KR101328236B1 - 탄소나노튜브 복합체 및 이를 이용한 투명전극박막 및 그 제조방법 - Google Patents

탄소나노튜브 복합체 및 이를 이용한 투명전극박막 및 그 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 폴리(3, 4-에틸렌디옥시티오펜)-탄소나노튜브 복합체 및 이를 이용하여 제조되는 (3, 4-에틸렌디옥시티오펜)-탄소나노튜브 복합체 투명전극박막에 관한 것으로서, 본 발명에 따른 투명전극박막 제조방법은 CNT(탄소나노튜브)가 분산된 용액을 기판에 코팅하여 기판 전면에 CNT 도전 네트워크를 형성하는 제1 단계; 단량체와 도판트 혼합용액을 상기 CNT 도전 네트워크 상에 코팅하여 단량체/도판트 코팅층을 형성하는 제2 단계; 및 상기 CNT 도전 네트워크와 상기 단량체/도판트 코팅층을 in-situ 중합하여 CNT/전도성고분자 복합체를 형성하는 단계를 포함한다.
본 발명에 따르면 단량체 혼합용액의 조성변화를 통하여 전도성고분자의 특성을 조절함으로써 CNT와 전도성 고분자 각각의 특성 조절이 가능하고, 이를 통해 다양하게 요구되는 투과도와 전기전도 특성을 만족하는 복합체의 제조가 가능하다.

Description

탄소나노튜브 복합체 및 이를 이용한 투명전극박막 및 그 제조방법{CNT composites, the transparent electrode films produced with the same and the manufacturing method thereof}
본 발명은 탄소나노튜브 복합체 및 이를 이용하여 제조되는 탄소나노튜브 복합체 투명전극박막에 관한 것이다.
인듐주석산화물 (ITO, Indium Tin Oxide)은 우수한 전기전도성과 가시광 영역에서의 광투과 특성을 가지고 있는 소재로 다양한 광전자소자에서 투명전극으로 널리 사용 되어 왔다. ITO의 이러한 우수한 특성에도 불구하고 최근 인듐 매장량의 고갈로 인한 ITO의 높은 생산단가와 유연성 전자소자에 ITO를 적용하였을 때 금이 가거나 박리가 일어나는 등의 단점으로 인해 기존 ITO를 대체할 수 있는 유연성투명전극에 관한 연구가 활발히 이루어지고 있다.
탄소나노튜브 (CNT, Carbon Nanotube)와 전도성 고분자, 그래핀 (Graphene) 등의 다양한 물질들이 ITO를 대체할 수 있는 전극물질로서 연구되고 있다. CNT는 우수한 전기 전도특성을 가지고 있으나 용액 내에서 각각의 나노튜브로 분산시키고, 면 전극을 형성하기 위하여 기판 전면에 고르게 네트워크를 형성하는데 어려움이 있다. 또한 기판 전면에 고르게 도전 네트워크를 형성하였다고 해도 CNT의 본질적으로 큰 종횡비 (aspect ratio)를 갖는 기하학적 구조로 인해 표면의 거칠기가 크며 이는 소자특성의 제한 요소로 작용한다. 또한 이러한 큰 종횡비의 특성으로 CNT가 필름 표면에 돌출된 형태의 다공성 막을 형성함으로써 소자 구동의 장애요인으로 작용할 수 있다.
전도성 고분자는 스핀코팅 등의 간단한 방법으로 다양한 기판에 박막을 형성할 수 있고, 중합용액의 조성과 박막 형성 방법 등의 조절을 통하여 쉽게 박막의 특성을 조절 할 수 있다. 그러나 전도성고분자만으로 이루어진 투명전극은 전도성고분자의 비교적 낮은 전기전도 특성과 자체의 가시광 흡수특성으로 인해 높은 전기전도도와 광투과도를 갖는 박막의 제조에 한계가 있다.
이러한 이유로 CNT와 전도성고분자의 단점을 보완하기 위하여 CNT의 우수한 전기전도성과 전도성고분자 박막의 성막 특성을 동시에 만족시키는 CNT/전도성고분자 나노복합체의 연구가 진행되고 있다. 기존 CNT/전도성 고분자 복합체의 경우 고분자와 CNT의 혼합용액을 코팅하여 박막을 제조하는 방법을 사용하고 있으며 이와 같은 경우 혼합용액 중의 CNT의 함량 조절과 분산의 어려움이 있으며, 복합체 내부에 형성되는 CNT 네트워크를 제어하는데 어려움이 있다.
위와 같이 본 발명의 배경이 되는 선행기술로는 대한민국 등록특허 제101066019호 "전도성 고분자 및 컴포지트 박막으로 구성된 투명 전극필름 또는 유기태양전지의 활성층 및, 이의 제조방법" 과 대한민국 공개특허 제10-2011-0040223호 "투명전극, 그 제조방법 및 이를 포함하는 전자장치"를 들 수 있다.
본 발명은 CNT 네트워크를 형성하는 과정에서 CNT 네트워크의 특성 조절이 가능한 탄소나노튜브 복합체를 제공한다.
또한 본 발명은 다양하게 요구되는 투과도와 전기전도 특성을 만족하는 복합체를 제공한다.
또한 본 발명은 탄소나노튜브와 전도성고분자 간에 더욱 밀접한 구조를 형성하는 복합체를 제공한다.
즉, 본 발명은 이상의 특성을 갖는 복합체를 제공하고, 이러한 복합체를 이용하여 제조되는 투명전극을 제공한다
본 발명에 따른 투명전극박막 제조방법은 CNT(탄소나노튜브)가 분산된 용액을 기판에 코팅하여 기판 전면에 CNT 도전 네트워크를 형성하는 제1 단계; 단량체와 도판트 혼합용액을 상기 CNT 도전 네트워크 상에 코팅하여 단량체/도판트 코팅층을 형성하는 제2 단계; 및 상기 CNT 도전 네트워크와 상기 단량체/도판트 코팅층을 in-situ 중합하여 CNT/전도성고분자 복합체를 형성하는 단계를 포함한다.
또한 상기 제1 단계는, CNT를 초음파 처리하여 DCE(디클로에탄, dichloroethane)에 분산시키는 제1-1 단계; 및 상기 분산된 CNT 용액을 스핀코팅방법으로 기판 상에 스핀 코팅하는 제1-2 단계;를 포함할 수 있다.
나아가 상기 코팅된 기판을 산처리 하여 CNT를 제외한 잔류 불순물을 제거하는 제1-3단계를 더 포함할 수 있다. 더 나아가 상기 제1-3 단계에서는 60% 질산 (HNO3)으로 산처리를 수행할 수 있다.
또한 상기 CNT(탄소나노튜브)는 SWNT(Single-walled carbon nanotube)일 수 있다.
또한 상기 단량체는 EDOT(3,4-Ethylenedioxythiophene)일 수 있다.
또한 상기 도판트는 p-toluene sulfonate (FTS)일 수 있다. 나아가 상기 도판트는 산화제로서 기능할 수 있다.
또한 상기 혼합용액에는 poly(vinylpyrrolidone)(PVP) 바인더가 더 첨가될 수 있다.
또한 상기 혼합용액에는 산화억제제로서 pyridine이 더 첨가될 수 있다.
한편, 본 발명에 따른 투명전극박막은 상기의 투명전극박막 제조방법에 의하여 제조될 수 있다.
한편, 본 발명에 따른 탄소나노튜브 복합체 제조방법은 CNT(탄소나노튜브) 레이어를 형성하는 제1 단계; 상기 CNT 레이어 상에 단량체와 도판트 혼합 용액을 코팅하는 제2 단계; 및 상기 CNT 레이어와 상기 단량체/도판트 코팅층을 in-situ 중합하여 CNT/전도성고분자 복합체를 형성하는 제3 단계를 포함한다.
한편, 본 발명에 따른 탄소나노튜브 복합체는 상기의 탄소나노튜브 복합체 제조방법에 의하여 제조된다.
본 발명에 따르면 CNT 네트워크를 형성하는 과정에서 CNT 네트워크의 특성 조절이 가능하다.
또한 본 발명에 따르면 단량체 혼합용액의 조성변화를 통하여 전도성고분자의 특성을 조절함으로써 CNT와 전도성 고분자 각각의 특성 조절이 가능하고, 이를 통해 다양하게 요구되는 투과도와 전기전도 특성을 만족하는 복합체의 제조가 가능하다.
또한 본 발명에 따르면 기존의 고분자를 이용한 복합체 형성이 아닌 단량체를 이용하는 복합화 방법을 통하여 CNT와 전도성고분자 간에 더욱 밀접한 구조를 형성하는 복합체의 형성이 가능하다
즉 본 발명에 따른 탄소나노튜브 복합체와 이를 이용한 투명전극은 유기발광다이오드, 유기태양전지 등의 다양한 유기 전자소자에서 활용이 가능하며 플라스틱 기판위에 제작되는 유연성 전자소자에서의 투명전극으로 활용이 가능하다.
도 1은 일 실시예에 따른 투명전극박막 제조 프로세스를 나타내는 모식도이다.
도 2는 일 실시예에 따른 투명전극박막 제조 프로세스를 나타내는 순서도이다.
도 3a는 일 실시예에 따른 투명전극박막을 이용하여 제작된 FOLED 소자의 모습을 나타내는 사진이다.
도 3b는 도 3a의 FOLED의 구성을 나타내는 블록도이다.
도 4a는 스핀코팅 횟수에 따른 CNT 네트워크의 두께와 투과도의 상관관계를 나타내는 그래프이다.
도 4b는 스핀코팅 횟수에 따른 CNT 네트워크의 표면저항과의 상관관계를 나타내는 그래프이다.
도 5a는 Pyridine의 함량에 따른 PEDOT-FTS 필름의 특성 중 두께와 투과도를 나타내는 그래프이다.
도 5b는 Pyridine의 함량에 따른 PEDOT-FTS 필름의 특성 중 표면저항을 나타내는 그래프이다.
도 6은 SWNT 네트워크와 SWNT/PEDOT 나노복합필름 각각에 대한 Topography 사진과 Current mapping 사진이다.
도 7은 PEDOT 필름과 스핀코팅수에 따른 SWNT/PEDOT 나노복합필름 각각에 대한 투과도와 표면저항을 나타내는 그래프이다.
도 8a 및 도 8b는 PEDOT과 SWNT/PEDOT 나노복합필름을 각각 양극으로 사용한 FOLED 소자의 발광특성을 나타내는 그래프이다.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 설명한다. 특별한 정의나 언급이 없는 경우에 본 설명에 사용하는 방향을 표시하는 용어는 도면에 표시된 상태를 기준으로 한다.
도 1 및 도 2를 참조하여 일 실시예에 따른 탄소나토튜브 복합체 및 이를 이용한 투명전극박막의 제조방법을 설명한다. 도 1은 일 실시예에 따른 투명전극박막 제조 프로세스를 나타내는 모식도이고, 도 2는 일 실시예에 따른 투명전극박막 제조 프로세스를 나타내는 순서도이다.
먼저 본 실시예에 따른 탄소나노튜브 복합체 및 이를 이용한 투명전극박막을 제조하기 위하여 CNT(탄소나노튜브)가 분산된 용액을 기판에 코팅하여 기판 전면에 CNT 도전 네트워크를 형성한다. 이 때 본 실시예에서의 CNT로는 SWNT(단일벽 탄소나노튜브, Single-walled carbon nanotube)를 이용할 수 있다. 또한 이하에서는 설명의 편의를 위하여 SWNT를 이용하여 탄소나노튜브 복합체 및 투명전극박막을 제조하는 방법에 대하여 설명한다. SWNT 도전 네트워크 형성은 다음과 같이 구체적인 단계를 포함할 수 있다. SWNT 도전 네트워크를 형성하기 위하여 SWNT를 DCE(디클로에탄, dichloroethane)에 분산시키기 위하여 초음파 처리(S10)하고, 분산된 SWNT 액을 스핀코팅방법으로 기판 상에 스핀 코팅(S20)한다. 여기서 기판으로는 polyethylene naphthalate (PEN) 기판을 이용할 수 있다. 이 후 SWNT 용액이 코팅된 기판을 60% 질산(HNO3)으로 산처리 하여 SWNT를 제외한 잔류 불순물을 제거한다(S30).
SWNT 도전 네트워크를 형성한 이후에는 단량체와 도판트 혼합용액을 상기 CNT 도전 네트워크 상에 코팅하여 단량체/도판트 코팅층을 형성한다(S40). 본 실시예에서는 단량체로서 EDOT(3,4-Ethylenedioxythiophene) 단량체를 이용하고, 도판트로서 p-toluene sulfonate (FTS)을 이용하였다. 이 때 도판트는 산화제로서도 기능하게 된다. 또한 상술한 단량체/도판트 혼합용액에는 poly(vinylpyrrolidone)(PVP)와 pyridine이 더 첨가될 수 있다. poly(vinylpyrrolidone) (PVP)는 바인더로서 기능하여 성막특성을 향상시키고, pyridine (Burdick & Jackson)은 산화억제제로서 기능하여 산화 중합반응 속도를 조절한다.
마지막으로 SWNT 도전 네트워크와 단량체/도판트 코팅층을 in-situ 중합하여 SWNT/PEDOT 복합체를 형성한다(S50).
<비교실험>
도 3a 및 도 3b를 참조하여 비교실험을 위한 투명전극박막과 이를 이용하여 제조된 FOLED를 설명한다. 도 3a는 일 실시예에 따른 투명전극박막을 이용하여 제작된 FOLED 소자의 모습을 나타내는 사진이고, 도 3b는 도 3a의 FOLED의 구성을 나타내는 블록도이다.
이하에서는 상술한 방법으로 도 3a에 도시된 바와 같이 FOLED를 제작한 후 몇 가지 실험을 통하여 각 구성부들의 다양한 특성을 살펴본다.
실험을 위한 투명전극박막(SWNT/PEDOT 필름) 및 이를 이용한 FOLED는 다음과 같은 방법으로 제작되었다. 먼저 앞서 설명한 바와 같이 기판 표면에 SWNT 전면 도전네트워크를 형성하기 위해 SWNT를 초음파 처리하여 dichloroethane (DCE)에 분산시키고 분산된 SWNT 용액을 스핀코팅 방법으로 polyethylene naphthalate (PEN) 기판위에 코팅하였으며, 이렇게 코팅된 기판을 60% 질산 (HNO3)에 담가 산처리를 하여 SWNT를 제외한 잔류 불순물을 제거하였다. 기판위에 형성된 SWNT 도전네트워크위에 EDOT과 산화제 겸 도판트인 p-toluene sulfonate (FTS, Baytron C, Bayer), poly(vinylpyrrolidone) (PVP, Aldrich), pyridine (Burdick & Jackson)의 혼합용액을 스핀코팅한 후 in-situ 중합하여 SWNT/PEDOT 필름을 제조하였다.
또한 도 3b에 도시된 바와 같이 제조된 SWNT/PEDOT 필름을 이용하여 FOLED(Flexible Organic Light Emitting Diodes, FOLEDs)를 제조하였다. 즉, polyethylenenaphthalate (PEN) 기판위에 SWNT/PEDOT 필름을 위치시키고 SWNT/PEDOT를 양극으로 이용한다. 또한 SWNT/PEDOT 필름 상에 tris (8 - hydroxyquinolinato)aluminium (Alq3)을 위치시켜 발광층으로 사용한다. 즉, 진공열층착방법을 통하여 PEN 기판에 형성된 나노복합전극위에 전자수송층으로 NPB (40 nm), 발광층으로 Alq3 (60 nm), 그리고 음극전극으로 LiF (1 nm):Al (120 nm)를 증착하여 제작하였다. 이렇게 제작된 FOLED의 특성을 평가하였다.
한편 비교예로서 이용하기 위하여 PEDOT 필름을 제조하였다. PEDOT 필름은 기본적으로 EDOT과 FTS가 혼합된 중합용액을 PEN기판위에 스핀코팅한 후 70 ? 대류오븐에서 30분간 중합하여 제조하였고, 중합용액에 바인더로 poly(vinylpyrrolidone) (PVP, Aldrich)를 첨가하여 성막특성을 향상시키고 산화억제제로 pyridine (Burdick & Jackson)을 첨가하여 산화 중합반응 속도를 조절함으로써 전도성고분자의 전기광학적 특성을 조절하였다.
먼저 도 4a 및 도 5b를 참조하여 스핀 코팅 수 및 pyridine 함량에 따른 SWNT 네트워크의 두께, 투과도 및 표면저항을 설명한다. 도 4a는 스핀코팅 횟수에 따른 CNT 네트워크의 두께와 투과도의 상관관계를 나타내는 그래프이고, 도 4b는 스핀코팅 횟수에 따른 CNT 네트워크의 표면저항과의 상관관계를 나타내는 그래프이다. 또한 도 5a는 Pyridine의 함량에 따른 PEDOT-FTS 필름의 특성 중 두께와 투과도를 나타내는 그래프이고, 도 5b는 Pyridine의 함량에 따른 PEDOT-FTS 필름의 특성 중 표면저항을 나타내는 그래프이다.
도 4a를 참조하여 설명하면, 스핀코팅 수가 증가함에 따라 SWNT 도전 네트워크의 두께는 증가하고 이와는 반대로 광투과도는 감소된다. 또한 도 4b에 나타난 바와 같이 스핀코팅 수가 약 150회 이상인 조건에서 표면저항이 급격히 감소하는 것을 알 수 있다. 특히 도 4a에 도시된 바와 같이 200회 코팅된 상태에서 산처리를 하는 경우 그 표면 저항이 4900 Ω/□에서 2600Ω/□으로 감소함을 알 수 있다. 즉, 도 4a와 도 4b를 참조해 보면 95%의 투과도와 표면저항 급격히 감소하는 스핀코팅 수 150회 정도인 SWNT 네트워크를 형성하는 것이 바람직할 것으로 판단된다. 즉, 네트워크의 투과도는 98%이고, 표면저항은 2900 Ω/□를 갖도록 스핀코팅 150회인 SWNT 네트워크에서 산처리를 통하여 투과도를 향상시키고 표면저항을 감소시키도록 최종 산처리하는 것이 바람직하다.
한편, 도 5a를 참조하여 설명하면, pyridine의 함량에 따라 필름의 두께가 얇아지며 광투과도가 증가하는 경향을 알 수 있다. 반면, 도 5b를 참조하여 설명하면 표면저항의 경우 필름의 두께가 얇아짐에 따라 증가하는 것이 일반적이나 pyridine의 함량이 EDOT함량의 약 50%까지 증가함에 따라 필름 두께의 감소에도 불구하고 표면저항이 감소하는 결과를 나타내었다.
Pyridine을 첨가한 경우 용매양의 증가에 따른 EDOT과 FTS의 농도 감소로 인해 두께와 광투과 특성이 변하는 것은 예상할 수 있는 결과이나, 이 같은 표면저항의 감소 효과는 용매양 증가의 결과로 설명하기 어렵다. 앞서 언급한 바와 같이 이러한 표면저항의 감소는 pyridine의 첨가에 의한 EDOT의 중합과정에서의 중합속도조절의 결과로 생각할 수 있으며, 중합속도의 변화에 따라 생성되는 PEDOT 사슬의 구조 및 형태에 따른 사슬간의 packing density의 변화에 기인하는 결과로 판단된다.
도 6을 참조하여 SWNT 네트워크와 SWNT/PEDOT 나노복합필름의 전류특성에 대하여 설명한다. 도 6은 SWNT 네트워크와 SWNT/PEDOT 나노복합필름 각각에 대한 Topography 사진과 Current mapping 사진이다.
Current mapping은 일정 전압 하에서 표면에 흐르는 전류량을 측정하여 2차원 이미지화하는 방법으로 이를 통하여 면전극의 표면에 흐르는 전류량을 측정하고 실제전류의 흐름을 확인 할 수 있다. SWNT 만으로 이루어진 도전네트워크의 경우 표면에 SWNT가 존재하지 않는 공극이 형성되며 이러한 공극으로 인해 current mapping 이미지의 검은 부분과 같이 전류가 흐르지 않는 영역이 존재하게 된다. 반면, SWNT/PEDOT 필름의 경우 SWNT 네트워크의 공극이 PEDOT으로 채워진 표면의 이미지를 보이며, current mapping 이미지를 통해 전면에 고르게 전류가 흐르고 있음을 확인 할 수 있다. 이와 같이 SWNT와 PEDOT의 복합화를 통하여 SWNT는 PEDOT 매트릭스 내부의 conductive filler로 작용하여 전도성을 향상시키고, PEDOT은 표면특성 개선효과에 더불어 SWNT 사이의 electrical pathway를 증가시키며 SWNT간 접촉저항을 줄여 상호 단점을 보완할 수 있다.
기존 CNT와 전도성고분자 혼합용액을 사용한 복합필름의 경우 고분자용액 내에서의 고분자용액의 종류 및 조성에 따른 CNT의 분산 특성과 박막 형성 시 필름 내부의 CNT의 네트워크 조절에 어려움이 있어 복합필름의 특성조절이 제한적이나, 본 실시예와 같이 SWNT 네트워크를 먼저 형성하고 고분자 단량체를 이용하여 복합체를 형성하는 경우 SWNT 네트워크의 특성과 전도성고분자의 특성을 각각 조절하여 매트릭스와 충진재 (filler) 각각의 특성을 최적화 할 수 있으며, 또한 단량체 상태에서 복합화가 이루어져 고분자 사슬이 SWNT 네트워크 사이의 공극으로 침투하기 유리하며 고분자를 사용한 복합체에 비해 더욱 치밀하고 매트릭스와 충진재 (filler)간의 상호 작용력이 큰 우수한 특성의 나노복합체의 제조가 가능하다.
도 7를 참조하여 SWNT/PEDOT 나노복합필름의 투과도 및 표면저항 특성을 설명한다. 도 7은 PEDOT 필름과 스핀코팅수에 따른 SWNT/PEDOT 필름 각각에 대한 투과도와 표면저항을 나타내는 그래프이다.
도 7에 도시된 바와 같이 본 실시예에 따른 SWNT/PEDOT 필름의 경우 단일의 PEDOT 필름에 비해 투과도가 다소 낮아진 경향이 있으나, 표면저항이 1/2로 감소된 결과를 얻을 수 있었다.
또한 도 7에 도시된 바와 같이 SWNT/PEDOT 복합체를 형성한 후에도 앞서 설명한 도 4b의 그래프에 나타난 SWNT 네트워크의 도전특성이 복합체의 특성에 반영되는 결과를 나타내는 것으로 보아 중합용액을 코팅하고, 중합하는 과정에서 SWNT 네트워크가 변형 또는 특성의 저하 없이 유지되고 있으며 PEDOT 내부에서 전기전도 특성 향상에 크게 기여하고 있음을 간접적으로 확인할 수 있다. SWNT 네트워크 도입에 의한 전기전도도 향상 효과로 86%의 투과도와 160 Ω/□의 표면저항을 갖는 SWNT/PEDOT 필름이 바람직한 것으로 판단된다.
도 8a 및 도 8b를 참조하여 SWNT/PEDOT 필름을 이용한 FOLED의 특성을 설명한다. 도 8a 및 도 8b는 PEDOT과 SWNT/PEDOT 나노복합필름을 각각 양극으로 사용한 FOLED 소자의 발광특성을 나타내는 그래프이다.
도 8a 및 도 8b에 도시된 바와 같이 본 실시예에 따른 SWNT/PEDOT 필름을 전극으로 사용한 FOLED는 3,400 cd/m2의 최대휘도를 갖고, 4.6 cd/A의 휘도효율을 보였다. 기존 PEDOT (투과도: 93%, 표면저항: 340 Ω/□)만을 전극을 사용한 동일 구조의 FOLED (최대휘도 1,100 cd/m2, 휘도효율 2.3 cd/A ) 대비 최대휘도의 경우 약 3배, 휘도효율의 경우 약 1.9배 향상된 결과를 나타내었다.
결론적으로 단일벽 탄소나노튜브 (Single Wall Carbon Nanotube, SWNT) 네트워크와 단량체의 in-situ 중합을 통해 86%의 투과도와 160 Ω/□의 표면저항을 갖는 SWNT/PEDOT 나노복합필름을 제조하고, 이를 플렉시블 유기발광다이오드 (FOLEDs, Flexible Organic Light Emitting Diodes)의 양극으로 이용하여 3,400 cd/m2의 최대휘도와 4.6 cd/A의 휘도효율을 나타내는 녹색발광 FOLED를 제작할 수 있었다. 이는 기존의 poly (3,4-ethylenedioxythiophene) (PEDOT) 필름을 사용한 동일 구조의 FOLED 대비 최대휘도의 경우 약 3배, 휘도효율의 경우 약 1.9배 향상된 결과로 SWNT와 PEDOT의 복합화에 의한 전기광학적 특성 향상의 결과로 볼 수 있다.
이는 SWNT/PEDOT 나노복합전극의 Indium Tin Oxide (ITO) 대체가능성과 유연성 광전자소자 (Flexible Optoelectronic Devices)에 적용가능성을 확인한 것으로서, SWNT 네트워크와 EDOT의 in-situ 중합을 통한 복합화 방법으로 SWNT와 PEDOT의 각각의 특성제어를 통해 다양한 전자소자에서 요구되는 특성을 만족하는 맞춤형 유연성 투명전극의 제조가 가능하다고 할 수 있다.
이상 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 설명하였으나, 본 발명의 기술적 사상이 상술한 바람직한 실시예에 한정되는 것은 아니며, 특허청구범위에 구체화된 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범주에서 다양한 폴리(3, 4-에틸렌디옥시티 오펜)-탄소나노튜브 복합체 및 이를 이용한 투명전극박막으로 구현될 수 있다.

Claims (13)

  1. CNT(탄소나노튜브)가 분산된 용액을 기판에 코팅하여 기판 전면에 CNT 도전 네트워크를 형성하는 제1 단계;
    단량체와 도판트 혼합용액을 상기 CNT 도전 네트워크 상에 코팅하여 단량체/도판트 코팅층을 형성하는 제2 단계; 및
    상기 CNT 도전 네트워크와 상기 단량체/도판트 코팅층을 in-situ 중합하여 CNT/전도성고분자 복합체를 형성하는 단계를 포함하는 투명전극박막 제조방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1 단계는,
    CNT를 초음파 처리하여 DCE(디클로에탄, dichloroethane)에 분산시키는 제1-1 단계; 및
    상기 분산된 CNT 용액을 스핀코팅방법으로 기판 상에 스핀 코팅하는 제1-2 단계;를 포함하는 투명전극박막 제조방법.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 코팅된 기판을 산처리 하여 CNT를 제외한 잔류 불순물을 제거하는 제1-3단계를 더 포함하는 투명전극박막 제조방법.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 제1-3 단계에서는 60% 질산 (HNO3)으로 산처리를 수행하는 투명전극박막 제조방법.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 CNT(탄소나노튜브)는 SWNT(Single-walled carbon nanotube)인 투명전극박막 제조방법.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 단량체는 EDOT(3,4-Ethylenedioxythiophene)인 투명전극박막 제조방법.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 도판트는 p-toluene sulfonate (FTS)인 투명전극박막 제조방법.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 도판트는 산화제로서 기능하는 투명전극박막 제조방법.
  9. 제1항에 있어서,
    혼합용액에는 poly(vinylpyrrolidone)(PVP) 바인더가 더 첨가되는 투명전극박막 제조방법.
  10. 제1항에 있어서,
    혼합용액에는 산화억제제로서 pyridine이 더 첨가되는 투명전극박막 제조방법.
  11. 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 의하여 제조되는 투명전극박막.
  12. CNT(탄소나노튜브) 레이어를 형성하는 제1 단계;
    상기 CNT 레이어 상에 에틸렌디옥시티오펜 단량체와 도판트(dopant) 혼합 용액을 코팅하는 제2 단계; 및
    상기 CNT 레이어와 상기 단량체 및 도판트 코팅층을 in-situ 중합하여 CNT/전도성고분자 복합체를 형성하는 제3 단계를 포함하는 폴리(3, 4-에틸렌디옥시티오펜)-탄소나노튜브 복합체 제조방법
  13. 제12항에 의하여 제조되는 폴리(3, 4-에틸렌디옥시티오펜)-탄소나노튜브 복합체.
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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN104056306A (zh) * 2014-06-09 2014-09-24 南京师范大学 具有拓扑结构的cnt/导电聚合物复合涂层修饰的神经导管材料及其制备方法
KR102056309B1 (ko) * 2018-12-12 2019-12-16 한국과학기술원 복합 섬유와 이의 제조방법 및 이를 포함하는 커패시터

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2010047761A (ja) 2008-08-22 2010-03-04 Qinghua Univ カーボンナノチューブ／ポリマー複合材料の製造方法
KR20110112525A (ko) * 2010-04-07 2011-10-13 전자부품연구원 전기 열 전도성 탄소나노튜브 박막 후처리 공정 방법 및 그 조성물

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2010047761A (ja) 2008-08-22 2010-03-04 Qinghua Univ カーボンナノチューブ／ポリマー複合材料の製造方法
KR20110112525A (ko) * 2010-04-07 2011-10-13 전자부품연구원 전기 열 전도성 탄소나노튜브 박막 후처리 공정 방법 및 그 조성물

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN104056306A (zh) * 2014-06-09 2014-09-24 南京师范大学 具有拓扑结构的cnt/导电聚合物复合涂层修饰的神经导管材料及其制备方法
KR102056309B1 (ko) * 2018-12-12 2019-12-16 한국과학기술원 복합 섬유와 이의 제조방법 및 이를 포함하는 커패시터

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