KR101144401B1 - 투명 도전막 - Google Patents

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Abstract

탄소 나노튜브 네트워크 및 인듐 주석 산화물 복합체를 포함하는 투명 도전막 및 그러한 투명 도전막을 제조하는 방법이 개시된다.

Description

투명 도전막{TRANSPARENT CONDUCTIVE FILMS}
본 개시는 투명 도전막(transparent conductive film)에 관한 것이다.
광학적으로 투명하면서 전기적으로 도전성인 투명 도전막은 예컨대 터치 스크린, 액정 디스플레이 장치(LCD), 플라즈마 디스플레이 패널(PDP), 유기 발광 다이오드(OLED), 전계방출 디스플레이(FED) 등의 평판 디스플레이 장치, 투명 전자파 방해(EMI) 차폐 막, 투명 발열 막, 가스 센서, 태양 전지, 광통신용 평면 안테나 등 다양한 분야에서 유용하게 이용될 수 있다. 본 개시에서는, 어떤 물질로 이루어진 하나의 층 또는 다양한 물질들로 이루어진 일련의 층들이 가시광 파장 영역(즉, 400nm-800nm 영역) 내에서 입사광의 적어도 50% 이상을 해당 층 또는 층들을 통하여 투과되도록 하는 경우, 그와 같은 층들을 광학적으로 "투명"하다거나 "투명성"을 갖는다고 한다.
종래의 투명 도전막은 금속 산화물, 예컨대 인듐 주석 산화물(ITO)(에 제한되는 것은 아님)을 포함하는데, 인듐 주석 산화물은 비교적 양호한 전기 도전성과 함께 광학적 투명성을 제공한다. 그러나, 은, 구리 등의 금속과 비교하면, 인듐 주석 산화물 기반 막(ITO based film)은 상대적으로 전기 도전성이 떨어지고 따라 서 전술한 각종 응용 분야 중 몇몇에서 이용될 경우 제한된 전기적 성능을 보인다. 또한, 인듐 주석 산화물 기반 막은 기계적인 관점에서 비교적 연약하기 때문에 마찰 저항성이 좋지 못하다. 나아가, 최근 디스플레이 산업의 급속한 성장 및 팽창으로 인하여, 인듐 주석 산화물의 주요 성분 중 하나인 인듐의 가격이 급속하게 증가하고 있고 그에 따라 인듐 공급이 제한적이다. 그러므로, 인듐 주석 산화물로만 구성된 투명 도전막은, 앞서 언급한 응용 분야들 중 일부 분야에서는, 물리적 및 경제적 한계를 야기할 수 있다.
이러한 관점에서, 최근에는 탄소 나노튜브(CNT)가 그 광학적 투명성과 전기적 도전성 등의 속성으로 인하여 투명 도전막을 위한 새로운 물질로서 주목을 받고 있다. CNT가 투명 기판에 퇴적되는 경우에는, 원통형의 CNT들이 기판에 CNT 네트워크(CNT network)를 형성함으로써 해당 기판이 양호한 전기적 도전성을 갖게 한다. 또한, CNT가 퇴적된 기판은 CNT의 길이 대 직경 비율(length-to-diameter ratio) 특성으로 인하여 여전히 높은 투명도를 유지할 수 있다.
그러나, 개별 CNT가 금속에 필적할만한 우수한 도전성을 갖는데 비해, CNT 네트워크는 보통 그 네트워크를 이루는 개별 CNT들 간의 빈 공간으로 인하여 상대적으로 낮은 전기 도전성을 갖게 된다. 따라서, CNT 네트워크를 포함하는 투명 도전막은 개별 CNT들의 높은 전기 도전성과 동등한 정도의 충분한 면 도전성(sheet conductance)을 달성하지 못하고 있다.
투명 도전막, 그러한 투명 도전막을 제조하는 방법, 그리고 그러한 투명 도전막의 다양한 응용예가 제공된다. 일 실시예에서, 투명 도전막은 탄소 나노튜브 네트워크와 인듐 주석 산화물 복합체를 포함한다.
전술한 내용은, 이하 상세한 설명에서 기술될 개념들을 단순화된 형태로 조합한 것이다. 즉, 전술한 내용은 본 개시의 청구범위에 관한 핵심 특징들이나 본질적 특징들을 인식시키고자 의도된 것은 아니며, 본 개시의 청구범위를 제한하고자 의도된 것도 아니다.
이하, 상세한 설명에서, 본 개시의 일부를 이루는 첨부 도면을 참조하여 실시예에 관해 상세히 설명한다. 도면에서, 유사한 도면 부호는 일반적으로 유사한 구성요소를 나타낸다. 다른 언급이 없으면, 상세한 설명, 도면 및 청구범위에 개시된 예시적인 실시예들은 본 개시의 내용을 제한하기 위한 것이 아니다. 그와 다른 실시예들이 이용될 수 있고, 본 개시에서 제시되는 취지나 범위를 벗어남이 없이 다양한 변형이 가능하다는 점을 알아야 한다. 본 개시에서, 일반적으로 기술되고 도면에 도시된 구성 요소들은, 광범위한 다양한 구성으로 배치, 교체, 결합 및 설계될 수 있고, 이는 모두 명시적으로 예상된 것으로서 본 개시의 일부를 이루는 것이다.
본 개시에는 탄소 나노튜브 네트워크(carbon nanotube network) 및 인듐 주석 산화물(indium tin oxide) 복합체를 포함하는 투명 도전막(transparent conductive film)이 제공된다.
일 실시예에서, 탄소 나노튜브 네트워크 및 인듐 주석 산화물 복합체는 탄소 나노튜브 네트워크 층(carbon nanotube network layer)과 탄소 나노튜브 네트워크 층 위에 배치된 인듐 주석 산화물 층을 포함한다.
다른 실시예에서, 탄소 나노튜브 네트워크 층은 금속성 단일벽 탄소 나노튜브 네트워크 층(metallic single walled carbon nanotube network layer)을 포함한다.
다른 실시예에서, 탄소 나노튜브 네트워크 층은 금속성 다중벽 탄소 나노튜브 네트워크 층(metallic multi walled carbon nanotube network layer)을 포함한다.
본 개시에는, 또한 탄소 나노튜브 네트워크 및 인듐 주석 산화물 복합체를 포함하는 투명 도전막을 제조하는 방법이 제공된다. 이러한 방법은, 투명 기판을 제공하는 단계, 투명 기판에 금속성 타입의 탄소 나노튜브 용액을 배치하는 단계, 금속성 탄소 나노튜브 용액으로 금속성 탄소 나노튜브 네트워크 층을 형성하는 단계, 및 금속성 탄소 나노튜브 네트워크 층 위에 인듐 주석 산화물 층을 배치하는 단계를 포함한다.
일 실시예에서, 금속성 탄소 나노튜브 네트워크 층을 형성하는 단계는 레이저 어블레이션(laser ablation), 탄소 아크(carbon arc) 또는 화학적 기상 증착(CVD) 중 적어도 하나를 이용하는 단계를 포함한다.
다른 실시예에서, 금속성 탄소 나노튜브 용액을 배치하는 단계는, 용매에 탄 소 나노튜브 파우더를 분산시켜서 탄소 나노튜브 용액을 조성하는 단계, 및 탄소 나노튜브 용액으로부터 금속성 탄소 나노튜브 용액을 분리하는 단계를 포함한다.
다른 실시예에서, 금속성 탄소 나노튜브 용액을 배치하는 단계는 금속성 단일벽 탄소 나노튜브 용액을 배치하는 단계를 포함한다.
다른 실시예에서, 금속성 탄소 나노튜브 용액을 배치하는 단계는 금속성 다중벽 탄소 나노튜브 용액을 배치하는 단계를 포함한다.
다른 실시예에서, 탄소 나노튜브 용액을 분리하는 단계는 구조 구별적 계면 활성제(structure discriminating surfactant)를 이용하는 밀도-기울기 초원심 분리 기법(density-gradient ultracentrifugation technique)을 이용하는 단계를 포함한다.
다른 실시예에서, 투명 기판에 금속성 탄소 나노튜브 용액을 배치하는 단계는 스프레이 코팅 기법 또는 딥 코팅 기법 중 적어도 하나를 이용하는 단계를 포함한다.
다른 실시예에서, 인듐 주석 산화물 층을 배치하는 단계는 스퍼터링 기법 또는 화학적 기상 증착 기법 등을 이용하는 단계를 포함한다.
다른 실시예에서, 금속성 탄소 나노튜브 용액을 배치하는 단계 및 금속성 탄소 나노튜브 층 위에 상기 인듐 주석 산화물 층을 배치하는 단계를 한번 이상 번갈아 반복하는 단계를 더 포함한다.
다른 실시예에서, 투명 도전막을 어닐링하는 단계를 더 포함한다.
본 개시에는, 또한 터치 스크린이 제공된다. 터치 스크린은 투명 기판, 투 명 기판에 배치되는 제1 투명 도전막, 제1 투명 도전막에 대향하여 배치된 제2 투명 도전막, 및 제1 투명 도전막과 제2 투명 도전막 사이에 배치되는 에어 갭 층을 포함한다. 제1 투명 도전막 및 제2 투명 도전막은 탄소 나노튜브 네트워크 및 인듐 주석 산화물 복합체를 포함한다.
다른 실시예에서, 에어 갭 층에 복수의 도트 스페이서가 배치되어 제1 투명 도전막과 제2 투명 도전막 사이의 공간을 유지시킨다.
도 1은 투명 도전막(100)의 예시적인 실시예의 개략도이다. 도시된 바에 의하면, 투명 도전막(100)은 기판(102) 상의 탄소 나노튜브 네트워크 층(104)과 탄소 나노튜브 네트워크 층(104) 위에 적층된 인듐 주석 산화물(ITO) 층(106)을 포함하도록 구성된다.
기판(102)은 광학적으로 투명한 물질, 예컨대 PET, 유리, 플라스틱, 세라믹 등의 물질로 구성될 수 있지만 이에 한정되는 것은 아니다. 특히, 플라스틱 막 등의 연성 기판이 이용되는 경우, 그에 따른 결과로서의 도전막도 양호한 연성을 가질 수 있다.
CNT 네트워크 층(104)은 기판(102)에 배치된다. 일 실시예에서, CNT 네트워크 층(104)은 기판(102)에 CNT 용액을 도포함으로써 형성될 수 있다. 예컨대, CNT 네트워크 층(104)은 스프레이 코팅 방법, 딥 코팅 방법 등을 포함한 다양한 방법들을 통하여 형성될 수 있지만, 이에 한정되는 것은 아니다.
CNT는 단일벽 탄소 나노튜브(single-walled carbon nanotubes), 이중벽 탄소 나노튜브(double-walled carbon nanotubes), 다중벽 탄소 나노튜브(multi-walled carbon nanotubes)로 분류될 수 있지만, 이에 한정되지는 않는다. 이들 CNT의 형태는 레이저 어블레이션(laser ablation), 탄소 아크(carbon arc), 화학적 기상 증착(CVD) 등을 비롯한 여러 가지 방법들에 의해 합성될 수 있다. 이들 중, 단일벽 탄소 나노튜브는 양호한 기계적 속성에 더하여 특히 우수한 전기적 도전성을 갖는다. 일 실시예에서, CNT 네트워크 층(104)은 상대적으로 뛰어난 도전성을 갖는 단일벽 탄소 나노튜브로 구성될 수 있다. 이와 달리, 다른 실시예에서는, CNT 네트워크 층(104)이 금속성 속성(metallic properties)을 갖는 다중벽 탄소 나노튜브로 구성될 수도 있다.
ITO 층(106)이 CNT 네트워크 층(104) 상에 배치된다. 일 실시예에서, ITO 층(106)은 스퍼터링, 화학적 기상 증착(CVD), 스프레이 열분해(spray pyrolysis) 방법들을 포함하되 이들로 제한되는 것은 아닌 다양한 방법들을 통하여 CNT 네트워크 층(104)의 위쪽 표면 위에 퇴적될 수 있다.
도 2는 투명 도전막을 제조하는 방법에 관한 예시적 실시예를 보여주는 흐름도이다. 블록 202에서, 광학적으로 투명한 기판이 준비된다. 도 1과 관련하여 앞서 설명한 것처럼, 기판은, 예컨대 PET, 유리, 플라스틱, 세라믹 등으로 구성될 수 있다. 연성의 디스플레이 패널을 위해서는, 통상적인 유리보다는 연성 플라스틱 등의 연성 기판을 이용하는 것이 바람직할 수 있다.
블록 204에서, 기판 상에 퇴적될 금속성 CNT 용액이 준비된다. 일 실시예에서, 탄소 나노튜브 용액은 먼저 탄소 나노튜브 파우더를 적절한 용매에 분산시킴으로써 준비될 수 있다. 용매는 당업계에 알려진 다수의 다양한 물질들 가운데서 적 절하게 선택될 수 있다. 일 실시예에서, 탄소 나노튜브는 단일 벽 CNT일 수 있다. 또는, 다른 실시예에서, 이미 금속성 속성을 갖고 있는 다중벽 CNT가 이용될 수도 있다.
합성된 상태 그대로의 단일벽 CNT들은 다양한 직경 및 키랄각(chiral angle)을 가질 수 있다. 그러므로, 이러한 물리적 다양성은 그 전자적 특성 및 광학적 특성에 영향을 미칠 수 있다. 일부 단일벽 CNT는 금속성 속성들을 보일 수 있는 반면 다른 일부는 반도체성의 속성들을 보일 수 있다. 그러므로, 원하는 금속성 단일벽 CNT를 얻기 위해서는 탄소 나노튜브 용액의 분리 공정이 이용될 수 있다.
일 실시예에서, 분리 공정은 하나 이상의 구조 구별적 계면 활성제(structure discriminating surfactants)를 이용하여 밀도 기울기 초원심 분리(density-gradient ultracentrifugation) 기법을 통하여 수행될 수 있다. 이러한 기법은 다양한 구조를 갖는 단일벽 CNT들의 부유 밀도(buoyant density)의 차이를 이용할 수 있다. 이러한 기법의 경우, 초원심 분리에 의하여 밀도 기울기를 따라 정제(purification)가 이루어질 수 있다. 발생하는 구심력에 대응하여, 각 부유 밀도의 입자 침전물들이 그 밀도 기울기로 인하여 공간적으로 분리될 수 있다.
블록 206에서, 준비된 금속성 CNT 용액이 기판에 흡착되어 CNT 네트워크 층을 형성한다. 일 실시예에서, 금속성 CNT 용액은 스프레이 코팅이나 딥 코팅 등의 기법을 통하여 기판 위에 흡착되어 기판 상에서 CNT 네트워크 층을 형성할 수 있다.
그런 다음, 블록 208에서, ITO 층이 CNT 층 위쪽에 증착될 수 있다. 일 실 시예에서, ITO 층은 스퍼터링 기법을 통하여 증착될 수 있다. 이러한 경우, 적절한 비율의 인듐과 주석을 포함하는 혼합 파우더가 형성되고, ITO 증착 소스 타겟(ITO deposition source target)을 형성하도록 소결될 수 있다. 그런 다음, 그러한 ITO 소스 타겟을 이용하여, ITO 층이 CNT 층 위에 배치되도록 쳄버 내에서 스퍼터링이 수행될 수 있다. 이와 달리, 화학적 기상 증착(CVD) 방법이 CNT 층에 ITO 층을 퇴적하도록 이용될 수 있다. 이러한 경우, 그에 따라 얻어지는 ITO 층의 두께는 상대적으로 제어 가능하고 균일할 수 있다.
일 실시예에서는, 블록 210에서 복수의 CNT 층 및 ITO 층이 번갈아 퇴적되어 다층 구조의 두꺼운 막을 형성할 수 있다. 또한, 일 실시예에서, CNT 및 ITO 층의 퇴적 이후에, 블록 212에서는 접촉 저항을 개선하기 위하여 막을 어닐링(annealing)할 수 있다.
도 3은 투명 도전막을 이용하는 터치 스크린(300)의 예시적 실시예를 개략적으로 도시한 도면이다. 도시된 바에 의하면, 터치 스크린(300)은 기판(302)과 기판(302) 상에 형성된 제1 투명 도전막(304)을 포함한다. 터치 스크린(300)은 또한 제2 투명 도전막(306)을 포함한다. 제1 및 제2 투명 도전막(304, 306)은, 도 1에 도시된 바와 같은 CNT 네트워크 층과 ITO 층을 포함한 복합 필름일 수 있다. 제1 및 제2 투명 도전 막(304, 306)은 서로 간에 에어 갭 층(308)을 개재한 채 서로 대향하도록 배치될 수 있다. 에어 갭 층(308)에는, 복수의 도트 스페이서(310)가 배치되어 제1 및 제2 투명 도전막(304, 306) 간의 공간이 유지되도록 할 수 있다. ITO 물질로만 구성된 투명 도전막을 갖는 통상적 터치 스크린에 비하면, 터치 스크 린(300)은 개선된 전기 도전성 및 개선된 기계적 안정성을 가질 수 있다.
지금까지, 본 개시의 다양한 실시예들이 예시적인 목적으로 기술되었으며, 본 개시의 사상과 범위를 벗어나지 않는 범위에서 다양한 변형이 가능하다는 점을 알아야 한다. 따라서, 본 개시에 개시된 다양한 실시예들은 다음의 특허청구범위에 의하여 표시되는 진정한 사상과 범위에 대해 어떠한 한정을 하려고 의도된 것이 아님을 알아야 한다.
도 1은 투명 도전막의 예시적 실시예를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 2는 투명 도전막을 제조하기 위한 방법의 예시적 실시예를 보여주는 흐름도이다.
도 3은 투명 도전막을 이용한 터치 스크린의 예시적 실시예를 개략적으로 도시한 도면이다.

Claims (16)

  1. 삭제
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 탄소 나노튜브 네트워크 및 인듐 주석 산화물 복합체를 포함하는 투명 도전막을 제조하는 방법으로서,
    투명 기판을 제공하는 단계,
    용매에 탄소 나노튜브 파우더를 분산시켜서 탄소 나노튜브 용액을 조성하고, 구조 구별적 계면 활성제(structure discriminating surfactant)를 이용하는 밀도-기울기 초원심 분리 기법(density-gradient ultracentrifugation technique)을 사용하여 상기 탄소 나노튜브 용액으로부터 금속성 탄소 나노튜브 용액을 분리함으로써, 상기 투명 기판에 상기 금속성 탄소 나노튜브 용액을 배치하는 단계,
    상기 금속성 탄소 나노튜브 용액으로 금속성 탄소 나노튜브 네트워크 층을 형성하는 단계, 및
    상기 금속성 탄소 나노튜브 네트워크 층 위에 인듐 주석 산화물 층을 배치하는 단계
    를 포함하는 투명 도전막 제조 방법.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 금속성 탄소 나노튜브 네트워크 층을 형성하는 단계는, 레이저 어블레이션(laser ablation), 탄소 아크(carbon arc) 또는 화학적 기상 증착(CVD) 중 적어도 하나를 이용하는 단계를 포함하는 투명 도전막 제조 방법.
  7. 삭제
  8. 제5항 또는 제6항에 있어서,
    상기 금속성 탄소 나노튜브 용액을 배치하는 단계는, 금속성 단일벽 탄소 나노튜브 용액을 배치하는 단계를 포함하는 투명 도전막 제조 방법.
  9. 삭제
  10. 삭제
  11. 제5항 또는 제6항에 있어서,
    상기 투명 기판에 금속성 탄소 나노튜브 용액을 배치하는 단계는, 스프레이 코팅 기법 또는 딥 코팅 기법 중 적어도 하나를 이용하는 단계를 포함하는 투명 도전막 제조 방법.
  12. 제5항 또는 제6항에 있어서,
    상기 인듐 주석 산화물 층을 배치하는 단계는, 스퍼터링 기법 또는 화학적 기상 증착 기법 중 적어도 하나를 이용하는 단계를 포함하는 투명 도전막 제조 방법.
  13. 제5항 또는 제6항에 있어서,
    상기 금속성 탄소 나노튜브 용액을 배치하는 단계 및 상기 금속성 탄소 나노튜브 네트워크 층 위에 인듐 주석 산화물 층을 배치하는 단계를 번갈아 한번 이상 반복하는 투명 도전막 제조 방법.
  14. 제5항 또는 제6항에 있어서,
    상기 투명 도전막을 어닐링하는 단계를 더 포함하는 투명 도전막 제조 방법.
  15. 삭제
  16. 삭제
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