KR20190087899A - 투과도가 조절된 신축성 전극, 이의 제조방법, 및 이를 포함하는 장치 - Google Patents
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Abstract
신축성 기재; 및 상기 신축성 기재 상에 제공되는 전도성 코팅층;을 포함하고, 상기 신축성 기재 및 전도성 코팅층을 동시에 관통하는 복수의 관통홀(through hole)을 포함하는 투명 신축성 전극이 제공된다.
Description
본 발명은 투과도가 조절된 신축성 전극, 이의 제조방법, 및 이를 포함하는 장치에 관한 것이다.
투명 신축성 전극은 신축성 디스플레이, 태양전지, 에너지 저장 장치, 의료용 센서, 히터, 웨어러블 장치 등의 다양한 분야에서 적용이 가능한 재료이다.
최근 투명성을 갖는 신축성 전극을 구현하기 위하여, 기존의 유연성 투명 전극에서 주로 사용되어 왔던 소재들을 기반으로 다방면의 연구가 진행되어 왔다. 그 중, 유연성 전극에서 주로 사용되었던, 금속나노와이어, 탄소소재, 전도성 폴리머 등의 소재와 탄성체를 조합하려는 시도가 있어 왔다. 예를 들어, 투명도가 높고 신축성을 갖는 폴리디메틸실록산(PDMS)을 탄성체로 사용하고, 상기 탄성체 내부에 금속나노와이어를 내장시킴으로써 탄성체에 인장력이 가해져도 그 내부에서 금속나노와이어 간의 네트워크 구조로 인해 전기전도도를 유지할 수 있는 투명 신축 전극이 보고되어 있다. 또한, 탄소나노튜브 또는 전도성 폴리머를 탄성체와 적절히 혼합하여 제조한 투명 신축 전극도 보고되어 있다. 하지만, 이러한 전극들은 탄성체에 높은 인장력이 가해지는 경우 전기전도도를 유지하기 어렵다는 한계점이 존재한다.
이를 극복하기 위한 방법으로, 투명도가 높은 신축성 기재를 일축(uni-axial) 또는 이축(bi-axial) 방향으로 스트레칭(stretching)한 상태에서, 그 표면에 전도층을 형성한 후, 스트레칭된 기재를 원상태로 회복시키는 방법을 통해 제작될 수 있다. 이 경우, PDMS 기재 상에 코팅된 전도층이 주름진(wrinkled wavy) 구조를 가지며, 이러한 주름진 구조는 전극에 인장력이 작용하였을 때 전극에 가해지는 응력을 최소화할 수 있다는 장점이 있다. 하지만, 주름진 구조로 인해 표면조도가 높아 광투과도가 낮고, 주름진 구조로 인해 전도성 물질들이 조밀하게 압축되어 광투과도가 낮아진다는 한계점이 존재한다.
또한, 이러한 투명 신축성 전극의 전도층을 형성하는 물질로서, 금속나노와이어, 탄소나노튜브 등이 사용될 수 있으나, 반복적인 신축 과정에서 나노와이어 또는 탄소나노튜브의 접합 부분에서 균열이 발생되는 문제점이 존재하여, 전도층 재료의 선택에 제약이 있었다. 뿐만 아니라, 일정 이상의 인장력이 작용하는 경우 저항이 급격히 증가하는 문제점도 존재했다.
따라서, 고투명성 및 신축성을 동시에 보유하면서, 접합 저항이 없는 고투명 신축성 전극에 관한 요구가 여전히 존재하는 상황이다.
본 발명의 일 측면은 고투명성 및 신축성을 동시에 보유하면서, 접합 저항이 없는 고투명 신축성 전극을 제공한다.
일 측면에 따르면, 신축성 기재; 및 상기 신축성 기재 상에 제공되는 전도성 코팅층;을 포함하고, 상기 신축성 기재 및 전도성 코팅층을 동시에 관통하는 복수의 관통홀(through hole)을 포함하는 신축성 전극이 제공된다.
일 실시예에 따르면, 상기 신축성 전극 중 상기 전도성 코팅층이 상기 신축성 기재와 접촉하고, 일체(Uni-body)형으로 구성될 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 복수의 관통홀은 상기 신축성 전극의 일면의 전체 면적 중 10 내지 90%를 차지할 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 복수의 관통홀은 서로 40 nm 내지 20 ㎛의 간격으로 제공될 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 관통홀의 평균 직경은 10㎛ 이상일 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 신축성 기재는 하기 수학식 1에 따라 계산되며, 100% 내지 400%의 신축성을 가질 수 있다:
<수학식 1>
신축성(%) = [(L2-L1)/L1] x 100
여기서, L2은 기재의 최대 신장 길이이고, L1는 기재의 신장 전 길이이다.
일 실시예에 따르면, 상기 신축성 기재는 이축 신축성(biaxial stretchable) 기재일 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 신축성 기재는 스티렌-부타디엔-스티렌 고무, PDMS, 에코플렉스, 고무, 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 전도성 코팅층은 상기 신축성 기재의 일면에만 제공될 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 전도성 코팅층은 전도성 폴리머, 이온성 액체, 금속입자, 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 전도성 코팅층은 금속입자를 포함할 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 신축성 전극은 투광성일 수 있다.
다른 측면에 따르면, 복수의 관통홀을 포함하는 신축성 기재를 제공하는 단계; 및 상기 신축성 기재 상에 전도성 재료를 제공하여 전도성 코팅층을 형성하는 단계;를 포함하는 신축성 전극의 제조 방법이 제공된다.
일 실시예에 따르면, 상기 복수의 관통홀을 포함하는 신축성 기재를 제공하는 단계는, (i) 신축성 재료를 수용할 수 있는 다수의 홈부를 구비한 금형을 준비하는 단계; (ii) 상기 금형 내에 신축성 재료를 주입하는 단계; 및 (iii) 상기 신축성 재료를 경화시킨 후, 상기 금형으로부터 제거하는 단계;를 포함할 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 전도성 코팅층을 제공하는 단계는, (i) 상기 복수의 관통홀을 포함하는 신축성 기재를 이축방향으로(biaxially) 스트레칭(stretching)하는 단계; 및 (ii) 상기 신축성 기재에 전도성 재료를 제공하는 단계; 및 (iii) 상기 스트레치된 신축성 기재를 원상태로 회복시키는 단계;를 포함할 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 전도성 재료는 금속 입자이고, 상기 전도성 코팅층은 금속 코팅층일 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 전도성 재료는 금속 입자이고, 상기 금속 입자가 수직 증착 방식으로 제공될 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 전도성 재료는 상기 신축성 기재의 복수의 관통홀의 외주면에는 제공되지 않을 수 있다.
다른 측면에 따르면, 전술한 신축성 전극을 포함하는 전자 장치가 제공된다.
일 실시예에 따르면, 상기 전자 장치는 LED, 태양전지, 웨어러블(wearable) 장치, 에너지 저장 장치, 센서 또는 히터를 포함할 수 있다.
일 측면에 따른 신축성 전극은 고투명도, 고신축성을 가지며, 이와 동시에 전도층에서 접합 저항(junction resistance)에 따른 전도도 손실이 없다.
도 1은 일 측면에 따른 신축성 전극의 사시도이다.
도 2는 신축성 기재의 제조 방법을 나타내는 순서도이다.
도 3은 신축성 전극의 제조 방법을 나타내는 순서도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따라 제작된 투명 신축성 전극의 투광성을 보여주는 사진이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따라 제작된 투명 신축성 전극에 사용된 신축성 기재의 신축성을 보여주는 사진이다.
도 2는 신축성 기재의 제조 방법을 나타내는 순서도이다.
도 3은 신축성 전극의 제조 방법을 나타내는 순서도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따라 제작된 투명 신축성 전극의 투광성을 보여주는 사진이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따라 제작된 투명 신축성 전극에 사용된 신축성 기재의 신축성을 보여주는 사진이다.
본 발명은 다양한 변환을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변환, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.
제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 구성요소들은 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.
본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 또한 각 도면에서, 구성요소는 설명의 편의 및 명확성을 위하여 과장되거나 생략되거나 또는 개략적으로 도시되었으며, 각 구성요소의 크기는 실제크기를 전적으로 반영하는 것은 아니다.
각 구성요소의 설명에 있어서, 상(on)에 또는 하(under)에 형성되는 것으로 기재되는 경우에 있어, 상(on)과 하(under)는 직접 또는 다른 구성요소를 개재하여 형성되는 것을 모두 포함하며, 상(on) 및 하(under)에 대한 기준은 도면을 기준으로 설명한다.
이하, 본 발명의 실시 예를 첨부도면을 참조하여 상세히 설명하기로 하며, 첨부 도면을 참조하여 설명함에 있어, 동일하거나 대응하는 구성 요소는 동일한 도면번호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 투명 신축성 전극을 개략적으로 도시한 사시도이다.
먼저 도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 투명 신축성 전극(10)은 신축성 기재(11); 및 신축성 기재(11) 상에 위치하는 전도성 코팅층(12)을 포함하고, 신축성 기재(11) 및 전도성 코팅층(12)을 동시에 관통하는 복수의 관통홀(13)(through hole)을 포함할 수 있다.
일 실시예에 따르면, 신축성 전극(10) 중 전도성 코팅층(12)은 신축성 기재(11)의 상면 또는 히면과 직접 접촉(directly contact)하도록 구성될 수 있다. 이 경우, 전도성 코팅층(12) 및 신축성 기재(11)는 일체(Uni-body)형으로 구성될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
전도성 코팅층(12) 및 신축성 기재(11)가 일체형으로 구성됨으로 인해, 관통홀(13)의 내주면은 신축성 기재(11)로 형성된 내주면 및 전도성 코팅층(12)으로 형성된 내주면을 갖는다. 또한, 전도성 코팅층(12)은 신축성 기재(11)를 통과하는 관통홀의 내주면에 형성되지 않고, 신축성 기재(11)의 상부 및/또는 하부 표면에 형성될 수 있다.
일 실시예에 따르면, 복수의 관통홀(13)은 신축성 전극(10)의 일면의 전체 면적 중 약 10 내지 90%를 차지할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 예를 들어, 복수의 관통홀(13)은 신축성 전극(10)의 일면의 전체 면적 중 약 10% 내지 약 89%, 약 10% 내지 약 88%, 약 10% 내지 약 87%, 약 10% 내지 약 86%, 약 10% 내지 약 85%, 약 10% 내지 약 80%, 약 10% 내지 약 70%, 약 15% 내지 약 90%, 약 20% 내지 약 90%, 또는 약 25% 내지 약 90%를 차지할 수 있다.
상기 복수의 관통홀(13)이 차지하는 면적 비율이 상기 범위에 해당하는 경우, 우수한 광투과도를 얻을 수 있고, 인장시 기재의 찢어짐을 방지할 수 있다.
도 1에서는 복수의 관통홀이 원기둥 형상으로 도시되지만, 상기 복수의 관통홀(13)의 형상은 특별히 제한되지 않으며, 육각기둥 형상, 삼각기둥 형상 등의 다양한 기하학적 형상을 가질 수 있다.
도 1에서는 복수의 관통홀이 일정한 간격으로 제공되어 있지만, 상기 복수의 관통홀(13)들 간의 간격은 특별히 제한되지 않는다. 예를 들어, 상기 복수의 관통홀(13)은 서로 약 40 nm 내지 약 20 ㎛의 간격으로 제공될 수 있다.
상기 복수의 관통홀(13)들의 간격이 지나치게 좁은 경우, 기재의 스트레칭시에 해당 부분이 인장력을 견디지 못하고 파괴될 수 있으므로, 상기 범위를 만족하는 것이 바람직하다.
일 실시예에 따르면, 관통홀(13)의 평균 직경은 약 10㎛ 이상일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니며, 가시광을 투과하기에 적절한 크기라면 적용가능하다.
관통홀의 평균 직경이 나노미터 크기인 경우, 가시광 파장 범위에 해당하는 모든 광을 통과시킬 수 없고, 일부는 반사시키므로, 색을 나타낼 수 밖에 없다. 따라서, 관통홀은 모든 가시광을 투과시키기 위한 관점에서 약 10㎛ 이상인 것이 바람직하다.
일 실시예에 따르면, 신축성 기재(11)는 하기 수학식 1에 따라 계산되며, 100% 내지 400%의 신축성을 가질 수 있는 재료가 사용될 수 있다:
<수학식 1>
신축성(%) = [(L2-L1)/L1] x 100
여기서, L2은 최대로 스트레칭된 기재의 길이이고, L1는 초기 기재 길이이다.
또 다른 실시예에 따르면, 신축성 기재(11)는 영률이 280 kPa @ 300% strain일 수 있으나, 이에 한정되지 않고, 하기 하기 수학식 2에 의해 계산된다.
<수학식 2>
영률 = 응력(stress)/변형률(strain)
= (FL0)/A(Ln-L0)
(F: 인장력; L0: 기재의 초기 길이; Ln: 스트레칭된 기재의 길이; A: 기재의 단면적)
영률은 신축성을 확인하기 위한 척도로서 사용되고, 유연성을 갖는 재료와는 구별된다. 예를 들어, 유연 기판에 주로 사용되는 PET, PES, PEN과 같은 유연 재료의 영률은 2 내지 5의 값을 갖는다. 따라서, 이러한 재료들은 유연성 기재로는 사용될 수 있으나, 신축성 기재로 사용하기에는 부적합하다.
즉, 상기 PET, PES, PEN과 같은 재료들은 응력의 크기가 변형률의 크기보다 2배 이상 크기 때문에, 유연성 기재로는 사용할 수 있으나, 신축성 기재로 사용하기에는 부적합하다.
이와 대조적으로, 하기 표에서 보는 바와 같이, 스티렌-부타디엔-스티렌 고무, PDMS, 에코플렉스, 고무, 또는 이들의 조합에 대한 영률 테스트 결과, 응력에 비해 변형률이 더 커서, 신축성 기재로서 사용하기에 적합하다.
따라서, 응력에 비해 변형률이 큰 재료들은 본 발명의 신축성 기재로서 사용될 수 있으나, 이에 반드시 한정되는 것은 아니며, 필요로 하는 신축성의 정도에 따라 통상의 기술자가 다양한 신축성 재료들을 선택하여 사용할 수 있다.
일부 재료들에 관한 영률 값을 측정하여 하기 표 1에서 제공하였다.
| 재료 | 영률 Gpa (N/m2) |
| 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET) | 2-2.7 |
| 폴리에테르술폰(PES) | 2.6 |
| 폴리에틸렌 나프탈레이트(PEN) | 5 |
| 스티렌-부타디엔-스티렌(SBS) 고무 | 1.9 x 10-3 |
| PDMS | 4.0 x 10-4 |
| 에코플렉스 | 4.0 x 10-5 |
| 고무 | 0.01-0.1 |
일 실시예에 따르면, 신축성 기재(11)는 이축 또는 다축 신축성 기재일 수 있다. 예를 들어, 신축성 기재(11)는 이축 신축성(biaxial stretchable) 기재일 수 있다.
이축 신축성 기재를 사용함으로써, 평면 상에서의 신축 방향에 관계없이 균열 저항을 가질 수 있다.
일 실시예에 따르면, 전도성 코팅층(12)은 신축성 기재(11)의 상면 및/또는 하면에 제공될 수 있다. 예를 들어, 전도성 코팅층(12)은 신축성 기재(11)의 일면에만 제공될 수 있다.
일 실시예에 따르면, 전도성 코팅층(12)은 전도성 폴리머, 이온성 액체, 금속입자, 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다.
예를 들어, 전도성 폴리머는 폴리(3,4-에틸렌디옥시티오펜) (PEDOT), 폴리(3,4-에틸렌디옥시티오펜)-폴리스티렌 설포네이트 (PEDOT-PSS), 폴리티오펜(polythiophene), 폴리(3-알킬티오펜) (poly(3-alkylthiphene), 폴리피롤 (Polypyrrole), 폴리((2,5-디알콕시)-p-페닐렌 비닐렌) (Poly((2,5 dialkoxy)-p-phenylene vinylene)), 폴리(p-페닐렌비닐렌) (Poly(p-phenylenevinylene)), 및 폴리(p-페닐렌) (Poly(p-phenylene))으로 이루어지는 군으로부터 1종 이상 선택될 수 있다.
예를 들어, 이온성 액체는 유기 양이온 및 유기 또는 무기 음이온으로 구성된 화합물을 포함할 수 있다. 상기 유기 양이온은 단분자 뿐만 아니라 고분자 형태의 이온성 액체를 모두 포함할 수 있다. 단분자 형태의 유기 양이온은 예를 들어, 4차 아민 양이온 등을 포함하고, 고분자 형태의 이온성 액체는 예를 들어, 폴리(1-비닐-3-알킬이미다졸리움), 폴리(1-비닐-피리디늄), 또는 폴리(1-(메트)아크릴로일록시-3-알킬이미다졸륨)을 포함할 수 있다. 유기 또는 무기 음이온은 예를 들어, Br-, Cl-, I-, BF4 -, PF6 -, ClO4 -, NO3 -, AlCl4 -, Al2Cl7 -, AsF6 -, SbF6 -, CH3COO-, CF3COO-, CH3SO3 -, C2H5SO3 -, CH3SO4 -, C2H5SO4 -, CF3SO3 -, (CF3SO2)2N-, (CF3SO2)3C-, (CF3CF2SO2)2N-, C4F9SO3 -, C3F7COO-, (CF3SO2)(CF3CO)N- 등을 포함할 수 있다.
예를 들어, 금속 입자는 예를 들어, Au, Ag, Al, Ni, Ti 등을 포함할 수 있다.
일 실시예에 따르면, 전도성 코팅층(12)은 금속입자를 포함할 수 있다. 상기 금속입자는 신축성 기재(11)의 일면에 균일하게 분포될 수 있다.
금속입자가 균일하게 분포됨으로써, 신축성 전극의 표면에 주름과 같은 특정 구조를 도입하지 않음으로써 표면조도가 우수하여 고투과도를 가질 수 있다. 나아가, 금속나노와이어의 접촉점에서 발생하는 접촉 저항도 회피할 수 있게 되어, 신축 및 압축시에도 전기전도도의 손실을 최소화할 수 있다.
일 실시예에 따르면, 신축성 전극(10)은 투광성이다.
신축성 전극(10)은 신축성 기재 및 전도성 코팅층을 동시에 관통하는 관통홀을 통해 모든 영역의 가시광을 통과시킴으로써, 특정 색이 발현되지 않아 무색 즉, 투명한 성질을 가질 수 있다. 또한, 복수의 관통홀이 신축성 전극 표면의 전체 면적에서 차지하는 비율을 조절함으로써 투과도를 조절할 수 있다. 복수의 관통홀이 차지하는 비율이 높아질수록 투과도는 높아질 수 있다. 따라서, 사용 용도에 따라, 맞춤형 투과도를 갖는 신축성 전극의 제작이 가능하다.
더 나아가, 복수의 관통홀이 차지하는 비율의 조절을 통해 투과도를 조절하기 때문에, 신축성 기재로서, 투명 또는 불투명 신축성 기재를 모두 사용할 수 있다.
또한, 기존의 투명 신축성 전극은 금속나노와이어와 같은 소재를 전도성 코팅층에 사용하기 때문에 관통홀에 의해 전도성 네트워크가 절단되어 전기 전도도의 손실이 유발될 수 있으나, 본 발명의 일 실시예에 따른 투명 신축성 전극은 금속 입자가 균일하게 분포되어 있는 전도성 코팅층의 도입을 통해, 관통홀의 존재와 무관하게 전기 전도도의 손실을 막을 수 있다.
이하, 도 2 및 도 3을 참조하여 신축성 전극의 제조 방법에 대하여 상세히 설명한다. 도 2는 신축성 기재의 제조 방법의 순서도이고, 도 3은 신축성 전극의 제조 방법의 순서도이다.
일 측면에 따르면, 복수의 관통홀을 포함하는 신축성 기재를 제공하는 단계; 및 상기 신축성 기재 상에 전도성 재료를 제공하여 전도성 코팅층을 형성하는 단계;를 포함하는 신축성 전극의 제조 방법이 제공된다.
도 2를 참조하면, 복수의 관통홀을 포함하는 신축성 기재의 제조 방법의 순서도가 제공된다.
상기 복수의 관통홀을 포함하는 신축성 기재를 제공하는 단계는 (i) 신축성 재료를 수용할 수 있는 다수의 홈부를 구비한 금형을 준비하는 단계; (ii) 상기 금형 내에 신축성 재료를 주입하는 단계; 및 (iii) 상기 신축성 재료를 경화시킨 후, 상기 금형으로부터 제거하는 단계;를 포함할 수 있다.
상기 금형(20)은 돌출부(22), 홈부(21)를 포함할 수 있다. 상기 금형(20)은 실리콘 웨이퍼 일 수 있다. 예를 들어, 실리콘 웨이퍼를 식각하여 실리콘 웨이퍼 상에 실리콘 마이크로와이어가 구비된 금형(20)일 수 있다. 상기 돌출부(22) 및 홈부(21)는 규칙적인 패턴을 형성할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 상기 돌출부(22)는 원형 기둥 형상을 가질 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니며, 다양한 기하학적 형상을 가질 수 있다. 상기 금형(20)은 실리콘 웨이퍼 일 수 있다.
금형(20)의 표면에 자가조립단분자막(SAM)을 도포하여, 금형의 표면에 SAM박막(23)을 형성할 수 있다.
상기 금형(20)의 홈부(21)에 신축성 재료(24)를 주입하되, 주입된 신축성 재료(24) 층의 높이는 금형(20)의 돌출부(22)의 높이를 초과하지 않는다. 이로부터, 관통홀을 갖는 신축성 기재가 형성될 수 있다.
도 3을 참조하면, 상기 복수의 관통홀을 포함하는 신축성 기재 상에 전도성 코팅층을 제공하는 방법의 순서도가 제공된다.
상기 전도성 코팅층을 제공하는 단계는,
(i) 상기 복수의 관통홀을 포함하는 신축성 기재를 이축방향으로(biaxially) 스트레치(stretch)하는 단계; (ii) 상기 신축성 기재에 전도성 재료를 제공하는 단계; 및 (iii) 상기 스트레치된 신축성 기재를 원상태로 회복시키는 단계;를 포함할 수 있다.
상기 신축성 기재(30)가 이축 방향으로 스트레칭된 상태에서, 전도성 재료를 신축성 기재 표면에 제공하여 전도성 코팅층(31)을 형성한 후, 스트레칭된 신축성 기재를 원상태로 회복시킴으로써, 신축성 기재 상에 전도성 코팅층(31)이 균일하게 형성된 신축성 전극이 얻어진다.
여기서, 전도성 재료는 전도성 폴리머, 이온성 액체, 금속입자, 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 전도성 재료는 금속 입자이고, 상기 전도성 코팅층은 금속 코팅층일 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 전도성 재료는 금속 입자이고, 상기 금속 입자는 증기 증착 방식으로 제공될 수 있다.
상기 금속 입자는 물리적 기상 증착 또는 화학적 기상 증착 방법을 통해 신축성 기재 상에 제공될 수 있다. 일 구현예에 따르면, 상기 금속 입자는 수직형 증착 방법을 통해 신축성 기재에 제공됨으로써, 신축성 기재의 일면에 균일하게 분포된 코팅층(31)을 형성하되, 신축성 기재의 관통홀의 외주면에는 코팅층이 형성되지 않을 수 있다. 또한, 상기 신축성 기재 및 상기 전도성 코팅층은 서로 접촉하도록 구성되어, 일체형의 신축성 전극을 구성할 수 있다. 상기 신축성 전극이 일체형으로 구성됨으로써, 상기 신축성 기재 및 전도성 코팅층을 일체로 관통하는 관통홀(32)이 구비될 수 있다.
일 측면에 따르면, 전술한 신축성 전극을 포함하는 전자 장치가 제공될 수 있다. 예를 들어, 상기 전자 장치는 LED, 태양전지, 웨어러블(wearable) 장치, 에너지 저장 장치, 센서 또는 히터를 포함할 수 있으나, 이에 한정되지 않고, 투명 신축성 전극을 필요로 하는 다양한 전자 장치에 적용될 수 있다.
이하, 본 발명의 일 실시예에 따른 투명 신축성 전극에 대한 전도도 변화 시험을 진행하였다. 전술한 바와 같이, 투명 신축성 전극을 제작한 후 다양한 인장력을 적용하면서 Four-wire resistive-type controller를 통해 전기 전도도를 측정하였다. 우선, 투명 신축성 전극 자체의 전기 전도도를 측정하였다. 이후에, 투명 신축성 전극의 면적이 200% 되도록 이축 방향으로 스트레칭한 상태 및 구긴 상태에서 각각 전기 전도도를 측정하였으며, 그 결과는 하기 표 2에서 나타내는 바와 같다.
| 투명 신축성 전극 | 전기 전도도 (Ω) | 신축 전 상태에 대한 변화율(%) |
| 신축 전 상태 | 284.1 | - |
| 200% 신축 상태 | 287.2 | 1.09 |
| 구긴 상태 | 291.4 | 2.57 |
상기 표에서 보는 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따라 제작된 투명 신축성 전극은 신장 또는 압축 상태에서 전도도에 큰 변화를 보이지 않았다. 이를 통해, 전극 형상의 변화에 따른 전극의 손상(예를 들어, 접촉점 균열)이 없음을 확인할 수 있었다.
도 4를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따라 제작된 투명 신축성 전극의 투광성을 확인할 수 있다. 도 4의 좌측 도면은, 관통홀을 구비하지 않는 신축성 기재 상에 전도성 코팅층을 형성한 신축성 전극은 투광성을 보이지 않음을 알 수 있고, 도 4의 우측 도면은, 본 발명의 일 실시예에 따라 제작된 관통홀을 구비한 신축성 기재 상에 전도성 코팅층을 형성한 신축성 전극은 투광성을 보임을 알 수 있다.
즉, 투명 신축성 전극에 구비된 관통홀은 가시광을 모두 투과하여 투명한 특성을 부여함을 확인하였다.
도 5를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따라 제작된 투명 신축성 전극에 사용된 신축성 기재가 이축 신축성을 가짐으로써, 인장력이 특정 부위에 집중되지 않고 균일하게 분포할 수 있으므로, 전극부의 손상 없이 관통홀의 크기만 커짐을 알 수 있다. 또한, 관통홀이 커짐에 따라, 투과도도 함께 상승됨을 알 수 있다.
이상에서는 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술 분야에서 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, 30: 투명 신축성 전극
21: 금형
11, 31: 신축성 기재 22: 돌출부
12, 32: 전도성 코팅층 23: 홈부
13, 33: 관통홀 24: SAM 박막층
25: 신축성 재료
11, 31: 신축성 기재 22: 돌출부
12, 32: 전도성 코팅층 23: 홈부
13, 33: 관통홀 24: SAM 박막층
25: 신축성 재료
Claims (20)
- 신축성 기재; 및
상기 신축성 기재 상에 제공되는 전도성 코팅층;
을 포함하고,
상기 신축성 기재 및 전도성 코팅층을 동시에 관통하는 복수의 관통홀(through hole)을 포함하는, 투명 신축성 전극. - 제1항에 있어서,
상기 신축성 전극 중 상기 전도성 코팅층이 상기 신축성 기재와 직접 접촉하고, 일체(Uni-body)형으로 구성되는, 신축성 전극. - 제1항에 있어서,
상기 복수의 관통홀은 상기 신축성 전극의 일면의 전체 면적 중 10 내지 90%를 차지하는, 신축성 전극. - 제1항에 있어서,
상기 복수의 관통홀은 서로 40 nm 내지 20 ㎛의 간격으로 제공되는, 신축성 전극. - 제1항에 있어서,
상기 관통홀의 평균 직경은 10㎛ 이상인, 신축성 전극. - 제1항에 있어서,
상기 신축성 기재는 하기 수학식 1에 따라 계산되며, 100% 내지 400%의 신축성을 갖는, 신축성 전극:
<수학식 1>
신축성(%) = [(L2-L1)/L1] x 100
여기서, L2은 기재의 최대 신장 길이이고, L1는 초기 기재 길이이다. - 제1항에 있어서,
상기 신축성 기재는 이축 신축성(biaxial stretchable) 기재인, 신축성 전극. - 제1항에 있어서,
상기 신축성 기재는 스티렌-부타디엔-스티렌 고무, PDMS, 에코플렉스, 고무, 또는 이들의 조합을 포함하는, 신축성 전극. - 제1항에 있어서,
상기 전도성 코팅층은 상기 신축성 기재의 상면 및/또는 하면에 제공되는, 신축성 전극. - 제1항에 있어서,
상기 전도성 코팅층은 전도성 폴리머, 이온성 액체, 금속입자, 또는 이들의 조합을 포함하는, 신축성 전극. - 제10항에 있어서,
상기 전도성 코팅층은 금속입자를 포함하는, 신축성 전극. - 제1항에 있어서,
상기 신축성 전극은 투광성인, 신축성 전극. - 복수의 관통홀을 포함하는 신축성 기재를 제공하는 단계; 및
상기 신축성 기재 상에 전도성 재료를 제공하여 전도성 코팅층을 형성하는 단계;
를 포함하는 신축성 전극의 제조 방법. - 제13항에 있어서,
상기 복수의 관통홀을 포함하는 신축성 기재를 제공하는 단계는,
(i) 신축성 재료를 수용할 수 있는 다수의 홈부를 구비한 금형을 준비하는 단계;
(ii) 상기 금형 내에 신축성 재료를 주입하는 단계; 및
(iii) 상기 신축성 재료를 경화시킨 후, 상기 금형으로부터 제거하는 단계;
를 포함하는, 신축성 전극의 제조 방법. - 제13항에 있어서,
상기 전도성 코팅층을 제공하는 단계는,
(i) 상기 복수의 관통홀을 포함하는 신축성 기재를 이축방향으로(biaxially) 스트레치(stretch)하는 단계;
(ii) 상기 신축성 기재에 전도성 재료를 제공하는 단계; 및
(iii) 상기 스트레치된 신축성 기재를 원상태로 회복시키는 단계;
를 포함하는, 신축성 전극의 제조 방법. - 제13항에 있어서,
상기 전도성 재료는 금속 입자이고, 상기 전도성 코팅층은 금속 코팅층인, 신축성 전극의 제조 방법. - 제13항에 있어서,
상기 전도성 재료는 금속 입자이고, 상기 금속 입자가 수직 증착 방식으로 제공되는, 신축성 전극의 제조 방법. - 제13항에 있어서,
상기 전도성 재료는 상기 신축성 기재의 복수의 관통홀의 내주면에는 제공되지 않는, 신축성 전극의 제조 방법. - 제1항 내지 제12항 중 어느 한 항에 따른 신축성 전극을 포함하는, 전자 장치.
- 제17항에 있어서,
상기 전자 장치는 LED, 태양전지, 웨어러블(wearable) 장치, 에너지 저장 장치, 센서 또는 히터를 포함하는 전자 장치.
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| AMND | Amendment | ||
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| GRNT | Written decision to grant |