KR102237001B1 - 투명전극용 금속 잉크 및 그 제조방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 금속 전구체가 용매에 용해된 금속 전구체 용액에 금속 나노구조물이 분산되어 있는 금속 잉크에 관한 것으로서, 전극의 형성 시, 상기 금속 나노구조물 사이의 공극에 상기 금속 전구체가 채워져 상기 금속 전구체가 상기 금속 나노구조물 사이를 연결하는 형태로 소성된다. 따라서 금속 나노구조물 간의 접촉이 원활하지 않은 부분에서도 금속 전구체를 매개로 연결됨으로 저 저항 물성을 구현할 수 있다.

Description

투명전극용 금속 잉크 및 그 제조방법{METAL INK FOR TRANSPARENT ELECTRODES AND METHOD OF MANUFACTURING THE SAME}
본 발명은 투명전극용 금속 잉크 및 그 제조방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게 저 저항 특성을 나타내는 데 유리한 투명전극용 금속 잉크 및 그 제조방법에 관한 것이다.
스마트폰, 태블렛 컴퓨터를 비롯한 다양한 형태의 전기, 전자, 통신기기의 핵심 부품으로 터치스크린패널 등으로 사용되는 투명전극(transparent electrode)은 표면 저항(surface resistivity)이 500 Ω/□ 이하이면서, 기재의 광투과도 대비 광 투과도(light transmittance)가 90% 이상의 것이 사용되고 있다.
이를 위해 현재 가장 많이 사용되고 있는 투명전극 소재는 인듐 주석 산화물(indium tin oxide, ITO)로서, 주로 스퍼터링(sputtering)법에 의해 유리 또는 투명고분자 필름(PET film기재필름) 표면에 ITO 박막을 형성함으로써 표면 저항이 50-500 Ω/□이면서 기재 필름의 광투과도 대비 90% 이상의 광투과도를 갖는 투명전극을 제조한다.
그러나 상기 ITO 투명박막은 진공 공정으로 인해 제조 원가가 매우 높고, 기저 필름과 ITO 박막과의 열팽창률 또는 열수축률의 차이로 인해 ITO 박막이 쉽게 손상되는 등의 문제점이 지적되고 있다. 특히, 고분자 기재 필름에 형성된 ITO 박막의 경우 취성(brittleness)이 매우 높아, 이를 터치스크린 패널의 투명전극으로 사용하는 경우 기계적, 물리적인 변형에 의해 크랙(crack)이 발생하는 등의 단점이 있다.
따라서 위와 같은 ITO의 단점을 극복할 수 있는 새로운 투명전극용 소재에 대한 관심이 높아지고 있으며, 이를 위해 전도성 고분자(conducting polymer), 탄소나노튜브(carbon nanotube), 그래핀(graphene), 또는 금속 나노와이어(metal nanowire) 등의 새로운 재료를 이용하여 투명전극을 제조하기 위한 노력이 활발히 이루어지고 있다. 특히 은 나노와이어 (silver nanowire)를 포함하는 금속 나노와이어의 경우 전기전도도가 매우 높으면서, 높은 광투과도를 확보할 수 있어 ITO를 대체할 수 있는 투명전극 소재로 최근 많은 각광을 받고 있다.
한편, 투명한 필름 상에 금속을 직교 형식으로 배열한 메탈 메쉬(Metal mesh)는 제조 과정에서는 금속 나노 잉크를 사용하여 금속을 미세하게 필름에 입히는 방식으로 5 ㎛ 수준의 미세 선폭을 구현한다. 메탈 메쉬의 재료로는 금속 나노파티클을 사용할 수 있다. 그러나 나노파티클의 경우에는 전극의 전 영역에 걸쳐 파티클이 모두 안정적으로 소성되어야 하며 소성이 불균일한 경우 저항이 높아질 우려가 있다. 따라서 높은 온도 및 긴 시간의 소성 공정을 요구하게 된다.
그러므로 나노와이어 및 나노파티클과는 다른 형태의 새로운 나노 구조물로서 투명전극의 제조에 용이하게 이용될 수 있고, 또한 낮은 소성 온도 및 낮은 표면 저항 특성을 갖는 투명전극을 제공할 수 있는 소재의 개발이 요구되고 있다.
본 발명은 금속 나노로드 또는 금속 나노파티클 사이의 공극에 금속 전구체가 채워져 나노 구조물 간의 접촉이 원활하지 않은 부분에서도 금속 전구체에 의해 전기적 연결이 이루어지도록 함으로써 낮은 소성 온도로도 저 저항의 특성을 갖는 투명 전극을 제조하는 것이 가능한 투명전극용 금속 잉크 및 그 제조방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 일 측면은, 용매에 금속 전구체가 용해된 금속 전구체 용액에, 금속 나노구조물이 분산되어 있는 투명전극용 금속 잉크일 수 있다.
본 발명의 다른 측면은, 용매에 금속 전구체를 용해하여 금속 전구체 용액을 준비하는 단계 및 금속 전구체 용액에 금속 나노구조물을 분산시키는 단계를 포함하는 투명전극용 금속 잉크의 제조 방법일 수 있다.
본 발명에 의하면 저온 소성으로도 저 저항 특성을 가지며 프린팅 공정이 가능한 투명 전극 소재의 금속 잉크를 제공할 수 있다.
금속 나노로드 또는 금속 나노파티클만을 포함하는 금속 잉크의 경우 금속 나노로드 또는 금속 나노파티클 간의 접촉이 원활하지 않는 경우 저항이 높아지는 문제점이 발생하지만, 본 발명에 따르면 금속 전구체가 금속 나노로드 또는 금속 나노파티클 사이의 공극을 채울 수 있어 금속 나노구조물 간의 접촉이 원활하지 않은 부분에서도 금속 전구체가 금속 나노구조물 간의 연결시키는 역할을 하게 되므로 저 저항 특성을 쉽게 구현할 수 있다.
또한, 금속 나노구조물 간의 접촉이 금속 전구체를 매개로 이루어지므로, 저 소성 온도에서도 저 저항 특성을 쉽게 구현할 수 있다.
도 1 은 실시예 1에서 제조된 금속 나노로드의 SEM 사진이다.
도 2 는 본 발명에 따라 금속 전구체 용액에 금속 나노로드가 분산된 금속 잉크를 이용하여 제조한 투명전극에 있어서 금속 나노로드와 금속 전구체 간의 결합 양태를 도시한 것이다.
도 3 은 실시예 2에서 제조된 금속 나노파티클의 SEM 사진이다.
도 4 는 금속 전구체 용액에 금속 나노파티클을 혼합 분산시켜 제조된 금속 잉크를 이용하여 제조된 투명 전극에서 금속 나노파티클과 금속 전구체 간의 결합 양태를 도시한 것이다.
본 발명은 금속 전구체 용액에 금속 나노구조물을 혼합 분산시켜 제조되는 투명전극 소재용 금속 잉크 및 그 제조방법을 제공한다.
금속 나노구조물은 금속 나노로드(nanorod) 또는 금속 나노파티클(nanoparticle)을 포함한다.
금속 잉크에 사용되는 금속 나노로드(nanorod)는 금속 나노와이어로부터 제조된다. 금속 나노와이어는 상업적으로 판매되는 것이라면 사용 가능하며 통상적으로 폴리올방법 (polyol process)으로 알려진 합성 방법에 의해 제조될 수 있다.
일 예로서, 금속 나노와이어는 금속 전구체 (metal precursor), 에틸렌글리콜(ethylene glycol) 또는 프로필렌 글리콜(propylene glycol) 등과 같은 유기 용매, 폴리비닐피롤리돈(polyvinylpyrolidone, PVP)과 같은 캡핑제(capping agent) 및 첨가제를 이용하여 제조되는 반응 용액 상에서 합성할 수 있다.
반응 용액은, 폴리비닐피롤리돈(polyvinylpyrolidone, PVP)와 같은 캡핑제, 염소 이온(Cl-)을 포함하는 첨가제를 에틸렌글리콜(ethylene glycol) 또는 프로필렌 글리콜(propylene glycol)과 같은 유기 용매에 용해시켜 80~ 140℃로 가열 교반하여 제1 용액을 준비하고, 상기 제1 용액에 금속 전구체 용액을 혼합하여 제조할 수 있다.
캡핑제(capping agent)로는 수용성 고분자가 사용될 수 있다는 것이 공지되어 있으며, 수용성 고분자는 그 분자량(Mw)에 따라 생성되는 나노와이어의 종횡비를 조절할 수 있는 것으로 알려져 있다. 본 발명의 실시예에서는 수용자 고분자로서는 50,000 내지 1,500,000 분자량(Mw)을 갖는 것을 사용하는 것이 바람직하며, 수용성 고분자의 예로서 폴리비닐피롤리돈, 폴리비닐알콜, 폴리아크릴아미드, 폴리아크릴산 및 이들의 공중합체에서 하나 이상 선택된 것을 사용할 수 있다. 보다 바람직하게 폴리비닐피롤리돈(poly vinylpyrrolidone)을 사용한다.
첨가제는 금속 나노와이어로의 환원반응을 촉진시키는 것으로 알려져 있으며, 이와 같은 효과는 주로 염소 이온(Cl-) 등 금속염에 포함된 음이온의 작용으로 여겨지고 있다. 본 발명의 실시예에서는 첨가제로서 PtCl3, NaCl, LaCl3, HCl, 테트라부틸암모늄클로라이드(TBAC) 등과 같은 염화물에서 하나 이상 선택된 것을 사용할 수 있다. 보다 바람직하게는 테트라부틸암모늄클로라이드(TBAC)를 사용한다.
반응 용액에 포함되는 유기 용매로서는 에틸렌 글리콜(Ethylene Glycol), 프로필렌 글리콜(propylene glycol)이 사용될 수 있으며, 이외에도 다이에틸렌글리콜(DiethyleneGlycol(DEG)(2-Hydroxyethyl Ether) 및 글리세롤(glycerol) 등에서 선택될 수 있다.
금속 나노와이어 및 이로부터 제조되는 금속 나노로드를 이루는 금속 재료로는 은, 구리, 금, 팔라듐 등이 사용될 수 있으며, 이 중에서 특히 은 나노로드가 전도성 면에서 유리한 재료로서 선택될 수 있다.
은 나노와이어 제조를 위한 은 전구체로는 질산은(AgNO3)을 사용한다. 그러나 본 발명은 이에 제한되지 않고, 은의 유기산 염, 무기산 염 또는 할로겐화물을 비롯하여 다양한 형태의 것을 사용할 수 있다. 예컨대, 은 브로마이드(AgBr), 은 플로라이드(AgF), 은 클로라이드(AgCl), 은 아이오다이드(AgI), 은 클로레이트(ClO3Ag), 은 카보네이트(CO3Ag2), 은 시아네이트(NCOAg), 은 퍼클로레이트(ClO4Ag), 등을 사용할 수 있으며, 나아가, 은 아세테이트(CH3COOAg), 은 벤조에이트(C6H5COOAg), 은 락테이트(CH3CH(OH)COOAg), 은 시트레이트(C3H5O(COOAg)3), 은 시클로헥산부티레이트(C6H11-CH2CH2CH2-COOAg), 은-2-에틸헥사노에이트(CH3CH2(C2H5)CH2CH2CH2COOAg), 은 트리플루오로아세테이트(CF3COOAg), 은 헵타플루오로부티레이트(CF3CF2CF2-COOAg) 등의 은의 카르복실산 염을 사용할 수도 있다.
이와 같이 얻어진 반응 용액을 시린지 펌프(syringe pump)를 이용하여 천천히 적가하며, 이 용액을 약 4시간 동안 반응하고 물을 투여하여 급냉시켜 반응을 종료시킨다. 이후 이를 원심분리를 통하여 분리/정제하면 은 나노와이어를 제조할 수 있다.
본 발명에서는 이와 같이 제조된 은 나노와이어를 롤밀링, 볼밀링 또는 초음파 분쇄 등의 기계적 분쇄법으로 분쇄하여 은 나로로드를 얻는다.
은 나로로드는 바람직하게는 0.1 내지 10㎛ 범위의 길이와 1:5 내지 1:100의 종횡비를 가지며, 더 바람직하게는 0.5~3㎛ 범위의 길이와 1:10~1:70 의 종횡비를 갖는다.
이때 균일한 크기를 갖는 나노로드를 제공하기 위하여 롤밀링, 볼밀링 및 초음파 분쇄법의 조건 및 분쇄 시간을 달리할 수 있으며 상기 조건 및 분쇄 시간은 분쇄의 재료가 되는 나노와이어의 물리적 특성에 따라 달라진다. 예로서 롤밀링을 위해서 Triple Roller Mill 80E, EXAKT社의 장치를 사용하고, 볼밀링을 위해서 PDM-300, DAE WHA TECH社의 장치를 사용하며, 초음파 분쇄를 위해서 UP100H, Hielscher社의 장치를 사용할 수 있으나 이에 제한되는 것은 아니다.
본 발명에 의하면, 금속 잉크에 포함되는 금속 나노구조물로서 금속 나노파티클이 사용될 수 있다. 금속 나노파티클 역시 상업적으로 판매되는 것이라면 사용 가능하며, 공지된 제조방법으로 제조될 수 있다.
일 예로, 금속 나노파티클은 금속 전구체 (metal precursor), 에틸렌글리콜(ethylene glycol) 또는 프로필렌 글리콜(propylene glycol)등과 같은 유기 용매, 폴리비닐피롤리돈(polyvinylpyrolidone, PVP)과 같은 캡핑제(capping agent)를 이용하여 제조되는 반응 용액 상에서 합성할 수 있다.
반응 용액은, 폴리비닐피롤리돈(polyvinylpyrolidone, PVP)와 같은 캡핑제를 에틸렌글리콜(ethylene glycol) 또는 프로필렌 글리콜(propylene glycol)과 같은 유기 용매에 용해시켜 80~ 120℃로 가열 교반하여 제1 용액을 준비하고, 상기 제1 용액에 금속 전구체 용액을 혼합하여 제조할 수 있다.
캠핑제, 유기 용매 및 금속 전구체 용액은 상술한 금속 나노와이어의 제조방법에서와 동일한 것이 사용될 수 있다.
금속 나노파티클을 위하여 제조된 반응 용액을 시린지 펌프(syringe pump)를 이용하여 천천히 적가하며, 그 후 약 4시간 동안 반응하고 물을 투여하여 급냉시켜 반응을 종료시킨다. 이후 이를 원심분리를 통하여 분리/정제하면 은 나노파티클을 제조할 수 있다.
은 나노파티클은 바람직하게는 10 내지 50 nm 범위의 입자 크기를 갖는다.
본 발명은 금속 전구체 용액에, 상기와 같이 제조된 금속 나노로드 또는 금속 나노파티클과 같은 금속 나노구조물을 혼합하여 분산시킴으로써 금속 잉크를 제조한다.
금속 전구체 용액은 금속 전구체를 바람직하게는 극성 용매에 용해시켜 제조된다.
그리고 이와 같이 제조된 금속 전구체 용액에 금속 나노로드 또는 금속 나노파티클을 혼합 분산시켜 금속 잉크를 제조한다. 이때 초음파 분산을 통한 분산이 가능하다. 초음파분산장비(UP100H, Hielscher社 )를 이용하여 100W의 출력으로 10분간 분산한다.
이때 금속 잉크의 전체 중량 대비 금속 전구체의 함량은 1 내지 10 중량%이다. 또한 금속 나노로드 또는 금속 나노파티클의 함량은 금속 잉크의 전체 중량 대비 1 내지 30 중량%이고, 바람직하게는 1 내지 20중량%이고, 더 바람직하게는 10 내지 20중량%이다.
금속 전구체의 함량이 10%를 초과하면, 금속 전구체가 용매에 전부 녹지 않아 침전물, 부유물이 발생할 수 있으며, 또한, 금속 나노로드와 금속 나노파티클의 분산성이 낮아지는 역효과가 발생하여 인쇄공정에서 노즐 막힘 등의 문제를 가져 올 수 있다. 반대로, 1% 미만의 소량을 사용할 경우 응집화된 패킹(condensed packing) 등 본 발명에 따른 금속 잉크에서 얻고자 하는 장점을 얻기가 어려워진다.
금속 전구체의 금속 재료는 혼합되는 금속 나노구조물 즉, 금속 나노로드 또는 금속 나노파티클과 동일한 재료의 금속이 사용된다.
금속 나노구조물 소재로는 전도성이 우수한 은(Ag)을 선택하며, 이에 따라 금속 잉크를 이루는 금속 전구체의 금속 소재 역시 은이 선택된다. 이때 바람직하게는 금속 전구체로서 은 락테이트(CH3CH(OH)COOAg)가 사용된다.
Ag 락테이트는 극성용매에 잘 용해 되면서 소성온도가 낮고, 광 안정성이 뛰어난 장점이 있다.
금속 전구체 용액을 위한 용매로서는 극성 용매가 사용된다. 바람직하게는, 극성 용매는 물, 메탄올, 에탄올, n-프로필알코올, 이소프로필알코올, 노르말부탄올, 이소부탄올, 헥산올, 벤질 알콜, 디아세톤알코올 등의 알콜계 용매, 에틸렌글리콜, 프로필렌글리콜, 글리세롤 등의 폴리올계 용매, 1,4-디옥산, 테트라하이드로푸란(THF), 에틸렌글리콜모노메틸에테르, 에틸렌글리콜모노에틸에테르, 에틸렌글리콜디메틸에테르, 프로필렌글리콜모노메틸에테르, 프로필렌글리콜모노에틸에테르, 프로필렌그리콜디메틸에테르 등의 에테르계 용매, N,N-디메틸포름아미드, N-메틸포름아미드, N,N-디메틸아세트아미드(DMA) 등의 아미드계 용매, 아세토니트릴 등의 니트릴계 용매, 아세트알데히드등 의 알데히드계 용매를 비롯하여 N-메틸-2-피롤리돈, 2-피롤리돈, N-비닐-2-피롤리돈, 디메틸설폭사이드, n-부티로락톤, 니트로메탄, 에틸락테이트를 포함하며, 이를 1종 또는 2종 이상을 조합하여 사용할 수 있다.
투명전극의 인쇄 공정 중 오프셋(Off-set) 방법을 사용하는 인쇄 공정에서 사용하는 블랭킷 시트(blanket sheet)는 비극성 용매를 사용한 잉크를 사용하는 경우 스웰링(swelling) 현상이 발생할 수 있다. 그러나 본 발명에서와 같이 극성 용매를 사용하는 경우 이와 같은 스웰링 현상을 방지할 수 있다.
금속 나노로드 또는 금속 나노파티클만을 포함하는 금속 잉크는 입자간의 접촉이 원활하지 않는 경우 저항이 높아지는 문제점이 있다. 그러나 본 발명과 같이 금속 나노로드 또는 금속 나노파이클을 금속 전구체 용액에 혼합하여 분산시켜 제조된 금속 잉크의 경우, 금속 전구체가 금속 나노로드 또는 금속 나노파티클 사이의 공극에 채워지고 소성 후에는 금속 나노로드 또는 금속 나노파티클 간을 전기적으로 연결시키는 역할을 하므로 금속 나노파티클 또는 금속 나노로드 간의 접촉이 원활하지 않더라도 저 저항의 구현이 가능하다.
또한 금속 나노로드 또는 금속 나노파티클만을 함유하는 잉크를 사용하는 경우 공극으로 인하여 분산 안정성을 높이는 데 한계가 있으나, 본 발명에 따른 금속 잉크를 사용하는 경우 소성 후에는 금속 전구체로부터 유래하는 금속이 금속 나노로드 또는 금속 나노파티클 사이의 공극에 채워지므로 응집화된 패킹(condensed packing)이 가능하며, 금속 전구체와 금속 나노로드 또는 금속 나노파티클의 복합화를 통해 금속 함량(solid contents)이 높아지므로 분산 안정성과 관련하여 금속 나노로드 및 금속 나노파티클이 갖는 단점을 해결할 수 있다.
또한 상기 금속 잉크로부터 투명전극을 제조할 때, 소성 단계에 있어서 기존의 금속 나노파티클 또는 금속 나노로드만을 포함하는 금속 잉크를 사용하는 경우에 비해 저온 소성이 가능하다.
본 발명에 따른 금속 잉크는 스핀 코팅 등을 통하여 글래스(glass) 또는 필름(film)과 같은 기판에 코팅되고 소성되어 전극을 형성한다.
본 발명에 따른 금속 잉크를 이용한 소성과, 금속 나노파티클 또는 금속 나노로드만을 포함하는 금속 잉크를 이용하여 코팅 및 소성을 비교해 보면, 예를 들어, 금속 나노파티클의 경우 소성 과정에서 전극의 전 영역에서 파티클들이 모두 안정적으로 접촉될 수 있도록 균일한 소성이 이루어져야 하며, 부분적인 소성의 불균일은 저항의 증가를 가져올 수 있다. 더욱이 금속 나노파티클 간의 접촉은 수많은 점 접촉에 의해 이루어지는데, 이러한 점 접촉이 전극 전 영역에 걸쳐 균일하게 이루어지게 하기 위해서는 소성 온도 및 시간이 증가될 수밖에 없으며 소성 과정을 컨트롤하는 것이 어렵다.
또한, 기존의 금속 나노로드만을 포함하는 금속 잉크의 경우에도 전극 형성을 위한 접촉이 금속 나노로드 간의 접촉에 달성될 수 있도록 균일한 소성이 이루어져야 한다. 전극 형성을 위한 접촉이 부분적인 점 접촉에 의해 달성할 수 있으므로 금속 나노파티클만을 포함하는 금속 잉크에 비해 나노로드 간의 접촉력이나 기판에 대한 접착력이 우수하지만, 금속 나노로드가 끊어지거나, 끊어진 나노로드가 용융되어 점의 형태로 뭉치는 경우 접촉이 어려워지기 때문에 저항이 증가할 수 있다. 따라서 소성 온도 및 시간이 상대적으로 증가될 수밖에 없으며 소성 과정을 상대적으로 정밀히 컨트롤 하는 것이 필요하다.
그러나 본 발명에 따른 금속 잉크의 경우 금속 나노파티클 또는 금속 나노로드 간의 공극에 채워진 금속 전구체가 금속 나노파티클 및 금속 나노로드 간을 연결시키는 역할을 하므로 금속 나노파티클 또는 금속 나노로드 간의 접촉이 원활하지 않은 부분에서도 저온 및 짧은 시간의 소성으로도 나노파티클 또는 나노로드 간의 접촉을 충분히 형성할 수 있고 이로 인해 전극의 저항이 낮아진다.
따라서 본 발명은 저온 및 짧은 시간의 소성 공정에 의해 낮은 저항값 특성을 갖는 투명전극용 제조에 이용될 수 있는 금속 잉크를 제공할 수 있다.
이하 실시예를 통해 본 발명을 상세히 설명한다. 그러나 이는 발명의 이해를 돕기 위한 것일 뿐 본 발명의 범위가 이에 제한되는 것으로 여겨져서는 안된다.
실시예 1
(1) 은 나노로드의 제조
50ml의 반응 용기 A에 7.5g의 프로필렌 글리콜 (Junsei, 99%) 및 금속 전구체로서 2.1g의 질산은(AgNO3)(Junsei, 99.8%)을 넣어 용해시켜 전구체 용액을 제조하였다. 100ml의 반응 용기 B에 39.5g의 프로필렌 글리콜 (Junsei, 99%) 및 수용성 고분자로서 0.25g의 폴리비닐피롤리돈(PVP)(Sigma-Aldrich, 90%)과 첨가제로서 5mg의 NaCl(Aldrich,anhydrous, 99.9%)을 투입하고 100℃로 가열하면서 용해시켰다. 이것을 100℃로 계속하여 가열하면서 여기에 상기 제조된 전구체 용액을 시린지 펌프(syringe pump) 를 이용하여 20 분에 걸쳐 천천히 적가하면서 저어 주었다. 그 후 4시간 동안 계속하여 반응액을 100℃로 가열하면서 저어 주었다. 다음으로 500ml의 물을 냉각수로 투여하여 반응을 종료시켰다. 반응 희석액을 2,000rpm에서 10분간 원심분리하여 침전된 나노와이어를 얻는 과정을 3회 반복하여 약 1.2g의 은 나노와이어를 획득하였다.
그리고 이와 같이 제조된 은 나노와이어로부터 은 나노로드를 획득하기 위하여 초음파 분쇄 장치에서 100W의 조건으로 20분 동안 분쇄하였다.
도 1 은 획득된 은 나노로드 관찰한 SEM 사진이다.
(2) 금속 잉크 및 투명전극의 제조
250ml의 반응 용기에 5g의 은 락테이트(CH3CH(OH)COOAg)(Sigma Aldrich, 99.5%) 및 100ml의 에탄올에 녹여 금속 전구체 용액을 제조하였다. 반응용기에 20g의 은 나로로드를 혼합하여 초음파 분산장비를 사용하여 100W 조건으로 10분간 분산하였다. 이와 같이 제조된 금속 잉크를, 전극 기재로서 유리 기판(2cm x 2cm, 삼성 코닝 정밀소재(社) eagle glass)상에 스핀 코팅의 방법으로 코팅하여 전극을 형성하였다. 다음으로 상기 코팅된 것을 160 ℃에서 10 분 동안 열처리하는 것으로 전극을 제조하였다.
도 2 는 전구체 용액에 나노로드를 혼합 분산시켜 제조된 금속 잉크를 이용하여 제조된 투명 전극에서 금속 나노로드와 금속 전구체 간의 결합 양태를 도시한 것이다. 금속 나로로드(2) 사이의 공극에 금속 전구체(5)가 채워져 금속 나노로드(2)간의 접촉이 없는 부분에서도 금속 전구체(5)가 금속 나로로드(2) 간을 연결한다.
실시예 2
(1) 은 나노파티클의 제조
50ml의 반응 용기 A에 7.5g의 프로필렌 글리콜 (Junsei, 99%) 및 금속 전구체로서 2.1g의 질산은(AgNO3)(Junsei, 99.8%)을 넣어 용해시켜 전구체 용액을 제조하였다. 100ml의 반응 용기 B에 39.5g의 프로필렌 글리콜(Junsei, 99%) 및 수용성 고분자로서 0.25g의 폴리비닐피롤리돈(PVP)(Sigma-Aldrich, 90%)을 투입하고 100℃로 가열하면서 용해시켰다. 이것을 100℃로 계속하여 가열하면서 여기에 상기 제조된 전구체 용액을 시린지 펌프(syringe pump) 를 이용하여 20 분에 걸쳐 천천히 적가하면서 저어 주었다. 그 후 4시간 동안 계속하여 반응액을 100℃로 가열하면서 저어 주었다. 다음으로 500ml의 물을 냉각수로 투여하여 반응을 종료시켰다. 반응 희석액을 2,000rpm에서 10분간 원심분리하여 침전된 나노파티클을 얻는 과정을 3회 반복하여 약 1.2g의 은 나노파티클을 획득하였다.
도 3 은 획득된 은 나노파티클을 관찰한 SEM 사진이다.
(2) 금속 잉크 및 투명전극의 제조
250ml의 반응 용기에 5g의 은 락테이트(CH3CH(OH)COOAg)(Sigma Aldrich, 99.5%) 및 100ml 의 에탄올에 녹여 금속 전구체 용액을 제조하였다. 반응용기에 20g의 은 나로파티클을 혼합하여 초음파 분산장비를 사용하여 100W 조건으로 10분간 분산하였다. 이와 같이 제조된 금속 잉크를, 전극 기재로서 유리 기판(2cm x 2cm, 삼성 코닝 정밀소재(社) eagle glass)상에 스핀 코팅의 방법으로 코팅하여 전극을 형성하였다. 다음으로 상기 코팅된 것을 160℃에서 10 분 동안 열처리하는 것으로 전극을 제조하였다.
도 4 는 전구체 용액에 나노파티클을 혼합 분산시켜 제조된 금속 잉크를 이용하여 제조된 투명 전극에서 금속 나노파티클과 금속 전구체 간의 결합 양태를 도시한 것이다. 금속 나로파티클(4) 사이의 공극에 금속 전구체(5)가 채워져 금속 나노파이클(4) 간의 접촉이 없는 부분에서도 금속 전구체(5)가 금속 나노파티클(4) 간을 연결한다.
비교예 1
250ml의 반응 용기를 사용하여 100ml의 에탄올에 20g의 은 나노로드를 초음파 분산장비를 사용하여 100W 조건으로 10분간 분산하였다.
이와 같이 제조된 금속 잉크를, 전극 기재로서 유리 기판(2cm x 2cm, 삼성 코닝 정밀소재(社) eagle glass)상에 스핀 코팅의 방법으로 코팅하여 전극을 형성하였다. 다음으로 상기 코팅된 것을 160℃에서 10 분 동안 열처리하는 것으로 전극을 제조하였다.
비교예 2
250ml의 반응 용기를 사용하여 100ml 의 에탄올에 20g의 은 나노파티클을 초음파 분산장비를 사용하여 100W 조건으로 10분간 분산하였다.
이와 같이 제조된 금속 잉크를, 전극 기재로서 유리 기판(2cm x 2cm, 삼성 코닝 정밀소재(社) eagle glass)상에 스핀 코팅의 방법으로 코팅하여 전극을 형성하였다. 다음으로 상기 코팅된 것을 160℃에서 10 분 동안 열처리하는 것으로 전극을 제조하였다.
저항평가
BEGA (사) RS8-1G 모델의 4-point probe 사용하여 실시예 및 비교예에서 제조된 유기 기판 상에 코팅된 전극의 저항값을 측정하였다.
그 결과를 하기 표 1에 정리하였다.
구분 저항값(Ω)
실시예 1 0.4
실시예 2 0.8
비교예 1 ~100
비교예 2 40
표 1로부터 금속 전구체가 포함된 금속 잉크를 사용한 전극(실시예 1 및 2)이 같은 조건으로 소성한 다른 조건의 전극(비교예 1 및 2)보다 저항이 낮게 측정됨을 알 수 있다. 그 이유는 낮은 소성온도 조건에서 금속 전구체들이 금속 나노로드 혹은 금속 나노파티클의 사이에 끼어들어 연결시켜 주는 역할을 하게 되므로, 금속 전구체가 없는 경우보다, 저항이 낮게 측정되는 것이다.
상기 결과로부터 본 발명에 따르면 저 저항 특성을 갖는 전극의 제조에 용이한 금속 잉크를 용이하게 제조할 수 있다는 것을 알 수 있다.

Claims (12)

  1. 용매에 금속 전구체가 용해된 금속 전구체 용액에, 금속 나노구조물이 분산되어 있는 투명전극용 금속 잉크로서,
    상기 금속 나노구조물은 0.1 내지 10㎛의 길이와 1:5 내지 1:100의 종횡비를 갖는 은 나노로드 또는 10 내지 50nm의 입자 크기를 갖는 은 나노파티클이며,
    상기 금속 전구체는 은 락테이트이고,
    전체 잉크 중량 대비 1~10 중량%의 상기 금속 전구체와 10~30 중량%의 상기 금속 나노구조물을 포함하는 투명전극용 금속 잉크.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 삭제
  7. 제 1 항에 있어서
    상기 용매는 극성 용매인 투명전극용 금속 잉크.
  8. 용매에 금속 전구체를 용해하여 금속 전구체 용액을 준비하는 단계; 및
    상기 금속 전구체 용액에 금속 나노구조물을 분산시키는 단계를 포함하는 투명전극용 금속 잉크의 제조 방법으로서,
    상기 금속 전구체는 은 락테이트이고,
    상기 금속 나노구조물은 0.1 내지 10㎛의 길이와 1:5 내지 1:100의 종횡비를 갖는 은 나노로드 또는 10 내지 50nm의 입자 크기를 갖는 은 나노파티클이며,
    전체 잉크 중량 대비 1~10 중량%의 상기 금속 전구체와 10~30 중량%의 상기 금속 나노구조물을 포함하는, 투명전극용 금속 잉크의 제조 방법.
  9. 삭제
  10. 삭제
  11. 삭제
  12. 제 8 항에 있어서
    상기 용매로는 극성 용매를 사용하는 투명전극용 금속 잉크의 제조 방법.
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