Transparent conducting films (TCFs) are optically transparent and electrically conductive in thin lay-ers. Indium tin oxide (ITO) is traditionally used for organic solar cells and touch screen panels (TSPs) as transparent electrodes. But it is scarce, brittle and expensive. For these reasons, some alternative materials, including carbon nanotubes (CNTs), graphene, and metal nanowires, have been studied to improve the flexi-bility and decrease the price. Metal nanowire film are promising substitute materials due to their similar transmittance and conductivity compared with ITO. Copper nanowires (Cu NWs) are promising candidate materials to replace ITOs and Ag NWs in TE applications due to similar to silver in conductivity and low price. In this thesis, Cu NWs were synthesized by thermal decomposition and galvanic displacement method. A de-tail parametric study was conducted to find the relationship between morphology of NWs and the parameter such as temperature, stirring speed and molar ratio of $Ni(acac)_2$ to $CuCl_2 \cdot 2H_2O$. And the thinner and longer NWs were gained at low temperature and slow stirring speed, which is 33.7 nm and $66.9 \mu m$ corresponding to diameter and length, respectively. I found that the relationship between the morphology of Cu NWs and opti-cal, electrical properties of Cu NW TEs. The best performances such as sheet resistance and transmittance were $100 \Omega/sq$ and 91 % at 550 nm, respectively. Finally, to develop adhesion, roughness and stability of Cu NW TEs, I fabricated by Cu NW/polymer composite TEs.
투명전극은 태양전지, 유기 발광 다이오드, 터치스크린 패널 등의 다양한 어플리케이션의 투명전극으로 사용되고 있다. 투명전극은 디스플레이 시장과 태양전지 시장에서 가격경쟁력을 요구하고 있다. 현재 투명전극으로써 가장 널리 사용되고 있는 물질은 인듐 주석 산화물 (indium tin oxide, ITO)이다. ITO에서 인듐은 반도체제조, 디스플레이 코팅, 전기도금, 태양전지 등 전자산업에 폭넓게 이용되고 있다. 하지만 이러한 ITO의 경우, 2가지의 큰 단점을 가지고 있다. 첫째로, ITO의 인듐은 자체 매장량이 적어 값이 비쌀 뿐만 아니라 70 % 이상이 중국에 매장되어 있어 향후 가격 상승의 우려가 있다. 공급자가 한정된 만큼 가격 불안정성이 크기 때문이다. 또한, 고진공을 요구하는 스퍼터와 같은 공정에 의해 투명전극이 제작되므로 공정가격이 높으며 공정속도가 낮다. 둘째로, ITO는 유연성을 지니고 있지 않아 플렉서블 어플리케이션에 적용이 어렵다. 이러한 문제를 해결하기 위해 대체재 개발이 필요하다.
가격 경쟁력 확보와 유연성을 갖는 투명전극을 개발하기 위해 많은 연구가 진행되고 있다. 대체재로써 탄소나노튜브, 그래핀, 전도성 폴리머, 금속나노와이어 등이 많은 연구가 진행되고 있다. 우수한 광학적, 전기적 특성으로 인해 금속나노와이어가 투명전극으로 주목을 받고 있다. 금속나노와이어는 대량 합성이 가능하고 용액공정으로 투명전극이 제작 가능하기 때문에 공정가격이 저렴하다. 또한, ITO나 aluminium-doped zinc oxide (AZO)과 달리 플렉서블 어플리케이션에 적용이 가능하다는 큰 장점이 있다. 그중 구리는 저렴한 가격과 은에 준하는 상당히 높은 전도성으로 주목을 받고 있다. 하지만 구리나노와이어를 이용하여 투명전극으로 제작했을 경우, 기판과 약한 접착력을 가지고 있고 표면이 거칠어 전자제품에 사용이 제한된다. 이뿐만 아니라 구리나노와이어는 산화되기 쉽다는 큰 단점을 갖고 있다. 본 학위 논문에서는 다양한 종횡비를 갖는 구리나노와이어를 합성하고 이를 이용해 투명전극을 제작했다. 또한, 구리나노와이어와 폴리머의 복합체를 사용해 투명전극을 제작함으로써 구리나노와이어를 이용한 투명전극의 단점인 약한 접착력, 거친 표면, 낮은 산화저항성을 개선했다.
Chapter 2 Chapter 3에서는 ITO 대체물질에 대한 소개와 금속나노와이어에 대한 연구배경과 실험과정을 소개했다. 본 실험에서는 구리나노와이어를 합성하는 과정에서 합성온도와 교반속도를 조절하여 다양한 종횡비를 갖는 구리나노와이어를 합성했다. 또한, 합성된 나노와이어를 이용하여 투명전극을 제작하여 투명전극으로서 사용하기에 적합한 구리나노와이어를 확인했다. 최종적으로 구리나노와이어를 기반으로 제작된 투명전극에 폴리머인 PMMA를 코팅하여 구리나노와이어/폴리머 투명전극을 제작하였다.
Chapter 4에서는 합성된 구리나노와이어와 제작한 투명전극의 다양한 특성들을 평가하였다. 첫 번째로, 합성과정에서 합성온도와 교반 속도에 따른 구리나노와이어의 종횡비의 변화를 확인하였다. 그 결과 합성온도가 180에서 220도로 증가함에 따라 구리나노와이어의 지름이 33.7 nm에서 124.8 nm로 증가했고 길이는 $66.9 $\mu m$에서 $26.7 $\mu m$로 감소했다. 또한 교반 속도가 0에서 250 rpm으로 증가함에 따라 지름이 증가했고 길이는 감소하는 현상을 SEM과 TEM 분석을 통해 확인하였다. 즉, 얇고 긴 구리나노와이어는 낮은 합성온도와 교반속도를 갖는 조건에서 합성할 수 있었다. 본 실험에서는 0 rpm, 180도의 조건에서 33.7 nm의 길이와 와 $66.7 $\mu m$의 길이를 갖는 구리나노와이어를 합성하였다. EDS line scanning과 HRTEM 분석을 통해 합성된 구리나노와이어가 고순도를 갖는 것을 확인하였다. 두 번째로, 얇고 긴 나노와이어가 투명전극으로 제작했을 경우에도 가장 낮은 면저항과 높은 투과율을 나타내는지 확인하기 위해 다양한 종횡비를 갖는 구리나노와이어를 이용하여 투명전극을 제작하고 그 성능을 확인했다. 합성 시180도의 합성 온도에서 교반속도를 0, 100, 250 rpm 조절하여 다양한 종횡비를 갖는 구리나노와이어를 얻었고 이를 진공여과와 전사과정을 거쳐 PET 기판에 투명전극으로 제작하였다. 그 결과, 지름이 크고 길이가 짧은 구리나노와이어로 투명전극을 만들 경우, 동일한 80 %의 투과율을 갖는 투명전극을 제작하더라도 높은 면저항을 나타내는 것을 UV-vis과 four point probe를 이용해서 확인하였다. 즉, 지름이 작고 길이가 긴 구리나노와이어를 이용해야 낮은 면저항과 높은 투과율을 갖는 투명전극을 제작할 수 있다는 사실을 알아냈다. (91%의 투과율을 갖는 투명전극의 면저항: 100 ohm/sq) 마지막으로, 구리나노와이어를 이용한 투명전극의 문제점인 낮은 산화저항성, 약한 접착력, 거친 표면 문제를 해결하기 위해 구리나노와이어로 제작된 투명전극 위에 폴리머인 PMMA를 코팅하였다. 그 결과, 구리나노와이어/PMMA 투명전극은 구리나노와이어 투명전극에 비해 기판과의 접착력이 우수함을 3M 테이프 테스트와 SEM분석을 통해 확인하였다. 또한 구리나노와이어/PMMA 투명전극이 구리나노와이어 투명전극에 비해 더 매끄러운 표면을 나타내는 것을 AFM 분석을 통해 확인하였다. 산화 저항성을 확인하고자 30일간 대기 중에 보관하여 3일 간격으로 면저항을 측정하였다. 그 결과, 구리나노와이어 투명전극의 면저항 증가가 160배 정도로 급격하게 일어나는 반면에 구리나노와이어/PMMA 투명전극의 면저항은 30일이 지났음에도 불구하고 3배 정도밖에 증가하지 않음을 확인하였다. 화학 안정성을 확인하기 위해 $Na_2S$를 5 wt%로 희석한 용액을 구리나노와이어 투명전극과 구리나노와이어/PMMA 투명전극에 떨어뜨려본 결과, 구리나노와이어/PMMA 투명전극이 구리나노와이어 투명전극에 비해 더 오랜시간동안 화학용액에 반응하지 않고 일정한 전류를 나타내는 것을 확인하였다. 즉, PMMA코팅에 의해 화학용액에 대해 안정한 투명전극을 얻었다.
