KR100787239B1 - 탄소나노튜브 투명 전도체 - Google Patents

탄소나노튜브 투명 전도체 Download PDF

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송진원
윤여환
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한국기계연구원
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Abstract

투명기질, 투명기질의 내부 또는 표면에 위치하고, 도전성을 가지는 탄소나노튜브 구조체, 및 투명기질의 내부 또는 표면에 위치하고, 균일하게 분포된 자외선 차단 소재를 포함하는 탄소나노튜브 투명 전도체를 제공한다.
투명 전도체, 자외선 차단 소재, 탄소나노튜브

Description

탄소나노튜브 투명 전도체 {CARBON NANOTUBE TRANSPARENT CONDUCTIVE STRUCTURE}
도 1은 본 발명의 제1실시예에 따른 투명 전도체의 단면도이다.
도 2는 본 발명의 제2실시예에 따른 투명 전도체의 단면도이다.
도 3은 본 발명의 제3실시예에 따른 투명 전도체의 단면도이다.
도 4는 본 발명의 제4실시예에 따른 투명 전도체의 단면도이다.
도 5는 본 발명의 제5실시예에 따른 투명 전도체의 단면도이다.
도 6은 본 발명의 제6실시예에 따른 투명 전도체의 단면도이다.
도 7은 본 발명의 제7실시예에 따른 투명 전도체의 단면도이다.
도 8은 본 발명에 따른 투명 전도체를 이용한 발열소자를 개략적으로 도시한 개념도이다.
본 발명은 탄소나노튜브 투명 전도체에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 자외선 차단 기능이 있는 탄소나노튜브 투명 전도체에 관한 것이다.
투명 전도체는 투과도에 따라 표면저항을 1 내지 1011 Ω/square로 조절이 가능하다. 이러한 투명 전도체는 정전방지, 전자파 차폐, 디스플레이, 태양전지, 고집적 회로, 센서, 램프, 및 히터 등 다양한 분야에서 연구되고 있다. 특히, 자외선 차단효과가 있는 투명전도체는 주택의 창문, 자동차 유리, 투명 디스플레이의 자외선 차단이 필요한 환경에서 유용하게 사용된다.
그러나 이러한 기존의 투명 전도체는 전도체의 투명성 및 도전성에만 초점이 맞추어져 있다. 따라서 일반적으로 특정한 파장대의 광을 차단하거나 통과시키는 기능이 없다. 일 예로, 탄소나노튜브로 제작된 투명 전도체의 경우, 자외선이나 적외선 파장대의 투과를 일부 감쇄시키기도 한다. 그러나 차단되는 자외선이나 적외선의 비율은 통과되는 자외선이나 적외선에 비하면 아주 작다. 따라서, 자외선 차단이 필요한 환경에는 적합하지 않다.
전술한 문제점을 해결하기 위하여, 자외선 차단 기능 구비한 탄소 나노튜브 투명 전도체를 제공한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 탄소나노튜브 투명 전도체는 ⅰ) 투명기질, ⅱ) 도전성을 가지는 탄소나노튜브 구조체, 및 ⅲ) 투명기질에 균일하게 분포된 자외선 차단 소재를 포함한다.
여기서, 탄소나노튜브 구조체 및 자외선 차단 소재가 투명기질의 내부에 위 치할 수 있다.
또한, 탄소나노튜브 구조체는 투명기질의 내부에 위치하고, 자외선 차단 소재는 투명기질의 표면에 위치하거나, 또는 탄소나노튜브 구조체가 투명기질의 표면에 위치하고, 자외선 차단 소재는 투명기질의 내부에 위치할 수 있다.
또한, 자외선 차단 소재 또는 탄소나노튜브 구조체가 투명기질의 표면에 위치하는 경우, 투명기질과 탄소나노튜브 구조체 또는 투명기질과 자외선 차단 소재를 점착하는 점착층을 더 포함할 수 있다.
또한, 탄소나노튜브 구조체 및 자외선 차단 소재가 투명기질의 표면에 위치할 수 있다. 이 경우, 투명기질과 탄소나노튜브 구조체 또는 투명기질과 자외선 차단 소재를 점착하는 점착층을 더 포함할 수 있다.
여기서, 탄소나노튜브 구조체는 투명기질의 일측 표면에 위치하고, 자외선 차단 소재는 상기 투명기질의 타측 표면에 위치할 수 있다.
한편, 본 발명의 일 실시예에 따른 탄소나노튜브 투명 전도체는 550nm파장에서의 광투과율이 30% 내지 95%일 수 있으며, 표면저항이 1 내지 109 Ω/square 일 수 있다.
자외선 차단 소재는 지름이 400nm 이하인 입자 또는 횡단면의 지름이 200nm 이하의 선 형태일 수 있으며, 자외선 차단 소재는 금속 산화물을 포함한다.
탄소나노튜브 구조체는 탄소나노튜브가 망(Network) 형태로 형성된 구조체일 수 있다. 여기서, 탄소나노튜브는 금(Au), 은(Ag), 백금(Pt), 팔라듐(Pd), 또는 구리(Cu)가 도핑 된 탄소나노튜브일 수 있다.
또한, 상기 탄소나노튜브 구조체는 탄소나노튜브 박막에 금(Au), 은(Ag), 백금(Pt), 팔라듐(Pd), 또는 구리(Cu)를 입힌 것일 수 있다.
투명기질은 유리, 투명 폴리머, 프릿 글래스(flit glass)중 어느 하나로 이루어질 수 있다.
한편, 본 발명의 일 실시예에 따른 탄소나노튜브 투명 전도체를 이용한 발열소자는 ⅰ) 본 발명의 실시예에 따른 탄소나노튜브 투명 전도체, ⅱ) 탄소나노튜브 투명 전도체와 전기적으로 연결되어 형성되는 전극, 및 ⅲ) 전극과 전기적으로 연결되어 상기 탄소나노튜브 투명 전도체로 전원을 공급하는 전원공급장치를 포함한다.
이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 이하에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 그리고 본 명세서 및 도면에서 동일한 부호는 동일한 구성요소를 나타낸다.
도 1은 본 발명의 제 1실시예에 따른 탄소나노튜브 투명 전도체의 단면을 간략하게 나타낸다.
도 1에 도시한 바와 같이, 본 실시예에 따른 탄소나노튜브 투명 전도체(100)는 투명기질(10), 탄소나노튜브 구조체(120), 및 자외선 차단 소재(130)를 포함한다.
투명 기질(10)은 광 투과성을 가지며, 탄소나노튜브 구조체(120) 및 자외선 차단 소재(130)보다 낮은 융점을 가지는 물질이 사용된다. 즉, 투명기질(10)이 탄소나노튜브 구조체(120) 및 자외선 차단 소재(130)보다 낮은 온도에서 녹는다. 따라서 투명기질(10)만이 녹는 온도로 가열하여 탄소나노튜브 구조체(120) 및 자외선 차단 소재(130)를 투명기질(10)에 잘 분산시킬 수 있다. 이와 같이, 탄소나노튜브 구조체(120) 및 자외선 차단 소재(130)가 고르게 분산된 투명전도체를 제작할 수 있다. 따라서, 투명 전도체의 전체에 걸쳐서 일정한 도전성 및 자외선 차단 효과를 얻을 수 있다. 투명기질(10)로는 유리, 투명한 폴리머, 또는 프릿 글래스(flit glass) 등을 사용될 수 있다.
탄소나노튜브 구조체(120)는 탄소나노튜브가 망(Network) 형태로 연결된 구조체이다. 탄소나노튜브 구조체(120)를 구성하는 탄소나노튜브는 전기 도전성이 우수하여 도전성 물질로 사용된다. 탄소나노튜브가 망 형태로 연결되어 망 구조를 통하여 탄소나노튜브 구조체 전체적으로 전기적으로 연결된다. 탄소나노튜브는 단일벽 나노튜브(SWNT; Single-Walled Nanotube), 이중벽 나노튜브(DWNT; Double-Walled Nanotube)및 다중벽 나노튜브(MWNT; Multi-Walled Nanotube)로 구분된다. 단일벽 나노튜브는 한 층의 원통으로 이루어지고 그 선단은 개구되어 있으며, 다중벽 나노튜브는 여러 개의 동심원층으로 이루어지고 그 선단은 닫혀있다. 본 실시예에 따른 탄소나노튜브 구조체(120)에는 단일벽 또는 다중벽 탄소나노튜브가 사용될 수 있다. 또한 단일벽 또는 다중벽 탄소나노튜브에 다른 물질이 도핑된 탄소나노튜브도 사용될 수 있다. 또한, 탄소나노튜브 구조체(120)에는 탄소나노튜브를 이용한 박막에 금속을 입힌 탄소나노튜브 복합재도 사용할 수 있다. 이와 같이 탄소나노튜브에 다른 물질을 도핑하거나 금속을 입히면, 투명 전도체의 도전성을 향상시킬 수 있다. 탄소나노튜브의 코팅에는 금(Au), 은(Ag), 백금(Pt), 팔라듐(Pd), 또는 구리(Cu)를 사용할 수 있다.
자외선 차단 소재(130)는 자외선 영역의 빛을 흡수하거나 산란하여 자외선이 투명 전도체를 투과하지 못하도록 한다. 자외선 차단 소재(130)는 무기 화합물을 사용한 소재 및 유기 화합물을 사용한 소재로 구분할 수 있다. 본 실시예에 따른 자외선 차단 소재(130)로는 무기 화합물 또는 유기 화합물로 이루어진 소재를 모두 사용할 수 있다. 그러나, 본 실시예에 따른 자외선 차단 소재(130)의 경우에도 주로 무기 화합물로 이루어진 자외선 차단 소재(130)를 사용하는 것이 좋다. 왜냐하면, 무기 화합물로 이루어진 자외선 차단 소재가 유기 화합물로 이루어진 자외선 차단 소재보다 자외선 차단 효과가 장시간 동안 지속되기 때문이다. 그러나 이와 달리 필요한 경우 유기 화합물로 이루어진 자외선 차단 소재를 사용할 수도 있다.
무기 화합물 계열의 자외선 차단 소재(130)는 무기 화합물 자체의 자외선 흡수성 및 화합물 입자의 크기 조절을 통한 자외선 산란성을 이용하여 자외선을 차단한다. 이러한 자외선 차단 소재(130)로는 무기 화합물인 아연 산화물(ZnO), 티타늄이산화물(Ti02), 철산화물, 또는 마그네슘산화물(MgO)의 금속 산화물이 사용될 수 있다.
도 1에 도시한 바와 같이, 무기 화합물 계열의 자외선 차단 소재(130)는 구 형으로 형성된다. 입자의 직경은 400nm 이하인 것이 좋다. 입자의 직경이 400nm가 넘는 경우, 자외선의 산란성이 감소된다. 따라서 충분한 자외선 차단 효과를 얻을 수 없다. 또한 입자의 크기가 커지면 가시광선을 산란시키므로, 투명 전도체의 광 투과성이 저하된다. 한편, 자외선 차단 소재(240)(도 2에 도시, 이하 동일)는 가늘고 긴 막대형 또는 튜브형과 같은 와이어(wire) 모양으로 형성될 수 있다. 이러한 형상은 도 2를 참조하여 자세히 설명한다.
또한, 도 1에서 자외선 차단 소재(130)는 차단하고자 하는 광 파장을 고려하여, 투명기질(10)에 균일하게 분산되는 것이 좋다. 균일하게 분산되지 않으면 투명 전도체의 광 투과성 및 자외선 차단 효율이 저하된다.
도 2는 본 발명의 제 2실시예에 따른 탄소나노튜브 투명 전도체(200)의 단면을 간략하게 나타낸다. 이하의 실시예에서는, 전술한 제 1실시예와 다른 부분에 대해서만 설명한다.
본 발명의 제 2실시예에 따른 탄소나노튜브(200)는 가늘고 긴 선 형태의 자외선 차단 소재(240)를 포함한다. 이 경우, 자외선 차단 소재(240) 횡단면의 지름이 200nm이하 인 것이 좋다. 횡단면의 지름이 200nm를 초과하면, 자외선의 산란이 잘 일어나지 못한다. 따라서 충분한 자외선 차단 효과를 얻을 수 없다. 또한, 입자의 크기가 커지면, 가시광선을 산란시키므로, 투명 전도체의 광 투과성이 저하된다.
도 3는 본 발명의 제 3실시예에 따른 탄소나노튜브 투명 전도체(300)의 단면을 간략하게 나타낸다.
도 3에서 도시하는 바와 같이, 본 발명의 제 3실시예에 따른 탄소나노튜브 투명 전도체(300)는 투명기질(10)의 표면에 자외선 차단 소재(330)가 위치한다. 투명기질(10)의 내부에는 탄소나노튜브 투명 전도체(320)만이 망 형태로 위치한다. 도 3에서 도시한 바와 같이, 탄소나노튜브 구조체(320)와 자외선 차단 소재(330)가 서로 혼합되지 않게 위치하는 경우, 구조체(320)와 자외선 차단 소재(330) 간의 물리적 접촉을 최소화할 수 있다. 따라서 탄소나노튜브의 연결 망 가운데 금속산화물과 같은 비 전도체가 결합되지 않으므로, 도전성이 향상된다. 또한, 자외선 차단 소재(330)가 투명기질(10) 한쪽 표면 전체에 고르게 위치하므로 전체적으로 자외선 차단 효과를 가지는 투명 전도체를 형성할 수 있다.
도 4는 본 발명의 제 4실시예에 따른 탄소나노튜브 투명 전도체(400)의 단면을 간략하게 나타낸다.
도 4에서 도시하는 바와 같이, 본 발명의 제 4실시예에 따른 탄소나노튜브 투명 전도체(400)에서는 자외선 차단 소재(430) 및 탄소나노튜브 구조체(420)가 모두 투명기질(10)의 한쪽 표면에 위치한다. 이 경우 자외선 차단 소재(430)는 탄소나노튜브 구조체(420)에 화학적으로 수식(Coordinated)된 형태로 형성될 수 있다. 또는, 탄소나노튜브 구조체(420)의 적어도 일부가 자외선 차단 소재(430)와 물리적인 접촉을 하도록 물리적으로 혼합되어 형성될 수도 있다.
도 5는 본 발명의 제 5실시예에 따른 탄소나노튜브 투명 전도체(500)의 단면을 간략하게 나타낸다.
도 5에서 도시하는 바와 같이, 본 발명의 제 5실시예에 따른 탄소나노튜브 투명 전도체(500)는 투명기질(10)의 한쪽 표면에 탄소나노튜브 구조체(520)가 위치하고, 다른 측 표면에 자외선 차단 소재(530)가 위치한다. 이 경우에도 본 발명의 제 3실시예와 같이, 탄소나노튜브 구조체(520)와 자외선 차단 소재(530)가 투명기질(10)을 가운데 두고 완전히 분리된다. 따라서, 금속산화물과 같은 비 전도체가 탄소나노튜브의 연결망 가운데 연결되지 않으므로 투명 전도체(500)의 도전성이 향상된다.
이하, 도 6 및 도 7을 참조하여 점착층을 더 포함하는 탄소나노튜브 투명 전도체를 설명한다.
도 6은 본 발명의 제 6실시예에 따른 탄소나노튜브 투명 전도체(600)의 단면을 간략하게 나타낸다. 도 7는 본 발명의 제 7실시예에 따른 탄소나노튜브 투명 전도체(700)의 단면을 간략하게 나타낸다.
도 6에서 도시하는 바와 같이, 본 발명의 제 6실시예에 따른 탄소나노튜브 투명 전도체(600)는 투명기질(10)과 투명기질(10)의 표면에 위치하는 탄소나노튜브 구조체(620)를 결합시키는 점착층(650)을 더 포함한다. 또한, 도 7에서의 본 발명의 제 7실시예에 따른 탄소나노튜브 투명 전도체(700)는 투명기질(10)의 양면에 각각 탄소나노튜브 구조체(720) 및 자외선 차단 소재(730)을 점착하기 위한 2개의 점착층(750)을 더 포함한다.
여기서, 점착층(650, 750)은 투명기질(10)과 탄소나노튜브 구조체(620, 720)의 결합을 증대시키기 위한 것이다. 점착층(650. 750)은 열을 가하거나 UV(Ultra Violet)광을 조사하는 방법으로 고형화되며, 고형화 후에도 투명성을 유지한다. 이러한 점착층(650, 750)을 이용하여, 각 소재간의 결합을 더욱 강하게 할 수 있다.
점착층으로는 열경화형, UV광경화형 접착제 또는 상온에서 시간이 지남에 따라 굳어지는(경시경화형) 접착제를 사용할 수 있다. 다만, 접착제는 투명 전도체의 투명도를 감소시키지 않는 범위에서 사용하는 것이 좋다.
이러한 본 발명의 실시예들에 따른 탄소나노튜브 투명 전도체는 550nm 파장에서의 광 투과율이 30% 내지 95%인 것이 좋다.
투명 전도체의 광 투과율이 30% 미만이면, 자외선뿐만 아니라 가시광선까지 차단하므로 투명 전도체로서의 효용성이 떨어진다. 반면에 투명 전도체의 광 투과율이 95%을 넘는 경우, 자외선 차단효과가 크지 않으므로 자외선 차단이 필요한 환경에서는 사용할 수 없는 문제점이 있다.
또한, 본 발명의 실시예들에 따른 탄소나노튜브 투명 전도체의 표면저항은 1 내지 109Ω/square인 것이 좋다. 투명 전도체의 표면저항이 1Ω/square 미만인 경우, 많은 량의 탄소나노튜브가 필요하다. 따라서 투명 전도체 필름이 두꺼워져서 광 투과도가 30%미만이 된다. 반면에 투명 전도체의 표면저항이 109Ω/square를 초과하면, 표면 저항이 너무 커서, 전도체로 사용하기 힘들다.
도 8은 본 발명의 실시예에 따른 탄소나노튜브 투명 전도체를 이용한 발열소자를 간략하게 나타낸다.
본 발명에 따른 발열소자(900)는 본 발명의 실시예들에 따른 탄소나노튜브 투명 전도체(800), 전극(970), 전원공급장치(90)를 포함한다. 탄소나노튜브 투명 전도체에 대한 설명은 전술한 바와 같으므로 여기에서는 설명을 생략하도록 한다.
전극(970)은 투명 전도체(800)의 양 단에 탄소나노튜브 구조체(920)와 물리적, 화학적으로 연결되도록 형성한다. 전극(970)을 형성하는 방법으로는 전자선 증착(E-Beam Evaporator), 스퍼터(Sputter), 열증착(Thermal Evaporator)과 같은 금속을 증착하는 방법을 사용할 수 있다. 또는, Ag와 같은 도전성이 좋은 금속을 스크린 인쇄(Screen printing)후 양생(curing)시키는 방법도 사용할 수 있다.
전원공급장치(90)는 전극(970)과 전기적으로 연결되어 투명 전도체(800)에 전류를 공급한다. 공급된 전류는 탄소나노튜브 구조체(920)를 통하여 흐르면서 주울(Joule)열을 발생한다. 여기서 발생된 열은 외부로(방향A)로 전달된다. 따라서 이와 같은 방법으로 탄소 나노튜브 투명 전도체를 이용하여 발열소자(900)를 만들 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 투명 전도체는 투명 디스플레이와 같은 차세대 디스플레이의 터치스크린을 구성하는 전극으로 사용될 수 있다. 이 경우, 자외선 차단효과가 있는 터치스크린의 전극으로 사용될 수 있으므로 보다 효율적인 투명 디스플레이를 구현할 수 있다.
이상 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 설명하였지만, 본 발명은 여기에 한정되는 것이 아니고 특허청구범위와 발명의 상세한 설명 및 첨부한 도면의 범위 안에서 여러 가지로 변형하여 실시할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 탄소나노튜브 투명 전도체는, 자외선 차단 소재 및 탄소 나노 튜브 구조체를 동시에 포함하므로, 자외선 차단 기능이 있는 도전성 소재를 형성할 수 있다.
또한, 자외선만을 선택적으로 차단시키므로, 투명한 도전성 소재를 제조할 수 있다.
또한, 점착층을 더 포함하므로, 탄소 나노 튜브 구조체 및 자외선 차단 소재를 기질의 표면에 더욱 강하게 결합시킬 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 투명 전도체는, 자외선 차단성 및 도전성을 하나의 필름으로 얻을 수 있으므로, 관련 제품의 생산성을 향상시킬 수 있다.

Claims (17)

  1. 투명기질,
    도전성을 가지는 탄소나노튜브 구조체, 및
    상기 투명기질에 균일하게 분포된 자외선 차단 소재
    를 포함하는 탄소나노튜브 투명 전도체.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 탄소나노튜브 구조체 및 상기 자외선 차단 소재가 상기 투명기질의 내부에 위치하는 탄소나노튜브 투명 전도체.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 탄소나노튜브 구조체는 상기 투명기질의 내부에 위치하고, 상기 자외선 차단 소재는 상기 투명기질의 표면에 위치하는 탄소나노튜브 투명 전도체.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 탄소나노튜브 구조체가 상기 투명기질의 표면에 위치하고, 상기 자외선 차단 소재는 상기 투명기질의 내부에 위치하는 탄소나노튜브 투명 전도체.
  5. 제3항 및 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 투명기질과 상기 투명기질의 표면에 위치하는 상기 자외선 차단 소재 또는 상기 탄소나노튜브 구조체를 점착하는 점착층을 더 포함하는 탄소나노튜브 투명 전도체.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 탄소나노튜브 구조체 및 상기 자외선 차단 소재가 상기 투명기질의 표면에 위치하는 탄소나노튜브 투명 전도체.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 투명기질과 상기 탄소나노튜브 구조체 또는 상기 투명기질과 상기 자외선 차단 소재를 점착하는 점착층을 더 포함하는 탄소나노튜브 투명 전도체.
  8. 제6항에 있어서,
    상기 탄소나노튜브 구조체는 상기 투명기질의 한쪽 표면에 위치하고,
    상기 자외선 차단 소재는 상기 투명기질의 다른 쪽 표면에 위치하는 탄소나노튜브 투명 전도체.
  9. 제1항에 있어서,
    550nm파장에서의 광투과율이 30% 내지 95%인 탄소나노튜브 투명 전도체.
  10. 제1항에 있어서,
    표면저항이 1 내지 109Ω/square인 탄소나노튜브 투명 전도체.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 자외선 차단 소재는 직경이 400nm 이하인 입자 또는 횡단면의 지름이 200nm 이하의 선 형태인 탄소나노튜브 투명 전도체.
  12. 제1항에 있어서,
    상기 자외선 차단 소재는 금속 산화물을 포함하는 탄소나노튜브 투명 전도체.
  13. 제1항에 있어서,
    상기 탄소나노튜브 구조체는 탄소나노튜브가 망(Network) 형태로 형성된 구조체인 탄소나노튜브 투명 전도체.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 탄소나노튜브는 금(Au), 은(Ag), 백금(Pt), 팔라듐(Pd), 및 구리(Cu)로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상의 금속으로 도핑된 것인 탄소나노튜브 투명 전도체.
  15. 제1항에 있어서,
    상기 탄소나노튜브 구조체는 탄소나노튜브 박막에 금(Au), 은(Ag), 백금(Pt), 팔라듐(Pd), 및 구리(Cu)로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상의 금속으로 입힌 것인 탄소나노튜브 투명 전도체.
  16. 제1항에 있어서,
    상기 투명기질은 유리, 투명 폴리머(ploymer), 프릿 글래스(flit glass) 중 어느 하나로 이루어진 탄소나노튜브 투명 전도체.
  17. 제1항에 따른 탄소나노튜브 투명 전도체,
    상기 탄소나노튜브 투명 전도체와 전기적으로 연결되어 형성되는 전극, 및
    상기 전극과 전기적으로 연결되어 상기 탄소나노튜브 투명 전도체로 전원을 공급하는 전원공급장치
    를 포함하는 발열소자.
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