[논문]유연·신축성 전자 소자 개발을 위한 은 나노와이어 기반 투명전극 기술

김대곤; 김영민; 김종웅

doi:10.6117/kmeps.2015.22.1.007

[국내논문] 유연·신축성 전자 소자 개발을 위한 은 나노와이어 기반 투명전극 기술
Recent Trends in Development of Ag Nanowire-based Transparent Electrodes for Flexible·Stretchable Electronics 원문보기

마이크로전자 및 패키징 학회지 = Journal of the Microelectronics and Packaging Society, v.22 no.1, 2015년, pp.7 - 14

김대곤 (성균관대학교 마이크로전자패키징연구소) , 김영민 (전자부품연구원 디스플레이부품연구센터) , 김종웅 (전자부품연구원 디스플레이부품연구센터)

Abstract ▼ AI-Helper

Recently, advances in nano-material researches have opened the door for various transparent conductive materials, which include carbon nanotube, graphene, Ag and Cu nanowire, and printable metal grids. Among them, Ag nanowires are particularly interesting to synthesize because bulk Ag exhibits the highest electrical conductivity among all metals. Here we reviewed recently-published research works introducing various devices from organic light emitting diode to tactile sensing devices, all of which are employing AgNW for a conducting material. They proposed methods to enhance the stretchability and reversibility of the transparent electrodes, and apply them to make various flexible and stretchable electronics. It is expected that Ag nanowires are applicable to a wide range of high-performance, low-cost, stretchable electronic devices.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

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문제 정의

본 고에서는 금속 나노와이어 중 현재 가장 널리 연구·개발이 집중되고있는 은 나노와이어 관련 연구동향을 리뷰하고, 각 소자별 적용사례를 소개함으로써 해당 소자에서의 발생 가능 이슈 및 해결 방안 등을 종합적으로 판단하는데 도움이 되도록 하고자 한다.
은 나노와이어는 특유의 높은 전도도, 유연성, 낮은 Percolation threshold, 무색 및 높은 산화 안정성 등으로 유연 전자 디바이스 개발을 위한 핵심소재의 하나로 떠오르고 있다. 본 고에서는 나노와이어 적용을 위한 두 가지 어플리케이션, 즉 OLED 및 OPV 등의 유기 박막소자와 터치센서 분야에서의 개발 동향을 리뷰하였다. 각 소자에 나노와이어 적용을 위해서는 각기 다른 특성이 요구되었고 이를 해결하기 위한 다양한 Approach가 제안되고 있다.
위 논문에서는 해당 기판의 표면 특성이 최종 소자에 미치는 영향을 평가하기 위하여 OLED 소자를 직접 제조 후 평가하였다. Fig.
세번째와 네번째는 각각 IR을 이용하는 광학방식과 RF 신호를 이용하는 전자기 방식이다. 이 중 ITO와 같은 투명전극을 센서로 사용하는 방식은 저항막 방식과 정전용량 방식이며, 현재의 모바일 기기에 채용되는 방식의 대부분은 정전용량 방식이므로 본고에서는 이에만 국한하여 논의하고자 한다.
이러한 소자 제조에 있어서는 나노와이어와 폴리머의 접착력이 소자의 기계적 안정성 측면에서 가장 중요하므로, 위 연구에서는 PDMS에 나노와이어를 함침 시켜 접착력을 향상시키고자 하였다.
7에 하나의 예를 나타내었다. 해당 논문에서는 PVP가 에탄올에의 Solubility가 큼을 이용하여, 합성된 나노와이어를 에탄올에 washing하여 PVP를 제거하고자 하였다. 논문에 의하면 에탄올을 이용한 PVP 제거가 효과적이었으며, 특별한 후열처리 없이 저항 강하가 이루어졌다.

가설 설정

10에 하나의 예를나타내었는데, 해당 논문에서는 기판에 미리 일정 수준의 Strain을 인가하고(미리 기판을 늘려 놓고), 늘어난 상태에서 전극을 형성하여 신축성 전극을 제조하였다.³¹⁾ 이경우 Pre-strain을 풀게 되면 기판에 일정한 Buckle이 형성되면서 Line이 wavy하게 바뀌게 되므로, 이론적으로는 초기 Pre-strain을 가했던만큼은 신축성을 가지게 된다. 하지만 이를 이상적으로 구현하기 위해서는 Pre-strain을 어느 방향으로 어느 정도 인가해야 하는지가 결정되어야 한다.

제안 방법

반면 신규 공정 개발을 통하여 신축 특성을 구현하는 사례도 있다. Fig. 10에 하나의 예를나타내었는데, 해당 논문에서는 기판에 미리 일정 수준의 Strain을 인가하고(미리 기판을 늘려 놓고), 늘어난 상태에서 전극을 형성하여 신축성 전극을 제조하였다.³¹⁾ 이경우 Pre-strain을 풀게 되면 기판에 일정한 Buckle이 형성되면서 Line이 wavy하게 바뀌게 되므로, 이론적으로는 초기 Pre-strain을 가했던만큼은 신축성을 가지게 된다.

대상 데이터

11. Cambrios의 나노와이어를 활용해 제작된 LG전자 터치패널 적용 제품군.

성능/효과

해당 논문에서는 PVP가 에탄올에의 Solubility가 큼을 이용하여, 합성된 나노와이어를 에탄올에 washing하여 PVP를 제거하고자 하였다. 논문에 의하면 에탄올을 이용한 PVP 제거가 효과적이었으며, 특별한 후열처리 없이 저항 강하가 이루어졌다. 뿐만 아니라 나노와이어 코팅 밀도와 무관하게 터치센서의 센싱 감도가 향상되었음을 알 수 있었다.
첫째로 낮은 Percolation threshold에 의해 높은 투과율과 전도도를 동시에 달성할 수 있지만 금속 특유의 높은 반사율과 거친 표면 특성으로 인해 Haziness가 높은 단점이 있다. 둘째로 일반적으로 유연소자용 기판으로 사용하는 폴리머 소재, 즉 에틸렌 계열의 PET(Polyethylene Terephthalate), PEN(Polyethylene Naphthalate), 이미드 기반의 PI(Polyimide) 뿐만 아니라 신축성 폴리머인 PUA(Polyurethane Acrylate) 및 PDMS(Polydimethylsiloxane)까지 모두의 공통적인 특징인 낮은 표면에너지로 인해 이들 표면으로의 코팅 및 Adhesion 특성이 좋지 않다는 점을 들 수 있다. 또한 Percolated network 구조에 의한 나노와이어 코팅 기판의 거친 표면 특성이 상부 박막층 간의 전기적 합선(electrical short circuit)을 유발할 수 있으므로 이에 대한 해결책 마련 또한 시급한 실정이다.
6에 이를 나타내었는데, IPL 처리되지 않은 기판에 비해 Leakage current는 다소 감소하였고, 발광 특성자체는 큰 차이가 없음을 알 수 있었다. 또한 IPL 처리를 통한 Partial fusion에 의해 나노와이어와 폴리머의접착력이 크게 향상되어 기계적 신뢰성 또한 개선되었음을 감안하면, 유연 디바이스제조를 위한 하나의 기반 기술이 될 수 있는 것으로 평가할 수 있다.
논문에 의하면 에탄올을 이용한 PVP 제거가 효과적이었으며, 특별한 후열처리 없이 저항 강하가 이루어졌다. 뿐만 아니라 나노와이어 코팅 밀도와 무관하게 터치센서의 센싱 감도가 향상되었음을 알 수 있었다. 논문에서는이것이 나노와이어 필름의 면저항감소에 의한 것으로 보고하고 있다.
비교적 정확한 센싱이 가능하다고 보고되고 있지만 몇 가지 예상되는 문제점도 있다. 첫째로 PDMS와 금속 나노와이어의 접착력은 단순히 접촉 면적을 넓히는 것만으로는 해결되지 않는다는 점이다. 이 경우 나노와이어 코팅 후 PDMS 코팅경화하여 떼어내려고 해도, 나노와이어는 모 기판에 부착된 채로 잔류하게 되는데, 이와 같은 경우 센서의 저항 증가 및 센싱감도 저하로 나타날 수 있으므로 주의해야 한다.
몇 가지 예를 다음과 같이 정리할 수있다. 첫째로 낮은 Percolation threshold에 의해 높은 투과율과 전도도를 동시에 달성할 수 있지만 금속 특유의 높은 반사율과 거친 표면 특성으로 인해 Haziness가 높은 단점이 있다. 둘째로 일반적으로 유연소자용 기판으로 사용하는 폴리머 소재, 즉 에틸렌 계열의 PET(Polyethylene Terephthalate), PEN(Polyethylene Naphthalate), 이미드 기반의 PI(Polyimide) 뿐만 아니라 신축성 폴리머인 PUA(Polyurethane Acrylate) 및 PDMS(Polydimethylsiloxane)까지 모두의 공통적인 특징인 낮은 표면에너지로 인해 이들 표면으로의 코팅 및 Adhesion 특성이 좋지 않다는 점을 들 수 있다.
5에나타난것처럼, IPL 처리가 이루어지지 않은 샘플의 경우에는 폴리머의 낮은 표면에너지로 인해 나노와이어가 기판에 밀착되어 있지 않고 기판과 와이어 간격이 존재하는 반면, IPL 조사횟수가 증가함에 따라 나노와이어가 폴리머에 접착된 듯한 형상으로 발전하게 된다. 최종적으로 8회 조사 샘플의 경우에는 나노와이어가 표면에 일부 함침된 구조가 되었음을 알 수 있다. 결과적으로 표면 조도 또한 일부 개선됨을 실험적으로 규명할 수 있었고 논문에 해당 데이터가 게재되어 있다.

후속연구

여기서 더 나아가 신축성-인체 착용형 소자 제조를 위해서도 나노와이어는 적극적으로 활용되는 추세이며 이는 인간의 피부에 바로 적용가능한 다양한 센서의 개발로 이어질 것으로 예상된다. 향후 은 나노와이어 외에 구리 나노와이어 등 기타 금속 나노와이어의 개발이 보다 본격적으로 이루어지면 그간 보지못한 다양한 형태의 저가형 소자 개발도 가능할 것으로 보인다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	은 나노와이어의 단점 해결책으로 구리 나노와이어 대체가 해결책이 될 수 없는 이유는?	은 나노와이어의 경우 아직 높은 가격 또한 이의 실질적인 산업적 적용을 지연시키는 요인으로 작용하고 있으므로, 이에 대한 해결책으로 구리 나노와이어 등 저가의 금속을 기반으로 하는 나노와이어 소재 또한 개발이 한창이다. 그러나 은 나노와이어 분산액의 높은 가격은 은이라는 귀금속이 소재로 쓰임에 의한 것이라기보다는 나노와이어의 대량 합성 Scheme이 고비용 구조임에 기인하는 것으로, 당장 구리 나노와이어로의 대체가 해결책이 되지는 못할 것으로 판단된다.
	은 나노와이어의 단점을 해결하기 위해 어떤 개발을 하고 있는가?	또한 Percolated network 구조에 의한 나노와이어 코팅 기판의 거친 표면 특성이 상부 박막층 간의 전기적 합선(electrical short circuit)을 유발할 수 있으므로 이에 대한 해결책 마련 또한 시급한 실정이다. 은 나노와이어의 경우 아직 높은 가격 또한 이의 실질적인 산업적 적용을 지연시키는 요인으로 작용하고 있으므로, 이에 대한 해결책으로 구리 나노와이어 등 저가의 금속을 기반으로 하는 나노와이어 소재 또한 개발이 한창이다. 그러나 은 나노와이어 분산액의 높은 가격은 은이라는 귀금속이 소재로 쓰임에 의한 것이라기보다는 나노와이어의 대량 합성 Scheme이 고비용 구조임에 기인하는 것으로, 당장 구리 나노와이어로의 대체가 해결책이 되지는 못할 것으로 판단된다.
	금속 나노와이어가 갖고 있는 문제에는 어떤 것이 있는가?	몇 가지 예를 다음과 같이 정리할 수있다. 첫째로 낮은 Percolation threshold에 의해 높은 투과율과 전도도를 동시에 달성할 수 있지만 금속 특유의 높은 반사율과 거친 표면 특성으로 인해 Haziness가 높은 단점이 있다. 둘째로 일반적으로 유연소자용 기판으로 사용하는 폴리머 소재, 즉 에틸렌 계열의 PET(Polyethylene Terephthalate), PEN(Polyethylene Naphthalate), 이미드 기반의 PI(Polyimide) 뿐만 아니라 신축성 폴리머인 PUA(Polyurethane Acrylate) 및 PDMS(Polydimethylsiloxane)까지 모두의 공통적인 특징인 낮은 표면에너지로 인해 이들 표면으로의 코팅 및 Adhesion 특성이 좋지 않다는 점을 들 수 있다. 또한 Percolated network 구조에 의한 나노와이어 코팅 기판의 거친 표면 특성이 상부 박막층 간의 전기적 합선(electrical short circuit)을 유발할 수 있으므로 이에 대한 해결책 마련 또한 시급한 실정이다. 은 나노와이어의 경우 아직 높은 가격 또한 이의 실질적인 산업적 적용을 지연시키는 요인으로 작용하고 있으므로, 이에 대한 해결책으로 구리 나노와이어 등 저가의 금속을 기반으로 하는 나노와이어 소재 또한 개발이 한창이다.

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저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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