Currently, flexible opto-electronic devices are under an intense spotlight with the increasing demand for future wearable electronics. Especially, flexible transparent conducting electrode (TCE) is necessary component for several opto-electronic devices such as flexible touch-screen panel, organic light-emitting diode (OLED) and organic solar cell (OSC). Tin doped indium oxide (ITO), the most commonly used material for TCE, has several drawbacks such as scarcity of indium, inherent brittleness, requirement of vacuum and high temperature process. These disadvantages make ITO not suitable for flexible opto-electronic devices. Carbon based materials such as graphene, carbon-nanotube (CNT), conducting polymer and metal nanowire are alternative materials for replacing ITO. Among them, metal nanowire is promising material substituting ITO due to its high transparency, low sheet resistance and superior flexibility. However, metal nanowire TCE still has several problems such as junction resistance between metal nanowire networks and thermal/chemical instability. Metal grid is emerging structure because of its continuous electron pathway and 100% transparency between grid lines. Also, its performance can be easily controlled by tuning line width, line spacing and thickness. However, vacuum deposition and high temperature process are still considered as weakness of metal grid.
In this research, metal grid/surface embedded silver nanowire (AgNW) hybrid structure is proposed as new approach. Metal grid was fabricated by electroplating. Surface embedded AgNW glass-fabric reinforced plastic film (AgNW-GFRHybrimer) was used as flexible transparent conductive substrate and applied as seed layer for electroplating. Additional seed layer do not have to deposit because conducive layer in GFRHybrimer is used for seed layer. Metal grid/AgNW hybrid TCE exhibits excellent opto-electrical performance (Ag grid: 87%/ $13 \Omega /sq$, Cu grid: 74.7 / $160m \Omega /sq$), high thermal stability (Ag grid: $250^\circ C$/720min, Cu grid: $200^\circ C $/600min) and superior flexibility (bending radius = 1 mm, 2000cycles). Finally, 4-wire resistive type touch-screen panel was fabricated using metal grid/AgNW hybrid TCE to demonstrate its potential for actual opto-electronic devices. Fabricated touch-screen panel was clearly operated. This new approach, which is all-solution processed metal grid based on AgNW, can be the most promising candidate for next generation TCE platform of various flexible opto-electronics. For future, fabrication process can be extended to scalable and large area manufacturing.
최근 과학기술이 발전함에 따라 많은 전자기기의 유연성, 경량화 등의 다양한 특성들이 요구되고 있다. 특히 유기발광소자, 유기태양전지 그리고 터치패널 등의 광전소자에 있어서 유연투명전극은 필수적인 요소라고 할 수 있다. 현재 가장 많이 쓰이고 있는 투명전극 재료로는 인듐이 함유된 주석 산화물 (ITO)이 있다. ITO의 경우 높은 투과도와 낮은 저항 그리고 우수한 열적, 화학적 안정성을 가지고 있다. 하지만, 이러한 ITO는 유연광전자소자에 이용하기에 인듐의 희소성으로 인한 가격상승, 세라믹물질이 가지고 있는 내재적인 취성 그리고 ITO를 만들기 위해 필요한 고온 또는 진공 공정의 필요성 등 여러 가지 문제점을 가지고 있다. 이에 따라 그래핀, 탄소나노튜브, 금속 나노와이어가 ITO를 대체하기 위한 재료로써 많은 연구가 진행되어 왔다. 그 중에서도 특히 금속 나노와이어를 이용한 투명전극은 높은 투과도, 낮은 저항 그리고 우수한 유연성을 가지고 있기에 ITO를 대체하기 위한 재료로써 많은 각광을 받고 있다. 하지만, 금속 나노와이어 또한 나노와이어 간의 접촉저항, 열적 또는 화학적 불안정성 등의 문제점을 가지고 있다. 최근 연속적인 전기적 통로를 가지고 있는 금속 격자가 투명전극을 위한 구조로서 많이 연구되고 있다. 하지만 일반적으로 금속 격자를 만들기 위해서는 고온 공정 또는 진공 공정이 필요로 하기 때문에 이 또한 가격적인 면에서 문제로 거두되고 있다.
따라서 본 연구에서는 금속 격자와 표면에 매립된 은 나노와이어 하이브리드 구조를 제작하였다. 은 나노와이어 기반의 금속 격자 제작은 이전의 방법과는 전혀 다른 새로운 방법이라 볼 수 있다. 또한 본 연구의 하이브리드 구조를 제작함에 있어 진공공정이 없는 용액공정만이 사용되었다. 금속 격자는 전기 도금 방법으로 제작 하였으며 표면에 매립된 은 나노와이어 유리섬유강화필름 (AgNW-GFRHybrimer)은 유연한 전도성 기판과 전기도금을 위한 시드층으로 사용되었다. 필름 내에 이미 형성된 전도층을 도금을 위한 시드층으로 사용하기 때문에 일반적인 전기도금법과는 다르게 시드층을 추가적으로 증착할 필요가 없다. 금속 격자는 은과 구리의 두 종류가 제작되었다. 제작된 하이브리드 투명전극은 높은 광 전기적 특성 (은: 87%, $13 \Omega /sq$, 구리: 74.7%, $160m \Omega /sq$)을 보였으며 성능지수를 통해 확인하였을 때 상용화된 ITO 필름 보다 높은 수치를 보였다. 또한 제작된 하이브리드 투명전극은 은 격자의 경우 $250^\circ C$, 구리 격자의 경우 $200^\circ C$에서 변하지 않는 전기적 성능을 보였으며 $85^\circ C$/85%RH 평가에서는 100시간동안 전기적 성능이 유지되는 것을 확인하였다. 또한 은 격자의 경우 황이 함유된 용액에서 1400초까지 전기적 성능이 크게 변하지 않는 등 우수한 내화학성을 나타내었다. 또한 반지름 1mm의 굽힘 시험에서 상용화 ITO 필름에 비해 2000번의 굽힘에도 불구하고 전기적 성능이 안정함을 확인하였다. 마지막으로 실제 광전자소자의 적용성을 확인하기 위해 4선 저항막 방식의 터치패널을 제작하였다. 은 격자와 구리 격자는 각각 터치패널의 상위 전극과 하위 전극으로 사용되었다. 제작된 터치패널은 비교적 투명한 상태를 보였으며 작동시험에서도 “KAIST” 글씨가 완벽히 써지는 것을 확인하였다. 따라서 본 연구에서 제작된 금속 격자와 은 나노와이어 하이브리드 전극은 차세대 유연광전자소자에 이용하기에 적합할 것이라 생각한다. 더 나아가 저가의 공정을 통해 대면적으로 확장하여 향후 연구에 많은 발전이 될 것으로 예상된다.
