KR20170024632A

KR20170024632A - 접촉저항을 이용한 나노용접 방법

Info

Publication number: KR20170024632A
Application number: KR1020150119461A
Authority: KR
Inventors: 염근영; 김경남; 이세한; 오종식; 오지수; 김태형
Original assignee: 성균관대학교산학협력단
Priority date: 2015-08-25
Filing date: 2015-08-25
Publication date: 2017-03-08
Also published as: KR101782212B1

Abstract

본 발명은 접촉저항을 이용한 나노용접 방법에 관한 것으로, 나노와이어에 전기에너지를 직간접적으로 인가하여, 나노와이어들 간의 접촉부위가 접촉저항에 의하여 서로 용접되도록 함으로써, 나노와이어들 간의 전기전도도와 거칠기(roughness)를 개선할 수 있고, 기판 등의 다른 부분에 악영향을 미치지 않으므로, 플렉서블 기판이나 대면적 기판에 적용가능한 장점이 있다.

Description

접촉저항을 이용한 나노용접 방법 {NANO-WELDING METHOD USING RESISTIVE HEATING}

본 발명은 접촉저항을 이용한 나노용접 방법에 관한 것으로, 나노와이어에 전기에너지를 직간접적으로 인가하여, 나노와이어들 간의 접촉부위가 접촉저항에 의하여 서로 용접되도록 하는 나노와이어의 나노용접 방법에 관한 것이다.

나노물질들은 투명전극, OLEDs, 박막태양전지, 센서 등과 같은 다양한 응용 분야에 새로운 접근 방법들을 제시하고 있다. 특히 새로운 투명전도체, 보다 구체적으로는 플렉서블하거나 연신될 수 있는 형태의 전극을 개발함에 있어 나노물질들이 적극적으로 연구되고 있다.

많은 주목을 받고 있는 투명전자소자를 구현하기 위해서는 능동 및 수동 소자뿐만 아니라 배선 및 전극 또한 투명해야 한다. 일반적으로 잘 알려진 투명전극으로는 ITO(Indium Tin Oxide)가 있으며, 최근에 탄소나노튜브, 전도성 고분자, 은 나노와이어를 이용한 투명전극을 제조하려는 시도가 많이 이루어지고 있다.

ITO와 같은 경우는 인듐의 공급이 불안정적이며, 제조과정에서 많은 양의 폐기물이 발생할 뿐만 아니라, ITO 코팅을 위한 진공공정이 복잡하여 제조공정 비용이 높다. 또한, 기판의 굽힘과 휨에 의해 물리적으로 쉽게 타격을 받아 전극으로서의 특성이 악화되고, 따라서 플렉서블 소자에 적합하지 않다는 문제점이 있다. 이를 극복하기 위하여 단일벽 또는 이중벽의 탄소나노튜브를 스프레이 또는 프린팅 코팅하여 투명전극을 형성하거나, PEDOT(Polyethylene dioxythiophene)과 같은 전도성 고분자를 프린팅하여 투명전극을 구현하는 연구가 활발하게 이루어지고 있다. 따라서, 금속성 나노와이어를 이용한 전극에 대한 연구가 활발히 수행되고 있다.

투과도와 전기전도성을 고려할 때, 은 나노와이어 등의 사용이 보다 많은 고려의 대상이 되고 있다. 한편, 은 나노와이어들이 그물망처럼 네트워크화되어 연결되는 경우, 와이어와 와이어 간에 접촉이 생기게 되고, 접촉부분에서 높은 저항값의 증가가 일어나게 된다. 접촉영역이 많아질수록 추가적인 저항의 증가가 발생하여 높은 전기전도 특성을 저해하게 된다. 따라서 소량의 은 나노와이어를 사용하여 투과도를 높이면서 은 나노와이어들 간의 접촉저항을 최소화할 수 있도록 접촉부분이 용접되어 있는 네트워크의 개발이 필요하다.

또한, 나노와이어들 간의 접촉영역을 나노용접하는 방법은 나노와이어들에 대한 전체적인 벌크가열을 할 수 있으나, 이 경우 기판 등의 다른 부위에 악영향을 끼칠 수 있다. 그 예로서, 나노와이어와 기판과의 접착력 향상을 위해 다양한 방법을 이용하여 모재가 되는 기판 전체를 가열시킴으로써, 와이어들을 모재에 함몰시킨 사례가 보고된 바 있다. 그러나, 이는 모재의 전반적인 가열을 통한 모재와 나노와이어들 간의 접착력 향상을 위한 방법으로, 국부적인 나노와이어들 간의 저항가열을 통한 나노용접과는 상이하다.

이외에도, 플라즈마 나노용접 방법에 의해 선택적인 열처리를 하는 방법, 비전해 방법으로 화학적 처리방법 등이 제시되고 있으나, 가격 및 처리기계의 복잡성과 공정의 난해함으로 인해 보다 단순한 공정, 저렴한 비용, 및 대면적으로의 응용성을 충분히 갖는 방법들이 여전히 요구되고 있는 실정이다.

Mark L.Bringersma et al. Self-limited plasmonic welding of silver nanowire junction. Nature materials. Vol 11, 241-249, 2012 Seung Hwan Ko et al. Fast plasmonic laser nanowelding for Cu-nanowire percolation network for flexible transparant conductors and stretchable electronics. Advanced materials. 2014, 26, 5808-5814 Chin-Jui Ni et al. Electroless nanowelding of silver nanowires at room temperature. RSC advances. 2014,4,40330-40338

본 발명은 나노와이어에 전기에너지를 직간접적으로 인가하여, 나노와이어들 간의 접촉부위가 접촉저항에 의하여 서로 용접되도록 하는 나노와이어의 나노용접 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 나노와이어의 나노용접 방법은, 나노와이어에 전기에너지를 직간접적으로 인가하여, 나노와이어들 간의 접촉부위가 접촉저항에 의하여 서로 용접되도록 하는 것을 포함할 수 있다.

상기 나노와이어는, 금속성 나노와이어 또는 이를 포함하는 나노복합소재일 수 있다.

또한, 본 발명은 ⅰ) 기판에 나노와이어 층을 형성하는 단계; 및 ⅱ) 상기 나노와이어 층에 전류를 발생하여 나노와이어들 간의 접촉부위가 접촉저항에 의하여 서로 용접되는 것을 포함하는 투명전극의 제조방법을 제공할 수 있다.

상기 투명전극의 제조방법에 사용되는 상기 기판은, 플렉서블 기판 또는 대면적 기판이 포함될 수 있고, 상기 나노와이어는, 금속성 나노와이어 또는 이를 포함하는 나노복합소재일 수 있다.

또한, 본 발명은 나노와이어에 전기에너지를 직간접적으로 인가하여, 나노와이어들 간의 접촉부위를 접촉저항에 의하여 서로 용접시킨 나노와이어 층을 포함하는 투명전극을 제공할 수 있다. 상기 나노와이어는, 금속성 나노와이어 또는 이를 포함하는 나노복합소재일 수 있다.

본 발명은 상기 투명전극을 포함하는 전자소자를 제공할 수 있다.

본 발명에 따른 나노용접 방법은 나노와이어들 간의 접촉하는 부분을 비교적 간단한 방법과 저렴한 비용으로 용접하여 연결시킬 수 있는 장점이 있다.

또한, 기판 등의 다른 구성에 영향을 주지 않고 용접이 가능하므로, 플렉서블 기판이나 대면적 기판에 적용가능한 장점이 있다.

또한, 본 발명의 나노용접 방법으로 용접된 나노와이어는 전기전도도와 거칠기(roughness)가 개선되어 우수한 투명전극에 이용가능한 장점이 있다.

도 1은 본 발명의 핵심적 기술사상을 보여주는 개념도이다.
도 2는 직류 전원을 이용한 용접의 직접적인 전기에너지 인가 방식을 나타내는 개념도이다.
도 3은 유도가열을 이용한 용접의 간접적인 전기에너지 인가 방식을 나타내는 개념도이다.
도 4는 본 발명의 나노용접을 적용하기 전의 나노와이어의 SEM 사진이다.
도 5는 본 발명의 나노용접을 적용한 후의 나노와이어의 SEM 사진이다.
도 6은 열처리 방식으로 용접한 경우의 투과도를 나타낸 결과이다.

본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하고, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다.

다른 정의가 없다면, 본 명세서에서 사용되는 모든 용어(기술 및 과학적 용어를 포함)는 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 공통적으로 이해될 수 있는 의미로 사용될 수 있을 것이다. 또한, 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 용어들은 명백하게 특별히 정의되어 있지 않은 한 이상적으로 또는 과도하게 해석되지 않는다.

본 발명은 접촉저항을 이용한 나노용접 방법에 관한 것으로, 나노와이어에 전기에너지를 직간접적으로 인가하여, 나노와이어들 간의 접촉부위가 접촉저항에 의하여 서로 용접되도록 하는 나노와이어의 나노용접 방법을 제공할 수 있다.

나노용접(nano-weilding)이란 나노와이어들 간의 다수의 접촉부분들을 서로 연결시키는 것으로, 해당 접촉부분을 녹여 서로 붙이는 방식이다. 용접을 위해 가해지는 에너지의 세기에 따라 용접이 일어나기도 하지만, 과도한 에너지의 공급은 나노와이어를 입자화하여 오히려 나노와이어 간의 전기적 연결을 단절시킬 수 있다.

나노와이어(nanowire, NW)는 나노미터 단위의 크기를 가지는 와이어 구조체로서, 나노와이어 전극은 이러한 나노와이어를 다수 배치하여 전류가 통할 수 있도록 형성한 층을 의미한다. 나노와이어는 대체로 10㎚ 미만의 지름을 가지는 것에서부터 수백 ㎚ 지름의 나노와이어를 포함해서 일컬으며, 길이 방향으로는 특별히 크기의 제한이 없다. 본 발명에 사용되는 나노와이어는, 바람직하게는 지름 100㎚ 이하, 길이 10㎛ 이상일 수 있으며, 더욱 바람직하게는 지름 1㎚ 내지 100㎚, 길이 10㎛ 내지 50㎛일 수 있다.

나노와이어에 사용되는 소재는 반도체 실리콘이나 주석 산화물, 갈륨질화물등이 있으나, 본 발명에서는 전극을 형성하는 금속성 나노와이어 또는 이를 포함하는 나노복합소재일 수 있다.

상기 금속성 나노와이어는 전기가 통하는 전극이면 어느 금속이나 가능하며, 바람직하게는 은(Ag), 알루미늄(Al), 금(Au), 구리(Cu), 철(Fe), 니켈(Ni), 티탄(Ti), 및 크롬(Cr) 중 적어도 하나의 금속을 포함하여 형성할 수 있다.

본 발명의 상기 나노용접 방법은 기판에 나노와이어 층을 형성한 경우에 나노와이어층 간에 전기에너지를 직간접적으로 가할 수 있는 전극을 형성하고, 이를 통해 전기에너지를 직간접적으로 보내줌으로써 용접을 할 수 있는 것으로, 이러한 기술적 사상은 다양한 형태의 소자에 적용될 수 있을 것이다. 투명전극을 사용하는 다양한 터치스크린, 액정표시소자, 투명발열체, 투명트랜지스터, 투명전자파 차폐막, 투명 정전기방지막, 도전성 유리, 가스센서, 열반사 코팅막, 통신기기용 평면안테나, 유기El 소자 및 태양전지 등의 전자소자에 사용될 수 있다.

또한, 본 발명의 나노용접은, 나노와이어 간의 접촉부분을 연결시키기 위한 것으로, 기판 등에 손상이 없어 대면적 플렉서블 기판 등에 적용할 수 있다.

다음으로, 본 발명은 ⅰ) 기판에 나노와이어 층을 형성하는 단계; 및 ⅱ) 상기 나노와이어 층에 전류가 발생하여 나노와이어들 간의 접촉부위가 접촉저항에 의하여 서로 용접되는 단계를 포함하는 투명전극의 제조방법을 제공할 수 있다.

상기 기판에 나노와이어 층을 형성하는 방법으로는, 코팅, 인쇄, 증착 등의 여러 가지 방법이 있으나, 유연기판에 사용하는 경우를 상정하는 경우, 프린팅 방식으로 인쇄를 하거나, 코팅하는 방식으로 형성하는 것이 바람직하다. 스핀(spin) 코팅, 롤(roll) 코팅, 스프레이 코팅, 딥(dip) 코팅, 플로(flow) 코팅, 닥터 블레이드(doctor blade)와 디스펜싱(dispensing), 잉크젯 프린팅, 옵셋 프린팅, 스크린 프린팅, 패드(pad) 프린팅, 그라비아 프린팅, 플렉소(flexography) 프린팅, 스텐실 프린팅, 드롭 캐스팅(drop casting) 및 임프린팅(imprinting) 방법 등이 있다.

기판에 나노와이어 전극층을 형성한 경우, 배경기술에서 언급한 바와 같이 와이어들 간의 다수의 접촉부분들이 있고, 이 부분들로 인한 전기전도도와 거칠기(roughness)를 해결해야 한다. 이러한 접촉부분들을 서로 연결시키는 것을 나노용접(nano-welding)이라 하며, 해당 접촉부분을 녹여 서로 붙이는 방식이다. 용접을 위해 가해지는 에너지의 세기에 따라 용접이 일어나기도 하지만, 과도한 에너지의 공급은 나노와이어를 입자화하여 오히려 나노와이어 간의 전기적 연결을 단절시킬 수 있다. 예컨대, 은 금속은 면심입방격자 물질로 열역학적으로 가장 안정한, 즉 표면 에너지가 낮은 결정면을 이루기 위해 은 나노와이어 양쪽 끝단으로 입자화 되려는 현상이 나타나며, 이러한 현상으로 인해 은 나노와이어가 끊어지면서 나노입자를 형성하게 된다.

한편, 나노용접은 나노와이어 간의 접촉부분을 연결시키기 위한 것인데, 전체적인 가열은 선택성이 없으며, 용융을 위해 높은 열을 가하는 경우 기판 등에 손상이 가해질 수 있기 때문에, 본 발명은 선택성을 매우 높이고, 기판 등에 손상이 없어 대면적 플렉서블 기판에 적용할 수 있다.

이를 위한 본 발명의 기본 개념은 도 1에 제시되어 있는 바와 같이, 금속성 나노와이어 층에 전기에너지를 인가하는 것이다. 예를 들어 은 나노와이어 간의 접촉부분에서는 접촉저항이 매우 높아 수 Gohm이므로 순간적으로 열이 발생하여 매우 빠른 시간 안에 용접(welding)이 되는 방법이다.

종래의 기술은 은 나노와이어인 경우 200℃ 이상의 열을 전체적으로 가하거나, UV 영역의 빛을 주사하는 방법을 사용함으로써, 플렉서블 기판을 사용할 경우 기판의 변형 및 재현성 등에 영향을 줄 수 있다. 또한 장시간이 요구되므로 대면적 투명전극 제작에는 적합하지 않다. 본 발명의 저항가열을 이용한 방법의 경우 에너지 효율이 좋아 낮은 전류로도 용접이 가능하고 전력소모도 적으며, 대면적 기판에 손쉽게 용접이 가능하며, 기존의 방식에 비해 용접속도가 빠르다는 장점이 있다. 또한, 접촉부분에 한정된 국부적인 가열과 용접이 가능함으로써, 용접에 의한 용접부위 변형등으로부터 발생될 수 있는 투과도의 감소 등에 대한 단점이 없다.

접촉저항의 극대화를 위해서는 다양한 형태의 에너지원이 사용될 수 있으며, 직류전원을 이용하여 접촉저항을 극대화시켜 용접하는 방법에서부터 직류를 통한 저항가열 및 수십 kHz 내지 수백 MHz 대역까지의 에너지원을 이용하여 접촉저항을 극대화시킬 수 있는 교류를 포함하는 다양한 주파수 영역에서 실시할 수 있다. 사용되는 나노와이어의 종류, 나노와이어 층의 형성방법, 나노와이어 층의 두께 등에 따라, 적절한 주파수의 범위와 인가하는 방식 등을 보다 특정하여 실시할 수 있다.

도 2에 나타낸 직접적인 전기에너지 인가 방식인 직류 및 RF(Radio Frequency)를 이용하여 접촉저항의 극대화를 통한 용접을 진행할 경우, 롤(Roll) 형태로 전극형성이 끝난 상태라 하더라도 전극을 인가할 수 있는 최소한의 면적만 확보된다면 용접이 용이한 장점이 있다.

또한, 도 3에 나타낸 간접적인 전기에너지 인가 방식은 고주파전류가 흐르는 코일의 중간에 위치한 유도체가 전자유도작용으로 일어나는 와전류(Eddy Current)에 의해서 급속히 가열되는 현상으로, 이와 같은 수백 kHz 대역의 RF를 사용하여 유도가열을 통한 용접을 진행할 경우, 접촉저항을 극대화하여 나노와이어의 접촉부분을 용이하게 용접할 수 있는 장점이 있다.

이하, 본 발명의 구체적인 내용을 하기 실시예를 통하여 상세히 설명하고자 하나 이는 본 발명의 예시목적을 위한 것으로, 첨부된 특허청구범위에 의하여 한정되는 보호범위를 제한하고자 하는 것은 아니다.

실시예 1: 은 나노와이어 ( Ag nanowire , AgNW ) 분산용액의 제조

본 발명에서 은 나노와이어 분산용액은 다음과 같은 공정으로 쉽게 제조할 수 있다. 이소프로판올(isopropanol, IPA)에 은 나노와이어를 0.5중량% 분산시켜 은 나노와이어(AgNW) 용액을 제조하였다. AgNW는 NANOPYXIS 사의 AgNW 분산액을 사용하였다.

실시예 2: 투명전극의 제조

본 발명에서는 상기 제조된 은 나노와이어 분산용액을 스프레이 또는 에어브러쉬 등을 이용하여 원하는 표면 위에 코팅하는 방식으로 투명전극을 제조하였다. 약 30ml의 AgNW가 분산된 이소프로판올 용액을 기판에서 약 20cm 가량 떨어트린 상태에서 코팅하였다. 이때, AgNW가 증발(evaporation)되는 과정에서 응집(agglomeration)되는 현상을 막기 위해 기판 온도를 약 50-60℃ 정도로 유지시켰다. 그리고, 균일한 투명전극을 제조하기 위하여 X-Y stage 위에 기판을 위치시키고, 일정한 간격으로 코팅시켜 투명전극을 제조하였다. 코팅횟수가 증가함에 따라 면저항과 투과도가 감소하기 때문에, 원하는 면저항과 투과도 값에 맞추어 코팅횟수를 변화시켰다. 은 나노와이어 투명전극의 특성을 분석하기 위하여 4-point probe를 이용하여 면저항을 측정하였고, 약 90% 정도의 투과도에서 28ohm/sq 정도의 면저항 값을 측정할 수 있었다. 도 4는 나노용접 전의 나노와이어의 SEM 사진이다.

실시예 3: 나노용접

은 전극의 양단에 RF Power generator를 사용하여 수 MHz의 전류를 1초 내지 수초간 공급하였다. 이때, 주파수를 더 높임에 따라 은 나노와이어 간의 접촉부분에서의 나노와이어가 녹아서 완전히 용접되는 부분들이 늘어나게 된다. 2MHz에서 10초간 시행한 경우, 은 나노와이어의 투명전극의 투과도는 91%, 면저항 값은 약 20ohm/sq였다. 도 5는 나노용접 후의 은 나노와이어의 SEM 사진이다. 은 나노와이어 간의 접촉부위가 용접이 이루어졌으며, 면저항 값이 약 30% 감소현상을 보여주었다.

한편, 일반적인 급속열처리(Rapid Thermal Annealing, RTA)를 포함하는 열처리 방식을 통한 용접의 경우, 용접부위 면적이 커짐으로써 전체적으로 투과도를 떨어뜨리는 현상이 발생하는 것을 도 6을 통해 확인하였다.

따라서 본 발명의 나노용접 방법은, 나노와이어들 간의 접촉부분에서만 접촉저항에 의한 열이 발생하기 때문에, 도 5에 나타낸 바와 같이 용접부위의 면적이 커지지 않고 투과도를 유지 혹은 향상시킬 수 있다.

추가적인 실험을 통해 사용되는 나노와이어의 종류에 따라, 그리고 나노와이어의 형성방법에 따라, 나노와이어 층의 두께 등에 따라, 적절한 주파수의 범위와 시간 등을 보다 특정하여 실시할 수 있을 것이다. 상기 실시예는 예시에 지나지 아니하며, 본 발명의 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명한 다양한 변형 및 균등한 기타의 실시예를 이하에 첨부한 청구범위 내에서 수행할 수 있다는 사실을 이해하여야 한다.

Claims

나노와이어에 전기에너지를 직간접적으로 인가하여, 나노와이어들 간의 접촉부위가 접촉저항에 의하여 서로 용접되도록 하는 나노와이어의 나노용접 방법.
제1항에 있어서,
상기 나노와이어는, 금속성 나노와이어 또는 이를 포함하는 나노복합소재인 나노와이어의 나노용접 방법.
ⅰ) 기판에 나노와이어 층을 형성하는 단계; 및
ⅱ) 상기 나노와이어 층에 전류를 발생하여 나노와이어들 간의 접촉부위가 접촉저항에 의하여 서로 용접되는 것을 포함하는 투명전극의 제조방법.
제3항에 있어서,
상기 기판은 플렉서블 기판 또는 대면적 기판을 포함하는 투명전극의 제조방법.
제3항 또는 제4항에 있어서,
상기 나노와이어는, 금속성 나노와이어 또는 이를 포함하는 나노복합소재인 투명전극의 제조방법.
나노와이어에 전기에너지를 직간접적으로 인가하여 나노와이어들 간의 접촉부위를 접촉저항에 의하여 서로 용접시킨 나노와이어 층을 포함하는 투명전극.
제6항에 있어서,
상기 나노와이어는, 금속성 나노와이어 또는 이를 포함하는 나노복합소재인 투명전극.
제6항 또는 제7항의 투명전극을 포함하는 전자소자.