KR102536980B1

KR102536980B1 - 은나노와이어 코팅액 및 그를 이용한 3차원 구조의 투명전극 제조 방법

Info

Publication number: KR102536980B1
Application number: KR1020210001800A
Authority: KR
Inventors: 신권우; 장덕진; 이지영
Original assignee: 한국전자기술연구원
Priority date: 2021-01-07
Filing date: 2021-01-07
Publication date: 2023-05-30
Also published as: KR20220100122A

Abstract

본 발명은 은나노와이어 코팅액 및 그를 이용한 3차원 구조의 투명전극 제조 방법에 관한 것으로, 3차원 열성형 공정을 적용하여 3차원 구조의 투명전극으로 제조하더라도 저항 안정성을 제공하기 위한 것이다. 본 발명에 따른 은나노와이어 코팅액은 은나노와이어와 PVA??sbQ(Polyvinyl alcohol with styrylpyridinium pendent groups)의 완충제를 함유한다. 본 발명에 따른 은나노와이어 코팅액을 베이스 기판 위에 코팅하여 2차원 구조의 투명전극을 형성하고, 3차원 열성형 후 세척을 통하여 완충제를 제거함으로써, 저항 안정성을 갖는 3차원 구조의 투명전극을 제공한다.

Description

은나노와이어 코팅액 및 그를 이용한 3차원 구조의 투명전극 제조 방법{Silver nanowire coating solution and method for manufacturing a three-dimensional transparent electrode using the same}

본 발명은 3차원 구조의 투명전극의 제조 기술에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 은나노와이어를 함유하는 은나노와이어 코팅액 및 그를 이용한 3차원 구조의 투명전극 제조 방법에 관한 것이다.

은나노와이어 코팅액은 은나노와이어를 포함하며, 기판에 코팅되어 투명전극을 형성할 수 있다. 은나노와이어 코팅액이 기판에 코팅되었을 때, 은나노와이어는 네트워크 구조로 서로 접촉되면서 전기적으로 연결되어 투명전극을 형성한다. 이러한 투명전극은 터치스크린, 면발열체, 전자파차폐 필름, 투명 단열 필름 등 다양한 분야에 응용될 수 있다.

은나노와이어 투명전극은 은나노와이어가 네트워크 구조로 서로 연결되어 전기적으로 연결되기 때문에, 유연한 투명전극으로 이용될 수 있다. 기존의 연구에 의하면, 은나노와이어 투명전극은 굽힘, 휨 등의 유연성이 우수한데 반해, 연신에 따라 길이가 늘어나면 저항 안정성이 다소 취약한 특성을 보이고 있다.

더욱이 3차원 구조의 투명전극을 형성하기 위해서, 기판에 형성된 2차원 구조의 은나노와이어 투명전극(이하 '2차원 구조의 투명전극'이라 함)에 열성형 공정을 적용하여 3차원 구조를 형성할 수 있는데, 2차원 구조의 투명전극은 3차원 구조로의 열성형 과정에서 필연적으로 연신(신장)이 수반되고, 이로 인해 제조된 3차원 구조의 투명전극은 저항이 크게 증가하면서 저항 균일성이 떨어지는 문제가 발생한다.

공개특허공보 제2019-0102859호 (2019.09.04.)

따라서 본 발명의 목적은 3차원 열성형 공정을 적용하여 3차원 구조의 투명전극으로 제조하더라도 저항 안정성을 제공할 수 있는 은나노와이어 코팅액 및 그를 이용한 3차원 구조의 투명전극 제조 방법을 제공하는 데 있다.

상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 은나노와이어; 및 PVA??sbQ(Polyvinyl alcohol with styrylpyridinium pendent groups)의 완충제;를 포함하는 3차원 구조의 투명전극 제조용 은나노와이어 코팅액을 제공한다.

상기 은나노와이어 코팅액은 상기 완충제 0.2 내지 1.3 wt%를 포함한다.

상기 완충제는 PVA(Polyvinyl alcohol)를 더 포함할 수 있다.

본 발명에 따른 은나노와이어 코팅액은 점도조절제;를 더 포함할 수 있다.

상기 점도조절제는 하이드록시 프로필 메틸 셀룰로오스(hydroxy propyl methyl cellulose), 2-하이드록시 에틸 셀룰로오스(2-hydroxy ethyl cellulose), 카르복시 메틸 셀룰로오스(carboxy methyl cellulose), 폴리비닐 알콜(Polyvinyl alcohol; PVA) 및 폴리비닐피롤리돈(Polyvinylpyrrolidone; PVP) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.

본 발명은 또한, 은나노와이어와 PVA??sbQ(Polyvinyl alcohol with styrylpyridinium pendent groups)의 완충제를 함유하는 은나노와이어 코팅액을 베이스 기판 위에 코팅하여 2차원 구조의 투명전극이 형성된 코팅 기판을 제조하는 코팅 단계; 상기 코팅 기판을 3차원 열성형하여 상기 2차원 구조의 투명전극을 3차원 구조의 투명전극으로 형성하는 3차원 열성형 단계; 및 열성형된 3차원 구조의 투명전극을 물로 세척하여 전도성을 개선한 3차원 구조의 투명전극을 형성하는 세척 단계;를 포함하는 은나노와이어 코팅액을 이용한 3차원 구조의 투명전극 제조 방법을 제공한다.

상기 베이스 기판은 폴리카보네이트, 폴리메틸메사클리레이트, 폴리아크릴레이트, 폴리우레탄, 폴리프로필렌 및 폴리에틸렌 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.

상기 코팅 단계에서, 상기 베이스 기판 위에 상기 은나노와이어 코팅액을 분사 코팅(spray coating), 그라비아 코팅(gravure coating), 마이크로그라비아 코팅(micro-gravure coating), 바코팅(bar-coating), 나이프 코팅(knife coating), 리버스 롤 코팅(reverse roll coating), 롤 코팅(roll coating), 캘린더 코팅(calender coating), 커튼 코팅(curtain coating), 압출 코팅(extrustion coating), 캐스트 코팅(cast coating), 침지 코팅(dip coating), 에어-나이프 코팅(air-knife coating), 거품 코팅(foam coating) 및 슬릿 코팅(slit coating) 중 적어도 하나의 방법으로 코팅하여 상기 2차원 구조의 투명전극을 형성할 수 있다.

상기 3차원 열성형 단계에서, 상기 3차원 열성형은 80 내지 200℃에서 수행할 수 있다.

상기 3차원 열성형 단계에서, 상기 3차원 열성형은 압축 성형, 인서트 성형 또는 블로우 성형을 이용할 수 있다.

상기 세척 단계에서, 상기 열성형된 3차원 구조의 투명전극을 물로 세척하는 과정에서 상기 열성형된 3차원 구조의 투명전극에 포함된 완충제가 제거되면서 3차원 구조의 투명전극에 포함된 은나노와이어가 접촉되어 전도성 네트워크를 형성하여 전기전도성을 개선한다.

상기 코팅 단계에서의 2차원 구조의 투명전극의 면저항은 10 ㏀/sq 이상일 수 있다.

그리고 상기 세척 단계를 수행하여 제조된 3차원 구조의 투명전극의 면저항은 10 내지 300 Ω/sq 일 수 있다.

본 발명에 따르면, 은나노와이어 코팅액은 PVA??sbQ(Polyvinyl alcohol with styrylpyridinium pendent groups)을 완충제로 함유하기 때문에, 3차원 열성형 공정을 적용하여 3차원 구조의 투명전극으로 제조하더라도 저항 안정성을 제공할 수 있다.

통상적인 은나노와이어 코팅액, 즉 PVA??sbQ를 완충제로 함유하지 않는 은나노와이어 코팅액은 코팅 공정에서 2차원 구조의 투명전극을 형성하고, 2차원 구조의 투명전극에 포함된 은나노와이어가 전도성 네트워크를 형성한다. 그런데 3차원 열성형 공정에서 작용하는 열과 연신에 의해, 제조되는 3차원 구조의 투명전극에 포함된 전도성 네트워크가 손상되면서 3차원 구조의 투명전극의 저항이 크게 증가하면서 저항 균일성이 떨어지는 문제가 발생한다.

하지만 본 발명에 따른 은나노와이어 코팅액은 코팅 공정에서 2차원 구조의 투명전극을 형성하되, 2차원 구조의 투명전극에 포함된 완충제는 은나노와이어가 전도성 네트워크를 형성하는 것을 방해한다. 3차원 열성형 공정에서 작용하는 열과 연신에 의해 2차원 구조의 투명전극을 3차원 구조의 투명전극으로 성형할 때, 3차원 구조의 투명전극의 전도성 훼손은 크게 발생하지 않는다. 그리고 3차원 열성형 공정 이후에 진행되는 세척 공정을 통해서, 3차원 구조의 투명전극에 포함된 완충제가 제거되면서 3차원 구조의 투명전극에 포함된 은나노와이어가 접촉되어 전도성 네트워크를 형성하기 때문에, 낮은 저항(높은 전기전도성)과 높은 저항 균일도와 같은 저항 안정성을 갖는 3차원 구조의 투명전극을 제공할 수 있다.

본 발명에 따른 은나노와이어 코팅액은 완충제를 함유하더라도, 바코팅, 슬릿코팅, 마이크로그라비아 코팅, 스프레이 코팅 등과 같은 기존의 코팅 공정을 그대로 활용할 수 있다.

본 발명에 따른 제조 방법은 코팅 공정 및 3차원 열성형 공정 이후에 세척 공정을 추가함으로써, 저항 안정성을 갖는 3차원 구조의 투명전극을 제공할 수 있다. 즉 본 발명에 따른 3차원 구조의 투명전극의 제조 공정을 간소화할 수 있다.

그리고 본 발명에 따른 3차원 구조의 투명전극은 모바일기기, 자동차, 건축물 등 다양한 입체 구조물에 적용되어 터치스위치, 면상발열체, 3차원 구조 디스플레이, 3차원 구조의 전자파 차폐 필름 등에 활용 가능하며, 활용 범위가 이것에 한정되는 것은 아니다.

도 1은 본 발명에 따른 은나노와이어 코팅액을 이용한 3차원 구조의 투명전극 제조 방법에 따른 흐름도이다.
도 2는 도 1의 제조 방법에 따른 각 단계를 보여주는 도면이다.
도 3은 실시예에 따른 3차원 구조의 투명전극의 성형 전후의 상태를 보여주는 사진이다.
도 4는 비교예1에 따른 3차원 구조의 투명전극의 늘어난 길이에 따른 저항 변화를 보여주는 그래프이다.
도 5는 비교예2에 따른 3차원 구조의 투명전극의 늘어난 길이에 따른 저항 변화를 보여주는 그래프이다.
도 6은 실시예에 따른 3차원 구조의 투명전극의 늘어난 길에 따른 저항 변화를 보여주는 그래프이다.

하기의 설명에서는 본 발명의 실시예를 이해하는데 필요한 부분만이 설명되며, 그 이외 부분의 설명은 본 발명의 요지를 벗어나지 않는 범위에서 생략될 것이라는 것을 유의하여야 한다.

이하에서 설명되는 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념으로 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다. 따라서 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 바람직한 실시예에 불과할 뿐이고, 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 보다 상세하게 설명하고자 한다.

[은나노와이어 코팅액]

본 발명에 따른 은나노와이어 코팅액은 은나노와이어와 완충제를 포함한다. 완충제로는 PVA??sbQ(Polyvinyl alcohol with styrylpyridinium pendent groups)가 사용된다. 여기서 완충제는 은나노와이어 코팅액을 이용하여 3차원 구조의 투명전극을 3차원 열성형 공정을 적용하여 제조할 때, 제조되는 3차원 구조의 투명전극의 전기전도성과 저항 균일도를 향상시키는 기능을 한다. 즉 완충제는 제조되는 3차원 구조의 투명전극에 저항 안정성을 제공한다.

이러한 본 발명에 따른 은나노와이어 코팅액은 은나노와이어 0.01 내지 0.5 wt%를 포함할 수 있다. 은나노와이어의 농도가 0.01 중량% 미만이 되면, 은나노와이어 함량이 낮아져 일반적인 상용 코팅법으로는 투명전극을 형성하기 어렵다. 반대로 은나노와이어의 농도가 0.5 wt%를 초과하게 되면, 3차원 구조의 투명전극의 헤이즈가 높고, 광투과율이 낮아지는 단점이 있다.

은나노와이어는 직경 5 내지 100nm, 길이 2 내지 100㎛ 크기의 은나노와이어가 사용될 수 있다. 직경이 5nm 보다 작은 경우에는 기계적인 안정성이 매우 약해 잘 끊어질 수 있어, 안정적인 네트워크 형상을 유지하기 힘들 수 있다. 직경이 100nm를 초과하는 경우에는 투명도(광투과율)가 70% 이하로 급격히 낮아지는 문제가 발생할 수 있다. 또한, 길이가 2㎛보다 작은 경우에는 네트워크를 구성하는 은나노와이어의 길이가 너무 짧아져서, 많은 수의 은나노와이어가 필요하게 되고, 투명도가 낮아지고, 많은 접촉점에 의한 전기전도 특성의 저하의 문제가 발생할 수 있다. 길이가 100㎛보다 긴 경우에는, 은나노와이어의 제조가 곤란해지는 문제와 은나노와이어가 너무 길어서 코팅시에 잘 끊어지는 문제가 발생할 수 있다.

본 발명에 따른 은나노와이어 코팅액은 완충제 0.2 내지 1.3 wt%를 포함할 수 있다. 완충제가 0.2 wt% 미만인 경우, 완충제로서의 효과가 거의 발생하지 않기 때문에, 제조되는 3차원 구조의 투명전극은 저항이 균일하지 못하고, 대부분 영역에서 면저항이 500 Ω/sq 이상 높게 나타날 수 있다. 반대로 완충제가 1.3wt%를 초과하는 경우, 3차원 열성형 단계 이후에 진행되는 세척 단계에서 완충제와 함께 은나노와이어가 이탈하여 저항 균일도가 나빠질 수 있다.

완충제로 사용되는 PVA??sbQ는 물로 세척 시 제거가 가능하다. 완충제는 PVA??sbQ 이외에 PVA(Polyvinyl alcohol)을 더 포함할 수 있다. 후술되겠지만, PVA는 은나노와이어 코팅액의 점도조절제로서의 기능도 함께 수행한다. 예컨대 완충제로 PVA??sbQ와 PVA를 함께 사용하는 경우, 완충제의 총함량에서 PVA??sbQ의 함량이 PVA의 함량 보다는 높을 수 있다.

본 발명에 따른 은나노와이어 코팅액은 점도조절제를 더 포함할 수 있다. 점도조절제는 은나노와이어 코팅액의 코팅 시에 베이스 기판에 대한 코팅성을 향상시키고, 은나노와이어 코팅액의 점도를 증가시켜 분산성 및 분산 안정성을 향상시킨다. 예컨대 점도조절제는 하이드록시 프로필 메틸 셀룰로오스(hydroxy propyl methyl cellulose), 2-하이드록시 에틸 셀룰로오스(2-hydroxy ethyl cellulose), 카르복시 메틸 셀룰로오스(carboxy methyl cellulose), 폴리비닐 알콜(Polyvinyl alcohol; PVA) 및 폴리비닐피롤리돈(Polyvinylpyrrolidone; PVP) 중 적어도 하나를 포함할 수 있으며, 이것에 한정되는 것은 아니다.

그 외 본 발명에 따른 은나노와이어 코팅액은 바인더, 탄소입자, 전도성 고분자, 부식방지제 또는 코팅성 향상을 위한 첨가제 등이 0.001 내지 0.5 wt% 수준에서 더 포함될 수 있다. 이러한 첨가제는 주로 헤이즈를 감소시키고, 균일도, 환경안정성, 접착성 등을 향상시키는 역할을 할 수 있다. 여기서 탄소입자는 탄소나노튜브, 그래핀, 카본나노플레이트, 카본블랙 등을 포함할 수 있다.

그리고 본 발명은 은나노와이어 코팅액은 용매로 물 또는 알콜이 사용될 수 있다.

[은노와이어 코팅액을 이용한 3차원 구조의 투명전극 제조 방법]

이와 같은 본 발명에 따른 은나노와이어 코팅액을 이용한 3차원 구조의 투명전극 제조 방법에 대해서 도 1 및 도 2를 참조하여 설명하면 다음과 같다. 여기서 도 1은 본 발명에 따른 은나노와이어 코팅액을 이용한 3차원 구조의 투명전극 제조 방법에 따른 흐름도이다. 그리고 도 2는 도 1의 제조 방법에 따른 각 단계를 보여주는 도면이다.

먼저 도 2의 (a)에 도시된 바와 같이, S10단계에서 베이스 기판(10)을 준비한다. 베이스 기판(10)으로는 열성형이 가능하고 유연한 플라스틱 기판이 사용될 수 있다. 예컨대 베이스 기판(10)의 소재로는 폴리카보네이트, 폴리메틸메사클리레이트, 폴리아크릴레이트, 폴리우레탄, 폴리프로필렌 및 폴리에틸렌 중 적어도 하나를 포함하며, 이것에 한정되는 것은 아니다.

이러한 베이스 기판(10) 위에 안정적으로 투명전극을 형성할 수 있도록, 베이스 기판(10)은 선택적으로 피라나(piranha) 용액 처리, 산 처리, 염기 처리, 플라즈마 처리, 오존 처리, UV 처리, SAM(self assembled monolayer) 처리 및 고분자 또는 단분자 코팅 방법 중 적어도 하나의 방법을 이용하여 표면 처리를 수행할 수 있다.

다음으로 도 2의 (b)에 도시된 바와 같이, S20단계에서 본 발명에 따른 은나노와이어 코팅액을 베이스 기판(10) 위에 코팅하여 2차원 구조의 투명전극(20)을 형성한 코팅 기판(30)을 제조한다.

은나노와이어 코팅액의 코팅 방법으로는 분사 코팅(spray coating), 그라비아 코팅(gravure coating), 마이크로그라비아 코팅(micro-gravure coating), 바코팅(bar-coating), 나이프 코팅(knife coating), 리버스 롤 코팅(reverse roll coating), 롤 코팅(roll coating), 캘린더 코팅(calender coating), 커튼 코팅(curtain coating), 압출 코팅(extrustion coating), 캐스트 코팅(cast coating), 침지 코팅(dip coating), 에어-나이프 코팅(air-knife coating), 거품 코팅(foam coating) 및 슬릿 코팅(slit coating) 중 적어도 하나의 방법이 사용될 수 있다.

다음으로 도 2의 (c)에 도시된 바와 같이, S30단계에서 코팅 기판(30)을 3차원 열성형하여 2차원 구조의 투명전극(20)을 3차원 구조의 투명전극(50)으로 형성한다.

여기서 3차원 열성형은 압축 성형, 인서트 성형 또는 블로우 성형 방법을 이용할 수 있다. 도 2의 (c)에서는 성형 금형(40)을 이용한 압축 성형으로 3차원 구조의 투명전극(50)을 형성하였다. 3차원 열성형 시, 코팅 기판(30)은 성형 금형(40)에 삽입된 후 압력에 의해 3차원 형상으로 성형된다. 즉 베이스 기판(10)과 2차원 구조의 투명전극(20)이 함께 3차원 구조로 열성형되어 3차원 구조의 베이스 기판(10) 위에 3차원 구조의 투명전극(50)으로 형성된다.

3차원 열성형 조건은 베이스 기판(10)의 소재에 따라서 결정될 수 있다. 예컨대 3차원 열성형은 80 내지 200℃에서 수행될 수 있다. 3차원 열성형 온도가 80℃ 미만인 경우, 온도가 낮아서 코팅 기판(30)을 열성형하기 어려울 수 있다. 반대로 온도가 200℃를 초과하게 되면, 코팅 기판(30)을 형성하는 베이스 기판(10)이나 은나노와이어의 손상이 발생할 수 있다.

그리고 도 2의 (d)에 도시된 바와 같이, S40단계에서 열성형된 3차원 구조의 투명전극(50)을 물로 세척하여 전도성을 개선한 3차원 구조의 투명전극(50)을 제조할 수 있다. 즉 본 발명에 따른 3차원 구조의 투명전극(50)을 갖는 전도성 기판(100)으로 제조할 수 있다.

S40단계에 따른 세척 단계는 3차원 열성형된 전도성 기판(100)을 물에 담구거나 흐르는 물을 통해서 3차원 구조의 투명전극(50)에 포함된 완충제를 제거한다. 열성형된 3차원 구조의 투명전극(50)에 포함된 완충제가 제거되면서, 3차원 구조의 투명전극(50)에 포함된 은나노와이어가 접촉되어 전도성 네트워크를 형성하여 전기전도성과 저항 균일도를 향상시킨다. 이로 인해 본 발명에 따른 제조 방법으로 제조된 3차원 구조의 투명전극(50)은 저항 안정성을 제공할 수 있다.

통상적인 은나노와이어 코팅액, 즉 본 발명에 따른 완충제를 함유하지 않는 은나노와이어 코팅액은 코팅 공정에서 2차원 구조의 투명전극을 형성하고, 2차원 구조의 투명전극에 포함된 은나노와이어가 전도성 네트워크를 형성한다. 그런데 3차원 열성형 공정에서 작용하는 열과 연신에 의해, 제조되는 3차원 구조의 투명전극에 포함된 전도성 네트워크가 손상되면서 3차원 구조의 투명전극의 저항이 크게 증가한다. 즉 2차원 구조의 투명전극은 3차원 열성형 과정에서 필연적으로 수반되는 연신에 의해 전도성 네트워크가 손상되어 저항이 크게 증가하고, 늘어나는 연신율에 따라 저항이 크게 달라져 저항 균일도를 확보하기 어렵다.

하지만 본 발명에 따른 은나노와이어 코팅액은 코팅 공정에서 2차원 구조의 투명전극(20)을 형성하되, 2차원 구조의 투명전극(20)에 포함된 완충제는 은나노와이어가 전도성 네트워크를 형성하는 것을 방해한다. 즉 완충제는 은나노와이어 입자 간의 접촉을 방해하여 2차원 구조의 투명전극(20) 내에 전도성 네트워크가 형성되지 못하게 한다. S20단계에 따른 코팅 단계에서의 2차원 구조의 투명전극(20)의 면저항은 10 ㏀/sq 이상이다.

이로 인해 3차원 열성형 공정에서 작용하는 열과 연신에 의해 2차원 구조의 투명전극(20)을 3차원 구조의 투명전극(50)으로 성형할 때, 3차원 구조의 투명전극(50)의 전도성 훼손은 크게 발생하지 않는다.

그리고 3차원 열성형 공정 이후에 진행되는 세척 공정을 통해서, 3차원 구조의 투명전극(50)에 포함된 완충제가 제거되면서 3차원 구조의 투명전극(50)에 포함된 은나노와이어가 접촉되어 전도성 네트워크를 형성하기 때문에, 낮은 저항(높은 전기전도성)과 높은 저항 균일도와 같은 저항 안정성을 갖는 3차원 구조의 투명전극(50)을 제공할 수 있다.

S40단계에 따른 세척 단계를 수행하여 제조된 3차원 구조의 투명전극(50)의 면저항은 10 내지 300 Ω/sq 일 수 있다. 이때 세척 단계를 거친 3차원 구조의 투명전극(50)의 면저항은 은나노와이어 코팅액에 포함된 은나노와이어의 함량과 코팅 두께에 따라서 일부 차이가 발생할 수 있지만, 기존의 3차원 구조의 투명전극의 면저항 보다는 낮은 면저항 값을 갖는다.

본 발명에 따른 은나노와이어 코팅액은 완충제를 함유하더라도, 기존의 코팅 방법을 그대로 활용할 수 있다.

본 발명에 따른 제조 방법은 코팅 단계 및 3차원 열성형 단계 이후에 세척 단계만 추가함으로써, 저항 안정성을 갖는 3차원 구조의 투명전극(50)을 제공할 수 있다. 즉 본 발명에 따른 제조 방법은 3차원 구조의 투명전극(50)의 제조 공정을 간소화할 수 있다.

그리고 본 발명에 따른 3차원 구조의 투명전극(50)은 모바일기기, 자동차, 건축물 등 다양한 입체 구조물에 적용되어 터치스위치, 면상발열체, 3차원 구조 디스플레이, 3차원 구조의 전자파 차폐 필름 등에 활용 가능하며, 활용 범위가 이것에 한정되는 것은 아니다.

[실시예 및 비교예]

이와 같은 본 발명의 제조 방법으로 제조된 3차원 구조의 투명전극의 전기적 특성을 확인하기 위해서, 아래와 같이 실시예 및 비교예에 따른 은나노와이어 코팅액을 제조하였다. 그리고 제조한 은나노와이어 코팅액을 이용한 3차원 열성형 공정을 통하여 실시예 및 비교예에 따른 3차원 구조의 투명전극을 제조하였다.

실시예

베이스 기판으로는 폴리카보네이트 필름을 사용하였다.

은나노와이어 코팅을 위해 완충제가 포함된 은나노와이어 코팅액을 사용하였다. 즉 실시예에 따른 은나노와이어 코팅액은 은나노와이어 0.15 wt%, PVA-sbQ의 한 종류인 "PVA, N-methyl-4(4'-formylstyryl) pyridinium methosulfate acetal" 0.65 wt%를 함유하고 있다. 그리고 실시예에 따른 은나노와이어 코팅액은 코팅성 향상을 위해 HPMC(hydropropyl methyl cellulose) 0.2 wt%를 포함한다.

실시예에 따른 은나와이어 코팅액을 바코팅 방법으로 폴리카보네이트 필름에 코팅한다. 120℃ 오븐에서 5분간 건조한다. 건조된 코팅 기판의 면저항은 10~100 kΩ/sq 이상으로 전기전도성이 매우 낮은 것으로 확인되었다.

다음으로 3차원 열성형을 위해 170℃ 오븐에서 성형 금형을 가열하고, 가열된 성형 금형에 코팅 기판을 넣고 성형 금형에 압력을 주어 3차원 열성형을 진행했다.

그리고 3차원 열성형된 기판을 물에 2분간 담근 후, 흐르는 물로 완충제를 씻어 제거하고 건조함으로써, 실시예에 따른 3차원 구조의 투명전극을 제조하였다.

비교예1

베이스 기판으로는 폴리카보네이트 필름을 사용하였다.

비교예1에 따른 은나노와이어 코팅액은 은나노와이어 0.15 wt%를 포함하고, 완충제를 포함하지 않는다. 비교예1에 따른 은나노와이어 코팅액은 코팅성 향상을 위해 HPMC를 0.2 wt% 포함되어 있다.

비교예1에 따른 은나와이어 코팅액을 바코팅 방법으로 폴리카보네이트 필름에 코팅한다. 120℃ 오븐에서 5분간 건조한다. 건조된 코팅 기판의 면저항은 50~60 Ω/sq 수준으로 높은 전기전도성 가지는 것으로 확인하였다.

그리고 3차원 열성형된 기판을 물에 2분간 담근 후, 건조하여 비교예1에 따른 3차원 구조의 투명전극을 제조하였다.

비교예2

베이스 기판으로는 폴리카보네이트 필름을 사용하였다.

비교예2에 따른 은나노와이어 코팅액은 은나노와이어 0.15 wt%와, 완충제로 PVA 0.3 wt%를 포함한다. 비교예2에 따른 은나노와이어 코팅액은 코팅성 향상을 위해 HPMC 0.2 wt%를 포함한다.

비교예2에 따른 은나와이어 코팅액을 바코팅 방법으로 폴리카보네이트 필름에 코팅한다. 120℃ 오븐에서 5분간 건조한다. 건조된 코팅 기판의 면저항은 1~100 kΩ/sq 으로 저항이 균일하지 않고 비교적 높은 수준을 가졌다.

그리고 3차원 열성형된 기판을 물에 2분간 담근 후, 흐르는 물로 완충제를 씻어 제거하고 건조함으로써, 비교예2에 따른 3차원 구조의 투명전극을 제조하였다.

실시예 및 비교예에 따른 3차원 구조의 투명전극의 평가를 위해, 도 3에 도시된 바와 같이, 3차원 구조의 투명전극에 표시된 격자 사이의 간격과 저항을 측정했다. 성형 전의 격자 간격을 1cm 로 하였으며, 성형 후 격자 간의 길이 변화와 저항을 측정하여 비교하였다. 여기서 도 3은 실시예에 따른 3차원 구조의 투명전극을 구비하는 전도성 기판의 성형 전후의 상태를 보여주는 사진이다.

도 4는 비교예1에 따른 3차원 구조의 투명전극의 늘어난 길이에 따른 저항 변화를 보여주는 그래프이다.

도 4를 참조하면, 비교예1에 따른 3차원 구조의 투명전극은 3차원 열성형 중 늘어난 길이에 대한 저항 변화를 측정했을 때, 길이 20% 변화에 대해서 저항이 약 431% 수준으로 측정되었다.

이와 같이 비교예1의 경우, 길이 변형에 따른 저항 변화는 매우 크게 측정되었다. 즉 비교예1과 같이 은나노와이어 코팅액이 완충제를 포함하지 않는 경우, 3차원 열성형을 통해 길이가 20% 늘어나면 저항 변화가 평균적으로 약 431% 증가하기 때문에, 3차원 열성형을 통해 비교예1에 따른 3차원 구조의 투명전극을 제조하는 경우 저항의 편차가 매우 커진다는 것을 확인할 수 있었다.

그리고 비교예1에 따른 은나노와이어 코팅액에 포함되는 HPMC 함량에 따라서 다소 차이가 있지만, HPMC 함량 0.2 내지 6 wt% 범위에서 20% 길이 변화에 대한 저항 변화율이 400 내지 600% 이상으로 매우 높게 측정되었다.

도 5는 비교예2에 따른 3차원 구조의 투명전극의 늘어난 길이에 따른 저항 변화를 보여주는 그래프이다.

도 5를 참조하면, 비교예2에 따른 3차원 구조의 투명전극은 3차원 열성형 중 늘어난 길이에 대한 저항 변화를 측정했을 때, 길이 20% 변화에 대해서 저항이 약 176% 수준으로 측정되었다.

이와 같이 비교예2에 따른 3차원 구조의 투명전극은 은나노와이어 코팅액에 완충제로 PVA를 포함하기 때문에, 비교예1에 따른 은나노와이어 코팅액으로 제조된 3차원 구조의 투명전극과 비해서, 길이 변형에 따른 저항 변화가 상대적으로 낮게 측정되었다.

하지만 비교예2에 따른 3차원 구조의 투명전극 또한, 입체 구조물에 적용하기에는, 길이 변형에 따른 저항 변화가 비교적 크게 측정되었다. 즉 비교예2에 따른 은나노와이어 코팅액은 완충제로 PVA를 포함하고 있지만, 3차원 열성형을 통해 비교예2에 따른 3차원 구조의 투명전극을 제조하는 경우 저항의 편차가 매우 커지는 것을 확인할 수 있었다.

그리고 비교예2에 따른 은나노와이어 코팅액에 포함되는 PVA 함량에 따라서 다소 차이는 있지만, PVA 함량 0.2 내지 1 wt% 범위에서 20% 길이 변화에 대한 저항 변화율이 100% 이상으로 대체로 높게 측정되었다.

도 6은 실시예에 따른 3차원 구조의 투명전극의 늘어난 길에 따른 저항 변화를 보여주는 그래프이다.

도 6을 참조하면, 실시예에 따른 3차원 구조의 투명전극은 3차원 열성형 중 늘어난 길이에 대한 저항 변화를 측정했을 때, 길이 20% 변화에 대해서 저항이 약 17.8% 수준으로 측정되었다.

이와 같이 실시예의 경우, 길이 변형에 따른 저항 변화는 매우 작게 측정되었다. 즉 실시예에 따른 은나노와이어 코팅액은 완충제로 PVA-sbQ를 포함하기 때문에, 비교예1 및 2에 따른 은나노와이어 코팅액으로 제조된 3차원 구조의 투명전극과 비해서, 길이 변형에 따른 저항 변화가 매우 낮게 측정되었다.

실시예에 따른 3차원 구조의 투명전극은 입체 구조물에 적용하기에 충분한 저항 특성을 나타내는 것을 확인할 수 있었다.

그리고 실시예에 따른 은나노와이어 코팅액에 포함되는 완충제인 PVA-sbQ의 함량에 따라서 저항 특성에 차이가 있었다. 즉 PVA-sbQ의 함량이 0.2 wt% 미만인 경우, 완충제로서의 효과가 거의 없어 저항이 균일하지 않았고, 대부분 영역에서 면저항이 500 Ω/sq 이상 높게 나왔다. 반대로 PVA-sbQ의 함량이 1.3 wt%를 초과하면, 세척 단계에서 완충제와 함께 은나노와이어가 같이 이탈하여 저항 균일도가 매우 좋지 않았다. 따라서 PVA-sbQ의 함량은 0.2 내지 1.3 wt%가 바람직하다.

실시예에 따른 3차원 구조의 투명전극의 면저항은 은나노와이어 함량 및 코팅 두께에 따라 다르게 나타날 수 있지만, 실시예에 따른 3차원 구조의 투명전극은 10 내지 300 Ω/sq의 다양한 입체 구조물에 적용될 수 있다.

한편, 본 명세서와 도면에 개시된 실시예들은 이해를 돕기 위해 특정 예를 제시한 것에 지나지 않으며, 본 발명의 범위를 한정하고자 하는 것은 아니다. 여기에 개시된 실시예들 이외에도 본 발명의 기술적 사상에 바탕을 둔 다른 변형예들이 실시 가능하다는 것은, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게는 자명한 것이다.

10 : 베이스 기판
20 : 2차원 구조의 투명전극
30 : 코팅 기판
40 : 성형 금형
50 : 3차원 구조의 투명전극
100 : 전도성 기판

Claims

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은나노와이어와 PVA-sbQ(Polyvinyl alcohol with styrylpyridinium pendent groups)의 완충제를 함유하는 은나노와이어 코팅액을 베이스 기판 위에 코팅하여 2차원 구조의 투명전극이 형성된 코팅 기판을 제조하는 코팅 단계;
상기 코팅 기판을 3차원 열성형하여 상기 2차원 구조의 투명전극을 3차원 구조의 투명전극으로 형성하는 3차원 열성형 단계; 및
열성형된 3차원 구조의 투명전극을 물로 세척하여 전도성을 개선한 3차원 구조의 투명전극을 형성하는 세척 단계;
를 포함하는 은나노와이어 코팅액을 이용한 3차원 구조의 투명전극 제조 방법.
제5항에 있어서,
상기 베이스 기판은 폴리카보네이트, 폴리메틸메사클리레이트, 폴리아크릴레이트, 폴리우레탄, 폴리프로필렌 및 폴리에틸렌 중 적어도 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 은나노와이어 코팅액을 이용한 3차원 구조의 투명전극 제조 방법.
제5항에 있어서,
상기 은나노와이어 코팅액은 상기 완충제 0.2 내지 1.3 wt%를 포함하는 것을 특징으로 하는 은나노와이어 코팅액을 이용한 3차원 구조의 투명전극 제조 방법.
제5항에 있어서, 상기 코팅 단계에서,
상기 베이스 기판 위에 상기 은나노와이어 코팅액을 분사 코팅(spray coating), 그라비아 코팅(gravure coating), 마이크로그라비아 코팅(micro-gravure coating), 바코팅(bar-coating), 나이프 코팅(knife coating), 리버스 롤 코팅(reverse roll coating), 롤 코팅(roll coating), 캘린더 코팅(calender coating), 커튼 코팅(curtain coating), 압출 코팅(extrustion coating), 캐스트 코팅(cast coating), 침지 코팅(dip coating), 에어-나이프 코팅(air-knife coating), 거품 코팅(foam coating) 및 슬릿 코팅(slit coating) 중 적어도 하나의 방법으로 코팅하여 상기 2차원 구조의 투명전극을 형성하는 것을 특징으로 하는 은나노와이어 코팅액을 이용한 3차원 구조의 투명전극 제조 방법.
제5항에 있어서, 상기 3차원 열성형 단계에서,
상기 3차원 열성형은 80 내지 200℃에서 수행하는 것을 특징으로 하는 은나노와이어 코팅액을 이용한 3차원 구조의 투명전극 제조 방법.
제9항에 있어서, 상기 3차원 열성형 단계에서,
상기 3차원 열성형은 압축 성형, 인서트 성형 또는 블로우 성형을 이용하는 것을 특징으로 하는 은나노와이어 코팅액을 이용한 3차원 구조의 투명전극 제조 방법.
제5항에 있어서, 상기 세척 단계에서,
상기 열성형된 3차원 구조의 투명전극을 물로 세척하는 과정에서 상기 열성형된 3차원 구조의 투명전극에 포함된 완충제가 제거되면서 3차원 구조의 투명전극에 포함된 은나노와이어가 접촉되어 전도성 네트워크를 형성하여 전기전도성을 개선하는 것을 특징으로 하는 은나노와이어 코팅액을 이용한 3차원 구조의 투명전극 제조 방법.
제11항에 있어서,
상기 코팅 단계에서의 2차원 구조의 투명전극의 면저항은 10 ㏀/sq 이상 이고,
상기 세척 단계를 수행하여 제조된 3차원 구조의 투명전극의 면저항은 10 내지 300 Ω/sq 인 것을 특징으로 하는 은나노와이어 코팅액을 이용한 3차원 구조의 투명전극 제조 방법.