KR20050037180A

KR20050037180A - 카본나노튜브가 첨가된 카본 페이스트 조성물 및 이를이용한 후막 전계발광 소자의 제조방법

Info

Publication number: KR20050037180A
Application number: KR1020030072628A
Authority: KR
Inventors: 박이순; 백정주; 박진우; 정윤철; 김대용
Original assignee: 희성정밀 주식회사; (주)매트릭스; 박이순
Priority date: 2003-10-17
Filing date: 2003-10-17
Publication date: 2005-04-21
Also published as: KR100571545B1

Abstract

본 발명은 카본나노튜브가 첨가된 카본 페이스트 조성물 및 이를 이용한 후막 전계발광 소자의 제조방법에 관한 것으로서, 본 발명의 카본 페이스트 조성물은 카본 블랙 및 카본나노튜브를 포함한 전도성 카본 분말을 전체 중량 대비 5 내지 15중량%로 함유하고, 바인더고분자로서 폴리 공중합체를 5 내지 15중량%로 함유하며, 용매로는 멘탄올을 60 내지 70중량% 함유하는 한편, 이외에 첨가제를 배합하여 페이스트(paste) 형태로 이루어진다. 여기에, 첨가제로서 전체 중량 대비 5 내지 10중량%의 분산제가 함유되기도 한다. 그리고, 전술한 전도성 카본 분말은 카본 블랙과 카본나노튜브의 중량비를 7:3으로 배합하는 것을 특징으로 하며, 이러한 조성물의 점도는 30,000 내지 90,000 cps인 것을 특징으로 한다.

따라서, 본 발명에 따르면 층간 접착력을 향상시킴과 아울러 카본전극층의 전기저항을 낮추어 발광효율 및 휘도가 개선된 후막 전계발광 소자를 제조할 수 있는 효과가 있다.

Description

카본나노튜브가 첨가된 카본 페이스트 조성물 및 이를 이용한 후막 전계발광 소자의 제조방법{Carbon paste composite of conducting carbon nano tube and making method of flexible film type Inorganic electroluminescence device using of}

본 발명은 후막형 전계발광 소자의 제조에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 전계발광 소자를 이루는 카본전극층의 제조 공정시 필요한 카본 페이스트에 카본나노튜브를 배합하여 최적화함으로써 카본전극층의 전기 저항을 낮추고 후막형 전계발광 소자의 휘도를 향상시킬 수 있도록 된 카본 나노 튜브(carbon nano tube)가 첨가된 카본 페이스트 조성물 및 이를 이용한 후막 전계발광 소자의 제조방법에 관한 것이다.

일반적으로, 전계발광소자(Eelctroluminescence Devices: 이하, EL로 칭함)는 형광성 화합물에 전기장을 가해 발광시키는 소자로서, 발광재료에 따라 무기 EL소자 및 유기 EL소자로 구분된다. 그리고, 무기 EL소자는 박막의 두께와 구동방식에 따라 세분화되어 교류 박막 EL, 교류 후막 EL, 전류 후막 EL 등으로 분류되고, 유기 EL소자는 발광층의 유기물질에 다라 저분자 유기 EL과 고분자 유기 EL로 분류된다. 무기 EL소자의 경우는 높은 전기장에 의하여 가속된 전자의 충돌에 의하여 발광하게 되고, 유기 EL소자는 상하 양단 전극에 외부로부터 전자와 정공을 인가하여 절연층 사이에 강한 전기장을 형성함으로써 전자와 정공의 재결합 에너지에 의하여 발광하게 된다.

본 발명에 따른 후막 EL소자는 반도체 제조 공정의 프린팅법으로 제조되는 바, 일반적으로 ITO가 코팅된 PET필름 위에 형광막 및 유전막을 도포하여 형광체층 및 유전체층을 형성하고 전도성 카본 페이스트(paste)를 이용한 카본전극층을 스크린 프린팅(Screen Printing)법으로 후막 인쇄하고 건조한 후, 같은 방법으로 실버전극을 이용한 실버전극층을 형성함으로써 제작된다. 전술한 스크린 프린팅법은 패터닝된 스크린을 일정 간격을 유지하여 유리기판 위에 놓고 층 사이에 이들을 접착하기 위한 페이스트(paste)를 압착, 전사시켜 원하는 형상을 기판에 인쇄하는 방식으로, 이를 이용한 후막 EL소자는 각 층에 대응되는 형광체 페이스트, 유전체 페이스트, 카본 페이스트, 및 실버 페이스트가 필요하다.

이와 같이 제조되는 종래의 후막 EL소자는 전계방출원으로서 카본 페이스트 및 실버 페이스트를 이용하므로 카본 및 실버 페이스트의 조성물 및 스크린 프린팅의 공정 조성이 후막 EL소자의 발광특성에 큰 영향을 미치게 된다.

그런데, 종래의 후막 EL소자는 제조시 높은 온도로 소성되면 전계방출층인 카본전극층(4)의 전기 저항이 높아지고 상대적으로 전기전도성이 떨어지게 되어 많은 양의 전계가 손실되게 되므로 전계 방출층으로 부적합한 문제점이 있으며, 더욱이 화학적 안정성이 떨어지고 고휘도가 낮아지게 되는 큰 문제점이 있다.

본 발명은 전술한 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 카본전극층의 후막공정에 필요한 카본 페이스트에 카본나노튜브를 배합하여 최적화함으로써 도포 특성이 우수하고 층간 접착력을 항상시켜 후막 EL소자의 발광효율과 휘도를 높이는 동시에 사용 수명을 향상시키도록 조성된 카본나노튜브가 첨가된 카본 페이스트 조성물을 제공하는데 그 목적이 있다.

또한, 본 발명의 다른 목적은 전술한 카본 페이스트 조성물을 이용하여 후막 EL소자를 제조하는 제조방법을 제공하는데 있다.

또한, 본 발명의 또다른 목적은 전술한 카본 페이스트 조성물을 이용하여 발광효율이 뛰어나고 고휘도이며 사용수명이 연장되도록 제조된 후막 EL소자를 제공하는데 있다.

전술한 목적들을 달성하기 위한 본 발명의 카본나노튜브가 첨가된 카본 페이스트 조성물은 카본 블랙 및 카본나노튜브를 포함한 전도성 카본 분말을 전체 중량 대비 5 내지 15중량%로 함유하고, 바인더고분자로서 폴리 공중합체를 5 내지 15중량%로 함유하며, 용매로는 멘탄올을 60 내지 70중량% 함유하는 한편, 이외에 첨가제를 배합하여 페이스트(paste) 형태로 이루어진다. 여기에, 상기 첨가제로서 전체 중량 대비 5 내지 10중량%의 분산제가 함유될 수 있다.

그리고, 상기 전도성 카본 분말은 상기 카본 블랙과 카본나노튜브의 중량비를 7:3으로 배합하는 것을 특징으로 하며, 상기 조성물의 점도는 30,000 내지 90,000 cps인 것을 특징으로 한다.

한편, 카본 페이스트 조성물을 이용한 후막 전계발광 소자의 제조방법은, ITO가 코팅된 PET필름 위에 페이스트(paste) 형태의 형광체와, 절연체, 카본전극, 실버전극을 순차적으로 스크린 인쇄하여 형광체층, 절연체층, 카본전극층, 실버전극층을 형성하는 후막 전계발광 소자의 제조 방법에 있어서, 상기 카본전극층은 도전성 카본 블랙과 카본나노튜브를 배합하여 전도성 카본 분말을 형성하는 제1단계;와, 상기 전도성 카본 분말에 용매와 아크릴계 바인더 고분자를 혼합한 고분자용액을 첨가한 다음, 90분 내지 120분 동안 분산시켜 페이스트(paste)의 형태로 조성물을 제조하는 제2단계; 상기 조성물을 상기 유전체층 위에 스크린 프린팅법으로 후막 인쇄하는 제3단계; 및 상기 인쇄된 조성물을 상온에서 10분 내지 15분간 레벨링 과정을 거친 후, 80 내지 100℃ 에서 10분 내지 20분동안 건조하는 제4단계를 포함하여 형성되는 것을 특징으로 한다. 여기에, 상기 전도성 카본 분말에 분산제를 첨가하여 혼합하는 단계와, 상기 분산제가 상기 전도성 카본 분말의 표면에 흡착되도록 상온에서 2시간동안 교반하는 단계가 상기 제1단계에 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

그리고, 상기 제1단계에서는 상기 도전성 카본 블랙과 카본나노튜브를 7:3 중량비로 배합하는 것을 특징으로 하며, 상기 제4단계를 거쳐 건조된 조성물의 두께는 10 내지 20㎛인 것을 특징으로 한다.

이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 카본나노튜브가 첨가된 카본 페이스트 조성물 및 이를 이용한 후막 전계발광 소자의 제조방법에 대한 바람직한 실시예를 설명하기로 한다.

도 1은 일반적인 후막 EL소자의 전체 구조를 개략적으로 나타낸 단면도이고, 도 2는 본 발명에 따른 후막 EL소자의 제조공정을 나타낸 도면이다.

도 1에 도시된 바와 같이 본 발명에 따른 후막 EL소자 또는 후막 EL시트(sheet; 후막EL을 응용한 페이퍼 형태의 평면광원을 일컫음)는 ITO(Indium Tin Oxide)가 코팅된 최하단의 폴리에스터(polyester: 이하, PET라 칭함) 필름(1)과, PET 필름(1) 상면에 폴리아닐린(polyaniline), 은(Au)과 같이 높은 일함수 금속으로 구성되어 형성되는 형광체층(2), 유전체층(3), 카본(carbon)전극층(4), 및 실버(silver) 전극층(5)이 적층되는 구조로 되어 있다. 그리고, PET 필름(1)과는 양(+)으로 접속되고 실버전극층(5)과는 음(-)으로 접속되는 전원으로 구성되어, 적층 구조의 맨 위층 및 아래층에 존재하는 상하의 전극층으로부터 높은 전기장이 인가되면 가속된 전자가 ZnS 또는 SrS 등으로 이루어지는 형광체층(2)에 충돌함으로써 발광하게 된다. 이때, 발광강도는 적용되는 전압, 주파수에 비례하여 증가한다.

전술한 바와 같은 구조는 ITO가 코팅된 PET필름(1) 위에 형광막 및 유전막을 도포하여 형광체층(2) 및 유전체층(3)을 형성하고 전도성 카본 페이스트(paste)를 이용한 카본전극층(4)을 스크린 프린팅(Screen Printing)법으로 후막 인쇄하여 건조한 후, 같은 방법으로 실버전극을 이용한 실버전극층(5)을 형성함으로써 제작된 것이다. 이때, 스크린 프린팅법을 이용한 각 층간 접착력을 향상시키도록 각 층에 형광체 페이스트와, 유전체 페이스트, 카본 페이스트, 및 실버 페이스트를 필요로 한다.

본 발명에 따른 카본 페이스트는 전도성 카본 분말 이외에 전도성이 우수하고 종횡비(Aspect Ratio)가 큰 카본나노튜브(Carbon Nano Tube)를 배합하여 이루어진 조성물로서, 이를 이요한 후막 EL소자의 제조 공정은 도 2에 도시된 바와 같이 ITO가 코팅된 PET필름(1)을 세척하는 제1공정(S1)과, 형광체층(2)을 인쇄하는 제2공정(S2), 유전체층(3)을 인쇄하는 제3공정(S3), 카본전극층(4)을 인쇄하는 제4공정(S4), 실버전극층(5)을 인쇄하는 제5공정(S5), 금속터미널을 부착하는 제6공정(S6), 후면 보호코팅을 하는 제7공정(S7)으로 이루어진다.

[제1공정]

핀홀 및 불순물 이온을 제거하여 후막 EL소자의 안정성을 유지하도록 ITO가 코팅된 PET필름을 세척하는 공정(S1)이다.

ITO가 코팅된 PET필름(1)을 아세톤에 담그고 5분간 초음파 세척기로 세척한 다음, 메탄올에 담궈 초음파 세척기로 1~2분간 세척한 후, 마지막으로 다시 아세톤에 담근 후 초음파 세척기로 1~2분간 세척한다. 이와 같이 세척된 PET필름(1)을 불활성 질소가스로 건조시켜 수분을 제거한 후 60℃ 온도에서 10분간 건조한다.

[제2공정]

제1공정(S1)을 거친 PET필름(1) 위에 스크린 프린팅(screen printing)법으로 형광체층(2)을 형성하는 공정(S2)이다. 이를 위한 형광체 페이스트는 형광체 분말과 접착성을 부여할 수 있는 아크릴계 바인더고분자(Binder polymer) 및 용매를 포함한 조성물로서, 전술한 형광체 분말은 ZnS:Cu:Mn으로 구성된 녹색 형광체이고, 아크릴계 바인더고분자는 이소부틸메타크릴레이트(Isobutyl methacrylate)와 메타크릴릭엑시드(Methacrylic acid)를 라디칼 중합한 폴리(poly)공중합체(Isobutyl methacrylate-co-methacrylic acid)이며, 용매는 트리메톡시트리메틸부탄올(3-methoxy-3-methylbutanol(3MMB))이다. 여기에, 첨가제로서 형광체 분말을 바인더고분자와 용매로 구성된 고분자 용액(비히클(Vehicle))내에 효과적으로 분산시키도록 유도하는 분산제를 배합할 수 있다.

a) 형광체 페이스트 제조과정

먼저, 형광체 페이스트의 전체 중량에 대하여 60~70중량% 함량의 형광체분말과 고형분 대비 0.2~0.5중량%의 분산제를 혼합하여 분산제가 형광체 분말의 표면에 충분히 흡착되도록 실온에서 기계적 교반기로 2시간 이상 교반한 후, 전체 중량 대비 20~25중량%의 용매와 5~10중량%의 아크릴계 바인더고분자가 용해된 비히클을 첨가하여 3 본밀(3 roll mill)로 90~120분동안 분산시킨다. 이와 같이 제조된 형광체 페이스트의 점도는 20,000~30,000cps 인 것이 바람직하다.

b) 스크린 프린팅을 이용한 형광체층 형성과정

전술한 (a)과정을 거쳐 제조된 형광체 페이스트를 제1공정(S1)에서 마련된 ITO가 코팅된 PET필름(1) 위에 스크린 인쇄하고, 상온에서 10~15분간의 레벨링(Leveling) 과정을 거쳐 80~100℃ 온도에서 10~20분간 건조하는 과정을 3회 반복한다.

이러한 과정을 통한 형광체층(2)은 건조된 두께가 50~60㎛ 정도 형성되는 것이 바람직하다.

[제3공정]

제2공정(S2)에서 제조된 형광체층(2) 위에 스크린 프린팅법으로 유전체층(3)을 형성하는 공정(S3)이다. 이를 위한 유전체 페이스트는 유전체분말로서 BaTiO₃와, 접착성을 부여할 수 있는 바인더고분자로서는 압전성 고분자인 폴리비닐리덴다이플루오라이드(Polyvinylidenediflurode; 분자량 Mw = 530,000), 및 용매로서 싸이클로핵사논(Cyclohexanone)를 각각 전체 중량 대비 40~50 중량%, 5~10 중량% ,40~50 중량% 으로 배합하여 이루어진 조성물이다. 여기에 첨가제로서 분산제를 고형분 대비 0.1~0.2 중량% 정도로 첨가할 수 있다.

a) 유전체 페이스트 제조과정

전체 중량 대비 40~50중량%의 용매와 40~50중량%의 유전체분말 및 고형분 대비 0.1~0.2 중량%의 분산제를 혼합하여 분산제가 유전체분말의 표면에 충분히 흡착되도록 실온에서 2시간 이상 교반한 후, 구비된 5~10 중량%의 싸이클로핵사논에 용해된 바인더고분자 용액을 첨가하여 3 본밀(3 roll mill)로 90~120분 동안 분산시킨다.

b) 스크린 프린팅을 이용한 유전체층 형성과정

전술한 (a)과정을 거쳐 제조된 유전체 페이스트를 제2공정(S2)에서 마련된 형광체층(2) 위에 스크린 인쇄하고, 상온에서 10~15분간의 레벨링 과정을 거친 후 80~100℃ 온도로 10~20분동안 건조하는 과정을 2회 반복한다.

이러한 과정을 통한 유전체층(3)은 건조된 두께가 25~30㎛ 정도 형성되는 것이 바람직하다.

[제4공정]

제3공정(S3)에서 제조된 유전체층(3) 위에 스크린 프린팅법으로 카본전극층(4)을 형성하는 공정으로, 이에 필요한 카본 페이스트 조성물은 전자방출전계가 낮고 화학적 안정성이 우수한 카본나노튜브(Carbon Nano Tube)가 포함된 전도성 카본 분말과, 접착성을 부여할 수 있는 아크릴계 바인더고분자, 용매, 및 분산제를 포함한 첨가제이다.

즉, 전도성 카본 분말은 입자 크기가 15 나노미터(㎚)인 카본 블랙 분말에 직경이 약 10 나노미터(㎚)이고 길이가 5㎛로 종횡비(Aspect Ratio)가 큰 도전성 카본나노튜브가 배합된 것으로, 전체 중량 대비 5~15 중량%의 함량이다.

아크릴계 바인더고분자는 메틸메타크릴레이트(Methylmeethacrylate)와 메타크릴릭엑시드(Methacrylic acid)를 라디칼 중합한 폴리공중합체((poly)metyl methacrylate-co-methacrylic acid)로 전체 중량 대비 5~15 중량%의 함량이다.

용매는 후술하는 첨가제인 분산제에 대한 용해성과 최종 카본 페이스트의 점도 및 100℃ 정도의 건조 공정 과정에서의 휘발성을 고려한 멘탄올(Menthanol)로 서 전체 중량 대비 60~70 중량%이다.

그리고. 전술한 전도성 카본 분말을 비히클 내에 효과적으로 분산시키기 위한 분산제는 아크릴계 바인더고분자와 용매에 대한 혼화성(Compatibility)이 우수하고 전도성 카본 분말의 표면 전하와 동일한 전하을 띠는 양이온성 분산제(BYK사의 BYK-130)를 전체 중량 대비 1~5 중량%, 또는 도전성 있는 분산제(BYK사의 BYK-80)를 전체 중량 대비 1~5 중량% 로 혼합하여 사용한다.

a) 카본 페이스크 제조과정

카본나노튜브를 포함된 전도성 카본 분말과 용매 및 분산제를 혼합하고 분산제가 카본 분말의 표면에 충분히 흡착되도록 기계적인 교반기로 상온에서 2시간 교반한 후, 60~70 중량%의 용매에 5~15 중량%의 바인더고분자가 용해된 고분자 용액을 첨가하여 3 본밀(3 roll mill)로 90~120분 동안 분산시킨다. 이와 같이 제조된 카본 페이스트의 점도는 30,000~90,000cps 인 것이 바람직하다.

b) 카본전극층 형성과정

전술한 바와 같이 제조된 카본 페이스트를 제3공정(S3)에서 마련된 유전체층(3) 위에 스크린 인쇄하고, 상온에서 10~15분간의 레벨링 과정을 거친 후에 80~100℃ 온도로 10~20분동안 건조시킴으로써 건조된 카본전극층(4)의 최종 두께가 10~20㎛ 정도 되도록 형성하는 것이 바람직하다.

[제5공정]

제4공정(S4)에서 제조된 카본전극층(4) 위에 실버전극층(5)을 형성하는 공정(S5)으로, 상용품 실버 페이스트를 유리기판 위에 1회 스크린 인쇄한 다음, 10분간의 레벨링 과정을 거친 후에 80~100℃ 온도로 10~15분동안 건조시킴으로써 건조된 실버전극층(5)의 최종 두께가 7~10㎛ 정도 되도록 하는 것이 바람직하다.

[제6공정]

제5공정(S5)을 통하여 제조된 여러 층(2,3,4,5)으로부터 상하층(1,5)에 교류 전압을 인가하기 위하여 폭 3~8㎜의 구리 테이프를 하층의 ITO전극과 상층의 실버전극 위에 부착한다.

[제7공정]

이와 같이 제조된 후막 EL소자의 보관 및 사용 안정성을 유지하기 위하여 폴리에틸렌 필름으로 후면 보호피막을 형성하거나, 건조층(나일론-6)을 삽입하여 외부 습기로부터 소자를 보호할 수 있도록 한다.

이와 같은 본 발명의 내용을 비교예 및 실시예에 의거하여 상세하게 설명하는 바, 본 발명이 실시예로 한정되는 것은 아님을 알려둔다.

비교예 1

ITO가 코팅된 PET필름(7㎝×7㎝)을 아세톤에 담그고 5분간 초음파 세척기로 세척한 다음 메탄올에 담궈 초음파 세척기로 1~2분간 세척하였으며, 마지막으로 다시 아세톤에 담근 후 초음파 세척기로 1~2분간 세척하였다. 세척된 PET필름을 불활성 질소 가스로 건조시켜 수분을 제거한 후 60℃ 온도에서 10분간 건조하였다.

이와 같이 건조된 ITO가 코팅된 PET필름 위에 접착성을 부여할 수 있는 아크릴계 바인더고분자로서 전체 중량 대비 10중량%의 폴리공중합체(poly(Isobutyl methacrylate-co-methacrylic acid))와, 19.9중량%의 트리메톡시트리메틸부탄올(3-methoxy-3-methalbutanol(3MMB)), Zns:Cu:Mn으로 구성된 70중량%의 녹색 형광분말, 및 고형분 대비 0.1중량%의 분산제(BYK사의 BYK-110)로 구성된 혼합물을 3본밀을 통하여 혼합 및 분산시킨 형광체 페이스트를 스크린 인쇄한 후, 10분간 레벨링 과정을 거쳐 80℃에서 10분간 건조하는 과정을 3회 반복함으로써 50㎛ 두께의 형광체층을 형성하였다.

그리고, 전체 중량에 대하여 5중량%의 바인더고분자인 폴리비닐리덴다이플루오라이드(poly(vinylidenedifluoride))(분자량,Mw=530,000)와, 용매로서 49.9중량%의 싸이클로핵사론(Cyclohexanone), 유전체 분말로서 45중량%의 BaTiO₃, 및 고형분 대비 0.1중량%의 분산제로 구성된 혼합물을 3본밀을 통하여 혼합 및 분산시킴으로써 제조된 유전체 페이스트를 형광체층 위에 스크린 인쇄한 다음, 10분간의 레벨링 과정을 거치고 90℃에서 15분간 건조시키는 과정을 2회 반복하여 25㎛의 두께가 되도록 유전체층을 형성하였다.

다음으로 유전체층 위에 카본전극층을 형성하기 위하여 바인더고분자로서 카본 페이스트의 전체 중량에 대하여 18중량%의 함량을 가지는 폴리공중합체(poly(methyl methacrylate-co-methacrylic acid))와, 용매로서 전체 중량에 대한 67중량%의 함량인 멘탄올, 10중량%의 전도성 카본 분말, 기타 5중량%의 함량을 가지는 첨가제(BYK사의 BYK-130)를 배합하여 조성된 혼합물을 3본밀을 통하여 혼합 분산시킴으로써 카본 페이스트를 제조한 후, 제조된 카본 페이스트를 유전체층 위에 스크린 인쇄하고 10분간의 레벨링 과정을 거쳐 20분동안 100℃에서 건조시키는 과정을 2회 반복하여 20㎛의 두께가 되도록 카본전극층을 형성하였다. 마지막으로, 실버전극층의 형성은 상용 실버 페이스트를 전극층 위에 1회 스크린 인쇄한 후, 10분간의 레벨링 과정을 거치고 90℃에서 15분간 건조시킴으로써 이루어지는 것으로 건조된 두께가 10㎛가 되도록 형성하였다.

이와 같이 제조된 후막 EL소자의 휘도를 측정한 결과, [표 2]에 나타난 바와 같이 400㎐, 150V에서 170cd/㎡로 나타났다.

한편, 상기 후막 EL소자의 제작에 사용된 카본 페이스트를 유리 기판 상에 스크린 인쇄(6㎝×6㎝)하고 약 90℃ 온도로 20분 동안 건조시켜 20㎛ 두께의 카본전극층을 형성한 후, 10회 반복하여 4-point probe를 사용함으로써 저항값을 측정한 결과, 그 평균값은 [표 2]에 나타난 바와 같이 1150Ω/㎠으로 나타났다.

실시예 1

본 실시예 1에서는 ITO가 코팅된 PET필름(7㎝×7㎝)에 상기 비교예 1에서와 같은 공정에 따라 형광체층 및 유전체층을 형성하였으나, 카본전극층을 형성하기 위한 카본 페이스트의 제조를 달리하였다.

카본전극층에 사용되는 카본 페이스트는 바인더고분자로 카본 페이스트의 전체 중량 대비 18중량%의 함량을 가지는 폴리공중합체(Poly(methyl methacrylate-co-methacrylic acid))와, 용매로서 67중량%의 멘탄올, 및 분산제로서 전도성을 나타내지 않는 일반 카본 블랙용 분산제인 BYK-130을 5중량% 함량으로 배합하였으며, 나머지 10중량%에 해당되는 함량은 아래 [표 1]과 같이 전도성 카본 블랙과 카본나노튜브의 조성비를 각각 10중량% : 0중량% 나, 9중량% : 1중량%, 8중량% : 2중량%, 7.5중량% : 1.5중량%, 7중량% : 3중량%, 6중량% : 4중량%, 5중량% : 5중량% 로 달리한 혼합물을 이용함으로써 조성비가 서로 다른 7종류의 카본 페이스트를 제조하였다.

이를 유리기판(7㎝×7㎝) 위에 스크린 인쇄하고 10분간의 레벨링 과정을 거쳐 90℃에서 15분간 건조하는 공정을 거침으로써 카본전극층의 두께가 10㎛ 정도 되게 한 다음, 전도성 카본 블랙과 카본나노튜브의 함량에 따른 면저항값을 4-point probe를 사용하여 측정하였으며 그 결과값을 [표 1]에 나타내었다.

[표 1]의 실험 결과에 따르면, 전도성 카본 페이스트의 제조에 사용되는 도전성 카본 블랙과 카보나노뷰트의 조성비를 7:3 으로 하는 경우 카본전극층의 면저항이 현저히 낮아짐을 확인할 수 있었다. 한편, 도전성 카본 블랙과 카본나노튜브의 조성비를 6:4, 5:5 로 하는 경우에는 면저항이 더 감소되나, 카본나노튜브 함량의 증가에 의해 인쇄 특성이 감소되어 소자의 열화가 쉽게 나타남을 알 수 있었다.

전도성 캅노 블랙을 이용한 카본 페이스트의 조성 및 면저항 측정

전도성 카본 페이스트(중량%)				물성측정
바인더고분자	용매	카본분말	첨가제	면저항(Ω/㎠)	인쇄두께(㎛)
poly(MMA-co-MAA)	멘탄올	CB : CNT	BYK-130	면저항(Ω/㎠)	인쇄두께(㎛)
18	67	10 : 0	5	1199	10
18	67	9 : 1	5	1120	10
18	67	8 : 2	5	1067	10
18	67	7.5 : 2.5	5	970	10
18	67	7 : 3	5	840	10
18	67	6 : 4	5	798	10
18	67	5 : 5	5	768	10

실시예 2

폴리공중합체(Poly(methyl methacrylate-co-methacrylic acid))를 바인더고분자로 사용하여 카본 페이스트의 전체 중량 대비 18중량%인 함량과, 용매로 멘탄올 67중량%, 전도성 카본 분말로서 카본 블랙 10중량%, 및 카본 블랙의 분산을 위한 분산제로서 BYK-130을 5중량%로 구성된 혼합물을 3본밀을 통하여 혼합 분산시켜 카본 페이스트1을 제조하였다.

제조된 카본 페이스트1을 유리기판 상에 스크린 인쇄(6㎝×6㎝)하고 약 90℃로 15분동안 건조시켜 20㎛ 두께의 카본전극층을 형성한 후, 10회 반복하여 4-point probe로 저항값을 측정하였다. 측정값은 10회 반복을 통한 결과값의 평균값으로 하기의 [표 2]에 나타난 바와 같이 1150 Ω/㎠으로 나타났다.

또한, 후막 EL소자를 제작하기 위하여 비교예 1에서와 동일한 공정으로 형성체층, 유전체층 및 실버전극층을 형성하였으며, 카본전극층은 전술한 바와 같이 제조된 카본 페이스트1을 스크린 인쇄(6㎝×6㎝)하여 10분간의 레벨링 과정을 거친 후에, 90℃에서 15분간 건조하는 공정을 2회 반복하여 카본전극층의 두께가 20㎛가 되게 하였다. 이와 같이 제조된 후막 EL소자의 휘도를 측정한 결과, [표 2]에 나타난 바와 같이 400㎐, 150V에서 107 ㏅/㎡으로 나타났다.

한편, [표 2]의 카본 페이스트2는 전술한 카본 페이스트1의 제조 공정과 같으나, 전도성 카본 블랙을 7중량%로 하고 카본나노튜브를 3중량%으로 배합하여 제조한 것으로, 측정 결과 면저항이 910 Ω/㎠로 저하되고 휘도가 134 ㏅/㎡로 높아져 카본나노튜브를 첨가할수록 후막 무기 EL소자의 휘도를 향상시킬 수 있음을 알 수 있다.

한편, 또다른 카본 페이스트3은 바인더고분자로서 카본 페이스트의 전체 중량 대비 18중량%의 함량을 가지는 폴리공중합체(Poly(methyl methacrylate-co-methacrylic acid))와, 용매로 62중량%를 가지는 멘탄올, 전도성 카본 분말로 10중량%를 가지는 카본 블랙, 및 카본 블랙의 분산을 위한 분산제로 5중량%를 가지는 BYK-130, 이외에 전도성을 가지는 첨가제인 BYK-ES80을 5중량%로 더 첨가하여 배합함으로써 제조하였다. 제조된 카본 페이스트3을 유리기판 상에 스크린 인쇄(6㎝×6㎝)하고 약 90℃로 15분 동안 건조시켜 20㎛ 두께의 카본전극층을 형성한 후, 10회 반복하여 4-point probe로 저항값을 측정한 결과 [표 2]에 나타난 바와 같이 850 Ω/㎠로 평균값이 나타나 카본 페이스트1보다 저항이 낮아짐을 확인하였다. 그리고, 비교예 1에서와 동일한 공정으로 제작된 후막 EL소자의 휘도는 400㎐, 150V의 동일한 조건에서 127 ㏅/㎡으로 나타나 캅노 페이스트1을 사용하여 제작된 소자보다 높은 휘도를 나타냄을 알 수 있었다.

한편, 카본 페이스트4는 바인더고분자로 전체 중량에 대하여 18중량%를 가지는 폴리공중합체(Poly(methyl methacrylate-co-methacrylic acid))와, 용매로서 62중량%를 가지는 멘탄올, 전도성 카본 분말로서 각각 7중량%, 3중량%를 가지는 카본 블랙과 카본나노튜브, 및 첨가제로서 5중량%를 가지는 BYK-130 분산제와 전도성을 가지는 BYK-ES80 분산제를 5중량%를 배합하고 3본밀을 통하여 분산시킴으로써 제조하였다. 제조된 카본 페이스트4를 유리기판 상에 스크린 인쇄(6㎝×6㎝)하고 약 90℃로 15분 동안 건조시켜 20㎛ 두께의 카본전극층을 형성한 후, 10회 반복하여 4-point probe로 저항값을 측정한 결과, [표 2]에 나타난 바와 같이 평균값 780 Ω/㎠로 나타났다.

또한, 후막 EL소자를 제작하기 위하여 비교예 1에서와 동일한 공정으로 형광체층, 유전체층, 및 실버전극층을 형성하였으며, 카본전극층은 전술한 공정에서 제조된 카본 페이스트4를 이용하여 동일한 실험을 수행한 결과, [표 2]에 나타난 바와 같이 제작된 후막 EL소자의 휘도가 400㎐, 150V에서 145 ㏅/㎡로 나타났다. 따라서, 후막 EL소자를 제작하는데 있어 카본 페이스트에 통상적으로 사용되는 도전성 카본 블랙 이외에 종횡비(aspect ratio)가 크고 전도성이 우수한 카본나노튜브 및 전도성 첨가제(BYK-ES80)를 첨가하여 카본 페이스트를 제조함으로써 카본전극층의 전기저항을 줄여 후막 EL소자의 휘도를 현저히 상승시킬 수 있는 효과가 있다.

전도성 카본블랙, 카본나노튜브 및 전도성 첨가제를 이용한 카본 페이스트 및 물성

전도성 카본 페이스트(중량%)						물성측정
페이스트	바인더고분자	용매	카본분말	첨가제		면저항(Ω/㎠)	인쇄두께(㎛)
페이스트	poly(MMA-co-MAA)	멘탄올	CB : CNT	BYK-130	BYK-ES80	면저항(Ω/㎠)	인쇄두께(㎛)
페이스트1	18	67	10 : 0	5	0	1150	107
페이스트2	18	67	7 : 3	5	0	910	134
페이스트3	18	62	10 : 0	5	5	850	127
페이스트4	18	62	7 : 3	5	5	780	145

한편, 카본 페이스트4를 이용하여 후막 EL소자를 제작할 때 카본전극층의 두께를 얼마로 하는 것이 적합한 지 알기 위하여 상기에서와 동일한 방법으로 후막 EL소자의 형광체층과 유전체층을 도포한 후, 각각 10,20,30,40㎛의 다른 두께로 카본전극층을 형성하여 배면에 실버전극층을 형성한 다음 400㎐, 150V의 동일한 조건에서 주파수별 휘도를 측정하였다. 측정 결과, [표 3]에 나타난 바와 같이 카본전극층의 두께가 20㎛일 경우 휘도가 가장 높은 것으로 나타내었다.

전도성 카본블랙 및 카본나노튜브를 이용한 후막형 EL소자의 특성

전도성 카본 페이스트(중량%)						물성측정
소자	바인더고분자	용매	카본분말	첨가제		인쇄두께(㎛)	휘도(cd/㎡)(400㎐,150V)
소자	poly(MMA-co-MAA)	멘탄올	CB : CNT	BYK-130	BYK-ES80	인쇄두께(㎛)	휘도(cd/㎡)(400㎐,150V)
소자 1	18	62	7 : 3	5	5	10	130
소자 2	18	62	7 : 3	5	5	20	145
소자 3	18	62	7 : 3	5	5	30	115
소자 4	18	62	7 : 3	5	5	40	120

상술한 바와 같이 본 발명에 따르면, 후막 EL소자의 제조에 있어서 카본 페이스트에 전도성 카본 블랙과 카본나노튜브(Carbon Nano Tube) 및 전도성 첨가제의 배합을 최적화함으로써 층간 접착력을 향상시킴과 아울러 카본전극층의 전기저항을 낮추어, 발광효율 및 휘도가 개선된 후막 EL소자를 제조할 수 있는 효과가 있다. 나아가, 후막 EL소자의 제조시 수율 향상과 사용 수명을 연장할 수 있는 효과가 있다.

도 1은 일반적인 후막EL소자의 전체 구조를 개략적으로 나타낸 단면도,

도 2는 본 발명에 따른 후막EL소자의 제조공정을 나타낸 도면.

** 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 **

1;ITO가 코팅된 PET필름 2;형광체층

3;유전체층 4;카본전극층

5;실버전극층

Claims

카본 블랙 및 카본나노튜브를 포함한 전도성 카본 분말을 전체 중량 대비 5 내지 15중량%로 함유하고, 바인더고분자로서 폴리 공중합체를 전체 중량 대비 5 내지 15중량%로 함유하며, 용매로는 멘탄올을 60 내지 70중량% 함유하는 한편, 이외에 첨가제를 배합하여 페이스트(paste) 형태로 이루어지는 카본 페이스트 조성물.
제 1 항에 있어서, 상기 조성물은

상기 첨가제로서 전체 중량 대비 5 내지 10중량%의 분산제가 함유되는 것을 특징으로 하는 카본 페이스트 조성물.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 전도성 카본 분말은

상기 카본 블랙과 카본나노튜브의 중량비를 7:3으로 배합하는 것을 특징으로 하는 카본 페이스트 조성물.
제 3 항에 있어서, 상기 조성물의 점도는 30,000 내지 90,000 cps인 것을 특징으로 하는 카본 페이스트 조성물.
ITO가 코팅된 PET필름 위에 페이스트(paste) 형태의 형광체와, 절연체, 카본전극, 실버전극을 순차적으로 스크린 인쇄하여 형광체층, 절연체층, 카본전극층, 실버전극층을 형성하는 후막 전계발광 소자의 제조 방법에 있어서,

상기 카본전극층은

도전성 카본 블랙과 카본나노튜브를 배합하여 전도성 카본 분말을 형성하는 제1단계;와,

상기 전도성 카본 분말에 용매와 아크릴계 바인더 고분자를 혼합한 고분자용액을 첨가한 다음, 90분 내지 120분 동안 분산시켜 페이스트(paste)의 형태로 조성물을 제조하는 제2단계;

상기 조성물을 상기 유전체층 위에 스크린 프린팅법으로 후막 인쇄하는 제3단계; 및

상기 인쇄된 조성물을 상온에서 10분 내지 15분간 레벨링 과정을 거친 후, 80 내지 100℃ 에서 10분 내지 20분동안 건조하는 제4단계를 포함하여 형성되는 것을 특징으로 하는 카본 페이스트 조성물을 이용한 후막 전계발광 소자의 제조방법.
제 5 항에 있어서, 상기 제1단계에서는

상기 도전성 카본 블랙과 카본나노튜브를 7:3 중량비로 배합하는 것을 특징으로 하는 카본 페이스트 조성물을 이용한 후막 전계발광 소자의 제조방법.
제 5 항에 있어서, 상기 제4단계를 거쳐 건조된 조성물의 두께는 10 내지 20㎛인 것을 특징으로 하는 카본 페이스트 조성물을 이용한 후막 전계발광 소자의 제조방법.
제 5 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제1단계는

상기 전도성 카본 분말에 분산제를 첨가하여 혼합하는 단계와, 상기 분산제가 상기 전도성 카본 분말의 표면에 흡착되도록 상온에서 2시간동안 교반하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 카본 페이스트 조성물을 이용한 후막 전계발광 소자의 제조방법.
제 8 항의 방법으로 제조된 후막 전계발광 소자.