KR102308536B1

KR102308536B1 - 전도성 카본 페이스트 조성물 및 이를 이용한 전극

Info

Publication number: KR102308536B1
Application number: KR1020190140200A
Authority: KR
Inventors: 이창훈; 장진탁; 오희봉; 이태현; 박윤재; 이찬규
Original assignee: 덕산하이메탈(주)
Priority date: 2019-11-05
Filing date: 2019-11-05
Publication date: 2021-10-05
Also published as: KR20210054269A

Abstract

바인더 수지, 용제, 전도성 카본 소재 및 나노 실리카 전구체를 혼합하여 제조된 전도성 카본 페이스트가 제공된다. 본 발명의 전도성 카본 페이스트는 첨가되는 나노 실리카 전구체는 전도성 카본 소재의 공극을 채울 수 있어, 내화학성 내지는 내후성이 필요한 웨어러블 기기 등의 전극에 이용될 수 있다.

Description

전도성 카본 페이스트 조성물 및 이를 이용한 전극{Conductive Carbon Paste composition and Electrode using the same}

본 발명은 전도성 페이스트 조성물로서, 보다 구체적으로는 카본을 전도체로 사용하면서도 신뢰성이 향상된 전도성 페이스트 조성물 및 이를 이용한 전극에 관한 것이다.

여기서는, 본 개시에 관한 배경기술이 제공되며, 이들이 반드시 공지기술을 의미하는 것은 아니다.

일반적으로 전도성 페이스트는 수지계 바인더와 용매에 금속분말(금속 필러)을 분산시킨 유동성있는 유체로서, 사용되는 도전성 분말에 따라 금, 은, 구리 니켈 등의 페이스트로 나뉜다. 금, 은 페이스트는 신뢰성이 우수하지만 고가이고, 가장 범용되고 있는 은 페이스트는 미세회로 제조시 저항의 증대나 회로의 단락의 원인이 되는 이온 마이그레이션 현상이 발생할 수 있다. 구리를 이용한 페이스트는 상대적으로 저가이지만 산화되기 쉽고 충분한 도전성을 얻기 어렵다. 특히, 금속필러를 이용한 페이스트의 경우 금속 특유의 광택 때문에 제한적인 용도로 사용될 수밖에 없다.

인쇄회로기판, 디스플레이의 베젤/배면 부위 등에서는 검은색을 갖는 페이스트가 필요하며, 이 경우에는 카본블랙 등의 흑색안료를 이용한 페이스트를 이용할 수 있다.

그러나 기존의 카본 계열 페이스트 조성물은 도막의 형성 후 카본소재 특유의 판상구조, 원통구조로 인하여 공극이 형성될 수 밖에 없으며 카본의 결합 구조의 비표면적이 높아 이로 인해 흡습성이 높다는 단점이 있다. 이용할 수 있는 카본 소재 중 그래핀은 그 제조방법에 따라 성질이 다른데, 환원형 그래핀은 상대적으로 저가이나 표면에 OH기가 다수 형성되어 흡습성이 강하고, 화학적기상증착법(CVD)으로 제조된 그래핀은 발수성이 있으나 매우 고가여서 범용적으로 이용이 어려운 측면이 있다.

따라서, 카본 페이스트의 경우 일반적으로 고온의 다습한 환경이나, 화학적 환경에서는 카본 결합구조의 공극으로 수분, 염분 등이 쉽게 침투하여 페이스트의 신뢰성이 저하되는 문제점이 있었다.

대한민국 공개특허공보 제10-2013-0071295호(2013.06.28.) 대한민국 공개특허공보 제10-2013-0112228호(2013.10.14.)

상기 문제점을 해결하기 위하여, 본 발명은 카본을 이용한 전도성 페이스트에 실리카 전구체를 첨가여 신뢰성이 향상된 전도성 카본 페이스트를 제공하는 것에 목적이 있다.

또한, 본 발명은 신뢰성이 향상된 전도성 카본 페이스트를 제조하는 방법을 제공하는 것에 목적이 있다.

그러나, 본 발명의 목적들은 상기에 언급된 목적으로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 목적들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

본 발명의 일구현예에 따르면, 바인더 수지, 용제, 전도성 카본 소재 및 나노 실리카 전구체를 혼합하여 제조된 전도성 카본 페이스트가 제공된다.

상기 구현예에서, 상기 바인더 수지는 셀룰로오스계 수지, 부티랄(butyral)계 수지, (메트)아크릴계 수지, 에폭시계 수지, 페놀계 수지, 에스테르계 수지, 알키드계수지, PVA계 수지에서 선택된 1 이상일 수 있다.

또한, 상기 용제는 지방족 알코올류, 에스테르계, 카비톨 용매, 셀로솔브 용매, 탄화수소 용매에서 선택된 1 이상일 수 있다.

상기 구현예에 있어서, 전도성 카본 페이스트는 첨가제를 더 혼합하여 제조될 수 있는데, 상기 첨가제는 강도 개선제, 경도 개선제, 칙소제, 커플링제, 경화 촉매에서 선택된 1 이상일 수 있다.

사익 일 구현예에 있어서, 상기 전도성 카본 소재는 그래핀, 카본나노튜브, 탄소나노섬유, 카본블랙, 흑연 또는 이들의 혼합물에서 선택된 것일 수 있다.

나아가, 상기 전도성 카본 소재는 카본블랙 및 그래핀의 혼합물일 수 있다.

상기 구현예에서, 상기 그래핀은 환원형 그래핀일 수 있다.

본 발명의 다른 구현예에 따르면, 바인더 수지, 용제 및 전도성 카본 소재를 포함하는 전도성 페이스트에 있어서, 소다라임 유리기판에 도포하여 120℃에서 건조시킨 후 50㎛의 도막을 형성한 시편 제작 후, 온도 85℃ 및 습도 85% 조건에서 72시간 방치했을 때, ASTM F390 방법으로 측정한 저항의 증가율이 10%이하인 것인, 전도성 카본 페이스트가 제공된다.

본 발명의 또 다른 구현예에 따르면, 상기 기재된 전도성 카본 페이스트를 이용한 전극을 제공한다.

본 발명에 따른 전도성 카본 페이스트는 카본 소재의 우수한 전기전도성과 열전도성을 나타내며, 카본소재의 공극을 발수성 실리카가 메워주기 때문에 수분, 염분이 침투하기 힘든 치밀한 구조를 보유하여 고온 다습한 환경이나, 화학적 환경에서도 높은 신뢰성을 나타낼 수 있다.

도 1은 환원그래핀의 공극을 나노실리카가 채우는 구조를 예시한 것이다.

이하에 본 발명을 상세하게 설명하기에 앞서, 본 명세서에 사용된 용어는 특정의 실시예를 기술하기 위한 것일 뿐, 첨부하는 특허청구의 범위에 의해서만 한정되는 본 발명의 범위를 한정하려는 것은 아님을 이해하여야 한다. 본 명세서에 사용되는 모든 기술용어 및 과학용어는 다른 언급이 없는 한은 기술적으로 통상의 기술을 가진 자에게 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가진다.

본 명세서 및 청구범위의 전반에 걸쳐, 다른 언급이 없는 한 포함(comprise, comprises, comprising)이라는 용어는 언급된 물건, 단계 또는 일군의 물건, 및 단계를 포함하는 것을 의미하고, 임의의 어떤 다른 물건, 단계 또는 일군의 물건 또는 일군의 단계를 배제하는 의미로 사용된 것은 아니다.

한편, 본 발명의 여러 가지 구현예 및 실시예들은 명확한 반대의 지적이 없는 한 그 외의 어떤 다른 실시예들과 결합될 수 있다. 특히 바람직하거나 유리하다고 지시하는 어떤 특징도 바람직하거나 유리하다고 지시한 그 외의 어떤 특징 및 특징들과 결합될 수 있다.

본 발명의 일 구현예에 따른 전도성 카본 페이스트는 바인더 수지, 카본 소재의 전도성 필러, 용제 및 물성 향상을 위한 첨가제를 포함한다. 하기에 구체적으로 각 조성에 대해서 설명한다.

<바인더 수지>

전도성 카본 페이스트에 포함되는 바인더 수지는 페이스트의 점도를 높이거나 도전막에 점착성을 부여하는 성분에 해당한다. 본 발명의 일 구현예에서 이용할 수 있는 바인더 수지는 특별히 한정되지 않고, 종래 사용되던 전도성 페이스트의 바인더 중에서 적절히 선택하거나 조합하여 이용할 수 있다.

바인더 수지의 예에는 셀룰로오스계 수지, 부티랄(butyral)계 수지, (메트)아크릴계 수지, 에폭시계 수지, 페놀계 수지, 에스테르계 수지, 알키드계수지, PVA계 수지 등이 포함될 수 있다. 상기 (메트)아크릴계 수지는 아크릴계 수지 및 메타크릴계(methacryl) 수지를 통칭하는 용어로 사용된다.

셀룰로오스계 수지로서는, 셀룰로오스유래의 화합물(셀룰로오스 유도체) 중에서 적절히 선택될 수 있으며, 셀룰로오스계 수지의 예에는 셀룰로오스의 수산기의 일부 또는 전부가 포르밀기, 아세틸기, 프로피오닐기, 부티릴기 등으로 치환된 셀룰로오스 유기산 에스테르가 포함되는데, .구체적으로는, 메틸셀룰로오스, 하이드록시메틸 셀룰로오스, 에틸셀룰로오스, 하이드록시에틸셀룰로스, 에틸 메틸셀룰로오스, 하이드록시 에틸 메틸셀룰로오스, 카르복시메틸 셀룰로오스, 니트로셀룰로오스 등이 포함된다.

부티랄(butyral)계 수지로서는 폴리비닐부티랄 단독 중합체나, 폴리비닐부티랄을 주모노머(단량체 전체의 ５０ｍｏｌ%이상을 차지하는 성분)로서 그 주모노머와 공중합성을 갖는 부모노머를 포함한 공중합체를 이용할 수 있다. 공중합체의 구체적인 예로서 주쇄 골격에 반복 단위로서 비닐부틸알데히드(부티랄 기)와 초산비닐(아세틸기)과 비닐알코올(수산기)을 포함한 폴리머를 들 수 있다.

전극층의 표면 평활성을 향상하는 관점에서는 바인더 수지로서 에틸셀룰로오스계 수지를 이용할 수 있다. 에틸셀룰로오스계 바인더 수지는 바인더 수지 전체를 대비, 에틸셀룰로오스계 수지의 함유 비율이 약 ３０ 중량%이상 , ５０ 중량%이상, 나아가 ８０ 중량%이상인 것일 수 있다. 에틸셀룰로오스계 바인더 수지를 이용할 경우, 전극층 표면의 요철을 작게 억제할 수 있고 얇은 막 상태의 전극층을 형성하는 경우에도 쇼트 발생을 보다 높은 수준으로 억제할 수 있다.

도전막과 기재와의 밀착성을 향상하는 관점에서는 바인더 수지로서 butyral계 수지를 이용할 수 있다. 예를 들어 바인더 수지의 전체 기준으로 했을 때에, butyral계 수지의 함유 비율이 대체로 １０ 중량%이상, 바람직하게는 ２０ 중량%이상, 예를 들면 ５０ 중량%이상으로 포함될 수 있다. 이 경우에는, 도전막이 기재로부터 박리하기 어려워지고, 디라미네이션 등을 억제할 수 있다.

에폭시계 수지는 칙소성(Thicxotropic)이 우수한 바인더로서 유용할 수 있다. 칙소성이란 유동시 액체성에 가까운 졸(sol) 상태가 되고 안정된 상태에서는 점도가 올라가는 겔(gel) 상태를 유지하는 성질로서 전도성 페이스트의 도포성(인쇄성) 및 부착성과 관련하여 필요한 성질이다. 상기 에폭시계 수지로서 사용될 수 있는 것들은 특별히 제한되지는 않으나, 바람직하게는, 2관능성 에폭시 수지(DGEBA:DiGlycidylEther of Bisphenol of A), 3관능성 에폭시(TGAP:Tri-Glycidyl p-Aminophenol) 및 4관능성 에폭시(TGDDM:TetraGlycidyl Diamine Diphenyl Methane)로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상이 포함될 수 있다. 구체적으로 에폭시계 수지의 예에는 크레졸 노블락 계열, 나프탈렌 계열, 비스페놀 F형 계열, 비스페놀 A형, 비스페놀 E형, 고무변성, 우레탄 변성, 실리콘 변성, 페놀 노볼락 계열로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상이 포함될 수 있다.

에폭시계 수지를 바인더로 사용할 경우 전도성 페이스트 조성물에 경화제, 환원제, 칙소제 또는 촉매제 등이 포함될 수 있다.

상기 경화제로서 사용될 수 있는 것들은 특별히 제한되지는 않으나, 바람직하게는 아민 계열(amine family) 물질 및 안하이드라이드 계열(anhydride family) 물질 중 1종 이상을 포함할 수 있다. 상기 아민 계열 물질은 메타-페닐렌디아민(MPDA:Meta-PhenyleneDiAmine), 디아미노 디페닐 메탄(DDM:Diamino Diphenyl Methane) 및 디아미노디페닐 설폰(DDS:DiaminoDiphenyl Sulfone)로 이루어진 군 중에서 선택되는 것 1종 이상을 포함할 수 있다. 상기 안하이드라이드 계열 물질에는 2-메틸-4-니트로아닐린(MNA:2-Methyl-4-NitroAniline), 도데세닐 숙신 안하이드라이드(DDSA:DoDecenly Succinic Anhydride), 말레익 안하이드라이드(MA:Maleic Anhydride), 숙신 안하이드라이드(SA:Succinic Anhydride), 메틸테트라하이드로프탈릭 안하이드라이드(MTHPA:MethylTetraHydroPhthalic Anhydride), 헥사하이드로 프탈릭안하이드라이드(HHPA:HexaHydro Phthalic Anhydride), 테트라하이드로프탈릭안하이드라이드(THPA:Tetrahydrophthalic Anhydride) 및 피로멜리틱 안하이드라이드(PMDA:PyroMellitic DiAnhydride)로 이루어진 군 중에서 선택되는 1종 이상을 포함될 수 있다.

상기 환원제로서 사용될 수 있는 물질은 특별히 제한되지는 않으나, 글루타르산(glutaric acid), 말레산(malic acid), 아젤라인산(azelaic acid), 아비에트산(abietic acid), 아디프산(adipic acid), 아스코르빈산(ascorbic acid), 아크릴산(acrylic acid) 및 시트르산(citric acid)으로 이루어진 군 중에서 1종 이상 선택될 수 있다.

상기 칙소제로서 사용될 수 있는 물질들은 특별히 제한되지는 않으나, 수소 첨가 캐스터 왁스(hydrogenated castor wax)(예를 들어, 상품명 칙소트롤(thixotrol)), 카나우바 왁스(carnauba wax), 에틸렌글리콜(Ethylene glycol), 폴리글리콜(polyglycols), 폴리프로필렌 글리콜(polypropylene glycol), 아크릴레이트 올리고머(acrylate oligomer), 글리세라이드(glycerides), 시메티콘(simethicone), 트리부틸 포스페이트(tributyl phosphate) 및 실리카계 화합물(Silica compounds)로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상이 포함될 수 있다. 상기 실리카계 화합물로서는 디메틸실리콘(dimethylsilicone) 또는 폴리디메틸실록산(polydimethylsiloxane)이 선택될 수 있다. 상기 칙소제는 에폭시 플럭스 페이스트 조성물의 인쇄성을 향상시키며, 에폭시 플럭스 페이스트 조성물의 표면 장력을 감소시킬 수 있다.

상기 촉매제로서 사용될 수 있는 것들은 특별히 제한되지는 않으나, 벤질 디메틸 아민(BDMA:Benzyl DiMethly Amine), BF3-모노 에틸 아민(BF3-MEA:BF3-Mono Ethyl Amine), 트리스(디메틸아미노메틸)페놀(DMP-30:tris(dimethylaminomethyl)phenol), 디메틸벤즈안트라센(DMBA:DiMethylBenzAnthracene) 및 이미다졸(Imidazole)로 이루어진 군 중에서 선택되는 1종 이상이 포함될 수 있다. 상기 이미다졸 계열 물질에는 아미노 이미다졸(amino imidazole), 2-에틸-4-메틸 이미다졸(2-ethyl-4methyl imidazole), 2-메틸이미다졸(2-methylimidazole), N,N-카르보닐이미다졸(N,N-Carbonylimidazole)로 이루어진 군 중에서 선택되는 것 1종 이상이 포함될 수 수 있다.

바인더 수지의 분자량은 특별히 한정되지 않지만, 중량평균분자량 100 ~ 1,000g/mol인 것을 사용할 수 있다. 예를 들면, 바인더 수지의 중량평균분자량은 150 ~ 500g/mol일 수 있다.

바인더 수지의 함량은 전체 페이스트 조성물 대비 15 내지 40중량%일 수 있다. 부착력, 경도, 레벨링성 향상 및 강도 향상 등의 측면에서 바인더 수지의 함량이 15중량% 이상인 것이 유리하고, 전도성 저하 방지, 입자 침강방지 및 인쇄성 저하 방지 등의 측면에서 40중량% 이하인 것이 바람직하다.

<용제>

용제는 바인더 수지를 용해시킬 수 있고, 전도성 분말 및 기타 첨가제와 혼합할 수 있는 것을 사용할 수 있다. 예를 들면, 용제는 비등점이 200℃ 이상인 것을 사용할 수 있다. 비등점 200℃ 이하의 용제를 사용할 경우 스크린 막힘 등과 같이 인쇄성이 저하될 수 있다.

상기 용제로는 지방족 알코올류, 에스테르계, 카비톨 용매, 셀로솔브 용매, 탄화수소 용매 등 전극 제조에 통상적으로 사용하는 것을 사용할 수 있다. 예를 들면, 용제는 메틸 셀로솔브, 에틸 셀로솔브, 부틸 셀로솔브, 지방족 알코올, 터핀올(terpineol), 에틸렌 글리콜, 에틸렌 글리콜 모노 메틸 에테르, 에틸렌 글리콜 모노 에틸 에테르, 에틸렌 글리콜 모노 부틸 에테르, 부틸셀로솔브 아세테이트, 텍사놀(texanol), 부틸 카비톨 아세테이트 등을 포함할 수 있다.

용제의 함량은 특별히 제한되는 것은 아니지만, 대체로 70중량%이하, 전형적으로는 5~60중량%, 예를 들면 30~55 중량%일 수 있다. 상기 범위로 용제를 이용할 경우, 전도성 카본 페이스트에 적당한 유동성을 부여할 수 있고 전자 부품의 제조시(예를 들면, 인쇄시)의 작업성을 향상할 수 있다.

<전도성 카본 소재>

본 발명의 일 구현예에서는 전도성 페이스트에 포함되는 전도성 분말로서 카본 소재를 이용할 수 있다. 카본 소재는 전기전도성이 우수하고, 검정색이 필요한 전극용도에 사용하기 용이하다. 카본 소재에는 나노형태의 그래핀, 카본나노튜브, 탄소나노섬유가 포함될 수 있으며, 카본블랙 또는 흑연도 이용될 수 있다. 또한, 상기 전도성 카본 소재를 2이상 혼합한 것을 이용할 수 있다.

본 발명의 일 구현예에서 이용할 수 있는 카본블랙으로는 카본블랙의 비표면적 및 구조상태를 나타내는 물성인 DBP흡유량이 115∼170cc/100g 정도이고, 입자크기는 20∼50nm 정도인 것으로 99% 이상의 고순도를 갖는 것을 사용할 수 있다.

그리고 흑연분말로는 천연 인편상 흑연분말로서, 입자크기는 10∼20㎛정도이며, 99% 이상의 순도를 갖는 것을 사용할 수 있다.

그래핀은 편평한, 고립된 별개의 그라파이트 시트를 포함할 수 있고, 아울러 1 내지 수십 개의 시트를 포함하고 편평하거나 다소 물결 모양의 구조를 나타내는 집합체를 포함할 수 있다. 본 발명의 일 구현예에 따른 그래핀은 화학적 증착 방법에 의해 생산한 것을 이용할 수 있다. 화학기상증착(CVD)에 의한 그래핀 합성은 고품질의 그래핀을 생산할 수 있으나, 가격이 높다.

본 발명의 일 구현예에서는 상대적으로 저렴한 환원형 그래핀을 이용할 수 있다. 흑연을 산화하여 그래핀을 제조할 수 있는 환원 방법(Hummer's method)는 저렴한 비용으로 많은 양의 그래핀 플레이크를 생산할 수 있다.

전체 전도성 페이스트 대비 전도성 카본 소재의 함량은 1중량% 내지 20중량%일 수 있다. 전도성, 적외선 흡수 및 표면강도 등의 효과를 발현시키는 측면에서 1중량% 이상인 것이 유리하고, 점도, 칙소성, 인쇄성, 레벨링 및 표면조도의 물성을 저하하지 않는 측면에서 20중량% 이하인 것이 바람직할 수 있다.

본 발명의 일 구현예에서는 전도성 카본블랙과 그래핀을 혼합하여 전도성 카본소재로 이용할 수 있다. 이 경우, 카본블랙과 그래핀의 혼합비는 1:1 내지 10:1 일 수 있다.

<실리카 전구체>

본 발명의 일 구현예 따른 전도성 카본 페이스트에는 실리카 전구체가 카본 소재와 반응한 실리카-카본 조성물을 포함한다.

본 발명에서 사용될 수 있는 실리카 전구체는 메틸실리케이트, 에틸실리케이트, 프로필실리케이트, 부틸실리케이트 테트라메톡시실란, 테트라에톡시실란, 테트라 프로폭시실란, 테트라 부톡시실란, 테트라이소프록폭시실란, 메톡시트리에톡시실란, 디메톡시디에톡시실란, 에톡시트리메톡시실란, 메틸트리메톡시실란, 메틸트리에톡시실란, 에틸트리에톡시실란, 디메틸디메톡시실란, 디메칠디에톡시실란, 디에틸디에톡시실란, 테트라메톡시메틸실란. 테트라메톡시에틸실란 및 테트라에톡시메틸실란으로부터 이루어진 군으로부터 선택된 1종 또는 2종 이상의 혼합물이다.

도1에는 실리카 전구체(알킬 실리카)가 환원 그래핀과 반응하여 형성된 실리카-그래핀 조성물을 예시적으로 나타내었다. 도1에 나타낸 실리카-그래핀 구조는 그래핀의 우수한 전기전도성과 열전도성을 그대로 보유하면서도 내수성, 내화학성이 향상될 수 있다. 이는 그래핀 구조상 존재할 수밖에 없는 공극을 실리카가 메우는 효과가 있기 때문인 것으로 추측된다.

실리카 전구체의 첨가량은 전체 페이스트 조성 대비 1중량% 내지 20중량%일 수 있다. 실리카 전구체의 첨가량은 내습성, 내화학성 및 내열성 등의 효과를 발현하는 측면에서 1중량% 이상일 수 있고, 표면조도, 전도성, 색상 시인성 및 부착력의 효과를 저해하지 않는 측면에서 20중량% 이하인 것이 유리하다.

<기타 첨가제>

강도개선제

최종 용도에 사용하기 위해 도포되는 전도성 카본 페이스트의 강도를 개선하기 위해서 추가로 열가소성 수지가 조성물에 포함될 수 있다. 본 발명의 일 구체예에는 상기 열가소성 수지로서 에틸렌계, 비닐계, 아크릴계 및 메타크릴계로부터 선택되는 한 종류 이상의 단량체로부터 중합반응에 의해 형성되는 단독중합체 또는 공중합체를 포함한다. 상기 공중합체는 교대, 불규칙, 블록, 그래프트 공중합체 등과 같이 모든 형태의 공중합체를 포함한다.

상기 열가소성 수지는 조성물의 총 중량 대비 0.5 내지 5중량%로 첨가될 수 있다. 상기 열가소성 수지가 0.5중량% 미만으로 첨가될 경우 전도성 카본 페이스트가 도포되었을 때에 강도 개선 효과가 미미할 수 있고, 함량이 5중량%를 초과할 경우에는 전도성 카본 페이스트 조성물의 유동성 등 물성에 불리한 영향을 줄 수 있다.

상기 에틸렌계 단량체에는 에틸렌, 프로필렌, 1,3-부타디엔, 이소부틸렌(isobutylene), 이소프렌(isoprene), 스타이렌(styrene), 알파메틸스타이렌(알파메틸스타이렌(α-methyl styrene) 등이 포함되고, 상기 비닐계 단량체에는 비닐 클로라이드(vinyl chloride), 비닐리덴 클로라이드(vinylidene chloride), 테트라플루오로에틸렌 등의 할로겐화 비닐, 비닐 아세테이트(vinyl acetate)를 포함하는 비닐 C1~C10 알킬레이트(CH₂CH-OC(O)R, R은 C1~C10 알킬), 또는 비닐 C1~C10 알킬 에터(CH₂CH-OR, R은 C1~C10 알킬), 비닐피롤리돈, 비닐카바졸 등이 포함된다.

상기 아크릴계계 단량체의 구체적인 예로는 아크릴산(acrylic acid), 아크릴로나이트릴(acrylonitrile), 아크릴아마이드(acryl amide) 또는 C1~C10 알킬 아크릴레이트(C1~C10 alkyl acrylate) 등이 있다.

상기 메타크릴계 단량체의 구체적인 예에는 메타크릴산(methacrylic acid), 메타크릴로나이트릴(methacrylonitrile), 메타크릴아마이드(methacryl amide) 또는 C1~C10 알킬 메타크릴레이트(C1~C10 alkyl methacrylate) 등이 포함된다.

상기 C1~C10 알킬에는 메틸, 에틸, n-부틸, i-부틸 또는 2-에틸헥실 등이 포함된다.

바람직하게는 블록코폴리머가 열가소성 수지로서 이용될 수 있다. 대표적으로 아크릴로니트릴-부타디엔-스타이렌으로 이루어진 블록과 폴리메틸메타크릴레이트 블록으로 구성된 ABS-PMMA 블록 공중합체가 이용될 수 있다.

경도개선제

전도성 카본 페이스트가 최종 용도에 따라 도포되었을 때, 강도뿐만 아니라 적절한 경도를 유지할 필요가 있다. 이는 바인더가 기재에 접착하여 물성을 유지하는 척도에 관한 것으로서 페이스트를 도포한 후 건조하여 연필경도를 측정하는 방법으로 판단한다. 경도는 ASTM D2240(Shore A) 규정에 의거하여 측정한다.

본 발명의 일 구체예에서 전도성 카본 페이스트가 도포된 후 요구되는 경도를 만족시키기 위해 아크릴레이트계 화합물이 이용될 수 있다.

이용될 수 있는 아크릴레이트계 화합물에 포함되는 아크릴레이트 모노머에는 메틸 메타크릴레이트, 폴리메틸 메타크릴레이트, 메틸 아크릴레이트, n-부틸아크릴레이트, 에틸 아크릴레이트, 에틸 메타크릴레이트, n-부틸 메타크릴레이트, 이소부틸 메타크릴레이트, 라우릴 메타크릴레이트, 글리시딜아크릴레이트, 페닐아크릴레이트, 1-나프틸아크릴레이트, 2-나프틸아크릴레이트, p-디페닐아크릴레이트, o-디페닐아크릴레이트, o-클로로페닐아크릴레이트, 4-메톡시페닐아크릴레이트, 4-클로로페닐아크릴레이트, 2,4,6-트리클로로페닐아크릴레이트, 4-tert부틸페닐아크릴레이트, 이소보닐 메타크릴레이트, 이소보닐 아크릴레이트, 2-하이드록시에틸 메타크릴레이트, 스티렌 메틸 메타크릴레이트, 폴리에틸렌 글리콜 디메타크릴레이트, 1,3-부틸렌 메타크릴레이트, 우레탄 아크릴레이트, 실리콘 아크릴레이트 등이 포함된다.

커플링제

본 발명의 일 구체예에 따른 전도성 카본 페이스트 조성물은 충전제와 수지 조성물의 적합성을 향상시키기 위해 커플링제를 더 포함할 수 있다. 커플링제에는 실란계 커플링제 또는 티타네이트 커플링제가 이용될 수 있다.

<실시예>

이하 실시예와 제조예를 들어 본 발명을 구체적으로 설명한다.

바인더 수지, 용제, 전도성 카본 소재, 나노 실리카 전구체 및 기타 첨가제를 소정의 함량으로 혼합하고 골고루 교반하여 전도성 카본 페이스트를 제조하였다. 각각의 실시예 및 비교예의 조성 및 함량은 아래 표 1에 나타내었다.

실시예 1

바인더 수지인 나프탈렌계 에폭시 28g (Mw 470, DIC사)를 용제로서 프로필렌 글리콜 모노메틸 40g을 정량 하여 투입 후 120˚C온도에서 교반하여 녹였다. 카본블랙 5g (TOKABLACK #5500, TOKAI CARBON사), 그래핀 4.5g (GC, 어플라이드카본메테리얼사), 강도개선제(1) ABS-PMMA 공중합체 1g (M25N, 알케마사), 강도개선제(2) 나노실리카 5g (Nanobyk 3650, BYK사), 경도개선제 이소보닐 메타크릴레이트(Isobornyl methacylate) 5g (시그마알드리치사), 경화 촉매 0.5g (UCAT-102, San-apro사), 커플링제 1g (3-Glycidyloxypropyl(dimethoxy)methyl silane, 시그마알드리치사), 나노실리카 전구체 10g (SE200, 나노엠사)을 정량하여 교반한 후, 3-롤-밀에 8회간 통과시켜 전도성 카본 페이스트 조성물을 제조하였다.

비교예 1

바인더 수지인 나프탈란계 에폭시 28g (Mw 470, DIC사)를 용제로서 프로필렌 글리콜 모노메틸 에테르 50g을 정량 하여 투입 후 120˚C온도에서 교반하여 녹였다. 카본블랙 5g (TOKABLACK #5500, TOKAI CARBON사), 그래핀 4.5g (GC, 어플라이드카본메테리얼사), 강도개선제(1) ABS-PMMA 공중합체 1g (M25N, 알케마사), 강도개선제(2) 나노실리카 5g (Nanobyk 3650, BYK사), 경도개선제 이소보닐 메타크릴레이트(Isobornyl methacylate) 5g (시그마알드리치사), 경화 촉매 0.5g (UCAT-102, San-apro사), 커플링제 1g (3-Glycidyloxypropyl(dimethoxy)methyl silane, 시그마알드리치사)을 정량하여 교반한 후, 3-롤-밀에 8회간 통과시켜 전도성 카본 페이스트 조성물을 제조하였다.

비교예 2

바인더 수지인 나프탈란계 에폭시 28g (Mw 470, DIC사)를 용제로서 프로필렌 글리콜 모노메틸 에테르 40g을 정량 하여 투입 후 120˚C온도에서 교반하여 녹였다. 카본블랙 5g (TOKABLACK #5500, TOKAI CARBON사), 그래핀 4.5g (GC, 어플라이드카본메테리얼사), 강도개선제(1) ABS-PMMA 공중합체 1g (M25N, 알케마사), 강도개선제(2) 나노실리카용액 5g (Nanobyk 3650, BYK사), 경도개선제 이소보닐 메타크릴레이트(Isobornyl methacylate) 5g (시그마알드리치사), 경화 촉매 0.5g (UCAT-102, San-apro사), 커플링제 1g (3-Glycidyloxypropyl(dimethoxy)methyl silane, 시그마알드리치사), 나노실리카필러 10g(400nm, US Research Nanomaterials사)를 정량하여 교반한 후, 3-롤-밀에 8회간 통과시켜 전도성 카본 페이스트 조성물을 제조하였다.

비교예 3

바인더 수지인 나프탈란계 에폭시 28g (Mw 470, DIC사)를 용제로서 프로필렌 글리콜 모노메틸 에테르 40g을 정량 하여 투입 후 120˚C온도에서 교반하여 녹인다. 카본블랙 5g (TOKABLACK #5500, TOKAI CARBON사), 그래핀 4.5g (GC, 어플라이드카본메테리얼사), 강도개선제(1) ABS-PMMA 공중합체 1g (M25N, 알케마사), 강도개선제(2) 나노실리카용액 5g (Nanobyk 3650, BYK사), 경도개선제 이소보닐 메타크릴레이트(Isobornyl methacylate) 5g (시그마알드리치사), 경화 촉매 0.5g (UCAT-102, San-apro사), 커플링제 1g (3-Glycidyloxypropyl(dimethoxy)methyl silane, 시그마알드리치사), 티타네이트 커플링제 10g(PLENACT-9SA, AJINOMOTO FINE TECHNO사)를 정량하여 교반한 후, 3-롤-밀에 8회간 통과시켜 전도성 카본 페이스트 조성물을 제조하였다.

조성		함량(중량%)
조성		실시예	비교예1	비교예2	비교예3
바인더수지		28	28	28	28
용제		40	50	40	40
전도성 카본소재	카본블랙	5	5	5	5
전도성 카본소재	그래핀	4.5	4.5	4.5	4.5
나노실리카 전구체		10	-	-	-
나노실리카 필러		-	-	10	-
티타네이트 커플링제		-	-	-	10
첨가제	강도개선제(1)	1	1	1	1
	강도개선제(2)	5	5	5	5
	경도개선제	5	5	5	5
	경화촉매	0.5	0.5	0.5	0.5
	커플링제	1	1	1	1
계		100	100	100	100

<실험예>

상기 실시예 및 비교예에서 제조된 전도성 카본 페이스트를 소다라임 유리기판에 도포하여 120 ℃에서 건조시킨 후 50㎛의 도막을 형성했다. 상기 도막이 형성된 시편을 온도 85℃ 습도 85%인 챔버에서 72시간 방치하여 부착력 및 저항의 변화를 측정하였다.

상기 방치 시험 후 부착력의 변화는 ASTM D3359 방법으로 측정하였다.

상기 방치 시험 전후의 저항의 측정은 ASTM F390 방법으로 측정하였다.

구분	시험전 저항	시험 후 저항	부착력 변화	비고
실시예	40Ω/□, 0.08Ωcm	40Ω/□, 0.08Ωcm	우수	부착력 및 저항 변화 미미
비교예 1	40Ω/□, 0.08Ωcm	40Ω/□, 0.08Ωcm	불량
비교예 2	40Ω/□, 0.08Ωcm	60Ω/□, 0.12Ωcm	보통	저항 증가(50%)
비교예 3	40Ω/□, 0.08Ωcm	80Ω/□, 0.16Ωcm	보통	저항 증가(100%)

상기 실험예에서 보는 바와 같이 본 발명의 일 구현예에 따라, 나노 실리카 전구체를 첨가한 전도성 카본 페이스트는 내후성이 우수한 것으로 밝혀졌다.

전술한 각 실시예에서 예시된 특징, 구조, 효과 등은 실시예들이 속하는 분야의 통상의 지식을 가지는 자에 의하여 다른 실시예들에 대해서도 조합 또는 변형되어 실시 가능하다. 따라서 이러한 조합과 변형에 관계된 내용들은 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

본 발명은 웨어러블기기 등 화학적 안정성 및 내구성이 요구되는 용도의 전극에 다양하게 이용될 수 있다.

다만, 본 발명의 용도가 상기 나열된 용도에 한정되는 것은 아니다.

Claims

바인더 수지, 용제, 전도성 카본 소재 및 나노 실리카 전구체를 혼합하여 제조된 것이고, 상기 전도성 카본 소재는 카본 블랙 및 그래핀의 혼합물이며, 상기 전도성 카본 소재와 나노 실리카 전구체가 반응하여 형성된 실리카-카본 조성물을 포함하는 것인, 전도성 카본 페이스트.
제1항에 있어서, 상기 바인더 수지는 셀룰로오스계 수지, 부티랄(butyral)계 수지, (메트)아크릴계 수지, 에폭시계 수지, 페놀계 수지, 에스테르계 수지, 알키드계수지, PVA계 수지에서 선택된 1 이상인 것인, 전도성 카본 페이스트.
제1항에 있어서, 상기 용제는 지방족 알코올류, 에스테르계, 카비톨 용매, 셀로솔브 용매, 탄화수소 용매에서 선택된 1 이상인 것인, 전도성 카본 페이스트.
제1항에 있어서, 첨가제를 더 혼합하여 제조된 것인, 전도성 카본 페이스트.
제4항에 있어서, 상기 첨가제는 강도 개선제, 경도 개선제, 칙소제, 커플링제, 경화 촉매에서 선택된 1 이상인 것인, 전도성 카본 페이스트.
삭제
삭제
제1항에 있어서, 상기 그래핀은 환원형 그래핀인 것인, 전도성 카본 페이스트.
제1항에 있어서, 소다라임 유리기판에 도포하여 120℃에서 건조시킨 후 50㎛의 도막을 형성한 시편 제작 후, 온도 85℃ 및 습도 85% 조건에서 72시간 방치했을 때, ASTM F390 방법으로 측정한 저항의 증가율이 10%이하인 것인, 전도성 카본 페이스트.
제1항 내지 제5항, 제8항 및 제9항 중 어느 한 항에 기재된 전도성 카본 페이스트를 이용한 전극.