KR101269650B1 - 유연성, 접착성 및 전도성을 갖는 금속-탄소 하이브리드형 접착제 및 상기를 이용한 전도성 패턴 - Google Patents

유연성, 접착성 및 전도성을 갖는 금속-탄소 하이브리드형 접착제 및 상기를 이용한 전도성 패턴 Download PDF

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Abstract

본원은 고분자 매트릭스에 분산된 금속 나노입자가 증착된 탄소 나노구조체와 금속 분말을 포함하는 금속-탄소 하이브리드형 접착제 및 그 제조 방법에 관한 것이다.

Description

유연성, 접착성 및 전도성을 갖는 금속-탄소 하이브리드형 접착제 및 상기를 이용한 전도성 패턴 {METAL-CARBON HYBRID ADHESIVE HAVING FLEXIBILITY, ADHESIVENESS AND CONDUCTIVITY, AND CONDUCTIVE PATTERN USING THE SAME}
본원은 유연성, 접착성 및 전도성을 갖는 금속-탄소 하이브리드형 접착제, 상기의 제조 방법, 및 상기 유연성, 접착성 및 전도성을 갖는 금속-탄소 하이브리드형 접착제를 이용하여 형성된 전도성 패턴에 관한 것이다.
현재 플렉서블 전자소자의 개발에 있어 필수 조건 중 한가지는, 다양한 환경과 계속적인 스트레인(strain)에도 전도도의 유지가 가능해야 한다는 점이다. 따라서 플렉서블 소자의 개발은 소자의 다양한 구성요소들에 있어서 유연성이 요구된다. 그러나 기존의 플렉서블 전도성 소재로 사용되는 전도성 고분자는 낮은 전도성과 내식성을 보이며, ITO 기반의 소재들은 고비용으로 인한 대면적 사용의 어려움과 낮은 유연성, 전도성에 있어 한계를 지닌다. 또한 전도성 접착제로 사용되는 에폭시(epoxy) 기반의 실버 페이스트(silver paste)는 유연성이 없으므로 굽힘 시 크랙(crack)이 발생하며 파괴가 일어난다. 위와 같은 기존의 한계를 극복하고자 탄소나노구조체를 기반으로 하는 고유연성, 고접착성, 고전도성의 접착제를 개발하여, 이를 플렉서블 디스플레이, 투명전극, 터치스크린 패널, 전자종이(e-paper), 모바일(mobile) 기기의 전극과 연결재(electrical interconnect), 신축성 기재(stretchable substrate), 플렉서블 기재(flexible substrate) 등 유연성과 접착성, 전도성과 그 유지를 필요로 하는 전자 소자에 전극 및 연결재로 다양하게 응용될 수 있을 것이다.
본원은 고분자 매트릭스에 분산된 금속 나노입자가 증착된 탄소 나노구조체와 전도성 금속 분말을 포함하여 유연성, 접착성 및 전도성을 갖는, 금속-탄소 하이브리드형 접착제, 상기의 제조 방법, 및 상기 유연성, 접착성 및 전도성을 갖는 금속-탄소 하이브리드형 접착제를 이용하여 형성된 전도성 패턴을 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 측면은, 금속 나노입자가 증착된(deposited) 탄소 나노구조체; 전도성 금속 분말; 분산제; 및 고분자 매트릭스:를 포함하여, 유연성, 접착성 및 전도성을 갖는, 금속-탄소 하이브리드형 접착제를 제공한다.
본원의 다른 측면은, 탄소 나노구조체에 금속 나노입자를 증착하고; 상기 금속 나노입자가 증착된 탄소 나노구조체를 전도성 금속 분말과 분산제의 혼합 용액에 혼합시킨 후 고분자 매트릭스를 첨가함으로써 금속-탄소 하이브리드형 접착성 용액을 수득하고; 상기 금속-탄소 하이브리드형 접착성 용액을 기재에 도포한 후 건조하여 유연성, 접착성 및 전도성을 갖는 금속-탄소 하이브리드형 접착제를 형성하는 것:을 포함하는, 금속-탄소 하이브리드형 접착제의 제조 방법을 제공한다.
본원의 또 다른 측면은, 상기 유연성, 접착성 및 전도성을 갖는 금속-탄소 하이브리드형 접착제를 이용하여 형성된 전도성 패턴을 제공한다.
본원의 금속-탄소 하이브리드형 접착제는 종래 사용되고 있는 접착제에 비해 유연성, 접착성 및 높은 전도도의 유지성이 매우 향상된 것으로서, 터치패널, 투명전극, 플렉서블 기재, 신축성(stretchable) 기재, 플렉서블 태양전지와 트랜지스터, 센서 등과 같이 유연성을 특징으로 하는 플렉서블 전자소자 등의 개발에 적용될 수 있으며, 또한 다양한 전자기기의 연결재 등에 응용이 가능하다.
도 1은 본원의 일 실시예에 따른 금속-탄소 하이브리드형 접착제를 제조하는 공정을 나타낸 것이다.
도 2는 본원의 일 실시예에 따른 금속-탄소 하이브리드형 접착제의 접착성 테스트 결과를 나타낸 것이다.
도 3은 본원의 일 실시예에 따른 금속-탄소 하이브리드형 접착제의 굽힘 시험에 따른 광학 현미경 관찰 결과를 나타낸 것이다.
도 4는 본원의 일 실시예에 따른 금속-탄소 하이브리드형 접착제의 굽힘 시험에 따른 전도성 측정 결과를 나타낸 것이다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명이 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 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.
본원 명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
본 명세서에서 사용되는 정도의 용어 "약", "실질적으로" 등은 언급된 의미에 고유한 제조 및 물질 허용오차가 제시될 때 그 수치에서 또는 그 수치에 근접한 의미로 사용되고, 본원의 이해를 돕기 위해 정확하거나 절대적인 수치가 언급된 개시 내용을 비양심적인 침해자가 부당하게 이용하는 것을 방지하기 위해 사용된다. 또한, 본원 명세서 전체에서, "~ 하는 단계" 또는 "~ 의 단계" 는 "~ 를 위한 단계" 를 의미하지 않는다.
이하, 본원의 금속-탄소 하이브리드형 접착제 및 그 제조 방법에 대하여 구현예 및 실시예와 도면을 참조하여 구체적으로 설명하도록 한다. 그러나, 본원이 이러한 구현예 및 실시예와 도면에 제한되는 것은 아니다.
본원의 일 측면은, 금속 나노입자가 증착된(deposited) 탄소 나노구조체; 전도성 금속 분말; 분산제; 및 고분자 매트릭스:를 포함하여 유연성, 접착성 및 전도성을 갖는, 금속-탄소 하이브리드형 접착제를 제공한다.
본원에 따른 상기 금속 나노입자가 증착된 탄소 나노구조체를 전도성 금속-탄소 하이브리드형 접착제에 적용할 경우, 상기 금속 나노입자가 증착된 탄소 나노구조체가 금속 입자들 간에 전기적 네트워크(Electrical Network)를 형성하며, 또한 100~300℃ 부근에서 경화(curing)시 탄소 나노구조체 표면에 증착된 금속 나노입자들이 상기 전도성 금속 분말 입자와 접촉이 좋아지면서 탄소 나노구조체와 전도성 금속 분말 입자의 접촉저항을 크게 감소시킴으로써 전자의 유동이 원활하게 되어 금속-탄소 접착제의 전도성을 더욱 향상시킬 수 있다.
본원의 일 구현예에 따르면, 상기 금속-하이브리드형 접착제가 탄성 및 굽힘성을 갖는 것일 수 있으나, 이제 제한되는 것은 아니다.
본원의 일 구현예에 따르면, 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.
본원의 일 구현예에 따르면, 상기 탄소 나노구조체는 단일벽 탄소나노튜브, 이중벽 탄소나노튜브, 얇은벽 탄소나노튜브, 다중벽 탄소나노튜브, 그래파이트, 그래핀(graphene) 및 이들의 조합으로 이루어지는 군에서 선택되는 것을 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 비제한적 예로서, 탄소나노튜브 및 그래핀 등의 상기 탄소 나노구조체는 독특한 구조적 특징으로 인해 우수한 기계적, 전기적 특성을 지니고 있어 에너지, 전기·전자 및 구조용 소재로의 다양한 응용이 시도되고 있다. 그러나, 탄소 나노구조체는 그 크기가 매우 작고, 다른 물질과의 친화성이 좋지 못하여, 본원에서는, 탄소 나노구조체의 표면에 물리적, 화학적 방법을 이용하여 금속입자를 증착 및 흡착시켜 탄소 나노구조체의 기능성을 높이고자 하였다. 본원에서 표면에 증착된 금속 나노입자로 기능화된 탄소 나노구조체는 전도성 접착제 내의 금속 입자들 사이에서의 전자적 다리(electrical bridge) 역할을 수행할 수 있어 상기 전도성 접착제의 전도성을 향상시킬 수 있다.
본원의 일 구현예에 따르면, 상기 전도성 금속 분말은 일반적인 전도성 접착제에 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.
본원의 일 구현예에 따르면, 상기 분산제는 벤젠, 아세톤, 에탄올, 메탄올, 프로판올, 부탄올, 아밀알콜(펜탄올), 이온성 액체, 이미드계 화합물, 플루오르계 화합물 및 이들의 조합들로 이루어진 군에서 선택되는 것을 포함할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 상기 이온성 액체는 당업계에 공지된 것들을 특별히 제한 없이 사용할 수 있으며, 예를 들어, 이미드계 화합물, 플루오르계 화합물, 및 이들의 혼합물로 이루어진 군에서 선택되는 것을 포함할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 예를 들어, 상기 이온성 액체는 이미드계 화합물, 플루오르계 화합물 및 이들의 화합물을 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
본원의 일 구현예에 따르면, 상기 고분자 매트릭스는 일반적인 전도성 접착제에 사용할 수 있는 수지라면 특별히 제한되지 않고 사용될 수 있으며, 예를 들어, 열경화성, 열가소성 또는 두 가지 성질을 모두 가지는 수지가 사용될 수 있다. 예를 들어, 상기 고분자 매트릭스는 폴리에스테르계 수지, 폴리술폰계 수지, 폴리이미드계 수지, 폴리플루오르계 수지, 부타디엔 고무계 수지, 고무수지, 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. 예를 들어, 휨 특성이 좋은 부타디엔계, 고무수지 등을 사용할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
본원의 일 구현예에 따르면, 상기 고분자 매트릭스가 니트릴-부타디엔 고무 (NBR = Nitrile-Butadiene Rubber) 수지를 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
본원의 일 구현예에 따르면, 상기 금속-탄소 하이브리드형 접착제는, 상기 금속-탄소 하이브리드형 접착제 제조시 초기혼합비를 기준으로, 상기 금속 나노입자가 증착된 탄소 나노구조체 약 0.0001 내지 약 20 중량부; 상기 분산제 약 1 내지 약 95 중량부; 상기 전도성 금속 분말 약 0.1 내지 약 50 중량부; 및 상기 고분자 매트릭스 약 0.1 내지 약 50 중량부를 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
본원의 일 구현예에 따르면, 상기 금속-탄소 하이브리드형 접착제는, 전도도가 약 1 X 10-1 S/cm 내지 약 5 X 105 S/cm 이고, 평판에서의 곡률반경은 약 0.1 mm까지 가능할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
본원의 다른 측면은, 탄소 나노구조체에 금속 나노입자를 증착하고; 상기 금속 나노입자가 증착된 탄소 나노구조체를 전도성 금속 분말과 분산제의 혼합 용액에 혼합시킨 후 고분자 매트릭스를 첨가함으로써 금속-탄소 하이브리드형 접착성 용액을 수득하고; 상기 금속-탄소 하이브리드형 접착성 용액을 기판에 도포한 후 건조하여 유연성, 접착성 및 전도성을 갖는 금속-탄소 하이브리드형 접착제를 형성하는 것:을 포함하는, 금속-탄소 하이브리드형 접착제의 제조 방법을 제공한다.
상기 기재는 특별히 제한되지 않으며, 예를 들어, 유리, 플라스틱, 금속, 실리콘, 투명 전도성 유리(ITO/glass), 투명 전도성 고분자(Conductive Polymer), 투명전극, 플렉서블 기재, 신축성(stretchable) 기재 등일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
본원의 일 구현예에 따르면, 상기 전도성 금속 분말과 분산제의 혼합 용액을 초음파로 처리하는 것을 추가 포함할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 상기 겔을 전도성 금속 분말과 분산제의 혼합 용액에 매트릭스를 혼합하는 경우에도 초음파로 처리할 수 있다.
본원의 일 구현예에 따르면, 상기 탄소 나노구조체에 금속 나노입자를 증착하는 것은, 화학적 자기조립법, 열적증발법, 또는 스퍼터링 방법에 의하여 수행되는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
본원의 일 구현예에 따르면, 상기 분산제는 벤젠, 아세톤, 에탄올, 메탄올, 프로판올, 부탄올, 아밀알콜(펜탄올), 이온성 액체, 이미드계 화합물, 플루오르계 화합물 및 이들의 조합들로 이루어진 군에서 선택되는 것을 포함할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 상기 이온성 액체는 당업계에 공지된 것들을 특별히 제한 없이 사용할 수 있으며, 예를 들어, 이미드계 화합물, 플루오르계 화합물, 및 이들의 혼합물로 이루어진 군에서 선택되는 것을 포함할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 예를 들어, 상기 이온성 액체는 이미드계 화합물, 플루오르계 화합물 및 이들의 화합물을 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
본원의 일 구현예에 따르면, 상기 건조된 금속-탄소 하이브리드형 접착제를 경화하는 것을 추가 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
본원의 일 구현예에 따르면, 상기 금속-탄소 하이브리드형 접착제는 약 100℃ 내지 약 300℃에서의 열처리(경화) 후, 예를 들어, 상기 금속 나노입자 및 상기 전도성 입자가 Ag를 포함하는 경우, 약 100℃ 내지 약 300℃에서의 경화 후 전도도가 약 1 X 10-1 S/cm 내지 약 5 X 105 S/cm 의 범위일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
본원의 금속 나노입자가 증착된 탄소 나노구조체를 전도성 금속-탄소 하이브리드형 접착제에 적용할 경우, 상기 금속 나노입자가 증착된 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 증착된 금속 나노입자들이 상기 전도성 금속 분말 입자와 결합이 강화되어 탄소 나노구조체와 전도성 금속 분말의 접촉저항을 크게 감소시킴으로써 전자의 유동이 원활하게 되어 금속-탄소 하이브리드형 접착제를 이용하여 형성된 패턴의 전도성을 더욱 향상시킬 수 있다.
본원의 일 구현예에 따르면, 상기 금속-탄소 하이브리드형 접착성 용액을 PET(polyethylene terephthalate)과 같은 플라스틱 기재 또는 폴리머 기재 투명전극, 플렉서블 기재, 신축성(stretchable) 기재 등에 도포하는 것을 추가 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
본원의 일 구현예에 따르면, 상기 고분자 매트릭스는 일반적인 전도성 접착제에 사용할 수 있는 수지라면 특별히 제한되지 않고 사용될 수 있으며, 예를 들어, 열경화성, 열가소성 또는 두 가지 성질을 모두 가지는 수지가 사용될 수 있다. 예를 들어, 상기 고분자 매트릭스는 폴리에스테르계 수지, 폴리술폰계 수지, 폴리이미드계 수지, 폴리플루오르계 수지, 부타디엔계 수지, 고무수지, 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. 예를 들어, 휨 특성이 좋은 부타디엔계, 고무수지 등을 사용할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
본원의 일 구현예에 따르면, 상기 고분자 매트릭스가 NBR(Nitrile-Butadiene Rubber)을 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
본원의 일 구현예에 따르면, 상기 화학적 자기조립법에 의하여 상기 탄소 나노구조체에 금속 나노입자를 증착하는 것을 이용하여 상기 금속-탄소 하이브리드형 접착제를 제조하는 것은 하기를 포함하여 수행될 수 있다 (도 1):
(1) 페닐 고리와 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 증착된 탄소 나노구조체를 제조하는 단계;
(3) 상기 금속 나노입자가 증착된 탄소 나노구조체를 전도성 금속 분말과 분산제의 혼합 용액에 혼합시킨 후 고분자 매트릭스를 첨가함으로써 금속-탄소 하이브리드형 접착성 용액을 수득하는 단계; 및
(4) 상기 금속-탄소 하이브리드형 접착성 용액을 기재에 도포한 후 건조하고 경화하여 유연성, 전도성 및 접착성의 플렉서블 패턴형성이 가능한 금속-탄소 하이브리드형 접착제를 형성하는 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 물리 화학적으로 탄소 나노구조체와의 결합을 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 pi-pi결합을 통해 결합이 가능하다.
상기 페닐 고리와 티올기를 가지는 화합물은 페닐 고리와 티올기를 동시에 가지는 화합물이라면 특별히 한정되지 않으며, 그의 비제한적 예로서, 벤질 머캅탄(benzyl mercaptan), 벤젠티올(benzenethiol), 트리페닐메탄티올(triphenylmethanethiol), 브로모벤질 머캅탄(bromobenzyl mercaptan), 아미노티오페놀(aminothiophenol), 2-페닐에탄티올(2-phenylethanethiol) 등의 화합물을 들 수 있으며, 예를 들어, 벤질 머캅탄을 이용할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
상기 페닐 고리로 기능화된 금속 나노입자의 콜로이드를 탄소 나노구조체가 분산된 용액과 혼합한다. 예를 들어, 상기 혼합 시에 초음파 처리를 하여 금속 입자가 탄소 나노구조물 표면 위에 증착될 수 있도록 유도할 수 있다.
얻어진 상기 기능화된 금속 나노입자가 증착된 탄소 나노구조체를 전도성 금속 분말, 분산제 및 고분자 매트릭스와 적절한 비율로 균일하게 혼합하여 유연성, 접착성, 전도성 금속-탄소 하이브리드형 접착제를 제조한다.
상기 접착제는 투명전극, 플렉서블 기재 또는 신축성(stretchable) 기재에 부착되어 플렉서블 또는 신축성 전자 장치에 적용 가능하다.
본원의 일 구현예에 따르면, 상기 탄소 나노구조체에 금속 나노입자를 증착하는 것은, 고체 금속이온을 이용하여 10-6 torr 의 분위기에서 열적 증발법에 의해 탄소 나노구조체에 금속이온을 증착시키는 방법이 있을 수 있다.
또한, 본원의 일 구현예에 따르면, 상기 탄소 나노구조체에 금속 나노입자를 증착하는 것은, 상압에서 스퍼터링 방법을 이용하여 금속이온을 탄소 나노구조체에 코팅시키는 방법이 가능하다.
본원의 일 구현예에 따르면, 상기 탄소 나노구조체는 표면에 6각형의 탄소구조를 형성하고 있는 탄소 나노구조체라면 특별히 한정되지 않으며, 예를 들어, 단일벽 탄소나노튜브, 이중벽 탄소나노튜브, 얇은벽 탄소나노튜브, 다중벽 탄소나노튜브, 그래파이트, 그래핀(graphene) 등일 수 있으며, 바람직하게는 얇은벽 탄소나노튜브이다.
상기 탄소 나노구조체에 대한 상기 기능화된 금속 나노입자의 증착(deposition)은 다양한 방법으로 수행할 수 있으며, 예를 들어, 화학적 자기조립법 즉, 상기 기능화된 금속 나노입자의 콜로이드와 탄소 나노구조체가 분산된 용액을 혼합하고 초음파로 처리함으로써 이루어질 수 있다.
본원의 일 구현예에 따르면, 상기 유연성, 접착성, 전도성 금속-탄소 하이브리드형 접착제는, 상기 금속-탄소 하이브리드형 접착제 제조시 초기혼합비를 기준으로 상기 금속 나노입자가 증착된 탄소 나노구조체 약 0.0001 내지 약 20 중량부 또는 약 0.001 내지 약 20 중량부; 상기 전도성 금속 분말 약 0.1 내지 50 중량부; 상기 분산제 약 1 내지 약 95 중량부; 및 상기 고분자 매트릭스 약 0.1 내지 약 50 중량부를 사용하여 제조될 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
본원의 일 구현예에 따르면, 상기 전도성 접착제는 약 100℃ 내지 약 300℃의 온도에서 경화에 의하여 최종 형성되며, 예를 들어, 금속 나노입자 및 전도성 금속 분말이 Ag인 경우, 경화 후 전도도가 약 1 X 10-1 S/cm 내지 5 X 105 S/cm의 범위일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
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 접착제
(1) 벤질 머캅탄으로 기능화된 Ag 나노입자의 합성
에탄올과 벤질 머캅탄을 혼합하여 제작한 벤질 머캅탄 용액(0.06 mol·L-1 )을 AgNO3(Junsei)가 에탄올에 녹아있는 AgNO3 용액(0.02 mol·L-1)에 혼합하여 흰색 Ag 콜로이드를 얻었다. 이후 약 48시간 동안 강하게 교반함으로써 상기 용액은 진갈색으로 변하며, 이에 따라 벤질 머캅탄으로 기능화된 Ag 나노입자가 합성되었다 (도 1).
(2) 탄소 나노튜브에 상기 기능화된 Ag 나노입자 증착
100mg의 Thin-MWNTs(Hanwha Nanotech Corp.)를 에탄올에 분산시킨 후 상기 Ag 나노입자 용액과 혼합한 후 초음파를 가하였다. 이후 상기 용액을 에탄올로 세척 및 여과함으로써 Ag 나노입자가 증착된 탄소나노튜브를 얻었다 (도 1).
(3) Ag 금속-탄소 하이브리드형 용액 제조
Ag 금속 나노입자가 증착된 탄소나노튜브를 분말 형태로 준비하였다. 구체적으로, Ag 분말(Ag flake)을 혼합한 후 초음파를 약 15분 동안 가하여 주었다. 그 후 상기 분말 상태의 물질을 분산제(펜탄올)와 Ag 금속 나노입자의 혼합 용액에 첨가한 후 교반시켜주면서 NBR(Nitrile-Butadiene Rubber)을 첨가하였다. 완전히 혼합된 복합용액을 유리 기재에 드롭 캐스팅(drop casting) 방법으로 도포하여 건조하여 금속-탄소 하이브리드형 접착제를 얻었다. 상기 건조된 접착제를 오븐에서 약 150℃에서 경화하여 최종 금속-탄소 하이브리드형 접착제를 수득하였다.
[ 실험예 ]
실험예 1. 금속-탄소 하이브리드형 접착제의 접착성 테스트
상기 실시예 1에서 제조한 금속-탄소 하이브리드형 접착제의 접착성을 알아보기 위한 접착성 테스트를 실시하였다. 도 2에 나타난 바와 같이, 테이프에 접착제가 묻어나지 않는 것으로 보아 기재와 접착제의 접착성이 매우 우수함을 알 수 있었다.
실험예 2. 굽힘 시험 및 전도도 측정
PET(polyethylene terephthalate) 필름 상에 형성된 상기 실시예 1에서 제조한 금속-탄소 하이브리드형 접착제의 굽힘 시험을 실시하였다. 상기 금속-탄소 하이브리드형 접착체의 굽힘 전과 후를 광학현미경으로 관찰하였다. 도 3에서와 같이 굽힘 후의 광학 현미경 사진에서 크랙(crack)이 발견되지 않았다. 종래의 전도성 접착제로 사용되는 Ag 페이스트(silver paste)의 경우 유연성이 없어 굽힘 시 크랙(crack)이 발생하나, 본원의 상기 실시예에 따라 제조된 금속-탄소 하이브리드형 접착제는 유연성을 가짐을 실험을 통해 알 수 있다.
또한, 도 4는 상기 실시예 1에서 제조한 금속-탄소 하이브리드형 접착제의 굽힘의 반복에 따른 전도도 변화를 나타낸다. 도 4에 따르면, 초기 전도도는 12,432 S/cm로 매우 우수함을 알 수 있다. 1,000번의 반복 굽힘 시험 후 전도도가 4,341 S/cm로 감소하였으나, 이는 에폭시 기반의 종래 Ag 페이스트가 굽힘 시 크랙과 함께 파괴되는 것을 고려할 때, 매우 우수한 결과이다.
즉, 본원에 따른 금속-탄소 하이브리드형 접착제가 유연성, 접착성 및 전도성이 모두 우수한 특성을 가지는 것을 알 수 있다.
전술한 본원의 설명은 예시를 위한 것이며, 본원이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본원의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 예를 들어, 단일형으로 설명되어 있는 각 구성요소는 분산되어 실시될 수도 있으며, 마찬가지로 분산된 것으로 설명되어 있는 구성요소들도 결합된 형태로 실시될 수 있다.
본원의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위, 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본원의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

Claims (18)

  1. 금속 나노입자가 표면에 증착된(deposited) 탄소 나노구조체;
    전도성 금속 분말;
    분산제; 및
    고분자 매트릭스:
    를 포함하며, 유연성, 접착성 및 전도성을 갖는,
    금속-탄소 하이브리드형 접착제.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 금속-탄소 하이브리드형 접착제가 탄성 및 굽힙성을 가지는 것인, 금속-탄소 하이브리드형 접착제.
  3. 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 접착제.
  4. 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 접착제.
  5. 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 접착제.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 분산제는 벤젠, 아세톤, 에탄올, 메탄올, 프로판올, 부탄올, 아밀알콜(펜탄올), 이온성 액체, 이미드계 화합물, 플루오르계 화합물, 및 이들의 조합들로 이루어진 군에서 선택되는 것을 포함하는 것인, 금속-탄소 하이브리드형 접착제.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 고분자 매트릭스는 폴리에스테르계 수지, 폴리술폰계 수지, 폴리이미드계 수지, 폴리플루오르계 수지, 고무 수지, 부타디엔 고무계 수지, 페놀 수지, 아크릴 수지, 우레탄 수지, 실리콘 수지, 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 수지를 포함하는 것인, 금속-탄소 하이브리드형 접착제.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 고분자 매트릭스가 니트릴-부타디엔 고무 (NBR = Nitrile-Butadiene Rubber) 수지를 포함하는 것인, 금속-탄소 하이브리드형 접착제.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 금속-탄소 하이브리드형 접착제 제조 시 초기혼합비를 기준으로
    상기 금속 나노입자가 표면에 증착된 탄소 나노구조체 0.0001 내지 20 중량부;
    상기 전도성 금속 분말 0.1 내지 50 중량부;
    상기 분산제 1 내지 95 중량부; 및
    상기 고분자 매트릭스 0.1 내지 50 중량부:
    를 포함하는, 금속-탄소 하이브리드형 접착제.
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 접착제의 전도도가 1 X 10-1 S/cm 내지 5 X 105 S/cm 이고 평판에서의 곡률반경이 0.1 mm인, 금속-탄소 하이브리드형 접착제.
  11. 탄소 나노구조체의 표면에 금속 나노입자를 증착하고;
    상기 금속 나노입자가 표면에 증착된 탄소 나노구조체를 전도성 금속 분말과 분산제의 혼합 용액에 혼합시킨 후 고분자 매트릭스를 첨가함으로써 금속-탄소 하이브리드형 접착성 용액을 수득하고;
    상기 금속-탄소 하이브리드형 접착성 용액을 기재에 도포한 후 건조하여 유연성, 접착성 및 전도성을 갖는 금속-탄소 하이브리드형 접착제를 형성하는 것:
    을 포함하는, 금속-탄소 하이브리드형 접착제의 제조 방법.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 탄소 나노구조체의 표면에 금속 나노입자를 증착하는 것은, 화학적 자기조립법, 열적증발법, 또는 스퍼터링 방법에 의하여 수행되는 것인, 금속-탄소 하이브리드형 접착제의 제조 방법.
  13. 제 12 항에 있어서,
    상기 화학적 자기조립법에 의하여 상기 탄소 나노구조체의 표면에 금속 나노입자를 증착하는 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 접착제의 제조 방법.
  14. 제 11 항에 있어서,
    상기 건조된 금속-탄소 하이브리드형 나노복합체 접착제를 경화하는 것을 추가 포함하는 것인, 금속-탄소 하이브리드형 접착제의 제조 방법.
  15. 제 11 항에 있어서,
    상기 전도성 금속 분말과 분산제의 혼합 용액을 초음파로 처리하는 것을 추가 포함하는 것인, 금속-탄소 하이브리드형 접착제의 제조 방법.
  16. 제 11 항에 있어서,
    상기 고분자 매트릭스는 폴리에스테르계 수지, 폴리술폰계 수지, 폴리이미드계 수지, 폴리플루오르계 수지, 고무수지, 부타디엔 고무계 수지, 페놀 수지, 아크릴 수지, 우레탄 수지, 실리콘 수지, 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 수지를 포함하는 것인, 금속-탄소 하이브리드형 접착제의 제조 방법.
  17. 제 11항에 있어서,
    상기 고분자 매트릭스가 니트릴-부타디엔 고무 (NBR = Nitrile-Butadiene Rubber) 수지를 포함하는 것인, 금속-탄소 하이브리드형 접착제의 제조 방법.
  18. 제 1 항 내지 제 10 항 중 어느 한 항에 따른 유연성, 접착성 및 전도성을 갖는 금속-탄소 하이브리드형 접착제를 포함하여 형성된 전도성 패턴.
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