KR20160121654A

KR20160121654A - 전기장을 이용한 전기 방사 장치 및 이를 이용한 투명 전극의 제조 방법

Info

Publication number: KR20160121654A
Application number: KR1020150050245A
Authority: KR
Inventors: 박장웅; 현병관; 지상윤; 안병완
Original assignee: 희성전자 주식회사
Priority date: 2015-04-09
Filing date: 2015-04-09
Publication date: 2016-10-20
Also published as: KR101701602B1

Abstract

본 발명에 따른 전기 방사 장치는, 집적 기판 주변에 전극을 배치함으로써, 방사노즐과 전극사이에 형성된 전기장을 이용하여 나노 섬유를 일정한 방향으로 정렬시킬 수 있기 때문에, 방향성을 갖는 나노 섬유로 이루어진 투명 전극을 제조할 수 있다. 또한, 그리드 패턴의 나노 섬유를 이용한 투명 전극을 제조할 수 있기 때문에, 투명 전극의 표면 거칠기 및 밀도를 정밀하게 제어할 수 있다. 또한, 간단하고 경제적인 공정으로 유연성이나 신축성을 가지는 그리드 패턴의 투명 전극을 제공할 수 있으며, 상기 투명 전극을 이용하여 플렉서블 디스플레이 장치 또는 신축성 디스플레이 장치를 용이하게 구현할 수 있다. 또한, 나노 물질과 고분자 물질을 함께 방사하여 동축 이중층 화이버를 형성하고, 고분자 물질을 제거하여 투명 전극을 제공할 수 있으므로, 공정이 매우 간단하고 경제적인 이점이 있다.

Description

전기장을 이용한 전기 방사 장치 및 이를 이용한 투명 전극의 제조 방법{Electro-spinning apparatus using electric field and method of manufacturing a transparent electrode using the same}

본 발명은 전기장을 이용한 전기 방사 장치 및 이를 이용한 투명 전극의 제조 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 집적 기판의 주변에 전극을 설치함으로써 전극에 의해 발생된 전기장에 의해 정렬되는 동축 이중층 구조의 나노 섬유를 형성할 수 있는 전기장을 이용한 전기 방사 장치 및 이를 이용한 투명 전극의 제조 방법에 관한 것이다.

최근 스마트 전자장치의 발달로 인하여, 기존의 견고한 디스플레이 장치를 대신하는 플렉서블 디스플레이(Flexible Display) 장치 또는 신축성 디스플레이(Stretchable Display) 장치에 대한 연구가 진행되고 있다. 디스플레이 장치에는 투명성을 가지는 투명 전극이 요구되며, 인듐 주석 산화물(Indium Tin Oxide, ITO)이 통상적으로 사용되어 왔다. 그러나, 이러한 인듐 주석 산화물은 유연성이나 신축성이 낮아 플렉서블 디스플레이 장치에 적용되기 어렵다.

이러한 인듐 주선 산화물의 한계를 극복하기 위하여, 다른 물질을 포함하는 투명 전극, 예를 들어, 그래핀이나 은 나노 와이어를 이용한 투명 전극이 개발되고 있다. 그러나, 현재까지의 연구 결과는 그래핀이나 은 나노 와이어를 이용한 투명 전극은 공정이 복잡하고, 제품의 신뢰성이 낮고, 가격이 비싼 한계가 있다.

한국등록특허 제10-1197986호

본 발명의 목적은, 간단하고 경제적인 공정으로 유연성이나 신축성을 가지며 방향성을 갖는 동축 이중층 구조의 나노 섬유를 제조할 수 있는 전기장을 이용한 전기 방사 장치 및 이를 이용한 투명 전극의 제조 방법을 제공하는 데 있다.

본 발명에 따른 전기장을 이용한 전기 방사 장치는, 전압이 인가되고, 나노 물질과 고분자 물질 중 적어도 하나를 방사하는 내부 노즐과, 상기 내부 노즐을 둘러싸도록 형성되어 상기 나노 물질과 상기 고분자 물질 중 다른 하나를 방사하는 외부 노즐을 포함하여, 상기 나노 물질로 형성된 나노 물질층과 상기 고분자 물질로 형성된 고분자 물질층이 동축 이중층으로 이루어진 나노 섬유를 방사하는 방사 노즐과; 상기 방사 노즐로부터 방사되는 상기 나노 물질과 상기 고분자 물질을 포함하는 나노 섬유가 집적되는 집적 기판과; 상기 집적 기판의 주변에 설치되고, 상기 방사 노즐로부터 방사되는 나노 섬유의 미리 설정된 정렬 방향으로 서로 소정간격 이격되게 적어도 한 쌍이 배치되어, 상기 집적 기판의 상측에 전기장을 발생시켜 상기 나노 섬유를 상기 정렬 방향으로 정렬시키는 전기장 생성 모듈을 포함한다.

본 발명에 따른 전기 방사 장치를 이용한 투명 전극의 제조방법은, 집적 기판의 주변에 미리 설정된 나노섬유의 정렬 방향으로 서로 소정간격 이격되어 쌍을 이루는 전극들을 배치하는 단계와; 방사 노즐에 전압을 인가하여, 상기 집적 기판 상에 상기 방사 노즐로부터 나노 물질로 형성된 나노 물질층과 고분자 물질로 형성된 고분자 물질층이 동축 이중층으로 이루어진 나노 섬유를 방사하는 단계와; 상기 방사 노즐로부터 방사된 상기 나노 물질과 상기 고분자 물질을 포함하는 나노 섬유가 상기 쌍을 이루는 전극들 사이에서 상기 전극들과 상기 방사 노즐사이에 발생된 전기장에 의해 상기 정렬 방향으로 정렬되어 형성되는 단계와; 상기 나노 섬유로부터 상기 고분자 물질을 제거하여, 상기 나노 물질로 구성된 투명 전극을 형성하는 단계를 포함한다.

본 발명에 따른 전기 방사 장치는, 집적 기판 주변에 전극을 배치함으로써, 방사노즐과 전극사이에 형성된 전기장을 이용하여 나노 섬유를 일정한 방향으로 정렬시킬 수 있기 때문에, 방향성을 갖는 나노 섬유로 이루어진 투명 전극을 제조할 수 있다.

또한, 그리드 패턴의 나노 섬유를 이용한 투명 전극을 제조할 수 있기 때문에, 투명 전극의 표면 거칠기 및 밀도를 정밀하게 제어할 수 있다.

또한, 간단하고 경제적인 공정으로 유연성이나 신축성을 가지는 그리드 패턴의 투명 전극을 제공할 수 있으며, 상기 투명 전극을 이용하여 플렉서블 디스플레이 장치 또는 신축성 디스플레이 장치를 용이하게 구현할 수 있다.

또한, 나노 물질과 고분자 물질을 함께 방사하여 동축 이중층 화이버를 형성하고, 고분자 물질을 제거하여 투명 전극을 제공할 수 있으므로, 공정이 매우 간단하고 경제적인 이점이 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 전기 방사 장치가 도시된 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 전기장 생성 모듈의 배치를 나타낸 도면이다.
도 3은 도 1에 도시된 방사 노즐을 확대 도시한 단면도이다.
도 4는 도 1에 도시된 전기 방사 장치에 의해 동축 이중층으로 이루어진 나노 섬유가 도시된 사시도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 전기 방사 장치를 이용한 투명 전극의 제조방법을 도시한 순서도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 나노 섬유 교차 방법을 나타낸 도면이다.
도 7은 도 1에 도시된 전기 방사 장치에서 전기장 생성 모듈 배치의 다른 예가 도시된 도면이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 대해 설명하면 다음과 같다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 전기 방사 장치가 도시된 도면이다. 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 전기장 생성 모듈의 배치를 나타낸 도면이다. 도 3은 도 1에 도시된 방사 노즐을 확대 도시한 단면도이다. 도 4는 도 1에 도시된 전기 방사 장치에 의해 동축 이중층으로 이루어진 나노 섬유가 도시된 사시도이다.

도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 전기 방사 장치는, 방사 노즐(10), 집적 기판(20), 전기장 생성 모듈 및 전원 공급부(46)를 포함한다.

도 3을 참조하면, 상기 방사 노즐(10)에는 방사 용액 탱크(40)와 시린지 펌프(미도시)가 연결된다.

상기 방사 용액 탱크(40)는 방사(Spinning)를 원하는 방사 용액이 저장된다. 상기 방사 용액은 나노 물질과 고분자 물질을 포함한다. 상기 방사 용액 탱크(40)는, 전도성을 갖는 상기 나노 물질을 포함하는 나노 물질 탱크(41)와, 상기 고분자 물질을 포함하는 고분자물질 탱크(42)를 포함한다.

상기 나노 물질 및 상기 나노 물질로부터 형성된 나노 물질층(51)은 다양한 나노 형상을 가지는 물질로 구성될 수 있고, 예를 들어 나노 입자(nanoparticle), 나노 와이어(nanowire), 나노 튜브(nanotube), 나노 로드(nanorod), 나노 월(nanowall), 나노 벨트(nanobelt) 및 나노 링(nanoring)로 이루어지는 군에서 선택되는 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다.

상기 나노 물질 및 나노 물질층(51)은, 예를 들어 구리, 은, 금, 구리 산화물, 코발트 등의 나노 입자를 포함할 수 있다. 상기 나노 물질 및 나노 물질층(51)은, 예를 들어 구리 나노 와이어, 은 나노 와이어, 금 나노 와이어, 코발트 나노 와이어 등의 나노 와이어를 포함할 수 있다.

또한, 상기 나노 물질 및 나노 물질층(51), 메탄올, 아세톤, 데트라하이드로퓨란, 톨루엔 또는 디메틸포름아미드 등의 용해성 용매에 상술한 나노 물질이 용해된 나노 물질 용액으로 구성될 수 있다. 예를 들어, 상기 용해성 용매는 헥산(hexane)과 같은 알칸족(Alkanes), 톨루엔(toluene)과 같은 방향족(Aromatics), 디에틸 에테르(diethyl ether)와 같은 에테르족(Ethers), 클로로포름(chloroform)과 같은 알킬 할라이드족(Alkyl halides), 에스테르족(Esters), 알데히드족(Aldehydes), 케톤족(Ketones), 아민족(Amines), 알코올족(Alcohols), 아미드족(Amide), 카르복실산족(Carboxylic acids), 및 물 등 다양한 물질을 포함할 수 있다. 또한, 예를 들어 하기에 상술한 유기 용매를 사용하여 상기 나노 물질 용액을 형성할 수 있다. 그러나, 상기 나노 물질은 예시적이며, 본 발명의 기술적 사상은 이에 한정되는 것은 아니다.

상기 고분자 물질 및 상기 고분자 물질로부터 형성된 고분자 물질층(52)은, 다양한 고분자 물질을 포함하는 고분자 용액이다. 상기 고분자 물질은, 폴리비닐피롤리돈(PVP), 폴리비닐알콜(PVA), 폴리메틸메스아크릴레이트(PMMA), 폴리디메틸실록산(PDMS), 폴리우레탄, 폴리에테르우레탄, 셀룰로오스 아세테이트, 셀룰로오스 아세테이트 부틸레이트, 셀룰로오스 아세테이트 프로피오네이트, 폴리메틸아크릴레이트(PMA), 폴리비닐아세테이트 (PVAc), 폴리아크릴로니트릴(PAN), 폴리퍼퓨릴알콜(PPFA), 폴리스티렌, 폴리에틸렌 옥사이드(PEO), 폴리프로필렌옥사이드(PPO), 폴리카보네이트(PC), 폴리비닐클로라이드(PVC), 폴리카프로락톤, 폴리비닐풀루오라이드, 및 폴리아마이드로 이루어지는 군에서 선택되는 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다.

또한, 상기 고분자 물질 및 상기 고분자 물질층(52)은, 상술한 물질의 공중합체를 포함할 수 있고, 예를 들어 폴리우레탄 공중합체, 폴리아크릴 공중합체, 폴리비닐아세테이트 공중합체, 폴리스티렌 공중합체, 폴리에틸렌옥사이드 공중합체, 폴리프로필렌옥사이드 공중합체, 및 폴리비닐리덴풀루오라이드 공중합체로 이루어지는 군에서 선택되는 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다.

또한, 상기 고분자 물질 및 상기 고분자 물질층(52)은, 메탄올, 아세톤, 데트라하이드로퓨란, 톨루엔 또는 디메틸포름아미드 등의 용해성 용매에 상술한 고분자 물질이 용해된 고분자 용액으로 구성될 수 있다. 예를 들어, 상기 용해성 용매는 헥산(hexane)과 같은 알칸족(Alkanes), 톨루엔(toluene)과 같은 방향족(Aromatics), 디에틸 에테르(diethyl ether)와 같은 에테르족(Ethers), 클로로포름(chloroform)과 같은 알킬 할라이드족(Alkyl halides), 에스테르족(Esters), 알데히드족(Aldehydes), 케톤족(Ketones), 아민족(Amines), 알코올족(Alcohols), 아미드족(Amide), 카르복실산족(Carboxylic acids), 및 물 등 다양한 물질을 포함할 수 있다. 그러나, 이러한 고분자 용액은 예시적이며, 본 발명의 기술적 사상은 이에 한정되는 것은 아니다.

상기 방사 노즐(10)은, 상기 방사 용액 탱크(10)로부터 상기 나노 물질과 상기 고분자 물질을 공급받고, 끝단에 위치한 방사 노즐팁을 통하여 방사한다. 상기 방사 노즐(10)은, 상기 나노 물질과 상기 고분자 물질 중 적어도 하나를 방사하는 내부 노즐(11)과, 상기 내부 노즐(11)을 둘러싸도록 형성되어 상기 나노 물질과 상기 고분자 물질 중 다른 하나를 방사하는 외부 노즐(12)을 포함한다. 본 실시예에서는, 상기 내부 노즐(11)은 상기 나노 물질 탱크(41)와 연결되어, 상기 나노 물질 탱크(41)로부터 공급받은 상기 나노 물질을 방사하고, 상기 외부 노즐(12)은 상기 고분자물질 탱크(42)와 연결되어, 상기 고분자물질 탱크(42)로부터 공급받은 상기 고분자 물질을 방사하는 것으로 예를 들어 설명한다. 즉, 상기 방사 노즐(10)은 동축 이중 실린더 구조로 이루어짐으로써, 상기 나노 물질과 상기 고분자 물질을 혼합하지 않은 상태에서 함께 방사할 수 있다. 따라서, 상기 방사 노즐(10)은, 상기 나노 물질로 형성된 나노 물질층(51)과 상기 고분자 물질로 형성된 고분자 물질층(52)이 동축 이중층 구조를 이루도록 방사할 수 있다.

상기 시린지 펌프(미도시)는, 상기 방사 노즐(10)에 채워진 상기 방사 용액을 가압하는 펌프이다. 본 실시예에서는, 상기 방사 노즐(10)은 주사기 형상으로 이루어지고, 상기 시린지 펌프(미도시)는 상기 주사기의 피스톤을 가압하는 것으로 예를 들어 설명한다. 다만, 이에 한정되지 않고, 상기 방사 용액 탱크(40)내에 펌프(미도시)가 내장되어 상기 방사 용액 탱크(40)내의 방사 용액을 가압하여, 상기 방사 용액 탱크(40)로부터 상기 방사 노즐(10)로 방사 용액을 제공하는 것도 가능하다.

상기 집적 기판(20)은, 상기 방사 노즐(10)로부터 방사되는 상기 나노 물질층(51)과 상기 고분자 물질층(52)이 동축 이중층 구조를 가지며 형성된 나노 섬유(50)가 집적되는 기판이다. 상기 집적 기판(20)은 평판 형상을 가지는 것으로 예를 들어 설명하나, 이에 한정되지 않고 판형, 드럼형, 평행한 로드형, 교차한 로드형 또는 그리드형으로 이루어지는 경우도 가능하다. 상기 집적 기판(20)은, 상기 방사 노즐(10)의 하측에 위치되고, 비전도성 기판이다. 본 실시예에서는, 상기 집적 기판(20)은 판형 기판인 것으로 예를 들어 설명하나, 이에 한정되지 않고 집적 대상의 하측을 지지하지 않는 프리 스탠딩(free standing)기판이 사용될 수 있으며, 상기 프리 스탠딩 기판의 경우 중앙 부분이 관통된 프레임 형상이거나 중앙 부분이 뚫려 있고 외곽 테두리가 연결되지 않은 편자(horseshoe)형상으로 이루어진 것도 가능하다. 또한 중앙 부분이 뚫려 있고 외곽 테두리가 연결된 다각형 형상을 가지거나, 중앙 부분이 뚫려 있고 외곽 테두리가 연결되지 않은 다각형 형상을 가질 수 있다. 상기 프리 스탠딩 기판의 사용시 상기 집적 기판에 방사되어 정렬된 나노 섬유들은 집적 기판으로부터 분리하여 별도의 기판에 전사하는 공정을 더 포함한다.

상기 전기장 생성 모듈은, 상기 집적 기판(20)의 하부에 설치된 전극들(60)(65)이다. 상기 전극들(60)(65)은, 상기 방사 노즐(10)과의 사이에 전압차를 발생시켜 전기장을 형성하도록 상기 방사 노즐(10)과 반대의 전압을 갖거나 접지된다. 본 실시예에서는, 상기 전극들(60)(65)은 접지 전압, 예를 들어 0V의 전압을 갖는 것으로 예를 들어 설명한다.

상기 전극들(60)(65)은, 상기 방사 노즐(10)로부터 방사되는 나노 섬유의 미리 설정된 제1,2정렬 방향(X)(Y)으로 각각 서로 소정간격 이격되게 한 쌍씩이 배치된다. 상기 제1,2정렬 방향(X)(Y)은 제조하고자 하는 나노 섬유의 정렬 방향에 따라 미리 설정되고, 미리 설정된 상기 제1,2정렬 방향(X)(Y)으로 상기 전극들(60)(65)을 배치한다. 상기 전극들(60)(65)이 상기 제1,2정렬 방향(X)(Y)으로 배치되면, 상기 전극들(60)(65)과 상기 방사 노즐(10)사이의 전압차에 의해 전기장이 형성되고, 상기 방사 노즐(10)로부터 방사되는 양전하를 띠는 나노 섬유(50)가 상기 전극들(60)(65)에 집중되어, 상기 나노 섬유(50)가 상기 제1,2정렬 방향(X)(Y)으로 정렬될 수 있다. 본 실시예에서는, 상기 제1정렬방향(X)과 상기 제2정렬방향(Y)은 서로 수직하게 교차되는 방향인 것으로 예를 들어 설명한다.

본 실시예에서는, 상기 전극들(60)(65)은, 상기 제1정렬방향(X)으로 서로 소정간격 이격되게 배치된 한 쌍의 제1,2전극들(61)(62)과, 상기 제1정렬방향(X)과 수직하게 교차되는 제2정렬방향(Y)으로 배치된 한 쌍의 제3,4전극들(63)(64)을 포함하는 것으로 예를 들어 설명한다. 다만, 이에 한정되지 않고, 상기 전극들(60)(65)의 개수와 배치 형상은 제조하고자 하는 나노 섬유의 구조에 따라 다르게 설정할 수 있다. 또한, 본 실시예에서는, 2개의 제1,2정렬방향(X)(Y)인 것으로 한정하여 설명하나, 제조하고자 하는 투명 전극의 나노 섬유를 2개 이상의 정렬 방향으로 정렬시키는 것도 물론 가능하며, 정렬 방향의 수에 따라 전극의 개수를 비례하게 증감할 수 있다.

상기 제1전극(61)과 상기 제2전극(62)은 상기 제1정렬방향(X)으로 제1설정간격(d1)만큼 이격되게 배치된다. 상기 제3전극(63)과 상기 제4전극(64)은 상기 제2정렬방향(Y)으로 제2설정간격(d2)만큼 이격되게 배치된다. 상기 제1설정간격(d1)과 상기 제2설정간격(d2)은 동일하게 설정되는 것으로 예를 들어 설명한다. 상기 방사노즐(10)로부터 방사되는 상기 나노 섬유(50)는, 상기 전극들(60)(65)사이의 중심부(A)에 정렬되어 형성되기 때문에, 제조하고자 하는 투명 전극의 크기에 따라 상기 제1설정간격(d1)과 상기 제2설정간격(d2)을 조절할 수 있다. 즉, 제조하고자 하는 투명 전극의 크기가 클 경우, 상기 제1설정간격(d1)과 상기 제2설정간격(d2)이 커져야한다. 그러나, 전극들 사이의 간격이 증가되면, 전기적 인력이 약해져서 상기 나노섬유(50)의 정렬도는 낮아지므로, 상기 제1설정간격(d1)과 상기 제2설정간격(d2)을 증가시킬 경우 상기 전극들(60)(65)과 상기 방사노즐(10)사이의 전압차가 충분하도록 상기 방사노즐(10)과 상기 전극들(60)(65)에 인가되는 전압의 세기를 조절해야한다. 본 실시예에서는, 상기 제1설정간격(d1)과 상기 제2설정간격(d2)은 각각 약 7cm이하로 설정되는 것으로 예를 들어 설명한다.

도면부호 46은, 상기 방사 노즐(10)에 전압을 인가하기 위한 외부 전원을 나타낸다. 상기 외부 전원(46)에 의하여 상기 방사 노즐(10)에 전압이 인가되고, 상기 전극들(60)(65)은 상기 방사 노즐(10)과 전압 차이가 발생하도록 접지된다. 본 실시예에서는, 상기 전압이 직류(DC)인 것으로 예를 들어 설명하나, 교류(AC)를 사용하는 것도 물론 가능하다. 상기 교류를 사용하는 경우, 상기 방사 노즐(10)과 상기 전극들(60)(65)은 서로 반대의 전압을 갖도록 제어된다. 상기 교류를 사용시, 상기 집적 기판(20)에 집적되는 나노 섬유의 두께를 증가시켜 보다 두꺼운 투명 전극의 제조가 가능하다.

도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 전기 방사 장치를 이용한 투명 전극의 제조방법을 도시한 순서도이다. 도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 나노 섬유 교차 방법을 나타낸 도면이다.

도 5 및 도 6을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 전기 방사 장치를 이용한 투명 전극의 제조방법을 설명하면, 다음과 같다.

먼저, 상기 집적 기판(20)의 주변에 상기 전극들(60)(65)을 배치하고, 상기 전극들(60)(65)을 접지시킨다.(S11)

본 실시예에서는, 상기 전극들(60)(65)을 상기 집적 기판(20)의 하측에 배치하는 것으로 예를 들어 설명하였으나, 이에 한정되지 않고, 상기 집적 기판(20)을 사이에 두도록 상기 집적 기판(20)의 둘레에 배치하는 것도 물론 가능하다.

또한, 본 실시예에서는, 상기 전극들(60)(65)은 총 4개의 제1,2,3,4전극(61)(62)(63)(64)을 포함하고, 상기 제1,2전극들(61)(62)은 상기 제1정렬방향(X)으로 상기 제1설정간격(d1)만큼 이격되게 배치되고, 상기 제3,4전극들(63)(64)은, 상기 제1정렬방향(X)과 수직하게 교차되는 제2정렬방향(Y)으로 상기 제2설정간격(d2)만큼 이격되게 배치되는 것으로 예를 들어 설명한다. 즉, 상기 제1,2,3,4전극들(61)(62)은 십자 형태로 배치된다. 다만, 이에 한정되지 않고, 4개의 전극들이 미리 설정된 나노섬유의 정렬 방향에 맞추어 다양한 형태로 배치될 수 있다.

상기 방사 노즐(10)에 전압을 인가하면, 상기 방사 노즐(10)로부터 상기 나노 물질과 상기 고분자 물질이 함께 방사된다. 상기 전압은 상기 방사 용액의 종류와 상기 집적 기판(20)의 종류 및 공정 환경 등에 따라 달라질 수 있으며, 약 100V 내지 30000V 범위일 수 있다. 상기 나노 물질과 상기 고분자 물질은 동시에 방사될 수 있고, 동일한 방사 길이를 가질 수 있다. 상기 방사 노즐(10)의 외부 노즐(12)내의 상기 고분자 물질은 중공의 실린더 형상으로 방사되고, 상기 내부 노즐(11)내의 상기 나노 물질은 상기 고분자 물질의 내부에 채워진 채로 토출되며, 토출되면서 동축 이중층 구조를 갖는 상기 나노 섬유(50)로 고형화된다. 즉, 도 4a를 참조하면, 상기 방사 노즐(10)에서 방사된 상기 나노 섬유(50)는, 상기 고분자 물질층(52)과 상기 나노 물질층(51)으로 이루어진 동축 이중층 구조로 이루어진다. 이 때, 상기 나노 물질과 상기 고분자 물질은 서로 섞이지 않는다. 상기 고분자 물질의 방사 속도가 상기 나노 물질의 방사 속도에 비하여 같거나 큰 것이 바람직하다. 상기 고분자 물질과 상기 나노 물질은 증기압이 동일하거나 유사한 수준이어야 한다. 또한, 상기 고분자 물질의 점성은 상기 나노 물질의 점성과 동일하거나 더 커야 한다.(S12)

상기 방사 노즐(10)에서 방사되는 나노 섬유(50)는 상기 방사 노즐(10)과 동일한 양전하를 띤다. 따라서, 상기 방사 노즐(10)로부터 방사되는 상기 나노 섬유(50)는 접지되어 있는 상기 전극들(60)(65)을 향해 집중될 수 있다. 본 실시예에서는, 상기 양전하를 띠는 상기 나노 섬유(50)가 상기 제1전극(61)과 상기 제2전극(62)에 집중되는 것으로 예를 들어 설명하나, 이에 한정되지 않고, 상기 제3전극(63)과 상기 제4전극(64)사이에 먼저 집중되는 것도 물론 가능하다. 상기 양전하를 띠는 상기 나노 섬유(50)가 상기 제1전극(61)과 상기 제2전극(62)에 집중되면, 상기 나노 섬유(50)는 상기 제1전극(61)과 상기 제2전극(62)사이에서 전기적 인력에 의해 상기 제1정렬방향(X)으로 정렬될 수 있다. 즉, 도 6a에 도시된 바와 같이, 상기 나노 섬유(59)는 상기 제1정렬방향(X)으로 정렬되어 제1나노 섬유층(71)이 형성된다. 상기 제1전극(61)과 상기 제2전극(62)사이에 상기 제1나노 섬유층(71)이 형성되면, 상기 제1전극(61)과 상기 제2전극(62)사이가 상기 제1나노 섬유층(71)에 의해 일시적으로 양전하를 띠게 된다. 따라서, 상기 방사 노즐(10)로부터 연속적으로 방사되는 양전하를 띠는 상기 나노 섬유(50)는 양전하를 띠는 상기 제1나노 섬유층(71)을 피해 상기 제3,4전극(63)(64)사이로 집중될 수 있다. 상기 나노 섬유(50)가 상기 제3전극(63)과 상기 제4전극(64)에 집중되면, 상기 나노 섬유(50)는 상기 제3전극(63)과 상기 제4전극(64)사이에서 전기적 인력에 의해 상기 제2정렬방향(Y)으로 정렬될 수 있다. 즉, 도 6b에 도시된 바와 같이, 상기 제1나노 섬유층(71)위에 상기 제1나노 섬유층(71)과 90도로 교차된 제2나노 섬유층(72)이 형성된다. 따라서, 그리드 구조를 갖는 나노 섬유층(70)이 형성될 수 있다.(S13) 이 때, 상기 제1,2,3,4전극(61)(62)(63)(64)사이에 중심부(A)로 갈수록 보다 정렬된 교차 구조를 얻을 수 있으므로, 추후 투명전극으로 사용시 상기 중심부(A)만을 선택적으로 사용할 수 있다.

상기와 같이 그리드 구조의 나노 섬유층(70)이 형성되면, 어닐링(Annealing)을 수행한다. 상기 어닐링은 상기 나노 물질층(51)내의 나노 물질 사이의 결합력을 증가시킬 수 있다. 상기 어닐링은 상기 집적 기판(20)이 손상되지 않는 온도 범위에서 수행될 수 있다. 상기 어닐링은, 예를 들어 약 20 ℃ 내지 약 500 ℃ 범위의 온도에서 수행될 수 있고, 예를 들어 약 20 ℃ 내지 약 300 ℃ 범위의 온도에서 수행될 수 있다. 상기 어닐링은 공기 분위기, 아르곤 가스나 질소 가스를 포함하는 불활성 분위기 또는 수소 가스를 포함하는 환원성 분위기에서 수행될 수 있다. 상기 어닐링은 선택적이며 생략될 수 있다.(S14)

이후, 상기 고분자 물질층(52)을 제거하여, 상기 나노 물질층(51)으로만 이루어진 투명 전극을 형성한다.(S15) 상기 고분자 물질층(52)은, 유기 용매를 이용하여 제거할 수 있다. 도 4를 참조하면, 상기 고분자 물질층이 제거되기 이전과 제거된 이후를 비교하여 확인할 수 있다.

상기 유기 용매는 고분자 물질층(52)을 용해할 수 있는 모든 종류의 용매를 포함할 수 있다. 상기 유기 용매는 헥산(hexane)과 같은 알칸족(Alkanes), 톨루엔(toluene)과 같은 방향족(Aromatics), 디에틸 에테르(diethyl ether)와 같은 에테르족(Ethers), 클로로포름(chloroform)과 같은 알킬 할라이드족(Alkyl halides), 에스테르족(Esters), 알데히드족(Aldehydes), 케톤족(Ketones), 아민족(Amines), 알코올족(Alcohols), 아미드족(Amide), 카르복실산족(Carboxylic acids), 및 물 등 다양한 물질을 포함할 수 있다. 상기 유기 용매는, 예를 들어 아세톤(Acetone), 플로로알칸(Fluoroalkanes), 펜탄(Pentanes), 헥산(Hexane), 2,2,4-트리케틸펜탄(2,2,4-Trimethylpentane), 데칸(Decane), 시클로헥산(Cyclohexane), 시클로펜탄(Cyclopentane), 디이소부틸렌(Diisobutylene), 1-펜텐(1-Pentene), 카본디설파이드(Carbon dissulfide), 카본테트라클로라이드(Carbon tetrachloride), 1-클로로부탄(1-Chlorobutane), 1-클로로펜탄(1-Chloropentane), 실렌(Xylene), 디이소프로필 에테르(Diisopropyl ether), 1-클로로프로판(1-Chloropropane), 2-클로로프로판(2-Chloropropane), 톨루엔(Toluene), 틀로로벤젠(Chlorobenzene), 벤젠(Benzene), 브로모에탄(Bromoethane),디에틸 에테르(Diethyl ether), 디에틸 설파이드(Diethyl sulfide), 클로로포름(Chloroform), 디클로로메탄(Dichloromethane), 4-메틸-2-프로파논(4-Methyl-2-propanone), 테트라하이드로퓨란(Tetrahydrofuran), 1,2-디클로로에탄(1,2-Dichloroethane), 2-부타논(2-Butanone), 1-니트로프로판(1-Nitropropane), 1,4-디옥산(1,4-Dioxane), 에틸 아세테이트(Ethyl actate), 메틸 아세테이트(Methyl acetate), 1-펜타놀(1-Pentanol), 디메틸 설폭사이드(Dimethyl sulfoxide), 아닐린(Aniline), 디에틸아민(Diethylamine), 니트로메탄(Nitromethane), 아세토니트릴(Acetonitrile), 피리딘(Pyridine), 2-부톡시에탄올(2-Butoxyethanol), 1-프로판올(1-Propanol), 2-프로판올 2-Propanol), 에탄올(Ethanol), 메탄올(Methanol), 에틸렌 글리콜(Ethylene glycol), 및 아세트 산(Acetic Acid)으로 이루어지는 군에서 선택되는 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다.

한편, 이에 한정되지 않고, 상기 고분자 물질층(52)은 반응성 이온 식각을 이용하여 제거하는 것도 가능하다.

도 4a를 참조하면, 상기 나노 섬유(50)는 상기 고분자 물질층(52)이 외측을 둘러싸고 있다. 도 4b를 참조하면, 상기 고분자 물질층(52)이 제거되면 상기 나노 물질층(51)만이 남게 되어, 상기 투명 전극은 상기 나노 물질층(51)으로만 이루어진다. 상기 나노 물질층(51)은 로드 형상이다.

또한, 상기 투명 전극은, 상기 나노 물질층(51) 상에 형성된 투명 도전층(미도시)을 더 포함할 수 있다. 상기 투명 도전층은 투명한 물질을 포함할 수 있고 도전성 물질을 포함할 수 있다. 상기 투명 도전층은 상기 투명 전극의 전기 저항을 감소시킬 수 있고, 더 많은 전류를 더 균일하게 인가하는 전극을 구현할 수 있다. 상기 투명 도전층은 상기 투명 전극을 덮을 수 있고, 상기 나노 물질층(51)을 외부공기와 차단시켜 산화를 방지할 수 있다. 상기 투명 도전층은 도전성을 가지는 2차원 나노 물질층을 포함할 수 있다. 상기 2차원 나노 물질층은, 2차원 나노 물질들로 구성될 수 있고, 예를 들어 그래핀, 그라파이트, 또는 탄소나노튜브와 같은 탄소 나노 물질을 포함할 수 있다. 2차원 나노 물질의 의미는 나노 물질이 평면적인 형상을 가짐을 의미하며, 예를 들어 시트(sheet) 등과 같은 형상을 가질 수 있다.

한편, 이에 한정되지 않고, 상기 나노 섬유(50)는 상기 나노 물질로부터 형성된 나노 물질층이 고분자 물질층의 외측에 둘러싸이도록 방사되는 것도 가능하며, 상기 고분자 물질층의 제거시 중공형상의 상기 나노 물질층으로 이루어진 투명 전극이 형성되는 것도 가능하다.

도 7은 도 1에 도시된 전기 방사 장치에서 전기장 생성 모듈 배치의 다른 예가 도시된 도면이다.

도 7을 참조하면, 상기 전기장 생성 모듈은, 제1정렬방향(Y1)으로 서로 소정간격 이격되게 배치된 한 쌍의 제1,2전극들(311)(312)과, 상기 제1정렬방향(Y1)과 제1설정각도(θ1)로 경사지게 교차되는 제2정렬방향(Y2)으로 서로 이격되게 배치된 한 쌍의 제3,4전극들(313)(314)과, 상기 제1정렬방향(Y1)과 제2설정 각도(θ2)로 경사지게 교차된 제3정렬방향(Y3)으로 서로 이격되게 배치된 한 쌍의 제5,6전극들(315)(316)을 포함할 수 있다.

상기 제1설정각도(θ1)와 상기 제2설정 각도(θ2)는 각각 90도 미만인 것으로 예를 들어 설명한다.

상기와 같이 6개의 제1,2,3,4,5,6전극들(311~316)이 배치되어 접지되면, 상기 방사노즐(10)로부터 방사되는 양전하를 띠는 나노 섬유(50)는 상기 제1,2,3정렬방향(Y1,Y2,Y3)으로 정렬된 교차 구조로 형성될 수 있다.

다만, 이에 한정되지 않고, 상기 전기장 생성 모듈은 6개 이상의 전극이 배치되는 것도 물론 가능하며, 전극의 개수는 나노 섬유의 정렬 방향의 수에 비례하고, 전극의 배치 형상은 나노 섬유의 정렬 방향에 따라 다르게 설정할 수 있다. 따라서, 상기 전극의 개수와 배치 형상에 따라 상기 나노 섬유(50)의 정렬 방향과 교차 구조를 변화시킬 수 있다.

본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 다른 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의하여 정해져야 할 것이다.

10: 방사 노즐 20: 집적 기판
50: 나노 섬유 51: 나노 물질층
52: 고분자 물질층 60,65: 전극

Claims

전압이 인가되고, 나노 물질과 고분자 물질 중 적어도 하나를 방사하는 내부 노즐과, 상기 내부 노즐을 둘러싸도록 형성되어 상기 나노 물질과 상기 고분자 물질 중 다른 하나를 방사하는 외부 노즐을 포함하여, 상기 나노 물질로 형성된 나노 물질층과 상기 고분자 물질로 형성된 고분자 물질층이 동축 이중층으로 이루어진 나노 섬유를 방사하는 방사 노즐과;
상기 방사 노즐로부터 방사되는 상기 나노 물질과 상기 고분자 물질을 포함하는 나노 섬유가 집적되는 집적 기판과;
상기 집적 기판의 주변에 설치되고, 상기 방사 노즐로부터 방사되는 나노 섬유의 미리 설정된 정렬 방향으로 서로 소정간격 이격되게 적어도 한 쌍이 배치되어, 상기 집적 기판의 상측에 전기장을 발생시켜 상기 나노 섬유를 상기 정렬 방향으로 정렬시키는 전기장 생성 모듈을 포함하는 전기장을 이용한 전기 방사 장치.
청구항 1에 있어서,
상기 전기장 생성 모듈은,
상기 방사 노즐과 반대의 전압을 갖거나 접지되는 전극들을 포함하는 전기장을 이용한 전기 방사 장치.
청구항 1에 있어서,
상기 전기장 생성 모듈은,
상기 나노 섬유의 미리 설정된 제1정렬방향으로 서로 소정간격 이격되게 배치된 한 쌍의 제1,2전극들을 포함하고,
상기 나노 섬유는 상기 제1,2전극들 사이에서 상기 제1정렬 방향으로 정렬되는 전기장을 이용한 전기 방사 장치.
청구항 3에 있어서,
상기 전기장 생성 모듈은,
상기 제1정렬방향과 미리 설정된 제1설정각도로 교차되는 제2정렬방향으로 서로 소정간격 이격되게 배치된 한 쌍의 제3,4전극들을 더 포함하고,
상기 나노 섬유는 상기 제3,4전극들 사이에서 상기 제2정렬 방향으로 정렬되는 전기장을 이용한 전기 방사 장치.
청구항 3에 있어서,
상기 전기장 생성 모듈은,
상기 제1정렬방향과 미리 설정된 제2설정 각도로 교차되는 제3정렬 방향으로 서로 소정간격 이격되게 배치된 한 쌍의 제5,6전극들을 더 포함하고,
상기 나노 섬유는 상기 제5,6전극들 사이에서 상기 제3정렬 방향으로 정렬되는 전기장을 이용한 전기 방사 장치.
청구항 1에 있어서,
상기 전기장 생성 모듈의 개수는,
상기 나노 섬유의 정렬 방향의 수에 비례하는 전기장을 이용한 전기 방사 장치.
집적 기판의 주변에 미리 설정된 나노섬유의 정렬 방향으로 서로 소정간격 이격되어 쌍을 이루는 전극들을 배치하는 단계와;
방사 노즐에 전압을 인가하여, 상기 집적 기판 상에 상기 방사 노즐로부터 나노 물질로 형성된 나노 물질층과 고분자 물질로 형성된 고분자 물질층이 동축 이중층으로 이루어진 나노 섬유를 방사하는 단계와;
상기 방사 노즐로부터 방사된 상기 나노 물질과 상기 고분자 물질을 포함하는 나노 섬유가 상기 쌍을 이루는 전극들 사이에서 상기 전극들과 상기 방사 노즐사이에 발생된 전기장에 의해 상기 정렬 방향으로 정렬되어 형성되는 단계와;
상기 나노 섬유로부터 상기 고분자 물질을 제거하여, 상기 나노 물질로 구성된 투명 전극을 형성하는 단계를 포함하는 전기장을 이용한 전기 방사 장치를 이용한 투명 전극의 제조방법.
청구항 7에 있어서,
상기 나노 섬유를 형성하는 단계 이후, 상기 나노 섬유를 상기 집적 기판으로부터 분리하여 별도의 기판에 전사하는 단계를 더 포함하는 전기장을 이용한 전기 방사 장치를 이용한 투명 전극의 제조방법.
청구항 8에 있어서,
상기 집적 기판은, 프리 스탠딩(free standing) 기판인 전기장을 이용한 전기 방사 장치를 이용한 투명 전극의 제조방법.
청구항 7에 있어서,
상기 투명 전극을 형성하는 단계는,
상기 고분자 물질을 제거시 유기 용매를 이용하거나 반응성 이온 식각을 이용하는 전기장을 이용한 전기 방사 장치를 이용한 투명 전극의 제조방법.
청구항 7에 있어서,
상기 투명 전극을 형성하는 단계는,
상기 나노 물질 상에 투명 도전층을 형성하는 과정을 더 포함하는 전기장을 이용한 전기 방사 장치를 이용한 투명 전극의 제조방법.
청구항 7에 있어서,
상기 투명 도전층은 그래핀, 그라파이트 및 탄소나노튜브를 포함하는 전기장을 이용한 전기 방사 장치를 이용한 투명 전극의 제조방법.