KR20150010703A - 감광성 내열 재료, 그 제조 방법 및 그의 용도 - Google Patents

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꼼미사리아 아 레네르지 아토미끄 에뜨 옥스 에너지스 앨터네이티브즈
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Abstract

주석계 재료로서:
50 내지 100 중량부의 그래핀;
0 내지 50 중량부의 안티몬 도핑 주석 이산화물(ATO; antimony-doped tin dioxide)
0 내지 50 중량부의 인듐-도핑 주석 이산화물(ITO; indium-doped tin dioxide)
를 포함하되, 상기 재료는 적어도 ATO 및/또는 ITO를 포함하는, 주석계 재료.

Description

감광성 내열 재료, 그 제조 방법 및 그의 용도{PHOTOSENSITIVE AND HEAT-RESISTANT MATERIAL, METHOD FOR PRODUCING SAME AND USE THEREOF}
본 발명은 그래핀 및 산화 주석을 기초로 하는 감광성 내열 재료에 관한 것이다. 본 발명의 사용 분야로는 특히 디스플레이, 키보드, 터치 패드 등으로 구현되는 것과 같은 촉각 어플리케이션을 포함한다.
광저항성 또는 감광성 재료의 비저항은 입사광의 량에 따라 변한다. 다시 말하면, 입사광이 증가함에 따라 저항은 감소한다.
종래 기술의 광저항성 재료는 일반적으로 원소 주기율표의 II 내지 VI 족으로부터의 원소를 포함한다. 예를 들면, 황화 카드뮴(CdS) 또는 카드뮴셀레나이드(CdSe)가 특히 그 저렴한 가격으로 인하여 가시 범위의 어플리케이션에서 현재 이용된다. 그러나, 그러한 재료는 일반적으로 적외선 어플리케이션에 대해서는 맞지 않다. 이 경우에는, 황화납(PbS)가 이용될 수 있다.
또한, 종래 기술의 재료는 많은 단점을 갖는데, 이 중에서 시간에 따른 안정성 결여 또는 광도(luminosity)가 변하는 경우의 상대적으로 긴 응답 시간이 있다.
내열 재료로서, 그 저항(resistance) 또는 비저항(resistivity)은 온도에 따라 변한다. 이들 재료는 금속 또는 금속 산화물이 기초가 될 수 있다. 포토레지스터와는 다르게, 서미스터는 일반적으로 시간에 따라 안정적이다.
본 출원인에 의해 개발된 재료는 근적외선 외에도 가시 범위에서의 감지를 가능하게 한다. 또한, 포착된 방사선의 양에 따라 감소하는 전기 저항을 갖는다. 이 재료는 또한 촉각 어플리케이션의 측면에서 손가락에 의해 방출되는 근적외선의 변화로서 반영할 수 있는 열 변형을 검출하는 것을 가능하게 한다.
본 출원인은 주석 및 탄소를 기초로 신규한 광저항성 및 내열성 재료를 개발하였다.
그래핀과는 다르게, 이 재료는 이중 장점을 가지는데, 하나는 특히 가시선 스펙트럼 및 근적외선 스펙트럼의 파장에서 넓은 방사선 스펙트럼에 민감하다는 점과, 다른 하나는 수집된 방사선의 양에 따라 감소하는 전기 저항을 갖는다는 점이다. 촉각 어플리케이션의 측면에서, 이는 특히 상당량의 적외선을 방출하는 손가락일 수 있다. 감광 방사선의 변이는 따라서 주변 가시광이 매우 낮은 경우라도 검출될 수 있다.
보다 구체적으로, 본 발명은:
100 내지 50 중량부의 그래핀;
0 내지 50 중량부의 안티몬 도핑 주석 이산화물(ATO; antimony-doped tin dioxide)
0 내지 50 중량부의 인듐-도핑 주석 이산화물(ITO; indium-doped tin dioxide)
을 포함하는 주석계 재료에 관한 것이다.
따라서, 본 발명의 목적을 형성하는 재료는 그래핀, ATO 및/또는 ITO를 포함한다. 다시 말하면, 상기 재료는 필수적으로 그래핀을 포함하나, 또한 적어도 ATO 및/또는 ITO를 포함한다.
더욱 명백하게는, 중량부로 표현되는 양은 유리하게는 주석계 재료의 100 중량부와 200 중량부 사이의 양을 참조로 갖는다는 점이 지정된다. 다시 말하면, 주석계 재료는, 유리하게는 100 내지 200 중량부의 재료에 대해:
100 내지 50 중량부의 그래핀;
0 내지 50 중량부의 ATO;
0 내지 50 중량부의 ITO를 포함한다.
안티몬 또는 인듐과 도핑된 이산화 주석을 포함함에 의한 주석의 존재는, 광에 대한 검출 감도 또는 온도에 따른 저항의 변이의 관점에서, 재료의 감도를 조정하는 것을 가능하게 한다. 따라서, 재료의 최종 용도에 따라 각각의 양을 조절하는 것은 당해 분야의 숙련자의 능력 범위내에 있는 것이다.
그러나, 양호한 실시예에 따르면, 재료는 80 내지 90 중량부의 그래핀에 대해 10 내지 20 중량부의 ATO 및/또는 ITO를 포함한다.
다른 구체적 실시예에 따르면, 주석계 재료는 유리하게는 100 중량부의 재료에 대해 20 중량부의 ATO 및/또는 ITO 및 80 중량부의 그래핀을 포함한다.
본 발명의 목적을 형성하는 재료는 그 성분들 사이의 연결 구성을 포함할 수 있다. 그러므로, 임의의 추정을 하지 않고, 그 열 저항 및 광저항 특성이 그러한 연결 구성의 존재에 기인하는 것이 가능하다.
그래핀은 이차원 탄소 결정이다. 그래핀층의 3차원 적층이 흑연을 형성한다.
ATO는 유리하게는 5 내지 10 범위의 Sn/Sb 중량비를 갖는다. ATO의 화학식은 유리하게는 SnO2:Sb2O3 또는 SnO2:Sb2O5이다. 보다 유리하게는, 이는 SnO2:Sb2O3이다.
ITO에 대해서는, 유리하게는 5 내지 10 범위의 Sn/In 중량비를 갖는다. ITO는 유리하게는 SnO2:In2O3 또는 SnO2:In2O5이다. 보다 유리하게는, 이는 SnO2:In2O3이다.
일반적으로, 본 발명의 목적을 형성하는 주석계 재료에서, 그래핀/ATO 및/또는 ITO 중량비는 1 내지 5, 보다 유리하게는 3 내지 4의 범위내에 있다. 다시 말하면, 그래핀 중량은 ATO 및/또는 ITO 중량의 1 내지 5배, 보다 유리하게는 3 내지 4배에 이른다. 특정 실시예에 따르면, 이 비는 4와 동일할 수 있다.
유리하게는, 본 발명의 목적을 형성하는 재료는 ATO 또는 ITO를 포함한다.
또한, 특정 실시에에 따르면, 본 발명의 목적을 형성하는 재료는 금속 및/또는 반도체 나노입자를 포함할 수 있다.
그 도전 특성에 따른 나노입자는 본 발명의 목적을 형성하는 재료의 전기적 도전성을 조정하는 것을 가능하게 할 수 있다.
또한, 나노입자 및 보다 특별하게는 금속 산화물 또는 반도체 나노입자는 광에 매우 민감하고, 따라서 재료의 광학 흡수를 조절하는데 기여할 수 있다.
유리하게는, 제한적이지는 않지만, 나노입자는 구형 형상 및 10 내지 100 나노미터 범위의 직경, 보다 유리하게는 20 내지 50 나노미터 범위의 직경을 가질 수 있다.
그러나, 재료의 성능을 조정하기 위하여, 특별하게는 빛에 대한 재료의 감도를 증가시키기 위하여 소망된 특성에 따라 그 형상 및 크기를 적응시키는 것은 당해 분야의 숙련자의 능력내에 있다고 할 것이다.
양호한 실시예에 따르면, 나노입자는 재료의 중량에 대해 1 내지 10 중량부에 이르는 금속 나노입자 및 금속 산화물 나노입자의 혼합물로 형성된다. 나노입자는 특히 은, In2O3, InZnO, ZnO, CuO, NiO 나노입자 및 그 혼합물을 포함하는 그룹으로부터 선택될 수 있다.
다른 양호한 실시예에 따르면, 재료의 중량에 대해 1 내지 5 중량부에 이르는 금속 나노입자 및 반도체 나노입자의 혼합물로 형성된다. 특히 이는 은 나노입자 및 InGaZnO의 혼합물일 수 있다.
그러므로, 검출 감도를 증가시키기 위하여 전기 저항이 조정될 수 있다.
본 발명은 또한 이하 단계에 따라 그래핀 및 ATO 및/또는 ITO를 기초로 하는 전술한 재료를 조제하는 방법에 관한 것이다:
- 그래핀 잉크를 조제하는 단계;
- 안티몬 및/또는 인듐으로 도핑된 주석 이산화물의 잉크를 조제하는 단계;
- 그래핀 잉크 및 안티몬 및/또는 인듐으로 도핑된 주석 이산화물의 잉크를 첨가하는 단계;
- 필요한 경우, 금속 나노입자 및 금속 산화물 나노입자의 혼합물 또는 금속 나노입자 및 반도체 나노입자의 혼합물을 첨가하는 단계;
- 얻어진 혼합물을 바람직하게는 30℃ 내지 60℃의 범위의 온도에서 교반하는 단계; 및
- 유리하게는 용매의 증발에 의해 상기 혼합물을 건조하여 그래핀 및 ATO 및/또는 ITO를 기초로 하는 재료를 제공하는 단계.
ATO 및 ITO를 포함하는 재료를 조제하는 경우에, 주석 이산화물을 기초로 하는 잉크는 ATO 또는 ITO를 포함할 수 있다. 다른 실시예에 따르면, 2개의 상이한 잉크는 동시에 조제되고 첨가되거나 또는 아닐 수 있다.
혼합물의 교반 단계는 유리하게는 기계적이며, 상기 혼합물을 균질화하는 것을 가능하게 한다.
특정 실시예에 따르면, 주석 이산화물을 기초로 하는 잉크는 적어도 하나의 용매내에 분산된 ATO 및/또는 ITO 60 내지 80 중량%를 포함할 수 있다. 용매는 특히 사이클로펜타논(cyclopentanone), 에틸아세테이트, 테트라하이드로퓨란(tetrahydrofuran), 3-헥사논(3-hexanone), 2-펜타논(2-pentanone)을 포함하는 그룹으로부터 선택될 수 있다.
다른 한편으로, 그래핀 잉크는 적어도 하나의 용매내에 그래핀 40 내지 80 중량%를 포함할 수 있다. 용매는 특히 사이클로헥사논(cyclohexanone), 사이클로펜타논(cyclopentanone)일 수 있다.
그러나, 본 발명의 관점에서 이용된 상이한 잉크는 또한 수용액을 기초로 할 수 있다.
또한, 그래핀 및 ATO 및/또는 ITO 잉크의 각각의 농도를 조절하는 것은 당해 분야의 숙련자의 능력 내에 있을 것이다. 상기 특정한 값은 보이기 위한 것이며, 본 발명을 제한하는 것으로 이해되어서는 안된다.
본 발명은 또한 전술한 재료를 포함하는 포토레지스터 및 서미스터에 관한 것이다.
본 발명의 목적을 형성하는 포토레지스터 또는 서미스터의 제조는 특히 ATO 및/또는 ITO 잉크, 그래핀 잉크, 및 가능하다면 나노입자의 혼합물의 기판 상의 퇴적에 의해 이행된다.
유리하게는, 기판은 가시광에 적어도 부분적으로 투명한 재료로 제조된다. 그러므로 이는 PEN(poly(ethylene 2,6-naphthalate)) 또는 PET(polyethylene terephthalate)일 수 있다. 이러한 유형의 기판은 가시 스펙트럼에 및 근적외선에 대해 플렉시블하고 투명하며, 저비용이라는 3중 이점을 갖는다.
또한, 기판은 유리하게는 25㎛ 내지 200㎛ 범위내의 두께를 갖는다.
광저항성 및/또는 내열성 재료를 포함하는 혼합물의 퇴적은 실크 스크리닝에 의해, 잉크젯에 의해, 또는 당해 분야의 숙련자에게는 공지의 임의의 다른 퇴적 기술에 의해 수행될 수 있다.
퇴적의 두께는 100nm 에서 수 ㎛ 범위내일 수 있다. 대상 어플리케이션에 따라 이 두께를 조정하는 것은 당해 분야의 숙련자의 능력내에 있을 것이다.
혼합물의 퇴적 다음으로 유리하게는 10 내지 60분 범위의 시간 주기 동안 100 내지 120℃ 범위내의 온도에서 수행될 수 있는 어닐링 단계가 온다. 기판, 퇴적 두께 및 다른 파라미터에 따라 조건(지속 기간 및 온도)를 조정하는 것은 당해 분야의 숙련자의 능력내에 있을 것이다.
일반적으로, 그래핀 잉크 및 ATO 및/또는 ITO 잉크의 용매는 유리하게는 증발에 가까운 온도를 가져서 매우 균일한 퇴적층을 형성한다. 그러한 증발 온도는 어닐링 온도와 유리하게 호환된다. 특히, 증발 온도는 유리하게는 110 내지 180℃ 범위내에 있을 수 있다.
어닐링 단계는 특히 포토레지스터 또는 서미스터를 제조하도록 이용되는 잉크내에 존재하는 용매를 제거하는 것을 가능하게 한다.
전술한 것처럼, 본 발명의 목적을 형성하는 주석계 재료는 그래핀, ATO 및/또는 ITO를 포함한다. 다시 말하면, 상기 재료는 필수적으로 그래핀을 포함하나, 또한 적어도 ATO 또는 ITO를 포함한다. 재료는 ATO 또는 ITO의 0이 아닌 수량을 포함한다. 그러므로, 재료가 ITO 0부를 포함한다면, ATO x부, 여기서 0 < x ≤50, 를 필수적으로 포함한다.
유사하게, 재료가 ATO 0부를 포함한다면, ITO y부, 여기서 0 < y ≤50, 를 필수적으로 포함한다.
100 내지 200 중량부의 재료에 대해, 상기 재료는 유리하게는:
100 내지 50 중량부의 그래핀;
0 ≤ x ≤ 50 중량부의 ATO;
0 ≤ y ≤ 50 중량부의 ITO를 포함하며,
여기서, x + y 는 0이 아니다.
특정 실시예에 따르면, x + y는 5, 10, 15, 20, 25, 30, 35, 40, 45, 50, 55, 60, 65, 70, 75, 80, 85, 90, 95, 또는 100과 같으며, 여기서 x + y ≠0이다. x + y는 이들 값의 둘 사이에 있을 수 있다. 예를 들면, x + y는 5 내지 100, 10 내지 50, 또는 10 내지 85의 범위 내에 있을 수 있다.
본 발명과 그 결과적 장점은 본 발명의 도식화를 위해 제공되는 이하의 비제한적 도면 및 예로부터 더욱 명백할 것이다.
도 1은 가시 일광으로의 노출에 따라 본 발명의 목적을 형성하는 재료의 저항을 도시하는 도면.
도 2는 50 중량% 그래핀 및 50 중량% ATO를 포함하는 재료에 대한 온도에 따른 저항 변이를 도시하는 도면.
본 발명에 따른 광저항성 및 내열성 재료의 조제
그래핀 잉크는 예를 들면 10㎖의 사이클로펜타논 내에 6g의 그래핀(VORBECK)을 분산시킴에 의해 조제된다.
동시에, ATO 잉크는 10㎖의 사이클로펜타논 내에 6g의 ATO(DUPONT)을 분산시킴에 의해 조제된다.
그래핀 및 ATO 잉크는 다음으로 혼합되어 중량비 4의 그래핀/ATO를 수득한다.
이 혼합물은 다음으로 은, In2O3, InZnO, ZnO, CuO, NiO 나노입자의 혼합물 또는 다른 실시예에 따르면 은 및 InGaZnO 나노입자의 혼합물 0 내지 10mg이 첨가된다.
결과의 혼합물은 다음으로 60℃ 온도에서 기계적으로 교반된다.
취득된 용액은 다음으로 공기 중에서 100℃에서 용매를 증발함에 의해 건조된다.
본 발명에 따른 포토레지스터 또는 서미스터의 제조
전술한 것에 의해 얻어진 혼합물은 용매의 증발 이전에 실크 스크린에 의해 기판 상에 퇴적된다.
PEN 기판은 125-㎛ 두께를 가지며, 5㎛의 혼합물이 퇴적된다.
혼합물의 퇴적 이후에, 100℃ 온도에서 20분 동안 어닐링이 수행된다.
포토레지스터의 감광 특성이 도 1에 도시된다. 실제로, 이 재료의 저항은 광에 노출되지 않은 경우의 약 13,000 옴에서 일광에 노출된 경우의 12,000 옴까지 변한다. 이 재료는 1 마이크로초에서 10m초 급의 극도로 짧은 반응 시간을 갖는다.
이러한 재료의 온도에 따른 저항 변이가 도 2에 도시된다. 재료의 저항은 온도가 증가함에 따라 규칙적으로 감소한다. 재료의 저항이 20℃에서는 32,000 옴 보다 큰 반면에, 90℃에서는 29,500 옴과 같다.

Claims (15)

  1. 주석계 재료로서:
    50 내지 100 중량부의 그래핀;
    0 내지 50 중량부의 안티몬 도핑 주석 이산화물(ATO; antimony-doped tin dioxide)
    0 내지 50 중량부의 인듐-도핑 주석 이산화물(ITO; indium-doped tin dioxide)
    를 포함하되, 상기 재료는 적어도 ATO 및/또는 ITO를 포함하는, 주석계 재료.
  2. 청구항 1에 있어서, 1 내지 10 중량비의 금속 나노입자 및 금속 산화물 나노입자의 혼합물을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 주석계 재료.
  3. 청구항 2에 있어서, 상기 혼합물은 은, In2O3, InZnO, ZnO, CuO, NiO 나노입자 및 그 혼합물을 포함하는 그룹으로부터 선택되는 나노입자를 포함하는 것을 특징으로 하는 주석계 재료.
  4. 청구항 1에 있어서, 1 내지 5 중량부의 금속 나노입자 및 반도체 나노입자의 혼합물을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 주석계 재료.
  5. 청구항 4에 있어서, 상기 혼합물은 은 및 InGaZnO 나노입자를 포함하는 것을 특징으로 하는 주석계 재료.
  6. 청구항 1 내지 청구항 5 중 어느 한 항에 있어서, 그래핀과 ATO 및/또는 ITO 사이의 중량비가 1 내지 5의 범위 내에 있는 것을 특징으로 하는 주석계 재료.
  7. 청구항 1 내지 청구항 6 중 어느 한 항에 있어서, 그래핀과 ATO 및/또는 ITO 사이의 중량비가 3 내지 4의 범위 내에 있는 것을 특징으로 하는 주석계 재료.
  8. 청구항 1 내지 청구항 7 중 어느 한 항에 있어서, ATO 및 ITO는 각각이 5 내지 10의 범위내에 있는 Sn/Sb 및 Sn/In 중량비를 갖는 것을 특징으로 하는 주석계 재료.
  9. 청구항 1 내지 청구항 8 중 어느 한 항에 있어서, ATO는 화학식 SnO2:Sb2O3, 또는 SnO2:Sb2O5에 대응하는 것을 특징으로 하는 주석계 재료.
  10. 청구항 1 내지 청구항 9 중 어느 한 항에 있어서, ITO는 화학식 SnO2:In2O3, 또는 SnO2:In2O5에 대응하는 것을 특징으로 하는 주석계 재료.
  11. 아래 단계들에 따라, 청구항 1 내지 청구항 10 중 어느 한 항에 기재된 그래핀 및 ATO 및/또는 ITO를 기초로 하는 재료 제조 방법:
    - 그래핀 잉크를 조제하는 단계;
    - ATO 및/또는 ITO 잉크를 조제하는 단계;
    - 그래핀 잉크 및 ATO 및/또는 ITO 잉크를 첨가하는 단계;
    - 필요한 경우, 금속 나노입자 및 금속 산화물 나노입자의 혼합물 또는 금속 나노입자 및 반도체 나노입자의 혼합물을 첨가하는 단계;
    - 얻어진 혼합물을 교반하는 단계; 및
    - 상기 혼합물을 건조하여 그래핀 및 ATO 및/또는 ITO를 기초로 하는 재료를 제공하는 단계.
  12. 청구항 11에 있어서, 상기 얻어진 혼합물을 교반하는 상기 단계는 30℃ 내지 60℃의 범위의 온도에서 수행되는 것을 특징으로 하는 재료 제조 방법.
  13. 청구항 11에 있어서, 상기 혼합물의 건조는 용매의 증발에 의해 수행되는 것을 특징으로 하는 재료 제조 방법.
  14. 청구항 1 내지 청구항 10 중 어느 한 항에 기재된 재료를 포함하는 포토레지스터.
  15. 청구항 1 내지 청구항 10 중 어느 한 항에 기재된 재료를 포함하는 서미스터.
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