KR101564587B1 - Pedot/pss 및 불소화된 고분자 함유 조성물 및 이를 이용한 투명전극 필름 - Google Patents

Pedot/pss 및 불소화된 고분자 함유 조성물 및 이를 이용한 투명전극 필름 Download PDF

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Abstract

본 기재는 PEDOT/PSS, 불소화된 고분자 및 용매를 포함하는 PEDOT/PSS 조성물에 관한 것으로서, 상기 조성물은 기판 위에 코팅되어, 고온 고습 환경에서도 낮은 면저항 값을 가지는 투명전극을 제공한다. 따라서, 본 발명은 우수한 성능의 투명전극 필름을 제공할 수 있다.

Description

PEDOT/PSS 및 불소화된 고분자 함유 조성물 및 이를 이용한 투명전극 필름{A composition comprising PEDOT/PSS and fluorinated polymer and a transparent electrode film using the same}
본 발명은 PEDOT/PSS 및 불소화된 고분자 함유 조성물 및 이를 이용한 투명전극 필름에 관한 것이다
컴퓨터를 포함한 각종 가전기기와 통신기기가 디지털화되고 급속히 고성능화 됨에 따라 휴대 가능한 디스플레이의 구현이 절실히 요구되고 있다. 휴대 가능한 디스플레이를 구현하기 위해서는, 디스플레이용 전극 재료는 투명하면서도 낮은 저항값을 가져야할 뿐만 아니라, 기계적 충격에 대응할 수 있는 높은 유연성을 가져야 하고, 기기가 과열되어 고온에 노출되어도 단락되거나 면저항의 변화가 크지 않아야 한다.
현재 디스플레이용으로 가장 많이 사용되고 있는 투명전극의 재질은 ITO(인듐-주석 산화물)이다. 하지만, 투명전극을 ITO로 형성하는 경우, 과도한 비용인 소모될 뿐만 아니라, 대면적을 구현하기 어려운 단점이 있다. 특히, 대면적으로 ITO를 코팅하면 면저항의 변화가 커서 디스플레이의 휘도 및 발광효율이 감소하는 치명적인 단점을 가지고 있다. 게다가, ITO의 주원료인 인듐은 한정된 광물로, 디스플레이 시장이 확장됨에 따라 급속히 고갈되고 있다.
이러한 ITO의 단점을 극복하기 위해서, 유연성이 뛰어나고 코팅 공정이 단순한 PEDOT/PSS를 이용하여 투명전극을 형성하는 연구가 진행되고 있다. 하지만, 투명전극을 PEDOT/PSS로 형성하는 경우, 투명전극의 면저항이 105 ~109 Ω/Square 수준으로 매우 높아 디스플레이용 투명전극으로 사용하기에는 어려운 문제점이 존재한다.
따라서, PEDOT/PSS로 형성된 투명전극의 면저항을 낮추기 위해서 디메틸설폭사이드(DMSO), 에틸렌 글리콜(Ethylene glycol), 솔비톨(Sorbitol) 등을 첨가하는 방안이 제안되고 있다. 하지만, 여전히 디스플레이용 투명전극으로 사용하기에는 미흡하며, 코팅하기 위해 사용되는 바인더로 인하여 투명전극의 면저항이 더욱 높아지는 문제점이 존재한다.
또한, PEDOT/PSS로 형성된 투명전극은 고온 고습 환경에서 특히 더욱 잦은 열화 현상을 보이고 있어, 안정성이 낮다는 문제점을 가진다.
전술한 종래의 문제점을 해결하기 위하여, 본 발명의 일 구현예는 PEDOT/PSS를 포함함으로써, 높은 투명도를 가지는 동시에, PTFE 등의 불소화된 고분자를 추가로 포함하여 면저항 값이 낮은 투명전극 필름을 제공하고자 한다.
또한, 본 발명의 일 구현예는 기기가 과열되거나 고온 고습 환경에 노출되는 경우에도, 단락되거나 면저항의 변화가 크지 않는 투명전극 필름을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 다른 목적은 상기 투명전극 필름을 제조하기 적합한 PEDOT/PSS 및 PTFE의 전도성 고분자를 포함하는 조성물을 제공하는 것이다.
본 발명의 일 구현예는, PEDOT/PSS, 불소화된 고분자 및 용매를 포함하는 조성물을 제공한다.
본 발명의 일 구현예에서, 상기 조성물은 총량을 기준으로, PEDOT/PSS 70 내지 98 중량%, 불소화된 고분자 2 내지 30 중량% 및 용매를 잔부로 포함할 수 있다.
본 발명의 일 구현예에서, 상기 PEDOT/PSS와 불소화된 고분자의 중량비는95 : 5 일 수 있다.
본 발명의 일 구현예에서, 상기 불소화된 고분자는 조성물 총량을 기준으로 5 내지 10 중량%로 포함될 수 있다.
본 발명의 일 구현예에서, 상기 불소화된 고분자는 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE), 폴리비닐렌 플루오라이드(PVDF), 불소화된 폴리스티렌(fluorinated PS), 이들의 공중합체 및 이들의 혼합물로 이루어진 군으로부터 선택될 수 있다.
본 발명의 일 구현예에서, 상기 용매는 물, 지방족 알코올, 지방족 케톤, 지방족 카르복실산 에스테르, 지방족 카르복실산 아미드, 방향족탄화수소, 지방족 탄화수소, 아세토 니트릴, 지방족 술폭시드 또는 이들의 혼합물일 수 있다.
본 발명의 일 구현예에서, 상기 조성물은 바인더, 레벨링제 또는 첨가제를 추가로 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 구현예는, PEDOT/PSS, 불소화된 고분자 및 용매를 포함하는 조성물이 코팅된 투명전극을 제공한다.
본 발명의 일 구현예에서, 상기 투명전극의 면저항은 100 내지 120 Ω/square일 수 있다.
본 발명의 일 구현예에서, 상기 투명전극에 코팅된 조성물 내의 PEDOT/PSS와 불소화된 고분자의 중량비가 95 : 5일 수 있다.
본 발명의 또 다른 구현예는, 상기 투명전극을 포함하는 전자 소자를 제공한다.
PEDOT/PSS 및 불소화된 고분자를 포함하는 조성물로 코팅된 투명전극 필름은 낮은 면저항을 가지며, 고온 고습 환경 하에서도 면저항 변화율이 매우 낮은 특성이 있다. 따라서, 본 발명에 의하는 경우 태양전지, 터치스크린 패널, 디스플레이 등 다양한 분야에 있어서, 보다 안정적이고 성능이 우수한 투명전극을 제공할 수 있다.
도 1은 실시예 1 및 2와 비교예 1에서 제조된 투명전극 필름의 면저항 값을 측정한 그래프를 나타낸다.
이하, 본 발명의 구현예로 본 발명을 상세히 설명하기로 한다. 다만, 하기 구현예는 본 발명에 대한 예시로 제시되는 것으로, 이에 의해 본 발명이 제한되지는 않으며 본 발명은 후술하는 특허청구범위의 기재 및 그로부터 해석되는 균등 범주 내에서 다양한 변형 및 응용이 가능하다.
본원에 있어서, PEDOT/PSS는 폴리(3,4-에틸렌디옥시티오펜)폴리(스티렌술포네이트)(poly(3,4-ethylenedioxythiophene)polystyrenesulfonate)를 의미한다. 또한, 본원에 있어서, “PEDOT/PSS 및 불소화된 고분자 함유 조성물”은 PEDOT/PSS 및 불소화된 고분자를 포함하는 혼합 조성물을 의미하며, 또는 “PEDOT/PSS-PTFE”는 고분자 PEDOT/PSS및 PTFE이 혼합된 혼합물을 의미로 사용된다.
PEDOT / PSS 및 불소화된 고분자 함유 조성물
본 발명은 PEDOT/PSS [poly(3,4-ethylenedioxy-thiophene/ 폴리(스티렌설포네이트)(poly(styrenesulfonate, 이하, 'PEDOT/PSS'라함), 불소화된 고분자 및 용매를 포함하는 조성물을 제공한다.
PEDOT / PSS
상기 PEDOT/PSS는 티오펜(thiophene)의 구조에 에틸렌디옥시(ethylenedioxy) 그룹을 고리의 형태로 갖는다. 또한, 3, 4번 위치에 치환되어 있는 에틸렌디옥시기에 의한 전자공여 효과에 의하여 티오펜보다 낮은 광학 밴드 갭(760nm 내지 780nm 또는 1.6eV 내지 1.7eV)을 갖고 있고, 산화/환원의 전위차에 따라 변색이 가능하며 산화상태에서 흡수 밴드가 적외선 영역에 존재하여 투명성의 확보가 가능하다. 게다가, 기존의 ITO(인듐-주석산화물)에 비하여 경량임과 동시에 유연성이 높은 박막을 얻을 수 있으므로, 디스플레이용 투명전극을 형성하는데 매우 적합한 물질이다. 다만, PEDOT/PSS만을 이용하여 투명전극을 형성하는 경우, 면저항이 105~109Ω/square 수준으로 매우 높은 문제점이 있다.
불소화된 고분자
본 발명의 일 구현예에서는 PEDOT/PSS, 불소화된 고분자 및 용매를 포함하는 조성물을 제공하며, 첨가된 불소화된 고분자는 투명전극의 면저항을 낮추는 역할을 한다.
따라서, 상기 PEDOT/PSS 및 불소화된 고분자를 포함하는 조성물은, 전도성 고분자로서 PEDOT/PSS만을 사용하여 제조된 투명전극 필름에 비하여, 고온 고습 환경 하에서 열화 성능이 매우 우수하며, 100 내지 120 Ω/square 의 낮은 면저항 값을 가진다는 장점이 있다. 이는 첨가된 불소화된 고분자가 조성물에 소수성을 부가함으로써 물에 의한 플라스틱의 팽윤 현상을 줄이고, 추후 생성되는 투명전극 필름의 면저항을 낮춰 반도체 공정에 적합한 전도도를 가질 뿐 아니라, 고온고습 환경 하에서의 면저항의 변화를 방지함으로써 고온 고습 공정의 신뢰성과 우수한 내열성을 확보하기 때문이다.
본 발명의 일 구현예에서, 이러한 불소화된 고분자로는 수소 원자의 일부가 불소로 치환되어 있는 고분자를 의미한다. 일 구현예로, 상기 불소화된 고분자는 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE), 폴리비닐렌 플루오라이드(PVDF), 불소화된 폴리스티렌(fluorinated PS), 이들의 중합체, 공중합체 및 블렌드 등을 포함한다. 그러나, 본 발명에 있어서 불소화된 상기 열거된 고분자 물질에 제한되지 않으며, 불소 치환기를 포함하는 동시에 필름에 소수성을 부여할 수 있는 고분자 화합물이면 사용가능하다.
본 발명의 일 구현예에 있어서, 상기 PEDOT/PSS은 조성물 총량을 기준으로 70 내지 98 중량%로 포함되며, 더욱 바람직하게는 90 내지 95 중량%으로 포함될 수 있다. 상기 수치 범위를 만족하는 경우, 높은 투명성 및 전도도를 가지는 투명전극 필름을 제공할 수 있다.
본 발명의 일 구현예에 있어서, 상기 불소화된 고분자는 조성물 총량을 기준으로 2 내지 30 중량%로 포함되며, 더욱 바람직하게는 5 내지 10 중량%으로 포함될 수 있다. 상기 수치 범위를 만족하는 경우, 내습성의 효과가 우수하다.
본 발명의 일 구현예에 있어서, 상기 PEDOT/PSS와 불소화된 고분자의 중량비는 30 : 70 내지 2 : 98일 수 있으며, 바람직하게는 90 : 10이며, 더욱 바람직하게는 95: 5이다.
본 발명의 일 구현예에 있어서, 상기 용매는 PEDOT/PSS 조성물의 분산액으로 사용되는 것으로, 1종 이상의 용매가 사용될 수 있다. 예를 들어, 용매는 지방족 알코올, 지방족 케톤, 지방족 카르복실산 에스테르, 지방족 카르복실산 아미드, 방향족 탄화수소, 지방족 탄화수소, 아세토 니트릴, 지방족 술폭시드, 물 또는 이들의 혼합물 중 어느 하나일 수 있다. 한편, 상기 조성물의 총량을 기준으로 용매가 20 중량% 미만인 경우 PEDOT/PSS 조성물의 분산성이 저하될 수 있으며, 99% 초과하는 경우에는 낮은 고형분 성분으로 인한 코팅성이 문제될 수 있다.
PEDOT / PSS 및 불소화된 고분자를 함유하는 투명전극 필름
본원 발명의 또 다른 구현예는, 상기 조성물을 사용하여 제조된 투명전극을 제공한다. 상기 투명전극은 전술한 본 발명의 조성물을 베이스 부재 또는 기판 위에 코팅함으로써 제조할 수 있다.
본 발명의 일 구현예에서, PEDOT/PSS-TPFE를 포함하는 상기 조성물에 바인더, 레벨링제 등을 추가적으로 혼합하여 제조할 수도 있다. 결합력이나 코팅성 등 다른 조건을 만족하기 위해서는 조건에 따른 바인더나 다른 추가 계면활성제 등의 성분 및 함량을 조절할 수 있다. 또한, 투명전극층을 형성하기 위한 전도성 고분자를 주요 성분으로 하는 코팅층의 재료로서 PEDOT/PSS-TPFE 외에 투명전극층을 형성할 수 있는 전도성 고분자들을 추가로 포함할 수 있다. 한편, 상기 조성물을 코팅하는 방법은 종래 공지된 방법 중 어느 하나를 이용할 수 있으며, 이와 관련된 자세한 설명은 생략하도록 한다.
본 발명의 일 구현예에서, 상기 투명전극의 면저항은 100 내지 120 Ω/square 일 수 있다.
본 발명의 또 다른 구현예는, 상기 투명전극을 포함하는 전자 소자를 제공한다. 상기 투명전극은 PEDOT/PSS 외에 불소화된 고분자를 추가적으로 포함함으로써, 종래 투명전극에 비하여 매우 낮은 면저항을 구현할 수 있다.
이하, 구체적인 실시예를 가지고 본 발명의 구성 및 효과를 더욱 상세히 설명하지만, 후술할 실시예는 단지 본 발명을 더욱 명확히 이해시키기 위한 것을 뿐 본 발명의 범위를 한정하는 것은 아니다.
( 실시예 )
제조예 1 ( PEDOT / PSS 의 제조)
원 넥 플라스크(one neck plask)에 폴리(3,4-에틸렌디옥시티오펜)(poly(3,4-ethylenedioxy-thiophene, 이하, PEDOT) 1.736g과 폴리(스티렌설포네이트)(poly(styrenesulfonate), 이하, PSS) 0.125g을 첨가한 뒤, 철(III)-p-톨루엔 설포네이트 헥사하이드레이트 0.6080g을 첨가하였다. 그 후, 탈 이온수를 약 5g 정도 첨가하였다. 그 후, 원 넥 플라스크에 자석 바를 넣고 자력 교반기를 이용하여 200 내지 300rpm으로 상기 용액을 교반하여, PEDOT/PSS 조성물을 제조하였다.
제조예 2 ( PEDOT / PSS - PTFE 의 제조)
제조예 1에서 제조된 용액에 PEDOT/PSS와 PTFE를 95: 5의 고형분 중량비로 첨가하여 이를 교반하였다. 자력 교반기를 이용하여 200 내지 300rpm으로 상온에서 2시간 동안 교반하였다. 그 후, PEDOT/PSS-PTFE 조성물을 수득하였다.
제조예 3 ( PEDOT / PSS - PTFE 의 제조)
제조예 2에 있어서, PEDOT/PSS와 PTFE 를 90 : 10의 고형분 중량비로 첨가하는 것을 제외하고는 제조예 2와 동일한 방법에 의하여 제조하였다. 그 후, PEDOT/PSS-PTFE 조성물을 수득하였다.
(투명전극의 제조)
비교예 1
150㎛ 두께의 폴리에스터 필름를 준비하였다. 상기 폴리에스터 필름 위에, 제조예 1에서 상기 제조된 PEDOT/PSS 조성물을 스핀 코팅법으로 약 30 nm의 두께로 도포하였다. 코팅된 기판을 110℃의 오븐에 넣어 3분 동안 어닐링 처리하였다. 그 후에, 기판 상의 PEDOT/PSS 박막을 디메틸포름아미드(DMF)로 스핀 코팅한 후 110℃의 오븐에 넣어 3분 동안 어닐링 처리하여, PEDOT/PSS로 코팅된 투명전극 필름을 얻었다.
실시예 2
PEDOT/PSS 대신 제조예 2에서 제조한 PEDOT/PSS-PTFE의 조성물을 사용하는 것으로 제외하고는 상기 비교예 1과 동일한 방법에 따라 PEDOT/PSS-PTFE로 코팅된 투명전극 필름을 얻었다.
실시예 3
PEDOT/PSS대신 제조예 3에서 제조한 PEDOT/PSS-PTFE의 조성물을 사용하는 것으로 제외하고는 상기 비교예 1과 동일한 방법에 따라 PEDOT/PSS-PTFE로 코팅된 투명전극 필름을 얻었다.
실험예 : 습도에 대한 안정성 평가
항온항습기를 준비하였다. 항온항습기(성찬 과학 (TH-ME-25))에 증류수를 넣은 뒤, 60℃에서 80RH로 온도와 습도를 맞추어 작동시켰다. 온도와 습도가 일정하게 유지하고, 비교예 1 및 실시예 2 및 3에서 제조된 각각의 투명전극을 넣은 뒤, 한 시간마다 꺼내어 저항값을 측정하였다. 그 결과, 하기 표 1 및 도 1과 같은 결과를 얻었다.
Figure 112013083749324-pat00001
상기 표 1에서 알 수 있듯이, PEDOT/PSS만을 포함하는 투명전극 필름(비교예 1)의 경우, 시간이 지남에 따라 면저항이 현저히 상승하는 것을 확인할 수 있었다. 반면, 실시예 1 및 2는 시간이 지남에 따라 오히려 면저항이 감소하였으며, 특히 PEDOT/PSS와 PTFE가 95 : 5 의 중량비로 혼합된 조성물에 의해 제조된 경우(실시예 1) 면저항 값이 큰폭으로 감소하였다.
본 발명은 상술한 실시형태 및 첨부된 도면에 의해 한정되지 아니한다. 첨부된 청구범위에 의해 권리 범위를 한정하고자 하며, 청구범위에 기재된 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 형태의 치환, 변형 및 변경이 가능하다는 것은 당 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자에게 자명할 것이다.

Claims (15)

  1. PEDOT/PSS, 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE) 및 용매를 포함하는 조성물로서,
    PEDOT/PSS와 PTFE의 중량비가 95 : 5인 것을 특징으로 하는 조성물.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 조성물의 총량을 기준으로,
    상기 PEDOT/PSS 70 내지 95 중량%;
    상기 PTFE 2 내지 5중량%; 및
    상기 용매 잔부;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 조성물.
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 용매가 물, 지방족 알코올, 지방족 케톤, 지방족 카르복실산 에스테르, 지방족 카르복실산 아미드, 방향족탄화수소, 지방족 탄화수소, 아세토 니트릴, 지방족 술폭시드 또는 이들의 혼합물인 것을 특징으로 하는 조성물.
  7. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    바인더, 레벨링제 또는 첨가제를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 조성물.
  8. PEDOT/PSS, PTFE 및 용매를 포함하며, PEDOT/PSS와 PTFE 가 95 : 5인 조성물이 코팅된 투명전극.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 조성물이 총량을 기준으로,
    상기 PEDOT/PSS 70 내지 95 중량%;
    상기 PTFE 2 내지 5중량%; 및
    상기 용매 잔부;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 투명전극.
  10. 제8항에 있어서,
    상기 면저항이 100 내지 120 Ω/square인 투명전극.
  11. 삭제
  12. 삭제
  13. 삭제
  14. 제8항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 용매가 지방족 알코올, 지방족 케톤, 지방족 카르복실산 에스테르, 지방족 카르복실산 아미드, 방향족탄화수소, 지방족 탄화수소, 아세토 니트릴, 지방족 술폭시드, 물 또는 이들의 혼합물 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 투명전극.
  15. 제8항 내지 제10항 중 어느 한 항에 따른 투명전극을 포함하는 전자 소자.
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JP2011201933A (ja) 2010-03-24 2011-10-13 Alps Electric Co Ltd 導電性インク、導電膜、及び高分子アクチュエータ素子、並びに、導電性インクの製造方法、及び高分子アクチュエータ素子の製造方法

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