KR20110046102A - 탄소나노튜브 필름 및 그 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 제1기판상에 다수의 탄소나노튜브를 상향으로 성장시켜 탄소나노튜브층을 형성하는 단계와, 상기 탄소나노튜브층의 측면에 접착성 부재를 부착시킨 후 횡방향으로 잡아당겨 탄소나노튜브 시트를 형성하는 단계와, 상기 탄소나노튜브 시트를 제2기판에 피복하는 단계와, 상기 피복된 탄소나노튜브 시트를 알코올 처리하여 제2기판에 접착하는 단계를 포함하는 탄소나노튜브 필름 제조방법을 개시한다.

탄소나노튜브, 다중벽, 반데르 발스 힘, 자동차 유리용 저전력 히터, 유연성 투명전극

Description

탄소나노튜브 필름 및 그 제조방법{Carbon nano tubes film and method for manufacturing the same}

본 발명은 탄소나노튜브 필름의 제조방법에 관한 것으로, 더욱 자세하게는 탄소나노튜브 간의 반데르 발스 힘(van der Waals force)을 이용하여 형성된 탄소나노튜브 시트를 포함하는 탄소나노튜브 필름 및 그 제조방법에 관한 것이다.

컴퓨터, 각종 가전 기기와 통신 기기가 디지털화 되고 급속히 고성능화 됨에 따라 대화면 및 휴대 가능한 디스플레이의 구현이 절실히 요구되고 있다. 휴대 가능한 대면적의 유연한 디스플레이를 구현하기 위해서는 신문처럼 접거나 말 수 있는 재질의 디스플레이 재료가 필요하다.

이러한 조건을 만족할 수 있는 탄소나노튜브(Carbon Nanotubes)는 탄소 6개로 이루어진 육각형들이 서로 연결되어 관 모양을 이루는 원통(튜브)형태의 신소재로, 최근 그 산업활용 범위의 다양성 및 기술적 효율성으로 인해 미래의 신소재로 각광을 받고 있다.

최근에는 투명전극을 ITO 대신 탄소나노튜브 필름으로 형성하는 것에 대한 연구가 활발하게 이루어지고 있다. 탄소나노튜브 필름은 비교적 저가여서 생산원가를 절감할 수 있으며 유연성이 우수하여 플렉서블 디스플레이 이외에도 태양전지 전극, 이차 전지 전극, 전도성 테이프 등에도 다양하게 적용될 수 있다.

또한, 탄소나노튜브는 전기 전도도가 우수하여 자동차용 유리의 전극 히터로도 응용되는 등 광범위한 분야에 응용될 수 있다.

그러나 이러한 탄소나노튜브 필름은 탄소나노튜브들 간의 강한 반데르발스력(van der Waals force)으로 인해 서로 뒤엉켜 있는 다발(bundle 또는 rope) 형태로 존재하기 때문에 성형(가공)이 극히 어려워 우수한 성능에도 불구하고 실질적인 산업적 이용은 극히 제한적이다.

또한, 단일벽 탄소나노튜(single walled carbon nanotubes)인 경우 반도체와 전도체가 서로 혼합되어 있어 전도성을 높이기 위해 반도체와 전도체를 분리를 해야 하는 문제가 있다.

본 발명은 상기와 같은 문제를 해결하기 위하여 안출된 것으로서 탄소나노튜브 간의 반데르 발스 힘을 이용하여 형성한 탄소나노튜브 시트에 의하여 제조하는 탄소나노튜브 필름 및 그 제조방법을 제공한다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 탄소나노튜브 필름의 제조방법은 제1기판상에 다수의 탄소나노튜브를 상향으로 성장시켜 탄소나노튜브층을 형성하는 단계와, 상기 탄소나노튜브층의 측면에 접착성 부재를 부착시킨 후 횡방향으로 잡아당겨 탄소나노튜브 시트를 형성하는 단계와, 상기 탄소나노튜브 시트를 제2기판에 피복하는 단계와, 상기 제2기판에 피복된 탄소나노튜브 시트를 알코올 처리하여 접착하는 단계를 포함한다.

상기와 같은 구성에 의하여 본 발명은 탄소나노튜브 필름을 간단한 공정으로 제조하여 기존의 ITO 전극을 대체할 수 있으며, 저전력 히터로도 응용할 수 있는 장점이 있다.

본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다.

그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.

제1, 제2 등과 같이 서수를 포함하는 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되지는 않는다.

상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.

예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제2 구성요소는 제1 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제1 구성요소도 제2 구성요소로 명명될 수 있다.

어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급될 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다.

반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다.

본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것 으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.

본 출원에서, "포함한다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.

또한, 본 출원에서 첨부된 도면은 설명의 편의를 위하여 확대 또는 축소하여 도시된 것으로 이해되어야 한다.

이제 본 발명에 대하여 도면을 참고하여 상세하게 설명하고, 도면 부호에 관계없이 동일하거나 대응하는 구성 요소는 동일한 참조 번호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 탄소나노튜브 필름의 제조과정을 나타내는 순서도이고, 도 2는 본 발명의 실시예에 따른 탄소나노튜브 시트를 형성하는 개략도이다.

본 발명의 탄소나노튜브 필름의 제조방법은 제1 기판(100)상에 다수의 탄소나노튜브(201)를 상향으로 성장시켜 탄소나노튜브층(200)을 형성하는 단계와, 상기 탄소나노튜브층(200)의 측면에 접착 부재(400)를 부착시킨 후 횡방향으로 잡아당겨 탄소나노튜브 시트(300)를 형성하는 단계와, 상기 탄소나노튜브 시트(300)를 제2기판(미도시)에 피복하는 단계 및 상기 제2기판에 피복된 탄소나노튜브 시트(300)를 알코올 처리하여 접착하는 단계를 포함한다.

먼저 제1기판(100)상에 탄소나노튜브(201)를 형성하는 단계(S1)에 대하여 살펴보면, 일반적으로 탄소나노튜브 필름의 제조 방법은 전기방전법(Arc-discharge), 레이저 증착법 (Laser vaporization), 플라즈마 화학기상증착법(Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition), 열 화학기상증착법(Thermal Chemical Vapor Deposition) 등이 있고, 본 실시예에서는 열 화학기상증착법(Thermal Chemical Vapor Deposition)으로 설명한다. 그러나 이러한 방법에 한정되는 것은 아니고 상기 언급한 다양한 제조 방법에 의하여 탄소나노튜브(201)를 형성할 수도 있다.

먼저 제1기판(100) 위에 촉매금속으로서 Fe, Ni, Co, 또는 세가지 촉매금속의 합금을 증착한 후, 이 촉매금속을 증착시킨 제1기판(100)을 식각 처리를 한 다음, 이 시료를 석영 보트(미도시)에 장착시킨 후, 이어서 이 석영보트를 CVD 장치의 반응로(미도시)에 집어넣은 후, 750 ~ 1050 ℃의 온도에서 NH₃또는 H₂ 가스를 사용하여 이 촉매 금속막을 추가적으로 식각하여 나노 크기의 미세한 촉매금속 파티클들을 형성시킨다.

이와 같이 제1기판(100)에 촉매금속을 패턴형태로 만든 후, NH3, H2, He, Ar, N2 등 가스와 CH4, C2H2 와 같은 탄화수소 가스를 혼합하여 750 ~1050 ℃의 온도 탄소나노튜브(201)를 합성시키면 촉매금속의 형태를 따라서 다수개의 탄소나노튜브(201)가 성장되어 탄소나노튜브 층(200)을 이루게 된다.

이때, 상기 탄소나노튜브(201)는 제1기판(100)의 촉매를 따라 수직 방향으로 성장되고 개개의 탄소나노튜브(201)가 반데르발스의 힘(Van der waals force)에 의해서 덩어리(bundle) 형태로 뭉쳐지게 된다.

이렇게 형성된 탄소나노튜브(201)에 대하여 더욱 자세하게 살펴보면 각각의 탄소나노튜브(201)의 직경은 약 5~100 nm 정도이고, 튜브의 가운데가 비어있으며 그래파이트 면이 수개에서 수십 개 정도로 구성된 다중벽 탄소나노튜브가 형성될 수 있다.

이러한 열 화학기상증착법(Thermal Chemical Vapor Deposition)은 반복 재현성이 높으며 촉매의 크기를 제어하여 직경을 쉽게 제어할 수 있고 대면적 기판의 합성이 가능한 장점이 있다.

그러나 반드시 앞서 언급한 제조 과정에 한정되는 것은 아니며 실시예 맞게 다양한 조건을 변경하여 탄소나노튜브(201)를 형성할 수도 있다.

이때 형성된 탄소나노튜브(201)는 실시 목적에 따라 단일벽 탄소나노튜브, 이중벽 탄소나노튜브 또는 다중벽 탄소나노튜브를 형성할 수도 있다.

다음으로 탄소나노튜브 시트(300)를 형성하는 단계(S2)에 대하여 살펴보면 상기 제1기판(100) 위에 형성된 탄소나노튜브 층(200)의 측면에 접착 부재(400)를 부착한다.

이때 상기 접착 부재(400)는 봉이나 막대 또는 평평한 판의 표면(400a)에 접착제 또는 접착테이프를 코팅하여 형성된다. 이때 접착제 또는 접착 테이프는 상기 접착 부재(400)에 부착된 탄소나노튜브(201)를 제1기판(100)에서 떼어낼 정도의 점도를 갖고 있으면 종류에 관계없이 사용가능하며, 상기 접착 부재(400)의 길이는 상기 탄소나노튜브 층(200)의 측면의 길이와 동일하거나 길게 형성되어 횡방향으로 접착 부재(400)를 잡아당길 때 길이방향으로 많은 양의 상기 탄소나노튜브(201)가 제1기판(100)에서 떨어질 수 있도록 구성됨이 바람직하다.

이러한 과정을 통하여 횡방향으로 다수의 탄소나노튜브(201)가 제 1기판에서 이탈하게 되고 앞서 설명한 바와 같이 탄소나노튜브(201) 사이에는 반데르 발스의 힘이 작용하고 있으므로 도 2와 같이 최외측의 탄소나노튜브가 이탈될 때 이웃한 탄소나노튜브(201)가 상기 반데르발스의 힘에 의하여 연속적으로 제1기판(100)에서 떨어지게 된다.

따라서 탄소나노튜브(201)는 순차적으로 제1기판(100)에서 이격되고 떨어진 탄소나노튜브(201) 사이에는 반데르 발스 힘에 의하여 붙어 있게 되므로 연속적인 탄소나노튜브 시트(300)를 형성하게 된다. 이를 도 3을 참고하여 살펴보면 탄소나노튜브 층(200)에서 탄소나노튜브 시트(300)가 마치 실과 같이 연속적으로 형성되는 것을 볼 수 있다.

이러한 구조의 탄소나노튜브 시트(300)은 기존의 코팅방식의 탄소나노튜브 필름이 각각의 탄소나노튜브가 무질서하게 배열되어 있는 것과 달리 각각의 탄소나노튜브가 연속적으로 형성되어 전기 전도도가 높아지는 효과가 있다.

이때 접착 부재(400)를 제1기판(100)을 기준으로 너무 높은 각도로 잡아당기거나 너무 빠르게 잡아당기면 탄소나노튜브(201) 간의 인력이 끊어져 탄소나노튜브 시트(300)가 연속적으로 형성되지 않는 문제가 있으므로 제1기판(100)을 기준으로 1~60°의 각도와 0.1m/s이하의 속도로 잡아당기는 것이 바람직하다.

또한, 상기 탄소나노튜브(201)의 길이가 0.2mm이하인 경우에는 탄소나노튜브(201) 간의 반데르 발스 힘이 쉽게 끊어지므로 상기 탄소나노튜브 시트(300)가 연속적으로 형성되지 않는 문제가 있다.

이후 형성된 탄소나노튜브 시트(300)를 제2기판에 피복하는 단계(S3)에 대하여 도 4를 참조하여 살펴보면 상기 제2기판(500)은 투명한 재질이면 제한 없이 적용 가능하다. 예를 들면, 유리, PET, 석영 석판, OHP 필름 또는 웨이퍼 등이 사용 가능하다.

이후, 제2기판(500)에 피복된 탄소나노튜브 시트(300)의 표면에 접착을 위하여 알코올 처리하는 단계를 거치게 되는데 상기 알코올 처리 단계는 탄소나노튜브 시트(300)에 알코올을 분사하거나 제2기판(500)을 알코올에 넣었다가 실온에서 건조하는 방법으로 이루어진다.

이때 상기 알코올은 에탄올이나 메탄올 등이 사용될 수 있으나 반드시 이에 한정되는 것은 아니고 제2기판(500)에 상기 탄소나노튜브 시트(300)가 접착되는 기능을 수행하도록 적절히 변형하여 사용될 수 있다.

상기 알코올 처리에 의하면 도 4와 같이 최초 제2기판(500)의 표면에 25~30㎛의 두께로 피복되어 있던 탄소나노튜브 시트(300)는 알코올 처리 후 100nm이하로 두께가 줄어들면서 제2기판(500)에 접착되게 되어 탄소나노튜브 필름을 형성하게 된다.

이때, 추가적으로 탄소나노튜브 시트(300)의 표면의 손상을 방지하기 위하여 바인더(binder)나 탑 코팅(Top coating)을 수행할 수 있는데 이러한 코팅 방식은 일반적인 코팅 방법에 의하여 다양하게 구현될 수 있다.

이러한 일련의 과정에 의하여 제조된 탄소나노튜브 필름을 도 5 내지 도 7을 참조하여 자세히 살펴보면 탄소나노튜브 필름은 투명한 형태를 갖게 되며 도 6과 같이 각각의 탄소나노튜브가 망(net) 형상을 이루고 있음을 알 수 있다 이러한 구성에 의하여 본 발명에 따른 탄소나노튜브 필름은 연속적인 시트로 구성되어 투과도에 따른 전기전도도 제어가 쉬우며, 필름의 두께, 전기 전도도 및 투과율이 일정한 장점이 있다.

또한, 도 7과 같이 쉽게 휘어지고 탄성에 의하여 힘을 제거한 경우 원상태로 복귀하여 플렉시블 터치 패널 등과 같은 연성 기판이나 전극으로 다양하게 응용될 수 있다.

도 8과 도 9는 본 발명의 실시예에 따른 탄소나노튜브 필름에 전압을 인가하면서 휘었을 때 전압과 시간의 함수에 대하여 전류 흐름 변화를 측정한 그래프이다.

본 발명의 실시예에 따른 탄소나노튜브 필름에 전압을 인가했을 때 전압에 비례하여 전류가 일정하게 상승되는 것을 알 수 있으며, 탄소나노튜브 필름을 구부렸을 때에도 일정하게 전류가 상승하는 것을 확인할 수 있다. 또한, 동일하게 전류가 흐르는 상태에서 탄소나노튜브 필름을 구부려도 전류는 일정하게 흘러 ITO 전극을 대체하여 플렉시블한 터치 패널에서도 안정적인 전류가 통할 수 있음을 확인할 수 있다.

도 10 내지 도 12는 본 발명의 실시예에 따른 탄소나노튜브 필름을 냉각한 다음 전압을 인가하였을 때 시간의 경과에 따른 투과율을 보여주는 사진이다.

도 10과 같이 탄소나노튜브 필름을 -4 ~ -5℃로 냉각한 경우 냉각에 의하여 투과율이 현저하게 낮아진 것을 확인할 수 있다. 그러나 상기 탄소나노튜브 필름에 15V의 전압을 인가하고 15초 정도가 경과한 뒤에는 도 11과 같이 탄소나노튜브 필름이 다시 투명해진 것을 확인할 수 있고, 약 60초가 경과한 이후에는 냉각 전의 투과율을 회복되었음을 확인할 수 있다.

이때, 상기 탄소나노튜브 필름이 코팅되지 않은 제2기판 부분은 여전히 불투명한 상태인 것을 자명하게 확인할 수 있다.

상기 실험 결과는 다중벽 탄소나노튜브 필름은 전압을 인가하는 경우 면저항이 200~700 Ω/□로 높아 표면 온도가 급속하게 증가하기 때문이며, 실제 측정 결과 5V 인가시에는 27~28℃, 10V인가시에는 40~41℃, 15V인가시에는 60~61℃로 표면온도가 높아짐이 측정되었다.

이러한 실험값에 의하여 낮은 전압에서 탄소나노튜브 필름의 표면 온도가 순간적으로 높아져 자동차 유리의 히터로서 유용하게 응용될 수 있음을 자명하게 알 수 있다.

이상에서 본 발명의 실시 예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 탄소나노튜브 필름의 제조과정을 나타내는 순서도,

도 2는 본 발명의 실시예에 따른 탄소나노튜브 시트를 형성하는 개략도,

도 3은 본 발명의 실시예에 따른 탄소나노튜브 층에서 탄소나노튜브 시트가 형성되는 사진,

도 4는 본 발명의 실시예에 따른 탄소나노튜브 시트를 제2기판에 피복하여 알코올 처리하는 사진,

도 5는 본 발명의 실시예에 따른 탄소나노튜브 필름의 사진,

도 6은 본 발명의 실시예에 따른 탄소나노튜브 필름의 확대 사진,

도 7은 본 발명의 실시예에 따른 탄소나노튜브 필름을 구부린 사진,

도 8은 본 발명의 실시예에 따른 탄소나노튜브 필름에 전압을 인가하면서 휘었을 때 전류 흐름 변화를 측정한 그래프,

도 9는 본 발명의 실시예에 따른 탄소나노튜브 필름에 전류를 흘리면서 휘었을 때 시간의 경과에 따른 전류 흐름 변화를 측정한 그래프,

도 10은 본 발명의 실시예에 따른 탄소나노튜브 필름을 냉각한 다음 투과율를 보여주는 사진,

도 11은 도 10의 탄소나노튜브 필름에 전압을 인가하고 20초 경과 후의 투과율를 보여주는 사진,

도 12는 도 10의 탄소나노튜브 필름에 전압을 인가하고 60초 경과 후의 투과 율를 보여주는 사진.

<<도면의 주요부호에 대한 설명>>

100: 제1기판 200: 탄소나노튜브 층

201: 탄소나노튜브 300: 탄소나노튜브 시트

400: 접착 부재 500: 제2기판

Claims (12)

1. 제1기판상에 다수의 탄소나노튜브를 상향으로 성장시켜 탄소나노튜브층을 형성하는 단계;

   상기 탄소나노튜브층의 측면에 접착 부재를 부착시킨 후 횡방향으로 잡아당겨 탄소나노튜브 시트를 형성하는 단계;

   상기 탄소나노튜브 시트를 제2기판에 피복하는 단계;

   상기 제2기판에 피복된 탄소나노튜브 시트를 알코올 처리하여 접착하는 단계;

   를 포함하는 탄소나노튜브 필름 제조 방법.
2. 제1항에 있어서,

   상기 탄소나노튜브는 기판상에 열 화학기상증착법에 의해 제1기판에 상향으로 성장되는 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브 필름 제조 방법.
3. 제1항에 있어서,

   상기 탄소나노튜브는 단일, 이중 또는 다중벽 탄소나노튜브 중 어느 하나 이상인 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브 필름 제조 방법.
4. 제1항에 있어서,

   상기 탄소나노튜브의 길이는 0.2mm 이상인 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브 필름 제조 방법.
5. 제1항에 있어서,

   상기 접착 부재를 잡아당기는 방향은 제1기판을 기준으로 1~60°인 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브 필름 제조 방법.
6. 제5항에 있어서,

   상기 접착 부재를 잡아당기는 속도는 0.1m/s이하인 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브 필름 제조 방법.
7. 제1항에 있어서,

   상기 알코올은 에탄올 또는 메탄올인 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브 필름 제조 방법.
8. 제1항에 있어서,

   상기 알코올 처리는 상기 탄소나노튜브 시트에 알코올을 분사하거나 침전 후 건조시키는 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브 필름 제조 방법.
9. 제1항에 있어서,

   상기 알코올 처리 후 탄소나노튜브 시트의 표면에 바인더(Binder)나 탑 코팅(Top Coating) 하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브 필름 제조 방법.
10. 제1항에 있어서,

    상기 제2기판은 유리, OHP 필름 또는 웨이퍼 중 어느 하나 이상인 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브 필름 제조 방법.
11. 제1항에 있어서,

    상기 접착 부재의 길이는 상기 탄소나노튜브의 측면 길이와 동일하거나 긴 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브 필름 제조 방법.
12. 제1항의 제조 방법에 의하여 제조되는 탄소나노튜브 필름.

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