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Highly flexible and stretchable transparent electrodes fabrication by length and diameter controlled silver nanowires = 길이와 두께가 제어된 은 나노와이어를 이용한 매우 유연하고 신축 가능한 투명전극 생성에 관한 연구
서명 / 저자 Highly flexible and stretchable transparent electrodes fabrication by length and diameter controlled silver nanowires = 길이와 두께가 제어된 은 나노와이어를 이용한 매우 유연하고 신축 가능한 투명전극 생성에 관한 연구 / Jinhwan Lee.
발행사항 [대전 : 한국과학기술원, 2015].
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Nanostructures including quantum dot, nanoparticles, carbon-nanotube (CNT), graphene, and nanowires have been extensively studied and explored for applications such as optical devices, electrical device, and biosensors due to their promising characteristics. One dimensional noble metal nanowires are vigorously applied through their unique properties which cannot be found in bulk state. For instance, Silver nanowires have been extensively studied since they play important roles in practical devices. Among the various strategies for Ag nanowire synthesis, polyol process is regarded as an ideal method due to such advantages as rapidity, high yield ratio and repeatability. In spite of these advantages, controlling the length is difficult and the aspect ratio of a silver nanowire is usually limited to 100 ~ 400. In this study, we developed a novel approach to synthesize longer and higher aspect ratio Ag nanowires with higher yield. First, we performed extensive parametric studies to find the optimum condition for ultra-long Ag nanowire synthesis by controlling external conditions, such as different types and combinations of stir bar, RPM, sonication effect and injection speed. Second, a novel synthesis approach called a successive multi-step growth (SMG) is introduced to increase the aspect ratio of silver nanowire even further. It has been confirmed that the silver nanowire, after its initial growth, can continue to grow as long as the Ag-ion rich condition is repeatedly provided. Through the scheme of a SMG method, we successfully obtained extremely high aspect ratio (1000 to 3000) silver nanowires of $300 \mu m$ in length with 150 nm diameter. Moreover, highly bendable Ag Nanowires film with low sheet resistance and high transmittance are demonstrated on various substrates through vacuum filtration and rod deposition method. These results suggested that this is an important step toward producing intelligent and multifunctional soft electric devices for human friendly electronics interface, and it may ultimately contribute to the applications in wearable computers. Although there are various methods to fabricate transparent electrodes with silver nanowires, high temperature post-process have been required to remove polymer layer on silver nanowire surfaces. However, thermal annealing is not applicable for flexible substrates such as PET and PEN because it can be bent of melt by heat source. In this study, room temperature process has been developed for silver nanowires network transparent electrodes on flexible substrates. First, selective laser welding process have been developed using 532 nm laser. The laser is a monochromatic photon source which maximizes the photon energy coupling into the nanowire junction with much higher e-field enhancement. The low temperature process nature of the laser nano-welding can allow the use of flexible substrates which are usually heat sensitive and easily damaged or hardened to lose flexibility during the high thermal annealing process. Therefore, flexible transparent electrode have been successfully fabricated without thermal annealing. Second, We demonstrated that using a AgNW/ PEDOT:PSS hybrid composite, contact resistance and substrate adhesion problem could be significantly enhanced even without a high temperature annealing step. Through the strong adhesion enhancement and the flexible nature of the AgNW and conducting polymer, a flexible transparent electrode on a flexible polymer substrate could be demonstrated. Furthermore, I demonstrated a highly stretchable metal conductor of Very long Ag Nanowire Percolation Network (VAgNPN) on a pre-strained, highly stretchable elastomer, which can be stretched up to 900% without failure. Fabricated highly stretchable VAgNPN conductor could be stretched to over 460% strain without a notable resistance increase. There have been several reports of the individual strengths and advantages of other stretchable conductors, but no materials including CNTs, graphene, metal thin films, and metal NWs have achieved this level of stretchability and durability, as well as low resistance. Moreover, I suggested and demonstrated hierarchical multiscale AgNW/CNT hybrid nanocomposite, which takes advantage of enhanced mechanical compliance and optical transparency of CNTs as well as enhanced electrical conductivity of AgNWs. In this study, I have mainly studied synthesis of silver nanowire and their application such as transparent electrode and stretchable electrode. The research results suggest that high performance transparent electrode using silver nanowire can be demonstrated and fabrication stretchable electrode can be a step toward producing intelligent and multi-functional soft electric devices as friendly human / electronics interface, and it may ultimately contribute to the applications in wearable computers.

나노 기술이 발전함에 따라, 기존에 존재하지 않던 혹은 제어되지 못했던 다양한 나노 물질이 합성되고 있으며, 양자 점(Quantum Dot), 나노 입자, 탄소 나노 튜브(Nanotube), 그래핀(Graphene) 과 나노 와이어(Nanowire) 와 같은 다양한 나노 구조들은 마이크로 크기에서는 볼 수 없는 특이한 성질로 인해, 광학, 전자 그리고 바이오 분야에 활발히 적용, 연구 중이다. 특히, 그 중에서도 금속 나노 와이어는 높은 전도 성을 나타낼 뿐만 아니라 가시광선영역에서 눈으로 구분하기 어려운 매우 작은 크기를 갖기 때문에 투명전극에 적용할 수 있는 장점이 있다. 다양한 재료 중 은(Ag)은 모든 금속 중에서 높은 전기전도도 및 열전도도를 가질 뿐만 아니라 가시광선 영역에서 높은 표면 라만 증강 효율을 가져 광학적 특성 또한 매우 우수한 재료이다. 이러한 은(Ag)을 나노와이어 형태로 제조할 경우 미세 전자소자부터 투명전극에 이르기까지 다양한 소자에서 응용할 수 있으며, 광학, 화학 또는 바이오 센서로의 활용 또한 기대되고 있다. 이러한 은 나노와이어가 다양한 분야에 활용되기 위해서는, 균일한 굵기, 균일한 크기, 깨끗한 표면, 높은 종횡 비, 작은 크기 편차를 갖는 은 나노와이어를 대량생산하는 기술이 가장 중요하다. 본 연구에서는, 균일하고 우수한 나노와이어 합성과 이를 통한 투명 유연 전극제작을 주로 다루었다. 은 나노와이어를 제조하는 방법은 매우 다양하나, 그 중 화학적 합성법을 이용하여 은 나노와이어를 제조하는 방법은 공정의 제어조건에 따라서 제조되는 은 나노와이어의 형태를 조절할 수 있을 뿐만 아니라 대량생산 할 수 있는 장점이 있다. 다양한 화학적 합성법 가운데 현재 가장 많이 이용 되고 있는 방법으로는 주로 폴리올 (Polyol) 합성법이 이용되고 있다. 폴리올 합성은 고분자를 보호 물질(capping agent)로 사용한다. 고분자는 은 나노와이어의 두께 방향 성장을 억제하는 역할을 하여, 길이방향으로 성장할 수 있도록 도와줄 수 있는 장점이 있다. 종래의 폴리올 합성법을 이용하여 제조된 은 나노와이어와 이를 이용한 투명전극은, 현재 투명전극 재료에 많이 사용되고 있는 산화인듐주석에 가까운 수준은 되나, 이를 획기적으로 극복하지는 못하는 단점이 있다. 구체적으로, 언급된 폴리올 합성법은 실험적, 환경적 요인을 최적화하기 어려워 제조되는 은 나노와이어의 전체적인 종횡비가 약 100 ~ 400으로 제한되는 문제가 있었고, 주로 실험실 단위로 수행되어 왔으며, 합성조건이 까다로워 장치에 응용될 수 있을 정도로 대량생산하는 데는 어려움이 있다. 본 연구에서는 은 나노와이어 합성에 있어 기존에 제시된 문제점을 해결하고자 하였으며, 나아가 이를 통해 투명전극 과 신축유연 전극에 적응하고자 하였다. 먼저, 은 나노와이어 폴리올 합성 과정에 있어 지속적인 한계에 부딪히고 있는 종횡 비의 증가와 대량생산의 가능성을 열기 위해, 다양한 합성 외부 조건 제어를 수행하였다. 교반 속도를 비롯하여, 용액의 유동, 주입되기 전의 전구체의 상태와 주입속도 제어를 통해 최적화된 은 나노와이어 합성 결과를 얻을 수 있었다. 이를 통해 기존에 얻지 못했던 $100 \mu m$ 이상의 은 나노 와이어를 매우 높은 수득률 (95%)과 함께 합성 할 수 있었다. 또한 이를 기반으로, 기존에 구현되지 못했던 합성의 연속 공정을 통해 나노와이어의 길이를 증가 시키고자 하였다. 나노 와이어가 합성될 수 있는 환경 속에, 이미 합성된 나노와이어를 다시 분산 시킨 후 은 이온을 추가 공급하는 방식을 통해 연속 공정을 수행하였다. 이러한 연속 공정을 통해 최장 $400 \mu m$ 길이의 나노와이어가 합성 되었으며, 나노와이어의 길이가 추가 성장 가능함을 제시 하였다. 나노와이어 기반의 투명 전극 제작 방법에는, 스핀코팅 이나 용액분사 등의 기존 방법 등이 적용 되고 있다. 다양한 방법을 기반으로 나노와이어를 활용한 투명 전극이 제작되고 있으나, 제작된 투명전극은 고온의 열처리가 요구된다는 단점이 있다. 이는 나노와이어가 생성되면서 나노와이어 주변에 코팅되는 고분자가 절연 막 역할을 하게 되고 특히 교차점 (Junction) 에서 절연 막 역할이 극대 되기에, 이를 완화하기 위한 공정은 필수적 이다. 하지만 이러한 열처리는 플라스틱과 같은 유연 기판으로의 적용에 큰 걸림돌이 되기에 공정적인 개선이 요구되고 있는 실정이다. 본 연구에서는 합성된 나노와이어와 이를 이용한 투명 전극 개발에 있어, 상온에서 전극생성이 가능한 공정 개발을 다루었다. 첫 번째로, 전면적의 열처리가 아닌, 광원을 이용하여 열처리를 하는 방법으로, 532nm 레이저를 이용하여 교차점에서 국부적인 용접이 일어나도록 하였다. 사용된 레이저의 경우 공기 중에서 특별한 온도를 갖지 않으나, 금속과 금속 사이 나노 갭(Gap)에서 그 강도가 증가하여 국부적으로 열원이 형성된다. 이를 통하여 기판의 손상 없이 상온에서 다양한 기판 위에 투명전극 생성이 가능함을 확인 하였다. 나아가 용액 공정 기반 전도성 고분자 / 은 나노와이어 혼합 구조를 통해, 간단하면서도 상온, 상압 공정이 가능한 제작 방법을 개발하였다. 이는 고분자와 기판 사이의 결합력이 매우 크고, 이러한 결합력 사이에 놓여진 나노와이어 구조물들이, 고분자 / 기판 상호 결합력에 의해 고정되고 나아가 나노와이어 교차점의 단순한 접촉이 고분자 접착으로 강하게 결합되게 되어 접촉저항이 감소되고 교차점에서의 저항 접촉 (Ohmic Contact) 형성이 가능하게 된다. 이러한 접근들을 통해 열에 의해 손상을 쉽게 입는 플라스틱 기판들에도 나노와이어를 활용한 투명 전극 제작이 가능함을 확인하였다. 나아가 투명 전극에 신축성을 부여하여, 차세대의 휘어지고 늘어날 수 있는 디스플레이 구현에 그 가능성을 제시하고자 하였다. 신축전극, 늘어나는 디스플레이와 같은 스트레쳐블 (Stretchable) 장치들은 현재, 그 기능과 구현 가능성을 연구하고 있는 단계이다. 본 연구에서는 신축 장치의 기본 단계라고 할 수 있는 신축 가능한 전극 생성과, 디스플레이에 적용 가능한 투명 유연 전극 개발을 나노와이어를 통하여 그 가능성을 확인 하고자 하였다. 먼저 매우 유연한 기판인 Eco-flex 위에 은 나노와이어를 다량 도포 함으로써 전극을 생성하고 신축성을 확인하고자 하였다. 기존의 단순 금속박막은 인장이 가해짐과 동시에 균열이 발생하고 10% 인장 율에도 파단이 일어나 전극으로서의 기능을 상실함을 확인하였다. 하지만 나노와이어가 도포되는 경우. 균열이 발생하더라도 나노와이어의 연속 적인 결합이 섬유와 같은 구조를 형성하여 전자의 통로를 지속적으로 형성할 수 있음을 확인하였고, 최대 인장 400%까지 전극의 기능을 유지함을 확인 하였다. 나아가 투명유연 재료인 폴리우레탄 막 위에 나노와이어를 도포하고 폴리우레탄의 가용매 분해를 통해서 나노와이어와 폴리 우레탄 사이의 결합력을 증가 시킴으로써 투명하면서도 안정적인 투명 신축 전극을 개발할 수 있었다. 본 연구에서는 은 나노와이어의 합성과 이를 이용한 투명, 신축유연 전극으로의 적용을 주로 다루었는데, 이러한 연구 결과들은 현재 시장에서 사용되고 있는 고가의 재료를 대체할 수 있을 뿐만 아니라, 새로운 공정을 개발 함으로써 상온, 상압 환경에서도 나노와이어를 활용한 유연하고 투명한 전극 개발이 가능함을 보였다. 또한, 신축 유연 투명 전극을 구현함으로써 차세대 장치들로의 적용 가능성을 확인 하였다. 나아가 이러한 연구결과들은 웨어러블 (Wearable) 장치에 적용이 가능할 것으로 기대된다.

서지기타정보

서지기타정보
청구기호 {DME 15046
형태사항 viii, 105 p. : 삽도 ; 30 cm
언어 영어
일반주기 저자명의 한글표기 : 이진환
지도교수의 영문표기 : Seung S. Lee
지도교수의 한글표기 : 이승섭
학위논문 학위논문(박사) - 한국과학기술원 : 기계공학전공,
서지주기 References : p. 94-99
주제 Silver nanowire
Successive multi-step growth method
Flexible electronicsv
Stretchable electronics
Transparent electrode
은 나노와이어
연속 성장 공정
유연 소자
신축 소자
투명 전극
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