KR101610782B1

KR101610782B1 - 전기방사법을 이용한 금속선 제조방법

Info

Publication number: KR101610782B1
Application number: KR1020090112509A
Authority: KR
Inventors: 김성현; 이수재; 박진아; 문제현
Original assignee: 한국전자통신연구원
Priority date: 2009-11-20
Filing date: 2009-11-20
Publication date: 2016-04-08
Also published as: KR20110055893A

Abstract

본 발명은 전기방사법을 이용한 금속선 제조방법에 관한 것으로, 본 발명에 따른 금속선 제조방법은 금속 분말이 분산된 솔벤트에 고분자 물질을 용해시킨 고분자 용액을 준비하는 단계; 상기 고분자 용액으로부터 전기방사법을 이용하여 기판 상에 나노급 또는 마이크로급 선을 방사하는 단계; 상기 나노급 또는 마이크로급 선에 마이크로웨이브를 조사하여 금속입자를 응집시키는 단계; 및 고분자를 제거하여 금속선을 형성하는 단계를 포함한다. 이와 같은 금속선 제조방법은 공정이 간단하고 대량생산이 가능하며, 또한 얻어지는 금속선은 전도도가 높으며 비표면적이 크기 때문에 센서 등에 이용될 수 있다.

금속선, 마이크로웨이브, 전도도, 전기방사

Description

전기방사법을 이용한 금속선 제조방법{Method for Fabricating Metal Wire Using Electrospinning Process}

본 발명은 전기방사법을 이용한 금속선 제조방법에 관한 것이다. 보다 상세하게는 전기방사법을 이용하여 금속자체로 형성된 전도도가 높고 비표면적이 넓은 금속선을 제조하는 방법에 관한 것이다.

종래에는 금속선 또는 금속섬유를 제조하기 위하여, 유기물과 금속을 혼합하여 전기방사한 후 열처리를 통하여 금속간의 결합력을 높여 전도도를 높이는 방법을 사용하였으나, 이런 방법으로는 전도도를 향상시키는데 한계가 있다.
또한 금속 나노선을 그라파이트 모서리를 이용하여 제작하는 방법 등이 시도되고 있다. 하지만 이러한 방법은 수십 나노 미터에서 수백 나노 미터까지 굵기를 조절하여 성장시킬 수 있지만, 실제 양산에 적용하기에는 어려움이 따른다. 이러한 약점을 극복하고 대량의 금속선을 저가로 공급할 수 있는 기술 개발이 시급하다.
이에 본 발명자들은 금속 분말이 포함된 고분자 용액을 전기방사법으로 나노선을 방사한 후, 여기에 마이크로웨이브를 조사하는 경우, 금속 내 자유전자의 유도에 의해 열이 발생되고 이 열로 인하여 금속 분말이 스스로 녹아 엉겨붙음으로서 전도도가 높은 나노선 또는 마이크로 선을 제작할 수 있음을 발견하고, 본 발명을 완성하였다.

이에 본 발명의 기술적 과제는 공정이 간단하고, 대량 생산이 가능하면서 동시에 높은 전도도를 갖는 금속선을 제조하는 방법을 제공하는 것이다.

상기 기술적 과제를 해결하기 위하여, 본 발명은 금속 분말이 분산된 솔벤트에 고분자 물질을 용해시킨 고분자 용액을 준비하는 단계; 상기 고분자 용액으로부터 전기방사법을 이용하여 기판 상에 나노급 또는 마이크로급 선을 방사하는 단계; 상기 나노급 또는 마이크로급 선에 마이크로웨이브를 조사하여 금속입자를 응집시키는 단계; 및 고분자를 제거하여 금속선을 형성하는 단계를 포함하는 전기방사법을 이용한 금속선 제조방법을 제공한다.
본 발명에 따른 금속선 제조방법에 있어서, 상기 금속 분말로는 은(Ag), 알루미늄(Al), 비소(As), 금(Au), 붕소(B), 바륨(Ba), 베릴륨(Be), 비스무트(Bi), 칼슘(Ca), 니오븀(Nd), 카드늄(Cd), 세륨(Ce), 코발트(Co), 크롬(Cr), 세슘(Cs), 구리(Cu), 철(Fe), 갈륨(Ga), 게르마늄(Ge), 인듐(In), 칼륨(K), 란탄(La), 리시움(Li), 마그네슘(Mg), 망간(Mn), 몰리브덴(Mo), 이리듐(Ir), 나트륨(Na), 니켈(Ni), 오스뮴(Os), 인(P), 납(Pb), 팔라듐(Pd), 백금(Pt), 루비듐(Rb), 로듐(Rh), 루테늄(Ru), 황(S), 안티몬(Sb), 셀렌(Se), 실리콘(Si), 주석(Sn), 스트론튬(Sr), 탄탈륨(Ta), 텔루륨(Te), 토륨(Th), 티탄(Ti), 탈륨(Tl), 우라늄(U), 바나듐(V), 텅스텐(W), 아연(Zn), 지르코늄(Zr) 중 최소한 한가지를 포함하는 단일물질, 혼합물, 또는 합금으로부터 선택될 수 있으며, 상기 금속분말의 크기는 10㎚ 내지 10㎛인 것이 바람직하다.
또한, 본 발명에 따른 금속선 제조방법에 있어서, 상기 고분자 물질로는 폴리올레핀계 고분자, 방향족계 고분자, 클로라이드계 고분자, 불소계 고분자, 실리콘계 고분자 및 폴리부타디엔으로 이루어진 군에서 일종 이상 선택되거나, 또는 폴리비닐알콜, 폴리비닐페놀 및 PEDOT로 이루어진 군에서 일종 이상 선택될 수 있다.
본 발명에 따른 금속선 제조방법에 이용되는 상기 전기방사법으로는 전기방사법, 근접장 전기방사법 또는 전기분무법이 선택될 수 있다.
본 발명에 따른 금속선 제조방법에 있어서, 상기 조사되는 마이크로 웨이브는 100MHz 내지 100GHz의 범위인 것이 바람직하다.
또한, 상기 전기방사를 위한 고분자 용액은 금속의 산화를 방지하기 위한 산화방지제를 더 포함하는 것이 바람직하며, 최종적으로 상기 고분자는 열처리, 플라즈마 처리 또는 솔벤트 용융을 통해 제거될 수 있으며, 상기 열처리는 300 내지 700℃에서 0.5 내지 24시간 동안 진행되는 것이 바람직하다.

본 발명에 따른 전기방사법을 이용한 금속선 제조방법은 공정이 간단하고, 대랑 생산이 가능하면, 전도도가 높은 금속선을 나노급 또는 마이크로급으로 얻을 수 있다.

이하, 본 발명은 도면을 참조하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 용이하게 실시할 수 있는 바람직한 실시예를 상세히 설명한다. 다만, 본 발명의 바람직한 실시예에 대한 동작 원리를 상세하게 설명함에 있어 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략한다. 또한, 도면 전체에 걸쳐 유사한 기능 및 작용을 하는 부분에 대해서는 동일한 도면 부호를 사용한다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 금속선 제조방법의 과정을 나타낸 흐름도이고, 도 2는 본 발명의 일시시예에 따라 제조되는 방사된 금속분말이 분산된 고분자용액으로부터 금속선이 형성되는 과정을 모식적으로 나타낸 모식도이고, 도 3은 본 발명의 금속선 제조방법에 이용되는 전기방사법을 모식적으로 나타낸 도면이고, 도 4는 본 발명의 금속선 제조방법에 이용되는 근접장 전기방사법을 모식적으로 나타낸 도면이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명의 금속선 제조방법은 금속 분말이 분산된 솔벤트에 고분자 물질을 용해시킨 고분자 용액을 준비하는 단계(S11); 상기 고분자 용액으로부터 전기방사법을 이용하여 기판 상에 나노급 또는 마이크로급 선을 방사하는 단계(S12); 상기 나노급 또는 마이크로급 선에 마이크로웨이브를 조사하여 금속입자를 응집시키는 단계(S13); 및 고분자를 제거하여 금속선을 형성하는 단계(S14)를 포함한다.
상기 금속 분말이 분산된 솔벤트에 고분자 물질을 용해시킨 고분자 용액을 준비하는 단계(S11)에서 금속 분말로는 은(Ag), 알루미늄(Al), 비소(As), 금(Au), 붕소(B), 바륨(Ba), 베릴륨(Be), 비스무트(Bi), 칼슘(Ca), 니오븀(Nd), 카드늄(Cd), 세륨(Ce), 코발트(Co), 크롬(Cr), 세슘(Cs), 구리(Cu), 철(Fe), 갈륨(Ga), 게르마늄(Ge), 인듐(In), 칼륨(K), 란탄(La), 리시움(Li), 마그네슘(Mg), 망간(Mn), 몰리브덴(Mo), 이리듐(Ir), 나트륨(Na), 니켈(Ni), 오스뮴(Os), 인(P), 납(Pb), 팔라듐(Pd), 백금(Pt), 루비듐(Rb), 로듐(Rh), 루테늄(Ru), 황(S), 안티몬(Sb), 셀렌(Se), 실리콘(Si), 주석(Sn), 스트론튬(Sr), 탄탈륨(Ta), 텔루륨(Te), 토륨(Th), 티탄(Ti), 탈륨(Tl), 우라늄(U), 바나듐(V), 텅스텐(W), 아연(Zn), 지르코늄(Zr) 중 최소한 한가지를 포함하는 단일물질, 혼합물, 또는 합금으로부터 선택될 수 있으며, 그의 크기는 10㎚ 내지 10㎛인 것이 바람직하다.
또한, 고분자 물질로는 폴리올레핀계 고분자(폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 저밀도 폴리에틸렌 (LDPE)), 방향족계 고분자(폴리스티렌, 폴리(디비닐 벤젠)), 클로라이드계 고분자(폴리비닐클로라이드, 폴리비닐리덴 클로라이드, 폴리비닐벤질 클로라이드), 불소계 고분자 (폴리비닐리덴플루오라이드, 폴리테트라플루오라이드, 폴리트리비닐플루오라이드), 실리콘계 고분자(폴리실록산) 및 폴리부타다이엔으로 이루어진 군에서 선택되거나, 또는 폴리비닐알콜, 폴리비닐페놀 등 절연체와 PEDOT 등 전도체로부터 선택될 수 있다.
상기 금속 분말이 분산되어 있는 솔벤트로는 헵탄, 헥산, 펜탄, 시클로헥산, 트리클로로에틸렌, 카본 테트라클로라이드, 디-이소-프로필 에테르, 톨루엔, 메틸-t-부틸 에테르, 크실렌, 벤젠, 디에틸 에테르, 디클로로메탄, 1,2-디디클로로메탄, 부틸 아세테이트, 이소프로판올, n-부탄올, 테트라히드로퓨란, n-프로판올, 클로로포름, 에틸 아세테이트, 2-부타논, 디옥산, 메탄올, 아세톤, 에탄올, 아세토니트릴, 아세트산, 디메틸포름아미드, 디메틸 술폭사이드, 또는 물이 이용될 수 있으며, 금속 분말과 고분자의 비는 1:99 내지 99:1의 중량비로 존재할 수 있으며, 이들 혼합물과 솔벤트의 비는 1:99 내지 50:50의 중량비로 존재할 수 있다.
한편, 상기 고분자 용액 중에는 금속의 산화를 방지하기 위한 산화방지제가 더 포함될 수 있으며, 산화방지제로는 요오드화수소, 황화수소, 수소화알루미늄, 아황산염, 황화나트륨, 알칼리 금속(마그네슘, 아연), 산화정도가 낮은 유기화합물(알데히드, 당류, 포름산, 옥살산등) 등이 이용될 수 있으며, 이는 전체 고분자 용액 중량에 기초하여 0 내지 50중량부의 범위 내에서 사용될 수 있다.
상기 고분자 용액으로부터 전기방사법을 이용하여 기판 상에 나노급 또는 마이크로급 선을 방사하는 단계(S12)에서, 전기방사법으로는 일반적인 전기방사법, 근접장 전기방사법 또는 전기분무법이 이용될 수 있다.
일반적인 전기방사법의 원리는 도 3에 나타난 바와 같이 나노급 또는 마이크로급 선을 형성하기 위한 고분자 용액이 시린지(1)의 토출 노즐(2)를 통해 방사되어 용액 선(3)이 접지된 콜렉터에 의해 침착되고, 이 선이 형성된 기판을 열처리하여 솔벤트를 증발시키면 기판 상에 패턴을 형성할 수 있다. 이 때 시린지(1)에는 고압전원장치(4)를 통해 전원이 인가된다. 이 과정을 통하여 기판 상에 굵기가 거의 일정한 선들을 얻을 수 있다. 다만, 이 섬유들은 정렬되지 않은 상태로 기판 상에 형성된다. 여기서, 전기방사를 실시하는 경우 필요한 전압, 노즐부와 콜렉터의 거리, 공급되는 용액의 양은 방사 용액의 특성에 따라 선택될 수 있다.
근접장 전기방사법은 도 4에 나타난 바와 같이, 시린지(10)의 토출 노즐(2)과 콜렉터(4)의 거리를 수 ㎜로 가깝게 하여 전기방사하는 것이다. 이 경우, 토출된 용액은 거기가 가깝기 때문에 직진을 하게 되고, 기판 또는 노즐을 움직이면 기판 상에 원하는 길이 만큼 정렬된 용액의 선을 얻을 수 있고, 이 용액 선이 형성된 기판을 열처리하여 솔벤트를 증발시키면 기판 상에 원하는 길이의 패턴이 형성될 수 있다.
상기 기판으로는 PET, PES, PI 또는 PEN의 폴리머 기판, Si, SiO2, 사파이어, 수정 또는 유리 등의 무기물 기판, 종이, 섬유, 동물의 가죽 등에서 선택되는 것이 바람직하다. 다만 저항 기준으로 보면 1 MOhm 내지 수백 MOhm 범위의 저항을 갖는 기판이 바람직하다.
이어서, 상기 나노급 또는 마이크로급 선에 마이크로웨이브를 조사하여 금속입자를 응집시키는 단계(S13)에서는 도 2에 나타난 바와 같이 상기 선(10) 안에 분산되어 있는 금속분말(20)에 마이크로웨이브를 조사하여 금속 내 자유전자의 유도에 의해 열을 발생시키고, 이 열로 금속분말이 스스로 녹아 엉겨 붙여 응집체(30)를 형성한다. 이 경우, 마이크로웨이브는 100MHz 내지 100GHz의 범위 내에서 조사되는 것이 바람직하다.
최종적으로 고분자를 제거하여 금속선(30)을 형성하는 단계(S14)에서는 고분자(10)을 제거하기 위하여, 열처리, 플라즈마 처리 또는 솔벤트 용융 등이 진행되며, 이에 따라 도 2에 나타난 바와 같은 금속선(30) 만이 남게된다.
여기서, 열처리는 300 내지 700℃에서 0.5 내지 24시간 동안 진행될 수 있으며, 플라즈마 처리는 산소 플라즈마 발생기를 이용하여 플라즈마 처리될 수 있다. 솔벤트 용융의 경우 처음 고분자 용액을 제작하였을 경우 사용하였던 솔벤트를 이용하여 잔류 고분자를 녹여낼 수 있다.
이러한 방법으로 얻은 금속선은 일반 금속선에 비하여 비표면적이 넓고, 전도도가 높아 센서 등에 응용되는 경우 우수한 효과를 얻을 수 있다.

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 금속선 제조방법의 과정을 나타낸 흐름도이다.
도 2는 본 발명의 일시시예에 따라 제조되는 방사된 금속분말이 분산된 고분자용액으로부터 금속선이 형성되는 과정을 모식적으로 나타낸 모식도이다.
도 3은 본 발명의 금속선 제조방법에 이용되는 전기방사법을 모식적으로 나타낸 도면이다.
도 4는 본 발명의 금속선 제조방법에 이용되는 근접장 전기방사법을 모식적으로 나타낸 도면이다.

Claims

금속 분말이 분산된 솔벤트에 고분자 물질을 용해시킨 고분자 용액을 준비하는 단계;

상기 고분자 용액으로부터 전기방사법을 이용하여 기판 상에 나노급 또는 마이크로급 선을 방사하는 단계;

상기 나노급 또는 마이크로급 선에 마이크로웨이브를 조사하여 금속입자를 응집시키는 단계; 및

고분자를 제거하여 금속선을 형성하는 단계를 포함하는 전기방사법을 이용한 금속 나노선 제조방법.
제 1항에 있어서,

상기 금속 분말로는 은(Ag), 알루미늄(Al), 비소(As), 금(Au), 붕소(B), 바륨(Ba), 베릴륨(Be), 비스무트(Bi), 칼슘(Ca), 니오븀(Nd), 카드늄(Cd), 세륨(Ce), 코발트(Co), 크롬(Cr), 세슘(Cs), 구리(Cu), 철(Fe), 갈륨(Ga), 게르마늄(Ge), 인듐(In), 칼륨(K), 란탄(La), 리시움(Li), 마그네슘(Mg), 망간(Mn), 몰리브덴(Mo), 이리듐(Ir), 나트륨(Na), 니켈(Ni), 오스뮴(Os), 인(P), 납(Pb), 팔라듐(Pd), 백금(Pt), 루비듐(Rb), 로듐(Rh), 루테늄(Ru), 황(S), 안티몬(Sb), 셀렌(Se), 실리콘(Si), 주석(Sn), 스트론튬(Sr), 탄탈륨(Ta), 텔루륨(Te), 토륨(Th), 티탄(Ti), 탈륨(Tl), 우라늄(U), 바나듐(V), 텅스텐(W), 아연(Zn), 지르코늄(Zr) 중 최소한 한가지를 포함하는 단일물질, 혼합물, 또는 합금으로부터 선택되는 것인 금속 나노선 제조방법.
제 1항에 있어서,

상기 금속분말의 크기는 10㎚ 내지 10㎛인 금속 나노선 제조방법.
제 1항에 있어서,

상기 고분자 물질로는 폴리올레핀계 고분자, 방향족계 고분자, 클로라이드계 고분자, 불소계 고분자, 실리콘계 고분자 및 폴리부타디엔으로 이루어진 군에서 일종 이상 선택되는 금속 나노선 제조방법.
제 1항에 있어서,

상기 고분자 물질로는 폴리비닐알콜, 폴리비닐페놀 및 PEDOT(poly(3,4-ethylenedioxythiophene))로 이루어진 군에서 일종 이상 선택되는 금속 나노선 제조방법.
제 1항에 있어서,

상기 전기방사법으로는 전기방사법, 근접장 전기방사법 또는 전기분무법인 금속 나노선 제조방법.
제 1항에 있어서,

상기 조사되는 마이크로웨이브는 100MHz 내지 100GHz의 범위인 금속 나노선 제조방법.
제 1항에 있어서,

상기 고분자 용액은 금속의 산화를 방지하기 위한 산화방지제를 더 포함하는 것인 금속 나노선 제조방법.
제 1항에 있어서,

상기 고분자는 열처리, 플라즈마 처리 또는 솔벤트 용융을 통해 제거되는 것인 금속 나노선 제조방법.
제 9항에 있어서,

상기 열처리는 300 내지 700℃에서 0.5 내지 24시간 동안 진행되는 것인 금속 나노선 제조방법.