KR102063466B1 - 전극용 미세섬유의 제조 방법 - Google Patents

전극용 미세섬유의 제조 방법 Download PDF

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Abstract

우수한 전기 전도성을 갖는 전극용 미세섬유 및 그 제조 방법에 대하여 개시한다.
본 발명에 따른 본 발명에 따른 전극용 미세섬유의 제조 방법은 (a) 유기용매와 PEDOT:PSS (poly(3,4-ethylenedioxythiophene):polystyrene sulfonate)를 포함하는 방사용액을 준비하는 단계; (b) 상기 방사용액을 황산을 포함하는 응고욕 내에서 습식 방사하여 전극용 미세섬유를 수득하는 단계; 및 (c) 상기 수득된 전극용 미세섬유를 수세처리하여 건조하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

전극용 미세섬유의 제조 방법{METHOD FOR MANUFACTURING FINE FIBER FOR ELECTRODE}
본 발명은 전극용 미세섬유에 관한 것으로, 보다 상세하게는 황산 기반의 습식 방사를 이용하여 높은 전기 전도도를 확보할 수 있는 전극용 미세섬유 및 그 제조 방법에 관한 것이다.
PEDOT:PSS (poly(3,4-ethylenedioxythiophene):polystyrene sulfonate)은 전기적 안정성, 용액 공정 가능성 등의 장점을 지니며, 많은 응용분야에서 필름형 투명전극으로 활용되고 있다. 최근에는 높은 전기화학적 정전용량이 알려지면서 이차전지 및 바이오센서 분야에서 넓게 활용되면서, 전기화학용 전극 분야에서도 각광받고 있다.
하지만, 필름형태의 전자 소자의 경우, 향후 의류 일체형 디바이스의 개발이 어려울 뿐만 아니라, 전극의 부피를 효과적으로 조절하기 어려워 그 활용의 한계가 있다. 해외 유수 연구그룹에서는 이러한 PEDOT:PSS의 습식 방사법을 통해 전극용 미세섬유를 개발해왔지만, 낮은 전기 전도도와 수용액 내에서의 기계적 안정성이 매우 떨어져 전기화학용 전극으로의 활용에 한계를 보인다.
이에 따라, 전기 전도도를 높이기 위해, 추가적인 후처리와 전처리를 필요로 하는 전극용 미세섬유의 연구가 진행되고 있다.
관련 문헌 European Polymer Journal, 2009, 45, 256-261 에는 에틸렌 글라이콜(EG)로 후처리하여 습식 방사하는 기술이 개시되어 있고, Adv. Funct. Mater., 2011, 21, 3363-3370 에는 폴리에틸렌 글라이콜(PEG)로 전처리하여 습식 방사하는 기술이 개시되어 있다. 하지만, 높은 전기 전도도를 나타내기 위해, 에틸렌 글라이콜을 이용한 후처리와, 고분자의 결정화를 위한 폴리에틸렌 글라이콜 첨가제를 이용한 전처리를 포함하는 습식 방사법은 추가 공정에 의한 낮은 처리율(throughput)과 기계적 처리로 인한 낮은 수율을 가진다.
따라서, 후처리 공정과 첨가제 없이 높은 전기 전도도를 확보할 수 있는 전극용 미세섬유의 연구가 필요하다.
본 발명의 목적은 우수한 전기 전도성을 갖는 전극용 미세섬유의 제조 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 우수한 전기 전도성, 기계적 강도를 갖는 전극용 미세섬유를 제공하는 것이다.
상기 하나의 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 전극용 미세섬유의 제조 방법은 (a) 유기용매와 PEDOT:PSS (poly(3,4-ethylenedioxythiophene):polystyrene sulfonate)를 포함하는 방사용액을 준비하는 단계; (b) 상기 방사용액을 황산을 포함하는 응고욕 내에서 습식 방사하여 전극용 미세섬유를 수득하는 단계; 및 (c) 상기 수득된 전극용 미세섬유를 수세처리하여 건조하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 (a) 단계에서, PEDOT:PSS에 포함된 PEDOT와 PSS의 몰비는 1:1.5 ~ 1:2.5일 수 있다.
상기 황산의 농도는 50~100vol%일 수 있다.
상기 (b) 단계에서, 20~100ml/h의 방사속도로 습식 방사할 수 있다.
상기 (b) 단계에서, 습식 방사된 전극용 미세섬유는 PEDOT와 PSS의 몰비가 1:0.1 ~ 1:0.4인 PEDOT:PSS일 수 있다.
상기 (b) 단계에서, 전극용 미세섬유의 직경이 20~100㎛가 되도록 습식 방사할 수 있다.
상기 다른 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 실 형태의 전극용 미세섬유에 있어서, 상기 전극용 미세섬유는 하기 [구조식 1]로 표시되는 PEDOT와 하기 [구조식 2]로 표시되는 PSS의 라멜라 구조를 가지며, PEDOT:PSS에 포함된 PEDOT와 PSS의 몰비가 1:0.1 ~ 1:0.4인 것을 특징으로 한다.
[구조식 1]
Figure 112018064874349-pat00001
[구조식 2]
Figure 112018064874349-pat00002
n, x 및 y는 독립적으로 1~1000의 정수이다.
상기 전극용 미세섬유의 결정립 크기는 0.4~6nm일 수 있다.
상기 전극용 미세섬유의 직경은 20~100㎛일 수 있다.
본 발명에 따른 전극용 미세섬유는 전처리와 후처리 없이 황산 기반의 습식 방사, 수세, 건조를 통해 우수한 전기 전도성을 확보할 수 있다.
특히, 황산 기반의 습식 방사를 통해 황산의 강한 탈수반응으로 PEDOT:PSS가 빠르게 응고하여 높은 처리율을 나타낼 수 있으며, 황산에 의한 PSS의 용해로 인해 불필요한 PSS의 제거하여 PEDOT의 높은 결정화를 나타낼 수 있다. 또한, 신체 내에서 스웰링의 변화가 거의 없는 장점이 있다.
아울러, 습식 방사 시, 방사용 노즐의 크기와 방사속도를 조절함으로써, 전극용 미세섬유의 직경을 용이하게 조절할 수 있으며, 높은 방사속도를 통해 제작 처리율을 높일 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 전극용 미세섬유의 제조 방법을 통해 PEDOT:PSS 용액을 PEDOT:PSS 미세섬유로 제조한 과정을 간략화한 것이다.
도 2 및 도 3은 본 발명에 따른 전극용 미세섬유의 제조 방법의 순서도이다.
도 4는 본 발명에 따른 황산 응고욕 내에서 방사되는 PEDOT:PSS 미세섬유 의 사진이다.
도 5는 본 발명에 따른 황산 응고욕 내에서 진행되는 화학적 반응 메커니즘을 나타낸 것이다.
도 6은 본 발명에 따른 전극용 미세섬유의 X선-광전자 분광법 결과이다.
도 7은 응고욕 종류에 따른 PEDOT:PSS에 포함된 PEDOT와 PSS의 몰비율을 비교한 그래프이다.
도 8은 투과 광각 X-선 산란법을 이용하여, 100vol%의 아세톤 응고욕과 100vol%의 황산 응고욕에서 30ml/h로 습식 방사한 전극용 미세섬유의 2차원 미세구조 패턴을 나타낸 것이다.
도 9는 본 발명에 따른 전극용 미세섬유의 PEDOT:PSS 결정질 구조(왼쪽)와, 응고욕 종류에 따른 PEDOT:PSS 라멜라 구조의 결정립 크기와 평균 스택킹 거리를 나타낸 그래프(오른쪽)이다.
도 10은 본 발명의 방사용 노즐 크기와 분사 비율에 따른 전극용 미세섬유의 전기 전도성을 나타낸 그래프이다.
도 11은 본 발명에 따른 전극용 미세섬유의 전기적 특성 및 전기화학적 특성을 나타낸 그래프이다.
도 12는 본 발명의 황산 응고욕 농도에 따른 전극용 미세섬유의 기계적 강도를 나타낸 그래프이다.
도 13은 본 발명에 따른 전극용 미세섬유를 직물형 생체신호 전극으로 활용한 사진과 전위 측정을 나타낸 그래프이다.
도 14는 본 발명에 따른 전극용 미세섬유를 트랜지스터에 적용한 모식도이다.
도 15는 도 14의 트랜지스터의 구동 결과(a)와 이온 농도 센싱 결과(b)이다.
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. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성요소를 지칭한다.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 전극용 미세섬유 및 그 제조 방법에 관하여 상세히 설명하면 다음과 같다.
도 1 내지 도 3을 참조하면, 본 발명에 따른 전극용 미세섬유의 제조 방법은 황산의 높은 탈수(dehydration) 기능과 PSS의 용해성을 이용한 습식 방사를 통해, 절연성을 갖는 과량의 PSS를 제거하여 우수한 전기 전도성을 갖는 전극용 미세섬유를 제조할 수 있다.
본 발명에 따른 전극용 미세섬유의 제조 방법은 방사용액을 준비하는 단계(S110), 습식 방사하여 전극용 미세섬유를 수득하는 단계(S120) 및 수세처리하여 건조하는 단계(S130)를 포함한다.
방사용액을 준비하는 단계(S110)
먼저, 유기용매와 PEDOT:PSS 를 포함하는 방사용액을 준비한다. 방사용액은 PEDOT:PSS를 용해시킬 수 있는 용매로서, 증류수를 사용하는 것이 바람직하다. 상기 방사용액은 이외에도 pH가 0 초과 내지 2 이하인 유기용매를 사용할 수도 있다.
PEDOT:PSS는 하기 구조식으로 표시되는 전도성 고분자 물질이다. 상기 PEDOT:PSS는 열적, 화학적 안정성이 높고, 가시광 영역에서 투과도가 우수하며, 수분산성이 높아 친환경적으로 용액 제조가 가능하다. PEDOT:PSS에서 EDOT는 전도성을 가지며, SS는 절연성을 가진다.
[구조식]
Figure 112018064874349-pat00003
방사용액을 준비하는 단계(S110)에서 PEDOT:PSS에 포함된 PEDOT와 PSS의 몰비는 1:1.5 ~ 1:2.5일 수 있다.
습식 방사하여 전극용 미세섬유를 수득하는 단계(S120)
이어서, 상기 방사용액을 황산을 포함하는 응고욕 내에서 습식 방사하여 전극용 미세섬유를 수득한다. 습식 방사는 기어 펌프와 방사노즐을 이용하여 수행될 수 있다. 구체적으로는, 방사용액을 기어 펌프에 의해 방사노즐의 구멍에 유입되도록 하고, 방사노즐에서 방사되는 용액을 응고욕 내부로 낙하시켜 응고욕 내에서 습식 방사가 진행되도록 한다.
상기 응고욕은 농도가 50~100vol%인 황산을 포함하는 것으로, 응고욕 내에서 방사용액의 상분리와 침전을 발생시켜 방사용액의 고화를 진행시키면서 섬유화한다. 황산은 높은 탈수 기능을 가진다. 상기 황산은 방사용액에 포함되는 유기용매 또는 증류수를 빠른 시간에 제거할 수 있어 반응시간을 감소시킬 수 있다.
이 단계에서는 20~100ml/h의 방사속도로 습식 방사하는 것이 바람직하다.
방사속도가 이 범위를 벗어나는 경우, 전극용 미세섬유의 전기 전도도가 700S/cm 이상으로 유지되기 어려울 수 있으며, 미세섬유의 굵기 조절이 어려울 수 있다. 이는 기존의 방사속도인 0.5~2ml/h와 비교해서 대략 40배 이상인 방사속도이다.
도 4는 본 발명에 따른 황산 응고욕 내에서 방사되는 PEDOT:PSS 미세섬유 의 사진이다. 도 4를 참조하면, 본 발명에서 20~100ml/h의 방사속도로 습식 방사함으로써, 전극용 미세섬유의 직경을 폭넓게 조절할 수 있으며, 20~100㎛의 직경을 갖는 실 형태의 전극용 미세섬유를 수득할 수 있다.
도 5는 본 발명에 따른 황산 응고욕 내에서 진행되는 화학적 반응 메커니즘을 나타낸 것으로, 탈수 반응과 PSS의 용해와 결정성 향상 과정을 나타낸다. 도 5에 도시한 바와 같이, 상기 습식 방사된 전극용 미세섬유는 황산에 대한 PSS의 용해로 인해 미세섬유 내부의 PSS 비율을 감소시켜 PEDOT의 높은 결정화를 나타낼 수 있다. 즉, 절연성을 갖는 과량의 PSS를 제거하여 우수한 전기 전도성을 갖는 전극용 미세섬유를 수득할 수 있다. 전극용 미세섬유에서 PEDOT:PSS에 포함된 PEDOT와 PSS의 몰비는 1:0.1 ~ 1:0.4 일 수 있다.
수세처리하여 건조하는 단계(S130)
이어서, 상기 수득된 전극용 미세섬유를 증류수에서 수세처리하여 상온±10℃에서 건조한다.
이처럼, 본 발명의 제조 방법에 따르면, 전처리 또는 후처리를 필요로 하지 않아 높은 수율의 전극용 미세섬유를 확보할 수 있다. 또한, 황산 기반의 습식 방사, 수세, 건조를 통해 전극용 미세섬유의 우수한 전기 전도성을 확보하고, 불필요한 PSS를 제거하는 동시에 PEDOT의 높은 결정화를 나타낼 수 있다.
도 4를 참조하면, 본 발명에 따른 전극용 미세섬유는 실 형태의 미세섬유로, 하기 [구조식 1]로 표시되는 PEDOT와 하기 [구조식 2]로 표시되는 PSS의 라멜라 구조를 가진다.
[구조식 1]
Figure 112018064874349-pat00004
[구조식 2]
Figure 112018064874349-pat00005
n, x 및 y는 독립적으로 1~1000의 정수이다.
전술한 바와 같이, 전극용 미세섬유에서 PEDOT:PSS에 포함된 PEDOT와 PSS의 몰비는 1:0.1 ~ 1:0.4일 수 있다.
상기 전극용 미세섬유는 황산 기반의 습식 방사에 의해 PSS의 비율을 감소시키면서 구조적 재배치가 이루어지면서, PEDOT와 PSS의 적층 구조인 라멜라 구조를 갖는다. 황산으로 습식 방사된 전극용 미세섬유는 기존 아세톤으로 습식 방사된 섬유 대비 큰 결정립 크기를 가진다.
전술한 바와 같이, 수득된 전극용 미세섬유의 직경은 20~100㎛일 수 있다.
이와 같이 전극용 미세섬유 및 그 제조 방법에 대하여 그 구체적인 실시예를 살펴보면 다음과 같다.
도 6은 본 발명에 따른 전극용 미세섬유의 X선-광전자 분광법(XPS, X-ray Photoelectron Spectroscopy) 결과이며, 황 원자 S2p 오비탈의 전자 스펙트럼을 나타낸 것이다. 164eV 부근과 169eV 부근의 peak 이 각각 PEDOT과 PSS 사슬의 함량을 의미한다.
황산 응고욕을 이용한 전극은 전도체(EDOT) 영역의 피크와 대부분 일치한다. 이는 황산 응고욕을 이용하여 습식 방사된 전극용 미세섬유가 절연체 영역(SS) 보다는 전도체 영역(EDOT)을 더 많이 포함하여 전기 전도도 향상에 기여함을 의미한다.
도 7은 응고욕 종류에 따른 PEDOT:PSS에 포함된 PEDOT와 PSS의 몰비율을 비교한 그래프이다. 여기서, 상기 응고욕은 도 6에서 제시한 스펙트럼을 peak 그래프의 피팅을 통하여 추출한 것이다.
농도 100vol%인 황산을 사용한 응고욕에서 30ml/h로 방사한 경우, EDOT/(EDOT+SS)의 몰비는 0.76을 나타내며, PEDOT:PSS의 몰비는 대략 1:0.32이다.
EG 처리된 아세톤(농도 100vol%) 기반의 응고욕에서 30ml/h로 방사한 경우, EDOT/(EDOT+SS)의 몰비는 0.49를 나타내며, PEDOT:PSS에 포함된 PEDOT와 PSS의 몰비는 대략 1:1.04이다.
아세톤(농도 100vol%) 기반의 응고욕에서 30ml/h로 방사한 경우, EDOT/(EDOT+SS)의 몰비는 0.34를 나타내며, PEDOT:PSS에 포함된 PEDOT와 PSS의 몰비는 대략 1:1.94이다.
도 8은 투과 광각 X-선 산란(T-WAXS, Transmission Wide-Angle X-ray Scattering)법을 이용하여, 100vol%의 아세톤 응고욕과 100vol%의 황산 응고욕에서 30ml/h로 습식 방사한 전극용 미세섬유의 2차원 미세구조 패턴을 나타낸 것이다. 도 9는 본 발명에 따른 전극용 미세섬유의 PEDOT:PSS 결정질 구조(왼쪽)와, 응고욕 종류에 따른 PEDOT:PSS 라멜라 구조의 결정립 크기와 평균 스택킹 거리를 나타낸 그래프(오른쪽)이다. 도 9에서, 라멜라 구조의 평균 스택킹 거리와 결정립 크기는 각각 X-ray 패턴에서 나타나는 피크의 위치와 그 폭을 이용하여, 다음 식을 이용하여 계산할 수 있다.
1. d = 2π/q
d : 평균 스택킹 거리, q : 산란벡터
2. τ= κλ / βcosθ
τ : 평균 결정질 크기
κ : 형태 요소 (shape factor)
β : 회절 피크의 반값 전폭 (full width at half maximum, FWHM)
λ : X-ray 파장
θ : Bragg 각
도 8 및 9를 참조하면, 황산 응고욕을 이용한 전극용 미세섬유는 10~15Å의 라멜라 스택킹 거리에서 45~60Å(0.4~6nm) 결정립 크기를 나타냄을 확인할 수 있다. 이는 기존의 아세톤 응고욕을 이용한 섬유 대비 결정성이 증가한 결과를 보여준다.
도 10은 본 발명의 방사용 노즐 크기와 분사 비율에 따른 전극용 미세섬유의 전기 전도성을 나타낸 그래프이다. 100vol% 황산을 응고욕으로 사용하여 30ml/h로 습식 방사를 진행한 경우, 노즐의 크기가 0 초과 내지 0.8mm2 이하인 범위에서 전극용 미세섬유의 단면적은 0Х10-5cm2 초과 내지 10Х10-5cm2 이하에서 점진적으로 증가하는 경향을 보였다. 동시에, 노즐의 크기가 0 초과 내지 0.8mm2 이하인 범위에서 커질수록, 압력 게이지는 27G에서 18G로 감소하였다. 여기서, 전극용 미세섬유의 단면적이 0Х10-5cm2 초과 내지 10Х10-5cm2 이하인 범위에서 전극용 미세섬유의 직경은 20~100㎛를 만족할 수 있다. 또한, 노즐의 크기가 0 초과 내지 0.8mm2 이하인 범위에서 전기 전도도는 700~1200S/cm를 나타낸다.
또한, 100vol% 황산을 응고욕으로 사용하고 압력 게이가 18G인 조건에서, 분사 비율이 30~110ml/h인 범위에서 분사 비율이 증가할수록 전극용 미세섬유의 단면적도 증가하는 경향을 보인다. 이 조건에서는 전기 전도도가 700~1200S/cm를 나타낸다.
이러한 결과로부터 두께 조절이 용이한 전도성 섬유를 통해, 다양한 섬유 응용산업에 적용이 가능하고, 높은 방사속도를 통해 향상된 제작 처리율을 지님을 예측할 수 있다.
도 11은 본 발명에 따른 전극용 미세섬유의 전기적 특성 및 전기화학적 특성을 나타낸 그래프이다.
섬유의 전기 전도도는 4침법(4-point probe)을 이용하여, 추출한 섬유의 전기 저항에 섬유의 면적과 길이를 적용하여 산출하였다. 전기용량성은 각기 다른 무게의 미세섬유를 준비하여, 진동수에 따른 전기화학 임피던스(electrochemical impedance spectroscope)를 측정하고, 이를 무게의 증가에 따른 기울기로 계산하여 산출하였다. 도 11에서 사용된 미세섬유는 18G의 노즐 크기로 30ml/h로 방사하여 제작된 것이다.
(a)에서, 황산 농도가 30~50vol%인 구간에서는 전기 전도도가 점진적으로 증가하고, 50vol% 이후부터 전기 전도도의 증가 기울기가, 50vol% 이전 대비, 급격히 증가하는 현상이 관찰된다. 그 이후, 100vol%일 때, 전기 전도도가 최대치를 보인다.
따라서, 전기 전도도의 증가 기울기는 50vol% 근처일 때, 변곡점을 나타낸다.
(b)에서, 황산 농도가 30~70vol%인 구간에서는 전기 용량성은 대략 30F/g을 보인다. 70vol% 이후부터 전기 용량성의 증가 기울기가, 70vol% 이전 대비, 급격히 증가하는 현상이 관찰된다. 그 이후, 100vol%일 때, 전기 용량성은 최대치를 보인다.
따라서, 전기용량성의 증가 기울기는 70vol% 근처일 때, 변곡점을 나타낸다.
(c)에서, 본 발명에 따른 전극용 미세섬유는 단면적이 0.1 Х10-5cm2 이상 내지 10 Х10-5cm2 이하인 범위에서 전기 전도도 500 ~ 1200S/cm를 나타낸다.
(d)에서, 본 발명에 따른 전극용 미세섬유는 전기 용량성 70F/G를 나타낸다.
이처럼, 본 발명에 따른 전극용 미세섬유의 제조 방법은 황산 기반의 습식 방사를 이용하여 우수한 전기 전도성과 전기 용량성을 가진 미세섬유를 제작 가능하다. 특히, 100vol% 황산을 이용한 경우, 기존의 PEDOT:PSS 미세섬유 대비 월등한 전기화학적 특성을 보인다.
도 12는 본 발명의 황산 응고욕 농도에 따른 전극용 미세섬유의 기계적 강도를 나타낸 그래프이고, [표 1]은 황산 농도에 따른 전극용 미세섬유의 기계적 강도를 나타내는 결과이다.(실험 조건 : 방사 속도는 30ml/h이다.) 기계적 강도는 만능 재료 시험기(Universal testing machine, UTS)에 미세섬유를 인장시켜 측정하였다.
[표 1]
Figure 112018064874349-pat00006
다양한 황산 농도에서 탄성률은 1.3~1.9GPa를 나타내고, 인장강도는 120~160MPa를 나타내므로, 비교적 균일한 기계적 강도를 갖는다. 이는 범용적으로 직물에 쓰이는 소재에 비하여 수백 MPa의 높은 강도를 가지고 있어서, 기존의 옷감에 적용하게 적절한 기계적 강도를 가진다고 볼 수 있다.
도 13은 본 발명에 따른 전극용 미세섬유를 직물형 생체신호 전극으로 활용한 사진과 전위 측정을 나타낸 그래프이다. PEDOT:PSS 미세섬유의 우수한 전기 전도성과 전기 용량성으로 인해 근육에서 나온 작은 신호부터 크기가 큰 신호들까지 측정 가능한 것을 보여준다. 활동 전위는 -4 ~ +4mV 까지도 나타낸다.
도 14는 본 발명에 따른 전극용 미세섬유를 트랜지스터에 적용한 모식도이고, 도 15는 도 14의 트랜지스터의 구동 결과(a)와 이온 농도 센싱 결과(b)이다.
트랜지스터의 구동을 위하여, 0.1M NaCl을 액체 전해질로 사용하였다. 게이트전극(Gate electrode)으로는 은-염화은 기준전극(Ag/AgCl reference electrode)을 사용하였다. 도 14에서 표시된 드레인 전류(Drain current, ID)는 미세섬유를 통해 흐르는 전류이며, 게이트 전류(Gate current, IG)는 미세섬유와 게이트전극 사이에 흐르는 전류를 의미한다.
전기화학적 반응을 이용한 트랜지스터 구동에서 100이상의 전류 점멸비를 보인다. 이는 섬유 기반의 스위칭 소자로 응용이 가능하다는 것을 의미한다. 또한, 전해질의 농도 차이에 따른 전기화학적 반응을 이용할 경우, 전해질의 이온농도 센싱을 위한 센서로 응용이 가능하다.
전술한 바와 같이, 본 발명에 따른 전극용 미세섬유는 전처리와 후처리 없이 황산 기반의 습식 방사, 수세, 건조를 통해 우수한 전기 전도성을 확보할 수 있다.
아울러, 습식 방사 시, 방사용 노즐의 크기와 방사속도를 조절함으로써, 미세섬유의 직경을 용이하게 조절할 수 있으며, 높은 방사속도를 통해 제작 처리율을 높일 수 있다.
이상 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들을 설명하였으나, 본 발명은 상기 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 제조될 수 있으며, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 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 (9)

  1. (a) 유기용매와 PEDOT:PSS (poly(3,4-ethylenedioxythiophene):polystyrene sulfonate)를 포함하는 방사용액을 준비하는 단계;
    (b) 상기 방사용액을 농도가 50vol% 이상인 황산을 포함하는 응고욕 내에서 습식 방사하여 전극용 미세섬유를 수득하는 단계; 및
    (c) 상기 수득된 전극용 미세섬유를 수세처리하여 건조하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 전극용 미세섬유의 제조 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 (a) 단계에서, PEDOT:PSS에 포함된 PEDOT와 PSS의 몰비는 1:1.5 ~ 1:2.5인 것을 특징으로 하는 전극용 미세섬유의 제조 방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 황산의 농도는 50~100vol%인 것을 특징으로 하는 전극용 미세섬유의 제조 방법.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 (b) 단계에서, 20~100ml/h의 방사속도로 습식 방사하는 것을 특징으로 하는 전극용 미세섬유의 제조 방법.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 (b) 단계에서, 습식 방사된 전극용 미세섬유는 PEDOT와 PSS의 몰비가 1:0.1 ~ 1:0.4인 PEDOT:PSS인 것을 특징으로 하는 전극용 미세섬유의 제조 방법.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 (b) 단계에서, 전극용 미세섬유의 직경이 20~100㎛가 되도록 습식 방사하는 것을 특징으로 하는 전극용 미세섬유의 제조 방법.




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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20220010319A (ko) * 2020-07-17 2022-01-25 광주과학기술원 전도성 고분자 미세섬유 메쉬 구조체, 이의 제조방법 및 이를 이용한 유연 전자소자용 전극
WO2023051079A1 (zh) * 2021-10-01 2023-04-06 东华大学 一种聚合物基半导体纤维及其制备和应用

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2010196190A (ja) * 2009-02-24 2010-09-09 Nissan Motor Co Ltd 導電性高分子繊維、及びその製造方法
CN104911719A (zh) * 2015-05-26 2015-09-16 青岛大学 一种磁纺制备导电聚合物微纳米纤维的方法
KR20160027654A (ko) * 2014-09-02 2016-03-10 광주과학기술원 Pedot:pss 기반 전극 및 그의 제조방법
CN106381571A (zh) * 2016-08-25 2017-02-08 中国工程物理研究院化工材料研究所 一种pedot:pss纤维及其制备方法

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2010196190A (ja) * 2009-02-24 2010-09-09 Nissan Motor Co Ltd 導電性高分子繊維、及びその製造方法
KR20160027654A (ko) * 2014-09-02 2016-03-10 광주과학기술원 Pedot:pss 기반 전극 및 그의 제조방법
CN104911719A (zh) * 2015-05-26 2015-09-16 青岛大学 一种磁纺制备导电聚合物微纳米纤维的方法
CN106381571A (zh) * 2016-08-25 2017-02-08 中国工程物理研究院化工材料研究所 一种pedot:pss纤维及其制备方法

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20220010319A (ko) * 2020-07-17 2022-01-25 광주과학기술원 전도성 고분자 미세섬유 메쉬 구조체, 이의 제조방법 및 이를 이용한 유연 전자소자용 전극
KR102378795B1 (ko) 2020-07-17 2022-03-29 광주과학기술원 전도성 고분자 미세섬유 메쉬 구조체, 이의 제조방법 및 이를 이용한 유연 전자소자용 전극
WO2023051079A1 (zh) * 2021-10-01 2023-04-06 东华大学 一种聚合物基半导体纤维及其制备和应用

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