KR20200087517A - 마그네트론 코스퍼터링법을 이용한 스트레처블 하이브리드 박막 전극을 제조하는 방법 및 이에 의해 제조된 웨어러블 전자소자 - Google Patents

마그네트론 코스퍼터링법을 이용한 스트레처블 하이브리드 박막 전극을 제조하는 방법 및 이에 의해 제조된 웨어러블 전자소자 Download PDF

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Abstract

본 발명은 마그네트론 코스퍼터링법을 이용하여 금속과 탄소나노튜브를 포함하는 폴리테트라플루오로에틸렌 하이브리드 박막을 제조하는 방법에 및 이에 의해 제조된 웨어러블 전자소자에 관한 것이다.

Description

마그네트론 코스퍼터링법을 이용한 스트레처블 하이브리드 박막 전극을 제조하는 방법 및 이에 의해 제조된 웨어러블 전자소자 {A STRETCHABLE HYBRID THIN FILM ELECTRODE USING A MAGNETRON CO-SPUTTERING AND A WEARABLE ELECTRONIC DEVICE THE SAME}
본 발명은 마그네트론 코스퍼터링법을 이용하여 금속과 탄소나노튜브(Carbon nanotube, CNT)를 포함한 폴리테트라플루오로에틸렌(Polytetrafluoroethylene, PTFE)의 스트레처블 하이브리드 박막 전극을 제조하는 방법에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 금속 타겟에 인가된 DC 파워, 탄소나노튜브를 포함하는 폴리테트라플루오로에틸렌 타겟에 인가된 RF 파워를 통해 마그네트론 코스퍼터링하여 탄소나노튜브를 포함하는 폴리테트라플루오로에틸렌 매트리스에 금속 박막을 증착하여 연신율이 30% 향상되고 전기적 특성이 향상된 금속 기반 스트레처블 하이브리드 박막 전극의 제조방법에 관한 것 이다.
최근 플렉서블(flexible) 디스플레이뿐만 아니라 스트레처블(stretchable) 디스플레이가 디스플레이 분야에서 주목을 받으며 관련 업계에서 활발한 연구가 진행 중에 있다. 현재의 시장에서 플렉서블 디스플레이로서 각종 제품에 적용되었지만 모두 유연한 고분자 소재(platic)를 기판으로 사용한 것으로 완제품의 신뢰성은 아직 요구 수준에 미치지 못하고 있다. ITO(Indium tin oxide)는 투명전도성 박막으로서, 우수한 전기적 비저항 및 높은 투과도(83% 이상)를 갖는 투명 전도성 박막에서 독보적인 위치를 점유해 왔다. 하지만 ITO 투명 전도성 박막은 원료 물질인 인듐(Indium)이 매우 고가여서 제조 단가가 높고 그 매장량에 한계가 있다. 또한, ITO는 기계적 특성이 매우 약해 플렉서블 디스플레이에 적용하기에는 한계가 있다.
또한, 고분자나 탄소 소재로 대표되는 투명 전극 (전도성 고분자, 그래핀, 탄소나노튜브)은 외력에 대한 신축 특성은 ITO보다 우수하지만 높은 저항과 정밀한 패터닝 및 신뢰성 있는 공정 개발에 한계가 있다. 금속 나노 전극이나 산화물 전극 등의 무기물 전극은 우수한 전기적/광학적 특성을 가지고 있으나 낮은 변형 파괴율(0.5~3%)을 갖고 있어 플렉서블 전극으로 적용은 가능하나 스트레처블 전극으로 응용하기에는 한계가 있다.
다양한 신축성 있는 전극 구조 및 재료가 제안되었지만 이러한 물질의 대부분은 전자 장치의 현재 제조 공정과 혼합되지 않는 복잡한 전사 공정 또는 특정 용액 공정을 통해 제조 된다.
따라서 웨어러블 스트레처블 전극을 만들기 스트레처블 유무기 하이브리드 전극에 관한 연구가 필요하다. 유무기 하이브리드 박막은 높은 전도성과 신축성을 갖으며, 신뢰성 있는 공정으로 차세대 스트레처블 디스플레이의 적용가능성이 있다.
본 발명에서는 종래 기술 중 특정 용액공정 없이 탄소나노튜브를 포함하는 폴리테트라플루오로에틸렌 타겟과 금속 타겟을 동시에 스퍼터링하는 하이브리드형 스퍼터 공정을 개발하고 연신형 탄소나노튜브를 포함하는 폴리테트라플루오로에틸렌 매트리스에 금속 나노 입자가 자가-응집(self-agglomeration)하여 나노 포러스-스펀지 형태의 3차원 네트워크 구조를 구현할 수 있는 유무기 하이브리드 스퍼터링 공정을 개발하였다. 또한 마그네트론 코스퍼터링법을 이용하여 탄소나노튜브를 포함하는 폴리테트라플루오로에틸렌 매트리스에 형성된 나노 포러스-스펀지 형태의 3차원 네트워크 금속 박막을 제조함에 있어서 상기 박막의 구조적, 전기적, 기계적 특성이 DC 파워, RF 파워의 비에 의존하는 것을 알아내고 우수한 스트레처블 하이브리드 박막의 제조를 위한 최적 조건을 밝혔다.
본 발명의 일 목적은 마그네트론 코스퍼터링법을 이용한 스트레처블 하이브리드 박막 전극을 제조하는 방법 및 이에 의해 제조된 웨어러블 전자소자를 제공하는데 목적이 있다.
더욱 상세하게는, 본 발명은 금속과 탄소나노튜브를 포함하는 폴리테트라플루오로에틸렌을 타겟으로 하는 마그네트론 코스퍼터링법을 이용하여 DC 파워, RF 파워를 제어함으로써 전기적 특성을 더욱 향상시키고 기존 플렉서블 투명 전극 소재의 한계를 극복하기 위해 30% 이상의 연신이 가능한 차세대 스트레처블 박막 전극 제조 및 이를 포함한 웨어러블 전자 소자를 제공하는데 목적이 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 스트레처블 하이브리드 박막 전극을 제조하는 방법은, 금속 타겟을 준비하는 단계; 탄소나노튜브를 포함하는 폴리테트라플루오로에틸렌 타겟을 준비하는 단계; 상기 금속 타겟과 탄소나노튜브를 포함하는 폴리테트라플루오로에틸렌 타겟을 마그네트론 코스퍼터링법을 이용하여 기판 위에 증착시키는 단계를 포함하고; 상기 증착시키는 단계는, 증착된 탄소나노튜브를 포함하는 폴리테트라플루오로에틸렌 매트리스 내에서 상기 금속 타겟으로부터의 금속 입자가 자체-응집을 이루어 3차원 네트워크 구조를 형성함을 특징으로 한다.
상기 금속 타겟은 은(Ag), 알루미늄(Al), 구리(Cu), 티타늄(Ti)를 포함한다.
상기 마그네트론 코스퍼터링법은 DC 파워 및 RF 파워를 이용하고, 상기 DC 파워는 금속 타겟에 인가되고, 상기 RF 파워는 탄소나노튜브를 포함하는 폴리테트라플루오로에틸렌 타겟에 인가된다.
상기 DC 파워와 RF 파워는 하기 수학식 1로 표현되는 DC 파워와 RF 파워의 전력비(R)를 제어하는 것을 특징으로 한다.
[수학식 1]
R = [탄소나노튜브를 포함하는 폴리테트라플루오로에틸렌 타겟에 대한 RF 파워]/[금속 타겟에 대한 DC 파워]
상기 DC 파워와 RF 파워의 전력비(R)는 5 내지 15인, 바람직하게는 5 내지 8인, 더욱 바람직하게는 6 내지 8임을 특징으로 한다.
상기 기판은 열가소성 폴리우레탄(Thermoplastic Polyurethane) 기판이다.
상기 3차원 네트워크 구조는, 탄소나노튜브를 포함한 폴리테트라플루오로에틸렌 매트리스에 내장된 금속 덩어리들의 부피가 증가하면서 금속 덩어리 말단 부분이 서로 겹치게 되어 3차원 네트워크 구조를 형성함을 특징으로 한다.
본 발명의 방법에 따라 제조된 연신율이 30% 향상된 스트레처블 하이브리드 박막 전극은 박막 두께 40nm이상을 특징으로 한다.
본 발명의 방법에 따라 제조된 스트레처블 하이브리드 박막 전극은 웨어러블 전자소자로 이용 가능하다.
본 발명은 마그네트론 코스퍼터링법을 이용한 스트레처블 하이브리드 박막 전극 및 이를 포함한 웨어러블 전자 소자를 제공함으로써, 종래기술 대비 연신율이 30% 향상된 스트레처블 금속-탄소나노튜브를 포함하는 폴리테트라플루오로에틸렌 하이브리드 박막 전극을 제조할 수 있다. 그 결과, 다양한 응용성으로 주목받고 있는 스트레처블 전극의 응용 분야에서 그 적용 가능성이 높을 것으로 기대된다. 특히, 차세대 디스플레이 및 웨어러블 전자기기에서의 스트레처블 전극의 적용으로 무궁한 발전이 기대된다.
도 1은 본 발명의 마그네트론 코스퍼터링법에 따른 스트레처블 하이브리드 박막 전극을 제작하는 방법의 순서도이다.
도 2는 본 발명의 하이브리드 마그네트론 코스퍼터링의 구조를 도식화한 도면이다.
도 3은 본 발명의 마그네트론 코스퍼터링법에 의한 스트레처블 하이브리드 박막 형성에 관한 도면이다.
도 4는 본 발명의 스트레처블 하이브리드 박막의 제조 과정을 도식화한 도면이다. 또한 상기 제조 과정에 의해 만들어진 스트레처블 하이브리드 박막의 응용 예를 나타낸 도면이다.
도 5는 일 실시예에 따른 은에 인가된 DC 파워와 탄소나노튜브를 포함한 폴리테트라플루오로에틸렌에 인가된 RF 파워의 전력비에 따른 저항성의 측정 결과를 나타낸 도면이다.
도 6은 일 실시예에 따른 은에 인가된 DC 파워와 탄소나노튜브를 포함한 폴리테트라플루오로에틸렌에 인가된 RF 파워의 전력비에 따라 기판 위에 증착된 나노 포러스-스펀지-네트워크 형태의 3차원 네트워크의 FESEM 이미지이다.
도 7a는 은 박막과 일 실시예에 따라 제조된 은-탄소나노튜브를 포함하는 폴리테트라플루오로에틸렌 박막을 0% 내지 50% 스트레칭 변화를 주었을 때 나타나는 저항 변화를 측정한 결과를 나타낸 도면이다.
도 7b는 스트레칭 테스트의 결과를 바탕으로 은 박막 전극과 은-탄소나노튜브를 포함하는 폴리테트라플루오로에틸렌 하이브리드 박막 전극을 20%의 고정된 스트레인에서 10000 사이클 이상의 반복 스트레칭동안의 저항 변화를 측정한 결과를 나타낸 도면이다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시 예에 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.
본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로서 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, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 단계, 동작, 구성요소, 부분품 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.
본 발명의 일 실시예에 따른 스트레처블 하이브리드 박막 전극을 제작하는 방법은, 금속 타겟을 준비하는 단계; 탄소나노튜브를 포함하는 폴리테트라플루오로에틸렌 타겟을 준비하는 단계; 상기 금속 타겟과 탄소나노튜브를 포함하는 폴리테트라플루오로에틸렌 타겟을 마그네트론 코스퍼터링법을 이용하여 기판 위에 증착시키는 단계를 포함한다.
도 1은 본 발명의 마그네트론 코스퍼터링법에 따른 스트레처블 하이브리드 박막 전극을 제작하는 방법의 순서도를 도시한다.
도 1에 따르면, 금속 타겟을 준비하는 단계(S 110), 탄소나노튜브를 포함하는 폴리테트라플루오로에틸렌 타겟을 준비하는 단계(S 120), 상기 금속 타겟과 탄소나노튜브를 포함하는 폴리테트라플루오로에틸렌 타겟을 마그네트론 코스퍼터링하여 기판 위에 증착 시키는 단계(S 130)를 포함한다.
S 110 단계에서는 금속 타겟을 준비한다. 이때 금속 타겟은 전기 전도도가 뛰어난 은(Ag), 알루미늄(Al), 구리(Cu), 티타늄(Ti) 등을 포함하며, 은(Ag)이 바람직하다.
S 120 단계에서는, 탄소나노튜브를 포함하는 폴리테트라플루오로에틸렌 타겟을 준비한다. 탄소나노튜브를 포함한 폴리테트라플루오로에틸렌 타겟은 전도성이 없는 폴리테트라플루오로에틸렌의 단점을 극복함으로써 박막 전체에 전기가 흐를 수 있도록 도와준다.
한편, S 110 단계 및 S 120 단계는 서로 선후 관계가 무관하며 동시에 이루어져도 무방하다.
S 130 단계에서는 상기 금속 타겟과 탄소나노튜브를 포함하는 폴리테트라플루오로에틸렌 타겟을 마그네트론 코스퍼터링하여 기판 위에 증착시킨다. 마그네트론 코스퍼터링법은 DC 파워 및 RF 파워를 이용하고 상기 DC 파워는 금속 타겟에 인가되고, 상기 RF 파워는 탄소나노튜브를 포함하는 폴리테트라플루오로에틸렌 타겟에 인가된다.
상기 DC 파워와 RF 파워는 하기 수학식 1로 표현되는 DC 파워와 RF 파워의 전력비(R)를 제어하는 것을 특징으로 한다.
[수학식 1]
R = [탄소나노튜브를 포함하는 폴리테트라플루오로에틸렌 타겟에 대한 RF 파워]/[금속 타겟에 대한 DC 파워]
상기 전력비(R)는 5내지 15, 바람직하게는 5내지 8, 더욱 바람직하게는 6내지 8이 적당하다. R값이 5보다 작으면 플렉서블 특성이 너무 약해서 스트레처블 전극으로 이용하는데 어려움이 있고, R값이 15보다 크면 전기 전도도가 떨어져 전극으로 이용하는데 어려움이 있다.
상기 금속 타겟, 탄소나노튜브를 포함하는 폴리테트라플루오로에틸렌 타겟은 특정 전력비를 가지고 기판위에 증착되며, 이때 사용되는 기판은 열가소성 폴리우레탄 기판을 포함한다. 상기 금속 타겟과 탄소나노튜브를 포함하는 폴리테트라플루오로에틸렌 타겟이 열가소성 폴리우레탄 기판에 증착되면 탄소나노튜브를 포함하는 폴리테트라플루오로에틸렌 매트리스에 내장된 금속 입자들이 모여 아일랜드를 형성하게 되고, 상기 아일랜드들의 부피가 커져 말단 부분이 서로 겹쳐지게 되어 나노 포러스-스펀지-네트워크 형태의 3차원 네트워크 구조를 형성함으로서 나노 포러스-스펀지-네트워크를 통한 전류의 흐름이 가능하다. 이때 형성된 박막의 두께는 40nm이상이 바람직하다. 10nm이하의 초기성장 단계에서 스퍼터링된 금속 입자는 소수성 탄소나노튜브를 포함하는 폴리테트라플루오로에틸렌 매트리스로 인해 고립된 아일랜드를 형성하기 위해서 자가-조립된다. 금속-탄소나노튜브를 포함하는 폴리테트라플루오로에틸렌 박막의 두께의 증가에 따라 금속 아일랜드의 크기가 증가하고 금속 아일랜드의 가장자리가 겹쳐지기 시작하면서 연결된 나노 포러스-스펀지-네트워크구조가 형성된다. 자가-조립된 금속 아일랜드 사이의 간격은 소수성 탄소나노튜브를 포함하는 폴리테트라플루오로에틸렌 매트리스로 채워진다. 20nm 두께이상의 응집 단계에서, 스퍼터링된 금속 입자는 탄소나노튜브를 포함하는 폴리테트라플루오로에틸렌 매트리스에 내장된 강한 응집력 하에서 각각 합쳐지는 경향이 있다. 그러나 단순 금속 박막과는 다르게, 금속 아일랜드는 소수성 탄소나노튜브를 포함하는 폴리테트라플루오로에틸렌과 함께 스퍼터링됨으로써 금속 아일랜드 사이에 소수성 탄소나노튜브를 포함하는 폴리테트라플루오로에틸렌이 존재하기 때문에 금속 아일랜드는 완전히 합쳐져서 열가소성 폴리우레탄 기판을 완전히 덮을 수 없다. 자가-조립된 금속 아일랜드는 소수성 탄소나노튜브를 포함하는 폴리테트라플루오로에틸렌 매트리스 내에 연결된 나노 포러스-스펀지-네트워크 구조를 불규칙적으로 형성한다. 40nm 두께에서, 스퍼터링된 금속 입자층은 빈틈없이 열가소성 폴리우레탄 기판을 가득 덮는다. 이 임계 두께를 넘어 스펀지 네트워크의 전도성 채널이 규칙적으로 형성되며 나노 포러스-스펀지-네트워크를 통과하는 전류 흐름이 가능하다. 상기 방법을 통해 제조된 스트레처블 금속-탄소나노튜브를 포함하는 폴리테트라플루오로에틸렌 하이브리드 박막 전극은 연신율이 30% 향상되고 전도성이 높아 웨어러블 전자 소자로 이용이 가능하다.
도 2는 본 발명의 하이브리드 마그네트론 코스퍼터링의 구조를 도식화한 도면을 도시한다.
도 2에 따른 하이브리드 마그네트론 코스퍼터링법은 금속 타겟에 인가된 DC 파워, 탄소나노튜브를 포함하는 폴리테트라플루오로에틸렌 타겟에 인가된 RF 파워를 특정한 비로 제어하여 열가소성 폴리우레탄 기판 위에 하이브리드 박막을 증착시킨다.
도 3은 본 발명의 마그네트론 코스퍼터링법에 의한 스트레처블 하이브리드 박막 형성에 관한 도면을 도시한다.
도 3에 따르면 나노 포러스-스펀지 네트워크 형태의 3차원 네트워크 구조를 형성하는 과정은 금속 타겟과 탄소나노튜브를 포함하는 폴리테트라플루오로에틸렌 타겟이 열가소성 폴리우레탄 기판에 증착되면 탄소나노튜브를 포함하는 폴리테트라플루오로에틸렌 매트리스에 내장된 금속 입자들이 모여 아일랜드를 형성하게 되고, 상기 아일랜드들의 부피가 커져 말단 부분이 서로 겹쳐지게 되어 나노 포러스-스펀지-네트워크 형태의 3차원 네트워크 구조를 형성한다. 상기 나노 포러스-스펀지-네트워크 형태의 3차원 네트워크를 통해 전류의 연속적인 흐름이 가능하다.
실시 예1
스트레처블 은-PTFE 하이브리드 박막 전극 제조
도 4는 본 발명의 스트레처블 하이브리드 박막의 제조 과정을 도식화한 도면 및 상기 제조 과정에 의해 만들어진 스트레처블 하이브리드 박막의 응용 예를 나타낸 도면을 도시한다.
도 4에 따르면 금속-탄소나노튜브를 포함하는 폴리테트라플루오로에틸렌 스트레처블 하이브리드 박막의 형성과정은, 은(99.99 wt% Ag, Dasom) 타겟을 준비하고, 탄소나노튜브를 포함하는 폴리테트라플루오로에틸렌(95 wt% PTFE A7-J, Dupont Mitsuit and 5 wt% CNT HANOS CM-280, JEWOO) 타겟을 준비한다. 은 타겟에 DC 파워를, 탄소나노튜브를 포함하는 폴리테트라플루오로에틸렌 타겟에 RF 파워를 인가한다. 은-탄소나노튜브를 포함하는 폴리테트라플루오로에틸렌 하이브리드 박막은 상온에서 열가소성 폴리우레탄 기판위에 코스퍼터링 된다. 은 입자와 C-F 체인은 무질서하게 열가소성 폴리우레탄 기판 위에 증착된다. 이때, 초기 압력은 3.0×10-6 torr 으로 충분히 낮추고 박막 증착 과정에서 공정 압력은 4 mtorr, 아르곤 가스 유량은 20 sccm, 기판의 회전 속도는 30 rpm에서 수행한다. 상기 방법으로 제조된 스트레처블 하이브리드 박막은 LED 인터커넥터, 웨어러블 히터, 스트레인 센서 등으로 이용가능하다.
면저항 특성 측정
금속 타겟에 대한 DC 파워는 1W, 3W, 5W 이고 탄소나노튜브를 포함하는 폴리테트라플루오로에틸렌 타겟에 대한 RF 파워는 30W, 40W로 변화시켜가면서 하이브리드 박막의 탄소나노튜브를 포함하는 폴리테트라플루오로에틸렌의 비율을 조절 할 수 있다. 실시 조건을 하기의 [표1]에 정리하였다.
[표1]은 본 발명에서 은에 인가된 DC 파워와 탄소나노튜브를 포함하는 폴리테트라플루오로에틸렌에 인가된 RF 파워를 달리하여 마그네트론 코스퍼터링법으로 증착된 은-탄소나노튜브를 포함하는 폴리테트라플루오로에틸렌 박막의 면저항을 나타낸 표이다.
Figure pat00001
상기 [표1]에 따라, DC 파워와 RF 파워의 전력비(R)가 6일 때 면저항이 가장 작음을 확인했다. 면저항이 작다는 것은 전기 전도도가 높다는 것을 의미한다. 실제로 응용될 수 있는 전력비의 범위는 5 내지 15, 바람직하게는 5 내지 8, 더욱 바람직하게는 6 내지 8 이다.
도 5는 일 실시예에 따른 은에 인가된 DC 파워와 탄소나노튜브를 포함한 폴리테트라플루오로에틸렌에 인가된 RF 파워의 전력비에 따른 저항성의 측정 결과를 나타낸 도면을 도시한다.
도 5에 따르면, 은-탄소나노튜브를 포함하는 폴리테트라플루오로에틸렌 박막의 전력비에 따른 면저항 및 저항률은 DC 파워 : RF 파워의 비가 5W : 30W일 때 가장 낮은 것을 확인할 수 있다.
도 6는 일 실시예에 따른 은에 인가된 DC 파워와 탄소나노튜브를 포함한 폴리테트라플루오로에틸렌에 인가된 RF 파워의 전력비에 따라 기판 위에 증착된 나노 포러스-스펀지-네트워크 형태의 3차원 네트워크의 FESEM 이미지를 도시한다.
스트레칭 특성 측정
본 발명의 일 실시예에서 전력비가 6인 것으로 제조된 은과 탄소나노튜브를 포함하는 폴리테트라플루오로에틸렌의 박막에 대하여 스트레인(strain) 및 스트레칭(stretching) 테스트를 이용하여 스트레처빌리티(strethability)를 측정하였다. 이하, 본 발명을 도면을 참조하여 더욱 상세히 설명한다.
도 7a는 은 박막과 일 실시예에 따라 제조된 은-탄소나노튜브를 포함하는 폴리테트라플루오로에틸렌 박막을 0% 내지 50% 스트레칭 변화를 주었을 때 나타나는 저항 변화를 측정한 결과를 나타낸 도면을 도시한다.
도 7a에 따르면, 은 박막의 경우 약간의 스트레칭만으로도 끊어지기 때문에 쉽게 분리되어 5%의 스트레인 내에서 급격한 저항 증가가 관찰 되었다. 이에 비해 은-탄소나노튜브를 포함하는 폴리테트라플루오로에틸렌 박막은 나노 포러스-스펀지 네트워크를 형성하는 3차원 네트워크 구조의 높은 스트레처빌리티 때문에 20%의 스트레인에서도 초기 저항을 유지했다. 20% 이상의 스트레인에서는 늘어난 박막의 두께 감소에 의한 저항 증가가 관찰되었다.
도 7b는 상기 스트레칭 테스트의 결과를 바탕으로 은 박막 전극과 은-탄소나노튜브를 포함하는 폴리테트라플루오로에틸렌 하이브리드 박막 전극을 20%로 고정된 스트레인에서 10000 사이클 이상의 반복 스트레칭동안의 저항 변화를 측정한 결과를 나타낸 도면을 도시한다.
도 7b에 따르면 은-탄소나노튜브를 포함하는 폴리테트라플루오로에틸렌 박막 전극은 초기 저항을 유지하는 반면에 은 박막 전극은 1000회의 스트레칭 사이클에서 지속적으로 증가함을 보였다. 은 박막은 반복 스트레칭 동안의 빠른 균열의 형성으로 인한 급격한 저항 변화가 관찰 되었다. 이는 은 박막의 작은 스트레인에서의 저항 증가와 연결되는 부분이다. 그러나 은-탄소나노튜브를 포함하는 폴리테트라플루오로에틸렌 박막은 저항 변화가 거의 관찰 되지 않았다. 이는 자가-조립된 은 나노-포러스 스펀지 네트워크를 형성하는 3차원 네트워크 구조 및 탄소나노튜브를 포함한 폴리테트라플루오로에틸렌 매티릭스가 열가소성 폴리우레탄 기판위에 증착되었을 때 하이브리드 전극에 가해지는 응력을 효과적으로 전달할 수 있음을 나타내는 결과이다.
상기 은 박막과 은-탄소나노튜브를 포함하는 폴리테트라플루오로에틸렌 박막의 면저항 특성 테스트, 스트레칭 특성 테스트의 결과로 은과 탄소나노튜브를 포함하는 폴리테트라플루오로에틸렌의 코스퍼터링을 통해 스트레칭 특성이 향상된 것을 확인할 수 있다.
상기에서는 본 발명의 바람직한 실시 예를 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.

Claims (13)

  1. 금속 타겟을 준비하는 단계;
    탄소나노튜브를 포함하는 폴리테트라플루오로에틸렌(Polytetrafluoroethylene, PTFE) 타겟을 준비하는 단계;
    상기 금속 타겟과 탄소나노튜브를 포함하는 폴리테트라플루오로에틸렌 타겟을 마그네트론 코스퍼터링법을 이용하여 기판 위에 증착시키는 단계를 포함하고;
    상기 증착시키는 단계는,
    증착된 탄소나노튜브를 포함하는 폴리테트라플루오로에틸렌 매트리스 내에서 상기 금속 타겟으로부터의 금속 입자가 자체-응집(self-agglomeration)을 이루어 3차원 네트워크 구조를 형성함을 특징으로 하는
    스트레처블 하이브리드 박막 전극을 제조하는 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 금속 타겟은 은(Ag), 알루미늄(Al), 구리(Cu), 티타늄(Ti)를 포함하는,
    스트레처블 하이브리드 박막 전극을 제조하는 방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 마그네트론 코스퍼터링법은 DC 파워 및 RF 파워를 이용하고,
    상기 DC 파워는 금속 타겟에 인가되고,
    상기 RF 파워는 탄소나노튜브를 포함하는 폴리테트라플루오로에틸렌 타겟에 인가되는
    스트레처블 하이브리드 박막 전극을 제조하는 방법.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 DC 파워와 RF 파워는
    하기 수학식 1로 표현되는 DC 파워와 RF 파워의 전력비(R)를 제어하는 것을 특징으로 하는,
    스트레처블 하이브리드 박막 전극을 제조하는 방법.
    [수학식 1]
    R = [탄소나노튜브를 포함하는 폴리테트라플루오로에틸렌 타겟에 대한 RF 파워]/[금속 타겟에 대한 DC 파워]
  5. 제4항에 있어서,
    상기 DC 파워와 RF 파워의 전력비(R)는 5 내지 15인,
    스트레처블 하이브리드 박막 전극을 제조하는 방법.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 DC 파워와 RF 파워의 전력비(R)는 5 내지 8인,
    스트레처블 하이브리드 박막 전극을 제조하는 방법.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 DC 파워와 RF 파워의 전력비(R)는 6 내지 8인,
    스트레처블 하이브리드 박막 전극을 제조하는 방법.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 기판은 열가소성 폴리우레탄(Thermoplastic Polyurethane) 기판을 포함하는,
    스트레처블 하이브리드 박막 전극을 제조하는 방법.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 3차원 네트워크 구조는,
    탄소나노튜브를 포함한 폴리테트라플루오로에틸렌 매트리스에 내장된 금속 덩어리들의 부피가 증가하면서 금속 덩어리 말단 부분이 서로 겹치게 되어 3차원 네트워크 구조를 형성하는 것을 특징으로 하는
    스트레처블 하이브리드 박막 전극을 제조하는 방법.
  10. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항의 방법에 따라 제조되고,
    연신율이 30% 향상된,
    스트레처블 하이브리드 박막 전극.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 스트레처블 하이브리드 박막 전극은
    박막 두께가 40nm이상인
    스트레처블 하이브리드 박막 전극.
  12. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항의 방법에 따라 제조된 스트레처블 하이브리드 박막 전극을 포함한,
    웨어러블 전자소자.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 스트레처블 하이브리드 박막 전극은
    박막 두께가 40nm이상인
    웨어러블 전자소자.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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