KR101219613B1 - 금속-탄소 하이브리드형 나노복합체 필름 및 그 제조 방법 - Google Patents

금속-탄소 하이브리드형 나노복합체 필름 및 그 제조 방법 Download PDF

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Abstract

탄소 나노구조체 및 금속 나노입자를 포함하는, 신축성, 탄성, 전도성 금속-탄소 하이브리드형 나노복합체 필름 및 그 제조 방법이 개시된다. 상기 신축성, 탄성, 전도성 필름은 페닐 고리와 티올기를 가지는 화합물로 기능화된 (functionalized) 금속 나노입자가 흡착된 탄소 나노구조체; 이온성 화합물; 전도성 금속분말; 및 고분자 매트릭스:를 포함하는 것을 특징으로 한다. 상기 신축성, 탄성, 전도성 필름은 전기 전도도 및 탄성력이 매우 우수하여 전자·전기 전극, 전자·전기 부품 패키징, 전도성 인터커넥터 등의 용도로 이용할 수 있으며, 또한 신축성, 탄성 및 휨 특성을 요구하는 여러 전기·전자 분야에서 다양한 응용이 가능하다.

Description

금속-탄소 하이브리드형 나노복합체 필름 및 그 제조 방법{METAL-CARBON HYBRID NANOSTRUCTURE FILM AND PREPARING METHOD OF THE SAME}
본원은 고분자 매트릭스에 분산된 금속 나노입자가 흡착된 탄소 나노구조체와 금속분말을 포함하는, 신축성, 탄성, 전도성을 갖는 금속-탄소 하이브리드형 나노복합체 필름 및 그 제조 방법에 관한 것이다.
일반적으로 기존의 전자소자에 응용되는 전도성 필름은 전도성 고분자 혹은 ITO 기반의 평판형을 기본으로 하는 소재였다. 그러나 기존의 재료들은 신축성, 탄성 및 전도성을 요구하는 전자소자의 소재로 쓰이기에는 한계가 있다. 전도성 고분자는 아직 전도도, 신축성 및 탄성에 있어 낮은 값을 보이고 있으며, ITO 또한 신축성 및 탄성에 있어 가장 큰 단점을 지니고 있다. 이러한 단점들을 극복하고자 탄소 나노구조체를 기반으로 하는 하이브리드형 고신축성, 고탄성, 고전도성의 필름을 개발하여 미래 전자소자의 부품, 및 고신축성을 요구하는 로보트의 근육 및 연결부위에 사용하고자 한다.
본원은 고분자 매트릭스에 분산된 금속 나노입자가 흡착된 탄소 나노구조체와 금속 분말을 이용하여 신축성, 탄성, 전도성을 갖는 금속-탄소 하이브리드형 나노복합체 필름 및 그 제조 방법을 제공한다.
그러나, 본원이 해결하고자 하는 과제는 이상에서 언급한 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본원의 일 측면에 따르면, 금속 나노입자가 흡착된 탄소 나노구조체; 이온성 화합물; 전도성 금속 분말; 및 고분자 매트릭스:를 포함하여, 신축성 및 전도성을 갖는, 금속-탄소 하이브리드형 나노복합체 필름이 제공된다.
본원의 다른 측면에 따르면, 하기를 포함하는, 금속-탄소 하이브리드형 나노복합체 필름의 제조 방법이 제공된다:
탄소 나노구조체에 금속 나노입자를 흡착하고;
상기 금속 나노입자가 흡착된 탄소 나노구조체를 이온성 화합물 액체와 혼합하여 겔(gel)을 수득하고;
상기 겔을 고분자 매트릭스를 포함하는 용액과 혼합한 후 전도성 금속 분말을 첨가하여 혼합함으로써 금속-탄소 하이브리드형 나노복합체 용액을 수득하고;
상기 금속-탄소 하이브리드형 나노복합체 용액을 기판에 도포한 후 건조하여 금속-탄소 하이브리드형 나노복합체 필름을 형성하는 것.
본원의 바람직한 실시예에 따른 신축성, 탄성, 전도성을 갖는 금속-탄소 하이브리드형 나노복합체 필름은 기존의 필름에 비해 전도도가 매우 향상된 것으로서, 전자·전기 전극, 전자·전기 부품 패키징, 전도성 인터커넥터 등의 용도로 이용할 수 있으며, 또한 신축성·탄성 및 휨 특성을 요구하는 여러 전자·전기 분야에서 다양한 응용이 가능하다.
도 1은 본원의 일 실시예에 따른 신축성, 전도성 금속-탄소 하이브리드형 나노복합체 필름을 제조하는 공정이다.
도 2는 본원의 일 실시예에 따른 신축성, 전도성 금속-탄소 하이브리드형 나노복합체 필름에서의 금속 나노입자가 흡착된 탄소 나노구조체를 보여주는 투과전자현미경(Transmission Electron Microscope, TEM) 사진이다.
도 3은 본원의 일 실시예에 따른 신축성, 전도성 금속-탄소 하이브리드형 나노복합체 필름의 일반사진, 광학사진 및 주사전자현미경(Scanning Electron Microscope, SEM) 사진이다.
도 4는 본원의 일 실시예에 따른 금속-탄소 하이브리드형 나노복합체 필름의 전도도를 나타내는 그래프이다.
도 5는 본원의 일 실시예에 따른 금속-탄소 하이브리드형 나노복합체 필름의 신축성에 따른 전도도 변화를 나타내는 그래프이다.
도 6는 본원의 일 실시예에 따른 신축성 고분자에 임베딩된 금속-탄소 하이브리드형 나노복합체 필름의 신축성에 따른 전도도 변화를 나타내는 그래프이다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본원이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본원의 구현예 및 실시예를 상세히 설명한다.
그러나 본원은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 구현예 및 실시예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본원을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.
이하에서는, 본 발명에 따른 금속 나노입자가 흡착된 탄소 나노구조체를 포함하는 신축성, 전도성 금속-탄소 하이브리드형 나노복합체 필름 및 그 제조 방법에 대하여 구체적으로 설명한다.
본원의 일 측면에 따르면, 금속 나노입자가 흡착된 탄소 나노구조체; 이온성 화합물; 전도성 금속 분말; 및 고분자 매트릭스:를 포함하여, 신축성 및 전도성을 갖는, 금속-탄소 하이브리드형 나노복합체 필름이 제공된다.
본원에 따라 금속 나노입자가 흡착된 탄소 나노구조체를 전도성 금속-탄소 하이브리드형 나노복합체 필름에 적용할 경우, 상기 금속 나노입자가 흡착된 탄소 나노구조체가 금속 입자들 간에 전기적 네트워크(Electrical Network)를 형성한다. 또한 160℃ 부근에서 경화(curing) 시 탄소 나노구조체 표면에 흡착된 금속 나노입자들이 상기 전도성 금속 분말 입자와 접촉이 좋아지면서 탄소 나노구조체와 전도성 금속 분말 입자의 접촉저항을 크게 감소시킴으로써 전자의 이동이 원활하게 되어 금속-탄소 하이브리드형 나노복합체 필름의 전도성을 더욱 향상시킬 수 있다.
예시적 구현예들에 있어서, 상기 필름이 탄성을 갖는 것일 수 있다.
예시적 구현예들에 있어서, 상기 금속-탄소 하이브리드형 나노복합체 필름은 신축성의 추가 향상을 위하여 신축성 고분자를 추가 포함할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 상기 신축성 고분자는, 비제한적 예로서, 부타디엔계, 실리콘계, 플루오르계, 에폭시계, 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 것을 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
예시적 구현예들에 있어서, 상기 금속 나노입자는 Au, Pt, Ag, Cu, Ni, Ru, Sn, Pd, 및 이들의 조합으로 이루어지는 군에서 선택되는 것을 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
예시적 구현예들에 있어서, 상기 탄소 나노구조체는 단일벽 탄소나노튜브, 이중벽 탄소나노튜브, 얇은벽 탄소나노튜브, 다중벽 탄소나노튜브, 그래파이트, 그래핀 및 이들의 조합으로 이루어지는 군에서 선택되는 것을 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 비제한적 예로서, 탄소나노튜브 및 그래핀(graphene) 등의 상기 탄소 나노구조체는 독특한 구조적 특징으로 인해 우수한 기계적, 전기적 특성을 지니고 있어 에너지, 전자·전기 및 구조용 소재로의 다양한 응용이 시도되고 있다. 그러나, 탄소 나노구조체는 그 크기가 매우 작고, 다른 물질과의 친화성이 좋지 못하다는 단점이 있다. 이에 본원에서는, 물리적 방법 및/또는 화학적 방법을 이용하여 탄소 나노구조체의 표면에 금속입자를 흡착시켜 탄소 나노구조체의 기능성을 높이고자 하였다. 본원에서 표면에 흡착된 금속 나노입자로 기능화된 탄소 나노구조체는 전도성 필름 내의 금속 입자들 사이에서의 전자적 다리(electrical bridge) 역할을 수행할 수 있어 상기 전도성 필름의 전도성을 향상시킬 수 있다.
예시적 구현예들에 있어서, 상기 전도성 금속 분말은 일반적인 전도성 필름에 사용될 수 있는 전기 전도도가 우수한 금속 분말이라면 특별히 제한되지 않고 사용될 수 있다. 상기 전도성 금속 분말의 비제한적 예로서, Au, Pt, Ag, Cu, Ni, Ru, Sn, Pd 및 이들의 조합으로 이루어지는 군에서 선택된 것을 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
예시적 구현예들에 있어서, 상기 고분자 매트릭스는 일반적인 전도성 필름에 사용할 수 있는 수지라면 특별히 제한되지 않고 사용될 수 있으며, 예컨대, 열경화성, 열가소성 또는 두 가지 성질을 모두 가지는 수지가 사용될 수 있다. 구체적인 예로는 폴리에스테르계 수지, 폴리술폰계 수지, 폴리이미드계 수지, 폴리플루오르계 수지, 에폭시 수지, 페놀 수지, 아크릴 수지, 우레탄 수지, 실리콘 수지, 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 수지를 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 또한, 상기 고분자 매트릭스에는 유기 용매가 포함될 수 있다. 바람직한 예로는 전기전도성을 발현할 수 있는 폴리플루오르계 수지를 사용할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
일 구현예에 있어서, 상기 금속-탄소 하이브리드형 나노복합체 필름은, 상기 금속-탄소 하이브리드형 나노복합체 필름 제조시 초기혼합비를 기준으로, 상기 금속 나노입자가 흡착된 탄소 나노구조체 0.5 내지 20 중량부; 상기 이온성 화합물 0.5 내지 10 중량부; 상기 전도성 금속 분말 5 내지 50 중량부; 및 상기 고분자 매트릭스 65 내지 95 중량부를 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
다른 구현예에 있어서, 상기 금속-탄소 하이브리드형 나노복합체 필름은, 상기 금속-탄소 하이브리드형 나노복합체 필름 제조시 초기혼합비를 기준으로, 상기 금속 나노입자가 흡착된 탄소 나노구조체 0.5 내지 20 중량부; 상기 이온성 화합물 0.5 내지 10 중량부; 상기 전도성 금속 분말 5 내지 50 중량부; 상기 고분자 매트릭스 65 내지 95 중량부; 및 상기 추가 포함된 신축성 고분자 0.1 내지 70 중량부를 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
예시적 구현예들에 있어서, 상기 금속-탄소 하이브리드형 나노복합체 필름은, 전도도가 1 X 10-1 내지 1 X 104 S/cm 이고 신축성은 5 내지 400 %일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
본원의 다른 측면에 따르면, 하기를 포함하는, 금속-탄소 하이브리드형 나노복합체 필름의 제조 방법이 제공된다:
탄소 나노구조체에 금속 나노입자를 흡착하고;
상기 금속 나노입자가 흡착된 탄소 나노구조체를 이온성 화합물 액체와 혼합하여 겔(gel)을 수득하고;
상기 겔을 고분자 매트릭스 용액과 혼합한 후 전도성 금속 분말을 첨가하여 혼합함으로써 금속-탄소 하이브리드형 나노복합체 용액을 수득하고;
상기 금속-탄소 하이브리드형 나노복합체 용액을 기판에 도포한 후 건조하여 금속-탄소 하이브리드형 나노복합체 필름을 형성함.
상기 기판은 특별히 제한되지 않으며, 예를 들어, 유리, 플라스틱, 금속, 실리콘, 투명 전도성 유리(예를 들어, ITO/glass) 등일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
예시적 구현예들에 있어서, 상기 겔을 고분자 매트릭스를 포함하는 용액과 혼합하여 초음파로 처리할 수 있으며, 상기 전도성 금속 분말을 첨가하여 혼합하는 경우에도 초음파로 처리할 수 있다.
예시적 구현예들에 있어서, 상기 탄소 나노구조체에 금속 나노입자를 흡착하는 것은, 화학적 자기조립법, 열적증발법, 또는 스퍼터링 방법에 의하여 수행되는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
예를 들어, 상기 이온성 화합물은 이미드계 화합물, 플루오르계 화합물, 및 이들의 혼합물을 사용할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 일 구현예에 있어서, 상기 이온성 화합물로서 당업계에 공지된 이온성 액체를 사용할 수 있으며, 예를 들어, 플루오르계 이온성 액체를 사용할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 상기 플루오르계 이온성 액체의 예로서 1-부틸-4-메틸피리디늄 테트라플루오로보레이트(1-butyl-4-methylpyridinium tetrafluoroborate)를 들 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
예시적 구현예들에 있어서, 상기 건조된 금속-탄소 하이브리드형 나노복합체 필름을 경화하는 것을 추가 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
예를 들어, 상기 금속-탄소 하이브리드형 나노복합체 필름은 열처리(경화) 후, 예를 들어, 150℃ 내지 160℃에서의 경화 후 전도도가 1 X 10-1 내지 1 X 104 S/cm 의 범위일 수 있으나(예를 들어, 금속 나노입자 및 전도성 금속 입자가 Ag인 경우), 이에 제한되는 것은 아니다.
본원에 따라 금속 나노입자가 흡착된 탄소 나노구조체를 전도성 금속-탄소 하이브리드형 나노복합체 필름에 적용할 경우, 상기 금속 나노입자가 흡착된 탄소 나노구조체가 금속 입자들 간에 전기적 네트워크(Electrical Network)를 형성하며, 또한 예를 들어, 사용되는 고분자 매트릭스의 경화 온도 부근에서의 열처리에 의한 경화(curing)시 탄소 나노구조체 표면에 흡착된 금속 나노입자들이 상기 전도성 금속 분말 입자와 결합이 강화되어 탄소 나노구조체와 전도성 금속 분말 입자의 접촉저항을 크게 감소시킴으로써 전자의 유동이 원활하게 되어 금속-탄소 하이브리드형 나노복합체 필름의 전도성을 더욱 향상시킬 수 있다.
예시적 구현예들에 있어서, 상기 건조된 금속-탄소 하이브리드형 나노복합체 필름 또는 결합이 강화된 상기 금속-탄소 하이브리드형 나노복합체를 신축성 고분자에 임베딩하는 (상기 소결된 필름 상에 신축성 고분자를 도포하는 것) 것을 추가 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 화학적 자기조립법에 의하여 상기 탄소 나노구조체에 금속 나노입자를 흡착하는 것을 이용하여 상기 금속-탄소 하이브리드형 나노복합체 필름을 제조하는 것은 하기를 포함하여 수행될 수 있다(도 1):
(1) 페닐 고리 및 티올기를 가지는 화합물을 금속 전구체 용액과 혼합하여 기능화된 금속 나노입자의 콜로이드를 제조하는 단계;
(2) 상기 기능화된 금속 나노입자의 콜로이드를 탄소 나노구조체가 분산된 용액과 혼합하여 상기 금속 나노입자가 흡착된 탄소 나노구조체를 제조하는 단계;
(3) 상기 금속 나노입자가 흡착된 탄소 나노구조체에 이온성 화합물 액체를 혼합하여 젤을 형성하고, 상기 젤에 고분자 매트릭스를 첨가 혼합한 후 상기 전도성 금속 분말을 첨가하여 혼합함으로써 금속-탄소 하이브리드형 나노복합체 용액을 수득하는 단계;
(4) 상기 금속-탄소 하이브리드형 나노복합체 용액을 기판에 도포한 후 건조하고 경화하여 금속-탄소 하이브리드형 나노복합체 필름을 형성하는 단계; 및
(5) 상기 경화된 금속-탄소 하이브리드형 나노복합체 필름을 신축성 고분자에 임베딩하는 단계.
구체적으로, 먼저 페닐 고리 및 티올기가 있는 화합물을 금속 전구체 용액과 혼합하여 페닐 고리로 기능화된 금속 나노입자의 콜로이드를 제조한다. 상기 페닐 고리 및 티올기를 포함하는 화합물을 이용하여 상기 금속 나노입자를 기능화시킨 후 수득된 기능화된 금속 나노입자와 탄소 나노구조체와의 결합을 물리·화학적으로 유도할 수 있다.
상기 페닐 고리 및 티올기를 포함하는 화합물을 이용하여 금속 나노입자를 기능화하는 경우, 금속 나노입자 간의 뭉침 방지 및 입자 크기 조절이 매우 용이할 수 있으며, 기능화된 금속 나노입자는 표면의 페닐 고리에 의해 탄소 나노구조체 표면과 p-p 결합을 통해 결합이 가능하다.
상기 페닐 고리 및 티올기를 가지는 화합물은 페닐 고리 및 티올기를 동시에 가지는 화합물이라면 특별히 한정되지 않으며, 그의 비제한적 예로서, 벤질머캅탄(benzylmercaptan), 벤젠티올(benzenethiol), 트리페닐메탄티올(triphenylmethanethiol), 브로모벤질머캅탄(bromobenzylmercaptan), 아미노티오페놀(aminothiophenol), 2-페닐에탄티올(2-phenylethanethiol) 등의 화합물을 들 수 있으며, 바람직하게는 벤질머캅탄을 이용할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
상기 페닐 고리로 기능화된 금속 나노입자의 콜로이드를 탄소 나노구조체가 분산된 용액과 혼합한다. 바람직하게는, 상기 혼합 시에 초음파 처리를 하여 금속 입자가 탄소 나노구조물 표면 위에 흡착될 수 있도록 유도할 수 있다.
얻어진 상기 기능화된 금속 나노입자가 흡착된 탄소 나노구조체를 전도성 금속 분말 입자 및 고분자 매트릭스와 적절한 비율로 균일하게 혼합하여 신축성, 전도성 금속-탄소 하이브리드형 나노복합체 필름을 제조한다. 또한, 신축성 증가를 위하여 실리콘계, 부타디엔계의 신축성 고분자에 임베딩하여 고신축성의 전도성 금속-탄소 하이브리드형 나노복합체 필름을 얻는다.
본원의 다른 구현예에 있어서, 상기 탄소 나노구조체에 금속 나노입자를 흡착하기 위해, 고체 금속이온을 이용하여 약 10-6 torr 의 조건에서 열적증발법에 의해 탄소 나노구조체에 금속이온을 증착하여 흡착시키는 방법을 이용할 수 있다.
또한, 본원의 또 다른 구현예에 있어서, 상기 탄소 나노구조체에 금속 나노입자를 흡착하기 위해, 상압에서 스퍼터링 방법을 이용하여 금속이온을 탄소 나노구조체에 코팅시키는 방법을 이용할 수 있다.
본원의 예시적 구현예들에 있어서, 상기 탄소 나노구조체는 표면에 6각형의 탄소구조를 형성하고 있는 탄소 나노구조체라면 특별히 한정되지 않으며, 바람직하게는 단일벽 탄소나노튜브, 이중벽 탄소나노튜브, 얇은벽 탄소나노튜브, 다중벽 탄소나노튜브, 그래파이트, 그래핀(graphene) 등일 수 있으며, 가장 바람직한 것은 얇은벽 탄소나노튜브이다.
상기 탄소 나노구조체에 대한 상기 기능화된 금속 나노입자의 부착(deposition)은 다양한 방법으로 수행할 수 있으나, 바람직하게는 화학적 자기조립법 즉, 상기 기능화된 금속 나노입자의 콜로이드와 탄소 나노구조체가 분산된 용액을 혼합하고 초음파로 처리하는 방법에 의하여 이루어질 수 있다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 신축성, 전도성 금속-탄소 하이브리드형 나노복합체 필름은, 초기혼합시 상기 금속 나노입자가 흡착된 탄소 나노구조체 0.5 내지 20 중량부; 상기 이온성 화합물 0.5 내지 10 중량부; 상기 전도성 금속 분말 5 내지 50 중량부; 및 상기 고분자 매트릭스 65 내지 95 중량부를 포함하도록 하여 제조될 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 비제한적 예로서, 상기 금속-탄소 하이브리드형 나노복합체 필름은 상기 금속 나노입자가 흡착된 탄소 나노구조체 1 내지 4 중량부; 상기 이온성 화합물 1 내지 6 중량부; 상기 전도성 금속 분말 입자 5 내지 10 중량부; 및, 상기 고분자 매트릭스 80 내지 93 중량부를 사용하여 제조될 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
본원의 일 구현예에 따르면, 상기 전도성 필름은 150℃ 내지 160℃의 온도에서 최종 형성되며, 경화 후 전도도가 1 X 10-1 내지 1 X 104 S/cm의 범위일 수 있다(금속 나노입자 및 전도성 입자가 Ag인 경우).
이하 실시예를 통하여 본 발명을 더욱 상세하게 설명하고자 하나, 하기의 실시예는 단지 설명의 목적을 위한 것이며 본원의 범위를 한정하고자 하는 것은 아니다.
[ 실시예 ]
실시예 1. Ag 금속-탄소 하이브리드형 나노복합체 필름
(1) 벤질머캅탄으로 기능화된 Ag 나노입자의 합성
에탄올과 벤질머캅탄을 혼합하여 제조한 벤질머캅탄 용액(0.06 mol·L-1 )을 AgNO3가 에탄올에 녹아있는 AgNO3용액(0.02 mol·L-1)에 혼합하여 흰색 Ag 콜로이드를 얻었다. 이후 약 48 시간 동안 강하게 교반하면 벤질머캅탄으로 기능화된 Ag 나노입자가 합성되면서 상기 용액이 진갈색으로 변하였다(도 1).
(2) 탄소 나노튜브에 상기 기능화된 Ag 나노입자 흡착
50mg의 Thin-MWNTs (Hanwha Nanotech, 50 mg)를 에탄올에 분산시킨 후 상기 용액과 혼합하고 초음파를 가해주었다. 이후 상기 용액을 에탄올로 세척하고 여과함으로써 Ag 나노입자가 흡착된 탄소나노튜브를 얻었다(도 1 및 도 2).
(3) Ag 금속-탄소 하이브리드형 나노복합체 필름 제조
상기 Ag 금속 나노입자가 흡착된 탄소나노튜브(100 mg)를 이온성 액체 (1-butyl-4-methylpyridinium tetrafluoroborate, 200 mg)와 혼합한 후 이를 막자사발을 이용하여 혼합하여 주었다. 최종적으로 검은색의 겔 상태의 물질을 얻었다. 상기 수득된 검은색의 겔 (300 mg)을 4-메틸-2-펜타논(4-methyl-2-pentanone) 에 용해된 폴리비닐리덴플로라이드 (polyvinylidenefluoride, PVDF) 공중합체 용액 에 혼합한 후 초음파(560 W)를 약 5분 동안 가하여 주었다. 그 후 적당한 양의 Ag 분말(Ag flake: Ferro, silver flake #120, 평균 입경: 3 ㎛)을 첨가한 후 다시 초음파(560 W)를 약 10분 동안 가하여 주었다. 완전히 혼합된 복합용액을 유리 페트리접시에 드롭 캐스팅(drop casting) 방법으로 도포하고 건조하여 금속-탄소 하이브리드형 나노복합체 필름을 얻었다(도 3). 상기 건조된 필름을 오븐에서 약 160℃에서 경화하여 최종 금속-탄소 하이브리드형 나노복합체 필름을 수득하였다(도 3). 상기 수득된 필름의 전도도 및 신축성을 도 4 및 도 5에 나타내었다.
또한, 신축성을 더욱 높이기 위하여 제조된 필름을 신축성 고분자인 부타디엔계, 실리콘계 등의 신축성 고분자에 임베딩할 수 있다.
실시예 2. 신축성 고분자에 임베딩된 Ag 금속-탄소 하이브리드형 나노복합체 필름
상기 실시예 1에서와 같이, Ag 금속 나노입자가 흡착된 탄소나노튜브, Ag 전도성 금속분말, 및 플루오르계 고분자로 블렌딩한 신축성, 전도성 Ag 금속-탄소 하이브리드형 나노복합체 필름을 부타디엔계 신축성 고분자로 코팅하여 신축성에 따른 전도도 변화를 관찰하였다(도 6).
그 결과, 샘플의 전도도는 120% 인장 후, 초기 3111 S/cm에서 300 S/cm로의 변화를 보였다.
[ 비교예 ]
상기 실시예와 비교하여, 기능화된 Ag 나노입자가 흡착된 탄소나노튜브 또는 Ag 금속 분말을 포함하지 않는 전도성 필름을 제조하였다. 고분자 매트릭스로는 플루오르계 수지와 용매를 이용하였다.
[ 시험예 ]
상기 실시예 및 비교예에서 제조한 전도성 필름을 경화한 후, 전도도를 측정하였다. 기능화된 Ag 나노입자가 흡착된 탄소나노튜브 혹은 Ag 분말을 포함하지 않는 전도성 필름은 각각 낮은 전도도를 보였으며, 기능화된 Ag 나노입자가 흡착된 탄소나노튜브와 Ag 금속 분말(Ag flake)이 혼합된 필름은 최고 3 x 103 S/cm 정도의 높은 전도도를 나타내었다(도 4).
또한, Ag 분말의 함량에 따른 전도도와 신축성 변화에 있어서, 신축성의 변화 경향에는 큰 영향을 미치치 않았으나 전도도는 신축성이 증가함에 따라 모든 샘플에 대해 조금씩 감소하는 경향을 보였다. 그러나 8.6 wt%의 Ag 분말을 함유하는 경우 약 30 %의 신축성 및 3.1 x 103 S/cm 정도의 높은 초기 전도도를 보였다(도 5).
상기에서는 본원의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 하기의 특허청구범위에 기재된 본원의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 전술한 실시예 외의 많은 실시예들이 본원의 특허청구범위 내에 존재한다.

Claims (16)

  1. 금속 나노입자가 흡착된 탄소 나노구조체;
    이온성 화합물;
    전도성 금속 분말; 및
    고분자 매트릭스
    를 포함하며,
    신축성 고분자를 추가 포함하는,
    신축성 및 전도성을 가지는 금속-탄소 하이브리드형 나노복합체 필름.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 필름이 탄성을 가지는 것인, 금속-탄소 하이브리드형 나노복합체 필름.
  3. 삭제
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 금속 나노입자는 Au, Pt, Ag, Cu, Ni, Ru, Sn, Pd, 및 이들의 조합으로 이루어지는 군에서 선택되는 것을 포함하는 것인, 금속-탄소 하이브리드형 나노복합체 필름.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 탄소 나노구조체는 단일벽 탄소나노튜브, 이중벽 탄소나노튜브, 얇은벽 탄소나노튜브, 다중벽 탄소나노튜브, 그래파이트, 그래핀 및 이들의 조합으로 이루어지는 군에서 선택되는 것을 포함하는 것인, 금속-탄소 하이브리드형 나노복합체 필름.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 전도성 금속 분말은 Au, Pt, Ag, Cu, Ni, Ru, Sn, Pd 및 이들의 조합으로 이루어지는 군에서 선택된 것을 포함하는 것인, 금속-탄소 하이브리드형 나노복합체 필름.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 고분자 매트릭스는 폴리에스테르계 수지, 폴리술폰계 수지, 폴리이미드계 수지, 폴리플루오르계 수지, 에폭시 수지, 페놀 수지, 아크릴 수지, 우레탄 수지, 실리콘 수지, 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 수지를 포함하는 것인, 금속-탄소 하이브리드형 나노복합체 필름.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 신축성 고분자는 부타디엔계, 실리콘계, 플루오로계, 에폭시계, 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 것을 포함하는 것인, 금속-탄소 하이브리드형 나노복합체 필름.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 금속-탄소 하이브리드형 나노복합체 필름 제조 시 초기혼합비를 기준으로,
    상기 금속 나노입자가 흡착된 탄소 나노구조체 0.5 내지 20 중량부;
    상기 이온성 화합물 0.5 내지 10 중량부;
    상기 전도성 금속 분말 5 내지 50 중량부; 및
    상기 고분자 매트릭스 65 내지 95 중량부:
    를 포함하는, 금속-탄소 하이브리드형 나노복합체 필름.
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 금속-탄소 하이브리드형 나노복합체 필름 제조시 초기혼합비를 기준으로,
    상기 금속 나노입자가 흡착된 탄소 나노구조체 0.5 내지 20 중량부;
    상기 이온성 화합물 0.5 내지 10 중량부;
    상기 전도성 금속 분말 5 내지 50 중량부;
    상기 고분자 매트릭스 65 내지 95 중량부; 및
    상기 추가 포함된 신축성 고분자 0.1 내지 70 중량부:
    를 포함하는, 금속-탄소 하이브리드형 나노복합체 필름.
  11. 제 1 항에 있어서,
    상기 필름의 전도도가 1 X 10-1 S/cm 내지 1 X 104 S/cm 이고 신축성은 5% 내지 400% 인, 금속-탄소 하이브리드형 나노복합체 필름.
  12. 탄소 나노구조체에 금속 나노입자를 흡착하고;
    상기 금속 나노입자가 흡착된 탄소 나노구조체를 이온성 화합물 액체와 혼합하여 겔(gel)을 수득하고;
    상기 겔을 고분자 매트릭스 용액과 혼합한 후 전도성 금속 분말을 첨가하여 혼합함으로써 금속-탄소 하이브리드형 나노복합체 용액을 수득하고;
    상기 금속-탄소 하이브리드형 나노복합체 용액을 기판에 도포한 후 건조하여 금속-탄소 하이브리드형 나노복합체 필름을 형성하고; 및
    상기 건조된 금속-탄소 하이브리드형 나노복합체 필름을 경화하는 것
    을 포함하는,
    신축성 및 전도성을 가지는 금속-탄소 하이브리드형 나노복합체 필름의 제조 방법.
  13. 제 12 항에 있어서,
    상기 탄소 나노구조체에 금속 나노입자를 흡착하는 것은, 화학적 자기조립법, 열적증발법, 또는 스퍼터링 방법에 의하여 수행되는 것인, 금속-탄소 하이브리드형 나노복합체 필름의 제조 방법.
  14. 제 13 항에 있어서,
    상기 화학적 자기조립법에 의하여 상기 탄소 나노구조체에 금속 나노입자를 흡착하는 것은,
    기능화된 금속 나노입자의 콜로이드를 제조하고;
    상기 기능화된 금속 나노입자의 콜로이드를 탄소 나노구조체가 분산된 용액과 혼합하여 상기 탄소 나노구조체 표면에 상기 기능화된 금속 나노입자가 결합하도록 하는 것을 포함하는 것인, 금속-탄소 하이브리드형 나노복합체 필름의 제조 방법.
  15. 삭제
  16. 제 12 항에 있어서,
    상기 경화된 금속-탄소 하이브리드형 나노복합체 필름 상에 신축성 고분자 층을 형성하여 임베딩하는 것을 추가 포함하는, 금속-탄소 하이브리드형 나노복합체 필름의 제조 방법.
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