KR101913335B1 - 네트워크 구조가 강화된 나노 와이어 투명 전극 제조방법 및 이에 의해 제조된 투명 전극 필름 - Google Patents
네트워크 구조가 강화된 나노 와이어 투명 전극 제조방법 및 이에 의해 제조된 투명 전극 필름 Download PDFInfo
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Abstract
폴리머 기판의 적어도 일 면을 절연성 캡핑제와 금속 나노와이어를 포함하는 코팅물질로 코팅하는 단계; 상기 코팅물질에 용매를 공급하는 제 1 가소화 단계; 상기 코팅물질에 공급된 용매를 강제 열대류에 의해 절연성 캡핑제를 부분 제거하고, 상기 금속 나노와이어간 넥킹부를 접합하는 단계, 상기 절연성 캡핑제가 부분 제거되고, 금속 나노와이어간 넥킹부가 접합된 코팅물질에 용매를 재공급하는 제 2 가소화 단계; 및 상기 용매가 재공급된 코팅물질과 폴리머 기판은 두 개의 롤러 사이로 통과시켜 증기압으로 융착시키는 단계; 를 포함하는 롤투롤 (roll to roll) 방식을 통한 나노와이어 투명 전극 필름 제조방법이 제공된다.
Description
본 발명은 전도성 나노와이어간의 네트워크 구조가 강화된 롤투롤(roll to roll) 방식을 통한 나노 와이어 투명 전극 제조방법 및 이에 의해 제조된 투명 전극 필름에 관한 것으로, 보다 상세하게는 투광도 및 전기적 특성이 향상된 롤투롤 방식을 통한 나노 와이어 투명 전극 필름 제조방법 및 이에 의해 제조된 투명 전극 필름에 관한 것이다.
기술의 발전에 의해 유연성과 투과성을 동시에 만족시키는 유연 투명전극에 대한 관심이 높아지고 있다. 현재 대부분의 장치에서 사용되는 ITO(Indium Tin Oxide)는 우수한 투과도와 낮은 저항 값을 가지고 있어 대부분의 투명전극에서 쓰이지만, 낮은 취성 강도를 지니고 있어 유연성이 높은 투명전극으로는 적합하지 않다.
ITO를 대체할 수 있는 각광받고 있는 재료는 카본 나노 튜브, 그래핀, 전도성 폴리머, 금속 나노 와이어 등이 대두 되었으며, 특히 은 나노와이어는 낮은 가격과 높은 투과도 대비 낮은 면 저항을 가지고 있어, 차세대 투명전극 재료로 주목 받고 있다.
또한, 높은 유연성을 갖고 있어 유리, 경성폴리머 등의 경성기판 이외에도 연성 폴리머, 섬유 등의 유연 기판을 이용한 유연 투명전극에 응용하여 OLED, 유연 태양전지 및 터치패널 등의 다양한 분야에서 응용하고자 하는 많은 시도가 있어왔다.
나노와이어로 구성된 투명 전도성 필름의 높은 전기 전도도를 달성하기 위한 방법으로는 나노와이어 간의 네트워킹을 높이는 것과 접촉저항을 낮게 하는 방법이 있다. 이를 위하여 나노와이어의 함량을 높여서 네트워킹을 높이는 것은 매우 좋은 방법이나 나노와이어의 분산성이 나빠지고 투광도가 감소하여 한계가 있다. 이 때문에 접촉저항을 낮게 하는 여러 방법이 시도되고 있는 데 그 방법은 나노와이어를 합성하거나 분산안정화를 위하여 사용되는 절연성 캡핑제(capping agent)를 제거하는 것과 은, 금 등의 금속성 물질의 경우에는 나노와이어간 네트워킹부를 융착(welding or fusion) 하거나 접합(joining)하는 것이다.
이 절연성 캡핑제가 나노와이어 표면을 감싸게 되어 나노와이어 네트워킹부의 접촉 저항을 크게 높이는 주 요인으로 작용한다. 나노와이어간에 접촉 저항을 줄이기 위해서는 절연성 캡핑제를 화학적 방법으로 제거하거나 외부적인 에너지에 의해 나노와이어 네트워킹 부를 강제적으로 융착함을 통해 극복할 수 있다.
나노와이어 필름층의 접촉저항을 낮추기 위하여 지금까지의 방법은 180℃~250℃ 사이의 높은 열을 가하여 나노와이어간 용접시키는 가열소결법, 15 MPa 정도의 기계적 압력을 가하여 나노와이어를 압착시키는 건식 프레스법, 줄 (Joule) 발열 혹은 레이저 등의 광원을 이용하여 국부적으로 나노와이어 네트워킹부를 가열하여 소결하거나 용접하는 전기적 접합 혹은 광학적 접합 방법이 보고되었다. 그 외의 방식으로는 나노와이어 간의 네트워킹 효과를 강화시키기 위해 그래핀 이나 CNT(cabon nano tube)등 다른 전도성 재료를 복합화시키는 방법이 연구되고 있다.
아울러, 효율적인 유연성 투명전극필름을 제조하기 위해 나노와이어 주변의 절연성 캡핑제를 제거하여야 하는데, 일 예를 들면, 은 나노와이어 표면을 둘러싼 PVP(Polyvinylpyrrolidone)를 제거하기 위해서는 Methylene chloride(MC) 와 Tetrahydrofuran(THF) 등의 유기용제가 사용된다. 이들 세정제는 환경적도 유해하고, 발암물질로 인체에 유독하기 때문에 인체친화적이며, 친환경적인 세정제가 요구된다.
대부분의 유연 전자소자의 폴리머 계열 기판으로 널리 쓰이는 PET(Polyethylene terephthalate), PEN(polyethylene naphthalate) 등은 열을 이용하여 나노와이어 용접에 필요한 180℃ ~ 250℃ 온도의 고온을 견디기 어렵고, 견딜 수 있다 하더라도 폴리머 계열기판의 변형이 일어날 수 있기 때문에 유연 투명전극필름 기판으로 사용이 바람직하지 않게 된다. 산업적으로 가열 소결법은 배치(batch) 방법으로써 연속생산 방식인 롤투롤 방식과 비교하여 유연 필름 제조공정 시간이 길 뿐만 아니라 대면적 필름 제작에 불리하다는 단점이 있다. 상기한 가열 소결법 뿐만 아니라, 가압 프레스법은 상온에서 매우 높은 압력을 가하여 나노와이어를 물리적 압력을 통해 압착시키는 방법으로 물리적 압력 만으로 5초 정도의 비교적 짧은 시간에 압착시킬 수 있다는 장점이 있지만, 매우 높은 압력이 요구되어 유연 기판과 나노와이어 코팅층의 손상을 발생시킬 수 있고, 절연성 캡핑제를 제거하지 못한다는 단점이 있다.
광 소결법은 고에너지 전자빔을 이용한 접합방법으로써 상기한 방법에 비해 상대적으로 시간이 적게 걸린다는 장점이 있지만, 장비가 고가이고 대면적 조사가 어려워 대량생산이 힘들다는 단점이 있다. 또한, 크기 조절 및 확장성, 생산속도 등의 생산성 측면에서 롤투롤 방식에 크게 못 미친다.
상기한 방법 이외에도, 전도성 재료를 복합화 하는 방법은 SWCNT와 나노와이어로 네트워킹 효과가 강화 되어 면 저항이 낮아지는 효과가 있고, 플라즈모닉 빔을 이용 하여 매우 빠른 접합을 할 수 있다는 장점이 있지만, 다른 물질을 혼합하여 쓴다는 점은 공정과정이 복잡해지고 추가 비용이 든다는 단점이 있다. 또한, 상기한 방법과 비교하여 전도특성이 크게 개선되지 않는다는 문제가 있어, 여전히 기술 개발이 요구되고 있는 실정이다.
본 발명은 상기와 같은 문제를 해결하기 위한 것으로, 롤투롤 방식에 적용한 빠른 생산 속도와 유연 기판이 손상되지 않는 온도에서 작업이 가능한 나노와이어 투명 전극 제조방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
아울러, 상기 방법을 통해 투광도 및 전기적 특성이 향상된 나노와이어 투명 전극 필름을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 다른 목적 및 장점들은 하기 설명에 의하여 이해될 수 있을 것이다. 또한, 본 발명의 목적 및 장점들은 특허청구범위에 기재된 수단 또는 방법 및 이의 조합에 의해 실현될 수 있음을 쉽게 알 수 있을 것이다.
상기 과제를 해결하기 위하여, 본 발명의 일 구현예에 따르면, 폴리머 기판의 적어도 일 면을 절연성 캡핑제와 금속 나노와이어를 포함하는 코팅물질로 코팅하는 단계, 상기 코팅물질에 용매를 공급하는 제1 가소화 단계, 상기 코팅물질에 공급된 용매를 열대류 시켜 절연성 캡핑제를 부분 제거하고, 상기 금속 나노와이어간 넥킹부를 접합하는 단계, 상기 절연성 캡핑제가 부분 제거되고, 금속 나노와이어간 넥킹부가 접합된 코팅물질에 용매를 재공급하는 제2 가소화 단계, 및 상기 용매가 재공급된 코팅물질과 폴리머 기판을 두 개의 롤러 사이로 통과시켜 증기압으로 융착시키는 단계를 포함하는 롤투롤 방식을 통한 나노와이어 투명 전극 필름 제조방법이 제공된다.
다른 구현예에 따라, 상기 제1 가소화 단계 및 제2 가소화 단계는, 용매를 코팅물질 위에 분사시키는 방식 및 코팅물질을 용매에 담지 시키는 방식 중 적어도 어느 하나의 방식으로 용매를 공급할 수 있다.
다른 구현예에 따라, 상기 나노와이어간 넥킹부 접합온도는 100℃ 내지 150℃ 일 수 있다.
다른 구현예에 따라, 상기 금속 나노와이어간 넥킹부를 접합하는 단계의 접합 속도는 0.1 cm²/s 내지 20 cm²/s일 수 있다.
다른 구현예에 따라, 상기 코팅물질에 용매를 공급하는 제1 가소화 단계는 금속 나노와이어 필름의 단위 면적당 용매공급량을 10 g/m² 내지 200 g/m²으로 공급되는 것일 수 있다.
다른 구현예에 따라, 상기 코팅물질에 용매를 공급하는 제1 가소화 단계 및 상기 코팅물질에 공급된 용매를 열대류 시켜 절연성 캡핑제를 부분 제거하고, 상기 금속 나노와이어간 넥킹부를 접합하는 단계는 각각 또는 순차적으로 1회 내지 4회 반복 수행되는 것일 수 있다.
다른 구현예에 따라, 상기 증기압으로 융착시키는 단계는 100℃ 내지 200℃로 예열된 두 개 이상의 롤러에 의해 수행되는 것일 수 있다.
다른 구현예에 따라, 상기 증기압으로 융착시키는 단계는 증기압이 0.2 MPa 내지 1 MPa의 범위에 의해 수행되는 것일 수 있다.
다른 구현예에 따라, 상기 증기압으로 융착시키는 단계 0.01 m/s 내지 1 m/s의 속도로 회전하는 롤러에 의해 수행되는 것일 수 있다.
다른 구현예에 따라, 상기 용매는 증류수 또는 염소산암모늄(NH4ClO3) 이온을 포함하는 이온성 수용액일 수 있다.
다른 구현예에 따라, 상기 염소산암모늄(NH4ClO3) 이온을 포함하는 이온성 수용액의 농도는 0.01 wt% 내지 1 wt%일 수 있다.
다른 구현예에 따라, 상기 금속 나노와이어는 은, 구리, 알루미늄, 금, 팔라듐, 백금, 니켈, 로듐, 루테늄, 텅스텐, 및 아연으로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 하나의 금속을 포함하는 것일 수 있다.
다른 구현예에 따라, 상기 폴리머 기판은 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET), 폴리카보네이트(PC), 폴리메틸메타크릴레이트(PMMA), 트리아세테이트 셀룰로즈(TAC) 및 폴리에테르설폰(PES) 으로 이루어지는 군에서 선택되는 어느 하나의 화합물을 포함하는 것일 수 있다.
다른 구현예에 따라, 상기 절연성 캡핑제는 단분자 유기 물질일 수 있다.
다른 구현예에 따라, 상기 단분자 유기 물질은 폴리비닐피롤리돈(poly-vinyl pyrrolidone)일 수 있다.
다른 구현예에 따라, 전술한 어느 하나의 방법으로 제조된 나노와이어 투명 전극 필름이 제공된다.
본 발명은 절연성 캡핑제로 표면이 개질된 나노 와이어를 함유한 전극 필름에 가용성 용매를 공급하여 나노 와이어 표면부를 팽윤 시킨 후 절연성 캡핑제를 부분 제거 및 모세관력에 의한 나노 와이어간 넥킹부 접합 공정을 통해, 폴리머 기판의 변형을 초래하지 않으면서, 친환경적인 방법으로 고 투광도 고 전기전도도를 갖는 투명 전극 필름을 제조할 수 있는 이점이 있다.
또한, 롤투롤 가공시에 증기압 융착 공정을 통해 적층 구조인 나노와이어의 표면 거칠기를 감소시켜 전기적 안정성을 확보할 수 있으며, 최종적으론 높은 투광도와 우수한 전기 전도도를 가진 대면적 투명전극 필름을 대량생산할 수 있는 이점이 있다.
도 1은 용매 공급량에 따라 나노와이어간 넥킹부 접합 단계의 면저항 감소율을 도시한 그래프이다.
도 2는 실시예 1, 4 내지 6에 따른 투명 전극 필름의 면저항 감소 효과를 도시한 그래프이다.
도 3은 실시예 7-12에 따른 투명 전극 필름의 면저항 감소 효과를 도시한 그래프이다.
도 4a 및 4b는 실시예 13에 따른 투명 전극 필름의 면저항 감소 효과를 도시한 그래프이다.
도 5는 실시예 14에 따른 투명 전극 필름의 면저항 감소 효과를 도시한 그래프이다.
도 6은 실시예 15 및 실시예 16 에 따른 투명 전극 필름의 면저항 감소 효과를 도시한 그래프이다.
도 7은 실시예 17 내지 실시예 20에 따른 투광도가 서로 다른 투명 전극 필름의 면저항 감소 효과를 도시한 그래프이다.
도 2는 실시예 1, 4 내지 6에 따른 투명 전극 필름의 면저항 감소 효과를 도시한 그래프이다.
도 3은 실시예 7-12에 따른 투명 전극 필름의 면저항 감소 효과를 도시한 그래프이다.
도 4a 및 4b는 실시예 13에 따른 투명 전극 필름의 면저항 감소 효과를 도시한 그래프이다.
도 5는 실시예 14에 따른 투명 전극 필름의 면저항 감소 효과를 도시한 그래프이다.
도 6은 실시예 15 및 실시예 16 에 따른 투명 전극 필름의 면저항 감소 효과를 도시한 그래프이다.
도 7은 실시예 17 내지 실시예 20에 따른 투광도가 서로 다른 투명 전극 필름의 면저항 감소 효과를 도시한 그래프이다.
이하, 본 발명에 대하여 상세히 설명하기로 한다. 이에 앞서 본 명세서 및 특허청구범위에 사용된 용어 또는 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 해석되어서는 안되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다. 따라서, 본 명세서상에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고, 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원 시점에 있어서, 이를 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
본 발명에 따른 투명 전극 필름 제조방법은 폴리머 기판의 적어도 일 면을 절연성 캡핑제와 금속 나노와이어를 포함하는 코팅물질로 코팅하는 1 단계, 상기 코팅물질에 용매를 공급하는 제 1 가소화 단계 (2 단계), 상기 코팅물질에 공급된 용매를 열 대류 시켜 절연성 캡핑제를 부분 제거하고, 상기 금속 나노와이어간 넥킹부를 열 접합하는 3 단계, 상기 절연성 캡핑제가 부분 제거되고, 금속 나노와이어간 넥킹부가 접합된 코팅물질에 용매를 재공급하는 제 2 가소화 단계 (4 단계) 및 상기 용매가 재공급된 코팅물질과 폴리머 기판은 두 개의 롤러 사이로 통과시켜 증기압으로 융착시키는 5 단계를 포함한다.
상기 폴리머 기판의 적어도 일 면을 절연성 캡핑제와 금속 나노와이어를 포함하는 코팅물질로 코팅하는 단계의 폴리머 기판은 당해 기술분야에서 투명한 유연 기판으로 적용하는 물질은 제한없이 적용할 수 있고, 비제한적인 예로는 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET), 폴리카보네이트(PC), 폴리메틸메타크릴레이트(PMMA), 트리아세테이트 셀룰로즈(TAC), 폴리에테르설폰(PES) 등의 물질은 단독으로 사용하거나 혼합하여 사용할 수 있다.
상기 코팅물질은 절연성 캡핑제 및 금속 나노와이어가 함께 존재하는 물질로서, 바람직하게는 절연성 캡핑제가 금속 나노와이어를 감싼 형태로 존재할 수 있다.
이때, 상기 금속 나노와이어는 은, 구리, 알루미늄, 금, 팔라듐, 백금, 니켈, 로듐, 루테늄, 텅스텐, 아연 등의 금속을 하나 이상 포함할 수 있으며, 바람직하게는 은 나노와이어일 수 수 있다.
또한, 상기 절연성 캡핑제는 금속 나노와이어 표면을 감싸 금속 나노와이어의 형성과 형태를 유지할 수 있는 물질을 제한없이 적용할 수 있으며, 바람직하게는 단분자 유기물질일 수 있고, 더 바람직하게는 폴리비닐피롤리돈(poly-vinyl pyrrolidone)일 수 있다.
또한, 상기 코팅물질은 폴리머 기판은 일면 또는 양면에 코팅하여 적용할 수 있으며, 이때, 코팅방식을 당해 기술분야에서 적용하는 방법은 제한없이 적용할 수 있고, 비제한적인 예로 브러쉬 코팅, 와이어 바 코팅, 슬롯 다이코팅, 스프레이 코팅, 스핀코팅 등으로 코팅할 수 있다.
본 명세서 상에서 넥킹부는 둘 이상의 인접한 금속 나노와이어간에 서로 접합되는 부분 및 그 주변부를 포함하는 것을 의미한다.
상기 제1 가소화단계는 코팅물질에 용매를 공급하는 단계로, 금속 나노와이어 주변을 감싸고 있는 절연성 캡핑제와 금속 나노와이어 넥킹부에 용매를 공급함으로써, 절연성 캡핑제를 가소화 시키고, 넥킹부에 모세관력에 의해 수분을 응집시킬 수 있다.
이때, 상기 용매의 공급은, 코팅물질 위에 용매를 분사시키는 방식, 코팅물질을 용매에 담지 시키는 방식 중 어느 하나의 방식을 단독으로 수행하거나, 하나의 방식을 반복하여 수행하거나, 두 방식을 혼합하여 수행할 수 있다.
상기 용매는 증류수 또는 이온을 포함하는 수용액일 수 있으며, 바람직하게는 이온을 포함하는 수용액이며, 더욱 바람직하게는 염소산암모늄 (NH4ClO3) 이온을 포함하는 수용액일 수 있다.
이때, 상기 이온을 포함하는 수용액의 농도는 0.01 wt% 내지 5 wt%일 수 있으며, 바람직하게는 0.05 wt% 내지 0.4 wt%의 범위에서 투명 전극의 면 저항 감소의 효과가 최대로 발현될 수 있다.
아울러, 상기 상기 코팅물질에 용매를 공급하는 제 1 가소화 단계는 금속 나노와이어의 단위 면적당 10 g/m² 내지 500 g/m² 의 공급량으로 공급되며, 혹은, 다른 실시예에 따라 37.5 g/m² 내지 81.25 g/m² 의 공급량으로 용매가 공급될 수 있다. 이는 용매 공급량에 따라 나노와이어간 넥킹부 접합 단계의 면저항 감소율이 달라지는데, 상기 범위를 벗어나는 경우 폴리머 기판 위 코팅된 코팅물질이 손상되고 면저항 감소율이 저하될 수 있다.
상기 코팅물질에 공급된 용매를 강제 열대류 시켜 절연성 캡핑제를 부분 제거하고, 상기 금속 나노와이어간 넥킹부를 접합하는 단계는 용매가 공급된 코팅물질을 가열 시켜서, 절연성 캡핑제를 부분 제거하고 모세관력을 이용해 나노와이어간 넥킹부를 접합하는 단계이다.
구체적으로 용매가 공급되어 가소화된 코팅물질에 강제로 열을 흘려 열대 류를 일으키면, 가소화된 절연성 캡핑제는 금속 나노와이어에서 부분적으로 제거될 수 있다. 또한, 나노와이어간 넥킹부에 응집된 용매가 열 대류에 의해 급속하게 건조되면서 모세관력이 발생하게 된다. 즉 나노와이어 간 넥킹부가 수축되면서 금속 나노와이어간 접합이 이루어지게 된다. 접합된 금속 나노와이어는 접촉 저항이 감소되므로 전극의 투광도 대비 면 저항을 감소시키는데 기여할 수 있으며, 그만큼 공정 비용을 감소시킬 수 있는 이점도 있다.
상기 코팅물질에 용매를 공급하는 제1 가소화 단계 및 상기 코팅물질에 공급된 용매를 강제 열대류에 의해 절연성 캡핑제를 부분 제거하고, 상기 금속 나노와이어간 넥킹부를 접합하는 단계는 각각 또는 순차적으로 1회 내지 4회 반복 수행될 수 있으며, 상기 반복 횟수 범위를 벗어나게 되면 면저항 감소율 효과가 저하되거나 코팅 나노와이어가 손상되는 문제가 있다.
상기 나노와이어간 넥킹부 접합온도는 50℃ 내지 250℃일 수 있으며, 바람직하게는 100℃ 내지 150℃도일 수 있다. 상기 범위를 벗어나는 경우, 융점이 낮은 폴리머 기판에서는 변형이 일어나기도 하고, 코팅된 나노와이어가 손상 혹은 소결되기도 하여, 면저항 감소효과가 저하되는 문제가 일어날 수 있다.
아울러, 상기 금속 나노와이어간 넥킹부를 접합하는 3단계의 접합 속도는 0.1 cm²/s 내지 200 cm²/s이고, 다른 실시예로는 0.64 cm²/s 내지 3.2 cm²/s 일 수 있으며, 상기 범위를 벗어나는 경우, 폴리머 기판의 변형이 일어나거나 면저항 감소 효과가 저하되고, 공정 시간이 증가하는 문제가 있다.
상기 제2 가소화단계는, 모세관력에 의해 나노와이어간 넥킹부가 접합된 코팅물질에 용매를 다시 공급하여, 넥킹부가 접합된 나노와이어에서 부분 제거된 절연성 캡핑제를 가소화시키고, 금속 나노와이어 접합부와 그 주변에 용매를 고르게 분산시키는 단계이다.
이때, 상기 용매의 재공급은, 코팅물질 위에 용매를 분사시키는 방식, 코팅물질을 용매에 담지시키는 방식 중 어느 하나의 방식을 단독으로 수행하거나, 하나의 방식을 반복하여 수행하거나, 두 방식을 혼합하여 수행할 수 있다.
상기 용매는 증류수 또는 이온을 포함하는 수용액일 수 있으며, 바람직하게는 이온을 포함하는 수용액이며, 더욱 바람직하게는 염소산암모늄(NH4ClO3) 이온을 포함하는 수용액일 수 있다.
이때, 상기 이온을 포함하는 수용액의 농도는 0.01 wt% 내지 5 wt%일 수 있으며, 바람직하게는 0.05 wt% 내지 0.4 wt%의 범위에서 투명 전극의 면 저항 감소의 효과가 최대로 발현될 수 있다.
상기 증기압으로 융착 시키는 5 단계는 용매가 재공급된 코팅물질과 폴리머 기판을 두 개의 롤러 사이로 통과시켜 용매에서 발생하는 2 MPa 이하의 증기압을 이용해 나노와이어를 융착시키는 단계이다. 이는 금속 나노와이어 접합부와 그 주변에 응집된 용매를 증발 온도 이상으로 예열된 롤러로 롤투롤 공정을 진행하게 되면, 용매가 증발되면서 부피가 팽창한다. 이때 발생되는 증기압으로 금속 나노와이어간 융착 이 이루어지게 된다. 이렇게 와이어간 융착이 이루어지게 되면 접합 면적이 넓어지고, 전기 전도도가 향상된다.
상기 증기압 융착 단계는 100℃ 내지 250℃로 예열된 두 개의 롤러에 의해 수행될 수 있으며, 바람직하게는 증기압 융착 단계는 100℃ 내지 150℃이 효과적이다. 상기 증기압 융착 단계는 증기압이 0.2 MPa 내지 2 MPa의 범위에서 수행될 수 있으며, 바람직하게는 증기압 융착 단계는 증기압이 0.2 MPa 내지 0.7 MPa이 효과적이다. 상기 온도 및 증기압 범위를 벗어나는 경우, 폴리머 기판의 변형이 일어나거나, 코팅된 나노와이어 손상이 이루어지며, 온도 및 증기압이 낮을 시 면저항 감소효과가 저하되는 문제가 있다.
상기 증기압으로 융착시키는 단계 0.01 m/s 내지 50 m/s의 속도로 회전하는 롤러에 의해 수행될 수 있으며, 바람직하게는 0.01 m/s 내지 1 m/s의 속도로 수행될 수 있으며, 속도가 0.01 m/s보다 낮을 경우 코팅된 나노와이어가 롤 면에 닿는 시간이 증가하여 손상될 위험이 증가한다.
이하, 본 발명을 구체적으로 설명하기 위하여 실시예를 들어 상세히 설명하기로 한다. 그러나 본 발명에 따른 실시예들은 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 아래에서 상술하는 실시예들에 한정되는 것으로 해석되어서는 안 된다. 본 발명의 실시예들은 당업계에서 평균적인 지식을 가지는 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위해서 제공되는 것이다.
[실시예 1]
PET 기판 위에 두께 평균이 40 nm이고, 길이 25 μm~30 μm 범위로 분포된 은 나노와이어 및 폴리비닐피롤리돈(poly-vinyl pyrrolidone)을 에탄올에 0.5 wt% 희석시켜 얻은 은 나노와이어 용액을 150 μm두께의 PET 필름 위에 코팅시켰다. 은 나노와이어가 균일하게 코팅된 투광도 90% 이상의 코팅필름 위에 단위 면적당 용매공급량이 68.75 g/m²이 되도록 증류수를 분사 한 후, 나노와이어간 넥킹부 접합을 위하여 열 유량 500 l/min, 온도 135℃, 접합 속도 3.2 cm²/s의 조건으로 실시하였다. 1→2→3→4 단계 이후, 110℃로 예열된 롤러 사이로 통과 시켜 투명 전극 필름을 제조하였다.
[실시예 2]
코팅 물질의 단위 면적당 용매공급량이 37.5 g/m²이 되도록 증류수를 분사 한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 투명 전극 필름을 제조하였다.
[실시예 3]
코팅 물질의 단위 면적당 용매공급량이 81.25 g/m²이 되도록 증류수를 분사 한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 투명 전극 필름을 제조하였다.
도 1은 용매 공급량에 따라 나노와이어간 넥킹부 접합 단계의 면저항 감소율을 측정하여 도시한 그래프이다. 도 1을 참조하면, 용매 공급량이 37.5 g/m² 내지 81.25 g/m²을 벗어나는 경우 면저항 감소율이 급격이 저하되는 것을 확인할 수 있다.
[실시예 4]
4→5 단계를 2회 반복한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 투명 전극 필름을 제조하였다.
상기한 증기압 융착 롤투롤 단계를 2회 반복 실시한 결과, 나노와이어가 손상되어 면저항이 33.4 ohm/sq에서 34.2 ohm/sq로 약간 증가하여, 면저항 감소효과는 거의 없는 것으로 확인되었다.
[실시예 5]
2→3 단계를 3회 반복한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 투명 전극 필름을 제조하였다.
[실시예 6]
2→3 단계를 4회 반복한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 투명 전극 필름을 제조하였다.
도 2는 실시예 1, 4 내지 6에 따른 투명 전극 필름의 면저항 감소 효과를 측정하여 도시한 그래프이다. 도 2를 참조하면, 2→3 단계의 반복 횟수 범위가 1회 내지 4회를 벗어나게 되면 면저항 감소율 효과가 저하되는 것을 확인할 수 있다.
[실시예 7~11]
나노와이어간 넥킹부 접합온도를 53℃, 77℃, 115℃, 148℃, 157℃로 변경한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 투명 전극 필름을 제조하였다.
[실시예 12]
나노와이어간 넥킹부 접합 속도를 0.64 cm²/s ~ 3.2 cm²/s 범위에서 다양하게 적용하게 투명 전극 필름을 제조하였다.
도 3는 실시예 7-12에 따른 투명 전극 필름의 면저항 감소 효과를 측정하여 도시한 그래프이다. 도 3을 참조하면, 나노와이어간 넥킹부 접합온도가 53℃ 내지 157℃ 범위를 만족하고, 접합 속도가 0.64 cm²/s 내지 3.2 cm²/s를 만족하는 경우 면저항 감소 효과가 저하되지 않는다는 것을 확인할 수 있다.
[실시예 13]
롤러 챔버 내의 온도 및 증기압을 다양하게 적용한 투명전극 필름을 제조하였다.
도 4a 및 4b는 실시예 13에 따른 투명 전극 필름의 면저항 감소 효과를 측정하여 도시한 그래프이다. 롤러 챔버 내의 온도가 100℃ 미만이거나 증기압이 0.2 MPa 미만인 경우 면저항 감소효과가 저하되며, 140를 초과하는 경우 연성 폴리머 기판의 변형이 일어나거나, 코팅된 나노와이어 손상이 이루어지는 것을 확인할 수 있다.
[실시예 14]
실시예 1에서 증기압으로 융착시키는 단계의 속도를 0.013 m/s 내지 0.054 m/s의 속도로 다양하게 적용한 투명 전극 필름을 제조하였다.
도 5는 실시예 14에 따른 투명 전극 필름의 면저항 감소 효과를 측정하여 도시한 그래프이다. 속도가 0.013 m/s 내지 0.054 m/s를 벗어나는 경우 나노와이어가 손상되어 면저항 감소 효과가 저하되는 것을 확인할 수 있다.
[실시예 15]
증류수 대신에 농도가 0.05 wt% 내지 0.2 wt%인 염소산암모늄(NH4ClO3) 이온을 포함하는 수용액을 사용한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 투명 전극 필름을 제조하였다.
[실시예 16]
110℃로 예열된 롤러 챔버 사이로 통과 시키는 단계를 제외하고는 실시예 15와 동일한 방법으로 투명 전극 필름을 제조하였다.
도 6은 실시예 15 및 실시예 16 에 따른 투명 전극 필름의 면저항 감소 효과를 측정하여 도시한 그래프이다. 검정색 선은 실시예 16, 붉은색 선은 실시예 15를 나타내는 것으로, 염소산암모늄 이온의 농도가 0.05 wt% 내지 0.2 wt%를 만족하는 경우 투광도 90% 이상의 투명 전극의 면 저항 감소가 약 50%로 발현되는 것을 확인할 수 있다.
[실시예 17~20]
은 나노와이어의 투광도가 다른 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 투명 전극 필름을 제조하였다.
도 7은 실시예 17 및 실시예 20 에 따른 투명전극 투광도에 따라 면저항 감소효과를 측정하여 도시한 그래프이다. 실시예 17은 투광도 97.1%이고 공정 전 면저항이 104 ohm/sq 인 투명전극을 나타내고, 실시예 18은 투광도 96.4 %이고 공정 전 면저항이 60 ohm/sq 인 투명전극을 나타내며, 실시예 19는 투광도 95.7 %이고 공정 전 면저항이 35.4 ohm/sq 인 투명전극을 나타내며, 마지막으로 실시예 20은 투광도 91.8%이고 공정 전 면저항이 17 ohm/sq 인 투명전극을 의미한다. 실시예 17의 예에서 투광도 97.1% 의 투명 전극의 면 저항 감소가 67%로 최대로 발현되는 것을 확인할 수 있다.
이상과 같이, 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 이것에 의해 한정되지 않으며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술 사상과 이래에 기재될 특허청구범위의 균등 범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능함은 물론이다.
Claims (15)
- 폴리머 기판의 적어도 일 면을 절연성 캡핑제와 금속 나노와이어를 포함하는 코팅물질로 코팅하는 단계;
상기 코팅물질에 용매를 공급하는 제1 가소화 단계;
상기 코팅물질에 공급된 용매에 열을 가하여, 이를 강제 열대류 시켜 절연성 캡핑제를 부분 제거하며 모세관력에 의하여 상기 금속 나노와이어간 넥킹부를 접합하는 단계;
상기 절연성 캡핑제가 부분 제거되고, 금속 나노와이어간 넥킹부가 접합된 코팅물질에 용매를 재공급하는 제2 가소화 단계; 및
상기 용매가 재공급된 코팅물질과 폴리머 기판을 상기 용매의 증발 온도 이상으로 예열된 두 개 이상의 롤러 사이로 통과시켜, 상기 용매의 증발에 따른 증기압으로 서로 인접한 상기 금속 나노와이어들을 융착시키는 단계;를 포함하는 롤투롤(roll to roll) 방식을 통한 나노와이어 투명 전극 필름 제조방법. - 제1항에 있어서,
상기 제1 가소화 단계 및 제2 가소화 단계는, 용매를 코팅물질 위에 분사시키는 방식 및 코팅물질을 용매에 담지 시키는 방식 중 적어도 어느 하나의 방식으로 용매를 공급하는 롤투롤(roll to roll) 방식을 통한 나노와이어 투명 전극 필름 제조방법. - 제1항에 있어서,
상기 나노와이어간 넥킹부 접합온도는 100℃ 내지 250℃ 인 롤투롤(roll to roll) 방식을 통한 나노와이어 투명전극 필름 제조방법. - 제1항에 있어서,
상기 금속 나노와이어간 넥킹부를 접합하는 단계의 접합 속도는 0.1 cm²/s 내지 200 cm²/s인 롤투롤(roll to roll) 방식을 통한 나노와이어 투명전극 필름 제조방법. - 제1항에 있어서,
상기 코팅물질에 용매를 공급하는 제1 가소화 단계는 금속 나노와이어 필름의 단위 면적당 용매공급량을 10 g/m² 내지 500 g/m²으로 공급되는 것인 롤투롤 방식을 통한 나노와이어 투명전극 필름 제조방법.
- 제1항에 있어서,
상기 코팅물질에 용매를 공급하는 제1 가소화 단계 및 상기 코팅물질에 공급된 용매를 열대류 시켜 절연성 캡핑제를 부분 제거하고, 상기 금속 나노와이어간 넥킹부를 접합하는 단계는 각각 또는 순차적으로 1회 내지 4회 반복 수행되는 롤투롤(roll to roll) 방식을 통한 나노와이어 투명전극 필름 제조방법. - 제1항에 있어서,
상기 증기압으로 융착시키는 단계는 증기압이 0.2 MPa 내지 2 MPa로 공급되는 것인 롤투롤(roll to roll) 방식을 통한 나노와이어 투명전극 필름 제조방법. - 제1항에 있어서,
상기 증기압으로 융착시키는 단계는 0.01 m/s 내지 50 m/s의 속도로 회전하는 롤러에 의해 수행되는 롤투롤(roll to roll) 방식을 통한 나노와이어 투명전극 필름 제조방법. - 제1항에 있어서,
상기 용매는 증류수 또는 염소산암모늄(NH4ClO3) 이온을 포함하는 수용액인 롤투롤(roll to roll) 방식을 통한 나노와이어 투명전극 필름 제조방법. - 제9항에 있어서,
상기 염소산암모늄(NH4ClO3) 이온을 포함하는 수용액의 농도는 0.01 wt% 내지 5 wt%인 롤투롤(roll to roll) 방식을 통한 나노와이어 투명전극 필름 제조방법. - 제1항에 있어서,
상기 금속 나노와이어는 은, 구리, 알루미늄, 금, 팔라듐, 백금, 니켈, 로듐, 루테늄, 텅스텐, 및 아연으로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 하나의 금속을 포함하는 것을 특징으로 하는 롤투롤(roll to roll) 방식을 통한 나노와이어 투명 전극 필름 제조방법. - 제1항에 있어서,
상기 폴리머 기판은 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET), 폴리카보네이트(PC), 폴리메틸메타크릴레이트(PMMA), 트리아세테이트 셀룰로즈(TAC) 및 폴리에테르설폰(PES) 으로 이루어지는 군에서 선택되는 어느 하나의 화합물을 포함하는 것을 특징으로 하는 롤투롤(roll to roll) 방식을 통한 나노와이어 투명 전극 필름 제조방법.
- 제1항에 있어서,
상기 절연성 캡핑제는 단분자 유기 물질인 것을 특징으로 하는 롤투롤(roll to roll) 방식을 통한 나노와이어 투명 전극 필름 제조방법.
- 제13항에 있어서,
상기 단분자 유기 물질은 폴리비닐피롤리돈(poly-vinyl pyrrolidone)인 것을 특징으로 하는 롤투롤(roll to roll) 방식을 통한 나노와이어 투명 전극 필름 제조방법. - 제1항 내지 제14항 중 어느 하나의 방법으로 제조된 나노와이어 투명 전극 필름.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020170051297A KR101913335B1 (ko) | 2017-04-20 | 2017-04-20 | 네트워크 구조가 강화된 나노 와이어 투명 전극 제조방법 및 이에 의해 제조된 투명 전극 필름 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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| KR1020170051297A KR101913335B1 (ko) | 2017-04-20 | 2017-04-20 | 네트워크 구조가 강화된 나노 와이어 투명 전극 제조방법 및 이에 의해 제조된 투명 전극 필름 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| KR101913335B1 true KR101913335B1 (ko) | 2018-10-30 |
Family
ID=64100938
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
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| KR1020170051297A KR101913335B1 (ko) | 2017-04-20 | 2017-04-20 | 네트워크 구조가 강화된 나노 와이어 투명 전극 제조방법 및 이에 의해 제조된 투명 전극 필름 |
Country Status (1)
| Country | Link |
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| KR (1) | KR101913335B1 (ko) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR20200054635A (ko) * | 2018-11-12 | 2020-05-20 | 주식회사 에스나노텍 | 은나노와이어 투명 전극의 제조 방법 및 이에 의한 은나노와이어 투명 전극 |
-
2017
- 2017-04-20 KR KR1020170051297A patent/KR101913335B1/ko active IP Right Grant
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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| KR20200054635A (ko) * | 2018-11-12 | 2020-05-20 | 주식회사 에스나노텍 | 은나노와이어 투명 전극의 제조 방법 및 이에 의한 은나노와이어 투명 전극 |
| WO2020101289A1 (ko) * | 2018-11-12 | 2020-05-22 | 주식회사 에스나노텍 | 은나노와이어 투명 전극의 제조 방법 및 이에 의한 은나노와이어 투명 전극 |
| KR102171371B1 (ko) * | 2018-11-12 | 2020-10-28 | 주식회사 에스나노텍 | 은나노와이어 투명 전극의 제조 방법 및 이에 의한 은나노와이어 투명 전극 |
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