KR20180124405A - 플렉시블 투명전극 및 이의 제조방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 플렉시블 투명전극 및 이의 제조방법에 관한 것으로, 상기 플렉시블 투명전극의 제조방법은 아민기를 갖는 중합체를 포함하는 제1용액 및 은이온을 포함하는 제2용액을 혼합하여 혼합용액을 준비하는 단계, 상기 혼합용액에 레이저를 스캐닝하는 단계, 및 기판 상에 상기 레이저가 스캐닝된 혼합용액을 코팅하여 아민기를 갖는 중합체 및 은나노입자를 포함하는 유무기 하이브리드층을 형성하는 단계를 포함함에 따라 굽힘 작업에 의해 전극에 크랙이 발생하지 않는 우수한 유연성을 갖고, 경제적이며, 전극의 전기적 특성을 향상시킬 수 있고, 광투과성이 향상되고 제조공정을 간소화할 수 있는 효과가 있다.
Description
본 발명은 전극에 관한 것이며, 더욱 상세하게는 플렉시블 투명전극 및 이의 제조방법에 관한 것이다.
투명도전막은 빛의 투과성이 높으면서 전기가 통하는 성질을 갖는 얇은 박막을 의미한다. 투명도전막은 액정표시소자(liquid crystal display)나 일렉트로크로믹디스플레이(ECD), 유기전계발광소자(electroluminescence), 태양전지, 플라즈마 디스프레이패널(plasma display panel), 전자페이퍼, 터치패널 등의 전원인 가용 공통전극이나 화소전극으로 널리 사용되고 있다. 최근들어 소자 제조의 대면적화 및 극미세 피치소자에 대한 개발이 활발히 이루어짐에 따라 투명성이 뛰어나고 비저항이 낮은 투명도전막에 대한 수요가 높아지고 있다.
상기 투명도전막에 사용되는 재료는 가시광영역(400nm ~ 700nm)에서 80%정도의 광투과도를 갖기 때문에 사람의 눈에 투명하게 보이며 전기전도도가 좋은 물리적 특성을 나타내야 한다. 또한, 광학적 밴드갭(optical bandwidth)가 3.5eV 정도이기 때문에 자외선영역은 모두 투과 시키고, 적외선영역에서 높은 반사율을 나타내며, 에칭에 적절한 특성을 갖는 것이 바람직하다.
종래에는 상기 투명도전막 재료로 TCO(Transparent conductive oxide) 물질을 사용했다. 현재 산업적으로 사용되는 TCO재료 종류로는 In2O3, ZnO, SnO2가 있다. 이들의 공통적인 특징은 밴드갭이 3.3eV로 가시광선보다 높은 밴드갭을 갖기 때문에 가시광선영역의 흡수가 일어나지 않는다. 또한, n-type 전도성을 갖는 물질이며, 유리와의 결합력이 좋고 내화학성 및 내마모성이 우수한 장점이 있다.
한편, 유연성을 갖는 OLED(organic light emitting display)가 차세대 디스플레이로서 주목받고 있는데, 상기 OLED에 또한 상기 TCO 재료를 전극물질 재료로 사용하고 있다.
대한민국 등록특허공보 제 10-1391510호(이하, '선행특허'라 칭함)는 '금속 나노와이어를 구비한 다층 투명 전극 소자'에 관한 것으로, 투명 유연 기판의 상면에 형성된 하부 투명 전극층, 하부 투명 전극층의 상면에 형성된 금속 나노와이어 층 및 금속 나노와이어 층의 상면에 형성된 상부 투명 전극층을 구비하여 투명 유연 기판과 금속 나노와이어 층의 접착성을 향상시키고 금속 나노와이어 층의 표면 거칠기를 완화시킬 수 있는 기술이 개시되어 있다.
상기 선행특허의 상부 투명 전극층은 ITO, ZTO, IZO, IZTO, GZO, AZO, NbTiO2, FTO, ATO, BZO 중 어느 하나로 적용된다. 상기 재료들은 전술된 TCO 재료를 포함한다. 하지만, TCO 재료의 경우 재료비가 비싸고, 유연성을 갖는 장치에 적용 시 In의 확산으로 인한 소자열화, 수소 plasma 하에서의 In, Sn의 높은 환원성, 그에 따라 수반되는 소자의 불안정성 등의 문제점을 갖는다. 또한, TCO의 경우 유연성을 갖는(flexible) 기판(PES, PC, PET, PEN 등)에 증착하여 사용할 경우 굽힘 작업에 의해 TCO 박막에 크랙(crack) 등의 마모가 발생하면서 장치의 고장을 야기하는 단점이 있다.
또한, 상기 선행특허는 투명 전극 제조에 있어 용액 공정, 스퍼터링 증착 공정, 및 대향 타겟 스퍼터링 공정을 수행해야 하므로 공정이 복잡한 단점이 있다.
본 발명의 일 측면은 상기와 같은 점을 감안하여 안출한 것으로, 굽힘 작업에 의해 전극에 크랙이 발생하지 않도록 우수한 유연성을 갖고, 경제적이며, 전극의 전기적 특성 및 광투과성을 향상시킬 수 있는 플렉시블 투명전극을 제공하는데 목적이 있다.
또한, 본 발명의 다른 측면은 굽힘 작업에 의해 전극에 크랙이 발생하지 않는 우수한 유연성을 갖고, 경제적이며, 전극의 전기적 특성 및 광투과성을 향상시킬 수 있고, 공정을 간소화할 수 있는 플렉시블 투명전극의 제조방법을 제공하는 데 다른 목적이 있다.
상술한 과제를 해결하기 위하여 본 발명의 일측면은 플렉시블 투명전극의 제조방법을 제공한다. 상기 플렉시블 투명전극의 제조방법은 아민기를 갖는 중합체를 포함하는 제1용액 및 은이온을 포함하는 제2용액을 혼합하여 혼합용액을 준비하는 단계, 상기 혼합용액에 레이저를 스캐닝(scanning)하는 단계, 및 기판 상에 상기 레이저가 스캐닝된 혼합용액을 코팅하여 아민기를 갖는 중합체 및 은나노입자를 포함하는 유무기 하이브리드층을 형성하는 단계를 포함한다.
또한, 상기 제1용액은 5 내지 10 중량%의 폴리에틸렌이민을 포함하고, 상기 제2용액은 1.5 내지 5 중량%의 AgNO3를 포함할 수 있다.
또한, 상기 레이저를 스캐닝하는 단계는 50 내지 200 mW 의 세기로 1 내지 10 ms시간 동안 수행될 수 있다.
또한, 상기 혼합용액을 준비하는 단계에서 상기 아민기와 은이온이 정전기적 인력에 의해 상기 은이온이 균일하게 배열된 상태가 되고, 상기 레이저를 스캐닝하는 단계에서 이광자 흡수에 의해 상기 혼합용액 내의 은이온이 환원되어 은나노입자가 생성됨에 따라 아민기를 갖는 중합체 및 은나노입자를 포함하는 상기 유무기 하이브리드층이 형성될 수 있다.
또한, 상기 유무기 하이브리드층을 형성하는 단계 이후에, 상기 유무기 하이브리드층 상에 전도성 고분자를 포함하는 반사방지층을 형성하는 단계를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 측면은 플렉시블 투명전극을 제공한다. 상기 플렉시블 투명전극은 기판, 및 상기 기판 상에 배치되고 아민기를 갖는 중합체 및 은나노입자를 포함하는 유무기 하이브리드 코팅층을 포함하되, 상기 유무기 하이브리드 코팅층은 아민기를 갖는 중합체를 포함하는 제1용액 및 은이온을 포함하는 제2용액을 혼합하여 제조된 혼합용액에 레이저를 스캐닝한 용액을 사용하여 형성된다.
본 발명의 플렉시블 투명전극에 의하면, 굽힘 작업에 의해 전극에 크랙이 발생하지 않는 우수한 유연성을 갖고, 경제적이며, 전극의 전기적 특성 및 광투과성이 향상되는 효과가 있다. 또한, 본 발명의 플렉시블 투명전극의 제조방법에 의하면 굽힘 작업에 의해 전극에 크랙이 발생하지 않는 우수한 유연성을 갖고, 경제적이며, 전극의 전기적 특성 및 광투과성이 향상되고 제조공정을 간소화할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 플렉시블 투명전극의 제조방법을 나타낸 플로우차트이다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 은이온의 배열 상태를 나타낸 이미지이다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 플렉시블 투명전극의 단면도이다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 은이온의 배열 상태를 나타낸 이미지이다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 플렉시블 투명전극의 단면도이다.
이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일한 참조부호를 부가한다.
하기의 실시예를 통하여 본 발명을 더욱 구체적으로 설명하기로 하지만, 하기 실시예가 본 발명의 범위를 제한하는 것은 아니며, 이는 본 발명의 이해를 돕기 위한 것으로 해석되어야 할 것이다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 플렉시블 투명전극의 제조방법을 나타낸 플로우차트이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일실시예에 따른 플렉시블 투명전극의 제조방법은 아민기를 갖는 중합체를 포함하는 제1용액 및 은이온을 포함하는 제2용액을 혼합하여 혼합용액을 준비하는 단계(S100), 상기 혼합용액에 레이저를 스캐닝하는 단계(S200), 및 기판 상에 상기 레이저가 스캐닝된 혼합용액을 코팅하여 아민기를 갖는 중합체 및 은나노입자를 포함하는 유무기 하이브리드층을 형성하는 단계(S300)를 포함한다.
상기 혼합용액을 준비하는 단계(S100)에 대해 설명한다.
상기 혼합용액은 아민기를 갖는 중합체를 포함하는 제1용액 및 은이온을 포함하는 제2용액을 포함한다.
상기 제1용액은 아민기를 갖는 중합체를 포함한다. 상기 아민기를 갖는 중합체는 아민기를 가짐에 따라 수용액 내에서 음이온성은 갖는다. 상기 아민기를 갖는 중합체는 폴리에틸렌이민(polyethyleneimine, PEI), 폴리리신(Polylysine PLS), 및 폴리아릴아민(Polyallylamine, PAA)으로 이루어진 군으로부터 선택되는 적어도 하나를 포함할 수 있다.
상기 아민기를 갖는 중합체가 폴리에틸렌이민일 경우 상기 제1용액은 상기 폴리에틸렌이민을 1 내지 20 시간 동안 스핀코팅을 수행하여, 5 내지 15 중량%의 농도를 갖는 용액 형태 제조될 수 있다. 상기 스핀코팅 시간이 1 시간 미만일 경우 용액 형성이 어려울 수 있고, 20 시간을 초과할 경우 공정 시간이 길어지고 용액 형성이 어려워지는 단점이 있다. 또한, 상기 폴리에틸렌이민 용액의 농도가 5 중량% 미만일 경우 은이온의 분포가 불균일해질 수 있고, 15 중량%를 초과할 경우 용해도가 떨어질 수 있고, 상기 폴리에틸렌이민의 농도 상승에 따른 유연성 향상 효과가 떨어질 수 있다. 이때, 사용되는 용매는 아민기를 갖는 중합체를 용해할 수 있는 용매라면 제한 없이 사용이 가능하다.
상기 제2용액은 은이온을 포함하는 용액으로, AgNO3를 포함하는 수용액일 수 있다. 이때 사용될 수 있는 용매는 상기 은이온을 포함하는 재료를 용해시킬 수 있는 용매라면 제한없이 사용할 수 있으며, 일예로 물(H2O)일 수 있다.
상기 제2용액이 AgNO3를 포함하는 수용액일 경우 AgNO3를 1.5 내지 5.0 중량%의 농도로 포함할 수 있다. 상기 AgNO3의 농도가 1.5 중량% 미만일 경우, 은나노입자 포함에 따른 전기적 특성 향상이 미미할 수 있고 5.0 중량%를 초과할 경우 농도 상승에 따른 전기적 특성 향상이 미미해질 수 있다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 은이온의 배열 상태를 나타낸 이미지이다.
도 2를 참조하면, 상기 아민기를 중합체에서 음이온성을 나타내는 아민기 및 상기 은이온이 정전기적 인력에 의해 서로 끌어당기게 된다. 이에, 상기 제1용액 및 제2용액이 혼합된 혼합 용액 내에서 은이온이 균일하게 분포된다.
다음으로, 상기 혼합용액에 레이저를 스캐닝하는 단계(S200)에 대해 설명한다.
상기 혼합용액에 레이저를 스캐닝함에 따라 이광자(two photon) 흡수 현상에 의하여 상기 혼합용액 내의 용매 분자가 전자(electron)를 쉽게 내어줄 수 있는 라디칼(radical)상태로 들뜨게(excited state) 된다. 이에, 상기 용매로부터 생성된 전자를 은이온이 받아 은나노입자로 환원된다. 상기 환원된 은나노입자들은 상기 아민기를 포함하는 중합체의 아민기와 반응하여 배위결합을 형성한다.
상기 레이저를 스캐닝하는 단계는 50 내지 200 mW 의 세기 1 내지 10 MS 시간 동안 수행될 수 있다. 이때, 레이저의 세기가 50 mW 미만일 경우 상기 은이온이 환원되지 않아 은나노입자 생성율이 낮아질 수 있고, 200 mW를 초과할 경우 은나노입자의 크기가 커져 서로 뭉치게 되어 균일한 배열이 어려워질 수 있다. 또한, 상기 레이저 스캐닝 시간이 1 ms(millisecond) 미만일 경우 상기 은이온이 환원되지 않아 은나노입자 생성율이 낮아질 수 있고, 10 ms 시간을 초과할 경우 은나노입자의 크기가 커져 서로 뭉치게 되어 균일한 배열이 어려워질 수 있다.
다음으로, 기판 상에 상기 레이저가 스캐닝된 혼합용액을 코팅하여 아민기를 갖는 중합체 및 은나노입자를 포함하는 유무기 하이브리드층을 형성하는 단계(S300)에 대해 설명한다.
상기 기판은 플렉시블 기판일 수 있으며, 폴리이미드(Polyimide, PI), 폴리에테르술폰(polyethersulfone, PES), 폴리아크릴레이트(polyacrylate, PAR), 폴리에테르 이미드(polyetherimide, PEI), 폴리에틸렌 나프탈레이트(polyethylene naphthalate, PEN), 폴리에틸렌 테레프탈레이트(polyethyleneterephthalate, PET), 폴리페닐렌 설파이드(polyphenylene sulfide, PPS), 폴리아릴레이트(polyarylate), 폴리카보네이트(polycarbonate, PC), 셀룰로오스 트리 아세테이트(cellulose triacetate, CTA), 및 셀룰로오스 아세테이트 프로피오네이트(cellulose acetate propionate, CAP)로 이루어진 군으로부터 선택되는 적어도 하나를 포함할 수 있다.
상기 기판 상에 스핀 코팅법, 롤(roll) 코팅법, 스프레이 코팅법, 플로(flow) 코팅법, 잉크젯 프린팅법, 노즐 프린팅법, 딥 코팅법, 전기영동증착법, 테이프 캐스팅법, 스크린 프린팅법, 패드(pad) 프린팅법, 닥터 블레이드 코팅법, 그래비어 프린팅법, 그래비어 오프셋 프린팅법, 또는 랭뮈어-블로제트(Langmuir-Blogett)법을 수행하여 상기 레이저가 스캐닝된 혼합용액을 코팅할 수 있다.
이와 같이 형성된 상기 유무기 하이브리드층은 간단한 용액 공정을 통해 아민기를 갖는 중합체 및 은나노입자가 서로 배위결합한 상태로 형성된다. 구체적으로, 아민기를 갖는 중합체를 포함하는 폴리머층 및 은나노입자를 포함하는 금속층이 적층된 다층 형태로 형성되는 경우와 비교하여 공정이 간소화될 뿐만 아니라 전극의 두께 또한 얇아질 수 있어 유기 전자 소자에 적용 시 고집적화가 가능하며, 소형화가 가능한 장점이 있다. 또한, 상기 은나노입자가 환원 전에 이온 상태에서 상기 아민기를 갖는 중합체에 의해 균일하게 배열되므로, 상기 유무기 하이브리드층 전체에 걸쳐 균일한 전기적 특성을 나타내므로 유기전자 소자에 적용 시 수명이 길어질 수 있다. 또한, 단층 구조이기 때문에 다층 구조일 때 나타나는 층간 계면 특성에 의한 전기적 및 기계적 특성 저하를 방지할 수 있다.
상기 유무기 하이브리드층을 형성하는 단계 이후에, 상기 유무기 하이브리드층 상에 전도성 고분자를 포함하는 반사방지층을 형성하는 단계를 더 포함할 수 있다. 상기 반사방지층을 더 형성할 경우 전극의 광투과도 및 면저항 특성을 향상시킬 수 있다. 상기 전도성 고분자는, 폴리아닐린(Polyaniline), 폴리티오펜(Polythiophene), 폴리에틸렌디옥시티오펜(Polyethylenedioxythiophene, PEDOT), 폴리이미드(Polyimide), 폴리스티렌설포네이트(Polystyrenesulfonate, PSS), 폴리피롤(Polypyrrole), 폴리아세틸렌(Polyacetylene), 폴리(p-페닐렌)[Poly(p-phenylene)], 폴리(p-페닐렌 설파이드)[Poly(p-phenylene sulfide)], 폴리(p-페닐렌 비닐렌)[Poly(p-phenylenevinylene)], 폴리티오펜 폴리(티에닐렌 비닐렌)[(Polythiophene Poly(thienylene vinylene)), 및 폴리(3,4-에틸렌디옥시티오펜)폴리(스타이렌설포네이트) [Poly(3,4-ethylenedioxythiophene) poly(styrenesulfonate),(PEDOT:PSS)]로 이루어진 군으로부터 선택되는 적어도 하나를 포함할 수 있다. 또한, 상기 반사방지층은 스핀 코팅법, 롤(roll) 코팅법, 스프레이 코팅법, 플로(flow) 코팅법, 잉크젯 프린팅법, 노즐 프린팅법, 딥 코팅법, 전기영동증착법, 테이프 캐스팅법, 스크린 프린팅법, 패드(pad) 프린팅법, 닥터 블레이드 코팅법, 그래비어 프린팅법, 그래비어 오프셋 프린팅법, 또는 랭뮈어-블로제트(Langmuir-Blogett)법을 수행하여 형성될 수 있다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 플렉시블 투명전극의 단면도이다.
도 3을 참조하면, 본 발명의 일실시예에 따른 플렉시블 투명전극은 기판(100) 및 상기 기판(100) 상에 배치되고 아민기를 갖는 중합체 및 은나노입자를 포함하는 상기 유무기 하이브리드 코팅층(200)을 포함한다. 이때, 상기 기판(100) 및 유무기 하이브리드 코팅층(200)에 대한 상세한 설명은 전술된 내용을 참고하기로 한다.
정리하면, 본 발명의 일실시예에 따른 플렉시블 투명전극은 기판 상에 간단한 용액 공정을 상기 유무기 하이브리드층을 형성할 수 있고, 플렉시블한 소자에 응용이 가능하고 광투과도가 우수한 전극을 제조할 수 있다.
이상에서 본 발명의 일 실시예에 대하여 설명하였으나, 본 발명의 사상은 본 명세서에 제시되는 실시 예에 제한되지 아니하며, 본 발명의 사상을 이해하는 당업자는 동일한 사상의 범위 내에서, 구성요소의 부가, 변경, 삭제, 추가 등에 의해서 다른 실시 예를 용이하게 제안할 수 있을 것이나, 이 또한 본 발명의 사상범위 내에 든다고 할 것이다.
100 : 기판
200 : 유무기 하이브리드층
Claims (6)
- 아민기를 갖는 중합체를 포함하는 제1용액 및 은이온을 포함하는 제2용액을 혼합하여 혼합용액을 준비하는 단계;
상기 혼합용액에 레이저를 스캐닝하는 단계; 및
기판 상에 상기 레이저가 스캐닝된 혼합용액을 코팅하여 아민기를 갖는 중합체 및 은나노입자를 포함하는 유무기 하이브리드층을 형성하는 단계;를 포함하는 플렉시블 투명전극의 제조방법. - 제1항에 있어서,
상기 제1용액은 5 내지 10 중량%의 폴리에틸렌이민을 포함하고, 상기 제2용액은 1.5 내지 5.0 중량%의 AgNO3를 포함하는 플렉시블 투명전극의 제조방법. - 제1항에 있어서,
상기 레이저를 스캐닝하는 50 내지 200 mW 의 세기로 1 내지 10 ms 시간 동안 스캐닝되는 플렉시블 투명전극의 제조방법. - 제1항에 있어서,
상기 혼합용액을 준비하는 단계에서 상기 아민기와 은이온이 정전기적 인력에 의해 상기 은이온이 균일하게 배열된 상태가 되고, 상기 레이저를 스캐닝하는 단계에서 이광자 흡수에 의해 상기 혼합용액 내의 은이온이 환원되어 은나노입자가 생성됨에 따라 상기 유무기 하이브리드층이 형성되는 플렉시블 투명전극의 제조방법. - 제1항에 있어서,
상기 유무기 하이브리드층을 형성하는 단계 이후에,
상기 유무기 하이브리드층 상에 전도성 고분자를 포함하는 반사방지층을 형성하는 단계를 더 포함하는 플렉시블 투명전극의 제조방법. - 기판; 및
상기 기판 상에 배치되고 아민기를 갖는 중합체 및 은나노입자가 서로 배위결합되어 포함되는 유무기 하이브리드 코팅층;을 포함하는 플렉시블 투명전극.
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2017
- 2017-05-11 KR KR1020170058855A patent/KR20180124405A/ko active Search and Examination
Cited By (6)
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|---|---|---|---|---|
| KR20200067606A (ko) | 2018-12-04 | 2020-06-12 | 주식회사 디케이티 | 투명전극 디바이스 |
| KR20200067605A (ko) | 2018-12-04 | 2020-06-12 | 주식회사 디케이티 | 투명전극 디바이스 |
| KR20200104552A (ko) | 2019-02-27 | 2020-09-04 | 주식회사 디케이티 | 투명전극 디바이스 |
| KR20200109897A (ko) | 2019-03-15 | 2020-09-23 | 주식회사 디케이티 | 투명전극 디바이스 제조방법 |
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| KR20230072563A (ko) | 2021-11-17 | 2023-05-25 | 한국생산기술연구원 | 균열 길이 제어 가능한 금속 고분자 하이브리드 나노 구조 투명유연전극 및 그 제조 방법 |
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