KR20160078841A - 금속 나노와이어를 기반으로 한 투명 도전성 필름 - Google Patents

Abstract

본 발명은 금속 나노와이어를 기반으로 한 투명 도전성 필름으로서, 직경이 30 nm 미만, 길이가 15 ㎛ 이상의 금속 나노와이어를 포함하는 코팅액을 제조하여 플라스틱 기재 상에 코팅함으로써 종래 기술에서의 문제점이었던 특정 휨 정도에 따라 저항값이 변하는 문제를 개선할 수 있다.

Description

금속 나노와이어를 기반으로 한 투명 도전성 필름{Transparent conducting film based on a metal nanowire}

본 발명은 금속 나노와이어를 기반으로 한 투명 도전성 필름에 관한 것이다. 더욱 상세하게, 본 발명은 30 nm 미만의 금속 나노와이어와 그에 맞는 유기층의 적층을 통해서 벤딩 성능이 개성된 금속 나노와이어를 기반으로 한 투명 도전성 필름에 관한 것이다.

현재 세계적으로 가장 많이 사용되고 있는 투명 전극 필름은 인듐 주석 산화물(Indium Tin Oxide: ITO)를 이용한 ITO 필름이다. 최근 전 세계적으로 투명 도전성 필름을 이용한 시장이 급 성장 하면서 터치 패널 사용이 증가되고, 더 우수한 성능을 요구하는 수요가 늘어남에 따라서 차세대 디스플레이로 플렉시블(Flexible) 특성을 요구하는 기술이 산업 전반으로 확산되고 있다.

플렉시블 디스플레이를 만들기 위해서는 가장 중요시되는 플렉시블 특성이 필요하다. 플렉시블 디스플레이를 위한 벤딩(Bending) 물성이 요구됨에 따라 기존에 사용하던, ITO의 경우, ITO 투명 전극의 결정화에 의한 벤딩시 크랙이 발생되어 저항 값이 변하는 문제점 있었다.

이에 최근, 전도성이 우수한 금속인 은이나 구리을 이용한 나노와이어나 메탈 메쉬(metal mesh)를 ITO 대체 소재로 사용하여 투명 전극을 개발하고 있다.

금속 나노와이어는 전극 필름의 제조를 저렴한 비용으로 진행할 수 있으며, 용액을 이용하여 롤투롤 공정을 통해 박막필름을 제조할 수 있다는 것이 가장 큰 장점이며, 특히 실버 나노와이어(Ag NWs)는 우수한 광학 특성, 유연성과 높은 전도성을 가지고 있어 투명 전도체로서의 사용에 대한 잠재력이 매우 큰 물질로 각광을 받고 있다.

Ag NWs의 탁도(haze)와 표면의 거칠기는 Ag NW의 지름에 영향을 받을 수 있으며 보통 직경이 30~200 nm, 길이가 5~80 ㎛로 종횡비(길이/직경) 125~600을 가지며 용액공정으로 생산할 수 있고, 코팅공정 및 설비가 간단하여 생산성이 높다. Ag NWs의 밀도를 조절하여 다양한 면저항(15~100 Ω/□)을 구현할 수 있지만 면저항이 낮아질수록 Ag NWs의 밀도가 증가하여 투과도가 낮아지고 탁도가 높아지는 단점을 갖고 있다. 또한, 나노 와이어들은 표면이 거칠어 낮은 병렬저항과 높은 암전류를 나타내 광 전자(optoelectronics) 소자 제작에 있어서 낮은 효율을 보이고 기판과의 접착력이 좋지 않은 단점이 있다. 따라서 낮은 면저항을 유지하면서 기판과의 접착력을 높이기 위해서는 Ag NWs의 코팅 후에 높은 온도(150 ℃)에서 열처리나 가압 등의 처리가 필요하며, 기판에 O₂ 플라즈마와 같은 표면 처리를 해야 안정적인 Ag NWs 필름을 얻을 수 있다.

이러한 방법들을 통하여 제조된 Ag NW 필름은 은의 금속적인 성질을 갖고 있어 유연한 기판에 적용이 가능하며 밴딩 테스트에서도 면저항의 변화가 거의 발생하지 않아 앞으로의 플렉시블 전자 소자에 많이 응용될 것으로 기대하고 있다.

그러나, 이런 금속 소재는 필름상 도포시 개구율이 높아서 벤딩성능에 유리한 장점이 있으나, 금속 나노와이어의 직경이 30 nm 이상인 경우, 상대적으로 개구율이 감소하고, 직경 증가로 인하여 구부려졌을 때 나노와이어에 미세한 크랙이나 절단되는 현상이 발생되어 벤딩(bending) 성능이 저하되어서 저항이 변하는 문제가 있었다. 다시 말해서, 직경이 증가하고 하는 것은 직경이 30에서 40으로 다시 50 nm로 커질수록 와이어가 두꺼워져서 구부릴 경우 절단되거나 크랙이 발생되는 것을 말하며, 유연성도 떨어지게 된다.

이에, 본 발명은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로 금속 나노와이어를 기반으로 하여 벤딩 성능을 개선시킨 투명 도전성 필름을 제공하는데 그 목적이 있다.

본 발명의 금속 나노와이어를 기반으로 한 투명 도전성 필름은, 직경이 30 nm 미만, 길이가 15 ㎛ 이상의 금속 나노와이어의 코팅액을 제조하여 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET) 필름 기재 상에 바(Bar) 코팅하여서 된 것을 특징으로 한다.

본 발명의 금속 나노와이어를 기반으로 한 투명 도전성 필름은 직경이 30 nm 미만, 길이가 15 ㎛ 이상의 금속 나노와이어를 포함하는 코팅액을 제조하여 플라스틱 기재 상에 코팅함으로써 종래 기술에서의 문제점이었던 특정 휨 정도에 따라 저항값이 변하는 문제를 개선할 수 있다.

이와 같은 본 발명을 다음에서 상세하게 설명하기로 하면 다음과 같다.

본 발명은 직경이 30 nm 미만, 길이가 15 ㎛ 이상의 금속 나노와이어를 용매에 분산하여 기재 필름에 도막을 형성하여 투명 도전성 필름을 제조하는 것에 관한 것이다. 이로 인하여 벤딩 성능이 5 R 이하에서 10만회 이상시 저항 변화율이 10% 미만을 나타내었고 필름의 Rth 값이 200 이하를 나타내었다.

본 발명에서 금속 나노와이어는 실버(Ag), 구리(Cu), 알루미늄(Al), 몰리브덴(Mo), 티탄(Ti), 니켈(Ni) 혹은 이들을 포함하는 합금, 및 금 도금된 은을 포함하는 어떤 금속에 기초할 수 있으나, 이에 한정하는 것은 아니다.

이러한 금속 나노와이어는 해당 기술분야에서 이미 잘 알려진 방법들에 의해 제조될 수 있다. 예를 들면, 실버 나노와이어는 US 2005/0056118, Science 298, 2176, 2002, Chem. Mater. 14, 4736, 2002 등에 보고된 바와 같이 소위 폴리올방법으로 알려진 합성방법에 의해 제조될 수 있으며, 은염 전구체, 에틸렌글리콜과 같은 환원용매, 및 폴리비닐피롤리돈(PVP)과 같은 캡핑제를 이용하여 1차원적 형상을 갖는 은 나노와이어를 용액상에서 합성하는 방법이 개시되어 있다. 또한, 상기의 폴리올 방법에서 캡핑제로 PVP를 이용하는 것과 달리 PVP 대신 이온성 액체를 이용하여 은 나노와이어를 합성하는 방법도 보고된 바 있다 (Angewandte Chemie, 121, 3864, 2009).

또한, 대한민국 특허공개번호 제10-2010-0055983호에서, 이온성 액체의 존재하에서 금속염 및 환원용매를 혼합, 반응시킴으로써 폴리올 환원반응을 통해 나노와이어를 제조하는 방법이 소개되어 있다.

본 발명에 의하면 금속 나노와이어 분산액 또는 코팅액을 기재 필름에 도포하고 건조하면, 기재 필름 표면에 직경이 30nm 미만, 길이가 15㎛ 이상의 금속 나노와이어가 3차원 네트워크를 이루며 형성되어 있는 투명 도전성 필름을 제조할 수 있다.

상기 기재 필름은 통상적으로 사용하는 투명필름으로서 제한적이지 않으며, 예를 들면 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET), 폴리에스터나프탈레이트, 폴리카보네이트, 폴리메틸메타크릴레이트, 폴리아크릴레이트, 폴리아크릴로니트릴, 폴리스티렌등을 포함한다.

필요에 따라 상기 기재 필름과 금속 나노와이어의 접착력을 향상시키기 위해, 상기 기재 필름 표면에 접착력 증진층, 예를 들면 유기층을 도포하거나 또는 기재 필름 표면에 코로나처리, 플라즈마처리와 같은 표면처리를 하여 사용하거나 또는 프라이머 처리를 통해 금속 나노와이어와 기재 필름과의 접착력을 증진시킬 수 있다.

본 발명에서 금속 나노와이어가 도포된 필름 위에 적용하는 오버코팅층은 아크릴계 올리고머와 모노머를 기반으로 하고, 거기에 벤딩 성능 및 광특성을 향상 시키기 위하여 불소계를 포함한 모노머 트리플로오로에틸 메타크릴레이트 타입이 사용되며 고형분은 10 % 이하로 분산되어 있는 용액을 채택하는 것이 바람직하다. 여기서 상기 모노머의 굴절율은 1.5 이하인 것이 바람직하다.

오버코팅층으로 사용하는 유기층의 경우 아크릴계 모노머의 50 % 이상 들어가는 것이 바람직하며, -F- 치환기를 3개 이상 가지고 있는 트리플루오로에틸 메타크릴레이트 타입의 모노머가 10 내지 30 중량% 들어가는 것이 바람직하다.

본 발명에서 사용하는 유기층은 Ag NW의 산화방지, 밀착력 및 표면 조도를 감소시켜서 광특성을 향상 시키는 층으로 기존 아크릴 바인더로 구성된 용액보다 불소계 모노머를 사용하여 유연성을 증가시켜 벤딩 성능을 향상시키게 된다. 기존 아크릴 모노머로 구성된 경우 5R이하에서는 아크릴 경화층에서는 크랙이 발생되어서 필름의 표면조도가 증가되어서 투과도 및 헤이즈가 변하는 문제점이 있다.

금속 나노와이어를 기재 필름에 도포하기 위한 코팅방법으로는 공지의 기술이 모두 사용될 수 있으며, 통상적으로 딥 코팅, 스핀 코팅, 바 코팅, 그라비아, 역그라비아, 오프셋 프린팅, 잉크젯 프린팅, 스프레이 코팅, 슬롯다이 코팅등이 이용될 수 있으며, 코팅방법은 특별히 제한하지 않는다.

본 발명의 금속 나노와이어를 기반으로 한 투명 도전성 필름은 직경이 30 nm 미만, 길이가 15 ㎛ 이상의 금속 나노와이어를 포함하는 코팅액을 제조하여 플라스틱 기재 상에 코팅함으로써 종래 기술에서의 문제점이었던 특정 휨 정도에 따라 저항값이 변하는 문제를 개선할 수 있다.

이하 본 발명을 실시예에 의거하여 더욱 상세히 설명하면 다음과 같으며, 다음의 실시예는 단지 예시하기 위한 것으로 본 발명을 한정하고자 하는 것은 아니다.

실시예 1

금속 와이어를 이용하여 투명도전필름을 제조하기 위하여 직경 20nm 길이 20㎛을 가지고 종횡비가 1000 이상 가지는 금속 와이어를 준비하였다. 와이어 코팅액의 경우 와이어의 고형분을 약 0.1 중량% 이상으로 코팅액을 제조하여 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET)에 일정량을 도포하여 코팅하되 Bar Coater를 이용하여 코팅하였다.

금속 와이어가 도포된 필름 위에 광특성 및 벤딩 특성을 향상 시키기 위해 트리플로오로에틸 메타크릴레이트 타입의 모노머가 10 중량% 첨가된 보호층을 오버코팅하였다.

보호층의 경우 IPA(isopropyl alcohol)와 DAA(Diacetone Alcohol)를 5:5의 비율로 혼합한 용매를 55.5 중량%, 트리플루오로에틸 메타크릴레이트 타입의 모노머를 10 중량%, 아크릴레이트 올리고머 20 중량% 및 모노머를 10 중량%, 첨가제로 아프코나 3770을 0.5 중량% 그리고 광개시제 CP-4를 4 중량% 혼합하여 제조하였다.

이에 대한 필름 특성은 다음 표 1에 나타내었다.

실시예 2

금속 와이어를 이용하여 투명도전필름을 제조하기 위하여 직경 25 nm 길이 20 ㎛ 이상을 가지고 종횡비가 800 이상을 가지는 와이어를 준비하였다. 그 이외의 방법은 상기 실시예 1과 동일하게 하였다.

이에 대한 필름 특성은 다음 표 1에 나타내었다.

비교예 1

금속 나노와이어를 이용하여 투명도전필름을 제조하기 위하여 직경 20 nm 길이 20 ㎛을 가지고 종횡비가 1000 이상 가지는 금속 나노와이어를 준비하였다.

금속 와이어 코팅액의 경우 와이어의 고형분을 약 0.1 %이상으로 코팅액을 제조하여 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET)에 일정량을 도포하여 코팅하되 Bar Coater를 이용하여 코팅하였다. 그리고 와이어 층을 보호하기 위하여 오버코팅을 하였다.

보호층의 경우 IPA(isopropyl alcohol)와 DAA(Diacetone Alcohol)를 5:5의 비율로 혼합한 용매를 55.5 중량%, 아크릴레이트 올리고머 25 중량% 및 모노머를 15중량%, 첨가제로 아프코나 3770을 0.5 중량% 그리고 광개시제 CP-4를 4 중량%를 혼합하여 제조하였다.

이에 대한 필름 특성은 다음 표 1에 나타내었다.

비교예 2

금속 와이어를 이용하여 투명도전필름을 제조하기 위하여 직경 25 nm 길이 20 ㎛ 이상을 가지고 종횡비가 800이상 가지는 와이어를 준비하였다. 그 이외의 방법은 비교예 1과 동일하게 하였다.

이에 대한 필름 특성은 다음 표 1에 나타내었다.

비교예 3

금속 와이어를 이용하여 투명도전필름을 제조하기 위하여 직경 30nm 길이 20㎛이상을 가지고 종횡비가 660이상 가지는 와이어를 준비하였다. 그 이외의 방법은 비교예 1과 동일하게 하였다.

이에 대한 필름 특성은 다음 표 1에 나타내었다.

Claims (6)

1. 금속 나노와이어를 기반으로 한 투명 도전성 필름으로서, 직경이 30 nm 미만, 길이가 15 ㎛ 이상의 금속 나노와이어의 코팅액을 제조하여 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET) 필름 기재 상에 바(Bar) 코팅하여서 된 것을 특징으로 하는 투명 도전성 필름.
2. 제 1항에 있어서, 상기 금속 나노와이어는 실버(Ag), 구리(Cu), 알루미늄(Al), 몰리브덴(Mo), 티탄(Ti), 니켈(Ni) 혹은 이들을 포함하는 합금, 및 금 도금된 은으로 이루어진 군으로부터 적어도 하나를 선택하여서 되는 투명 도전성 필름.
3. 제 1항에 있어서, 상기 기재 필름은 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET), 폴리에스터나프탈레이트, 폴리카보네이트, 폴리메틸메타크릴레이트, 폴리아크릴레이트, 폴리아크릴로니트릴 및 폴리스티렌으로 이루어진 군으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 투명 도전성 필름.
4. 제 1항에 있어서, 상기 투명 필름은 추가로 상기 금속 나노와이어 코팅층 위에 오버코팅층을 포함하는 것을 특징으로 하는 투명 도전성 필름.
5. 제 4항에 있어서, 상기 오버코팅층은 아크릴을 기반으로 하는 불소계를 포함한 모노머 용매에 금속 나노와이어가 고형분으로 10 % 이상 분산되어 있는 를 용액인 것을 특징으로 하는 투명 도전성 필름.
6. 제 5항에 있어서, 상기 상기 불소계를 포함하는 모노머는 오버코팅층은 -F- 치환기를 3개 이상 가지고 있는 트리플루오로에틸 메타크릴레이트 타입의 모노머인 것을 특징으로 하는 투명 도전성 필름.