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KR20250120800A - METHOD FOR MANUFACTURING CONDUCTIVE polymer FILM WITH NANO-NETWORK STRUCTURE, CONDUCTIVE polymer FILM MANUFACTURED THEREBY, AND BENDING SENSOR COMPRISING THE SAME - Google Patents

METHOD FOR MANUFACTURING CONDUCTIVE polymer FILM WITH NANO-NETWORK STRUCTURE, CONDUCTIVE polymer FILM MANUFACTURED THEREBY, AND BENDING SENSOR COMPRISING THE SAME

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Publication number
KR20250120800A
KR20250120800A KR1020240016844A KR20240016844A KR20250120800A KR 20250120800 A KR20250120800 A KR 20250120800A KR 1020240016844 A KR1020240016844 A KR 1020240016844A KR 20240016844 A KR20240016844 A KR 20240016844A KR 20250120800 A KR20250120800 A KR 20250120800A
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
conductive polymer
nano
network structure
polymer film
layer
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
KR1020240016844A
Other languages
Korean (ko)
Inventor
최홍균
임진형
이호준
김동환
Original Assignee
국립공주대학교 산학협력단
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 국립공주대학교 산학협력단 filed Critical 국립공주대학교 산학협력단
Priority to KR1020240016844A priority Critical patent/KR20250120800A/en
Publication of KR20250120800A publication Critical patent/KR20250120800A/en
Pending legal-status Critical Current

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    • H01ELECTRIC ELEMENTS
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    • CCHEMISTRY; METALLURGY
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    • GPHYSICS
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Abstract

본 발명은 (a) 기판 위에, 다수의 원형 공극이 패터닝된 나노 망상구조의 산화제 층을 형성하는 단계, (b) 상기 나노 망상구조의 산화제 층과 상기 기판 사이에 전도성 고분자 층을 형성하는 단계, 및 (c) 상기 나노 망상구조의 산화제 층을 제거하는 단계를 포함하는 나노 망상구조의 전도성 고분자 필름의 제조방법, 그에 의해 제조된 전도성 고분자 필름 및 이를 포함하는 굽힘 센서에 대한 것이다. The present invention relates to a method for producing a conductive polymer film having a nano-network structure, comprising the steps of (a) forming an oxidizing layer having a nano-network structure patterned with a plurality of circular pores on a substrate, (b) forming a conductive polymer layer between the oxidizing layer having the nano-network structure and the substrate, and (c) removing the oxidizing layer having the nano-network structure, a conductive polymer film produced thereby, and a bending sensor including the same.

Description

나노 망상구조의 전도성 고분자 필름의 제조방법, 그에 의해 제조된 전도성 고분자 필름 및 이를 포함하는 굽힘 센서{METHOD FOR MANUFACTURING CONDUCTIVE polymer FILM WITH NANO-NETWORK STRUCTURE, CONDUCTIVE polymer FILM MANUFACTURED THEREBY, AND BENDING SENSOR COMPRISING THE SAME}Method for manufacturing conductive polymer film with nano-network structure, conductive polymer film manufactured thereby, and bending sensor comprising the same

본 발명은 벤딩 센서의 센싱부 소재로 적용할 수 있는 전도성 고분자 필름을 제조하는 방법, 그에 의해 제조된 전도성 고분자 필름 및 이를 포함하는 굽힘 센서(bending sensor)에 대한 것이다. The present invention relates to a method for manufacturing a conductive polymer film that can be applied as a sensing part material of a bending sensor, a conductive polymer film manufactured thereby, and a bending sensor including the same.

전도성 고분자(conjugated conductive polymer)는 1970년대 처음 합성된 이후뛰어난 광학적, 기계적, 전자적 특성으로 인해 상당한 주목을 받으며 광촉매, 생체 전자 공학, 변형 센서, 굽힘 센서 및 광전지 등 다양한 분야에 적용되어 왔다. Since their first synthesis in the 1970s, conjugated conductive polymers have attracted considerable attention due to their excellent optical, mechanical, and electronic properties, and have been applied in various fields such as photocatalysis, bioelectronics, strain sensors, bending sensors, and photovoltaics.

전도성 고분자에 대한 다양한 합성 방법 중에서 기상 중합(vapor phase polymerization, VPP)은 고분자를 액상이나 용액으로 적용하기 어려운 경우 다양한 모양의 기판이나 템플릿 상에 전도성 고분자 필름을 제작할 수 있다는 장점을 가지는데, 점점 더 복잡해지는 장치 구조에 대한 수요가 증가함에 따라 전도성 고분자를 서브마이크로미터 수준의 고해상도로 패터닝할 수 있는 기술에 대한 개발이 시급하다. Among the various synthetic methods for conductive polymers, vapor phase polymerization (VPP) has the advantage of being able to produce conductive polymer films on substrates or templates of various shapes when it is difficult to apply the polymer in a liquid or solution form. However, as the demand for increasingly complex device structures increases, there is an urgent need to develop a technology that can pattern conductive polymers at a high resolution on the submicrometer level.

특히, 변형을 감지하기 위한 센싱부에 패턴이 없는 전도성 고분자 필름을 사용하는 기존의 굽힘 센서(bendign sensor)는 변형이 인가될 때 해당 전도성 고분자 필름에 마이크로 크기의 크랙이 발생하면서 필름의 전기 저항이 상승하는 원리로 변형의 정도를 감지하는데, 센서의 민감도(sensitivity)가 기대에 미치지 못해 개선된 민감도를 가지는 센서를 구현하기 위해 새로운 구조의 전도성 고분자 필름에 대한 개발이 필요한 실정이다. In particular, existing bending sensors that use a conductive polymer film without a pattern in the sensing section for detecting deformation detect the degree of deformation based on the principle that when deformation is applied, micro-sized cracks occur in the conductive polymer film, causing the electrical resistance of the film to increase. However, the sensitivity of the sensor is not up to expectations, and therefore, development of a conductive polymer film with a new structure is necessary to implement a sensor with improved sensitivity.

국제공개특허 WO 2016/166148 (등록일: 2016.10.20)International Patent Publication No. WO 2016/166148 (Registration Date: October 20, 2016)

본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제는, 굽힘 센서의 민감도 향상 등 각종 소자의 성능 향상에 기여할 수 있는 나노 스케일의 패턴을 가지는 전도성 고분자 필름을 제조하는 방법, 그에 의해 제조된 전도성 고분자 필름 및 이를 포함하는 굽힘 센서를 제공하는 것이다. The technical problem to be solved by the present invention is to provide a method for manufacturing a conductive polymer film having a nano-scale pattern that can contribute to improving the performance of various devices, such as improving the sensitivity of a bending sensor, a conductive polymer film manufactured thereby, and a bending sensor including the same.

상기 기술적 과제를 달성하기 위해, 본 발명은 (a) 기판 위에, 다수의 원형 공극이 패터닝된 나노 망상구조의 산화제 층을 형성하는 단계, (b) 상기 나노 망상구조의 산화제 층과 상기 기판 사이에 전도성 고분자 층을 형성하는 단계, 및 (c) 상기 나노 망상구조의 산화제 층을 제거하는 단계를 포함하는 나노 망상구조의 전도성 고분자 필름의 제조방법을 제안한다. In order to achieve the above technical task, the present invention proposes a method for producing a conductive polymer film having a nano-network structure, comprising the steps of (a) forming an oxidizing layer having a nano-network structure patterned with a plurality of circular pores on a substrate, (b) forming a conductive polymer layer between the oxidizing layer having the nano-network structure and the substrate, and (c) removing the oxidizing layer having the nano-network structure.

이때, 상기 단계 (a)에서 나노 망상구조의 산화제 층을 형성하는 방법은 특별히 제한되지는 않으나, 콜로이드 리소그래피(colloidal lithography) 공정을 통해 패터닝된 산화제 층을 형성하는 것이 바람직하다. At this time, the method for forming the nano-network structured oxidizing layer in the above step (a) is not particularly limited, but it is preferable to form a patterned oxidizing layer through a colloidal lithography process.

상기 단계 (a)에서 콜로이드 리소그래피 공정을 통해 나노 망상구조의 산화제 층을 형성할 경우, 상기 단계 (a)는 (a-1) 기판 및 상기 기판 위에 형성된 비밀집 반구형 콜로이드 결정 단층(non-close-packed hemispherical colloidal crystal monolayer)을 포함하는 콜로이드 리소그래피를 위한 템플릿을 제조하는 단계, (a-2) 상기 비밀집 반구형 콜로이드 결정 단층 위에 산화제를 증착하는 단계, 및 (a-3) 콜로이드 결정을 제거해 다수의 원형 공극으로 이루어진 패턴을 가지는 산화제 층을 형성하는 단계를 포함해 이루어질 수 있다. In the case where the nano-network structured oxidizing layer is formed through a colloidal lithography process in the above step (a), the step (a) may include: (a-1) preparing a template for colloidal lithography including a substrate and a non-close-packed hemispherical colloidal crystal monolayer formed on the substrate, (a-2) depositing an oxidizing agent on the non-close-packed hemispherical colloidal crystal monolayer, and (a-3) removing the colloidal crystal to form an oxidizing layer having a pattern composed of a plurality of circular pores.

이때, 상기 단계 (a-1)에서 콜로이드 리소그래피 공정을 위한 템플릿을 제조하는 단계는, 폴리스티렌(polystyrene, PS) 등으로 이루어진 콜로이드 다층 결정을 제조하고, 상기 콜로이드 다층 결정의 표면층을 에칭하고 폴리디메틸실록산(polydimethylsiloxane, PDMS) 등의 탄성 고분자로 이루어진 스탬프를 이용해 상기 콜로이드 다층 결정으로부터 표면층을 분리시킨 후, 기판 위에 상기 표면층을 전사시킨 후 가압해 기판 위에 비밀집 반구형 콜로이드 결정 단층(non-close-packed hemispherical colloidal crystal monolayer)을 형성시키는 과정을 거쳐 이루어질 수 있다. At this time, the step of manufacturing a template for the colloidal lithography process in the step (a-1) may be performed by manufacturing a colloidal multilayer crystal made of polystyrene (PS) or the like, etching a surface layer of the colloidal multilayer crystal, separating the surface layer from the colloidal multilayer crystal using a stamp made of an elastic polymer such as polydimethylsiloxane (PDMS), transferring the surface layer onto a substrate, and then applying pressure to form a non-close-packed hemispherical colloidal crystal monolayer on the substrate.

또한, 상기 단계 (b)에서 나노 망상구조의 산화제 층과 기판 사이에 나노 망상구조의 전도성 고분자 층을 형성하는 방법은 특별히 제한되지는 않으나, 산화제 층을 이루는 산화제와 기상(vapor phase)의 전도성 고분자 단량체를 반응시키는 기상 중합법(vapor phase polymerization, VPP)을 통해 나노 망상구조의 전도성 고분자 층을 형성하는 것이 바람직하다. In addition, the method for forming a nano-network structure conductive polymer layer between the nano-network structure oxidizer layer and the substrate in the above step (b) is not particularly limited, but it is preferable to form a nano-network structure conductive polymer layer through vapor phase polymerization (VPP) in which an oxidizer forming the oxidizer layer and a vapor phase conductive polymer monomer are reacted.

이때, 상기 단계 (b)에서 기상 중합법(vapor phase polymerization, VPP)을 위해 제공되는 전도성 고분자 단량체의 종류는 특별히 제한되지 않으며, 예를 들어, 3,4-에틸렌디옥시티오펜(3,4-Ethylenedioxythiophene, EDOT), 피롤(pyrrole), 3-헥실티오펜(3-hexylthiophene, 3HT), 3-헵틸피롤(3-heptylpyrrole, 3HP), 티오펜(thiophene) 또는 퓨란(furan)일 수 있고, 상기 각 단량체를 중합시켜 얻어지는 전도성 고분자는 폴리(3,4-에틸렌디옥시티오펜)(PEDOT), 폴리피롤(PPy), 폴리(3-헥실티오펜)(P3HT), 폴리(3-헵틸피롤)(P3HP), 폴리티오펜(polythiophene) 또는 폴리퓨란(polyfuran)일 수 있다. At this time, the type of conductive polymer monomer provided for vapor phase polymerization (VPP) in the step (b) is not particularly limited, and may be, for example, 3,4-ethylenedioxythiophene (EDOT), pyrrole, 3-hexylthiophene (3HT), 3-heptylpyrrole (3HP), thiophene, or furan, and the conductive polymer obtained by polymerizing each of the monomers may be poly(3,4-ethylenedioxythiophene) (PEDOT), polypyrrole (PPy), poly(3-hexylthiophene) (P3HT), poly(3-heptylpyrrole) (P3HP), polythiophene, or polyfuran.

또한, 상기 나노 망상구조의 산화제 층을 구성하는 산화제는 철(III) p-톨루엔설포네이트(iron(III) p-toluenesulfonate, FTS), 철(III) 트리플루오로메탄설포네이트(Iron(III) trifluoromethanesulfonate), 철(III) 염화물(iron(III) chloride), p-톨루엔설폰산(p-toluenesulphonic acid), 요오드, 브롬, 몰리브도인산(molybdophosphoric acid), 과황산암모늄(ammonium persulfate), DL-주석산(), 폴리아크릴산, 염화구리(copper chloride), 브롬화구리(copper bromide), 염화제이철(ferric chloride), 나프탈렌술폰산(naphthalenesulfonic acid), 철(III)-과염소산염(Iron(III)-perchlorate), Cu(ClO4)2·6H2O, 세륨(IV) 암모늄나이트레이트(cerium(IV) ammonium nitrate) 및 세륨(IV) 설페이트(cerium(IV) sulfate)로 이루어진 군으로부터 선택되는 어느 하나 또는 둘 이상의 혼합물일 수 있으나, 반드시 이들로 제한되는 것은 아니다. In addition, the oxidizing agent constituting the oxidizing agent layer of the nano-network structure is iron(III) p -toluenesulfonate (FTS), iron (III) trifluoromethanesulfonate, iron(III) chloride, p - toluenesulphonic acid, iodine, bromine, molybdophosphoric acid, ammonium persulfate, DL-tartaric acid (), polyacrylic acid, copper chloride, copper bromide, ferric chloride, naphthalenesulfonic acid, iron(III)-perchlorate, Cu(ClO 4 ) 2 6H 2 O, It may be one or a mixture of two or more selected from the group consisting of cerium(IV) ammonium nitrate and cerium(IV) sulfate, but is not necessarily limited thereto.

그리고, 본 발명은 발명의 다른 측면에서 상기 제조방법에 의해 제조되는 나노망상 구조의 전도성 고분자 필름을 제안한다. And, in another aspect of the present invention, the present invention proposes a conductive polymer film having a nano-network structure manufactured by the above manufacturing method.

나아가, 본 발명은 발명의 또 다른 측면에서 상기 나노망상 구조의 전도성 고분자 필름을 굽힘 응력을 감지하는 센싱부에 포함하는 굽힘 센서를 제안한다. Furthermore, in another aspect of the present invention, a bending sensor is proposed that includes a conductive polymer film of the nano-network structure in a sensing unit that detects bending stress.

본 발명에 따라 제조되는 나노망상 구조를 도입한 전도성 고분자 필름을 센싱부로 포함하는 굽힘 센서는 상기 전도성 고분자 필름의 원형 공극 패턴의 연결 부위에 굽힘 응력이 집중되어 작은 굽힘에도 크랙이 발생하기에 기존의 패턴이 없는 전도성 고분자 필름을 적용한 센서에 비해 굽힘에 대한 현저히 향상된 민감도를 나타낸다. A bending sensor including a conductive polymer film having a nano-network structure manufactured according to the present invention as a sensing unit exhibits significantly improved sensitivity to bending compared to a sensor using a conventional patternless conductive polymer film, since bending stress is concentrated at the connection portion of the circular pore pattern of the conductive polymer film, causing cracks to occur even with small bending.

도 1는 본원 실시예에서 콜로이드 리소그래피(colloidal lithography)와 기상 중합법(vapor phase polymerization, VPP)을 통해 패터닝된 PEDOT 필름을 제조하는 공정을 순서대로 나타낸 모식도이다.
도 2는 본원 실시예에서 콜로이드 결정 템플릿 제조시 각 단계에서 제조된 콜로이드 결정의 주사전자현미경(SEM) 이미지이다(a : 다층 폴리스티렌(PS) 콜로이드 결정, b : 표면 에칭 결정, c 및 d : 전사된 비밀집 반구형 콜로이드 결정 단층).
도 3(a)는 콜로이드 결정 템플릿 위에 코팅된 FTS 산화제 층의 SEM 이미지이고, 도 3(b) 콜로이드 제거 후의 패터닝된 FTS 산화제 층의 SEM 이미지이고, 도 3(c) 및 도 3(d)는 각기 다른 배율로 촬영된 PEDOT 필름의 SEM 이미지이며, 도 3(e) 및 도 3(f)는 패터닝된 FTS 산화제 층의 원소 분석 결과이고, 도 3(g) 및 도 3(h)는 각각 직경 1μm의 PS 입자를 사용하여 제조한 콜로이드 결정 마스크를 사용해 얻어진 FTS 패턴층 및 PEDOT 패턴층 SEM 이미지이다.
도 4(a) 및 도 4(b)는 각각 밀집 콜로이드 결정 단층 템플릿(close-packed colloidal crystal monolayer template) 및 이를 이용해 제조된 패터닝된 PEDOT 필름의 SEM 이미지이고, 도 4(c) 및 도 4(d)는 비밀집 구형 콜로이드 결정 단층(non-close-packed spherical colloidal crystal) 및 이를 이용해 제조된 패터닝된 PEDOT 필름의 SEM 이미지이고, 도 4(e) 및 도 4(f)는 각각 콜로이드 반구 어레이 위에 형성된 PEDOT 필름 및 콜로이드 입자를 용해시킨 후 붕괴된 PEDOT 필름의 SEM 이미지이고, 도 4(g)는 FTS 코팅 후(상단) 및 PEDOT 필름 형성 후(하단) 콜로이드 입자 제거 공정을 보여주는 모식도이다.
도 5(a) 내지 도 5(f)는 서로 다른 기상 중합법(VPP) 공정 시간(30분(a 및 d), 60분(b 및 e) 및 90분(c 및 f))에 따라 제조된 패터닝된 PEDOT 필름의 SEM 이미지(a 내지 c) 및 AFM(d 내지 f) 이미지이고, 도 5(g)는 서로 다른 VPP 공정 시간에 따라 제조된 패터닝된 PEDOT 필름과 패터닝되지 않은 PEDOT 필름에 대해 550nm에서 광학 투과율을 측정한 결과이고, 도 5(h)는 서로 다른 VPP 공정 시간에 따라 제조된 패터닝된 PEDOT 필름의 I-V 및 전도도(삽입도)를 측정한 결과이다.
도 6(a) 및 도 6(b)는 각각 패터닝되지 않은 PEDOT 필름 및 패터닝된 PEDOT 필름에 대해 다양한 굽힘 반경에서 굽힘 사이클 테스트를 실시한 결과이고, 도 6(c)는 패터닝된 PEDOT 필름과 패터닝되지 않은 PEDOT 필름의 굽힘 반경에 따른 상대 저항 변화(ΔR/R 0 )를 측정한 결과이고, 도 6(d)는 패터닝된 PEDOT 필름 및 패터닝되지 않은 PEDOT 필름에 각각 대응하는 다공성 구조(왼쪽) 및 평면 구조(오른쪽)의 응력 분포를 나타내는 단순화된 시뮬레이션 결과이다.
Figure 1 is a schematic diagram sequentially showing the process for manufacturing a patterned PEDOT film through colloidal lithography and vapor phase polymerization (VPP) in the present invention.
Figure 2 is a scanning electron microscope (SEM) image of colloidal crystals manufactured at each step in the manufacture of a colloidal crystal template in the present invention (a: multilayer polystyrene (PS) colloidal crystal, b: surface-etched crystal, c and d: transferred non-coated hemispherical colloidal crystal monolayers).
Fig. 3(a) is a SEM image of an FTS oxidizer layer coated on a colloidal crystal template, Fig. 3(b) is a SEM image of a patterned FTS oxidizer layer after colloid removal, Figs. 3(c) and 3(d) are SEM images of a PEDOT film taken at different magnifications, Figs. 3(e) and 3(f) are elemental analysis results of the patterned FTS oxidizer layer, and Figs. 3(g) and 3(h) are SEM images of an FTS pattern layer and a PEDOT pattern layer, respectively, obtained using a colloidal crystal mask manufactured using PS particles having a diameter of 1 μm.
FIG. 4(a) and FIG. 4(b) are SEM images of a close-packed colloidal crystal monolayer template and a patterned PEDOT film manufactured using the same, respectively; FIG. 4(c) and FIG. 4(d) are SEM images of a non-close-packed spherical colloidal crystal monolayer and a patterned PEDOT film manufactured using the same; FIG. 4(e) and FIG. 4(f) are SEM images of a PEDOT film formed on a colloidal hemisphere array and a collapsed PEDOT film after dissolving colloidal particles, respectively; and FIG. 4(g) is a schematic diagram showing the colloidal particle removal process after FTS coating (top) and after PEDOT film formation (bottom).
FIGS. 5(a) to 5(f) are SEM images (a to c) and AFM images (d to f) of patterned PEDOT films prepared according to different vapor phase polymerization (VPP) process times (30 min (a and d), 60 min (b and e), and 90 min (c and f)), FIG. 5(g) shows the results of measuring optical transmittance at 550 nm for patterned and unpatterned PEDOT films prepared according to different VPP process times, and FIG. 5(h) shows the results of measuring IV and conductivity (inset) of patterned PEDOT films prepared according to different VPP process times.
Figures 6(a) and 6(b) show the results of bending cycle tests performed at various bending radii for an unpatterned PEDOT film and a patterned PEDOT film, respectively, Figure 6(c) shows the results of measuring the relative resistance change ( ΔR/R 0 ) according to the bending radius for a patterned PEDOT film and an unpatterned PEDOT film, and Figure 6(d) shows the simplified simulation results showing the stress distribution of the porous structure (left) and the planar structure (right) corresponding to the patterned PEDOT film and the unpatterned PEDOT film, respectively.

본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략할 것이다.In describing the present invention, if it is determined that a detailed description of a related known function or configuration may unnecessarily obscure the gist of the present invention, the detailed description will be omitted.

본 발명의 개념에 따른 실시 예는 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있으므로 특정 실시 예들을 도면에 예시하고 본 명세서 또는 출원에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명의 개념에 따른 실시 예를 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.Embodiments according to the concept of the present invention may be subject to various modifications and take various forms. Therefore, specific embodiments are illustrated in the drawings and described in detail in this specification or application. However, this is not intended to limit embodiments according to the concept of the present invention to specific disclosed forms, and it should be understood that all modifications, equivalents, and alternatives included within the spirit and technical scope of the present invention are included.

본 명세서에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 설시된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.The terminology used herein is for the purpose of describing specific embodiments only and is not intended to limit the present invention. The singular expression includes the plural expression unless the context clearly indicates otherwise. In this specification, it should be understood that the terms "comprises" or "has" indicate the presence of a described feature, number, step, operation, component, part, or combination thereof, but do not preclude the possibility of the presence or addition of one or more other features, numbers, steps, operations, components, parts, or combinations thereof.

이하, 실시예를 들어 본 발명에 대해 보다 상세하게 설명하기로 한다. Hereinafter, the present invention will be described in more detail by way of examples.

본 명세서에 따른 실시 예들은 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 명세서의 범위가 아래에서 상술하는 실시 예들에 한정되는 것으로 해석되지 않는다. 본 명세서의 실시 예들은 당업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 명세서를 보다 완전하게 설명하기 위해 제공되는 것이다.The embodiments described herein may be modified in various ways, and the scope of this specification is not to be construed as limited to the embodiments described below. The embodiments described herein are provided to more fully explain this specification to those of ordinary skill in the art.

<실시예><Example>

도 1에 본 발명에 따른 나노 망상구조의 전도성 고분자 필름로서 패터닝된 PEDOT 필름의 제작 절차의 모식도를 도시했다. 먼저, 다층 콜로이드 결정으로부터 열전사를 통해 비밀집 반구형 콜로이드 결정 단층을 제작했다(도 1(i)~(v)). 그런 다음, 준비된 콜로이드 결정 템플릿을 통해 철(III) p-톨루엔설포네이트(iron(III) p-toluenesulfonate, FTS) 산화제가 증착되었다(도 1(vi) 및 (vii)). 마지막으로, 미리 패터닝된 FTS 산화제 층을 사용하여 기상 중합법(VPP)으로 벌집 구조의 다공성 PEDOT 패턴을 제작하였다(도 1(viii)-(x)).FIG. 1 schematically illustrates the fabrication process of a patterned PEDOT film as a conductive polymer film with a nano-network structure according to the present invention. First, a non-packed hemispherical colloidal crystal monolayer was fabricated from a multilayer colloidal crystal through thermal transfer (FIGS. 1(i)-(v)). Then, iron(III) p - toluenesulfonate (FTS) oxidizer was deposited through the prepared colloidal crystal template (FIGS. 1(vi) and (vii)). Finally, a porous PEDOT pattern with a honeycomb structure was fabricated through vapor phase polymerization (VPP) using the pre-patterned FTS oxidizer layer (FIGS. 1(viii)-(x)).

도 1에 도시한 콜로이드 리소그래피(colloidal lithography)와 기상 중합법(vapor phase polymerization, VPP)의 조합을 통한 PEDOT 필름의 보다 상세한 제조 공정은 다음과 같다. A more detailed manufacturing process of the PEDOT film through a combination of colloidal lithography and vapor phase polymerization (VPP) as illustrated in Fig. 1 is as follows.

먼저, 무유화제 유화 중합(emulsifier-free emulsion polymerization) 및 분산 중합(dispersion polymerization)을 사용해 직경 460 nm 및 1 μm의 폴리스티렌(polystyrene, PS) 입자를 각각 합성했다. 다층 콜로이드 결정은 수직 증착법(vertical deposition method)을 통해 제조했다. 먼저, 제조된 PS 콜로이드 입자를 0.001 중량%의 폴리(비닐피롤리돈) (Mw = 55000, Sigma Aldrich)과 함께 탈이온수(0.1 중량%, 40 mL)에 분산시켰다. 그런 다음 슬라이드 글라스를 PS 콜로이드 현탁액에 담가서 코팅하고 70°C에서 밤새 보관했다. First, polystyrene (PS) particles with diameters of 460 nm and 1 μm were synthesized using emulsifier-free emulsion polymerization and dispersion polymerization, respectively. Multilayer colloidal crystals were prepared using a vertical deposition method. First, the prepared PS colloidal particles were dispersed in deionized water (0.1 wt%, 40 mL) with 0.001 wt% poly(vinylpyrrolidone) (Mw = 55000, Sigma Aldrich). Then, slide glasses were coated by immersing them in the PS colloidal suspension and stored overnight at 70°C.

콜로이드 결정의 표면층을 전사하기 위해, 결정 샘플을 Tergeo 플라즈마 클리너(PIE Scientific)에서 O2 플라즈마(90W, 2분)에 노출시켰다. 그런 다음 평평한 폴리디메틸실록산(polydimethylsiloxane PDMS) 스탬프를 표면 에칭된 다층 콜로이드 결정에 접촉시키고 약 100kPa의 압력을 가했다. PDMS 스탬프를 샘플에서 떼어내어 다층 콜로이드 결정으로부터 표면층을 제거했다. 그런 다음 스탬프에 매립된 콜로이드 입자를 약 115°C로 가열된 타겟 기판 위에 놓고 기판에서 PDMS 스탬프를 떼어내어 비밀집 반구형 콜로이드 결정 단층(non-close-packed hemispherical colloidal crystal monolayer)을 형성했다.To transfer the surface layer of the colloidal crystal, the crystal sample was exposed to O 2 plasma (90 W, 2 min) in a Tergeo plasma cleaner (PIE Scientific). Then, a flat polydimethylsiloxane (PDMS) stamp was brought into contact with the surface-etched multilayer colloidal crystal and a pressure of approximately 100 kPa was applied. The PDMS stamp was removed from the sample, removing the surface layer from the multilayer colloidal crystal. The colloidal particles embedded in the stamp were then placed on a target substrate heated to approximately 115°C, and the PDMS stamp was removed from the substrate to form a non-close-packed hemispherical colloidal crystal monolayer.

다음으로, 반구형 콜로이드 결정 단층으로 코팅된 기판 위에, 1-부탄올에 용해된 5 중량%의 철(III) p-톨루엔설포네이트(FTS, Sigma Aldrich)를 2000 rpm으로 30초 동안 스핀 코팅했다. PS 콜로이드 템플릿을 톨루엔 내에서 10분 동안 초음파 처리해 용해시켜 콜로이드 입자를 덮고 있는 FTS 층을 제거해 미리 패터닝된(prepatterned) FTS 기판을 얻었다. 그런 다음 상기 미리 패터닝된 FTS 기판을, 3,4-에틸렌디옥시티오펜(EDOT, 99%, Acros Organic)이 담긴 페트리 접시가 바닥에 위치한 기상 중합 반응기(150mL)로 옮겼다. 60°C에서 30~90분 동안 기상 중합을 수행한 후 기판을 반응기에서 꺼내 증류수에 담가서 남은 FTS 산화제를 제거해 다수의 원형 공극이 패터닝된 나노 망상구조의 PEDOT 필름을 얻었다. Next, 5 wt% iron(III) p -toluenesulfonate (FTS, Sigma Aldrich) dissolved in 1-butanol was spin-coated at 2000 rpm for 30 s on the substrate coated with a hemispherical colloidal crystal monolayer. The PS colloidal template was dissolved by sonication in toluene for 10 min to remove the FTS layer covering the colloidal particles, thereby obtaining a prepatterned FTS substrate. The prepatterned FTS substrate was then transferred to a vapor-phase polymerization reactor (150 mL) equipped with a petri dish containing 3,4-ethylenedioxythiophene (EDOT, 99%, Acros Organic) at the bottom. After vapor-phase polymerization at 60°C for 30–90 min, the substrate was removed from the reactor and immersed in distilled water to remove the remaining FTS oxidizer, thereby obtaining a PEDOT film with a nano-network structure patterned with numerous circular pores.

도 2는 상기 제조 공정의 각 단계에서 콜로이드 결정 템플릿의 SEM 이미지이다. 먼저, 수직 증착법을 이용하여 직경 460nm의 폴리스티렌(PS) 입자로 구성된 다층 콜로이드 결정을 제조한다(도 2(a)). 그런 다음 입자 직경이 약 350nm로 줄어들 때까지 표면을 O2 플라즈마로 2분간 에칭한다(도 2(b)). 그리고 나서, PDMS 스탬프로 표면 에칭된 콜로이드 결정을 100 kPa의 압력으로 누르고 떼어내어 비밀집 콜로이드 결정 단층을 제거하고, 이후 상기 비밀집 콜로이드 결정 단층은 타겟 기판으로 전사된다. 기판 표면을 115°C(PS의 유리 전이 온도(Tg))로 가열하면 PS 입자가 부분적으로 녹아 기판에 부착되어 PDMS 스탬프가 제거될 수 있다. 이를 통해 PS 반구들이 주기적으로 균일하게 배열된 단층이 형성된다(도 2(c) 및 (d)). Figure 2 shows SEM images of colloidal crystal templates at each step of the manufacturing process. First, multilayer colloidal crystals composed of polystyrene (PS) particles with a diameter of 460 nm are manufactured using a vertical deposition method (Figure 2(a)). Then, the surface is etched with O2 plasma for 2 minutes until the particle diameter is reduced to approximately 350 nm (Figure 2(b)). Then, the surface-etched colloidal crystals are pressed and detached with a PDMS stamp at a pressure of 100 kPa to remove a single layer of close-packed colloidal crystals, which are then transferred to a target substrate. When the substrate surface is heated to 115°C (the glass transition temperature (Tg) of PS), the PS particles partially melt and adhere to the substrate, allowing the PDMS stamp to be removed. This forms a single layer of PS hemispheres with periodic and uniform arrangements (Figures 2(c) and (d)).

산화제 패터닝 공정은 비밀집 반구형 콜로이드 결정 단층을 템플릿(template)으로 사용하여 수행되었다. 도 3(a)는 콜로이드 반구 어레이(array) 위에 형성된 FTS 산화제가 코팅된 표면을 보여준다. FTS 층을 통해 보이는 콜로이드 입자 어레이를 통해 콜로이드의 모양과 배열이 코팅 공정 전반에 걸쳐 유지된다는 것을 알 수 있다. FTS로 코팅된 콜로이드 어레이를 톨루엔에 담그면 PS 입자가 용해되어 도 3(b)와 같이 규칙적인 벌집 구조(honeycomb structure)의 FTS 패턴이 남는다. 이와 같이 미리 패터닝된(prepatterned) FTS 레이어를 템플릿으로 사용하면, 기상 중합법(VPP)를 통해 PEDOT이 FTS로 덮인 표면에서 선택적으로 합성될 수 있다. PEDOT 필름은 상향식(bottom-up) 메커니즘을 통해 FTS 산화제 층 아래에서 성장할 것으로 예상된다. VPP 공정 후 남은 FTS 산화제와 미반응 단량체를 증류수로 세척하여 제거한다. 도 3(c)는 제작된 PEDOT 필름의 다공성 벌집 구조를 보여주며, 이는 이전의 FTS 층의 형태 및 주기성과 유사한다. 패터닝된 형상의 폭은 약 60-100 nm(도 3(d))인 반면, 평균 공극 크기는 약 350 nm이었다. 미리 패터화된 FTS 샘플(도 3(e))과 PEDOT 패턴 샘플(도 3(f))에 대해 에너지 분산 X선 분광법(EDS)을 실시했다. 탄소(0.277keV), 산소(0.525keV), 황(2.307keV)에 해당하는 피크가 두 샘플 모두에서 명확하게 나타나는 반면, 도 3(f)에서 철(0.776keV (Lα), 6.398keV (Kα))에 해당하는 피크가 나타나지 않았으며, 이는 PEDOT 필름이 FTS 잔여물 없이 형성되었음을 나타낸다. The oxidizer patterning process was performed using a closed-packed hemispherical colloidal crystal monolayer as a template. Figure 3(a) shows the surface coated with FTS oxidizer formed on a colloidal hemispherical array. The colloidal particle array visible through the FTS layer demonstrates that the shape and arrangement of the colloids are maintained throughout the coating process. When the FTS-coated colloidal array is immersed in toluene, the PS particles dissolve, leaving a regular honeycomb-structured FTS pattern, as shown in Figure 3(b). Using this prepatterned FTS layer as a template, PEDOT can be selectively synthesized on the FTS-covered surface via vapor phase polymerization (VPP). The PEDOT film is expected to grow beneath the FTS oxidizer layer via a bottom-up mechanism. After the VPP process, the remaining FTS oxidizer and unreacted monomers are removed by washing with distilled water. Figure 3(c) shows the porous honeycomb structure of the fabricated PEDOT film, which is similar to the morphology and periodicity of the previous FTS layer. The width of the patterned features was approximately 60-100 nm (Figure 3(d)), while the average pore size was approximately 350 nm. Energy-dispersive X-ray spectroscopy (EDS) was performed on the pre-patterned FTS sample (Figure 3(e)) and the PEDOT patterned sample (Figure 3(f)). Peaks corresponding to carbon (0.277 keV), oxygen (0.525 keV), and sulfur (2.307 keV) were clearly observed in both samples, whereas no peaks corresponding to iron (0.776 keV (Lα), 6.398 keV (Kα)) were observed in Figure 3(f), indicating that the PEDOT film was formed without FTS residue.

패터닝된 폴리머 구조에서 공극 크기는 초기 템플릿의 제작에 사용되는 콜로이드 입자의 크기를 변경하여 제어할 수 있다. 도 3(g) 및 도 3(h)는 직경 1μm의 PS 입자를 사용하여 제조한 콜로이드 결정 마스크를 사용해 얻어진 FTS 및 PEDOT 패턴을 보여준다. 해당 PEDOT 벌집 구조는 790 nm 공극을 가지며, 이는 리소그래피 방법을 유연하게 적용해 맞춤형 PEDOT 필름을 제조할 수 있음을 나타낸다. The pore size in the patterned polymer structure can be controlled by varying the size of the colloidal particles used to fabricate the initial template. Figures 3(g) and 3(h) show FTS and PEDOT patterns obtained using a colloidal crystal mask fabricated using PS particles with a diameter of 1 μm. The corresponding PEDOT honeycomb structure has pores of 790 nm, indicating the potential for flexible application of lithographic methods to fabricate tailored PEDOT films.

콜로이드 결정 템플릿의 구조적 특징은 다공성 PEDOT 필름을 제작하기 위한 후속 패터닝 공정에서 중요하다. 패킹 밀도는 PEDOT 필름이 합성되는 산화제 코팅을 위한 기판 영역을 결정한다. 밀집(close-packed) 콜로이드 결정의 경우 대부분의 FTS 층이 기판을 코팅하지 않고 콜로이드 입자를 코팅함에 따라 해당 부분은 입자 제거 과정에서 떨어져 나갈 것으로 예상된다. The structural characteristics of the colloidal crystal template are important in the subsequent patterning process for fabricating porous PEDOT films. The packing density determines the substrate area for the oxidizing agent coating, upon which the PEDOT film is synthesized. In the case of close-packed colloidal crystals, most of the FTS layer is coated with colloidal particles rather than the substrate, so this portion is expected to be removed during particle removal.

도 4(a)와 도 4(b)는 각각 밀집 콜로이드 결정 단층과 이를 템플릿으로 이용해 형성된 패터닝된 PEDOT 구조를 보여준다. 기판상에 FTS 산화제 코팅이 부족하기 때문에 다공성 벌집 구조의 필름보다는 얇은 중공형 쉘 구조가 형성된다. 이러한 구조는 PEDOT 필름의 기계적 안정성이나 전기 전도성을 저하시킨다. Figures 4(a) and 4(b) show a densely packed colloidal crystal monolayer and a patterned PEDOT structure formed using it as a template, respectively. Due to the lack of FTS oxidizing agent coating on the substrate, a thin, hollow shell structure is formed rather than a porous honeycomb-structured film. This structure reduces the mechanical stability and electrical conductivity of the PEDOT film.

템플릿으로서 또 다른 가능한 대안은 도 4(c)에 도시된 바와 같이 비밀집 구형 콜로이드 결정(non-close-packed spherical colloidal crystal)이다. 여기서, 비밀집 어레이는 산화제로 코팅될 기판 영역을 정의한다. 그러나, 기판과 구형 입자 사이의 작은 접촉 면적은 제대로 된 공극을 형성할 수 있을 만큼 충분한 커버리지를 제공하지 않는다(도 4(d)의 삽입도). 도 4(d)에 도시된 PEDOT 필름의 구조는 규칙적인 육각형 기공 대신 나노 보울(nanobowl) 어레이를 나타낸다. Another possible template alternative is a non-close-packed spherical colloidal crystal, as illustrated in Figure 4(c). Here, the close-packed array defines the substrate region to be coated with the oxidizing agent. However, the small contact area between the substrate and the spherical particles does not provide sufficient coverage to form proper pores (see the inset of Figure 4(d)). The structure of the PEDOT film depicted in Figure 4(d) exhibits a nanobowl array instead of regular hexagonal pores.

바람직한 벌집 구조의 다공성 필름을 얻으려면 입자 제거 단계의 순서가 중요하다. 도 4(e)는 입자 제거 단계 전에 FTS 코팅 콜로이드 반구형 어레이 위에 합성된 PEDOT 필름을 보여준다. 필름 아래에 콜로이드 입자가 존재하기 때문에 필름은 거친 표면 형태를 나타낸다. 이후 콜로이드 입자가 제거되면 질감이 있는 표면은 도 4(f)에서와 같이 붕괴되어 나노 도넛(nano-donut) 모양을 형성한다. 도 4(g)는 입자 제거가 PEDOT 필름 형성 전에 수행하는지 필름 형성 후에 수행하는지에 따라 표면 구조가 다르게 형성되는 것을 보여준다. 부서지기 쉬운 무기물인 FTS는 콜로이드 입자 용해 과정에서 쉽게 제거될 수 있어, 잘 정의된 미리 패터닝된 산화제를 제공할 수 있다. 반면에, PEDOT 필름은 부드럽고 유연한 고분자 층이므로, 입자를 덮고 있는 필름 부분은 용해 단계에서 제거되지 않고 오히려 붕괴되어 공극이 없는 도넛 모양의 형태를 형성한다. The order of the particle removal steps is crucial for obtaining a porous film with a desirable honeycomb structure. Figure 4(e) shows a PEDOT film synthesized on a FTS-coated colloidal hemispherical array before the particle removal step. The film exhibits a rough surface morphology due to the presence of colloidal particles beneath the film. After the colloidal particles are removed, the textured surface collapses, forming a nano-donut shape, as shown in Figure 4(f). Figure 4(g) shows that the surface structure is formed differently depending on whether particle removal is performed before or after the PEDOT film formation. FTS, a brittle inorganic material, can be easily removed during the dissolution process of the colloidal particles, providing a well-defined, pre-patterned oxidizer. On the other hand, the PEDOT film is a soft, flexible polymer layer. Therefore, the portion of the film covering the particles is not removed during the dissolution process but rather collapses, forming a donut-shaped, void-free morphology.

미리 패터닝된 FTS 산화제 층은 PEDOT 필름의 구조를 결정하는 주요 요소이지만, 필름 형태 또한 VPP 공정 시간에 따라 달라진다. 도 5(a) 내지 도 5(f)는 VPP 시간이 30~90분 사이에서 변화함에 따라 필름 형태의 변화를 보여준다. 필름 두께(700-820 nm)는 공정 시간과 크게 무관하지만 공극의 형성은 VPP 공정 시간에 크게 의존한다. 30분의 VPP 공정 시간으로 콜로이드 입자가 위치한 곳에 대부분의 공극이 형성된다(도 5(a) 및 (d)). VPP 공정 시간이 증가함에 따라 공극은 점점 채워진다(도 5(b) 및 (e)). 90분의 VPP를 수행한 후에 공극의 절반 정도가 남았다(도 5(c) 및 (f)). 이는 VPP 공정 중 필름 두께가 포화점에 도달한 결과로 해석할 수 있다. 고분자 두께가 증가함에 따라 확산이 제한되어, 성장하는 고분자 층으로의 산화제 확산에 의존하는 고분자 필름의 합성이 방해된다. 수직 방향의 산화제 확산은 제한되는 한편, 수평 방향의 확산은 여전히 발생할 수 있다. 따라서, 산화제 층이 공극으로 침출됨에 따라 노출된 기판에서 중합이 일어나면서 공극이 채워진다. Although the pre-patterned FTS oxidizer layer is a key factor in determining the structure of the PEDOT film, the film morphology also varies depending on the VPP process time. Figures 5(a) to 5(f) show the changes in film morphology as the VPP time varies from 30 to 90 minutes. While the film thickness (700-820 nm) is largely independent of the process time, the formation of pores is strongly dependent on the VPP process time. With a VPP process time of 30 minutes, most pores are formed where the colloidal particles are located (Figures 5(a) and (d)). As the VPP process time increases, the pores are gradually filled (Figures 5(b) and (e)). After 90 minutes of VPP, approximately half of the pores remain (Figures 5(c) and (f)). This can be interpreted as a result of the film thickness reaching a saturation point during the VPP process. As the polymer thickness increases, diffusion becomes limited, hindering the synthesis of polymer films that depend on the diffusion of the oxidizer into the growing polymer layer. While vertical diffusion of the oxidizer is restricted, horizontal diffusion can still occur. Therefore, as the oxidizer layer leaches into the pores, polymerization occurs on the exposed substrate, filling the pores.

도 5(g)는 VPP 공정 시간을 달리해 유리 슬라이드에서 성장한 패터닝된 PEDOT 필름과 패터닝되지 않은 PEDOT 필름의 광학 투과율을 보여준다. 두 필름의 투과율은 VPP 공정 시간이 증가함에 따라 감소합니다. 그러나, 패터닝된 PEDOT 필름은 패터닝되지 않은 필름에 비해 우수한 투명성을 나타내며, 이는 공극의 존재로 인해 보다 많은 빛 전달 경로를 가지기 때문이다. 다공성 PEDOT 필름의 전기적 특성의 측정 결과를 보여주는 도 5(h)에 따르면, 패터닝된 PEDOT 필름은 전반적으로 오믹 거동(ohmic behavior)을 나타냈다. VPP 공정 시간이 증가함에 따라 필름에는 더 적은 공극이 포함되며, 이는 전기적 경로의 수를 확장하여 더 높은 전기 전도도로 이어진다(도 5(h)의 삽입도).Figure 5(g) shows the optical transmittance of patterned and unpatterned PEDOT films grown on glass slides with varying VPP process times. The transmittance of both films decreases with increasing VPP process time. However, the patterned PEDOT film exhibits superior transparency compared to the unpatterned film, which is due to the presence of pores, which provide more light transmission paths. Figure 5(h), which shows the measurement results of the electrical properties of the porous PEDOT film, shows that the patterned PEDOT film exhibited overall ohmic behavior. As the VPP process time increases, the film contains fewer pores, which expands the number of electrical paths and leads to higher electrical conductivity (inset of Figure 5(h)).

상기 실시예에서 제조한 다공성 PEDOT 필름은 우수한 투명성과 높은 전기 전도성을 가지므로 유연성 플라스틱 기판 상에 합성하여 스트레인/벤딩 센서의 감지부로 적용할 수 있다. 도 6(a)와 도 6(b)는 서로 다른 굽힘 반경(바깥쪽 굽힘(outer bending), 굽힘 반경(R) = 5.3, 6.6, 9.5mm). 패터닝되지 않은 필름과 비교하여 패터닝된 PEDOT 필름은 굽힘 응력에 대해 더 큰 상대 저항 변화(ΔR/R 0 )를 나타낸다. R = 5.3 mm에서 ΔR/R 0 은 0.42(패턴이 없는 필름)에서 1.78(패턴이 있는 필름)로 424% 증가했다. 패턴 효과로 인한 ΔR/R 0 의 증가는 R = 6.6mm와 9.5mm에서 각각 275%와 525%였다. 도 6(c)는 굽힘 반경의 함수로서 패터닝된 샘플과 패터닝되지 않은 샘플의 상대 저항 변화(ΔR/R 0 )의 변화를 보여주는 그래프로서, 패터닝된 샘플의 그래프는 기울기가 더 가파르며 이는 패턴이 없는 샘플보다 굽힘에 대한 감도(sensitivity)가 더 높다는 것을 나타낸다. The porous PEDOT film manufactured in the above examples has excellent transparency and high electrical conductivity, so it can be synthesized on a flexible plastic substrate and applied as a sensing part of a strain/bending sensor. Figures 6(a) and 6(b) show the patterned PEDOT films at different bending radii (outer bending, bending radius ( R ) = 5.3, 6.6, and 9.5 mm). Compared with the unpatterned film, the patterned PEDOT film exhibits a larger relative resistance change ( ΔR/R 0 ) with respect to bending stress. At R = 5.3 mm, ΔR/R 0 increased by 424% from 0.42 (unpatterned film) to 1.78 (patterned film). The increases in ΔR/R 0 due to the patterning effect were 275% and 525% at R = 6.6 mm and 9.5 mm, respectively. Figure 6(c) is a graph showing the change in relative resistance change ( ΔR/R 0 ) of a patterned sample and an unpatterned sample as a function of bending radius, where the graph of the patterned sample has a steeper slope, indicating that it has higher sensitivity to bending than the unpatterned sample.

유연한 변형/굽힘 센서의 저항 변화는 일반적으로 전도성 재료에 응력이 가해질 때 일어나는 균열로 인해 발생한다. 패턴이 없는 센서의 경우 응력이 전체 표면에 고르게 분포되어 균열이 균일하게 분포되는 것으로 가정할 수 있다. 그러나, 공극이 있는 패터닝된 구조는 기공 사이의 좁은 연결부에 응력을 집중시킬 것으로 예상되므로, 이러한 영역에서는 균열이 더 쉽게 생성되어 우수한 감지 성능을 제공한다. 필름 형상에 따른 응력 분포의 변화를 밝히기 위해 도 6(d)와 같이 굽힘 변형 시 응력 분포를 조사하기 위한 시뮬레이션을 수행했다. 패턴이 있는 PEDOT 필름과 패턴이 없는 PEDOT 필름을 각각 반영하기 위해 천공 필름과 평면 필름으로 단순화된 형상을 이용해 시뮬레이션하였다. 예상한 대로 응력은 패터닝된 구조의 공극 사이의 좁은 연결부에 집중되는 반면, 패터닝되지 않은 평면 구조에서는 고르게 분포된다. Resistance changes in flexible strain/bending sensors are typically caused by cracking that occurs when stress is applied to the conductive material. For unpatterned sensors, stress is assumed to be evenly distributed across the entire surface, leading to uniform cracking. However, patterned structures with pores are expected to concentrate stress at the narrow junctions between the pores, which would facilitate cracking in these areas, resulting in superior sensing performance. To elucidate the variation in stress distribution depending on the film geometry, a simulation was performed to investigate the stress distribution under bending deformation, as shown in Figure 6(d). The simulations were performed using simplified geometries of perforated and flat films to represent patterned and unpatterned PEDOT films, respectively. As expected, stress is concentrated at the narrow junctions between the pores in the patterned structure, whereas it is evenly distributed in the unpatterned flat structure.

PEDOT 필름의 기하학적 구조를 변경하여 센서의 감도와 투명성을 향상시키는 본 발명의 접근 방식은, 유연성이나 감도를 향상시키기 위해 CNT, 나노와이어, 직물 및 엘라스토머와 같은 다른 재료와의 복합재 형성에 의존하는 PEDOT 기반 센서에 대한 최근의 다른 연구들과는 구별된다. The present approach of improving the sensitivity and transparency of the sensor by modifying the geometric structure of the PEDOT film is distinct from other recent studies on PEDOT-based sensors that rely on forming composites with other materials such as CNTs, nanowires, fabrics, and elastomers to enhance flexibility or sensitivity.

본 발명은 상기 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 제조될 수 있으며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. The present invention is not limited to the above embodiments, but can be manufactured in various different forms, and a person having ordinary skill in the art to which the present invention pertains will understand that the present invention can be implemented in other specific forms without changing the technical idea or essential characteristics of the present invention. Therefore, it should be understood that the embodiments described above are exemplary in all respects and not restrictive.

Claims (7)

(a) 기판 위에, 다수의 원형 공극이 패터닝된 나노 망상구조의 산화제 층을 형성하는 단계;
(b) 상기 나노 망상구조의 산화제 층과 상기 기판 사이에 전도성 고분자 층을 형성하는 단계; 및
(c) 상기 나노 망상구조의 산화제 층을 제거하는 단계;를 포함하는
나노 망상구조의 전도성 고분자 필름의 제조방법.
(a) a step of forming an oxidizing layer having a nano-network structure patterned with a plurality of circular pores on a substrate;
(b) forming a conductive polymer layer between the oxidizing layer of the nano-network structure and the substrate; and
(c) a step of removing the oxidizing layer of the nano-network structure;
Method for producing a conductive polymer film with a nano-network structure.
제1항에 있어서,
상기 단계 (a)에서
하기 단계 (a-1) 내지 (a-3)를 포함하는 콜로이드 리소그래피(colloidal lithography) 공정을 통해 나노 망상구조의 산화제 층을 형성하는 것을 특징으로 하는,
나노 망상구조의 전도성 고분자 필름의 제조방법:
(a-1) 기판 및 상기 기판 위에 형성된 비밀집 반구형 콜로이드 결정 단층(non-close-packed hemispherical colloidal crystal monolayer)을 포함하는 템플릿을 제조하는 단계;
(a-2) 상기 비밀집 반구형 콜로이드 결정 단층 위에 산화제를 증착하는 단계; 및
(a-3) 콜로이드 결정을 제거해 다수의 원형 공극으로 이루어진 패턴을 가지는 산화제 층을 형성하는 단계.
In the first paragraph,
In the above step (a)
A method characterized in that an oxidizing layer having a nano-network structure is formed through a colloidal lithography process including steps (a-1) to (a-3).
Method for manufacturing a conductive polymer film with a nano-network structure:
(a-1) A step of manufacturing a template including a substrate and a non-close-packed hemispherical colloidal crystal monolayer formed on the substrate;
(a-2) a step of depositing an oxidizer on the above-mentioned secret hemispherical colloidal crystal monolayer; and
(a-3) A step of removing colloidal crystals to form an oxidizing layer having a pattern consisting of a large number of circular pores.
제1항에 있어서,
상기 단계 (b)에서
기상 중합법(vapor phase polymerization, VPP)을 통해 전도성 고분자 단량체와 산화제 층에 포함된 산화제를 반응시켜 기판과 산화제 층 사이에 나노 망상구조의 전도성 층을 형성하는 것을 특징으로 하는,
나노 망상구조의 전도성 고분자 필름의 제조방법.
In the first paragraph,
In the above step (b)
A conductive layer having a nano-network structure is formed between a substrate and an oxidizer layer by reacting a conductive polymer monomer and an oxidizer contained in the oxidizer layer through vapor phase polymerization (VPP).
Method for producing a conductive polymer film with a nano-network structure.
제3항에 있어서,
상기 전도성 고분자 단량체는
3,4-에틸렌디옥시티오펜(3,4-Ethylenedioxythiophene, EDOT), 피롤(pyrrole), 3-헥실티오펜(3-hexylthiophene, 3HT), 3-헵틸피롤(3-heptylpyrrole, 3HP), 티오펜(thiophene) 또는 퓨란(furan)이며,
상기 전도성 고분자는,
폴리(3,4-에틸렌디옥시티오펜)(PEDOT), 폴리피롤(PPy), 폴리(3-헥실티오펜)(P3HT), 폴리(3-헵틸피롤)(P3HP), 폴리티오펜(polythiophene) 또는 폴리퓨란(polyfuran)인 것을 특징으로 하는,
나노 망상구조의 전도성 고분자 필름의 제조방법.
In the third paragraph,
The above conductive polymer monomer is
3,4-Ethylenedioxythiophene (EDOT), pyrrole, 3-hexylthiophene (3HT), 3-heptylpyrrole (3HP), thiophene or furan,
The above conductive polymer is,
characterized by being poly(3,4-ethylenedioxythiophene) (PEDOT), polypyrrole (PPy), poly(3-hexylthiophene) (P3HT), poly(3-heptylpyrrole) (P3HP), polythiophene or polyfuran.
Method for producing a conductive polymer film with a nano-network structure.
제1항에 있어서,
상기 산화제는
철(III) p-톨루엔설포네이트(iron(III) p-toluenesulfonate, FTS), 철(III) 트리플루오로메탄설포네이트(Iron(III) trifluoromethanesulfonate), 철(III) 염화물(iron(III) chloride), p-톨루엔설폰산(p-toluenesulphonic acid), 요오드, 브롬, 몰리브도인산(molybdophosphoric acid), 과황산암모늄(ammonium persulfate), DL-주석산(), 폴리아크릴산, 염화구리(copper chloride), 브롬화구리(copper bromide), 염화제이철(ferric chloride), 나프탈렌술폰산(naphthalenesulfonic acid), 철(III)-과염소산염(Iron(III)-perchlorate), Cu(ClO4)2·6H2O, 세륨(IV) 암모늄나이트레이트(cerium(IV) ammonium nitrate) 및 세륨(IV) 설페이트(cerium(IV) sulfate)로 이루어진 군으로부터 선택되는 어느 하나 또는 둘 이상의 혼합물인 것을 특징으로 하는,
나노 망상구조의 전도성 고분자 필름의 제조방법.
In the first paragraph,
The above oxidizing agent is
Iron(III) p -toluenesulfonate (FTS), iron(III) trifluoromethanesulfonate , iron(III) chloride, p- toluenesulphonic acid, iodine, bromine, molybdophosphoric acid, ammonium persulfate, DL -tartrate, polyacrylic acid, copper chloride, copper bromide, ferric chloride, naphthalenesulfonic acid, iron(III)-perchlorate, Cu( ClO4 ) 2 · 6H2O , cerium(IV) ammonium nitrate characterized in that it is a mixture of one or more selected from the group consisting of ammonium nitrate and cerium(IV) sulfate.
Method for producing a conductive polymer film with a nano-network structure.
제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 기재된 제조방법으로 제조된 나노망상 구조의 전도성 고분자 필름.
A conductive polymer film having a nano-network structure manufactured by the manufacturing method described in any one of claims 1 to 5.
제6항에 기재된 나노망상 구조의 전도성 고분자 필름을 포함한 센싱부를 구비한 굽힘 센서.
A bending sensor having a sensing unit including a conductive polymer film having a nano-network structure as described in claim 6.
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