KR100982549B1 - 탄소나노튜브 투명 필름 및 이의 제조 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 우수한 전도성을 가지는 탄소나노튜브 투명 필름 및 이의 제조 방법에 관한 것이다. 본 발명에 따른 탄소나노튜브 투명 필름의 제조 방법은,탄소나노튜브들을 포함하는 탄소나노튜브 막을 준비하는 단계, 및 상기 탄소나노튜브 막에 전도성 물질을 형성하는 단계를 포함한다.
탄소나노튜브, 투명, 전극, ITO, 전도성

Description

탄소나노튜브 투명 필름 및 이의 제조 방법{CARBON NANO TUBE TRANSPARENT FILM AND MANUFACTURING METHOD OF THE SAME}
본 발명은 탄소나노튜브 투명 필름 및 이의 제조 방법에 관한 것으로, 좀더 상세하게는 우수한 전도성을 가지는 탄소나노튜브 투명 필름 및 이의 제조 방법에 관한 것이다.
플라즈마 디스플레이 패널, 액정 디스플레이 패널 등의 디스플레이 장치, 태양전지, 이미지 센서 등에서 전도성을 가지면서도 광을 투과하는 투명 전극이 요구되는데, 일반적으로 투명 전극으로는 인듐-틴 산화물(indium-tin oxide, ITO)로 이루어진 ITO 전극을 사용하고 있다. 그러나 이러한 ITO 전극은 고가여서 제조 원가 상승의 요인이 되며 유연성이 좋지 않아 플렉서블(flexible) 디스플레이 패널 등에 사용하는 데 한계가 있다.
최근에는 투명 전극을 ITO 대신 탄소나노튜브 필름으로 형성하는 것에 대한 연구가 활발하게 이루어지고 있다. 탄소나노튜브 필름은, 비교적 저가이므로 생산 원가를 절감할 수 있으며 유연성이 우수하여 플렉서블 디스플레이 패널 등에도 적용될 수 있다.
그러나 이러한 탄소나노튜브 필름을 이용한 전극은 탄소나노튜브들 간의 높은 접촉 저항에 의하여 ITO 전극에 비하여 전도성이 상대적으로 낮은 단점이 있다. 이에 따라 이를 이용한 디스플레이 패널 등의 소비 전력이 증가될 수 있다.
본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 전도성이 우수한 탄소나노튜브 필름 및 이의 제조 방법을 제공한다.
본 발명에 따른 탄소나노튜브 투명 필름의 제조 방법은,탄소나노튜브들을 포함하는 탄소나노튜브 막을 준비하는 단계, 및 상기 탄소나노튜브 막에 전도성 물질을 형성하는 단계를 포함한다.
상기 전도성 물질을 형성하는 단계에서는 스핀 코팅, 스퍼터링, 무전해 도금, 전해 도금 중 어느 하나의 방법을 사용할 수 있다.
상기 탄소나노튜브들은 서로 망(network) 형태를 이루고, 상기 전도성 물질은 상기 망 형태를 이루는 탄소나노튜브들 사이를 연결할 수 있다.
상기 전도성 물질은 복수의 입자로 구성될 수 있다. 상기 전도성 물질은 은, 구리, 크롬, 팔라듐, 니켈, 코발트 및 이들의 합금으로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상일 수 있다. 상기 전도성 물질은 은 나노 입자로 구성될 수 있다.
한편, 본 발명에 따른 탄소나노튜브 투명 필름은, 탄소나노튜브들을 포함하는 탄소나노튜브 막, 및 상기 탄소나노튜브 막에 형성된 전도성 물질을 포함한다.
상기 탄소나노튜브들은 서로 망(network) 형태를 이루고, 상기 전도성 물질은 상기 망 형태를 이루는 탄소나노튜브들 사이를 연결할 수 있다.
상기 전도성 물질은 복수의 입자로 구성될 수 있다. 상기 전도성 물질은 은, 구리, 크롬, 팔라듐, 니켈, 코발트 및 이들의 합금으로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상일 수 있다. 상기 전도성 물질은 은 나노 입자로 구성될 수 있다.
본 발명에 따른 탄소나노튜브 투명 필름에는, 탄소나노튜브들 사이에 이들을 연결하는 전도성 물질이 형성되어, 탄소나노튜브들 사이의 접촉 저항을 낮출 수 있다. 이에 따라 우수한 전도성을 가질 수 있으며, 이러한 탄소나노튜브 투명 필름을 전극으로 이용하는 장치의 소비 전력을 절감할 수 있다.
전도성 물질이 은을 포함할 경우 은의 낮은 비저항에 의해 전도성 향상의 효과를 좀더 높일 수 있으며, 다른 금속에 비해 가격이 저렴한 장점이 있다.
한편, 본 발명에 따른 탄소나노튜브 투명 필름의 제조 방법은 탄소나노튜브 막에 전도성 물질을 형성하는 간단한 공정에 의해 우수한 전도성을 가지는 탄소나노튜브 투명 필름을 형성할 수 있다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명의 실시예를 상세하게 설명한다. 본 발명은 여러 가지 다른 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 탄소나노튜브 필름의 단면도이다.
도 1을 참조하면, 본 실시예에 따른 탄소나노튜브 필름(10)은 탄소나노튜브들(12)을 포함하는 탄소나노튜브 막(20) 및 이 탄소나노튜브 막(20)에 형성된 전도성 물질(30)을 포함한다.
이 때, 탄소나노튜브들(12)은 서로 망(network) 형태를 이루면서 연결될 수 있다. 이러한 탄소나노튜브들(12)은 직경이 수 나노미터(nm)이며, 길이가 수백 내지 수천 나노미터 정도로서, 단일벽 탄소나노튜브, 이중벽 탄소나노튜브, 다중벽 탄소나노튜브 등으로 이루어질 수 있다. 이러한 탄소나노튜브들(12)은 우수한 열전도성, 유연성, 투과성을 가져 탄소나노튜브 필름(10)이 다양한 전기 소자의 전극 등에 사용될 수 있도록 한다.
그리고 전도성 물질(30)은 상기 망 형태를 이루는 탄소나노튜브들(12) 사이를 연결하면서 이들 사이를 부분적으로 채우면서 형성된다. 이러한 탄소나노튜브들(12) 사이를 연결하여 탄소나노튜브들(12) 사이의 큰 접촉 저항을 낮추어주는 역할을 한다. 이에 의해 탄소나노튜브 투명 필름(10)의 전도성을 높일 수 있다.
이러한 전도성 향상 효과를 높이기 위해서는, 전도성 물질(30)이 복수의 입자로 구성되어 탄소나노튜브 막(12) 전체에 고르게 분포하는 것이 바람직하다. 이 때, 전도성 물질(30)을 구성하는 입자는 일례로 1 nm 내지 100 nm의 입경을 가질 수 있다.
전도성 물질(30)이 우수한 전기 전도성을 가질 수 있다. 일례로 전도성 물질(30)은 은, 구리, 크롬, 팔라듐, 니켈, 코발트 및 이들의 합금으로 이루어질 수 있다.
여기서, 전도성 물질(30)이 은 나노 입자로 구성되는 경우에는 은의 낮은 비저항에 의하여 탄소나노튜브 투명 필름(10)의 전도성을 효과적으로 향상할 수 있다. 즉 은은 대략 1.62 X 10-6 Ω·cm의 비저항을 가져 비저항이 2.4 X 10-6 Ω·cm인 금에 비해 매우 우수한 전기 전도도를 가지면서도 가격은 저렴한 장점이 있다.
이 전도성 물질(30)은 탄소나노튜브 투명 필름(10)에 대해 0.00001 내지 1 wt% 포함될 수 있다. 전도성 물질(30)이 0.00001 wt% 미만으로 포함될 경우 전도성 향상 효과가 크지 않을 수 있으며, 1 wr%를 초과하여 포함될 경우 투과도가 저하될 수도 있기 때문이다. 그러나 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니며 전도성 물질(30)의 첨가량은 다양한 값을 가질 수 있음은 물론이다.
본 실시예에 따른 탄소나노튜브 투명 필름(10)은 탄소나노튜브들(12)을 연결하는 전도성 물질(30)에 의해 탄소나노튜브들(12) 사이의 접촉 저항을 낮출 수 있고, 이에 따라 우수한 전도성을 가질 수 있다. 따라서 이 탄소나노튜브 투명 필름(10)을 전극으로 적용한 전기 소자에서는 소비 전력을 절감할 수 있다.
이하에서는 도 2 및 도 3a 및 3b를 참조하여 이러한 탄소나노튜브 투명 필름(10)의 제조 방법의 일 실시예를 설명한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 탄소나노튜브 투명 필름의 제조 방법의 흐름도이며, 도 3a 및 3b는 본 발명의 일 실시예에 따른 탄소나노튜브 투명 필름의 제조 방법의 각 공정을 도시한 단면도이다.
도 2를 참조하면, 본 실시예에 따른 제조 방법은 탄소나노튜브 막을 준비하는 단계(ST10), 및 탄소나노튜브 막에 전도성 물질을 형성하는 단계(ST20)를 포함한다.
도 3a에 도시된 바와 같이, 탄소나노튜브 막을 준비하는 단계(ST10)에서는 서로 망 형태를 이루는 탄소나노튜브들(12)을 포함하는 탄소나노튜브 막(20)을 준비한다.
이러한 탄소나노튜브 막(20)은 탄소나노튜브가 포함된 탄소나노튜브 잉크를 기판(40) 상에 소정의 두께(일례로, 1nm 내지 1㎛)로 코팅하여 형성할 수 있다. 코팅된 두께에 따라 투명도 및 전도성이 조절될 수 있다. 탄소나노튜브 잉크는 결합력이 우수한 바인더 등 다른 물질을 포함할 수 있음은 물론이다.
이 때, 잉크 내부의 탄소나노튜브들이 망 형상을 이룰 수 있도록 탄소나노튜브의 길이와 이 탄소나노튜브 잉크가 도포되는 기판(40)의 표면 상태, 용액의 건조 시간 등을 조절할 수 있다. 또한 탄소나노튜브 막(20)을 형성하는 기판(40)에 친수성 처리를 하여 탄소나노튜브 잉크와 기판 사이의 접촉각을 작아지게 할 수도 있다. 이와 같이 탄소나노튜브들(12)이 서로 뭉치지 않고 망 형상을 이루도록 하여 탄소나노튜브 막(20)이 균일한 특성을 가지도록 한다.
본 발명이 이에 한정되는 것은 아니며, 탄소나노튜브 막(20)이 다양한 방법으로 형성될 수도 있으며 이 또한 본 발명의 범위에 속한다.
이어서, 도 3b에 도시된 바와 같이, 전도성 물질을 형성하는 단계(ST20)에서는 상기 망 형태를 이루는 탄소나노튜브들(12) 사이를 연결하는 전도성 물질(30)을 형성한다. 이러한 전도성 물질(30)은 복수의 입자로 구성되어 탄소나노튜브 투명 필름(10) 내에 고르게 분포할 수 있다.
전도성 물질(30)을 형성하는 방법으로는 스핀 코팅, 스퍼터링, 무전해 도금, 또는 전해 도금의 방법을 사용할 수 있다. 스핀 코팅 방법에 의하면, 탄소나노튜브 막(20)을 무전해도금 용액에 담구는 디핑(dipping) 방법에 비하여 넓은 면적에 걸쳐 균일하게 전도성 물질(30)이 분포할 수 있다. 스퍼터링 방법에 의하면, 넓은 면적에 걸쳐 균일하게 전도성 물질(30)이 분포할 수 있으며, 다양한 전도성 물질을 증착할 수 있다. 무전해 도금 방법에 의하면, 전도성 물질(30)을 균일한 입경, 일례로 1 nm 내지 100 nm의 입경을 가지는 은 나노 입자로 형성하는 데 유리하다.
전도성 물질(30)은 은, 구리, 크롬, 팔라듐, 니켈, 코발트 및 이들의 합금을 포함할 수 있다. 전도성 물질(30)이 은으로 이루어지는 경우에는 은의 낮은 비저항에 의하여 제조된 탄소나노튜브 투명 필름(10)의 전도성을 효과적으로 향상할 수 있다.
전도성 물질(30)을 형성하는 방법의 구체적인 공정 조건 등은 본 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 선택할 수 있음은 물론이다.
이와 같이 본 실시예에 따른 제조 방법에서는 탄소나노튜브 막(20)에 전도성 물질(30)을 형성하는 것에 의해 제조된 탄소나노튜브 투명 필름(10)의 전도성을 향상할 수 있다. 따라서 간단한 공정으로 전도성을 향상시킬 수 있다.
이하에서는 본 발명의 실험예와 비교예에 의해 본 발명을 좀더 상세하게 설 명한다. 그러나 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다.
실험예
탄소나노튜브가 분산되어 있는 탄소나노뷰트 잉크를 필터링하면서 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET) 필름 위에 형성하였다. 그 다음 60 ℃ 정도에서 10분 정도 건조하여 탄소나노튜브들이 망 형상으로 형성된 탄소나노튜브 막을 준비하였다.
에탄올을 분사하면서 탄소나노튜브 막을 세척하였다. 에탄올을 완전하게 제거한 후 탄소나노튜브 막을 스핀 코팅 장치에 고정한 후, 환원제인 포름 알데히르200 ㎕를 적가하여 스핀 코팅을 1회 실시하였다. 그리고 환원제가 묻어있는 탄소나노튜브 막에 pH가 8.5인 질산은 용액 200 ㎕를 적가하여 스핀 코팅을 1회 실시하였다. 여기서 질산은 용액은 질산은 10g을 3차 증류수 1L에 녹여서 만든 질산은 용액에 pH가 8.5가 될 때까지 암모니아수를 넣어주어 제조하였다. 이어서 3차 증류수를 탄소나노튜브 막에 천천히 적가하면서 스핀 코팅을 1회 실시하여 탄소나노튜브 막을 세척한 다음, 3차 증류수를 완전히 제거하였다. 이에 의해 1 nm 내지 100 nm의 입경 분포를 가지는 은 나노 입자가 탄소나노튜브 막에 1 wt% 만큼 포함되었다.
비교예
전도성 물질을 형성하지 않은 실험예에서의 탄소나노튜브 막을 탄소나노튜브 투명 필름으로 준비하였다.
실험예에 따른 탄소나노튜브 투명 필름의 사진을 촬영하여 도 4로 첨부하였다. 그리고 실험예와 비교예에 따른 탄소나노튜브 투명 필름의 면저항과 투과도를 측정하여 아래 표 1에 나타내었다.
면저항 [Ω/□] 투과도[%]
실험예 517 74.3
비교예 707 74.7
도 4를 참조하면, 실험예에 따른 탄소나노튜브 투명 필름에서는 은 입자로 구성되는 전도성 물질들이 고르게 형성되어 있는 것을 알 수 있다. 그리고 표 1에서 알 수 있는 바와 같이, 실험예에 따른 탄소나노튜브 투명 필름은 비교예에 따른 탄소나노튜브 투명 필름과 비슷한 투과도를 가지면서도 면저항은 27% 정도로 크게 감소한 것을 알 수 있다.
상기에서는 본 발명의 실시예 및 실험예에 대하여 설명하였지만, 본 발명은이에 한정되는 것이 아니고 특허청구범위와 발명의 상세한 설명 및 첨부한 도면의 범위 안에서 여러 가지로 변형하여 실시하는 것이 가능하고 이 또한 본 발명의 범위에 속하는 것은 당연하다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 탄소나노튜브 필름의 단면도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 탄소나노튜브 투명 필름의 제조 방법의 흐름도이다.
도 3a 및 3b는 본 발명의 일 실시예에 따른 탄소나노튜브 투명 필름의 제조 방법의 각 공정을 도시한 단면도이다.
도 4는 실험예에 따른 탄소나노튜브 투명 필름을 촬영한 사진이다.

Claims (11)

  1. 친수성 처리를 한 기판 상에 탄소나노튜브가 포함된 탄소나노튜브 잉크를 코팅하여 탄소나노튜브 막을 형성하는 단계; 및
    상기 탄소나노튜브 막에 전도성 물질을 형성하는 단계
    를 포함하는 탄소나노튜브 투명 필름의 제조 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 전도성 물질을 형성하는 단계에서는 스핀 코팅, 스퍼터링, 무전해 도금, 전해 도금 중 어느 하나의 방법을 사용하는 탄소나노튜브 투명 필름의 제조 방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 탄소나노튜브들은 서로 망(network) 형태를 이루고,
    상기 전도성 물질은 상기 망 형태를 이루는 탄소나노튜브들 사이를 연결하는 탄소나노튜브 투명 필름의 제조 방법.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 전도성 물질은 복수의 입자로 구성되는 탄소나노튜브 투명 필름의 제조 방법.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 전도성 물질은 은, 구리, 크롬, 팔라듐, 니켈, 코발트 및 이들의 합금으로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상인 탄소나노튜브 투명 필름의 제조 방법.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 전도성 물질은 은 나노 입자로 구성되는 탄소나노튜브 투명 필름의 제조 방법.
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