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KR101828578B1 - 금속 나노와이어와 금속입자가 용접된 금속복합구조체의 제조방법 - Google Patents

금속 나노와이어와 금속입자가 용접된 금속복합구조체의 제조방법 Download PDF

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KR101828578B1
KR101828578B1 KR1020160077376A KR20160077376A KR101828578B1 KR 101828578 B1 KR101828578 B1 KR 101828578B1 KR 1020160077376 A KR1020160077376 A KR 1020160077376A KR 20160077376 A KR20160077376 A KR 20160077376A KR 101828578 B1 KR101828578 B1 KR 101828578B1
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metal particles
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광주과학기술원
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Abstract

금속 나노와이어와 금속입자의 일함수 및 표준전극전위 차를 이용하여, 형성된 금속복합구조체의 제조방법이 제공된다. 금속 나노와이어와 금속입자를 전도성 기판 상에 형성하고 물을 도입하여 일함수 및 표준전극전위차에 의해 금속입자가 금속 나노와이어로 용접되어 금속복합구조체가 형성된다. 형성된 금속복합나노체는 금속 나노와이어의 결정성을 저하시키지 않으며, 친환경적 나노용접기술을 이용하여 투명전극 소재로 사용될 수 있다.

Description

금속 나노와이어와 금속입자가 용접된 금속복합구조체의 제조방법{Method of fabricating metal complex structure by welding of metal nanowires and metal particles}
본 발명은 금속 나노와이어의 제조방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 금속입자와 금속 나노와이어를 용접시켜 형성된 금속복합구조체의 제조방법에 관한 것이다.
투명전극은 태양광, 디스플레이, 발광다이오드 등과 같은 다양한 광소자에 적용되어 매우 많은 연구가 진행되고 있다. 투명전극으로 상용화되어 있는 ITO 투명전극의 경우 고전도 박막을 형성하기 위해서 300℃ 이상의 고온 박막 과정이 요구된다. 그러나 플렉시블한 고분자 기판(PET, PEN, PAR, PES)의 경우 200도 이상의 온도에서 공정이 어렵기 때문에 상온에서 증착된 비정질 구조의 ITO 박막을 플렉시블 투명전극으로 사용하게 된다. 비정질 ITO 박막의 경우 결정질 ITO에 비해 높은 결함 밀도로 높은 면저항을 갖는다. 또한, 휘어짐에 대한 내구성이 취약하여 유연소자에의 적용에 한계가 있다.
따라서, 유연한 소자에 적용 가능한 투명전극 물질로서 금속 나노와이어 기반의 투명전극이 활발히 연구되고 있다. 금속 나노와이어 기반의 투명전극은 금속 나노와이어의 밀도가 높으면 전기적 특성이 향상되지만 투과도가 감소하는 문제가 있어서 소량의 금속 나노와이어만 사용하여 고투과도 고전도도특성을 가지는 투명전극이 연구되고 있다. 특히, 금속 나노와이어 기반 투명전극에서 전도도 특성을 개선하는 방법으로 금속 나노와이어 간의 접합부분을 용접하는 나노 용접기술이 연구 되고 있다.
나노 용접기술로는 열을 이용한 방법, 빛을 이용한 플라즈마 용접기술, 염과 환원제를 이용한 화학적 용접기술 등의 다양한 방법들이 연구되고 있다. 하지만 기존의 나노 용접기술은 금속 나노와이어의 결정성을 악화 시키거나 화학물질을 추가로 사용하여 공정비용을 증가시키고 안정성이 떨어지는 단점이 있다.
따라서, 기존의 나노 용접기술을 적용한 금속 나노와이어의 결정성 감소 및 추가로 사용되는 화학물질 등으로 인한 공정 단가 향상 및 안정성이 저해되는 점도 해결해야 할 문제점이다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 투명전극소재로 금속 나노와이어와 금속입자가 용접된 금속복합구조체의 제조방법을 제공하는데 있다.
상기 과제를 해결하기 위한 본 발명은, 전도성 기판 상에 금속 나노와이어를 형성하는 단계, 상기 금속 나노와이어가 형성된 전도성 기판 상에 금속입자를 형성하는 단계, 및 물을 도포하여 상기 금속 나노와이어를 용접하는 단계를 포함하는 금속복합구조체의 제조방법을 제공할 수 있다.
상기 금속 나노와이어가 형성된 전도성 기판 상에 금속입자를 형성하는 단계에서, 상기 금속입자는 상기 금속 나노와이어보다 낮은 일함수와 표준전극전위를 갖는 것을 특징으로 하는 금속복합구조체의 제조방법을 포함할 수 있다.
상기 금속 나노와이어가 형성된 전도성 기판 상에 금속입자를 형성하는 단계에서, 상기 금속입자 형성방법은 진공 증착 또는 금속입자 표면에 산화금속입자가 둘러진 코어쉘 구조의 입자 또는 금속입자에 용액을 도포하는 용액공정을 이용하여 형성되는 것을 특징으로 하는 금속복합구조체의 제조방법을 제공할 수 있다.
물을 도포하여 상기 금속 나노와이어로 용접하는 단계에서, 반응속도를 증가 시키기 위해 금속이온이 포함된 염을 첨가하거나 또는 산도를 조절하는 것을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 금속복합구조체의 제조방법을 포함할 수 있다.
물을 도포하여 상기 금속 나노와이어로 용접하는 단계에서, 낮은 일함수와 표준전위전극을 가지는 금속입자의 전자는 이탈되는 것을 특징으로 하는 금속복합구조체의 제조방법을 제공할 수 있다.
상기 금속입자는 상기 금속 나노와이어보다 낮은 일함수를 가지고, 상기 금속입자로부터 이탈한 전자는 상기 전도성 기판을 통해 상기 금속 나노와이어들의 접합 부분으로 이동하는 것을 특징으로 하는 금속복합구조체의 제조방법을 포함할 수 있다.
물을 도포하여 상기 금속 나노와이어와 금속입자를 용접하는 단계는, 상기 기판 상에 물을 도포하여 1분 내지 5분을 반응시키는 것을 특징으로 하는 금속복합구조체의 제조방법을 제공할 수 있다.
물을 도포하여 물을 도포하여 상기 금속 나노와이어와 금속입자를 용접하는 단계는, 물 도포 반응 후에는 질소가스로 전도성 기판 상에 도포된 물을 제거해주는 것을 특징으로 하는 금속복합구조체의 제조방법을 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 금속복합구조체의 제조방법에 따라 금속입자와 금속 나노와이어를 이용하고, 물을 도포하여 금속입자를 금속 나노와이어에 용접시켜 금속복합구조체를 형성하여 금속 나노와이어의 결정성에도 저해되지 않고 전기전도도 및 광투과율을 향상시킬 수 있다.
또한, 제조된 금속복합구조체는 물을 도포하여 용접시키는 친환경적인 공정으로 추가되는 화학물질 없이 제조 가능하여 투명전극의 소재로써, 높은 경제성을 지닐 수 있다.
다만, 발명의 효과는 이상에서 언급한 효과로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 효과들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 금속복합구조체의 제조방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예와 비교예에 따른 전도성 기판 유무에 따라 형성되는 금속복합구조체에 대해 설명하기 위한 SEM 이미지이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예와 비교예에 따른 면저항을 비교하기 위한 그래프이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 광투과도 그래프이다.
이하 첨부된 도면을 참고하여 본 발명에 의한 실시예를 상세히 설명하면 다음과 같다.
본 발명의 실시형태는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 이하 설명하는 실시 형태로 한정되는 것은 아니다. 또한, 본 발명의 실시형태는 당 기술 분야에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 더욱 완전하게 설명하기 위해서 제공되는 것이다. 따라서, 도면에서의 요소들의 형상 및 크기 등을 보다 명확한 설명을 위해 과장될 수 있으며, 도면상의 동일한 부호로 표시되는 요소는 동일한 요소이다.
실시예
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 금속복합구조체의 제조방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 금속복합구조체의 제조방법이 개시된다.
먼저, 전도성 기판(10) 상에 금속 나노와이어(100)가 형성된다.
이어서, 상기 금속 나노와이어(100) 상에 금속입자(200)가 형성된다.
마지막으로, 물을 도포하여 상기 금속입자(200)가 금속 나노와이어(100)에 용접되어 금속복합구조체(300)가 형성된다.
이하, 상기 도 1에 개시된 제조방법은 더욱 상세히 설명된다.
전도성 기판(10) 상에 금속 나노와이어(100)가 형성되고 상기 금속 나노와이어(100)에 금속입자(200)가 형성된다. 상기 금속입자(200) 형성방법은 진공 증착 또는 금속입자(200) 표면에 산화금속입자가 둘러진 코어쉘 구조의 입자 또는 금속입자(200)에 용액을 도포하는 용액공정을 이용하여 형성될 수 있다. 또한, 전도성 기판(10) 상에 형성되는 금속 나노와이어(100)와 금속입자(200)는 상기 전도성 기판(10)과 서로 오믹 접합을 통해서 전류가 통한다. 반도체의 종류와 금속과 반도체의 상대적인 일함수 차이에 따라 전류 특성이 달라지고 오믹 접합 또는 정류성 접합을 가질 수 있다.
다만, 금속입자(200)는 금속 나노와이어(100)보다 낮은 일함수와 낮은 표준전극전위를 갖고 있는 것이며, 금속입자(200)의 결정성 및 구조는 은 한정되지 않는다. 일함수는 금속 내 전자들이 결합하고 있는 인력의 척도이며, 금속 표면부터 전자 1개를 여기하는데 필요한 에너지이다. 즉, 일함수가 낮으면, 전자의 결합력은 상대적으로 낮아지고, 낮은 일함수를 가지는 금속입자(200)의 전자는 이탈이 용이하다.
이로써, 금속입자(200)는 금속 나노와이어(100)보다 낮은 일함수를 가지고, 금속입자(200)로부터 이탈한 전자는 전도성 기판(10)을 통해 상기 금속 나노와이어(100)들의 접합 부분으로 이동한다. 또한, 물은 1분 내지 5분동안 도포하여 반응시킬 수 있다. 물이 도포되고 금속 나노와이어(100)로 용접하는 단계에서 물속에서 반응속도를 증가시키기 위해 금속이온이 포함된 염을 첨가하거나, 산도를 조절할 수 있다.
이로써, 표준전극전위가 큰 금속 나노와이어(100)로 금속입자(200)의 전자들이 전도층을 따라 공급되고 금속 나노와이어(100) 접합부분에 많은 전자들이 존재하게 되어 상대적으로 강한 음의 전하를 띄게 된다.
따라서, 물속에 녹아 있는 금속입자(200)의 양이온들은 표준상태를 맞추기 위하여 음의 전하를 띄는 부분으로 이동하여 결합하게 된다. 따라서, 금속입자(200)는 용해되고 금속 나노와이어(100) 접합 부분으로 금속입자(200)가 용접되어 금속복합구조체(300)가 형성된다.
도 2는 본 발명의 일 실시예와 비교예에 따른 전도성 기판 유무에 따라 형성되는 금속복합구조체에 대해 설명하기 위한 SEM 이미지이다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 실시예와 비교에에 따른 전도성 기판(10) 유무에 따라 형성되는 금속복합구조체(300)에 대해 설명하기 위한 SEM 이미지가 개시된다.
도 2에 (a)에서, 일 실시예로 도 1에서 개시된 제조방법으로 제조된 금속복합구조체(300)가 개시된다.
먼저, 전도성 기판(10) 상에 금속 나노와이어(100)가 형성된다.
이어서, 상기 금속 나노와이어(100) 상에 금속입자(200)가 형성된다.
상기 형성된 금속입자(200)는 상기 금속 나노와이어(100)보다 낮은 일함수와 표준전극전위를 갖는 것이며, 금속입자(200)의 크기는 한정하지 않는다.
이어서, 물을 도포하면 반응이 시작된다. 전도성 기판(10) 상에 물을 도포하고 1분 내지 5분 반응시킨다. 또한, 상기 금속입자(200)는 일함수 및 표준전극전위가 큰 금속 나노와이어(100)로 용접되어 금속복합구조체(300)가 형성된다.
마지막으로, 물 도포 반응 후에는 질소가스로 전도성 기판(10) 상의 도포된 물을 제거한다.
도 2에 (b) 내지 (c)는 비교예들이 개시된다.
도 2에 (b)를 참조하면, 글라스 상에 금속 나노와이어(100)와 금속입자(200)의 합성한 것에 대한 SEM 이미지가 개시된다. 이하, 제조방법은 비교예 1에서 상세히 설명된다.
<비교예 1>
글라스 상에 금속 나노와이어와 금속입자의 합성
먼저, 글라스 상에 금속 나노와이어(100)가 형성된다. 이어서, 상기 금속 나노와이어(100) 상에 금속입자(200)가 형성된다. 형성된 상기 금속입자(200)는 일함수 및 표준전극전위가 금속 나노와이어(100) 보다 작은 것이 사용된다. 마지막으로 10분간 물을 도포하고 질소가스로 물을 제거한다.
도 2의 (b)는 도 2의 (a)와 동일한 제조방법으로 형성되나, 도 2의 (a)는 금속 나노와이어(100)와 금속입자(200)가 전도성 기판(10) 상에 형성되고, 도 2의 (b)의 경우는 글라스 상에 형성된다.
도 2의 (b)에서, 금속입자(200)는 금속 나노와이어(100)로 용접되지 않고 글라스 상에 증착된 금속입자(200)들이 전면에 분포되어 있으며, 금속입자(200)들 사이로 금속 나노와이어(100)가 위치한다. 금속 나노와이어(100)는 서로 같지 않은 평행선 상에 교차되어 위치한다. 전도성 기판(10)과 금속입자(200) 및 금속 나노와이어(100)는 서로 오믹 접합을 하고 일함수 및 표준전극전위 차이에 의해 금속입자(200)의 전자가 전도성 기판(10)에 의해 금속 나노와이어(100)로 이동하여 금속입자(200)가 금속 나노와이어(100)로 용접된다. 하지만, 글라스의 경우, 전류가 흐르지 않기 때문에 전자의 이동이 일어나지 않아 금속입자(200)와 금속 나노와이어(100)는 서로 용접될 수 없다.
도 2의 (c)를 참조하면, SI 기판 상에 금속입자(200)가 금속 나노와이어(100)로 용접되어 형성된 금속복합구조체(300)의 SEM 이미지가 개시된다. 이하, 제조방법은 비교예 2에서 상세히 설명된다.
<비교예 2>
SI 기판 상에 형성된 금속복합구조체
전도성 기판(10)으로 SI기판이 사용된다. 먼저, SI기판 상에 금속 나노와이어(100)가 형성된다. 이어서, 상기 금속 나노와이어(100) 상에 금속입자(200)가 형성된다. 마지막으로 10분간 물을 도포하고 질소가스로 물을 제거한다.
도 2의 (a) 내지 (c)는 동일한 제조방법으로 제조된다. 다만, (c)의 전도성 기판(10)으로 SI 기판이 사용되고 물을 도포하여 금속입자(200)가 전도성 기판(10)인 SI 기판을 통해서 금속입자(200)의 전자가 이동하여 금속 나노와이어(100)로 용접되어 금속복합구조체(300)를 형성한다. 따라서, 물을 도포하여 금속입자(200)가 금속 나노와이어(100)로 용접되어 금속복합구조체(300)를 형성하는 제조방법에 사용되는 전도성 기판(10)의 종류는 한정 하지 않는다.
도 3은 본 발명의 일 실시예와 비교예에 따른 면저항을 비교하기 위한 그래프이다.
도 3을 참조하면, 실시예와 비교예에 따른 면저항 그래프가 개시된다.
도 3의 (a)는 일 실시예에 따른 면저항 그래프가 개시된다.
첫번째 샘플은 전도성 기판(10) 상에 금속 나노와이어(100)를 형성한 것이다.
두번째 샘플은 상기 첫번째 샘플 상에 금속입자(200)를 5nm로 형성한 것이다.
세번째 샘플은 상기 두번째 샘플 상에 물을 도포하여 10분 반응시키고 질소가스로 건조시킨 것이다.
네번째 샘플은 두번째 샘플 상에 물을 도포하여 24시간 반응시키고 질소가스로 건조시킨 것이다.
도 3의 (b)는 비교예에 따른 면저항 그래프가 개시된다.
첫번째 샘플은 글라스 상에 금속 나노와이어(100)를 형성한 것이다.
두번째 샘플은 상기 첫번째 샘플 상에 금속입자(200)를 5nm로 형성한 것이다.
세번째 샘플은 상기 두번째 샘플 상에 물을 도포하여 10분 반응시키고 질소가스로 건조시킨 것이다.
도 3의 (a)는 전도성 기판(10)상에 금속 나노와이어(100)와 금속입자(200)가 형성되어 글라스 상에 형성된 (b)와 비교하여 전반적으로 낮은 면저항을 갖는다. (b)는 전도성이 없는 글라스 상에 형성된 금속 나노와이어(100)와 금속입자(200)이며, 전반적으로 높은 면저항 값을 갖는다. 또한, 금속 나노와이어(100) 상에 금속입자(200)가 형성되면 면저항이 감소하는 경향성을 나타낸다. (a)의 경우, 글라스의 영향으로 상대적으로 높은 면저항을 갖으며 금속입자(200) 형성으로 인한 면저항이 크게 감소하나 물을 도포하면 면저항이 높아진다. (b)의 경우, 전도성 기판(10) 상에 금속 나노와이어(100)와 금속입자(200)를 형성하여 비교적 낮은 면저항을 갖으며, 물을 도포한 후에는 면저항 값이 크게 감소한다. (a)는 물 도포 24시간 후의 면저항을 측정한 네번째 샘플의 경우에도 세번째 샘플 물 도포 반응시간 1분 내지 5분 후와 비슷한 면저항 값이 유지된다. 이는 금속입자(200)가 용해되어 금속 나노와이어(100)들의 접합부분으로 용접되는 과정이 끝나면 더 이상 화학 반응이 진행되지 않는 비가역적 반응이다.
특히, 전도성 기판(10) 상에 금속 나노와이어(100)와 금속입자(200)를 형성하고 물을 도포하여 용접시켜 금속복합구조체(300)를 형성한 (a)와 글라스 상에 금속 나노와이어(100)와 금속입자(200)가 용접되지 않은 (b)와 비교하면 (a)는 전반적으로 낮은 면저항 값을 갖는다.
따라서, 전도성 기판(10) 상에 금속 나노와이어(100)와 금속입자(200)를 형성하여 전자를 이동을 유도하고 일함수 및 표준전극전위 차에 따라 금속입자(200)가 금속 나노와이어(100)에 용접됨에 따라, 낮은 면저항을 갖을 수 있다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 광투과도 그래프이다.
비교예 1은 글라스 상에 금속 나노와이어(100)와 금속입자(200)를 형성한 것이다. 글라스 상에서 금속입자(200)는 금속 나노와이어(100)로 용접되지 않는다. 따라서, 잔존하는 금속입자(200)들은 빛이 투과되는 것을 방해하게 되어 광투과율이 낮아진다.
반면, 본 발명의 경우, 전도성 층 상에 금속 나노와이어(100)와 금속입자(200)가 형성되고 금속입자(200)가 금속 나노와이어(100)로 용접되기 때문에 잔존하는 금속입자(200)가 감소하여 광투과율이 향상된다.
따라서, 금속복합구조체(300)는 금속 나노와이어(100)와 금속입자(200)가 전도성 기판(10) 상에 형성되고 물 내에서 금속입자(200)가 용해되어, 일함수 및 표준전극전위 차에 의하여 금속 나노와이어(100)로 용접되어 형성된다. 형성된 금속복합구조체(300)는 금속 나노와이어(100)의 결정성을 저하시키지 않으며, 물 내에서 용접되어 용접을 위한 추가적인 화합물질이 필요하지 않아 공정비용을 절감할 수 있다. 또한, 형성된 금속복합구조체(300)는 면저항을 감소시키고, 광투과율은 향상시켜 투명전극의 소재로 사용될 수 있다.

Claims (8)

  1. 전도성 기판 상에 금속 나노와이어를 형성하는 단계;
    상기 금속 나노와이어가 형성된 전도성 기판 상에 상기 금속 나노와이어보다 낮은 일함수와 표준전극전위를 가지는 금속입자를 형성하는 단계; 및
    물을 도포하여 상기 금속입자를 용해하고, 상기 물을 통해 전자가 이탈된 상기 금속입자를 이동시키고, 상기 이탈된 전자는 상기 전도성 기판을 통해 상기 금속 나노와이어들의 접합 부분으로 이동하여 상기 금속 나노와이어를 용접하는 단계를 포함하는 금속복합구조체의 제조방법.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서, 상기 금속 나노와이어가 형성된 전도성 기판 상에 금속입자를 형성하는 단계에서
    상기 금속입자 형성방법은 진공 증착 또는 금속입자 표면에 산화금속입자가 둘러진 코어쉘 구조의 입자 또는 금속입자에 용액을 도포하는 용액공정을 이용하여 형성되는 것을 특징으로 하는 금속복합구조체의 제조방법.
  4. 제1항에 있어서, 상기 물을 도포하여 상기 금속 나노와이어로 용접하는 단계에서
    반응속도를 증가 시키기 위해 금속이온이 포함된 염을 첨가하거나 또는 산도를 조절하는 것을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 금속복합구조체의 제조방법.
  5. 삭제
  6. 삭제
  7. 제1항에 있어서, 상기 물을 도포하여 상기 금속 나노와이어와 금속입자를 용접하는 단계는
    상기 기판 상에 물을 도포하여 1분 내지 5분을 반응시키는 것을 특징으로 하는 금속복합구조체의 제조방법.
  8. 제7항에 있어서, 상기 물을 도포하여 상기 금속 나노와이어와 금속입자를 용접하는 단계는
    상기 물 도포 반응 후에는 질소가스로 상기 전도성 기판 상에 도포된 물을 제거해주는 것을 특징으로 하는 금속복합구조체의 제조방법.
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