KR20180132248A - 나노섬유의 탄화 수축 시 결합력을 강화시키는 프레임을 이용한 메쉬 나노구조체 필름 제조 장치 - Google Patents

나노섬유의 탄화 수축 시 결합력을 강화시키는 프레임을 이용한 메쉬 나노구조체 필름 제조 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명의 일실시 예는 전기방사된 고분자 나노섬유를 탄화시키고 바로 전기 도금을 수행하여, 우수한 전기적, 기계적, 화학적, 열적 성질을 구비하는 투명전극을 제조하는 메쉬 나노구조체 필름 제조 장치를 제공한다. 본 발명의 실시 예에 따른 메쉬 나노구조체 필름 제조 장치는, 고분자 용액을 전기방사하는 실린지부; 실린지부의 하부에 이격되어 설치되며 실린지부에서 방사된 탄소나노섬유가 배열되어 나노섬유메쉬를 형성하도록 컬렉터 기능을 수행하는 컬렉터프레임; 컬렉터프레임을 지지하며 접지 역할을 하는 지그부; 컬렉터프레임의 내부 공간을 통과하여 나노섬유메쉬와 접착하는 프레임부; 나노섬유메쉬와 접착한 프레임부를 통과시키면서 나노섬유메쉬를 탄화시켜 탄소나노섬유메쉬를 생성하는 탄화부; 탄소나노섬유메쉬에 대해 전기 도금을 수행하여 하이브리드메쉬를 형성하는 전기도금부; 및 하이브리드메쉬를 기판에 전사시키는 전사부;를 포함한다.

Description

나노섬유의 탄화 수축 시 결합력을 강화시키는 프레임을 이용한 메쉬 나노구조체 필름 제조 장치{AN APPARAUS FOR MANUFACTURING FILM HAVING MASH NANO-STRUCTURE USING A FRAME THAT ENHANCE BINDING FORCE WITH NANOFIBER CONSTRICTED BY CARBONIZATION}
본 발명은 나노섬유의 탄화 수축 시 결합력을 강화시키는 프레임을 이용한 메쉬 나노구조체 필름 제조 장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 전기방사된 고분자 나노섬유를 탄화시키고 바로 전기 도금을 수행하여, 우수한 전기적, 기계적, 화학적, 열적 성질을 구비하는 투명전극을 제조하는 메쉬 나노구조체 필름 제조 장치에 관한 것이다.
투명전극은 태양전지, 디스플레이, 터치스크린, 스마트윈도우, OLED 등의 광전 소자에 필수적인 구성요소로서, 최근 플렉서블한 소자에 대한 수요가 급증함에 따라 이러한 소자에 적용하기 위하여 종래 투명전극 물질로 사용되고 있는 ITO(Indium tin oxide), ZnO, AZO(Aluminium zinc oxide), FTO(Fluorine-doped tin oxide), IGZO(Indium gallium zinc oxide), ZnSnO, SnO2 등을 포함하는 반도체산화물이나 Au, Ag, Cu, Ni 등의 금속박막을 대체할 투명전극 재료에 대한 연구가 활발히 진행 중에 있다.
또한, 단가가 저렴하면서도 유연한 필름형으로 제조가 용이하며 저저항, 고투과 특성을 유지할 수 있는 재료로 탄소나노튜브, 그래핀, 금속 나노선, 나노 입자 등을 이용한 투명전극 연구가 급증하고 있다.
최근 연구되고 있는 유연투명전극 중에서 금속-나노섬유 메쉬(metal nanofiber mesh)는 ITO투명전극을 대체할 대안으로, 전기광학적 특성이 매우 우수하며 차세대 유연투명전극으로 주목받고 있으며, 실현가능한 잠재분야로 최근 고성능 발열체(자동차용 앞유리(김서림 방지), 고온히터, 또는 주방용 요리기구) 등에 큰 관심을 받고 있는데, 이 중 특히 전기방사와 전기도금에 의해 제조되는 금속-나노섬유 메쉬는, 전기방사에 의해 매우 긴 나노섬유로 네트워크(network)를 구현함으로써, 상대적으로 낮은 나노섬유 피복률(nanofiber coverage)로 퍼콜레이션 (percolation)을 이루어 우수한 전기광학적 특성을 구현할 수 있을 뿐만 아니라, 도금에 의해 나노섬유간 자기 융착 접합(self-fused junction)을 구현할 수 있으므로 metal fiber mesh에서 해결해야 할 큰 문제인 접촉저항을 크게 낮출 수 있어 투명전극 특성을 크게 향상시킬 수 있다.
그러나 전기방사 가능한 용액은 대전(charging)을 이용할 수 있는 고분자(polymer) 용액이므로, 전기방사한 폴리머 나노섬유에 금속을 전기도금 하기 위해선 전기를 흘려줄 수 있도록 나노섬유 표면에 전도성을 부여하기 위한 부가적인 전도성 소재 또는 이를 위한 공정이 필요하다.
종래기술에선, (논문 1: adv mat. 28, 7149, 2016, "Self-Junctioned Copper Nanofiber Transparent Flexible conducting film via electrospinning and electroplating"/ 논문 2: NPG asia materials, 9, e347, 2017, "Highly flexible, patternable, transparent copper fiber heater on a complex 3D surface"), 전기 도금을 하기 위하여 전도성을 부여하기 위해, 전기방사한 고분자 나노섬유에 은(Ag) 나노 입자를 첨가하거나, 진공 증착이나 무전해 도금과 같은 금속 박막 증착공정을 이용하여 고분자 나노섬유에 금속박막을 코팅함으로써, 여러 단계의 공정이 필요하고 전기 도금을 하기 위한 부가재료가 필요한 문제점이 있다. 그리고, 제조된 투명전극을 발열체(고온 히터, 자동차 앞유리(김서림 방지) 또는 주방용 요리기구) 등에 적용할 경우, 열에 취약한 내부 고분자 변성의 가능성이 있다는 문제점도 있다.
대한민국 등록특허 제10-1079775호(발명의 명칭: 전기방사에 이은 무전해 도금을 통한 전기 전도성 나노섬유 제조 방법)에서는, a) 섬유 형성능이 있는 고분자 및 무전해 도금 촉매가 포함된 전기방사액을 제조하는 단계; b) 상기 전기방사액을 전기방사하여 10㎚ 내지 5㎛ 크기의 직경을 갖는 나노섬유를 제조하는 단계; c) 상기 나노섬유를 무전해 도금하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 금속도금 나노섬유 제조 방법이 개시되어 있다.
대한민국 공개특허 제10-2008-0001333호
상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은, 나노섬유에 전기 도금을 수행하여 투명전극을 제조 시 공정을 단순화시키고 부가 재료를 감소시키는 장치를 제공하는 것이다.
그리고, 본 발명의 목적은, 전기전도성, 기계적 성질 및 화학적 성질이 우수할 뿐만 아니라, 열전도성, 열안정성이 향상된 투명전극을 제조하는 장치를 제공하는 것이다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 이상에서 언급한 기술적 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 구성은, 고분자 용액을 전기방사하는 실린지부; 상기 실린지부의 하부에 이격되어 설치되며 상기 실린지부에서 방사된 탄소나노섬유가 배열되어 나노섬유메쉬를 형성하도록 컬렉터 기능을 수행하는 컬렉터프레임; 상기 컬렉터프레임을 지지하며 접지 역할을 하는 지그부; 상기 컬렉터프레임의 내부 공간을 통과하여 상기 나노섬유메쉬와 접착하는 프레임부; 상기 나노섬유메쉬와 접착한 상기 프레임부를 위치하여 상기 나노섬유메쉬를 탄화시켜 탄소나노섬유메쉬를 생성하는 탄화부; 상기 탄소나노섬유메쉬에 대해 전기 도금을 수행하여 하이브리드메쉬를 형성하는 전기도금부; 및 상기 하이브리드메쉬를 기판에 전사시키는 전사부;를 포함한다.
본 발명의 실시 예에 있어서, 상기 프레임부에서, 나노섬유메쉬와 접촉하는 표면의 폭인 표면폭길이는, 내부 공간 폭의 1/2인 내부폭길이의 1 내지 5배일 수 있다.
본 발명의 실시 예에 있어서, 상기 프레임부에서, 나노섬유메쉬와 접촉하는 표면의 폭인 표면폭길이는, 내부 공간 폭의 1/2인 내부폭길이의 1.5내지 2배일 수 있다.
본 발명의 실시 예에 있어서, 상기 상기 나노섬유메쉬와 접촉함에 있어 마찰력을 향상시켜 전기 방사시 결합력을 향상시키기 위한 복수의 표면 홈이 형성될 수 있다.
본 발명의 실시 예에 있어서, 상기 프레임부는, 정사각형 또는 원형의 형상일 수 있다.
본 발명의 실시 예에 있어서, 상기 프레임부는, 구리(Cu), 철(Fe), 코발트(Co), 니켈(Ni), 크롬(Cr), 티타늄(Ti) 등으로 이루어지는 고융점 금속 군에서 선택되는 하나 이상의 금속으로 형성될 수 있다.
본 발명의 실시 예에 있어서, 상기 프레임부를 상하이동 및 회전 운동 시키는 구동부를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 실시 예에 있어서, 상기 프레임부는, 다수개가 어레이를 이루도록 구성되어, 상기 나노섬유메쉬와 접착시 대면적 결합이 가능하도록 하도록 이루어질 수 있다.
본 발명의 실시 예에 있어서, 상기 탄화부에서 상기 나노섬유메쉬의 탄화 전 안정화를 위해 가열하는 온도인 제1가열온도는 200 내지 300도(℃)일 수 있다.
본 발명의 실시 예에 있어서, 상기 탄화부에서 상기 나노섬유메쉬가 탄화되도록 가열하는 온도인 제2가열온도는 800 내지 1000도(℃)일 수 있다.
본 발명의 실시 예에 있어서, 상기 기판은, 필름 형태일 수 있다.
본 발명의 실시 예에 있어서, 상기 기판은, 폴리이미드(PI), 폴리에틸렌나프탈레이트(PEN), 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET), 폴리우레탄, 폴리에터 술폰(PES) 및 폴리스타이렌(PS)으로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상의 물질로 형성될 수 있다.
본 발명의 실시 예에 있어서, 상기 나노섬유메쉬는 상기 컬렉터프레임에 패턴화되어 형성되거나 또는 부정형으로 형성될 수 있다.
상기와 같은 구성에 따른 본 발명의 효과는, 전기방사된 고분자 나노섬유에 열처리 등의 탄화과정을 수행하여 전도성을 지닌 탄소 나노섬유(carbon nanofiber)를 형성하고, 탄소 나노섬유에 추가공정 없이 바로 전기도금을 수행하므로, 공정이 단순화되고 비용이 절감될 수 있다는 것이다.
그리고, 본 발명의 효과는, 투명전극의 기계적 강도와 내열성 및 열전도성이 향상될 뿐만 아니라 화학적 생체적 안정성이 향상되며, 투명전극이 우수한 전기 전도성을 구비할 수 있다는 것이다. (부가설명: 탄소 금속 하이브리드 구조에 의해, 인장력의 영향에도 기계적 전기적 안정성을 구비하고, 도금된 금속층 내부의 탄소나노섬유는 전자수송 특성을 향상시켜 외부의 금속층과의 경계에 전자 수송을 용이하게 하여 전기적 특성을 향상시킬 수 있다. 그리고, 우수한 열전도성에 의해 고온 도달 시간이 감소하고, 내열성이 우수하며, 금속보다 낮은 열팽창계수에 의해 발열체 적용 시 열에 의한 변형이 현저히 감소할 수 있다.)
또한, 본 발명의 탄소 금속 하이브리드 구조에 의해, 인장력의 영향에도 기계적 전기적 안정성을 구비하고, 도금된 금속층 내부의 탄소나노섬유는 전자수송 특성을 향상시켜 외부의 금속층과의 경계에 전자 수송을 용이하게 하여 전기적 특성을 향상시킬 수 있을 뿐만 아니라, 우수한 열전도성에 의해 고온 도달 시간이 감소하고, 내열성이 우수하며, 금속보다 낮은 열팽창계수에 의해 발열체 적용 시 열에 의한 변형이 현저히 감소할 수 있는 장점이 있다.
또한, 본 발명의 효과는, 프리스탠딩(free-standing) 구조 (프레임에 독립적으로 걸쳐져 있는 구조)를 가지는 자유 변형 가능한 나노구조체 필름을 제조한 뒤 목표하는 구조물에 전사시킴으로써 삼차원 입체물 등의 복잡한 구조물에 도 적용할 수 있다는 것이다.
본 발명의 효과는 상기한 효과로 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 상세한 설명 또는 특허청구범위에 기재된 발명의 구성으로부터 추론 가능한 모든 효과를 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 실린지부, 컬렉터프레임 및 지그부에 대한 사시도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 컬렉터프레임을 통과하는 프레임부에 대한 모식도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 탄화부를 통과하는 프레임부에 대한 모식도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시 예에 따른 전기도금부에서 탄소나노섬유메쉬에 대해 전기 도금이 수행되는 사항에 대한 실시도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시 예에 따른 전사부에서 하이브리드메쉬를 기판에 전사하는 사항에 대한 실시도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시 예에 따른 프레임부와 다른 수치를 갖는 프레임에 대한 이미지이다.
도 7은 본 발명의 다른 실시 예에 따른 나노섬유메쉬 및 탄소나노섬유메쉬에 대한 SEM이미지이다.
도 8은 본 발명의 다른 실시 예에 따른 나노섬유메쉬 및 탄소나노섬유메쉬에 대한 SEM이미지이다.
도 9는 본 발명의 일 실시 예에 따라 탄화온도(제2가열온도)에 대한, 탄소나노섬유메쉬의 라만분광법 시험 그래프와 탄소나노섬유메쉬의 저항에 대한 그래프이다.
이하에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명을 설명하기로 한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며, 따라서 여기에서 설명하는 실시 예로 한정되는 것은 아니다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 "연결(접속, 접촉, 결합)"되어 있다고 할 때, 이는 "직접적으로 연결"되어 있는 경우뿐 아니라, 그 중간에 다른 부재를 사이에 두고 "간접적으로 연결"되어 있는 경우도 포함한다. 또한 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 구비할 수 있다는 것을 의미한다.
본 명세서에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "포함하다" 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.
이하 첨부된 도면을 참고하여 본 발명에 대하여 상세히 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 실린지부(30), 컬렉터프레임(10) 및 지그부(20)에 대한 사시도이고, 도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 컬렉터프레임(10)을 통과하는 프레임부(100)에 대한 모식도이며, 도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 탄화부(50)를 통과하는 프레임부(100)에 대한 모식도이다.
여기서, 도 2의 (a)는 프레임부(100)가 컬렉터프레임(10)을 통과하기 전을 나타내고, 도 2의 (b)는 프레임부(100)가 컬렉터프레임(10)을 통과한 후 나노섬유메쉬(210)와 접촉한 것을 나타낼 수 있다.
그리고, 도 4는 본 발명의 일 실시 예에 따른 전기도금부(60)에서 탄소나노섬유메쉬(220)에 대해 전기 도금이 수행되는 사항에 대한 실시도이고, 도 5는 본 발명의 일 실시 예에 따른 전사부에서 하이브리드메쉬(230)를 기판(40)에 전사하는 사항에 대한 실시도이다.
도 1 내지 도 5에서 보는 바와 같이, 본 발명의 메쉬 나노구조체 필름 제조 장치는, 고분자 용액을 전기방사(electrospinning)하는 실린지(syringe)부(30); 실린지부(30)의 하부에 이격되어 설치되며 실린지부(30)에서 방사된 탄소나노섬유가 배열되어 나노섬유메쉬(210)를 형성하도록 컬렉터(collector) 기능을 수행하는 컬렉터프레임(10); 컬렉터프레임(10)을 지지하며 접지(ground) 역할을 하는 지그(jig)부(20); 컬렉터프레임(10)의 내부 공간을 통과하여 나노섬유메쉬(210)와 접착하는 프레임부(100); 나노섬유메쉬(210)와 접착한 프레임부(100)를 위치하여 나노섬유메쉬(210)를 탄화시켜 탄소나노섬유메쉬(220)를 생성하는 탄화부(50); 탄소나노섬유메쉬(220)에 대해 전기 도금을 수행하여 하이브리드메쉬(230)를 형성하는 전기도금부(60); 및 하이브리드메쉬(230)를 기판(40)에 전사시키는 전사부;를 포함할 수 있다.
컬렉터(collector) 기능은, 컬렉터(collector)와 고분자 용액을 전기방사하는 실린지부(30)의 팁(tip) 사이에 전기장이 형성되고, 실린지부(30)의 팁에서 고분자 용액이 섬유와 같은 형태로 방사되는 경우, 전기장의 인력에 의해 섬유가 컬렉터에 접착되는 기능을 의미할 수 있다.
컬렉터프레임(10)이 컬렉터 기능을 수행하는 경우, 컬렉터프레임(10)에 전기가 공급되어 컬렉터프레임(10)과 실린지부(30) 사이에 전기장이 형성될 수 있다.
상기와 같이, 고분자 나노섬유로 형성된 나노섬유메쉬(210)를 탄화시켜, 상기의 나노섬유가 탄화된 탄소나노섬유로 형성되는 탄소나노섬유메쉬(220)를 생성하고, 탄소나노섬유메쉬(220)에 전기도금을 수행하여 하이브리드메쉬(230)를 형성하며, 하이브리드메쉬(230)를 기판에 전사함으로써, 전기전도도와 열전도도 및 기계적 특성이 우수하고 낮은 열팽창계수와 화학적 안정성을 가지는 탄소나노섬유의 표면에 도금으로 금속층이 형성된 구조의 탄소 금속 하이브리드 메쉬 나노구조체 필름을 제조할 수 있다.
상기와 같은 탄소 금속 하이브리드 메쉬 나노구조체 필름은, 탄소 금속 하이브리드 구조에 의해, 인장력의 영향에도 기계적 전기적 안정성을 구비하고, 도금된 금속층 내부의 탄소나노섬유는 전자수송 특성을 향상시켜 외부의 금속층과의 경계에 전자 수송을 용이하게 하여 전기적 특성을 향상시킬 수 있다. 그리고, 우수한 열전도성에 의해 고온 도달 시간이 감소하고, 내열성이 우수하며, 금속보다 낮은 열팽창계수에 의해 발열체 적용 시 열에 의한 변형이 현저히 감소할 수 있다.
프레임부(100)에서, 나노섬유메쉬(210)와 접촉하는 표면의 폭인 표면폭길이(D1)는 내부 공간 폭의 1/2인 내부폭길이(D2)의 1 내지 5배 일 수 있다. 그리고, 바람직하게는, 프레임부(100)에서, 나노섬유메쉬(210)와 접촉하는 표면의 폭인 표면폭길이(D1)는, 내부 공간 폭의 1/2인 내부폭길이(D2)의 1.5 내지 2배인 것이 좋다.
나노섬유가 탄화되면서 0.4 내지 0.6배 수축하므로, 나노섬유가 탄화된 탄소나노섬유가 프레임부(100)에 결합 지지되어 있도록 하기 위하여 프레임부(100)의 형상, 폭 등을 조절할 수 있다.
상기와 같은 표면폭길이(D1) 대비 내부폭길이(D2)의 비율(D1/D2)이 1미만인 프레임부(100)는, 탄화 단계에서 나노섬유의 수축에 의해, 프레임부(100)에 접착된 나노섬유메쉬(210)가 프레임부(100)로부터 분리되거나 나노섬유메쉬(210)에 포함된 나노섬유가 절단되어, 탄화 중 나노섬유메쉬(210)가 손상될 수 있다.
표면폭길이(D1)가 내부폭길이(D2)의 1인 경우, 프레임부(100)에 결합된 나노섬유메쉬(210)를 탄화부(50)에 통과시키면, 프레임부(100)의 표면에 접착 결합된 탄소나노섬유메쉬(220)의 탄소나노섬유 중 50% 정도의 탄소나노섬유가 프레임부(100)에 안정적으로 결합될 수 있는 것을 실험적으로 확인하였다.
그러나, 표면폭길이(D1)가 내부폭길이(D2)의 1.5배인 경우, 프레임부(100)에 결합된 나노섬유메쉬(210)를 탄화부(50)에 통과시키면, 프레임부(100)의 표면에 접착 결합된 탄소나노섬유메쉬(220)의 탄소나노섬유 중 100%의 탄소나노섬유가 프레임부(100)에 안정적으로 결합될 수 있는 것을 실험적으로 확인하였으며, 이에 따라, 탄소나노섬유메쉬(220)를 항상 프레임부(100)에 결합시키고 손실되는 현상을 방지하기 위한 프레임부(100)의 두께 형성에 있어, 표면폭길이(D1) 대비 내부폭길이(D2)의 비율(D1/D2)을 1.5 이상이 되도록 프레임부(100)를 형성하는 것이 바람직하다.
도 6은 본 발명의 일 실시 예에 따른 프레임부(100)와 다른 수치를 갖는 프레임에 대한 이미지이다.
도 6의 (a)는 표면폭길이(D1)와 내부폭길이(D2)의 비율이 1.5 : 1인 프레임부(100)에 대한 이미지이고, 도 6의 (b)는 표면폭길이(D1)와 내부폭길이(D2)의 비율이 1 : 1인 프레임에 대한 이미지이며, 도 6의 (c)는 표면폭길이(D1)와 내부폭길이(D2)의 비율이 1 : 1.5인 프레임에 대한 이미지이다.
도 6의 (a), (b), (c) 각각의 프레임에 대해 본 발명의 탄소 금속 하이브리드 메쉬 나노구조체 필름의 제조방법을 수행한 결과, 도 6의 (a)의 프레임부(100)에서 탄소나노섬유메쉬(220)가 가장 안정적으로 형성됨을 확인할 수 있었다.
프레임부(100)는, 나노섬유메쉬(210)와 접촉하는 표면에 복수 개의 홈이 형성될 수 있다.
프레임부(100)는, 나노섬유메쉬(210)와 접촉하는 표면이 헤어라인(hairline) 가공되거나 스크래치(scratch) 가공될 수 있다.
본 발명의 실시 예에서는 프레임부(100)의 표면에 상기와 같은 가공 공정이 수행된다고 설명하고 있으나, 반드시 이에 한정되는 것은 아니고, 프레임부(100)의 표면에 복수 개의 홈을 형성할 수 있는 다른 가공 공정이 이용될 수 있다.
상기와 같이 나노섬유메쉬(210)와 접촉하는 프레임부(100)의 표면에 복수 개의 홈이 형성되면, 프레임부(100)와 나노섬유메쉬(210) 간 접착력을 향상시킬 수 있다.
프레임부(100)는 사각형 또는 원형을 포함하는 형상일 수 있다. 표면폭길이(D1)와 내부폭길이(D2)의 비율을 일정하게 하기 위해서는 프레임부(100)가 정사각형으로 형성되는 것이 바람직할 수 있다. 프레임부(100)가 원형인 경우에는 원형인 내부 공간의 반지름이 내부폭길이(D2)일 수 있다.
프레임부(100)는, 구리(Cu), 철(Fe), 코발트(Co), 니켈(Ni), 크롬(Cr), 티타늄(Ti) 등으로 이루어지는 고융점 금속 군 에서 선택되는 하나 이상의 금속으로 형성될 수 있다.
본 발명의 실시 예에서는, 프레임부(100)가 상기와 같은 물질로 형성된다고 설명하고 있으나, 반드시 이에 한정되는 것은 아니다.
프레임부(100)는, 컬렉터프레임(10)의 하부 방향에서 상부 방향으로 이동하여, 컬렉터프레임(10)의 내부 공간을 통과할 수 있다.
본 발명의 실시 예에서는, 프레임부(100)가 컬렉터프레임(10)의 하부 방향에서 상부 방향으로 이동한다고 설명하고 있으나, 이에 한정되는 것은 아니고, 프레임부(100)가 컬렉터프레임(10)의 상부 방향에서 하부 방향으로 이동하여, 컬렉터프레임(10)의 내부 공간을 통과할 수 있다.
프레임부(100)는, 프레임부(100)를 상하이동 및 회전 운동 시키는 구동부와 결합할 수 있다.
구동부(미도시)는 프레임부(100)를 상하이동 운동시키는 액추에이터와 프레임부(100)를 회전 운동시키는 회전모터를 구비할 수 있다. 구동부의 구동에 의해 프레임부(100)는 상하이동 운동을 수행하여 컬렉터프레임(10)의 내부 공간을 통과함으로써 나노섬유메쉬(210)와 접착할 수 있다. 그리고, 구동부의 구동에 의해 프레임부(100)는 회전 운동을 수행하여 나노섬유메쉬(210)에 대한 접착 각도를 변경할 수 있다.
도 7은 본 발명의 일 실시 예에 따라 탄화된 나노섬유메쉬(210) 및 탄소나노섬유메쉬(220)에 대한 SEM이미지이고, 도 8은 본 발명의 다른 실시 예에 따른 나노섬유메쉬(210) 및 탄소나노섬유메쉬(220)에 대한 SEM이미지이다.
여기서, 도 7의 (a)는 탄화 전 나노섬유메쉬(210)를 형성하며 600 내지 700 나노미터(nm)의 직경을 구비하는 탄소나노섬유에 대한 SEM이미지이고, 도 7의 (b)는 나노섬유메쉬(210)의 탄화 후 수축되어 300 내지 350 나노미터(nm)의 직경을 구비하는 탄소나노섬유에 대한 SEM이미지이다.
그리고, 도 8의 (a)는 탄화 전 나노섬유메쉬(210)를 형성하며 300 내지 400 나노미터(nm)의 직경을 구비하는 탄소나노섬유에 대한 SEM이미지이고, 도 8의 (b)는 나노섬유메쉬(210)의 탄화 후 수축되어 150 내지 200 나노미터(nm)의 직경을 구비하는 탄소나노섬유에 대한 SEM이미지이다.
탄화부(50)에서 나노섬유메쉬(210)의 탄화 전 안정화를 위해 가열하는 온도인 제1가열온도는 200 내지 300도(℃)일 수 있다. 안정화 공정을 통해 고분자 나노섬유 특성이 열가소성에서 열경화성으로 변환되어 탄화시 고온공정 동안 화학적, 물리적, 열적으로 안정된 상태를 유지할 수 있다.
탄화부(50)에서 나노섬유메쉬(210)가 탄화되도록 가열하는 온도인 제2가열온도는 800 내지 1000도(℃)일 수 있으며, 바람직하게는 850 내지 900 도(℃)인 것이 좋다.
상기 실시예에서는 나노섬유메쉬(210)를 가열함으로써 탄화시키는 것을 설명하였으나, 탄화 과정으로 이에 한정되는 것은 아니며, 자외선(UV) 및 방사선과 같은 고에너지 빔을 상기 나노섬유메쉬(210)에 조사하여 상기 탄소나노섬유메쉬(220)로 탄화시켜 형성할 수 있다.
나노섬유메쉬(210)가 탄화되면, 나노섬유메쉬(210)가 탄화된 탄소나노섬유메쉬(220) 자체로 전기 전도성을 구비할 수 있다. 이에 따라, 나노섬유메쉬(210) 생성 시 나노섬유에 은 나노 입자와 같은 금속 나노 입자를 첨가하거나 나노섬유에 금속을 증착하지 않아도, 전기 도금을 수행할 수 있다. 즉, 나노섬유에 대한 간단한 열처리 등의 탄화 과정만으로 탄소나노섬유를 생성하여 전기 전도성을 부가하고 전기 도금을 수행하므로, 공정을 단순화할 수 있고, 비용 절감이 가능할 수 있다.
상기와 같은 탄화 과정은 상기 나노섬유메쉬를 가열하여 달성되거나, 또는 자외선(UV) 및 방사선과 같은 고에너지 빔을 조사하여 달성될 수 있다.
도 7 및 도 8에서 보는 바와 같이, 나노섬유메쉬(210)는 탄화되면서 수축될 수 있으며, 수축 비율에 있어서 나노섬유가 탄화된 탄소나노섬유 직경은 탄화 전 나노섬유 직경의 0.4 내지 0.6배(40%~60%)일 수 있다. 나노섬유메쉬(210)를 형성하는 나노섬유가 탄화 공정을 거쳐 탄소나노섬유가 되면서 수축됨으로써 인장 강도가 증가하고, 이에 따라, 기계적 강도가 향상될 수 있다.
제2가열온도는 800 내지 900 도 사이의 값을 갖는 것이 좋은데, 제2가열온도가 800도 미만이면, 탄소나노섬유메쉬(220)의 저항 증가로 전기 전도성이 감소하여 본 발명의 탄소 금속 하이브리드 메쉬 나노구조체 필름이 투명전극으로써 기능하는데 있어서, 효율이 저하될 수 있다. 그리고, 제2가열온도가 900도 초과이면, 탄소나노섬유메쉬(220)의 저항이 낮아져 본 발명의 탄소 금속 하이브리드 메쉬 나노구조체 필름의 기능은 향상되나, 높은 제2가열온도로 인해 가열을 위한 비용이 증가할 수 있다.
탄화부(50)는 챔버 내에 열선이 배치되어 나노섬유메쉬(210)가 접착된 프레임부(100)에 대해 가열을 수행할 수 있다. 그리고, 챔버는 복수 개로 형성될 수 있으며, 제1가열온도로 가열하는 제1챔버(미도시), 및 제2가열온도로 가열하는 제2챔버(미도시)를 구비하고, 프레임부(100)를 제1챔버 및 제2챔버로 이동시키는 이동부를 구비할 수 있다.
여기서, 탄화부(50)의 열선은 니크롬선 또는 철크롬선으로 형성될 수 있으며, 이동부는 컨베이어 벨트 또는 이동식 지그일 수 있다.
탄소나노섬유메쉬(220)에 전기 도금되는 금속은 구리(Cu), 금(Au), 은(Ag), 아연(Zn), 니켈(Ni), 크롬(Cr), 로듐(Rh), 카드뮴(Cd), 주석(Sn), 납(Pb)으로 이루어지는 군에서 선택되는 하나 이상의 금속일 수 있다.
본 발명의 실시 예에서는, 탄소나노섬유메쉬(220)에 전기 도금되는 금속이 상기와 같은 종류라고 설명하고 있으나, 반드시 이에 한정되는 것은 아니다.
본 발명의 탄소 금속 하이브리드 메쉬 나노구조체 필름에서, 도금된 금속층 내부의 탄소나노섬유는 전자수송 특성을 향상시켜 외부의 금속층과의 경계에 전자 수송을 용이하게 하여 전기적 특성을 향상시킬 수 있다.
위의 실시예에서는, 상기 나노섬유메쉬(210)를 탄화시킴으로써 전극을 띠는 상태로 만들 수 있으므로 별도의 금속 성분을 추가하지 않은 상태에서 곧바로 전기 도금을 수행하였으나, 필요에 따라 상기 나노섬유메쉬(210)를 탄화시키지 않은 상태에서 전극을 띠도록 구성함으로써 직접적인 전기 도금이 가능하도록 이루어질 수 있다.
또한, 상기 나노섬유메쉬(210)를 탄화시킨 탄소나노섬유메쉬(220)에 전기 도금을 수행하는 과정에서, 상이한 금속 군을 사용하여 전기 도금을 여러 번 수행할 수도 있으며, 이에 따라 탄소나노섬유메쉬(220)의 표면에 추가 도금층이 형성되어 카본-구리-금 과 같은 다층 구조를 형성할 수도 있다.
기판(40)은, 필름 형태일 수 있다.
그리고, 기판(40)은, 폴리이미드(PI), 폴리에틸렌나프탈레이트(PEN), 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET), 폴리우레탄, 폴리에터 술폰(PES) 및 폴리스타이렌(PS)으로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상의 물질로 형성될 수 있다.
또한, 기판(40)은, 유리(glass)로 형성될 수 있다.
본 발명의 실시 예에서는, 기판(40)이 상기에 나열된 물질로 형성된다고 설명하고 있으나, 반드시 이에 한정되는 것은 아니고, 판재 형태로 형성 시 전사 대상이 될 수 있는 물질이 사용될 수 있다.
지그부(20)는, 컬렉터프레임(10)을 상하이동 및 회전 운동시킬 수 있다.
상기와 같이 구동부에 의한 프레임부(100)의 운동에 의해 프레임부(100)와 나노섬유메쉬(210)가 접촉하여 서로 접착될 수 있거나, 또는, 프레임부(100)는 고정되고 컬렉터프레임(10)이 지그부(20)에 구비된 구동지그(미도시)에 의해 상하이동 및 회전 운동하여 프레임부(100)가 컬렉터프레임(10)의 내부 공간을 통과하게 함으로써 프레임부(100)와 나노섬유메쉬(210)가 접촉하여 서로 접착되도록 할 수 있다.
그리고, 프레임부(100)와 컬렉터프레임(10)의 상호 운동에 의해 프레임부(100)가 컬렉터프레임(10)의 내부 공간을 통과할 수 있음은 물론이다.
또한, 실린지부(30)로부터 컬렉터프레임(10)에 나노섬유를 전기방사 시, 컬렉터프레임(10)을 상하이동 또는 회전 운동시켜, 전기방사된 나노섬유의 컬렉터프레임(10)에 대한 접촉 위치를 변경시키고, 나노섬유메쉬(210)의 형상을 제어할 수 있다.
지그부(20)는, 컬렉터프레임(10)를 지지하는 일부위가 평행한 2개의 전극 형상일 수 있다.
평행한 2개의 전극 형상인 지그부(20)의 일부위(이하, 지그부전극(21)이라고 한다.)에 전기방사를 수행 시, 섬유가 일정한 간격이며 한 방향으로 배열되게 방사될 수 있다. 이는, 평행하게 설치된 2개의 전극 형상에 전기장이 일정한 방향으로 형성될 수 있기 때문일 수 있다.
나노섬유메쉬(210)는 컬렉터프레임(10)에 패턴화되어 형성되거나 또는 부정형으로 형성될 수 있다.
실린지부(30)에서 분사된 고분자 나노섬유는 컬렉터프레임(10)의 각 변에 수직 또는 평행하도록 직선형으로 전기방사되어 일정한 간격으로 패턴화되어 형성될 수 있다. 또는, 도 1에서 보는 바와 같이, 실린지부(30)에서 분사된 나노섬유는 패턴화된 형상없이 부정형으로 컬렉터프레임(10)에 전기방사되어 형성될 수 있다.
도 9는 본 발명의 일 실시 예에 따라 탄화온도(제2가열온도)에 대한, 탄소나노섬유메쉬(220)의 라만분광법 시험 그래프(도 9 (a))와 탄소나노섬유메쉬(220) 의 저항에 대한 그래프(도 9 (b))이다.
도 9의 (a)에서 보면, 1350cm-1에서 나타나는 D-peak와, 1580cm-1에서 나타나는 G-peak의 두가지 대표적인 탄소 라만 피크(peak)를 보여주는데, D-peak는 불순물(defect)에 기인하는 비결정적인 아몰퍼스 탄소입자로부터 나오고, G-peak는 결정화된 탄소입자인 흑연(graphite) 입자로부터 나오는 피크이다.
여기서, 탄소 입자가 결정화될수록 저항이 감소하고 전기 전도성이 증가할 수 있다. 그러므로, G-peak의 검출 강도가 D-peak의 검출 강도보다 크면, 해당 탄소나노섬유는 투명전극 제조에 적합한 전기 전도성을 구비한다고 할 수 있다.
도 9의 (a)에서 보는 바와 같이, 제2가열온도가 800도인 경우, G-peak의 검출 강도가 D-peak의 검출 강도보다 작게 측정되고, 이에 따라 탄소나노섬유메쉬(220)의 저항이 크고 전기 전도성이 작아 전극의 기능을 수행할 수 없음을 알 수 있다.
그러나, 제2가열온도가 850도, 900도인 경우, G-peak의 검출 강도가 D-peak의 검출 강도보다 크게 측정되고, 이에 따라 탄소나노섬유메쉬(220)의 저항이 작고 전기 전도성이 커서 전극의 기능을 수행할 수 있음을 알 수 있다.
도 9의 (b) 그래프는 제2가열온도(Carbonization Temperature)에 따른 탄소나노섬유메쉬(220)의 저항(Sheet Resistance)을 나타낼 수 있다.
도 9의 (b)에서 보는 바와 같이, 제2가열온도가 800도인 경우보다, 제1가열온도가 850도 또는 900도인 경우에 탄소나노섬유메쉬(220)의 저항이 감소하여 전기 전도성이 증가함을 알 수 있다.
본 발명의 나노섬유의 탄화 수축 시 결합력을 강화시키는 프레임을 이용한 메쉬 나노구조체 필름 제조 장치에 의해 제조되는 필름으로 형성되는 투명전극을 제조할 수 있다.
본 발명의 나노섬유의 탄화 수축 시 결합력을 강화시키는 프레임을 이용한 메쉬 나노구조체 필름 제조 장치에 의해 제조되는 필름으로 형성되는 투명전극을 구비하는 터치스크린을 제조할 수 있다.
본 발명의 나노섬유의 탄화 수축 시 결합력을 강화시키는 프레임을 이용한 메쉬 나노구조체 필름 제조 장치에 의해 제조되는 필름으로 형성되는 발열체를 제조할 수 있다. 본 발명의 실시 예에 의한 발열체는, 우수한 열전도성에 의해 고온 도달 시간이 감소하고, 내열성이 우수하며, 금속보다 낮은 열팽창계수에 의해 열에 의한 변형이 현저히 감소할 수 있다.
전술한 본 발명의 설명은 예시를 위한 것이며, 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시 예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 예를 들어, 단일형으로 설명되어 있는 각 구성 요소는 분산되어 실시될 수도 있으며, 마찬가지로 분산된 것으로 설명되어 있는 구성 요소들도 결합된 형태로 실시될 수 있다.
본 발명의 범위는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
10 : 컬렉터프레임
20 : 지그부
21 : 지그부전극
30 : 실린지부
40 : 기판
50 : 탄화부
60 : 전기도금부
100 : 프레임부
210 : 나노섬유메쉬
220 : 탄소나노섬유메쉬
230 : 하이브리드메쉬

Claims (16)

  1. 고분자 용액을 전기방사하는 실린지부;
    상기 실린지부의 하부에 이격되어 설치되며 상기 실린지부에서 방사된 탄소나노섬유가 배열되어 나노섬유메쉬를 형성하도록 컬렉터 기능을 수행하는 컬렉터프레임;
    상기 컬렉터프레임을 지지하며 접지 역할을 하는 지그부;
    상기 컬렉터프레임의 내부 공간을 통과하여 상기 나노섬유메쉬와 접착하는 프레임부;
    상기 나노섬유메쉬와 접착한 상기 프레임부를 위치하여 상기 나노섬유메쉬를 탄화시켜 탄소나노섬유메쉬를 생성하는 탄화부;
    상기 탄소나노섬유메쉬에 대해 전기 도금을 수행하여 하이브리드메쉬를 형성하는 전기도금부; 및
    상기 하이브리드메쉬를 기판에 전사시키는 전사부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 나노섬유의 탄화 수축 시 결합력을 강화시키는 프레임을 이용한 메쉬 나노구조체 필름 제조 장치.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 프레임부에서, 나노섬유메쉬와 접촉하는 표면의 폭인 표면폭길이는, 내부 공간 폭의 1/2인 내부폭길이의 1 내지 5 배인 것을 특징으로 하는 나노섬유의 탄화 수축 시 결합력을 강화시키는 프레임을 이용한 메쉬 나노구조체 필름 제조 장치.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 프레임부에서, 나노섬유메쉬와 접촉하는 표면의 폭인 표면폭길이는, 내부 공간 폭의 1/2인 내부폭길이의 1.5내지 2배인 것을 특징으로 하는 나노섬유의 탄화 수축 시 결합력을 강화시키는 프레임을 이용한 메쉬 나노구조체 필름 제조 장치.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 프레임부는, 상기 나노섬유메쉬와 접촉함에 있어 마찰력을 향상시켜 전기 방사시 결합력을 향상시키기 위한 복수의 표면 홈이 형성되는 것을 특징으로 하는 나노섬유의 탄화 수축 시 결합력을 강화시키는 프레임을 이용한 메쉬 나노구조체 필름 제조 장치.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 프레임부는, 사각형 또는 원형을 포함하는 형상인 것을 특징으로 하는 나노섬유의 탄화 수축 시 결합력을 강화시키는 프레임을 이용한 메쉬 나노구조체 필름 제조 장치.
  6. 청구항 1에 있어서,
    상기 프레임부는, 구리(Cu), 철(Fe), 코발트(Co), 니켈(Ni), 크롬(Cr), 티타늄(Ti) 등으로 이루어지는 고융점 금속 군에서 선택되는 하나 이상의 금속으로 형성되는 것을 특징으로 하는 나노섬유의 탄화 수축 시 결합력을 강화시키는 프레임을 이용한 메쉬 나노구조체 필름 제조 장치.
  7. 청구항 1에 있어서,
    상기 프레임부를 상하이동 및 회전 운동시키는 구동부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 나노섬유의 탄화 수축 시 결합력을 강화시키는 프레임을 이용한 메쉬 나노구조체 필름 제조 장치.
  8. 청구항 1에 있어서,
    상기 탄화부에서 상기 나노섬유메쉬가 탄화되도록 가열하는 온도인 제2가열온도는 800도(℃) 내지 1000도(℃)인 것을 특징으로 하는 나노섬유의 탄화 수축 시 결합력을 강화시키는 프레임을 이용한 메쉬 나노구조체 필름 제조 장치.
  9. 청구항 8에 있어서,
    상기 탄화부에서 상기 나노섬유메쉬의 탄화 전 안정화를 위해 가열하는 온도인 제1가열온도는 200 내지 300도(℃)인 것을 특징으로 하는 나노섬유의 탄화 수축 시 결합력을 강화시키는 프레임을 이용한 메쉬 나노구조체 필름 제조 장치.
  10. 청구항 1에 있어서,
    상기 기판은, 필름 형태인 것을 특징으로 하는 나노섬유의 탄화 수축 시 결합력을 강화시키는 프레임을 이용한 메쉬 나노구조체 필름 제조 장치.
  11. 청구항 10에 있어서,
    상기 기판은, 폴리이미드(PI), 폴리에틸렌나프탈레이트(PEN), 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET), 폴리우레탄, 폴리에터 술폰(PES) 및 폴리스타이렌(PS)으로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상의 물질로 형성되는 특징으로 하는 나노섬유의 탄화 수축 시 결합력을 강화시키는 프레임을 이용한 메쉬 나노구조체 필름 제조 장치.
  12. 청구항 1에 있어서,
    상기 나노섬유메쉬는 상기 컬렉터프레임에 패턴화되어 형성되거나 또는 부정형으로 형성되는 것을 특징으로 하는 나노섬유의 탄화 수축 시 결합력을 강화시키는 프레임을 이용한 메쉬 나노구조체 필름 제조 장치.
  13. 청구항 1에 있어서,
    상기 프레임부는, 다수개가 어레이를 이루도록 구성되어, 상기 나노섬유메쉬와 접착시 대면적 결합이 가능하도록 하는 것을 특징으로 하는 나노섬유의 탄화 수축 시 결합력을 강화시키는 프레임을 이용한 메쉬 나노구조체 필름 제조 장치.
  14. 청구항 1 내지 청구항 13 중 어느 하나의 항에 의한 나노섬유의 탄화 수축 시 결합력을 강화시키는 프레임을 이용한 메쉬 나노구조체 필름 제조 장치에 의해 제조되는 필름으로 형성되는 투명전극.
  15. 청구항 1 내지 청구항 13 중 어느 하나의 항에 의한 나노섬유의 탄화 수축 시 결합력을 강화시키는 프레임을 이용한 메쉬 나노구조체 필름 제조 장치에 의해 제조되는 필름으로 형성되는 투명전극을 구비하는 것을 특징으로 하는 터치스크린.
  16. 청구항 1 내지 청구항 13 중 어느 하나의 항에 의한 나노섬유의 탄화 수축 시 결합력을 강화시키는 프레임을 이용한 메쉬 나노구조체 필름 제조 장치에 의해 제조되는 필름으로 형성되는 발열체.
KR1020170068872A 2017-06-02 2017-06-02 나노섬유의 탄화 수축 시 결합력을 강화시키는 프레임을 이용한 메쉬 나노구조체 필름 제조 장치 KR102004162B1 (ko)

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