Compared with silver nanowire which is not so sensitive to oxidation problem but very expensive, the use of very cheap and highly conductive copper nanowire for percolation network transparent conductor has been very much limited in ambient condition due to the severe oxidation during the conventional thermal annealing process. In this study, we introduce a facile ultrafast laser nanowelding process using plasmonic effect at nanowire junction to suppress oxidation and successfully fabricate copper nanowire based percolation network conductor without any inert novel gas or vacuum environment. Due to the low temperature and fast process nature, plasmonic laser nanowelding could form copper nanowire network on heat sensitive flexible or even stretchable substrates. Through the ultrafast thermal treatment by plasmonic laser nanowelding, copper nanowire percolation network could demonstrate (1) transparent conductors with high transmittance, low sheet resistance for touch panel, and (2) highly stretchable conductors with superior mechanical reliability, which are almost impossible to achieve by conventional bulk thermal treatment.
현재 투명전극은 에너지 저장장치, 휘어지는 디스플레이 등에 핵심적인 요소로 적용되고 있다. 그러므로 다양한 연구가 수행되고 있다. 특히, ITO (Indium Tin Oxide)가 많이 사용되고 있는데, ITO의 가시광선 영역에서 높은 투과성 대비 낮은 면저항 성질 때문에 많이 사용되고 있다. 그러나 ITO는 기본적으로 세라믹 기반 물질이기 때문에 인장력에 매우 약한 단점을 가지고 있다. 또한 인듐의 희귀성 때문에 ITO의 가격 상승이 문제시 되고 있다. 이러한 문제를 해결하기 위해 ITO를 대체하기 위한 다양한 물질을 사용한 투명전극 제작 연구들이 수행되고 있다. 대표적으로 CNT (Carbon Nanotube), Graphene, Metal grid (Ag, Au), Metal Nanowire (Ag, Au) 등이 많이 연구 되고 있다. 그러나 귀금속의 높은 가격 단가와 합성과정의 복잡성으로 단순히 ITO의 성능 개선만을 목표로 하고 있으며 가격적인 경쟁력은 고려하지 않은 연구들이 진행되고 있다. Cu(구리)의 경우 풍부한 매장량과 낮은 원자재 가격에도 불구하고 산화라는 문제점을 가지고 있어서 여러 학계나 산업체에서 연구가 활발히 진행되고 있지 않다. 이러한 산화 문제를 극복하기 위해서는 별도의 장비가 필요하고 공정의 시간이 길어진다는 단점을 가지고 있다. 그리하여 “구리를 상온에서 가공(열처리)하는 것은 불가능한 일”이라고 받아들여지고 있다.
이러한 개념을 바꾸기 위하여 본 연구의 공정을 개발하였다. 나노물질의 열처리 수단으로 레이저를 이용하여 공정을 진행하였다. 또한 레이저에 2D galvanomirror와 CAD를 연결하여 원하는 모양 및 선택적인 부분만을 열처리 할 수 있도록 하였다. 레이저의 빠른 열처리 속도를 이용하여 상온에서 순간적으로 구리나노와이어를 녹아 붙이는 공정을 개발하였다.
구리나노와이어를 녹아 붙이는 과정을 좀 더 자세히 살펴보면 다음과 같다. 무질서하게 기판위에 올라가져 있는 나노와이어들의 접합 부분에서 플라즈모닉 (Plasmonic) 현상을 이용하였다. 플라즈모닉 현상이란 나노물질의 모양 및 크기에 의해 일어나는 현상으로 금속나노와이어 주변에 자유롭게 돌아다니고 있는 자유전자들이 레이저 빛을 받게 되면 나노와이어의 접합 부분으로 모여드는 현상을 말한다. 자유전자들이 빠른 속도로 접합 부분으로 모여들게 되고 접합 부분에서는 속도를 잃게 된다. 이러한 현상으로 인해 접합 부분에서 전자들이 쌓이는 결과를 얻게 되어, 접합 부분의 전기장이 상승하게 되어 온도가 올라가는 현상이 일어난다. 이러한 열로 인해 접합 부분에서의 나노와이어들이 녹아 붙는 현상이 일어나게 된다. 이러한 현상으로 인해 접합 부분에서의 컨택저항이 낮아지게 되어 전체적인 전도성이 올라가는 현상이 발생한다. 각 접합 부분에서 일어나는 현상들이 매우 짧은 시간 $(10{^-5}~10{^-4} 초)$에서 일어나므로 산화가 될 시간적인 여유를 주지 않게 된다. 이러한 현상을 이용하여 상온에서도 구리나노와이어를 이용한 투명전극을 만들 수 있는 공정을 개발하였다.
이번에 개발한 공정을 통해 “상온에서 구리나노와이어를 열처리 할 수 없다.”라는 개념을 바꿀 수 있다. 개발한 공정을 이용하여 구리나노와이어 투명전극을 만들게 된다면 기존의 투명전극 만드는 공정에 비해 100~1000배 저렴한 가격으로 투명전극을 만들 수 있을 것이라고 생각한다. 또한 최종적으로 공정을 통해 만든 투명전극을 이용하여 터치패널스크린 제작에 성공하였다. 구리나노와이어를 이용하여 터치패널스크린을 만든 경우는 아직 보고된 바가 없다. 이번 응용을 통해 개발한 공정을 통해 현재 산업에서 많이 사용되는 전자장치에 직접 적용 할 수 있는 가능성을 보였다.
