플렉서블 전자소자 응용을 위한 전도성 나노소재의 패터닝 특성 연구

Abstract

최근 스마트폰, 스마트 Watch, 안경, 옷 등 다양한 분야에서 플렉서블 관 련 트렌드가 급속히 확장되고 있는 추세이고, 이에 발 맞추어 플렉서블, 웨어러블 관련 디바이스 소자에 관한 니즈가 강하게 요구되고 있는 상황이다. 모든 디바이스용 재료 가운데 특히, 전기 신호 전달과 관련된 전도성 투명 재료에 있어서, 기존의 30~40년 이상 산업계의 대표 소재로서 ITO(Indium Tin Oxide)가 사용되어 오고 있다. 하지만 ITO는 외부의 Bending Stress에 의해서 쉽게 파괴가 발생하는 재료이기 때문에 Flexible, Wearable Device에 더 이상 적합한 재료가 아니다. 이를 대체할 수 있는 후보 재료로는 Carbon Nanotube,전도성 고분자(PEDOT:PSS), Graphene, Metal Mesh, Silver Nanowire(AgNWs) 등이 있고, 최근에 많은 연구 결과가 보고 되고 있다. 본 연구에서는 전도성이 우수하고, 유연하며, 산업적으로도 저비용의 Solution Process가 가능한 AgNWs에 대해서 집중적으로 그 가능성에 주목해가며 연구하였다. 특히 디바이스 적용시 필수 공정인 패터닝에 있어서, 기존공정인 Wet etching, Laser Ablation, Transfer와는 다른 패터닝 방법으로 접근해 가고자 하였다. AgNWs의 우수한 전기, 광학적 특징을 그대로 유지하면서 유연 필름 적용을 위한 저온 Process가 가능한 패터닝 법을 제시하였다. 패터닝을 위한 Template 재료로서 UV irradiation으로 간단히 친수성과 소수성을제어 할 수 있는 Photo switching Materials를 도입 적용하고, 이에 적합한 친수계 AgNWs의 잉크 특성을 동시 제어하여 패터닝이 가능하게 하였다. Glass, 플라스틱 필름등 어떠한 기판 종류에도 상관없이 패터닝이 가능하다는 장점이 있다. 본 연구에서는 이 기술을 활용하여 투명 패턴의 Heater를 제작하였고 이에 대한 발열특성 연구를 진행하였다. 설계된 패턴 형태대로 열이 발생됨을 확인할 수 있었다. 또한 2.5mm 곡률에서 1만회 Bending 평가 결과 안정적인 저항 값이 확인되어 Flexible Device 적용을 위한 충분한 가능성을 확인 하였다. AgNWs는 주변 환경 가스의 영향으로 인해 쉽게 산화 또는 황화가 일어나고 이로 인해 전기 전도도가 급격히 열화 되는 이슈가 있다. 이를 개선하기 위해서는 AgNWs를 효과적으로 보호해 줄 Passivation 재료가 필요 하다. 본 연구에서는 Passivation 재료로서 투명 유기 Overcoat 재료를 상정하였다. 이 유기막 재료의 가교 밀도가 AgNW의 신뢰성과 밀접한 관계가 있다는 결과를 확인하였다. 즉, 150도 이하의 저온에서도 가교 밀도 50% 이상 실현 가능한 유기분자 설계가 필요하다는 연구 방향을 제시하였다. 한편, AgNWs 잉크에 있어 중요한 연구 분야로서는 분산 Stability가 있다. 그러나, 이에 대해서는 회사 노하우로 관리되고 있어 많은 연구 보고가 없는 상황이다. 본 연구에서는 잉크 조성 내 가장 많은 양을 차지하는 용매 선정시 AgNWs를 감싸고 있는 PVP(Poly Vinyl Pyrrolidone )와의 Hansen Solubility parameter를 중요한 분산 parameter로 제안하였다. 분산 Stability가 양호한잉크 조성물을 필름에 코팅하여 전기적 특성을 평가한 결과, 면저항 편차가 10% 이하로 균일한 데이터를 확인 하였다.