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