KR20220079437A - 나노마스크를 이용한 투명 전도성 네트워크 제조방법 - Google Patents
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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 향상시킬 수 있는 나노마스크를 이용한 투명 전도성 네트워크 제조방법에 관한 것으로서, 본 발명에 따른 나노마스크를 이용한 투명 전도성 네트워크 제조방법은 기판 상에 전도성 박막을 적층하는 단계; 전도성 박막 상에 나노선 네트워크 형태의 나노마스크를 형성하는 단계; 기판 전면에 대해 이방성 식각을 실시하여, 나노마스크가 구비되지 않은 영역의 전도성 박막을 식각하여 제거하는 단계; 및 나노마스크를 제거하는 단계;를 포함하여 이루어지며, 나노마스크가 구비된 영역의 전도성 박막이 전도성 네트워크인 것을 특징으로 한다.
Description
본 발명은 나노마스크를 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 향상시킬 수 있는 나노마스크를 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, 한국등록특허 제1011447호에 개시된 기술은 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.
미국등록특허 US 10831233호에 개시된 기술은 금속나노선이 분산된 금속고분자 용액을 이용한 기술이 아님에 따라 한국등록특허 제1011447호의 문제점은 발생되지 않으나 레지스트 패턴과 중합체층의 형성이 요구되는 등 공정이 복잡한 단점이 있다.
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 나노마스크를 이용한 투명 전도성 네트워크 제조방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
또한, 본 발명은 전도성 네트워크를 제조하는 과정에서 전도성 박막의 두께 뿐만 아니라 나노마스크의 물질, 나노마스크 공정조건 등을 조절함으로써 전도성 네트워크의 전기적 특성 및 광학적 특성을 제어할 수 있는 나노마스크를 이용한 투명 전도성 네트워크 제조방법을 제공하는데 또 다른 목적이 있다.
상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 나노마스크를 이용한 투명 전도성 네트워크 제조방법은 기판 상에 전도성 박막을 적층하는 단계; 전도성 박막 상에 나노선 네트워크 형태의 나노마스크를 형성하는 단계; 기판 전면에 대해 이방성 식각을 실시하여, 나노마스크가 구비되지 않은 영역의 전도성 박막을 식각하여 제거하는 단계; 및 나노마스크를 제거하는 단계;를 포함하여 이루어지며, 나노마스크가 구비된 영역의 전도성 박막이 전도성 네트워크인 것을 특징으로 한다.
상기 나노마스크는 금속나노선으로 이루어지는 나노선 네트워크 또는 나노섬유로 이루어지는 나노선 네트워크이다. 상기 금속나노선으로 나노마스크는 스프레이코팅(spray coating) 또는 스핀코팅(spin coating) 방법을 이용하여 형성하고, 상기 나노섬유로 이루어진 나노선 네트워크는 전기방사 방법을 이용하여 형성할 수 있다.
상기 나노마스크의 기하학적 형상 조절을 통해 전도성 네트워크의 기하학적 형상을 변화시켜 전도성 네트워크의 전기적 특성 및 광학적 특성을 제어할 수 있다.
전기방사 방법을 이용하여 나노마스크를 형성함에 있어서, 전기방사장치의 니들 직경, 니들에 인가되는 전압 그리고 나노섬유를 형성하는 물질이 포함된 용액의 농도 중 적어도 어느 하나 이상의 조절을 통해 기판 상에 형성되는 나노섬유의 기하학적 형상을 조절할 수 있다.
상기 전도성 박막은 도전성 금속, 탄소계 도전성 물질, 전도성 고분자, 전도성 나노입자 중 어느 하나 또는 이들의 조합이다.
본 발명에 따른 나노마스크를 이용한 투명 전도성 네트워크 제조방법은 다음과 같은 효과가 있다.
나노선 네트워크 형태의 나노마스크를 이용하여 전도성 박막을 패터닝하여 전도성 네트워크를 형성하는 방식임에 따라, 표면거칠기 특성이 우수하며 금속나노선 간의 접촉저항을 원천적으로 배제할 수 있다. 또한, 전기저항 특성을 개선하기 위한 열처리, 레이저처리 등의 후처리 공정이 요구되지 않음에 따라, 유연기판 사용에 제한이 없으며, 기판의 성질과 무관하게 전도성 네트워크 공정을 적용할 수 있다. 이와 함께, 전도성 박막의 두께 및 나노마스크의 공정조건을 조절하여 전도성 네트워크의 기하학적 형상을 변화시킬 수 있으며 이를 통해 전도성 네트워크의 광학적 특성 및 전기적 특성을 제어할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 나노마스크를 이용한 투명 전도성 네트워크 제조방법을 설명하기 위한 순서도.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 나노마스크를 이용한 투명 전도성 네트워크 제조방법을 설명하기 위한 공정 모식도.
도 3a 내지 도 3d는 본 발명의 일 실시예에 따른 나노마스크를 이용한 투명 전도성 네트워크 제조방법을 설명하기 위한 공정 참고도.
도 4a 및 도 4b는 종래 기술의 금속나노선과 본 발명에 따른 전도성 네트워크의 형태를 나타낸 참고도.
도 5a 및 도 5b 그리도 도 6a 및 도 6b는 나노마스크 및 전도성 네트워크 대한 SEM 사진.
도 7은 실험예 1에 의해 제조된 전도성 네트워크의 광투과도 특성을 나타낸 실험결과.
도 8은 실험예 1에 의해 제조된 전도성 네트워크가 전극으로 적용된 태양전지의 광전변환효율을 나타낸 실험결과.
도 9는 실험예 1에 의해 제조된 전도성 네트워크의 시간에 따른 전기저항 특성을 나타낸 실험결과.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 나노마스크를 이용한 투명 전도성 네트워크 제조방법을 설명하기 위한 공정 모식도.
도 3a 내지 도 3d는 본 발명의 일 실시예에 따른 나노마스크를 이용한 투명 전도성 네트워크 제조방법을 설명하기 위한 공정 참고도.
도 4a 및 도 4b는 종래 기술의 금속나노선과 본 발명에 따른 전도성 네트워크의 형태를 나타낸 참고도.
도 5a 및 도 5b 그리도 도 6a 및 도 6b는 나노마스크 및 전도성 네트워크 대한 SEM 사진.
도 7은 실험예 1에 의해 제조된 전도성 네트워크의 광투과도 특성을 나타낸 실험결과.
도 8은 실험예 1에 의해 제조된 전도성 네트워크가 전극으로 적용된 태양전지의 광전변환효율을 나타낸 실험결과.
도 9는 실험예 1에 의해 제조된 전도성 네트워크의 시간에 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 나노마스크를 이용하여 투명 전도성 네트워크를 제조하며, 이를 통해 나노선 간의 접촉저항 문제점이 원천적으로 배제됨과 함께 최종 제조된 투명 전도성 네트워크의 표면거칠기가 최소화된다.
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.
이하, 도면을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 나노마스크를 이용한 투명 전도성 네트워크 제조방법을 상세히 설명하기로 한다.
도 1을 참조하면, 먼저 기판(110)을 준비한다. 상기 기판(110)은 물질과 종류에 제한되지 않는다. 다양한 물질의 반도체 기판(110)이 사용되거나 유리기판(110)과 같은 절연성 기판(110)이 사용될 수 있으며, 유연성을 갖는 고분자 기판(110) 또는 신축성이 있는 신축성기판(110)이 적용될 수도 있다. 본 발명은 대면적화가 가능함과 함께 유연기판(110)으로의 적용이 가능한 투명전극의 제조가 하나의 목적임에 따라, 일 실시예로 유연기판(110)이 적용될 수 있다.
기판(110)이 준비된 상태에서, 기판(110) 상에 전도성 박막(120)을 적층한다(S101)(도 2의 (a) 및 도 3a 참조). 상기 전도성 박막(120)은 후술하는 전도성 네트워크(120a)의 구성물질이며, 전도성 박막(120)으로는 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 물질의 조합을 이용할 수도 있다.
이어, 상기 전도성 박막(120) 상에 나노선 네트워크 형태를 갖는 나노마스크(130)를 형성한다(S102)(도 2의 (b) 및 도 3b 참조). 상기 나노마스크(130)는 전도성 박막(120)을 패터닝하는 마스크 역할을 한다.
상기 나노마스크(130)는 금속나노선으로 이루어지는 나노선 네트워크 또는 나노섬유로 이루어지는 나노선 네트워크로 구성될 수 있다. 금속나노선으로 나노마스크(130)를 형성하는 경우, 용액 공정 예를 들어 스프레이코팅(spray coating) 또는 스핀코팅(spin coating) 방법을 이용할 수 있으며, 나노섬유로 나노마스크(130)를 형성하는 경우에는 전기방사(electrospinning) 방법을 이용할 수 있다. 또한, 금속나노선으로 나노마스크(130)를 형성하는 경우, 금속나노선은 전도성 박막(120)과 동일한 물질을 이용하거나 전도성 박막(120) 대비 식각선택성이 있는 물질을 이용할 수 있다. 또한, 나노섬유는 PAN(Polyacrylonitrile), PMMA(Poly(methyl methacrylate)), PVP(poly(N-vinylpyrrolidone) 등을 이용할 수 있다.
전도성 박막(120) 상에 나노선 네트워크 형태의 나노마스크(130)가 형성된 상태에서, 기판(110) 전면에 대한 이방성 건식식각을 진행한다(S103)(도 2의 (c) 및 도 3c 참조). 이방성 건식식각에 의해 나노마스크(130)가 구비된 영역의 전도성 박막(120)은 식각되지 않고, 나노마스크(130)가 구비되지 않은 영역의 전도성 박막(120)은 식각, 제거된다. 즉, 이방성 건식식각에 의해 나노마스크(130)가 구비된 영역의 전도성 박막(120)만 남아있게 되며, 나노마스크(130)가 나노선 네트워크 형태를 이룸에 따라 나노마스크(130) 하부의 전도성 박막(120) 역시 나노선 네트워크 형태를 이룬다.
나노선 네트워크 형태를 이루는 나노마스크(130) 하부의 전도성 박막(120)을 '전도성 네트워크(120a)'라 칭하며, 상기 이방성 건식식각에 의해 전도성 네트워크(120a)가 완성된다(도 2의 (d) 및 도 3d 참조).
이방성 건식식각에 의해 전도성 네트워크(120a)가 완성된 상태에서, 전도성 네트워크(120a) 상에 구비된 나노마스크(130)를 제거하면(S104) 본 발명의 일 실시예에 따른 나노마스크를 이용한 투명 전도성 네트워크 제조방법은 완료된다.
이상의 제조방법을 통해 알 수 있듯이, 종래 기술의 경우 금속나노선의 연결을 유도하는 방식임에 반해 본 발명의 전도성 네트워크는 전도성 박막이 나노마스크에 의해 패터닝되어 형성되는 것임에 따라, 종래의 '금속나노선이 메쉬 형태를 이루는 것'과 본 발명의 '전도성 네트워크'는 상이한 기술적 구성임을 알 수 있다.
또한, 본 발명의 전도성 네트워크는 금속나노선 간의 연결이 배제됨으로 인해, 종래 기술에 대비하여 전도성 네트워크의 표면거칠기가 최소화되고 전기적 특성 및 광학적 특성이 향상된다. 이와 함께, 도 4a를 참조하면, 종래 기술의 금속나노선이 메쉬 형태를 이루는 구조의 경우 공정 특성상 돌출된 금속나노선이 존재할 수 있고 이로 인해 단락(short) 등의 문제가 발생될 수 있으나, 본 발명의 전도성 네트워크는 전도성 박막이 패터닝된 것임에 따라 평탄한 표면을 보유하여 단락 등의 문제를 회피할 수 있다(도 4b 참조).
한편, 본 발명의 전도성 네트워크는 상술한 바와 같이 일정 두께의 전도성 박막이 나노마스크에 의해 패터닝되어 형성되는 것임에 따라, 전도성 네트워크의 높이, 직경, 구조 등의 기하학적 형상에 대한 제어가 가능하다. 구체적으로, 전도성 박막의 두께 조절을 통해 전도성 네트워크의 높이를 조절할 수 있으며, 전기방사되는 나노섬유의 직경을 조절함으로써 전도성 네트워크의 직경을 제어할 수 있으며, 용액 공정을 통해 형성되는 금속나노선 또는 전기방사되는 나노섬유의 구조를 통해 전도성 네트워크의 구조를 선택적으로 제어할 수 있다.
더 나아가, 앞서 나노섬유의 물질로 PAN(Polyacrylonitrile), PMMA(Poly(methyl methacrylate)), PVP(poly(N-vinylpyrrolidone) 등을 언급하였는데, 나노섬유의 물질 종류 또는 물질의 혼합비에 따라 나노마스크의 높이, 직경 및 구조 등이 변화된다. 또한, 나노섬유의 전기방사시 용액을 방사하는 니들(needle)의 직경, 니들에 인가되는 전압에 따라 나노섬유의 직경, 크기 및 구조 등이 변화된다. 참고로, 전기방사장치는 용액을 방사하는 니들, 니들에 전압을 인가하는 고전압발생기 등으로 구성된다.
전도성 네트워크의 높이, 직경, 구조 등의 기하학적 형상의 변화는 전도성 네트워크의 전기적 특성 및 광학적 특성에 직접적인 연관을 갖는 바, 상술한 나노마스크의 기하학적 형상 조절을 통해 전도성 네트워크의 전기적 특성 및 광학적 특성을 제어할 수 있다.
이상, 본 발명의 일 실시예에 따른 나노마스크를 이용한 투명 전도성 네트워크 제조방법에 대해 설명하였다. 이하에서는, 실험예를 통해 본 발명을 보다 구체적으로 설명하기로 한다.
<실험예 1 : 전도성 네트워크의 제조>
유리기판 상에 Ag 박막을 적층한 후, Ag 박막 상에 스프레이 코팅을 통해 Ag 나노와이어(AgNWs)를 형성하였다(도 5a 참조). 이와 별개로, 유리기판 상에 Ag 박막을 적층한 후, Ag 박막 상에 전기방사(electrospinning)를 통해 PAN(Polyacrylonitrile)을 형성하였다(도 6a 참조). 두 경우 각각에 대해 이온빔 식각(Ion Beam Etching)을 실시한 후 AgNWs와 PAN을 제거하였다. 도 5b 및 도 6b에 도시한 바와 같이 Ag networks 즉, 전도성 네트워크가 명확히 형성됨을 확인할 수 있다.
<실험예 2 : 전도성 네트워크의 광투과도 및 전기적 특성>
실험예 1에 의해 제조된 전도성 네트워크의 광투과도를 살펴보면, 도 7에 도시한 바와 같이 스프레이 코팅 방법을 이용하여 Ag 전도성 네트워크를 제작한 경우(도 7의 'Ag ink' 참조) 및 전기방사 방법을 이용하여 Ag 전도성 네트워크를 제작한 경우(도 7의 'Ag deposition' 참조) 모두, 파장대역 별 투과도 특성이 우수함을 확인할 수 있다.
실험예 1에 따라 유리기판 상에 전도성 네트워크(Ag networks)를 형성한 후, Ag networks 상에 광활성층인 PEDOT:PSS(2000rpm), P3HT:PCBM(700rpm)을 형성하고 Ca/Al 전극을 적층하여 태양전지를 제조하였다. 제조된 태양전지의 광전변환효율을 측정한 결과 도 8에 도시한 바와 같이 약 2.4%로 나타나 본 발명의 전도성 네트워크가 초박막소자의 전극으로 활용될 수 있음을 확인하였다.
또한, 실험예 1에 따라 제조된 Ag 전도성 네트워크와 종래 기술에 따라 제조된 AgNW의 시간에 따른 전기저항 특성을 살펴보았다. 도 9를 참조하면, Ag 전도성 네트워크는 190시간 경과된 시점에도 저항변화가 거의 없는 반면, AgNW의 경우 약 20시간이 경과된 시점부터 저항이 급격히 증가되는 양상을 나타내고 있다.
110 : 기판 120 : 전도성 박막
120a : 전도성 네트워크 130 : 나노마스크
120a : 전도성 네트워크 130 : 나노마스크
Claims (6)
- 기판 상에 전도성 박막을 적층하는 단계;
전도성 박막 상에 나노선 네트워크 형태의 나노마스크를 형성하는 단계;
기판 전면에 대해 이방성 식각을 실시하여, 나노마스크가 구비되지 않은 영역의 전도성 박막을 식각하여 제거하는 단계; 및
나노마스크를 제거하는 단계;를 포함하여 이루어지며,
나노마스크가 구비된 영역의 전도성 박막이 전도성 네트워크인 것을 특징으로 하는 나노마스크를 이용한 투명 전도성 네트워크 제조방법.
- 제 1 항에 있어서, 상기 나노마스크는 금속나노선으로 이루어지는 나노선 네트워크 또는 나노섬유로 이루어지는 나노선 네트워크인 것을 특징으로 하는 나노마스크를 이용한 투명 전도성 네트워크 제조방법.
- 제 2 항에 있어서, 상기 금속나노선으로 나노마스크는 용액 공정을 이용하여 형성하고, 상기 나노섬유로 이루어진 나노선 네트워크는 전기방사 방법을 이용하여 형성하는 것을 특징으로 하는 나노마스크를 이용한 투명 전도성 네트워크 제조방법.
- 제 1 항에 있어서, 상기 나노마스크의 기하학적 형상 조절을 통해 전도성 네트워크의 기하학적 형상을 변화시켜 전도성 네트워크의 전기적 특성 및 광학적 특성을 제어할 수 있는 것을 특징으로 하는 나노마스크를 이용한 투명 전도성 네트워크 제조방법.
- 제 3 항에 있어서, 전기방사 방법을 이용하여 나노마스크를 형성함에 있어서, 전기방사장치의 니들 직경, 니들에 인가되는 전압 그리고 나노섬유를 형성하는 물질이 포함된 용액의 농도 중 적어도 어느 하나 이상의 조절을 통해 기판 상에 형성되는 나노섬유의 기하학적 형상을 조절할 수 있는 것을 특징으로 하는 나노마스크를 이용한 투명 전도성 네트워크 제조방법.
- 제 1 항에 있어서, 상기 전도성 박막은 도전성 금속, 탄소계 도전성 물질, 전도성 고분자, 전도성 나노입자 중 어느 하나 또는 이들의 조합인 것을 특징으로 하는 나노마스크를 이용한 투명 전도성 네트워크 제조방법.
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