KR101696300B1 - 전극 및 그의 제조방법 - Google Patents

Abstract

신뢰성 높은 전극 및 그의 제조방법이 제공된다. 본 발명에 따른 전극제조방법에서는, 기판 상에 나노와이어를 도포하여 나노와이어층을 형성하고, 나노와이어층이 패턴영역 및 제거영역을 포함할 때, 패턴영역에서의 나노와이어층 및 기판 사이의 접착력이, 제거영역에서의 나노와이어층 및 기판 사이의 접착력보다 크도록 하는 접착력을 조절한 후에 제거영역을 제거하여 전극이 제조된다.

Description

전극 및 그의 제조방법{Electrode and manufacturing method thereof}

본 발명은 전극 및 그의 제조방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 신뢰성 높은 전극 및 그의 제조방법에 관한 것이다.

투명전극으로는 일반적으로 산화인듐주석(Indium Tin Oxide, ITO)이 사용되어 왔다. 그런데 산화인듐주석은 대표적인 희소 소재로 가격이 높아 최종제품의 가격 경쟁력을 저해하는 요인으로 지적되어 왔다. 따라서 ITO를 사용하지 않거나 다른 소재로 대체하는 것은 큰 관심을 받고 있는 실정이다.

ITO 전극을 대체하기 위한 시도로서, 은(Ag)를 필두로 한 나노와이어 기술은 ITO 필름의 낮은 전기전도도 및 취약한 특성으로 인하여 터치패널, OPV 등 태양전지, 각종 전자 회로의 배선전극 및 OLED 제조 분야에서 크게 각광받고 있다. 금속나노와이어의 경우, 특유의 고전도도와 큰 종횡비의 형상에 기인하여 투명전극으로 활용 시 고투과-고전도도를 양립할 수 있어 특히 주목받고 있다. 또한, 투명전극이 아닌 경우에도, 금속 특유의 우수한 유연성으로 인해 차세대 유연 디스플레이 또는 전자부품 개발에의 활용 가능성이 높다고 평가되어 왔다.

이러한 나노와이어의 문제점으로는 유연 전자소자에 사용하기 위하여, 금속 나노와이어를 플라스틱 기판과 같은 유연기판에 코팅 시, 기판에의 접착력이 낮아 구부리거나 물리적 스트레스 인가 시 나노와이어가 벗겨지거나 끊기는 일이 발생하는 것이 있다. 또한, 나노와이어와 기판 사이에 존재하는 공극으로 인해, 표면 조도가 거칠어지게 된다. 나노와이어와 기판상의 공극에 이후 공정에서의 물질이 침투하게 되면, 쇼트 등의 문제도 야기할 수 있다.

또한, 나노와이어를 패터닝하기 위하여 일반적으로 사용되는 방법인 포토레지스트를 코팅하고, 노광 및 현상 후 에칭 및 포토레지스트 제거 과정을 사용하는 경우 여러 단계를 거치면서 나노와이어가 기판으로부터 벗겨지는 문제가 발생하기 쉽다. 따라서, 일반적인 포토리소그래피 공정으로는 나노와이어의 패터닝이 매우 어려운 점이 지적되고 있다.

이를 해결하기 위하여, 금속 나노와이어 분산액에 바인더를 첨가하여 접합력을 증진시킨 후 패터닝하는 방법 및 광산화 등의 방법으로 나노와이어의 전도성을 부분적으로 잃게 만든 후 패터닝하는 등의 공정이 개발되었다.

바인더를 첨가하는 방법은 투명전극에 사용하기 위해서는 바인더의 특성이나 색상에 제한이 있기 때문에 재료선정이 어렵고, 여러 공정이 추가되므로 공정시간 및 공정단계에 제한 요인이 발생한다. 광산화 방식에서는 나노와이어 패터닝은 가능하나 포토레지스트를 이용한 여러 단계가 수행되지 않을 뿐이고, 나노와이어와 기판과의 접착력문제는 여전히 잔존하므로 이러한 문제들에 대한 기술개발은 지속적으로 요청되고 있다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은, 신뢰성 높은 전극 및 그의 제조방법을 제공함에 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 전극제조방법은 기판 상에 나노와이어를 도포하여 나노와이어층을 형성하는 나노와이어층 형성단계; 나노와이어층은 패턴영역 및 제거영역을 포함하고, 패턴영역에서의 나노와이어층 및 기판 사이의 접착력이, 제거영역에서의 나노와이어층 및 기판 사이의 접착력보다 크도록 하는 접착력 조절단계; 및 제거영역을 제거하는 제거단계;를 포함한다.

나노와이어층 형성단계 전에, 기판상에 접착층을 형성하는 접착층 형성단계를 더 포함하고, 접착력 조절단계는 패턴영역에서의 접착층의 패턴영역 접착력이 제거영역에서의 접착층의 제거영역 접착력보다 크도록 수행될 수 있다.

접착력 조절단계는 패턴영역을 광소결하여 패턴영역에서의 나노와이어를 광소결시켜 수행될 수도 있다.

또는, 접착력 조절단계는 나노와이어층을 광소결하되, 패턴영역에서의 광소결광량은 제거영역에서의 광소결광량보다 크도록 수행될 수도 있다.

제거단계는 접착물체를 이용하여 제거영역을 기판으로부터 분리하는 단계일 수 있다.

또는, 제거단계는 접착력이 조절된 나노와이어층이 형성된 기판을 용액에 침지하고, 물리적 충격을 가하여 수행될 수 있다.

이 때, 제거된 제거영역에서의 나노와이어는 접착력 조절단계가 수행되기 전의 나노와이어의 평균 종횡비의 50% 내지 100%인 평균 종횡비를 갖는 것이 바람직하다.

본 발명의 다른 측면에 따르면, 기판, 및 기판 상에 패턴화된 나노와이어층을 포함하는 전극으로서, 나노와이어층 및 기판의 계면에서 나와노이어가 광소결된 전극이 제공된다.

이상 설명한 바와 같이, 본 발명의 실시예들에 따르면, 나노와이어를 이용하여 전극을 형성하는데, 전극형성시 패턴부분과 제거될 부분의 접착력을 다르게 하여 패턴화함으로써, 높은 수율과 함께 보다 간단한 공정으로 저렴하게 패턴형성이 가능하여 비용절감의 효과가 있다.

또한, 형성된 나노와이어층은 기판과의 접착력이 높아 후속공정의 진행시 나노와이어의 분리가능성이 낮아 최종제품의 신뢰성이 향상되는 효과가 있다.

아울러, 나노와이어와 기판과의 접착력이 높아지면서 이와 함께 나노와이어와 기판 사이의 공극을 최소화할 수 있어서 더욱 유연성 및 표면조도특성이 우수하여 높은 품질의 제품생산이 가능하면서 대면적 전극제조시 높은 효율로 이용가능한 효과가 있다.

마지막으로, 제거영역에서 제거된 나노와이어의 경우, 광산화방식과 같이 나노와이어의 특성을 변화시키지 않아 제거되어 분리된 나노와이어를 간단히 재사용 가능하므로 비용절감의 효과가 크다.

도 1 내지 도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 전극제조방법의 설명에 제공되는 도면들이다.
도 5 및 도 6은 각각 기판 상의 나노와이어층에 대한 SEM 이미지들로서, 도 5는 광소결 전 이미지이고, 도 6은 광소결 후 이미지이다.
도 7은 PET 필름상에 은 나노와이어층을 형성하고, IPL을 일부에만 조사한 후 초음파 조사하여 IPL을 조사하지 않은 영역을 제거한 전극을 도시한 도면이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시형태를 설명한다. 그러나, 본 발명의 실시형태는 여러가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 이하 설명하는 실시형태로 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 실시형태는 당업계에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위해서 제공되는 것이다. 첨부된 도면에서 특정 패턴을 갖도록 도시되거나 소정두께를 갖는 구성요소가 있을 수 있으나, 이는 설명 또는 구별의 편의를 위한 것이므로 특정패턴 및 소정두께를 갖는다고 하여도 본 발명이 도시된 구성요소에 대한 특징만으로 한정되는 것은 아니다.

도 1 내지 도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 전극제조방법의 설명에 제공되는 도면들이다. 이하, 도 1내지 도 4 및 광소결전의 기판상의 나노와이어를 도시한 도 5를 참조하여 본 발명에 따른 전극 및 그의 제조방법을 설명하기로 한다.

본 실시예에 따른 전극제조방법은 기판 상에 나노와이어를 도포하여 나노와이어층을 형성하는 나노와이어층 형성단계; 나노와이어층은 패턴영역 및 제거영역을 포함하고, 패턴영역에서의 나노와이어층 및 기판 사이의 접착력이, 제거영역에서의 나노와이어층 및 기판 사이의 접착력보다 크도록 하는 접착력 조절단계; 및 제거영역을 제거하는 제거단계;를 포함한다.

먼저, 도 1에서와 같이 기판(110) 상에 나노와이어를 도포하여 나노와이어층(120)을 형성하는 나노와이어층 형성단계가 수행된다. 기판(110)은 유리기판이나 실리콘 기판과 같은 유연성 없는 기판일 수 있고, 전극이 유연소자 등에 사용되는 유연전극인 경우에는 유연성 있는 플라스틱 기판, 예를 들면, 폴리에틸렌테레프탈레이트(PolyEthylene Phthalate, PET) 또는 폴리에테르술폰(Poly Ether Sulfone, PES) 기판이 사용될 수 있다. 또한, 전극이 디스플레이에 사용되는 경우에는 투명전극이어야 하므로 기판은 투명기판인 것이 바람직하다.

나노와이어층(120)은 패턴영역(121) 및 제거영역(122)을 포함한다. 패턴영역(121)은 전극패턴을 위해 패턴화공정 후에 잔존하여 패턴화된 나노와이어층(123)이 형성되는 영역이다. 제거영역(122)은 나노와이어층(120)을 패터닝하고, 패턴화된 나노와이어층(123)이 형성되기 위해 제거되어 분리될 영역이다. 도 1의 패턴형상은 예시적인 것으로서 전극의 용도에 따라 이와 다르게 형성될 수 있다.

나노와이어층은 나노단위의 와이어 형태의 금속 나노와이어를 포함할 수 있다. 예를 들면, 금속 나노와이어는 은(Ag), 금(Au), 구리(Cu), 니켈(Ni), 백금(Pt), 팔라듐(Pd), 또는 알루미늄(Al) 나노와이어일 수 있고, 이들의 조합으로 이루어진 코어쉘 와이어(core-shell wire)일 수 있다.

나노와이어층(120)에서 전극으로서 기능하기 위해 필요한 부분은 패턴영역(121)이다. 따라서, 나노와이어층(120)으로부터 패턴영역(121)만을 남기고, 제거영역(122)을 제거하기 위하여 보다 효과적으로 패터닝할 필요가 있다.

나노와이어층(120)은 금속성의 나노와이어가 2차원적으로 기판(110)의 상면에 도포되어 있는 형태이다. 도 5를 참조하면, 기판(410) 상에 나노와이어가 도포되어 나노와이어층(420)을 형성하고 있다. 금속나노와이어는 적은 분포 밀도만으로도 퍼콜레이트형 네트워크(percolated network)을 형성할 수 있으므로, 도 5에서와 같이 넓은 비어있는 영역(vacant area)이 존재하여도 높은 전기전도성을 나타낼 수 있고, 이에 따라 고투과 전극 형성이 가능하다.

나노와이어층(120)에서 제거영역(122)을 제거하여 패턴영역(121)만을 남겨 패턴화된 나노와이어층(123)을 형성하기 위하여 본 발명에서는 패턴영역(121) 및 제거영역(122)에서의 나노와이어층(120)과 기판(110) 사이의 접착력을 조절한다. 이하 편의를 위해, 나노와이어층(120)과 기판(110) 사이의 접착력을 계면접착력이라 한다. 즉, 패턴영역(121)에서의 계면접착력을 제거영역(122)에서의 계면접착력보다 높은 수준으로 조절한다. 바람직하게는 패턴영역(121)에는 접착력이 있도록 하고, 제거영역(122)에서는 접착력이 없도록 조절할 수 있다.

이 경우, 제거영역을 제거하는 방법을 조절하여 패턴영역(121)을 잔존시켜 나노와이어층(120)을 패터닝하는 것이 가능하다. 종래와 같이 포토리소그래피와 같은 복잡한 공정이 필요없이 접착력만을 조절하여 패터닝이 가능한 것이다.

패턴영역(121) 및 제거영역(122)에서의 상대적인 계면접착력을 조절하는 방법에 대하여는 도 3 및 도 4에 도시되어 있다.

도 3을 참조하면, 기판(210) 상에 나노와이어층을 형성하기 전에 접착층(230)을 형성할 수 있다. 접착층(230)의 형상은 패턴영역의 형상과 동일하다. 즉, 접착층(230)은 패턴영역에 대응되도록 형성되고, 제거영역에는 형성되지 않는다. 이에 따라, 접착층(230)이 형성되어 그 위에 형성될 나노와이어층은 패턴영역은 기판과의 계면접착력이 높아지고, 제거영역에서는 기판과의 계면접착력이 매우 낮게 된다. 따라서, 이후 기술될 제거영역의 제거방법에 따라 제거영역의 나노와이어들은 쉽게 제거되고, 패턴영역만이 남게 되어 나오와이어층의 패터닝이 가능하게 된다. 즉, 패턴영역과 제거영역의 계면접착력을 조절하여 패터닝이 가능한 것이다.

또는 다른 방식으로도 패턴영역과 제거영역의 계면접착력을 조절할 수 있다. 예를 들면, 도 4에서와 같이 나노와이어층(320)에 마스크(340)를 형성하고, 광을 조사, 예를 들면, IPL(intensed pulsed light)을 조사할 수 있다. 마스크(340)는 제거영역의 형상과 일치하도록 형성하여, IPL은 패턴영역에만 조사되게 된다. 따라서, IPL이 조사된 패턴영역에서 나노와이어는 광소결된다. 또는, 반드시 나노와이어층(220)의 일부에만 IPL을 조사하는 것이 아니라 패턴영역 및 제거영역 모두에 광조사를 수행할 수 있는데, 이 때에는 패턴영역에 조사되는 광량이 제거영역에 조사되는 광량보다 많게 하여 패턴영역의 나노와이어의 광소결수준을 높게 할 수 있다. 즉, 조사되는 광량의 조절을 통해 패턴영역과 제거영역의 접착력을 상대적으로 원하는 대로 조절가능하다. 접착력 조절단계는 접착층 및 광소결단계를 모두 사용하여 수행될 수도 있다.

나노와이어층의 패턴영역 및 제거영역의 계면접착력이 조절되면, 제거영역은 제거되어 나노와이어층(120)이 패터닝된다.

제거영역의 제거는 예를 들면, 접착력이 조절된 나노와이어층의 상부에 접착제가 도포된 롤러와 같은 접착물체 등을 적용하여 수행될 수 있다. 이 때, 제거영역의 제거를 위한 접착물체의 접착력은 제거영역의 계면접착력보다는 크고, 패턴영역의 계면접착력보다는 작게 조절되어야 한다.

또는, 접착력 조절이 광조사를 통한 광소결공정에 따른 경우, 제거단계는 접착력이 조절된 나노와이어층이 형성된 기판을 용액에 침지하고, 물리적 충격을 가하여 수행될 수 있다. 기판을 용액에 침지하고, 물리적 충격을 가하면, 접착력이 낮은 제거영역의 나노와이어가 용액내로 이탈된다. 물리적 충격은 예를 들면, 초음파를 조사하는 방식으로 수행될 수 있다. 초음파 조사와 같이 물리적 충격이 가해지면, 접착력이 낮은 제거영역의 나노와이어층이 분리되게 되고, 패턴영역만 남은 나노와이어층을 포함한 전극을 얻을 수 있다.

패턴화된 나노와이어층(123)을 포함하는 전극(100)은 도 2에 도시되어 있다. 이 경우, 전극(100)은 기판(110)과 기판(110) 상에 패턴화된 나노와이어층(123)을 포함하는 전극으로서, 나노와이어층의 영역별 접착력 조절때문에 광조사를 통한 광소결공정을 거쳤으므로 나노와이어층 및 기판의 계면에서 나노와이어가 광소결된 상태의 전극이다.

이 때, 만약, 제거영역에는 광소결공정이 수행되지 않고 패턴영역에만 광소결공정이 수행되어 접착력이 조절된 경우에는 제거용액에 분리되어 나온 나노와이어는 원래의 특성을 나타낼 수 있다. 즉, 제거된 제거영역에서의 나노와이어는 전도성 등의 특성면에서 원래의 나노와이어층에 포함된 나노와이어의 특성을 적어도 하나 이상 나타내는 것이 바람직한데, 이는 나노와이어를 다시 재사용할 수 있으므로 전체적으로 제조공정의 비용절감에 효과적이다.

만약, 제거영역에서의 나노와이어가 나노파티클의 형태로 수득된다면, 더이상 나노와이어의 물성을 나타내지 않으므로 재사용이 어렵다. 따라서, 제거영역에서의 나노와이어는 접착력 조절단계가 수행되기 전의 나노와이어의 전기적 특성 및 물리적 특성을 보유할 수 있도록 나노와이어 형태이어야 한다. 이 경우 나노와이어의 물성을 직경대비 길이의 비인 종횡비(aspect ratio)로 표현할 수 있으므로, 초기 나노와이어의 50% 내지 100%의 종횡비를 갖는다면 초기 나노와이어와 유사한 물성을 나타내도록 하여 재사용이 가능할 수 있다. 바람직하게는 제거영역에서의 나노와이어의 평균 종횡비는 초기 나노와이어의 평균 종횡비의 80%이고, 가장 바람직하게는 초기 나노와이어의 평균 종횡비의 100%이다.

또한, 물리적 충격을 위한 초음파 조사 시 이용되는 용액을 만약 기판에 나노와이어 층 도포시 나노와이어 분산액의 용매와 동일한 것을 사용한다면, 나노와이어를 별도 추출할 필요없이 바로 전극제조공정에 재사용가능하므로 공정상 매우 효율적이고 복잡한 정제공정이나 환원공정이 수행될 필요없는 장점이 있다.

도 5 및 도 6은 각각 기판 상의 나노와이어층에 대한 SEM 이미지들로서, 도 5는 광소결 전 이미지이고, 도 6은 광소결 후 이미지이다. 도 5는 PET기판상의 은나노와이어를 도포한 후의 SEM 이미지이고, 도 6은 이를 광소결한 후 패턴 부분의 SEM이미지이다. 도 5와 도 6은 각각 기판과 나노와이어층 간의 공극면에서 미세한 차이를 나타내고 있다. 도 5의 경우, 기판(410) 상의 나노와이어(420)는 기판(410)과의 사이에 공극이 형성되어 있다. 특히, A 영역을 자세히 살펴보면, 나노와이어(420)가 2층이상 위치하는 경우 상부의 나노와이어(420)와 기판(410) 사이에는 공극이 존재한다.

이에 반해, 도 6의 경우에는 상대적으로 나노와이어(520)와 기판(510) 사이의 공극이 줄어들었음을 알 수 있다. 나노와이어(520)가 광소결되면서 광소결된 부분이 기판(510)과의 공극에 밀려들어갔을 수도 있고, 광소결시 발생되는 열에 의해 기판(510)의 온도가 올라가면서 나노와이어(520)와 더욱 가깝게 위치할 수 있었을 수도 있다. 어느 경우에건 도 5와 같이 물리적으로만 기판(410)에 나노와이어(420)가 흡착된 경우보다는 계면접착력이 높아졌음을 이미지로 확인할 수 있다.

도 7은 PET 필름상에 은 나노와이어층을 형성하고, IPL을 일부에만 조사한 후 초음파 조사하여 IPL을 조사하지 않은 영역을 제거한 전극을 도시한 도면이다. IPL을 이용하여 나노와이어를 광소결하는 방식으로 패턴영역과 제거영역의 접착력을 조절하는 방법은 매우 간단한 방법으로 나노와이어층을 효과적으로 패터닝하면서도 후속공정에서도 불량률을 낮출 수 있도록 나노와이어층과 기판과의 접착력을 높여 우수한 품질의 전극 및 이를 이용한 전자소자, 특히 유연전자소자의 제조가 가능하다.

이상에서는 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 도시하고 설명하였지만, 본 발명은 상술한 특정의 실시예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진자에 의해 다양한 변형실시가 가능한 것은 물론이고, 이러한 변형실시들은 본 발명의 기술적 사상이나 전망으로부터 개별적으로 이해되어져서는 안될 것이다.

100 전극
110, 210, 310, 410, 510 기판
120, 220, 320, 420, 520 나노와이어층
121 패턴영역
122 제거영역
123 패턴화된 나노와이어층
230 접착층
340 마스크

Claims (8)

1. 삭제
2. 삭제
3. 기판 상에 나노와이어를 도포하여 나노와이어층을 형성하는 나노와이어층 형성단계; 상기 나노와이어층은 패턴영역 및 제거영역을 포함하고, 상기 패턴영역에서의 상기 나노와이어층 및 상기 기판 사이의 접착력이, 상기 제거영역에서의 상기 나노와이어층 및 상기 기판 사이의 접착력보다 크도록 하는 접착력 조절단계; 및 상기 제거영역을 제거하는 제거단계;를 포함하는 전극제조방법으로서,
   상기 접착력 조절단계는,
   상기 패턴영역을 광소결하여 상기 패턴영역에서의 나노와이어를 광소결시켜, 상기 나노와이어층 및 상기 기판 사이의 접착력을 증가시켜 수행되는 것인 전극제조방법.
   
4. 기판 상에 나노와이어를 도포하여 나노와이어층을 형성하는 나노와이어층 형성단계; 상기 나노와이어층은 패턴영역 및 제거영역을 포함하고, 상기 패턴영역에서의 상기 나노와이어층 및 상기 기판 사이의 접착력이, 상기 제거영역에서의 상기 나노와이어층 및 상기 기판 사이의 접착력보다 크도록 하는 접착력 조절단계; 및 상기 제거영역을 제거하는 제거단계;를 포함하는 전극제조방법으로서,
   상기 접착력 조절단계는,
   상기 나노와이어층을 광소결하되,
   상기 패턴영역에서의 광소결광량은 상기 제거영역에서의 광소결광량보다 크도록 하여, 상기 패턴영역에서 상기 나노와이어층 및 상기 기판 사이의 접착력을 증가시켜 수행되는 것인 전극제조방법.
   
5. 청구항 3 또는 청구항 4에 있어서,
   상기 제거단계는,
   접착물체를 이용하여 상기 제거영역을 상기 기판으로부터 분리하는 단계인 것인 전극제조방법.
   
6. 청구항 3 또는 청구항 4에 있어서,
   상기 제거단계는,
   접착력이 조절된 상기 나노와이어층이 형성된 기판을 용액에 침지하고, 물리적 충격을 가하여 수행되는 것인 전극제조방법.
   
7. 청구항 3 또는 청구항 4에 있어서,
   상기 제거된 제거영역에서의 나노와이어는 상기 접착력 조절단계가 수행되기 전의 나노와이어의 평균 종횡비의 50% 내지 100%인 평균 종횡비를 갖는 것인 전극제조방법.
   
8. 삭제

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