KR101587532B1 - 도전성 복합체가 포함된 나노탄소 하이브리드 섬유, 이의 제조방법 및 이를 이용한 기능성 섬유 조립체 및 반도체 장치 - Google Patents

도전성 복합체가 포함된 나노탄소 하이브리드 섬유, 이의 제조방법 및 이를 이용한 기능성 섬유 조립체 및 반도체 장치 Download PDF

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Abstract

도전성 복합체가 포함된 나노탄소 하이브리드 섬유의 제조방법이 제공된다. 본 발명의 일 실시예에 따른 도전성 복합체가 포함된 나노탄소 하이브리드 섬유의 제조방법은, 산화 나노탄소 분산액에 금속나노와이어를 혼합하여 혼합 분산액을 제공하는 단계, 상기 혼합 분산액을 습식방사하여 산화 나노탄소 하이브리드 섬유를 생성하는 단계, 상기 산화 나노탄소 하이브리드 섬유를 환원하여 제1 나노탄소 하이브리드 섬유를 제조하는 단계, 상기 제1 나노탄소 하이브리드 섬유를 금속나노입자 전구체 용액에 담지하는 단계, 및 상기 나노탄소 섬유에 금속나노입자를 환원시켜서 제2 나노탄소 하이브리드 섬유를 제공하는 단계를 포함한다.

Description

도전성 복합체가 포함된 나노탄소 하이브리드 섬유, 이의 제조방법 및 이를 이용한 기능성 섬유 조립체 및 반도체 장치{CARBON HYBRID FIBER INCLUDING CONDUCTIVE COMPLEX, METHOD FOR MANUFACTURING THE SAME, AND FUNCTIONAL TEXTILE ASSEMBLY AND SEMICONDUCTOR DEVICE USING THE SAME}
본 발명은 도전성 복합체가 포함된 나노탄소 하이브리드 섬유, 이의 제조방법 및 이를 이용한 기능성 섬유 조립체 및 반도체 장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 유연성과 도전성이 개선된 나노탄소 하이브리드 섬유 및 이를 이용한 기능성 섬유 조립체 및 반도체 장치에 관한 것이다.
탄소나노튜브 및 그래핀을 비롯한 나노탄소는 전기적, 열적, 기계적 특성등을 포함한 다양한 특성이 우수하여 전자 재료, 방열 재료, 및 초고강도 구조 재료로 활용 가능한 차세대 첨단 소재로 부상하고 있다. 이러한 우수한 나노탄소의 물성을 현재 화학 기상 증착법등을 활용한 분자 단위의 탄소나노튜브 및 그래핀에서는 실현되고 있으나, 벌크 단위에서는 대면적 및 대량 합성, 균일한 나노탄소 결정 구조 실현의 어려움으로 인하여 그 우수한 특성이 효과적으로 발현되지 못하는 실정이다.
상기 문제를 해결하기 위하여 대량 생산된 그래핀 옥사이드 및 산화 탄소나노튜브를 연결 매체 혹은 그래핀 층간의 반데르발스 힘을 통해 대면적화 및 조밀화하여 그래핀의 우수한 물성을 벌크 단위로 확장하고자 하는 연구가 진행되고 있다. 이러한 기술 중에서 나노탄소 섬유 방사기술은 그래핀 층의 배향성과 상호작용을 극대화함으로서 나노탄소의 기계적 물성뿐만 아니라 전기적, 열적 특성을 극대화할 수 있는 기술로 각광받고 있다. 여기에서 나노탄소의 섬유화는 일반적으로 나노탄소 분산액 그래핀 층간의 반발력을 줄일 수 있는 응고욕에 방사하여 나노탄소를 선형으로 응집시킴으로써 실현될 수 있다.
특히 나노탄소 섬유 중 그래핀 섬유는 대량 생산된 그래핀 옥사이드 분산액을 그래핀 층간의 상호인력을 극대화할 수 있는 양전하로 대전된 분자(CTAB)나 [Sci. Rep.2012, 2, 613.] 고분자(키토산)[Adv. Func. Mater.2013, 23, 5345.), 고농도의 염(CaCl2) (Adv. Mater.2013, 25, 188.), 약한 환원재(NaOH) [Nat. Comm.2011, 2, 571.] 등의 응집매를 용해시킨 응고욕를 사용하거나, 응고욕의 온도, pH 등의 환경을 조절함[Chem. Comm.2011, 47, 8650.]으로써 제조되고 있다.
공개특허공보 제10-2013-0063718호 공개특허공보 제10-2010-0040974호
그러나, 위와 같은 방법들은 단순히 그래핀 층 사이의 정전기적 척력을 약화하거나 반데르발스 힘을 강화시킴으로써 그래핀 층간의 조립을 유도하여 그래핀의 배향 및 상호인력을 충분히 유도할 수 없기 때문에 즉각적인 섬유 방사가 어렵다. 이에 따라 방사된 그래핀 옥사이드 섬유를 응고욕안에 장시간 동안 응고시켜야 한다는 점, 회전판을 이용하여 추가적으로 섬유를 연신해야한다는 점, 에탄올 등의 보조 응집매를 사용해야 한다는 점 등의 단점이 있어 산업계로의 적용에 한계가 있다.
더욱이, 환원 그래핀 옥사이드 섬유(그래핀 섬유) 등과 같은 나노탄소 섬유를 이용하여 기능성 직물 예를 들어 웨어러블 디바이스(wearable device)의 모재나 소자 등으로 활용하는 시도가 다수 이루어지고 있으나, 나노탄소 섬유를 방사 및 연신하는 과정에서 나노탄소 섬유의 도전성 등의 물성이 감소하기 때문에, 이와 같은 나노탄소 섬유를 이용하여 기능성 섬유 조립체 등을 구성하는데 있어서 기대하는 효과를 얻기 어려운 측면이 있다.
위와 같은 문제점에 기초하여 본 발명이 해결하고자 하는 과제는, 기존의 대면적 나노탄소를 이용하여 나노탄소 섬유를 제조하는 과정에서 나노탄소 섬유의 연성을 유지하면서 동시에 도전성을 향상시킬 수 있는 나노탄소 섬유의 제조방법을 제공하는 것이다.
또한, 본 발명이 해결하고자 하는 다른 과제는, 연성이 유지되면서 동시에 도전성이 향상된 나노탄소 섬유 및 이를 이용한 기능성 섬유 조립체를 제공하는 것이다.
또한, 본 발명이 해결하고자 하는 또 다른 과제는, 연성이 유지되면서 동시에 도전성이 향상된 나노탄소 하이브리드 섬유를 포함하는 반도체 장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 해결하려는 과제는 이상에서 언급한 기술적 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기 기술적 과제를 해결하기 위하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 도전성 복합체가 포함된 나노탄소 하이브리드 섬유의 제조방법은, 산화 나노탄소 분산액에 금속나노와이어를 혼합하여 혼합 분산액을 제공하는 단계, 상기 혼합 분산액을 습식방사하여 산화 나노탄소 하이브리드 섬유를 생성하는 단계, 상기 산화 나노탄소 하이브리드 섬유를 환원하여 제1 나노탄소 하이브리드 섬유를 제조하는 단계, 상기 제1 나노탄소 하이브리드 섬유를 금속나노입자 전구체 용액에 담지하는 단계, 및 상기 나노탄소 섬유에 금속나노입자를 환원시켜서 제2 나노탄소 하이브리드 섬유를 제공하는 단계를 포함한다.
금속나노입자는 Ag, Au, Cu, Al, Pt, Ti, Fe, Mg, Zn, Ni 중 하나를 포함할 수 있다.
금속나노와이어는 Ag, Au, Cu, Al, Pt, Ti, Fe, Mg, Zn, Ni 중 하나를 포함할 수 있다.
상기 금속나노입자 전구체 용액은, Ag, Au, Cu, Al, Pt, Ti, Fe, Mg, Zn, Ni 로 이루어진 군에서 선택된 금속의 수화물, 산화물, 수산화물, 질화물, 아세트화물 또는 브롬화물을 포함할 수 있다.
산화 나노탄소는 산화 탄소나노튜브, 그래핀 옥사이드, 산화 그래핀 나노리본, 플러렌, 탄소 와이어, 탄소 나노 입자 중 하나를 포함할 수 있다.
담지하는 단계는, 0℃ 내지 95℃에서 5분 내지 120분간 유지될 수 있다.
제1 나노탄소 하이브리드 섬유를 제조하는 단계는, 하이드라진(NH2NH2), 아이오딘산(HI), 아황산나트륨(Na2SO3), 수소화붕소나트륨(NaBH4), 이산화황(SO2), 탄화수소(CH4) 중 하나 이상이 포함된 환원제 용액에 상기 제1 나노탄소 하이브리드 섬유를 담지하는 단계를 포함할 수 있다.
제1 나노탄소 하이브리드 섬유를 제조하는 단계는, 상기 환원제 용액에서 증발된 하이드라진(NH2NH2), 아이오딘산(HI), 아황산나트륨(Na2SO3), 수소화붕소나트륨(NaBH4), 이산화황(SO2), 탄화수소(CH4) 중 하나 이상의 물질이 포함된 증기에 상기 제1 나노탄소 하이브리드 섬유를 1시간 내지 5시간 동안 노출시키는 단계를 포함할 수 있다.
금속나노와이어는 상기 산화 나노탄소 하이브리드 섬유의 길이방향과 평행하게 배열될 수 있다.
산화 나노탄소는 5㎛ 내지 500㎛ 크기를 가질 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 도전성 복합체가 포함된 나노탄소 하이브리드 섬유는, 산화 나노탄소 분산액에 금속나노와이어를 혼합하여 혼합 분산액을 제공하는 단계, 상기 혼합 분산액을 습식방사하여 산화 나노탄소 하이브리드 섬유를 생성하는 단계, 상기 산화 나노탄소 하이브리드 섬유를 환원하여 제1 나노탄소 하이브리드 섬유를 제조하는 단계, 상기 제1 나노탄소 하이브리드 섬유를 금속나노입자 전구체 용액에 담지하는 단계, 및 상기 나노탄소 섬유에 금속나노입자를 환원시켜서 제2 나노탄소 하이브리드 섬유를 제공하는 단계를 포함하는 방법에 따라 제조된다.
본 발명의 일 실시예에 따른 도전성 복합체가 포함된 나노탄소 하이브리드 섬유를 이용하여 직조된 기능성 섬유 조립체는, 산화 나노탄소 분산액에 금속나노와이어를 혼합하여 혼합 분산액을 제공하는 단계, 상기 혼합 분산액을 습식방사하여 산화 나노탄소 하이브리드 섬유를 생성하는 단계, 상기 산화 나노탄소 하이브리드 섬유를 환원하여 제1 나노탄소 하이브리드 섬유를 제조하는 단계, 상기 제1 나노탄소 하이브리드 섬유를 금속나노입자 전구체 용액에 담지하는 단계, 및 상기 나노탄소 섬유에 금속나노입자를 환원시켜서 제2 나노탄소 하이브리드 섬유를 제공하는 단계를 포함하는 방법에 따라 제조되어, 금속나노와이어 및 금속나노입자가 결합된 나노탄소 하이브리드 섬유를 이용하여 직조된다.
상기 나노탄소 하이브리드 섬유는 게이트 전압이 인가되고, 상기 나노탄소 하이브리드 섬유 상에 배치되고 상기 게이트 전압에 따라 온오프가 제어되는 소스 전극을 더 포함할 수 있다.
상기 나노탄소 하이브리드 섬유는 소스 전압이 인가되고, 상기 나노탄소 하이브리드 섬유 상에 배치되는 게이트 전극의 게이트 전압에 따라 상기 소스 전압이 인가되는 드레인 전극을 더 포함할 수 있다.
상기 나노탄소 하이브리드 섬유 상에 배치되고 게이트 전압이 인가되는 게이트 전극을 더 포함하고, 상기 나노탄소 하이브리드 섬유는, 상기 게이트 전압에 따라 온오프가 제어될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 도전성 입자가 포함된 나노탄소 하이브리드 섬유를 이용하여 반도체 장치가 제공될 수 있으며, 반도체 장치는 센서, 태양전지, 배터리, 디스플레이, 웨어러블 컴퓨터, 스마트 디바이스, 자동차 등 다양한 용도로 사용될 수 있다.
기타 실시예 들의 구체적인 사항은 후술하는 상세한 설명 및 도면에 포함되어 있다.
본 발명의 실시예들에 따르면, 연성을 유지하면서 동시에 도전성을 향상시킨 나노탄소 섬유 및 그 제조방법을 제공할 수 있다.
또한, 도전성이 향상된 나노탄소 섬유를 이용하여 제조된 기능성 섬유 조립체를 제공할 수 있으며, 기능성 섬유 조립체를 기초로 웨어러블 디바이스(wearable device)를 구성하는 소자 및/또는 반도체 장치를 구현할 수 있다.
뿐만 아니라, 기존의 나노입자가 포함된 나노탄소 하이브리드 섬유나 나노와이어가 포함된 나노탄소 하이브리드 섬유에 비해, 나노입자 및 나노와이어가 함께 포함된 나노복합체가 나노탄소 섬유에 추가되어, 도전성이 향상되고 전도도 및 안정성이 높은 나노탄소 하이브리드 섬유를 제공할 수 있다.
본 발명의 효과는 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며 이외의 발명의 효과도 청구범위의 기재로부터 명확하게 이해될 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 도전성 복합체가 포함된 나노탄소 하이브리드 섬유의 제조방법을 나타내는 순서도이다.
도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 도전성 복합체가 포함된 나노탄소 하이브리드 섬유의 제조방법을 나타내는 순서도이다.
도 3 및 도 4는 본 발명의 실시예들에 따른 나노탄소 하이브리드 섬유로 구성된 소자의 단면도이다.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 아래 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시를 위한 구체적인 내용을 상세히 설명한다. 도면에 관계없이 동일한 부재번호는 동일한 구성요소를 지칭하며, "및/또는"은 언급된 아이템들의 각각 및 하나 이상의 모든 조합을 포함한다.
본 명세서에서 사용된 용어는 실시예들을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 명세서에서 사용되는 "포함한다(comprises)" 및/또는 "포함하는(comprising)"은 언급된 구성요소 외에 하나 이상의 다른 구성요소의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다.
다른 정의가 없다면, 본 명세서에서 사용되는 모든 용어(기술 및 과학적 용어를 포함)는 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 공통적으로 이해될 수 있는 의미로 사용될 수 있을 것이다. 또 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 용어들은 명백하게 특별히 정의되어 있지 않는 한 이상적으로 또는 과도하게 해석되지 않는다.
이하, 도 1 내지 도 4를 참조하여 본 발명의 실시예들에 따른 도전성 복합체가 포함된 나노탄소 하이브리드 섬유, 이의 제조방법 및 이를 이용한 기능성 섬유 조립체에 대해 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 도전성 복합체가 포함된 나노탄소 하이브리드 섬유의 제조방법을 나타내는 순서도이다.
도 1을 참조하면 본 발명의 일 실시예에 따른 도전성 복합체가 포함된 나노탄소 하이브리드 섬유의 제조방법은, 산화 나노탄소 분산액에 금속나노와이어를 혼합하여 혼합 분산액을 제공하는 단계(S11), 혼합 분산액을 습식방사하여 산화 나노탄소 하이브리드 섬유를 생성하는 단계(S12), 상기 산화 나노탄소 하이브리드 섬유를 환원하여 제1 나노탄소 하이브리드 섬유를 제조하는 단계(S13), 상기 제1 나노탄소 하이브리드 섬유를 금속나노입자 전구체 용액에 담지하는 단계(S14), 및 상기 나노탄소 섬유에 금속나노입자를 환원시켜서 제2 나노탄소 하이브리드 섬유를 제공하는 단계(S15)를 포함한다.
먼저, 산화 나노탄소 분산액을 제공하여 금속나노와이어를 혼합한다(S11). 나노탄소 섬유는 산화 나노탄소를 환원시켜서 제공될 수 있으며, 섬유 제조를 위한 산화 나노탄소는 산화 탄소나노튜브, 그래핀 옥사이드, 산화 그래핀 나노리본, 플러렌, 탄소 와이어, 탄소 나노 입자 중 하나일 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니며, 나노 사이즈의 구조를 가지는 물질은 제한없이 포함될 수 있다.
산화 나노탄소 분산액은 1mg/mL 내지 50mg/mL의 농도를 가질 수 있고, 용매로는 증류수, 디메틸폼아마이드(N,N dimethylforamide), 메탄올(methanol), 에탄올(ethanol), 에틸렌글리콜(ethyleneglycol), n-뷰탄올(n-butanol), tert-뷰틸알코올(tert-butylalchole), 아이소프로필알코올코올(isopropyl alchol), n-프로판올(n-propanol), 에틸아세테이트(ethyl acetate), 디메틸설폭사이드(dimethyl sulfoxide), 테트라하이드로퓨란(tetrahydrofuran) 중 하나를 포함할 수 있다.
산화 나노탄소 분산액에 혼합되는 금속나노와이어는 0.25mg/mL 내지 12.5mg/mL의 농도를 가질 수 있으며, 직경이 10~100nm, 길이가 10~100㎛인 은나노와이어 또는 구리나노와이어가 사용될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니며, 높은 도전성을 가지는 금속 예를 들어, Au, Ag, Cu, Al, Pt, Ti, Fe, Mg, Zn, Ni 등을 이용하여 금속나노와이어를 구성할 수 있다.
산화 나노탄소 분산액에 포함되는 산화 나노탄소는 대면적 산화 나노탄소 예를 들어 50㎛ 내지 200㎛ 크기를 가질 수 있다. 대면적 산화 나노탄소 예를 들어 대면적 그래핀 옥사이드는 특정 농도 이상에서 액정성을 발현하며, 이와 같은 대면적 산화 나노탄소를 분산액에 추가하여 습식방사를 진행할 수 있다.
이어서, 산화 나노탄소 분산액을 습식 방사하여 산화 나노탄소 섬유를 섬유화한다(S12).
방사는 습식방사는 방사를 위한 응고욕에서 수행될 수 있으며, 응고욕 내의 용매는 증류수, 디메틸폼아마이드(N,N dimethylforamide), 메탄올(methanol), 에탄올(ethanol), 에틸렌글리콜(ethyleneglycol), n-뷰탄올(n-butanol), tert-뷰틸알코올(tert-butylalchole), 아이소프로필알코올(isopropylalchol), n-프로판올(n-propanol), 에틸아세테이트(ethyl acetate), 디메틸설폭사이드 (dimethyl sulfoxide), 테트라하이드로퓨란(tetrahydrofuran) 중 하나를 포함할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니며 산화 탄소나노의 액정성이 발현될 수 있는 모든 용매가 제한없이 사용 가능하다.
산화 나노탄소의 방사는 예를 들어 0.00725mm 내지 0.15mm의 내경을 갖는 방사 노즐을 통해 이루어지며, 노즐을 응고욕에 담그거나 상부 0cm 내지 1cm의 위치하여 0.1mL/분 내지 100mL/분의 유량으로 이루어질 수 있다.
방사된 산화 나노탄소는 롤러에 의하여 회수될 수 있다.
방사 과정에서, 산화 나노탄소가 섬유의 길이방향으로 배향성을 가질 수 있으며, 이 과정에서 금속나노와이어는 산화 나노탄소 하이브리드 섬유의 길이방향과 대략 평행하게 배열될 수 있다. 금속나노와이어가 길이방향과 평행하게 배열될 경우, 섬유가 연신되더라도 균일한 도전성을 유지할 수 있다.
이어서, 환원제를 이용하여 산화 나노탄소 하이브리드 섬유를 제1 나노탄소 하이브리드 섬유로 환원할 수 있다(S13).
이 과정에서, 산화 나노탄소 하이브리드 섬유는 열적 환원 방법 또는 화학적 환원 방법을 통해 환원되어 제1 나노탄소 하이브리드 섬유가 생성될 수 있다.
예를 들어, 열적 환원 방법은 상온에서 200°C 내지 1000°C 로 0.1°C/분 내지 10°C/분 의 속도로 승온하여 이루어질 수 있다.
또한, 화학적 환원 방법은 히드라진 (hydrazine), 아이오딘산 (Hydrogen iodide), 브로민산 (hydrobromic acid), 수소화붕소소듐 (sodiumborohyride), 수소화리튬알루미늄 (lithium aluminum hydride), 및 황산 (surfuric acid) 중 어느 하나를 포함한 환원 시약을 사용함으로써 이루어질 수 있다.
열적 또는 화학적 환원 방법에 의해 환원되어 생성된 나노탄소 섬유는 복수의 단섬유의 결합으로 구성될 수 있으며, 금속나노와이어는 나노탄소 섬유의 길이방향과 평행하게 배열될 수 있다. 즉, 방사과정에서 대면적 나노탄소의 액정성으로 인해 방사시에 방사 경로를 따라 나란히 정렬되어 응고될 수 있다.
이어서, 이와 같이 제공된 제1 나노탄소 하이브리드 섬유를 금속나노입자 전구체 용액에 담지한다(S14). 금속나노입자 전구체 용액은 은 나노 입자를 포함하는 용액일 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니며, 도전성이 뛰어난 금속 입자 예를 들어 Au, Ag, Cu, Al, Pt, Ti, Fe, Mg, Zn, Ni와 같은 금속을 포함할 수 있다, 금속나노입자가 은 나노 입자인 경우, 금속나노입자 전구체 용액은 예를 들어, 아세트산은(AgCF3COO), 질산은(AgNO3), 불화은(AgF, Ag2F, AgF2), 과망간산은(AgMnO4), 황산은(Ag2SO4), 아질산은(AgNO2), 브롬산은(AgBr), 살리실산은(AgC7H5O3) 또는 이들의 임의의 조합물 중 하나를 포함할 수 있다. 제1 나노탄소 하이브리드 섬유는 금속나노입자 전구체 용액에 5분 내지 120분 담지될 수 있으며, 담지 과정은 0℃ 내지 95℃에서 수행될 수 있다.
이어서, 제1 나노탄소 하이브리드 섬유에 금속나노입자를 환원시켜서 제2 나노탄소 하이브리드 섬유를 제공한다(S13). 담지 과정이 완료된 제1 나노탄소 하이브리드 섬유를 하이드라진(NH2NH2), 아이오딘산(HI), 아황산나트륨(Na2SO3), 수소화붕소나트륨(NaBH4), 이산화황(SO2), 탄화수소(CH4) 중 하나 이상이 포함된 환원제 용액에 0℃ 내지 95℃ 상에서 5분 내지 20분 담지하여 나노탄소 섬유 표면에 금속나노입자를 환원시킨다.
몇몇 다른 실시예에서는, 담지 과정이 대체되어, 증발된 환원제 용액 예를 들어 하이드라진(NH2NH2), 아이오딘산(HI), 아황산나트륨(Na2SO3), 수소화붕소나트륨(NaBH4), 이산화황(SO2), 탄화수소(CH4) 중 하나 이상이 포함된 증기(vapor)에 제1 나노탄소 하이브리드 섬유를 1시간 내지 5시간 동안 노출시키는 과정이 대신 수행될 수 있다. 노출 과정에서 증기의 온도는 80도 내지 120도일 수 있다.
제공된 제2 나노탄소 하이브리드 섬유는 금속나노와이어 및 금속나노입자가 포함된 도전성 복합체가 점착되어 도전성이 개선될 수 있다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 다른 실시예에 따른 도전성 복합체가 포함된 나노탄소 하이브리드 섬유의 제조방법을 나타내는 순서도가 개시된다.
산화 나노탄소 분산액을 이용하여 제1 나노탄소 하이브리드 섬유를 제공하는 단계(S21 내지 S25)까지는 이전 실시예와 동일할 수 있다.
이어서, 제1 나노탄소 섬유의 물성 예를 들어 전도도를 측정하고(S26), 소정의 물성치를 만족하는지 판단하여(S27), 소정의 물성치가 원하는 값에 도달하지 못한 경우, 제1 나노탄소 하이브리드 섬유를 다시 금속나노입자 전구체 용액에 담지하고(S24), 소정 시간 경과 후 나노탄소 섬유를 다시 환원제 용액에 담지하거나 환원제 증기에 노출시켜서 제1 나노탄소 하이브리드 섬유의 표면에 금속나노입자가 형성된 제2 나노탄소 하이브리드 섬유를 제공할 수 있다(S28).
본 발명의 이점 및 특징은 후술될 실험예에 의해 명확하게 기술될 것이나 본 실시예는 통상 기술 및 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 이해할 수 있도록 하기 위해 제시되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다.
본 실시예에 따른 나노탄소 하이브리드 섬유는, 고전도성의 금속나노입자 예를 들어 은나노입자가 그래핀 섬유 표면과 내부에 환원되어 전도성이 개선될 수 있으며, 코어를 구성하는 나노탄소 섬유의 연성이 그대로 유지될 수 있다.
도 3 및 도 4를 참조하면, 본 발명의 실시예들에 따른 도전성 복합체가 포함된 나노탄소 하이브리드 섬유를 이용한 기능성 섬유 조립체에 대해 설명한다. 도 3 및 도 4는 본 발명의 실시예들에 따른 도전성 복합체가 포함된 나노탄소 하이브리드 섬유로 구성된 소자의 단면도이다.
앞서 설명한 실시예에 따라 제조된 도전성 복합체가 도핑된 나노탄소 하이브리드 섬유를 이용하여 기능성 섬유 조립체를 제공할 수 있다. 예를 들어, 기능성 섬유 조립체는, 금속나노와이어가 혼합된 산화 나노탄소 섬유를 텍스타일 또는 부직포에 단일층으로 코팅하고, 산화 나노탄소 섬유를 환원시켜서 제1 나노탄소 하이브리드 섬유를 제공하고, 나노탄소 섬유에 금속나노입자를 코팅함으로써 고전도성의 제2 나노탄소 하이브리드 섬유 막을 형성할 수 있다. 이와 같은 제2 나노탄소 하이브리드 섬유 막은 전도도에 따라서 반도체 소자 또는 센서의 기판이나 전극으로 이용될 수 있다.
몇몇 다른 실시예에서, 기능성 섬유 조립체는 다양한 형상 및 구조를 가질 수 있으며, 직물이나 부직물 또는 편물 등 다양한 형태로 구현될 수 있다. 예를 들어 니트, 망상, 그리드상, 부직구조 등 다양한 형태를 가질 수 있다.
도 3 및 도 4를 참조하면, 유연 소재의 텍스타일이나 부직포 등을 이용하여 제조된 기판(112)의 하부에 게이트전극(111)이 배치되고, 게이트전극(111)에 게이트 전압이 인가되어 기판(112)의 상부에 액티브층(113)의 채널을 제어할 수 있다. 액티브층(113)은 선택적인 전도성을 제공하는 모든 물질로 구성될 수 있으며, 외부 감지대상 인자(200, 300)의 종류에 따라서 COx나 NOx와 같이 특정 물질과 반응하거나 자외선 등과 반응하여 채널 생성 여부에 영향을 받는 물질이 액티브층(113)으로 사용되어 감지대상 인자(200, 300)을 센싱하는 센서 역할을 수행할 수 있다. 액티브층(113)에 채널이 형성되면, 소스전극(114)으로부터 드레인전극(115)으로 전류 흐름이 발생하여 소정의 전기신호를 발생시킬 수 있다.
몇몇 다른 실시예에서, 나노탄소 하이브리드 섬유가 게이트전극(111)으로 사용될 수 있으며, 나노탄소 하이브리드 섬유에 게이트 전압이 인가되고, 소스 및 드레인 전극(114, 115)은 나노탄소 하이브리드 섬유 상에 배치되고 게이트 전압에 따라 온오프가 제어될 수 있다.
또한, 몇몇 다른 실시예에서, 나노탄소 하이브리드 섬유가 소스 또는 드레인 전극(114, 115)으로 사용될 수 있으며, 게이트 전압의 인가여부 및/또는 외부 감지대상 인자(200, 300)의 유무에 따라 통전이 제어될 수 있다.
또한, 몇몇 다른 실시예에서, 나노탄소 하이브리드 섬유 상에 배치되고 게이트 전압이 인가되는 게이트 전극(111)을 더 포함하고, 나노탄소 하이브리드 섬유는 게이트 전압에 따라 온오프가 제어될 수 있다.
상기한 내용에서는 나노탄소 하이브리드 섬유가 센서 소자에 사용되는 예를 중심으로 기술하였으나, 이에 한정되는 것은 아니며 일반적인 액티브 물질을 이용하여 반도체 소자에 사용될 수도 있다.
이상 본 발명의 실시예들을 설명하였으나, 본 발명은 상기 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 제조될 수 있으며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다.

Claims (17)

  1. 산화 나노탄소 분산액에 금속나노와이어를 혼합하여 혼합 분산액을 제공하는 단계;
    상기 혼합 분산액을 습식방사하여 산화 나노탄소 하이브리드 섬유를 생성하는 단계;
    상기 산화 나노탄소 하이브리드 섬유를 환원하여 제1 나노탄소 하이브리드 섬유를 제조하는 단계;
    상기 제1 나노탄소 하이브리드 섬유를 금속나노입자 전구체 용액에 담지하는 단계; 및
    상기 나노탄소 섬유에 금속나노입자 전구체를 환원시켜서 제2 나노탄소 하이브리드 섬유를 제공하는 단계를 포함하는, 도전성 복합체가 포함된 나노탄소 하이브리드 섬유의 제조방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 금속나노입자는 Ag, Au, Cu, Al, Pt, Ti, Fe, Mg, Zn, Ni 중 하나를 포함하는, 도전성 복합체가 포함된 나노탄소 하이브리드 섬유의 제조방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 금속나노입자 전구체 용액은, Ag, Au, Cu, Al, Pt, Ti, Fe, Mg, Zn, Ni 로 이루어진 군에서 선택된 금속의 수화물, 산화물, 수산화물, 질화물, 아세트화물 또는 브롬화물을 포함하는, 도전성 복합체가 포함된 나노탄소 하이브리드 섬유의 제조방법.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 금속나노와이어는 Ag, Au, Cu, Al, Pt, Ti, Fe, Mg, Zn, Ni 중 하나를 포함하는, 도전성 복합체가 포함된 나노탄소 하이브리드 섬유의 제조방법.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 산화 나노탄소는 산화 탄소나노튜브, 그래핀 옥사이드, 산화 그래핀 나노리본, 플러렌, 탄소 와이어, 탄소 나노 입자 중 하나를 포함하는, 도전성 복합체가 포함된 나노탄소 하이브리드 섬유의 제조방법.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 담지하는 단계는,
    0℃ 내지 95℃에서 5분 내지 120분 동안 유지되는, 도전성 복합체가 포함된 나노탄소 하이브리드 섬유의 제조방법.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 제1 나노탄소 하이브리드 섬유를 제조하는 단계는,
    환원제 용액에 상기 제1 나노탄소 하이브리드 섬유를 담지하는 단계를 포함하는, 도전성 복합체가 포함된 나노탄소 하이브리드 섬유의 제조방법.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 제1 나노탄소 하이브리드 섬유를 제조하는 단계는,
    환원제 용액의 증기에 상기 제1 나노탄소 하이브리드 섬유를 1시간 내지 5시간 동안 노출시키는 단계를 포함하는, 도전성 복합체가 포함된 나노탄소 하이브리드 섬유의 제조방법.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 금속나노와이어는 상기 산화 나노탄소 하이브리드 섬유의 길이방향과 평행하게 배열되는, 도전성 복합체가 포함된 나노탄소 하이브리드 섬유의 제조방법.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 산화 나노탄소는 5㎛ 내지 500㎛ 크기를 가지는, 도전성 복합체가 포함된 나노탄소 하이브리드 섬유의 제조방법.
  11. 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항의 방법에 따라 제조된, 도전성 복합체가 포함된 나노탄소 하이브리드 섬유.
  12. 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항의 방법에 따라 제조되며,
    나노탄소 섬유에 금속나노와이어 또는 금속나노입자를 포함하는 도전성 복합체가 결합되고,
    나노탄소 하이브리드 섬유를 이용하여 직조된, 기능성 섬유 조립체.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 나노탄소 하이브리드 섬유는 게이트 전압이 인가되고,
    상기 나노탄소 하이브리드 섬유 상에 배치되고 상기 게이트 전압에 따라 온오프가 제어되는 소스 전극을 더 포함하는, 기능성 섬유 조립체.
  14. 제12항에 있어서,
    상기 나노탄소 하이브리드 섬유는 소스 전압이 인가되고
    상기 나노탄소 하이브리드 섬유 상에 배치되는 게이트 전극의 게이트 전압에 따라 상기 소스 전압이 인가되는 드레인 전극을 더 포함하는, 기능성 섬유 조립체.
  15. 제12항에 있어서,
    상기 나노탄소 하이브리드 섬유 상에 배치되고 게이트 전압이 인가되는 게이트 전극을 더 포함하고,
    상기 나노탄소 하이브리드 섬유는, 상기 게이트 전압에 따라 소스 전극과 드레인 전극 사이의 채널을 형성하는, 기능성 섬유 조립체.
  16. 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항의 방법에 따라 제조된, 나노탄소 하이브리드 섬유에 도전성 입자가 도핑된 나노탄소 하이브리드 섬유를 포함하는, 반도체 장치.
  17. 제16항에 있어서,
    상기 반도체 장치는 센서, 태양전지, 배터리, 디스플레이, 웨어러블 컴퓨터, 스마트 디바이스, 자동차 중 하나에 포함되는, 반도체 장치.
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