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Oct 02, 2023

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Scientific Reports volume 12, Article number: 20962 (2022) Cite this article 1699 Accesses 2 Citations 5 Altmetric Metrics details Transparent conducting electrodes (TCEs) are essential components in

Scientific Reports 12권, 기사 번호: 20962(2022) 이 기사 인용

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투명전도전극(TCE)은 터치스크린, 스마트윈도우, 광전지 등의 기기에 필수적인 부품이다. 금속 나노와이어 네트워크는 유망한 차세대 TCE이지만 가장 성능이 좋은 예는 고가의 금속 촉매(팔라듐 또는 백금), 진공 처리 또는 확장할 수 없는 전달 프로세스에 의존합니다. 이 연구는 고성능과 간단한 제조에 초점을 맞춘 금속 나노와이어 TCE 제조 공정을 보여줍니다. 여기서 우리는 전기방사 나노와이어에 대한 직접 및 도금 금속화 공정을 결합했습니다. 먼저 반응성 은 잉크를 사용하여 은 나노와이어를 직접 금속화합니다. 은은 후속 구리 도금을 촉매하여 Ag-Cu 코어-쉘 나노와이어를 생성하고 나노와이어 접합 저항을 제거합니다. 이 공정은 전기방사 및 도금 시간을 조정하여 조정 가능한 투과율 및 시트 저항 특성을 허용합니다. 우리는 시트 저항이 0.33 Ω sq−1이고 가시광선 투과율이 86%(기판 포함)인 전대기 공정을 사용하여 최첨단 저 헤이즈 TCE를 시연하여 Haacke 성능 지수를 도출했습니다. 652 × 10–3Ω−1. 코어-쉘 나노와이어 전극은 또한 높은 화학적 내구성과 굽힘 내구성을 보여줍니다.

광전지, 발광 다이오드, 터치 스크린, 완전 투명 디스플레이, 투명 히터 등 기존 및 신흥 광전자 기술은 투명 전도성 전극(TCE)을 사용하여 작동합니다. 고성능 TCE는 시트 저항(Rs)과 광 투과율(T)이라는 두 가지 재료 특성을 최적화합니다. 두 재료 특성은 모두 TCE 재료의 양에 따라 달라지기 때문에 독립적으로 제어하기 어렵습니다. TCE 물질의 양이 많을수록 Rs는 증가하고 T는 감소합니다. Rs와 T 사이의 균형은 모든 TCE에 대한 문제입니다. 이러한 절충안의 최적화는 Rs와 T를 단일 값으로 결합하는 성능 지수(FOM)로 정량화됩니다. 널리 사용되는 Haacke FOM은 T10 Rs−11과 같습니다. 지배적인 상용 TCE 기술인 ITO(인듐 주석 산화물)는 일반적으로 Rs ~ 10 Ω sq−1, ~ 90% T 및 약 35 × 10–3 Ω−1의 FOM을 달성합니다(그림 1a)2. 상대적으로 낮은 성능 외에도 ITO에는 적용 가능성을 제한하고 비용을 증가시키는 몇 가지 다른 단점이 있습니다3. (1) 본질적으로 부서지기 쉬우므로 유연한 응용 분야에 적합하지 않습니다. (2) 인듐은 희소성으로 인해 점점 더 비싸지고 있습니다. (3) ITO 증착에는 일반적으로 마그네트론 스퍼터링과 같이 시간이 많이 걸리고 비용이 많이 드는 진공 공정이 포함됩니다.

(a) 현재까지 최고 성능의 나노와이어 TCE를 보여주는 시트 저항(Rs) 플롯의 함수로서 550nm(T550nm)에서의 투과율. 폴리머 임프린팅22,23,24, 전기방사31,32,33,34,35 및 ITO2를 기반으로 한 TCE가 포함됩니다. 녹색 별은 하소 후 은 나노와이어 및 구리 도금된 은 나노와이어에 대한 이 연구에서 가장 높은 FOM TCE입니다. 보라색 점선은 Haacke FOM 등치선입니다. 일부 투과율 값은 비교 가능한 기판을 포함하기 위해 원래 출판물에서 다시 계산되었습니다(표 S1). (b) TCE 제조 공정의 개략도. 1. 전기방사기는 반응성 은 잉크를 포함하는 폴리머 나노와이어를 유리 기판에 증착합니다. 2. 300°C의 핫플레이트에서 나노와이어를 30초 동안 소성하여 폴리머를 기화시키고 은 전구체를 감소시킵니다. 3. UV 오존 처리는 무전해 구리 증착을 위해 은 나노와이어 표면을 활성화합니다. 4. 무전해 구리 증착은 은 나노와이어 주위에 구리 껍질을 만들어 접합부를 융합시킵니다. 코어-쉘 은-구리 나노와이어 네트워크가 기판에 남아 있습니다. (c) 나노와이어 TCE의 실제 투명성과 색상 중립성을 보여주는 사진.

연구원들은 금속 산화물4,5, 탄소 나노튜브6,7, 그래핀8,9, 전도성 폴리머10,11, 산화물/금속/산화물 구조12,13,14,15 및 금속 기반 TCE를 포함하여 기존 ITO를 대체하기 위한 다양한 전략을 개발했습니다. 나노와이어 네트워크15,16,17,18,19. 금속 나노와이어 네트워크는 고성능, 높은 확장성, 저렴한 비용 및 유연성으로 인해 유망합니다20,21. 금속은 비교할 수 없는 전기적 성능을 제공하며 얇은 와이어는 낮은 충진율에서 사람의 눈에 거의 보이지 않습니다. 고성능 금속 나노와이어 TCE에는 접촉 저항을 줄이기 위해 균일한 분포와 융합 접합을 갖춘 저저항 와이어가 포함되어 있습니다. 폴리머 임프린팅22,23,24,25, 전기유체역학적 프린팅26,27, 용액 처리28,29, 균열 필름 리소그래피30 및 전기방사31,32,33,34,35,36을 포함한 다양한 나노와이어 패터닝 기술이 있습니다. 폴리머 임프린팅과 전기방사는 확장성과 저렴한 비용으로 인해 가장 일반적인 패터닝 방법 중 두 가지입니다. 그림 1a는 폴리머 임프린팅과 전기방사를 기반으로 한 최고 성능의 금속 나노와이어 TCE에 대한 조사를 제공합니다.