KR20220079436A - 마스터몰드를 이용한 투명 전도성 네트워크 제조방법 - Google Patents

마스터몰드를 이용한 투명 전도성 네트워크 제조방법 Download PDF

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KR20220079436A
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Abstract

본 발명은 투명 전도성 네트워크를 형성함에 있어서 나노선 간의 접촉저항을 배제함과 함께 투명 전도성 네트워크의 표면거칠기를 최소화함으로써 투명 전도성 네트워크의 전기적 특성 및 광학적 특성을 향상시킴과 함께 마스터몰드 상의 투명 전도성 네트워크를 기판에 전사하는 방법을 적용함으로써 대면적의 투명전극을 용이하게 형성시킬 수 있는 마스터몰드를 이용한 투명 전도성 네트워크 제조방법에 관한 것으로서, 본 발명에 따른 마스터몰드를 이용한 투명 전도성 네트워크 제조방법은 양각 패터닝된 전도성 네트워크 전사영역을 구비하는 마스터몰드를 준비하는 단계; 마스터몰드 상에 전도성 물질을 코팅하는 단계; 및 전도성 네트워크 전사영역에 코팅된 전도성 물질을 적용대상기판 상에 전사하여 적용대상기판 상에 전도성 네트워크를 형성하는 단계;를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.

Description

마스터몰드를 이용한 투명 전도성 네트워크 제조방법{Fabrication method of conductive nanonetworks using mastermold}
본 발명은 마스터몰드를 이용한 투명 전도성 네트워크 제조방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 투명 전도성 네트워크를 형성함에 있어서 나노선 간의 접촉저항을 배제함과 함께 투명 전도성 네트워크의 표면거칠기를 최소화함으로써 투명 전도성 네트워크의 전기적 특성 및 광학적 특성을 향상시킴과 함께 마스터몰드 상의 투명 전도성 네트워크를 기판에 전사하는 방법을 적용함으로써 대면적의 투명전극을 용이하게 형성시킬 수 있는 마스터몰드를 이용한 투명 전도성 네트워크 제조방법에 관한 것이다.
다양한 디스플레이 모듈의 투명전극으로 약 85%의 투과율과 15 Ω/sq의 면저항 특성을 갖는 ITO(indium tin oxide)가 널리 이용되고 있다. 그러나, ITO를 구성하는 인듐 성분은 매장량과 매장된 장소가 한정되어 있기 때문에 수급이 불안정하고, 가격이 비교적 고가이다. 또한, ITO 증착 공정을 진행하기 위해서는 고가의 부피가 큰 진공장비와 높은 유지비용이 요구되고, 부서지는 산화물의 특성상 유연전극에 적용하기에 적합하지 않다.
최근, 저온공정이 가능하고 유연성을 갖는 금속나노선을 이용한 투명전도막에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다. 일 예로, 한국등록특허 제1011447호는 금속나노선이 분산된 금속고분자 용액을 몰드 상에서 건조시켜 금속고분자 필름을 제조하고, 금속고분자 필름을 일 방향으로 인장시키는 기술을 제시하고 있다. 또한, 미국등록특허 US 10831233호는 기재(matrix) 상에 나노와이어를 포함하는 전도층을 코팅하고, 전도층 상에 레지스트 패턴을 형성시킨 상태에서, 박리가능한 중합체층을 오버코팅한 후, 박리가능한 중합체층을 제거함으로써 레지스트 패턴이 형성되지 않은 영역의 전도층이 제거되도록 하여 패턴화된 전도층을 형성하는 기술을 제시하고 있다.
그러나, 상술한 종래기술은 금속나노선이 겹쳐진 형태로 투명전도막을 형성함에 따라 금속나노선 간의 접촉저항이 필연적으로 존재함과 함께 표면거칠기가 큰 단점이 있다. 또한, 금속나노선 간의 접촉저항을 저감시키기 위해 열처리, 레이저처리 등의 후처리가 요구되는데 이는 고분자 유연기판에는 접합치 않은 공정이다. 이와 함께, 종래 기술에 따른 습식공정은 극소수성을 띠는 기판에는 적용하기에 어려움이 있다.
한국등록특허 제1011447호(2011. 1. 28. 공고) 미국등록특허 US 10831233호(2020. 11. 10. 공고)
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출한 것으로서, 투명 전도성 네트워크를 형성함에 있어서 나노선 간의 접촉저항을 배제함과 함께 투명 전도성 네트워크의 표면거칠기를 최소화함으로써 투명 전도성 네트워크의 전기적 특성 및 광학적 특성을 향상시킬 수 있는 마스터몰드를 이용한 투명 전도성 네트워크 제조방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
또한, 본 발명은 마스터몰드 상의 투명 전도성 네트워크를 기판에 전사하는 방법을 적용함으로써 대면적의 투명전극을 용이하게 형성시킬 수 있을 뿐만 아니라 전도성 물질의 낭비를 줄일 수 있는 기술을 제공하는데 또 다른 목적이 있다.
상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 마스터몰드를 이용한 투명 전도성 네트워크 제조방법은 양각 패터닝된 전도성 네트워크 전사영역을 구비하는 마스터몰드를 준비하는 단계; 마스터몰드 상에 전도성 물질을 코팅하는 단계; 및 전도성 네트워크 전사영역에 코팅된 전도성 물질을 적용대상기판 상에 전사하여 적용대상기판 상에 전도성 네트워크를 형성하는 단계;를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.
상기 양각 패터닝된 전도성 네트워크 전사영역을 구비하는 마스터몰드는, 마스터몰드용 기판 상에 나노선 네트워크를 도포하는 과정과, 나노선 네트워크가 도포된 마스터몰드용 기판에 대해 이방성 식각을 실시하여, 나노선 네트워크가 구비된 영역을 양각 패터닝하는 과정과, 나노선 네트워크를 제거하는 과정을 통해 제조되며, 양각 패터닝된 영역이 마스터몰드의 양각 패터닝된 전도성 네트워크 전사영역에 해당된다.
상기 마스터몰드 상에 전도성 물질을 코팅하기 전에, 마스터몰드 상에 친수성 박막층을 적층하는 단계; 친수성 박막층 상에 소수성 표면처리층을 적층하는 단계;를 순차적으로 진행하며, 상기 친수성 박막층은 친수성기를 구비하여 소수성 표면처리층과 결합되며, 상기 소수성 표면처리층은 소수성기를 구비하여 전도성 물질과의 결합이 억제된다.
나노선 네트워크는 전기방사에 의해 형성될 수 있다.
나노선 네트워크의 기하학적 형상은 적용대상기판에 형성되는 전도성 네트워크의 기하학적 형상에 대응되며, 도포되는 나노선 네트워크의 기하학적 형상 조절을 통해 전도성 네트워크의 기하학적 형상을 변화시켜 전도성 네트워크의 전기적 특성 및 광학적 특성을 제어할 수 있다.
전기방사장치의 니들 직경, 니들에 인가되는 전압 그리고 나노선 네트워크를 형성하는 물질이 포함된 용액의 농도 중 적어도 어느 하나 이상의 조절을 통해 기판 상에 형성되는 나노선 네트워크의 기하학적 형상을 조절할 수 있다.
상기 전도성 물질은 도전성 금속, 탄소계 도전성 물질, 전도성 고분자, 전도성 나노입자 중 어느 하나 또는 이들의 조합이다.
본 발명에 따른 마스터몰드를 이용한 투명 전도성 네트워크 제조방법은 다음과 같은 효과가 있다.
마스터몰드에 양각된 전도성 네트워크 전사영역에 전도성 물질을 코팅하고 이를 적용대상기판에 전사함으로써 전도성 네트워크를 형성하는 방식임에 따라, 나노 네트워크 형태의 투명전도막을 용이하게 제조할 수 있으며, 마스터몰드의 대형화를 통해 대면적의 투명전도막으로의 응용 역시 가능하다. 이와 함께, 종래 기술의 나노 네트워크 형태의 투명전도막에 대비하여 우수한 전기적, 광학적 특성을 확보할 수 있으며, 전도성 네트워크의 기하학적 형상 변화를 통해 전기적, 광학적 특성을 제어할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 마스터몰드를 이용한 투명 전도성 네트워크 제조방법을 설명하기 위한 순서도.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 마스터몰드를 이용한 투명 전도성 네트워크 제조방법을 설명하기 위한 공정 모식도.
도 3a 내지 도 3h는 본 발명의 일 실시예에 따른 마스터몰드를 이용한 투명 전도성 네트워크 제조방법을 설명하기 위한 공정 참고도.
도 4는 실험예 1에 따라 제작된 마스터몰드의 SEM 사진.
도 5는 실험예 1에 따라 제작된 전도성 네트워크의 SEM 사진.
도 6a 내지 도 6c는 실리콘 기판, 실리콘 기판 상에 FDTS가 적층된 것, 실리콘 기판 상에 ZnO층과 FDTS가 순차적으로 적층된 것 각각의 접촉각을 나타낸 것.
도 7은 2인치 웨이퍼에 제작된 마스터몰드에 대한 사진.
도 8은 실험예 1에 따라 제조된 Ag 전도성 네트워크의 파장에 따른 광투과도 특성을 나타낸 실험결과.
도 9은 실험예 1에 따라 제조된 Ag 전도성 네트워크의 두께에 따른 면저항 및 광투과도 특성을 나타낸 실험결과.
도 10 및 도 11은 실험예 1에 따라 제조된 Ag 전도성 네트워크의 시간 및 온도에 따른 전기저항 특성을 나타낸 실험결과.
본 발명은 신규의 공정을 통해 투명 전도성 네트워크를 제조하는 기술을 제시한다.
앞서 '발명의 배경이 되는 기술'에서 기술한 바와 같이, 기존의 ITO 투명전극을 대체하기 위해 금속나노선으로 이루어진 투명전도막이 제시되었으며, 이러한 금속나노선 투명전도막은 대표적으로 나노선 용액을 이용한 습식공정을 통해 제조된다. 나노선 용액을 이용한 습식공정은, 금속나노선이 분포된 용액을 기판 상에 도포하고 용매를 제거함으로써 금속나노선이 서로 연결된 형태의 투명전도막을 형성하는 공정이다. 이와 같은 공정을 통해 금속나노선으로 이루어진 투명전도막을 제조할 수 있으나, 용액 내에 무작위로 분산된 금속나노선이 서로 중첩된 형태로 연결되는 방식임에 따라 최종 제조된 금속나노선 투명전도막의 표면거칠기가 크고 나노선 간의 접촉저항이 필연적으로 존재할 수 밖에 없으며, 금속나노선 투명전도막의 높이 조절이 가능하지 않다.
본 발명은 마스터몰드를 이용하여 투명 전도성 네트워크를 제조하며, 이를 통해 나노선 간의 접촉저항 문제점이 원천적으로 배제됨과 함께 최종 제조된 투명 전도성 네트워크의 표면거칠기가 최소화된다.
또한, 본 발명은 마스터몰드 상의 투명 전도성 네트워크가 기판 상에 전사되는(replicated) 방식임에 따라, 대면적의 투명전극 형성 공정에 적합하며, 전도성 물질의 불필요한 낭비를 줄일 수 있다.
이와 함께, 본 발명은 전도성 네트워크의 두께 조절 그리고 마스터몰드를 패터닝하기 위한 나노선 네트워크의 물질 제어를 통해 전도성 네트워크의 전기적 특성 및 광학적 특성을 선택적으로 조절할 수 있는 기술을 제시한다.
한편, 본 발명에서 '전도성 네트워크'라 함은 전도성 물질이 나노크기의 네트워크를 이루는 것을 의미한다. 본 발명의 '전도성 네트워크'는 종래 기술의 '금속나노선이 메쉬 형태를 이루는 것'과 마찬가지로 투명전도막에 해당되는 것이나, 본 발명에서 '전도성 네트워크'의 용어를 사용하는 것은 금속나노선을 사용하는 종래 기술과 구성상 차이점이 있기 때문이다. 종래 기술의 경우 금속나노선 간의 연결을 유도하는 방식임에 반해, 본 발명은 금속나노선의 사용을 배제하고 '전도성 물질이 나노크기의 네트워크를 이루는 것'을 직접 형성시키는 것이기 때문에 본 발명의 '전도성 네트워크'와 종래 기술의 '금속나노선이 메쉬 형태를 이루는 것'은 상이한 기술적 구성이라 할 수 있다.
본 발명에 따른 투명 전도성 네트워크 제조방법을 비유하여 간략히 설명하면, 투명 전도성 네트워크에 대응되는 형상이 마스터몰드에 양각된 형태로 구비되고, 마스터몰드의 양각 상에 전도성 물질을 코팅한 상태에서, 양각 상에 코팅된 물질을 적용대상기판 상에 전사하면 적용대상기판 상에 투명 전도성 네트워크가 형성되는 것으로 정리할 수 있다.
이하, 도면을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 마스터몰드를 이용한 투명 전도성 네트워크 제조방법을 상세히 설명하기로 한다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 마스터몰드를 이용한 투명 전도성 네트워크 제조방법은 크게 마스터몰드를 제작하는 과정(S101)(S102), 마스터몰드 상에 전도성 물질을 코팅하는 과정(S103)(S104), 적용대상기판 상에 전도성 네트워크(150a)를 전사하는 과정(S105)으로 구분된다.
먼저, 마스터몰드의 제작 과정은 다음과 같이 진행된다.
마스터몰드용 기판(110)을 준비하고, 마스터몰드용 기판(110) 상에 나노선 네트워크(120)를 형성한다(S101)(도 2의 (ⅰ), (ⅱ) 그리고 도 3a 및 도 3b 참조). 마스터몰드용 기판(110)은 다양한 기판을 적용할 수 있으며, 일 실시예로 실리콘 기판(110)을 이용할 수 있다.
나노선 네트워크(120)는 일 실시예로 전기방사공정을 이용하여 형성할 수 있는데, 이에 한정되지는 않는다. 전기방사공정을 이용하는 경우, 나노선 네트워크(120)를 형성하는 물질이 포함된 용액을 마스터몰드용 기판(110) 상에 전기방사하여 나노선 네트워크(120)를 형성시킬 수 있다. 나노선 네트워크(120)를 형성하는 물질로는 다양한 고분자 물질이 적용될 수 있으며, 일 예로 PMMA(Poly(methyl methacrylate)), PVP(poly(N-vinylpyrrolidone) 등이 이용될 수 있다. 참고로, 실제 나노선 네트워크(120)는 무질서한 구조의 나노섬유 형태를 이루는데, 도 3a 내지 도 3h에서는 설명의 편의상 나노선 네트워크(120)를 격자 형태로 도시하였다.
마스터몰드용 기판(110) 상에 나노선 네트워크(120)가 형성된 상태에서, 마스터몰드용 기판(110) 전면에 대한 이방성 건식식각을 진행한다(도 2의 (ⅱ) 및 도 3b 참조). 이방성 건식식각에 의해 나노선 네트워크(120)가 구비된 영역의 기판(110)은 식각되지 않고, 나노선 네트워크(120)가 구비되지 않은 영역의 기판(110)은 일정 두께만큼 식각된다. 이에 따라, 나노선 네트워크(120)가 구비된 영역의 기판(110)이 양각된 형태로 패터닝되며, 나노선 네트워크(120)가 구비된 영역에 대한 양각 패터닝이 완료되면 나노선 네트워크(120)를 제거한다.
상기의 공정을 통해, 나노선 네트워크(120)가 구비된 영역이 양각 패터닝된 마스터몰드의 제작이 완료된다(S102)(도 2의 (ⅲ) 및 도 3c 참조). 마스터몰드의 '양각 패터닝된 나노선 네트워크(120)가 구비된 영역'은 전도성 네트워크(150a)에 대응되는 영역으로 전도성 네트워크(150a)를 전사하는(replicating) 영역에 해당되며, 이하에서는 설명의 편의상 '전도성 네트워크 전사영역(110a)'이라 칭하기로 한다.
양각 패터닝된 형태의 '전도성 네트워크 전사영역(110a)'이 구비된 마스터몰드의 제작이 완료된 상태에서, 마스터몰드 상에 전도성 물질(150)을 코팅하는 과정을 진행한다.
앞서 설명한 바와 같이, 본 발명은 마스터몰드 상에 전도성 물질(150)을 코팅하고 이를 적용대상기판(10) 상에 전사하여 전도성 네트워크(150a)를 형성하는 방식을 택하고 있는데, 전도성 물질(150)의 전사가 원활히 진행되기 위해서는 전도성 물질(150)의 전사시 마스터몰드로부터 전도성 물질(150)이 용이하게 탈착되어야 한다. 이를 위해, 마스터몰드 상에 전도성 물질(150)을 코팅하기 전에 마스터몰드의 소수성화가 요구된다.
마스터몰드의 소수성화를 위해, '전도성 네트워크 전사영역(110a)'이 구비된 마스터몰드의 전면 상에 매우 얇은 두께의 친수성 박막층(130)을 형성한다(S103). 이어, 친수성 박막층(130) 상에 소수성 표면처리층(140)을 적층한다(S103)(도 2의 (ⅳ), (ⅴ) 그리고 도 3d 및 도 3e 참조). 상기 소수성 표면처리층(140)으로는 자기정렬된 단분자층(self-assembled monolayer) 예를 들어, octadecyltrichlorosilane(OTS), 1H,1H,2H,2H-perfluorodecyl-trichlorosilane(FDTS) 중 어느 하나를 이용할 수 있다. 상기 소수성 표면처리층(140) 상에 전도성 물질(150)이 코팅되는데, 상기 소수성 표면처리층(140)은 결합억제제(anti-adhesive)로 작용하여 소수성 표면처리층(140) 상의 전도성 물질(150)은 소수성층으로부터 용이하게 탈착될 수 있다.
한편, 친수성 박막층(130)은 전도성 물질(150)의 전사시 소수성 표면처리층(140)이 전도성 물질(150)과 함께 전사되는 것을 방지하는 역할을 한다. 소수성 표면처리층(140)으로 상술한 물질을 포함한 양친성 물질을 이용하는 경우, 친수성기와 소수성기를 모두 구비하고 있음에 따라 친수성기와 전도성 물질(150) 간의 접촉, 결합을 억제시킬 필요가 있으며, 이를 위해 마스터몰드와 소수성 표면처리층(140) 사이에 친수성 박막층(130)을 구비시켜 소수성 표면처리층(140)의 친수성기가 친수성 박막층(130)과 결합되도록 유도한다. 이와 같이, 소수성 표면처리층(140)의 친수성기가 친수성 박막층(130)과 결합된 상태를 이루고, 소수성 표면처리층(140)의 소수성기는 전도성 물질(150)과 접촉하는 상태를 이룸에 따라, 전도성 물질(150)의 전사시 전도성 물질(150)만 적용대상기판(10)에 전사되고 소수성 표면처리층(140)은 적용대상기판(10)에 전사되지 않도록 할 수 있다. 상기 친수성 박막층(130)으로는 ZnO층을 이용할 수 있는데, 이에 한정되지는 않는다. 도 6a 내지 도 6c는 실리콘 기판(110), 실리콘 기판(110) 상에 1H,1H,2H,2H-perfluorodecyl-trichlorosilane(FDTS)가 적층된 것, 실리콘 기판(110) 상에 ZnO층과 FDTS가 순차적으로 적층된 것 각각의 접촉각을 나타낸 것이다. 도 6a 내지 도 6c를 참조하면, 실리콘 기판(110)은 접촉각 측정이 어려운 상태이고, 실리콘 기판(110)/FDTS는 98도, 실리콘 기판(110)/ZnO/FDTS는 약 113도의 접촉각을 나타냄을 알 수 있으며, 이에 따라 친수성 박막층(130)(ZnO)과 소수성 표면처리층(140)이 함께 적용되면 마스터몰드 표면의 소수성화가 보다 향상됨을 알 수 있다.
마스터몰드 상에 친수성 박막층(130)과 소수성 표면처리층(140)이 순차적으로 형성된 상태에서, 소수성 표면처리층(140) 상에 전도성 물질(150)을 코팅한다(S104)(도 2의 (ⅵ) 및 도 3f 참조). 상기 전도성 물질(150)은 양각 패터닝된 형태의 '전도성 네트워크 전사영역(110a)'을 포함한 마스터몰드의 전 영역 상에 코팅된다. 상기 전도성 물질(150)은 Ag, Au, Al, Cu, Ga 등의 도전성 금속 또는 그래핀, CNT 등의 탄소계 도전성 물질 또는 전도성 고분자, 전도성 나노입자 등을 이용할 수 있으며, 이들 전도성 물질(150)의 조합을 적용할 수도 있다.
마스터몰드에 전도성 물질(150)이 코팅된 상태에서 적용대상기판(10)을 준비하고, 적용대상기판(10) 상에 전도성 물질(150)이 코팅된 마스터몰드를 찍어내어 적용대상기판(10) 상에 전도성 네트워크(150a)를 전사시킨다(S105)(도 2의 (ⅶ), (ⅷ) 그리고 도 3g 및 도 3h 참조). 이 때, 마스터몰드의 전도성 네트워크 전사영역(110a)이 양각된 형태임에 따라, 전도성 물질(150)의 전사시 마스터몰드의 전도성 네트워크 전사영역(110a)에 코팅된 전도성 물질(150)만이 적용대상기판(10)에 전사되며, 적용대상기판(10)에 전사된 전도성 물질(150)은 전도성 네트워크(150a)를 형성하게 된다. 여기서, 전도성 네트워크 전사영역(110a)이 나노선 네트워크(120)가 구비된 영역에 해당되므로 적용대상기판(10) 상에 전사된 전도성 물질(150) 즉, 전도성 네트워크(150a) 역시 나노선 네트워크(120)에 대응되는 형상을 갖게 된다. 또한, 상기 적용대상기판(10)은 투명전도막이 적용되는 소자의 기판(110)에 해당되며, 유연성을 갖는 고분자 기판(110) 또는 신축성이 있는 신축성기판(110)이 적용될 수 있다.
한편, 전도성 물질(150)이 코팅된 마스터몰드를 적용대상기판(10)에 찍어 적용대상기판(10) 상에 전도성 네트워크(150a)를 전사시킴에 있어서, 다양한 방법을 적용할 수 있다. 예를 들어, 두 개의 롤러 사이에 마스터몰드와 적용대상기판(10)이 압착되도록 하여 전도성 네트워크(150a)를 전사시키거나 판화를 찍어내듯이 적용대상기판(10) 상에 마스터몰드를 찍는 방법을 이용할 수 있다.
전사를 통해 전도성 네트워크(150a)의 형성이 완료되면 마스터몰드의 전도성 네트워크 전사영역(110a) 이외의 마스터몰드 상에는 전도성 물질(150)이 코팅된 채로 남아 있는데, 남아 있는 전도성 물질(150)을 수거하여 재사용할 수 있다.
이상의 공정, 마스터몰드를 제작하는 과정, 마스터몰드 상에 전도성 물질(150)을 코팅하는 과정, 적용대상기판(10) 상에 전도성 네트워크(150a)를 전사하는 과정의 순차적 진행을 통해 적용대상기판(10)에 전도성 네트워크(150a)를 형성시킬 수 있다.
이상 설명한 바와 같이, 마스터몰드에 양각 패터닝된 전도성 네트워크 전사영역을 형성시키고, 양각 패터닝된 전도성 네트워크 전사영역에 전도성 물질을 코팅한 후 해당 전도성 물질을 적용대상기판 상에 전사시키는 방식을 통해 전도성 네트워크를 형성함에 따라, 전도성 네트워크의 표면거칠기 특성을 향상시킬 수 있으며 종래 기술의 '나노선 간의 접촉저항' 문제점이 원천적으로 배제되어 전도성 네트워크가 적용되는 소자의 전기적 특성 및 광학적 특성을 개선할 수 있다.
아울러, 본 발명에서는 나노선 네트워크의 직경, 크기 등의 기하학적 형상을 조절하는 것을 통해 전도성 네트워크의 전기적 특성 및 광학적 특성을 제어할 수 있다. 앞서 설명한 바와 같이, 마스터몰드의 전도성 네트워크 전사영역은 나노선 네트워크가 구비된 영역이 양각 패터닝된 영역에 해당되고, 전도성 네트워크는 나노선 네트워크에 대응되는 형상을 갖는 바, 나노선 네트워크의 기하학적 형상의 변화는 전도성 네트워크의 기하학적 형상 변화를 의미한다. 전도성 네트워크의 기하학적 형상 변화는 전기적 특성 및 광학적 특성에 직접적인 연관을 갖는 바, 나노선 네트워크의 직경, 크기 등의 기하학적 형상 조절을 통해 전도성 네트워크의 전기적 특성 및 광학적 특성을 제어할 수 있다.
나노선 네트워크의 기하학적 형상 변화는 나노선 네트워크의 물질 및 전기방사 공정조건 조절을 통해 구현된다. 앞서 나노선 네트워크의 물질로 PMMA(Poly(methyl methacrylate)), PVP(poly(N-vinylpyrrolidone) 등을 언급하였는데, 나노선 네트워크의 물질 종류 또는 물질의 혼합비에 따라 나노선 네트워크의 직경, 크기 및 구조 등이 변화된다. 또한, 나노선 네트워크의 전기방사시 용액을 방사하는 니들(needle)의 직경, 니들에 인가되는 전압에 따라 나노선 네트워크의 직경, 크기 및 구조 등이 변화된다. 참고로, 전기방사장치는 용액을 방사하는 니들, 니들에 전압을 인가하는 고전압발생기 등으로 구성된다. 이에 더하여, 전기방사장치의 전극 배치를 통해 나노선 네트워크의 정렬(align) 방향을 제어하는 것 또한 가능하다.
이와 같이, 나노선 네트워크의 기하학적 형상은 전도성 네트워크의 기하학적 형상에 대응되는 바, 나노선 네트워크의 물질 및 전기방사 공정조건 조절을 통해 나노선 네트워크의 기하학적 형상 변화를 유도하여 전도성 네트워크의 전기적 특성 및 광학적 특성을 제어할 수 있게 된다.
상술한 나노선 네트워크의 물질 및 전기방사 공정조건 조절을 통한 전도성 네트워크의 전기적 특성 및 광학적 특성 제어 이외에 마스터몰드의 전도성 네트워크 전사영역에 코팅되는 전도성 물질의 두께 조절을 통해 전도성 네트워크의 전기적 특성 및 광학적 특성을 제어하는 것도 가능하다.
이상, 본 발명의 일 실시예에 따른 마스터몰드를 이용한 투명 전도성 네트워크 제조방법에 대해 설명하였다. 이하에서는, 실험예를 통해 본 발명을 보다 구체적으로 설명하기로 한다.
<실험예 1 : 마스터몰드를 이용한 전도성 네트워크의 형성>
PMMA(Poly(methyl methacrylate)) 0.36g을 N,N-dimethylformamide와 아세톤이 2:1의 부피비로 혼합된 용액에 용해시켜 0.06g/mL 농도의 PMMA 용액을 준비한 다음, 실리콘 기판 상에 PMMA를 전기방사하였다. 전기방사 조건은 시린지 팁(syringe tip) 23G, 전압 9.8 kV, 기판과 니들 간의 거리 16cm, 유량은 0.6 mL/hr으로 설정하였다.
PMMA가 도포된 실리콘 기판에 대해 ICP-RIE(Inductively Coupled Plasma-Reactive Ion Etching)를 실시하여 PMMA가 도포되지 않은 영역에 대해 식각하였다. 이어, PMMA를 제거하였다. 도 4는 ICP-RIE 후 실리콘 기판의 표면에 대한 SEM 사진으로, 양각 형태로 패터닝된 실리콘 기판을 확인할 수 있다. 또한, 도 7은 2인치 웨이퍼에 대해 양각 패터닝을 실시한 예를 나타내고 있다.
양각 패터닝된 실리콘 기판 상에 졸겔(sol-gel)법 또는 스퍼터링을 통해 ZnO를 적층한 다음, ZnO 상에 1H,1H,2H,2H-perfluorodecyl-trichlorosilane(FDTS)를 도포하였다. 이어, FDTS 상에 Ag를 50nm, 100nm, 200nm 두께로 코팅하였다. 그라비아 인쇄방식을 이용하여 실리콘 기판 상의 Ag를 PET 기판 상에 전사하였다. 도 5는 Ag가 전사된 PET 기판에 대한 SEM 사진으로, Ag가 전도성 네트워크 형태로 형성되어 있음을 확인할 수 있다.
<실험예 2 : 전도성 네트워크의 광학 특성>
실험예 1에 의해 제작된 양각 패터닝된 실리콘 기판/ZnO/FDTS 구조의 마스터몰드를 이용하여 Ag 전도성 네트워크를 형성하고, 형성된 Ag 전도성 네트워크의 광투과도 특성을 ITO와 대비하였다.
도 8을 참조하면, 실험예 1에 따라 제조된 Ag 전도성 네트워크는 400∼800nm 파장 영역에서 파장에 상관없이 약 95%의 광투과도를 균일하게 나타냄을 확인할 수 있다. 반면, ITO는 약 470nm 이상의 파장에서는 약 95∼98%의 광투과도를 나타내나 약 470nm 이하의 파장에서는 95% 이하의 광투과도 특성을 나타내고 있다. 이러한 결과를 통해, Ag 전도성 네트워크는 ITO에 버금가는 우수한 광학 특성을 나타냄과 함께 약 470nm 이하의 파장에서는 ITO보다 우수한 광투과도를 나타냄을 확인할 수 있다.
또한, 실험예 1에 따라 제조된 Ag 전도성 네트워크의 두께에 따른 면저항 및 광투과도 특성을 살펴보고 이를 종래 기술에 따라 제조된 투명전도막 즉, Ag 나노와이어(AgNW), Cu nanothrough, Graphene, Nanonetwork과 대비하였다. 여기서, AgNW는 AgNW가 분산된 용액을 spin-coating 또는 spray-coating을 통해 기판 상에 코팅하여 제조하였으며, Cu nanotrough는 전기방사를 통해 형성된 고분자 나노선 네트워크 위에 금속(Cu)을 증착하고, 금속이 증착된 나노선 네트워크를 타겟 기판 상에 전사하는 방식으로 제조하였으며, Graphene 투명전극은 CVD를 통해 합성된 Graphene을 기판 상에 접착물질을 이용하여 전사하는 방식으로 제조하였다.
도 9를 참조하면, Ag 전도성 네트워크는 두께가 50nm에서 200nm가 증가할수록 면저항이 낮아지는 반면, 광투과도는 100nm 두께에서 약 95∼97%로 가장 우수한 광투과도 특성을 나타냈다. 이러한 Ag 전도성 네트워크의 광투과도 특성은 도 9에 도시한 바와 같이 종래 기술에 따라 제조된 투명전도막인 AgNW, Cu nanothrough, Graphene, Nanonetwork 보다 우수한 결과이다. Ag 전도성 네트워크의 면저항 또한 종래 기술에 따라 제조된 투명전도막 대비 우수하거나 유사한 결과를 나타냄을 확인할 수 있다.
또한, 본 발명에 따라 제조된 Ag 전도성 네트워크와 종래 기술에 따른 투명전도막의 광투과도 및 전기전도도 특성을 FoM(fiqure of merit) 수치를 통해 확인한 결과, Ag 전도성 네트워크가 종래 기술의 투명전도막보다 높은 성능을 나타냄을 확인할 수 있다. 참고로, FoM(=σDCOp ,σDC: 전기 전도성 direct current conductivity, σOp: 광학 투과도 optical conductivity)은 투명전극의 성능 평가지표로서 상충관계(trade-off)를 갖는 광투과도 특성과 전기전도도 특성을 복합적으로 평가하기 위한 지표이다.
<실험예 3 : 전도성 네트워크의 전기저항 특성>
실험예 1에 따라 제조된 Ag 전도성 네트워크와 종래 기술에 따라 제조된 AgNW의 시간 및 온도에 따른 전기저항 특성을 살펴보았다.
도 10을 참조하면, Ag 전도성 네트워크는 30일이 경과된 시점에도 저항변화가 거의 없는 반면, AgNW의 경우 약 7일이 경과된 시점부터 저항이 급격히 증가되는 양상을 나타내고 있다.
또한, 도 11을 참조하면, AG 전도성 네트워크는 200℃, 220℃, 250℃의 온도 환경에서도 시간의 경과에 따라 1.0∼1.2(R/R0)의 저항변화를 나타내고 있는 반면, AgNW는 250℃의 온도 환경에서 저항변화가 급격히 진행됨을 확인할 수 있다.
10 : 적용대상기판
110 : 마스터몰드용 기판 110a : 전도성 네트워크 전사영역
120 : 나노선 네트워크 130 : 친수성 박막층
140 : 소수성 표면처리층 150 : 전도성 물질
150a : 전도성 네트워크

Claims (7)

  1. 양각 패터닝된 전도성 네트워크 전사영역을 구비하는 마스터몰드를 준비하는 단계;
    마스터몰드 상에 전도성 물질을 코팅하는 단계; 및
    전도성 네트워크 전사영역에 코팅된 전도성 물질을 적용대상기판 상에 전사하여 적용대상기판 상에 전도성 네트워크를 형성하는 단계;를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 마스터몰드를 이용한 투명 전도성 네트워크 제조방법.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 양각 패터닝된 전도성 네트워크 전사영역을 구비하는 마스터몰드는,
    마스터몰드용 기판 상에 나노선 네트워크를 도포하는 과정과,
    나노선 네트워크가 도포된 마스터몰드용 기판에 대해 이방성 식각을 실시하여, 나노선 네트워크가 구비된 영역을 양각 패터닝하는 과정과,
    나노선 네트워크를 제거하는 과정을 통해 제조되며,
    양각 패터닝된 영역이 마스터몰드의 양각 패터닝된 전도성 네트워크 전사영역에 해당되는 것을 특징으로 하는 마스터몰드를 이용한 투명 전도성 네트워크 제조방법.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 마스터몰드 상에 전도성 물질을 코팅하기 전에,
    마스터몰드 상에 친수성 박막층을 적층하는 단계; 친수성 박막층 상에 소수성 표면처리층을 적층하는 단계;를 순차적으로 진행하며,
    상기 친수성 박막층은 친수성기를 구비하여 소수성 표면처리층과 결합되며, 상기 소수성 표면처리층은 소수성기를 구비하여 전도성 물질과의 결합이 억제되는 것을 특징으로 하는 마스터몰드를 이용한 투명 전도성 네트워크 제조방법.
  4. 제 2 항에 있어서, 나노선 네트워크는 전기방사에 의해 형성되는 것을 특징으로 하는 마스터몰드를 이용한 투명 전도성 네트워크 제조방법.
  5. 제 4 항에 있어서, 나노선 네트워크의 기하학적 형상은 적용대상기판에 형성되는 전도성 네트워크의 기하학적 형상에 대응되며,
    도포되는 나노선 네트워크의 기하학적 형상 조절을 통해 전도성 네트워크의 기하학적 형상을 변화시켜 전도성 네트워크의 전기적 특성 및 광학적 특성을 제어할 수 있는 것을 특징으로 하는 마스터몰드를 이용한 투명 전도성 네트워크 제조방법.
  6. 제 5 항에 있어서, 전기방사장치의 니들 직경, 니들에 인가되는 전압 그리고 나노선 네트워크를 형성하는 물질이 포함된 용액의 농도 중 적어도 어느 하나 이상의 조절을 통해 기판 상에 형성되는 나노선 네트워크의 기하학적 형상을 조절할 수 있는 것을 특징으로 하는 마스터몰드를 이용한 투명 전도성 네트워크 제조방법.
  7. 제 1 항에 있어서, 상기 전도성 물질은 도전성 금속, 탄소계 도전성 물질, 전도성 고분자, 전도성 나노입자 중 어느 하나 또는 이들의 조합인 것을 특징으로 하는 마스터몰드를 이용한 투명 전도성 네트워크 제조방법.
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