래핀 위에 투명 산화물 전도막이 형성된 경우이다.

도 1 및 도 2에서 설명한 구조 이외에, 다층 그래핀 위에 은나노잉크 전극을 올려서 전도성이 우수하면서 신축성 있는 전극을 구현할 수 있다. 즉, 폴리머 기판 위에 전사된 다층 그래핀 위에 은나노잉크로 제조된 전극이 형성되는 구조를 가질 수 있다. 이러한 구조는 은나노잉크로 제조된 전극이 신축성이 작지만 다층 그래핀을 이용함으로써 신축성이 증가된다.

폴리머 기판 위에 다층 그래핀이 전사되고 다층 그래핀 위에 인듐주석산화물(Indium tin oxide : ITO) 또는 아연산화물(ZnO) 박막과 같은 투명 산화물 전도막이 형성되는 구조에서, 그래핀 전사 방법은 그래핀이 구리 포일 위에 화학기상증착법(CVD) 방법으로 합성되고, 폴리머 기판 위에 다층 그래핀이 폴리메타크릴산 메틸(PMMA)이 캐리어 필름으로 이용되어 습식 전사되거나, 캐리어 필름으로 보호필름 또는 열박리 테이프가 이용되어 건식 전사된다.

그리고 폴리머 기판 위에 다층 그래핀이 전사된 후 전자빔 증착(Ebeam evaporation)이나 원자층 증착(Atomic layer deposition)으로 도핑된 인듐주석산화물(Indium tin oxide : ITO) 또는 아연산화물(ZnO) 박막과 같은 투명 산화물 전도막이 증착된다.

한편, 폴리머 기판 위에 다층 그래핀이 전사되고 다층 그래핀 위에 은나노잉크로 제조된 전극이 형성되는 구조에서, 폴리머 기판 위에 다층 그래핀이 전사된 후 스핀 코팅이나 코팅바 등을 이용하여 용액 공정으로 은나노잉크 전극이 형성된다.

즉, 기존 다층 그래핀에 대한 연구는 면저항을 줄이기 위해 적용한 것으로 그 제조 방법에 초점이 맞추어져 있으나, 본 발명에서는 기판에 다층 그래핀을 전사하여 그래핀 층간의 약한 상호작용을 이용하여 신축성을 향상시키고 그 위에 투명 산화물 전도막 또는 은나노잉크 전극을 올림으로써 전기전도도와 신축성이 높은 유연 전극을 제공한다.

또한, 본 발명에서는 다층 그래핀에서 인장 하중을 주었을 때 그래핀 층간의 약한 상호작용으로 슬라이딩이 발생하여 전기기계적 신축성이 향상되고, 다층 그래핀 위에 투명 산화물 전도막 또는 은나노잉크 전극을 올린 구조를 제안하여 전기전도도를 높인다.

또한, 본 발명에서는 기판 위에 다층 그래핀을 전사하고, 그 위에 인듐주석산화물(Indium tin oxide : ITO) 또는 아연산화물(ZnO) 등의 투명 산화물 전도막이나 은나노잉크 전극을 올려 전기전도도가 높으면서 유연한 전극을 제공한다. 그래핀 층간의 슬라이딩을 활용하여 투명 산화물 전도막 또는 은나노잉크 전극에 변형율 전달이 줄어들게 함으로써 맨 위에 올려진 전도막의 높은 전기전도도를 가지면서 신축성이 향상된 구조를 제공한다.

또한, 각종 디스플레이뿐만 아니라 이미지센서, 태양전지, 터치패널, 디지털 페이퍼, 전자파 차폐재, 정전기 발생 억제재 등으로 활용이 가능하여 그 파급효과가 매우 크다.

또한, 디스플레이 시장이 플렉서블 디스플레이 등의 차세대 디스플레이로 전환됨에 따라 이러한 유연 전극 개발의 중요성이 더욱 커질 것으로 예상되며, 투명 산화물 전도막 또는 은나노잉크 전극과 그래핀을 융합함으로써 플렉서블 디스플레이 전극 제작 및 그래핀의 보다 빠른 상용화에 기여할 수 있다.

또한, 최근 전세계적으로 스마트폰과 태블릿 PC의 수요 증가와 더블어 디스플레이 시장이 각광받고 있으며, 향후 디스플레이 시장의 핵심 기술로 플렉서블 디스플레이가 떠오르고 있다. 따라서, 이에 적용되는 유연 전극의 수요가 크게 증가할 것으로 예상되므로 산업체의 적용이 매우 용이할 수 있다.

도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 다층 그래핀을 이용한 신축성이 높은 전극의 제조 방법을 나타내는 도면이다.

도시된 바와 같이, 그래핀이 구리 포일 위에 화학기상증착(CVD) 방법으로 합성(S10)되고, 폴리머 기판 위에 다층 그래핀이 폴리메타크릴산 메틸(PMMA)이 캐리어 필름으로 이용되어 습식 전사되거나, 캐리어 필름으로 보호필름 또는 열박리 테이프가 이용되어 건식 전사된다(S20).

이어서, 폴리머 기판 위에 다층 그래핀이 전사된 후 전자빔 증착(Ebeam evaporation)이나 원자층 증착(Atomic layer deposition)으로 도핑된 인듐주석산화물(Indium tin oxide : ITO) 또는 아연산화물(ZnO) 박막과 같은 투명 산화물 전도막이 증착(S30)되거나, 폴리머 기판 위에 다층 그래핀이 전사된한 후 스핀 코팅이나 코팅바 등이 이용되어 용액 공정으로 은나노잉크 전극이 형성(S40)된다.

이상과 같이, 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 이것에 의해 한정되지 않으며 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술사상과 아래에 기재될 특허청구범위의 균등범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능함은 물론이다.

10 : 폴리머 기판
30 : 다층 그래핀
50 : 투명 산화물 전도막

Claims (7)

1. 다층 그래핀을 이용한 신축성이 높은 전극으로서,
   기판;
   상기 기판 위에 두층 이상으로 전사되는 다층 그래핀; 및
   상기 기판 위에 전사된 다층 그래핀 위에 증착되는 투명 산화물 전도막을 포함하고,
   상기 다층 그래핀은 상기 기판 위에 형성되는 하위층 그래핀과, 상기 하위층 그래핀 위에 형성되는 상위층 그래핀을 포함하는 다층 그래핀을 이용한 신축성이 높은 전극.
   
2. 청구항 1에 있어서,
   상기 다층 그래핀은 상기 기판 위에 폴리메타크릴산 메틸(PMMA)이 캐리어 필름으로 이용되어 습식 전사되거나, 캐리어 필름으로 보호필름 또는 열박리 테이프가 이용되어 건식 전사되는
   것을 특징으로 하는 다층 그래핀을 이용한 신축성이 높은 전극.
   
3. 청구항 1에 있어서,
   상기 투명 산화물 전도막은 전자빔 증착이나 원자층 증착으로 도핑된 인듐주석산화물(Indium tin oxide : ITO) 또는 아연산화물(ZnO) 박막으로, 상기 다층 그래핀 위에 증착되는
   것을 특징으로 하는 다층 그래핀을 이용한 신축성이 높은 전극.
   
4. 청구항 1에 있어서,
   상기 다층 그래핀이 형성된 기판에 인장하중이 가해지는 경우 상기 하위층 그래핀은 상기 기판과의 접착력이 커서 상기 기판 표면의 거동에 따라 균열이 발생하고, 상기 상위층 그래핀은 그래핀 간의 낮은 접착력으로 슬라이딩이 발생하여 변형 전달이 작아 균열이 적게 발생되는
   것을 특징으로 하는 다층 그래핀을 이용한 신축성이 높은 전극.
   
5. 다층 그래핀을 이용한 신축성이 높은 전극의 제조 방법으로서,
   (a) 그래핀이 구리 포일 위에 화학기상증착 방법으로 합성되는 단계;
   (b) 기판 위에 두층 이상으로 다층 그래핀이 전사되는 단계; 및
   (c) 상기 기판 위에 전사된 다층 그래핀 위에 투명 산화물 전도막이 증착되는 단계를 포함하는 다층 그래핀을 이용한 신축성이 높은 전극의 제조 방법.
   
6. 청구항 5에 있어서,
   상기 단계(b)에서, 상기 기판 위에 다층 그래핀이 폴리메타크릴산 메틸(PMMA)이 캐리어 필름으로 이용되어 습식 전사되거나, 캐리어 필름으로 보호필름 또는 열박리 테이프가 이용되어 건식 전사되는
   것을 특징으로 하는 다층 그래핀을 이용한 신축성이 높은 전극의 제조 방법.
   
7. 청구항 5에 있어서,
   상기 단계(c)에서, 전자빔 증착이나 원자층 증착으로 도핑된 인듐주석산화물(Indium tin oxide : ITO) 또는 아연산화물(ZnO) 박막의 투명 산화물 전도막이 증착되는
   것을 특징으로 하는 다층 그래핀을 이용한 신축성이 높은 전극의 제조 방법.

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