KR20100116398A - 탄소나노튜브 박막 후처리 공정 - Google Patents

Abstract

본 발명은 고상 파우더 증착 원리에 의하여 탄소나노튜브(CNT)를 고속으로 가속시켜 모재(기판) 위에 충돌시킴으로서 독특한 탄소나노튜브 박막을 제조하고, 상기 탄소나노튜브 박막에 대한 기상, 액상, 고상 후처리 공정을 수행하여 전기전도성 등의 기능이 향상된 탄소나노튜브 필름을 제조하는 방법에 관한 것이다.

따라서, 본 발명은 (a) 탄소나노튜브를 고속으로 기판에 충돌시켜 탄소나노튜브 박막을 제조하는 단계; 및 (b) 상기 탄소나노튜브 박막에 대한 후처리 단계; 로 이루어지는 탄소나노튜브 박막 후처리 공정을 제공하며, 상기 후처리 단계는 1) 전도성 물질의 액상 코팅, 2) 전도성 물질의 기상 코팅, 3) 전도성 폴리머의 접착 또는 압착 등의 방법을 통해 실현한다.

탄소나노튜브, 후처리, 헤이즈, 전기전도성, 투과율

Description

탄소나노튜브 박막 후처리 공정{Post treatment method of carbon nanotube film}

본 발명은 고상 파우더 증착 원리에 의하여 탄소나노튜브(CNT)를 고속으로 가속시켜 모재(기판) 위에 충돌시킴으로서 독특한 탄소나노튜브 박막을 제조하고, 상기 탄소나노튜브 박막에 대한 기상, 액상, 고상 후처리 공정을 수행하여 전기전도성 등의 기능이 향상된 탄소나노튜브 필름을 제조하는 방법에 관한 것이다.

통상의 탄소나노튜브 박막 제조방법은 다음과 같은 3가지로 설명할 수 있다.

첫 번째는 CVD(Chemical vapor deposition)법으로서 촉매를 기판 기판 위에 형성시키고 기판을 가열하여 하이드로 카본 전구체가 열적-화학적 작용에 의해 깨지면서 촉매부에서 CNT가 자라도록 하는 방법이다. 대부분의 CNT들은 촉매부에서 자라나 기판에 수직으로 성장하게 된다. 그러나 수직 성장된 CNT들은 쓰러지기 쉬우며, 촉매 공정 추가 및 고가 CVD 장비 기술이 요구되는 단점이 있다.

두 번째 방법은 탄소나노튜브를 화학적 처리를 통하여 액산 분산 시키거나 폴리머 혹은 포토 레지스트(Photo resist)에 혼합한 후 기판에 코팅하는 방법이 있다. 이 방법은 매우 저렴하여 현재 많은 회사에서 이용되고 있다. 그러나 폴리머에 파묻힌 CNT들의 물성저하 및 폴리머 자체의 내구성과 오염문제 때문에 상용화에 걸림돌이 되고 있다.

세 번째 방법은 두 번째 방법에서와 같은 화학적으로 분산된 탄소나노튜브 용액을 에어 브러쉬를 이용하여 대기압 하에서 기판에 분사하여 필름을 형성하는 방법이다. 즉, 화가들이 사용하는 일반 스프레이 페인팅 기법과 유사하다. 이 방법 또한 두 번째 방법과 마찬가지로 기판-CNT간 약한 결합력, 폴리머 바인더 문제가 유사하게 발생한다.

따라서 가장 이상적으로는 바인더 없이 기판-CNT, CNT-CNT간 직접적인 화학결합을 갖는 탄소나노튜브 박막을 기판 위에 형성 시키는 기술이 BLU, FED 소자의 품질과 수명을 늘리는 핵심 기술로 절실히 요구되고 있다.

본 발명에서는 바인더 및 촉매 없이 CNT-모재간, 인접한 CNT간 직접결합이 형성되어 있으며, 상기 CNT의 단부 또는 몸체에는 벤딩부가 형성된 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브 박막을 후처리 공정의 대상으로 한다.

위와 같은 탄소나노튜브 박막은 초고속 가속원리에 의해 탄소나노튜브를 기판(모재)에 100m/s 이상의 속도로 충돌시킴으로서 제조할 수 있으며, 이러한 초고속 가속은 아래의 3가지 방법으로 실현할 수 있다.

1) 에어로졸 증착법: 진공 팽창 원리에 의한 초고속 가속

2) 펄스 가속법: 펄스 진공 팽창 원리에 초고속 가속(예, 클러스터 소스)

3) 콜드 스프레이법: 고온고압 분출에 의한 초고속 가속

이 중 고상 파우더 입자(입자상, 선상, 튜브상 등)의 고속 가속에 의한 박막형성 원리는 에어로졸 증착원리에 의하여 설명이 가능하다. 통상적인 에어로졸 증착법에 의하면 고속으로 가속되는 입자들이 기판에 충돌할 경우 막대한 충돌에너지가 발생하며 이 충돌에너지의 일부가 결합형성(bond formation)을 하는데 소모되어 입자-기판, 입자-입자간 직접적인 결합이 가능해짐을 설명하고 있다. 일반적인 에어로졸 증착법에서는 충돌 속도가 50m/s 정도에서도 직접적인 결합 형성이 가능하여 하드(hard)한 세라믹 박막 제조가 가능하였다.

한편, 고상 파우더 입자에 대한 최고의 가속력은 기초과학 분야에 널리 활용되고 있는 클러스터 소스 원리에 의하여 얻어낼 수 있다. 이 원리를 이용하면 에어로졸 증착법에서 한계가 되고 있는 가속력을 훨씬 높일 수 있는 것으며, 10³~10⁴ m/s의 가속력을 얻을 수 있다.

그러나 탄소나노튜브 박막들이 투명전도막, 전자파 차폐제와 같은 부품으로 활용되기 위해서는 외부 오염원과 격리되어야 하고 기계적 강도도 향상되어야 한다. 이에 본 발명에서는 고상 고속 증착 원리에 의하여 제조되는 탄소나노튜브 박막에 대한 후처리 공정을 제공하여 다양한 박막, 필름, 부품들을 시장에 직접적으로 공급하고자 하는 것이다.

본 발명은 파우더를 이용한 증착박막 제조방법으로 탄소나노튜브 박막을 제조하고 이에 대한 후처리 공정을 통하여 전기전도성을 향상시키고 탄소나노튜브 박막과 외부 오염원과의 격리, 탄소나노튜브 박막의 기계적 강도 향상 등의 효과를 얻을 수 있는 탄소나노튜브 박막 후처리 공정을 제공함에 그 목적이 있다.

도 8은 탄소 나노튜브 박막의 마이크로 영역을 보여주는 SEM 사진과 후처리 공정을 통하여 전기전도도가 향상되는 메카니즘의 모식도이다.

도 8의 (a)는 약 30~100nm 정도의 두께를 갖는 탄소나노튜브 박막의 SEM 사진이다. 이 탄소나노튜브 박막은 (a) 별도의 바인더 수지를 포함하지 않고, (b) 촉매를 사용하지 않으며, (c) CNT-기판, CNT-CNT간 직접 화학결합을 갖고 CNT들이 기판위에 상하로 적층되어 있는 것을 특징으로 하고 있다.

그러나 단점으로서 화살표 표시영역들이 비어 있어 기판이 그대로 들어나 있음을 보여준다. 대부분의 마이크로미터 단위에서의 면저항은 0.1Ω/□ 정도로 매우 낮지만(도 8의 (a)에서 보듯 비어있는 공간 주변으로 CNT들이 모두 연결되어 있어 전자들이 수송하는데 아무런 문제가 없기 때문) 대면적으로 보면 면저항이 높아지는 원인이 된다(한 예로서, 1cm x 1cm 면 전체에서 보면 전체 면저항이 약 30Ω/□으로 높아진다). 이는 대면적에서의 아주 커다란 결함 발생(빈공간) 및 다수의 빈 공간들의 존재로 인한 전체적인 전자 수송 능력의 감소를 의미한다.

이런 문제들은 도 8의 (b)에 모식적으로 도시된 원리에 의하여 상당히 완화 시킬 수 있는 것이다. 즉, 탄소나노튜브 박막 층 위로 전도성이 높은 물질을 코팅함으로서 탄소나노튜브 박막에서 비어 있는 공간 또는 전기 저항이 매우 높은 곳을 채워 주게 된다. 따라서 CNT 박막 입장에서는 전기전도도가 향상되는 효과를 가져온다. 이런 효과는 하부 CNT 박막 보다 높은 저항 상태의 코팅물에서 유효하다. 한 예로 금속 코팅을 매우 두껍게 하였을 경우(스퍼터, 도금 등) 막 전체의 전기전도도는 증착된 금속에 완전히 종속되게 된다. 그러나 금속 또는 도전성 세라믹(ITO, ZnO, FTO 등)을 아주 얇게 코팅하는 경우(즉, 빛 투과율을 85~90% 정도로 코팅하는 경우)에는 코팅물 자체의 저항이 하부층에 존재하는 증착된 CNT층의 저항보다 높은 경우에는 전기전도도를 비약적으로 높일 수 있다.

한 예로서, 탄소나노튜브 박막 위에 상용 CNT 분산액(막두께 100~300nm로 코팅시 전기저항은 약 800Ω/□)을 스핀 코팅하는 탄소나노튜브 박막 후처리 공정을 시행한 경우 이러한 후처리 공전 시행 전보다 저항이 낮아진다.

심지어 탄소나노튜브 박막이 불연속적인 단락을 형성하여 전기 저항이 메가오옴/□ 이 되는 경우에도 상기 CNT 분산액에 의한 코팅층을 형성하는 경우에는 약 500Ω/□으로 비약적으로 전기전도도가 향상되었다.

이와 같이 전기 전도성 향상을 위한 탄소나노튜브 박막 후처리 방식은 크게 3가지로 나눌 수 있다.

(1) 전도성 물질이 분산된 용액(CNT 분산액, 그래핀 분산액, 실버졸, 금속 콜로이드), CNT-금속 혼합 콜로이드, 나노흑연 콜로이드 코팅

(2) CVD(Chemical vapor deposition)법, PVD(Physical vapor deposition)법, 도금법

(3) 전도성 폴리머 접착 또는 압착

본 발명에 따른 탄소나노튜브 박막 후처리 공정에 의하면 고 전기전도성 박막, 필름, 부품들의 제조가 가능하다. 또한 본 발명에 따른 탄소나노튜브 박막 후처리 공정은 세라믹, 금속, 폴리머 등의 다양한 재료를 적용할 수 있고, 탄소나노튜브 박막을 요철 형상으로 가공하는 것도 가능하므로 다양한 전자 기반 산업에 다양한 소제, 부품, 모듈을 제조하는 방법으로서 이용이 가능하다.

본 발명은 (a) 탄소나노튜브를 고속으로 기판에 충돌시켜 탄소나노튜브 박막을 제조하는 단계; 및 (b) 상기 탄소나노튜브 박막에 대한 후처리 단계; 로 이루어 지는 탄소나노튜브 박막 후처리 공정을 제공한다.

1. (a)단계 - 탄소나노튜브 박막 제조 단계

본 단계는 탄소나노튜브를 고속으로 기판에 충돌시켜 탄소나노튜브 박막을 제조하는 단계이다. 본 단계 중 탄소나노튜브 박막 형성은 에어로졸화된 탄소나노튜브의 진공팽창 원리에 의하여 달성될 수 있다(에어로졸 증착법). 또한, 탄소나노튜브의 고속 가속은 클러스터 소스처럼 펄스형 초음속 팽창 원리에 의하여 달성할 수 있으며(펄스 초음속 클라스터 소스), 에어로졸화된 탄소나노튜브의 고속 분사는 고압고온 노즐 분사에 의하여 달성될 수 있다(cold spray법).

본 단계에서 탄소나노튜브는 보론(B), 인(P) 등과 같은 불순물이 소량 도핑된 것을 사용할 수 있으며, 탄소나노튜브에 탄소와는 다른 원소를 적어도 1종 이상 섞은 탄소나노튜브 혼합물을 기판에 증착시킬 수도 있다. 또한, 탄소성분 중에서도 탄소나노튜브 외에 튜브형 이외에 나노입자, 나노로드, 나노와이어 등을 함께 증착물(박막) 구성 소재로 사용할 수 있다.

본 단계에서는 탄소나노튜브 박막 형성단계에서 일부 화학반응을 유도하기 위한 반응성 가스를 도입과정과, 원료가 되는 탄소나노튜브를 물리적으로 변형시키거나, 화학적으로 전처리하여 표면을 개질하는 과정을 더 수행할 수 있다. 표면 개질과정의 한 예로는 볼밀링을 들 수가 있다.

본 단계에서 제조되는 탄소나노튜브 박막은 원료 탄소나노튜브 파우더가 100m/s 이상의 속도로 기판에 충돌하도록 하는 것이 바람직하다. 이렇게 제조된 탄소나노튜브 박막은 1) 별도의 바인더 수지를 포함하지 않고, 2) 촉매를 사용하지 않으며, 3) 대부분의 탄소나노튜브들이 기판 위에 직접 결합(화학결합) 되어 있고, 4) 이들 탄소나노튜브들은 기판 위에 상하로 적층되어 있다는 특징을 갖는다. 탄소나노튜브 이외의 물질이 혼입되어 있는 탄소나노튜브 혼합 박막의 경우는 탄소나노튜브의 층착 형태가 달라질 수 있다(예, 파우더 사이에 끼여 있는 등).

2. (b)단계 - 후처리 단계

본 단계는 상기 탄소나노튜브 박막을 후처리 하는 단계로서, 폴리머 용액 코팅 또는 폴리머 접합시키는 등의 가공을 통하여 탄소나노튜브 박막을 보호하거나 헤이즈 등을 억제시킬 수 있는 처리를 하는 단계이다. 이하에서는 본 발명이 제공하는 후처리 단계를 실시예별로 구체적으로 설명하기로 한다.

일반적으로 막의 표면이 거칠 경우 입사광이 막 표면에서 난반사에 의하여 흐릿하게 보인다. 이를 헤이즈(Haze)라 하며 이는 투과율을 떨어뜨리는 원인이 된다. 이러한 헤이즈에 의한 투과율 감소 현상은 본 발명에서 제공하는 탄소나노튜브 박막 후처리 공정을 통하여 해소할 수 있다. 즉, 탄소나노튜브 박막 후처리 공정은 탄소나노튜브 박막에서 표면이 불균일한 박막형성 부위를 균일한 표면으로 가공해 주는 공정이다.

상기 후처리 단계는 상기 탄소나노튜브 박막 위에 폴리머 용액을 코팅하는 과정으로 수행할 수 있다. 탄소나노튜브 박막 위에 폴리머 용액을 코팅함으로써, 탄소나노튜브 박막 표면 중 불균일한 곳을 폴리머들이 채워줌으로서 표면의 거칠기를 균일하게 해줄 수 있다. 이러한 후처리용 폴리머는 거의 모든 폴리머 혹은 폴리머 함유 혼합물 모두 가능하며, 헤이즈 제거용으로서는 PVA(Poly vinyl alcohol, PVB (Poly vinyl butyral), PMMA (Poly methyl methacrylate) 및 전도성 폴리머 등을 사용하는 것이 바람직하다.

상기 폴리머 용액을 탄소나노튜브 박막에 코팅하는 작업은 스핀 코팅, 딥코팅, 스크린 프린팅, 잉크젯 프린팅 기법을 통하여 수행할 수 있으며 이에 의해 탄소나노튜브 박막의 전기전도성이 비약적으로 높아진다.

도 1은 탄소나노튜브 박막 위에 폴리머 용액을 코팅하는 과정을 도시한 것이다. 이러한 공정에 의해 민감한 탄소나노튜브 박막의 표면을 외부 오염원 및 기계적 흠집으로부터 보호 가능하다. 추가적으로 탄소나노튜브 박막의 헤이즈(Haze)가 있는 경우에는 코팅되는 폴리머 박막의 두께를 조절하여 헤이즈 없이 투명한(투과율 향상) 탄소나노튜브 함유 필름 제조가 가능하다(도 6 및 도 7 참조). 이때, 상기 탄소나노튜브 박막 위에 코팅된 폴리머 용액을 열 또는 자외선으로 경화시키는 단계를 더 포함시킬 수 있다.

상기 후처리 단계는 상기 탄소나노튜브 박막 위에 전도성 재료가 함유된 용액을 코팅하는 과정으로 수행할 수 있다.

전도성 재료로서는 탄소나노튜브, 그래핀(graphene), 금속 나노입자(실버, 배금 등), 흑연 등을 사용할 수 있다. 이와 같은 전도성 재료가 함유된 용액 역시 스핀 코팅, 딥코팅, 스크린 프린팅, 잉크젯 프린팅 기법을 통하여 탄소나노튜브 박막 위에 코팅시킬 수 있다.

상기 후처리 단계는 상기 탄소나노튜브 박막 위에 투명전도막을 코팅하는 과정으로 수행할 수 있다.

상기 투명전도막은 ITO, 실버, 백금, 구리, ZnO 등으로 형성시킬 수 있으며, 이러한 소재를 탄소나노튜브 위에 코팅하는 작업은 CVD(chemical vapor deposition)법 또는 PVD(Physical vapordeposition)법 또는 도금법(무전해 도금, 전해도금, 전착)을 통하여 수행될 수 있다. 이러한 투명전도막의 코팅으로 탄소나노튜브 박막의 전기전도성을 비약적으로 높일 수 있다.

도 2는 탄소나노튜브 박막 위에 전도성 폴리머를 코팅하여 전기 전도도를 향상시키는 과정을 도시한 것이다. 도 2의 (a)는 전도성 재료를 액상처리하여 탄소나노튜브 박막에 코팅하는 과정을 도시한 것이고, 도 2의 (b)는 ITO를 기상처리(스퍼터링)하여 탄소나노튜브 박막에 코팅하는 과정을 도시한 것이다.

탄소나노튜브를 증착시키는 기판으로서 폴리머 기판을 사용하는 경우에는 상기 폴리머 기판과 탄소나노튜브 박막을 함께 연신하는 단계를 후처리 단계로 수행할 수 있다.

이 때, 상기 폴리머 기판과 탄소나노튜브 박막은 요철형상으로 연신할 수 있는데, 요철형상으로 연신하는 처리작업은 요철형상의 프레스판으로 가압하거나 요철형상의 롤러로 롤링함으로서 실현할 수 있다.

상기 후처리 단계는 상기 탄소나노튜브 박막 위에 점착성 폴리머를 부착하는 과정으로 수행할 수 있다.

이 때, 탄소나노튜브 박막이 증착된 기판을 세라믹소재 또는 금속소재로 형성된 것을 사용하는 경우에는, 상기 기판과 탄소나노튜브 박막 및 폴리머를 함께 연신하는 과정을 더 포함시킬 수 있다.

탄소나노튜브가 증착되는 기판으로서 폴리머 기판을 사용하는 경우에는, 상기 폴리머 기판 아래 및 탄소나노튜브 박막 위에 각각 세라믹 기판을 위치시키고, 상기 세라믹 기판, 폴리머 기판, 탄소나노튜박막 및 세라믹 기판이 차례로 적층된 구조체를 가압하거나 롤링처리하여 연신하는 과정으로 후처리 공정을 수행할 수 있다.

이 경우에는 상기 세라믹 기판 대신 금속기판을 사용하여, 금속기판, 폴리머 기판, 탄소나노튜박막 및 금속기판이 차례로 적층된 구조체를 가압하거나 롤링처리하여 연신하는 과정으로 수행할 수도 있다.

도 3은 탄소나노튜브 박막 위에 폴리머 판을 덮은 후 압착 연신하는 과정을 도시한 것이다. 이에 따르면 폴리머 판(sheet)의 열 압착을 통하여 탄소나노튜브 박막을 폴리머 속으로 완전히 임베딩(embedding) 시켜, 표면의 거친 부분을 폴리머가 채움으로서 헤이즈를 없애는 원리를 보여준다. 탄소나노튜브가 증착되는 기판이 폴리머 기판인 경우, 탄소나노튜브층이 상하 2층의 폴리머판에 완전히 밀봉되어 균일하게 삽입되도록 제조되는 것으로서, 이런 제조물은 전자파 차폐제 및 보호된 유연 전극 등으로 이용가능하다. 이와 같은 폴리머 접합 공정은 점착성 폴리머 테이프 부착 공정으로 대체 가능하다.

한편, CNT가 증착되어 있는 모재가 세라믹, 금속, 플라스틱인 경우 상기한 압착 프레싱 공정은 조금씩 달라질 수 있다. 예를들면 압착에 의해 세라믹 기판이 깨지거나, 금속 또는 플라스틱 기판이 늘어나게 되면 막의 성질이 달라지므로 모재의 강도, 두께, 종류에 따라 적절한 프레싱 조건이 달라져야 한다

탄소나노튜브가 작은 기판에 증착이 되어 있는 경우에는 단순한 열 압착을 통하여 CNT 함유 필름을 제조할 수 있다. 한 예로 10cm X 10cm 유리기판에 증착되어 있는 CNT 박막인 경우 1mm 두께를 갖는 엠보싱형 PVB 필름을 덮고 80~100℃의 온도로 가온하며 압착을 하여, 폴리머가 접합된 투명한 CNT 함유 필름을 제조할 수 있다. 그러나 기판이 곡면이거나 대면적일 경우 공기 기포가 계면에 포집될 수 있다. 따라서 이 경우에는 진공상태에서 가온 가압을 하는 것이 바람직하다. 한 예로서, 탄소나노튜브가 증착된 기판과 PVB 필름을 접촉시키고, 이를 유동성이 있는 폴리머 게이스 속에 넣어 80~110℃에서 10~40 분간 일차적으로 진공 열처리를 한 후 2차적으로 2~20기압의 가스 가압상태에서 80~110℃로 한 시간가량 가압 가열 처리를 하는 공정을 시행할 수 있다. 이러한 공정을 통해 계면의 공기는 완전히 제거되고 탄소나노튜브가 증착된 기판과 PVB 필름간의 압착이 이루어지게 된다.

도 3의 (a)에 도시된 프레싱 공정 I은, 세라믹, 금속, 폴리머 등의 소재로 형성된 기판 위에 탄소나노튜브를 코팅된 탄소나노튜브 박막 상부에 폴리머 필름(sheet)을 놓고 가온 가압하여 CNT 함유 박막 및 필름 등을 제조하는 공정이다. 따라서 결과물은 세라믹기판-CNT-폴리머판, 금속기판-CNT층-폴리머판, 폴리머판-CNT층-폴리머판 등이 될 수 있다.

도 3의 (b)에 도시된 프레싱 공정 Ⅱ는 세라믹, 금속, 등의 소재로 형성된 기판 위에 폴리머 필름을 입히고 그 위에 탄소나노튜브를 코팅한 후 그 상부에 폴리머 필름과 기타 금속기판 또는 세라믹 기판을 차례로 적층시킨 후 가온 가압하여 세라믹판-폴리머판-CNT층-폴리머판-세라믹판, 금속판-폴리머판-CNT층-폴리머판-금속판 등의 구조체를 얻어내는 공정이다. 이는 세라믹판이 자동차 유리인 경우 CNT 필름이 특성화된 자동차 강화 유리 등의 제조 공정이 될 수 있다.

도 4는 탄소나노튜브 박막 위에 폴리머 판을 덮은 후 롤링공정으로 연신하는 과정을 도시한 것이다.

이는 도 3에 도시된 프레싱 공정 대신 롤링(Rolling) 공정을 통하여 탄소나노튜브 함유 필름을 연속 인라인 방식으로 대량 합성하는 공정이다. 이러한 롤링 공정 시행 시에는 경우에 따라서 롤의 크기, 개수, 형태가 바뀔 수 있으며 원하는 두께의 필름을 얻기 위하여 통상적인 폴리머 연신 공정을 이용할 수 있다.

도 5는 탄소나노튜브 박막을 요철형상으로 연신하는 과정을 도시한 것이다.

이는 도 3에 도시된 프레싱 공정이나, 도 4에 도시된 롤링 공정과 원리는 동일하나 요철형태로 압착한다는 점에 특징이 있다. 도 5의 (a)는 일면 요철 프레싱 공정을, 도 5의 (b)는 양면 요철 프레싱 요철 공정을, 도 5의 (c)는 일면 요철 롤링 공정을 도시한다. 이 때, 탄소나노튜브 박막 상부에는 상술한 바와 같이 폴리머 필름을 놓거나, 세라믹 기판 또는 금속 기판을 탄소나노튜브 박막 상하부에 위치시켜 연신공정을 함께 수행할 수 있다. 스핀 코팅된 탄소나노튜브 필름, 점착성 폴리머 테이프를 부착한 구조물 등에 대해서도 도 5에 도시된 바와 같은 요철 프레싱 혹은 요철 롤링 공정 적용이 가능하다.

도 6은 유리기판 위에 고헤이즈 탄소나노튜브 박막을 형성시킨 상태와 폴리 머 후처리 공정을 통하여 투명하고 헤이즈가 없는 필름으로 전환시킨 상태를 비교 촬영한 사진이다.

도 6의 (a)는 탄소나노튜브를 150~300m/s로 가속시켜 유리기판에 증착시킨 상태를 촬영한 사진으로서, 막 표면의 불균일성으로 인하여 약간 하얗게 산란된 모습을 보여 준다(사진 촬영상 육안 관찰과 달리 약간 과장되어 보일 수 있음). 도 6의 (b)는 PVB를 약 100nm로 스핀코팅하는 후처리 공정을 통하여, 불투명하던 탄소나노튜브 박막이 투명해졌음을 보여주는 사진이다. PVB의 막 두께는 반도체 공정에서와 같이 PVB 용액의 점도, 스핀코터의 rpm을 조절하여 정확하게 제어할 수 있다.

도 7은 석영 기판 위에 증착된 탄소나노튜브 박막에 대하여 폴리머 스핀 코팅 처리를 수행한 후 빛의 투과율 변화를 보여주는 UV-Visible 스펙트럼으로서, 헤이즈 효과를 줄여줌으로서 탄소나노튜브 박막의 투과율이 향상되었음을 보여준다. 도 7은 입사광 파장 550nm 기준에서 92.45%의 빛 투과율을 갖는 탄소나노튜브 박막에 폴리머 용액을 코팅하여 헤이즈를 경감시켜 빛 투과율을 93.75%로 향상시킨 결과를 보여준다. 테스트 기준으로서, 폴리머로서는 PVB를 사용하였고 막의 두께는 약 50-100 nm 이고 탄소나노튜브 증착은 석영기판을 사용하였다. 입사광 파장에 대한 막두께 계산, 즉 광학 설계는 막 두께, 입사광 파장, 굴절률 등에 관한 데이터를 바탕으로 통상적으로 알려진 식들을 통하여 정확히 계산될 수 있다.

일반적인 방법으로 7에 예시된 92.45%의 빛 투과율을 갖는 탄소나노튜브 박 막 제조는 매우 힘들다. 이는 초고속 증착에 의한 탄소나노튜브 박막 제조의 우수함을 보여주며, 이는 탄소나노튜브 고속 증착에 의한 기판-CNT, CNT-CNT간 직접적인 결합 형성에 기인한다. 그러나 단점으로서 중간 중간에 형성되는 불규칙한 막 표면과, CNT 덩어리들의 증착은 심한 헤이즈를 야기시킬 수 있다. 그러나 이런 단점들도 본 발명에서 제공하는 후처리 공정을 통하여 상당히 호전시킬 수 있으며, 이를 이용하여 기타 독특한 박막, 필름, 부품의 제조도 가능하다.

도 1은 탄소나노튜브 박막 위에 폴리머 용액을 코팅하는 과정을 도시한 것이다.

도 2는 탄소나노튜브 박막 위에 전도성 폴리머를 코팅하여 전기 전도도를 향상시키는 과정을 도시한 것이다.

도 3은 탄소나노튜브 박막 위에 폴리머 판을 덮은 후 압착 연신하는 과정을 도시한 것이다.

도 4는 탄소나노튜브 박막 위에 폴리머 판을 덮은 후 롤링공정으로 연신하는 과정을 도시한 것이다.

도 5는 탄소나노튜브 박막을 요철형상으로 연신하는 과정을 도시한 것이다.

도 6은 유리기판 위에 고헤이즈 탄소나노튜브 박막을 형성시킨 상태와 폴리머 후처리 공정을 통하여 투명하고 헤이즈가 없는 필름으로 전환시킨 상태를 비교 촬영한 사진이다.

도 7은 석영 기판 위에 증착된 탄소나노튜브 박막에 대하여 폴리머 스핀 코팅 처리를 수행한 후 빛의 투과율 변화를 보여주는 UV-Visible 스펙트럼이다.

도 8은 탄소 나노튜브 박막의 마이크로 영역을 보여주는 SEM 사진과 후처리 공정을 통하여 전기전도도가 향상되는 메카니즘의 모식도이다.

Claims (12)

1. 탄소나노튜브를 고속으로 기판에 충돌시켜 탄소나노튜브 박막을 제조하는 단계; 및

   상기 탄소나노튜브 박막 위에 폴리머 용액을 코팅하는 단계; 로 이루어지는 탄소나노튜브 박막 후처리 공정.
2. 제1항에서,

   상기 탄소나노튜브 박막 위에 코팅된 폴리머 용액을 열 또는 자외선으로 경화시키는 단계; 를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브 박막 후처리 공정.
3. 탄소나노튜브를 고속으로 기판에 충돌시켜 탄소나노튜브 박막을 제조하는 단계; 및

   상기 탄소나노튜브 박막 위에 전도성 재료가 함유된 용액을 코팅하는 단계; 로 이루어지는 탄소나노튜브 박막 후처리 공정.
4. 제3항에서,

   상기 전도성 재료는 탄소나노튜브임, 그래핀(graphene), 금속 나노입자 중 어느 하나임을 특징으로 하는 탄소나노튜브 박막 후처리 공정.
5. 탄소나노튜브를 고속으로 기판에 충돌시켜 탄소나노튜브 박막을 제조하는 단계; 및

   상기 탄소나노튜브 박막 위에 투명전도막을 코팅하는 단계; 로 이루어지는 탄소나노튜브 박막 후처리 공정.
6. 탄소나노튜브를 고속으로 폴리머 기판에 충돌시켜 탄소나노튜브 박막을 제조하는 단계; 및

   상기 폴리머 기판과 탄소나노튜브 박막을 함께 연신하는 단계; 로 이루어지는 탄소나노튜브 박막 후처리 공정.
7. 제6항에서,

   상기 상기 폴리머 기판과 탄소나노튜브 박막은 요철형상의 프레스판으로 가압하여 요철형상으로 연신함을 특징으로 하는 탄소나노튜브 박막 후처리 공정.
8. 제6항에서,

   상기 폴리머 기판과 탄소나노튜브 박막은 요철형상의 롤러로 롤링하여 요철형상으로 연신함을 특징으로 하는 탄소나노튜브 박막 후처리 공정.
9. 탄소나노튜브를 고속으로 기판에 충돌시켜 탄소나노튜브 박막을 제조하는 단계; 및

   상기 탄소나노튜브 박막 위에 점착성 폴리머를 부착하는 단계; 로 이루어지는 탄소나노튜브 박막 후처리 공정.
10. 제9항에서,

    상기 기판은 세라믹소재 또는 금속소재로 형성된 것이고,

    상기 기판과 탄소나노튜브 박막 및 폴리머를 함께 연신하는 단계; 를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브 박막 후처리 공정.
11. 탄소나노튜브를 고속으로 폴리머 기판에 충돌시켜 탄소나노튜브 박막을 제조 하는 단계;

    상기 폴리머 기판 아래 및 탄소나노튜브 박막 위에 각각 세라믹 기판을 위치시키는 단계; 및

    상기 세라믹 기판, 폴리머 기판, 탄소나노튜박막 및 세라믹 기판이 차례로 적층된 구조체를 가압하거나 롤링처리하여 연신하는 단계; 로 이루어지는 탄소나노튜브 박막 후처리 공정.
12. 탄소나노튜브를 고속으로 폴리머 기판에 충돌시켜 탄소나노튜브 박막을 제조하는 단계;

    상기 폴리머 기판 아래 및 탄소나노튜브 박막 위에 각각 금속기판을 위치시키는 단계; 및

    상기 금속기판, 폴리머 기판, 탄소나노튜박막 및 금속기판이 차례로 적층된 구조체를 가압하거나 롤링처리하여 연신하는 단계; 로 이루어지는 탄소나노튜브 박막 후처리 공정.

Images