KR102198546B1 - 전도성 잉크의 제조 방법 및 이의 응용 - Google Patents

Abstract

본 발명은 금속 나노 와이어(은, 구리 등등)와 전도성 고분자(PEDOT:PSS, polyacene 등등)를 염료와 혼합한 용액을 종이에 brushing하는 방법에 관한 것이다. 구체적으로 금속 나노 와이어와 전도성 고분자의 비율을 조절함으로 막 내의 금속과 고분자의 함량을 제어하여 전기적 특성, 기계적 특성을 향상시켜 유연하면서 빠르고 간단하게 Paper electronics를 제조할 수 있다. 금속 나노와이어가 메인 배선 전극이 되어 전기적 특성을 제어하고 전도성고분자가 금속 나노 와이어 간에 전류가 잘 흐를 수 있도록 bridge가 되어 유연성을 증가시킨다. 마지막으로, 염료를 첨가하여 ink의 색과 발림성을 향상시킬 수 있다. 이렇게 제조한 전도성 ink를 종이(섬유, 한지 등)에 발라 paper electronics를 제조하여 방한용 paper heater와 같은 플렉서블 전극으로 다양하게 적용할 수 있다.

Description

전도성 잉크의 제조 방법 및 이의 응용 {METHOD OF MAKING CONDUCTIVE INKS AND APPLICATION THEEROF}

본 발명은 전도성 잉크의 제조 방법 및 이의 응용에 관한 것이다.

기존의 프린팅 기술들은 저비용 빠른 공정으로 인한 장점으로 개발이 이루어져 왔다. 또한, 이러한 프린팅 기술에 있어서 종이를 이용하여 예술적 관점으로 접근한 적은 없었다. 더 나아가 종이의 일종인 한지를 이용하면 고품격의 방한용 벽지와 같은 인테리어적인 면으로도 접근할 수 있다. 단일 금속 나노와이어만 사용하여 종이에 brushing하는 경우 좋은 전기 전도도를 갖으나, 낮은 strain에도 쉽게 끊어지고 종이가 금속 나노 와이어를 머금어 연결이 끊어지는 영역이 부분적으로 발생하여 paper electronics에 적용하기에는 한계가 있다. 단일 전도성 고분자의 경우는 유연성은 좋으나 높은 저항을 가져 paper electronics로 사용하기에는 적합하지 않다.

본 발명에서는 종래 기술의 문제점을 해결하기 위해 금속 나노 와이어 및 전도성 고분자를 혼합하여 높은 전기전도도와 고유연성을 가진 용액 제작 후 염료을 첨가하여 색을 조절하였다. 이러한 ink는 paper heater로 방한지로 적용가능하며, 예술적 관점으로 접근하여 그림의 염료로 사용 가능하다.

본 발명은 유연성이 좋은 전도성 고분자와 전기적 특성이 좋은 금속 나노 와이어를 염료와 함께 혼합하여 발림성이 좋은 전도성 ink를 흡수도가 높은 종이에 brushing하여도 전기가 통하는 플렉서블 전극을 제조한다. 결과적으로, 누구나 빠르고 쉽게 사용 가능한 Paper electronics에 제조하는 것에 목적이 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 전도성 잉크의 제조 방법은, 금속 나노 와이어, 전도성 고분자 및 염료를 혼합하고, 상기 혼합한 혼합액을 스터링(stirring)하여 전도성 잉크를 제조한다.

상기 금속 나노 와이어 및 상기 전도성 고분자는 19.5 ~ 20.5 대 0.8 ~ 3.2의 부피 비율로 혼합되어 있다.

상기 금속 나노 와이어 및 상기 전도성 고분자는 19.5 ~ 20.5 대 0.8 ~ 1.2의 부피 비율로 혼합되어 있다.

상기 금속 나노 와이어 및 상기 전도성 고분자는 19.5 ~ 20.5 대 2.8 ~ 3.2의 부피 비율로 혼합되어 있다.

상기 염료는 상기 혼합액에서 5 내지 15 vol%로 혼합되어 있다.

상기 염료는 상기 혼합액에서 8 내지 12 vol%로 혼합되어 있다.

상기 염료는 먹 또는 물감이 이용된다.

본 발명에 의하면 금속 나노 와이어, 전도성 고분자, 염료를 섞은 전도성 ink를 종이에 발라 제조한 경우 높은 전기전도도와 유연성, 그리고 발림성을 얻을 수 있다. 금속 나노 와이어와 전도성 고분자의 비율을 변수로 ink를 최적화하였고, 붓질 횟수를 증가시킴으로써 더욱 좋은 전기적 특성을 얻을 수 있었다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따라 전도성 잉크가 종이 위에 발렸을 때 형성되는 미세 구조의 모식도를 도시한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 전도성 잉크를 제작하는 방법의 모식도를 도시한다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 전도성 잉크를 종이 위에 발랐을 때 스며드는 모식도를 도시한다.
도 4a-4c는 염료를 섞은 전도성 잉크를 한지 위에 6번 붓질했을 때 붓질 횟수에 따른 저항 변화를 도시한다.
도 5a-5b는 염료를 섞은 전도성 잉크를 도화지 위에 6번 붓질했을 때 붓질 횟수에 따른 저항 변화를 도시한다.
도 6a-6b는 Type 1 ink와 Type 2 ink에 먹과 초록색 염료를 섞어 6회 붓질을 하고 ink가 발라진 방향이 위로 향하도록 굽힘(outer) 변형 테스트 시 저항 변화와 ink가 발라진 방향이 아래로 향하도록 굽힘(inner) 변형 테스트 시 저항 변화를 나타낸 결과이다.
도 7a-7b는 변형 상황이 지속 되었을 때에도 변하지 않는 저항의 안정성을 확인하기 위한 반복 테스트 결과를 도시한다.
도 8a-8b는 Type 1 ink와 Type 2 ink의 접힙 테스트 결과를 도시한다.
도 9는 전도성 잉크를 이용하여 종이 히터(paper heater)의 제조 과정을 도시한다.
도 10은 종이 히터에 가해준 전압에 따른 온도 상승을 확인한 데이터를 도시한다.
도 11은 type 1 잉크의 열 발생 안정성 테스트 결과를 도시한다.
도 12는 먹을 활용 한 전도성 잉크를 배선전극으로 활용하여 LED를 연결했을 때 전도성과 기계적 안정성 확인한 결과이다.
도 13은 색이 첨가된 전도성 잉크를 배선전극으로 활용하여 LED를 연결했을 때 전도성 확인한 결과이다.
도 14는 방한용 페이터 히터로서의 활용을 도시한다.
다양한 실시예들이 이제 도면을 참조하여 설명되며, 전체 도면에서 걸쳐 유사한 도면번호는 유사한 엘리먼트를 나타내기 위해서 사용된다. 설명을 위해 본 명세서에서, 다양한 설명들이 본 발명의 이해를 제공하기 위해서 제시된다. 그러나 이러한 실시예들은 이러한 특정 설명 없이도 실행될 수 있음이 명백하다. 다른 예들에서, 공지된 구조 및 장치들은 실시예들의 설명을 용이하게 하기 위해서 블록 다이아그램 형태로 제시된다.

이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 대해 상세히 설명한다. 본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 본문에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명을 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용하였다.

본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로서 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서 상에 기재된 특징, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.

본 발명은 금속 나노 와이어(Ag, Cu 등등)와 전도성 고분자(PEDOT:PSS, polyacene 등등)를 염료와 혼합하여 한지에 brushing하여 제조하는 방법에 관한 것으로, 구체적으로 금속 나노 와이어의 양을 조절함으로 막 내의 금속과 고분자의 함량을 제어하여 전기적 특성, 기계적 특성을 향상시켜 유연하면서 빠르고 간단하게 제조 가능한 Paper electronics를 만드는 제조방법에 관한 것이다. 금속 나노와이어가 메인 배선 전극이 되어 전기적 특성을 제어하고 전도성 고분자가 금속 나노 와이어에 전류가 잘 흐를 수 있도록 bridge가 되어주며 유연성을 증가시키고 염료를 첨가하여 ink의 색과 발림성을 향상시킬 수 있다. 정리하면, 금속 나노 와이어를 첨가하여 높은 전도도와 전도성 고분자를 첨가함으로써 높은 유연성을 얻을 수 있다. 금속 나노 와이어 의 양을 조절하여 전도도를 조절할 수 있으며, 염료를 사용함으로써 brushing을 하였을 때 발림성과 ink의 색을 조절할 수 있다.

단일 금속나노와이어만 사용하여 한지에 brushing하는 경우 좋은 전기적 특성을 가지고 있으나 낮은 strain failure (0.5~3%)에도 쉽게 끊어지는 단점이 있다. 단일 전도성 고분자만을 ink로 사용하는 경우는 유연성은 좋으나 다른 금속 전극에 비해 저항이 높은 단점이 있다. 이 두 가지를 혼합하여 전기전도도가 높으며 유연성이 좋게 만든 후 염료를 첨가하여 ink의 색을 조절하고 발림성을 향상시켰다. 제조한 전도성 ink를 종이에 발라 전극으로 사용하여 paper heater로 방한지로 적용가능하며, 예술적 관점으로 접근하여 그림의 염료로 사용 가능하다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따라 전도성 잉크가 종이 위에 발렸을 때 형성되는 미세 구조의 모식도를 도시한다. 도 1에서 보는 것처럼, 금속 나노와이어가 메인 배선 전극이 되어 전기적 특성을 제어하고 전도성 고분자가 금속 나노 와이어에 전류가 잘 흐를 수 있도록 브릿지가 되어주며 유연성을 증가시키고 염료를 첨가하여 잉크의 색과 발림성을 향상시킬 수 있다.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 전도성 잉크를 제작하는 방법의 모식도를 도시한다.

본 발명의 일 실시예에 따른 전도성 잉크의 제조 방법은, 금속 나노 와이어, 전도성 고분자 및 염료를 혼합하고, 상기 혼합한 혼합액을 스터링(stirring)하여 전도성 잉크를 제조한다.

금속 나노 와이어는 Ag, Cu 등의 나노 와이어가 이용될 수 있고, 전도성 고분자는 PEDOT:PSS, polyacene 등이 이용될 수 있다. 도 2에서와 같이 이들을 혼합하고, 이후 염료를 혼합한 후 스터링하여 전도성 잉크를 제조하게 된다.

염료로는 먹 또는 물감이 이용될 수 있다.

이 경우 금속 나노 와이어 및 전도성 고분자는 19.5 ~ 20.5 대 0.8 ~ 3.2의 부피 비율로 혼합되고, 더욱 바람직하게는 19.5 ~ 20.5 대 0.8 ~ 1.2 또는 19.5 ~ 20.5 대 0.8 ~ 1.2 또는 19.5 ~ 20.5 대 2.8 ~ 3.2의 부피 비율로 혼합된다.

또한, 염료는 이러한 금속 나노 와이어 및 전도성 고분자의 혼합액에 대해 8.5 ~ 9.5 대 0.5 ~ 1.5의 부피 비율로 혼합되고, 바람직하게는 8.8 ~ 9.2 대 0.8 ~ 1.2, 더욱 바람직하게는 9 대 1의 부피 비율로 혼합된다.

본 발명에서는 이렇게 제조된 전도성 잉크를 이용해, 종이 또는 섬유 상에 발라서 전도성 종이를 제작할 수 있고, 제조된 전도성 잉크를 종이 또는 섬유 상에 발라서 종이 히터를 제작할 수도 있으며, 제조된 전도성 잉크를 종이 또는 섬유 상에 발라서 플렉서블 전극을 제작할 수도 있다.

이하에서는 구체적인 실시예와 함께 본 발명의 내용을 추가적으로 설명하도록 하겠다.

금속 나노와이어의 한 종류인 Ag NW와 전도성 고분자의 한종류인 PEDOT:PSS를 (19.5~20.5) : (0.8~1.2)(Type 1) 비율과 (19.5~20.5) : (2.8~3.2) (Type 2) 비율로 용액을 만들었고 먹은 용액의 9 : 1 비율로 섞었다. 또 색을 첨가하기 위해서 금속 나노와이어와 전도성 고분자를 섞은(conductive ink) 용액 10ml에 염료를 0.2g을 첨가하였다. 보다 균일한 용액의 혼합을 위하여 3시간 동안 스터러를 이용하여 용액을 혼합하였다. 붓질 당 저항 변화를 위해서 붓질을 한 후에 35℃에서 10분간 건조하였다. 종이 위에 발랐을 때 스며드는 모식도는 도 3에서 확인할 수 있다.

본 발명에 있어서, paper electrode의 저항 변화는 6번 붓질을 통해 확인하였다. 도 4는 각 잉크를 한지에 발랐을 때 저항 변화를 나타내고, 도 5는 색이 있는 염료가 첨가된 잉크를 도화지에 발랐을 때의 저항변화이다. 도 4a는 먹을 한지위에 발랐을 때 저항변화이고 도 4b 및 4c는 각 type에 잉크에 염료를 첨가했을 때 저항변화이다. 두 종류 잉크 모두 첫 번째 붓질 시 저항보다 두 번째 붓질에 저항이 현저하게 감소하는 것을 확인하였다. 또한, Type 2 ink 보다 Type 1 ink가 저항이 더 낮은 것을 확인하였다.

다음은 각 샘플에 대한 여러 종류별 strain에 따른 저항변화 측정이며 채도가 있는 염료는 초록만 대표적으로 나타내었고 종이는 유연성이 우수한 한지를 사용하였다.

도 6a 및 6b는 각 Type 1 ink와 Type 2 ink에 먹과 초록색 염료를 섞어 6회 붓질을 하고 ink가 발라진 방향이 위로 향하도록 굽힘(outer) 변형 테스트 시 저항 변화와 ink가 발라진 방향이 아래로 향하도록 굽힘(inner) 변형 테스트 시 저항 변화를 나타낸 표이다. 먹과 초록색 염료로만 든 전극 모두 반지름이 1 mm 굽힘 변형 상황에서도 저항 변화가 나타나지 않았다. 더 나아가 이러한 변형 상황이 지속 되었을 때에도 변하지 않는 저항의 안정성을 확인하기 위해 반복 테스트도 진행하였다. 도 7a-7b는 변형 상황이 지속 되었을 때에도 변하지 않는 저항의 안정성을 확인하기 위한 Type 1 ink와 Type 2 ink 반복 테스트 결과를 도시한다. 본 발명의 반복 테스트는 최대 반지름이 15 mm에서부터 최소 반지름 3 mm 까지 테스트를 실시하였고 1000회 반복 실시하였다. 먹을 섞은 잉크와 초록색 염료를 섞은 잉크의 inner와 outer 테스트 모두 1000회 실시하였을 때 저항변화가 나타나지 않는 것을 확인 하였다.

도 8a-8b는 Type 1 ink와 Type 2 ink의 접힙 테스트 결과를 도시한다. 접힘 테스트로 반지름 4 mm에서 접힘 시험을 실시하였고 1000회 반복 테스트하였다. inner와 outer 테스트 모두 1000회 실시하였을 때 저항 변화가 나타나지 않는 것을 확인하였다.

도 9는 전도성 잉크를 이용하여 종이 히터(paper heater)의 제조 과정을 도시한다. 열을 발생시키는 paper heater의 제작 과정으로 한지 위에 ink를 붓으로 3회 바르고 전압을 가하기 위해 Ag paste를 종이 전극 양끝단에 발라 접합 전극으로 사용하였다. 도 10은 종이 히터에 가해준 전압에 따른 온도 상승을 확인한 데이터를 도시한다. 도 10은 Type 1과 Type 2에 동일 전압을 가해주었을 때 올라가는 온도 표이다. 400초 동안 전압을 가해주었고 200초 동안은 전압을 가해주지 않았다. Type 1의 경우 7 V에서 87°C 까지 온도가 상승하는 것을 확인하였고 type 2의 경우에는 7 V에서 50°C 까지 온도가 상승하는 것을 확인하였다. Type 1이 열 발생 소자로서 더 적합함을 확인할 수 있다.

이하에서는 type 1 잉크를 기준으로 추가적으로 본 발명의 내용을 자세히 설명하도록 하겠다.

도 11은 type 1 잉크의 열 발생 안정성 테스트 결과를 도시한다. 도 11은 Type 1 ink의 열 발생 안정성 시험에 관한 표이다. 총 1시간 동안 진행 된 시험으로 400초 동안 5 V의 전압을 가해주고 200초 동안 off를 하여 온도를 식히는 것을 하나의 순환으로 하여 총 6회 실시하였다. 본 시험을 통해 반복적으로 가해주는 전압에 대하여 안정적으로 열을 발생시킬 수 있는 것을 확인하였다.

도 12는 먹을 활용 한 전도성 잉크를 배선전극으로 활용하여 LED를 연결했을 때 전도성과 기계적 안정성 확인한 결과이고, 도 13은 색이 첨가된 전도성 잉크를 배선전극으로 활용하여 LED를 연결했을 때 전도성 확인한 결과이다. 도 14는 방한용 페이터 히터로서의 활용을 도시한다.

본 발명에 의하면 금속 나노 와이어와 전도성 고분자, 염료를 이용하여 ink로서의 활용할 수 있음을 확인하였다. 그 결과 도 12 및 도 13과 같이 종이 전극으로서 예술적 접근이 가능하게 되었고 굽히고, 구겨도 사용할 수 있는 기계적 안정성을 확인하여 더욱더 다양한 예술적 표현의 가능성을 확보 할 수 있을 것이라 예상된다. 도 10 및 도 11을 통해 paper electrode가 paper heater 소자로서 활용 가능함을 확인하였는데 이러한 paper heater는 붓질 횟수를 조절함으로서 전도성을 조절하여 구동전압을 때에 따라 설계자가 원하는 조건으로 쉽게 설계할 수 있다는 장점을 가지고 있다. 이러한 특징을 이용한 도 14의 application 활용 사진은 전도성 잉크가 전통 한옥에 예술적으로 적용되어 방한 기능이 있는 벽지로서의 활용이 가능함을 확인하였다.

제시된 실시예들에 대한 설명은 임의의 본 발명의 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 이용하거나 또는 실시할 수 있도록 제공된다. 이러한 실시예들에 대한 다양한 변형들은 본 발명의 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명백할 것이며, 여기에 정의된 일반적인 원리들은 본 발명의 범위를 벗어남이 없이 다른 실시예들에 적용될 수 있다. 그리하여, 본 발명은 여기에 제시된 실시예들로 한정되는 것이 아니라, 여기에 제시된 원리들 및 신규한 특징들과 일관되는 최광의의 범위에서 해석되어야 할 것이다.

Claims (10)

1. 금속 나노 와이어, 전도성 고분자 및 염료를 혼합하고,
   상기 혼합한 혼합액을 스터링(stirring)하여 전도성 잉크를 제조하며,
   상기 금속 나노 와이어 및 상기 전도성 고분자는 19.5 ~ 20.5 대 0.8 ~ 3.2의 부피 비율로 혼합되어 있는,
   전도성 잉크의 제조 방법.
   
2. 삭제
3. 제 1 항에 있어서,
   상기 금속 나노 와이어 및 상기 전도성 고분자는 19.5 ~ 20.5 대 0.8 ~ 1.2의 부피 비율로 혼합되어 있는,
   전도성 잉크의 제조 방법.
   
4. 제 1 항에 있어서,
   상기 금속 나노 와이어 및 상기 전도성 고분자는 19.5 ~ 20.5 대 2.8 ~ 3.2의 부피 비율로 혼합되어 있는,
   전도성 잉크의 제조 방법.
   
5. 제 1 항에 있어서,
   상기 염료는 상기 혼합액에서 5 내지 15 vol%로 혼합되어 있는,
   전도성 잉크의 제조 방법.
   
6. 제 1 항에 있어서,
   상기 염료는 상기 혼합액에서 8 내지 12 vol%로 혼합되어 있는,
   전도성 잉크의 제조 방법.
   
7. 제 1 항에 있어서,
   상기 염료는 먹 또는 물감인,
   전도성 잉크의 제조 방법.
   
8. 제 1 항, 제 3 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 따라 전도성 잉크를 제조하고,
   상기 제조된 전도성 잉크를 종이 또는 섬유 상에 발라서 전도성 종이를 제작하는,
   전도성 종이의 제작 방법.
   
9. 제 1 항, 제 3 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 따라 전도성 잉크를 제조하고,
   상기 제조된 전도성 잉크를 종이 또는 섬유 상에 발라서 종이 히터를 제작하는,
   종이 히터의 제작 방법.
   
10. 제 1 항, 제 3 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 따라 전도성 잉크를 제조하고,
    상기 제조된 전도성 잉크를 종이 또는 섬유 상에 발라서 플렉서블 전극을 제작하는,
    플렉서블 전극의 제작 방법.

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