Fabrication of Highly Flexible and Stretchable Silver Nanowires Based Transparent Conductor Through Engineering Structure at Nano/Micro scales

Abstract

차세대 전자 소자에 대한 수요가 기능성 및 고성능 장치에서 유연하고 호환되는 소자로 빠르게 변화함에 따라 신축성 전자 소자는 가볍고 유연하며 심지어 신축성이 있도록 개발되고 있다. 유연성 / 신축성 전자 소자는 최근에 기계적으로 변형 가능한 디스플레이, 웨어러블, 생체 통합 소자 및 인간과 기계를 연결하는 HMI (Human Machine Interface) 용도로서 센서를 적용하는 등 다양한 시장에 크게 확장 할 큰 잠재력을 보여주었다. 기존의 단단한 실리콘 기반 전자 장치에 비해 신축성 전자 소자는 비틀림, 구부러짐, 압축 및 스트레칭과 같은 기계적 변형에서도 기능을 유지할 수 있도록 집중하여 개발된다. 이러한 새로운 통합된 전자 시스템을 가능하게 하는 부분으로 전극을 핵심 요소로 개발하는데 이는 회로, 장치 및 센서의 필수 구성 요소로서 차지하게 된다. 이로 인해 미래의 전자 장치는 우리가 전극을 제조하고 설계하는 방법에 따라 완전히 부드럽고 상호 작용할 것이다. 따라서 유연하고 신축성있는 전극에 대한 노력은 주로 전기적 특성과 기계적 특성의 두 가지 필수 성능을 향상시키는 데 집중되어 왔다. 논문은 신축성 전자 제품의 범위를 확장하기 위해 디스플레이나 태양전지로 친숙한 투명전극을, 투명한 광학적 특성을 보여 주면서도 우수한 전기적 및 기계적 특성을 나타내는 매우 유연한 / 신축성은 나노 와이어 (AgNWs) 기반 전도성 전극 개발에 중점을 두며 서술한다. 본 논문에서는 우선적으로 은 나노와이어의 합성과정을 이해하여 다른 차원의 NW를 나노 마이크로 스케일에서 구조적 이점을 이해하여 고품질 전극을 제공하기 위해 연구한다. 그 다음 기존에 용액상태로 존재하는 나노 와이어의 이점을 활용해 대면적 공정을 시연하고, 그 공정과정에서 나노와이어 간의 접촉 저항을 극적으로 감소시키고 기판에 대한 NW의 접착력을 향상시키는 용접 / 임베딩 효과를 통해 솔루션 기반 제조 방법이 도입되었으며, 이는 기판에 팽윤성 폴리머 층을 코팅함으로써 달성된다. 이 공정을 통해 실온에서 나노 와이어 퍼콜레이션 네트워크 전극을 제조할 수 있는, 대면적 공정을 보여주었다. 마지막으로 은 나노와이어 기반 투명 유연 전극을 탄성과 신축성이 있는 전극으로 엔지니어링 하는 키리가미 설계 접근 방식이 시연되었으며, 이는 다양한 마이크로 디자인으로 설계된 이 투명 전극 패턴은 신축성 히터, 생체신호 (EP) 감지 전극 더 나아가 이를 이용한 인간-기계 인터페이스 전자 피부 (E-skin)를 포함한 일련의 웨어러블 애플리케이션에 적용될 수 있음을 보여줌으로 써 유연하며 신축성까지 갖는 은 나노와이어 기반 투명전극의 다양한 가능성을 연구하였다.

As the demand for next generation electronic devices rapidly changes its form from functional and high performances devices to flexible and compliant devices, stretchable electronics have been developed to be lightweight, flexible and even stretchable. Flexible/stretchable electronics recently have shown great potential that will greatly expand the domain of electronics to mechanically deformable displays, wearable, bio-integrated devices and sensors for human- machine interface (HMI) that bridges between human and machine. Compared to traditional rigid silicon based electronics, stretchable electronics devices can maintain their functionality under mechanical deformation such as twisting, bending, compression and stretching. The core technology that enables this electronic system involve development of deformable electrodes, which are an essential component for circuits, devices and sensors. Future electronics will be fully soft and interactive depending on how we fabricate and design the electrodes. Therefore, the efforts in flexible and stretchable electrodes have been largely focused on improving two essential performances, electrical property and mechanical property. My dissertation focuses on developing highly flexible/stretchable silver nanowires (AgNWs) based conductive electrode that exhibits excellent electrical and mechanical property, even while demonstrating highly transparent optical property, to expand the scope of stretchable electronics. In this dissertation, synthesis of AgNWs is studied to provide NWs with different dimensions for structural advantages both at nano-micro-scale in order to fabricate high quality transparent electrodes. Then, a solution-based fabrication approach that both dramatically reduces contact resistance between NW to NW and enhances NWs adhesion to the substrate by welding / embedding effect that simultaneous occur. This fabrication approach is achieved by coating a swellable polymer layer on a substrate. This process has enabled a scalable fabrication of high performance NWs percolation network conductor through welding and embedding at a room temperature. Lastly, a kirigami design approach to engineer AgNWs based transparent flexible conductor into elastic stretchable conductors is demonstrated. These engineered transparent electrodes patterned by different kirigami design have shown that they can be applied to a series of wearable applications, including stretchable heater, electrophysiology (EP) sensing electrodes and human-machine interface electronic-skin (E-skin).