KR20160077459A

KR20160077459A - 금속나노와이어 전극제조방법

Info

Publication number: KR20160077459A
Application number: KR1020140187050A
Authority: KR
Inventors: 김성현; 신권우
Original assignee: 전자부품연구원
Priority date: 2014-12-23
Filing date: 2014-12-23
Publication date: 2016-07-04

Abstract

보다 간단하고 저비용으로 신뢰성 높은 금속나노와이어 전극을 제조할 수 있는 금속나노와이어 전극제조방법이 제공된다. 본 발명에 따른 금속나노와이어 전극제조방법에서는, 기판 상에 금속나노와이어 층을 형성하고, 금속나노와이어 층의 상측에 마스크를 위치시켜, 금속나노와이어 층에 대하여 산소 플라즈마 처리를 하여 금속나노와이어 전극을 제조한다.

Description

금속나노와이어 전극제조방법{Manufacturing method of Metal nanowire}

본 발명은 금속나노와이어 전극제조방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 보다 간단하고 저비용으로 신뢰성 높은 금속나노와이어 전극을 제조할 수 있는 금속나노와이어 전극제조방법에 관한 것이다.

투명전극으로는 일반적으로 산화인듐주석(Indium Tin Oxide, ITO)이 사용되어 왔다. 그런데 산화인듐주석은 대표적인 희소 소재로 가격이 높아 최종제품의 가격 경쟁력을 저해하는 요인으로 지적되어 왔다. 따라서 ITO를 사용하지 않거나 다른 소재로 대체하는 것은 큰 관심을 받고 있는 실정이다.

ITO 전극을 대체하기 위한 시도로서, 은(Ag)를 필두로 한 나노와이어 기술은 ITO 필름의 낮은 전기전도도 및 취약한 특성으로 인하여 터치패널, OPV 등 태양전지, 각종 전자 회로의 배선전극 및 OLED 제조 분야에서 크게 각광받고 있다. 금속나노와이어의 경우, 특유의 고전도도와 큰 종횡비의 형상에 기인하여 투명전극으로 활용 시 고투과-고전도도를 양립할 수 있어 특히 주목받고 있다. 또한, 투명전극이 아닌 경우에도, 금속 특유의 우수한 유연성으로 인해 차세대 유연 디스플레이 또는 전자부품 개발에의 활용 가능성이 높다고 평가되어 왔다.

금속 나노와이어의 우수한 특성에도 불구하고, 나노와이어를 이용한 투명전극의 전면적 상용화에 이르기까지는 아직 여러 해결해야할 문제점이 있다. 예를 들면, 금속나노와이어의 패터닝 공정에서 금속나노와이어와 패터닝 공정물질간의 상호작용등으로 인하여 패터닝 공정이 쉽지 않은 실정이다. 특히 패터닝을 하더라도 CNT나 금속나노와이어가 물리적으로 결합되어 있어, 패터닝을 하고 마스크로 사용된 포토레지스트와 같은 소재를 벗겨낼 때 특성변화가 일어날 수 있다. 또한, 산성용액인 에칭액을 사용하여 CNT나 금속나노와이어를 에칭해야 하는 공정이 필요하다는 단점이 존재한다.

최근에는 감광성 소재를 도포하고 UV 조사를 통해 무에칭 방법으로 패터닝하는 기술이 시도되고 있으나, UV 광조사에 의해 대면적화가 어렵고 포토레지스트를 패터닝 해야 하므로 공정이 복잡하고 비용이 높아지는 문제가 있었다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은, 보다 간단하고 저비용으로 신뢰성 높은 금속나노와이어 전극을 제조할 수 있는 금속나노와이어 전극제조방법을 제공함에 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 금속나노와이어 전극제조방법은 기판 상에 금속나노와이어 층을 형성하는 단계; 금속나노와이어 층의 상측에 마스크를 위치시키는 단계; 및 금속나노와이어 층에 대하여 산소 플라즈마 처리를 수행하는 단계;를 포함한다.

마스크를 위치시키는 단계는, 금속나노와이어 층 상에 포토레지스트 층을 형성하는 단계; 및 포토레지스트 층을 노광하고 현상하여 마스크를 형성하는 단계;를 포함할 수 있고, 또는, 메탈마스크를 금속나노와이어 층에 부착시키는 단계;를 포함할 수 있다.

마스크를 위치시키는 단계 후에, 금속나노와이어 층 상에 투명반도체층 및 절연층 중 적어도 어느 하나를 형성하는 단계;를 더 포함할 수 있다.

산소 플라즈마 처리를 수행하는 단계 후에, 금속나노와이어 층 상에 투명반도체층 및 절연층 중 적어도 어느 하나를 형성하는 단계;를 더 포함할 수도 있다.

산소 플라즈마는 아르곤 플라즈마를 더 포함할 수 있다.

이상 설명한 바와 같이, 본 발명의 실시예들에 따르면, 패터닝을 하기 위해 원하는 구조의 메탈마스크 또는 포토레지스트 패턴을 형성하고 대기압 또는 진공에서 산소 플라즈마를 이용하여 투명전극 자체의 에칭없이 패턴을 형성하기 때문에, 에칭액으로 인한 금속나노와이어 특성 저하를 방지할 수 있으면서도 공정이 간단하고, 낮은 비용으로 고품질의 투명전극을 제조할 수 있는 효과가 있다.

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 금속나노와이어 전극제조방법의 설명에 제공되는 도면이다.
도 2a 및 도 2b는 각각 기판 상의 은 나노와이어층을 패터닝하기 전 후의 이미지이고, 도 3a 및 도 3b는 각각 기판 상의 은 나노와이어층에 ITO 나노입자층을 형성한 후 패터닝하기 전 후의 이미지이며, 도 4는 기판 상의 은 나노와이어층에 테플론층을 형성한 후 패터닝한 후의 이미지이다.
도 5는 기판 상의 은 나노와이어층을 패터닝하여, 산소 플라즈마 처리된 부분 및 산소 플라즈마 미처리부분을 확대한 이미지이다.
도 6은 기판 상의 은 나노와이어층 및 ZnO 나노입자층을 형성한 후 플라즈마 처리하기 전 후의 투과율을 비교한 그래프이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시형태를 설명한다. 그러나, 본 발명의 실시형태는 여러가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 이하 설명하는 실시형태로 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 실시형태는 당업계에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위해서 제공되는 것이다. 첨부된 도면에서 특정 패턴을 갖도록 도시되거나 소정두께를 갖는 구성요소가 있을 수 있으나, 이는 설명 또는 구별의 편의를 위한 것이므로 특정패턴 및 소정두께를 갖는다고 하여도 본 발명이 도시된 구성요소에 대한 특징만으로 한정되는 것은 아니다.

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 금속나노와이어 전극제조방법의 설명에 제공되는 도면이다.

본 실시예에서, 금속나노와이어 전극을 제조하기 위해, 먼저 기판(110) 상에 금속나노와이어 층(120)이 형성된다.

기판(110)은 유리기판이나 실리콘 기판과 같은 유연성 없는 기판일 수 있고, 전극이 유연소자 등에 사용되는 유연전극인 경우에는 유연성 있는 플라스틱 기판, 예를 들면, 폴리에틸렌테레프탈레이트(PolyEthylene Phthalate, PET), 폴리에테르술폰(Poly Ether Sulfone, PES), 폴리카보네이트(Polycarbonate; PC), 폴리메틸메타아크릴레이트(Polymethylmetharcylate, PMMA), 폴리에틸렌나프탈레이트(Polyethylenenaphthalate; PEN), 폴리비닐알코올(Polyvinyl alcohol, PVA), 폴리이미드(Polyimide, PI), 또는 폴리스티렌(Polystyrene, PS) 기판이 사용될 수 있다. 또한, 전극이 디스플레이와 같이 투명소자에 사용되는 경우에는 투명전극이어야 하므로 기판은 투명기판인 것이 바람직하다.

금속나노와이어 층(120)은 나노단위의 와이어 형태의 금속 나노와이어를 포함할 수 있다. 예를 들면, 금속 나노와이어는 은(Ag), 금(Au), 구리(Cu), 니켈(Ni), 백금(Pt), 팔라듐(Pd), 또는 알루미늄(Al) 나노와이어일 수 있고, 이들의 조합으로 이루어진 코어쉘 와이어(core-shell wire)일 수 있다.

금속나노와이어 층(120)은 기판(110)상에 금속나노와이어만이 형성되어 층을 이루거나, 바인더 등에 금속나노와이어를 분산시킨 후 기판(110) 상에 도포하여 형성될 수 있다. 또는 금속나노와이어 층(120)은 금속나노와이어 이외에 금속나노와이어와 유사한 물성을 나타내는 탄소나노튜브 또는 그래핀을 포함할 수 있다. 금속나노와이어 분산액은 스프레이법, 스핀코팅법 또는 바코팅 방법 등을 이용하여 기판(110) 상에 도포될 수 있다.

금속나노와이어 층(120) 상에는 마스크(140)가 위치하고, 산소 플라즈마 처리가 수행된다. 마스크(140)는 금속나노와이어 층(120)에 형성할 패턴의 형상에 대응하는 개구부가 형성되어 있다.

마스크(140)를 위치시키는 단계는, 금속나노와이어 층(120) 상에 포토레지스트 층을 형성하는 단계; 및 포토레지스트 층을 노광하고 현상하여 마스크를 형성하는 단계;를 포함할 수 있다. 즉, 마스크(140)는 포토레지스트일 수 있다.

또는, 패턴영역을 형성하기 위하여 메탈마스크를 설계하여 형성한 후 금속나노와이어 층(120)에 부착시킬 수 있다. 이때, 금속나노와이어 층(120)과 메탈마스크와의 간격을 최소화하기 위해 자석을 이용할 수 있고, 이에 의해 정확한 패터닝이 가능하다.

플라즈마 발생장치(150)는 진공 또는 대기압 상태에서 산소를 주입하여 플라즈마를 발생시키는 장치이다. 산소 이외에 아르곤이 같이 사용될 수 있어서 산소 플라즈마 또는 아르곤 플라즈마를 발생시킬 수 있다.

따라서, 플라즈마 발생장치(150)에서 발생된 산소 플라즈마(160)가 마스크(140)의 개구부를 통과하여 금속나노와이어 층(120)에 도달하게 되고, 이에 의해 금속나노와이어는 산화반응이 일어나게 된다. 예를 들어 금속나노와이어가 은 나노와이어인 경우에는 다음과 같은 반응이 일어난다.

4Ag(s) + Os(g) --> 2Ag2O(s)

즉, 금속나노와이어 층(120) 중 선택적으로 산소 플라즈마(160) 처리된 부분에서는 은(Ag)이 산화반응에 의해 산화물이 되어 전도성을 잃어버리게 되고, 산소 플라즈마(160) 처리되지 않은 부분은 전도성이 유지되어 패턴이 형성되게 되는 것이다. 따라서, 포토리소그래피 방식과 같이 노광, 현상, 식각 및 스트립 공정이 수반되는 복잡한 공정이 필요없이 간단한 공정을 통하여 패터닝이 수행될 수 있고, 또한 식각시 식각액의 사용이 필요없어 금속나노와이어의 특성저하등이 방지될 수 있어 최종 산물의 신뢰성을 향상시킬 수 있다.

금속나노와이어 층(120) 상에는 금속나노와이어 전극 상에 제작될 소자의 특성에 따라 투명반도체층 또는 절연체층을 형성할 수 있다. 투명반도체층으로는 SiOx, ITO, ZnO, 또는 TiOx 등의 나노입자가 사용될 수 있고, 절연체층으로는 테플론(상표명, 제품번호 AF1600 또는 FC400)과 같은 절연물질을 도포하여 층을 형성할 수 있다. 금속나노와이어는 기판(110)과의 접착력이 낮아, 후속공정에서 이탈등에 의해 불량이 발생할 수 있기 때문에 금속나노와이어 층(120) 및 기판(110)과의 사이에 접착층을 형성할 수 있는데, 이들 반도체 또는 절연물질로 금속나노와이어 층(120)을 도포하면, 각각의 기능 이외에 금속나노와이어의 이탈을 방지하는 기능을 수행할 수도 있다 .

또한, 산소 플라즈마(160)를 이용하여 패터닝 하는 경우에는 열이 발생할 수 있다. 따라서, 기판(110)이 부착되는 지그(미도시) 또는 척(미도시)에 냉각수 시스템(미도시)를 설치하여, 유리기판과는 달리 열에 영향을 받을 수 있는 플라스틱 기판의 변형을 방지할 수 있다.

투명반도체층 또는 절연층은 패터닝이 필요한 경우에는 마스크를 위치시키는 단계 후에 형성되어 산소 플라즈마(160)에 의해 금속나노와이어 층(120)과 동시에 패터닝될 수 있다. 이와 달리, 산소 플라즈마(160) 처리를 수행하는 단계 후에 형성되어 패터닝된 금속나노와이어 층(120) 전체를 도포하여 접착력을 높일 수 있다. 투명반도체층 또는 절연층이 금속나노와이어 층(120)과 다른 패터닝이 필요한 경우에도 이러한 방법으로 형성될 수 있다.

도 2a 및 도 2b는 각각 기판 상의 은 나노와이어층을 패터닝하기 전 후의 이미지이고, 도 3a 및 도 3b는 각각 기판 상의 은 나노와이어층에 ITO 나노입자층을 형성한 후 패터닝하기 전 후의 이미지이며, 도 4는 기판 상의 은 나노와이어층에 테플론층을 형성한 후 패터닝한 후의 이미지이다. 도 2a에는 기판상에 은 나노와이어층만 형성한 후의 이미지이므로 아무런 표시가 없으나, 도 2b는 도 2a의 기판상에 산소 플라즈마를 이용하여 패터닝하였으므로 플라즈마 처리영역(310)이 플라즈마 미처리영역(320)과 색상면에서 차이가 나타나있다. 즉, 플라즈마 처리영역(310)이 더욱 어둡게 나타나있다.

도 3a 및 도 3b도 도 2a 및 도 2b의 경우와 유사하나, 은 나노와이어층 상에 투명반도체층으로 ITO 나노입자 층을 형성한 후에 산소 플라즈마를 이용하여 패터닝을 수행하였다. 이에 따라, 플라즈마 처리영역(510)과 플라즈마 미처리영역(520)이 색상면에서 차이가 있다 .즉, 플라즈마 처리영역(510)이 더욱 어둡게 나타나있다. 도 4는 도 3a에서 ITO 나노입자층이 아닌 테플론층을 형성한 후 패터닝한 것인데, 도 2b보다는 명확하지 않으나 패터닝이 되었음을 알 수 있다.

도 5는 기판 상의 은 나노와이어층을 패터닝하여, 산소 플라즈마 처리된 부분 및 산소 플라즈마 미처리부분을 확대한 이미지이다. 플라즈마 처리영역(710)과 플라즈마 미처리영역(720)이 점선으로 구분되어 있고, 플라즈마 처리영역(710)의 폭이 약 138㎛로서, 플라즈마를 이용한 패터닝이 약 100 ㎛까지도 가능하여 포토레지스트의 경우와 같이 유사한 해상도로 패터닝이 가능함을 알 수 있었다.

도 6은 기판 상의 은 나노와이어층 및 ZnO 나노입자층을 형성한 후 플라즈마 처리하기 전 후의 투과율을 비교한 그래프이다. 도 6에서, 은 나노와이어층만 형성하여 플라즈마 처리하기 전의 경우, 은 나노와이어층 상에 ZnO 나노입자층을 형성하여 플라즈마 처리하기 전의 경우, 및 은 나노와이어층 상에 ZnO 나노입자층을 형성하여 플라즈마 처리한 후의 경우에 대한 광투과율을 비교하였는데, 세가지 경우 모두 유사한 광투과율을 나타내어 플라즈마 처리로 인한 광투과율 저하 등의 문제가 발생하지 않음을 알 수 있었다.

따라서, 본 발명에 따라 플라즈마를 이용하여 기판상이 금속나노와이어 층이 형성된 투명전극에 패터닝을 수행하여 투명전극을 형성하는 경우, 보다 간단한 공정으로 금속나노와이어의 특성저하없이 패터닝이 된 투명전극을 얻을 수 있어서 저비용으로 높은 효율의 공정수행이 가능하고 최종적으로 고품질의 제품을 얻을 수 있다. 이러한 방법에 따라 제조된 투명전극은 태양전지나 터치스크린등 다양한 제품에 사용될 수 있다.

이상에서는 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 도시하고 설명하였지만, 본 발명은 상술한 특정의 실시예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진자에 의해 다양한 변형실시가 가능한 것은 물론이고, 이러한 변형실시들은 본 발명의 기술적 사상이나 전망으로부터 개별적으로 이해되어져서는 안될 것이다.

110 기판
120 금속나노와이어 층
130 투명반도체층
140 마스크
150 플라즈마 발생장치
160 산소 플라즈마
310, 510, 710 플라즈마 처리영역
320, 520, 720 플라즈마 미처리영역

Claims

기판 상에 금속나노와이어 층을 형성하는 단계;
상기 금속나노와이어 층의 상측에 마스크를 위치시키는 단계; 및
상기 금속나노와이어 층에 대하여 산소 플라즈마 처리를 수행하는 단계;를 포함하는 금속나노와이어 전극제조방법.
청구항 1에 있어서,
상기 마스크를 위치시키는 단계는,
상기 금속나노와이어 층 상에 포토레지스트 층을 형성하는 단계; 및
상기 포토레지스트 층을 노광하고 현상하여 마스크를 형성하는 단계;를 포함하는 금속나노와이어 전극제조방법.
청구항 1에 있어서,
상기 마스크를 위치시키는 단계는,
메탈마스크를 상기 금속나노와이어 층에 부착시키는 단계;를 포함하는 금속나노와이어 전극제조방법.
청구항 1에 있어서,
상기 마스크를 위치시키는 단계 후에,
상기 금속나노와이어 층 상에 투명반도체층 및 절연층 중 적어도 어느 하나를 형성하는 단계;를 더 포함하는 금속나노와이어 전극제조방법.
청구항 1에 있어서,
상기 산소 플라즈마 처리를 수행하는 단계 후에,
상기 금속나노와이어 층 상에 투명반도체층 및 절연층 중 적어도 어느 하나를 형성하는 단계;를 더 포함하는 금속나노와이어 전극제조방법.
청구항 1에 있어서,
상기 산소 플라즈마는,
아르곤 플라즈마를 더 포함하는 것인 금속나노와이어 전극제조방법.