KR20230076601A - 투명 유연성 전극 및 이의 제조 방법 - Google Patents

투명 유연성 전극 및 이의 제조 방법 Download PDF

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임병권
김윤아
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성균관대학교산학협력단
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Abstract

본원은 전처리된 기판; 상기 기판 상에 형성된 피리딘계 단분자 층; 및 상기 피리딘계 단분자 층 상에 형성된 금속 박막; 을 포함하는, 투명 유연성 전극에 대한 것이다.

Description

투명 유연성 전극 및 이의 제조 방법 {FLEXIBLE TRANSPARENT ELECTRODES AND PREPARING METHOD OF THE SAME}
본원은 투명 유연성 전극 및 이의 제조 방법에 관한 것이다.
플렉서블 디바이스(flexible device)의 발전에 따라 플렉서블 디바이스에 적용되는 전극 소재는 매우 뛰어난 유연성을 갖는 동시에 반복 변형 하에서도 전기적 특성을 유지해야 한다. 즉, 소자가 접히거나 휘는 경우에도 전극의 기계적인 안정성이 확보되어야 하고 유연 기판과의 접착력이 우수해야 한다.
기존 전극으로 적용되고 있는 은(Ag), 구리(Cu), 알루미늄(Al) 등의 금속 및 인듐주석산화물(ITO) 등의 금속 산화물 소재는 변형률이 낮아 외부의 물리적인 힘에 의해 쉽게 부서져버려 저항이 급격히 증가하며, 소자를 접거나 휘는 경우 전극층과 고분자 기판 사이의 박리가 일어나므로 유연 전극으로 적용하기에는 문제가 있다.
따라서, 전극층과 기판의 밀착력 및 전극 소재의 내굴곡성이 향상된 투명 유연성 전극의 개발이 필요한 실정이다.
대한민국 공개특허 제 10-2021-0113719호는 본원 발명자의 발명으로서, 투명 유연성 박막 및 이의 제조 방법에 관한 것이다. 상기 특허에서는 피리딘계 단분자 층 상에 산화물층을 형성하고 있으나, 기판을 전처리하고, 금속 박막을 형성했을 때 달성되는 효과 등에 대해서는 개시하고 있지 않다.
본원은 전술한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로서 투명 유연성 전극 및 이의 제조 방법을 제공한다.
다만, 본원의 실시예가 이루고자 하는 기술적 과제는 상기된 바와 같은 기술적 과제들로 한정되지 않으며, 또 다른 기술적 과제들이 존재할 수 있다.
상기한 기술적 과제를 달성하기 위한 기술적 수단으로서, 본원의 제 1 측면은, 전처리된 기판; 상기 기판 상에 형성된 피리딘계 단분자 층; 및 상기 피리딘계 단분자 층 상에 형성된 금속 박막; 을 포함하는, 투명 유연성 전극을 제공한다.
본원의 일 구현예에 따르면, 상기 기판은 표면에 친수성기(hydrophilic group)가 형성된 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
본원의 일 구현예에 따르면, 상기 피리딘계 단분자는 하기 화학식 1 로서 표시되는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다:
[화학식 1]
Figure pat00001
;
(상기 화학식 1 에서,
Y 는, 질소, 탄소, 황, 또는 산소이고,
R1 및 R2 는, 각각 독립적으로, 수소, 산소, 히드록시기, 또는 선형 또는 분지형의 C1 내지 C10 의 알킬기임).
본원의 일 구현예에 따르면, 상기 피리딘계 단분자는 4-아미노피리딘(4-aminopyridine, 4-AP), 4-디메틸아미노피리딘(4-dimethylaminopyridine, 4-DMAP), 3-디메틸아미노피리딘(3-dimethylaminopyridine, 3-DMAP), 3-아미노피리딘(3-aminopyridine, 3-AP), 2-디메틸아미노피리딘(2-dimethylaminopyridine, 2-DMAP), 2-아미노피리딘(2-aminopyridine, 2-AP), 2-PA(2-picolinic acid), 및 이들의 조합들로 이루어진 군에서 선택된 것을 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
본원의 일 구현예에 따르면, 상기 기판 및 상기 피리딘계 단분자는 광학적으로 투명한 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
본원의 일 구현예에 따르면, 상기 금속 박막은 Ag,　Au,　Cu, Ni, Pt, Pd, Ir, Rh, W, Al, Ta, Mo, Cd, Zn, Fe, Ti, Si, Ge, Zr, Ba 및 이들의 조합들로 이루어진 군에서 선택된 것을 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
본원의 일 구현예에 따르면, 상기 금속 박막은 10 nm 이하의 두께를 가지는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
본원의 일 구현예에 따르면, 상기 기판은 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET), 폴리 에테르술폰(PES), 폴리 에틸렌나프탈레이트(PEN), 폴리 카보네이트(PC), 폴리 스티렌(PS), 폴리 이미드(PI), 폴리 에틸린(PE), 및 이들의 조합들로 이루어진 군에서 선택된 기판을 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
또한, 본원의 제 2 측면은, 기판을 전처리하는 단계; 피리딘계 단분자를 포함하는 용액을 상기 전처리된 기판 상에 분산시키는 단계; 상기 용액이 분산된 기판을 열처리하는 단계; 및 상기 피리딘계 단분자 상에 금속 박막을 증착하는 단계; 를 포함하는, 투명 유연성 전극의 제조 방법을 제공한다.
본원의 일 구현예에 따르면, 상기 전처리는 자외선/오존(UV/Ozone) 처리, 플라즈마(plasma) 처리, 피라냐 용액(Piranha solution) 세척 및 이들의 조합들로 이루어진 군에서 선택되는 방법에 의해 수행되는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
본원의 일 구현예에 따르면, 상기 전처리에 의해 상기 기판 상에 친수성 기가 형성되는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
본원의 일 구현예에 따르면, 상기 용액은 바코팅, 스핀 코팅, 노즐 프린팅, 스프레이 코팅, 슬롯다이코팅, 그라비아 프린팅, 잉크젯 프린팅, 스크린 프린팅, 전기수력학적 제트 프린팅, 전기분무, 및 이들의 조합들로 이루어진 군에서 선택된 방법에 의해 상기 기판 상에 분산되는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
본원의 일 구현예에 따르면, 상기 용액은 이소프로필알코올, 물, 에탄올, 톨루엔, 에틸렌글리콜, 디에틸렌글리콜, 폴리에틸렌글리콜, 글리세롤, 프로필글리콜, 펜타에리스리톨, 비닐알코올, 폴리비닐알코올, 및 이들의 조합들로 이루어진 군에서 선택된 용매를 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
본원의 일 구현예에 따르면, 상기 열처리는 20℃ 내지 300℃ 의 온도 하에서 수행되는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
본원의 일 구현예에 따르면, 상기 금속 박막은 열증착, 스퍼터링(Sputtering), 졸-겔(sol-gel) 공정, 원자층증착(ALD), 화학기상증착(CVD), 물리기상증착(PVD), 전자빔증착(E-beam evaporation), 진공열증착, 플라즈마증착, 및 이들의 조합들로 이루어진 군에서 선택된 방법에 의해 증착되는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
또한, 본원의 제 3 측면은, 본원의 제 1 측면에 따른 투명 유연성 전극을 포함하는 전자 소자를 제공한다.
상술한 과제 해결 수단은 단지 예시적인 것으로서, 본원을 제한하려는 의도로 해석되지 않아야 한다. 상술한 예시적인 실시예 외에도, 도면 및 발명의 상세한 설명에 추가적인 실시예가 존재할 수 있다.
본원에 따른 투명 유연성 전극은 전처리를 통해 표면에 친수성기가 형성된 기판을 사용함으로써 상기 기판 상에 10 nm 이하의 두께로 금속 박막을 균일하게 증착시킬 수 있으며, 이로 인해 향상된 투명성 및 낮은 면저항 값을 가질 수 있다.
또한, 종래의 전극에서 변형률이 낮아 전극을 굽힐 시 금속 박막과 기판이 박리되고 크랙이 발생하여 전도성이 저하되는 문제점이 있었던 것과는 달리, 본원에 따른 투명 유연성 전극은 기판과 금속 박막 사이에 피리딘계 화합물 접착층으로 형성함으로써 기판과 금속 박막의 접착력이 크게 향상되어 기판의 박리 및 크랙 발생 문제를 해결할 수 있다.
또한, 본원에 따른 투명 유연성 전극은 기판을 전처리하는 과정을 통해 향상된 투명성 및 낮은 면저항 값을 가지므로 폴더블 디스플레이 등 투명성, 유연성, 및 전기 전도성이 모두 요구되는 전자 소자에 효과적으로 이용할 수 있다.
또한, 본원에 따른 투명 유연성 전극의 제조 방법은 비교적 저온에서 수행되므로 다양한 종류의 기판 및 유연 소재를 선택하여 이용할 수 있다.
또한, 본원에 따른 투명 유연성 전극의 제조 방법은 용액 공정 및 열처리 공정을 이용하여 상기 피리딘계 단분자 층을 형성하므로 종래의 방식에 비해 매우 간단하게 제조될 수 있다.
다만, 본원에서 얻을 수 있는 효과는 상기된 바와 같은 효과들로 한정되지 않으며, 또 다른 효과들이 존재할 수 있다.
도 1 은 본원의 일 구현예에 따른 투명 유연성 전극의 제조 방법의 순서도이다.
도 2 는 본원의 일 실시예 및 비교예에 따른 투명 유연성 전극의 이미지이다.
도 3 은 본원의 일 실험예에 따른 굽힘 횟수에 따른 저항 변화를 측정한 그래프이다.
아래에서는 첨부한 도면을 참조하여 본원이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본원의 실시예를 상세히 설명한다. 그러나 본원은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본원을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.
본원 명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 "연결"되어 있다고 할 때, 이는 "직접적으로 연결"되어 있는 경우뿐 아니라, 그 중간에 다른 소자를 사이에 두고 "전기적으로 연결"되어 있는 경우도 포함한다.
본원 명세서 전체에서, 어떤 부재가 다른 부재 "상에", "상부에", "상단에", "하에", "하부에", "하단에" 위치하고 있다고 할 때, 이는 어떤 부재가 다른 부재에 접해 있는 경우뿐 아니라 두 부재 사이에 또 다른 부재가 존재하는 경우도 포함한다.
본원 명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함" 한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
본 명세서에서 사용되는 정도의 용어 "약", "실질적으로" 등은 언급된 의미에 고유한 제조 및 물질 허용오차가 제시될 때 그 수치에서 또는 그 수치에 근접한 의미로 사용되고, 본원의 이해를 돕기 위해 정확하거나 절대적인 수치가 언급된 개시 내용을 비양심적인 침해자가 부당하게 이용하는 것을 방지하기 위해 사용된다. 또한, 본원 명세서 전체에서, "~ 하는 단계" 또는 "~의 단계"는 "~를 위한 단계"를 의미하지 않는다.
본원 명세서 전체에서, 마쿠시 형식의 표현에 포함된 "이들의 조합"의 용어는 마쿠시 형식의 표현에 기재된 구성 요소들로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상의 혼합 또는 조합을 의미하는 것으로서, 상기 구성 요소들로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상을 포함하는 것을 의미한다.
본원 명세서 전체에서, "A 및/또는 B" 의 기재는, "A, B, 또는, A 및 B" 를 의미한다.
이하, 본원의 투명 유연성 전극 및 이의 제조 방법에 대하여 구현예 및 실시예와 도면을 참조하여 구체적으로 설명하도록 한다. 그러나, 본원이 이러한 구현예 및 실시예와 도면에 제한되는 것은 아니다.
상기한 기술적 과제를 달성하기 위한 기술적 수단으로서, 본원의 제 1 측면은, 전처리된 기판; 상기 기판 상에 형성된 피리딘계 단분자 층; 및 상기 피리딘계 단분자 층 상에 형성된 금속 박막; 을 포함하는, 투명 유연성 전극을 제공한다.
본원에 따른 투명 유연성 전극은 전처리를 통해 표면에 친수성기가 형성된 기판을 사용함으로써 상기 기판 상에 10 nm 이하의 두께로 금속 박막을 균일하게 증착시킬 수 있으며, 이로 인해 향상된 투명성 및 낮은 면저항 값을 가질 수 있다.
또한, 종래의 전극에서 변형률이 낮아 전극을 굽힐 시 금속 박막과 기판이 박리되고 크랙이 발생하여 전도성이 저하되는 문제점이 있었던 것과는 달리, 본원에 따른 투명 유연성 전극은 기판과 금속 박막 사이에 피리딘계 화합물 접착층으로 형성함으로써 기판과 금속 박막의 접착력이 향상될 수 있다.
또한, 본원에 따른 투명 유연성 전극은 기판을 전처리하는 과정을 통해 향상된 투명성 및 낮은 면저항 값을 가지므로 폴더블 디스플레이 등 투명성, 유연성, 및 전기 전도성이 모두 요구되는 전자 소자에 효과적으로 이용할 수 있다.
또한, 본원에 따른 투명 유연성 전극의 제조 방법은 비교적 저온에서 수행되므로 다양한 종류의 기판 및 유연 소재를 선택하여 이용할 수 있다.
또한, 본원에 따른 투명 유연성 전극의 제조 방법은 용액 공정 및 열처리 공정을 이용하여 상기 피리딘계 단분자 층을 형성하므로 종래의 방식에 비해 매우 간단하게 제조될 수 있다.
본원의 일 구현예에 따르면, 상기 기판은 표면에 친수성기(hydrophilic group)가 형성된 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
상기 기판은 전처리 과정을 통해 표면에 hydroxyl group (-OH), carboxylic acid group (-COOH) 등의 친수성기가 형성된 것일 수 있다.
본원의 일 구현예에 따르면, 상기 금속 박막은 10 nm 이하의 두께를 가지는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
일반적으로 박막을 증착하는 과정은 기판 상에 핵형성 부위(nucleation site)로 작용하는 메탈 아일랜드(metal island)가 형성되고, 박막의 증착이 수행됨에 따라 상기 메탈 아일랜드가 성장하여 주변의 다른 메탈 아일랜드와 결합하는 과정을 통해 수행된다. 즉, 메탈 아일랜드가 서로 결합되면서 빈 공간이 사라지고 이로 인해 균일한 박막이 증착될 수 있는 것이다.
그러나, 상기 공정은 메탈 아일랜드가 빈 공간 없이 완전히 결합되어 균일한 박막이 될 때까지 박막 증착 공정을 수행해야하며, 박막 증착 공정을 수행하는 시간이 길어질수록 박막의 두께가 두꺼워질 수 밖에 없다. 따라서, 얇은 두께로 균일한 금속 박막을 형성시키는 것에 어려움이 있다.
그러나, 본원에 따른 투명 유연성 전극의 상기 기판은 전처리 과정을 통하여 표면에 친수성기가 형성될 수 있으며, 이로 인해 금속 박막의 증착 시 메탈 아일랜드가 고밀도로 형성되어 상기 메탈 아일랜드의 결합이 더 짧은 시간 내에 이루어져 얇은 두께로 균일한 금속 박막을 제조할 수 있고, 이에 따라, 본원의 투명 유연성 전극은 향상된 투명성 및 낮은 면저항 값을 가질 수 있다.
구체적으로, 기판을 전처리하여 형성된 친수성기 및 피리딘계 단분자 층에 의해 금속 박막의 증착 시 금속 핵의 생성이 더 작고 균일하게 진행되어 메탈 아일랜드 간의 결합 진행이 빨라지고, 이로 인해 메탈 아일랜드 입계에서의 빛 산란이 감소하여 투과도가 증가할 수 있다.
또한, 금속 박막의 증착 시 금속 핵의 생성이 더 작고 균일하게 진행되면서 금속의 연속적인 박막 성장이 피리딘계 단분자층이 없는 경우에 비해 더 얇은 두께에서 진행되고, 얇은 박막 두께로 인해 투과도가 증가할 수 있다.
또한, 기판 표면에 형성된 친수성기 및 피리딘계 단분자 층으로 인해 메탈 아일랜드 간의 결합이 더 많이 진행되어 전도성 pathway가 더 많이 형성하여 면저항이 감소될 수 있다.
본원의 일 구현예에 따르면, 상기 피리딘계 단분자는 하기 화학식 1 로서 표시되는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다:
[화학식 1]
Figure pat00002
;
(상기 화학식 1 에서,
Y 는, 질소, 탄소, 황, 또는 산소이고,
R1 및 R2 는, 각각 독립적으로, 수소, 산소, 히드록시기, 또는 선형 또는 분지형의 C1 내지 C10 의 알킬기임).
본원의 일 구현예에 따르면, 상기 피리딘계 단분자는 4-아미노피리딘(4-aminopyridine, 4-AP), 4-디메틸아미노피리딘(4-dimethylaminopyridine, 4-DMAP), 3-디메틸아미노피리딘(3-dimethylaminopyridine, 3-DMAP), 3-아미노피리딘(3-aminopyridine, 3-AP), 2-디메틸아미노피리딘(2-dimethylaminopyridine, 2-DMAP), 2-아미노피리딘(2-aminopyridine, 2-AP), 2-PA(2-picolinic acid), 및 이들의 조합들로 이루어진 군에서 선택된 것을 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
상기 피리딘계 단분자에 포함된 피리딘(pyridine) 구조는 벤젠(C6H6)에서, 하나의 CH 기가 N 으로 대체된 헤테로 고리 화합물을 의미한다. 상기 피리딘은 유기 화합물의 일종이지만 N 원자의 존재로 인하여 극성을 가지므로 유기용매뿐만 아니라 물에도 용해될 수 있다. 이에 따라, 본원에 따른 투명 유연성 전극은 다양한 물성의 용매를 이용하여 코팅 공정을 수행할 수 있으므로 뛰어난 공정성을 가진다.
또한, 상기 피리딘계 단분자 층은 계면 성질을 용이하게 조절할 수 있는 장점이 존재하여, 상기 기판과 상기 금속 박막 사이의 접착력을 향상시키는 역할을 수행할 수 있다.
본원의 일 구현예에 따르면, 상기 기판 및 상기 피리딘계 단분자는 광학적으로 투명한 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
본원에서 광학적으로 투명하다는 것은 400 nm 내지 800 nm 의 파장 영역대에서 약 80% 이상의 광 투과도를 가지는 것을 의미한다.
상기 기판 및 상기 피리딘계 단분자가 투명하므로 본원에 따른 투명 유연성 전극은 투명한 소재, 부품 및 장치 등에 활용할 수 있다. 상기 투명 유연성 전극은 예를 들어 디스플레이, 태양전지, 터치패널, 투명 발열필름, 스마트 윈도우 등에 이용할 수 있다.
본원의 일 구현예에 따르면, 상기 금속 박막은 Ag,　Au,　Cu, Ni, Pt, Pd, Ir, Rh, W, Al, Ta, Mo, Cd, Zn, Fe, Ti, Si, Ge, Zr, Ba 및 이들의 조합들로 이루어진 군에서 선택된 것을 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
본원의 일 구현예에 따르면, 상기 기판은 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET), 폴리 에테르술폰(PES), 폴리 에틸렌나프탈레이트(PEN), 폴리 카보네이트(PC), 폴리 스티렌(PS), 폴리 이미드(PI), 폴리 에틸린(PE), 및 이들의 조합들로 이루어진 군에서 선택된 기판을 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
또한, 본원의 제 2 측면은, 기판을 전처리하는 단계; 피리딘계 단분자를 포함하는 용액을 상기 전처리된 기판 상에 분산시키는 단계; 상기 용액이 분산된 기판을 열처리하는 단계; 및 상기 피리딘계 단분자 상에 금속 박막을 증착하는 단계; 를 포함하는, 투명 유연성 전극의 제조 방법을 제공한다.
본원의 제 2 측면에 따른 투명 유연성 전극의 제조 방법에 대하여, 본원의 제 1 측면과 중복되는 부분들에 대해서는 상세한 설명을 생략하였으나, 그 설명이 생략되었더라도 본원의 제 1 측면에 기재된 내용은 본원의 제 2 측면에 동일하게 적용될 수 있다.
도 1 은 본원의 일 구현예에 따른 투명 유연성 전극의 제조 방법의 순서도이다.
먼저, 기판을 전처리한다 (S100).
본원의 일 구현예에 따르면, 상기 전처리는 자외선/오존(UV/Ozone) 처리, 플라즈마(plasma) 처리, 피라냐 용액(Piranha solution) 세척 및 이들의 조합들로 이루어진 군에서 선택되는 방법에 의해 수행되는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
본원의 일 구현예에 따르면, 상기 전처리에 의해 상기 기판 상에 친수성 기가 형성되는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
이어서, 피리딘계 단분자를 포함하는 용액을 전처리된 기판 상에 분산시킨다(S200).
본원에 따른 투명 유연성 박막의 제조 방법은 간단한 용액 공정을 수행하여 제조할 수 있으며 열처리 공정을 저온에서 수행하므로 제조 공정 상의 이점을 가진다.
본원의 일 구현예에 따르면, 상기 용액은 이소프로필알코올, 물, 에탄올, 톨루엔, 에틸렌글리콜, 디에틸렌글리콜, 폴리에틸렌글리콜, 글리세롤, 프로필글리콜, 펜타에리스리톨, 비닐알코올, 폴리비닐알코올, 및 이들의 조합들로 이루어진 군에서 선택된 용매를 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
본원의 일 구현예에 따르면, 상기 용액은 바코팅, 스핀 코팅, 노즐 프린팅, 스프레이 코팅, 슬롯다이코팅, 그라비아 프린팅, 잉크젯 프린팅, 스크린 프린팅, 전기수력학적 제트 프린팅, 전기분무, 및 이들의 조합들로 이루어진 군에서 선택된 방법에 의해 상기 기판 상에 분산되는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
이어서, 용액이 분산된 기판을 열처리한다(S300).
상기 열처리를 진행함으로써, 용액 상의 용매를 제거하고 상기 피리딘계 단분자 층을 상기 기판 상에 형성시킬 수 있다. 상기 열처리에 의해 상기 기판 상에 분산된 용액 내의 분자들이 어닐링(annealing)되어 상기 피리딘계 단분자 층이 형성된다.
본원의 일 구현예에 따르면, 상기 열처리는 20℃ 내지 300℃ 의 온도 하에서 수행되는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
예를 들어, 상기 열처리는 100℃ 내지 200℃, 110℃ 내지 190℃, 120℃ 내지 180℃, 130℃ 내지 170℃, 140℃ 내지 160℃, 110℃ 내지 200℃, 120℃ 내지 200℃, 130℃ 내지 200℃, 140℃ 내지 200℃, 100℃ 내지 190℃, 100℃ 내지 180℃, 100℃ 내지 170℃, 100℃ 내지 160℃, 100℃ 내지 150℃ 의 온도 하에서 수행되는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
이와 관련하여, 상기 열처리는 상기 단분자의 녹는점 이하의 온도에서 수행할 수 있으므로, 상기 열처리 시의 온도 범위는 상기 단분자의 녹는점에 따라 상이할 수 있다.
바람직하게는 상기 피리딘계 단분자는 4-아미노피리딘(4-AP)일 수 있고, 상기 4-AP 를 사용하는 경우 열처리는 약 150℃ 이하의 온도 하에서 수행될 수 있다.
일반적으로 유연성 고분자 등의 유연한 소재들은 고온에 취약하다는 문제가 있지만, 본원에 따른 유연성 박막의 제조 방법에서 상기 열처리는 비교적 저온에서 수행되므로 다양한 종류의 기판을 선택하여 이용할 수 있다.
이어서, 피리딘계 단분자 상에 금속 박막을 증착한다 (S400).
본원의 일 구현예에 따르면, 상기 금속 박막은 열증착, 스퍼터링(Sputtering), 졸-겔(sol-gel) 공정, 원자층증착(ALD), 화학기상증착(CVD), 물리기상증착(PVD), 전자빔증착(E-beam evaporation), 진공열증착, 플라즈마증착, 및 이들의 조합들로 이루어진 군에서 선택된 방법에 의해 증착되는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
또한, 본원의 제 3 측면은, 본원의 제 1 측면에 따른 투명 유연성 전극을 포함하는 전자 소자를 제공한다.
상기 투명 유연성 전극은 상술한 바와 같이 투명하고, 유연하며, 전기 전도성을 가지므로 특히 디스플레이 등의 투명성, 유연성, 및 전기 전도성이 모두 요구되는 전자 소자에 효과적으로 이용할 수 있다.
본원의 제 3 측면에 따른 전자 소자에 대하여, 본원의 제 1 측면 및/또는 제 2 측면과 중복되는 부분들에 대해서는 상세한 설명을 생략하였으나, 그 설명이 생략되었더라도 본원의 제 1 측면 및/또는 제 2 측면에 기재된 내용은 본원의 제 3 측면에 동일하게 적용될 수 있다.
상술한 과제 해결 수단은 단지 예시적인 것으로서, 본원을 제한하려는 의도로 해석되지 않아야 한다. 상술한 예시적인 실시예 외에도, 도면 및 발명의 상세한 설명에 추가적인 실시예가 존재할 수 있다.
이하 실시예를 통하여 본 발명을 더욱 상세하게 설명하고자 하나, 하기의 실시예는 단지 설명의 목적을 위한 것이며 본원의 범위를 한정하고자 하는 것은 아니다.
[실시예 1] Ag/4-AP/pre-treated PET
먼저, PET 기판에 UV/Ozone 처리를 통하여 PET 기판을 전처리한다.
이어서, 전처리된 PET 기판 상에 이소프로필알콜(IPA)에 0.5 wt% 농도로 분산된 4-AP 용액을 메이어 로드(Meyer-rod)를 이용하여 바코팅(bar-coating)한 후 150℃에서 1 분간 열처리하여 전처리된 PET 기판 상에 4-AP 단분자 박막을 형성하였다 (4-AP/pre-treated PET).
마지막으로, 열증착(thermal evaporation) 공정을 통해 단분자 나노 박막이 형성된 PET 상에 은 박막을 형성하였다 (Ag/4-AP/pre-treated PET).
[실시예 2] Ag/4-DMAP/pre-treated PET
먼저, PET 기판에 UV/Ozone 처리를 통하여 PET 기판을 전처리한다.
이어서, 전처리된 PET 기판 상에 이소프로필알콜(IPA)에 0.5 wt% 농도로 분산된 4-DMAP 용액을 메이어 로드(Meyer-rod)를 이용하여 바코팅(bar-coating)한 후 150℃에서 1 분간 열처리하여 전처리된 PET 기판 상에 4-DMAP 단분자 박막을 형성하였다 (4-DMAP/pre-treated PET).
마지막으로, 열증착(thermal evaporation) 공정을 통해 단분자 나노 박막이 형성된 PET 상에 은 박막을 형성하였다 (Ag/4-DMAP/pre-treated PET).
[비교예 1] Ag/4-AP/PET
실시예 1 과 동일한 방법으로 제조하되, PET 기판을 전처리하지않고 사용하였다.
[비교예 2] Ag/4-DMAP/PET
실시예 2 와 동일한 방법으로 제조하되, PET 기판을 전처리하지않고 사용하였다.
[비교예 3] Ag/PET
전처리하지않은 PET 기판 상에 Ag를 증착하여 박막을 제조하였다 (Ag/PET).
[비교예4] Ag/pre-treated PET
UV/Ozone 처리를 통해 전처리된 PET 기판 상에 Ag를 증착하여 박막을 제조하였다 (Ag/pre-treated PET).
[실험예 1] 투명성 확인 실험
기판에 전처리를 수행하는 것이 투명성에 어떠한 영향을 끼치는지 확인하기 위하여 전처리된 기판을 사용한 샘플인 실시예 1, 실시예 2 및 비교예 4 와 전처리하지 않은 기판을 사용한 샘플인 비교예 1, 비교예2 및 비교예 3 을 비교하였다.
도 2 는 본원의 일 실시예 및 비교예에 따른 투명 유연성 전극의 이미지이다.
도 2 를 참조하면, 전처리된 기판을 사용한 샘플이 전처리하지 않은 기판을 사용한 샘플에 비해 옅은 색상을 띄는 것을 확인할 수 있으며, 이는 곧 전처리된 기판을 사용한 샘플의 투명성이 증가했다는 결과이다.
실험예 1 을 통해 전처리된 기판을 사용하여 투명 유연성 전극을 제조하는 것이 박막의 투명성을 증가시킨다는 것을 확인할 수 있었다.
[실험예 2] 전기적 특성 확인 실험
본원의 일 실시예 및 비교예에 따른 전극의 전기적 특성을 확인하기위한 실험을 수행하였다.
하기 표 1 은 본원의 일 실시예 및 비교예에 따른 전극의 면저항 값을 측정한 결과이다.
[표 1]
Figure pat00003
상기 표 1 을 참조하면, 전처리된 기판을 사용한 실시예 1, 실시예 2 및 비교예 4 의 경우 전처리를 하지 않은 기판을 사용한 비교예 1, 비교예 2 및 비교예 3에 비해 면저항 값이 낮아진 것을 확인할 수 있다. 따라서, 전처리된 기판을 사용하여 전극을 제조하여 전기적 특성을 향상시킬 수 있는 것을 확인할 수 있었다.
또한, 동일한 두께로 은을 증착하여 전극을 제조하였을 경우, 은/피리딘 단분자/PET 구조의 전극인 실시예 1 및 실시예 2는 면저항이 각각 7.886 Ω/sq, 6.09 Ω/sq이며 은/PET 전극은 8.31 Ω/sq으로, 피리딘 단분자를 도입 시에도 은 박막의 전기적 특성에 영향을 미치지 않는 것을 확인할 수 있다.
[실험예 3] 반복 인장 굽힘 시험
본원의 일 실시예 및 비교에에 따른 전극에 대해 곡률반경 1 mm의 10,000회 반복 인장 굽힘 시험을 수행하였다.
도 3 은 본원의 일 실험예에 따른 굽힘 횟수에 따른 저항 변화를 측정한 그래프이다.
도 3 을 참조하면, 비교예 4 (Ag/PET)는 초기 대비 저항이 약 41% 증가하였으며, 실시예 1 (Ag/4-AP/pre-treated PET) 및 실시예 2 (Ag/4-DMAP/pre-treated PET)는 각각 8.50% 및 8.10% 증가한 것을 확인할 수 있다.
이를 통해, 기판과 박막 사이에 피리딘계 단분자를 도입한 경우 반복 인장 굽힘 시험 후의 저항 증가율이 약 80.2% 감소하였으며, 피리딘계 단분자의 도입으로 인하여 은 박막과 PET 기판 간 접착력 증가 및 은 박막 내굴곡성이 향상된 것을 확인할 수 있었다.
전술한 본원의 설명은 예시를 위한 것이며, 본원이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본원의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 예를 들어, 단일형으로 설명되어 있는 각 구성 요소는 분산되어 실시될 수도 있으며, 마찬가지로 분산된 것으로 설명되어 있는 구성 요소들도 결합된 형태로 실시될 수 있다.
본원의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본원의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

Claims (16)

  1. 전처리된 기판;
    상기 기판 상에 형성된 피리딘계 단분자 층; 및
    상기 피리딘계 단분자 층 상에 형성된 금속 박막;
    을 포함하는,
    투명 유연성 전극.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 기판은 표면에 친수성기(hydrophilic group)가 형성된 것인,
    투명 유연성 전극.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 피리딘계 단분자는 하기 화학식 1 로서 표시되는 것인, 투명 유연성 전극:
    [화학식 1]
    Figure pat00004
    ;
    (상기 화학식 1 에서,
    Y 는, 질소, 탄소, 황, 또는 산소이고,
    R1 및 R2 는, 각각 독립적으로, 수소, 산소, 히드록시기, 또는 선형 또는 분지형의 C1 내지 C10 의 알킬기임).
  4. 제 1 항에 있어서.
    상기 피리딘계 단분자는 4-아미노피리딘(4-aminopyridine, 4-AP), 4-디메틸아미노피리딘(4-dimethylaminopyridine, 4-DMAP), 3-디메틸아미노피리딘(3-dimethylaminopyridine, 3-DMAP), 3-아미노피리딘(3-aminopyridine, 3-AP), 2-디메틸아미노피리딘(2-dimethylaminopyridine, 2-DMAP), 2-아미노피리딘(2-aminopyridine, 2-AP), 2-PA(2-picolinic acid), 및 이들의 조합들로 이루어진 군에서 선택된 것을 포함하는 것인, 투명 유연성 전극.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 기판 및 상기 피리딘계 단분자는 광학적으로 투명한 것인, 투명 유연성 전극.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 금속 박막은 Ag,　Au,　Cu, Ni, Pt, Pd, Ir, Rh, W, Al, Ta, Mo, Cd, Zn, Fe, Ti, Si, Ge, Zr, Ba 및 이들의 조합들로 이루어진 군에서 선택된 것을 포함하는 것인, 투명 유연성 전극.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 금속 박막은 10 nm 이하의 두께를 가지는 것인, 투명 유연성 전극.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 기판은 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET), 폴리 에테르술폰(PES), 폴리 에틸렌나프탈레이트(PEN), 폴리 카보네이트(PC), 폴리 스티렌(PS), 폴리 이미드(PI), 폴리 에틸린(PE), 및 이들의 조합들로 이루어진 군에서 선택된 기판을 포함하는 것인, 투명 유연성 전극.
  9. 기판을 전처리하는 단계;
    피리딘계 단분자를 포함하는 용액을 상기 전처리된 기판 상에 분산시키는 단계;
    상기 용액이 분산된 기판을 열처리하는 단계; 및
    상기 피리딘계 단분자 상에 금속 박막을 증착하는 단계;
    를 포함하는,
    투명 유연성 전극의 제조 방법.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 전처리는 자외선/오존(UV/Ozone) 처리, 플라즈마(plasma) 처리, 피라냐 용액(Piranha solution) 세척 및 이들의 조합들로 이루어진 군에서 선택되는 방법에 의해 수행되는 것인,
    투명 유연성 전극의 제조 방법.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 전처리에 의해 상기 기판 상에 친수성 기가 형성되는 것인,
    투명 유연성 전극의 제조 방법.
  12. 제 9 항에 있어서,
    상기 용액은 바코팅, 스핀 코팅, 노즐 프린팅, 스프레이 코팅, 슬롯다이코팅, 그라비아 프린팅, 잉크젯 프린팅, 스크린 프린팅, 전기수력학적 제트 프린팅, 전기분무, 및 이들의 조합들로 이루어진 군에서 선택된 방법에 의해 상기 기판 상에 분산되는 것인, 투명 유연성 전극의 제조 방법.
  13. 제 9 항에 있어서,
    상기 용액은 이소프로필알코올, 물, 에탄올, 톨루엔, 에틸렌글리콜, 디에틸렌글리콜, 폴리에틸렌글리콜, 글리세롤, 프로필글리콜, 펜타에리스리톨, 비닐알코올, 폴리비닐알코올, 및 이들의 조합들로 이루어진 군에서 선택된 용매를 포함하는 것인, 투명 유연성 전극의 제조 방법.
  14. 제 9 항에 있어서,
    상기 열처리는 20℃ 내지 300℃ 의 온도 하에서 수행되는 것인, 투명 유연성 전극의 제조 방법.
  15. 제 9 항에 있어서.
    상기 금속 박막은 열증착, 스퍼터링(Sputtering), 졸-겔(sol-gel) 공정, 원자층증착(ALD), 화학기상증착(CVD), 물리기상증착(PVD), 전자빔증착(E-beam evaporation), 진공열증착, 플라즈마증착, 및 이들의 조합들로 이루어진 군에서 선택된 방법에 의해 증착되는 것인, 투명 유연성 전극의 제조 방법.
  16. 제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 따른 투명 유연성 전극을 포함하는,
    전자 소자.
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