KR101947641B1 - 투명전극 및 이를 제조하는 방법과 제조장치 - Google Patents
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Abstract
나노파티클 및 접착층을 포함하는 베이스가 마련되고, 나노파티클을 대상으로 화학적으로 불순물을 제거하는 제1공정이 수행되고, 불순물이 제거된 나노파티클을 대상으로 표면을 물리적으로 강화시키는 제2공정이 수행되고, 베이스는, 나노파티클이 착층의 일측에 기 결정된 패턴으로 배치되고, 나노파티클의 기 결정된 패턴은 몰드에 형성되는 트렌치의 형상에 대응되도록 형성되는, 투명전극을 제조하는 방법이 제공된다.
Description
본 발명은 투명전극 및 이를 제조하는 방법과 제조장치에 관한 것이다.
일반적으로 전극은 전기소자로 전하를 전달함으로써 각 전기소자를 구동하는 역할을 수행한다. 따라서, 전극은 가능한 한 낮은 비저항과 안정성을 가지는 것이 필요하다. 일반적으로 은, 구리 등의 금속이 전극을 이루는 주요 소재로 사용되며, 특히 디스플레이 분야에서는 투명전극이 사용되고 있다. 투명전극은 통상 80% 이상의 고투명도와 면저항 500 Ω/sqm 이하의 전도도를 가지며, LCD 전면 전극, OLED 전극 등 디스플레이, 터치스크린, 태양전지, 광전자 소자 등 전자분야에 광범위하게 사용된다. 이들 디바이스에 사용되는 투명전극의 재료로는 인듐주석산화물(indium tin oxide; 이하'ITO')가 주로 이용된다. ITO 전극은 광학적 투명성, 전기전도도, 및 환경 안정성과 같은 장점을 가진다. 하지만, 디스플레이 산업이 급성장함에 따라 ITO에 대한 수요가 급증함으로 인해, 인듐 고갈 문제가 세계적으로 중요한 이슈가 되고있고, 이러한 수요의 급증은 희토류 금속 자원의 배분 문제를 야기하고 있다. ITO를 대체하는 투명전극 재료로서, 투명 금속 산화물, 탄소나노튜브(Carbon Nano Tube; 이하'CNT'), 전도성 폴리머, 및 그래핀(graphene) 등과 같은 대안들이 제시되고 있다. 그러나 이들 물질들은 고투명성, 고전도성, 균일한 전도도 및 기판과의 높은 접착성과 같은 필요조건들을 충족시키지 못하여 널리 사용되지 못하는 것이 일반적이다. 한편, 기존 터치스크린패널(Touch Screen Panel; TSP)에 적용된 ITO 전극은 유연성이 약해 플렉시블 디스플레이에 사용되기 어렵기 때문에, 은나노파티클(Ag nanowires) 등이 제시되기도 한다. 하지만, 은 나노 와이어는 고전도성을 가지지만, 매우 고가이며 선 또는 면의 일정한 패턴을 가지는 투명전극으로 대량 제조하는 방법은 알려진 바가 없다.
본 발명의 일 실시예는 나노파티클 및 접착층을 포함하는 투명전극으로서, 전기전도성 및 유연성 등을 개선시킬 수 있는 제1공정 및 제2공정을 통해 제조된 투명전극을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 일 실시예는 나노파티클 및 접착층을 포함하는 투명전극을 제조하는 방법으로서, 제1공정 및 제2공정을 수행하여 투명전극의 전기전도성 및 유연성 등을 개선시킬 수 있는 투명전극을 제조하는 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
나노파티클 및 접착층을 포함하는 베이스가 마련되고, 나노파티클을 대상으로 화학적으로 불순물을 제거하는 제1공정이 수행되고, 불순물이 제거된 상기 나노파티클을 대상으로 표면을 물리적으로 강화시키는 제2공정이 수행되고, 베이스는, 나노파티클이 접착층의 일측에 기 결정된 패턴으로 배치되고, 나노파티클의 기 결정된 패턴은 몰드에 형성되는 트렌치의 형상에 대응되도록 형성되는, 투명전극을 제조하는 방법이 제공된다.
그리고, 베이스는, 몰드에 기 결정된 패턴의 트렌치를 형성하고, 기 결정된 패턴이 형성된 상기 몰드 상에 나노파티클을 공급하고, 트렌치에 나노파티클을 충진하고, 나노파티클이 충진된 몰드의 일면에 접착층이 부착되고, 접착층을 향해 자외선을 조사할 수 있다.
또한, 제1공정은 노출된 나노파티클을 초산(Acetic Acid)에 침지시키는 초산처리 공정(AAT; Acetic Acid Treatment)을 포함할 수 있다.
또한, 제2공정은 나노파티클의 노출면에 레이저를 조사하는 레이저 처리 공정(LSP; Laser Sintering Process)을 포함할 수 있다.
또한, 접착층은 수지층 및 PET필름(PET film; polyethylene terephthalate film)을 포함할 수 있다.
또한, 트렌치의 폭 또는 깊이는 1 내지 30μm 일 수 있다.
또한, 나노파티클은 구리나노파티클(Cu NP; copper nano particle)일 수 있다.
또한, 불순물은 옥사이드(Oxide)를 포함할 수 있다.
나노파티클이 충진될 수 있는 트렌치가 마련되고, 나노파티클을 포함하는 베이스를 형성하는 몰드; 트렌치에 나노파티클을 충진시키는 충진부재; 접착층이 증착된 나노파티클에 접착층 및 나노파티클 간의 접착을 촉진하기 위해 자외선을 조사하는 자외선조사부; 접착층과 나노파티클을 포함한 베이스를 대상으로, 화학적으로 불순물을 제거하는 제1공정을 수행하는 제1공정부; 및 나노파티클의 표면을 물리적으로 강화시키는 제2공정을 수행하는 제2공정부;를 포함하는, 투명전극을 제조하는 장치가 제공된다.
또한, 제1공정은 노출된 나노파티클을 초산(Acetic Acid)에 침지시키는 초산처리 공정(AAT; Acetic Acid Treatment)을 포함할 수 있다.
또한, 제2공정은 나노파티클의 노출면에 레이저를 조사하는 레이저 처리 공정(LSP; Laser Sintering Process)을 포함할 수 있다.
또한, 트렌치의 폭 또는 깊이는 1 내지 30μm 일 수 있다.
또한, 불순물은 옥사이드(Oxide)를 포함할 수 있다.
또한, 나노파티클은 구리나노파티클(Cu NP; copper nano paticle)일 수 있다.
또한, 베이스를 대상으로 제1공정 및 상기 제2공정은 순차적으로 수행되어 나노파티클의 전도성을 증진시킬 수 있다.
나노파티클; 및 나노파티클과 결합이 되는 접착층;을 포함하고, 결합은, 자외선조사에 의해 이루어지고, 화학적으로 불순물이 제거되는 제1공정 및 물리적으로 표면이 강화되는 제2공정이 수행된, 투명전극이 제공된다.
그리고, 제1공정은 노출된 나노파티클을 초산(Acetic Acid)에 침지시키는 초산처리 공정(AAT; Acetic Acid Treatment)을 포함할 수 있다.
또한, 제2공정은 나노파티클의 노출면에 레이저를 조사하는 레이저 처리 공정(LSP; Laser Sintering Process)을 포함할 수 있다.
또한, 불순물은 옥사이드(Oxide)일 수 있다.
본 발명의 일 실시예는 나노파티클 및 접착층을 포함하는 투명전극으로서, 전기전도성 및 유연성 등을 개선시킬 수 있는 제1공정 및 제2공정을 통해 제조된 투명전극을 제공할 수 있다.
본 발명의 일 실시예는 나노파티클 및 접착층을 포함하는 투명전극을 제조하는 방법으로서, 제1공정 및 제2공정을 수행하여 투명전극의 전기전도성 및 유연성 등을 개선시킬 수 있는 투명전극을 제조하는 방법을 제공할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 투명전극을 제조하는 방법을 나타낸 순서도
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 투명전극을 제조하는 장치를 나타낸 도면
도 3는 본 발명의 일 실시예에 따른 베이스를 제조하는 순서를 나타낸 도면
도 4은 본 발명의 일 실시예에 따른 베이스가 제조되는 순서를 나타낸 도면
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 나노파티클에 형성되는 불순물이 제거되는 예를 나타낸 도면
도 6는 본 발명의 일 실시예에 따른 베이스가 제1공정 및 제2공정을 통해 투명전극으로 제조되는 과정을 나타낸 도면
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 몰드에 형성되는 트렌치의 폭을 나타내는 도면
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 투명전극의 일부를 확대한 도면
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 투명전극의 발열성능을 나타낸 도면
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 투명전극의 건조성능을 나타낸 도면
도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 투명전극의 내구력을 비교한 것을 나타낸 도면
도 12는 본 발명의 일 실시예에 따른 제2공정이 행해진 박막구리와 제1공정 및 제2공정이 행해진 박막구리의 레이저 출력에 대한 저항력을 비교한 것을 나타낸 도면
도 13은 본 발명의 일 실시예에 따른 투명전극을 고온(80도) 및 고습(80%) 환경에서의 실험 전후를 나타낸 도면
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 투명전극을 제조하는 장치를 나타낸 도면
도 3는 본 발명의 일 실시예에 따른 베이스를 제조하는 순서를 나타낸 도면
도 4은 본 발명의 일 실시예에 따른 베이스가 제조되는 순서를 나타낸 도면
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 나노파티클에 형성되는 불순물이 제거되는 예를 나타낸 도면
도 6는 본 발명의 일 실시예에 따른 베이스가 제1공정 및 제2공정을 통해 투명전극으로 제조되는 과정을 나타낸 도면
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 몰드에 형성되는 트렌치의 폭을 나타내는 도면
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 투명전극의 일부를 확대한 도면
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 투명전극의 발열성능을 나타낸 도면
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 투명전극의 건조성능을 나타낸 도면
도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 투명전극의 내구력을 비교한 것을 나타낸 도면
도 12는 본 발명의 일 실시예에 따른 제2공정이 행해진 박막구리와 제1공정 및 제2공정이 행해진 박막구리의 레이저 출력에 대한 저항력을 비교한 것을 나타낸 도면
도 13은 본 발명의 일 실시예에 따른 투명전극을 고온(80도) 및 고습(80%) 환경에서의 실험 전후를 나타낸 도면
이하, 도면을 참조하여 본 발명의 구체적인 실시형태를 설명하기로 한다. 그러나 이는 예시에 불과하며 본 발명은 이에 제한되지 않는다.
본 발명을 설명함에 있어서, 본 발명과 관련된 공지기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략하기로 한다. 그리고, 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 그 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.
본 발명의 기술적 사상은 청구범위에 의해 결정되며, 이하의 실시예는 본 발명의 기술적 사상을 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 효율적으로 설명하기 위한 일 수단일 뿐이다.
그리고, 이하에서 나노파티클의 표면에 형성되는 불순물은 주로 옥사이드(Oxide)가 될 수 있으나, 이에 한정되지 않고 표면으로부터 거칠게 돌출되 부위를 의미할 수도 있다. 따라서, 불순물은 이를 통칭하여 의미하는 것으로 한다.
또한, 제1공정을 수행하는 제1공정부는 베이스를 초산에 침지시키는 구성으로서, 수용체에 베이스를 수용시키고 초산을 공급하거나, 초산이 수용된 수용체에 베이스를 침지시키는 구성을 의미한다. 제2공정을 수행하는 제2공정부는 여기서 레이저조사부가 될 수 있다.
또한, 이하에 기재된 나노파티클은 베이스를 제조하기 위해 몰드 위에 제공된 소결상태, 베이스 상태의 자외선 조사에 의해 접착층에 전사된 상태 및 제1차공정과 제2차공정 후의 투명필름 패턴화된 상태를 포함하여 나노파티클로 통칭하도록 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 투명전극을 제조하는 방법을 나타낸 순서도이다.
도 1을 참조하면, 투명전극을 제조하는 방법은, 제조된 나노파티클 및 접착층을 포함하는 베이스를 마련하는 베이스제조 단계(S1), 상기 베이스에 제1공정을 수행하는 제1공정 단계(S2) 및 상기 베이스에 제2공정을 수행하는 제2공정단계(S3)를 포함할 수 있다.
구체적으로 베이스제조 단계(S1)에 대해서는 구체적으로 도 3를 참조하여 후술하도록 하고, 제조된 베이스를 대상으로 제1공정을 수행하는 제1공정단계(S2)에서는 화학적으로 베이스를 처리할 수 있는데, 일 예로서, 베이스를 초산에 침지시키는 공정이 될 수 있다. 초산에 베이스를 침지시킴으로써 베이스에 포함된 나노파티클은 옥사이드(Oxide)를 포함한 불순물이 제거될 수 있다. 불순물의 제거는 초산의 산도, 나노파티클의 소재 및 침지시간 등에 따라 달라질 수 있다. 이하에서는, 구리나노파티클(Cu NP; copper nano paticle)을 하나의 예시로 하여 설명하기로 하며 침지시간에 따른 실험예를 개시하도록 한다.
한편, 제2공정 단계(S3)는 물리적으로 베이스를 처리할 수 있는데, 일 예로서, 베이스를 향해 레이저를 조사할 수 있다. 레이저를 조사함으로서, 베이스에 포함된 나노파티클의 표면을 정돈함과 동시에 강화시킬 수 있다.
여기서 제1공정과 제2공정은 수행되는 순서를 의미하는 것은 아니지만, 이하에서는 일 예로서 설명하기 위해 제1공정이 우선적으로 수행되고 제2공정이 제2공정의 뒤를 이어 수행되는 제조방법으로 설명하기로 한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 투명전극(100)을 제조하는 장치를 나타낸 도면이다.
상술한 도 1의 제조방법을 수행하는 장치로서, 도 2를 참조하면, 투명전극(100)을 제조하는 장치는 베이스제조부(200), 제1차공정부(300) 및 제2차공정부(400)를 포함할 수 있다. 여기서, 베이스제조부(200)는 몰드(10), 스위핑(sweeping)부(1) 및 자외선조사부(20)를 포함할 수 있다. 구체적으로, 몰드(10) 위에 제공된 나노파티클(110)은 몰드(10)에 형성된 트렌치(11)로 스위핑부(1)의 이동에 의해 쓸려 이동될 수 있다. 상기 이동에 의해 트렌치(11)에 충진된 나노파티클(110)외의 몰드(10) 위에 잔류하는 나노파티클(110)은 스위핑부(1)의 반복되는 이동에 의해 몰드(10) 위에서 제거될 수 있다.
즉, 몰드(10) 상에 나노파티클(110)이 제공되면, 스위핑부(1)가 작동하여 몰드(10)에 형성된 트렌치(11)로 나노파티클(110)이 충진될 수 있다.
상술한 과정이 수행되면, 접착층(120)을 증착시키고, 일측(예를 들어, 상방)으로부터 자외선을 조사할 수 있다. 즉, 자외선조사부(20)는 증착된 접착층(120)을 향해 자외선을 조사할 수 있도록 배치될 수 있다. 자외선에 의해 접착층(120)에 나노파티클(110)이 전사되면, 이송부(40)에 의해 이송될 수 있다. 이 때, 이송부(40)에 안착되어 이송될 때는 몰드(10)로부터 벗겨져 떨어지면서 접착층(120)이 이송부(40)에 접촉되도록 안착될 수 있다. 이러한 배치는, 제2공정부(400)에서 나노파티클(110)이 레이저 조사될 수 있도록 노출되어 안착되기 위함으로써, 접착층(120)이 이송부(40) 측을 향하고 나노파티클(110)이 상방을 향하는 것은 일 예에 불과하다.
상기와 같이 이송부(40)에 안착되어 이송되는 베이스(100a)는 제1공정부(300)로 이송될 수 있다. 제1공정부(300)에서는 상기 베이스(100a)가 초산(Acid)에 침지되어 나노파티클(110)이 초산처리될 수 있다. 제1공정부(300)에서 베이스(100a)를 초산(Acid)에 침지시키기 위해서 초산(Acid)이 수용된 수용체(2) 내에 베이스(100a)를 침지하거나, 베이스(100a)를 수용체(2) 내에 위치시키고 수용체(2) 내에 초산(Acid)을 제공하여 베이스(100a)가 침지되도록 할 수도 있다. 여기서 제2공정부(300)에서 베이스(100a)가 초산(Acid)에 침지되는 시간은 당업자에 의해 결정될 수 있으며, 일 예로써 침지시간에 따른 나노파티클(110)의 변화는 이하의 도면을 통해 구체적으로 설명하기로 한다.
상기 제1공정부(300)에서 초산(Acid)에 침지된 베이스(100a)는 제2공정부(400)로 이송부(40)에 의해 이송될 수 있다. 이송된 베이스부(100a)는 제2공정부(400)에서 레이저가 조사될 수 있다. 제2공정부(400)는 레이저조사부(30)를 포함하고, 상기 레이저조사부(30)는 나노파티클(110)을 포함한 베이스(100a)를 향해 레이저를 조사할 수 있다. 제2공정부(400)에서 레이저조사과정을 마친 베이스(100a)는 투명전극(100)이 될 수 있다. 여기서, 레이저가 조사되는 출력은 당업자에 의해 결정될 수 있으며, 일 예로써 출력에 따른 나노파티클(110)의 변화는 이하의 도면을 통해 구체적으로 설명하도록 한다.
도 3는 본 발명의 일 실시예에 따른 베이스(100a)를 제조하는 순서를 나타낸 도면이다.
도 3를 참조하면, 나노파티클(110) 및 접착층(120)을 포함하는 베이스(100a)를 제조하는 방법은, 몰드에 트렌치(11)를 형성하는 단계(P1), 트렌치(11)에 나노파티클을 공급하는 단계(P2), 트렌치(11)에 나노파티클을 충진하는 단계(P3), 나노파티클에 접착층을 부착하는 단계(P4), 자외선을 조사하여 접착층 및 나노파티클을 접착시키는 단계(P5) 및 접착층을 몰드로부터 박리하여 나노파티클이 전사되도록하는 단계(P6)를 포함할 수 있다.
나열한 순서대로 상기 각 단계들을 수행하는 예로서 설명하면, 몰드(10)에 트렌치(11)를 형성하는 단계에서 트렌치(11)는 기 결정된 패턴으로 형성될 수 있다. 도 8을 참조하면, 몰드(10)에는 트렌치(11)가 기 결정된 패턴으로 형성되고, 형성된 패턴에 나노파티클(110)이 충진될 수 있다. 즉 트렌치(11)의 폭(A) 길이에 대응되도록 접착층(120)에 전사될 나노파티클(110)의 폭이 형성될 수 있다.
몰드(10)에 형성된 트렌치(11)에 충진될 나노파티클(110)이 공급되고, 나노파티클(110)은 트렌치(11)에 충진될 수 있다. 여기서 충진은 스위핑(sweeping)부(1) 등을 통해 나노파티클(110)이 분포되면서 몰드(10) 상에 형성되는 트렌치(11)에 충진될 수 있다. 다만, 공급된 나노파티클(110) 중 충진될 수 있는 양을 초과한 나노파티클(110)은 제거될 수 있다.
트렌치(11)에 충진된 나노파티클(110)의 노출면은 접착층(120)과 결합되기 위하여 접착층은 트렌치(11)가 형성된 몰드(10)의 일면에 증착될 수 있다. 증착된 접착층은 자외선조사부로부터 기 결정된 시간동안 조사되는 자외선에 의해 나노파티클(110)과 접착이 될 수 있고, 상기 접착 후에는 몰드(10)로부터 접착층이 박리되면서 접착층에 나노파티클이 전사될 수 있다.
상기의 과정을 통하여 나노파티클(110) 및 나노파티클(110)과 접착되는 접착층을 포함하는 베이스가 형성될 수 있다.
도 4은 본 발명의 일 실시예에 따른 베이스(100a)가 제조되는 순서를 나타낸 도면이다.
도 4을 참조하면, 투명전극은 기 결정된 패턴의 트렌치(11)가 형성되는 몰드(10) 상에 공급될 수 있다. 상기 기 결정된 패턴의 트렌치(11)는 상기 몰드(10) 상에 음각으로 형성되어 있고, 주입된 나노파티클(110)은 트렌치(11)에 충진될 수 있다. 나노파티클(110)이 트렌치(11)로 스위핑(sweeping)부(1) 등에 의해 분포되는 경우에 트렌치(11)에 수용되는 나노파티클(110)의 양을 초과하는 양은 제거될 수 있다. 그리고, 투명전극에 전사될 나노파티클(110)은 도 7에 도시된 예와 같이 몰드(10)에 형성된 패턴 폭(A)의 크기에 따라 결정될 수 있다. 상기 트렌치(11)의 폭(A) 및 깊이와 관련하여 도 9을 참조하여 이하에서 구체적으로 후술하도록 한다.
앞서 상술한 바와 같이, 투명전극은 몰드(10)의 트렌치(11)에 나노파티클(110)이 충진되고, 제1공정 단계(S2) 및 제2공정 단계(S3)를 거쳐서 제조될 수 있다. 구체적으로, 나노파티클(110)이 몰드(10) 상에 제공되고, 몰드(10)에 형성된 기 결정된 패턴에 충진되기 위해 스위핑(sweeping)부(1) 등에 의해 분포될 수 있다. 상기 분포과정에서 몰드(10)의 트렌치(11)에 충진되는 양을 초과하는 나노파티클(110)은 스위핑(sweeping)부(1)에 의해 몰드(10) 상에서 제거될 수 있다.
그리고, 앞서 설명한 접착층(120)은 복수 개의 층을 포함할 수 있다. 예를 들어 나노파티클(110)과 직접 증착되는 레진층(121)과 상기 레진층(121)에 적층되는 PET필름층(122)을 포함할 수 있다. 접착층(120)은 나노파티클(110)에 접촉되도록 증착되어 자외선이 조사됨으로써, 나노파티클(110) 및 접착층(120)은 결합이 촉진될 수 있다. 상기 결합은 접착층(120)에 나노파티클(110)이 전사되는 것을 의미한다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 나노파티클(110)에 형성되는 불순물(111)이 제거되는 예를 나타낸 도면이다.
도 5를 참조하면, 상기 트렌치(11)에 충진된 나노파티클(110)을 나타내는 (a), 제1공정 단계(S2)만이 수행된 나노파티클(110)을 나타내는 (b), 제2공정 단계(S3)만이 수행된 나노파티클(110)을 나타내는 (c) 및 제1공정 단계(S2)와 제2공정 단계(S3)가 모두 수행된 나노파티클(110)을 나타내는 (d)를 확인할 수 있다.
트렌치(11)에 충진된 나노파티클(110)을 나타내는 (a)는 불순물이 입자 형태로 형성되어 나노파티클(110) 주변에 형성될 수 있다. 앞서 설명한 바와 같이, 불순물은 구리를 포함한 금속류를 산화시켜 내구성을 저하시키는 옥사이드(Oxide)를 포함할 수 있다. 이러한 산화를 방지 또는 완화하기 위하여 (b) 및 (c)와 같이 제1공정 단계(S2)나 제2공정 단계(S3)만을 수행할 수 있다. 화학적인 처리인 제1공정 단계(S2)만 수행된 겨우에 불순물(111)이 용해 등의 과정을 통해 일부 제거되나 용해 과정에서 주변에 인접한 불순물간의 점착이 이루어질 수 있어서 입자의 크기가 증가될 수 있다.
제2공정 단계(S2)만 행해진 경우에는 불순물 입자들 간의 용착이 이루어져 나노파티클(110)의 표면이 울퉁불퉁(bummpy)하게 될 수 있다. 이러한 형상에 의해 나노파티클(110) 입자 사이에서 공극이 발생하고 상기 공극으로부터 산화가 시작되어 내구성이 저하될 수 있다.
한편, (d)의 경우에는 개시된 예들 중에서 상기 공극이 최소화될 수 있다. 거칠고(rough) 울퉁불퉁한(bumpy) 정도가 가장 적으므로, 공극이 최소화되어 산화를 최소화 할 수 있다. 여기서 나노파티클(110)은 구리나노파티클(Cu NP; cooper anno paticle)일 수 있다.
도 6는 본 발명의 일 실시예에 따른 베이스(100a)가 제1공정(S2) 및 제2공정(S3)을 통해 투명전극(100)으로 제조되는 과정을 나타낸 도면이다.
도 6를 참조하면, 베이스(100a)는 제1차공정(S2)이 수행될 수 있다. 앞서 설명한 바와 같이 제1차공정(S2)은 초산(Acid)에 침지시켜 나노파티클(110)을 초산(Acid)에 노출되도록 할 수 있다. 예를 들면, 수용체(2)에 초산(Acid)을 몰드(10)가 잠길 수 있는 수위로 저장하고 수용체(2)에 나노파티클(110)이 트렌치(11)에 충진된 몰드(10)를 잠기도록 침지시킬 수 있다. 즉, 나노파티클(110)을 초산(Acid)과의 접촉을 유도하여 나노파티클(110) 표면 또는 공극에 위치하는 불순물 또는 옥사이드(Oxide) 등을 제거할 수 있다.
상기 침지과정을 통해 나노파티클의 표면은 일정부분 평탄화되고, 옥사이드(Oxide) 등의 불순물이 제거될 수 있다. 구체적으로, 나노파티클(110)의 표면에 형성된 불순물(111)이 제1공정(S2)을 통해 제거되는 것을 확인할 수 있다. 초산(Acid)에 침지되기 전의 상태는, 나노파티클(110)의 표면에 다량의 불순물이 존재하여 박막 형태로 나노파티클(110)을 감싸고 있어서 전도성을 저해할 수 있다.
상기 제1공정(S2)의 수행이 약 5분 지속되었을 경우에 나노파티클(110)의 표면이 보다 매끄러워지고, 침지시간이 약 30분 지속되었을 경우에, 더욱 불순물(111)이 많이 제거된 나노파티클(110)의 표면이 될 수 있다.
여기서 “지속”의 의미는 “침지상태의 지속”을 의미하며, 전도성은 초산(Acid)에 침지되기 전에도 지니고 있으나 점차 개선되어, 최대 30분을 기준으로 초산(Acid)에 30분간 침지된 나노파티클(110)이 가장 전도성이 높은 상태의 나노파티클(110)이 될 수 있다. 본 실시예는 구리나노파티클의 경우이지만 옥사이드를 포함한 불순물(111)을 제거하는 실시예는 구리 이외의 금속에도 채용 가능함은 물론이다. 그리고, 여기서 전도성이 개선되는 이유는 나노파티클(110)의 표면이 매끄러워짐에 따라 나노파티클(110) 입자간의 공극이 감소하는 요인을 포함한다.
상기 투명전극(100)의 제조방법에 대한 설명을 이어가면, 상기 제1공정(S2)을 통해 불순물이 제거된 나노파티클(110)은 접착층(120)과의 결합을 위해 제2공정(S3)이 수행될 수 있다. 제2공정(S3)은 앞서 설명한 바와 같이 레이저조사부(30)에 의해 레이저가 조사될 수 있다. 이때 조사되는 레이저는 접착층(120)에 손상이 발생하지 않을 정도의 출력으로 조사될 수 있다. 예를 들어, 레이저는 80 mW 이하의 출력으로 조사될 수 있다. 상기 접착층(120)이 폴리머 형태를 포함하는 경우에 80 mW 초과의 출력으로 조사되면 폴리머를 포함한 접착층(120)은 손상될 수 있으므로, 80 mW 이하의 출력으로 조사될 수 있다.
보다 낮은 출력의 레이저로 조사하는 경우에도 접착층(120)과의 접착이 가능한 것은 제1공정(S2) 후에 제2공정(S3)이 행해지기 때문이다. 구체적으로 제1공정(S2)에서 불순물(111)을 상당부분 제거되기 때문에 불순물(111)을 제거하기 위해 요구되는 더 높은 출력의 레이저 대신 표면강화에 요구되는 더 낮은 출력의 레이저가 조사될 수 있다. 이에 따라, 레이저 조사에 따른 접착층(120)의 손상을 피할 수 있으므로 제조 공정을 통한 접착층(120)의 왜곡, 손상 등을 피하여 투명전극의 투명성 및 전도성을 모두 확보할 수 있다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 투명전극(100)의 일부를 확대한 도면이다.
앞서 설명한 바와 같이, 도 8에 도시된 예를 통해 투명전극(100)에 포함되는 나노파티클(110)의 폭(A) 및 높이(h)에 대하여 설명할 수 있다. 나노파티클(110)의 형태는 몰드(10)에 형성되는 패턴에 의해 결정될 수 있다. 상기 형태는 나노파티클(110)의 높이(h) 및 폭(A)을 포함하고, 상기 높이(h) 및 폭(A)은 예를 들어 각각 1μm 내지 30 μm 일 수 있다. 예를 들어 20μm의 폭(A) 또는 높이(h)로 형성될 수 있으며, 1μm 미만으로 형성되면 전도성이 저하되어 전도성능이 저하될 수 있고, 30μm 초과하여 형성되면 투명필름의 투명성을 상실할 수 있다. 따라서, 상기 높이(h) 및 폭(A)은 예를 들어, 각각 1μm 내지 30 μm 일 수 있다. 물론, 상기 폭(A) 및 높이(h)는 1μm 내지 30 μm 내에서 독립적으로 각각 결정될 수 있다.
도 9 및 도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 투명전극(100)이 응용된 어플리케이션 제품을 나타낸 도면이다.
도 9 의 경우, 히터에 본 발명의 투명전극(100)을 적용한 경우로서, 나노파티클(110)에 의해 발열가능하도록 조정할 수 있다. 실험에 따르면, 도 14에서 후술할 고온 다습한 환경에서의 실험 이후에도 발열성능을 유지할 수 있으며, 100도 이상 가열 가능하다.
또한, 도 10을 참조하면, 발열을 통한 드라이어에 본 발명의 투명전극(100)을 채용할 경우, 투명전극(100) 상에 놓여진 100% 함수율의 습윤상태인 종이가 4v의 전압으로 10분간 가열했을 때, 건조상태가 될 수 있다. 상기 건조 상태에 도달하는 기준은, 상기 습윤상태의 종이 질량의 감소를 통해 건조상태의 초기 종이질량에 도달되는 것을 기준으로 측정될 수 있다.
도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 투명전극(100)의 내구력을 비교한 것을 나타낸 도면이다.
상기 내구력은 화학적, 전기적 및 기계적 안정성과 관련될 수 있고, 벤딩저항성 및 박리저항성(접착력유지) 등이 될 수 있다. 여기서, (a)는 일반조건에서 2주(14일)간 공기 중 노출된 시험에 대한 그래프이고, (b)는 휨에 따른 시험에 대한 그래프이고, (c)는 접착력 유지와 관련한 시험에 대한 그래프이고, (d)는 고온다습한 환경에서 1200초 노출시키는 시험에 대한 그래프이다.
상기 시험을 통해 제1공정(S2)을 통한 초산에 침지시킨 과정만이 수행된 투명전극은 가장 상기 내구력이 낮았으며, 제2공정(S3)을 통한 레이저소결처리만 수행된 투명전극은 제1공정(S2) 및 제2공정(S3)이 모두 수행된 투명전극과 약간의 차이를 보이며 내구성이 낮은 것으로 확인되며, 특히, 접착성 테스트의 경우, 반복실험 중에 4회 실험부터 서서히 내구력의 차이가 드러나고 8회 실험부터 급격하게 차이를 보이고 있다.
도 12은 본 발명의 일 실시예에 따른 제2공정(S3)이 행해진 박막구리와 제1공정(S2) 및 제2공정(S3)이 행해진 박막구리의 다양한 출력의 레이저 조사에 대한 저항을 비교한 것을 나타낸 도면이다.
구체적으로, 3D 파라메타를 통해 제2공정(S3)인 레이저 조사가 되는 공정만을 수행한 박막구리와 제1공정(S2) 및 제2공정(S3)을 모두 수행한 박막구리 간의 차이로서, 저항이 제2공정(S3)만이 행해진 박막구리에 더 크게 작용하는 것을 확인할 수 있다.
색깔이 있는 실선이 있는 상자는 시트 저항의 범위를 나타내며,(빨간색 : 10 Ω sq-1 이상, 노란색 : 2 Ω sq-1 이상, 녹색 : 1 Ω sq-1 이상, 파란색 : 1 Ω sq-1 미만, 검정 : ∞ Ω sq-1) 과도한 레이저 에너지로 인해 손상된 표면은 점선으로 표시된다. 여기서, 저항은 높은 레이저 출력 및 느린 스캔속도에 의해 감소되었으며, 효과적인 레이저 출력 조건은 두 경우 모두 약 60 mW가 될 수 있다.
그리고, 40 mW 및 60 mW 레이저 출력에서 시트 저항은 측정된 레이저 스캔 속도를 통해 1-3 Ω sq-1 및 1 ΩΩ sq-1에서 다양하게 변할 수 있다. 비교적 높은 레이저 출력(80 mW 및 100 mW)에서, 저항은 폴리머 표면의 열 손상으로 인해 증가되었으며, 특히, 100 mW 와 50 mm s-1 조건에서 손상된 Cu 표면과 PET 기판의 연소가 되었다.
대조적으로, 제1공정(S2) 및 제2공정(S3)의 수행이 된 경우, 저항은 일반적으로 제2공정(S3)만 수행된 경우의 저항보다 낮다. 제1공정(S2) 및 제2공정(S3)의 수행이 된 경우에 대한 20 mW 레이저 출력에서 얻을 수 있는 저항은 제2공정(S3)만 수행된 경우에 대해 40 mW 레이저 출력에서 얻을 수 있다. 그리고, 40 mW으로 조사된 제1공정(S2) 및 제2공정(S3)의 수행이 된 경우 및 60 mW 으로 조사된 제2공정(S3)만 수행된 경우에서도 동일한 시트 저항을 얻을 수 있습니다.
한편, 80 mW 이상의 레이저 출력에서 폴리머 기판은 손상될 수 있다. 그리고, 제1공정(S2)인 초산에 침지시키는 과정은 PET 필름의 구리나노파티클(Cu NP)에 대한 레이저 출력 임계값을 저하시킬 수 있다.
도 13는 본 발명의 일 실시예에 따른 투명전극을 고온(80도) 및 고습(80%) 환경에서의 실험 전후를 나타낸 도면이다.
도 13를 참조하면, (a) 그래프는 제1공정 단계(S2)만이 수행된 투명전극의 전기전도성을 나타내고, (b) 그래프는 제2공정 단계(S3)만이 수행된 투명전극의 전기전도성을 나타내며, (c) 그래프는 제1공정 단계(S2) 및 제2공정 단계(S3)가 모두 수행된 투명전극의 전기전도성을 나타낸다. 또한 각각의 투명전극을 고온(80도) 및 다습(80%)한 상황에서의 전기 전도성을 시험한 결과를 나타내는 그래프가 각각 (d), (e) 및 (f)가 될 수 있다. 제1공정 단계(S2) 또는 제2공정단계(S3)만이 수행된 실험군((a)-(d), (b)-(e))은 본 발명과 같이 제1공정 단계(S2) 및 제2공정 단계(S3)가 모두 행해진 실험군((c)-(f))의 실험 전후의 수치의 차이보다 더 크게 나타나며 피크점이 추가된 것으로 볼 때 소재로부터 산화가 일어난 것으로 볼 수 있다.
이러한 산화는 제1공정 단계(S2) 및 제2공정 단계(S3)가 모두 수행된 나노파티클(110)의 표면이 보다 정돈되어 공극의 제거가 더욱 잘 이루어 졌음을 알 수 있다. 공극이 다량 존재할 경우, 예를 들어, 수분이 공극으로 투입되면 수분에 의한 금속의 산화가 시작되므로, 공극이 최소한으로 형성되는 것이 내구성에 유리할 수 있다. 따라서, 나노파티클의 표면으로부터 공극이 더 많이 제거된 제1공정 단계(S2) 및 제2공정 단계(S3)가 모두 수행된 투명전극이 화학적으로 더욱 내구성이 뛰어나다고 할 수 있다.
한편, 본원발명과 같이 제1공정(S2) 및 제2공정(S3)을 순차적으로 수행하면 투명전극(100)의 유연성 및 전도성이 개선될 수 있다. 화학적인 처리인 제1공정(S2) 후에는 공극이 불안정한 상태이므로, 제2공정(S3)인 레이저 조사를 하여 표면을 일부 용융시키는 후처리를 하면 산화를 억제하고 공극을 최소화 할 수 있는 효과를 기대할 수 있기 때문이다.
일 예로, 제1공정(S2)을 생략하고 제2공정(S3)만 수행한 경우에는 표면이 비교적 비정형적일 수 있으므로, 비정형적인 면은 저항이 증가하여 발열이 유발될 수 있고 산화가 시작될 수 있으므로, 기계적 안정성 및 화학적 안정성을 확보하기 위해 제1공정(S2) 및 제2공정(S3)을 수행하되, 순차적으로 수행할 수 있다.
이상에서 본 발명의 대표적인 실시예들을 상세하게 설명하였으나, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 상술한 실시예에 대하여 본 발명의 범주에서 벗어나지 않는 한도 내에서 다양한 변형이 가능함을 이해할 것이다. 그러므로 본 발명의 권리범위는 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 안 되며, 후술하는 특허청구범위뿐만 아니라 이 특허청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.
1 : 스위핑(sweeping)부
2 : 수용체
10 : 몰드
11 : 트렌치(trench)
20 : 자외선조사부
30 : 레이저조사부
40 : 이송부
100 : 투명전극
100a : 베이스
110 : 나노파티클
111 : 불순물
120 : 접착층
121 : 레진층
122 : PET필름층
200 : 베이스제조부
300 : 제1차공정부
400 : 제2차공정부
h : 나노파티클층 높이
A : 트렌치 폭
Acid : 초산
S1 : 베이스제조단계
S2 : 제1공정단계
S3 : 제2공정단계
P1 : 트렌치형성단계
P2 : 나노파티클 공급단계
P3 : 나노파티클 충진단계
P4 : 접착층 부착단계
P5 : 자외선 조사단계
P6 : 베이스형성단계
2 : 수용체
10 : 몰드
11 : 트렌치(trench)
20 : 자외선조사부
30 : 레이저조사부
40 : 이송부
100 : 투명전극
100a : 베이스
110 : 나노파티클
111 : 불순물
120 : 접착층
121 : 레진층
122 : PET필름층
200 : 베이스제조부
300 : 제1차공정부
400 : 제2차공정부
h : 나노파티클층 높이
A : 트렌치 폭
Acid : 초산
S1 : 베이스제조단계
S2 : 제1공정단계
S3 : 제2공정단계
P1 : 트렌치형성단계
P2 : 나노파티클 공급단계
P3 : 나노파티클 충진단계
P4 : 접착층 부착단계
P5 : 자외선 조사단계
P6 : 베이스형성단계
Claims (20)
- 나노파티클 및 접착층을 포함하는 베이스가 마련되고,
상기 나노파티클을 대상으로 화학적으로 불순물을 제거하는 제1공정이 수행되고,
상기 불순물이 제거된 상기 나노파티클을 대상으로 표면을 물리적으로 강화시키기 위해 상기 나노파티클에 레이저를 조사하는 제2공정이 수행되고,
상기 베이스는,
상기 나노파티클이 상기 접착층의 일측에 기 결정된 패턴으로 배치되고, 상기 나노파티클의 상기 기 결정된 패턴은 몰드에 형성되는 트렌치의 형상에 대응되도록 형성되는, 투명전극을 제조하는 방법.
- 청구항 1에 있어서,
상기 베이스는,
상기 몰드에 상기 기 결정된 패턴의 상기 트렌치를 형성하고,
상기 기 결정된 패턴이 형성된 상기 몰드 상에 상기 나노파티클을 공급하고,
상기 트렌치에 상기 나노파티클을 충진하고,
상기 나노파티클이 충진된 상기 몰드의 일면에 상기 접착층이 부착되고,
상기 접착층을 향해 자외선을 조사하는, 투명전극을 제조하는 방법.
- 청구항 1에 있어서,
상기 제1공정은 상기 베이스를 초산(Acetic Acid)에 침지시키는 초산처리 공정(AAT; Acetic Acid Treatment)을 포함하는, 투명전극을 제조하는 방법.
- 삭제
- 청구항 1에 있어서,
상기 접착층은 수지층 및 PET필름(PET film; polyethylene terephthalate film)을 포함하는, 투명전극을 제조하는 방법.
- 청구항 1에 있어서,
상기 트렌치의 폭 또는 깊이는 1 내지 30μm 인, 투명전극을 제조하는 방법.
- 청구항 1에 있어서,
상기 불순물은 옥사이드(Oxide)를 포함하는, 투명전극을 제조하는 방법.
- 삭제
- 나노파티클이 충진될 수 있는 트렌치가 마련되고, 상기 나노파티클을 포함하는 베이스를 형성하는 몰드;
상기 트렌치에 상기 나노파티클을 충진시키는 충진부재;
접착층이 증착된 상기 나노파티클에 상기 접착층 및 상기 나노파티클 간의 접착을 촉진하기 위해 자외선을 조사하는 자외선조사부;
상기 접착층과 상기 나노파티클을 포함한 베이스를 대상으로, 화학적으로 불순물을 제거하는 제1공정을 수행하는 제1공정부; 및
상기 나노파티클의 표면을 물리적으로 강화시키기 위해 상기 나노파티클에 레이저를 조사하는 제2공정을 수행하는 제2공정부;를 포함하는, 투명전극을 제조하는 장치.
- 청구항 9에 있어서,
상기 제1공정은 상기 베이스를 초산(Acetic Acid)에 침지시키는 초산처리 공정(AAT; Acetic Acid Treatment)을 포함하는, 투명전극을 제조하는 장치.
- 삭제
- 청구항 9에 있어서,
상기 트렌치의 폭 또는 깊이는 1 내지 30μm 인, 투명전극을 제조하는 장치.
- 청구항 9에 있어서,
상기 불순물은 옥사이드(Oxide)를 포함하는, 투명전극을 제조하는 장치.
- 청구항 9에 있어서,
상기 나노파티클은 구리나노파티클(Cu NP; copper nano paticle)인, 투명전극을 제조하는 장치.
- 청구항 9에 있어서.
상기 베이스를 대상으로 상기 제1공정 및 상기 제2공정은 순차적으로 수행되어 상기 나노파티클의 전도성을 증진시키는, 투명전극을 제조하는 장치.
- 삭제
- 나노파티클; 및
상기 나노파티클과 결합이 되는 접착층;을 포함하고,
상기 결합은,
자외선조사에 의해 이루어지고,
화학적으로 불순물이 제거되는 제1공정 및 물리적으로 표면을 강화시키기 위해 상기 나노파티클에 레이저를 조사하는 제2공정이 수행된, 투명전극.
- 청구항 17에 있어서,
상기 제1공정은 노출된 상기 나노파티클을 초산(Acetic Acid)에 침지시키는 초산처리 공정(AAT; Acetic Acid Treatment)을 포함하는, 투명전극.
- 삭제
- 청구항 17에 있어서,
상기 불순물은 옥사이드(Oxide)인, 투명전극.
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| KR1020170088898A KR101947641B1 (ko) | 2017-07-13 | 2017-07-13 | 투명전극 및 이를 제조하는 방법과 제조장치 |
Applications Claiming Priority (1)
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| KR20190007651A KR20190007651A (ko) | 2019-01-23 |
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- 2017-07-13 KR KR1020170088898A patent/KR101947641B1/ko active IP Right Grant
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