[논문]기계적 안정성이 향상된 은나노와이어-그래핀옥사이드 하이브리드 투명 전도성 박막의 제작

김주태; 우주연; 한창수

doi:10.7736/kspe.2015.32.10.903

기계적 안정성이 향상된 은나노와이어-그래핀옥사이드 하이브리드 투명 전도성 박막의 제작
Fabrication of Silver Nanowire-Graphene Oxide Hybrid Transparent Conductive Thin Film with Improved Mechanical Stability 원문보기

한국정밀공학회지 = Journal of the Korean Society for Precision Engineering, v.32 no.10, 2015년, pp.903 - 909

김주태 (고려대학교 기계공학과) , 우주연 (고려대학교 기계공학과) , 한창수 (고려대학교 기계공학과)

Abstract ▼ AI-Helper

In this study, we used GO (graphene oxide) in order to enhance the adhesion between Ag NWs (nanowires) and substrates. By using a mixture solution of GO and Ag NW, a vacuum filtration process was used to fabricate a 50nm diameter thin film. Next, by using a light annealing process, the mechanical and electrical stability of Ag NW network was improved without any other treatment. The physical properties of the Ag NW - GO hybrid transparent conductive thin film was characterized in terms of a bending test, resistance and transmittance test, and nanoscale imaging using field-emission scanning electron microscopy.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

따라서 이 논문에서는 서로 랜덤으로 접촉되어 박막을 형성하고 있는 은나노와이어 사이의 접착력을 향상시키기 위해서 산화그래핀(Graphene Oxide)를 사용하였다. 산화그래핀은 그라파이트(graphite)의 화학적 산화를 조절하여 간단하게 합성할 수 있으며, 산화그래핀의 polar site는 금속과의 강한 정전기적 상호작용을 유도할 수 있다.
본 연구에서는ITO를 대체할 수 있는 차세대 투명 전도성 박막을 은나노와이어를 통해 형성하였으며, 기존의 약한 기계적 안정성과 유연성을 해결하기 위해 산화그래핀을 혼합하고, 플라즈몬 용접 공정을 이용하여 은나노와이어-산화그래핀 하이브리드 전도성 박막을 제작하였다. 88-93% 의 투과도와 약 18-30Ω/sq의 표면저항을 가지는 투명 전도성 유연 박막을 만들 수 있었으며 이를 형상학적으로 분석하였다.

제안 방법

70ml 바이알(vial)에 DI water와 은나노와이어, 산화그래핀을 혼합한 후 Fig. 1(a)와 같이 AAO 필터를 사용하여 균일성이 뛰어난 진공여과 공정 (Electroc Aspirator VE-11, JEIO Tech)을 실시한다. 그 후 60℃에서 20분 동안의 충분한 건조 후 3-molar NaOH(DI:250ml / NaOH:30g) 용액에 30분 동안 띄워놓고 AAO필터막을 제거한다.
(c) 처럼 볼록(convex)과 회복(release), 오목(concave), 회복(release)의 순서로 각각 2초씩 총 8초를 한 싸이클로 하여 200싸이클을 진행하였고, 테스트 동안의 저항 변화를 실시간으로 측정하였다.
10 kV의 가속전압에서 FE-SEM(Hitachi 4700 field-emission SEM)을 이용하여 박막의 네트워크 형성을 형상학적으로 확인하였고, UV-vis spectrometer (Optizen 2120 UV)를 사용하여 PET에 전사된 박막의 투과도를 측정하였다.
본 연구에서는ITO를 대체할 수 있는 차세대 투명 전도성 박막을 은나노와이어를 통해 형성하였으며, 기존의 약한 기계적 안정성과 유연성을 해결하기 위해 산화그래핀을 혼합하고, 플라즈몬 용접 공정을 이용하여 은나노와이어-산화그래핀 하이브리드 전도성 박막을 제작하였다. 88-93% 의 투과도와 약 18-30Ω/sq의 표면저항을 가지는 투명 전도성 유연 박막을 만들 수 있었으며 이를 형상학적으로 분석하였다. 산화그래핀의 양이 늘어남에 따라 기계적인 안정성이 향상됨을 굽힘 테스트를 통하여 확인 할 수 있었으며, 은나노와이어로만 형성되었던 박막보다 산화그래핀의 함량이 30㎕일 때 볼록 및 오목반복 굽힘 실험 결과 저항변화가 3배정도 줄어드는 좋은 특성을 보였다.
5cm² 크기의 박막을 제작하였다. 구리도선과 실버페이스트를 사용하여 은나노와이어-산화그래핀 하이브리드 전도성 박막 양단에 평행한 전극을 형성하고 구리도선의 저항을 측정하였다.
더욱 정확한 FE-SEM이미지를 얻기 위해 전도성 박막을 웨이퍼에 전사시켜 분석하였다. Fig.
먼저 산화그래핀과 은나노와이어를 혼합한 후 진공 여과 공정(Vacuum filtration process)을 사용하여 투명 전도성 박막을 제조하였다.¹⁶ 이어서, 은나노와이어 사이의 접촉부분을 강하게 연결시켜 기계적 안정성을 높이기 위하여 나노와이어 사이를 녹여 붙이는 플라즈몬 (Plasmon) 용접을 진행했다.
이 실험에서는 길이 25±5μm, 직경 50nm의 은나노와이어(Co. Nanopyxis)를 초순수 물(DI water) 5.0 mg·ml-1의 농도로 분사하여 사용하였다.

대상 데이터

1(b)과 같이 PET에 전사시키고 다시 60℃에서 20분 동안 건조 시킨다. 이때 3M 테이프를 사용하여 종횡비 1:1을 갖는 2.5*2.5cm² 크기의 박막을 제작하였다. 구리도선과 실버페이스트를 사용하여 은나노와이어-산화그래핀 하이브리드 전도성 박막 양단에 평행한 전극을 형성하고 구리도선의 저항을 측정하였다.

이론/모형

전도성 박막의 저항 측정은 4-probe 방식(Jadel Engineering LTD.)으로 면저항을 측정하고, 저항의 변화는 two-probe방법으로 Keithley 2002 multimeter 를 통하여 실시간으로 측정하였다. 굽힘 테스트는 Fig.

성능/효과

Fig. 3은 (a) 은나노와이어 10㎕, (b) 은나노와이어 10㎕ + 산화그래핀 10㎕, (c) 은나노와이어 10㎕ + 산화그래핀 30㎕의 함량으로 제작된 박막의 이미지이며, 인쇄된 문자 위에, 제작된 투명 전도성 박막을 올려 박막 뒤의 글씨가 뚜렷함을 보여줌으로써 진공여과공정으로 제작된 투명 전도성 유연 박막의 성공적인 제작을 확인하였다.
¹⁶ 이어서, 은나노와이어 사이의 접촉부분을 강하게 연결시켜 기계적 안정성을 높이기 위하여 나노와이어 사이를 녹여 붙이는 플라즈몬 (Plasmon) 용접을 진행했다.^17,18이 후 굽힘 테스트(bending test)를 통하여 은나노와이어-산화그래핀 하이브리드 전도성 박막의 기계적 안정성이 향상되었음을 확인하였다.
유연한 투명 전도성 박막의 중요한 요구조건은 반복적으로 일어나는 굽힘 환경에서 기계적, 전기적인 안정성을 갖는 것이다. PET에 전사된 투명 전도성 유연박막의 기계적인 안정성을 확인하기 위한 굽힘 테스트 결과 산화그래핀의 함량이 많아질수록 박막의 저항 변화가 현저히 줄어드는 것을 알 수 있었다. Fig.
고정적인 은나노와이어 10㎕ 함량에 각각 산화 그래핀 0㎕, 10㎕, 20㎕, 30㎕로 제작된 박막의 면저항을 4-probe로 측정한 결과 각각 18.3Ω/sq, 23.3 Ω/sq, 22.1Ω/sq, 23.7Ω/sq의 우수한 전도성을 확인하였다.
또한 제작된 투명 전도성 박막의 투과도는 Fig. 5와 같이 전 가시광 영역(400-800nm)에서 측정하였으며, 550nm 파장에서 각각 91.7%, 90.8%, 90.4%, 88.8% 의 투과율로 우수한 특성을 보임을 확인하였다.
88-93% 의 투과도와 약 18-30Ω/sq의 표면저항을 가지는 투명 전도성 유연 박막을 만들 수 있었으며 이를 형상학적으로 분석하였다. 산화그래핀의 양이 늘어남에 따라 기계적인 안정성이 향상됨을 굽힘 테스트를 통하여 확인 할 수 있었으며, 은나노와이어로만 형성되었던 박막보다 산화그래핀의 함량이 30㎕일 때 볼록 및 오목반복 굽힘 실험 결과 저항변화가 3배정도 줄어드는 좋은 특성을 보였다. 이는 은나노와이어 네트워크 형성 시 금속 사이에서 산화그래핀의 정전기적 상호작용이 긍정적으로 작용되었으며 기계적으로는 은나노와이어의 접촉력을 향상시켰음을 보여준다.
산화그래핀의 양이 늘어남에 따라 기계적인 안정성이 향상됨을 굽힘 테스트를 통하여 확인 할 수 있었으며, 은나노와이어로만 형성되었던 박막보다 산화그래핀의 함량이 30㎕일 때 볼록 및 오목반복 굽힘 실험 결과 저항변화가 3배정도 줄어드는 좋은 특성을 보였다. 이는 은나노와이어 네트워크 형성 시 금속 사이에서 산화그래핀의 정전기적 상호작용이 긍정적으로 작용되었으며 기계적으로는 은나노와이어의 접촉력을 향상시켰음을 보여준다.

후속연구

보다 우수한 면저항과 투과도, 강한 기계적 안정성과 유연성을 가지는 투명전극 필름을 제작하기 위해서는 다양한 종류의 나노소재를 적용하고, 제작 방법의 개발, 빠르고, 안정적이 후처리 공정에 대한 추가 연구가 필요하다고 사료된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	산화그래핀의 특징은 무엇인가?	따라서 이 논문에서는 서로 랜덤으로 접촉되어 박막을 형성하고 있는 은나노와이어 사이의 접착력을 향상시키기 위해서 산화그래핀(Graphene Oxide)를 사용하였다. 산화그래핀은 그라파이트(graphite)의 화학적 산화를 조절하여 간단하게 합성할 수 있으며, 산화그래핀의 polar site는 금속과의 강한 정전기적 상호작용을 유도할 수 있다.14,15
	은나노와이어가 차세대 투명 전도성 박막의 소재로 각광받고 있는 이유는 무엇인가?	특히 은나노와이어(Ag NW)는 높은 전기 전도성과 유연성을 가지고 있기 때문에 차세대 투명 전도성 박막의 소재로 각광을 받고 있으며 많은 연구가 활발히 진행 중이다.11,12 은나노와이어는 유기태양전지(organic solar cell), 유연디스플레이, 터치패널(touch panel), 유기발광다이오드(organic light emitting diode:OLED)등 많은 응용분야에 적용될 수 있다.
	ITO(Indium Tin Oxide) 필름의 한계점은 무엇인가?	기존의 전도성 투명박막은 증착법이나 스퍼터링법에 의해 제조된 ITO(Indium Tin Oxide) 필름이 일반적으로 쓰여지고 있다. 하지만 ITO는 진공상태에서 정밀한 증착을 필요로 하며, 구부림에 약하기 때문에 유연성에 한계가 있으므로 향후 스마트기기의 필수적인 요소로 대두되고 있는 유연디스플레의 터키스크린패널에 적용되기 힘들다. 또한 ITO 핵심 성분인 인듐(Indium)은 희토류로서 희소금속이므로 가격이 고가이며 자원 고갈의 문제점도 가지고 있다.1-3 따라서 이를 대체할 수 있는 탄소나노튜브4,5 나 전도성 고분자,6 그래핀,7,8 금속 나노와이어9,10 등이 활발이 연구되고 있다.

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