KR20200102733A - 투명 전극 제조방법 및 이에 따라 제조된 투명 전극 - Google Patents

Abstract

본 명세서에는 투명 전극 제조방법으로서, 투명 기판 상에 은(Ag) 나노 와이어 및 용매를 포함하는 바인더 용액을 코팅하여 금속 나노 와이어 층을 형성하는 단계; 상기 금속 나노 와이어 층 상에 금속 이온 용액을 코팅하는 단계; 및 상기 금속 이온 용액이 코팅된 금속 나노 와이어 층을 롤 프레스를 이용하여 열 압착하는 단계;를 포함하는, 투명 전극 제조 방법 및 이에 따라 제조된 투명 전극이 개시된다.

Description

투명 전극 제조방법 및 이에 따라 제조된 투명 전극 {PREPARATION METHOD OF TRANSPARENT ELECTRODE AND TRANSPARENT ELECTRODE PREPARED BY THE SAME}

본 발명은 접촉 저항이 개선되고 표면 평탄도가 우수한 투명 전극 제조방법 및 이에 따라 제조된 투명 전극에 관한 것이다.

투명 전극이란 투명 기판 위에 도전막이 형성된 것을 의미하는 것으로서, 빛의 투과가 가능하므로 태양전지, 디스플레이 장치, 터치 스크린 패널 등의 장치에 이용되고 있다.

특히, 은 나노 와이어(AgNW) 필름은 차세대 디바이스라 불리는 롤러블, 플렉서블 기기에 적용될 수 있는 투명전극 소재로써, 반복굽힘 테스트 이후에도 저저항을 유지하는 특성을 가지고 있다.

이러한 특성으로 인해 향후 채용 가능성이 높은 투명전극 소재로 인식되고 있으나, 각 은 나노 와이어(AgNW) 입자의 적층으로 전극층을 형성하는 경우, 은 나노 와이어 표면의 고분자 층 때문에 은 나노 와이어(AgNW)의 접촉 저항이 큰 문제가 있다.

구체적으로, 일반적으로 AgNW 표면은 고분자 물질로 코팅처리 되어있어, 예컨대 AgNW A와 AgNW B가 적층되어 전기가 통하는 루트는 AgNW A -> A 표면의 고분자층 -> B 표면의 고분자 층 -> AgNW B가 되므로, 접촉 저항이 커지는 문제가 있다.

또한, 예를 들어 20nm 직경의 은 나노 와이어(AgNW)의 여러 개가 적층되는 경우, 전체 투명 전극의 두께가 상승하고 표면의 두께 균일도가 나빠지는 단점이 있다.

따라서, 두께 균일도를 높이는 한편 AgNW 간의 접촉 저항을 낮출 수 있는 투명 전극 제조방법의 개발이 요구된다.

일본 공개 특허 제2015-042717호 일본 공개 특허 제2015-172984호

본 발명에서는 종래의 투명 전극과 비교하여, 접촉 저항이 낮으면서도 표면 평탄도가 우수한 투명 전극을 제조할 수 있는 투명 전극의 제조방법을 제공하고자 한다.

본 발명의 또다른 예시적인 구현예들에서는 투명 기판 상에 은(Ag) 나노 와이어 및 용매를 포함하는 바인더 용액을 코팅하여 금속 나노 와이어 층을 형성하는 단계; 상기 금속 나노 와이어 층 상에 금속 이온 용액을 코팅하는 단계; 및 상기 금속 이온 용액이 코팅된 금속 나노 와이어 층을 롤 프레스를 이용하여 열 압착하는 단계;를 포함하는, 투명 전극 제조 방법을 제공한다.

본 발명의 예시적인 구현예들에서는 전술한 투명 전극 제조방법에 의해 제조된 투명 전극을 제공한다.

본 발명의 예시적인 구현예들에 의하면, 본 발명의 투명 전극 제조방법은 3차원 네트워크 구조를 가지는 은(Ag) 나노 와이어의 표면에 금속 이온이 코팅되고, 이를 롤 프레스를 이용하여 열 압착함으로써, 접촉 저항이 낮으면서도 표면 평탄도가 우수한 투명 전극을 제조할 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 구현예에 따른 투명 전극 제조방법의 모식도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 AFM 분석을 통한 표면 거칠기 측정 결과를 나타낸 것이다.

본 명세서에서, 어떤 부분이 어떤 구성 요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성 요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.

본 명세서에서 "투명 전극(transparent electrode)"이라 함은, 빛 투과성과 전기 전도성이 있는 전극을 의미하는 것으로서, 가시광선을 포함하는 빛을 투과시킬 수 있는 전기 전도성을 갖는 막이다.

명세서에서 "3차원 네트워크" 구조란 그물과 그물이 얽혀 있는 3차원 그물 망 구조를 의미한다.

이하, 본 발명의 예시적인 구현예들을 상세히 설명한다.

본 발명의 예시적인 구현예들에서는, 투명 기판 상에 은(Ag) 나노 와이어 및 용매를 포함하는 바인더 용액을 코팅하여 금속 나노 와이어 층을 형성하는 단계; 상기 금속 나노 와이어 층 상에 금속 이온 용액을 코팅하는 단계; 및 상기 금속 이온 용액이 코팅된 금속 나노 와이어 층을 롤 프레스를 이용하여 열 압착하는 단계;를 포함하는, 투명 전극 제조 방법을 제공한다.

일반적으로 금속 나노 와이어로 전극을 형성하는 경우 금속 나노 와이어가 기판 위에 잘 형성되어 그 형태를 유지하는 것이 중요하고, 또한 금속 나노 와이어 간의 접촉면을 넓히고 접촉을 균일하게 하여야 하는데, 특히 금속 나노 와이어의 경우 압축 공기 또는 고 전압의 전기장에 의해 불규칙적인 패턴으로 분사되므로, 금속 나노 와이어와 기판 간 및 금속 나노 와이어들 상호 간의 접촉이 원활하지 못해 높은 저항을 가지게 되고, 두께 균일도가 나빠질 수 있다. 따라서 금속 나노 와어어간 접촉을 높여주고 저항을 감소시키면서도, 표면 평탄도가 우수한 투명 전극을 제공할 수 있도록 하여야 한다.

이에 본 발명의 경우, 은(Ag) 나노 와이어를 사용하여 전극층을 형성하되, 이를 금속 이온 용액으로 코팅하고 2차적으로 열 압착을 진행하여 접촉 저항이 낮으면서도 두께 균일도가 우수한 투명 전극을 제조할 수 있다. 본 발명의 구현예들에 따른 투명 전극은 투명 기판상에 상기 금속 나노 와이어층을 포함하는 전극층이 형성되거나, 해당 전극층이 형성된 후, 상기 기판 상부에 다른 기판으로서 작용 될 수 있는 물질을 코팅한 다음 하부 기판을 제거하여 전극층이 형성된 새로운 기판 단독으로 사용될 수도 있다.

상기 투명 기판은 유리, 석영, 아크릴(acrylic), 폴리에스테르(polyester), 폴리이미드(polyimide) 및 폴리에트르술폰(polyethersulfone)으로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상을 포함하는 투명 기판인 것을 예로 들 수 있으며, 빛을 투과시킬 수 있으면서 양호한 기계적 강도, 열적 안정성을 갖는 것이면 제한없이 사용할 수 있다.

본 발명의 구현예들에 따른 투명 전극은 필요 시 탄소나노튜브(carbon nano tube), 그라펜(graphene) 등의 유기재료 또는 산화아연, 산화주석, 산화인듐-산화주석(ITO), 불소첨가 산화주석(FTO) 등의 무기재료의 전극층을 더 포함할 수 있다.

본 발명의 구현예들에 사용되는 용매로는 증류수 및 알코올류를 사용할 수 있으며, 예를 들어 증류수, 메탄올, 에탄올, 이소프로판올 등을 사용할 수 있다.

상기 금속 나노 와이어 층을 형성하는 단계는 일반적인 은 나노 와이어(AgNW) 코팅 방법에 따라 수행될 수 있고, 이어 건조(Drying) 공정을 진행하게 되면, 도 1(#1 부분)과 같이 여러 개의 은 나노 와이어(AgNW)가 적층될 수 있다. 구리 나노 와이어는 산화안정성이 낮고 금 나노 와이어는 가격이 고가라는 단점이 있는 반면, 은 나노 와이어는 산화 안정성 대비 가격 경쟁력이 우수하다.

예시적인 구현예에서, 상기 은(Ag) 나노 와이어의 직경은 10 내지 100 nm일 수 있고, 예컨대 20 내지 90 nm, 30 내지 80 nm, 또는 40 내지 70 nm 일 수 있다. 상기 직경이 10 nm 미만인 경우 물리적인 강도가 약해 신뢰성 문제가 발생할 수 있으며, 상기 직경이 100 nm 초과인 경우 투명 전극의 전체 광선 투과율이 저하되거나, 헤이즈(Haze)가 상승될 수 있다.

예시적인 구현예에서, 상기 은(Ag) 나노 와이어의 길이는 10 내지 50 μm 일 수 있고, 예컨대 15 내지 45 μm, 20 내지 40 μm, 또는 25 내지 35 μm일 수 있다. 상기 길이가 10 μm 미만인 경우 은(Ag) 나노 와이어끼리 잘 연결되지 않아 전극층으로서의 기능이 어려울 수 있고, 상기 길이가 50 μm 초과인 경우 전체 광선 투과율이 높아질 수 있으나 저항 균일도가 떨어지는 문제점이 발생할 수 있다..

그 후 금속 이온 용액을 코팅하고, 추가적으로 건조 처리를 하면, 은 나노 와이어(AgNW)와 은 나노 와이어(AgNW)사이 간격에 금속 이온들이 붙어서 접합되므로, 은 나노 와이어(AgNW)와 은 나노 와이어(AgNW)가 서로 물리적으로 직접 접촉할 때보다 접촉저항이 낮아진다.

예시적인 구현예에서, 상기 금속 이온 용액은 Ag⁺, Au⁺, Au^{3 +}, Cu^{2 +}, Fe^{2 +}, 및 Fe³⁺로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상의 금속 이온을 포함할 수 있고, 바람직하게는 Ag⁺를 포함할 수 있다.

예시적인 구현예에서, 상기 금속 이온은 전체 금속 이온 용액 중량을 기준으로 0.01 내지 1 중량%일 수 있고, 예컨대, 0.05 중량% 이상, 0.07 중량% 이상일 수 있고, 0.5 중량% 이하, 0.3 중량% 이하일 수 있다.

본 발명은 선행문헌과 달리 전극층 형성시 Thiol기가 포함된 화합물을 사용하지 않고, 금속 이온, 특히 Ag⁺ 이온를 포함하는 금속 이온 용액을 사용하여, 은(Ag) 나노 와이어 사이의 전자흐름을 방해하는 고분자 물질을 은 이온(Ag⁺)으로 덮어 전기적 특성을 개선할 수 있다.

예시적인 구현예에서, 상기 금속 나노 와이어 층은 3차원 네트워크 구조를 가지고, 상기 3차원 네트워크 구조 상에 상기 금속 이온들이 코팅될 수 있으며, 이는 마치 전체적으로 연결된 금속 메쉬망 같은 형태로서, 연결된 전극의 경우 반복굽힘 및 산화에 대한 전극신뢰성이 좋아지게 된다(도 1의 #2 부분 참조).

상기 금속 이온 코팅 공정 이후, 접촉저항이 낮아졌지만 표면 평탄도는 다소 낮을 수 있으므로, 본 발명에서는 추가적으로 롤 프레스(roll press)를 이용하여 열 압착롤 사이에 필름을 통과시켜 표면 평탄도를 우수하게 만들 수 있다(도 1의 #3 부분 참조). 또한, 전극의 밀도가 더욱 높아지게 되므로 저항 감소 효과가 나타날 수 있다.

예시적인 구현예에서, 상기 열 압착하는 단계에서 온도는 100 ℃ 이상이고, 압력은 30 kg/cm² 이상일 수 있고, 예컨대 온도는 100 ℃ 이상, 110 ℃ 이상, 또는 120 ℃ 이상일 수 있고, 바람직하게는 130℃ 이상일 수 있으며, 압력은 30 kg/cm² 이상, 또는 35 kg/cm² 이상일 수 있고, 바람직하게는 40 kg/cm² 이상일 수 있다.

상기 온도가 100 ℃ 미만인 경우 접촉저항을 낮추는 데 한계가 있을 수 있으며, 200 ℃ 이상인 경우에는 은 나노와이어가 녹아버리는 문제가 발생할 수 있다. 상기 압력이 30 kg/cm² 미만인 경우에는 표면평탄도 개선 효과가 미미하여 저항감소 효과 역시 미미할 수 있다.

본 발명의 예시적인 구현예들에서는, 전술한 투명 전극 제조방법에 의해 제조된 투명 전극을 제공한다.

예시적인 구현예에서, 상기 투명 전극의 접촉 저항은 100 kΩ 이하일 수 있고, 예컨대 90 kΩ 이하, 80 kΩ 이하, 70 kΩ 이하, 또는 60 kΩ 이하일 수 있고, 바람직하게는 50 kΩ 이하일 수 있다. 상기 접촉 저항이 100 kΩ 초과인 경우 디바이스를 만들었을 때, 구동속도가 느려지는 문제가 발생할 수 있다.

예시적인 구현예에서, 상기 투명 전극의 표면 평탄도는 RMS 100 nm 이하일 수 있고, 예컨대 RMS 80nm 이하, RMS 60nm 이하, RMS 40nm 이하, RMS 20nm 이하, RMS 10nm 이하, 또는 RMS 5nm 이하일 수 있고, 바람직하게는 RMS 1.67nm 이하일 수 있다. 상기 표면 평탄도가 RMS 100 nm 초과인 경우 전극표면의 높낮이 차이가 발생하여, 수직으로 적층을 하게되는 OLED와 같은 디바이스의 경우 높은 부분에 전자가 집중되어 부하를 받게되어 수명이 줄어들 수 있다. 예시적인 구현예에서, 상기 투명 전극의 두께는 50nm 내지 1um 일 수 있고, 이는 전극 저항에 따라 달라질 수 있으며, 이에 제한되지 않는다.

이하, 본 발명의 예시적인 구현예들에 따른 구체적인 실시예를 더욱 상세하게 설명한다. 그러나 본 발명이 하기 실시예에 한정되는 것은 아니며 첨부된 특허청구범위 내에서 다양한 형태의 실시예들이 구현될 수 있고, 단지 하기 실시예는 본 발명의 개시가 완전하도록 함과 동시에 당 업계에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 실시를 용이하게 하고자 하는 것임이 이해될 것이다.

실시예

투명 전극의 제조

AgNW(N&B SNW-006a, 직경 20nm, 길이 15um)와 바인더가 함유된 용액을 이용하여 코팅 및 열풍 건조 과정을 거쳐 금속 나노 와이어 층을 형성하였다. 이후 상기 금속 나노 와이어 층 상에 금속 이온 용액인 Ag ion(Inktec TEC-CO-011) 수용액(전체 수용액 중량 기준 Ag ion 0.1 중량%)을 이용하여 코팅한 것과 별도 코팅을 하지 않은 것에 따른 차이, 금속 이온 용액 코팅 후 상기 롤프레스(50kg/cm², 130℃ 자체제작) 공정의 유/ 무에 따른 전극의 특성 변화를 확인하였다.

실험예

투명 전극 성능 평가

1. 롤프레스 전/ 후 비교

AFM 분석을 통한 표면 거칠기 측정 결과(도 2)를 보면, 롤프레스를 하기 전보다 후의 표면 거칠기가 줄어든 것을 확인할 수 있으며, 금속 이온 용액인 Ag ion(Inktec TEC-CO-011) 수용액(전체 수용액 중량 기준 Ag ion 0.1 중량%)을 을 이용하여 코팅한 것(도면 상에 Ag ion 첨가로 표시)이 별도 코팅을 하지 않은 것(도면 상에 Ag ion 미첨가로 표시)보다 롤프레스 전/후 모두 표면거칠기가 낮다는 것을 확인 할 수 있다.

표면거칠기가 낮아졌다는 것은 평탄화되었다는 것과 동일한 의미이며, 은나노와이어와 은나노와이어 사이의 간격이 줄어들거나 은나노와이어 간의 컨택저항이 낮아졌음을 의미한다.

2. 투명 전극의 접촉저항 측정

투명전극의 접촉 저항을 확인하기 위해, 상기 4가지 종류의 필름(금속 이온 용액 코팅/미코팅 + 롤프레스 유/무)에 동일한 간격(2mm)의 Ag pad를 인쇄한 뒤 Ag pad 간의 저항을 측정하여 하기 표 1에 나타내었다.

		표면거칠기(Ra, nm)	컨택저항(kΩ)
Ag ion 포함하는 금속 이온 용액으로 추가 코팅한 것 (금속 나노 와이어 층+금속 이온 용액 층)	롤프레스 전	7.319	68
	롤프레스 후	3.364	43
Ag ion 포함하는 금속 이온 용액으로 추가 코팅하지 않은 것 (금속 나노 와이어 층 only)	롤프레스 전	9.470	84
	롤프레스 후	6.746	73

상기 표 1을 참조하면, 제조시 Ag ion 포함하는 금속 이온 용액으로 추가 코팅한 필름의 컨택저항이 Ag ion 미코팅 필름보다 낮은 결과를 보였다. 이것은 Ag ion 코팅에 따른 전극특성이 향상되었음을 의미하며, 롤프레스 전보다 롤프레스 이후의 컨택 저항이 낮아진 결과 역시 전극의 전기적 특성이 향상되었음을 알 수 있다.

Claims (10)

1. 투명 기판 상에 은(Ag) 나노 와이어 및 용매를 포함하는 바인더 용액을 코팅하여 금속 나노 와이어 층을 형성하는 단계;
   상기 금속 나노 와이어 층 상에 금속 이온 용액을 코팅하는 단계; 및
   상기 금속 이온 용액이 코팅된 금속 나노 와이어 층을 롤 프레스를 이용하여 열 압착하는 단계;를 포함하는, 투명 전극 제조 방법.
2. 제1항에 있어서,
   상기 은(Ag) 나노 와이어의 직경은 10 내지 100 nm 인 것을 특징으로 하는, 투명 전극 제조방법.
3. 제1항에 있어서,
   상기 은(Ag) 나노 와이어의 길이는 10 내지 50 μm 인 것을 특징으로 하는, 투명 전극 제조방법.
4. 제1항에 있어서,
   상기 금속 이온 용액은 Ag⁺, Au⁺, Au^{3 +}, Cu^{2 +}, Fe^{2 +}, 및 Fe^{3 +}로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상의 금속 이온을 포함하는 것을 특징으로 하는, 투명 전극 제조방법.
5. 제1항에 있어서,
   상기 금속 나노 와이어 층은 3차원 네트워크 구조를 가지고,
   상기 3차원 네트워크 구조 상에 상기 금속 이온들이 코팅되는 것을 특징으로 하는, 투명 전극 제조방법.
6. 제1항에 있어서,
   상기 열 압착하는 단계에서 온도는 100 ℃ 이상이고, 압력은 30 kg/cm² 이상인 것을 특징으로 하는, 투명 전극 제조방법.
7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 따른 투명 전극 제조방법에 의해 제조된 투명 전극.
8. 제7항에 있어서,
   상기 투명 전극의 접촉 저항은 100 kΩ 이하인 것을 특징으로 하는, 투명전극.
9. 제7항에 있어서,
   상기 투명 전극의 표면 평탄도는 RMS 100 nm 이하인 것을 특징으로 하는, 투명전극.
10. 제7항에 있어서,
    상기 투명 전극의 두께는 50nm 내지 1um 인 것을 특징으로 하는, 투명 전극.

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