Summary
이 프로토콜은 완벽하게 내장 된 두꺼운 금속 메쉬를 사용하여 고성능의 유연한 투명 전극을위한 솔루션 기반 제조 전략을 설명합니다. 이 공정으로 제조 된 유연한 투명 전극은 초저 시트 저항, 높은 광 투과율, 굴곡시의 기계적 안정성, 강한 기판 접착력, 표면 평활성 및 환경 안정성을 포함하여보고 된 최고 성능을 입증합니다.
Abstract
여기서는 폴리머 필름에 금속 메쉬가 완전히 삽입 된 새로운 투명 전극 (TE) 인 임베디드 메탈 - 메시 투명 전극 (EMTE)을보고합니다. 이 백서는 또한이 새로운 TE를위한 저가의 진공없는 제조 방법을 제시합니다. 이 접근법은 리소그래피, 전기 도금 및 임프린트 전송 (LEIT) 프로세싱을 결합합니다. EMTEs의 임베디드 성질은 유기 전자 장치 생산에 필수적인 높은 표면 평활성과 같은 많은 이점을 제공합니다. 굽힘 중 우수한 기계적 안정성; 화학 물질 및 수분에 대한 호의적 인 저항성; 플라스틱 필름과의 강한 접착력. LEIT 제조는 진공 프리 금속 증착을위한 전기 도금 공정을 특징으로하며 대량 생산에 유리합니다. 또한 LEIT는 높은 종횡비 ( 즉, 선 두께와 선 두께)를 갖는 금속 메쉬를 제작할 수 있으므로 광 tr를 불리하게 감소시키지 않으면 서 전기 전도도를 크게 향상시킬 수 있습니다일시 중지. 우리는 시트 저항이 1 Ω / sq보다 작고 투과율이 90 % 이상인 유연한 EMTE의 프로토 타입을 몇 가지 시연 해 보았습니다. 매우 우수한 성능 지수 (FoM) - 최대 1.5 x 104 -이 가장 우수한 수치입니다. 출판 된 문헌.
Introduction
전 세계적으로 미래의 유연성 / 신축성 소재에 사용될 유연성 / 신축성 TE를 제조하기 위해 인듐 주석 산화물 및 불소 첨가 산화 주석 (FTO) 필름과 같은 단단한 투명한 전도성 산화물 (TCO)의 대체품을 찾기위한 연구가 진행되고 있습니다. 신축성있는 광전자 장치 1 . 이것은 새로운 제조 방법으로 새로운 재료를 필요로합니다.
그래파인 2 , 전도성 고분자 3 , 4 , 탄소 나노 튜브 5 , 무작위 금속 나노 와이어 네트워크 6 , 7 , 8 , 9 , 10 , 11 과 같은 나노 물질이 연구되어 왔고 유연한 TE에서 그 능력을 입증하여 단점 기존 TCO 기반 TE, 필름 취약성 12 , 낮은 적외선 투과율 13 및 낮은 존재도 14를 포함 합니다. 이러한 잠재력에도 불구하고, 연속 굴곡 하에서의 열화없이 높은 전기 및 광학 컨덕턴스를 달성하는 것은 여전히 도전적이다.
이 프레임 워크에서 규칙적인 금속 메쉬 15 , 16 , 17 , 18 , 19 , 20 은 유망한 후보로 진화하고 있으며, 현저하게 높은 광학 투명성과 낮은 시트 저항을 달성했으며, 요구에 따라 조정할 수 있습니다. 그러나 금속 메쉬 기반 TE의 광범위한 사용은 수많은 문제로 인해 어려움을 겪고 있습니다. 첫째, 제조 공정은 금속 16 , 17 , 18 , 21 . 둘째, 두께는 박막 유기 광전자 소자에서 전기 단락 (electrical short-circuiting) ( 22 , 23 , 24 , 25) 을 쉽게 일으킬 수있다. 셋째, 기판 표면과의 약한 접착은 유연성이 떨어진다 ( 26 , 27) . 전술 한 한계는 새로운 금속 메쉬 기반 TE 구조 및 그 제조를위한 확장 가능한 접근법에 대한 요구를 창출했다.
본 연구에서는 폴리머 필름에 완전히 매입 된 금속 망사를 포함하는 신축성있는 TE 구조를보고합니다. 또한 리소그래피, 전착 및 임프린트 전사를 결합한 혁신적이고 솔루션 기반의 저비용 제조 방법에 대해서도 설명합니다. 샘플 EMTE에서 최대 15k의 FoM 값이 달성되었습니다. 내장 된 특성으로 인해EMTEs는 현저한 화학적, 기계적 및 환경 적 안정성을 보였다. 또한, 본 연구에서 확립 된 솔루션 - 처리 된 제조 기술은 잠재적으로 제안 된 EMTE의 저비용 및 고효율 생산에 사용될 수있다. 이 제조 기술은 미세한 금속 - 메시 선폭, 더 큰 영역 및 다양한 금속으로 확장 가능합니다.
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Protocol
주의 : 전자빔 안전에주의하십시오. 올바른 보호 안경과 옷을 착용하십시오. 또한 모든 가연성 솔벤트와 솔벤트를주의해서 취급하십시오.
1. EMTE의 포토 리소그래피 기반 제조
- 메쉬 패턴 제작을위한 포토 리소그래피.
- 면봉으로 FTO 유리 기판 (3 cm x 3 cm)을 액체 세제로 닦아냅니다. 깨끗한 면봉을 사용하여 탈 이온수로 완전히 헹굽니다. 압축 공기로 건조하기 전에 30 초 동안 이소 프로필 알콜 (IPA)에서 초음파 (주파수 = 40 kHz, 온도 = 25 ° C)를 사용하여 더 깨끗하게 닦아냅니다.
주의 : 압축 공기는 조심스럽게 다루십시오. - 세척 된 FTO 유리 위에 100 μL의 포토 레지스트를 4000 rpm에서 약 60 초간 (1.8 cm x 반경 2cm 샘플) 약 1.8 μm의 두께로 균일 한 필름을 만듭니다.
- 핫 플레이트에서 50 초 동안 포토 레지스트 필름을 베이킹합니다.100 ° C.
- 20 mJ / cm 2 의 선량을 위해 UV 마스크 정렬 장치를 사용하여 메쉬 패턴 (3 μm 선폭, 50 μm 피치)을 갖는 포토 마스크를 통해 포토 레지스트 막을 노출시킨다.
- 샘플을 현상액에 50 초 동안 담그어 포토 레지스트를 현상하십시오.
- DI 물로 샘플을 헹구고 압축 공기로 건조시킵니다.
주의 : 압축 공기는 조심스럽게 다루십시오.
- 면봉으로 FTO 유리 기판 (3 cm x 3 cm)을 액체 세제로 닦아냅니다. 깨끗한 면봉을 사용하여 탈 이온수로 완전히 헹굽니다. 압축 공기로 건조하기 전에 30 초 동안 이소 프로필 알콜 (IPA)에서 초음파 (주파수 = 40 kHz, 온도 = 25 ° C)를 사용하여 더 깨끗하게 닦아냅니다.
- 금속의 전착.
- 250 mL 비커에 구리 수용액 100 mL를 붓는다.
참고 : 다른 금속 도금 용액 ( 예 : 은, 금, 니켈 및 아연)을 각각의 금속이있는 EMTE를 제조하는 데 사용할 수 있습니다.
주의 : 화학 물질 안전에주의하십시오. - 2 전극 전착 설치의 음극 단자에 포토 레지스트로 덮인 FTO 유리를 연결하고 작동 전극 인 도금 용액에 담그십시오.
- 구리 금속 막대 연결대향 전극으로서 2 전극 전착 설치의 양극 단자에 접속된다.
- 전압 / 전류 소싱 및 측정 장비 ( 예 : Sourcemeter)를 사용하여 15 분 동안 약 5 μm의 전류 (전류 밀도 : ~ 3 mA / cm 2 )를 공급하여 금속을 약 1.5 μm의 두께로 증착합니다.
- 포토 레지스트가 코팅 된 FTO 유리 샘플을 DI 수로 완전히 헹구고 압축 공기로 건조시킵니다.
주의 : 압축 공기는 조심스럽게 다루십시오. - 포토 레지스트가 코팅 된 FTO 유리 샘플을 아세톤에 넣고 5 분간 두어 포토 레지스트 필름을 용해시킨 후 FTO 유리 위에 금속 메쉬를 묻힌다.
- 250 mL 비커에 구리 수용액 100 mL를 붓는다.
- 플렉서블 기판에 대한 금속 메쉬의 열 임프린트 전송.
- 열 전사기의 전기 가열 된 판 위에 금속 메쉬로 덮인 FTO 유리 샘플을 놓고 100 μm 두께의 유연한 cyclic olefin copolymer (COC) 필름을 샘플 위에 놓고금속 메쉬 측면.
- 가열 된 프레스의 판을 100 ° C로 가열합니다.
- 임프린트 압력 15 MPa를 가하고 5 분간 유지합니다.
주의 : 가열식 프레스를 사용할 때 안전에주의하십시오.
참고 : 임프린트 전송은 낮은 압력에서 수행 할 수 있습니다. 여기에보고 된 압력 값 (15 MPa)은 비교적 높습니다. 이 높은 압력은 금속 메쉬가 COC 필름에 완전히 매립되도록 보장하기 위해 사용되었습니다. - 가열 된 플래 튼을 40 ° C의 탈형 온도로 냉각시킵니다.
- 임프린트 압력을 해제하십시오.
- 금속 망이 COC 필름에 완전히 묻혀있는 상태에서 FTO 유리에서 COC 필름을 떼어냅니다.
2. 서브 마이크론 EMTE의 제작
- 전자빔 리소그래피 (EBL)를 이용한 서브 마이크론 EMTE 제작
- 60 s의 세척 된 FTO 유리에 폴리 메틸 메타 크릴 레이트 (PMMA) 용액 (15k MW, 4 중량 %의 아니 솔) 100 μL를 스핀 코팅두께가 150 nm 인 균일 한 필름을 얻기 위해 2,500 rpm (반경 2 cm 인 샘플의 경우 약 140 xg).
- 170 ℃에서 30 분간 핫 플레이트에 PMMA 필름을 베이킹합니다.
- EBL 시스템을 켜고 패턴 발생기 29를 사용하여 메쉬 패턴 (400 nm 선폭, 5 μm 피치)을 설계하십시오.
- 패턴 생성기에 연결된 스캐닝 전자 현미경에 샘플을 놓고 쓰기 프로세스 29를 실행합니다.
- 1 : 3의 비율로 메틸 이소 프로필 케톤과 이소프로판올의 혼합 용액에서 60 초 동안 레지스트를 현상하십시오.
- DI 물로 샘플을 헹구고 압축 공기로 건조시킵니다.
주의 : 압축 공기는 조심스럽게 다루십시오. - 중간 크기의 비이커에 구리 수용액 100 mL를 넣는다.
주 : 각 금속을 가진 EMTE의 제조에는 다른 수성 도금 용액 ( 예 : 은, 금, 니켈 및 아연 도금 용액)을 사용해야합니다. </ li> - PMMA 코팅 FTO 유리를 2 전극 전착 설치의 음극 단자에 부착하고, 작업 전극으로서 도금 용액에 담그고 구리 금속 막대를 양극 단자에 연결하여 회로를 완성하십시오.
참고 : 각 금속 전착에는 다른 금속 막대 ( 예 : 은, 금, 니켈 및 아연)를 사용해야합니다. - 약 3 mA / cm 2 의 전류 밀도에 해당하는 적절한 전류를 2 분 동안 메쉬 패턴 영역에 적용하여 약 200 nm의 두께로 금속을 증착합니다 (실제 두께는 SEM 또는 AFM으로 결정해야 함).
- 조심스럽게 탈 이온수로 샘플을 씻어서 아세톤에 5 분 동안 넣어 PMMA 필름을 용해시킵니다.
- 열전 사기의 전기 가열 된 플래 튼 위에 금속 메쉬로 덮인 FTO 유리 샘플을 놓고 샘플 위에 COC 필름 (100 μm 두께)을 놓습니다.
- 번호판을 100 ° C로 가열하고, 15 °MPa는 압력을 가하고 5 분 동안 유지합니다.
- 가열 된 판을 40 ° C의 탈형 온도까지 냉각시키고 임프린트 압력을 방출하십시오.
- COC 필름에 완전히 끼워진 서브 마이크론 금속 망과 함께 FTO 유리에서 COC 필름을 떼어냅니다.
3. EMTE의 성능 측정
- 시트 저항 측정.
- 사각 샘플의 두 반대편 가장자리에 은색 페이스트를 펴고 건조 될 때까지 기다리십시오.
- 조심스럽게 장비 지침에 따라 저항 측정 장치의 4 개의 프로브를은 패드에 놓습니다.
- 전원 / 측정 기기의 저항 측정 모드로 전환하고 디스플레이에 값을 기록하십시오.
- 광 전송 측정.
- UV-Vis 측정 설정을 켜고 분광계를 교정하십시오 ( 즉, 판독 값을 상호 관련 시키십시오ha 표준 샘플을 사용하여 장비의 정확성을 확인하십시오).
- EMTE 샘플을 분광계 샘플 홀더에 놓고 광학 방향을 올바르게 맞 춥니 다.
- 분광계를 100 % 투과율로 조정하십시오.
참고 : 여기에 제시된 모든 투과율 값은 노출 된 COC 필름 기판을 통한 절대 투과율로 정규화됩니다. - 샘플의 투과율을 측정합니다.
- 측정 값을 저장하고 설정을 로그 아웃합니다.
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Representative Results
그림 1 은 EMTE 샘플의 회로도 및 제조 흐름도를 보여줍니다. 그림 1a 에서 볼 수 있듯이 EMTE는 고분자 필름에 완전히 매립 된 금속 망으로 구성되어 있습니다. 메쉬의 윗면은 기판과 동일한 레벨에 있으며, 후속 장치 생산을위한 일반적으로 부드러운 플랫폼을 표시합니다. 제작 기술은 그림 1b - e 에 개략적으로 설명되어 있습니다. FTO 유리 기판상의 포토 레지스트 막을 스핀 코팅 한 후, 포토 리소그래피를 사용하여 UV 노출 및 현상 ( 도 1b )에 의해 포토 레지스트에서 메쉬 패턴을 생성하여 트렌치 내의 유리의 전도성 표면을 노출시킨다. 다음 단계에서, 각각의 금속은 전착에 의해 트렌치 내부에서 성장되며, 트렌치를 채워서 규칙적인 금속 메쉬를 형성한다 ( 도 1c 그림 1d ). 다음으로, 고분자막을 샘플 위에 올려 놓고 유리 전이 온도보다 높은 온도로 가열한다. 균일 한 압력을가함으로써 금속 메쉬를 연화 된 폴리머 필름으로 밀어 넣습니다 ( 그림 1e ). 마지막으로 스택을 실온으로 냉각시키고 전도성 유리에서 폴리머 필름을 벗겨 냄으로써 금속 메쉬가 플라스틱 필름으로 완전히 삽입 된 형태로 옮겨집니다 ( 그림 1f ). 전체 제작 절차는 솔루션 기반이며 주변 대기 환경에서 구현됩니다. 따라서 대량 생산에 쉽게 적용 할 수 있습니다.
도 2 는 원자력 현미경 (AFM) 및 주사 전자 현미경 (SEM)LEIT 프로세스의 다른 제조 단계에서 EMTE의 형태에 관한 정보를 제공합니다. 도 2a 는 포토 리소그래피에 의해 제조 된 포토 레지스트 막 내의 트렌치 이미지를 나타낸다. 이 특정 샘플에서, 포토 레지스트 트렌치의 폭은 약 4㎛이며, 깊이는 거의 2㎛이다. 그림 2b 는 FTO 유리 위에 전기 도금 된 구리 메쉬를 보여줍니다. 결과로부터 명백한 바와 같이, 구리 메쉬는 각각 약 1.8 및 4 ㎛의 두께 및 선폭을 갖는다. 도 2c 는 COC 필름 ( 28) 상에 전사 된 구리 메쉬를 도시한다. AFM 이미지는 달성 된 EMTE (1.8 μm 두께)의 표면 조도가 50 nm보다 낮아서 내장 된 구성을 확인합니다. LEIT 방법은 다른 두께의 구리 EMTE를 만들기 위해 전착 시간을 변화시킴으로써 더 연구 될 수있다. 금속 두께와 전착 시간의 상관 관계는 다음과 같다.도 2d에 도시 된 곡선은 전착 시간의 증가에 따라 금속의 두께가 비선형 적으로 변하는 것을 나타낸다. 이것은 포토 레지스트 트렌치 ( 그림 2a )의 사각형이 아닌 단면으로 인해 좁아 지지만 넓은 상단이 있기 때문입니다. 따라서, 전착 (정전류) 동안, 금속 두께의 성장 속도는 시간에 따라 감소한다. 따라서, 메쉬는 상부에서 더 큰 폭을 가지며, 이것은 플라스틱 필름에 기계적으로 고정 될 수 있기 때문에 임프린트 이송에 유리하다.
그림 3a- c 는 치수 확장 성을 검증하기 위해 LEIT 공정의 다양한 단계에서 EBL로 패턴 화 된 EMTE 제조의 구조적 특성을 보여줍니다. 그림 3a 는 tren의 AFM 및 SEM 이미지를 보여줍니다.EBL을 통해 PMMA 영화에서 만든 체스. 트렌치 깊이와 폭은 각각 약 150nm와 400nm입니다. 도 3b 는 FTO 유리 상에 전기 도금 된 구리 메쉬를 도시하고, 도 3c 는 COC 막 상에 임프린트 - 전사 된 구리 메쉬를 나타낸다. COC 기판의 금속 망은 플라스틱 기판과의 강한 접착력과 안정성을 제공하는 완전히 내장 된 형태입니다.
그림 4a 는 300-850 nm의 파장 범위에서 600 nm, 1 μm 및 2 μm 두께의 구리 EMTE의 투과율을 보여줍니다. 금속 메쉬 두께가 600 nm에서 2 μm로 증가하면 투과율이 최소한으로 감소하는 것으로 나타 났으며이 저하는 포토 레지스트와 금속 과도 막의 트렌치의 직사각형 프로파일에 기인합니다. 반면에, EMTEs의 면저항은 금속 두께( 그림 4b) . 0.07 Ω / sq의 예외적으로 낮은 면저항은 2 μm 두께의 구리 EMTE에 대해 기록되었으며 광 투과율은 여전히 70 % 이상입니다.
그림 4b 는 TE의 성능을 비교하기 위해 일반적으로 사용되는 FoM 인 광학 컨덕턴스 (σ dc / σ opt )에 대한 전기 전도도의 비율을 나타냅니다. 도 4b에 도시 된 FoM 값은 다음의 일반적으로 사용되는 수학 식 4 , 7 , 17 , 18 을 적용하여이 연구에서 제조 된 다양한 EMTE에 대해 계산되었다 : 
여기서 Rs는 시트 저항이고 T는 550 nm 파장에서의 광 투과율입니다길이. 그림 4b 의 삽입 그림 은 FoM과 금속 두께 사이의 관계를 표시합니다. 주어진 플롯은 금속의 두께가 시트 저항에 상당한 영향을 미치고 따라서 투과율을 크게 잃지 않으면 서 더 두꺼운 금속 메쉬의 전도성을 향상시킴으로써 FoM 값에 상당한 영향을 미친다는 것을 보여줍니다. 프로토 타입 EMTEs는 1.5 x 10 4 , 이는 문헌에서보고 된 최고의 가치 중 하나이다.
그림 5a 는 피치, 선폭 및 두께가 각각 150, 4 및 1 μm 인 COC 필름 (5 x 5 cm 2 )에서 높은 투명 구리 EMTE의 시트 저항 및 UV-Vis 스펙트럼을 보여 주며, EMTE 구조 및 LEIT 제조 전략의 전체 크기. 비교적 큰 피치로 인해 샘플은 더 높은 광 투과율 (94 %)을 나타내지 만 m더 낮은 면저항 (0.93 Ω / sq). 마찬가지로, EMTE의 주요 기하학적 특성을 조정하여 다양한 디바이스에 대해 시트 저항 및 광 투과율의 많은 배열을 얻을 수 있습니다.
그림 5b 는은, 금, 니켈 및 아연을 포함한 다양한 금속의 EMTEs의 시트 저항 및 광 투과율 스펙트럼을 보여 주며 EMTE에서 재료 선택의 다양성을 보여줍니다. 투과율 스펙트럼은 전체 가시 범위에서 거의 평평하고 특성이 없으며 디스플레이 장치 및 태양 전지 응용에 유용합니다. 아연,은 및 니켈 기반의 EMTE는 금속 두께가 비슷하므로 모든 샘플의 투과율은 거의 비슷하며 (거의 78 %) 시트 저항은 각각 1.02, 0.52 및 1.40 Ω / sq입니다. 다른 금속 두께로 인해 금 및 구리 기반 EMTE (거의 2 μm 및 600 nm)은 각각 0.20 및 0.70 Ω / sq의 시트 저항 및 72 % 및 82 %의 투과율을 갖는다. 이 EMTE를 성공적으로 생산함으로써 재료의 다양성을 확인함으로써 다양한 장치에서 도체의 화학적 호환성 및 일 함수에 대한 다양한 요구 사항을 만족시킬 수있었습니다.
그림 6a 와 b 는 3, 4, 5 mm 반경에서의 압축 및 인장 하중에 대한 시트 저항과 굽힘 싸이클의 상관 관계로 EMTE의 우수한 유연성을 나타냅니다. 그림 6a에 표시된 결과는 4 및 5mm 반경의 압축 굽힘에 대해 1,000 번의 굽힘에 대해 시트 저항 (0.07Ω / sq)의 명백한 변화가 발생하지 않음을 보여줍니다. 또한 시트 저항의 변화는 3mm 굴곡 반경의 초기 값 (0.07Ω / sq에서 0.13Ω / sq)의 100 % 이내입니다. 유사하게, 인장 b종단 저항의 변화가 그림 6b에 나타나 있으며, 이는 3, 4 및 5 mm 반경의 1,000 사이클에 대해 시트 저항이 각각 거의 350 %, 150 % 및 30 %만큼 변화되었음을 나타냅니다. 그림 6c 는 DI 물과 IPA에 담금을 넣고 덥고 습한 대기 (60 ° C, 85 % 상대 습도)에 노출시킨 후 구리 EMTE의 환경 안정성을 보여줍니다. 24 시간 후 EMTEs의 형태 학적 구조와 면저항은 영향을받지 않는다는 것이 결과로부터 명백하다.
그림 1 : EMTE 구조 및 LEIT 제작 절차의 개략도 ( a ) 투명한 플라스틱 필름에 금속 메쉬가 내장 된 EMTE. ( b ) resi에서 만든 메쉬 패턴막을 리소그래피를 사용하여 도전성 유리 기판 상에 적층한다. ( c ) 레지스트의 트렌치 내부에 금속을 전착시켜 균일 한 금속 메쉬를 제조한다. ( d ) 베어 메탈 메쉬를 얻기 위해 레지스트를 용해시킨다. ( e ) 금속 메쉬를 가열하고 가압하여 플라스틱 필름으로 만든다. ( f ) 플라스틱 필름과 금속 망을 완전하게 매립 된 형태로 분리. 이 수치는 참고 문헌 29 에서 수정되었습니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
그림 2 : 50μm 피치의 구리 EMTE 프로토 타입 제작. ( a - c ) SEM (왼쪽, 확대 된 이미지를 보여주는 인셋 포함) 및 AFM (LEIT의 각기 다른 단계에서 샘플 EMTE의 특성 (오른쪽) 특성화 : ( a ) 포토 레지스트의 메쉬 패턴. ( b ) 포토 레지스트를 용해시킨 후 FTO 유리 위에 구리 메쉬. ( c ) COC 기판에 완전히 매립 된 구리 메쉬. ( d ) 일정한 전착 전류 밀도 (3 mA / ㎠)에서의 금속 두께와 전착 시간의 관계. 임프린트 전송에 실패한 성공 사례와 성공 사례는 각각 빨간색과 검은 색으로 표시됩니다.이 그림은 참조 문헌 29 에서 수정되었습니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
그림 3 : P의 SEM (왼쪽)과 AFM (오른쪽) 특성rototype 다양한 단계의 LEIT에서 Sub-micrometer-linewidth EMTE. ( a ) EBM을 사용하여 PMMA 필름으로 만든 나노 메쉬 패턴. ( b ) PMMA 필름을 용해시킨 후 FTO 유리 위의 구리 나노 메쉬. ( c ) COC 기판에 완전히 매립 된 구리 나노 메쉬. 이 수치는 참고 문헌 29 에서 수정되었습니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
그림 4 : 프로토 타입 50 μm 피치 구리 EMTE의 성능 특성. ( a ) 일반적인 구리 EMTEs의 광학 스펙트럼. 인 세트 : 유연한 구리 EMTE의 광학 이미지. ( b ) 동 EMTE에 대한 투과율과 면저항의 관계 다양한 메쉬 두께; 해당 FoM 값이 삽입 그림에 표시됩니다. 이 수치는 참고 문헌 29 에서 수정되었습니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
그림 5 : 구리 EMTE의 치수 확장 성과 재료 다용도 ( a ) 큰 COC 기판 (5 x 5 cm 2 )에서 150 μm의 피치를 갖는 높은 투명 구리 EMTE의 시트 저항 및 광학 스펙트럼. 삽입 : 대 면적 EMTE의 광학 이미지. ( b ) 다른 금속으로 만들어진 50 μm 피치 EMTEs의 시트 저항 및 광학 스펙트럼. 이 수치는 참고 문헌 29 에서 수정되었습니다.p_upload / 56019 / 56019fig5large.jpg "target ="_ blank ">이 그림의 확대 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
그림 6 : 구리 EMTE의 기계적 및 환경 적 안정성. ( a ) 반복적 인 압축 굴곡 사이클에 따른 시트 저항의 변화 곡선. ( b ) 반복적 인 인장 굽힘주기에 따른 면저항 변화의 곡선. ( c ) 환경 및 화학적 테스트에서 시트 저항의 변화. 인셋 : 테스트 후의 SEM 사진. 이 수치는 참고 문헌 29 에서 수정되었습니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
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Discussion
우리의 제조 방법은 샘플의 피처 크기와 영역의 확장 성 및 다양한 재료의 사용을 고려하여 추가로 수정할 수 있습니다. EBL을 사용하여 sub-micrometer-linewidth ( 그림 3a-3c ) 구리 EMTE를 성공적으로 제조 한 결과, EMIT 구조와 LEIT 제작의 주요 단계 (전기 도금 및 임프린트 전송 포함)가 서브 마이크로 미터 범위까지 안정적으로 축소 될 수 있음을 입증했습니다. 유사하게, 위상 - 시프트 포토 리소그래피 ( 30) , 나노 임프린트 리소그래피 ( 31 ) 및 하전 - 입자 빔 리소그래피 ( 32 )와 같은 다른 대 면적 리소그래피 프로세스가 또한 레지스트 필름에 고해상도 패턴을 생성하는 데 사용될 수있다. 시연에 사용 된 전착 과정은 실험실 규모의 설정을 기반으로합니다. 그러나 우리의 방법은 생산을위한 산업 규모, 대용량 전기 도금 조로 쉽게 변형 될 수 있습니다. 우리는Mal imprint transfer)를 사용하지만, 자외선 또는 다른 수단으로 경화 될 수있는 다른 재료도 전사 공정에 적용될 수있다.
우리의 방법을 수행 할 때 몇 가지 문제가 발생할 수 있습니다. 금속 메쉬 두께와 기하학적 프로파일은 EMTE의 일관된 LEIT 제작에 중요합니다. 그림 2d 의 곡선은 두꺼운 메쉬 ( 즉, 500 nm보다 큰 두께)에 대해서만 성공적으로 전송되었음을 보여줍니다. 전송이 실패한 이유는 더 얇은 메쉬 메쉬의 윗면과 측벽에 COC 필름을 적용했을 때의 포집 력이 금속과 FTO 유리 사이의 점착력을 대처할 수 없었기 때문입니다.
현재 방법에는 한계가 있습니다. LEIT는 EMTE 제작을위한 전기 도금 공정과 진공 기반의 금속 증착을 대체하기위한 비용 효율적인 접근 방식이지만, 필수 lithography 단계. 이는 대량 생산 및 대량 생산에 대한 적합성을 제한합니다. 우리의 미래 연구는이 중요한 문제를 해결하는 데 중점을 둘 것입니다.
낮은 비용과 높은 처리량의 제조 전략으로보다 우수한 성능을 갖춘 EMTE는 유기 태양 전지 33 , 유기 발광 다이오드 34 , 유기 박막 트랜지스터 35 , 유연한 광전자 소자, 투명 터치 패널 ( 10 ) 등 . 또한 메쉬는 신축성있는 기질로 옮겨 인공 피부에 사용할 수 있습니다. 현재 우리는 신축성있는 전자 장치에 대한 적합성을 조사하고 있습니다. 사실, 그 응용 프로그램에서 그 성능은 유망합니다.
요약하면, 우리는 메탈 메쉬가 폴리머 필름에 기계적으로 고정 된 새로운 EMTE를 제시한다. 비교기존의 금속 메쉬 전극에 비해,이 EMTE 구조의 핵심 장점은 표면 평탄성을 잃지 않으면 서 높은 전기 전도성을 위해 두꺼운 금속 메쉬를 사용한다는 점입니다. EMTE는 문헌에보고 된 TE 29 중 가장 높은 전기 전도도 대 10 4 의 전기 전도도 비를 달성하기 위해 제작되었습니다. 또한, 임베디드 구조는 주변 환경에서 EMTEs의 화학적 안정성과 굽힘 응력 하에서 기계적 안정성을 향상시킵니다.
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Disclosures
저자는 공개 할 것이 없습니다.
Acknowledgments
이 연구는 홍콩 특별 행정구 연구 보조금위원회의 일반 연구 기금 (Award No. 17246116), 중국 국립 자연 과학 재단 (61306123)의 젊은 학술 프로그램, 기초 연구 프로그램 - 심천시 과학 기술 혁신위원회 (JCYJ20140903112959959)의 일반 프로그램 및 절강 성 과학 기술부의 핵심 연구 개발 프로그램 (2017C01058). 저자는 Y.-T. Huang과 SP Feng은 광학 측정에 대한 도움을 받았습니다.
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| Acetone | Sigma-Aldrich | W332615 | Highly flammable |
| Isopropanol | Sigma-Aldrich | 190764 | Highly flammable |
| FTO Glass Substrates | South China Xiang S&T, China | ||
| Photoresist | Clariant, Switzerland | 54611L11 | AZ 1500 Positive tone resist (20cP) |
| UV Mask Aligner | Chinese Academy of Sciences, China | URE-2000/35 | |
| Photoresist Developer | Clariant, Switzerland | 184411 | AZ 300 MIF Developer |
| Cu, Ag, Au, Ni, and Zn Electroplating solutions | Caswell, USA | Ready to use solutions (PLUG N' PLATE) | |
| Keithley 2400 SourceMeter | Keithley, USA | 41J2103 | |
| COC Plastic Films | TOPAS, Germany | F13-19-1 | Grade 8007 (Glass transition temperature: 78 °C) |
| Hydraulic Press | Specac Ltd., UK | GS15011 | With low tonnage kit ( 0-1 ton guage) |
| Temperature Controller | Specac Ltd., UK | GS15515 | Water cooled heated platens and controller |
| Chiller | Grant Instruments, UK | T100-ST5 | |
| Polymethyl Methacrylate (PMMA) | Sigma-Aldrich | 200336 | |
| Anisole | Sigma-Aldrich | 96109 | Highly flammable |
| EBL Setup | Philips, Netherlands | FEI XL30 | Scanning electron microscope equipped with a JC Nabity pattern generator |
| Isopropyl Ketone | Sigma-Aldrich | 108-10-1 | |
| Silver Paste | Ted Pella, Inc, USA | 16031 | |
| UV–Vis Spectrometer | Perkin Elmer, USA | L950 |
References
- Hecht, D. S., Hu, L., Irvin, G. Emerging Transparent Electrodes Based on Thin Films of Carbon Nanotubes, Graphene, and Metallic Nanostructures. Adv Mater. 23 (13), 1482-1513 (2011).
- Bonaccorso, F., Sun, Z., Hasan, T., Ferrari, A. C. Graphene photonics and optoelectronics. Nat Photonics. 4 (9), 611-622 (2010).
- Kirchmeyer, S., Reuter, K. Scientific importance, properties and growing applications of poly(3,4-ethylenedioxythiophene). J Mater Chem. 15 (21), 2077-2088 (2005).
- Vosgueritchian, M., Lipomi, D. J., Bao, Z. Highly Conductive and Transparent PEDOT:PSS Films with a Fluorosurfactant for Stretchable and Flexible Transparent Electrodes. Adv Funct Mater. 22 (2), 421-428 (2012).
- Zhang, M., et al. Strong, Transparent, Multifunctional, Carbon Nanotube Sheets. Science. 309 (5738), 1215-1219 (2005).
- De, S., et al. Silver Nanowire Networks as Flexible, Transparent, Conducting Films: Extremely High DC to Optical Conductivity Ratios. ACS Nano. 3 (7), 1767-1774 (2009).
- van de Groep, J., Spinelli, P., Polman, A. Transparent Conducting Silver Nanowire Networks. Nano Lett. 12 (6), 3138-3144 (2012).
- Hong, S., et al. Highly Stretchable and Transparent Metal Nanowire Heater for Wearable Electronics Applications. Adv Mater. 27 (32), 4744-4751 (2015).
- Bari, B., et al. Simple hydrothermal synthesis of very-long and thin silver nanowires and their application in high quality transparent electrodes. J Mater Chem A. 4 (29), 11365-11371 (2016).
- Hyunjin, M., Phillip, W., Jinhwan, L., Seung Hwan, K. Low-haze, annealing-free, very long Ag nanowire synthesis and its application in a flexible transparent touch panel. Nanotechnol. 27 (29), 295201 (2016).
- Lee, H., et al. Highly Stretchable and Transparent Supercapacitor by Ag-Au Core-Shell Nanowire Network with High Electrochemical Stability. ACS Appl Mater Interfaces. 8 (24), 15449-15458 (2016).
- Cairns, D. R., et al. Strain-dependent electrical resistance of tin-doped indium oxide on polymer substrates. Appl Phys Lett. 76 (11), 1425-1427 (2000).
- Bel Hadj Tahar, R., Ban, T., Ohya, Y., Takahashi, Y. Tin doped indium oxide thin films: Electrical properties. J Appl Phys. 83 (5), 2631-2645 (1998).
- Kumar, A., Zhou, C. The Race To Replace Tin-Doped Indium Oxide: Which Material Will Win? ACS Nano. 4 (1), 11-14 (2010).
- Hong, S., et al. Nonvacuum, Maskless Fabrication of a Flexible Metal Grid Transparent Conductor by Low-Temperature Selective Laser Sintering of Nanoparticle Ink. ACS Nano. 7 (6), 5024-5031 (2013).
- Wu, H., et al. A Transparent Electrode Based on a Metal Nanotrough Network. Nat Nanotechnol. 8 (6), 421-425 (2013).
- Han, B., et al. Uniform Self-Forming Metallic Network as a High-Performance Transparent Conductive Electrode. Adv Mater. 26 (6), 873-877 (2014).
- Kim, H. -J., et al. High-Durable AgNi Nanomesh Film for a Transparent Conducting Electrode. Small. 10 (18), 3767-3774 (2014).
- Kwon, J., et al. Low-Temperature Oxidation-Free Selective Laser Sintering of Cu Nanoparticle Paste on a Polymer Substrate for the Flexible Touch Panel Applications. ACS Appl Mater Interfaces. 8 (18), 11575-11582 (2016).
- Suh, Y. D., et al. Nanowire reinforced nanoparticle nanocomposite for highly flexible transparent electrodes: borrowing ideas from macrocomposites in steel-wire reinforced concrete. J Mater Chem C. 5 (4), 791-798 (2017).
- Bao, C., et al. In Situ Fabrication of Highly Conductive Metal Nanowire Networks with High Transmittance from Deep-Ultraviolet to Near-Infrared. ACS Nano. 9 (3), 2502-2509 (2015).
- van Osch, T. H. J., Perelaer, J., de Laat, A. W. M., Schubert, U. S. Inkjet Printing of Narrow Conductive Tracks on Untreated Polymeric Substrates. Adv Mater. 20 (2), 343-345 (2008).
- Ahn, B. Y., et al. Omnidirectional Printing of Flexible, Stretchable, and Spanning Silver Microelectrodes. Science. 323 (5921), 1590-1593 (2009).
- Khan, A., Rahman, K., Hyun, M. -T., Kim, D. -S., Choi, K. -H. Multi-nozzle electrohydrodynamic inkjet printing of silver colloidal solution for the fabrication of electrically functional microstructures. Appl Phys A. 104 (4), 1113-1120 (2011).
- Khan, A., Rahman, K., Kim, D. S., Choi, K. H. Direct printing of copper conductive micro-tracks by multi-nozzle electrohydrodynamic inkjet printing process. J Mater Process Technol. 212 (3), 700-706 (2012).
- Ellmer, K. Past achievements and future challenges in the development of optically transparent electrodes. Nat Photonics. 6 (12), 809-817 (2012).
- Choi, H. -J., et al. Uniformly embedded silver nanomesh as highly bendable transparent conducting electrode. Nanotechnol. 26 (5), 055305 (2015).
- Khan, A., Li, S., Tang, X., Li, W. -D. Nanostructure Transfer Using Cyclic Olefin Copolymer Templates Fabricated by Thermal Nanoimprint Lithography. J Vac Sci Technol B. 32 (6), (2014).
- Khan, A., et al. High-Performance Flexible Transparent Electrode with an Embedded Metal Mesh Fabricated by Cost-Effective Solution Process. Small. 12 (22), 3021-3030 (2016).
- Moon Kyu, K., Jong, G. O., Jae Yong, L., Guo, L. J. Continuous phase-shift lithography with a roll-type mask and application to transparent conductor fabrication. Nanotechnol. 23 (34), 344008 (2012).
- Chou, S. Y., Krauss, P. R., Renstrom, P. J. Imprint of sub-25 nm vias and trenches in polymers. Appl Phys Lett. 67 (21), 3114-3116 (1995).
- Manfrinato, V. R., et al. Resolution Limits of Electron-Beam Lithography toward the Atomic Scale. Nano Lett. 13 (4), 1555-1558 (2013).
- Khan, A., et al. Solution-processed Transparent Nickel-mesh Counter Electrode with In-situ Electrodeposited Platinum Nanoparticles for Full-Plastic Bifacial Dye-sensitized Solar Cells. ACS Appl Mater Interfaces. 9 (9), 8083-8091 (2017).
- Lee, J., et al. A dual-scale metal nanowire network transparent conductor for highly efficient and flexible organic light emitting diodes. Nanoscale. 9 (5), 1978-1985 (2017).
- Khan, S., et al. Direct patterning and electrospray deposition through EHD for fabrication of printed thin film transistors. Current Appl Phys. 11 (1), S271-S279 (2011).
