KR102006831B1 - 탄소나노튜브 방적사를 구비하는 유연 전극 장치, 이의 제조방법 및 이를 이용한 발열 장치 - Google Patents

탄소나노튜브 방적사를 구비하는 유연 전극 장치, 이의 제조방법 및 이를 이용한 발열 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명에 의하면, 유연한 재질의 판상의 기재(110); 및 상기 기재와 평행하게 배치되고 상기 기재를 관통하는 하나 이상의 탄소나노튜브 방적사(120)를 포함하는 유연 전극 장치가 제공된다.

Description

탄소나노튜브 방적사를 구비하는 유연 전극 장치, 이의 제조방법 및 이를 이용한 발열 장치 {FLEXIBLE ELECTRODE DEVICE WITH CARBON NANOTUBE YARN, METHOD FOR MAKING THE SAME, AND HEATING APPARATUS USING THE SAME}
본 발명은 유연 전극에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 탄소나노튜브를 이용하는 유연 전극, 이를 이용한 발열체 및 이의 제조방법에 관한 것이다.
최근 웨어러블(wearable), 유연한(flexible) 기기들이 증가하면서 이들의 전기 신호를 감지하기 위한 전극 개발도 함께 병행되고 있다. 기존의 금속 기반의 전극들은 구부러짐, 휘어짐, 눌림 같은 외력에 의해 전극의 변형이 발생하여 전기적 특성이 변하게 되어 웨어러블하고 유연한 기기에 적용하는데 한계가 있었다.
본 발명은 발열체로 활용이 가능한 탄소나노튜브를 이용한 유연한 전극에 관한 것으로서, 본 발명의 기술분야와 관련하여 미국 등록특허 US 9,022,464에는 플렉서블 기판 상에 탄소나노튜브층이 접착제로 부착되어 형성된 발열체의 구성이 기재되어 있으며, 대한민국 등록특허 제10-1225143호에는 탄소나노튜브를 함유하는 분산용액을 유연성 기재에 도포하여 형성되는 연성 전극소재가 기재되어 있다.
미국 등록특허 US 9,022,464 B2 "HEATABLE SEAT" (2015.05.05.) 대한민국 등록특허공보 등록번호 10-1225143 "연성 전극소재 및 그 제조방법" (2013.01.25.)
본 발명의 목적은 변형에 의한 전극 특성의 변화가 없고 발열체로 적용이 가능한 유연 전극 장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 단순한 공정으로 제작할 수 있는 탄소나노튜브를 이용하는 유연 전극 장치를 제공하는 것이다.
상기한 본 발명의 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 일 측면에 따르면,
유연한 재질의 판상의 기재(110); 및 상기 기재와 평행하게 배치되고 상기 기재를 관통하는 하나 이상의 탄소나노튜브 방적사(120)를 포함하는 유연 전극 장치가 제공된다.
상기 탄소나노튜브 방적사는 스피닝이 가능한 탄소나노튜브로 제작된 스핀 가능 탄소나노튜브 시트로부터 탄소나노튜브를 뽑아 꼬아서 제조된 것일 수 있다.
상기 스피닝이 가능한 탄소나노튜브는, 산화알루미늄이 코팅되고 그 위에 철촉매가 코팅된 기판을 준비하는 단계와, 상기 철촉매가 코팅된 기판을 분위기 가스를 주입하면서 성장 온도까지 상승시키는 단계와, 상기 성장 온도를 유지하면서 환원가스와 탄소함유 가스를 주입하는 단계를 포함하는 방법에 의해 제조되며, 상기 철촉매는 1.5nm 내재 7nm의 두께로 코팅되는 것이 바람직하다.
상기 기재는 PDMS 재질일 수 있다.
상기 탄소나노튜브 방적사는 다수 개이며, 상기 다수의 탄소나노튜브 방적사는 병렬로 배치될 수 있다.
상기한 본 발명의 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 다른 측면에 따르면,
유연한 폴리머 기판을 준비하는 기판 준비 단계; 상기 폴리머 기판 상에 하나 이상의 탄소나노튜브 방적사를 배치하는 탄소나노튜브 방적사 배치 단계; 및 상기 탄소나노튜브 방적사가 배치된 상기 폴리머 기판 상에 폴리머를 코팅하는 폴리머 코팅 단계를 포함하는 유연 전극 제조 방법이 제공된다.
상기 폴리머 기판 및 상기 폴리머 코팅 단계에서 사용되는 폴리머는 PDMS일 수 있다.
상기 탄소나노튜브 방적사 배치 단계에서 상기 탄소나노튜브는 다수 개가 병렬로 배치될 수 있다.
상기한 본 발명의 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 또 다른 측면에 따르면,
유연한 재질의 판상의 기재(110); 상기 기재와 평행하게 배치되고 상기 기재를 관통하는 하나 이상의 탄소나노튜브 방적사(120); 및 상기 탄소나노튜브 방적사에 연결되는 전원(180)을 포함하는 발열 장치가 제공된다.
본 발명에 의하면 앞서서 기재한 본 발명의 목적을 모두 달성할 수 있다. 구체적으로는, 유연한 재질의 판상의 기재(110); 및 상기 기재와 평행하게 배치되고 상기 기재를 관통하는 하나 이상의 탄소나노튜브 방적사(120)를 포함하는 유연 전극 장치가 제공되므로 변형에 의한 전극 특성의 변화가 없게 된다.
또한, 발열체로 이용할 경우 다수의 탄소나노튜브 방적사를 병렬로 연결할수록 전극의 저항이 낮아져서 같은 전력량에서도 높은 발열 특성을 갖게 된다.
그리고 탄소나노튜브 방적사가 스피닝 탄소나노튜브를 이용하여 제작되므로 단순한 공정에서 저렴하게 제작되는 것이 가능하게 된다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 유연 전극 장치의 구조를 개략적으로 도시한 사시도로서, 발열체로 이용될 때 연결되는 전원이 함께 도시된 것이다.
도 2는 도 1에 도시된 유연 전극 장치의 탄소나노튜브 방적사의 제조에 사용되는 스피닝 가능한 탄소나노튜브의 성장 과정에 대한 각 단계를 도시한 도면이다.
도 3은 도 2의 과정을 통해 성장한 탄소나노튜브 다발에서 방적사가 형성되는 과정을 도시한 도면이다.
도 4는 도 1에 도시된 유연 전극 장치의 발열 특성을 보여주는 그래프이다.
도 5는 도 1에 도시된 유연 전극 장치의 제조방법을 설명하는 순서도이다.
이하, 도면을 참조하여 본 발명의 실시예의 구성 및 작용을 상세히 설명한다.
도 1에는 본 발명의 일 실시예에 따른 유연 전극 장치가 발열체로 이용될 때 연결되는 전원과 함께 사시도로서 도시되어 있다. 도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 유연 전극 장치(100)는 유연한 재질의 기재(110)와, 기재를 관통하는 적어도 하나의 탄소나노튜브 방적사(120)를 포함한다.
기재(110)는 얇은 판상의 형태로서 폴리머와 같이 유연한 재질로 이루어지는데, 본 실시예에서는 유연성이 우수한 PDMS(Polydimethylsiloxane) 재질인 것으로 설명한다. 본 실시예에서는 기재(110)가 직사각형 형상인 것으로 도시하여 설명하지만, 본 발명은 이에 제한되지 않으며, 다양한 형태와 크기로 변경될 수 있다.
탄소나노튜브 방적사(120)는 하나 이상이 기재(110)와 평행하게 연장되도록 배치되어서 기재(110)를 관통한다. 본 실시예에서는 병렬로 나란하게 배치되는 8개의 탄소나노튜브 방적사(120)가 구비되는 것으로 설명하며, 본 발명은 이에 제한되는 것은 아니다. 다수의 탄소나노튜브 방적사(120) 각각의 양단은 외부와의 전기적 접속을 위해 기재(110)의 양측으로부터 돌출된다.
탄소나노튜브 방적사(120)는 스핀 가능 탄소나노튜브 시트(spin-capable CNT sheet)로부터 탄소나노튜브를 뽑아 꼬아서 제작된다. 스핀 가능 탄소나노튜브 시트는 기판에서 성장된 탄소나노튜브를 직접적으로 바로 필름 형태로 뽑아낼 수 있는 스피닝이 가능한(spinning or spin-capable) 탄소나노튜브로 제작된 것으로서, 재현성이 부족하고 정화를 위한 후처리가 필요한 다른 방법(공중부양형, 딥코팅, 스핀코팅, 스프레이)으로 제조되는 탄소나노튜브 필름에 비해 단순하고 저렴하게 센서를 제작할 수 있게 된다.
스피닝이 가능한 탄소나노튜브는 다음과 같은 방법으로 성장시킬 수 있다. 먼저, 도 2의 ①에 도시된 구조와 같이 상면에 비정질 산화물층, 산화알루미늄(Al2O3)층 및 촉매층 이 차례대로 적층되어서 형성된 실리콘(Si) 기판을 준비한다. 비정질 산화물층, 산화알루미늄층 및 촉매층은 습식법(딥코팅, 스핀코팅) 또는 건식법(스퍼터, 전자빔)에 의해 증착되어서 형성된다. 비정질 산화물층은 절연 및 단열을 위해 실리콘 기판 위에 코팅된 것으로서, 본 실시예에서는 SiO2로 이루어진다. 비정질 산화물층의 위에 3nm의 두께로 코팅되는 산화알루미늄층은 스피닝이 가능한 탄소나노튜브의 제조를 위한 공정 조건을 확장시키는 역할을 한다. 촉매층은 산화알루미늄층 위에 코팅되는 철(Fe)로 이루어진다. 다음, 아르곤 가스(300sccm) 분위기에서 수소 가스(150sccm 내지 700sccm)와 아세틸렌 가스(700sccm)을 성장 온도(650℃ 내지 900℃)까지 상승시키면, 필름이었던 촉매가 도 2의 ②에 도시된 바와 같이 수십 nm의 직경을 갖는 파티클로 변한다. 스피닝이 가능하기 위해서는 파티클의 직경과 밀도가 각각 15±7 nm와 1.5×1010/㎠가 되어야 하며, 이를 위한 촉매층의 두께 조건은 1.5nm 내지 7nm이다. 산화알루미늄층이 사용되지 않는 경우, 스피닝이 가능한 탄소나노튜브 제조를 위한 조건은 촉매층 두께, 약 4nm 성장 온도 약 800℃ 수소 가스 400sccm 등으로서, 산화알루미늄층을 사용하는 경우보다 까다로운 공정 조건이 요구된다. 산화알루미늄층을 형성하는 경우 공정 조건이 확장되는 이유는, 산화알루미늄이 고온에서 형성된 촉매 금속 파티클의 기판으로의 확산을 보호하고 파티클 형성 후 오스트발트 숙성(Ostwald ripening : 작은 입자가 더욱 작게 되어 소명하고, 보다 큰 입자로 성장하는 현상)을 산화막(SiO2)보다 효율적으로 저지하기 때문이다. 다음, 성장 온도를 유지하며 환원가스인 수소(H2) 400 sccm과 탄소함유 가스(본 실시예에서는 C2H2 700 sccm)을 주입하면 고온의 환경에 의해 C-H 분자가 열분해되고 H2는 외부로 배출되고 탄소 분자만 파티클 위에 증착되고 이것이 육면체 모양을 형성하는 핵화(necleation)가 도 2의 ③에 도시된 바와 같이 형성된다. 계속 성장 온도를 유지하면서 환원가스와 탄소함유 가스를 공급하면 도 2의 ④에 도시된 바와 같이 육면체 모양으로 탄소나노튜브가 성장하며, 탄소함유 가스의 공급을 멈추면 성장이 멈추게 된다. 이후, 성장된 탄소나노튜브 다발(forest 또는 array)에서 도 3에 도시된 바와 같이, 직접적으로 필름이나 시트 형태로 뽑을 수 있고, 이 시트를 꼬아서 방적사(yarn)을 형성할 수도 있다.
유연 전극 장치(110)는 유연한 폴리머와 탄소나노튜브 방적사를 복합화함으로써, 압력, 스트레인, 벤딩 등 외력에 의한 변형으로 인해 전극 특성이 변화하는 것을 방지하여 웨어러블 기기나 플렉서블 기기에 사용되는 전극으로 유용하게 사용될 수 있다.
유연 전극 장치(110)가 발열체로 사용되는 경우에는 도 1에 도시된 바와 같이 다수의 탄소나노튜브 방적사(120)에 전원(180)이 연결된다. 발열체로 적용될 경우 차량의 스티어링휠, 의자 및 기능성 의류 등에 발열 제품으로 사용될 수 있다. 도 4는 도 1에 도시된 유연 전극 장치의 발열 특성을 보여주는 그래프이다. 도 4의 그래프에서 가로축은 인가 전압이고 세로축은 발열 온도이다. 도 4로부터 탄소나노튜브 방적사를 병렬로 많이 연결할수록 전체 전극의 저항이 낮아져서 같은 전력량에서도 높은 발열 특성을 갖는다는 것이 확인된다.
도 5에는 도 1에 도시된 유연 전극 장치를 제조하는 방법의 일 실시예를 설명하는 순서도가 도시되어 있다. 도 5를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 유연 전극 장치의 제조 방법은 폴리머 기판 준비 단계(S10)와, 탄소나노튜브 방적사 배치 단계(S20)와, 폴리머 코팅 단계(S30)를 포함한다.
폴리머 기판 준비 단계(S10)에서는 경화되기 전의 유연한 폴리머 기판이 준비된다. 본 실시예에서는 PDMS 재질의 폴리머 기판이 사용되는 것으로 설명한다. 폴리머 기판 준비 단계(S10)를 통해 폴리머 기판이 준비된 후에는 탄소나노튜브 방적사 배치 단계(S20)가 수행된다.
탄소나노튜브 방적사 배치 단계(S20)에서는 폴리머 기판 준비 단계(S10)에서 준비된 폴리머 기판 상에 하나 이상의 탄소나노튜브 방적사가 배치된다. 탄소나노튜브 방적사 배치 단계(S20)에서 사용되는 탄소나노튜브 방적사는 위에서 설명된 바와 같이 스핀 가능 탄소나노튜브 시트(spin-capable CNT sheet)로부터 탄소나노튜브를 뽑아 꼬아서 제작된 것이다. 본 실시예에서는 도 1에 도시된 바와 같이 다수의 탄소나노튜브 방적사(120)가 병렬로 배치되는 것으로 설명하는데, 본 발명은 이에 제한되는 것은 아니며, 다양한 형태로 어레이화 하여 형성될 수 있다. 탄소나노튜브 방적사 배치 단계(S20)가 완료된 후에는 폴리머 코팅 단계(S30)가 수행되다.
폴리머 코팅 단계(S30)에서는 탄소나노튜브 방적사 배치 단계(S20)를 통해 탄소나노튜브 방적사가 배치된 폴리머 기판 상에 폴리머가 코팅됨으로써 수행된다. 폴리머 코팅 단계(S30)가 완료된 후에 도 1에 도시된 바와 같은 구조의 유연 전극(100)이 제조된다.
이상 실시예를 통해 본 발명을 설명하였으나, 본 발명은 이에 제한되는 것은 아니다. 상기 실시예는 본 발명의 취지 및 범위를 벗어나지 않고 수정되거나 변경될 수 있으며, 본 기술분야의 통상의 기술자는 이러한 수정과 변경도 본 발명에 속하는 것임을 알 수 있을 것이다.
100 : 유연 전극 장치
110 : 기재
120 : 탄소나노튜브 방적사

Claims (11)

  1. 유연한 재질의 판상의 기재; 및
    상기 기재와 평행하게 배치되고 상기 기재를 관통하여 양단이 외부와의 전기적 접속을 위해 상기 기재의 양측으로 돌출되는 탄소나노튜브 방적사를 하나 이상 포함하고,
    상기 탄소나노튜브 방적사는 스피닝이 가능한 탄소나노튜브로 제작된 스핀가능 탄소나노튜브 시트로부터 탄소나노튜브를 뽑아 꼬아서 제조되며,
    상기 스피닝이 가능한 탄소나노튜브는 비정질 산화물층, 산화알루미늄(Al2O3)층 및 철로 형성된 촉매층이 상면에 순차적으로 코팅된 실리콘(Si) 기판을 이용하여 형성되고,
    상기 산화알루미늄층의 두께는 3nm(나노미터)이며,
    상기 촉매층의 두께는 1.5 내지 7nm(나노미터)이고,
    상기 실리콘 기판에 분위기 가스로써 아르곤 가스, 아세틸렌 가스 및 150 내지 700sccm의 수소 가스를 주입하면서 650 내지 900℃의 성장온도까지 상승시키면 상기 촉매층에 파티클이 형성되며,
    상기 촉매층이 변하여 생성되는 상기 파티클의 직경은 8 내지 22nm(나노미터)이고,
    상기 성장온도를 유지하면서 추가적인 수소 가스와 아세틸렌 가스를 주입하면, 아세틸렌 분자의 열분해에 의해 생성된 탄소 분자가 상기 파티클 상 증착되어 육면체 형상을 형성하는 핵화가 수행되고, 계속 상기 성장온도를 유지하면 상기 파티클 상에서 상기 스피닝이 가능한 탄소나노튜브가 성장하는 것을 특징으로 하는 유연 전극 장치.
  2. 삭제
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 성장 온도를 유지하면서 환원가스와 탄소함유가스를 주입하면 탄소 분자만 상기 파티클에 증착되어 성장됨으로써, 상기 스피닝이 가능한 탄소나노튜브가 형성되는 것을 특징으로 하는 유연 전극 장치.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 기재는 PDMS 재질인 것을 특징으로 하는 유연 전극 장치.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 탄소나노튜브 방적사는 다수 개이며,
    상기 다수의 탄소나노튜브 방적사는 병렬로 배치되는 것을 특징으로 하는 유연 전극 장치.
  6. 청구항 1의 유연 전극 장치의 제조방법에 있어서,
    폴리머 소재로 형성되는 폴리머 기판을 준비하는 폴리머 기판 준비 단계;
    상기 폴리머 기판 상에 하나 이상의 상기 탄소나노튜브 방적사를 배치하는 탄소나노튜브 방적사 배치 단계; 및
    상기 탄소나노튜브 방적사가 배치된 상기 폴리머 기판 상에 폴리머 소재를 코팅하는 폴리머 코팅 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 유연 전극 장치의 제조방법.
  7. 청구항 6에 있어서,
    상기 폴리머 기판 및 상기 폴리머 코팅 단계에서 사용되는 폴리머는 PDMS인 것을 특징으로 하는 유연 전극 장치의 제조방법.
  8. 청구항 6에 있어서,
    상기 탄소나노튜브 방적사 배치 단계에서 상기 탄소나노튜브는 다수 개가 병렬로 배치되는 것을 특징으로 하는 유연 전극 장치의 제조방법.
  9. 삭제
  10. 삭제
  11. 청구항 1의 유연 전극 장치를 이용한 발열 장치에 있어서,
    청구항 1의 유연 전극 장치; 및
    상기 탄소나노튜브 방적사에 연결되는 전원;을 포함하는 것을 특징으로 하는 유연 전극 장치를 이용한 발열 장치.
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