KR20240007367A - 니켈이 도금된 구리 메시 구조물 기반 고내구성 유연 투명 히터 및 그 제조 방법 - Google Patents
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Abstract
니켈이 도금된 구리 메시 구조물 기반 고내구성 유연 투명 히터 및 그 제조 방법이 제시된다. 본 발명의 일 실시예에 따른 유연 투명 히터는, 플렉시블 투명 기판; 상기 플렉시블 투명 기판 상에 미리 설정된 기법에 의해 메시(mesh) 형태로 형성되는 금속 메시 구조물; 및 상기 금속 메시 구조물의 표면에 구성되는 금속 도금을 포함하여 이루어질 수 있다.
Description
본 발명의 실시예들은 유연 투명 히터 및 그 제조 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 니켈(Ni)이 도금된 구리 메시(Cu Mesh) 구조물 기반 고내구성 유연 투명 히터 및 그 제조 방법에 관한 것이다.
광학적으로 투명한 히터가 수많은 응용 분야로 주목을 받고 있다. 현재 투명 히터는 유리나 쿼츠와 같은 리지드(rigid)한 투명 기판 상에 금속산화물 박막을 형성시켜 제작할 수 있으며, 창문, 옥외 디스플레이 패널, 센서용 히터플랫폼 등에 널리 사용되고 있다. 기존의 리지드(rigid) 투명 히터를 다양한 용도로 활용할 수 있지만 빠른 응답 특성을 지닌 고신뢰성 초박형 유연 투명 히터를 개발해야 할 필요성이 크다. 이러한 빠른 응답 특성과 고신뢰성을 갖는 초박형의 유연 투명 히터는, 리지드 응용 분야뿐만 아니라 플렉시블(flexible) 응용 분야와 웨어러블 전자 기기에 사용될 수 있다. 지금까지 금속 산화물 기반의 박막은 투명 히터 재료로 가장 널리 사용되어 왔다. 특히, 인듐 주석 산화물(Indium Tin Oxide, ITO)과 불소 도핑 주석 산화물(Fluorine-doped Tin Oxide, FTO)은 전기 전도성과 광학적 투과율이 뛰어나 가장 많이 사용되는 물질이다. 그러나, ITO와 FTO의 잘 부러지는(brittleness) 성질로 인해, 플렉시블과 웨어러블 전자기기 개발에 적응하는 것은 매우 어렵다.
최근에는 mica 필름과 같은 높은 열전도율을 가진 상대적으로 비싼 유연 기판을 이용하여 제조된 초박막, 플렉시블, 투명 히터의 빠른 응답 특성에 대한 연구 결과가 보고된 바 있다(비특허문헌 1). 이 밖에도 그래핀(Graphene), 탄소나노튜브(Carbon nanotube, CNT), 금속나노와이어, 금속 메시(Metal mesh), 기타 하이브리드 재료와 같은 대체 재료를 사용하여 ITO가 없는(ITO-free) 고성능 투명 히터를 개발하기 위해 상당한 노력을 기울였다(비특허문헌 2~4). 그래핀, CNT 등 탄소성 소재는 열전도성과 기계적 유연성이 우수해 ITO가 없는 유연 투명 히터에 사용되어 눈길을 끌었다. 하지만, 고품질 그래핀과 CNT는 열 및 플라즈마 화학기상증착(Chemical Vapor Deposition, CVD) 기법을 통해 제조되어 제조원가를 높이게 된다. 이 때문에 금속나노와이어와 메시 구조 등 금속 기반의 유연 투명 히터에 대한 연구가 많이 이루어지고 있다. 탄소 기반의 투명 히터와는 달리 금속 기반의 유연 투명 히터는 상대적으로 제조 과정이 단순하고 열 생성 성능이 우수하여 ITO가 없는 투명 히터로서 더욱 큰 주목을 받고 있다.
기존 일 실시예의 기술은 PET(polyethylene terephthalate) 기판 상에 은-나노와이어/클레이(AgNW/clay) 필름을 이용하였으며, 이 필름을 가진 히터는 다양한 입력 전압에서 작동할 수 있고, 50초 이내에 정상 상태에 도달할 수 있다(비특허문헌 5). 또한, 기존 다른 일 실시예의 기술은 25초 이내에 4.5V(DC)의 입력 전압에서 약 100°C의 온도에 도달할 수 있는 황화구리(CuS) 나노시트 필름 히터를 제안하였다(비특허문헌 6). 기존 또 다른 일 실시예의 기술은 5V(DC)의 입력 전압에서 약 20초 이내에 74°C의 온도에 도달할 수 있는 유연 은-나노와이어/폴리비닐알코올(AgNW/PVA) 복합 필름 히터를 제안하였다(비특허문헌 7).
한국등록특허 10-2150868호는 이러한 금속나노섬유를 이용한 투명히터 제조방법에 관한 것으로, 연속적으로 전극을 형성하고, 전극간의 접합부의 접촉저항을 낮추어 낮은 작동전압에서도 구동되고, 높은 효율을 갖는 투명히터를 제조하는 금속나노섬유를 이용한 투명히터 제조방법에 관한 기술을 기재하고 있다.
Yeji Kim, Hye Ryoung Lee, Takeshi Saito, Yoshio Nishi, "Ultra-thin and high-response transparent and flexible heater based on carbon nanotube film", APPLIED PHYSICS LETTERS, 2017.
Han-Jung Kim, Yoonkap Kim, Jun-Ho Jeong, Jun-Hyuk Choi, Jihye Lee, Dae-Geun Choi, "A cupronickel-based micromesh film for use as a high-performance and low-voltage transparent heater", Journal of materials chemistry. A, Materials for energy and sustainability, 2015.
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본 발명의 실시예들은 니켈이 도금된 구리 메시 구조물 기반 고내구성 유연 투명 히터 및 그 제조 방법에 관하여 기술하며, 보다 구체적으로 금속 메시(Metal mesh) 구조물에 선택적으로 니켈(Ni)을 도금하여 ITO가 없는(ITO-free) 유연 투명 전도체를 제조하는 기술을 제공한다.
본 발명의 실시예들은 구리 메시(Cu Mesh) 구조물을 투명 기판에 제작하고, 그 표면에 니켈(Ni)을 선택적으로 도금하여 투명 전도체로서 기판에 대한 부착력, 열 및 화학적 안정성을 개선할 수 있을 뿐만 아니라, 동시에 히터로서 낮은 전압에서 구동할 수 있는 니켈이 도금된 구리 메시 구조물 기반 고내구성 유연 투명 히터 및 그 제조 방법을 제공하는데 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 유연 투명 히터는, 플렉시블 투명 기판; 상기 플렉시블 투명 기판 상에 미리 설정된 기법에 의해 메시(mesh) 형태로 형성되는 금속 메시 구조물; 및 상기 금속 메시 구조물의 표면에 구성되는 금속 도금을 포함하여 이루어질 수 있다.
상기 플렉시블 투명 기판은, 폴리비닐알코올(PVA) 기판, 폴리에틸렌테레프탈레이(PET) 기판 및 폴리이미드(PI) 기판 중 적어도 어느 하나 이상을 포함할 수 있다.
상기 플렉시블 투명 기판은, 폴리에틸렌테레프탈레이(PET) 필름으로 이루어질 수 있다.
상기 금속 메시 구조물은, 구리(Cu), 금(Au) 및 은(Ag) 중 적어도 어느 하나 이상을 포함하는 금속 메시 구조물이거나, CuNi 및 AgNi 중 적어도 어느 하나 이상을 포함하는 합금 메시 구조물을 포함할 수 있다.
상기 금속 메시 구조물은, 구리 메시(Cu Mesh) 구조물로 이루어질 수 있다.
상기 금속 도금은, 상기 구리 메시(Cu Mesh) 구조물의 표면에 니켈(Ni)을 선택적으로 도금하여 생성될 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 유연 투명 히터 제조 방법은, PET 기판 위에 음각의 메시 패턴을 갖는 포토레지스트를 형성하는 단계; 상기 PET 기판 위에 금속을 증착하는 단계; 상기 금속이 증착된 상기 PET 기판에 리프트 오프를 통해 금속 메시 구조물을 형성하는 단계; 및 생성된 상기 금속 메시 구조물의 표면에 금속 도금을 수행하는 단계를 포함하여 이루어질 수 있다.
상기 금속 메시 구조물을 형성하는 단계는, 구리 메시(Cu Mesh) 구조물을 형성할 수 있다.
상기 금속 메시 구조물의 표면에 금속 도금을 수행하는 단계는, 상기 구리 메시(Cu Mesh) 구조물의 표면에 니켈(Ni)을 선택적으로 도금할 수 있다.
본 발명의 실시예들에 따르면 금속 메시(Metal mesh) 구조물에 선택적으로 니켈(Ni)을 도금하여 ITO가 없는(ITO-free) 유연 투명 전도체를 제공함으로써, 동일한 전압에서 효과적으로 열을 발생시켜 설정된 발열온도에 빠르게 도달할 수 있는, 니켈이 도금된 구리 메시 구조물 기반 고내구성 유연 투명 히터 및 그 제조 방법을 제공할 수 있다.
본 발명의 실시예들에 따르면 구리 메시(Cu Mesh) 구조물을 투명 기판에 제작하고, 그 표면에 니켈(Ni)을 선택적으로 도금하여 투명 전도체로서 기판에 대한 부착력, 열 및 화학적 안정성을 개선함으로써 히터로서 낮은 전압에서 구동할 수 있는 니켈이 도금된 구리 메시 구조물 기반 고내구성 유연 투명 히터 및 그 제조 방법을 제공할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 유연 투명 히터를 제조하는 과정을 설명하기 위한 일 예시도를 나타내는 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 니켈이 도금된 고내구성의 유연 투명 히터 제조 방법을 나타내는 흐름도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 구리 메시 구조물 기반 유연 투명 히터의 실제 모습과 구리 메쉬 구조물의 선 폭과 간격을 개략적으로 표시한 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 니켈 도금 시간에 따른 유연 투명 히터의 실제 모습을 보여주는 도면이다.
도 5는 본 발명이 일 실시예에 따른 니켈 도금 시간에 따른 금속 메쉬 구조물 기반 유연 투명 히터의 금속 배선을 현미경으로 관찰한 이미지이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 열 안정성 실험 결과를 나타내는 그래프이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 화학적 안정성 실험 결과를 나타내는 그래프이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 부착력 테스트 결과를 나타내는 그래프이다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 입력 전압에 따른 유연 투명 히터 표면의 온도를 나타내는 그래프이다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 입력전압에 따른 유연 투명 히터 표면에서 측정된 온도를 니켈의 도금 정도에 따라 보여주는 그래프이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 니켈이 도금된 고내구성의 유연 투명 히터 제조 방법을 나타내는 흐름도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 구리 메시 구조물 기반 유연 투명 히터의 실제 모습과 구리 메쉬 구조물의 선 폭과 간격을 개략적으로 표시한 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 니켈 도금 시간에 따른 유연 투명 히터의 실제 모습을 보여주는 도면이다.
도 5는 본 발명이 일 실시예에 따른 니켈 도금 시간에 따른 금속 메쉬 구조물 기반 유연 투명 히터의 금속 배선을 현미경으로 관찰한 이미지이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 열 안정성 실험 결과를 나타내는 그래프이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 화학적 안정성 실험 결과를 나타내는 그래프이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 부착력 테스트 결과를 나타내는 그래프이다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 입력 전압에 따른 유연 투명 히터 표면의 온도를 나타내는 그래프이다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 입력전압에 따른 유연 투명 히터 표면에서 측정된 온도를 니켈의 도금 정도에 따라 보여주는 그래프이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들을 설명한다. 그러나, 기술되는 실시예들은 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 이하 설명되는 실시예들에 의하여 한정되는 것은 아니다. 또한, 여러 실시예들은 당해 기술분야에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 더욱 완전하게 설명하기 위해서 제공되는 것이다. 도면에서 요소들의 형상 및 크기 등은 보다 명확한 설명을 위해 과장될 수 있다.
ITO가 없는(ITO-free) 고성능의 유연 투명 전도체(센서, 히터 등)의 개발이 요구되고 있으며, PEDOT:PSS, 그래핀(Graphene), CNT, 은-나노와이어(AgNW), 금속 메시(Metal mesh) 등에 대한 관심이 증가하고 있다. 이 연구에서는 그래핀(Graphene), 탄소나노튜브(Carbon nanotube, CNT), 금속나노와이어, 금속 메시, 기타 하이브리드 재료와 같은 대체 재료를 사용하여 ITO가 없는(ITO-free) 고성능 투명 히터를 개발하기 위해 상당한 노력을 기울였다. 그러나 고품질 그래핀과 CNT는 제조원가가 높아, 금속나노와이어와 메시 구조 등 금속 기반의 유연 투명 히터에 대한 연구가 많이 이루어지고 있다. 탄소 기반의 투명 히터와는 달리 금속 기반의 유연 투명 히터는 상대적으로 제조 과정이 단순하고 열 생성 성능이 우수하여 ITO가 없는 투명 히터로서 더욱 큰 주목을 받고 있다.
최근 금속 소재 기반 유연 투명 전도체와 관련한 연구 개발이 전세계적으로 활발히 진행 중이다. 예컨대 금속 소재 기반 유연 투명 전도체와 관련한 제조 방법, 성능, 응용 가능성 등에 대한 연구결과가 활발히 보고되고 있다. 하지만, 금속 소재 기반 유연 투명 전도체의 내구성 문제로 상용화에 있어서 한계가 있는 것으로 알려져 있다. 이에, 금속 소재 기반 유연 투명 전도체의 부착력, 열 및 화학적 안정성, 유연성 향상을 위한 연구 개발이 시급한 상황이다.
금속 소재 기반의 고성능 내구성의 투명 센서/히터를 제공하기 위해서는 물리, 화학적으로 안정적이며, 10 ohm/sq 이하의 낮은 면저항 값을 갖는 투명 전도체 개발이 필요하다. 이를 해결하기 위한 기존 연구는 단순히 투명 전도체에 테플론(Teflon, Cytop) 등 고가의 특수물질을 덮거나, 2종 이상의 투명 전도체를 하이브리드화하는 방식이 대부분이다. 하지만, 이러한 방법은 제조 비용이 증가하고 공정이 복잡해지는 단점을 가지고 있다.
이에 따라 아래의 본 발명의 실시예들은 니켈이 도금된 구리 메시 구조물 기반 고내구성 유연 투명 히터 및 그 제조 방법을 제공한다. 실시예들은 금속 메시(Metal mesh) 구조물에 선택적으로 니켈(Ni)을 도금하여 ITO가 없는(ITO-free) 유연 투명 전도체를 제조할 수 있다.
이하, 본 발명의 상세한 설명에서는 메시 구조를 형성하는 방법을 포토리소그래피(Photolithography) 기법으로 설명하지만, 본 발명에서의 메시 구조를 형성하는 방법이 포토리소그래피(Photholithography) 기법으로 한정하지 않으며, 인쇄 또는 NEMS/MEMS 방법 등 다양한 기법을 이용할 수 있다. 그리고, 메시 구조 또한 Cu 금속에 의한 메시 구조뿐만 아니라 금(Au), 은(Ag)을 포함하는 금속 메시, CuNi, AgNi를 포함하는 합금 메시와 금속 산화물 메시를 모두 포함할 수 있으며, 상세한 설명에서는 Cu 메시로 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 유연 투명 히터를 제조하는 과정을 설명하기 위한 일 예시도를 나타내는 도면이다. 본 발명의 유연 투명 히터는 균일한 금속 메시 구조를 기반으로 하는 웨어러블하고 투명한 히터가 포토리소그래피(Photholithography) 방식으로 제조될 수 있다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 실시예들은 구리 메시(Cu Mesh) 구조물을 다양한 투명 기판 위에 제작하고, 니켈 등과 같은 금속을 구리 메시 구조물 위에 선택적으로 도금하여 투명 전도체로서 기판에 대한 부착력, 열 및 화학적 안정성을 개선하고 히터로서 낮은 전압에서 구동할 수 있는 유연 투명 히터를 제공할 수 있다.
여기서, 투명 기판은 유리, PET 필름 등 다양한 투명 기판을 포함할 수 있다. 또한, 금속 메시 구조물은, 예컨대 구리 메시(Cu Mesh) 구조물일 수 있으며, 금속 도금은, 예컨대 니켈(Ni) 도금일 수 있다.
아래에서는 하나의 예를 들어 본 발명의 유연 투명 히터를 제조하는 과정을 설명한다.
본 발명의 유연 투명 히터를 제조하는 과정의 일 예시도는, 가장 먼저, PET 기판 위에 포토레지스트(Photoresist)를 도포하고 노광, 현상하여 음각의 메쉬 형상의 포토레지스트 패턴을 갖는 PET 기판을 제작한다. 이어서 구리, 은 등과 같은 금속을 PET 기판 위에 진공 증착 한다. 이후 금속을 리프트 오프하여 PET 기판 위에 금속 메시 패턴을 형성시킨다. 이후, 구리 메시(Cu Mesh) 구조물의 표면에 니켈(Ni)을 선택적으로 전기도금하여 투명 전도체로서 기판에 대한 부착력, 열 및 화학적 안정성을 개선하고 히터로서 낮은 입력전압 하에서도 효과적으로 구동할 수 있는 유연 투명 히터를 제공할 수 있다.
본 발명에서 사용되는 기판은 폴리에틸렌테레프탈레이(PET) 기판뿐만 아니라, 폴리비닐알코올(PVA) 기판 및 폴리이미드(PI) 기판 등을 모두 포함할 수 있다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 니켈이 도금된 고내구성의 유연 투명 히터 제조 방법을 나타내는 흐름도이다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 유연 투명 히터 제조 방법은,PET 기판 위에 포토레지스트를 도포하고 음각의 메시 패턴으로 노광하고 현상하는 단계(S110), 음각의 메시 형태의 포토레지스트 패턴을 갖는 상기 PET 기판에 금속을 증착하는 단계(S120), 증착된 상기 금속을 리프트오프하여 상기 PET 기판 위에 금속 메시 구조물만을 형성하는 단계(S130), 및 생성된 금속 메시 구조물의 표면에 금속 도금을 수행하는 단계(S140)를 포함하여 이루어질 수 있다.
단계(S110)에서, PET 필름과 같은 유연 투명 기판 상에 포토레지스트(Photoresist)를 도포하고 노광 및 현상 과정을 통해 음각의 메쉬 포토레지스트 패턴을 형성할 수 있다.
여기서, 플렉시블 투명 기판은 폴리비닐알코올(PVA) 기판, 폴리에틸렌테레프탈레이(PET) 기판 및 폴리이미드(PI) 기판 중 적어도 어느 하나 이상을 포함할 수 있다. 예컨대, 플렉시블 투명 기판은 폴리에틸렌테레프탈레이(PET) 필름으로 이루어질 수 있다.
단계(S120)에서, 음각 메시 형태의 포토레지스트 패턴을 갖는 PET 기판 상에 구리(Cu) 금속을 증착시킬 수 있다. 여기서, 증착하는 금속은 구리(Cu)뿐만 아니라, 은(Ag), 알루미늄(Al) 등을 증착할 수 있으며, CuNi, AgNi 등과 같은 합금, 금속산화물도 증착할 수 있다.
단계(S130)에서, 금속이 증착된 PET 기판은 리프트 오프 공정을 통해 PET 기판 위에 금속 메시 구조물만을 형성할 수 있다.
단계(S140)에서, 생성된 금속 메시 구조물의 표면에 금속 도금을 수행할 수 있다. 예컨대, 구리 메시(Cu Mesh) 구조물의 표면에 니켈(Ni)을 선택적으로 도금할 수 있다.
이에 따라, 본 발명의 실시예들에 따르면 금속 메시(Metal mesh) 구조물에 선택적으로 니켈(Ni)을 도금하여 면저항 값을 크게 낮춘, ITO가 없는(ITO-free) 유연 투명 전도체를 제공함으로써, 동일한 전압에서 효과적으로 열을 발생시켜 설정된 발열온도에 빠르게 도달할 수 있다.
아래에서는 실험을 통해 내구성이 개선된 유연 투명 히터(전도체)를 제조하고, 성능 및 내구성을 비교 분석할 수 있다.
내구성이 개선된 유연 투명 히터를 제조하기 위해, 기존의 포토리소그래피(Photolithography) 방식 대신 구리 메시(Cu Mesh) 구조물/PET(polyethylene terephthalate) 필름을 제조할 수 있다. 즉, PET 필름에 구리 메시(Cu Mesh) 구조물을 형성할 수 있다. 이 때, 니켈(Ni)이 전기 도금된(electroplated) 구리 메시(Cu Mesh) 구조물/PET 필름을 제조할 수 있다. 즉, PET 필름에 니켈(Ni)이 선택적으로 도금된 구리 메시(Cu Mesh) 구조물을 형성할 수 있다.
실험 1
성능 및 내구성을 비교 분석하기 위해, 선택적 니켈(Ni) 도금에 따른 광투과율, 면저항, 기판에 대한 부착력, 열 및 화학적 안정성을 비교 분석할 수 있다.
실험 2
유연 투명 히터로서의 성능을 비교 분석하기 위해, 줄 발열(Joule Heating)에 따른 온도 변화, 승온 속도, 구동 전압(소비전력) 등을 비교 분석할 수 있다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 구리 메시 구조물/PET 필름 기반 고내구성 유연 투명 히터의 실제 모습과 금속 메시 구조물의 선 폭 및 간격을 보여주는 도면이다.
도 3을 참조하면, PET 필름 위에 형성된 니켈(Ni)이 도금된 구리(Cu) 메시 구조물의 투명 전도체의 실제 모습을 볼 수 있다.
PET 기판 위에 약 5.0 μm의 선폭(Line-width)과 약 300 μm의 선 간격(Line-spacing)을 가진 구리 메시(Cu Mesh) 구조물이 형성될 수 있다. 물론, 형성되는 구리 메시(Cu Mesh) 구조물의 선폭과 선 간격 그리고 두께가 상술한 수치로 제한되거나 한정되지 않는다. 이렇게 PET 필름 또는 다른 기판에 인쇄된 균일한 구리 메시(Cu Mesh)는 광학적으로 매우 투명하고 전기 전도도가 우수한 특성을 가진다.
본 발명에 의해 제조된 구리 메시(Cu Mesh) 구조물/PET 필름의 유연 투명 히터는 550nm의 파장에서 85.7%의 높은 광 투과율을 보이고, 약 10.37 Ω/sq의 면저항 값을 가지는 것을 알 수 있다.
표 1은 구리 메시(Cu Mesh) 전극의 광학 및 전기적 특성 나타낸다.
그리고, 광학적 전도도(
opt)에 대한 전기적 전도도(
dc)의 비율(
dc/
opt)로 계산되는 투명 도체의 값인 성능지수(Figure-of-Merit, FoM)는 다음 식과 같이 나타낼 수 있다
[수학식 1]
여기서, 면저항 S와 광 투과율(transmittance) T는 각각 측정된 면저항과 550nm에서 측정된 투과율을 의미하며, Z0은 자유 공간의 임피던스, 즉, 377 Ω을 의미할 수 있다.
상기 표 1을 통해 구리 메시(Cu Mesh) 구조물/PET 기판의 FoM 값은 228.7인 것을 알 수 있으며, 이는 상업용 ITO 유리의 FoM 값인 227.1과 유사한 값이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 니켈 도금 시간에 따른 유연 투명 히터의 실제 모습을 보여주는 사진이다. 그리고 도 5는 본 발명이 일 실시예에 따른 니켈 도금 시간에 따른 유연 투명히터 표면에서 현미경을 이용하여 관찰한 금속 배선의 사진을 나타내는 도면이다.
도 4 및 도 5를 참조하면, 니켈(Ni) 도금에 따른 광학 및 전기적 특성 변화를 확인할 수 있으며, 니켈 도금 시간에 따른 유연 투명 히터의 내구성을 비교 분석할 수 있다.
표 2는 니켈(Ni) 도금에 따른 광학 및 전기적 특성 변화를 나타낸다.
[표 2]
표 2를 참조하면, 니켈(Ni) 도금에 따라 투과율은 조금 감소하지만, 면저항은 크게 줄어들어 결과적으로 투명 전도체로서의 성능지수(Figure-of-merit, FoM)를 크게(~229 -> ~952) 개선시킬 수 있다. 또한, 니켈(Ni) 도금으로 적용하고자 하는 어플리케이션에 따라 면저항, 투과도 조절을 통한 성능지수 컨트롤이 가능하다는 장점이 있다. 60분의 니켈(Ni) 도금 시간이 공정시간이 길어지는 것처럼 보이지만, 이는 니켈(Ni)의 도금 두께를 최적화하기 위한 것으로, 도금 시 파라미터를 조절함으로써 시간을 단축시킬 수 있다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 열 안정성 실험 결과를 나타내는 그래프이다. 도 6을 참조하면, 유연 투명 히터의 어닐닝 시간에 따른 면저항 변화를 나타내며, 이를 통해 열 안정성을 확인할 수 있다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 화학적 안정성 실험 결과를 나타내는 그래프이다. 도 7을 참조하면, 산성 용액과의 반응 시간에 따른 따른 면저항 변화를 나타내며, 이를 통해 화학적 안정성을 확인할 수 있다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 부착력 테스트 결과를 나타내는 그래프이다. 도 8을 참조하면, 초음파 처리 시간에 따른 면저항 변화를 나타내며, 이를 통해 부착력을 확인할 수 있다.
도 6 내지 도 8에 도시된 바와 같이, 니켈(Ni) 도금 여부 및 니켈(Ni) 도금 시간에 따른 유연 투명 히터의 내구성을 확인할 수 있다. 여기서, Cu mesh는 플렉시블 기판 상에 구리(Cu) 구조물을 형성한 유연 투명 히터이고, 5 min Ni electroplating은 니켈(Ni) 전기도금 5 분을 진행한 유연 투명 히터이며, 20 min Ni electroplating은 니켈(Ni) 전기도금 20 분을 진행한 유연 투명 히터이고, 60 min Ni electroplating은 니켈(Ni) 전기도금 60 분을 진행한 유연 투명 히터이다.
니켈(Ni) 도금에 따라 열 안정성, 화학적(산성 용액) 안정성을 개선시킬 수 있으며, 기판에 대한 부착력(밀착력)도 개선되었음을 확인할 수 있다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 입력 전압에 따른 유연 투명 히터의 의 표면 온도를 나타내는 그래프이다.
도 9를 참조하면, 입력 전압이 각각 DC 1.0V, DC 2.0V, DC 3.0V 일 때의 시간에 따른 유연 투명 히터의 표면 온도를 나타낸다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 니켈(Ni) 도금에 따른 유연 투명 히터의 표면 온도 변화를 나타내는 그래프이다.
도 10을 참조하면, 적용된 전압에 따른 니켈(Ni) 도금에 따른 유연 투명 히터의 표면에서의 온도 변화를 나타낸다. 여기서, Cu mesh는 플렉시블 기판 상에 구리(Cu) 구조물을 형성한 유연 투명 히터이고, 20 min Ni electroplating은 니켈(Ni) 전기도금 20 분을 진행한 유연 투명 히터이고, 60 min Ni electroplating은 니켈(Ni) 전기도금 60 분을 진행한 유연 투명 히터이다.
이를 통해 유연 투명 히터의 줄 발열(Joule Heating) 성능을 확인할 수 있다. 도 9에 도시된 바와 같이 니켈(Ni)이 도금되어 있지 않은 Cu Mesh 유연 투명 히터의 성능을 보여주고 있으며, 도 10에 도시된 바와 같이 니켈(Ni) 도금에 따라 동일한 전압에서 더 우수한 히터 성능(높은 열을 발생)을 보였음을 입증하였다. 즉, 니켈(Ni) 전기도금 60 분을 진행한 유연 투명 히터의 성능이 보다 우수한 것을 확인할 수 있다.
이상과 같이, 본 발명의 실시예들에 따르면 금속 메시(Metal mesh) 구조물에 선택적으로 니켈(Ni)을 도금하여 ITO가 없는(ITO-free) 유연 투명 전도체를 제조할 수 있다. 이에 따라 상용 ITO glass의 성능 지수 대비, 약 4배 이상의 성능지수(~951)를 갖는 우수한 투명 전도체 제조할 수 있다.
이와 같이 니켈(Ni)의 선택적 도금을 통해, 구리 메시(Cu Mesh) 투명 전도체의 내구성을 효과적으로 개선할 수 있다. 즉, 니켈(Ni)의 선택적 도금을 통해 PET 기판에 대한 부착력, 열 및 화학적 안정성 개선을 확인할 수 있다.
본 발명의 실시예에서 제안한 니켈(Ni)이 선택적으로 도금된 구리 메시(Cu Mesh) 기반의 유연 투명 전도체는 줄 발열(Joule Heating)을 통해, 낮은 전압에서도 효과적으로 구동 가능한 차세대 유연 투명 전극 및 히터로서 활용할 수 있다. 즉, 동일한 전압에서 효과적으로 열을 발생시켜 설정된 발열 온도에 빠르게 도달할 수 있음을 확인할 수 있다.
이상에서 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다.
본 명세서에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.
또한, 명세서에 기재된 "…부", "…모듈" 등의 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미하며, 이는 하드웨어나 소프트웨어 또는 하드웨어 및 소프트웨어의 결합으로 구현될 수 있다.
또한, 각 도면을 참조하여 설명하는 실시예의 구성 요소가 해당 실시예에만 제한적으로 적용되는 것은 아니며, 본 발명의 기술적 사상이 유지되는 범위 내에서 다른 실시예에 포함되도록 구현될 수 있으며, 또한 별도의 설명이 생략될지라도 복수의 실시예가 통합된 하나의 실시예로 다시 구현될 수도 있음은 당연하다.
또한, 첨부 도면을 참조하여 설명함에 있어, 도면 부호에 관계없이 동일한 구성 요소는 동일하거나 관련된 참조 부호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다. 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.
이상과 같이 실시예들이 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기의 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 예를 들어, 설명된 기술들이 설명된 방법과 다른 순서로 수행되거나, 및/또는 설명된 시스템, 구조, 장치, 회로 등의 구성요소들이 설명된 방법과 다른 형태로 결합 또는 조합되거나, 다른 구성요소 또는 균등물에 의하여 대치되거나 치환되더라도 적절한 결과가 달성될 수 있다.
그러므로, 다른 구현들, 다른 실시예들 및 특허청구범위와 균등한 것들도 후술하는 특허청구범위의 범위에 속한다.
Claims (9)
- 플렉시블 투명 기판;
상기 플렉시블 투명 기판 상에 미리 설정된 기법에 의해 메시(mesh) 형태로 형성되는 금속 메시 구조물; 및
상기 금속 메시 구조물의 표면에 구성되는 금속 도금
을 포함하는, 유연 투명 히터. - 제1항에 있어서,
상기 플렉시블 투명 기판은,
폴리비닐알코올(PVA) 기판, 폴리에틸렌테레프탈레이(PET) 기판 및 폴리이미드(PI) 기판 중 적어도 어느 하나 이상을 포함하는 것
을 특징으로 하는, 유연 투명 히터. - 제1항에 있어서,
상기 플렉시블 투명 기판은,
폴리에틸렌테레프탈레이(PET) 필름으로 이루어지는 것
을 특징으로 하는, 유연 투명 히터. - 제1항에 있어서,
상기 금속 메시 구조물은,
구리(Cu), 금(Au) 및 은(Ag) 중 적어도 어느 하나 이상을 포함하는 금속 메시 구조물이거나, CuNi 및 AgNi 중 적어도 어느 하나 이상을 포함하는 합금 메시 구조물을 포함하는 것
을 특징으로 하는, 유연 투명 히터. - 제1항에 있어서,
상기 금속 메시 구조물은,
구리 메시(Cu Mesh) 구조물로 이루어지는 것
을 특징으로 하는, 유연 투명 히터. - 제5항에 있어서,
상기 금속 도금은,
상기 구리 메시(Cu Mesh) 구조물의 표면에 니켈(Ni)을 선택적으로 도금하여 생성되는 것
을 특징으로 하는, 유연 투명 히터. - PET 기판 위에 포토레지스트를 도포하고 음각의 메시 패턴으로 노광하고 현상하는 단계;
음각의 메시 형태의 포토레지스트 패턴을 갖는 상기 PET 기판에 금속을 증착하는 단계;
증착된 상기 금속을 리프트오프하여 상기 PET 기판 위에 금속 메시 구조물을 형성하는 단계; 및
생성된 상기 금속 메시 구조물의 표면에 금속 도금을 수행하는 단계
를 포함하는, 유연 투명 히터 제조 방법. - 제7항에 있어서,
상기 금속 메시 구조물을 형성하는 단계는,
구리 메시(Cu Mesh) 구조물을 형성하는 것
을 특징으로 하는, 유연 투명 히터 제조 방법. - 제8항에 있어서,
상기 금속 메시 구조물의 표면에 금속 도금을 수행하는 단계는,
상기 구리 메시(Cu Mesh) 구조물의 표면에 니켈(Ni)을 선택적으로 도금하는 것
을 특징으로 하는, 유연 투명 히터 제조 방법.
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