[논문]구리 전기도금 방법을 이용한 은 나노와이어 투명전극의 전기전도도 향상

지한나; 장지성; 이상엽; 정중희

doi:10.3740/mrsk.2019.29.5.311

구리 전기도금 방법을 이용한 은 나노와이어 투명전극의 전기전도도 향상
Enhancement of Electrical Conductivity in Silver Nanowire Network for Transparent Conducting Electrode using Copper Electrodeposition 원문보기

한국재료학회지 = Korean journal of materials research, v.29 no.5, 2019년, pp.311 - 316

지한나 (한밭대학교 공과대학 신소재공학과) , 장지성 (한밭대학교 공과대학 신소재공학과) , 이상엽 (한밭대학교 공과대학 신소재공학과) , 정중희 (한밭대학교 공과대학 신소재공학과)

Abstract ▼ AI-Helper

Transparent conducting electrodes are essential components in various optoelectrical devices. Although indium tin oxide thin films have been widely used for transparent conducting electrodes, silver nanowire network is a promising alternative to indium tin oxide thin films owing to its lower processing cost and greater suitability for flexible device application. In order to widen the application of silver nanowire network, the electrical conductance has to be improved while maintaining high optical transparency. In this study, we report the enhancement of the electrical conductance of silver nanowire network transparent electrodes by copper electrodeposition on the silver nanowire networks. The electrodeposited copper lowered the sheet resistance of the silver nanowire networks from $21.9{\Omega}{\square}$ to $12.6{\Omega}{\square}$. We perform detailed X-ray diffraction analysis revealing the effect of the amount of electrodeposited copper-shell on the sheet resistance of the core-shell(silver/copper) nanowire network transparent electrodes. From the relationship between the cross-sectional area of the copper-shell and the sheet resistance of the transparent electrodes, we deduce the electrical resistivity of electrodeposited copper to be approximately 4.5 times that of copper bulk.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

¹⁸⁾ Ni(OH)₂를 AgNW 표면에 고르게 코팅하여 내부 AgNW network를 통해 효율적으로 전하 이동이 가능해져 전하 전달 특성을 향상시킨 결과도 보고되었다.¹⁹⁾ 본 연구에서는 니켈 대비 전기전도도가 높고, 은 대비 값이 싼 구리의 전기도금을 이용하여 AgNW 투명전극의 전기적 특성을 향상시키는 연구를 진행하였다.
본 연구에서는 광전자 소자에 투명전극으로 사용되는 AgNW network의 전기 광학적 특성을 향상시키기 위해 전기도금 방법을 이용하였다. 니켈 대비 전기전도도가 높고, 은 대비 값이 싼 구리 전기도금 방법을 적용하였다.

가설 설정

이는 AgNWs표면에 구리가 불균일하게 전기도금되어 매끄러운 표면을 이루지 못하기 때문이다. 면저항 계산에서는 구리 전기도금에 의해 나노와이어의 직경이 균일하게 증가하였다고 가정하였다. 도금 시간이 증가함에 따라 직경은 증가하고 저항은 감소하게 된다.

제안 방법

AgNWs network의 광학 투과도는 UV-Vis spectrometer를 사용하여 유리를 기준으로 측정하였다. 샘플의 표면과 전기도금 된 AgNWs network를 형상을 관찰하기 위해서 field emission scanning electron microscope(FESEM)을 사용하여 분석하였다.
전기도금 용액으로 high speed bright copper electroplating solution(Sigma-Aldrich, 900569)을 이용하였다. AgNWs가 스핀 코팅된 유리와 구리 박판을 각각 작업전극과 상대전극으로 사용하여 도금 용액에 담그고 전기화학 장치를 이용하여 전류밀도 0.3 mA/cm²을 유지하였다. 전기도금 반응은 25초에서 80초 동안 지속하였다.
전기도금 시간을 조정함으로써 AgNW에 증착 된 구리의 양을 제어할 수 있었다. 구리 전기도금을 통해 AgNW network의 면저항을 27.5 ohm/sq에서 12.6 ohm/sq으로 낮추어 전기적 특성을 향상시켰다. 도금된 구리의 형상을SEM 및 XRD을 이용하여 분석하였다.
본 연구에서는 광전자 소자에 투명전극으로 사용되는 AgNW network의 전기 광학적 특성을 향상시키기 위해 전기도금 방법을 이용하였다. 니켈 대비 전기전도도가 높고, 은 대비 값이 싼 구리 전기도금 방법을 적용하였다. 전기도금 시간을 조정함으로써 AgNW에 증착 된 구리의 양을 제어할 수 있었다.
6 ohm/sq으로 낮추어 전기적 특성을 향상시켰다. 도금된 구리의 형상을SEM 및 XRD을 이용하여 분석하였다. 구리가 전기도금된 AgNW network의 XRD 피크 세기 및 면저항 값으로부터 전기도금된 구리의 비저항을 계산하였고 이 값은 벌크 구리의 비저항 대비 4.
샘플의 표면과 전기도금 된 AgNWs network를 형상을 관찰하기 위해서 field emission scanning electron microscope(FESEM)을 사용하여 분석하였다. 또한, 도금된 금속의 성분 분석을 위해 X-ray diffraction(XRD)를 이용하였다.
2 ml를 25 mm × 25 mm 유리기판 위에 도포 후 1,000 rpm으로 30초 동안 스핀 코팅공정을 진행하였다. 본 실험에서는 스핀코팅 공정을 3회 반복하여 AgNWs network 투명전극을 제작하였다. 다음은 구리 전기도금에 대한 실험과정이다.
AgNWs network의 광학 투과도는 UV-Vis spectrometer를 사용하여 유리를 기준으로 측정하였다. 샘플의 표면과 전기도금 된 AgNWs network를 형상을 관찰하기 위해서 field emission scanning electron microscope(FESEM)을 사용하여 분석하였다. 또한, 도금된 금속의 성분 분석을 위해 X-ray diffraction(XRD)를 이용하였다.
다음은 구리 전기도금에 대한 실험과정이다. 전기도금 시 AgNW network와 전기도금 장치와의 접촉저항을 최소화하기 위해 silver paste를 AgNW network 상단부에 도포하였다. 전기도금 용액으로 high speed bright copper electroplating solution(Sigma-Aldrich, 900569)을 이용하였다.
전기도금 시간 증가에 따른 면저항과 투과도 감소를 분석하기 위해 도금된 AgNW network의 구조를 분석하였다. Fig.
니켈 대비 전기전도도가 높고, 은 대비 값이 싼 구리 전기도금 방법을 적용하였다. 전기도금 시간을 조정함으로써 AgNW에 증착 된 구리의 양을 제어할 수 있었다. 구리 전기도금을 통해 AgNW network의 면저항을 27.
이는 AgNWs에 구리가 도금되는 양이 증가함으로써 나타난 결과이다. 정량적인 분석을 위해 Ag(111)과 Cu(111)의 XRD peak의 세기의 비율을 이용하여 도금된 구리와 AgNWs의 단면적 비를 도금 시간에 따라 계산하였다. 은과 구리의 단위격자의 개수 비는 다음 식 (1)에 의해 계산될 수 있다.

대상 데이터

AgNW network를 형성하는 실험 과정은 다음과 같다. ACA materials(https://www.acsmaterial.com)에서 구매한 에탄올에 분산된 AgNW 용액(AgNW-L50,20 g/ml)을 에탄올에 희석하여 1 mg/ml의 농도의 용액을 준비하였다. 주사 전자현미경으로 측정한 AgNWs의 직경은 약 55 nm이고 길이는 100-200 μm 였다.
²⁰⁾ AgNWs의 수가 증가할수록 AgNWs의 표면 덮힘값은 증가하고 투과도는 감소하게 된다. 본 실험의 경우 스핀코팅을 3번 반복하여 면저항 27.5 ohm/sq, 빛의 파장 550 nm에서 약 91.7 %의 투과도를 가지는 AgNW network을 제작하였다. 전기도금 후 투명전극의 광학적 특성은 구리 전기도금으로 변화되는 AgNWs의 직경과 관련 있다.
전기도금 시 AgNW network와 전기도금 장치와의 접촉저항을 최소화하기 위해 silver paste를 AgNW network 상단부에 도포하였다. 전기도금 용액으로 high speed bright copper electroplating solution(Sigma-Aldrich, 900569)을 이용하였다. AgNWs가 스핀 코팅된 유리와 구리 박판을 각각 작업전극과 상대전극으로 사용하여 도금 용액에 담그고 전기화학 장치를 이용하여 전류밀도 0.

성능/효과

이러한 network의 투과도는 AgNWs의 표면 덮힘값(surface coverage)과 관련이 있다.²⁰⁾ AgNWs의 수가 증가할수록 AgNWs의 표면 덮힘값은 증가하고 투과도는 감소하게 된다. 본 실험의 경우 스핀코팅을 3번 반복하여 면저항 27.
, A는 각각 도금된 구리와 AgNW의 부피, 단위격자의 부피, 단면적을 나타낸다. XRD 실험결과로부터 계산된 도금된 구리의 단면적은 AgNW의 단면적에 비해 도금 시간이 증가함에 따라 증가되었다. 구리 전기도금에 따라 AgNW에 대한 구리의 단면적 비는 최대 약 4배까지 증가하였다.
도금된 구리의 형상을SEM 및 XRD을 이용하여 분석하였다. 구리가 전기도금된 AgNW network의 XRD 피크 세기 및 면저항 값으로부터 전기도금된 구리의 비저항을 계산하였고 이 값은 벌크 구리의 비저항 대비 4.5배 높은 것으로 나타났다. 이는 구리의 도금이 균일하게 되지 못하여 도금된 구리를 통해 전자가 이동할 때 거친 표면에 의한 산란에 의한 것으로 판단된다.
6 ohm/sq으로 감소하였다. 본 연구에서 제작한 구리가 전기도금된 AgNW network는 참고문헌 17의 니켈이 전기 도금된 AgNW network에 비해서 우수한 면저항-투과도를 보였다(Fig. 2). 이는 니켈보다 구리의 전기전도도가 우수함으로 나타난 결과로 판단된다.
8 % 감소했다. 전기도금 시간 25에 80초로 증가함에 따라 투과도는 6.9 %에서 22.2 %까지 감소했고, 면저항은 7.4 %에서 46.8 %까지 감소했다. 이렇듯 AgNWs에 구리를 전기도금을 함으로써 직경이 증가하고 접촉면적이 증가하여 면저항은 감소하게 된다.
또한 Cu 도금에 의해 전체 AgNWs의 직경이 증가하였다. 전기도금에 의해 AgNW의 직경 증가와 접합 부분의 접촉면적 증가로 AgNW network의 면저항은 감소하였다.

후속연구

만약 구리가 AgNWs에 균일하게 도금된다면 전자이동 시 산란이 작아지고 전기 전도가 용이해질 것이다. AgNW 위에 균일한 표면 형상을 가지는 구리 전기도금을 통해 AgNWs의 면저항을 좀 더 향상시킬 수 있으라고 판단된다.
이는 구리의 도금이 균일하게 되지 못하여 도금된 구리를 통해 전자가 이동할 때 거친 표면에 의한 산란에 의한 것으로 판단된다. 구리의 전기도금을 균일하게하면 전기적 특성을 보다 향상시킬 수 있으며 다양한 광전소자의 투명전극으로 적용할 수 있을 것으로 사료된다. 또한 구리는 은에 비해 높은 녹는점을 가지고 있으며, 원자확산 속도가 작기 때문에 구리 전기도금을 통해 AgNW network의 열적 불안정성 문제를 다소 완화시킬 수 있을 것으로 기대한다.
구리의 전기도금을 균일하게하면 전기적 특성을 보다 향상시킬 수 있으며 다양한 광전소자의 투명전극으로 적용할 수 있을 것으로 사료된다. 또한 구리는 은에 비해 높은 녹는점을 가지고 있으며, 원자확산 속도가 작기 때문에 구리 전기도금을 통해 AgNW network의 열적 불안정성 문제를 다소 완화시킬 수 있을 것으로 기대한다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	기존의 투명전극 재료로 각광받던 ITO의 단점을 보완한 AgNWs의 공정 상의 장점은?	5-11) 그 중에서도 은 나노와이어(AgNWs) network는 투명성, 전기 전도성, 기계적 유연성이 우수하여 ITO를 대체할 재료로 각광받고 있다.12-16) AgNWs는 스프레이 코팅, 바 코팅, 스핀 코팅 등 용액 공정을 기반으로 하여 공정 시간과 비용을 절감할 수 있다. 또한, 금속의 성질인 연성을 가지고 있어 유연기판에 적용하기 용이하다.
	은 나노와이어(AgNWs)의 특징은?	이러한 ITO의 단점을 보완하며 나아가 대체할 수 있는 재료로 그래핀, 탄소나노튜브, 금속 나노와이어 등이 연구되고 있다.5-11) 그 중에서도 은 나노와이어(AgNWs) network는 투명성, 전기 전도성, 기계적 유연성이 우수하여 ITO를 대체할 재료로 각광받고 있다.12-16) AgNWs는 스프레이 코팅, 바 코팅, 스핀 코팅 등 용액 공정을 기반으로 하여 공정 시간과 비용을 절감할 수 있다.
	ITO 박막의 한계 및 단점은?	1-4) 이러한 조건을 갖춘 투명전극 재료로 indium tin oxide(ITO)가 대표적이다. 하지만 ITO 박막은 취성이 있어 유연기판에 적용하기 어렵고, indium의 가격이 높은 단점이 있다. 이러한 ITO의 단점을 보완하며 나아가 대체할 수 있는 재료로 그래핀, 탄소나노튜브, 금속 나노와이어 등이 연구되고 있다.

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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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