KR101468496B1 - 전도성 나노 물질을 포함한 감광성 코팅액 조성물 및 그를 이용한 코팅 전도막 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 전도성 나노 물질을 포함한 감광성 코팅액 조성물 및 그를 이용한 코팅 전도막에 관한 것으로, 전도성 나노 물질을 포함하는 전도막의 직접 에칭 없이 간단한 노광 방법을 이용하여 전도막의 국부적 영역에서 전기전도도 차이를 형성하여 특정 패턴 형태로 전기가 흐를 수 있도록 하기 위한 것이다. 본 발명은 전도성 나노 물질 0.01~5 중량%, 감광성 물질 0.01~3 중량% 및 바인더 1 중량% 이하를 포함하는 코팅 전도막 제조용 감광성 코팅액 조성물을 제공한다. 이러한 감광성 코팅액을 이용하여 제조한 기판 상에 형성된 코팅 전도막을 제공한다. 이때 코팅 전도막은 전도성 나노 물질, 자외선 감광성 물질 및 바인더를 포함하며, 노광 및 세척에 의해 노광된 영역과 비노광된 영역이 형성되고, 상기 비노광된 영역이 노광된 영역 대비 2배 이상의 전기전도도를 갖는다.
Description
본 발명은 코팅 전도막에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 금속나노와이어 또는 나노탄소와 같은 전도성 나노 물질을 포함한 감광성 코팅액 조성물 및 그를 이용한 코팅 전도막에 관한 것이다.
금속나노와이어 또는 나노탄소를 포함한 전도성 박막은 와이어, 튜브, 나노입자 형태의 전도성 나노 물질이 연속적으로 접촉되어 형성된 전도막으로써, 기판에 코팅되어 형성될 수 있다. 금속나노와이어 또는 나노탄소를 포함한 전도막은 간단한 용액 공정으로써 분산액을 형성하여 다양한 기판에 코팅함으로써, 전기전도성을 가지는 전도막으로 형성할 수 있기 때문에, 터치패널 및 디스플레이 등에서 투명 전극 및 회로 전극으로 사용될 수 있다.
금속나노와이어 또는 나노탄소로 구성된 전도막을 투명 전극 또는 회로 전극으로 사용하기 위해서는 전도막의 국부적 영역에서 전기적 연결성, 비연결성을 조절하여 특정 패턴 형태로 전기가 흐르게 하는 것이 필요하다.
전도막이 형성된 전도성 기판에서 배선 패턴을 형성하는 방법으로 포토리소그래피, 레이저 에칭 공정을 주로 적용하였다. 포토리소그래피 공정은 전도막 위에 포토레지스트를 도포하고, 자외선을 노광하고 현상함으로써 포토레지스트 패턴을 전도막 위에 형성한 후, 습식 또는 건식 방법으로 전도막을 특정 패턴 모양으로 식각함으로서 배선 패턴을 형성하였다. 그리고 레이저 에칭 방법은 전도막을 레이저를 이용하여 특정 패턴 모양으로 식각함으로서 배선 패턴을 형성하는 방법이다.
이러한 방법은 기존 알려진 공정을 이용하여 전도막의 미세 패턴을 형성할 수 있다. 하지만 배선 패턴이 형성된 전도막에서 식각된 영역과 식각되지 않은 영역에서 금속나노와이어 또는 나노탄소의 분포 차이로 인해 빛 반사도, 빛 투과도, 헤이즈 차이를 형성하 전도막의 배선 패턴이 시인되는 문제점을 야기할 수 있다.
또한 포토리소그래피 공정의 경우 전도막의 배선 패턴을 형성하기 위해 별도의 공정을 진행해야 한다는 점에서 공정 비용이 추가적으로 소요되고 생산성이 떨어지는 단점이 있다.
따라서 본 발명의 목적은 전도성 나노 물질을 포함하는 전도막의 직접 에칭 없이 간단한 노광 방법을 이용하여 전도막의 국부적 영역에서 전기전도도 차이를 형성하여 특정 패턴 형태로 전기가 흐를 수 있는 전도성 나노 물질을 포함한 감광성 코팅액 조성물 및 그를 이용한 코팅 전도막을 제공하는 데 있다.
본 발명의 다른 목적은 국부 영역에 있어 전기전도도가 차이가 있는 전도막을 형성하지만 전도막의 전도성 필러에 해당하는 전도성 나노 물질이 전기전도도가 서로 다른 영역에 대해서도 분포 밀도 차이가 없이 전도막 전체에 대해 균일하게 분포하는 전도성 나노 물질을 포함한 감광성 코팅액 조성물 및 그를 이용한 코팅 전도막을 제공하는 데 있다.
본 발명의 또 다른 목적은 전도막의 특정 영역에서 화학적/물리적으로 에칭되지 않고, 화학적 방법으로 산화되거나 황화물이 형성되지 않고, 물리적으로 전도성 나노 물질이 거의 손상되지 않는 전도성 나노 물질을 포함한 감광성 코팅액 조성물 및 그를 이용한 코팅 전도막을 제공하는 데 있다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 전도성 나노 물질 0.01~5 중량%, 감광성 물질 0.01~3 중량%, 바인더 1 중량% 이하를 포함하는 코팅 전도막 제조용 감광성 코팅액 조성물을 제공한다.
본 발명에 따른 감광성 코팅액 조성물에 있어서, 상기 전도성 나노 물질은 금속나노와이어 또는 나노탄소이다. 상기 감광성 물질은 감광성 작용기를 가진 폴리비닐알콜이다. 그리고 상기 바인더는 수분산성 폴리우레탄 또는 양이온성 고분자전해질이다.
본 발명에 따른 감광성 코팅액 조성물에 있어서, 상기 양이온성 전해질은 poly(diallydimethylammonium chloride), poly(allyamine hydrochloride), poly(3,4-ethylenedioxythiophene)(PEDOT), poly(2-vinylpyridine), poly(ethylenenimine), poly(acrylamide-co-diallylmethylammonium chloride), cationic polythiophene, polyaniline, poly(vinylalcohol) 또는 이들의 유도체를 포함할 수 있다.
본 발명은 또한, 기판 상에 형성된 코팅 전도막으로, 전도성 나노 물질, 자외선 감광성 물질 및 바인더를 포함하며, 노광 및 세척에 의해 노광된 영역과 비노광된 영역이 형성되고, 상기 비노광된 영역이 노광된 영역 대비 2배 이상의 전기전도도를 갖는 코팅 전도막을 제공한다.
본 발명에 따른 코팅 전도막에 있어서, 상기 전도성 나노 물질은 금속나노와이어 또는 나노탄소이다. 상기 감광성 물질은 감광성 작용기를 가진 폴리비닐알콜이다. 그리고 상기 바인더는 수분산성 폴리우레탄 또는 양이온성 고분자전해질이다.
본 발명에 따른 코팅 전도막에 있어서, 상기 비노광된 영역은 상기 노광된 영역에 비해서 세척 과정에서 자외선 감광성 물질이 더 많이 제거되어 최종적으로 코팅 전도막에 잔류되는 감광된 고분자 물질을 포함하는 고분자 물질의 함량이 더 낮다.
본 발명에 따른 코팅 전도막에 있어서, 상기 비노광된 영역 및 상기 노광된 영역에 대해 상기 전도성 나노 물질이 유사하게 분포되어 있으며 나노 물질의 손상 정도의 차이가 없다.
그리고 본 발명에 따른 코팅 전도막에 있어서, 노광된 영역은 비노광된 영역에 비해 전도성 나노 물질이 고분자 물질에 더 많이 함침되어 있는 구조를 가지고있다.
본 발명에 따르면, 기판 위에 전도성 나노 물질과 함께 감광성 물질 및 바인더를 포함하는 감광성 박막을 형성한 후, 형성할 배선 패턴의 형태에 맞게 노광한 후 세척함으로써, 노광된 영역과 비노광된 영역 간의 전기전도성 차이를 갖는 배선 패턴을 형성할 수 있다.
즉 감광성 박막을 형성하는 감광성 코팅액 조성물에는 전도성 나노 물질 이외에, 감광성 물질, 바인더 및 기타 조성물이 포함되어 있다. 감광성 박막이 자외선에 노출되면, 감광성 물질 간, 감광성 물질과 기타 조성물 간의 물리적 또는 화학적 결합이 형성되거나 끊어져 물과 같은 특정 용매에 대해서 용해도 차이를 형성하게 된다. 용매에 접촉했을 때 감광성 물질 및 기타 조성물이 많이 제거된 영역은 높은 전기전도성을 나타내게 되고, 감광성 물질 및 기타 조성물이 적게 제거된 영역은 낮은 전기전도성을 나타내게 된다. 예컨대 감광성 박막을 노광한 후 용매로 세척하면, 노광된 부분에 비해서 노광되지 않은 부분에서 감광성 물질 및 기타 조성물이 상대적으로 많이 제거되기 때문에, 노광된 부분과 노광되지 않은 부분은 전기 흐름의 패턴을 형성할 수 있을 정도로 전기전도도의 차이를 갖게 된다.
이와 같이 본 발명은 전도성 나노 물질을 포함하는 코팅 전도막에 대한 직접적인 에칭 없이 간단한 노광 방법을 이용하여 코팅 전도막의 국부적 영역에서 전기전도도 차이를 형성하여 특정 패턴 형태로 전기가 흐를 수 있는 배선 패턴을 형성할 수 있다.
본 발명에 따른 코팅 전도막은 노광 후 세척 공정으로 배선 패턴을 형성함으로써, 국부 영역에 있어 전기전도도 차이를 형성하지만, 코팅 전도막의 전도성 필러에 해당하는 전도성 나노 물질이 전기전도도가 서로 다른 영역에 모두 분포하며 유사한 분포 구조, 유사한 분포 밀도를 가진다.
또한 본 발명은 코팅 전도막의 특정 영역에서 화학적 및 물리적으로 에칭 되지 않고, 화학적 방법으로 산화되거나 황화물이 형성되지 않고, 물리적으로 전도성 나노 물질이 손상되지 않는 전도성 나노 물질을 포함하는 코팅 전도막을 제공할 수 있다. 이로 인해 직접적인 코팅 전도막의 식각 없이 전도성 나노 물질의 전기적 흐름 특성을 조절할 수 있고, 기존에 지적되었던 전도성 나노밀도의 분포 차이에 따른 패턴 시인성 문제를 해결할 수 있고, 코팅 전도막 및 그의 배선 패턴 형성 공정을 단순화할 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 전도성 나노 물질을 포함하는 코팅 전도막이 형성된 전도성 기판을 보여주는 사시도이다.
도 2는 도 1의 "A" 부분의 확대도이다.
도 3은 도 1의 코팅 전도막의 제조 방법에 따른 흐름도이다.
도 4 내지 도 7은 도 3의 제조 방법에 따른 각 단계를 보여주는 도면들이다.
도 8은 본 발명의 제1 실시예에 따라 제조된 코팅 전도막의 배선 패턴의 선폭에 따른 절연성 테스트 패턴 구조를 보여주는 도면이다.
도 9 내지 도 11은 본 발명의 제1 실시예에 따라 제조된 코팅 전도막을 보여주는 사진들이다.
도 12 및 도 13은 본 발명의 제2 실시예에 따라 제조된 코팅 전도막을 보여주는 사진들이다.
도 2는 도 1의 "A" 부분의 확대도이다.
도 3은 도 1의 코팅 전도막의 제조 방법에 따른 흐름도이다.
도 4 내지 도 7은 도 3의 제조 방법에 따른 각 단계를 보여주는 도면들이다.
도 8은 본 발명의 제1 실시예에 따라 제조된 코팅 전도막의 배선 패턴의 선폭에 따른 절연성 테스트 패턴 구조를 보여주는 도면이다.
도 9 내지 도 11은 본 발명의 제1 실시예에 따라 제조된 코팅 전도막을 보여주는 사진들이다.
도 12 및 도 13은 본 발명의 제2 실시예에 따라 제조된 코팅 전도막을 보여주는 사진들이다.
하기의 설명에서는 본 발명의 실시예를 이해하는데 필요한 부분만이 설명되며, 그 이외 부분의 설명은 본 발명의 요지를 흩트리지 않도록 생략될 것이라는 것을 유의하여야 한다.
이하에서 설명되는 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념으로 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다. 따라서 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 바람직한 실시예에 불과할 뿐이고, 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 보다 상세하게 설명하고자 한다.
도 1은 본 발명에 따른 전도성 나노 물질을 포함하는 코팅 전도막이 형성된 전도성 기판을 보여주는 사시도이다. 도 2는 도 1의 "A" 부분의 확대도이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명에 따른 전도성 기판(100)은 기판(10)과, 기판(10) 위에 형성되며, 전도성 나노 물질(21), 감광성 물질 및 바인더를 포함하며 노광 및 세척에 의해 배선 패턴(29)이 형성된 코팅 전도막(20)을 구비한다.
여기서 기판(10)은 광투과성을 갖는 투명한 물질로 제조될 수 있다. 예컨대 기판(10)의 소재로는 유리, 석영(quartz), 투명 플라스틱 기판, 투명 고분자 필름 중 어느 하나가 사용될 수 있다. 투명 고분자 필름의 소재로는 PET, PC, PEN, PES, PMMA, PI, PEEK 등이 사용될 수 있으며, 이것에 한정되는 것은 아니다. 투명 고분자 필름 소재의 기판(10)은 1 내지 10,000㎛의 두께를 가질 수 있다.
그리고 코팅 전도막(20)을 형성하는 감광성 코팅액 조성물로는 전도성 나노 물질(21), 감광성 물질 및 바인더를 포함하며, 그 외 분산제, 첨가제 등의 기타 조성물을 포함할 수 있다. 예컨대 감광성 코팅액 조성물은 전도성 나노 물질 0.01~5 중량%, 감광성 물질 0.01~3 중량%, 바인더 1 중량% 이하를 포함하며, 그 외는 물이 차지한다. 그리고 감광성 코팅액 조성물은 첨가제 5 중량% 이하를 더 포함할 수 있다.
전도성 나노 물질(21)은 금속나노와이어 또는 나노탄소를 포함한다. 이때 금속나노와이어로는 은나노와이어, 구리나노와이어, 금나노와이어 등이 사용될 수 있으며, 이것에 한정되는 것은 아니다. 금속나노와이어로는 직경 300 nm 이하, 길이 1㎛ 이상의 금속나노와이어가 사용될 수 있다. 금속나노와이어는 금속나노튜브를 포함한다. 나노탄소로는 탄소나노튜브, 그래핀, 탄소나노플레이트, 카본블랙 등이 사용될 수 있으며, 이것에 한정되는 것은 아니다.
이때 감광성 코팅액에 포함되는 전도성 나노 물질의 조성비가 높을수록 전기전도도가 증가하여 코팅 전도막(20)의 저항을 낮출 수 있다. 하지만 농도가 너무 진한 경우, 즉 5 중량%을 초과하는 경우 전도성 나노 물질의 용액 상 분산이 어려운 단점이 있다. 따라서 바람직하게는 전도성 나노 물질은 0.1~0.5 중량%를 사용하는 것이다.
그리고 감광성 물질은 빛(적외선, 가시광선, 자외선), 열, 레이저 등 한 가지 이상의 에너지 조사에 따라 노광되는 물질을 사용하는 것이 바람직하며, 에너지원은 이것에 한정되는 것은 아니다.
예컨대 감광성 물질로는 자외선에 대해서 감광성을 갖는 수용성 감광 물질이 사용될 수 있다. 수용성 감광 물질로는 감광성 작용기를 가진 폴리비닐알콜 물질로N-methyl-4(4'-formylstyryl)pyridinium methosulfate acetal 작용기를 가진 폴리비닐알콜 등이 사용될 수 있으며, 이것에 한정되는 것은 아니다.
감광성 물질은 노광된 영역(25)과 비노광된 영역(27)의 목표 저항 차이에 따라 농도가 달라질 수 있다. 예컨대 투명 전극의 패턴 형성 시에는 주로 0.1~1 중량%가 적합하다. 하지만 감광성 물질이 너무 많이 첨가되면 노광 후 세척 과정에서 비노광 영역(27)의 감광성 물질이 제거되면서 전도성 나노 물질(21)도 같이 제거되어 투명 전극이 훼손되거나 저항이 높아지는 현상이 발생할 수 있다.
바인더로는 수분산성 폴리우레탄 또는 양이온성의 고분자전해질(polyelectrolyte)이 사용될 수 있다. 예컨대 양이온성 전해질로는 poly(diallydimethylammonium chloride), poly(allyamine hydrochloride), poly(3,4-ethylenedioxythiophene)(PEDOT), poly(2-vinylpyridine), poly(ethylenenimine), poly(acrylamide-co-diallylmethylammonium chloride), cationic polythiophene, polyaniline, poly(vinylalcohol) 또는 이들의 유도체가 사용될 수 있다.
이러한 바인더를 사용하는 이유는, 감광성 물질로 사용되는 폴리비닐알코올은 수용액에서 양의 전하를 형성하기 때문에, 바인더로 수분산성 폴리우레탄 또는 양이온성의 고분자전해질을 사용할 때 조성물의 침전이 형성되지 않고 노광 후 세척 과정에서 비노광 영역(27)의 감광성 폴리비닐알콜 물질이 바인더와 전기적, 화학적 결합력을 형성되지 않아 세척으로 제거가 용이하기 때문이다.
또한 바인더는 코팅 전도막(20)을 제조하기 위한 용매 세척 과정에서 전도성 필러에 해당하는 전도성 나노 물질(21)이 제조되는 코팅 전도막(20)에서 떨어져 나가지 않도록 고정하는 기능을 한다. 즉 바인더가 감광성 코팅액에 포함되지 않으면, 코팅 전도막의 용매 세척 과정에서 전도성 나노 물질(21)이 감광성 물질과 같이 제거되거나 코팅 전도막이 형성되지 않거나 저항 균일도가 크게 떨어지게 된다.
또한 바인더로 음이온성의 고분자전해질을 사용하지 않는 이유는, 바인더로 음이온성의 고분자 전해질을 사용할 경우 감광성 코팅액에서 침전을 발생시키고 노광 후 코팅 전도막 세척 시 비노광 부위의 감광성 물질이 제거되지 않아 비노광 영역의 전기전도도가 낮아지는 문제가 발생하기 때문이다.
전술한 바와 같이 바인더는 노광 후 세척 시 전도성 나노 물질(21)이 기판(10)에서 떨어져나가는 것을 막기 위해 1 중량% 이하로 감광성 코팅액에 첨가된다. 이때 바인더의 함량이 높으면, 전도성 나노 물질(21)의 기판(10)에 대한 접착성은 향상되나 코팅 전도막(20)의 저항이 높아지는 문제가 발생될 수 있다. 또한 바인더가 없거나 너무 적으면 세척 시 전도성 나노 물질(21)이 기판(10)에서 탈락되어 코팅 전도막(20)의 특성이 나빠질 수 있다. 한편 감광성 물질의 함량이 0.1 중량% 이하로 아주 낮을 경우, 바인더가 없어도 전도성 나노 물질(21)의 기판(10)에 대한 접착성이 유지되어 본 발명에 따른 코팅 전도막(20)의 제조를 수행할 수도 있다.
분산제로는 사용되는 전도성 나노 물질(21)에 따라 금속나노와이어용 분산제와, 나노탄소용 분산제로 구분할 수 있다. 예컨대 은나노와이어의 분산제로는 HPMC(hydroxy propyl methyl cellulose), CMC (carboxymethyl cellulose), HC(2-hydroxy ethyl cellulose) 등이 사용될 수 있다. 탄소나노튜브의 분산제로는 SDS (Sodium dodecyl sulfate), LDS (Lithium dodecyl sulfate), SDBS (Sodium dodecylbenzenesulfonate), Sodium dodecylsulfonate), DTAB(Dodecyltrimethylammonium bromide), CTAB(Cetyltrimethylammonium bromide), Brij-series, Tween-series, Triton X-series, Poly(vinylpyrrolidone) 등이 사용될 수 있다.
그리고 첨가제는 감광성 코팅액의 코팅성 개선, 분산성 향상, 금속나노와이이어 부식 방지, 코팅 전도막(20)의 내구성 향상 목적으로 선택적으로 사용될 수 있다. 예컨대 첨가제는 감광성 코팅액의 안정성을 촉진할 수 있고(예를 들어, 유처리제), 습윤성 및 코팅 특성에 도움을 줄 수 있고(예를 들어, 계면활성제, 용매 첨가제, 등), 이차적인 입자의 형성 및 분열을 도울 수 있거나, 또는 코팅 전도막(20) 형성에서 상 분리 구조 형성 방지에 도움을 줄 수 있고, 건조를 촉진시키는데 도움을 줄 수 있다.
이러한 본 발명에 따른 코팅 전도막(20)은 기판(10) 위에 균일하게 형성된 전도성 나노 물질(21)을 포함한다. 코팅 전도막(20)은 노광된 영역(25)과 비노광된 영역(27)을 포함하고, 비노광된 영역(27)이 배선 패턴(29)을 형성할 수 있다. 노광된 영역(25)과 비노광된 영역(27)의 전기전도도는 2배 이상의 차이를 가질 수 있다.
또한 코팅 전도막(20)은 전도성 나노 물질(21), 감광성 물질 및 바인더를 포함하여 하나의 층으로 형성되거나, 전도성 나노 물질층 위에 감광성 물질층이 형성된 구조를 가질 수 있다.
이와 같이 본 발명에 따른 코팅 전도막(20)에 있어서, 노광된 영역(25)과 비노광된 영역(27) 간에 전기전도도에 있어서 차이가 발생하는 이유는 다음과 같다. 코팅 전도막(20)으로 형성되기 전, 즉 자외선 노광 및 세척되기 전의 전도성 나노 물질(21), 감광성 물질 및 바인더를 포함하는 감광성 박막은 감광성 물질 및 바인더에 의해 아주 낮은 전기전도도를 갖는다.
그런데 감광성 박막을 자외선으로 노광하게 되면, 감광성 물질 간, 또는 감광성 물질과 기타 조성물 간의 물리적 또는 화학적 결합이 형성되거나 끊어져 특정 용매에 대해 용해도 차이를 형성하게 된다. 반면에 노광 과정에서 전도성 나노 물질(21)의 화학적 또는 물리적 특성 변화는 거의 없다. 이때 특정 용매는 감광성 물질에 대해서 선택적으로 높은 용해도를 갖는 용매일 수 있다. 예컨대 감광성 물질로 수용성 감광 물질을 사용할 경우, 물에 대해서 용해도 차이를 형성하게 된다.
즉 감광성 물질은 노광되기 전에는 특정 용매에 대해 높은 용해도 특성을 갖지만, 노광되면 경화되기 때문에 해당 용매에 대한 용해도가 떨어지는 특성을 가질 수 있다. 따라서 본 발명은 감광성 물질이 갖는 특정 용매에 대한 용해도 차이를 이용하여 배선 패턴(29)을 형성한다.
따라서 감광성 박막에 있어서, 노광된 영역(25)과 비노광된 영역(27)은 특정 용매에 대해서 용해도 차이를 형성한다. 특히 감광성 박막에 기타 조성물이 다량 포함되어 있는 경우에는, 두 영역 간의 전기전도도 차이가 크게 형성되어 투명 전극 및 회로 전극의 패턴을 형성할 만큼 전기전도도 차이가 크게 나타난다. 보통 용매에 접촉했을 때 감광성 물질 및 기타 조성물이 많이 제거된 영역은 높은 전기전도성을 나타내게 되고, 감광성 물질 및 기타 조성물이 적게 제거된 영역은 낮은 전기전도성을 나타내게 된다.
예컨대 비노광된 영역(27)이 노광된 영역(25)에 비해서 용매에 대한 용해도가 높은 경우, 비노광된 영역(27)이 배선 패턴(29)으로 형성된다.
한편 본 발명에서는 비노광된 영역(27)이 노광된 영역(25)에 비해서 용해도가 높은 예를 개시하였지만, 감광성 물질의 종류에 따라서 반대의 특성을 나타낼 수도 있다. 즉 노광된 영역(25)이 비노광된 영역(27)에 비해서 용해도가 높은 경우, 노광된 영역(25)이 배선 패턴으로 형성될 수 있다.
코팅 전도막(20)을 형성하는 노광된 영역(25)과 비노광된 영역(27)의 폭은 1㎛ 이상이며, 배선 패턴(29)의 형상은 노광에 의해 결정된다. 통상 배선 패턴(29)의 형상은 노광에 사용되는 마스크의 형태에 따라 결정된다.
이와 같은 본 발명에 따른 코팅 전도막(20)의 제조 방법에 대해서 도 1 내지 도 7을 참조하여 설명하면 다음과 같다. 여기서 도 3은 도 1의 코팅 전도막(20)의 제조 방법에 따른 흐름도이다. 그리고 도 4 내지 도 7은 도 3의 제조 방법에 따른 각 단계를 보여주는 도면들이다.
먼저 도 4에 도시된 바와 같이, 코팅 전도막을 형성할 기판(10)을 준비한다.
다음으로 도 5에 도시된 바와 같이, S51단계에서 기판(10) 위에 전도성 나노 물질, 감광성 물질 및 바인더를 포함하는 감광성 박막(23)을 형성을 형성한다. 즉 본 발명에 따른 감광성 코팅액 조성물을 도포하여 감광성 박막(23)을 형성한다. 이때 감광성 코팅액 조성물은 전도성 나노 물질, 감광성 물질, 바인더 및 물을 포함하며, 기타 조성물을 더 포함할 수 있다. 예컨대 전도성 나노 물질 0.01~5 중량%, 감광성 물질 0.01~3 중량%, 바인더 1 중량% 이하, 기타 조성물 5 중량% 이하가 포함되며, 그 외는 물이 차지할 수 있다.
한편 감광성 박막(23)은 전도성 나노 물질, 감광성 물질 및 바인더를 포함하여 하나의 층으로 형성되거나, 전도성 나노 물질층 위에 감광성 물질층이 형성된 구조를 가질 수 있다. 전자와 같이 감광성 박막(23)이 하나의 층으로 형성하는 경우, 분산제, 첨가제 등의 기타 조성물이 함께 포함될 수 있다. 후자의 감광성 박막(23)의 경우, 바인더, 분산제, 첨가제 등의 기타 조성물은 전도성 나노 물질층에 포함된다.
이어서 도 6에 도시된 바와 같이, S53단계에서 감광성 박막(23)의 일부 영역을 노광한다. 즉 노광할 영역에 대응되게 패턴홀(31)이 형성된 마스크(30)를 이용하여 감광성 박막(23)을 자외선으로 노광한다.
노광 과정에서 자외선 노출 시간은 일반적으로 수 분 이내, 바람직하게는 수초 이내)이다. 노광 과정에서 전도성 나노 물질의 화학적, 물리적 특성 변화는 거의 없다.
그리고 도 7에 도시된 바와 같이, S55단계에서 노광된 감광성 박막을 용매로 세척 및 건조함으로써, 배선 패턴(29)을 갖는 코팅 전도막(20)이 형성된 전도성 기판(100)을 제조할 수 있다. 즉 비노광된 영역(27)이 노광된 영역(25)에 비해서 용매에 대한 용해도가 상대적으로 높기 때문에, 비노광된 영역(27)에서 감광성 물질 및 기타 조성물의 제거가 더 많이 이루어진다.
이와 같은 본 발명의 제조 방법으로 제조된 전도성 기판(100)은 코팅 전도막(20)의 직접 식각이 없으며, 코팅 전도막(20)의 특정 영역에서 코팅 전도막(20)의 전도성 필러인 전도성 나노 물질의 손상 및 화학적 변환이 없이 특정 영역에서 전기전도성을 조절하여 전기흐름을 형성할 수 있는 배선 패턴(29)을 갖는 코팅 전도막(20)을 형성할 수 있다.
본 발명에 따른 감광성 박막은 전도성 나노 물질, 감광성 물질 및 바인더가 포함되어 있으며, 분산제 및 첨가제 등 기타 조성물 물질이 포함될 수 있다.
이와 같이 본 발명에 따른 전도성 기판(100)은 기판(10) 위에 전도성 나노 물질과 함께 감광성 물질을 포함하는 감광성 박막을 형성한 후, 형성할 배선 패턴(29)의 형태에 맞게 노광한 후 세척함으로써, 노광된 영역(25)과 비노광된 영역(27) 간의 전기전도도 차이를 갖는 배선 패턴(29)을 갖는 코팅 전도막(20)을 형성할 수 있다.
즉 감광성 박막에는 전도성 나노 물질 이외에, 분산제 및 첨가제 등과 같은 기타 조성물이 포함되어 있다. 감광성 박막이 광에 노출되면, 감광성 물질 간 또는 감광성 물질과 기타 조성물 간의 물리적 또는 화학적 결합이 형성되거나 끊어져 물과 같은 특정 용매에 대해서 용해도 차이를 형성하게 된다. 용매에 접촉했을 때 감광성 물질 및 기타 조성물이 많이 제거된 영역은 높은 전기전도성을 나타내게 되고, 감광성 물질 및 기타 조성물이 적게 제거된 영역은 낮은 전기전도성을 나타내게 된다. 예컨대 감광성 박막에 대한 노광 후 용매로 세척하면, 노광된 영역(25)에 비해서 비노광된 영역(27)에서 감광성 물질 및 기타 조성물이 상대적으로 많이 제거되기 때문에, 노광된 영역(25)과 비노광된 영역(27)은 전기 흐름의 패턴을 형성할 수 있을 정도로 전기전도도의 차이를 갖게 된다.
이와 같이 본 발명은 전도성 나노 물질을 포함하는 코팅 전도막(20)에 대한 직접적인 에칭 없이 간단한 노광 방법을 이용하여 코팅 전도막(20)의 국부적 영역에서 전기전도도 차이를 형성하여 특정 패턴 형태로 전기가 흐를 수 있는 배선 패턴(29)을 형성할 수 있다.
또한 본 발명에 따른 전도성 기판(100)은 노광 후 세척 공정으로 배선 패턴(29)을 형성함으로써, 국부 영역에 있어 전기전도도가 차이가 있는 코팅 전도막(20)을 형성하지만 코팅 전도막(20)의 전도성 필러에 해당하는 전도성 나노 물질이 전기전도도가 서로 다른 영역에 대해서도 모두 분포하며 코팅 전도막(20) 전체에 대해 균일하게 분포시킬 수 있다.
또한 본 발명은 코팅 전도막(20)의 특정 영역에서 화학적 및 물리적으로 에칭 되지 않고, 화학적 방법으로 산화되거나 황화물이 형성되지 않고, 물리적으로 전도성 나노 물질이 손상되지 않는 전도성 나노 물질을 포함하는 전도성 기판(100)을 제공할 수 있다.
또한 본 발명에 따른 코팅 전도막(20)은 노광 및 세척을 진행하더라도 노광된 영역(25) 및 비노광된 영역(27)이 전도성 나노 물질이 유사하게 존재하기 때문에, 패턴 시인성 문제가 발생되는 것을 방지할 수 있다.
이와 같은 본 발명에 따른 전도성 기판에 대해서 구체적인 실시예를 통하여 코팅 전도막의 특성을 알아보면 다음과 같다.
제1 실시예
본 발명의 제1 실시예에 따른 전도성 기판은 기판으로는 PET 필름을 사용하였고, 전도성 나노 물질로는 은나노와이어를 사용하였다.
즉 제1 실시예에서는, 은나노와이어와 수용성 감광 물질인 감광성 폴리비닐알콜, 수분산성 폴리우레탄 바인더를 포함하는 은나노와이어 코팅액을 기판에 코팅하여 노광 및 세척 방법에 의해 전도도가 높은 영역과 전도도가 낮은 영역으로 구성된 패턴을 형성하였다. 은나노와이어는 직경 20~40nm, 길이 10~30㎛ 이었다. 이때 은나노와이어 코팅액에는 은나노와이어(0.15 중량%), 수용성 감광성 물질인 감광성 폴리비닐알콜(0.6 중량%), 분산제 HPMC (0.2 중량%), 수분산성 폴리우레탄 바인더(0.01 중량%)가 포함되어 있다.
은나노와이어 수분산액은 바코팅 방법으로 기판에 코팅하였고, 코팅된 기판은 온도 130℃에서 1분 동안 건조하였다. 건조된 감광성 박막의 면저항 값은 면저항 측정기로 측정이 되지 않는 정도로 높은 저항을 가지고 있었다(10MΩ/sq 이상). 감광성 박막을 크롬 포토마스크를 이용하여 특정 패턴 형태로 자외선을 1초 동안 조사하였고 130℃에서 5분간 후속 열처리(post baking)하였다. 그리고 용매인 물로 세척하고 건조함으로써, 기판 위에 형성된 제1 실시예에 따른 코팅 전도막을 얻을 수 있다.
제1 실시예에 따른 코팅 전도막의 자외선 노광 영역은, 도 8과 같이 다양한 선폭의 직선으로 형성되고, 노광 라인 폭에 따른 절연성을 조사하였다. 여기서 도 8은 본 발명의 제1 실시예에 따라 제조된 코팅 전도막의 배선 패턴의 선폭에 따른 절연성 테스트 패턴 구조를 보여주는 도면이다.
도 8을 참조하면, 자외선 노광 라인이 약간의 반투명 선으로 시인되는 투명 전도막으로 형성되지만, 그 위에 다른 고분자 물질을 오버코팅하거나 또는 다른 필름을 접합시켰을 때 노광 라인의 반투명 선은 시인되지 않았다.
노광 라인은 선폭이 다른 직선 형태로 되어 있는데 각각의 노광 라인을 경계로 하여 저항을 측정하였다. A 영역과 B 영역 사이에 형성된 제1 노광 라인(41)은 선폭이 150㎛이다. B 영역과 C 영역 사이에 형성된 제2 노광 라인(42)은 선폭이 100㎛이다. C 영역과 D 영역 사이에 형성된 제3 노광 라인(43)은 선폭이 60㎛이다. D 영역과 E 영역 사이에 형성된 제4 노광 라인(44)은 선폭이 40㎛이다. E 영역과 F 영역 사이에 형성된 제5 노광 라인(45)은 선폭이 30㎛이다. 그리고 F 영역과 G 영역 사이에 형성된 제6 노광 라인(46)은 선폭이 20㎛이다. 제1 내지 제6 노광 라인은 80mm의 길이로 형성하였다.
제1 내지 제4 노광 라인(41,42,43,44)의 저항 값은 모두 10MΩ/sq 이상으로 저항측정기로 저항 측정이 불가능할 만큼 노광 라인의 절연성이 높았다. 제5 노광 라인(45)의 저항 값은 20~30 kΩ, 제6 노광 라인(46)의 저항 값은 2kΩ 수준의 저항이 측정되었다.
A, B C, D, E, F, G 영역은 각각의 비노광 영역으로 세척에 의해 감광성 물질이 제거된 영역으로 높은 전기전도도를 가지는 영역이다. 이 영역에서 면저항 값은 120~150Ω/sq 수준이며, 광투과율은 90%, 헤이즈는 1.5 이었다.
자외선이 조사된 부분과 자외선이 조사되지 않은 영역의 표면 모포러지를 조사하기 위해, 도 9 내지 도 11에 도시된 바와 같이, 자외선 노광 라인과 비노광 영역을 전자 현미경으로 관찰하였다. 여기서 도 9 내지 도 11은 본 발명의 제1 실시예에 따라 제조된 코팅 전도막을 보여주는 사진들이다.
분석 결과, 자외선 노광 라인 영역 (a), (b)와, 자외선 비노광 영역 (c), (d)에서 은나노와이어의 모두 비슷하게 분포하고 있으며 자외선 노광으로 인해 은나노와이어 손상이 거의 없음을 알 수 있었다.
하지만 확대된 전자현미경 이미지 (b), (d)에서 자외선 노광 라인 영역(b)에서는 자외선 비노광 영역(d)과 비교할 때, 은나노아이어가 감광성 물질 및 바인더에 의해 덮여져 더 많이 함침되어 있으며 은나노와이어 간 접촉 특성이 좋지 않으며 이로 인해 저항이 증가됨을 확인할 수 있다. 그리고 그림 (b), (d)에서 바인더인 폴리우레탄은 은나노와이어를 기판에 접착시켜 세척과정에서 은나노와이어 탈락을 방지해 주는 것을 확인할 수 있다.
또한 자외선 노광으로 인해 은나노와이어 자체의 손상 없음을 전기적 특성으로 확인하기 위해, 제1 실시예에 따른 전도성 기판을 같은 출력의 자외선에 다시 5초가 노출한 후 그림 A, B, C, D, E, F, G 각각 영역의 면저항을 다시 측정하였다. 측정 결과, 자외선 노광 전의 A, B, C, D, E, F, G 영역의 면저항은 120~150Ω/sq 이였고 광투과율 90%이었다. 자외선 5초 노광 후 A, B, C, D, E, F, G 영역의 면저항도 120~150Ω/sq 이였고 광투과율도 90%로 나타나 5초 이내 자외선 노광으로 은나노와이어의 손상은 거의 없음을 알 수 있다.
제2 실시예
제2 실시예로 탄소나노튜브/은나노와이어 감광성 코팅액을 이용하여 전도도가 높은 영역과 전도도가 낮은 영역으로 구성된 패턴을 형성하였다.
탄소나노튜브/은나노와이어 감과성 코팅액에는 단일벽 탄소나노튜브와 직경 20~40nm, 길이 10~30㎛의 은나노와이어, 그리고 폴리에틸렌이민 바인더가 포함되어 있다. 이때 탄소나노튜브/은나노와이어 수분산액에는 탄소나노튜브 0.1 중량%, 은나노와이어 0.1 중량 %, HPMC 0.1 중량%, CTAB 0.1 중량%, 수용성 감광성 물질인 감광성 폴리비닐알콜 0.6 중량%, 폴리에틸렌이민 바인더 0.01 중량%가 포함되어 있다.
탄소나노튜브/은나노와이어 수분산액은 바코팅 방법으로 PET 필름에 코팅하였고, 코팅된 기판은 온도 130℃에서 1분 동안 건조하였다. 건조된 감광성 박막의 면저항 값은 면저항 측정기로 측정이 되지 않는 정도로 높은 저항을 가지고 있었다(10MΩ/sq 이상). 감광성 박막을 크롬 포토마스크를 이용하여 특정 패턴 형태로 자외선을 1초 동안 조사하였고 130℃에서 5분간 후속 열처리하였다. 그리고 용매인 물로 세척하고 건조함으로써, 기판 위에 형성된 제1 실시예에 따른 코팅 전도막을 얻을 수 있다.
제2 실시예에 따른 코팅 전도막의 자외선 노광 영역은, 도 8과 같이 다양한 선폭의 직선으로 형성되고, 노광 라인 폭에 따른 절연성을 조사하였다.
그 결과 자외선 노광 라인이 약간의 반투명 선으로 시인되는 투명 전도막으로 형성되지만, 그 위에 다른 고분자 물질을 오버코팅하거나 또는 다른 필름을 접합시켰을 때 노광 라인의 반투명 선은 시인되지 않았다.
제1 내지 제4 노광 라인(41,42,43,44)의 저항 값은 모두 10MΩ/sq 이상으로 저항측정기로 저항 측정이 불가능할 만큼 노광 라인의 절연성이 높았다. 제5 노광 라인(45)의 저항 값은 30~50 kΩ, 제6 노광 라인(46)의 저항 값은 3kΩ 수준의 저항이 측정되었다.
A, B C, D, E, F, G 영역은 각각의 비노광 영역으로 세척에 의해 감광성 물질이 제거된 영역으로 높은 전기전도도를 가지는 영역이다. 이 영역에서 면저항 값은 110~140Ω/sq 수준이며, 광투과율은 89%, 헤이즈는 1.3 이었다.
자외선이 조사된 부분과 자외선이 조사되지 않은 영역의 표면 모포러지를 조사하기 위해, 도 12 및 도 13에 도시된 바와 같이, 자외선 노광 영역과 비노광 영역을 전자 현미경으로 관찰하였다.
분석 결과, 자외선 노광 라인 영역 (a), (b)와, 자외선 비노광 영역 (c), (d)에서 은나노와이어의 분포 차이는 거의 없었으며 자외선 노광으로 인해 은나노와이어 손상이 거의 없음을 알 수 있었다.
하지만 확대된 전자현미경 이미지 (b), (d)에서 자외선 노광 라인 영역(b)에서는 자외선 비노광 영역(d)과 비교할 때, 은나노아이어가 감광성 물질 및 바인더에 의해 덮여져 있으며 은나노와이어 간 접촉 특성이 좋지 않으며 이로 인해 저항이 증가됨을 확인할 수 있다. 탄소나노튜브의 매우 작은 입자 크기로 인해 SEM 이미지상 잘 보이지 않지만 확대된 비노광 영역 (b), (d)에서 확인할 수 있다. (b)의 경우 감광성 물질 및 기타 조성물로 인해 명확히 보이지는 않지만 일부 영역에서는 탄소나노튜브를 확인할 수 있다.
또한 자외선 노광으로 인해 은나노와이어 자체의 손상이 없음을 전기적 특성으로 확인하기 위해, 제2 실시예에 따른 전도성 기판을 같은 조건의 자외선에 다시 5초가 노출한 후 그림 A, B, C, D, E, F, G 각각 영역의 면저항을 측정하였다. 측정 결과, 자외선 노광 전의 A, B, C, D, E, F, G 영역의 면저항은 110~140Ω/sq로 측정되었으며 광투과율 89%, 헤이즈 1.3 이었다. 자외선 5초 노광 후 A, B, C, D, E, F, G 영역의 면저항도 110~135Ω/sq 이였고 광투과율도 89%, 헤이즈 1.3으로 나타나, 5초 이내 자외선 노광으로 코팅 전도막의 특성 저하가 거의 없음을 확인할 수 있다.
한편, 본 명세서와 도면에 개시된 실시예들은 이해를 돕기 위해 특정 예를 제시한 것에 지나지 않으며, 본 발명의 범위를 한정하고자 하는 것은 아니다. 여기에 개시된 실시예들 이외에도 본 발명의 기술적 사상에 바탕을 둔 다른 변형예들이 실시 가능하다는 것은, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게는 자명한 것이다.
10 : 기판
21 : 전도성 나노 물질
23 : 감광성 박막
25 : 노광된 영역
27 : 비노광된 영역
29 : 배선 패턴
20 : 코팅 전도막
30 : 마스크
31 : 패턴홀
100 : 전도성 기판
21 : 전도성 나노 물질
23 : 감광성 박막
25 : 노광된 영역
27 : 비노광된 영역
29 : 배선 패턴
20 : 코팅 전도막
30 : 마스크
31 : 패턴홀
100 : 전도성 기판
Claims (8)
- 전도성 나노 물질 0.01~5 중량%, 자외선 감광성 물질 0.01~3 중량% 및 바인더 1 중량% 이하를 포함하며,
상기 전도성 나노 물질은 금속나노와이어 또는 나노탄소이고,
상기 자외선 감광성 물질은 감광성 작용기로 N-methyl-4(4'-formylstyryl)pyridinium methosulfate acetal 작용기를 가진 폴리비닐알콜이고,
상기 바인더는 수분산성 폴리우레탄 또는 양이온성 고분자전해질인 것을 특징으로 하는 코팅 전도막 제조용 감광성 코팅액 조성물. - 삭제
- 제1항에 있어서, 상기 양이온성 전해질은,
poly(diallydimethylammonium chloride), poly(allyamine hydrochloride), poly(3,4-ethylenedioxythiophene)(PEDOT), poly(2-vinylpyridine), poly(ethylenenimine), poly(acrylamide-co-diallylmethylammonium chloride), cationic polythiophene, polyaniline, poly(vinylalcohol) 또는 이들의 유도체를 포함하는 것을 특징으로 하는 코팅 전도막 제조용 감광성 코팅액 조성물. - 기판 상에 형성된 코팅 전도막으로,
전도성 나노 물질, 자외선 감광성 물질 및 바인더를 포함하며, 자외선 노광 및 세척에 의해 노광된 영역과 비노광된 영역이 형성되고, 상기 비노광된 영역이 노광된 영역 대비 2배 이상의 전기전도도를 갖고, 상기 노광된 영역과 비노광된 영역에 균일하게 상기 전도성 나노 물질이 분포하는 것을 특징으로 하는 코팅 전도막. - 제4항에 있어서,
상기 전도성 나노 물질은 금속나노와이어 또는 나노탄소이고, 상기 자외선 감광성 물질은 감광성 작용기로 N-methyl-4(4'-formylstyryl)pyridinium methosulfate acetal 작용기를 가진 폴리비닐알콜이고, 상기 바인더는 수분산성 폴리우레탄 또는 양이온성 고분자전해질인 것을 특징으로 하는 코팅 전도막. - 제4항에 있어서,
상기 비노광된 영역은 상기 노광된 영역에 비해서 상기 자외선 감광성 물질이 세척 과정에서 더 많이 제거되어 그 잔류물 함량이 더 낮은 것을 특징으로 하는 코팅 전도막. - 제6항에 있어서,
상기 비노광된 영역 및 상기 노광된 영역에 상기 전도성 나노 물질이 분포되어 있으며 두 영역에서 유사한 분포 구조 및 유사한 분포 밀도를 형성하고 있는 것을 특징으로 하는 코팅 전도막. - 제4항에 있어서,
상기 비노광된 영역과 상기 노광된 영역에서 노광된 영역은 비노광된 영역에 비해 전도성 나노 물질이 자외선 감광성 물질에 더 많이 함침되어 있는 구조를 가지고 있는 것을 특징으로 하는 코팅 전도막.
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