Ag nanowire is one of strong candidates for ITO substitutes for its high transparency, conductivity and flexibility. Longer nanowire is more beneficial for these properties. And we synthesized ultralong nanowire of ~500um length with multigrowth process which uses repetitive Ag ion reduction. Ultralong Ag nanowires mesh electrode fabricated with suggested vacuum transfer method shows competitive performance, transparency of 96.15%, 94.68%, 92.57%, 90.47% and 88.71% with the sheet resistance of 186 Ohm/sq, 69 Ohm/sq, 23 Ohm/sq, 19 Ohm/sq and 9 Ohm/sq. Suggested vacuum transfer process utilizes the uniform vacuum pressure for filtering, pressing for transfer and fixing a patterning film. This method has various merits. Vertical pressing with vacuum pressure and thin Teflon filter enable this process to transfer Ag nanowires on glass substrate without heat or transfer-assisting material. This process uses dry transfer method and does not involve common steps such as removing membrane filter and rinse. And it can form patterned electrode easily with the aid of patterning film. This process is economical in that Ag nanowires are deposited on the area where they are necessary and the membrane filter is reusable.
Subsequent annealing process is important for the enhancement of conductivity. Thermal annealing improves the conductivity of the fabricated nanowires electrode. But process is time-consuming and not proper for flexible electronics. Laser annealing process suggested in this research is expeditious and proper for Ag nanowires annealing on flexible substrates. Laser enhances the field on the nanowires junction part and makes the local heating occur, which prevents the flexible substrate from deformation.
The mesh structure of nanowires has advantage in flexible electronics field because of its strain-enduring characteristic. For practical application, design or positioning of electrical element is very important. In this research, bendable Ag nanowires electrode is suggested using neutral axis. Bendable electrode is fabricated by encapsulating Ag nanowires with 2 PDMS layers with same thickness. It shows stable resistance after ~10000 times of bending.
Stretchable electrode is fabricated with prestrained substrate and vacuum transfer. And annealing enables the electrode to work over its prestrain range. Fabricated electrodes maintain conductivity over 460% strain. To the best of our knowledge this is the most stretchable conductor. And repetitive stretching test has shown that the electrode maintains stable electrical properties.
Bendable and foldable paper circuits combined with LEDs shows the feasibility of the application of Ag nanowires to paper. And LED keeps emitting light when Ag nanowires electrode is stretched up to 370% with 3V voltage. And touch panel composed of Ag nanowires electrodes shows the possibility of Ag nanowires to various types of electronic equipment such as smart phones.
기존의 투명전극으로 쓰이는 ITO (Indium Tin Oxide)는 전도성, 투명도 측면에서 좋은 물질이나 유연소자를 만들 수 있을 만큼 유연하지 않기 때문에 한계가 있다. 또한 매장량에 한계가 있어 가격이 불안정하다. 이를 대체하기 위한 물질 중에서 은 나노와이어 투명 전극으로써 우수한 성능을 가질 뿐 아니라 유연소자에도 적용이 가능하기 때문에 기대가 크다. 이러한 메탈 나노와이어의 경우, 길이가 길어지게 되면 전도성, 투명도 측면에서 성능을 늘일 수 있게 된다. 또한 긴 나노 와이어는 유연소자에서 스트레스를 완화하는 역할을 한다. 본 연구에서는 multiple growth process를 제시하고, 이를 이용하여 500um에 달하는 매우 긴 은 나노와이어를 합성하였다. 또한 vacuum transfer method라는 효율적이고 경제적이고 신속한 전극 제조 및 패터닝 공정을 제시하였다. 이를 통해 제조된 전극은 96.15%, 94.68%, 92.57%, 90.47%, 88.71%의 투명도에서186 Ohm/sq, 69 Ohm/sq, 23 Ohm/sq, 19 Ohm/sq, 9 Ohm/sq의 면저항 값을 가지며 이는 기존 논문에서 제시된 어떠한 투명전극에도 떨어지지 않는다.
또한 전극 성능 향상을 위한 나노와이어의 annealing 공정으로써 laser annealing을 도입하였다. 레이저를 사용하면 나노와이어가 서로 겹쳐져서 맞닿는 부분에서 필드가 enhance되어 국소적으로 heating을 할 수가 있다. 이를 통해 레이저를 통해 나노와이어 간에 welding 효과가 일어나는 것을 확인하였다. 이러한 laser annealing 공정은 thermal annealing에 비해 신속한 공정이 가능하고, 나노와이어와 나노와이어의 연결에만 영향을 미치기 때문에 substrate을 손상시키지 않는다. 따라서 유연소자 제조에도 매우 유리한 공정이라 할 수 있다.
형성된 은 나노와이어 전극을 유연한 기판의 neutral axis에 위치시키는 방법으로써 굽힘의 방향에 관계없이 안정된 저항값을 보이는 전극을 제시하였다. 이는 2mm의 굽힘 반경으로 10000번을 굽힘 실험을 했을 때에도 안정된 저항값을 보였다. 또한 본 연구에서 제시한 vacuum transfer method를 통해 은 나노와이어 네트워크를 미리 인장된 고신축성 폴리머에 전사시킴으로써 고신축성의 전극을 제조하였다. 이 전극은 460%의 인장에서도 전도성을 가지는 것으로 확인되었으며, 우리가 아는 한, 기존의 어떠한 전극보다도 좋은 신축성을 가지는 전극이다. 신축성 전극의Annealing에는 thermal 방식과 laser 방식이 모두 사용되었다. 125% 인장된 시편에 전사된 나노와이어 전극을 100%의 스트레인으로 100번 인장했을 때 안정된 안정된 저항값을 보이는 것을 확인하였다. 이에 추가적으로 전사시 인장값보다 큰 150%의 스트레인으로 100번 인장 결과, 저항값이 처음값에 비해 커지기는 했으나 안정된 저항값이 나오는 것을 확인하였다. 또한 길이가 다른 나노와이어를 이용한 전극의 신축성을 측정함으로써 긴 나노와이어가 신축성 있는 전극을 만들기에 유리하다는 것을 실험적으로 보였다.
은 나노와이어 전극은 vacuum transfer method를 이용하여 패터닝된 채로 종이에 전사될 수 있다. 이 전극 위에 LED를 array로 연결시키고, 종이에 굽힘과 접힘을 가했을 때 에도 LED에서 빛이 나오는 것을 확인하였다. 또한 앞서 제조된 고신축성 전극과 LED를 연결하고 약 400% 정도 인장했을 때, 3V의 전압에 LED가 빛을 내고 있음을 확인하였다. 또한 polyol 합성을 통해 만들어진 나노와이어를 이용하여 처음으로 터치패널이 작동되는 것을 보였다. 이를 통해 메탈 나노와이어의 활용 가능성을 보였다.
