KR101747295B1 - 탄소나노튜브 분산액, 이를 이용하여 제조되는 투명전도성 필름 및 이의 제조방법 - Google Patents

탄소나노튜브 분산액, 이를 이용하여 제조되는 투명전도성 필름 및 이의 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 수분산이 가능한 탄소나노튜브 분산액에 관한 것으로,
하기 화학식 1로 표시되는 탄소나노튜브용 분산제;
탄소나노튜브; 및
유기용매, 물, 또는 이들의 혼합물로부터 선택되는 분산매를 포함하는, 탄소나노튜브가 분산된 탄소나노튜브 분산액을 제공한다.
[화학식 1]
Figure 112015119861882-pat00005

(단, 상기 식에서 n은 5에서 15인 정수이다.)

Description

탄소나노튜브 분산액, 이를 이용하여 제조되는 투명전도성 필름 및 이의 제조방법{CARBON NANOTUBE DISPERSANT, TRANSPARENT CONDUCTIVE FILM USING THE DISPERSANT AND MANUFACTURING METHOD OF THE TRANSPARENT CONDUCTIVE FILM}
본 발명은 탄소나노튜브 분산액, 이를 이용하여 제조되는 투명전도성 필름 및 이의 제조방법에 관한 것으로서, 상세하게는 헥사플루오로 아이소피롤리딘다이페놀로 이루어진 소수성 부분과 설폰화된 다이클로로다이페닐 설폰으로 이루어진 친수성 부분으로 구성된 탄소나노튜브 분산제와 탄소나노튜브 및 분산매로 이루어진 탄소나노튜브 분산액에 관한 것이다.
Single-walled carbon nanotubes (SWCNTs)은 지난 이십년간 유망한 재료로 많은 주목을 받아왔다. SWCNTs의 기계적 강도, 열적, 물리적 그리고 전기적 안정성이 우수하기 때문이다. 이러한 물질은 에너지, 환경, 의약품 그리고 섬유 등 많은 넓은 분야에 적용될 수 있다. 수분산이 가능한 CNTs에 특히 더 많은 관심이 쏠렸는데, 물이 가장 경제적이고 친환경적인 용매이기 때문이며 또한, 수분산이 가능한 SWCNTs가 수용성 고분자 복합체, 인공 근육, 조직, 기계, 바이오센서 그리고 드러그 딜리버리 등의 많은 분야에 적용이 필요하기 때문이다.
그러나, SWCNTs는 Van der Waals interaction의 영향으로 묶여있는 형태를 하고 있어서, 일반적인 유기용매나 물에 좋지 않은 분산력을 나타낸다. 이러한 문제점을 극복하기 위해서, 수분산 CNTs를 제조하기 위해서는 공유결합과 비공유결합을 이용하는 방법이 필요하다. 공유결합을 이용하는 방법은 효율적이다; CNTs 내부의 구조를 이용하여 전도성을 감소시킬 수 있고 비공유 결합으로 분산된 CNTs는 그들의 특성에 한정적인 결함을 계속 유지하게 된다. 그러나, 기능적으로 비공유결합을 하고있는 CNTs에 몇가지 문제점이 있는데, 분산과정에서 CNTs의 길이가 줄어들기 때문에 종횡비를 유지하는 것이 힘들다는 문제점이 있다.
예를 들어 단분자 계면활성제[sodium dodecyl sulfate (SDS), sodium dodecyl benzene sulfonate (SDBS)]와 고분자[poly(amino benzene sulfonic acid) (PABS), polyethylene glycol (PEG) and polystyrene sulfonate (PSS], etc.]를 오랜시간동안 강력한 초음파 처리를 이용하여 일반적인 CNTs의 길이보다 수 마이크로미터에서 최소 1 마이크로미터까지 길이를 축소하였다. 이러한 길이의 축소는 CNTs의 전기적, 광학적 및 기계적 특성을 감소시키고 실제적인 적용에 있어서 제한적일 것이다.
고분자 분산제가 entropy penalty function을 감소하는 경향이 있고, SWCNTs의 응집을 더 잘 막는 경향이 있지만, 많은 연구들은 SWCNTs를 어느정도 높은 종횡비와 마일드한 초음파 처리에서 개별적으로 잘 분산시킬 수 있는 고분자 분산제를 연구하는데 초점을 맞추고 있다. 안정적인 CNTs의 분산제를 얻기 위해서는 고농도의 고분자 분산제가 요구되는데, 이는 CNTs의 공정과정에 있어서 불편함을 초래할 것이다.
이에, 본 발명자는 상기 종래기술의 문제점을 해결하고자 수용성의 설폰화된 폴리아릴렌 에테르 설폰(Sulfonated poly(arylene ether sulfone))를 포함하여 SWCNTs를 분산시키는 탄소나노튜브 분산액를 개발하여 본 발명을 완성하였다.
따라서, 본 발명에서는 탄소나노튜브용 분산제, 탄소나노튜브 및 분산매를 포함하는 탄소나노튜브 분산액을 제공하는 것을 그 해결과제로 한다.
또한, 본 발명은 상기 탄소나노튜브 분산액을 이용하여 제조하는 탄소나노튜브 투명전도성 필름의 제조방법을 제공하는 것을 다른 해결과제로 한다.
또한, 본 발명은 상기 탄소나노튜브 분산액을 이용하여 제조하는 탄소나노튜브 투명전도성 필름을 제공하는 것을 다른 해결과제로 한다.
또한, 본 발명은 상기 탄소나노튜브 투명전도성 필름을 이용하여 제조하는 탄소나노튜브 투명전극을 제공하는 것을 또 다른 해결과제로 한다.
상기와 같은 과제를 해결하기 위하여 본 발명은, 하기 화학식 1로 표시되는 탄소나노튜브용 분산제;
탄소나노튜브; 및
유기용매, 물, 또는 이들의 혼합물로부터 선택되는 분산매를 포함하는, 탄소나노튜브가 분산된 탄소나노튜브 분산액을 제공하는 것을 그 해결과제로 한다.
[화학식 1]
Figure 112015119861882-pat00001
(단, 상기 식에서 n은 (5)에서 (15)인 정수이다.)
또한, 본 발명의 다른 과제를 해결하기 위한 본 발명은, 상기 탄소나노튜브 분산액을 이용하여 제조하는 탄소나노튜브 투명전도성 필름의 제조방법을 제공하는 것에 관한 것이다.
또한, 본 발명의 또 다른 과제를 해결하기 위한 본 발명은, 상기 탄소나노튜브 투명전도성 필름의 제조방법에 따라 제조하는 탄소나노튜브 투명전도성 필름을 제공하는 것에 관한 것이다.
또한, 본 발명의 또 다른 과제를 해결하기 위한 본 발명은, 상기 탄소나노튜브 투명전도성 필름을 포함하는 탄소나노튜브 투명전극을 제공하는 것에 관한 것이다.
본 발명의 탄소나노튜브 분산액에 따르면 물에서 탄소나노튜브의 분산이 용이하고, 또한 탄소나노튜브가 개별적으로 잘 분산되며 길이 및 직경 또한 종래의 분산된 탄소나노튜브보다 더 신장되고 큰 효과가 있다. 뿐만 아니라, 분산 안정성도 우수한 효과가 있다. 따라서 상기 탄소나노튜브 분산액은 자동차 분야, 군사 분야, 의학분야, 운동용품 등 다양한 분야에 적용할 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명의 탄소나노튜브 분산액으로 제조된 투명전도성필름은 투과율이 높고 면저항이 낮은 특성을 가지므로 높은 전기전도성을 기대할 수 있다. 따라서 상기 투명전도성필름은 투명성과 전도성을 요구하는 반도체, 디스플레이, 2차 전지, 연료전지, 메카트로닉스 등에 적용할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따라 (a) 0.1 wt% SPES 첨가 (b) 0.1 wt% SPES 첨가, (c) 0.5 wt% SPES 첨가, (d) 1.0 wt% SPES 첨가하여 분산시킨 SWCNTs의 사진이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따라 (a) 0.1 wt% SPES 첨가, (b) 1.0 wt% SPES 첨가하여 분산시킨 SWCNTs의 분산 안정성을 나타낸 그림이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따라 (a) 0.1 wt% SPES 첨가, (b) 0.5 wt% SPES 첨가, (c) 1.0 wt% SPES 첨가하여 분산시킨 SWCNTs의 TEM 사진이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 0.1 wt% SPES 첨가하여 분산시킨 SWCNTs의 길이 분포를 나타낸 그림이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따라 (a),(b) 0.1 wt% SPES 첨가, (c),(d) 0.5 wt% SPES 첨가, (e),(f) 1.0 wt% SPES 첨가하여 분산시킨 SWCNTs의 AFM 사진이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 SWCNTs의 UV-vis-IR 스펙트럼을 나타낸 그림이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 SWCNTs의 Raman 스펙트럼을 나타낸 그림이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 SWCNTs의 Rs(면저항)과 투과율(transmittance)을 나타낸 그림이다.
이하 본 발명을 상세히 설명하기로 한다.
본 발명은 탄소나노튜브 분산액, 이를 이용하여 제조되는 투명전도성 필름 및 이의 제조방법에 관한 것이다.
구체적으로 본 발명의 일 측면에 따르면 본 발명은,
하기 화학식 1로 표시되는 탄소나노튜브용 분산제;
탄소나노튜브; 및
유기용매, 물, 또는 이들의 혼합물로부터 선택되는 분산매를 포함하는, 탄소나노튜브가 분산된 탄소나노튜브 분산액에 관한 것이다.
[화학식 1]
Figure 112015119861882-pat00002
(단, 상기 식에서 n은 5에서 15인 정수이다.)
바람직하게는 상기 분산매는 물일 수 있다.
또한, 상기 본 발명의 화학식 1로 표시되는 화합물의 합성 방법은, 헥사플루오로 아이소피롤리딘다이페놀로 이루어진 소수성 부분과 설폰화된 다이클로로다이페닐 설폰으로 이루어진 친수성 부분과 공유결합을 통하여 고분자를 수득하는 것을 특징으로 한다. 종래에 알려진 통상의 방법을 이용하여 합성될 수 있으며, 특별히 제한되는 것은 아니나 다음의 반응으로 합성될 수 있다.
[반응식 1]
Sulfonated poly(arylene ether sulfone) [SPES]의 합성.
Figure 112015119861882-pat00003
(단, 상기 식에서 n은 5에서 15인 정수이다.)
상기 반응식에서 보는 바와 같이, 4,4'-다이클로로다이페닐 설폰을 3,3'-다이설포네이티드 4,4'-다이클로로다이페닐 설폰과 반응시켜 탄소나노튜브용 분산제인 설폰화된 폴리아릴렌 에테르 설폰(Sulfonated poly(arylene ether sulfone)을 수득하였다. 상기 SPES구조에서 플루오린 모이어티는 소수성을 제공하는 역할을 하며, 탄소나노튜브의 소수성 표면을 π-π 상호작용에 의해 결합시킨다. 상기 SPES 구조에서 설폰산 그룹은 (-SO3H) 친수성이고 전기음성적이며, 효과적으로 도판트와 탄소나노튜브의 응집을 막고 안정화시켜 개별적인 나노튜브를 생산하도록 한다. 상기 SPES로 구성된 분산제를 사용하면 소량으로 탄소나노튜브의 분산이 가능하다.
본 발명에 있어서, 상기 탄소나노튜브는 단일벽 탄소나노튜브, 이중벽 탄소나노튜브, 다중벽 탄소나노튜브 및 다발형 탄소나노튜브로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상인 것을 특징으로 한다. 바람직하게는 상기 탄소나노튜브는 단일벽 탄소나노튜브가 될 수 있다.
또한 본 발명에 있어서 상기 분산된 탄소나노튜브는 직경이 1 ~ 3 nm, 길이가 1.5 ~ 3.5 ㎛인 것을 특징으로 한다. 바람직하게는 분산된 탄소나노튜브는 직경이 1 ~ 2 nm, 길이가 2.5 ~ 3.5 ㎛이다. 상기 직경과 길이로부터 계산된 종횡비는 750 내지 3500의 높은 종횡비를 갖는 것을 확인할 수 있다. 상기 직경과 길이는 종래의 분산제를 이용하여 분산시킨 탄소나노튜브보다 더 크고 신장된 길이이다. 상기와 같은 높은 종횡비는 탄소나노튜브의 전기 전도성 및 기계적 강도를 증가시키는 효과를 가질 수 있게 된다.
또한 본 발명에 있어서 상기 분산액은 상기 분산액 100 중량%를 기준으로 분산제 0.1 내지 1 중량%; 탄소나노튜브 0.1 내지 0.3 중량%; 및 잔량의 분산매를 포함한다. 바람직하게는 상기 분산액은 100 중량%, 분산제는 0.1 중량% 및 탄소나노튜브는 0.1 중량%일 수 있다. 이 때, 상기 분산제가 0.05 중량% 미만일 경우, 분산되지 못하기 때문에 바람직하지 못하고, 2 중량% 초과일 경우, 전기전도성과 기계적 강도가 떨어지기 때문에 바람직하지 못하다.
본 발명의 다른 측면에 따르면,
상기 탄소나노튜브 분산액을 기판에 코팅하여 제조하는 탄소나노튜브 투명전도성 필름의 제조방법이 제공된다. 상기 탄소나노튜브 투명전도성 필름은 정제된 SWCNTs 분산액을 PET 기판에 스프레이 코팅하여 제조하였다. SWCNTs 분산액을 기판에 100 내지 300 mm/sec의 분사속도를 갖는 스프레이 코팅 기계를 이용하여 불활성 분위기 하에 1 내지 3 mL/min의 일정한 속도로 코팅하였다. 바람직하게는 상기 분사속도는 200 mm/sec 일 수 있고, 코팅 속도는 1 mL/min일 수 있다. 분사구와 기판의 거리는 5 내지 10 mm, 바람직하게는 7 mm일 수 있고, 기판의 온도는 아래의 전열기를 이용하여 60 내지 100 ℃, 바람직하게는 80℃로 조절하였다.
또한, 본 발명의 또 다른 측면에 따르면,
상기 탄소나노튜브 투명전도성 필름의 제조방법에 따라 제조된 탄소나노튜브 투명전도성필름이 제공된다. 상기 투명전도성필름은 높은 투과도와 면저항을 가짐에 따라 투명전도성필름이 포함되는 모든 전자기기에 적용이 가능하다.
또한, 본 발명의 또 다른 측면에 따르면,
상기 탄소나노튜브 투명전도성 필름을 포함하는 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브 투명전극이 제공된다.
이하, 실시예를 통하여 본 발명을 더욱 상세히 설명하고자 한다.
이들 실시예는 오로지 본 발명을 보다 구체적으로 설명하기 위한 것으로, 본 발명의 요지에 따라 본 발명의 범위가 이들 실시예에 의해 제한되지 않는다는 것은 당업계에서 통상의 지식을 가진 자에 있어서 자명할 것이다.
<실시예>
본 발명의 탄소나노튜브 분산액의 제조에 있어서 하기와 같은 탄소나노튜브용 분산제의 합성과정을 거친 후, 실시예에 따라 탄소나노튜브 분산액을 제조한다.
Sulfonated poly(arylene ether sulfone) [SPES]의 합성.
3,3'-disodiumsulfonyl-4,4'-dichlorodiphenylsulfone (SDCDPS) (4.00 g, 8.1 mmol), 4,4'-(hexafluoroisopropylidene)diphenol (6FBPA) (2.73 g, 8.1 mmol), 그리고 탄산칼륨 (2.47 g, 17.8 mmol)을 딘 스타크 트랩(Dean-Stark trap)과 질소 주입구(nitrogen inlet)가 구비된 100 mL 3구 환 플라스크(three-necked flask)에 마그네틱 바를 넣고 첨가하였다. N-Methyl-2-pyrrolidone (NMP) 40 mL와 20 mL 톨루엔을 플라스크에 첨가하고, 150 ℃까지 혼합물을 반응시켰다. 톨루엔은 물을 제거하기 위하여 첨가하였고, 4-5 h동안 건조시켰다. 그리고, 온도를 190 ℃까지 증가시키고, 동일한 조건에서 48 h동안 유지시켰다. 점도가 있는 결과물은 실온으로 냉각시켰고, 과량의 isopropanol로 추출하였다. SPES는 여과하여 분리하고, 100 ℃에서 24 h동안 진공상태에서 건조시켰다.
<실시예 1> 탄소나노튜브 분산액 제조
실시예 1-1
1.0wt% SPES 염을 3차 증류수에 용해시키고, 상기 SEPS 염보다 5배 많은 양의 양이온 교환 수지(cation exchange resin)와 30분 동안 교반시켜서, 상기 SPES 염을 산의 형태로 전환시켜 SPES 원액을 준비하였다. 상기 양이온 교환 수지와 교반시킨 후, 용액은 pH 6.5에서 pH 1.5로 변하였다. 상기 양이온 교환 수지는 여과되어 빠져나왔고, 상기 SPES 원액은 CNT 분산제로 사용되었다. SWCNTs 20 mg을 SPES 원액(0.1 wt%) 20mL에 첨가하고 배쓰 타입의 초음파 분해기(WUC-D22H, DAIHAN Scientific Co. 40kHz, 200 Watt)로 3h 동안 분산시켰다. 분산된 SWCNTs 용액은 10000rpm으로 10분 동안 원심분리시킨 후, 번들된 SWCNTs와 금속 촉매를 제거하였다. 상기 원심분리된 용액의 상청액으로부터 분산된 SWCNTs 분산액을 수득하였다.
실시예 1-2
0.5 wt%의 SPES 원액을 사용하는 것을 제외하고는 실시예 1-1과 동일한 방법으로 실시하였다.
실시예 1-3
1.0 wt%의 SPES 원액을 사용하는 것을 제외하고는 실시예 1-1과 동일한 방법으로 실시하였다.
<실시예 2> 투명전도성 필름(transparent conductive films)의 제조
실시예 2-1
투명전도성 필름은 정제된 SWCNTs 분산액을 PET 기판에 스프레이 코팅하여 제조하였다. 실시예 1-1의 SWCNTs 분산액을 기판(50 mm ㅧ 50 mm)에 200 mm/sec의 분사속도를 갖는 스프레이 코팅 기계를 이용하여 불활성 분위기 하에 1 mL/min의 일정한 속도로 코팅하였다. 분사구와 기판의 거리는 7 mm였으며, 기판의 온도는 아래의 전열기를 이용하여 80 ℃로 조절하였다.
실시예 2-2
실시예 1-2의 SWCNTs 분산액을 사용하는 것을 제외하고는 실시예 2-1과 동일한 방법으로 실시하였다.
실시예 2-3
실시예 1-3의 SWCNTs 분산액을 사용하는 것을 제외하고는 실시예 2-1과 동일한 방법으로 실시하였다.
<결과분석>
1. 분산 안정성(dispersion stability)
도 1은 실시예 1-1 및 실시예 1-3에서 제조한 분산액의 분산을 나타낸 사진이다.
도 1을 참고하면, SPES 분산제를 첨가하지 않은 (a), 0.1 % SPES 분산제를 첨가한 (b), 0.5 % SPES 분산제를 첨가한 (c) 및 1.0 % SPES 분산제를 첨가한 (d)와 비교하였을 시, (a)의 SWCNTs만 분산매와 잘 혼합되어 있지 않고, 분리되어 있는 것을 확인 할 수 있다. 이로부터 본 발명의 SPES 분산제를 첨가하면 SWCNTs가 잘 분산되는 것을 알 수 있다.
도 2는 실시예 1-1 및 실시예 1-3에서 제조한 분산액의 분산 안정성을 나타낸 그래프이다.
도 2를 참고하면, 분산 안정성 분석기기(particle stability analyzer)로 측정한, 0.1 wt% SPES 분산제를 첨가한 SWCNTs 분산액(a) 및 1.0 wt% SPES 분산제를 첨가한 SWCNTs 분산액(b)의 투과율이 24 h동안 거의 일정한 것을 알 수 있다. 이로부터 SPES 분산제를 첨가하였을 때 분산액의 투과율이 일정하고, 분산 안정성이 증가함을 알 수 있다.
2. 분산된 탄소나노튜브의 길이(length)
도 3은 실시예 1-1 내지 실시예 1-3에서 제조한 분산액의 분산형태를 나타낸 사진이다.
도 3을 참고하면, TEM(H-7600 TEM from Hitachi) 측정을 통하여 상기 실시예 1-1 내지 실시예 1-3의 SWCNTs 평균 길이가 2.5ㅁ1.0 μm의 긴 길이(high length)를 갖는 것을 확인할 수 있고, 각각의 경우 잘 분산되어 있음을 확인할 수 있다. 종래에 알려진 sodium dodecyl benzene sulfonate (SDBS), poly(aminobenzene sulfonic acid) (PABS), polyethylene glycol (PEG) 및 PSS 등을 분산제로 사용하여 분산시킨 SWCNTs의 길이는 평균 길이가 1.0ㅁ0.5 μm로 알려져 있으며, 특히 수성매질에서의 분산은 SWCNTs의 길이를 더욱 감소시켜서 1.0 μm이하의 평균 길이를 갖는 것으로 알려져 왔다. 따라서 본 발명의 SPES 분산제로 사용하여 분산시킨 SWCNTs가 2 내지 2.5배 더 긴 것을 알 수 있다.
도 4는 실시예 1-1에서 제조한 분산액에서 SWCNTs의 길이를 그래프로 나타낸 것이다.
도 4를 참고하면, 상기 실시예 1-1의 TEM 측정결과에 따른 SWCNT의 길이분포를 그래프로 나타낸 것으로, SWCNT의 길이가 1 μm부터 4.5 μm까지 존재함을 알 수 있다. 특히 1.5 내지 2.5 μm의 길이를 갖는 SWCNT가 가장 많이 존재하는 것을 확인할 수 있다. 이로부터 본 발명의 SPES 분산제를 이용하여 분산시킨 SWCNTs는 수성매질에서 분산이 용이한 것을 알 수 있고 상기 종래의 분산제를 사용하여 분산시켰을 때보다 SWCNTs의 길이가 2 내지 2.5배 더 긴 것을 확인할 수 있다.
3. 분산된 탄소나노튜브의 직경(diameter)
도 5는 실시예 1-1 내지 실시예 1-3에서 제조한 분산액에서 SWCNTs의 직경을 나타낸 그래프 및 사진이다.
도 5를 참고하면, AFM(n-tracer SPM (Nanofocus)) 측정을 통하여 상기 실시예 1-1의 SWCNTs 평균 직경이 1-2 nm, 실시예 1-2의 SWCNTs 평균 직경이 2-4 nm 그리고 실시예 1-3의 SWCNTs 평균 직경이 2-4 nm인 것을 확인할 수 있다. 이러한 결과는 SWCNTs가 개별적으로 잘 분산되어 있고, 작은 직경의 번들 형태로 존재한다는 것을 의미한다. SWCNTs를 분산 시킨 후, 높은 종횡비를 유지하는 것이 중요한데 이는 높은 종횡비가 전기적 특성에 영향을 주기 때문이다. 상기 AFM과 TEM 측정결과로부터 SPES를 분산제로 사용하였을 때, SWCNTs가 개별적으로 잘 분산되고, 높은 종횡비를 갖게 한다는 것을 알 수 있다. 상기 AFM 측정 결과 값을 하기 표 1에 정리하였다.
SWCNTs 평균 직경
실시예 1-1 1-2 nm
실시예 1-2 2-4 nm
실시예 1-3 2-4 nm
4. 분산성(dispersion ability)
도 6은 실시예 1-1 내지 실시예 1-3에서 제조한 분산액의 분산성을 나타낸 그래프이다.
도 6을 참고하면, UV-vis-NIR(Cary 5E (Varian) spectrophotometer) 측정을 통하여 분산액의 분산성을 살펴보았고, 자외선/가시광선 영역(UV-vis region)에서 개별적으로 분산된 SWCNTs의 흡수 밴드는 판 호브 특이점(van Hove singularities)에 의한 추가적인 흡수에 상응한다. 반면 번들된 CNTs는 광발광(Photoluminescence) 특성의 ??칭(quenching)으로 인해 흡수 밴드가 거의 보이지 않는다. 900-1200 nm와 550-800 nm에서의 피크는 semiconducting SWCNTs의 판 호브 전이(van Hove transitions)에 의한 첫 번째와 두 번째 피크이고, 400-550 nm에서의 피크는 metallic SWCNTs의 판 호브 전이(van Hove transitions)에 의한 피크를 나타낸다. 특히 900-1100 nm 범위에서 뚜렷한 흡수피크를 관찰할 수 있는데 이는 SWCNTs의 분산이 개별적으로 잘 이루어진 것을 의미한다.
5. 분산된 탄소나노튜브의 순도(purity)
도 7은 실시예 1-1 내지 실시예 1-3에서 제조한 분산액의 순도를 나타낸 그래프이다.
도 7을 참고하면, 라만 분광(NTEGRA Spectra confocal Raman spectrometer (NT-MDT)) 측정을 통하여 1327 cm-1에서의 피크와 1583 cm-1의 높은 피크를 확인할 수 있다. 1327 cm-1에서의 피크는 mode D에서 유발된 장애를 나타내는 피크이고, 1583 cm-1의 피크는 튜브의 원주와 축 사이의 진동에 의한 G band를 나타내는 피크이다. 유발성 장애 (ID)와 면내 진동(IG)의 강도 비는 CNTs의 결점에 대한 중요한 정보를 제공할 수 있고, D band의 강도는 CNTs의 육각 탄소 네트워크(hexagonal carbon network)의 결함 빈도에 비례한다. 분산된 CNTs의 순도는 D/G 피크비와 관련이 있는데, 본 발명에서의 ID/IG 의 백분율은 2.0% 내지 2.5%로 매우 낮은 비를 나타내었다. 이러한 결과로부터 SWCNTs가 매우 잘 분산되었음을 알 수 있고, SPES를 분산제로 사용하여 분산시킨 SWCNTs에 불순물이 많이 도입되지 않고 순도가 높은 것을 알 수 있다. 상기 라만 분광의 측정 결과 값을 하기 표 2에 정리하였다.
ID/IG Defect [%]
실시예 1-1 0.020 2 %
실시예 1-2 0.022 2.2 %
실시예 1-3 0.025 2.5 %
6. 투명전도성필름의 면저항(Rs)과 투과율(transmittance)
도 8은 실시예 2-1 내지 실시예 2-3에서 제조한 투명전도성 필름의 면저항과 투과율을 나타낸 그래프이다.
도 8을 참고하면, UV-visible spectroscopy와 표면저항측정기(four-point probe resistance)의 측정을 통하여 상기 실시예 2-1 투명전극필름의 투과율이 87.1%일 때, 면저항이 125 Ω/sq, 실시예 2-2 투명전극필름의 투과율이 88.6%일 때 면저항은 21.4 kΩ/sq, 그리고 실시예 2-3 투명전극필름의 투과율이 84.9% 일 때 면저항이 9.6 kΩ/sq인 것을 확인할 수 있다. 더 낮은 Rs (125 Ω/sq)는 더 좋은 투과율(87.1%)를 나타낸다. 상기 결과로부터 0.1 wt% SPES를 사용하여 분산된 SWCNTs를 이용하여 투명전극필름(TCFs)을 제조하는 것이 가장 면저항이 낮고, 투과율이 좋으므로 가장 좋은 특성을 가지는 것을 확인할 수 있다. 상기 면저항 및 투과율 측정 결과 값을 하기 표 3에 정리하였다.
Rs (Ω/sq) transmittance
실시예 1-1 125 87.1 %
실시예 1-2 21400 88.6 %
실시예 1-3 9600 84.9 %
상기 실시예의 결과로부터, 본 발명은 다이클로로다이페닐 설폰으로 이루어진 소수성 부분과 설폰화된 다이클로로다이페닐 설폰으로 이루어진 친수성 부분으로 구성된 탄소나노튜브 분산제를 합성하고 이를 탄소나노튜브 및 분산매와 혼합하여 제조한 탄소나노튜브 분산액에 관한 것이다. 상기 탄소나노튜브 분산제를 이용하면 물에서 높은 종횡비를 가지며 안정적이고 개별적으로 잘 분산된 SWCNTs 분산액를 얻을 수 있다. 또한 상기 탄소나노튜브 분산액으로 제조되는 투명전극필름은 낮은 면저항과 높은 투과율을 가진다.
이제까지 본 발명에 대하여 그 바람직한 실시예들을 중심으로 살펴보았다. 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 변형된 형태로 구현될 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 개시된 실시예들은 한정적인 관점이 아니라 설명적인 관점에서 고려되어야 한다. 본 발명의 범위는 전술한 설명이 아니라 특허청구범위에 나타나 있으며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 차이점은 본 발명에 포함된 것으로 해석되어야 할 것이다.

Claims (7)

  1. 하기 화학식 1로 표시되는 탄소나노튜브용 분산제;
    탄소나노튜브; 및
    유기용매, 물, 또는 이들의 혼합물로부터 선택되는 분산매를 포함하는, 탄소나노튜브가 분산된 탄소나노튜브 분산액:
    [화학식 1]
    Figure 112015119861882-pat00004

    (단, 상기 식에서 n은 5에서 15인 정수이다.)
  2. 제1항에 있어서,
    상기 탄소나노튜브는 단일벽 탄소나노튜브, 이중벽 탄소나노튜브, 다중벽 탄소나노튜브 및 다발형 탄소나노튜브로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상인 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브 분산액.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 분산된 탄소나노튜브는 직경이 1 ~ 3 nm, 길이가 1.5 ~ 3.5 ㎛인 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브 분산액.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 분산액이 상기 분산액 100 중량%를 기준으로 분산제 0.1 내지 1 중량%; 탄소나노튜브 0.1 내지 0.3 중량%; 및 잔량의 분산매를 포함하는 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브 분산액.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항의 탄소나노튜브 분산액을 기판에 코팅하여 제조하는 탄소나노튜브 투명전도성 필름의 제조방법.
  6. 제5항의 제조방법에 따라 제조된 탄소나노튜브 투명전도성 필름.
  7. 제6항에 따른 탄소나노튜브 투명전도성 필름을 포함하는 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브 투명전극.
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