KR20170083885A - 투명 전극 제조방법 및 이에 의해 제조된 투명 전극 - Google Patents

투명 전극 제조방법 및 이에 의해 제조된 투명 전극 Download PDF

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박정호
안병욱
백승빈
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김선우
김석훈
박종환
신세희
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Abstract

투명전극의 제조방법이 개시된다. 투명전극은 기판의 상부면 상에 포토레지스트 패턴을 형성하고, 그 위에 금속 박막을 형성하며, 이어서 금속 박막 상에 그래핀 복합체 박막을 형성한 후 포토레지스트 패턴을 제거함으로써 형성될 수 있다.

Description

투명 전극 제조방법 및 이에 의해 제조된 투명 전극{METHOD OF MANUFACTURING TRANSPARENT ELECTRODE AND TRANSPARENT ELECTRODE MANUFACTURED BY THE METHOD}
본 발명은 투명 전극 제조방법 및 이에 의해 제조된 투명 전극에 관한 것으로서, 광투과율이 높으면서 전기 전도성이 낮은 투명 전극을 제공할 수 있다.
현재 투명 전극으로는 ITO(Indium Tin Oxide)가 가장 널리 사용되고 있다. 하지만, ITO는 희토류 원소인 인듐을 함유하고 있어서 가격 불안 요소를 내재하고 있고, 취성이 강하여 대면적이나 플렉시블 소자의 적용이 제한된다.
이러한 ITO의 문제점을 해결하기 위해 실버 나노와이어 전극이나 금속 메쉬 전극이 개발 중에 있고, 현재 실버 나노와이어 전극이나 금속 메쉬 전극의 투과도나 저항값은 상용화 가능 수준까지 도달하였다. 하지만, 실버 나노와이어 전극의 경우에는 헤이즈(Haze) 값이 높은 문제점이 있고, 금속 메쉬 전극의 경우에는 금속의 반사 특성으로 인한 시인성 저하의 문제점이 있다. 특히, 금속 메쉬 전극의 시인성 저하를 해결하기 위해서는 금속 메쉬의 선폭을 감속시킬 필요가 있는데, 이 경우 선폭 감소로 인하여 저항이 증가하는 문제점이 있다.
본 발명의 일 목적은 광투과율이 높으면서 시인성을 향상시킬 수 있으며 전기 전도성이 높은 투명전극의 제조방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 상기의 제조방법으로 제조된 투명전극을 제공하는 것이다.
본 발명의 실시예에 따른 투명전극의 제조방법은 기판의 상부면 상에 포토레지스트 패턴을 형성하는 단계; 상기 포토레지스트 패턴 상부면에 형성된 제1 금속 박막 및 상기 포토레지스트 패턴에 의해 노출된 상기 기판의 상부면 형성된 제2 금속 박막을 포함하는 금속 박막을 형성하는 단계; 금속 분말 및 상기 금속 분말 표면을 피복하는 그래핀을 포함하는 그래핀 복합체 분말이 분산된 용액을 도포하여, 상기 제1 금속 박막 및 상기 제2 금속 박막 상에 각각 형성된 제1 그래핀 복합체 박막 및 제2 그래핀 복합체 박막을 포함하는 그래핀 복합체 박막을 형성하는 단계; 상기 포토레지스트 패턴, 상기 제1 금속 박막 및 상기 제1 그래핀 복합체 박막을 제거하는 단계; 및 상기 제2 금속 박막 및 상기 제2 그래핀 복합체 박막을 열처리하는 단계를 포함한다.
일 실시예에 있어서, 상기 투명전극의 제조방법은 상기 포토레지스트 패턴 형성 후 상기 금속 도금막 형성 전에 상기 기판의 상부면 중 상기 포토레지스트 패턴에 의해 노출된 부분을 산소 플라즈마로 처리하는 단계를 더 포함할 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 금속 박막은 스퍼터링, 스핀코팅 또는 스프레이 코팅의 방법으로 형성될 수 있고, 구리(Cu) 또는 은(Ag)을 포함할 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 제1 금속 박막과 상기 제2 금속 박막은 상기 포토레지스트 패턴의 측면에 의해 서로 이격되도록 형성될 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 금속 분말은 구리, 은, 백금 및 니켈로 이루어진 그룹으로부터 선택된 하나 이상의 금속을 포함할 수 있고, 상기 그래핀 복합체 분말의 크기는 10nm 이상 100nm 이하일 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 그래핀 복합체 분말이 분산된 용액은 상기 그래핀 복합체 분말 및 방향족 탄화수소를 포함하는 유기 바인더 물질을 포함할 수 있고, 상기 제2 금속 박막 및 상기 제2 그래핀 복합체 박막을 열처리하는 단계는 250 내지 350℃에서 수행될 수 있다. 이 경우, 상기 열처리 단계에서 상기 유기 바인더 물질의 탄화물이 상기 그래핀 복합체 박막에 잔류할 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 제1 그래핀 복합체 박막과 상기 제2 그래핀 복합체 박막은 상기 포토레지스트 패턴의 측면에 의해 서로 이격되도록 형성될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 투명전극은 기판 상에 배치된 격자 형상의 금속 도금막; 및 상기 금속 도금막 상에 배치되고, 금속 분말 및 상기 금속 분말 표면을 피복하는 그래핀을 구비하는 그래핀 복합체 분말들 및 상기 그래핀 복합체 분말들 사이에 배치된 방향족 유기물의 탄화물을 포함하는 그래핀 복합체 박막을 포함한다.
본 발명의 실시예에 따른 투명 전극 및 이의 제조방법에 따르면, 금속 박막 상에 그래핀 복합체 박막을 형성하므로 금속 박막의 산화를 방지할 수 있을 뿐만 아니라 금속 박막에 의한 광 반사를 감소시켜 시인성을 향상시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 투명전극 제조방법을 설명하기 위한 순서도이다.
도 2a 내지 도 2f는 도 1에 도시된 투명전극의 제조방법에 따른 공정도들이다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 대해 상세히 설명한다. 본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있는 바, 특정 실시 예들을 도면에 예시하고 본문에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명을 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용하였다. 첨부된 도면에 있어서, 구조물들의 치수는 본 발명의 명확성을 기하기 위하여 실제보다 확대하여 도시한 것이다.
본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서 상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 투명전극 제조방법을 설명하기 위한 순서도이고, 도 2a 내지 도 2f는 도 1에 도시된 투명전극의 제조방법에 따른 공정도들이다.
도 1 및 도 2a 내지 도 2f를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 투명전극 제조방법은 기판(10) 상에 포토레지스트 패턴(110)을 형성하는 단계(S110); 상기 포토레지스트 패턴(110)이 형성된 기판(10) 상에 금속 박막(120)을 형성하는 단계(S120); 상기 금속 박막(120) 상에 그래핀 복합체 박막(130)을 형성하는 단계(S130); 및 상기 포토레지스트 패턴(110)을 제거하는 단계(S140)를 포함한다.
상기 기판(10) 상에 포토레지스트 패턴(110)을 형성하는 단계(S110)에 있어서, 상기 기판(10)으로는 전자기기에 적용될 수 있는 기판이 제한 없이 사용될 수 있다. 예를 들면, 상기 기판(10)으로는 절연막이 형성된 반도체 기판, 고분자 기판, 글라스 기판, 기타 공지의 기판이 제한 없이 사용될 수 있다.
상기 포토레지스트 패턴(110)은 도 2b에 도시된 바와 같이 일정한 선폭을 갖는 복수의 선형 패턴을 포함하거나 이와 달리 서로 교차하는 복수의 선형 패턴들로 이루어진 격자형 패턴을 포함하도록 형성될 수 있다. 상기 포토레지스트 패턴(110)에 있어서, 상기 선형 패턴은 약 1 내지 10㎛의 선폭을 가질 수 있고, 인접한 선형 패턴 사이의 이격공간의 폭은 약 100 내지 200㎛일 수 있다. 일 예로, 상기 포토레지스트 패턴(110)은 상기 기판(10) 상에 포토레지스트막을 형성한 후 상기 포토레지스트 패턴(110)에 대응하는 마스크를 이용한 노광 및 현상을 통해 형성될 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 포토레지스트 패턴(110)을 형성한 후 상기 기판(10)과 이 후 형성될 상기 금속 박막(120) 사이의 접착력을 향상시키기 위하여 상기 기판(10)의 노출면은 산소 플라즈마 처리될 수 있다.
상기 포토레지스트 패턴(110)이 형성된 기판(10) 상에 금속 박막(120)을 형성하는 단계(S120)에 있어서, 상기 금속 박막(120)은 전기 전도성 금속 물질, 예를 들면, 구리(Cu), 은(Ag) 등으로 형성될 수 있다. 상기 금속 박막(120)은 스퍼터링, 스핀코팅, 스프레이 코팅 등의 방법으로 형성될 수 있다.
상기 금속 박막(120)은 상기 포토레지스트 패턴(110)의 상부면에 형성된 제1 금속 박막(120a) 및 상기 포토레지스트 패턴들(110) 사이에 노출된 상기 기판(10)의 상부면에 형성된 제2 금속 박막(120b)을 포함하도록 형성될 수 있고, 상기 제1 금속 박막(120a)은 이후 상기 포토레지스트 패턴(110)과 함께 제거되어야 하므로, 상기 제1 금속 박막(120a)과 상기 제2 금속 박막(120b)은 상기 포토레지스트 패턴(110)의 측면에 의해 서로 이격되도록 형성되는 것이 바람직하다.
상기 금속 박막(120) 상에 그래핀 복합체 박막(130)을 형성하는 단계(S130)에 있어서, 상기 그래핀 복합체 박막(130)은 상기 금속 박막(120)이 형성된 상기 기판(10) 상에 그래핀 복합체 분말의 분산 용액을 도포한 후 건조시킴으로써 형성될 수 있다. 이 경우, 상기 그래핀 복합체 분말은 그래핀이 표면에 코팅된 금속 분말을 의미하고, 상기 그래핀은 약 1 내지 10층의 탄소 원자층을 포함할 수 있으며, 상기 그래핀 복합체 분말의 금속 코어는 전기 전도성 금속물질, 예를 들면, 구리(Cu), 은(Ag), 백금(Pt), 니켈(Ni) 등으로 형성될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 그래핀 복합체 분말의 분산 용액은 상기 그래핀 복합체 분말과 함께 방향족 탄화수소를 포함하는 유기 바인더 물질을 포함할 수 있다. 일 예로, 상기 방향족 탄화수소를 포함하는 유기 바인더 물질은 셀룰로오스 또는 이의 유도체를 포함할 수 있다. 이후 설명될 상기 포토레지스트 패턴(110)의 제거 후 수행되는 약 250 내지 350℃의 열처리 단계에서, 상기 유기 바인더 물질은 분해되어 탄화물을 형성할 수 있고 이러한 탄화물은 상기 그래핀 복합체 분말 사이의 전하 이동을 향상시켜 상기 그래핀 복합체 박막(130)의 전기 전도도를 향상시킬 수 있다. 구체적으로, 상기 약 250 내지 350℃의 열처리 단계에서, 상기 유기 바인더 물질은 방향족 고리별로 분해되어 탄화되기 때문에, 상기 유기 바인더 물질의 분해 잔류물과 상기 그래핀 복합체 분말 사이에는 파이-파이 스태킹(π-π stacking)이 형성될 수 있고, 그 결과 상기 그래핀 복합체 분말 사이의 전하 이동이 향상될 수 있다. 또한, 상기 유기 바인더 물질의 분해 잔류물은 상기 그래핀 복합체 박막(130)의 밀도를 향상시킬 수 있고, 이러한 그래핀 복합체 박막의 밀도 증가는 굽힘 응력에 대한 내구성 등과 같은 상기 그래핀 복합체 박막(130)의 기계적 특성을 향상시킬 수 있다. 한편, 상기 그래핀 복합체 분말의 분산 용액에 있어서, 상기 그래핀 복합체 분말은 약 1 내지 100 nm의 평균 직경을 가질 수 있고, 약 1 내지 10 중량%의 비율로 포함될 수 있다.
상기 그래핀 복합체 분말의 분산 용액을 상기 기판 상에 도포하는 방법은 특별히 제한되지 않는다. 예를 들면, 상기 그래핀 복합체 분말의 분산 용액은 스핀코팅, 스프레이코팅, 제트프린팅 등의 방법으로 상기 기판 상에 도포될 수 있다.
상기 그래핀 복합체 박막(130)은 상기 제1 금속 박막(120a) 상에 형성된 제1 그래핀 복합체 박막(130a) 및 상기 제2 금속 박막(120b) 상에 형성된 제2 그래핀 복합체 박막(130b)을 포함하도록 형성될 수 있고, 이 경우, 상기 제1 금속 박막(120a) 상에 형성된 제1 그래핀 복합체 박막(130a)은 이후 상기 포토레지스트 패턴(110)과 함께 제거되어야 하므로, 상기 제1 그래핀 복합체 박막(130a)과 상기 제2 그래핀 복합체 박막(130b)은 상기 포토레지스트 패턴(110)의 측면에 의해 서로 이격되도록 형성되는 것이 바람직하다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 그래핀 복합체 분말의 분산 용액을 도포하고 건조한 후, 상기 금속 박막(120)과 상기 그래핀 복합체 박막(130)의 접착력을 향상하기 위하여 약 50 내지 200℃의 온도에서 약 1 내지 20분 동안 열처리할 수 있다. 예를 들면, 상기 기판(10)으로 고분자 기판이 사용된 경우, 상기 열처리는 약 50 내지 120℃의 온도에서 수행될 수 있고, 상기 기판(10)으로 글라스 기판이 사용된 경우, 상기 열처리는 약 50 내지 200℃의 온도에서 수행될 수 있다.
상기 포토레지스트 패턴(110)을 제거하는 단계(S140)에 있어서, 리프트 오프(lift-off) 공정을 통해 상기 포토레지스트 패턴(110)을 제거함으로써 그 위에 형성된 상기 제1 금속 박막(120a) 및 상기 제1 그래핀 복합체 박막(130a)이 함께 제거될 수 있고, 그 결과, 상기 기판(10) 상에는 상기 제2 금속 박막(120b) 및 상기 제2 그래핀 복합체 박막(130b)을 포함하는 전극 구조물이 형성될 수 있다.
이어서 상기 제2 금속 박막(120b)과 상기 제2 그래핀 복합체 박막(130b) 사이의 접착력을 향상시키고 상기 제2 그래핀 복합체 박막(130b)에 포함된 유기 바인더 물질을 분해하기 위해, 상기 제2 금속 박막(120b) 및 상기 제2 그래핀 복합체 박막(130b)을 포함하는 전극 구조물은 약 250 내지 350℃의 온도에서 약 1 내지 3시간 동안 열처리될 수 있다.
이와 같이 제조된 본 발명의 실시예에 따른 투명 전극은 도 2d에 도시된 바와 같이 금속 박막 및 그래핀 복합체 박막을 포함한다.
상기 금속 박막은 일정한 선폭을 갖고 서로 전기적으로 연결된 복수의 선형 패턴을 포함하거나 이와 달리 서로 교차하는 복수의 선형 패턴들로 이루어진 격자형 패턴을 포함할 수 있다. 상기 금속 박막은 전기 전도성 금속 물질, 예를 들면, 구리(Cu), 은(Ag) 등으로 형성될 수 있다.
상기 그래핀 복합체 박막은 상기 금속 박막의 상부면을 피복하도록 배치되고, 상기 금속 박막과 실질적으로 동일한 형상을 가질 수 있다. 상기 그래핀 복합체 박막은 그래핀 복합체 분말들 및 이들 사이에 배치된 방향족 유기물의 탄화물을 포함할 수 있다. 상기 방향족 유기물의 탄화물은 상기 그래핀 복합체 분말 표면의 그래핀과 파이-파이 스태킹(π-π stacking)이 형성하여 전하의 이동을 촉진할 수 있으므로, 상기 그래핀 복합체 박막의 전기 전도도를 향상시킬 수 있다.
상기 방향족 유기물의 탄화물은 앞에서 설명한 바와 같이 셀룰로우스 또는 이의 유도체와 같은 방향족 탄화수소를 포함하는 유기 바인더 물질을 포함하는 그래핀 복합체 분말의 분산 용액을 상기 금속 도금막 상에 도포한 후 이를 약 250 내지 350℃에서 열처리하는 과정에서 생성될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 투명 전극 및 이의 제조방법에 따르면, 금속 박막 상에 그래핀 복합체 박막을 형성하므로 금속 박막의 산화를 방지할 수 있을 뿐만 아니라 상기 그래핀 복합체 박막이 검정색 계열의 색을 띄므로 상기 투명 전극에 의한 광 반사를 감소시킬 수 있다.
상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
10: 기판 110: 포토레지스트 패턴
120: 금속 박막 130: 그래핀 복합체 박막

Claims (10)

  1. 기판의 상부면 상에 포토레지스트 패턴을 형성하는 단계;
    상기 포토레지스트 패턴 상부면에 형성된 제1 금속 박막 및 상기 포토레지스트 패턴에 의해 노출된 상기 기판의 상부면 형성된 제2 금속 박막을 포함하는 금속 박막을 형성하는 단계;
    금속 분말 및 상기 금속 분말 표면을 피복하는 그래핀을 포함하는 그래핀 복합체 분말이 분산된 용액을 도포하여, 상기 제1 금속 박막 및 상기 제2 금속 박막 상에 각각 형성된 제1 그래핀 복합체 박막 및 제2 그래핀 복합체 박막을 포함하는 그래핀 복합체 박막을 형성하는 단계;
    상기 포토레지스트 패턴, 상기 제1 금속 박막 및 상기 제1 그래핀 복합체 박막을 제거하는 단계; 및
    상기 제2 금속 박막 및 상기 제2 그래핀 복합체 박막을 열처리하는 단계를 포함하는 투명 전극의 제조방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 포토레지스트 패턴 형성 후 상기 금속 도금막 형성 전에 상기 기판의 상부면 중 상기 포토레지스트 패턴에 의해 노출된 부분을 산소 플라즈마로 처리하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 투명 전극의 제조방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 금속 박막은 스퍼터링, 스핀코팅 또는 스프레이 코팅의 방법으로 형성되고, 구리(Cu) 또는 은(Ag)을 포함하는 것을 특징으로 하는 투명 전극의 제조방법.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 제1 금속 박막과 상기 제2 금속 박막은 상기 포토레지스트 패턴의 측면에 의해 서로 이격되도록 형성되는 것을 특징으로 하는 투명 전극의 제조방법.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 금속 분말은 구리, 은, 백금 및 니켈로 이루어진 그룹으로부터 선택된 하나 이상의 금속을 포함하고,
    상기 그래핀 복합체 분말의 크기는 10nm 이상 100nm 이하인 것을 특징으로 하는 투명 전극의 제조방법.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 그래핀 복합체 분말이 분산된 용액은 상기 그래핀 복합체 분말 및 방향족 탄화수소를 포함하는 유기 바인더 물질을 포함하고,
    상기 제2 금속 박막 및 상기 제2 그래핀 복합체 박막을 열처리하는 단계는 250 내지 350℃에서 수행되는 것을 특징으로 하는 투명 전극의 제조방법.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 열처리 단계에서 상기 유기 바인더 물질의 탄화물이 상기 그래핀 복합체 박막에 잔류하는 것을 특징으로 하는 투명 전극의 제조방법.
  8. 제5항에 있어서,
    상기 제1 그래핀 복합체 박막과 상기 제2 그래핀 복합체 박막은 상기 포토레지스트 패턴의 측면에 의해 서로 이격되도록 형성되는 것을 특징으로 하는 투명 전극의 제조방법.
  9. 기판 상에 배치된 격자 형상의 금속 도금막; 및
    상기 금속 도금막 상에 배치되고, 금속 분말 및 상기 금속 분말 표면을 피복하는 그래핀을 구비하는 그래핀 복합체 분말들 및 상기 그래핀 복합체 분말들 사이에 배치된 방향족 유기물의 탄화물을 포함하는 그래핀 복합체 박막을 포함하는 투명 전극.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 방향족 유기물의 탄화물은 상기 그래핀 복합체 분말 표면의 그래핀과 파이-파이 스태킹(π-π stacking)이 형성하는 것을 특징으로 하는 투명 전극.
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KR20220160754A (ko) * 2021-05-28 2022-12-06 고려대학교 산학협력단 신축성 기판의 직접 패터닝 방법 및 이를 통하여 제조된 신축성 전극

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