Fabrication of Flexible Transparent Electrodes using Solution Processes and Improvement of Characteristics

Abstract

The need for transparent electrodes used in various electronic devices has increased from conventional transparent electrodes to flexible transparent electrodes. Therefore, indium-tin-oxide (ITO), which was previously used as transparent electrode materials, is fragile, despite having high transmittance and low sheet resistance, and alternative materials are being studied due to problems such as instability of indium price. Materials for replacing ITO include carbon nanotubes, graphene, conductive polymers, metal meshes, and metal nanowires. In this study, a transparent electrode that can be used for flexible electronic devices was fabricated based on the solution process method, which has the advantage of being able to process at room temperature, shortening the processing time, lowering the cost compared to the existing process, and enabling mass production. First, a flexible transparent electrode was fabricated based on carbon nanotubes, and a conductive polymer was selectively deposited only on the carbon nanotube electrode using electro-polymerization. By selectively depositing a conductive polymer only on the carbon nanotubes, it was intended to reduce the loss of the transmittance of the electrode and improve the junction resistance between the nanotubes and the nanotubes. Next, a random metal mesh was manufactured using the crack solution by applying a crack solution to a substrate and fabricating an electrode through irregular cracks that occur in the process of drying the solution, it was intended to solve the problem of visibility that occurs in the existing grid mesh. Accordingly, various methods had been attempted to improve the size of cracks and lifting phenomena, and the problem of the crack solution is solved to manufacture a random metal mesh electrode. In the other study, the metal mesh was produced by a solution process instead of the lithography process used to manufacture the existing metal mesh. At this time, the electrode was manufactured using silver nanowires among the materials of the transparent electrode. The first method used was a bubble drop method, in which the silver nanowires mixed in the bubble drop were forced to the edge of the bubble drop by the coffee ring phenomenon. The silver nanowires moved to the edge to form a natural random silver nanowire mesh. Another method that does not use the lithography process is to use the phenomenon that silver nanowires are lost due to thermal compression. Using a metal plate of a specific shape, heat and pressure are applied only to a specific part of the silver nanowire electrode to produce an electrode having a specific shape. Lastly, to increase the stability against electrostatic discharge during the stability evaluation of the silver nanowire electrode, a layer to protect the silver nanowire electrode from static electricity was created by depositing a conductive polymer on the silver nanowire electrode. And the amount of static electricity generated from the silver nanowire electrode was compared and analyzed. All of the made electrodes were made based on a solution and were made to study a method for making a flexible transparent electrode. Therefore, after the electrodes were fabricated, all electrical and optical properties and flexibility tests of the flexible transparent electrode were conducted, and these were compared and analyzed. |다양한 전자기기에 사용되고 있는 투명전극(transparent conductive electrodes)는 기존의 투명하기만 한 전극에서 유연성을 갖는 투명 전극으로 필요성을 증가하였다. 따라서 기존에 투명전극으로 사용하던 인듐-주석-산화물(indium-tin-oxide, ITO)는 높은 투과율과 낮은 면저항을 가지고 있음에도 불구하고 깨지기 쉽고 인듐 가격의 불안정성 등의 문제점에 의해 대체 소재들이 연구되고 있으며, ITO를 대체하기 위한 소재들로는 탄소나노튜브(carbon nanotube), 그래핀(graphene), 전도성 고분자(conductive polymer), 금속 메쉬(metal mesh), 금속 나노와이어(metal nanowires) 등이 있다. 본 연구에서는 상온에서 공정이 가능하며, 공정 시간이 짧고 기존 공정에 비해 단가가 낮으며 대량생산이 가능하다는 장점을 갖고 있는 용액공정 방법을 기반으로 유연한 전자기기에 이용할 수 있는 투명전극을 제작하였다. 먼저, 탄소나노튜브를 기반으로 유연한 투명전극을 제작하였으며, 전기중합을 이용하여 탄소나노튜브 전극 위에만 선택적으로 전도성 고분자를 증착 하였다. 탄소나노튜브 위에만 선택적으로 전도성 고분자를 증착 하여 전극의 투과율 손실을 줄이고 탄소나노튜브와 탄소나노튜브 사이의 접합저항을 개선하고자 하였다. 다음으로 크랙 용액을 이용하여 무정형 금속 메쉬를 제작하였다. 크랙 용액을 기판에 도포하고 용액이 마르는 과정에서 발생하는 불규칙한 크랙을 통해 전극을 제작함으로써, 기존의 정형화된 메쉬에서 발생하는 시인성 문제를 해결하고자 하였다. 따라서 크랙의 크기 및 들뜸 현상들을 개선하기 위한 연구를 진행하였고, 그로 인해 크랙 용액의 문제점을 해결하고 무정형 금속 메쉬 전극을 제작하다. 그리고 기존의 금속 메쉬를 제작하기 위해 사용하던 리소그래피 공정을 사용하지 않으며 금속 메쉬를 용액공정으로 제작하였다. 이때 투명전극의 소재 중 은나노와이어를 사용하여 전극을 제작하였다. 처음 사용한 방법은 거품방울을 이용한 방법으로 거품 방울에 혼합되어 있는 은나노와이어들이 커피링 현상에 의해 거품방울의 가장자리로 몰리게 되는 방법을 이용하였다. 가장자리로 이동한 은나노와이어들은 자연스럽게 만들어 지는 무정형 은나노와이어 메쉬를 형성하게 된다. 리소그래피 공정을 상용하지 않은 다른 방법은 은나노와이어들이 열-압축에 의해 손실이 되는 현상을 이용한 것으로 특정 모양으로 된 금속판을 이용하여 은나노와이어 전극의 특정 부분에만 열과 압력을 가하여 특정 모양을 갖는 전극을 제작하였다. 마지막으로 은나노와이어 전극의 안정성 평가 중 정전기 방전에 대한 안정성을 높이기 위하여 은나노와이어 전극에 전도성 고분자를 증착하여 정전기로부터 은나노와이어 전극을 보호하는 층은 만들었으며, 이렇게 만들어진 전극에 정전기 방전에 대한 내구성 확인 및 은나노와이어 전극으로부터 발생하는 정전기의 양을 비교 분석하였다. 만들어진 모든 전극을 용액을 기반으로 하여 제작되었으며, 유연한 투명전극을 제작하기 위한 방법을 연구하기 위해 제작하였다. 따라서 전극들을 제작 후 유연한 투명전극의 전기적, 광학적 특성 및 유연성 시험을 모두 진행하였고 이를 비교 분석하였다.