KR20160103773A - Method for manufacturing nanowire of core-shell structure and device comprising the nanowire of core-shell structure manufactured by the same - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 코어-쉘 구조의 나노 와이어 제조방법 및 이를 통해 제조된 코어-쉘 구조의 나노 와이어를 포함하는 소자에 관한 것으로, 상세하게는, 은 나노 와이어의 마이그레이션(migration)을 방지하기 위해 코어(core)인 은 나노 와이어에 얇은 금 박막으로 이루어진 쉘(shell)이 형성된 코어-쉘 구조의 나노 와이어를 제조하는 방법에 관한 것이다.
The present invention relates to a method of manufacturing a nanowire of a core-shell structure and a device including the nanowire of the core-shell structure manufactured thereby. More particularly, the present invention relates to a method of manufacturing a core- core structure in which nanowires are formed with a shell of a thin gold film on a nanowire.
일반적으로, 나노 구조(nano structures)는, 미세 전자 소자(microelectronic devices), 화학 또는 바이오 분야의 센싱(sensing) 및 진단(diagnosis), 발광 디스플레이(light-emitting displays), 에너지 변환 및 저장, 촉매(catalysis), 약물 운반(drug delivery), 분리(separation) 및 광학 저장매체(optical storage) 등을 포함하는 다양한 분야에 적용되고 있다.
In general, nano structures are used for sensing and diagnosis of microelectronic devices, chemical or biomolecules, light-emitting displays, energy conversion and storage, catalysis catalysis, drug delivery, separation and optical storage, and the like.
또한, 나노 구조물 가운데 선형 구조를 갖는 나노 와이어(nanowire)는 선형인 물질 자체가 갖는 물성과 동시에, 직경 방향으로는 나노 구조물의 특성을 나타내므로 전자, 화학, 생물, 바이오 분야를 포함 다수의 분야에서 매우 중요한 역할을 하고 있으며 차세대 소재로써 활발히 응용되고 있다.
Among the nanostructures, nanowires having a linear structure exhibit properties of nanostructures in the diametrical direction as well as properties possessed by the linear nanomaterials. Therefore, nanowires having a linear structure in many fields including electronic, chemical, biological, and biotechnological fields It plays an important role and is actively applied as a next generation material.
나노/마이크로 구조인 나노 와이어의 형성은, 증발(evaporation) 및 응축(condensation), 물리적 기상증착(physical vapor deposition), 화학적 기상증착(chemical vapor deposition), 열적(solvothermal) 및 열수(hydrothermal) 방법과 같이 다양한 방법으로 구현이 가능하다. 다양한 방법 중, 나노 와이어, 특히 금속 나노 와이어 합성에 있어서는, 대량 생산이 가능하고, 고 수율 합성이 가능한, 폴리올(polyol) 합성 방법이 가장 많이 사용되고 있다. 특히 투명 전극 재료로 사용되고 있는 은 나노 와이어의 합성은 상용화 수준에 이르렀다.
The formation of nanowires, which are nano / microstructures, can be performed by evaporation and condensation, physical vapor deposition, chemical vapor deposition, solvothermal and hydrothermal methods, It can be implemented in various ways as well. Of the various methods, polyol synthesis methods are widely used in the synthesis of nanowires, especially metal nanowires, which can be mass-produced and synthesized at a high yield. In particular, the synthesis of silver nanowires, which are used as transparent electrode materials, has reached commercialization level.
이렇게 제작된 은 나노 와이어의 경우, 다양한 적용이 가능하지만, 투명 전극 재료 대체에 가장 많이 적용되고 있다. 은 나노 와이어를 투명 전극의 재료로 대체할 경우, 투명 전극 기반의 터치 스크린, OLED, OPV 등 다양한 소자에 적용이 가능하다. 그러나, 기존의 투명 전극 재료인 인듐산화주석(ITO)을 완벽하게 대체 하기 위해서는 아직 해결해야 할 문제점들이 남아있다.
The silver nanowires fabricated in this way can be applied in various ways, but they are most widely used to replace transparent electrode materials. When the nanowire is replaced with a transparent electrode material, it can be applied to various devices such as a transparent electrode-based touch screen, an OLED, and an OPV. However, in order to completely replace indium tin oxide (ITO), which is a transparent electrode material, problems still remain to be solved.
은 나노 와이어를 이용하여 투명 전극을 제작할 경우, 고 투명도와 저 면저항을 갖는 전극 제작이 가능하나, 은 나노 와이어의 두께에 의한 흐림도(HAZE)가 문제가 된다. 이러한, 흐림도 문제를 극복하기 위해 은 나노 와이어의 두께를 극단적으로 줄일 경우(20 nm ~ 50 nm) 흐림도의 개선을 가져 올 수 있으나, 또 다른 문제들을 야기 하게 된다. 구체적으로, 나노 와이어의 두께가 20 nm ~ 50 nm 혹은 그 이하로 줄어들 경우, 은의 마이그레이션(migration, 물질이동) 또는 산화 현상이 급격히 빨라지는 것이 그 문제이다.
When a transparent electrode is fabricated using nanowires, it is possible to fabricate an electrode having high transparency and low surface resistance, but the haze due to the thickness of the silver nanowire becomes a problem. In order to overcome this blurring problem, if the thickness of the silver nanowire is extremely reduced (20 nm to 50 nm), the cloudiness can be improved, but it causes another problem. Specifically, when the thickness of the nanowire is reduced to 20 nm to 50 nm or less, the problem is that the migration of silver or the phenomenon of oxidation is rapidly accelerated.
특히, 미세한 두께를 갖는 은 나노 와이어의 경우, 전기장 하 혹은 상온의 일반적인 상태에서도 이온의 움직임이 발생할 수 잇다. 이러한 이온의 이동은 다양한 원인이 있을 수 있으나, 주로 교차점에서 발생하는 오스트발트 숙성(ostwald ripening) 및 이온 마이그레이션(ion migration) 때문이다. 이러한 물질의 이동은 전기적 단선 혹은 성장을 통한 절연 상태 파괴 등을 초래할 수 있다.Particularly, in the case of silver nanowires having a fine thickness, ions may move even under a normal electric field or at a normal temperature. These ion movements can be caused by various causes, mainly due to ostwald ripening and ion migration at the intersections. The migration of these materials can lead to electrical breakdown or breakdown of insulation through growth.
따라서, 이러한 현상은 전극의 수명을 급격히 줄어들게 할 뿐만 아니라 나아가 은 나노 와이어를 포함하는 소자 또는 장치의 구동을 방해하게 된다.
Therefore, this phenomenon not only sharply reduces the lifetime of the electrode but also hinders the operation of the device or device including the silver nanowire.
또한, 은 나노 와이어로 제작된 투명 전극을 유기 소자 및 에너지 소자와 같은 다층 구조 소자에 적용하는 경우, 은의 화학적 반응으로 인해 소자의 수명 및 구동이 방해되고 있다.
Further, when a transparent electrode made of silver nanowires is applied to a multi-layered device such as an organic device and an energy device, lifetime and driving of the device are hindered due to chemical reaction of silver.
상기와 같은 문제점 중, 은 나노 와이어의 산화를 방지하기 위해 산화 방지막이 코팅된 은 나노 와이어를 제조하는 방법이 대한민국 공개특허 제10-2014-0011654호에 개시된 바 있다. 상기 선행특허는 산화 방지를 위한 목적으로 쉘 구조를 도입하였으나, 용액 공정이 아닌 고가의 ALD 공정을 사용하였으며, 쉘의 두께가 20 nm 이상으로 두꺼워 은 나노 와이어의 성능을 떨어뜨릴 수 있는 문제가 있다.
Among the above-described problems, a method for manufacturing silver nanowires coated with an oxidation-preventive layer to prevent oxidation of silver nanowires has been disclosed in Korean Patent Laid-Open Publication No. 10-2014-0011654. Although the prior art has introduced a shell structure for the purpose of preventing oxidation, an expensive ALD process is used instead of a solution process, and the thickness of the shell is thicker than 20 nm, which may degrade the performance of the nanowire .
이에, 본 발명자들은 은 나노 와이어의 성능 저하 요소를 모두 방지하기 위한 방법을 연구하던 중, 은 나노 와이어 분산액에 환원제 및 pH 조절제를 첨가한 혼합 용액을 제조하고, 상기 제조된 혼합 용액에 금 전구체를 주입하여 은 나노 와이어 표면에 금을 코팅하여 코어-쉘 구조의 나노 와이어를 제조하는 방법을 개발하였으며, 이를 통해 코어인 은 나노 와이어의 마이그레이션(migration) 방지 뿐만 아니라, 산화 안정성 및 화학 안정성을 확보할 수 있음을 발견하고 본 발명을 완성하였다.
The inventors of the present invention have been studying a method for preventing all of the degradation factors of silver nanowires while preparing a mixed solution containing a reducing agent and a pH adjusting agent in a silver nanowire dispersion and adding a gold precursor We have developed a method of manufacturing core-shell nanowires by coating gold on the surface of silver nanowires to prevent migration of the core nanowires as well as to ensure oxidation stability and chemical stability. And completed the present invention.
본 발명의 목적은 은 나노 와이어의 마이그레이션을 방지하여 최종적으로 은 나노 와이어의 단락을 방지할 수 있는 코어-쉘 구조의 나노 와이어를 제조하는 방법을 제공하는 데 있다.
An object of the present invention is to provide a method of manufacturing a core-shell structure nanowire capable of preventing migration of silver nanowires and finally preventing shorting of silver nanowires.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은In order to achieve the above object,
은 나노 와이어를 포함하는 분산액을 제조한 후, 상기 분산액에 환원제 및 pH 조절제를 첨가하여 혼합 용액을 제조하는 단계(단계 1); 및Preparing a dispersion containing silver nanowires, adding a reducing agent and a pH adjusting agent to the dispersion to prepare a mixed solution (step 1); And
상기 단계 1에서 제조된 혼합 용액에 금(Au) 전구체를 주입하여 은 나노 와이어 표면에 금을 코팅하는 단계(단계 2);를 포함하는 코어-쉘 구조의 나노 와이어 제조방법을 제공한다.
A gold (Au) precursor is injected into the mixed solution prepared in the
또한, 본 발명은In addition,
은 나노 와이어를 포함하는 분산액을 제조한 후, 상기 분산액에 환원제 및 pH 조절제를 첨가하여 혼합 용액을 제조하는 단계(단계 1); 및Preparing a dispersion containing silver nanowires, adding a reducing agent and a pH adjusting agent to the dispersion to prepare a mixed solution (step 1); And
상기 단계 1에서 제조된 혼합 용액에 금(Au) 전구체를 주입하여 은 나노 와이어 표면에 금 박막이 형성된 코어-쉘 구조의 나노 와이어를 제조하는 단계(단계 2);를 포함하는 나노 와이어의 단락을 방지하는 방법을 제공한다.
(Step 2) of injecting a gold (Au) precursor into the mixed solution prepared in
나아가, 본 발명은Further,
상기의 제조방법으로 제조되고, 은 나노 와이어로 이루어진 코어(core) 및 금 박막으로 이루어진 쉘(shell)을 포함하는 코어-쉘 구조의 나노 와이어를 제공한다.
A core-shell structure nanowire including a core made of silver nanowires and a shell made of a gold thin film manufactured by the above manufacturing method.
본 발명에 따른 코어-쉘 구조의 나노 와이어 제조방법은 용액 상에서 손쉽게 은 나노 와이어 표면에 미세한 쉘을 형성할 수 있으며, 금 박막을 미세하게 코팅함으로써 금의 사용량을 최소화시킬 수 있다. 또한, 코어인 은 나노 와이어의 마이그레이션을 방지하여 최종적으로 은 나노 와이어의 단락을 방지할 수 있다. 나아가, 은 나노 와이어의 산화 안정성 및 화학 안정성을 향상시킬 수 있다. 더욱 나아가, 본 발명에 따른 제조방법으로 제조된 코어-쉘 구조의 나노 와이어를 소자에 적용하는 경우 소자의 성능을 장기간 유지할 수 있다.
The core-shell structure nanowire manufacturing method according to the present invention can easily form a fine shell on the surface of silver nanowires in a solution state and can minimize the amount of gold used by finely coating the gold thin film. In addition, the core phosphor can prevent the migration of the nanowires and ultimately prevent shorting of the silver nanowires. Furthermore, it is possible to improve the oxidation stability and chemical stability of silver nanowires. Furthermore, when the nanowire of the core-shell structure manufactured by the manufacturing method according to the present invention is applied to a device, the performance of the device can be maintained for a long period of time.
도 1은 본 발명에 따른 실시예 1 및 비교예 2에서 제조된 나노 와이어를 주사 전자 현미경(SEM)으로 관찰한 사진이고;
도 2는 비교예 1에서 제조된 은 나노 와이어를 공기 중에 1 주 동안 방치한 후 주사 전자 현미경(SEM)으로 관찰한 사진이고;
도 3은 본 발명에 따른 실시예 1 및 비교예 1에서 제조된 나노 와이어를 공기 중에 1 주 동안 방치한 후 주사 전자 현미경(SEM)으로 관찰한 사진이고;
도 4는 본 발명에 따른 실시예 1 및 비교예 1에서 제조된 나노 와이어를 공기 중에 4 주 동안 방치한 후 광학 현미경으로 관찰한 사진이고;
도 5는 본 발명에 따른 실시예 1 및 비교예 1에서 제조된 나노 와이어의 시간에 따른 저항 변화를 분석한 그래프이고;
도 6은 본 발명에 따른 실시예 1 및 비교예 1에서 제조된 나노 와이어를 과산화수소에 노출시킨 후 육안으로 관찰한 사진이고;
도 7은 본 발명에 따른 실시예 1 및 비교예 1에서 제조된 나노 와이어를 과산화수소에 노출시킨 후 주사 전자 현미경(SEM)으로 관찰한 사진이다.FIG. 1 is a photograph of a nanowire produced in Example 1 and Comparative Example 2 according to the present invention observed by a scanning electron microscope (SEM); FIG.
FIG. 2 is a photograph of the silver nanowire prepared in Comparative Example 1, which was left in air for one week and observed with a scanning electron microscope (SEM); FIG.
FIG. 3 is a photograph of the nanowires prepared in Example 1 and Comparative Example 1 according to the present invention, left for one week in air and observed with a scanning electron microscope (SEM); FIG.
4 is a photograph of the nanowires prepared in Example 1 and Comparative Example 1 according to the present invention, left for 4 weeks in air and observed with an optical microscope;
5 is a graph illustrating changes in resistance of nanowires fabricated in Example 1 and Comparative Example 1 with time according to the present invention;
FIG. 6 is a photograph of the nanowire prepared in Example 1 and Comparative Example 1 according to the present invention, observed with naked eyes after exposure to hydrogen peroxide; FIG.
FIG. 7 is a photograph of a nanowire prepared in Example 1 and Comparative Example 1 according to the present invention, after exposure to hydrogen peroxide, by a scanning electron microscope (SEM). FIG.
본 발명은The present invention
은 나노 와이어를 포함하는 분산액을 제조한 후, 상기 분산액에 환원제 및 pH 조절제를 첨가하여 혼합 용액을 제조하는 단계(단계 1); 및Preparing a dispersion containing silver nanowires, adding a reducing agent and a pH adjusting agent to the dispersion to prepare a mixed solution (step 1); And
상기 단계 1에서 제조된 혼합 용액에 금(Au) 전구체를 주입하여 은 나노 와이어 표면에 금을 코팅하는 단계(단계 2);를 포함하는 코어-쉘 구조의 나노 와이어 제조방법을 제공한다.
A gold (Au) precursor is injected into the mixed solution prepared in the
이하, 본 발명에 따른 코어-쉘 구조의 나노 와이어 제조방법에 대하여 각 단계별로 상세히 설명한다.
Hereinafter, a method for manufacturing a core-shell structure nanowire according to the present invention will be described in detail for each step.
먼저, 본 발명에 따른 코어-쉘 구조의 나노 와이어 제조방법에 있어서, 단계 1은 은 나노 와이어를 포함하는 분산액을 제조한 후, 상기 분산액에 환원제 및 pH 조절제를 첨가하여 혼합 용액을 제조하는 단계이다.First, in the method of manufacturing a nanowire core-shell structure according to the present invention,
상기 단계 1에서는 은 나노 와이어를 포함하는 분산액을 제조하고, 상기 분산액에 환원 작용을 위한 환원제 및 pH 조절을 위한 pH 조절제를 첨가하여 혼합 용액을 제조한다.
In the
구체적으로, 상기 단계 1의 분산액은 폴리비닐피롤리돈(PVP), 폴리비닐페놀(PVPh), 폴리비닐알콜(PVA) 폴리비닐술폰산, 폴리비닐설페이트금속염, 폴리비닐카르복실산, 폴리비닐카르복실레이트 금속염, 폴리비닐피리딘(PVPy) 및 이들의 공중합체 등의 고분자 분산제를 포함하는 것이 바람직하다. 구체적인 일례로써 폴리비닐피롤리돈을 사용할 수 있다.
Specifically, the dispersion of
또한, 상기 단계 1의 환원제는 아스코르브산(ascorbic acid), 히드라진(hydrazine), 소듐 보로하이드라이드(sodium borohydride), 소듐 트리아세톡시보로하이드라이드(sodium triacetoxyborohydride), 리튬 알루미늄 하이드라이드(lithium aluminum hydride), 디이소부틸알루미늄 하이드라이드(diisobutylaluminum hydride), 페닐 히드라진(phenyl hydrazine), , 시스테인(cystein), 프럭토스(fructose), 리보오스(Ribose), 갈락토오스(galactose), 토코페롤(tocopherol) 및 트리에탄올 아민(triethanol amine) 등을 사용할 수 있다. 구체적인 일례로써 강력한 환원 작용을 위해 아스코르브산을 사용할 수 있다.
The reducing agent in
나아가, 상기 단계 1의 pH 조절제는 유기 염기 또는 수산화나트륨(NaOH), 수산화칼륨(KOH), 수산화암모늄(NH4OH) 및 테트라메킬암모늄 하이드록사이드(tetra methyl ammonium hydroxide, TMAH) 등을 사용할 수 있다. 구체적인 일례로써, 무기 염기 중 하나인 수산화나트륨을 pH 조절제로 사용할 수 있다.
Further, the pH adjuster of
또한, 상기 단계 1에서 혼합 용액의 pH는 9.5 이상인 것이 바람직하고, 9.5 내지 12인 것이 더욱 바람직하며, 9.5 내지 10.5인 것이 가장 바람직하다. 만약, 상기 단계 1에서 혼합 용액의 pH가 9.5 미만일 경우에는 환원제의 환원력이 충분히 발휘되지 아니하여 금 전구체의 갈바닉 치환 반응을 억제할 수 없어 코어 물질인 은 나노 와이어가 손상되면서 불균일한 금 박막이 형성되는 문제가 있다.
In addition, the pH of the mixed solution in
나아가, 상기 단계 1의 혼합 용액에서 환원제의 농도는 10 mM 내지 100 mM인 것이 바람직하다. 만약, 상기 단계 1의 혼합 용액에서 환원제의 농도가 10 mM 미만일 경우에는 이후 단계에서 금 전구체를 도입하였을 때 은 나노 와이어 표면에 금 박막이 형성되기 어려운 문제가 있으며, 100 mM을 초과하는 경우에는 분산액에 주입된 금 전구체가 분산액의 전 영역으로 고르게 확산되기 전 급속한 환원반응이 일어나 금 입자가 형성되는 문제가 있다.
Furthermore, the concentration of the reducing agent in the mixed solution of
다음으로, 본 발명에 따른 코어-쉘 구조의 나노 와이어 제조방법에 있어서, 단계 2는 상기 단계 1에서 제조된 혼합 용액에 금(Au) 전구체를 주입하여 은 나노 와이어 표면에 금을 코팅하는 단계이다.Next, in the nanowire manufacturing method of the core-shell structure according to the present invention,
상기 단계 2에서는 상기 단계 1에서 제조된 혼합 용액에 금 전구체를 주입하여 은 나노 와이어 표면에 금을 코팅함으로써 코어(core) 물질인 은 나노 와이어 표면에 금 박막으로 이루어진 쉘(shell)이 형성된 코어-쉘 구조의 나노 와이어를 제조한다.
In the
구체적으로, 상기 단계 2의 금 전구체는 사염화금산(HAuCl4), 삼염화금(AuCl3), 사염화금칼륨(KAuCl4) 및 수산화금(Au(OH)3) 등을 사용할 수 있다.Specifically, the gold precursor of
또한, 상기 단계 2는 10 ℃ 내지 40 ℃의 온도에서 수행될 수 있으며, 1 분 내지 30 분의 시간 동안 교반하며 수행될 수 있다.
In addition, the
나아가, 상기 단계 2에서 은 나노 와이어 표면에 코팅된 금의 두께는 2 nm 내지 5 nm인 것이 바람직하다. 상기와 같이 미세 박막을 형성함으로써 금의 사용량을 최소화할 수 있음과 동시에 은의 마이그레이션(migration)을 방지할 수 있다. 뿐만 아니라, 은 나노 와이어의 산화 안정성 및 화학적 안정성을 확보할 수 있다.
Further, in
나아가, 본 발명은Further,
은 나노 와이어를 포함하는 분산액을 제조한 후, 상기 분산액에 환원제 및 pH 조절제를 첨가하여 혼합 용액을 제조하는 단계(단계 1); 및Preparing a dispersion containing silver nanowires, adding a reducing agent and a pH adjusting agent to the dispersion to prepare a mixed solution (step 1); And
상기 단계 1에서 제조된 혼합 용액에 금(Au) 전구체를 주입하여 은 나노 와이어 표면에 금 박막이 형성된 코어-쉘 구조의 나노 와이어를 제조하는 단계(단계 2);를 포함하는 나노 와이어의 단락을 방지하는 방법을 제공한다.
(Step 2) of injecting a gold (Au) precursor into the mixed solution prepared in
이하, 본 발명에 따른 코어-쉘 구조의 나노 와이어의 단락을 방지하는 방법에 대하여 각 단계별로 상세히 설명한다.
Hereinafter, a method for preventing the short-circuiting of the nanowire of the core-shell structure according to the present invention will be described in detail for each step.
먼저, 본 발명에 따른 나노 와이어의 단락을 방지하는 방법에 있어서, 단계 1은 은 나노 와이어를 포함하는 분산액을 제조한 후, 상기 분산액에 환원제 및 pH 조절제를 첨가하여 혼합 용액을 제조하는 단계이다.First, in a method for preventing shorting of a nanowire according to the present invention,
상기 단계 1에서는 은 나노 와이어를 포함하는 분산액을 제조하고, 상기 분산액에 환원 작용을 위한 환원제 및 pH 조절을 위한 pH 조절제를 첨가하여 혼합 용액을 제조한다.
In the
구체적으로, 상기 단계 1의 분산액은 폴리비닐피롤리돈(PVP), 폴리비닐페놀(PVPh), 폴리비닐알콜(PVA) 폴리비닐술폰산, 폴리비닐설페이트금속염, 폴리비닐카르복실산, 폴리비닐카르복실레이트 금속염, 폴리비닐피리딘(PVPy) 및 이들의 공중합체 등의 고분자 분산제를 포함하는 것이 바람직하다. 구체적인 일례로써 폴리비닐피롤리돈을 사용할 수 있다.
Specifically, the dispersion of
또한, 상기 단계 1의 환원제는 아스코르브산(ascorbic acid), 히드라진(hydrazine), 소듐 보로하이드라이드(sodium borohydride), 소듐 트리아세톡시보로하이드라이드(sodium triacetoxyborohydride), 리튬 알루미늄 하이드라이드(lithium aluminum hydride), 디이소부틸알루미늄 하이드라이드(diisobutylaluminum hydride), 페닐 히드라진(phenyl hydrazine), , 시스테인(cystein), 프럭토스(fructose), 리보오스(Ribose), 갈락토오스(galactose), 토코페롤(tocopherol) 및 트리에탄올 아민(triethanol amine) 등을 사용할 수 있다. 구체적인 일례로써 강력한 환원 작용을 위해 아스코르브산을 사용할 수 있다.
The reducing agent in
나아가, 상기 단계 1의 pH 조절제는 유기 염기 또는 수산화나트륨(NaOH), 수산화칼륨(KOH), 수산화암모늄(NH4OH) 및 테트라메킬암모늄 하이드록사이드(tetra methyl ammonium hydroxide, TMAH) 등을 사용할 수 있다. 구체적인 일례로써, 무기 염기 중 하나인 수산화나트륨을 pH 조절제로 사용할 수 있다.
Further, the pH adjuster of
또한, 상기 단계 1에서 혼합 용액의 pH는 9.5 이상인 것이 바람직하고, 9.5 내지 12인 것이 더욱 바람직하며, 9.5 내지 10.5인 것이 가장 바람직하다. 만약, 상기 단계 1에서 혼합 용액의 pH가 9.5 미만일 경우에는 환원제의 환원력이 충분히 발휘되지 아니하여 금 전구체의 갈바닉 치환 반응을 억제할 수 없어 코어 물질인 은 나노 와이어가 손상되면서 불균일한 금 박막이 형성되는 문제가 있다.
In addition, the pH of the mixed solution in
나아가, 상기 단계 1의 혼합 용액에서 환원제의 농도는 10 mM 내지 100 mM인 것이 바람직하다. 만약, 상기 단계 1의 혼합 용액에서 환원제의 농도가 10 mM 미만일 경우에는 이후 단계에서 금 전구체를 도입하였을 때 은 나노 와이어 표면에 금 박막이 형성되기 어려운 문제가 있으며, 100 mM을 초과하는 경우에는 분산액에 주입된 금 전구체가 분산액의 전 영역으로 고르게 확산되기 전 급속한 환원반응이 일어나 금 입자가 형성되는 문제가 있다.
Furthermore, the concentration of the reducing agent in the mixed solution of
다음으로, 본 발명에 따른 나노 와이어의 단락을 방지하는 방법에 있어서, 단계 2는 상기 단계 1에서 제조된 혼합 용액에 금(Au) 전구체를 주입하여 은 나노 와이어 표면에 금 박막이 형성된 코어-쉘 구조의 나노 와이어를 제조하는 단계이다.Next, in the method for preventing shorting of the nanowire according to the present invention,
상기 단계 2에서는 상기 단계 1에서 제조된 혼합 용액에 금 전구체를 주입하여 은 나노 와이어 표면에 금을 코팅함으로써 코어(core) 물질인 은 나노 와이어 표면에 금 박막으로 이루어진 쉘(shell)이 형성된 코어-쉘 구조의 나노 와이어를 제조한다.
In the
구체적으로, 상기 단계 2의 금 전구체는 사염화금산(HAuCl4), 삼염화금(AuCl3), 사염화금칼륨(KAuCl4) 및 수산화금(Au(OH)3) 등을 사용할 수 있다.Specifically, the gold precursor of
또한, 상기 단계 2는 10 ℃ 내지 40 ℃의 온도에서 수행될 수 있으며, 1 분 내지 30 분의 시간 동안 교반하며 수행될 수 있다.
In addition, the
나아가, 상기 단계 2에서 은 나노 와이어 표면에 코팅된 금의 두께는 2 nm 내지 5 nm인 것이 바람직하다. 상기와 같이 미세 박막을 형성함으로써 금의 사용량을 최소화할 수 있음과 동시에 은의 마이그레이션(migration)을 방지할 수 있다.이에 따라, 은 나노 와이어의 단락을 방지할 수 있다.
Further, in
이와 같이, 본 발명에 따른 코어-쉘 구조의 나노 와이어 제조방법 및 나노 와이어의 단락을 방지하는 방법은 코어인 은 나노 와이어의 마이그레이션을 방지하여 최종적으로 은 나노 와이어의 단락을 방지할 수 있다. 나아가, 은 나노 와이어의 산화 안정성 및 화학 안정성을 향상시킬 수 있다. 더욱 나아가, 본 발명에 따른 제조방법으로 제조된 코어-쉘 구조의 나노 와이어를 소자에 적용하는 경우 소자의 성능을 장기간 유지할 수 있다.
As described above, the core-shell structure nanowire manufacturing method and the nanowire short-circuit prevention method according to the present invention can prevent the migration of the core phosphor nanowire, thereby preventing the short-circuiting of the silver nanowire. Furthermore, it is possible to improve the oxidation stability and chemical stability of silver nanowires. Furthermore, when the nanowire of the core-shell structure manufactured by the manufacturing method according to the present invention is applied to a device, the performance of the device can be maintained for a long period of time.
나아가, 본 발명은Further,
상기의 제조방법으로 제조되고, 은 나노 와이어로 이루어진 코어(core) 및 금 박막으로 이루어진 쉘(shell)을 포함하는 코어-쉘 구조의 나노 와이어를 제공한다.
A core-shell structure nanowire including a core made of silver nanowires and a shell made of a gold thin film manufactured by the above manufacturing method.
본 발명에 따른 코어-쉘 구조의 나노 와이어는 코어 물질인 은 나노 와이어 표면에 쉘 물질인 금 박막이 균일하게 코팅된 코어-쉘 구조의 나노 와이어로서, 은 나노 와이어의 마이그레이션을 방지할 수 있을 뿐만 아니라, 산화 안정성 및 화학 안정성이 향상되어 전극 등의 소자로 적용할 경우 소자의 성능을 장기간 유지할 수 있다.
The core-shell structure nanowire according to the present invention is a core-shell structure nanowire in which a gold thin film as a shell material is uniformly coated on the surface of a silver nanowire as a core material so that migration of silver nanowires can be prevented However, oxidation stability and chemical stability are improved, so that the performance of the device can be maintained for a long time when it is applied to an electrode or the like.
이하, 하기 실시예 및 실험예에 의하여 본 발명을 상세히 설명한다.
Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to the following examples and experimental examples.
단, 하기 실시예 및 실험예는 본 발명을 예시하는 것일 뿐 발명의 범위가 실시예 및 실험예에 의해 한정되는 것은 아니다.
It should be noted, however, that the following examples and experimental examples are illustrative of the present invention, but the scope of the invention is not limited by the examples and the experimental examples.
<실시예 1> 코어-쉘 구조의 나노 와이어 제조 1Example 1 Nanowire Production of Core-
단계 1: 폴리비닐피롤리딘(PVP) 1.1 g을 40 mL의 증류수에 녹인 후, 은 나노 와이어 0.05 g을 첨가하여 은 나노 와이어 분산액을 제조하였다.Step 1: 1.1 g of polyvinylpyrrolidine (PVP) was dissolved in 40 mL of distilled water, and 0.05 g of silver nanowire was added to prepare a silver nanowire dispersion.
그 후, 상기 제조된 은 나노 와이어 분산액에 환원제인 아스코르브산(ascorbic acid)을 100 mM이 되도록 첨가하고, pH 조절제인 수산화나트륨(NaOH)을 200 mM가 되도록 첨가하여 혼합 용액을 제조하였다.
Then, ascorbic acid, which is a reducing agent, was added to the prepared silver nanowire dispersion so as to have a concentration of 100 mM, and 200 mM sodium hydroxide (NaOH), which is a pH adjusting agent, was added thereto to prepare a mixed solution.
단계 2: 상기 단계 1에서 제조된 혼합 용액에 금 전구체로 0.1 mM의 사염화금산(HAuCl4) 수용액 8 mL를 40 L/min의 속도로 천천히 주입하며 상온에서 10 분간 교반 및 반응시켜 코어-쉘 구조의 나노 와이어를 제조하였다.
Step 2: 8 mL of a 0.1 mM aqueous solution of HAuCl 4 as a gold precursor was slowly injected into the mixed solution prepared in
<비교예 1> 은 나노 와이어의 제조 1≪ Comparative Example 1 > Preparation of
상용화된 은 나노 와이어로, (주)엔앤비사의 SNW-006 제품을 준비하였다.
As a commercially available silver nanowire, SNW-006 product of EN & N Co., Ltd. was prepared.
<비교예 2> ≪ Comparative Example 2 &
단계 1: 은 나노 와이어 10 mg 을 100 mL의 증류수에 첨가하여 은 나노 와이어 분산액을 제조하였다.
Step 1: Silver nanowire 10 mg was added to 100 mL of distilled water to prepare a silver nanowire dispersion.
단계 2: 상기 단계 2에서 제조된 은 나노 와이어 분산액을 99 ℃의 온도까지 가열한 후, 해당 온도를 유지하면서 10 분간 교반하여주고, 금 전구체로 10 mM의 사염화금산(HAuCl4) 수용액 3.3 mL를 첨가하고 다시 10 분간 교반하여 코어-쉘 구조의 나노 와이어를 제조하였다.
Step 2: The silver nanowire dispersion prepared in
<실험예 1> 주사 전자 현미경(SEM) 및 광학 현미경 관찰<Experimental Example 1> Scanning electron microscope (SEM) and optical microscopic observation
본 발명에 따른 제조방법으로 제조된 코어-쉘 구조 나노 와이어의 표면 형상 및 마이그레이션 현상을 살펴보기 위하여, 상기 실시예 1, 비교예 1 및 비교예 2에서 제조된 나노 와이어를 주사 전자 현미경(SEM) 및 광학 현미경으로 관찰하였으며, 그 결과를 도 1 내지 4에 나타내었다.
The nanowires prepared in Example 1, Comparative Example 1 and Comparative Example 2 were observed under a scanning electron microscope (SEM) to examine the surface shape and migration phenomena of the core-shell structure nanowires produced by the manufacturing method according to the present invention. And an optical microscope, and the results are shown in Figs. 1 to 4. Fig.
도 1에 나타낸 바와 같이, 종래 은 나노 와이어에 금을 코팅하는 갈바닉 치환 방법으로 제조된 나노 와이어인 비교예 2의 경우에는 은 나노 와이어 표면에 코팅된 금 박막이 균일하지 못하고, 두께 역시 일정하게 조절하기 어려운 문제가 있는 것을 확인할 수 있었다. 또한, 쉘로 형성된 금 박막의 구조가 매우 불균일할 뿐만 아니라, 치환(부식)이 일어나게 되어 코어인 은 나노 와이어의 형태가 손상된 것으 확인할 수 있다.As shown in FIG. 1, in the case of Comparative Example 2, which is a nanowire produced by a galvanic replacement method in which gold is coated on a nanowire, the gold thin film coated on the silver nanowire surface is not uniform, And it was confirmed that there is a problem that is difficult to do. In addition, the structure of the gold thin film formed by the shell is not only very uneven, but also the substitution (corrosion) occurs, so that the shape of the core phosphor nanowire is damaged.
반면, 본 발명의 제조방법으로 제조된 코어-쉘 구조의 나노 와이어인 실시예 1의 경우에는 코어인 은 나노 와이어의 형태가 존재하는 상태에서 매우 미세한 두께의 금 박막으로 이루어진 쉘이 형성된 것을 확인할 수 있었다.
On the other hand, in the case of Example 1, which is a core-shell structure nanowire fabricated by the manufacturing method of the present invention, it is confirmed that a shell made of a gold thin film with a very fine thickness is formed in the state where the core phosphor nanowire exists there was.
한편, 도 2에 나타낸 바와 같이, 미세한 두께를 갖는 은 나노 와이어인 비교예 1의 경우 상온의 일반적인 상태에서 1 주 동안이 경과하였을 때 이온의 움직임이 발생하는 것을 확인할 수 있다. 이러한 이온의 이동은 다양한 원인이 있을 수 있으나, 주로 교차점에서 발생하는 오스트발트 숙성(ostwald ripening) 및 이온 마이그레이션(ion migration) 때문이며, 이러한 물질의 이동은 전기적 단선 혹은 성장을 통한 절연 상태 파괴 등을 초래할 수 있다.On the other hand, as shown in FIG. 2, in the case of Comparative Example 1, which is a silver nanowire having a minute thickness, it can be seen that ions move when a period of one week elapses under a normal state at room temperature. The migration of these ions can be caused by various causes, but mainly due to ostwald ripening and ion migration at the intersections. The migration of these materials causes electrical breakdown or insulation breakdown through growth .
또한, 도 3에 나타낸 바와 같이, 비교예 1의 경우에는 은 나노 와이어의 마이그레이션 현상이 발생한 것을 확인할 수 있었다.Further, as shown in Fig. 3, in the case of Comparative Example 1, it was confirmed that migration of silver nanowires occurred.
반면, 본 발명에 따른 제조방법으로 제조된 코어-쉘 구조의 나노 와이어인 실시예 1의 경우에는 은 나노 와이어의 마이그레이션 현상이 지연되는 것을 확인할 수 있었다.
On the other hand, in the case of Example 1, which is a core-shell structure nanowire fabricated by the manufacturing method according to the present invention, migration of silver nanowires was delayed.
나아가, 도 4에 나타낸 바와 같이, 비교예 1 및 실시예 1의 나노 와이어를 4 주 동안 동안 방치한 후, 광학 현미경으로 관찰한 결과, 비교예 1의 경우에는 은 나노 와이어의 마이그레이션 뿐만 아니라 쉽게 산화된 것을 확인할 수 있었다.Further, as shown in Fig. 4, the nanowires of Comparative Example 1 and Example 1 were allowed to stand for 4 weeks, and then observed with an optical microscope. As a result, in Comparative Example 1, migration of silver nanowires as well as oxidation .
반면, 실시예 1의 코어-쉘 구조 나노 와이어는 마이그레이션 현상 및 산화를 지연시킬 수 있음을 확인할 수 있었다.
On the other hand, it was confirmed that the core-shell structure nanowire of Example 1 can delay the migration phenomenon and oxidation.
<실험예 2> 저항 분석≪ Experimental Example 2 >
본 발명에 따른 제조방법으로 제조된 코어-쉘 구조 나노 와이어의 시간에 따른 저항 변화를 확인하기 위하여, 상기 실시예 1 및 비교예 1에서 제조된 나노 와이어의 시간에 따른 저항 변화를 관찰하였으며, 그 결과를 도 5에 나타내었다.
In order to confirm the change in resistance of the core-shell structure nanowire fabricated by the manufacturing method according to the present invention over time, the change in resistance of the nanowire fabricated in Example 1 and Comparative Example 1 with time was observed, The results are shown in Fig.
도 5에 나타낸 바와 같이, 비교예 1의 은 나노 와이어는 시간이 지남에 따라 마이그레이션 현상 및 산화 반응이 발생하여 초기 저항 값을 상당히 잃게 된다.As shown in FIG. 5, the silver nanowires of Comparative Example 1 migrate and oxidize over time, so that the initial resistance value is significantly lost.
반면, 본 발명에 따른 제조방법으로 제조된 코어-쉘 구조의 나노 와이어인 실시예 1의 경우에는 저항 변화가 비교예 1에 비해 훨씬 완만하며, 상당 기간 동안 초기 저항 값을 유지할 수 있는 것을 확인할 수 있었다.
On the other hand, in the case of Example 1, which is the core-shell structure nanowire fabricated by the manufacturing method according to the present invention, the resistance change is much slower than that of Comparative Example 1, and it is confirmed that the initial resistance value can be maintained for a considerable period of time there was.
<실험예 3> 부식 특성 분석EXPERIMENTAL EXAMPLE 3 Analysis of Corrosion Characteristics
본 발명에 따른 제조방법으로 제조된 코어-쉘 구조 나노 와이어의 부식 특성을 확인하기 위하여, 상기 실시예 1 및 비교예 1에서 제조된 나노 와이어에 과산화수소(H2O2)를 도포한 후 그 표면 형상을 육안 및 주사 전자 현미경(SEM)으로 관찰하였으며, 그 결과를 도 6 및 도 7에 나타내었다.
In order to confirm the corrosion characteristics of the core-shell structure nanowires manufactured by the manufacturing method according to the present invention, hydrogen peroxide (H 2 O 2 ) was applied to the nanowires prepared in Example 1 and Comparative Example 1, The morphology was observed with a naked eye and a scanning electron microscope (SEM), and the results are shown in FIG. 6 and FIG.
도 6 및 도 7에 나타낸 바와 같이, 비교예 1의 은 나노 와이어는 과산화수소에 노출되었을 때, 급격한 에칭(etching) 및 재결합을 통해 그 형태가 변하는 것을 확인할 수 있었다.As shown in FIG. 6 and FIG. 7, it was confirmed that the silver nanowire of Comparative Example 1 changed its shape through abrupt etching and recombination when exposed to hydrogen peroxide.
반면, 본 발명에 따른 제조방법으로 제조된 코어-쉘 구조의 나노 와이어인 실시예 1의 경우에는 금 박막으로 이루어진 쉘에 의해 초기의 나노 와이어 형태를 유지하는 것을 확인할 수 있다.On the other hand, in the case of Example 1, which is a core-shell structure nanowire fabricated by the manufacturing method according to the present invention, it can be confirmed that the initial nanowire shape is maintained by the shell made of the gold thin film.
Claims (10)
상기 단계 1에서 제조된 혼합 용액에 금(Au) 전구체를 주입하여 은 나노 와이어 표면에 금을 코팅하는 단계(단계 2);를 포함하는 코어-쉘 구조의 나노 와이어 제조방법.
Preparing a dispersion containing silver nanowires, adding a reducing agent and a pH adjusting agent to the dispersion to prepare a mixed solution (step 1); And
And a step (2) of injecting a gold (Au) precursor into the mixed solution prepared in step 1 to coat gold on the silver nanowire surface (step 2).
상기 단계 1의 분산액은 폴리비닐피롤리돈(PVP), 폴리비닐페놀(PVPh), 폴리비닐알콜(PVA) 폴리비닐술폰산, 폴리비닐설페이트금속염, 폴리비닐카르복실산, 폴리비닐카르복실레이트 금속염, 폴리비닐피리딘(PVPy) 및 이들의 공중합체로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1 종 이상의 고분자 분산제를 포함하는 것을 특징으로 하는 코어-쉘 구조의 나노 와이어 제조방법.
The method according to claim 1,
Wherein the dispersion of step 1 is selected from the group consisting of polyvinylpyrrolidone (PVP), polyvinylphenol (PVPh), polyvinyl alcohol (PVA) polyvinylsulfonic acid, polyvinylsulfate metal salt, polyvinylcarboxylic acid, polyvinylcarboxylate metal salt, Polyvinylpyridine (PVPy), and copolymers thereof. 2. The method of claim 1, wherein the core-shell structure comprises at least one polymer dispersant.
상기 단계 1의 환원제는 아스코르브산(ascorbic acid), 히드라진(hydrazine), 소듐 보로하이드라이드(sodium borohydride), 소듐 트리아세톡시보로하이드라이드(sodium triacetoxyborohydride), 리튬 알루미늄 하이드라이드(lithium aluminum hydride), 디이소부틸알루미늄 하이드라이드(diisobutylaluminum hydride), 페닐 히드라진(phenyl hydrazine), , 시스테인(cystein), 프럭토스(fructose), 리보오스(Ribose), 갈락토오스(galactose), 토코페롤(tocopherol) 및 트리에탄올 아민(triethanol amine)으로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1 종 이상인 것을 특징으로 하는 코어-쉘 구조의 나노 와이어 제조방법.
The method according to claim 1,
The reducing agent in step 1 may be selected from the group consisting of ascorbic acid, hydrazine, sodium borohydride, sodium triacetoxyborohydride, lithium aluminum hydride, di Diisobutylaluminum hydride, phenyl hydrazine, cystein, fructose, ribose, galactose, tocopherol, and triethanol amine. Wherein the core-shell structure is at least one selected from the group consisting of a core-shell structure and a core-shell structure.
상기 단계 1의 pH 조절제는 유기 염기 또는 수산화나트륨(NaOH), 수산화칼륨(KOH), 수산화암모늄(NH4OH) 및 테트라메킬암모늄 하이드록사이드(tetra methyl ammonium hydroxide, TMAH)로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1 종 이상의 무기 염기인 것을 특징으로 하는 코어-쉘 구조의 나노 와이어 제조방법.
The method according to claim 1,
PH adjusting agent in step 1 is selected from the group consisting of an organic base or sodium hydroxide (NaOH), potassium hydroxide (KOH), ammonium hydroxide (NH 4 OH) and tetra mekil ammonium hydroxide (tetra methyl ammonium hydroxide, TMAH) Wherein the core-shell structure is at least one inorganic base.
상기 단계 1에서 혼합 용액의 pH는 9.5 이상인 것을 특징으로 하는 코어-쉘 구조의 나노 와이어 제조방법.
The method according to claim 1,
Wherein the pH of the mixed solution in step 1 is 9.5 or more.
상기 단계 1의 혼합 용액에서 환원제의 농도는 10 mM 내지 100 mM인 것을 특징으로 하는 코어-쉘 구조의 나노 와이어 제조방법.
The method according to claim 1,
Wherein the concentration of the reducing agent in the mixed solution of step 1 is 10 mM to 100 mM.
상기 단계 2의 금 전구체는 사염화금산(HAuCl4), 삼염화금(AuCl3), 사염화금칼륨(KAuCl4) 및 수산화금(Au(OH)3)으로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1 종 이상인 것을 특징으로 하는 코어-쉘 구조의 나노 와이어 제조방법.
The method according to claim 1,
The gold precursor of step 2 is at least one selected from the group consisting of HAuCl 4 , AuCl 3 , KAuCl 4 and Au (OH) 3 . Of the core-shell structure.
상기 단계 2에서 은 나노 와이어 표면에 코팅된 금의 두께는 2 nm 내지 5 nm인 것을 특징으로 하는 코어-쉘 구조의 나노 와이어 제조방법.
The method according to claim 1,
Wherein the thickness of gold coated on the silver nanowire surface in step 2 is from 2 nm to 5 nm.
상기 단계 1에서 제조된 혼합 용액에 금(Au) 전구체를 주입하여 은 나노 와이어 표면에 금 박막이 형성된 코어-쉘 구조의 나노 와이어를 제조하는 단계(단계 2);를 포함하는 나노 와이어의 단락을 방지하는 방법.
Preparing a dispersion containing silver nanowires, adding a reducing agent and a pH adjusting agent to the dispersion to prepare a mixed solution (step 1); And
(Step 2) of injecting a gold (Au) precursor into the mixed solution prepared in step 1 to prepare a core-shell structure nanowire having a gold thin film formed on the silver nanowire surface (step 2) How to prevent.
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