KR102384751B1 - 금속 나노와이어, 그 제조방법 및 이를 포함하는 투명 도전성 필름 - Google Patents

금속 나노와이어, 그 제조방법 및 이를 포함하는 투명 도전성 필름 Download PDF

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Abstract

빛의 난반사를 감소시킬 수 있는 금속 나노와이어, 그 제조방법 및 상기 금속 나노와이어로 형성되며, 투명성 및 시인성이 우수한 투명 도전성 필름이 개시된다. 상기 금속 나노와이어는 표면에 탄소 코팅막이 형성되어 있는 것을 특징으로 한다. 상기 금속 나노와이어의 제조 방법은, 금속 나노와이어를 탄소 전구체 화합물로 코팅하는 단계; 및 상기 탄소 전구체 화합물로 코팅된 금속 나노와이어를 열처리하여 금속 나노와이어의 표면에 탄소 코팅막을 형성하는 단계를 포함한다. 상기 투명 도전성 필름은, 표면에 탄소 코팅막이 형성되어 있는 금속 나노와이어를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

금속 나노와이어, 그 제조방법 및 이를 포함하는 투명 도전성 필름{Metal nanowire, method for producing the same, and transparent conductive film including the same}
본 발명은 금속 나노와이어에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는, 빛의 난반사를 감소시킬 수 있는 금속 나노와이어, 그 제조방법 및 상기 금속 나노와이어로 형성되며, 투명성 및 시인성이 우수한 투명 도전성 필름에 관한 것이다.
최근, 평판 TV의 수요 증가에 따라, 액정표시장치(LCD), 플라즈마 디스플레이패널(PDP), 유기전계발광장치(OELD) 등의 다양한 방식의 디스플레이 장치가 개발되고 있다. 이러한 평판 표시 장치들에 있어서는, 투명 도전막을 이용한 투명 전극이 필수적으로 사용되어야 한다. 또한, TV 이외에도, 터치 패널, 휴대 전화, 전자 종이 등의 각종 전가 기기에 있어서도, 투명 도전막이 필수적으로 사용되어야 한다. 이러한 투명 도전막으로서, Au, Ag, Pt, Cu 등의 각종 금속 박막, 주석 또는 아연이 도핑된 산화 인듐(ITO, IZO), 알루미늄 또는 갈륨이 도핑된 산화아연(AZO, GZO) 등의 금속 산화물 박막 등이 주로 사용되고 있으며, 이들 무기 박막 외에도, 전도성 고분자로 이루어진 유기 박막도 개발되고 있다. 이 중, 인듐 주석 산화물(ITO)은 광투과성 및 도전성이 모두 우수하고, 진공 증착법, 스퍼터링법, 이온 도금법 등에 의해 용이하게 박막을 형성할 수 있으므로, 다양한 전자 기기에서, 투명 전극으로 널리 사용되고 있다. 그러나, 이러한 ITO 성막 방법은, 대부분 고가의 장비 및 다량의 에너지가 필요하며, 형성된 박막이 무겁고 유연하지 못한 단점이 있다.
이러한 단점을 해소하기 위하여, 최근에는, 금속 나노와이어(nanowire: NW)의 분산액을 기재(substrate)에 도포하고 건조시켜, 금속 나노와이어로 이루어진 투명 도전막을 형성하는 방법이 연구되고 있다. 이러한 나노와이어 투명 도전막에 있어서는, 매우 작은 크기를 가지는 나노와이어의 전기적인 네트워크에 의해 도전성이 발현되므로, 도전성과 투명성이 모두 우수하고, 투명 도전막을 고온 가열 처리할 필요가 없으므로, 플라스틱 필름과 같은 수지 기재 상에 투명 도전막을 형성할 수도 있다. 특히, 은(Ag)은 전도성이 특히 우수하고, 수계에서 간편에서 은(Ag) 나노와이어를 제조할 수 있으므로, 가장 실용적인 도전막 형성 재료로 알려져 있다(예를 들면, 미국 특허공개 제2005/0056118호 참조).
그러나, 금속 나노와이어의 경우, 나노와이어의 표면에서 빛이 난반사하여, 나노와이어로 이루어진 도전막의 헤이즈(Haze) 값이 높아져, 도전막의 시인성(투명성)이 저하되는 문제점이 있다. 따라서, 나노와이어의 표면에서 발생하는 난반사를 억제하여, 나노와이어 도전막의 시인성을 개선하기 위한 방법이 연구되고 있다. 예를 들면, 일본 특허공개 2013-122053호는, 금속 나노와이어의 표면에 유색 화합물(유색 염료)을 흡착시켜, 금속 나노와이어의 표면에서 발생하는 빛의 난반사를 억제하는 방법을 개시하고 있고, 대한민국 특허공개 10-2013-0092857호는 레이저 파워를 변화시키면서, 금속와이어로 이루어진 투명전극 미세패턴을 형성함으로서, 패턴 선폭을 감소시키고, 나노와이어 도전막의 시인성을 개선하는 방법을 개시하고 있다.
본 발명의 목적은, 표면에서의 빛의 난반사를 감소시킨 금속 나노와이어 및 그 제조방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은, 빛의 난반사에 의한 헤이즈(Haze)를 감소시켜, 결과적으로 개선된 시인성을 가지는 투명 도전성 필름을 제공하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은, 표면에 탄소 코팅막이 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 금속 나노와이어를 제공한다. 또한, 본 발명은, 금속 나노와이어를 탄소 전구체 화합물로 코팅하는 단계; 및 상기 탄소 전구체 화합물로 코팅된 금속 나노와이어를 열처리하여 금속 나노와이어의 표면에 탄소 코팅막을 형성하는 단계를 포함하는 금속 나노와이어의 제조 방법을 제공한다. 또한, 본 발명은, 표면에 탄소 코팅막이 형성되어 있는 금속 나노와이어를 포함하는 것을 특징으로 하는 투명 도전성 필름을 제공한다.
본 발명에 따른 금속 나노와이어는 표면에서의 빛의 난반사가 억제되므로, 상기 금속 나노와이어로 제조된 투명 도전성 필름은 빛의 난반사에 의한 헤이즈(Haze)를 감소시켜, 결과적으로 개선된 시인성을 나타낸다.
이하, 본 발명을 상세히 설명한다.
[금속 나노와이어]
본 발명에 따른 금속 나노와이어는 표면에 탄소 코팅막이 형성되어 있는 것을 특징으로 한다. 본 발명에 있어서, 상기 금속 나노와이어 100 중량부에 대하여, 상기 탄소 코팅막의 함량은 0.01 내지 50 중량부, 바람직하게는 1 내지 30 중량부, 더욱 바람직하게는 5 내지 20 중량부이다. 여기서, 상기 탄소 코팅막은 탄소 전구체 화합물(유기물)이 탄화되어 형성된 탄소막을 의미한다. 상기 탄소 코팅막의 함량이 너무 작으면, 금속 나노와이어 표면에서의 빛의 난반사를 충분히 억제할 수 없고, 상기 탄소 코팅막의 함량이 너무 많으면, 금속 나노와이어의 전도성이 저하되는 등 전기적 특성이 저하될 우려가 있다. 종래에는, 유색 염료 등을 금속 나노와이어 표면에 부착시켰으나, 본 발명에서는, 금속 나노와이어의 표면에 부분적 또는 전체적으로 탄소 코팅막을 형성하여, 금속 나노와이어 자체가 부분적 또는 전체적으로 색을 가질 수 있도록 하였다.
본 발명에 사용될 수 있는 금속 나노와이어로는, 통상의 금속 나노와이어를 특별한 제한없이 사용할 수 있다. 상기 금속 나노와이어는 Ag, Au, Ni, Cu, Pd, Pt, Rh, Ir, Fe, Co, Sn 등의 금속 원소로 이루어질 수 있고, 바람직하게는 은(Ag)으로 이루어질 수 있다. 상기 금속 나노와이어의 형상으로는, 특별히 제한은 없고, 목적에 따라 적절히 선택할 수 있으며, 예를 들어, 원주 형상, 직육면체 형상, 단면이 다각형인 기둥 형상 등의 임의의 형상을 가질 수 있다. 상기 금속 나노와이어의 장축 평균 길이는, 1 ㎛ 이상, 바람직하게는 5 ㎛ 이상, 더욱 바람직하게는 10 ㎛ 이상, 예를 들면, 1 내지 1000 ㎛, 구체적으로는 5 내지 100 ㎛이다. 상기 금속 나노와이어의 길이가, 1 ㎛ 미만이면, 투명 도전체를 제조한 경우, 금속끼리의 접합점이 감소되어 저항이 증가할 우려가 있다. 또한, 상기 금속 나노와이어의 단축 평균 길이(직경)은 1 내지 200 nm, 바람직하게는 5 내지 100 nm, 더욱 바람직하게는 10 내지 50 nm이다. 상기 나노와이어의 직경이 너무 작으면, 나노와이어의 내열성이 저하될 우려가 있고, 너무 크면, 금속의 산란에 의한 헤이즈가 증가되어, 금속 나노와이어를 함유하는 투명 도전체의 광선 투과성 및 시인성이 저하될 우려가 있다.
[금속 나노와이어의 제조 방법]
본 발명에 따른 금속 나노와이어의 제조 방법은, 금속 나노와이어를 탄소 전구체 화합물(유기물)로 코팅하고 열처리하여, 금속 나노와이어의 표면에 탄소 코팅막을 형성하는 단계를 포함한다. 상기 탄소 전구체 화합물의 코팅은, 금속 나노와이어 용액에 수크로스, 락토스, 말토스, 트레할로스(Trehalos), 투라노스(turanose), 셀로비오스(cellobiose), 라피노스(raffinose), 멜레치토스(melezitose), 말토트리오스, 아카보스, 스타키오스, 다이하드록시아세톤, 알도테트로스, 케토테트로스, 케토펜토스, 알도펜토스, 데옥시당, 케토헥소스, 알도헥소스(aldohexose), 폴리비닐알콜(polyvinylalcohol) 폴리비닐피롤리돈(Polyvinylpyrrolidone), 이들의 혼합물 등의 탄소 전구체 화합물을 첨가하고 균일하게 혼합한 다음, 필요에 따라 용매를 제거하여, 금속 나노와이어의 표면에 탄소 전구체 화합물을 부착시켜 수행될 수 있다. 상기 금속 나노와이어 용액의 용매로서는, 특별히 제한하지 않고, 목적에 따라 적절히 선택할 수 있고, 예를 들어, 물, 프로판올, 아세톤, 에틸렌글리콜 등을 들 수 있다. 이들은, 1종 단독으로 사용해도 되고, 2 종 이상을 병용해도 좋다. 상기 탄소 전구체 화합물의 열처리는 상기 탄소 전구체 화합물을 탄화시킬 수 있는 온도에서 수행되는 것으로서, 사용되는 탄소 전구체 화합물의 종류에 따라 달라질 수 있으나, 통상적인 열처리 온도는 50 내지 400 ℃이고, 바람직하게는 70 내지 300 ℃이며, 열처리 시간은 통상 30 초 내지 5 분이다. 여기서, 열처리 온도가 너무 낮으면 유기 전구체가 충분히 탄화되지 못할 우려가 있고, 열처리 온도가 너무 높으면, Ag 나노와이어 자체가 용융(melting)되어 Ag 나노와이어의 형상이 달라질 우려가 있다. 이러한 이유로 너무 높은 온도에서 탄화를 진행할 경우, Ag 나노와이어의 형상이 변형되어 Ag 나노와이어의 네트워크가 약화되어 전체적인 도전성이 저하될 우려가 있다.
[금속 나노와이어로 제조된 투명 도전성 필름]
본 발명에 따른 투명 도전성 필름은, 표면에 탄소 코팅막이 형성되어 있는 금속 나노와이어를 포함하는 것을 특징으로 한다. 본 발명에 따른 투명 도전성 필름은, 상기 금속 나노와이어를 분산 용매에 분산시킨 코팅용 조성물을 기재(substrate)에 도포하고 건조시켜 제조할 수 있다. 필요에 따라, 상기 코팅용 조성물은 분산제, 바인더(binder), 계면활성제(surfactant), 습윤제(wetting agent), 레벨링(levelling)제 등과 같은 첨가제를 더욱 포함할 수 있다. 상기 코팅용 조성물의 분산 용매로는, 물, 유기 용매 등 금속 나노와이어를 분산시킬 수 있는 용매를 특별한 제한 없이 사용할 수 있으나, 주로 물이 사용되고, 물과 혼화되는 유기 용매를 50 중량％ 이하의 함량으로 병용하는 것이 바람직하다. 상기 유기 용매로는, 예를 들면, 메탄올, 에탄올, 이소프로판올, 부탄올 등의 알코올류, 에틸렌글리콜, 글리세린과 같은 글리콜류, 에틸아세테이트, 부틸아세테이트, 메톡시프로필아세테이트, 카비톨아세테이트 등의 아세테이트류, 메틸셀로솔브, 부틸셀로솔브, 디에틸에테르, 테트라히드로퓨란, 디옥산 등의 에테르류, 메틸에틸케톤, 아세톤, 디메틸포름아미드, 1-메틸-2-피롤리돈 등의 케톤류, 헥산, 헵탄, 도데칸, 파라핀 오일 등의 탄화수소계, 벤전, 톨루엔, 자일렌과 같은 방향족, 그리고 클로로포름이나 메틸렌클로라이드 등의 할로겐 치환 용매, 아세토니트릴, 디메틸술폭사이드 등을 다독 또흔 혼합하여 사용할 수 있다. 상기 바인더로는, 셀룰로즈아세테이트, 폴리비닐클로라이드, 폴리우레탄, 폴리에스테르, 알키드 수지, 에폭시 수지, 페옥시 수지, 멜라민 수지, 페놀 수지 등 기재와의 부착력이 우수한 고분자 수지를 사용할 수 있다.
상기 코팅용 조성물에 있어서, 금속 나노와이어의 함량은, 특별히 제한은 없지만, 0.1 내지 99 중량％, 바람직하게는 1 내지 95 중량％, 더욱 바람직하게는 5 내지 50 중량%이다. 상기 금속 나노와이어의 함량이 너무 작으면, 도전성 필름 제조 시, 건조 공정의 부하가 커지고, 너무 크면, 나노와이어 입자가 응집될 우려가 있다. 상기 투명 도전성 필름이 형성되는 기재는, 특별히 제한 없이 목적에 따라 적절히 선택할 수 있고, 예를 들어, 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET) 필름, 트리아세틸셀룰로오스 (TAC) 필름 등의 폴리머 필름, 유리 등을 사용할 수 있다. 상기 코팅용 조성물을 기재에 도포하는 방법으로는, 통상의 막 형성 방법이 사용될 수 있으며, 예를 들면, 스핀(spin) 코팅, 롤(roll) 코팅, 스프레이 코팅, 딥(dip) 코팅, 플로(flow) 코팅, 닥터 블레이드(doctor blade)와 디스펜싱(dispensing), 잉크젯 프린팅, 옵셋 프린팅, 스크린 프린팅, 패드(pad) 프린팅, 그라비아 프린팅, 플렉소(flexography) 프린팅, 스텐실 프린팅, 임프린팅(imprinting) 방법 등의 방법을 사용할 수 있다. 상기 코팅용 조성물의 건조 온도는, 기재, 나노와이어 등 대상물의 특성에 영향을 미치지 않는 한도에서 자유롭게 선택될 수 있고, 통상 80 내지 200 ℃의 온도에서 수행될 수 있다.
본 발명에 따른 투명 도전성 필름의 두께는, 구현하고자 하는 선폭 및 요구 저항 조건에 따라 적절히 설정될 수 있으며, 바람직하게는 5.0 ㎛ 이하, 더욱 바람직하게는 1.0 ㎛ 이하, 예를 들면, 0.05 내지 0.5 ㎛이다. 본 발명에 따른 금속 나노와이어는, 표면에 유색의 탄소 코팅막이 형성되어, 빛을 효율적으로 흡수하여, 빛의 난반사에 의한 헤이즈(Haze)를 억제하고, 결과적으로 금속 나노와이어로 제조된 투명 도전성 필름의 시인성을 개선할 수 있다.
이하, 구체적인 실시예를 통하여 본 발명을 더욱 상세히 설명한다. 하기 실시예는 본 발명을 예시하기 위한 것으로서, 본 발명이 하기 실시예에 의해 한정되는 것은 아니다.
[실시예 1~3] 표면 탄화를 이용한 금속 나노와이어의 표면 코팅
하기 표 1에 기재된 성분과 함량의 탄소전구체 화합물(유기물)로 은 나노와이어(Ag NW)를 코팅한 다음, 마이크로웨이브(microwave)를 이용하여 300 내지 500 W 조건(약 120 내지 350℃)에서 열처리하여, 탄소전구체 화합물을 탄화시켜, 탄화된 표면층을 가지는 금속 나노와이어를 제조하였다. 사용된 은 나노와이어는 길이가 약 35 ㎛이고, 지름이 약 25 nm인 이상적인 타원 구조로 가지는 것이었다.
탄소 전구체 화합물의
종류 및 사용량		 1 wt% Ag NW
solution(g)		 마이크로웨이브
파워(W)		 열처리
시간(min)
실시예 1 폴리비닐피롤리돈, 1mg 10 300 1
실시예 2 폴리비닐피롤리돈, 1mg 10 300 2
실시예 3 폴리비닐피롤리돈, 1mg 10 500 1
[실시예 4~6, 비교예 1] 금속 나노와이어를 이용한 투명 도전막 형성 및 광학 특성 평가
실시예 1 내지 3에서 제조한 탄화된 표면층을 가지는 은 나노와이어 1 g를 8 g의 에탄올에 분산시킨 후, 기재(substrate)에 도포하고 건조시켜 두께 약 10 ㎛의 도전막을 형성하였다(실시예 4 내지 6). 또한, 탄화된 표면층을 가지지 않는 은 나노와이어를 이용하여, 동일한 방법으로 도전막을 형성하였다(비교예 1). 형성된 투명 도전막의 광학특성으로서, 면저항(Sheet resistance), 투과도(Transmittance: T.Trans) 및 탁도(Haze)를 평가하여, 그 결과를 하기 표 2에 나타내었다.
마이크로웨이브
처리 조건		 Sheet resistance
(Ω/□)		 Haze (%) T.Trans (%)
비교예 1 - 130.60 1.04 91.92
실시예 4 300 W, 1 min 89.42 0.76 91.99
실시예 5 300 W, 2 min 89.32 0.75 92.1
실시예 6 500 W, 1 min 137.2 0.80 92.26
상기 표 2에 나타낸 바와 같이, 탄화된 표면층을 가지는 은 나노와이어로 형성된 도전막(실시예 4~6)은, 탄화된 표면층을 가지지 않는 은 나노와이어로 형성된 도전막(비교예 1)과 비교하여, 면저항 및 투과도는 동등 이상이고, 탁도(Haze)는 우수하였다. 한편, 열처리 조건이 300W (150 ~ 200 ℃)인 경우에는, 탁도 뿐만 아니라, 면저항(Sheet resistance)도 우수한 결과를 보였다.

Claims (6)

  1. 표면에 탄소 코팅막이 형성되어 있는 금속 나노와이어를 포함하는, 투명 도전성 필름.
  2. 제1항에 있어서, 상기 금속 나노와이어 100 중량부에 대하여, 상기 탄소 코팅막의 함량은 0.01 내지 50 중량부인 것인, 투명 도전성 필름.
  3. 금속 나노와이어를 탄소 전구체 화합물로 코팅하는 단계;
    상기 탄소 전구체 화합물로 코팅된 금속 나노와이어를 열처리하여 금속 나노와이어의 표면에 탄소 코팅막을 형성하는 단계;
    표면에 탄소 코팅막이 형성된 상기 금속 나노와이어를, 분산 용매에 분산시켜 코팅용 조성물을 제조하는 단계; 및
    상기 코팅용 조성물을 기재(substrate)에 도포하고 이를 건조하는 단계를 포함하는 투명 도전성 필름의 제조방법.
  4. 제3항에 있어서, 상기 탄소 전구체 화합물은 수크로스, 락토스, 말토스, 트레할로스, 투라노스, 셀로비오스, 라피노스, 멜레치토스, 말토트리오스, 아카보스, 스타키오스, 다이하드록시아세톤, 알도테트로스, 케토테트로스, 케토펜토스, 알도펜토스, 데옥시당, 케토헥소스, 알도헥소스로, 폴리비닐알콜, 폴리비닐피롤리돈 및 이들의 혼합물로 이루어진 군으로부터 선택되는 것인, 투명 도전성 필름의 제조 방법.
  5. 제3항에 있어서, 상기 탄소 전구체 화합물의 열처리 온도는 70 내지 300 ℃인 것인, 투명 도전성 필름의 제조 방법.
  6. 삭제
KR1020150007032A 2014-01-14 2015-01-14 금속 나노와이어, 그 제조방법 및 이를 포함하는 투명 도전성 필름 KR102384751B1 (ko)

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* Cited by examiner, † Cited by third party
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