KR102302548B1 - 표면 처리된 금속 나노와이어의 제조방법 - Google Patents

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KR102302548B1 KR1020200078998A KR20200078998A KR102302548B1 KR 102302548 B1 KR102302548 B1 KR 102302548B1 KR 1020200078998 A KR1020200078998 A KR 1020200078998A KR 20200078998 A KR20200078998 A KR 20200078998A KR 102302548 B1 KR102302548 B1 KR 102302548B1
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Abstract

본 발명에 따른 표면처리된 금속 나노와이어의 제조방법은 a) 제1금속 전구체, 환원제, 캡핑제 및 제1용매를 혼합하고, 용매열합성하여 금속 나노와이어를 수득하는 단계; 및 b) 상기 수득된 금속 나노와이어를 환원성 분위기에서 열처리하는 단계; 를 포함한다.

Description

표면 처리된 금속 나노와이어의 제조방법{Preparing method of surface-treated metal nanowire}
본 발명은 표면 처리된 금속 나노와이어의 제조방법에 관한 것으로, 상세하게, 금속 나노와이어를 용매열합성법으로 제조한 후, 환원 분위기에서 건식 열처리를 통해 금속 나노와이어의 내부 결함을 제거하고 표면 화학반응 안정성을 높이며 나노와이어 표면에 흡착된 유기물을 제거함으로서, 이후 수행되는 이종금속 표면코팅 공정에서 나노와이어가 손상되지 않고 치밀한 금속 코팅층을 금속 나노와이어 표면에 형성하는 방법에 관한 것이다.
터치패널을 이용한 휴대전자기기, 태양전지와 같은 친환경 에너지 소자, 유기발광다이오드(Organic lLight Emitting Diode; OLED)과 같은 광전자 소자의 전극으로는 광학적으로 투명하면서도 양호한 전기 전도도를 가지는 투명전극이 주로 이용되고 있다. 최근 광전자 소자의 다양화 및 발전에 따라, 투명전극은 유연성이나 성형성이 요구되고 있다.
한편, 투명전극의 소재로서 가장 널리 이용되고 있는 (Indium Tin Oxide: ITO), 인듐 아연 산화물(Indium Zinc Oxide: IZO) 등과 같은 투명 도전성 산화물은 높은 광 투과율 및 우수한 전기전도도를 가지나, 세라믹 특성에 의한 유연성 특성 구현에 한계가 있고, 금속 소재에 비해 저항이 높다는 문제가 있다. 이에, 투명전극의 소재로서 도전성 산화물을 대체할 수 있는 물질을 개발하기 위해 다양한 연구들이 진행되고 있으며, 이러한 도전성 산화물을 대체하기 위해 연구되고 있는 물질로는 그래핀(graphene), 탄소나노튜브(carbon nanotube), 전도성 고분자(conducting polymer), 금속 나노와이어(metal nanowire) 등이 있다. 그러나, 그래핀 및 탄소나노튜브의 경우, 전기 전도도가 낮으며 대량 생산 공정으로 제조시 투명 전극에 요구되는 물성들을 만족시키기 어려운 단점을 가져 상용에 어려움이 있다. 이에 따라, 우수한 전기 전도도, 유연성 및 투명성을 가지는 금속 나노와이어가 각광받고 있다. 한편 촉매 분야에서 금속 나노와이어는 금속 나노입자와는 달리 높은 종횡비 및 나노크기의 높은 비표면적 특징을 동시에 가져 지지체에 고정이 용이하고 빛 흡수에 유리한 구조를 가진 촉매 기능의 역할도 한다. 금속 나노와이어의 경우 합성온도가 높지 않아 결정성장 과정에서 내부 결함이 많고 표면의 화학적 안정성이 낮아 산화가 쉽게 일어나고 전기 전도도 특성이 급격히 열화되는 단점이 있다. 또한 합성과정에서 사용되는 각종 유기물로 인하여 합성후 금속 나노와이어 표면에 다수의 유기물이 흡착되어 잔존하고 있다. 이에 따라 금속 나노와이어 표면에 추가적인 표면처리 코팅공정을 수행할 때 나노와이어가 끊어지고 금속 나노와이어 표면이 크게 손상되며 균일한 막질의 표면처리를 하지 못하게 된다. 이러한 단점을 극복하기 위하여, 금속 나노와이어에 대한 다양한 표면처리 공정이 연구되고 있으나, 금속 나노와이어 고유의 고종횡비를 유지하면서 금속 나노와이어 표면에 치밀한 금속막을 형성하는 데에 큰 어려움이 있어 종횡비가 낮아지고 코팅금속 품질의 균일성이 저하되는 문제가 있다.
대한민국 공개특허공보 제10-1789213호
본 발명은 개선된 표면 특성을 가지는 금속 나노와이어의 제조방법에 관한 것이다.
본 발명에 따른 표면처리된 금속 나노와이어의 제조방법은 a) 제1금속 전구체, 환원제, 캡핑제 및 제1용매를 혼합하고, 용매열합성하여 금속 나노와이어를 수득하는 단계; 및 b) 상기 수득된 금속 나노와이어를 환원성 분위기에서 열처리하는 단계;를 포함한다.
본 발명의 일 양태에 따른 표면처리된 금속 나노와이어의 제조방법에 있어서, 상술한 b) 단계의 열처리는 환원성 가스를 공급하며 100℃ 내지 450℃의 온도에서 수행되는 것일 수 있다.
본 발명의 일 양태에 따른 표면처리된 금속 나노와이어의 제조방법에 있어서, 상술한 b) 단계는, 열처리 전 비 가열 상태의 상기 금속 나노와이어를 10 Torr 이하의 진공상태에서 환원성 가스에 노출시키는 단계;를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일 양태에 따른 표면처리된 금속 나노와이어의 제조방법에 있어서, 상술한 a) 단계의 용매열합성은 50℃ 내지 200℃의 온도 범위에서 수행될 수 있다.
본 발명의 일 양태에 따른 표면처리된 금속 나노와이어의 제조방법에 있어서, 상술한 제1금속 전구체의 제1금속은 팔라듐(Pd), 백금(Pt), 루테늄(Ru), 은(Ag), 금(Au), 주석(Sn), 철(Fe), 니켈(Ni), 코발트(Co), 알루미늄(Al), 아연(Zn), 구리(Cu), 인듐(In) 및 티타늄(Ti)로 이루어진 군에서 하나 이상 선택되는 것일 수 있다. 바람직하게는, 구체적으로 구리(Cu)일 수 있다.
본 발명의 일 양태에 따른 표면처리된 금속 나노와이어의 제조방법에 있어서, 상술한 캡핑제는 알킬기를 가지는 아민계 화합물, 카르복실계 화합물, 싸이올계 화합물, 폴리비닐피로리돈(PVP), 소듐도데실설페이트(SDS), 세틸트리메틸암모늄 브로마이드(CTAB) 또는 이들의 혼합물일 수 있다.
본 발명의 일 양태에 따른 표면처리된 금속 나노와이어의 제조방법에 있어서, 상술한 환원제는 글루코스, 프룩토오스, 말토오스, 갈락토오스 및 락토오스에서 하나 이상 선택되는 당류일 수 있다.
본 발명의 일 양태에 따른 표면처리된 금속 나노와이어의 제조방법은 상술한 b) 단계 후, b) 단계에서 열처리된 금속 나노와이어를 제2용매에 분산하여 분산액을 제조하고, 상기 분산액에 제2금속 전구체를 함유하는 용액을 점적하여 혼합하고 반응시켜, 분산액에 함유된 금속 나노와이어 표면에 금속막을 형성하는 단계;를 더 포함할 수 있다.
이때, 상술한 반응은 20℃ 이하의 저온에서 수행되는 것일 수 있다.
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본 발명의 일 양태에 따른 표면처리된 금속 나노와이어의 제조방법에 있어서, 상술한 제2금속 전구체의 제2금속은 은(Ag), 금(Au), 백금(Pt), 주석(Sn) 및 니켈(Ni)로 이루어진 군에서 하나 이상 선택될 수 있다.
또한, 본 발명은 상술한 제조방법으로 제조된 금속 나노와이어 및 이를 함유하는 전극을 포함한다.
본 발명에 따른 표면처리된 금속 나노와이어의 제조방법은 내부 결함이 적고 표면 화학반응 안정성이 개선되며 금속 나노와이어 표면에 흡착된 유기물이 제거된 금속 나노와이어를 제공할 수 있어, 상기 금속 나노와이어의 종횡비를 유지하며 그 표면에 치밀하고 균질한 금속막을 형성할 수 있다는 장점이 있다.
이에, 본 발명에 따른 제조방법으로 제조된 코어-쉘 구조의 금속 나노와이어는 나노와이어의 높은 종횡비를 유지하면서도, 표면처리된 코팅 금속의 고유한 특징을 가지는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 공정도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 표면처리된 금속 나노와이어 모식도이다
도 3는 실시예 2, 비교예 3 및 비교예 4에 따른 은 코팅된 구리 나노와이어의 미세구조를 분석한 FE-SEM 이미지이다.
도 4는 은 코팅된 구리 나노와이어 단면 사진이다.
도 5은 실시예 2, 비교예 3 및 비교예 4에 따른 은 코팅된 구리 나노와이어의 은코팅 함량을 분석한 EDX 측정결과이다.
이하 첨부한 도면들을 참조하여 본 발명의 표면처리된 금속 나노와이어의 제조방법을 상세히 설명한다. 다음에 소개되는 도면들은 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 예로서 제공되는 것이다. 따라서, 본 발명은 이하 제시되는 도면들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있으며, 이하 제시되는 도면들은 본 발명의 사상을 명확히 하기 위해 과장되어 도시될 수 있다. 이때, 사용되는 기술 용어 및 과학 용어에 있어서 다른 정의가 없다면, 이 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 통상적으로 이해하고 있는 의미를 가지며, 하기의 설명 및 첨부 도면에서 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있는 공지 기능 및 구성에 대한 설명은 생략한다. 또한 명세서 및 첨부된 특허청구범위에서 사용되는 단수 형태는 문맥에서 특별한 지시가 없는 한 복수 형태도 포함하는 것으로 의도할 수 있다. 본 명세서 및 첨부된 특허청구범위에서 특별한 언급 없이 사용된 단위는 중량을 기준으로 하며, 일 예로 % 또는 비의 단위는 중량% 또는 중량비를 의미한다.
본 발명에 따른 표면처리된 금속 나노와이어의 제조방법은 a) 제1금속 전구체, 환원제, 캡핑제 및 제1용매를 혼합하고, 용매열합성하여 금속 나노와이어를 수득하는 단계; 및 b) 상기 수득된 금속 나노와이어를 환원성 분위기에서 열처리하는 단계;를 포함한다.
즉, 본 발명에 따른 표면처리된 금속 나노와이어의 제조방법은 제1금속을 포함하는 금속 나노와이어를 용매열합성법으로 제조하고, 이를 환원성 분위기에서 열처리함으로써, 금속 나노와이어의 제조 시 투입되는 캡핑제와 환원제의 잔여 성분 및 제조 단계에서 형성되는 금속 나노와이어의 산화막 등의 불순물을 효과적으로 제거할 수 있다. 특히, 건식 열처리의 효과로서 금속 나노와이어의 결정성을 높여 화학적 안정성을 개선하여 후속되는 제2금속을 포함하는 금속막 코팅 표면처리 품질을 높이는 효과를 나타낸다. 상세하게, 금속 나노와이어의 높은 종횡비를 그대로 유지하면서도, 금속 나노와이어의 표면 전체를 치밀하게 감싸도록 형성된 균질한 금속막을 형성할 수 있다. 이러한 경우, 본 발명에 따라 구현된 금속막이 코팅된 금속 나노와이어는 나노와이어의 고유 형상(높은 종횡비)을 유지하면서도, 표면처리된 코팅 금속의 고유한 특징을 가지는 효과가 있다.
이때, 상술한 제1금속은 팔라듐(Pd), 백금(Pt), 루테늄(Ru), 은(Ag), 금(Au), 주석(Sn), 철(Fe), 니켈(Ni), 코발트(Co), 알루미늄(Al), 아연(Zn), 인듐(In) 및 티타늄(Ti)로 이루어진 군에서 하나 이상 선택되는 것으로 대체될 수 있다. 다만, 경제적이면서도 높은 내산화성 및 전기전도도를 가지는 측면에서, 제1금속은 구리일 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.
일 구체예에 있어, 상술한 a) 단계의 제1금속 전구체는 상술한 제1금속의 염, 구체적으로 제1금속의 질산염, 탄산염, 염화염, 산화염, 황산염, 아세트산염, 아세틸아세토네이트, 이들의 수화물 또는 이들의 혼합물에서 하나 이상 선택되는 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.
일 구체예에 있어, 상술한 제1용매는 물, 메탄올, 에탄올, 이소프로필알코올 및 n-프로필알코올, 폴리올로 이루어진 군에서 하나 이상 선택되는 것일 수 있으나, 이제 제한되지 않는다.
일 구체예에 있어, 상술한 캡핑제는 알킬기를 가지는 아민계 화합물, 카르복실계 화합물, 싸이올계 화합물, 폴리비닐피로리돈(PVP), 소듐도데실설페이트(SDS), 세틸트리메틸암모늄 브로마이드(CTAB) 또는 이들의 혼합물일 수 있다. 일 실시예에 있어, 상술한 캡핑제는 C1 내지 C20의 알킬기를 가지는 아민계 화합물, 구체적으로 트리메틸아민, 트리에틸아민, 트리프로필아민, 노나데실아민, 옥타데실아민, 헵타데실아민, 헥사데실아민, 펜타데실아민, 옥타-9-데세닐아민, 헵타-8-데세닐아민, 프로판-1,3-디아민, 부탄-1,4-디아민, 펜탄-1,5-디아민, 에틸렌디아민, 디메틸에틸렌디아민, 트리에틸렌디아민, N,N,N‘,N’-테트라메틸에틸렌디아민, 테트라메틸에틸렌디아민, 디에틸렌트리아민 또는 이들의 혼합물일 수 있다. 그러나, 이는 본 발명의 바람직한 실시예일뿐 본 발명이 이에 제한되지 않는다.
일 구체예에 있어, 상술한 환원제는 글루코스, 프룩토오스, 말토오스, 갈락토오스 및 락토오스에서 하나 이상 선택되는 당류일 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.
일 구체예에 있어, 상술한 a) 단계의 용매열합성은 50℃ 내지 200℃, 구체적으로 100 내지 200 ℃, 보다 구체적으로 120 내지 180 ℃의 온도 범위에서 수행될 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
일 구체예에 있어, 상술한 b) 단계의 열처리는 환원성 가스를 공급하며 5분 내지 180분, 구체적으로 10분 내지 150분, 보다 구체적으로 30 내지 120분의 시간 동안, 0.1 내지 30 Torr, 구체적으로 1 내지 25 Torr, 보다 구체적으로 5 내지 15 Torr의 가스 압력 및 450 ℃ 이하, 구체적으로 150℃ 내지 350℃, 보다 구체적으로 150 내지 350 ℃의 온도에서 수행되는 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.
비한정적인 일예로, 상술한 환원성 가스는 특별히 제한되지 않으나, 수소(H2), 암모니아(NH3), 일산화탄소(CO) 또는 이들의 조합을 함유하는 가스일 수 있다. 이때, 환원성 가스는 아르곤(Ar), 질소(N2) 등의 불활성 가스에 희석된 혼합가스의 형태로 이용될 수도 있다. 상술한 혼합가스를 이용할 경우, 환원성 가스는 혼합가스의 총 부피% 중 0.5 내지 100 부피%, 구체적으로 0.5 내지 15 부피%, 보다 구체적으로 3 내지 5 부피%로 포함될 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.
일 구체예에 있어, 상술한 b) 단계는 열처리 전, 비 가열 상태의 금속 나노와이어를 10 Torr 이하, 구체적으로 0.1 내지 0.001 Torr의 진공상태에서 환원성 가스에 노출시키는 단계;를 더 포함할 수 있다. 이러한 경우, 금속 나노와이어의 표면처리를 균질하게 할 수 있어, 추후 금속 나노와이어의 표면 상에 금속막을 형성할 시, 금속 나노와이어의 표면 전체를 감싸도록 형성된 균질한 금속막을 제공할 수 있다.
즉, 상술한 b) 단계는 b-1) a) 단계에서 제조된 금속 나노와이어를 10 Torr 이하, 구체적으로 0.1 내지 0.001 Torr의 기저압력을 가지는 진공챔버 내부에 배치한 후, 진공 챔버의 압력이 0.1 내지 30 Torr, 구체적으로 1 내지 25 Torr, 보다 구체적으로 8 내지 15 Torr가 되도록 환원성 가스를 주입하는 단계; 및 b-2) 환원성 가스를 흘려주며, 진공챔버의 온도를 100℃ 내지 450℃, 구체적으로 150 내지 350 ℃로 승온시킨 후, 상기 온도에서 , 구체적으로 10분 내지 150분, 보다 구체적으로 30 내지 120분의 시간 동안 유지하는 단계;를 순차적으로 수행하는 것일 수 있다. 이때, 진공챔버의 승온 속도는 특별히 제한되지 않으나, 1 내지 20 ℃/min, 구체적으로 8 내지 12 ℃/min일 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 표면처리된 금속 나노와이어의 제조방법은 표면처리된 금속 나노와이어의 표면에 금속막을 더 형성하는 단계를 더 포함할 수 있다.
상세하게, 상술한 b) 단계 후, b) 단계에서 열처리된 금속 나노와이어를 제2용매에 분산하여 분산액을 제조하고, 상기 분산액에 제2금속 전구체를 함유하는 용액을 점적하여 혼합하고 반응시켜, 분산액에 함유된 금속 나노와이어 표면에 금속막을 형성하는 단계;를 더 포함할 수 있다. 이에, 본 발명에 따른 표면처리된 금속 나노와이어의 제조방법은 표면처리된 금속 나노와이어 표면에 제2금속을 포함하는 금속막을 더 형성함으로써, 금속 나노와이어의 전기 전도도 및 내산화성(내화학성)을 현저하게 향상시킬 수 있다.
즉, 금속 나노와이어를 제조하고, 이를 환원성 분위기에서 열처리함으로써, 금속 나노와이어 내부의 결함을 줄이고 표면 화학반응 안정성을 높이고 금속 나노와이어 표면에 흡착된 캡핑제와 환원제의 잔여 성분을 제거할 수 있다. 이러한 경우, 열처리 효과에 따른 금속 나노와이어의 결정성이 향상되어 내부 및 표면의 화학적 안정성이 높아져, 추후 금속 나노와이어 표면에 금속막을 형성할 시 금속 나노와이어의 손상을 방지할 수 있어 금속 나노와이어의 높은 종횡비를 그대로 유지할 수 있으면서도, 보다 치밀하고 균일한 두께를 가지는 금속막을 제공할 수 있어 좋다.
이때, 금속막에 함유되는 제2금속은 은(Ag), 금(Au), 백금(Pt), 주석(Sn) 및 니켈(Ni)로 이루어진 군에서 하나 이상 선택될 수 있으나, 이에 제한되지 않으며, 금속 나노와이어의 응용분야에 따라 용이 변경 가능하다. 일예로, 높은 내산화성 및 전기전도도를 요구하는 응용분야에 적용할 경우, 제2금속은 은(Ag)일 수 있으며, 높은 신뢰성을 요구하는 응용분야에 적용할 경우, 제2금속은 니켈(Ni)일 수 있으며, 높은 촉매 특성을 요구하는 응용분야에 적용할 경우, 제2금속은 금(Au) 또는 백금(Pt)일 수 있으며, 납땜성을 요구하는 응용분야에 적용할 경우, 제2금속은 주석(Sn)일 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.
일 구체예에 있어, 상술한 제2금속 전구체는 상술한 제2금속의 염, 구체적으로 제2금속의 질산염, 탄산염, 염화염, 산화염, 황산염, 아세트산염, 아세틸아세토네이트, 이들의 수화물 또는 이들의 혼합물에서 하나 이상 선택되는 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.
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일 구체예에 있어, 표면처리된 금속 나노와이어의 표면에 형성된 금속막의 두께는 0.1 내지 50 nm, 구체적으로 1 내지 15 nm, 보다 구체적으로 1 내지 5 nm일 수 있다.
일 구체예에 있어, 상술한 반응, 구체적으로 금속막 형성 반응은 20℃ 이하의 저온, 구체적으로 4 내지 15 ℃, 보다 구체적으로 4 내지 10 ℃의 온도 범위에서 수행되는 것일 수 있다. 종래의 금속막 형성은 25℃ 이상의 온도에서 수행하여, 마이크로 크기의 제1금속 입자 상에 대해 제2금속의 코팅층 구현에 효과적이었으나, 제2금속을 환원시키기 위한 활성화 에너지가 과도하게 증가됨에 따라, 금속 나노와이어의 경우 나노 크기의 직경이 쉽게 손상되어 끊어지는 단점이 있다. 반면에, 본 발명은 20 ℃ 이하의 저온에서 제2금속의 금속막 형성 반응을 수행함으로써 금속 나노와이어 표면에 치밀하면서도 균일한 두께를 가지는 제2금속의 금속막을 형성할 수 있다. 즉, 상술한 온도 범위에서 반응이 수행될 경우, 금속 나노와이어 표면에 제2금속 전구체를 함유하는 용액으로부터 제2금속 코팅층이 균일하게 분포하면서도, 치밀한 막으로 형성될 수 있어 내산화 및 전도도가 크게 향상된다.
일 구체예에 있어, 상술한 열처리된 금속 나노와이어 : 제2금속 전구체의 중량비는 내지 1 : 0.03 내지 0.9, 구체적으로 1 : 0.05 내지 0.8, 보다 구체적으로 1 : 0.1 내지 0.5일 수 있다. 다만, 금속 나노와이어의 함량(중량)이 너무 적은 경우에는 금속 나노와이어 표면 전체에 제2금속의 입자들이 충분한 피막(금속막)을 형성할 수 없으며, 금속 나노와이어의 함량이 너무 많을 경우에는 금속 나노와이어 표면에 균일한 두께의 금속막을 형성할 수 없다. 따라서, 상술한 범위의 중량비를 만족하는 경우, 금속 나노와이어 표면 전체에 균일한 두께의 금속막을 형성할 수 있어 좋다.
아울러, 본 발명은 상술한 제조방법으로 제조된 금속 나노와이어 및 이를 함유하는 전극을 포함한다. 즉, 본 발명의 일 실시예에 따라 우수한 내산화성 및 전기 전도성을 가지는 치밀한 금속막이 코팅된 금속 나노와이어를 함유하는 전극을 제공할 수 있다. 이때, 전극은 투명전극 또는 플렉서블, 스트레처블 전극일 수 있다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 이용하여 좀 더 구체적으로 설명하지만, 하기 실시예는 본 발명의 이해를 돕기 위하여 예시하는 것일 뿐, 본 발명의 내용이 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다.
(실시예 1) 구리 나노와이어 제조
먼저, 염화구리2수화물 10g, 글루코스 30g, 헥사데실아민 15g을 물 500mL에 용해하여 혼합용액을 제조하였다. 상기 혼합용액을 밀폐반응기에 투입한 후, 200℃이하 적정 온도에서 6시간동안 교반하여, 혼합용액 내에 구리 나노와이어를 합성하였다. 이후, 구리 나노와이어 혼합용액을 세정하여 구리 나노와이어를 정제하였다. 마지막으로, 수득된 구리 나노와이어를 진공 챔버 내에 위치시킨 후, 10 Torr 미만의 기저압력을 갖는 진공 챔버의 압력이 10 torr가 되도록 환원성 혼합가스(5부피%의 H2 및 95 부피%의 N2)를 흘려주며, 300 ℃에서 2시간동안 열처리하여, 표면처리된 구리 나노와이어를 수득하였다.
(실시예 2) 은 코팅 구리 나노와이어 제조
먼저, 실시예 1에서 수득한 구리 나노와이어 분말을 물과 에탄올 혼합용액에 분산시켜, 분산된 구리 나노와이어 용액을 제조하고, 에틸렌디아민 10g과 질산은 5g을 혼합하여 은 코팅 용액을 제조하여 준비하였다. 다음으로, 제조된 구리 나노와이어 용액의 온도를 10℃로 유지한 후, 상기 용액에 은 코팅 용액을 투입하여, 구리 나노와이어 표면에 은 코팅막을 형성하였다. 이때, 구리 나노와이어와 질산은의 중량비가 1: 0.3이 되도록 하였다. 마지막으로, 은 코팅막이 형성된 구리 나노와이어를 세정 및 정제하여, 은 코팅된 구리 나노와이어를 수득하였다.
(실시예 3)
먼저, 실시예 2에서 제조된 은 코팅된 구리 나노와이어를 이소프로필알콜(IPA)에 분산시켜 나노와이어 고형분 함량 0.5wt%의 잉크를 제조하였다. 다음으로, 상기 제조된 잉크를 유리 기판 상에 은 코팅된 구리 나노와이어가 로딩되도록 코팅한 후, 상온에서 24시간 동안 건조하였다. 마지막으로, 코팅된 유리기판을 UV 램프를 통해 광소결 공정을 수행하여, 투명 전극을 최종적으로 완성하였다.
(비교예 1)
실시예의 단계 1에서, 세정 및 정제된 구리 나노와이어를 건식 열처리하지 않고, 증류수와 헥산이 1:2의 중량비로 혼합된 용액에 희석하고 5회 원심분리한 것만 배제하면, 실시예 1과 동일한 방법을 이용하였다.
(비교예 2)
실시예 2에서, 분산된 구리 나노와이어 용액의 온도를 40℃로 유지하여 은코팅 표면처리한 것만 배제하면, 실시예 2와 동일한 방법을 이용하였다.
(비교예 3)
실시예 1에서 제조된 표면처리된 구리 나노와이어가 아닌, 비교예 1에서 제조된 구리 나노와이어를 이용한 것만 배제하면, 실시예 2와 동일한 방법을 이용하였다.
(비교예 4)
비교예 3에서, 분산된 구리 나노와이어 용액의 온도를 40℃로 유지하여 은코팅 표면처리한 것만 배제하면, 비교예 3과 동일한 방법을 이용하였다.
(비교예 5)
실시예 2에서 제조된 은 코팅 구리 나노와이어가 아닌, 비교예 2에서 제조된 은 코팅 구리 나노와이어를 이용한 것만 배제하면, 실시예 3과 동일한 방법을 이용하였다.
(비교예 6)
실시예 1에서 제조된 은 코팅 구리 나노와이어가 아닌, 비교예 3에서 제조된 은 코팅 구리 나노와이어를 이용한 것만 배제하면, 실시예 3과 동일한 방법을 이용하였다.
(비교예 7)
실시예 1에서 제조된 은 코팅 구리 나노와이어가 아닌, 비교예 4에서 제조된 은 코팅 구리 나노와이어를 이용한 것만 배제하면, 실시예 3과 동일한 방법을 이용하였다.
FE-SEM(field emission-scanning electron microscope)을 이용한 미세구조 분석을 통해 실시예 1, 실시예 2, 비교예 1, 비교예 2, 비교예 3 및, 비교예 4의 직경, 길이 및 종횡비를 분석하고, 그 결과를 표 1에 도시하였다. 도시된 바와 같이, 건식 열처리된 구리 나노와이어(실시예 1)를 이용하여 저온에서 은 코팅 공정을 수행한 실시예 2는 은 코팅 전후에도 높은 종횡비를 유지하는 반면, 종래의 습식 처리된 구리 나노와이어(비교예 1)을 저온에서 은 코팅 공정을 수행한 비교예 3은 실시예 2 보다 낮은 종횡비 유지율을 가지며, 건식 열처리된 구리 나노와이어(실시예 1)를 고온에서 은 코팅 공정을 수행한 비교예 2는 실시예 2 보다 낮은 종횡비 유지율을 가지는 것을 확인하였다. 특히, 종래의 습식 처리된 구리 나노와이어(비교예 1)을 고온에서 은 코팅 공정을 수행한 비교예 4는 은 코팅 과정에서 구리 나노와이어가 열화되어 매우 짧은 길이로 불규칙하게 끊어져, 종횡비를 분석할 수 없었다.
Ag 코팅 전 Ag 코팅 후 종횡비 유지율
A2/A1
구분 직경
(nm)		 길이
(㎛)		 종횡비A1 구분 직경
(nm)		 길이
(㎛)		 종횡비
A2
실시예1 29.9 52 1752 실시예 2 31.2 52 1667 0.95
실시예1 28.7 50 1742 비교예2 35.4 40 1130 0.68
비교예1 28.9 48 1661 비교예3 46.5 35 753 0.43
도 3은 실시예 2, 비교예 3 및 비교예 4에 따른 은 코팅된 구리 나노와이어의 미세구조를 분석한 FE-SEM(field emission-scanning electron microscope) 이미지이다. 이때, 도 3의 (a) 및 (b)는 실시예 2의 FE-SEM 이미지이며, 도 3의 (c) 및 (d)는 비교예 3의 FE-SEM 이미지이며, 도 3의 (e) 및 (f)는 비교예 4의 FE-SEM 이미지이다. 도시된 바와 같이, 실시예 2는 구리 나노와이어의 높은 종횡비가 그대로 유지된 채 구리 나노와이어 표면에 균일하고 치밀한 은 코팅막이 형성된 것을 알 수 있다. 반면에, 비교예 3은 구리 나노와이어가 은 코팅 과정에서 일부 끊어져 다소 짧은 종횡비를 가지며, 구리 나노와이어 표면에 구리 나노와이어 합성시 투입된 아민계 유기물이 잔존된 채 은 코팅막이 형성되고, 코팅되지 못한 은입자 석출이 다소 발생한 것을 관찰 할 수 있다. 또한, 비교예 4 역시 구리 나노와이어가 은 코팅 과정에서 대부분 끊어져 가장 짧은 종횡비를 가지며, 구리 나노와이어 표면 상에 아민계 유기물이 잔존된 채 은 코팅막이 형성되었을 뿐만 아니라 코팅되지 못한 은 입자가 다수 석출된 것을 관찰할 수 있다.
도 4는 실시예 2의 은 코팅된 구리 나노와이어의 미세구조를 분석한 HR-TEM(High-resolution transmission electron microscopy) 이미지이다. 도시된 바와 같이, 건식 열처리된 구리 나노와이어가 점결함 또는 선결함이 없는 고 결정성을 가지며, 이러한 고 결정성의 구리 나노와이어 표면에 은 코팅 박막이 약 3 nm의 두께로 균일하고 치밀하게 형성된 것을 알 수 있다.
도 5는 실시예 2, 비교예 3 및 비교예 4에 따른 은 코팅된 구리 나노와이어의 EDX(energy dispersive X-ray) 맵핑(mapping) 분석을 수행한 결과이다. 도시된 바와 같이, 실시예 2은 구리 나노와이어 표면에 약 31 원자%(atomic%)의 은을 함유하는 반면, 비교예 3 및 비교예 4는 각각 21 원자% 및 12 원자%의 은을 함유하는 것을 확인하였다. 따라서, 실시예 2는 비교예 3 및 비교예 4와 달리 환원성 분위기하 건식 전처리 공정을 수행함으로써, 금속 나노와이어 표면의 화학반응 안정성을 높이고 금속 나노와이어 표면에 흡착된 캡핑제와 환원제의 잔여 성분을 효과적으로 제거하여 높은 종횡비를 가지는 구리 나노와이어를 제공할 수 있을 뿐만 아니라, 저온 은코팅 공정을 더 수행함으로써 구리 나노와이어 표면 상에 균일하고 치밀한 은 코팅막을 형성할 수 있다.
아울러, 구리 나노와이어 표면 상에 형성된 은 금속막의 균일성과 두께를 평가하기 위해서 TEM(transmission electron microscope)을 이용하여 나노와이어 단면을 확인하였다. 그 결과, 실시예 2의 경우, 금속 나노와이어의 표면 전체를 감싸도록 10nm 이하 두께의 금속막이 균일하게 형성된 것을 확인할 수 있었다. 반면에, 비교예 3 및 비교예 4의 경우에는, 금속 나노와이어의 표면 전체를 감싸도록 금속막이 형성되지 않고, 금속입자가 일부 응집된 형태로 존재하는 것을 확인할 수 있었다. 이에 따라, 비교예 3 및 비교예 4에 포함되는 금속막은 균일성이 떨어져, 평균 두께를 측정할 수 없었다.
한편, 실시예 3, 비교예 6 및 7에서 제조된 투명 전극의 내산화성을 평가하기 위하여, 85 ℃ 및 85 RH% 조건의 고온다습한 환경에 노출되기 전 후의 면저항 및 열화도((R-R0)/R0, R0: 고온다습 환경에 노출되기 전의 표면저항, R: 고온다습 환경에서 72시간 노출된 후의 표면저항)를 분석하고, 표 2에 도시하였다. 이때, 면저항 분석은 4단자법을 이용한 면저항 측정기를 이용하였다. 도시된 바와 같이, 실시예 3, 비교예 6 및 비교예 7의 표면저항 변화율은 각각 3.55%, 6327% 및 8274%로, 실시예 3는 비교예 6 및 비교예 7 보다 현저하게 우수한 내산화성을 가지는 것을 알 수 있다.
따라서, 본 발명에 따른 제조 방법은 건식 전처리 공정과 저온 은 코팅 공정을 모두 수행함으로써, 내부의 결함을 줄여 결정성이 향상되고 표면 화학반응 안정성이 우수한 구리 나노와이어를 수득할 수 있고, 건식 전처리 공정 시 캡핑제와 환원제의 잔여 성분을 효과적으로 제거하여 표면 상에 균일하고 치밀한 은 코팅막을 형성할 수 있어, 현저하게 우수한 내산화성을 가지는 투명 전극을 제공할 수 있다.
(단위: ohm/sq.)
구분 R0 R 변화율
(R-R0)		 열화도
(R-R0)/R0
실시예 3 14.6 15.1 0.52 3.55
비교예 6 88.8 5709 5620 6327
비교예 7 831 69596 68764 8274
항온항습챔버 투입 전 표면저항 : R0
항온항습챔버투입후 표면저항 : R
도시하진 않았으나, 실시예 1과 유사한 방법을 이용하여, 니켈 나노와이어, 주석 나노와이어 등 다양한 종류의 금속 나노와이어를 제조하고, 실시예 2와 동일 및 유사한 방법으로 금속 나노와이어 표면에 은 코팅막 외에 금 코팅막, 백금 코팅막, 주석 코팅막, 니켈 코팅막 등 다양한 금속막을 형성하였다. 그 결과, 이종금속 표면코팅 공정에서 나노와이어가 손상되지 않고 치밀한 금속 코팅층을 금속 나노와이어 표면에 형성하는 결과를 얻을 수 있었다. 이는, 본 발명이 금속 나노와이어 또는 표면 금속막의 금속의 종류에 따라 제한되지 않음을 의미한다.
이상과 같이 본 발명에서는 특정된 사항들과 한정된 실시예 및 도면에 의해 설명되었으나 이는 본 발명의 보다 전반적인 이해를 돕기 위해서 제공된 것일 뿐, 본 발명은 상기의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다.
따라서, 본 발명의 사상은 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니되며, 후술하는 특허청구범위뿐 아니라 이 특허청구범위와 균등하거나 등가적 변형이 있는 모든 것들은 본 발명 사상의 범주에 속한다고 할 것이다.

Claims (13)

  1. a) 제1금속 전구체, 환원제, 캡핑제 및 제1용매를 혼합하고, 용매열합성하여 금속 나노와이어를 수득하는 단계;
    b) 상기 수득된 금속 나노와이어를 환원성 분위기에서 열처리하는 단계; 및
    c) 상기 b) 단계에서 열처리된 금속 나노와이어를 제2용매에 분산하여 분산액을 제조하고, 상기 분산액에 제2금속 전구체를 함유하는 용액을 점적하여 혼합하고 반응시켜, 분산액에 함유된 금속 나노와이어 표면에 금속막을 형성하는 단계;를 포함하고,
    상기 c) 단계에서 상기 반응은 4 내지 15 ℃의 저온에서 수행되는 표면처리된 금속 나노와이어의 제조방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 b) 단계의 열처리는 환원성 가스를 공급하며 100℃ 내지 450℃의 온도에서 수행되는 것인 표면처리된 금속 나노와이어의 제조방법.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 b) 단계는,
    상기 열처리 전, 비 가열 상태의 상기 금속 나노와이어를 10 Torr 이하의 진공상태에서 환원성 가스에 노출시키는 단계;를 더 포함하는 표면처리된 금속 나노와이어의 제조방법.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 a) 단계의 용매열합성은 50℃ 내지 200℃의 온도 범위에서 수행되는 표면처리된 금속 나노와이어의 제조방법.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 제1금속 전구체의 제1금속은 팔라듐(Pd), 백금(Pt), 루테늄(Ru), 은(Ag), 금(Au), 주석(Sn), 철(Fe), 니켈(Ni), 코발트(Co), 알루미늄(Al), 아연(Zn), 구리(Cu), 인듐(In) 및 티타늄(Ti)로 이루어진 군에서 하나 이상 선택되는 것인 표면처리된 금속 나노와이어의 제조방법.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 캡핑제는 알킬기를 가지는 아민계 화합물, 카르복실계 화합물, 싸이올계 화합물, 폴리비닐피로리돈(PVP), 소듐도데실설페이트(SDS), 세틸트리메틸암모늄 브로마이드(CTAB) 또는 이들의 혼합물인 표면처리된 금속 나노와이어의 제조방법.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 환원제는 글루코스, 프룩토오스, 말토오스, 갈락토오스 및 락토오스에서 하나 이상 선택되는 당류인 표면처리된 금속 나노와이어의 제조방법.
  8. 삭제
  9. 삭제
  10. 제1항에 있어서,
    상기 표면처리된 금속 나노와이어의 상기 금속막의 두께는 1 내지 15㎚인 표면처리된 금속 나노와이어의 제조방법.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 제2금속 전구체의 제2금속은 은(Ag), 금(Au), 백금(Pt), 주석(Sn) 및 니켈(Ni)로 이루어진 군에서 하나 이상 선택되는 표면처리된 금속 나노와이어의 제조방법.
  12. 제1항 내지 제7항 및 제10항 내지 제11항 중 어느 한 항에 따른 제조방법으로 제조된 금속 나노와이어.
  13. 제1항 내지 제7항 및 제10항 내지 제11항 중 어느 한 항에 따른 제조방법으로 제조된 금속 나노와이어를 포함하는 전극.
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