KR102560687B1 - 적외선 차단 기능을 갖는 고유연 투명전극 구조체 및 그 제조 방법 - Google Patents
적외선 차단 기능을 갖는 고유연 투명전극 구조체 및 그 제조 방법 Download PDFInfo
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Abstract
투명성, 유연성, 적외선 차단 기능 및 전도 기능이 하나의 통합된 층으로 형성됨으로써, 우수한 광학적 투명성 및 전기 전도성을 가질 수 있을 뿐만 아니라, 적외선을 차단하여 가시광선만을 통과시킬 수 있는 적외선 차단 기능을 갖는 고유연 투명전극 구조체 및 그 제조 방법에 대하여 개시한다.
본 발명에 따른 적외선 차단 기능을 갖는 고유연 투명전극 구조체 제조 방법은 (a) 금속 나노와이어를 용매에 분산시킨 금속 나노와이어 분산액과 탄소나노튜브를 용매에 분산시킨 탄소나노튜브 분산액을 혼합하여 제1 투명전극 혼합액을 형성하는 단계; (b) 전도성 고분자를 용매에 분산시킨 전도성 고분자 분산액과 적외선 차단제를 용매에 분산시킨 적외선 차단제 분산액을 혼합하여 제2 투명전극 혼합액을 형성하는 단계; (c) 상기 제1 투명전극 혼합액을 기판의 적어도 일면에 1차 코팅하여 제1 투명전극 박막층을 형성한 후, 건조하는 단계; 및 (d) 상기 기판 상에 배치된 제1 투명전극 박막층 상에 제2 투명전극 혼합액을 2차 코팅하여 제2 투명전극 박막층을 형성한 후, 상기 제1 및 제2 투명전극 박막층을 함께 어닐링 처리하여 투명전극 구조체를 형성하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 적외선 차단 기능을 갖는 고유연 투명전극 구조체 제조 방법은 (a) 금속 나노와이어를 용매에 분산시킨 금속 나노와이어 분산액과 탄소나노튜브를 용매에 분산시킨 탄소나노튜브 분산액을 혼합하여 제1 투명전극 혼합액을 형성하는 단계; (b) 전도성 고분자를 용매에 분산시킨 전도성 고분자 분산액과 적외선 차단제를 용매에 분산시킨 적외선 차단제 분산액을 혼합하여 제2 투명전극 혼합액을 형성하는 단계; (c) 상기 제1 투명전극 혼합액을 기판의 적어도 일면에 1차 코팅하여 제1 투명전극 박막층을 형성한 후, 건조하는 단계; 및 (d) 상기 기판 상에 배치된 제1 투명전극 박막층 상에 제2 투명전극 혼합액을 2차 코팅하여 제2 투명전극 박막층을 형성한 후, 상기 제1 및 제2 투명전극 박막층을 함께 어닐링 처리하여 투명전극 구조체를 형성하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
Description
본 발명은 적외선 차단 기능을 갖는 고유연 투명전극 구조체 및 그 제조 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 투명성, 유연성, 적외선 차단 기능 및 전도 기능이 하나의 통합된 층으로 형성됨으로써, 우수한 광학적 투명성 및 전기 전도성을 가질 수 있을 뿐만 아니라, 적외선을 차단하여 가시광선만을 통과시킬 수 있는 적외선 차단 기능을 갖는 고유연 투명전극 구조체 및 그 제조 방법에 관한 것이다.
일반적으로, 태양 전지, 평판 디스플레이 및 발광 다이오드와 같은 광전자 장치는 광학 투명성과 전기 전도도를 위해 ITO(indium tin oxide)와 같은 투명 전극에 의존하고 있다.
이러한 ITO는 낮은 표면저항과 높은 광학 투명도로 인해 투명 전극에 가장 많이 사용되는 재료가 되었다. 그러나, ITO의 비용 분석에 따르면 기존의 유기태양광 발전장치를 제조하는 데 필요한 비용의 최대 80%가 ITO 제조 비용에서 소비되고 있다. 비용 외에도 최적의 전기 전도도와 취성을 달성하는 데 필요한 높은 처리 온도(최대 400℃)는 다양한 분야에 응용을 막는 주요 장애물로써, 대체 투명전극의 개발이 절실히 요구되고 있다.
태양광선은 빛의 파장에 따라 대략 150 ~ 380nm 파장대의 자외선과, 380 ~ 780nm 파장대의 가시광선과, 780 ~ 2,300nm 파장대의 적외선으로 구분된다. 적외선은 가시광선과 자외선에 비하여 강한 열작용을 가지고 있는 것이 특징이며, 태양이나 발열체로부터 공간에 전달되는 복사열은 주로 적외선에 의한 것이다.
태양전지와 대면적 평판 디스플레이와 같은 장치들은 옥외에 설치 시, 적외선에 의한 열적 현상에 의해 손상을 입을 수 있다. 차세대 투명전극은 높은 전기 전도도와 광학적 투명성 뿐만 아니라, 태양에 의한 손상을 방지하는 적외선 차단 효과까지 가질 수 있는 재료가 개발되어야 한다.
이러한 관점에서, 외부 환경에 대응하여 빛의 투과도가 조절되는 적외선 차단 기능을 접목한다면 환경적 측면 및 에너지의 경제적인 측면에서 기능적 대안이 될 것이다.
또한, 최근에는 스마트 윈도우를 기반으로 가시광선 조절기능 및 적외선 반사 특성을 이용하여 자동차, 버스, 항공기, 기차 등의 수송 분야를 비롯하여 주택인테리어 등의 건축 분야, 디스플레이반도체 등의 정보표시 분야 등 다양하게 응용되고 있다. 이러한 부분에 이용되기 위해서는 윈도우의 표면 전체에 전도성이 요구되고 있다. 아울러, 고유연성을 갖는 디스플레이 전극의 제조 기술이 요구되고 있다.
그러나, 현재의 스마트 윈도우 제작 기술은 적외선 차단 기능을 위한 코팅층, 전도성 투명전극을 위한 코팅층이 각각 제작되어 2개가 합쳐지고 있는 실정이다. 이러한 적외선 코팅층과 투명전극층을 통합하여 제작한다면 사용의 간편성이나 비용적인 면에서도 매우 유용할 것이다.
관련 선행 문헌으로는 대한민국 공개특허공보 제10-2011-0135767호(2011.12.19. 공개)가 있으며, 상기 문헌에는 무기산화물을 이용한 자외선 및 적외선 흡수차단필름과 그 제조방법이 기재되어 있다.
본 발명의 목적은 투명성, 유연성, 적외선 차단 기능 및 전도 기능이 하나의 통합된 층으로 형성됨으로써, 우수한 광학적 투명성 및 전기 전도성을 가질 수 있을 뿐만 아니라, 적외선을 차단하여 가시광선만을 통과시킬 수 있는 적외선 차단 기능을 갖는 고유연 투명전극 구조체 및 그 제조 방법을 제공하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 적외선 차단 기능을 갖는 고유연 투명전극 구조체는 기판의 적어도 일면 상에 배치되는 고유연 투명전극 구조체로서, 상기 기판의 일면과 인접한 하측에는 금속 나노와이어 및 탄소나노튜브의 혼합물이 배치되고, 상기 기판의 일면과 이격된 상측에는 전도성 고분자 및 적외선 차단제의 혼합물이 배치되는 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 기판은 투명 기판, 불투명 기판, 투명 유연성 기판 및 불투명 유연성 기판 중 어느 하나를 포함한다.
상기 금속 나노와이어는 Ag, Au, Cu, Ni, Pt 및 Al 중 1종 이상이 이용되며, 5 ~ 100nm의 평균 직경 및 5 ~ 50㎛의 평균 길이를 갖는다.
아울러, 상기 탄소나노튜브는 산성 용액에 산 처리된 것이 이용된다.
상기 전도성 고분자는 PEDOT:PSS (Poly(3,4-ethylenedioxythiophene)-poly(styrenesulfonate))인 것이 바람직하다.
상기 적외선 차단제는 10 ~ 500nm의 평균 직경을 갖는 나노 분말이 이용되며, 상기 전도성 고분자 100 중량부에 대하여, 2 ~ 15 중량부로 첨가된다.
여기서, 상기 금속 나노와이어 및 탄소나노튜브의 혼합물과 상기 고분자 및 적외선 차단제의 혼합물은 상호 간의 일부가 서로 혼합되어 있다.
상기 투명전극 구조체는 1 ~ 100㎛의 두께를 갖는다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 적외선 차단 기능을 갖는 고유연 투명전극 구조체 제조 방법은 (a) 금속 나노와이어를 용매에 분산시킨 금속 나노와이어 분산액과 탄소나노튜브를 용매에 분산시킨 탄소나노튜브 분산액을 혼합하여 제1 투명전극 혼합액을 형성하는 단계; (b) 전도성 고분자를 용매에 분산시킨 전도성 고분자 분산액과 적외선 차단제를 용매에 분산시킨 적외선 차단제 분산액을 혼합하여 제2 투명전극 혼합액을 형성하는 단계; (c) 상기 제1 투명전극 혼합액을 기판의 적어도 일면에 1차 코팅하여 제1 투명전극 박막층을 형성한 후, 건조하는 단계; 및 (d) 상기 기판 상에 배치된 제1 투명전극 박막층 상에 제2 투명전극 혼합액을 2차 코팅하여 제2 투명전극 박막층을 형성한 후, 상기 제1 및 제2 투명전극 박막층을 함께 어닐링 처리하여 투명전극 구조체를 형성하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 (a) 단계 및 (b) 단계에서, 상기 용매 각각은 아이소프로판올(IPA), 에탄올, 메탄올 및 순수(DI water) 중 선택된 1종 이상을 포함한다.
상기 (a) 단계에서, 상기 금속 나노와이어 분산액과 탄소나노튜브 분산액 간의 혼합 시, 30sec ~ 10min 동안 초음파 처리를 실시하는 것이 바람직하다.
아울러, 상기 (a) 단계에서, 상기 탄소나노튜브는 산성 용액에 10 ~ 90℃에서 1 ~ 48시간 동안 산 처리된 것이 이용된다.
상기 (c) 단계에서, 상기 1차 코팅시, 상기 기판 상에 도포된 제1 투명전극 혼합액을 스프레드 바를 이용한 바 코팅 방식으로 10 ~ 200nm의 두께로 제1 투명전극 박막층을 형성한다.
상기 (c) 단계에서, 상기 건조는 30 ~ 120℃에서 10 ~ 120분 동안 1차 건조하는 단계; 및 30 ~ 100℃에서 5 ~ 150시간 동안 안정화시키는 2차 건조하는 단계;를 포함한다.
또한, 상기 (d) 단계에서, 상기 2차 코팅은 10 ~ 5,000rpm의 속도로 1 ~ 10sec 동안 1차 스핀 코팅한 후, 20 ~ 10,000rpm의 속도로 10 ~ 60sec 동안 2차 스핀 코팅한다.
상기 (d) 단계에서, 상기 어닐링 처리는 25 ~ 180℃에서 1 ~ 30분 동안 실시한다.
상기 (d) 단계에서, 상기 투명전극 구조체는 상기 기판의 일면과 인접한 하측에는 금속 나노와이어 및 탄소나노튜브의 혼합물이 배치되고, 상기 기판의 일면과 이격된 상측에는 전도성 고분자 및 적외선 차단제의 혼합물이 배치된다.
본 발명에 따른 적외선 차단 기능을 갖는 고유연 투명전극 구조체 및 그 제조 방법은 1차적으로 금속 나노와이어 및 탄소나노튜브를 혼합하여 유연성이 극대화된 제1 투명 전극소재를 형성하고, 2차적으로 전도성 고분자(PEDOT:PSS)에 나노분말 형태의 적외선 차단제를 혼합하여, 금속 나노와이어 및 탄소나노튜브의 혼합물로 이루어진 제1 투명 전극소재의 부족한 전기 전도도를 보완해주는 제2 투명 전극소재를 형성함과 더불어, 적외선 차단제의 첨가로 적외선을 차단할 수 있는 투명전극 구조체를 제조한 것이다.
이 결과, 본 발명에 따른 적외선 차단 기능을 갖는 고유연 투명전극 구조체 및 그 제조 방법은 금속 나노와이어에 탄소나노튜브와 전도성 고분자(PEDOT:PSS)가 혼합되어 전기 전도성을 향상시킬 수 있음과 더불어, 적외선 차단제가 함께 혼합되는 것에 의해, 광전소자들의 열적 손상을 추가적으로 방지할 수 있게 된다.
이와 같이, 본 발명에 따른 적외선 차단 기능을 갖는 고유연 투명전극 구조체 및 그 제조 방법은 투명성, 유연성, 적외선 차단 기능 및 전도 기능이 하나의 통합된 층으로 형성됨으로써, 우수한 광학적 투명성 및 전기 전도성을 가질 수 있을 뿐만 아니라, 적외선을 차단하여 가시광선만을 통과시킬 수 있게 된다.
아울러, 본 발명에 따른 적외선 차단 기능을 갖는 고유연 투명전극 구조체 및 그 제조 방법은 투명성, 적외선 차단 및 전도성 기능이 통합된 투명필름으로 사용하는 것이 가능할 뿐만 아니라, 플렉시블한 특성을 갖는 유연성 기판 상에서 제조할 경우 적외선 차단 플렉시블 투명전극으로 사용하는 것이 가능해질 수 있다.
이 결과, 본 발명에 따른 적외선 차단 기능을 갖는 고유연 투명전극 구조체 및 그 제조 방법은 스마트 윈도우에 사용하여 자외선 차단특성, 가시광선 조절기능 및 적외선 반사 특성을 이용하여 자동차, 버스, 항공기, 기차 등의 수송 분야를 비롯하여 주택인테리어 등의 건축 분야, 디스플레이반도체 등의 정보표시 분야 등에 다양하게 응용하는 것이 가능하다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 적외선 차단 기능을 갖는 고유연 투명전극 구조체를 나타낸 단면도.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 적외선 차단 기능을 갖는 고유연 투명전극 구조체를 설명하기 위한 모식도.
도 3 및 도 4는 본 발명의 변형예들에 따른 적외선 차단 기능을 갖는 고유연 투명전극 구조체를 나타낸 단면도.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 적외선 차단 기능을 갖는 고유연 투명전극 구조체 제조 방법을 나타낸 공정 순서도.
도 6 내지 도 12는 본 발명의 실시예에 따른 적외선 차단 기능을 갖는 고유연 투명전극 구조체 제조 방법을 설명하기 위한 공정 모식도.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 적외선 차단 기능을 갖는 고유연 투명전극 구조체를 설명하기 위한 모식도.
도 3 및 도 4는 본 발명의 변형예들에 따른 적외선 차단 기능을 갖는 고유연 투명전극 구조체를 나타낸 단면도.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 적외선 차단 기능을 갖는 고유연 투명전극 구조체 제조 방법을 나타낸 공정 순서도.
도 6 내지 도 12는 본 발명의 실시예에 따른 적외선 차단 기능을 갖는 고유연 투명전극 구조체 제조 방법을 설명하기 위한 공정 모식도.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예를 참조하면 명확해질 것이다. 그러나, 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예는 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성요소를 지칭한다.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 적외선 차단 기능을 갖는 고유연 투명전극 구조체 및 그 제조 방법에 관하여 상세히 설명하면 다음과 같다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 적외선 차단 기능을 갖는 고유연 투명전극 구조체를 나타낸 단면도이고, 도 2는 본 발명의 실시예에 따른 적외선 차단 기능을 갖는 고유연 투명전극 구조체를 설명하기 위한 모식도이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 적외선 차단 기능을 갖는 고유연 투명전극 구조체(100)는 기판(10)의 일면(10a) 상에 배치되며, 금속 나노와이어(122) 및 탄소나노튜브(124)의 혼합물(120)과 전도성 고분자(142) 및 적외선 차단제(144)의 혼합물(140)을 포함한다.
여기서, 금속 나노와이어(122) 및 탄소나노튜브(124)의 혼합물(120)은 기판(10)의 일면(10a)과 인접한 하측에 배치된다.
여기서, 기판(10)은 투명 기판, 불투명 기판, 투명 유연성 기판 및 불투명 유연성 기판 중 어느 하나를 포함할 수 있다.
금속 나노와이어(122)는 전도성을 부여함과 더불어, 유연성을 향상시키기 위해 첨가된다. 이를 위해, 금속 나노와이어(122)는 전도성이 우수한 금속 재질을 이용하는 것이 바람직하다. 바람직하게, 금속 나노와이어(122)는 Ag, Au, Cu, Ni, Pt 및 Al 중 1종 이상의 재질이 이용되는 것이 좋다. 이러한 금속 나노와이어(122)는 5 ~ 100nm의 평균 직경 및 5 ~ 50㎛의 평균 길이를 갖는 것을 이용하는 것이 보다 바람직하다.
탄소나노튜브(124)는 유연성 및 강도를 향상시키기 위해 첨가된다. 탄소나노튜브(124)는 그래핀(graphene)면이라고 불리는 구조가 튜브 모양으로 감겨있는 구조를 가지고 있으며, 다층의 그래핀면으로 구성된 벽을 가지고 있는 경우 다층벽 탄소나노튜브, 단일층의 그래핀면으로 구성된 벽을 가지고 있는 경우 단일벽 탄소나노튜브(SWNT)라 불린다.
이때, 탄소나노튜브(124)는 5 ~ 50nm의 길이를 갖는 것을 이용하는 것이 바람직하다. 아울러, 탄소나노튜브(124)는 산성 용액에 산 처리된 것이 이용되는 것이 바람직한데, 이는 금속 나노와이어(122)와의 혼합시 분산성을 향상시키는 효과가 있기 때문이다. 이를 위해, 산 처리는 산성 용액, 보다 바람직하게는 질산 용액에 탄소나노튜브(124)를 침지시킨 상태에서, 10 ~ 90℃의 온도 조건에서 1 ~ 48시간 동안 실시하는 것이 바람직하고, 보다 바람직하게는 5 ~ 20시간 동안 실시하는 것이 좋다.
전도성 고분자(142) 및 적외선 차단제(144)의 혼합물(140)은 기판(10)의 일면(10a)과 이격된 상측에 배치된다. 즉, 전도성 고분자(142) 및 적외선 차단제(144)의 혼합물(140)은 금속 나노와이어(122) 및 탄소나노튜브(124)의 혼합물(120) 상측에 배치되어, 기판(10)의 일면(10a)과 이격되도록 위치한다.
전도성 고분자(142)는 금속 나노와이어(122) 및 탄소나노튜브(124)의 혼합물(120)의 부족한 전기 전도성을 보완하기 위해 첨가된다. 따라서, 전도성 고분자(142)는 전기 전도성이 우수한 고분자 물질을 이용하는 것이 바람직하다. 이를 위해, 전도성 고분자(142)로는 PEDOT:PSS (Poly(3,4-ethylenedioxythiophene)-poly(styrenesulfonate))를 이용하는 것이 바람직하다.
적외선 차단제(144)는 투명전극 구조체(100)의 내부에 균일하게 분산 배치되어, 기판(10)을 통과하는 빛 중 자외선 및 가시광선은 통과시키고, 적외선 만을 선택적으로 차단시키기 위해 첨가된다.
이러한 적외선 차단제(144)는 10 ~ 500nm의 평균 직경을 갖는 나노 분말이 이용된다. 적외선 차단제(144)로는 유기계 차단제(퀴논계, 프탈로시아닌계, 나프탈로시아닌계, 코발트착염계)나 무기계 차단제(ATO(Antimony Tin Oxide, Sb2O3-SnO2), ITO(Indium-Tin Oxide, In2O3-SnO2) 등에서 선택된 1종 이상이 이용될 수 있다.
이때, 적외선 차단제(144)는 전도성 고분자(142) 100 중량부에 대하여, 2 ~ 15 중량부로 첨가되는 것이 바람직하다. 적외선 차단제(144)의 첨가량이 전도성 고분자(142) 100 중량부에 대하여, 2 중량부 미만일 경우에는 그 첨가량이 미미하여 적외선 차단 효과를 제대로 발휘하는데 어려움이 따를 수 있다. 반대로, 적외선 차단제(144)의 첨가량이 전도성 고분자(142) 100 중량부에 대하여, 15 중량부를 초과할 경우에는 적외선 차단 효과를 크게 개선되는 것 없이 적외선 차단제(144)의 과도한 사용으로 인하여 전도성이 저하될 우려가 있으므로, 바람직하지 못하다.
본 발명의 실시예에 따른 적외선 차단 기능을 갖는 고유연 투명전극 구조체(100)는 금속 나노와이어(122) 및 탄소나노튜브(124)의 혼합물(120)과 전도성 고분자(142) 및 적외선 차단제(144)의 혼합물(140) 상호 간의 일부가 서로 혼합되어 있다.
이에 따라, 본 발명의 실시예에 따른 적외선 차단 기능을 갖는 고유연 투명전극 구조체(100)는 투명성, 유연성, 적외선 차단 기능 및 전도 기능이 하나의 통합된 층으로 이루어짐으로써, 우수한 광학적 투명성 및 전기 전도성을 가질 수 있을 뿐만 아니라, 적외선을 차단하여 자외선 및 가시광선만을 통과시킬 수 있게 된다.
아울러, 본 발명의 투명전극 구조체(100)는 1 ~ 100㎛의 두께를 갖는 것이 바람직하고, 보다 바람직한 범위로는 30 ~ 60㎛의 두께를 제시할 수 있다. 투명전극 구조체(100)의 두께가 1㎛ 미만일 경우에는 그 두께가 너무 얇아 적외선 차단 기능 및 전도 기능을 제대로 발휘하는데 어려움이 따를 수 있다. 반대로, 투명전극 구조체(100)의 두께가 100㎛를 초과할 경우에는 더 이상의 효과 상승 없이 도막 두께만을 증가시키는 요인으로 작용할 수 있으므로, 바람직하지 못하다.
한편, 도 3 및 도 4는 본 발명의 변형예들에 따른 적외선 차단 기능을 갖는 고유연 투명전극 구조체를 나타낸 단면도이다.
도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 변형예에 따른 적외선 차단 기능을 갖는 고유연 투명전극 구조체(100)는 기판(10)의 일면(10a) 및 타면(10b)에 각각 배치된다.
이와 같이, 본 발명의 일 변형예에 따른 적외선 차단 기능을 갖는 고유연 투명전극 구조체(100)는 기판(10)의 양면에 각각 배치되는 것에 의해, 적외선 차단 효과를 극대화할 수 있는 구조적인 이점을 발휘할 수 있게 된다.
아울러, 도 4에 도시된 바와 같이, 본 발명의 다른 변형예에 따른 적외선 차단 기능을 갖는 고유연 투명전극 구조체(100)는 플렉시블한 특성을 갖는 투명 유연성 기판(10) 또는 불투명 유연성 기판(10)의 적어도 일면(10a)에 형성된다.
이와 같이, 본 발명의 다른 변형예에 따른 적외선 차단 기능을 갖는 고유연 투명전극 구조체(100)는 플렉시블한 특성을 갖는 유연성 기판(10) 상에서 제조되는 것에 의해, 적외선 차단 플렉시블 투명전극으로 사용할 수 있게 된다.
전술한 본 발명의 실시예에 따른 적외선 차단 기능을 갖는 고유연 투명전극 구조체는 1차적으로 금속 나노와이어 및 탄소나노튜브를 혼합하여 유연성이 극대화된 제1 투명 전극소재를 형성하고, 2차적으로 전도성 고분자(PEDOT:PSS)에 나노분말 형태의 적외선 차단제를 혼합하여, 금속 나노와이어 및 탄소나노튜브의 혼합물로 이루어진 제1 투명 전극소재의 부족한 전기 전도도를 보완해주는 제2 투명 전극소재를 형성함과 더불어, 적외선 차단제의 첨가로 적외선을 차단할 수 있는 투명전극 구조체를 제조한 것이다.
이 결과, 본 발명의 실시예에 따른 적외선 차단 기능을 갖는 고유연 투명전극 구조체는 금속 나노와이어에 탄소나노튜브와 전도성 고분자(PEDOT:PSS)가 혼합되어 전기 전도성을 향상시킬 수 있음과 더불어, 적외선 차단제가 함께 혼합되는 것에 의해, 광전소자들의 열적 손상을 추가적으로 방지할 수 있게 된다.
이와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 적외선 차단 기능을 갖는 고유연 투명전극 구조체는 투명성, 유연성, 적외선 차단 기능 및 전도 기능이 하나의 통합된 층으로 형성됨으로써, 우수한 광학적 투명성 및 전기 전도성을 가질 수 있을 뿐만 아니라, 적외선을 차단하여 가시광선만을 통과시킬 수 있게 된다.
아울러, 본 발명의 실시예에 따른 적외선 차단 기능을 갖는 고유연 투명전극 구조체는 투명성, 적외선 차단 및 전도성 기능이 통합된 투명필름으로 사용하는 것이 가능할 뿐만 아니라, 플렉시블한 특성을 갖는 유연성 기판 상에서 제조할 경우 적외선 차단 플렉시블 투명전극으로 사용하는 것이 가능해질 수 있다.
이 결과, 본 발명의 실시예에 따른 적외선 차단 기능을 갖는 고유연 투명전극 구조체는 스마트 윈도우에 사용하여 자외선 차단특성, 가시광선 조절기능 및 적외선 반사 특성을 이용하여 자동차, 버스, 항공기, 기차 등의 수송 분야를 비롯하여 주택인테리어 등의 건축 분야, 디스플레이반도체 등의 정보표시 분야 등에 다양하게 응용하는 것이 가능하다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 적외선 차단 기능을 갖는 고유연 투명전극 구조체 제조 방법에 대하여 설명하도록 한다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 적외선 차단 기능을 갖는 고유연 투명전극 구조체 제조 방법을 나타낸 공정 순서도이고, 도 6 내지 도 12는 본 발명의 실시예에 따른 적외선 차단 기능을 갖는 고유연 투명전극 구조체 제조 방법을 설명하기 위한 공정 모식도이다. 여기서, 도 8은 1차 코팅 과정을 설명하기 위한 모식도이고, 도 9는 도 8의 A 부분을 확대하여 나타낸 도면이며, 도 10은 2차 코팅 과정을 설명하기 위한 모식도이다.
도 5에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 적외선 차단 기능을 갖는 고유연 투명전극 구조체 제조 방법은 제1 투명전극 혼합액 형성 단계(S110), 제2 투명전극 혼합액 형성 단계(S120), 1차 코팅 단계(S130) 및 2차 코팅 단계(S140)를 포함한다.
제1 투명전극 혼합액 형성
도 5 및 도 6에 도시된 바와 같이, 제1 투명전극 혼합액 형성 단계(S110)에서는 금속 나노와이어(122)를 용매(50)에 분산시킨 금속 나노와이어 분산액(123)과 탄소나노튜브(124)를 용매(50)에 분산시킨 탄소나노튜브 분산액(125)을 혼합하여 제1 투명전극 혼합액(127)을 형성한다.
즉, 본 단계에서는 제1 혼합 용기(20) 내에 채워진 금속 나노와이어 분산액(123)과 제2 혼합 용기(30) 내에 채워진 탄소나노튜브 분산액(125)을 제3 혼합 용기(40) 내에 각각 투입하고 교반하여 제1 투명전극 혼합액(127)을 형성하게 된다.
여기서, 금속 나노와이어(122)는 Ag, Au, Cu, Ni, Pt 및 Al 중 1종 이상의 재질이 이용되는 것이 좋다. 이러한 금속 나노와이어(122)는 5 ~ 100nm의 평균 직경 및 5 ~ 50㎛의 평균 길이를 갖는 것을 이용하는 것이 보다 바람직하다.
아울러, 탄소나노튜브(124)는 5 ~ 50nm의 길이를 갖는 것을 이용하는 것이 바람직하다. 탄소나노튜브(124)는 산성 용액에 산 처리된 것이 이용되는 것이 바람직한데, 이는 금속 나노와이어(122)와의 혼합시 분산성을 향상시키는 효과가 있기 때문이다. 이를 위해, 산 처리는 질산 용액에 탄소나노튜브(124)를 침지시킨 상태에서, 10 ~ 90℃의 온도 조건에서 1 ~ 48시간 동안 실시하는 것이 보다 바람직하다.
또한, 금속 나노와이어 분산액(123)과 탄소나노튜브 분산액(125) 간의 혼합 시, 30sec ~ 10min 동안 초음파 처리를 실시하는 것이 보다 바람직하다. 여기서, 초음파 처리는 30 ~ 40kHz 및 120 ~ 200W의 출력 전력 조건으로 실시할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 이러한 초음파 처리를 실시하게 되면, 금속 나노와이어 분산액(123)과 탄소나노튜브 분산액(125) 간의 분산 효율을 극대화할 수 있게 된다. 만일, 초음파 처리 시간이 30sec 미만일 경우에는 분산 효율 향상 효과가 미미할 수 있다. 반대로, 초음파 처리 시간이 10min을 초과할 경우에는 금속 나노와이어(122)가 손상될 우려가 있으므로, 바람직하지 못하다.
본 단계에서, 금속 나노와이어 분산액(123) 및 탄소나노튜브 분산액(125)의 용매(50) 각각은 아이소프로판올(IPA), 에탄올, 메탄올 및 순수(DI water) 중 선택된 1종 이상이 이용될 수 있다.
제2 투명전극 혼합액 형성
도 5 및 도 7에 도시된 바와 같이, 제2 투명전극 혼합액 형성 단계(S120)에서는 전도성 고분자(142)를 용매(50)에 분산시킨 전도성 고분자 분산액(143)과 적외선 차단제(144)를 용매(50)에 분산시킨 적외선 차단제 분산액(145)을 혼합하여 제2 투명전극 혼합액(147)을 형성한다.
즉, 본 단계에서는 제4 혼합 용기(60) 내에 채워진 전도성 고분자 분산액(143)과 제5 혼합 용기(70) 내에 채워진 적외선 차단제 분산액(145)을 제6 혼합 용기(80) 내에 각각 투입하고 교반하여 제2 투명전극 혼합액(147)을 형성하게 된다.
여기서, 전도성 고분자(142)는 제1 투명전극 혼합액(도 6의 127)의 부족한 전기 전도성을 보완하기 위해 첨가된다. 따라서, 전도성 고분자(142)는 전기 전도성이 우수한 고분자 물질을 이용하는 것이 바람직하다. 이를 위해, 전도성 고분자(142)로는 PEDOT:PSS (Poly(3,4-ethylenedioxythiophene)-poly(styrenesulfonate))를 이용하는 것이 바람직하다.
적외선 차단제(144)는 10 ~ 500nm의 평균 직경을 갖는 나노 분말을 이용하는 것이 바람직하다. 적외선 차단제(144)로는 유기계 차단제(퀴논계, 프탈로시아닌계, 나프탈로시아닌계, 코발트착염계)나 무기계 차단제(ATO(Antimony Tin Oxide, Sb2O3-SnO2), ITO(Indium-Tin Oxide, In2O3-SnO2) 등에서 선택된 1종 이상이 이용될 수 있다.
본 단계에서, 전도성 고분자 분산액(143) 및 적외선 차단제 분산액(145)의 용매(50) 각각은 아이소프로판올(IPA), 에탄올, 메탄올 및 순수(DI water) 중 선택된 1종 이상을 포함할 수 있다.
1차 코팅
도 5, 도 8 및 도 9에 도시된 바와 같이, 1차 코팅 단계(S130)에서는 제1 투명전극 혼합액(127)을 기판(10)의 적어도 일면에 1차 코팅하여 제1 투명전극 박막층(129)을 형성한 후, 건조한다.
이러한 1차 코팅시, 기판(10) 상에 도포된 제1 투명전극 혼합액(127)을 스프레드 바(200)를 이용한 바 코팅 방식으로 10 ~ 200nm의 두께로 제1 투명전극 박막층(129)을 형성한다.
이러한 스프레드 바(200)에 의해 제1 투명전극 혼합액(127)은 기판(10)의 일면에 10 ~ 200nm로 매우 얇게 균일한 두께로 형성될 수 있게 된다.
본 단계에서, 건조는 30 ~ 120℃에서 10 ~ 120분 동안 1차 건조하는 단계와, 30 ~ 100℃에서 5 ~ 150시간 동안 안정화시키는 2차 건조하는 단계를 포함할 수 있다. 이때, 2차 건조는 안정화를 시켜주기 위해 실시하는 것으로, 필요에 따라 생략하는 것도 가능하다. 따라서, 건조는 1차 건조 단계만 수행될 수도 있으나, 도막의 안정화를 위해서는 1차 및 2차 건조 단계를 병행하는 것이 보다 바람직하다.
2차 코팅
도 5, 도 10, 도 11 및 도 12에 도시된 바와 같이, 2차 코팅 단계(S140)에서는 기판(10) 상에 배치된 제1 투명전극 박막층(129) 상에 제2 투명전극 혼합액(147)을 2차 코팅하여 제2 투명전극 박막층(미도시)을 형성한 후, 제1 및 제2 투명전극 박막층을 함께 어닐링 처리하여 투명전극 구조체(100)를 형성한다.
본 단계에서, 2차 코팅은 기판(10)을 지지하는 지지 플레이트(310) 및 지지 플레이트(310)를 회전시키는 스핀들(320)을 갖는 스핀 코팅 장치(300)를 이용할 수 있다. 즉, 2차 코팅은 지지 플레이트(310) 상에 장착된 기판(10) 및 제1 투명전극 박막층(129) 상에 제2 투명전극 혼합액(147)을 적하한 후, 스핀 코팅 방식으로 2차 코팅하여 제2 투명전극 박막층을 형성하게 된다.
이때, 2차 코팅은 10 ~ 5,000rpm의 속도로 1 ~ 10sec 동안 1차 스핀 코팅한 후, 20 ~ 10,000rpm의 속도로 10 ~ 60sec 동안 2차 스핀 코팅하는 것이 바람직하다.
아울러, 어닐링 처리는 25 ~ 180℃에서 1 ~ 30분 동안 실시하는 것이 바람직하고, 보다 바람직하게는 100 ~ 150℃에서 5 ~ 15분 동안 실시하는 것이 좋다.
이러한 어닐링 처리에 의해, 1 및 제2 투명전극 박막층이 용융되면서 상호 간이 혼합되게 된다.
이 결과, 투명전극 구조체(100)는 기판(10)의 일면(10a)과 인접한 하측에는 금속 나노와이어(122) 및 탄소나노튜브(124)의 혼합물(120)이 배치되고, 기판(10)의 일면(10a)과 이격된 상측에는 전도성 고분자(142) 및 적외선 차단제(144)의 혼합물(140)이 배치된다. 이때, 금속 나노와이어(122) 및 탄소나노튜브(124)의 혼합물(120)과 전도성 고분자(142) 및 적외선 차단제(144)의 혼합물(140)은 상호 간의 일부가 서로 혼합된다.
이상으로, 본 발명의 실시예에 따른 적외선 차단 기능을 갖는 고유연 투명전극 구조체 제조 방법이 종료될 수 있다.
이상에서는 본 발명의 실시예를 중심으로 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 기술자의 수준에서 다양한 변경이나 변형을 가할 수 있다. 이러한 변경과 변형은 본 발명이 제공하는 기술 사상의 범위를 벗어나지 않는 한 본 발명에 속한다고 할 수 있다. 따라서 본 발명의 권리범위는 이하에 기재되는 청구범위에 의해 판단되어야 할 것이다.
100 : 고유연 투명전극 구조체
120 : 금속 나노와이어 및 탄소나노튜브의 혼합물
122 : 금속 나노와이어
124 : 탄소나노튜브
140 : 전도성 고분자 및 적외선 차단제의 혼합물
142 : 전도성 고분자
144 : 적외선 차단제
S110 : 제1 투명전극 혼합액 형성 단계
S120 : 제2 투명전극 혼합액 형성 단계
S130 : 1차 코팅 단계
S140 : 2차 코팅 단계
120 : 금속 나노와이어 및 탄소나노튜브의 혼합물
122 : 금속 나노와이어
124 : 탄소나노튜브
140 : 전도성 고분자 및 적외선 차단제의 혼합물
142 : 전도성 고분자
144 : 적외선 차단제
S110 : 제1 투명전극 혼합액 형성 단계
S120 : 제2 투명전극 혼합액 형성 단계
S130 : 1차 코팅 단계
S140 : 2차 코팅 단계
Claims (17)
- 기판의 적어도 일면 상에 배치되는 고유연 투명전극 구조체로서,
상기 기판의 일면과 인접한 하측에는 금속 나노와이어 및 탄소나노튜브의 혼합물이 배치되고,
상기 기판의 일면과 이격된 상측에는 전도성 고분자 및 적외선 차단제의 혼합물이 배치되며,
상기 금속 나노와이어 및 탄소나노튜브의 혼합물과 전도성 고분자 및 적외선 차단제의 혼합물 상호 간의 일부가 서로 혼합되어 있고,
상기 탄소나노튜브는 5 ~ 50nm의 길이를 가지며, 상기 탄소나노튜브는 질산 용액에 10 ~ 90℃의 온도 조건에서 5 ~ 20시간 동안 산 처리된 것이 이용되고,
상기 적외선 차단제는 10 ~ 500nm의 평균 직경을 갖는 나노 분말이 이용되며, 상기 전도성 고분자 100 중량부에 대하여, 2 ~ 15 중량부로 첨가되고,
상기 투명전극 구조체는 30 ~ 60㎛의 두께를 갖는 것을 특징으로 하는 적외선 차단 기능을 갖는 고유연 투명전극 구조체.
- 제1항에 있어서,
상기 기판은
투명 기판, 불투명 기판, 투명 유연성 기판 및 불투명 유연성 기판 중 어느 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 적외선 차단 기능을 갖는 고유연 투명전극 구조체.
- 제1항에 있어서,
상기 금속 나노와이어는
Ag, Au, Cu, Ni, Pt 및 Al 중 1종 이상이 이용되며, 5 ~ 100nm의 평균 직경 및 5 ~ 50㎛의 평균 길이를 갖는 것을 특징으로 하는 적외선 차단 기능을 갖는 고유연 투명전극 구조체.
- 삭제
- 제1항에 있어서,
상기 전도성 고분자는
PEDOT:PSS (Poly(3,4-ethylenedioxythiophene)-poly(styrenesulfonate))인 것을 특징으로 하는 적외선 차단 기능을 갖는 고유연 투명전극 구조체.
- 삭제
- 삭제
- 삭제
- (a) 금속 나노와이어를 용매에 분산시킨 금속 나노와이어 분산액과 탄소나노튜브를 용매에 분산시킨 탄소나노튜브 분산액을 혼합하여 제1 투명전극 혼합액을 형성하는 단계;
(b) 전도성 고분자를 용매에 분산시킨 전도성 고분자 분산액과 적외선 차단제를 용매에 분산시킨 적외선 차단제 분산액을 혼합하여 제2 투명전극 혼합액을 형성하는 단계;
(c) 상기 제1 투명전극 혼합액을 기판의 적어도 일면에 1차 코팅하여 제1 투명전극 박막층을 형성한 후, 건조하는 단계; 및
(d) 상기 기판 상에 배치된 제1 투명전극 박막층 상에 제2 투명전극 혼합액을 2차 코팅하여 제2 투명전극 박막층을 형성한 후, 상기 제1 및 제2 투명전극 박막층을 함께 어닐링 처리하여 투명전극 구조체를 형성하는 단계;를 포함하며,
상기 (a) 단계에서, 상기 탄소나노튜브는 5 ~ 50nm의 길이를 가지며, 상기 탄소나노튜브는 질산 용액에 10 ~ 90℃에서 5 ~ 20시간 동안 산 처리된 것이 이용되고,
상기 (d) 단계에서, 상기 투명전극 구조체는 상기 기판의 일면과 인접한 하측에는 금속 나노와이어 및 탄소나노튜브의 혼합물이 배치되고, 상기 기판의 일면과 이격된 상측에는 전도성 고분자 및 적외선 차단제의 혼합물이 배치되며,
상기 금속 나노와이어 및 탄소나노튜브의 혼합물과 전도성 고분자 및 적외선 차단제의 혼합물 상호 간의 일부가 서로 혼합되어 있고,
상기 적외선 차단제는 10 ~ 500nm의 평균 직경을 갖는 나노 분말이 이용되며, 상기 전도성 고분자 100 중량부에 대하여, 2 ~ 15 중량부로 첨가되고,
상기 투명전극 구조체는 30 ~ 60㎛의 두께를 갖는 것을 특징으로 하는 적외선 차단 기능을 갖는 고유연 투명전극 구조체 제조 방법.
- 제9항에 있어서,
상기 (a) 단계 및 (b) 단계에서,
상기 용매 각각은
아이소프로판올(IPA), 에탄올, 메탄올 및 순수(DI water) 중 선택된 1종 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 적외선 차단 기능을 갖는 고유연 투명전극 구조체 제조 방법.
- 제9항에 있어서,
상기 (a) 단계에서,
상기 금속 나노와이어 분산액과 탄소나노튜브 분산액 간의 혼합 시,
30sec ~ 10min 동안 초음파 처리를 실시하는 것을 특징으로 하는 적외선 차단 기능을 갖는 고유연 투명전극 구조체 제조 방법.
- 삭제
- 제9항에 있어서,
상기 (c) 단계에서,
상기 1차 코팅시,
상기 기판 상에 도포된 제1 투명전극 혼합액을 스프레드 바를 이용한 바 코팅 방식으로 10 ~ 200nm의 두께로 제1 투명전극 박막층을 형성하는 것을 특징으로 하는 적외선 차단 기능을 갖는 고유연 투명전극 구조체 제조 방법.
- 제9항에 있어서,
상기 (c) 단계에서,
상기 건조는
30 ~ 120℃에서 10 ~ 120분 동안 1차 건조하는 단계; 및
30 ~ 100℃에서 5 ~ 150시간 동안 안정화시키는 2차 건조하는 단계;
를 포함하는 것을 특징으로 하는 적외선 차단 기능을 갖는 고유연 투명전극 구조체 제조 방법.
- 제9항에 있어서,
상기 (d) 단계에서,
상기 2차 코팅은
10 ~ 5,000rpm의 속도로 1 ~ 10sec 동안 1차 스핀 코팅한 후, 20 ~ 10,000rpm의 속도로 10 ~ 60sec 동안 2차 스핀 코팅하는 것을 특징으로 하는 적외선 차단 기능을 갖는 고유연 투명전극 구조체 제조 방법.
- 제9항에 있어서,
상기 (d) 단계에서,
상기 어닐링 처리는
25 ~ 180℃에서 1 ~ 30분 동안 실시하는 것을 특징으로 하는 적외선 차단 기능을 갖는 고유연 투명전극 구조체 제조 방법.
- 삭제
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