KR20170050164A - 금속 그리드-은 나노와이어 복합 투명전극 및 고분자 나노섬유 마스크를 이용한 금속 그리드 제조방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 금속 그리드와 은 나노와이어가 포함된 복합 투명전극 및 그 제조방법에 관한 것이다. 본 발명에 따른 금속 그리드는 포토리소그래피(photolithography) 공정없이 제조되는 것은 특징으로 하며, 그리드 형상으로 프린팅된 고분자 나노섬유 그리드를 금속 에칭용 마스크로 이용하는 것을 특징으로 한다. 먼저 스퍼터링(Sputtering)과 같은 물리적인 증착 공정을 이용하여 금속 박막층을 유리 기판 내지는 플라스틱 기판에 증착한 후 EHD(Electrohydrodynamic Dynamic) 젯 프린팅 공정을 이용하여 고분자 나노섬유를 그리드 형태로 패터닝 한 다음, 고분자 나노섬유가 그려지지 않은 부분을 금속염이 들어간 식각액을 통해 금속 박막층을 제거한 뒤, 고분자 나노섬유 마스크를 녹여내서, 금속 그리드를 제조한다. 그 상층에 필요시 은 나노와이어를 더 코팅하여 높은 투과도를 유지하면서 우수한 전기전도 특성을 제공한다. 본 발명에서는 포토마스크의 사용 없이도 EHD 젯 프린팅 공정을 이용해, 원하는 직경과 그리드 간의 간격을 갖는 투명전극을 저렴하고 빠르게 제조할 수 있는 새로운 투명전극 제조공정 방법을 제공한다.
Description
본 발명은 금속 그리드와 은 나노와이어 네트워크가 서로 적층되어, 금속 그리드로 구성된 금속 그리드간의 접점, 은 나노와이어들 간의 접점, 금속 그리드와 은 나노와이어간의 접점이 공존하여 낮은 면저항 특성을 갖고, 적은 양의 은 나노와이어를 사용함에도, 높은 광투과도와 우수한 전기전도 특성을 동시에 갖는 금속 그리드와 은 나노와이어가 서로 복합화된 금속 그리드-금속 나노와이어 복합 투명전극 및 그 제조방법에 관한 것이다. 특히 본 발명은 포토마스크(photomask)없이 금속 그리드를 고속으로 손쉽게 제조할 수 있는 고분자 섬유로 제조된 그리드를 에칭마스크(etching mask)로 사용하는 새로운 금속 그리드 제조방법을 제공하며, 포토리소그래피(photolithography) 공정 없이 제조된 금속 그리드와 은 나노와이어가 서로 복합화된 투명전극 및 그 제조방법에 관한 것이다.
최근 스마트 전자기기를 넘어서 디스플레이, 조명, 태양전지, 배터리, 터치패널 등의 분야에서 투명전극 기술이 핵심분야로 대두되고 있다. IDTechEx에서 발표한 보고서에 따르면 2014년 1.9억 달러의 투명전극 시장이 2020년에는 5.1억 달러 수준으로 250 % 이상 증가할 것이라고 예상하고 있다.
현재 투명전극으로 가장 널리 사용되는 물질은 인듐 주석 산화물(Indium doped Tin oxide, ITO)로써 매우 우수한 투과도와 전도도를 가지고 있으나 유연하지 못하며 원소재인 인듐이 향후 10-15년 후 고갈될 가능성이 높아 ITO를 대체할 재료 연구가 활발히 진행되고 있는 실정이다. 그렇지만 전세계 ITO 시장의 85%를 점령하고 일본의 니토덴코(Nitto Denko)사에서는 ITO의 가격을 크게 낮추어 투명전극 소재를 활용한 기술들의 시장 진입을 막고 있어 경쟁력 있는 기술을 확보해야 한다.
ITO를 대체할 만한 대표적인 대안 소재는 그래핀(Graphene), 탄소나노튜브(Carbon nanotube), 은 나노와이어(Silver nanowire), 금속 그리드(Metal grid)가 있다. 은 나노와이어와 금속 그리드는 양산에 가장 근접한 후보군으로서 금속 나노와이어의 우수한 유연성 특성과 낮은 저항으로 인해 플렉서블 투명전극 소재로 가장 적합한 장점을 가지고 있고, 금속 그리드의 경우 가격 경쟁력 및 현재 산업에서 적용되고 있다는 장점을 가지고 있다. 은 나노와이어의 경우 투명전극으로 적용된 제품이 출시가 되고 있어, 그 시장은 점진적으로 더욱 커질 것이라 예상된다. 탄소나노튜브는 상용화에는 성공했으나 양산성 확보에 어려움을 겪으며 차세대 투명전극 소재에서 한발자국 물러나 있으며, 꿈의 소재로 불리는 그래핀은 대면적 합성의 어려움과 더불어 대량생산 측면에서 어려움을 겪으며 성능 개선을 위한 추가적인 연구개발이 필요한 단계이다.
특히, 은 나노와이어는 폴리올 용매에 금속염과 분산제 및 안정제를 첨가해 120 ℃ 이상의 온도에서 합성할 수 있다. 상기 합성법으로 수십 nm의 직경을 가지고 수 μm에서 수백 μm 길이까지 성장이 가능할 뿐만 아니라 성장 기작상 단결정 형태로 자라기 때문에 순도 높은 결정질과 더불어 높은 전기전도도를 가지는 물질이다. 은 나노와이어는 재료의 형태 특성상 적은 양을 가지고 높은 전기전도도를 구현할 수 있기 때문에 차세대 투명전극 재료로써 많이 쓰여지고 있지만 나노와이어를 사용하여 넓은 면적에서 20 W/sq 이하의 우수한 전기전도도 특성을 얻기 위해서는 비교적 많은 양의 은 나노와이어가 도포되어야 한다. 이 경우는 ITO와 비교하여 가격적인 부분에서는 비슷한 수준이기 때문에 은 나노와이어의 사용양을 줄여 가격경쟁력을 더욱 높이는 것이 중요하다.
반도체 소자, 액정디스플레이 장치에 사용되는 패터닝 방식은 포토레지스트(Photoresist)를 이용한 포토리소그래피(Photolithography) 방법에 의해 만들어진다. 이 방법은 원하는 패턴을 미세하고 정밀하게 얻을 수 있는 장점을 가지고 있음에도 코팅, 노광, 현상, 세정, 경화, 식각, 스트립 등의 많은 단계를 거쳐야 하고 고가의 진공장비를 사용해야 함과 더불어 패터닝을 위해 사용하는 포토마스크(Photomask) 역시 고가격과 고기술력이 요구된다. 고정밀 패터닝이 필요하지 않은 태양전지 전극의 경우 스크린(Screen) 프린팅 방식, 블랭킷 롤(Blanket roll) 방식, 그라비어(Gravure) 인쇄방식이 제안되고 있다. 그렇지만 은(silver) 전극을 실리콘 웨이퍼에 전사할 경우 직접 접촉하게 됨으로써 생기는 기판의 파손 문제 때문에 비접촉식 방식인 잉크젯 프린팅 방식이 대두 되었다.
잉크젯 프린팅 방식은 기판 표면을 잉크의 종류에 따라 소수성 또는 친수성 상태로 코팅을 하고 컴퓨터상에서 그려진 패턴의 형태에 따라 노즐에서 토출되는 잉크를 경화시킴으로써 전극을 얻어내게 된다. 그러나 이 방식의 경우 잉크의 안정성 향상을 위해 첨가제의 함유가 필수적이고 고점도 용액을 사용하기 때문에 대량생산을 위해 다수의(Multi) 노즐 사용시 노즐 끝이 막혀 양산을 방해하는 단점을 가지고 있다.
최근 기존의 잉크젯 방식과는 다르게 전기적 에너지의 도움을 받아 안정적으로 원하는 위치에 토출용액을 패터닝 시킬 수 있는 전기수력학적(Electrohydrodynamic; EHD) 패터닝 기술이 개발 되었다. 상기 기술은 전기방사법(Electrospinning)으로부터 고안 개선된 기술로써 무작위적 방사로 인해 패터닝이 불가능했던 단점을 극복하고 고분자 방사용액으로부터 10 nm에서 100 mm 수준의 직경을 갖는 나노섬유를 원하는 위치에 직접 패터닝할 수 있는 기술이다. 상기 EHD 기술은, 대한민국 특허공개 제2014-0060442호에서 금속나노입자, 고분자, 유기용매를 포함한 전도성 나노잉크를 EHD 패터닝 방식으로 투명전극을 제조하는 방법을 제안함으로써 본 기술이 투명전극 분야에서의 적용 가능성을 보여주었다.
현재 유연 투명전극으로 은 나노와이어가 가장 주목을 받고, 상용화 단계에 있지만, 비용을 더욱 줄이기 위해서는 은 나노와이어의 사용량을 최소화 하는 것이 중요하며, 이로 인하여 발생하는 전기전도도의 감소 문제를 해결할 수 있는 공정기법이 확보가 되어야 한다.
EHD 공정으로 투명전극을 제조하기 위해서는 전도성 고분자 또는 금속 잉크 용액을 기판 위에 직접 인쇄(direct writing)하여 후열처리 공정을 거쳐 전극으로 사용한다. 전도성 고분자로 잘 알려진 폴리아닐린(Polyaniline), 폴리피롤(Polypyrrole), 폴리씨오펜(Polythiophene), PEDOT-PSS 등은 금속에 비해 전기전도도 및 열적 안정성이 낮으며 공기 중에 노출되는 경우, 전기적 성질이 점차적으로 나빠지는 특성을 가지고 있다. 금속 잉크 페이스트를 포함한 용액으로 만들어진 전극의 경우 금속나노입자를 사용함으로써 생기는 공정 및 가격상의 단점과 더불어 분산제를 사용하게 됨으로써 금속 고유 성질보다 낮은 전도성을 띄게 된다. 특히 점도 조절 및 분산 특성을 개선 시키기 위해 첨가되는 분산제를 제거하고, 금속입자 간의 소결을 위해, 200 ℃ 미만의 열처리 공정이 필수적으로 동반이 되는데, 고온 열처리에 견딜 수 있는 고분자 기판의 제약으로 낮은 온도에서 소성을 하고 있으며, 우수한 전기전도 특성을 얻는데 어려움이 있다.
금속 그리드를 고속으로 저렴하게 제조하기 위하여, EHD 방식을 이용하여, 고분자 나노섬유를 그리드 형태로 제조한 후 에칭용 하드마스크로 고분자 나노섬유를 사용하는 새로운 공법을 제공한다. 이를 이용해, 최대한 높은 투과도를 갖는 금속 그리드를 제조하고, 추가적으로 은 나노와이어를 금속 그리드 위에 결합시켜 코팅하여 줌으로써, 높은 투과도를 가짐과 동시에 우수한 전기전도 특성을 갖는, 금속 그리드와 은 나노와이어가 서로 복합화된 금속 그리드-금속 나노와이어 복합 투명전극 및 그 제조방법을 제공한다.
본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 금속 그리드-은 나노와이어 복합 투명전극을 제공한다. 상기 금속 그리드-금속 나노와이어 복합 투명전극의 제조방법은 다음 단계를 포함할 수 있다.
유리 또는 플라스틱 기판 위에 금속 박막층을 증착하는 단계; 상기 금속 박막층 위에 고분자 나노섬유를 그리드 형상으로 코팅하는 고분자 나노섬유를 이용한 패턴 마스크 형성 단계; 상기 고분자 나노섬유가 코팅된 금속 박막층을 식각하여 고분자 나노섬유를 이용한 패턴 마스크가 코팅되어 있지 않는 금속 박막층을 제거하는 단계; 상기 고분자 나노섬유 그리드를 제거하여, 고분자 나노섬유 그리드 하부에 보호된 금속 그리드를 형성하는 단계; 상기 금속 그리드 위에 은 나노와이어를 코팅하여 금속 그리드-은 나노와이어 복합 투명 전극을 제조하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 제조단계에 있어서 사용하는 금속 박막층은 그리드를 형성하는 금속 중으로 열증발법(Thermal Evaporation), 전자빔 증발법(E-beam Evaporation), 내지는 스퍼터링(Sputtering) 방법으로 Al, Cu, Ni, Ag 중에서 선택된 하나의 금속 박막층을 플라스틱이나 유리기판 위에 50 nm ~ 500 nm 사이에서 선택된 두께로 코팅하여 사용할 수 있다. 금속 그리드 소재의 가격과 전기전도도를 고려하면, 구리나 알루미늄 금속 박막층을 코팅하는 것이 바람직하다.
고분자 소재들 중에 에칭용액에 의해 손상을 받지 않는 고분자는 에칭용 마스크 (Etching Mask)로 사용될 수 있다. 따라서 금속 그리드 제조를 위한 에칭용 마스크 소재로 고분자 나노섬유를 적용할 수 있다.
상기 제조단계에 있어서 금속 그리드 제조를 위한 에칭용 고분자 나노섬유 마스크로 사용이 가능한 고분자는 폴리아크릴로니트릴 (Polyacrilonitrile), 폴리비닐알콜 (Polyvinylalcohol), 폴리에틸렌 (Polyethylene), 폴리프로필렌 (Polypropylene), 폴리스틸렌 (Polystylene), 폴리비닐아세테이트 (Polyvinylacetate), 폴리비닐리덴플로라이드 (Polyvinylidene fluoride), 폴리메틸 메타크릴레이트 (Polymethyl methacrylate)를 포함하는 것 중 하나를 선택해서 사용할 수 있다.
상기 제조단계에 있어서 금속 박막층을 제거 하기 위해 사용하는 식각액은 금속염이 포함된 용액을 0.0001 몰에서 1 몰 사이로 제조하여 사용할 수 있고 금속 원소와 식각액 원소와의 표준환원준위를 고려해서 식각액에 포함된 금속염을 선택할 수 있다. 금속 희생층 보다 식각액 금속염의 표준환원준위가 낮아야 되며, 이때 표준환원 준위의 차이에 따라 몰 농도가 결정된다.
상기 제조단계에 있어서 고분자 나노섬유 마스크를 제거 하는 용매는 고분자를 녹여서 제거할 수 있는 용매라면 특정 용매의 종류에 제약을 두지 않는다. 단, 산이 포함되거나 강한 염기성 형태의 용매의 경우 금속 그리드 전극과 기판을 손상시킬 수 있으므로 희석시켜 사용하거나 낮은 온도에서 사용하는 것이 바람직하다.
상기 금속 그리드를 구성하는 개별 금속 선의 폭과 개별 금속 선 간의 간격은 고분자 나노섬유 마스크의 선폭과 간격으로 조절이 가능하다. 높은 투과도를 얻기 위해서는 고분자 나노섬유의 선폭은 200 nm ~ 100 mm의 범위를 갖는 것이 바람직하며, 나노섬유 사이의 간격은 10 mm ~ 1,000 mm의 범위에서 선택될 수 있다. 고분자 나노섬유를 에칭 마스크로 이용하는 경우, 건식 에칭과 습식 에칭에 따라서 형성된 금속 그리드의 패턴의 형태가 달라질 수는 있다. 건식 에칭의 경우 보다 명확한 패턴이 형성이 될 수도 있으며, 습식 에칭의 경우 언더에칭(under etching) 효과에 의해, 고분자 나노섬유의 선폭보다 더 가는 금속 선폭을 얻을 수 있다.
고분자 나노섬유는, EHD (Electrohydrodynamic Deposition) 방식에 의해, 고속으로 금속 박막층이 코팅되어 있는 유리 기판 내지는 플라스틱 기판 위에 그려 질 수 있기 때문에, 금속 그리드 제조 비용을 획기적으로 줄일 수 있는 장점이 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 있어서, 구리 그리드-은 나노와이어 복합 투명전극을 제조하는 방법을 개략적으로 나타낸 순서도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 있어서, 구리 그리드-은 나노와이어 복합 투명전극의 모식도, 확대도, 단면도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 있어서, 스퍼터링 방법에 의해 증착된 구리 박막층의 전자주사현미경 단면사진이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 있어서, 스퍼터링 방법에 의해 증착된 구리 박막층의 원자간력현미경(Atomic force microscope) 표면사진이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 있어서, 유리기판 위에 제조된 구리 박막 희생층의 증착 시간에 따른 두께 변화와 면저항 특성을 보여주는 그래프이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 있어서, EHD 젯 프린팅의 용액 주입속도에 따른 패턴 된 섬유의 직경을 보여주는 현미경 사진이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 있어서, EHD 젯 프린팅에 의해 얻어진 PAN 나노섬유 그리드 마스크가 구리 박막층 위에 형성된 전극의 광학현미경 사진이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 있어서, EHD 젯 프린팅에 의해 PAN 나노섬유 그리드 마스크가 형성된 구리 박막층을 식각액으로 식각한 이후의 전극의 광학현미경 사진이다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 있어서, 금속 희생층을 식각액으로 식각한 후, PAN 나노섬유 마스크를 제거한 전극의 광학현미경 사진이다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 있어서, 폴리올 합성법에 의해 제조된 은 나노와이어의 전자주사현미경 사진이다.
도 11은 본 발명의 일 실시예에 있어서, 폴리올 합성법에 의해 제조된 은 나노와이어의 고해상도 투과주사현미경 사진이다.
도 12은 본 발명의 일 실시예에 있어서, 구리 그리드-은 나노와이어 복합 투명전극의 광학현미경 사진이다.
도 13은 본 발명의 일 실시예에 있어서, 폴리비닐아세테이트 고분자 마스크 및 구리 그리드가 형성된 유리 기판을 보여주는 사진이다.
도 14는 본 발명의 일 실시예에 있어서, 구리 그리드, 은 나노와이어, 구리 그리드-은 나노와이어 투명전극의 면저항 및 투과도를 나타낸 그래프와 표이다.
도 15는 본 발명의 일 실시예에 있어서, 폴리비닐아세테이트 고분자 나노섬유를 그리드 마스크로 이용하여 제조된 구리 그리드 전극을 보여주는 그림이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 있어서, 구리 그리드-은 나노와이어 복합 투명전극의 모식도, 확대도, 단면도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 있어서, 스퍼터링 방법에 의해 증착된 구리 박막층의 전자주사현미경 단면사진이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 있어서, 스퍼터링 방법에 의해 증착된 구리 박막층의 원자간력현미경(Atomic force microscope) 표면사진이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 있어서, 유리기판 위에 제조된 구리 박막 희생층의 증착 시간에 따른 두께 변화와 면저항 특성을 보여주는 그래프이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 있어서, EHD 젯 프린팅의 용액 주입속도에 따른 패턴 된 섬유의 직경을 보여주는 현미경 사진이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 있어서, EHD 젯 프린팅에 의해 얻어진 PAN 나노섬유 그리드 마스크가 구리 박막층 위에 형성된 전극의 광학현미경 사진이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 있어서, EHD 젯 프린팅에 의해 PAN 나노섬유 그리드 마스크가 형성된 구리 박막층을 식각액으로 식각한 이후의 전극의 광학현미경 사진이다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 있어서, 금속 희생층을 식각액으로 식각한 후, PAN 나노섬유 마스크를 제거한 전극의 광학현미경 사진이다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 있어서, 폴리올 합성법에 의해 제조된 은 나노와이어의 전자주사현미경 사진이다.
도 11은 본 발명의 일 실시예에 있어서, 폴리올 합성법에 의해 제조된 은 나노와이어의 고해상도 투과주사현미경 사진이다.
도 12은 본 발명의 일 실시예에 있어서, 구리 그리드-은 나노와이어 복합 투명전극의 광학현미경 사진이다.
도 13은 본 발명의 일 실시예에 있어서, 폴리비닐아세테이트 고분자 마스크 및 구리 그리드가 형성된 유리 기판을 보여주는 사진이다.
도 14는 본 발명의 일 실시예에 있어서, 구리 그리드, 은 나노와이어, 구리 그리드-은 나노와이어 투명전극의 면저항 및 투과도를 나타낸 그래프와 표이다.
도 15는 본 발명의 일 실시예에 있어서, 폴리비닐아세테이트 고분자 나노섬유를 그리드 마스크로 이용하여 제조된 구리 그리드 전극을 보여주는 그림이다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 금속 그리드-은 나노와이어 복합 투명전극을 제조하는 방법에 대해 자세히 설명한다.
도 1은 본 발명의 실험 예에 따른 금속 그리드-은 나노와이어 복합 투명전극을 제조하는 방법을 순서에 따라 개략적으로 나타낸 모식도이다. 본 도 1의 제조방법은 단지 본 발병을 예시하기 위한 것이며, 본 발명이 여기에 한정되는 것은 아니다.
도 1에서 도시한 바와 같이, 금속 그리드-금속 나노와이어 복합 투명전극을 제조하는 방법은 i) 유리 또는 플라스틱 기판 위에 금속 박막층을 증착하는 단계(S110), ii) 금속 박막층 위에 고분자 나노섬유 마스크를 그리드 형상으로 코팅하는 단계(S120), iii) 고분자 나노섬유 마스크가 코팅된 금속 박막층을 식각하여 고분자 나노섬유 마스크가 코팅되어 있지 않는 금속 박막층 영역을 제거하는 단계(S130), iv) 고분자 나노섬유 마스크를 제거하여, 고분자 나노섬유 마스크 하부에 보호된 금속 그리드를 형성하는 단계(S140), v) 금속 그리드가 형성된 기판 전면에 은 나노와이어를 코팅하여 금속 그리드-은 나노와이어 복합 투명전극을 제조하는 단계(S150)를 포함할 수 있다.
단계(S120)에서는 금속 박막층 위에 그리드 에칭용 하드 마스크로 이용하기 위한 고분자 나노섬유를 그리드 형상으로 고속 프린팅하여 고분자 나노섬유 마스크를 형성할 수 있다. 또한, 단계(S120)과 단계(S130) 사이에 고분자 나노섬유 마스크와 금속 박막층 사이의 결착력을 높여주는 단계(미도시)가 포함될 수도 있다. 이때, 상술한 미도시 단계에서는 그리드 형상으로 프린팅된 고분자 나노섬유를 고분자의 유리전이온도(Glass Transition Temperature, Tg) 근처의 온도에서 열 압착을 하여 상기 고분자 나노섬유 마스크와 상기 금속 박막층 사이의 접착력을 증가시키거나, 또는 용매가 담긴 비어커 안에서 용매 증발에 따른 고분자의 용융 과정을 통해 상기 고분자 나노섬유 마스크가 상기 금속 박막층에 강하게 밀착되도록 할 수 있다.
도 2는, 금속 그리드-은 나노와이어 복합 투명전극의 모식도, 확대도, 단면도를 나타내고 있다. 도2에서의 (100)은 금속 그리드를 나타내고, (200)은 은 나노와이어를 나타내고, (300)은 기판을 나타낸다. 모식도에서 보면 알 수 있듯이, 금속 그리드를 구성하는 금속선은 직경 200 nm ~ 100 μm의 범위를 가지며, 확대도에서 보여지는 은 나노와이어는 직경 20 nm ~ 100 nm, 길이 10 μm ~ 100 μm의 범위를 가진다. 단면도에서는 금속 그리드와 은 나노와이어가 서로의 접점을 형성하고 있는 것을 표현하고 있다. 이와 같이 금속 그리드-은 나노와이어, 은 나노와이어-은 나노와이어 간의 접점이 서로 연결이 되면서, 전기 전도 특성이 크게 개선됨을 알 수 있다. 금속 그리드의 경우, 그리드 간의 간격을 조절해 줌으로써, 광투과도와 면저항 특성을 조절하는 것이 가능하다. 특히 은 나노와이어 네트워크는 금속 그리드가 형성되어 있는 기판 위에 전면 코팅이 되어 짐으로써, 그리드 사이의 빈 공간에도 전기 전도가 이루어지게 하여, 최소한의 은 나노와이어를 사용함에도, 85% 이상의 광투과도와 20 W/sq 이하의 낮은 면저항 특성을 얻을 수 있는 장점이 있다. 특히 하부에 위치한 금속 그리드의 영향으로 보다 적은 양의 은 나노와이어를 사용함에도 충분히 높은 전기전도도 특성을 얻을 수 있어, 비용 절감의 효과를 가질 수 있다.
도 2에서, 금속 그리드 (100)를 구성하는 전도성 금속 물질은 Al, Ni, Cu, Ag 중에서 선택될 수 있다. 특히 하부 기판 (300)과 상기 금속 그리드 간의 접착 특성을 개선시켜 주시기 위하여, 금속 그리드는 Ti, TiO2, Cr 과 같은 글루층 (Glue layer)을 포함할 수 있다. 이 경우는 하부 기판 (300) 위에 글루층이 먼저 얇게 코팅되고, 그 상층에 전도성 금속 물질인 Al, Ni, Cu, Ag 중에서 선택된 하나의 금속 박막 희생층이 코팅될 수 있다.
금속 박막 희생층은 스터터링, 열증착법, 전자빔증발법으로 플라스틱이나 유리기판 위에 50 nm ~ 500 nm 사이에서 선택된 두께로 코팅 하여 사용할 수 있다. 금속 그리드 (100)간의 배선간격은 10 μm ~ 1,000 μm 범위에서 선택할 수 있으며 배선 간격이 넓을수록 투명도에는 유리하고 좁을수록 전도도에 유리하다.
[
실시예
1] 구리
금속층
증착
구리 금속 박막 희생층 증착을 위해 3인치 구리 타겟이 장착된 스퍼터링 방법을 이용하였다. 스퍼터 챔버(chamber) 안에 위치한 기판 지지대 위에 2cm × 2cm유리 기판을 올리고 진공 챔버를 밀폐시켰다. 스퍼터는 플라즈마를 이용하여 박막을 증착하는 장비이기 때문에 진공 챔버를 초고진공상태로 만들어 주어야 한다. 먼저 1차 펌프인 로터리 펌프와 진공 챔버를 연결하는 러핑 밸브(roughing valve)를 열어 상압 상태의 챔버를 1.0 × 1.0-2 토르(Torr)의 2차 펌프의 사용 진공도까지 배기한 후, 러핑 밸브를 닫고 2차 펌프인 터보펌프를 사용해 챔버의 진공도를 1.0 × 1.0-5 토르 상태가 되도록 하였다. 충분한 초고진공 상태가 되면, 20 sccm(standard cubic centimeter per minute) 속도로 아르곤(Ar) 기체를 주입하고 게이트 밸브(gate valve)를 조절하여 진공도를 1.0 × 1.0-2 토르로 유지시켜 주면서, 80 와트의 RF(Radio frequency) 전력을 인가하면 플라즈마가 생성되고 구리원자들이 스퍼터링 되면서 기판 위에 구리 박막을 증착할 수 있다. 약 15분간 플라즈마를 안정화 한 후, 기판 마개를 제거하고 유리기판을 회전시켜 1분, 3분, 5분, 10분, 20분 동안 구리 박막을 증착하였다. 이와 같은 실시예를 바탕으로 도3에서는 20분 동안 증착된 구리금속 희생층의 단면을 보여주고 있으며, 구리 희생층의 두께는 200 nm로써 균일한 두께로 증착되어 있음을 알 수 있다. 또한, 200 nm 두께를 갖는 Cu 박막의 표면 거칠기를 확인하기 위하여, AFM(Atomic Force Microscopy, N3800 Seiko) 분석을 실시하였다. AFM으로 평균 표면 거칠기 값(RMS roughness)을 확인해본 결과 도 4에서 보여지듯이 2.20 nm 로 비교적 매끄러운 표면을 가지고 있음을 알 수 있었다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따라 유리기판 위에 제조된 구리 금속 희생층의 증착 시간에 따른 두께와 전도도의 그래프이다. 면저항은 4포인트 측정기 (Keithley 236)를 이용하여 분석을 진행하였다. 시간에 따른 증착 속도가 분당 약 10 nm (10 nm/min)로 일정하게 증착됨을 알 수 있었으며, 5분 동안 증착된 50 nm의 두께를 갖는 구리 박막층은 10 Ω/sq의 면저항을 나타내어, 50 nm 두께 이상의 구리 박막의 경우 충분한 전기전도도 특성을 가짐을 확인할 수 있었다. 본 발명에는 20분 동안 증착한 200 nm의 구리 박막 희생층을 구리 그리드 제작을 위해 사용하였다.
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실시예
2] 구리
박막층
상부에 고분자 나노섬유 그리드 마스크 제조
구리 박막 상부에 구리 그리드를 형성하기 위해서, 본 발명에서는 패턴된 포토마스크를 이용하는 포토리소그래피(photolithography) 방법이 아닌, 고분자 나노섬유를 에칭용 마스크로 이용하는 고분자 나노섬유 그리드 마스크 이용법을 적용하였다. 먼저 구리 그리드를 형성하기 이하여, 고분자 나노섬유 마스크를 그리드 형상으로 직접 구리 기판 위에 EHD 설비(ENJET사, cNP-Expert-C)를 이용하여, 나노섬유를 코팅하였다. 실시예 2에서는 폴리아크릴로니트릴(Polyacrylonitrile, PAN) 고분자를 정하여, 고분자 마스크를 형성하였지만, 특정 고분자에 제약을 두지는 않는다. EHD 젯 프린팅 과정에서 표면장력 조절 및 원활한 나노섬유 패터닝을 위해 CTAB(Cetylammonium bromide) 5 mg을 PAN(Polyacrylonitrile) 300 mg과 함께 섞어 DMF(N,N-dimethylformamide) 3.0 g 에 넣어 80 ℃에서 12시간 동안 500 rpm의 회전수로 교반하여 고분자 나노섬유 용액을 제조하였다.
이렇게 제조된 용액을 실린지(ILS, 500 μl micro-syringes)에 담아주고 실린지 펌프에 연결하여 0.6 μl/min의 토출속도로 방사용액을 밀어내고, 방사할 때 사용되는 노즐(ceramic needle, 100 μm of outer diameter)과 집전체 기판사이의 전압을 1.4 kV 로 하여 EHD 젯 프린팅을 진행하였다. PAN 나노섬유가 패터닝되는 집전판으로는 상기 실시예 1 에서 제작된 200 nm 두께의 Cu 박막이 증착된 유리 기판을 사용하였으며, 노즐과 집전체 사이의 거리는 500 μm 로 설정하였다.
도 6에서는 EHD 젯 프린팅 방법으로 제조된 용액의 토출속도에 따른 직경 변화를 광학현미경으로써 관찰한 사진이다. 0.6 μl/min의 토출속도에서는 고분자 나노섬유의 직경이 15 μm, 2 μl/min의 토출속도에서는 고분자 나노섬유의 직경이 35 μm로 나타났다. 상기 방법 이외에도 고분자 방사용액의 점도, 노즐과 기판 간격, 노즐의 직경, 기판의 이동속도 등의 조건들을 달리하여 고분자 나노섬유의 직경을 조절할 수 있다. 상기 금속 그리드를 구성하는 개별 금속 선의 폭과 개별 금속 선 간의 간격은 고분자 나노섬유 마스크의 선폭과 간격으로 조절이 되기 때문에, 나노섬유의 선폭과 나노섬유 간의 간격 선택은 매우 중요하다. 높은 투과도를 얻기 위해서는 고분자 나노섬유의 선폭은 200 nm ~ 100 μm의 범위를 갖는 것이 바람직하며, 나노섬유 사이의 간격은 10 μm ~ 1,000 μm의 범위에서 선택될 수 있다.
도 7은 EHD 젯 프린팅 이후 얻어진 PAN 나노섬유가 그리드로 패턴된 광학현미경 사진이다. 1차원의 나노섬유가 합성된 것을 확인할 수 있고, 직경은 10 μm - 20 μm 사이의 값을 가지며, 나노섬유 사이의 간격은 350 - 450 μm 사이의 값을 보여주고 있다.
본 실시예에서 사용한 EHD 젯 프린팅 장비는 소프트웨어적으로 토출속도를 자유롭게 조절 가능하고 나노섬유 사이의 간격을 수십 nm ~ 수십 cm에 범위에서 선택하는 것이 가능하다. 본 실시예에서는 그리드 형태로 패터닝 하였지만 직선, 곡선, 대각선의 형태로 패터닝하는 것도 가능하며 전기장이 형성 되었을 시에만 용액이 토출되기 때문에 이를 이용하여 구조적으로 다양한 형태로 패터닝하는 것이 가능하다.
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실시예
3] 구리 그리드 투명전극의 제조
실시예 2에서 얻은 금속 희생층 위에 그리드 형태로 패터닝된 PAN 고분자 나노섬유와 구리 박막이 코팅된 유리 기판과의 접착 특성을 개선시키기 위해 상기 패터닝된 기판을DMF(N,N-dimethylformamide) 증기에 3분간 노출 시켜주었다. 금속 에칭용 패터닝 마스크로 사용되는 PAN 고분자와 구리 박막이 코팅된 유리 기판 사이에 공간이 생기는 경우, 식각 용액이 침투되어, 균일한 선폭을 갖는 구리 그리드를 제조할 수 없기 때문에, 구리 박막층과 PAN 고분자 마스크 사이의 접착은 매우 중요하다. 이때, DMF 용액에 PAN 고분자가 씻겨 나가는 것을 막기 위하여, 비커에 DMF용매를 소량 넣고 DMF와 직접 접촉하지 않게 상기 기판을 넣고 온도를 60 ℃에 맞춘 뒤 비커의 뚜껑을 닫아, DMF의 증기 만으로 PAN 고분자가 구리 기판에 잘 결착되게 하였다. 그리드 형상으로 구리 박막 위에 코팅된 고분자 PAN나노섬유는 하드 마스크 (hard mask)의 역할을 수행할 수 있으며, 건식 식각 또는 습식 식각 방법으로, 나노섬유 마스크로 보호되지 않은 구리 박막 부분을 에칭해 낼 수 있다. 본 실시예 2에서는 화학적 에칭을 진행하였다. 안정적인 구리 그리드를 제조할 수 있는 공정이라면, 건식 에칭과 습칙 에칭에 특정한 제약을 두지는 않는다. 본 발명에서 이용한 습식 에칭에 있어서, 구리 박막층 식각을 위한 고농도용액은 탈이온수 1L에 FeCl3 0.486g을 넣고 상온에서 10분동안 충분히 녹여주었다. 이때, 미세한 식각을 위해 탈이온수 1L에 FeCl3 0.243 g을 넣은 저 농도용액을 준비하였다. 상기 식각용액을 분별깔때기에 넣고 고분자 나노섬유 마스크가 그리드 형상으로 형성된 구리 박막층 위에 고르게 뿌려주었다. 고농도 식각액으로 기판이 투명해질 때까지 식각을 실행하고 이후 저농도 식각액으로 1분동안 식각을 진행하였다. PAN 나노섬유로 패터닝되어 보호된 부분을 제외한 나머지 구리 박막 희생층을 모두 식각한 이후에 흐르는 탈이온수에 수 차례 세정을 실시하였다.
도8은 PAN 나노섬유 그리드 마스크가 형성된 구리 박막층을 식각한 이후의 전극의 광학현미경 사진이다. 관찰한 광학현미경 사진이다. 도 8에서 관찰 되듯이, 패터닝된 고분자 나노섬유를 제외한 부분의 구리 박막층이 식각 용액에 의해 완벽하게 제거되고, PAN 나노섬유 마스크 부분만 그리드 형상으로 남아 있음을 확인할 수 있다. 이후 구리 박막 희생층을 보호하고 있던 폴리아크릴니트릴 고분자 나노섬유를 제거하기 위해 DMF 용매에 수 차례 세정을 실시하고, 잔류하는 용액을 건조하여, 구리 그리드 투명전극을 제조하였다.
도 9는 금속 희생층을 보호하고 있던 고분자 나노섬유를 제거한 뒤의 광학현미경 사진이다. 용매에 의해 고분자 보호층이 제거되어 구리색을 띄는 금속 그리드 형태의 전극을 확인할 수 있다.
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실시예
4] 은
나노와이어의
제조
우선 170 ℃ 이상의 온도에서도 견딜 수 있는 높은 끓는점을 갖는 용액인 에틸렌 글리콜(ethylene glycol) 200 ml, 폴리비닐피롤리돈(polyvinylpyrrolidone, PVP) 고분자 6.68 g, KBr 첨가제 0.1 g을 삼구 플라스크(three neck flask)에서 마그네틱바(magnetic bar)를 이용해 교반하고 170 ℃까지 가열하여 30 분 동안 안정화시켰다. 이때 PVP는 은 나노와이어의 특정 면으로의 성장을 방해하여 와이어 형상으로 성장하도록 도와주는 역할을 하며, 첨가제인 KBr은 용액 속에 은 이온의 농도가 일정하게 유지될 수 있도록 도와준다.
다음으로 안정된 용액에 볼밀링(ball-milling) 과정을 거친 미세 연마된 AgCl 가루 0.5 g을 넣어 초기 전구체를 제조하였다. 반응에 참여하지 않고 남은 AgCl 가루는 바닥에 남아 있을 수 있으며 미세 연마 정도 및 연마 결정면에 따라 은 나노와이어 성장 친화도가 달라지게 된다. 1 시간 후, 주요 반응 물질인 AgNO3 2.2 g을 적정한다. 이때, AgNO3를 에틸렌 글리콜 5 ml에 먼저 녹여서 용액상태로 실린지를 이용해 5 ml/hour의 속도로 일정하게 주입한다. 그 뒤 2 시간 동안 170 ℃로 가열해준다.
도 10 및 도 11은 본 발명의 실시예에 따라 합성한 은 나노와이어의 주사전자현미경 및 투과 전자현미경 사진을 보여주고 있다. 도 10에서 보여지듯이 균일한 형상의 은 나노와이어(직경 30 ~ 60 nm, 길이 10 ~ 50 μm)가 매우 잘 합성되었음을 확인할 수 있다. 고해상도 투과전자현미경 사진으로부터 은 나노와이어의 미세구조 및 결정성장 방향을 확인할 수 있었다. 은 나노와이어는 [011] 방향으로 성장하였고 (111) 면의 격자 간격이 0.2325 nm로 나타났고 FFT(Fast Fourier Transformation) 변환 이미지를 바탕으로 하여 단결정, 일방향의 성장이 이루어진 것을 확인하였다.
성장된 은 나노와이어 용액에서 순수한 은 나노와이어를 에틸렌 글리콜과 PVP로부터 분리해내기 위하여 1:4의 비율로 정제수 또는 에탄올에 희석한 다음 원심 분리 후 세척과정을 진행하였다. 한 번에 분리가 원활하게 이루어지지 않으므로 6 ~ 8 번 상기의 과정을 반복하였다. 처음에는 정제수에서 30 분 동안 2000 rpm으로 원심 분리한 뒤 아래 가라앉아 있는 은 입자(particle)들은 버리고 위에 떠 있는 용액을 이용했고 그 뒤로는 정제수에서 30 분 동안 2000 rpm으로 원심 분리한 뒤 위의 용액에 떠 있는 은 입자들을 버리고 아래 가라앉아 있는 은 나노와이어들을 이용하는 과정을 3 번 반복하였다. 정제수를 이용한 세척이 끝난 후 에탄올에서 위의 과정을 4 번 반복하였다.
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실시예
5] 구리 그리드-은
나노와이어
복합 투명전극 제조
본 실시예 5 에서는 실시예 3에서 제조한 구리 그리드 투명전극과 실시예 4에서 합성한 은 나노와이어를 복합화하여, 구리 그리드와 은 나노와이어가 서로 복합화된 투명전극을 제조하기 위한 실험을 진행하였다. 실시예 4에서 합성한 에탄올에 분산되어 있는 은 나노와이어 0.5 ml와 에탄올 50 ml를 충분하게 섞어준다. 초음파분산기(Sonicator)를 이용하면 수초 ~ 수분 이내로 효과적으로 은 나노와이어를 분산시킬 수 있다. 상기 은 나노와이어 용액을 나일론 여과지와 함께 감압하여 은 나노와이어를 나일론 여과지에 분포시킨다. 상기 나일론 여과지를 실시예 3에서 제조한 구리 그리드 투명전극 위에 은 나노와이어가 노출 된 부분과 맞닿게 겹치고 압력을 주어 은 나노와이어를 구리 그리드 투명전극 위에 전사시켜 구리 그리드-은 나노와이어 복합 투명전극을 제조하였다.
도 12에서는 구리 그리드-은 나노와이어 복합투명전극의 광학현미경 사진을 보여주고 있다. 구리 그리드의 형태를 그대로 유지하면서 은 나노와이어가 고르게 분포하고 있음을 보여주고 있다. 은 나노와이어는 금속 그리드 상부와 기판에 위치하고 있으며 금속 그리드가 존재하지 않는 공간에서의 전자의 이동을 보강해 주는 역할을 한다. 은 나노와이어의 로딩(loading) 양이 많아질수록 광투과도는 떨어지게 되며, 전기전도도는 높아지게 된다. 따라서 높은 광투과도를 유지하면서, 최소량의 은 나노와이어를 구리 그리드 기판 위에 전사시키는 것이 바람직하다.
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실시예
6]
폴리비닐아세티이트
고분자 나노섬유 마스크를 이용한 구리 그리드-은
나노와이어
복합 투명전극 제조
앞선 실시예 2와 실시예 3에서는 구리 그리드를 제조하기 위한 고분자 나노섬유 마스크 물질로 폴리비닐피롤리돈을 이용하였으나, 본 실시예 6에서는 고분자 마스크 물질을 폴리비닐아세테이트(PVAc, Polyvinylacetate)로 변경하여, 보다 미세한 구리 패턴을 형성하였다. PVAc 고분자는 DMF 와 THF 용매에 녹여 방사 용액을 제조하였다. 노즐은 100 mm 의 직경을 갖는 세라믹 노즐을 이용하였으며, EHD 공정 과정에서 토출속도는 0.05 ~ 1 ml/min 의 범위에서 조절하였다.
도 13의 (a)와 (b) 는 유리기판위에 코팅된 구리 박막층 위에 PVAc 고분자 나노섬유를 그리드 형상으로 프린팅한 사진을 보여주다. 도 13의 (a)에서 보여지듯이, 약 5 mm의 선폭을 갖는 PVAc 고분자 나노섬유가 구리 박막층 상층에 매우 균일하게 그리드 형상으로 패턴되어 있음을 확인할 수 있다. PVAc 그리드는 실시예 2에서와 같이 EHD 젯 프린팅 공정을 이용하여 직접 프린팅을 하였으며, PVAc 그리드 형성 후에는 실시예 3에서와 같이 DMF(N,N-dimethylformamide) 증기에 3분간 노출시켜, PVAc 나노섬유와 구리 박막층 사이의 결착력을 증대시켰다. 그 이후에 탈이온수 1L에 FeCl3 0.243 g을 넣은 저 농도식각 용액을 이용하여, PVAc가 마스크로 형성된 이외의 부분에 코팅되어 있는 구리 박막을 에칭하여 제거한 후에, 최종적으로 DMF 용액에 PVAc 고분자를 녹여내어, 도 13의 (c)와 (d)에서 보여지는 구리 그리드를 형성하였다. 도 13 (c)에서 보여지듯이, 구리 그리드는 PVAc의 섬유 직경보다 좀 더 작은 약 4 mm의 선폭을 가지며 매우 균일하게 형성되어짐을 확인할 수 있었으며, 도 13 (d)에서 보여지듯이, 전체적으로 매우 높은 광투과도를 가짐을 알 수 있었다.
도 14에서는 구리 그리드, 은 나노와이어, 구리 그리드-은 나노와이어 투명전극의 광투명도, 면저항을 나타낸 그래프와 표이다. 도 13에서 보여지듯이 고분자 나노섬유를 패턴 마스크로 이용하여 제조된 유리기판위에 제조된 구리 그리드의 경우, 94.7%의 높은 광투과도에서도 면저항 35 W/sq 의 매우 우수한 전기전도 특성을 때의 보여주었다. 은 나노와이어로만 구성된 투명전극의 경우 93.6%의 광투과도에서 면저항 102 W/sq의 값을 보여주어, 93% 이상의 높은 광투과도에서는 구리 그리드의 전기전도도 특성이 은 나노와이어보다 더욱 우수함을 확인할 수 있었다. 투명전극으로 손색없이 사용이 가능하기 위해서는 면저항 20 W/sq 수준의 전기전도 특성을 확보하는 것이 중요하다. 본 발명에서는 구리 그리드의 전기전도도 특성을 추가적으로 높여주기 위하여, 구리 그리드와 은 나노와이어를 서로 복합화한 투명전극을 제조하였다. 구리 그리드 위에 은 나노와이어 전극을 코팅한 후에 얻어진 결과에서 투과는 87.4%의 비교적 높은 광투과도를 유지하면서, 면저항 값이 21 W/sq 수준으로 낮아져, 구리 그리드의 면저항인 35 W/sq 보다 14 W/sq 정도 더욱 면저항이 낮아짐을 확인할 수 있었다.
도 15는 PVAc의 토출속도와 기판의 이동 속도를 더욱 최적화하여, PVAc 고분자 나노섬유의 그리드 선폭을 더욱 조절한 사진을 보여준다. 도 15 (a)와 (c) 에서는 4 mm와 1.5 mm의 선폭을 갖는 PVAc 고분자 나노섬유 그리드가 잘 형성되어 있음을 알 수 있다. 도 15 (c)는 4 mm의 선폭을 갖는 PVAc 고분자 그리드를 실시예 3과 동일한 공정 조건으로 에칭하여, 얻어진 구리 그리드의 사진으로 약 3 mm의 Cu 그리드를 갖는 투명전극 제조에 성공할 수 있었다. 최적화를 거쳐서 더욱 미세한 구리 그리드를 만드는 것이 가능함을 보여주는 결과이다.
이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서 본 발명에 기재된 실시예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의해서 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
Claims (15)
- 금속 그리드-금속 나노와이어 복합 투명전극의 제조방법에 있어서,
a) 유리 또는 플라스틱 기판 위에 금속 박막층을 증착하는 단계;
b) 상기 금속 박막층 위에 그리드 에칭용 하드 마스크로 이용하기 위한 고분자 나노섬유를 그리드 형상으로 고속 프린팅하여 고분자 나노섬유 마스크를 형성하는 단계;
c) 상기 고분자 나노섬유 마스크와 상기 금속 박막층 사이의 결착력을 증가시키는 단계;
d) 상기 고분자 나노섬유 마스크가 그리드 형태로 프린팅되어 코팅되어 있는 금속 박막층을 식각하여 상기 고분자 나노섬유 마스크가 코팅된 부분을 제외한 나머지 금속 박막층을 제거하는 단계;
e) 상기 금속 박막층에서 상기 고분자 나노섬유 마스크를 제거하여 금속 그리드를 형성하는 단계; 및
f) 상기 금속 그리드 위에 은 나노와이어를 코팅하여 금속 그리드-은 나노와이어 복합 투명전극을 제조하는 단계;
를 포함하는 것을 특징으로 하는 금속 그리드-은 나노와이어 복합 투명전극의 제조방법. - 제1항에 있어서,
상기 a) 단계는,
열증발법, 전자빔증발법, 또는 스퍼터링 방법을 이용하여 대면적으로 Al, Cu, Ni 및 Ag 중에서 선택된 하나의 금속 희생층을 상기 금속 박막층으로서 50 내지 500 nm 사이에서 선택된 두께로 코팅하는 것을 특징으로 하는 금속 그리드-은 나노와이어 복합 투명전극의 제조방법. - 제1항에 있어서,
상기 b) 단계는,
고분자가 용매에 녹아 있는 방사용액으로부터 EHD(Electrohydrodynamic Deposition) Jet Printing (젯 프린팅) 방법을 이용하여, 상기 고분자 나노섬유 마스크를 그리드 형상으로 제조하는 것을 특징으로 하는 금속 그리드-은 나노와이어 복합 투명전극의 제조방법. - 제1항에 있어서,
상기 b) 단계의 고분자 나노섬유 마스크로 이용되는 고분자는 금속 그리드 제조를 위한 에칭용 고분자 나노섬유 마스크로 사용이 가능한 고분자로서, 폴리아크릴로니트릴 (Polyacrilonitrile), 폴리비닐알콜 (Polyvinylalcohol), 폴리에틸렌 (Polyethylene), 폴리프로필렌 (Polypropylene), 폴리스틸렌 (Polystylene), 폴리비닐아세테이트 (Polyvinylacetate), 폴리비닐리덴플로라이드 (Polyvinylidene fluoride) 및 폴리메틸 메타크릴레이트 (Polymethyl methacrylate) 중 선택된 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 금속 그리드-은 나노와이어 복합 투명전극의 제조방법. - 제1항에 있어서,
상기 b) 단계의 고분자 나노섬유 마스크에 있어서, 고분자 나노섬유의 선폭은 200 nm ~ 100 μm의 범위에 포함되고, 나노섬유 사이의 간격은 10 μm ~ 500 μm의 범위에 포함되는 것을 특징으로 하는 금속 그리드-은 나노와이어 복합 투명전극의 제조방법. - 제1항에 있어서,
상기 c) 단계는,
그리드 형상으로 프린팅된 고분자 나노섬유를 고분자의 Tg 근처의 온도에서 열압착을 하여 상기 고분자 나노섬유 마스크와 상기 금속 박막층 사이의 접착력을 증가시키거나, 또는 용매가 담긴 비어커 안에서 용매 증발에 따른 고분자의 용융 과정을 통해 상기 고분자 나노섬유 마스크가 상기 금속 박막층에 강하게 밀착되는 것을 특징으로 하는 금속 그리드-은 나노와이어 복합 투명전극의 제조방법. - 제1항에 있어서,
상기 d) 단계는,
드라이 식각(etching) 또는 화학적 식각을 통해, 상기 고분자 나노섬유 마스크가 코팅된 부분에는 영향을 주지 않으면서, 상기 고분자 나노섬유 마스크가 코팅된 그리드 형상의 금속 박막층 부분을 제외한 나머지 금속 박막층만을 선택적으로 제거하는 것을 특징으로 하는 금속 그리드-은 나노와이어 복합 투명전극의 제조방법. - 제1항에 있어서,
상기 e) 단계는,
식각 후에 남아 있는 그리드 형상의 금속 박막층에서 용매로 상기 그리드 형상의 금속 박막층에 코팅된 상기 고분자 나노섬유 마스크를 녹여서 제거함으로써 최종적으로 금속 그리드를 형성하는 것을 특징으로 하는 금속 그리드-은 나노와이어 복합 투명전극의 제조방법. - 제1항에 있어서,
상기 f) 단계는,
은 나노와이어 분산용액을 상기 고분자 나노섬유 마스크로부터 얻어진 금속 그리드가 형성된 기판위에 프린팅하거나 또는 스프레이 방식으로 코팅하여, 은 나노와이어 간의 컨택과 금속 그리드-은 나노와이어 간의 컨택이 공존하는 것을 특징으로 하는 금속 그리드-은 나노와이어 복합 투명전극의 제조방법. - 고분자 나노섬유가 유리 내지는 플라스틱 기판위에 코팅되어 있는 금속 박막층 위에 그리드 형상으로 전기수력학적(Electrohydrodynamic; EHD) 방식으로 프린팅되어, 금속 에칭용 하드마스크로 사용되고, 금속 박막층의 식각 후에 고분자 나노섬유 마스크를 제거하여 얻어지는 금속 그리드
를 포함하는 것을 특징으로 하는 투명 전극. - 제10항에 있어서,
상기 금속 그리드를 구성하는 금속선의 직경은 200 nm 내지 100 μm의 범위에 포함되고, 배선간격은 10 μm 내지 1,000 μm의 범위에 포함되는 것을 특징으로 하는 투명 전극. - 제10항에 있어서,
상기 금속 그리드를 구성하는 금속은 Al, Cu, Ni 및 Ag 중에서 선택된 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 투명 전극. - 제10항에 있어서,
상기 금속 그리드 투명 전극에 결합되는 은 나노와이어를 더 포함하고,
상기 금속 그리드를 구성하는 금속선과 은 나노와이어간의 컨택 및 은 나노와어이들간의 컨택이 공존하여 금속 그리드-은 나노와이어 복합 투명 전극을 구성하는 것을 특징으로 하는 투명 전극. - 제13항에 있어서,
상기 금속 그리드-은 나노와이어 복합 투명전극의 상층에 그래핀, ZnO, Al-doped ZnO, Ga-doped ZnO, ITO 및 SnO2 중에서 선택된 하나 이상의 버퍼층이 코팅되는 것을 특징으로 하는 투명 전극. - 제10항 내지 제14항 중 어느 한 항의 투명전극을 포함하는 장치.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020150151344A KR101777016B1 (ko) | 2015-10-29 | 2015-10-29 | 금속 그리드-은 나노와이어 복합 투명전극 및 고분자 나노섬유 마스크를 이용한 금속 그리드 제조방법 |
Applications Claiming Priority (1)
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