Polymer(Korea), Vol. 34, No. 5, pp 450-453, 2010 450 서 론 전도성 고분자는 금속의 높은 전기 전도도를 나타내는 동시에 종 래의 고분자가 가지는 기계적, 물리적 성질을 함께 나타내는 물질로, poly(3,4-ethylenedioxythiophene)(PEDOT), polyaniline(PANI), polypyrrole(PPy), polythiophene(PT) 등이 있다. 이들은 주사슬에 단일결합과 이중결합이 반복되는 π -공명구조를 가지는 컨쥬게이트 (conjugated) 결합을 가지고 있다. 전도성 고분자는 정전기 방지 코 팅, 투명 전극, 인쇄 회로 기판, 박막 트랜지스터(TFT), 스마트 윈도우, 광전지 장치, 센서, 축전지 등에 응용 가능한 것으로 알려져 있다. 1 하 지만, 알려진 전도성 고분자는 실제 응용에 필요한 충분한 전도도와 가 공성을 가지고 있지 못하고, 전도성 고분자가 가지는 밴드갭에 의해 색 깔을 띠어 높은 투명성을 요구하는 적용에 제한적일 수밖에 없다. 이러한 단점을 극복하기 위해 Mohammadi 등이 2 1986년에 전도 성 고분자의 진공하에서의 CVD(chemical vapor deposition)법이 소개된 이후로 기상중합법에 대한 많은 연구가 이루어지고 있다. Ueno 등은 3 FeCl 3 가 함유된 PVC에 in-situ 상태에서 PPy의 기 상중합을 실시하였고, Winter-Jensen 등은 4 기상중합을 위한 PPy 산화제로 다양한 iron(Ⅲ) 계열의 화합물을 사용하여 PPy, PT 박막 을 제조한 바 있다. PEDOT 또는 PEDOT-PPy 하이브리드 박막을 기상중합으로 제조하여 높은 전도도와 투과도를 가지는 박막을 제 조하는 연구도 다수 보고되고 있다. 5-8 하지만, 기존의 액상중합 방 법과 기상중합 방법으로 제조된 PPy 박막의 전기적/광학적 성질과 표면 모폴로지 특성을 다양한 중합조건에서 비교 분석한 사례는 없 었다. 최근 실제 디바이스에 적용을 위한 micro, nano 크기의 패턴화 기 술로써 잉크젯 프린팅과 소프트 리소그래피에 대한 연구가 활발히 진 행되고 있다. Sirringhaus 등은 9 잉크젯 프린팅 기술을 이용한 습식공 정으로 경제적으로 고분자 트랜지스터를 위한 집적회로를 구현한 바 있다. 이때, 소스/드레인 및 게이트의 전극으로 PEDOT/PSS 계열의 전도성 고분자를 사용하여 잉크젯 방법으로 패터닝하였다. 하지만, 잉 크젯 프린팅은 전도성 고분자 용액의 저장 안정성의 문제로 쉽게 노 기상중합법을 이용한 Polypyrrole(PPy) 필름의 전기적/ 광학적 특성 및 미세패턴 형성에 관한 연구 한용현ㆍ임진형 공주대학교 천안공과대학 신소재공학부 (2010년 4월 30일 접수, 2010년 5월 31일 수정, 2010년 6월 1일 채택) A Study on the Electrical and Optical Properties of Micro-Pattern of Polypyrrole(PPy) by Using Vapor Phase Polymerization Yong-Hyeon Han and Jin-Heong Yim Division of Advanced Materials Engineering, Kongju National University, Budaedong 275, Cheonan, Chungnam 330-717, Korea (Received April 30, 2010; Revised May 31, 2010; Accepted June 1, 2010) 초록: Iron(Ⅲ) p-toluenesulfonate(FTS)를 개시제로 한 pyrrole의 중합에서 용액 중합법(LPP)과 기상 중합법 (VPP)으로 제조된 PPy 박막의 전기/광학적 특성 및 표면구조를 비교하였다. LPP에 비해서 VPP 방법으로 제조된 PPy 박막은 우수한 전기적 특성을 보여주었다. 표면 특성분석을 이용하여 제조된 PPy 필름의 표면 모폴로지와 표면저 항과의 상관관계를 검토하였다. VPP 방법으로 제조된 PPy 박막의 표면이 LPP로 제조된 것보다 평탄하였다. VPP 를 응용한 잉크젯 프린팅과 소프트 리소그래피를 사용하여 미세 패턴된 PPy 박막을 효과적으로 제조할 수 있었다. Abstract: The electrical/optical properties and surface structures of polypyrrole (PPy) thin films, which were prepared by liquid phase polymerization (LPP) and vapor phase polymerization (VPP) of pyrrole using FTS as an initiatior are compared. The PPy thin film prepared by VPP showed superior surface resistance characteristics as compared with that prepared by LPP. We investigated the relation between surface morphology of PPy film and surface resistance by surface characteristic analysis. The surface of PPy thin film prepared by VPP was smoother than that prepared by LPP. Micro-patterned PPy thin film could be prepared effectively using VPP-combined ink-jet printing and soft lithography. Keywords: polypyrrole, vapor phase polymerization, ink-jet printing, soft lithography. † To whom correspondence should be addressed. E-mail: [email protected]
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기상중합법을 이용한 Polypyrrole(PPy) 필름의 전기적/ 광학적 특성 … · 를 응용한 잉크젯 프린팅과 소프트 리소그래피를 사용하여 미세 패턴된
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기상중합법을 이용한 Polypyrrole(PPy) 필름의 전기적/광학적 특성 및 미세패턴 형성에 관한 연구 453
Polymer(Korea), Vol. 34, No. 5, 2010
고된 바 없었다. 본 연구에서 2가지 PDMS 몰드(Figure 5(a)와 5(c))
를 이용해 산화제인 FTS를 MIMIC 방식으로 패터닝한 후 pyrrole
을 VPP하여 PPy 패턴(Figure 5(b)와 5(d))을 성공적으로 구현할
수 있었다.
저장 안정성에 문제가 있는 전도성 고분자 용액을 직접 MIMIC 방
식으로 패터닝을 하는 것 보다 저분자 물질을 패터닝하는 것이 더욱
용이하다. 즉, FTS 산화제는 저분자 물질이기 때문에 단순히 용매 시
스템을 바꾸어도 점도 조절이 용이하고, 저장 안정성도 우수하다. 저
점도의 용액은 더욱 낮은 선폭을 가지는 패턴의 제조를 MIMIC으로
적용이 가능하리라 예상된다. 본 연구에서 실험실 수준에서 간단하
게 제조된 패턴된 PPy 박막의 해상도는 약 10∼25 μm 수준으로
얻을 수 있었다. PDMS 몰드 A와 B의 선폭은 각각 약 10과 25 μm였다. 형성된 PPy 박막의 패턴형상을 살펴보면 몰드의 모양이 그대
로 구현된다는 것을 확인하였다.
결 론
LPP에 비해서 VPP 방법으로 제조된 PPy 박막은 유사한 투과도
(∼90%)에서 우수한 전기적 특성(낮은 표면 저항)을 보여주었다. 이
는 VPP 반응 시에 pyrrole 단량체 분자가 기상에서 증발하여 PET 필
름 표면에 있는 FTS 산화제를 만나서 중합이 되기 때문에 작고 균일
한 입자가 형성되고 평탄한 박막 표면을 구성하게 된다. 박막을 구성하
는 PPy 입자의 크기가 작을수록 입자끼리의 계면접촉이 우수하여 낮
은 표면저항을 보여준다고 생각된다. MIMIC 방식으로 산화제가 패턴
된 유연한 PET 기판 위에 pyrrole 단량체를 VPP하여 효과적인 마이
크로 패턴(∼10 μm)된 PPy 필름을 제조할 수 있었다.
감사의 글: 이 논문은 2009년도 정부(교육과학기술부)의 재원으
로 한국연구재단의 지원을 받아 수행된 기초연구사업임(No. 2009-
0071543).
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Figure 4. Photographs of patterned PPy thin films on PET byan ink-jet printer: (a) FTS coated PET film; (b) patterned PPythin film using FTS coated PET film.
Figure 5. Photographs of patterned PPy thin films on PET bysoft lithography: (a) PDMS mold A; (b) the patterned PPy filmby mold A; (c) PDMS mold B; (d) the patterned PPy film bymold B.