KR20150034429A

KR20150034429A - 금속 나노 와이어로 강화된 금속 나노 파티클 박막

Info

Publication number: KR20150034429A
Application number: KR20130114493A
Authority: KR
Inventors: 김택수; 고승환; 이인화; 이진환
Original assignee: 한국과학기술원
Priority date: 2013-09-26
Filing date: 2013-09-26
Publication date: 2015-04-03

Abstract

본 발명은 금속 나노 와이어(Nano wire); 및 상기 금속 나노 와이어와 동일한 금속인 금속 나노 파티클(Nano particle)을 포함하는 박막으로써, 상기 나노 와이어와 나노 파티클은 결합을 형성하는 것을 특징으로 하는 나노 와이어로 강화된 나노 파티클 박막을 제공한다. 본 발명에 따른 나노 와이어로 강화된 나노 파티클 박막은 나노 와이어가 지닌 선형 구조를 통해 전기적 특성을 향상시킬 수 있으며, 동일한 재료의 나노 파티클과 혼합하여 나노 파티클 박막을 제조함으로써, 강한 화학적 결합을 형성하게 되고, 외부의 인장 하중에 대해 저항할 수 있어 기계적 특성을 향상시킬 수 있다. 또한, 매우 긴 나노 와이어를 사용하여 횡방향의 브리징 효과뿐만 아니라, 종방향의 브리징 효과를 얻을 수 있다.

Description

금속 나노 와이어로 강화된 금속 나노 파티클 박막{Reinforcing metal nano particle thin films by metal nano wires}

본 발명은 금속 나노 와이어로 강화된 금속 나노 파티클 박막에 관한 것으로, 상세하게는 동일한 재료의 금속 나노 와이어로 강화된 금속 나노 파티클 박막에 관한 것이다.

일반적으로, 종래의 전자 기술(Electronics)은 실리콘 기판을 이용하여 다양한 재료를 고 진공 프로세스를 거쳐 그 위에 증착(Deposition)하고 소자를 만든 다음 이를 다양한 디바이스에 적용하는 기술이다.

이때, 최근 각광받는 인쇄 전자 기술(Printed electronics)의 경우 나노 파티클 잉크(Nano particle ink)를 유연 기판(Flexible substrate)에 원하는 모양으로 프린팅하여 박막 형태의 소자를 구현한다. 그리고 상기 박막 형태의 소자를 유연한 디바이스에 최종적으로 적용함으로써 전자를 구현하게 된다.

상기 방법은 유연한 기판 사용으로 연속적인 공정이 가능하고 기존의 실리콘 형태의 배치 타입이 아닌 용액공정이라는 점에서 큰 장점을 가진다. 이러한 기술은 가볍고 휴대할 수 있는 플렉서블 디스플레이(Flexible display), 전자 피부(Electrical skins), 구부릴 수 있는 태양전지(Bendable solar cell) 등과 같은 다양한 미세 전자 소자에 적용될 수 있다.

또한, 나노 파티클(Nano particle)은 기존의 벌크(Bulk) 사이즈의 물질과 비교했을 때 높은 표면적-체적 비율(Volume to surface ratio)을 가지고 있기 때문에, 벌크 사이즈의 물질이 갖는 녹는 점보다 낮은 녹는 점을 가진다. 이로 인해 나노 파티클은 공정의 온도를 낮추는 매우 중요한 역할을 하고 있으며 차세대 소재로써 활발히 연구되고 있다.

그러나, 인쇄 전자 기술의 개발은 굽힘(Bending), 늘림(Stretching) 및 비틀림(Twisting)과 같은 가혹한 환경에서 나노 파티클 박막의 균열(Crack) 또는 층간 박리(Delamination)가 발생하는 등의 기계적인 파손 문제 때문에 제한되어 있다. 나노 파티클 박막은 균열을 발생시킬 수 있는 수많은 공극(Void)과 미세 균열(Micro crack)을 가지고 있기 때문에 기계적 강도가 취약하다. 상기 균열은 금속 패터닝 과정에서의 열에너지(Thermal energy), 용매의 모세관 압력(Capillary pressure), 입자 배열 등의 다양한 응력 하에 발생한다. 이에 따라, 나노 파티클 박막의 균열을 방지하기 위한 많은 연구가 진행되고 있다.

종래의 기술을 살펴보면, Young-Chang Joo 등의 논문에서는 은 나노 입자(Silver nano particle)/다중벽 탄소 나노 튜브(Multi-walled carbon nanotube) 복합체를 사용하여 나노 파티클 박막을 제조하는 방법이 개시된 바 있다(Carbon, 50, 98-106, 2012).

또한, T. Laha 등의 논문에서는 인장 강도의 향상을 위해 탄소 나노 튜브로 강화시킨 알루미늄 나노 복합체가 개시된 바 있다(Composites: Part A, 40, 589-594, 2009).

나아가, Jacob H. Prosser 등의 논문에서는 나노 파티클 박막을 코팅하는 데 있어서, 매우 얇은 나노 파티클 박막을 여러 겹 코팅함으로써 균열을 방지하는 방법이 개시된 바 있다(Nano letters, 12, 5287-5291, 2012).

그러나, 종래 기술에서는 서로 다른 재료를 사용하여 복합체를 제조하기 때문에 통일성이 부족하여 이종 재료 간의 더욱 큰 균열이 발생할 수 있는 문제가 있다. 또한, 금속 및 이종 재료 간에는 약한 반데르 발스 힘(Van der Waals force)만이 존재하여 더 큰 균열이 발생할 수 있는 문제가 있다.

이에, 본 발명자들은 기계적 특성 및 전기적 특성이 강화된 나노 파티클 박막을 연구하던 중, 나노 파티클 박막을 제조하는 데 있어서, 나노 파티클과 동일 재료의 나노 와이어를 사용하여 종래의 이종재료 간의 접합 문제점들을 해결하고, 열처리를 통하여 더 강한 나노 와이어를 형성함으로써 기계적 특성 및 전기적 특성이 향상된 나노 파티클 박막을 개발하고, 본 발명을 완성하였다.

본 발명의 목적은 금속 나노 와이어로 강화된 금속 나노 파티클 박막을 제공하는 데 있다.

상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은

금속 나노 와이어(Nano wire); 및

상기 금속 나노 와이어와 동일한 금속인 금속 나노 파티클(Nano particle)을 포함하는 박막으로써,

상기 나노 와이어와 나노 파티클은 결합을 형성하는 것을 특징으로 하는 나노 와이어로 강화된 나노 파티클 박막을 제공한다.

본 발명에 따른 나노 와이어로 강화된 나노 파티클 박막은 나노 와이어가 지닌 선형 구조를 통해 전기적 특성을 향상시킬 수 있으며, 동일한 재료의 나노 파티클과 혼합하여 나노 파티클 박막을 제조함으로써, 강한 화학적 결합을 형성하게 되고, 외부의 인장 하중에 대해 저항할 수 있어 기계적 특성을 향상시킬 수 있다. 또한, 매우 긴 나노 와이어를 사용하여 횡방향의 브리징 효과뿐만 아니라, 종방향의 브리징 효과를 얻을 수 있다.

도 1은 본 발명에 따른 제조예 1, 실시예 1, 비교예 1에서 제조된 나노 와이어 및 나노 파티클 박막을 주사 전자 현미경(Scanning electron microscope)으로 관찰한 사진이고;
도 2는 본 발명에 따른 실시예 1에서 제조된 나노 파티클 박막의 열처리 도중에 주사 전자 현미경(Scanning electron microscope)으로 관찰한 사진이고;
도 3은 본 발명에 따른 실시예 2 및 비교예 1에서 제조된 나노 파티클 박막을 마이크로메카니컬 테스트 시스템(Micromechanical test system)으로 연신하며, 연신율에 따라 주사 전자 현미경(Scanning electron microscope)으로 관찰한 사진이고;
도 4는 본 발명에 따른 실시예 2에서 제조된 나노 파티클 박막을 마이크로메카니컬 테스트 시스템(Micromechanical test system)으로 연신하며, 연신율에 따라 주사 전자 현미경(Scanning electron microscope)으로 관찰한 사진이고;
도 5는 본 발명에 따른 실시예 1, 실시예 2 및 비교예 1에서 제조된 나노 파티클 박막을 마이크로메카니컬 테스트 시스템(Micromechanical test system)으로 연신하며, 멀티미터로 비저항을 측정한 그래프이다.

본 발명은

금속 나노 와이어(Nano wire); 및

이하, 본 발명에 따른 나노 와이어로 강화된 나노 파티클 박막에 대하여 상세히 설명한다.

인쇄 전자 기술(Printed electronics)은 나노 파티클 잉크(Nano particle ink)를 유연 기판(Flexible substrate)에 원하는 모양으로 프린팅하여 박막 형태의 소자를 구현한다. 그리고 상기 박막 형태의 소자를 유연한 디바이스에 최종적으로 적용함으로써 전자를 구현하게 된다.

또한, 나노 파티클(Nano particle)은 기존의 벌크(Bulk) 사이즈의 물질과 비교하였을 때, 표면적-체적 비율(Volume to surface ratio)이 매우 크기 때문에, 벌크 사이즈의 물질이 녹는 점보다 낮은 녹는 점을 가지는 장점이 있다.

그러나, 상기 인쇄 전자 기술을 통해 제조된 나노 파티클 박막은 굽힘(Bending), 늘림(Stretching) 및 비틀림(Twisting)과 같은 가혹한 환경에서 균열(Crack) 또는 층간 박리(Delamination)가 발생하는 등의 기계적인 파손 문제가 있다. 또한, 나노 파티클 박막은 균열을 발생시킬 수 있는 수많은 공극(Void)과 미세 균열(Micro crack)을 가지고 있기 때문에 기계적 강도가 취약하다.

상기와 같은 문제를 해결하기 위해, 종래 기술의 나노 파티클 박막은 서로 다른 재료를 복합화하여 기계적 특성 또는 전기적 특성을 향상시키려 하였으나, 서로 다른 재료로 인해 나노 파티클과 이종 물질의 접합에 문제가 있다. 이는, 상기 나노 파티클과 이종 물질에서는 화학적인 결합을 가지지 못하기 때문으로써, 물리적으로 결합 되는 반데르 발스 힘(Van der Waals force)이 작용하고 있다 하더라도, 반데르 발스 힘의 결합역이 매우 약하기 때문에 균열이 발생하기 쉬운 문제가 있다.

한편, 나노 구조물 가운데 나노 와이어(Nano wire)는 선형 구조를 가지며, 이에 따라 전자의 흐름을 향상시킬 수 있으며, 나노 크기의 직경을 가짐으로써 직경 방향으로는 나노 구조물의 특성이 나타난다.

상기와 같은 특성을 가지는 나노 와이어를 나노 파티클과 혼합하게 되면 나노 와이어는 지지체의 역할을 하게 된다. 뿐만 아니라, 나노 와이어의 선형 구조를 통해 선형 방향으로는 전자의 흐름을 도와주는 역할을 할 수 있다. 나노 파티클로만 이루어진 박막의 경우에는 전자가 이동할 때 나노 파티클 간의 계면이 전자의 흐름을 방해하는 반면, 나노 와이어를 포함하는 경우에는 나노 와이어에서 계면이 없기 때문에 빠른 전자이동이 가능하다. 그 결과 저항이 낮아지는 효과가 있다.

이와 같이, 본 발명에 따른 나노 와이어로 강화된 나노 파티클 박막은 나노 와이어가 지닌 선형 구조를 통해 전기적 특성을 향상시킬 수 있다. 또한, 동일한 재료의 나노 파티클과 혼합하여 나노 파티클 박막을 제조함으로써, 강한 화학적 결합을 형성하게 되고, 외부의 인장 하중에 대한 저항력이 향상하여 기계적 특성을 향상시킬 수 있다.

이때, 본 발명에 따른 나노 파티클 박막에 있어서, 상기 금속은 높은 전도성을 가지는 금속이면 제한되지 않고 사용할 수 있으며, 바람직하게는 은(Ag), 구리(Cu), 알루미늄(Al), 금(Au), 백금(Pt), 팔라듐(Pd) 및 코발트(Co) 등의 금속을 사용할 수 있으나, 이에 제한되지 않고 사용할 수 있다.

또한, 본 발명에 따른 나노 파티클 박막에 있어서, 상기 나노 와이어와 나노 파티클의 재료인 금속은 동일한 금속을 사용하는 것이 바람직하다. 동일한 재료를 사용하여 나노 와이어와 나노 파티클을 결합함으로서, 이종 재료를 사용하였을 때 발생하는 약한 계면 결합력을 보완할 수 있다.

나아가, 본 발명에 따른 나노 파티클 박막에 있어서, 상기 나노 와이어 직경은 50 내지 500 ㎚이고, 길이는 20 내지 200 ㎛인 것이 바람직하며, 나노와이어의 직경은 100 내지 200 ㎚이고, 길이는 50 내지 150 ㎛인 것이 더욱 바람직하다. 일반적으로 사용되는 나노 와이어는 약 20 ㎛의 길이를 가지고 있다. 이때, 본 발명에 따른 나노 와이어는 더욱 길이가 긴 나노 와이어를 사용하여 선형 구조를 통해 전자의 흐름을 향상시킬 수 있을 뿐만 아니라, 나노 파티클 박막의 파괴 메커니즘을 나노 와이어의 브리징(Bridging)을 통해 강화시킬 수 있다.

또한, 본 발명에 따른 나노 파티클 박막에 있어서, 상기 나노 파티클 직경의 크기는 10 내지 100 ㎚인 것이 바람직하다. 만약, 나노 파티클 직경의 크기가 상기 범위를 벗어나는 경우에는 나노 파티클 박막의 전기적 특성 및 기계적 특성이 감소하는 문제가 있다.

나아가, 상기 나노 와이어 및 나노 파티클의 결합은 100 내지 300 ℃의 온도에서 열처리를 통해 형성하는 것이 바람직하다. 나노 와이어로 강화된 나노 파티클 박막을 열처리함으로써, 나노 와이어와 나노 파티클 간의 디퓨전(Diffusion)을 유도할 수 있다. 이에 따라, 초기 나노 와이어의 직경보다 더 두꺼운 나노 와이어가 형성되어 더욱 강건한 나노 파티클 박막을 구현할 수 있다.

또한, 본 발명은

금속 나노 와이어를 금속 나노 파티클 잉크에 혼합하여 혼합 용액을 제조하는 단계(단계 1); 및

상기 단계 1에서 제조된 혼합 용액을 기판에 코팅하여 박막을 제조하는 단계(단계 2);를 포함하는 나노 와이어로 강화된 나노 파티클 박막의 제조방법을 제공한다.

이하, 본 발명에 따른 나노 와이어로 강화된 나노 파티클 박막의 제조방법에 대하여 각 단계별로 상세히 설명한다.

본 발명에 따른 나노 와이어로 강화된 나노 파티클 박막의 제조방법에 있어서, 단계 1은 금속 나노 와이어를 금속 나노 파티클 잉크에 혼합하여 혼합 용액을 제조하는 단계이다.

본 발명에 따른 나노 와이어는 더욱 길이가 긴 나노 와이어를 사용하여 선형 구조를 통해 전자의 흐름을 향상시켜 전기적 특성이 향상될 뿐만 아니라, 나노 파티클 박막의 파괴 메커니즘을 나노 와이어의 브리징(Bridging)을 통해 강화시킬 수 있다.

이때, 상기 단계 1의 금속은 높은 전도성을 가지는 금속이면 제한되지 않고 사용할 수 있으며, 바람직하게는 은(Ag), 구리(Cu), 알루미늄(Al), 금(Au), 백금(Pt), 팔라듐(Pd) 및 코발트(Co) 등의 금속을 사용할 수 있으나, 이에 제한되지 않고 사용할 수 있다.

또한, 상기 단계 1의 나노 와이어와 나노 파티클의 재료인 금속은 동일한 금속을 사용하는 것이 바람직하다. 동일한 재료를 사용하여 나노 와이어와 나노 파티클을 결합함으로서, 이종 재료를 사용하였을 때 발생하는 약한 계면 결합력을 보완할 수 있다.

나아가, 상기 단계 1의 나노 와이어 직경은 50 내지 500 ㎚이고, 길이는 20 내지 200 ㎛인 것이 바람직하며, 나노와이어의 직경은 100 내지 200 ㎚이고, 길이는 50 내지 150 ㎛인 것이 더욱 바람직하다. 일반적으로 사용되는 나노 와이어는 약 20 ㎛의 길이를 가지고 있다. 이때, 본 발명에 따른 나노 와이어는 더욱 길이가 긴 나노 와이어를 사용하여 선형 구조를 통해 전자의 흐름을 향상시킬 수 있을 뿐만 아니라, 나노 파티클 박막의 파괴 메커니즘을 나노 와이어의 브리징(Bridging)을 통해 강화시킬 수 있다.

또한, 상기 단계 1의 나노 파티클 직경은 10 내지 100 ㎚인 것이 바람직하다. 만약, 나노 파티클 직경이 상기 범위를 벗어나는 경우에는 나노 파티클 박막의 전기적 특성 및 기계적 특성이 감소하는 문제가 있다.

상기 단계 1의 나노 와이어는 혼합 용액에 대하여 1 내지 10 중량%인 것이 바람직하며, 1 내지 5 중량%인 것이 더욱 바람직하다. 만약, 상기 단계 1의 나노 와이어가 혼합 용액에 대하여 1 중량% 미만일 경우에는 나노 와이어를 통해 전기적 특성 및 기계적 특성을 향상시키기 어려운 문제가 있으며, 10 중량%를 초과하는 경우에는 과량의 나노 와이어로 인해, 나노 파티클 박막의 형성이 어려운 문제가 있다.

또한, 상기 단계 1의 나노 파티클은 혼합 용액에 대하여 25 내지 50 중량%인 것이 바람직하며, 30 내지 40 중량%인 것이 더욱 바람직하다. 만약, 상기 단계 1의 나노 파티클이 혼합 용액에 대하여 25 중량% 미만일 경우에는 나노 파티클 박막을 형성하기 어려운 문제가 있으며, 50 중량%를 초과하는 경우에는 나노 파티클 박막의 두께가 두꺼워 전기적 특성 및 기계적 특성이 감소하는 문제가 있다.

본 발명에 따른 나노 와이어로 강화된 나노 파티클 박막의 제조방법에 있어서, 단계 2는 상기 단계 1에서 제조된 혼합 용액을 기판에 코팅하여 박막을 제조하는 단계이다.

상기 단계 2에서는 상기 단계 1에서 제조된 나노 와이어 및 나노 파티클의 혼합 용액을 사용하여 기판, 특히 유연 기판(Flexible substrate)에 코팅하여 나노 파티클 박막을 형성할 수 있다.

이때, 상기 단계 2의 기판은 폴리에틸렌테레프탈레이트(Polyethyleneterephthalate, PET), 폴리에틸렌 나프탈레이트(Polyethylene naphthalate, PEN), 폴리카보네이트(Polycarbonate, PC), 폴리프로필렌(Polypropylene, PP), 폴리이미드(Polyimide, PI) 및 트리아세틸 셀룰로오스(Triacetylcellulose, TAC) 등의 유연 기판을 사용할 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.

또한, 상기 단계 2의 코팅은 기판 상부에 박막을 형성할 수 있는 방법이면 이에 제한되지 않고 사용할 수 있으나, 바람직하게는 스핀 코팅(Spin coating), 딥 코팅(Dip coating) 및 드롭 캐스팅(Drop casting) 등의 코팅 방법을 수행하여 형성할 수 있다.

나아가, 상기 단계 2에서 나노 파티클 박막을 형성한 후에, 상기 나노 파티클 박막을 사용하여 100 내지 300 ℃의 온도에서 열처리를 통해 나노 와이어 및 나노 파티클의 결합을 형성할 수 있다. 나노 와이어로 강화된 나노 파티클 박막을 열처리함으로써, 나노 와이어와 나노 파티클 간의 디퓨전(Diffusion)을 유도할 수 있다. 이에 따라, 초기 나노 와이어의 직경보다 더 두꺼운 나노 와이어가 형성되어 더욱 강건한 나노 파티클 박막을 구현할 수 있다.

이때, 상기 열처리를 100 ℃ 미만의 온도에서 수행할 경우에는 온도가 낮아서 열처리 효과를 기대할 수 없으며, 300 ℃를 초과하는 온도에서 수행할 경우에는 나노 파티클 박막을 형성하는 기판이 고분자 기판일 경우에 고분자 기판이 녹거나 변형되는 문제가 있다.

이하, 본 발명을 하기의 실시예 및 실험예에 의해 보다 상세하게 설명한다.

단, 하기 실시예 및 실험예는 본 발명의 내용을 예시하는 것일 뿐 발명의 범위가 실시예 및 실험예에 의해 한정되는 것은 아니다.

<제조예 1> 길이가 긴 은 나노 와이어의 제조

단계 1: 152 ℃의 온도로 가열된 오일 베스(Oil bath)에 5 mL의 에틸렌 글라이콜(Ethylene glycol)을 넣어 1 시간 동안 가열한다.

단계 2: 상기 단계 1에서 가열된 에틸렌 글라이콜에 147 mM의 폴리비닐피롤리돈(Polyvinyl pyrrolidone, PVP) 용액 1.5 mL와 94 mM의 질산은(AgNO₃) 용액 1.5 mL를 순차적으로 첨가하여 1 시간 동안 반응시켜 회색 용액을 제조한다.

그 후, 회색 용액을 여과시켜 얻은 생성물을 에탄올(Ethanol) 및 아세톤(Acetone)으로 수차례 세척하여 직경의 크기가 약 150 ㎚이며, 길이가 약 90 ㎛인 은 나노 와이어를 제조하였다.

<실시예 1> 나노 와이어로 강화된 나노 파티클 박막의 제조 1

단계 1: 제조예 1에서 제조된 은 나노 와이어 1 중량%를 은 함량이 35 중량%인 은 나노 파티클 잉크(DGP 40LT-15C, Advanced Nano Products, 입자 크기: 20~50 ㎚)에 첨가하여 혼합 용액을 제조한다.

단계 2: 폴리이미드(Polyimide, PI) 기판을 컷팅 플로터(Cutting ploter, Graphtec FC8000)를 사용하여 너비 3.0 mm, 길이 28.0 mm의 크기로 준비한다.

그 후, 상기 폴리이미드 기판 상부에 상기 단계 1에서 제조된 혼합 용액을 캐스팅(Casting)한 후, 5,000 rpm으로 30 초 동안 스핀 코팅(Spin coating)하여 나노 와이어로 강화된 나노 파티클 박막을 제조한다.

단계 3: 상기 단계 2에서 제조된 나노 와이어로 강화된 나노 파티클 박막을 150 ℃의 온도에서 30 분 동안 열처리하여 나노 와이어 및 나노 파티클을 결합시켰다.

<실시예 2> 나노 와이어로 강화된 나노 파티클 박막의 제조 2

상기 실시예 1의 단계 1에서 제조예 1에서 제조된 은 나노 와이어 3 중량% 첨가한 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일하게 수행하여 나노 와이어로 강화된 나노 파티클 박막을 제조하였다.

<비교예 1>

단계 1: 은 함량이 35 중량%인 은 나노 파티클 잉크(DGP 40LT-15C, Advanced Nano Products, 입자 크기: 20~50 ㎚)를 폴리이미드(Polyimide, PI) 기판 상부에 스핀 코팅(Spin coating)하여 나노 파티클 박막을 제조한다.

단계 2: 상기 단계 1에서 제조된 나노 파티클 박막을 150 ℃의 온도에서 30 분 동안 열처리하였다.

<실험예 1> 주사 전자 현미경 관찰 1

본 발명에 따른 나노 와이어로 강화된 나노 파티클 박막의 표면 형상을 확인하기 위하여, 상기 제조예 1, 실시예 1 및 비교예 1에서 제조된 은 나노 와이어 및 나노 파티클 박막들을 주사 전자 현미경(Scanning electron microscope, SEM)으로 관찰하였으며, 그 결과를 도 2에 나타내었다.

도 1에 나타낸 바와 같이, 나노 파티클만으로 이루어진 나노 파티클 박막인 비교예 1의 경우에는 20 내지 50 nm의 크기를 가지는 나노 파티클이 형성되어 있는 모습을 확인할 수 있으며, 제조예 1의 은 나노 와이어를 살펴보면, 매우 긴 나노 와이어의 형상을 확인할 수 있다.

상기 제조예 1의 은 나노 와이어 및 은 나노 파티클을 혼합하여 박막을 제조한 나노 와이어로 강화된 나노 파티클 박막인 실시예 1의 경우에는 나노 파티클 박막에 나노 와이어가 결합되어 있는 형상을 확인할 수 있다.

<실험예 2> 주사 전자 현미경 관찰 2

본 발명에 따른 나노 와이어로 강화된 나노 파티클 박막의 열처리에 대한 영향을 확인하기 위하여, 상기 실시예 1에서 제조된 나노 파티클 박막을 열처리 하는 도중에 주사 전자 현미경(Scanning electron microscope, SEM)으로 관찰하였으며, 그 결과를 도 2에 나타내었다.

도 2에 나타낸 바와 같이, 나노 와이어로 강화된 나노 파티클 박막의 나노 와이어 및 나노 파티클의 결합을 살펴보면, 열처리 전에는 약한 물리적 결합을 형성하고 있는 것을 확인할 수 있으며, 나노 와이어의 직경은 150 nm인 것을 확인할 수 있다. 그러나, 열처리 도중에 관찰한 도 2(b)를 살펴보면, 나노 파티클과 나노 와이어 사이에서 확산 및 성장 반응이 일어나, 강한 화학적 결합을 형성하는 것을 확인할 수 있었다. 또한, 나노 파티클이 나노 와이어에 접착되어 구형이었던 나노 파티클의 형상이 반구형으로 변화하는 것을 확인할 수 있다. 나아가, 도 2(c)를 살펴보면, 상기 반응을 통해 나노 와이어의 직경이 두꺼워지는 것을 확인할 수 있으며, 이에 따라 파괴 변형률(Failure strain)이 향상될 수 있다.

<실험예 3> 주사 전자 현미경 관찰 3

본 발명에 따른 나노 와이어로 강화된 나노 파티클 박막이 파괴되는 형상을 확인하기 위하여, 상기 실시예 2 및 비교예 1에서 제조된 나노 파티클 박막들을 마이크로메카니컬 테스트 시스템(Micromechanical test system, Delaminator adhesion test system, DTS Company, Menolo Park, CA, USA)으로 5 ㎛/s의 속도로 당겼으며, 이를 주사 전자 현미경(Scanning electron microscope, SEM)으로 관찰하였고, 그 결과를 도 3 및 도 4에 나타내었다.

도 3에 나타낸 바와 같이, 나노 파티클만으로 이루어진 나노 파티클 박막인 비교예 1의 경우에는 연신율이 0 %에서도 무수히 많고 작은 균열들이 생성되어 있었으며, 기계적 힘을 가해 당길수록 균열이 성장하여, 연신율이 20 %, 40 % 늘어날 때마다 균열이 매우 커지는 것을 확인할 수 있었다. 이러한 균열에 따라 전기적 특성 및 기계적 특성은 크게 감소하게 될 것이다.

반면, 나노 와이어로 강화된 나노 파티클 박막인 실시예 2의 경우에는 연신율이 20 %일 때, 작은 균열들이 형성되었으며, 40 %의 연신율에서 균열이 성장하여 약간 커지는 것을 확인할 수 있었다. 이에 따라, 나노 와이어를 통해 균열을 방지할 수 있음을 확인할 수 있다.

또한, 도 4에 나타낸 바와 같이, 나노 와이어로 강화된 나노 파티클 박막인 실시예 2의 경우에는 나노 와이어를 통해 종방향 및 횡방향으로 브리징 효과가 일어나며 균열 발생을 억제하는 것을 확인할 수 있다.

<실험예 4> 나노 와이어 함량 및 연신율에 따른 비저항 분석

본 발명에 따른 나노 와이어로 강화된 나노 파티클 박막의 비저항을 확인하기 위하여, 상기 실시예 1, 실시예 2 및 비교예 1에서 제조된 나노 파티클 박막들을 마이크로메카니컬 테스트 시스템(Micromechanical test system, Delaminator adhesion test system, DTS Company, Menolo Park, CA, USA)으로 5 ㎛/s의 속도로 당겼으며, 멀티미터(Keithley 2000 multimeter)를 사용하여 분석하였고, 그 결과를 도 5에 나타내었다.

도 5(a)에 나타낸 바와 같이, 나노 와이어를 포함하지 않는 비교예 1의 경우에는 가장 높은 비저항 값을 가지며, 나노 와이어의 함량이 늘어날수록 비저항이 감소하는 것을 확인할 수 있다. 이는 나노 와이어 및 나노 파티클에서의 전자 이동과 관련이 있다. 나노 파티클에서 전자의 이동은 나노 파티클 사이의 계면을 따라 이동하기 때문에 전자의 이동 경로가 복잡해지기 때문에 전자 이동도가 느리며, 나노 와이어에서는 나노 와이어의 선형 구조를 통해 더욱 빠른 전자 이동도를 보여준다.

또한, 도 5(b)에 나타낸 바와 같이, 연신율에 따른 비저항을 살펴보면, 나노 와이어를 포함하지 않는 비교예 1의 경우에는 연신율이 늘어날수록 비저항이 급격히 상승하는 것을 확인할 수 있다. 이는 비교예 1의 경우에는 연신율이 늘어날수록 매우 큰 균열이 형성되어 전기적 특성이 감소할 수 있다.

반면, 나노 와이어로 강화된 나노 파티클 박막인 실시예 1 및 실시예 2의 경우에는 연신율에 따른 비저항의 상승 폭이 낮은 것을 확인할 수 있다.

따라서, 본 발명에 따른 나노 와이어로 강화된 나노 파티클 박막은 기계적 특성 및 전기적 특성이 향상된 것을 확인할 수 있다.

Claims

금속 나노 와이어(Nano wire); 및
상기 금속 나노 와이어와 동일한 금속인 금속 나노 파티클(Nano particle)을 포함하는 박막으로써,
상기 나노 와이어와 나노 파티클은 결합을 형성하는 것을 특징으로 하는 나노 와이어로 강화된 나노 파티클 박막.
제1항에 있어서,
상기 나노 와이어의 직경은 100 내지 500 ㎚이고, 길이는 20 내지 200 ㎛인 것을 특징으로 하는 나노 와이어로 강화된 나노 파티클 박막.
제1항에 있어서,
상기 나노 와이어와 나노 파티클의 결합은 100 내지 300 ℃의 온도에서 열처리를 통해 형성하는 것을 특징으로 하는 나노 와이어로 강화된 나노 파티클 박막.