KR20200078038A - 투명전극용 나노와이어 - Google Patents
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Abstract
고온내구성이 우수한 투명전극용 나노와이어가 제안된다. 본 투명전극용 나노와이어는 금속나노와이어; 및 금속나노와이어 표면에 원자층 증착공정으로 형성된 금속산화물층;을 포함한다.
Description
본 발명은 투명전극용 나노와이어에 관한 것으로, 보다 상세하게는 고온내구성이 우수한 투명전극용 나노와이어에 관한 것이다.
투명 전극은 광 투과성과 도전성이 있는 전극으로, 평판 액정 표시장치(flat liquid crystal display), 터치 패널(touch panel), 전자 발광 장치(electroluminescent device) 및 박막 광전지(thin film photovoltaic cell) 등다양한 분야에 응용하기 위해 점차 기술이 개발되고 있는 분야이다.
현재, 인듐 주석 산화물(indium tin oxide; ITO)과 같은 진공 증착 금속 산화물들(vacuum deposited metal oxides)은 글래스(glass)와 중합체막들(polymeric films)과 같은 유전체 표면들에 대해 광학적 투명성 및 전기적 도전성을 제공하기 위한 산업 표준 물질들이다. 그러나, 금속 산화막들(metal oxide films)은 높은 도전성 수준을 달성하기 위해 높은 증착 온도 또는 높은 어닐링 온도를 필요로 하며, 외부의 물리적인 자극에 의하여 깨지기 쉽고 휨 변형 등에 취약하다. 또한 폴리머 기판 위에 코팅했을 때 기판을 구부리면 막이 부서지는 단점이 있다.
이러한 문제점들을 해결하기 위한 방안으로, 전도성 고분자(Conducting Polymer), 탄소 나노 튜브(Carbon Nano Tube), 그래핀(Graphene), 그리고 금속 나노 와이어가 주목받고 있다.
금속 나노 와이어 중 은(Ag) 또는 구리(Cu) 나노 와이어의 경우 용액 기반의 코팅공정이 가능하고, 가시광선 영역에서 투과율이 높고 면 저항도 ITO와 유사하여 향후 플렉시블 디스플레이에의 응용 가능성이 매우 높다. 특히, 은나노와이어들이 투명기판 위에 그물망처럼 네트워크를 형성하면서 코팅되는 경우, 비교적 높은 광투과율과 함께 우수한 전도성을 갖는 투명 전극으로 제조될 수 있다.
금속 나노와이어를 적용한 투명전극은 낮은 저항과 높은 광투과율에도 불구하고, 금속 나노와이어로 인하여 헤이즈가 높거나, 매끄러운 표면의 투명전극을 제조하기 어려운 문제점이 여전히 존재한다. 아울러, 금속의 특성상 고온에서 용융되어 회로연결이 끊어질 수 있거나 외부환경에 의한 오염과 산화 등의 문제가 발생하게 된다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은, 고온내구성이 우수한 투명전극용 나노와이어를 제공함에 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 투명전극용 나노와이어는 금속나노와이어; 및 금속나노와이어 표면에 원자층 증착공정으로 형성된 금속산화물층;을 포함한다.
금속산화물층은 AZO일 수 있는데, 아연과 알루미늄의 사이클 비율은 20:1일 수 있다.
금속산화물층은 두께가 10 내지 30nm일 수 있다.
금속산화물층은 금속산화물 원자층이 2내지 10층으로 구성될 수 있다.
본 발명에 따른 투명전극용 나노와이어는 금속산화물층이 평평한 구조를 갖고, 광투과도는 높고, 헤이즈가 낮을 수 있다.
본 발명에 따른 투명전극용 나노와이어는 금속산화물층이 침상구조를 갖고, 광투과도는 낮고, 헤이즈가 높을 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 따르면, 표면에 원자층 증착공정으로 형성된 금속산화물층을 포함하는 금속나노와이어를 포함하고, 금속산화물층은 침상구조를 갖는 것을 특징으로 하는 태양전지용 전극이 제공된다.
본 발명의 실시예들에 따르면, 투명전극용으로 사용되는 금속나노와이어의 표면에 원자층 증착공정으로 금속산화물 박막층을 형성하여 투명도는 유지하면서 금속나노와이어의 산화를 방지하고, 고온신뢰성을 보장할 수 있도록 금속나노와이어의 성능을 개선하는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 투명전극용 나노와이어의 단면도이다.
도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 투명전극용 나노와이어의 단면도이다.
도 3은 은나노와이어의 SEM이미지이다.
도 4a는 표면에 Al2O3층이 10nm 두께로 형성된 은나노와이어의 SEM이미지이고, 도 4b는 표면에 Al2O3층이 20nm 두께로 형성된 은나노와이어의 SEM이미지이며, 도 4c는 표면에 Al2O3층이 30nm 두께로 형성된 은나노와이어의 SEM이미지이다.
도 5a는 표면에 ZnO층이 10nm 두께로 형성된 은나노와이어의 SEM이미지이고, 도 5b는 표면에 ZnO층이 20nm 두께로 형성된 은나노와이어의 SEM이미지이며, 도 5c는 표면에 ZnO층이 30nm 두께로 형성된 은나노와이어의 SEM이미지이다.
도 6a는 표면에 AZO(Zn:Al=1:1)층이 10nm 두께로 형성된 은나노와이어의 SEM이미지이고, 도 6b는 표면에 AZO층이 20nm 두께로 형성된 은나노와이어의 SEM이미지이며, 도 6c는 표면에 AZO층이 30nm 두께로 형성된 은나노와이어의 SEM이미지이다.
도 7a는 표면에 AZO(Zn:Al=20:1)층이 10nm 두께로 형성된 은나노와이어의 SEM이미지이고, 도 7b는 표면에 AZO층이 20nm 두께로 형성된 은나노와이어의 SEM이미지이며, 도 7c는 표면에 AZO층이 30nm 두께로 형성된 은나노와이어의 SEM이미지이다.
도 8은 표면에 각각 Al2O3, ZnO, AZO(Zn:Al=1:1) 및 AZO(Zn:Al=20:1)층이 형성된 은나노와이어의, 금속산화물층의 두께에 따른 헤이즈를 나타낸 그래프이다.
도 9는 표면에 각각 Al2O3, ZnO, AZO(Zn:Al=1:1) 및 AZO(Zn:Al=20:1)층이 형성된 은나노와이어의, 금속산화물층의 두께에 따른 광투과도를 나타낸 그래프이다.
도 10은 표면에 각각 Al2O3, ZnO, AZO(Zn:Al=1:1) 및 AZO(Zn:Al=20:1)층이 형성된 은나노와이어의, 금속산화물층의 두께에 따른 면저항을 나타낸 그래프이다.
도 11은 표면에 AZO(Zn:Al=20:1)층이 형성된 은나노와이어의, 금속산화물층의 두께에 따른 광투과도 및 헤이즈를 나타낸 그래프이다.
도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 투명전극용 나노와이어의 단면도이다.
도 3은 은나노와이어의 SEM이미지이다.
도 4a는 표면에 Al2O3층이 10nm 두께로 형성된 은나노와이어의 SEM이미지이고, 도 4b는 표면에 Al2O3층이 20nm 두께로 형성된 은나노와이어의 SEM이미지이며, 도 4c는 표면에 Al2O3층이 30nm 두께로 형성된 은나노와이어의 SEM이미지이다.
도 5a는 표면에 ZnO층이 10nm 두께로 형성된 은나노와이어의 SEM이미지이고, 도 5b는 표면에 ZnO층이 20nm 두께로 형성된 은나노와이어의 SEM이미지이며, 도 5c는 표면에 ZnO층이 30nm 두께로 형성된 은나노와이어의 SEM이미지이다.
도 6a는 표면에 AZO(Zn:Al=1:1)층이 10nm 두께로 형성된 은나노와이어의 SEM이미지이고, 도 6b는 표면에 AZO층이 20nm 두께로 형성된 은나노와이어의 SEM이미지이며, 도 6c는 표면에 AZO층이 30nm 두께로 형성된 은나노와이어의 SEM이미지이다.
도 7a는 표면에 AZO(Zn:Al=20:1)층이 10nm 두께로 형성된 은나노와이어의 SEM이미지이고, 도 7b는 표면에 AZO층이 20nm 두께로 형성된 은나노와이어의 SEM이미지이며, 도 7c는 표면에 AZO층이 30nm 두께로 형성된 은나노와이어의 SEM이미지이다.
도 8은 표면에 각각 Al2O3, ZnO, AZO(Zn:Al=1:1) 및 AZO(Zn:Al=20:1)층이 형성된 은나노와이어의, 금속산화물층의 두께에 따른 헤이즈를 나타낸 그래프이다.
도 9는 표면에 각각 Al2O3, ZnO, AZO(Zn:Al=1:1) 및 AZO(Zn:Al=20:1)층이 형성된 은나노와이어의, 금속산화물층의 두께에 따른 광투과도를 나타낸 그래프이다.
도 10은 표면에 각각 Al2O3, ZnO, AZO(Zn:Al=1:1) 및 AZO(Zn:Al=20:1)층이 형성된 은나노와이어의, 금속산화물층의 두께에 따른 면저항을 나타낸 그래프이다.
도 11은 표면에 AZO(Zn:Al=20:1)층이 형성된 은나노와이어의, 금속산화물층의 두께에 따른 광투과도 및 헤이즈를 나타낸 그래프이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시형태를 설명한다. 그러나, 본 발명의 실시형태는 여러가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 이하 설명하는 실시형태로 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 실시형태는 당업계에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위해서 제공되는 것이다. 첨부된 도면에서 특정 패턴을 갖도록 도시되거나 소정두께를 갖는 구성요소가 있을 수 있으나, 이는 설명 또는 구별의 편의를 위한 것이므로 특정패턴 및 소정두께를 갖는다고 하여도 본 발명이 도시된 구성요소에 대한 특징만으로 한정되는 것은 아니다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 투명전극용 나노와이어의 단면도이다. 본 발명에 따른 투명전극용 나노와이어(100)는 금속나노와이어(110); 및 금속나노와이어(110) 표면에 형성된 금속산화물층(120);을 포함한다.
금속나노와이어는 금속이므로 투명하지 않은 것이 일반적이나, 나노사이즈에 기인하여 투명전극으로 사용된다. 금속나노와이어(110)는 금속이라는 특성상 금속나노와이어는 고온내구성이 우수하지 않고, 고온 다습한 환경에서 산화나 손상이 발생한다. 본 발명에 따른 투명전극용 나노와이어(100)는 고온, 다습한 환경에서 손상없이 신뢰성 높은 전극형성이 가능하도록 금속나노와이어(110)의 표면을 금속산화물층(120)으로 덮는다.
금속나노와이어(110)는 나노미터 사이즈의 금속입자 중 형상이 봉 형상 또는 가늘고 긴 형상의 와이어 형상의 입자를 의미한다. 즉, 금속나노와이어(110)는 지름이 나노미터 사이즈인 금속을 의미한다. 또한 본 명세서에 있어서, 나노와이어는 다공성 또는 중공형 금속나노튜브도 포함한다.
금속 나노와이어의 금속은 전기 전도성이 있는 금속이면 어느 것이나 사용 가능하고, 구체적으로 금(Au), 은(Ag), 백금(Pt), 구리(Cu), 니켈(Ni), 철(Fe), 아연(Zn), 알루미늄(Al), 몰리브덴(Mo) 및 이들의 합금으로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나의 금속의 나노와이어일 수 있으며, 바람직하게는 은 나노와이어일 수 있다.
또한 금속나노와이어(110)의 직경은 10 내지 300㎚이고, 길이는 3 내지 500㎛일 수 있다. 금속나노와이어(110)의 직경이 너무 가늘면 투명전극으로 사용할 때강도가 충분하지 않고, 너무 굵으면 투명도가 저하된다. 금속나노와이어(110)의 길이가 너무 짧으면 효과적으로 교점이 겹쳐질 수 없고, 너무 길면 인쇄성이 저하되는 문제점이 있다.
금속산화물층(120)은 금속나노와이어(110)의 표면을 덮는다. 본 발명에서는 금속나노와이어(110)의 표면을 가장 얇은 두께로 덮되, 효과적으로 온도상승이나 수분침투를 방지할 필요가 있다. 금속산화물층(120)은 원자층 증착공정(Atomic layer deposition, ALD)으로 형성되면, 박막이면서도 평면이 아닌 나노와이어의 표면을 효과적으로 감쌀 수 있다.
원자층증착 공정은 원자단위의 증착공정으로서, 증착하고자 하는 원자의 전구체 가스를 주입하고 반응가스를 함께 주입하여 증착대상기판에 원자를 층으로 적층하여 박막을 형성시키는 공정이다. 원자층증착공정에서는 복수 회(약 5회)의 원자층증착공정을 통하여 1층의 원자층이 형성된다. 원자층 증착공정을 이용하면, 금속산화물층(120)은 금속산화물 원자층이 2내지 10층으로 구성될 수 있고, 두께가 10 내지 30nm일 수 있다.
금속산화물층(120)에 사용될 수 있는 금속산화물로는 규소 산화물, 규소 질화물, 규소 질화산화물, 알루미늄 산화물, 알루미늄 질화물 또는 알루미늄 질화산화물 등이 있다. 금속산화물층은 예를 들어, Al2O3, ZnO, 또는 AZO(Zinc dope Aluminum Oxide)일 수 있다.
도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 투명전극용 나노와이어의 단면도이다. 본 실시예에 따른 투명전극용 나노와이어(100)는 금속나노와이어(110) 표면에 형성된 금속산화물층(120)이 침상구조를 갖는다.
도 1의 경우, 금속산화물층(120)은 평평한 구조를 갖는데, 이 때, 금속산화물층(120)의 광투과도는 높고, 헤이즈는 낮을 수 있다. 평평한 구조의 금속산화물층(120)이 형성된 투명전극용 나노와이어(100)는 높은 광투과도가 요청되는 다양한 투명전극에 사용될 수 있다.
도 2와 같이 금속산화물층(120)이 침상구조를 갖는 경우, 금속산화물층(120)은 박막으로 형성되기 때문에 광은 투과하나 침상구조에서 광이 산란되는 효과를 나타내어 헤이즈가 높을 수 있다. 이러한 구조의 투명전극용 나노와이어(100)는 광산란에 의한 광흡수효과를 얻을 수 있는 태양전지에 전극으로 사용될 수 있다. 금속산화물층(120)의 구조는 제조공정조건을 조절하여 제어할 수 있는데, 예를 들어, 금속산화물층(120)이 AZO를 포함하는 경우, 통상의 공정온도에서는 평평한 구조의 AZO층이 나노와이어 표면에 형성되나, 공정온도를 올리게되면 침상구조를 갖는 AZO층을 얻을 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 따르면, 표면에 원자층 증착공정으로 형성된 금속산화물층을 포함하는 금속나노와이어를 포함하고, 금속산화물층은 침상구조를 갖는 것을 특징으로 하는 태양전지용 전극이 제공된다.
도 3은 은나노와이어의 SEM이미지이고, 도 4a는 표면에 Al2O3층이 10nm 두께, 도 4b는 20nm 두께, 도 4c는 30nm 두께로 형성된 은나노와이어의 SEM이미지이고, 도 5a는 표면에 ZnO층이 10nm 두께, 도 5b는 20nm 두께, 도 5c는 30nm 두께로 형성된 은나노와이어의 SEM이미지이고, 도 6a는 표면에 AZO(Zn:Al=1:1)층이 10nm 두께, 도 6b는 20nm 두께, 도 6c는 30nm 두께로 형성된 은나노와이어의 SEM이미지이며, 도 7a는 표면에 AZO(Zn:Al=20:1)층이 10nm 두께, 도 7b는 20nm 두께, 도 7c는 30nm 두께로 형성된 은나노와이어의 SEM이미지이다. AZO(Zn:Al=1:1)는 아연과 알루미늄의 사이클 비율이 1:1이고, AZO(Zn:Al=20:1)는 아연과 알루미늄의 사이클 비율은 20:1이다.
도 3에서는 표면 금속산화물층없이 은나노와이어만의 이미지가 나타나있는데, 도 4a 내지 도 7c는 모두 금속산화물층이 형성되어 SEM 이미지상 표면처리되었음을 알 수 있다.
도 8, 도 9 및 도 10에는 표면에 각각 Al2O3, ZnO, AZO(Zn:Al=1:1) 및 AZO(Zn:Al=20:1)층이 형성된 은나노와이어의, 금속산화물층의 두께에 따른 헤이즈, 광투과도 및 면저항이 도시된 그래프가 나타나있다.
도 8을 참조하면, 금속나노와이어의 헤이즈 개선은 금속산화물이 Al2O3인 경우가 가장 낮았고, 금속산화물이 ZnO이 경우가 중간개선효과를 나타내었으며, 금속산화물이 AZO(Zn:Al=20:1)인 경우 헤이즈 개선효과가 가장 뛰어났다.
도 9를 참조하면, 금속나노와이어의 광투과도 개선은 금속산화물이 Al2O3인 경우가 가장 낮았고, 금속산화물이 ZnO이 경우가 중간개선효과를 나타내었으며, 금속산화물이 AZO(Zn:Al=20:1)인 경우 광투과도 개선효과가 가장 뛰어났다.
도 10을 참조하면, 금속나노와이어의 면저항 개선은 금속산화물이 Al2O3인 경우가 가장 낮았고, 금속산화물이 ZnO이 경우가 중간개선효과를 나타내었으며, 금속산화물이 AZO(Zn:Al=20:1)인 경우 면저항 개선효과가 가장 뛰어났다.
이러한 결과로보아 금속산화물층의 금속산화물로 AZO(Zn:Al=20:1)를 사용하는 경우, 헤이즈, 광투과도 및 면저항 면에서 가장 큰 개선효과를 얻을 수 있을 것으로 예상된다.
도 11은 표면에 AZO(Zn:Al=20:1)층이 형성된 은나노와이어의, 금속산화물층의 두께에 따른 광투과도 및 헤이즈를 나타낸 그래프이다. AZO(Zn:Al=20:1)층의 두께가 0nm, 즉 AZO(Zn:Al=20:1)층이 없는 은나노와이어일 때보다 AZO(Zn:Al=20:1)층의 두께가 10nm일 때, 광투과도가 증가하였음을 확인할 수 있다. 즉, 금속산화물층이 은나노와이어 표면에 형성되어 산화방지 및 고온내구성을 향상시키면서도 광투과도는 오히려 높아진 것을 확인할 수 있다. 이후, AZO(Zn:Al=20:1)층의 두께가 증가할 수록 광투과도는 낮아지고, 헤이즈도 낮아지는 경향이 나타났다.
도 11에서, AZO(Zn:Al=20:1)층이 없는 은나노와이어 상태일 때의 광투과도보다 높고, 헤이즈는 더 낮은 구간은 AZO(Zn:Al=20:1)층의 두께가 10nm 내지 20nm인 구간이다. 따라서, 이러한 두께구간에서는 금속산화물층이 형성되었음에도 불구하고 광투과도는 향상되고, 헤이즈는 낮아져 투명전극으로 유용하게 사용되면서도 금속산화물층이 배리어층으로 기능하여 투명전극용 나노와이어의 기계적 물성이나 신뢰성을 향상시키는 것을 알 수 있다.
이상에서는 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 도시하고 설명하였지만, 본 발명은 상술한 특정의 실시예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진자에 의해 다양한 변형실시가 가능한 것은 물론이고, 이러한 변형실시들은 본 발명의 기술적 사상이나 전망으로부터 개별적으로 이해되어져서는 안될 것이다.
100: 투명전극용 나노와이어
110: 금속나노와이어
120: 금속산화물층
110: 금속나노와이어
120: 금속산화물층
Claims (8)
- 금속나노와이어; 및
금속나노와이어 표면에 원자층 증착공정으로 형성된 금속산화물층;을 포함하는 투명전극용 나노와이어.
- 청구항 1에 있어서,
금속산화물층은 AZO인 것을 특징으로 하는 투명전극용 나노와이어.
- 청구항 2에 있어서,
금속산화물층은 아연과 알루미늄의 사이클 비율이 20:1인 것을 특징으로 하는 투명전극용 나노와이어.
- 청구항 1에 있어서,
금속산화물층은 두께가 10 내지 30nm인 것을 특징으로 하는 투명전극용 나노와이어.
- 청구항 1에 있어서,
금속산화물층은 금속산화물 원자층이 2내지 10층으로 구성되는 것을 특징으로 하는 투명전극용 나노와이어.
- 청구항 1에 있어서,
금속산화물층은 평평한 구조를 갖고,
광투과도는 높고, 헤이즈가 낮은 것을 특징으로 하는 것을 투명전극용 나노와이어.
- 청구항 1에 있어서,
금속산화물층은 침상구조를 갖고,
광투과도는 낮고, 헤이즈가 높은 것을 특징으로 하는 투명전극용 나노와이어.
- 표면에 원자층 증착공정으로 형성된 금속산화물층을 포함하는 금속나노와이어를 포함하고, 금속산화물층은 침상구조를 갖는 것을 특징으로 하는 태양전지용 전극.
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