KR20190121562A - 나노와이어 복합체 및 그 제조방법 - Google Patents

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KR20190121562A
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최수지
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서울대학교산학협력단
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Abstract

나노와이어 복합체 및 제조방법이 제공된다. 상기 나노와이어 복합체는 나노와이어 및 상기 나노와이어가 분산되어 있는 신축성 고분자를 포함할 수 있다. 상기 나노와이어 복합체 제조방법은 나노와이어를 형성하는 단계 및 상기 나노와이어와 신축성 고분자를 혼합하여 나노와이어 복합체를 형성하는 단계를 포함할 수 있다.

Description

나노와이어 복합체 및 그 제조방법{NANOWIRE COMPOSITE AND MANUFACTURING METHOD THEREOF}
본 발명은 나노와이어 복합체 및 그 제조방법에 관한 것이다.
은 나노와이어는 높은 화학적 안정성, 전기 전도성 및 열 전도성을 가진다. 은 나노와이어의 길이, 직경 등은 이러한 은 나노와이어의 성질에 영향을 미칠 수 있다. 예를 들어, 길이가 길수록 전도성을 더욱 효율적으로 획득할 수 있다. 은 나노와이어는 주로 스트레쳐블(stretchable) 소자의 전도성 물질로 사용될 수 있고, 그 외 전기, 자기, 광학 소자 및 센서 등에 광범위하게 응용될 수 있다.
하지만, 길이가 긴 은 나노와이어를 제조할 때 뭉침 현상이 심해 표면 리간드를 치환하는 단계로의 진행에 어려움이 있다. 또한, 기존의 스트레처블 전극은 신축성이 있으나, 그에 비해 전도성이 좋지 못하여 실제 적용하기에는 전력 소모량이 매우 커 비효율적이다.
상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여, 본 발명은 고효율의 나노와이어 복합체를 제공한다.
본 발명은 상기 나노와이어 복합체 제조방법을 제공한다.
본 발명의 다른 목적들은 다음의 상세한 설명과 첨부한 도면으로부터 명확해 질 것이다.
본 발명의 실시예들에 따른 나노와이어 복합체는 나노와이어 및 상기 나노와이어가 분산되어 있는 신축성 고분자를 포함할 수 있다.
상기 나노와이어는 길이가 100 ~ 300㎛일 수 있다.
상기 나노와이어는 전도성 금속을 포함할 수 있다. 상기 전도성 금속은 은을 포함할 수 있다.
상기 나노와이어 복합체는 104 ~ 105 S/cm의 전도성을 가질 수 있다.
상기 신축성 고분자는 SBS 고무 또는 실리콘 고무를 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예들에 따른 나노와이어 복합체 제조방법은 나노와이어를 형성하는 단계 및 상기 나노와이어와 신축성 고분자를 혼합하여 나노와이어 복합체를 형성하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 나노와이어는 길이가 100 ~ 300㎛일 수 있다.
상기 나노와이어를 형성하는 단계는 유기 용매, 캐핑제, 및 촉매를 혼합하여 혼합 용액를 형성하는 단계 및 상기 혼합 용액에 금속염을 주입하여 상기 나노와이어를 형성하는 반응을 수행하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 유기 용매는 에틸렌 글리콜을 포함하고 상기 캐핑제는 PVP를 포함하고 상기 촉매는 염화구리(CuCl2)를 포함하고 상기 금속염은 질산은을 포함할 수 있다.
상기 혼합 용액를 형성하는 단계 및 상기 나노와이어를 형성하는 반응을 수행하는 단계는 170 ~ 190℃에서 수행될 수 있다.
상기 금속염이 주입된 상기 혼합 용액은 일정 시간 스터링될 수 있다. 상기 반응은 상기 혼합 용액이 스터링되지 않은 상태에서 수행될 수 있다.
상기 금속염 주입은 100 ~ 200ml/hr의 속도로 수행될 수 있다.
상기 나노와이어를 형성하는 단계는 상기 나노와이어를 에탄올을 이용하여 세척하는 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 나노와이어와 상기 신축성 고분자를 혼합할 때 계면활성제를 첨가할 수 있다.
본 발명의 실시예들에 따른 나노와이어 복합체는 100㎛ 이상의 긴 길이로 높은 신축성 및 전도성을 가질 수 있다. 상기 나노와이어 복합체는 신축 정도와 관계없이 균일한 전도성을 가질 수 있고, 이러한 성질을 이용하여 다양하게 활용될 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 은 나노와이어 복합체 제조방법의 흐름도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 은 나노와이어 형성 단계의 흐름도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 은 나노와이어의 표면 개질 단계의 흐름도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 은 나노와이어 복합체 제조 단계의 흐름도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 은 나노와이어 복합체 제조를 위한 혼합물의 구성을 개략적으로 나타낸다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 은 나노와이어 복합체의 전도성을 나타낸다.
이하, 실시예들을 통하여 본 발명을 상세하게 설명한다. 본 발명의 목적, 특징, 장점은 이하의 실시예들을 통해 쉽게 이해될 것이다. 본 발명은 여기서 설명되는 실시예들에 한정되지 않고, 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 여기서 소개되는 실시예들은 개시된 내용이 철저하고 완전해질 수 있도록 그리고 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 제공되는 것이다. 따라서, 이하의 실시예들에 의하여 본 발명이 제한되어서는 안 된다.
본 발명의 실시예들에 따른 나노와이어 복합체는 나노와이어 및 상기 나노와이어가 분산되어 있는 신축성 고분자를 포함할 수 있다.
상기 나노와이어는 전도성 금속을 포함할 수 있고, 상기 전도성 금속은 은을 포함할 수 있다. 상기 나노와이어는 100 ~ 300㎛의 길이를 가질 수 있다.
상기 신축성 고분자는 SBS 고무 또는 실리콘 고무를 포함할 수 있다.
상기 나노와이어 복합체는 104 ~ 105 S/cm 정도의 균일한 전도성을 가질 수 있다.
본 발명의 실시예들에 따른 나노와이어 복합체 제조방법은 나노와이어를 형성하는 단계 및 상기 나노와이어와 신축성 고분자를 혼합하여 나노와이어 복합체를 형성하는 단계를 포함할 수 있다. 상기 나노와이어 복합체 제조방법은 상기 형성된 나노와이어 표면을 개질하는 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 나노와이어를 형성하는 단계는 유기 용매, 캐핑제, 및 촉매를 혼합하여 혼합 용액를 형성하는 단계 및 상기 혼합 용액에 금속염을 주입하여 상기 나노와이어를 형성하는 반응을 수행하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 나노와이어는 상기 유기 용매, 상기 금속염, 상기 캐핑제 및 상기 촉매 등을 이용하여 형성될 수 있다. 길이가 100 ~ 300㎛인 나노와이어를 형성할 수 있다.
상기 유기 용매는 두 개 이상의 수산기(-OH)를 가진 다가 알코올의 폴리올 용매를 포함할 수 있다. 상기 폴리올 용매를 이용하여 금속 나노 입자를 형성할 수 있고, 나노 사이즈의 금속 및 산화물 입자의 형태를 조절하여 다양한 형상으로 제조할 수 있다. 상기 폴리올 용매는 에틸렌 글리콜(Ethylene glycol), 프로필렌 글리콜(Propylene glycol) 등을 포함할 수 있고, 상기 폴리올 용매를 단독으로 또는 혼합하여 상기 유기 용매로 사용할 수 있다.
상기 유기 용매는 상기 금속염을 용해시키고 환원시킬 수 있다. 또한, 상기 캐핑제 및 상기 촉매도 용해시킬 수 있다.
상기 금속염은 상기 유기 용매에 의해 해리된 후 환원 반응을 통해 금속 원자로 변환될 수 있다. 상기 금속 원자는 초기에 직경이 1-5nm인 시드(Seed)를 형성할 수 있다. 상기 시드의 일부는 용액 상에서 성장을 계속하여 나노 입자와 같은 등방성 나노 구조체를 형성할 수 있고, 다른 일부 시드는 이방성 나노 구조체, 예를 들어 나노 튜브, 나노와이어로 성장할 수 있다. 상기 금속염은 질산은(AgNO3)을 포함할 수 있다.
상기 캐핑제는 초기에 생성되는 금속 나노 입자의 일 측면과 우선적으로 상호 작용할 수 있다. 상기 일 측면을 패시베이션(passivating)하여 상기 금속 나노입자가 일차원적인 성장을 하도록 촉진할 수 있고, 상기 나노 입자는 나노와이어와 같은 이방성 나노 구조체로 성장할 수 있다. 상기 캐핑제는 폴리비닐피롤리돈(polyvinylpyrollidone, PVP), 폴리비닐알콜(polyvinylalcohol, PVA) 등을 포함할 수 있다.
상기 촉매는 유리된 금속 이온의 농도를 감소시켜, 고 수율의 나노와이어를 형성하게 할 수 있다. 상기 촉매는 염화구리(CuCl, CuCl2) 등을 포함할 수 있다.
상기 혼합 용액를 형성하는 단계 및 상기 나노와이어를 형성하는 반응을 수행하는 단계는 170 ~ 190℃에서 수행될 수 있다. 예를 들어, 상기 폴리올과 같은 상기 유기 용매는 고온에서 알데히드로 변할 수 있고, 상기 알데히드는 은 이온을 은 나노 입자로 환원시킬 수 있다. 온도에 따라 생성되는 상기 알데히드의 정도가 다르기 때문에 이에 따라 상기 은 이온의 환원에 미치는 영향도 다르게 나타날 수 있다.
상기 나노와이어를 형성하는 반응을 수행하는 단계에서 상기 금속염이 주입된 상기 혼합 용액은 일정 시간 스터링될 수 있고, 상기 반응은 상기 혼합 용액이 스터링되지 않은 상태에서 수행될 수 있다. 상기 금속염 주입은 100 ~ 200ml/hr의 속도로 수행될 수 있다.
상기 나노와이어를 형성하는 단계는 상기 나노와이어를 에탄올을 이용하여 세척하는 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 나노와이어의 표면을 개질하는 단계에서, 상기 나노와이어의 표면 리간드는 치환될 수 있고, 이에 따라 상기 나노와이어의 표면 성질이 변할 수 있다. 상기 표면이 개질된 나노와이어는 신축성 고분자와 혼합될 수 있다.
상기 나노와이어 복합체를 형성하는 단계에서, 상기 나노와이어와 상기 신축성 고분자를 혼합할 때, 계면활성제를 첨가할 수 있다. 상기 계면활성제는 상기 나노와이어와 상기 신축성 고분자를 고루 섞이게 하여 균일한 성질이 나타나도록 할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 은 나노와이어 복합체 제조방법의 흐름도이다.
도 1을 참조하면, 은 나노와이어 복합체 제조방법(S1)은 은 나노와이어를 형성하는 단계(S10), 상기 은 나노와이어의 표면을 개질하는 단계(S20) 및 상기 표면이 개질된 은 나노와이어 및 신축성 고분자를 혼합하여 은 나노와이어 복합체를 제조하는 단계(S30)를 포함할 수 있다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 은 나노와이어 형성 단계의 흐름도이다.
도 2를 참조하면, 은 나노와이어 형성 단계(S10)는 염화구리 용액 및 질산은 용액을 제조하는 단계(S11), 에틸렌 글리콜, PVP(360k), 및 상기 염화구리 용액을 혼합하여 가열하는 단계(S12, S13), 상기 가열된 용액에 상기 질산은 용액을 인젝션(injection)하는 단계(S14), 상기 인젝션된 용액을 계속 스터링하다가, 일정 시간 스터링 없이 반응시키는 단계(S15), 및 상기 반응시킨 용액을 세척하는 단계(S16)를 포함할 수 있다.
상기 은 나노와이어는 폴리올 환원 용매, 은염, 캐핑제 및 촉매 등을 이용하여 폴리올 공정(Polyol Process)을 통해 형성될 수 있다. 상기 폴리올 공정은 금속 나노 입자를 형성하는 화학적 환원 방법으로, 보다 간단하게 합성 조건을 조절할 수 있고, 높은 수득률로 규칙적인 형태를 얻을 수 있다.
상기 공정은 반응이 진행됨에 따라 용액의 색 변화가 나타나기 때문에 반응 과정을 관찰하기 용이하다. 예를 들어, 초기에는 무색에서 노란색, 주황색, 그리고 녹색으로 변하다가 점점 흐려져 적갈색이 되고, 최종적으로 상기 은 나노와이어의 형성을 나타내는 작은 다발(wispiness)들이 있는 불투명한 회색으로 변할 수 있다.
상기 은 나노와이어를 형성하기 위해 먼저, 상기 염화구리 용액 및 상기 질산은 용액을 제조할 수 있다(S11). 상기 염화구리 용액은 에틸렌 글리콜에 상기 염화구리를 용해시켜 1 ~ 10mM, 더 상세하게는 3 ~ 5mM의 농도로 제조될 수 있다. 상기 질산은 용액은 상기 에틸렌 글리콜에 상기 질산은을 용해시켜 0.01 ~ 0.2M, 더 상세하게는 0.05 ~ 0.15M의 농도로 제조될 수 있다.
용액 제조 단계(S11)에서 제조된 상기 염화구리(CuCl2) 용액은 상기 은 나노와이어 형성 공정에서 촉매로 작용할 수 있다. 상기 촉매는 양이온 및/또는 음이온을 포함할 수 있고, 상기 양이온 및 상기 음이온의 이온 결합물을 포함할 수 있다. 상기 촉매는 물, 상기 에틸렌 글리콜과 같은 폴리올 용매 등의 극성 용매 내에서 이온으로 분리될 수 있다. 상기 양이온은 유기물 또는 무기물일 수 있고, 상기 음이온은 무기물로, 할로겐 음이온을 포함할 수 있다.
상기 질산은(AgNO3)은 상기 은염으로서, 상기 에틸렌 글리콜 등의 용매 내에서 해리된 후 환원 반응을 통해 은 원자로 변환될 수 있다. 상기 은염은 상기 질산은 외에도 은 이온을 포함하는 할로겐화물, 산소산염, 산화물, 황화물 등을 포함할 수 있다.
상기 에틸렌 글리콜은 폴리올 환원 용매로, 상기 은염을 용해시키고 환원시킬 수 있다. 또한, 상기 염화구리, 및 상기 캐핑제도 용해시킬 수 있다.
상기 용액 제조 후, 에틸렌 글리콜에 PVP(360k)를 첨가하여 가열시킨다(S12). 상기 PVP가 첨가된 에틸렌 글리콜 용액은 170 ~ 190℃로 가열될 수 있다. 상기 온도에서 상기 PVP의 분해 없이 높은 반응 수율을 얻을 수 있어, 상기 온도는 길이가 긴 은 나노와이어 형성에 중요한 역할을 한다.
상기 PVP(360k)는 캐핑제로, 상기 공정 초기에 생성되는 은 나노 입자의 일 측면을 패시베이션하여 상기 은 나노 입자가 일차원적인 성장을 하도록 촉진시킨다.
상기 가열된 용액에 상기 제조된 염화구리 용액을 첨가하여 스터링한다(S13).
염화구리 용액 첨가 단계(S13)에서 상기 스터링은 200 ~ 300rpm 정도로 수행될 수 있고, 상기 염화구리 용액을 첨가한 후 추가적으로 5 ~ 60분, 상세하게는 10 ~ 30분 상기 스터링을 더 수행할 수 있다.
상기 추가 스터링을 한 용액에 상기 제조된 질산은 용액을 인젝션한다(S14).
질산은 용액 인젝션 단계(S14)에서 상기 인젝션은 시린지 펌프(syringe pump)를 이용하여 100ml/hr ~ 200ml/hr, 더 상세하게는 150ml/hr ~ 190ml/hr 속도로 수행될 수 있다. 상기 스터링한 용액이 은 시드로 급속하게 과포화되는 것을 방지하기 위해서이다. 인젝션 단계(S14)에서도 스터링은 계속 수행될 수 있다.
상기 인젝션 단계 후, 일정 시간 스터링 없이 반응을 진행한다(S15).
상기 일정 시간 동안, 예를 들어 5 ~ 60분, 보다 상세하게는 10 ~ 40분 동안, 170 ~ 190℃의 온도에서 스터링없이 상기 반응이 진행될 수 있다.
상기 일정 시간 경과 후, 상기 스터링 없이 반응이 진행된 용액을 세척한다(S16).
세척 단계(S16)에서 상기 반응 용액은 에탄올만을 이용하여 1회 이상 세척될 수 있다. 상기 에탄올만을 이용한 세척 방법은 아세톤을 이용하여 세척했을 때보다 뭉침 현상이 줄어들어 다음 단계인 은 나노와이어 표면 개질 단계로 쉽게 진행될 수 있다.
은 나노와이어의 여러 성질에 영향을 줄 수 있는 상기 은 나노와이어의 길이, 직경 등은 상기 은염, 상기 캐핑제, 상기 촉매, 상기 용매 등의 양, 반응 온도 및 반응 시간 등 여러 변수들에 의해 달라질 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따라 상기 은 나노와이어는 100㎛ ~ 300㎛의 길이로 형성될 수 있고, 상기 은 나노와이어의 길이 대 직경의 종횡비는 500 이상의 값을 가질 수 있다. 상기 높은 종횡비로 인해 향상된 전기적 퍼콜레이션(percolation) 네트워크가 관찰될 수 있다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 은 나노와이어의 표면 개질 단계의 흐름도이다.
도 3을 참조하면, 은 나노와이어 표면 개질 단계(S20)는 상기 은 나노와이어를 디메틸포름아미드에 분산시켜 분산 용액을 제조하는 단계(S21), 상기 분산 용액에 NOBF4, 헥실아민 등을 첨가하여 반응시키는 단계(S22), 및 상기 반응 결과물을 세척한 후 에탄올 및 톨루엔 혼합 용액에 분산시키는 단계(S23, S24)를 포함할 수 있다.
은 나노와이어 형성 단계(S10)에서 형성된 은 나노와이어를 디메틸포름아미드(dimethylformamide, DMF)에 분산시켜 분산 용액을 제조한다(S21).
디메틸포름아미드 분산 단계(S21)에서 상기 디메틸포름아미드는 극성 유기 용매의 하나로, 각종 화학 반응의 용매로 이용될 수 있다. 특히 고분자화합물, 합성섬유의 방사용제로 이용될 수 있다. 상기 디메틸포름아미드는 은 나노와이어의 표면에 흡착되어 상기 은 나노와이어가 용매 내에 안정적으로 분산될 수 있도록 할 수 있다.
상기 분산 용액에 NOBF4(Nitrosyl tetrafluoroborate), 헥실아민 (Hexylamine) 등을 첨가하여 반응시킨다(S22).
첨가 단계(S22)에서 상기 NOBF4는 0.01 ~ 1M, 상세하게는 0.05 ~ 0.5M 농도로 첨가될 수 있다. 상기 NOBF4는 상기 은 나노와이어 분산액의 유변성을 조절하는 역할을 할 수 있다.
헥산(Hexane), 헥사노익산(Hexanoic acid) 등이 더 첨가될 수 있다. 상기 헥실 아민 및 상기 헥사노익산은 동량이 첨가될 수 있다.
상기 반응 결과물을 에탄올을 이용하여 세척한다(S23). 상기 반응 결과물은 상기 에탄올을 이용하여 1회 이상 세척될 수 있다.
상기 세척 후, 에탄올 및 톨루엔 혼합 용액에 분산시킨다(S24).
분산 단계(S24)에서 상기 혼합 용액은 상기 에탄올 및 상기 톨루엔의 부피비가 1:1 ~ 1:5, 상세하게는 1:2 ~ 1:4로 혼합될 수 있다.
상기 은 나노와이어는 표면 개질 단계(S20)를 통해 헥실아민(hexylamine)으로 표면 리간드가 치환될 수 있다. 상기 PVP를 리간드로 사용하여 상기 은 나노와이어는 주로 수계에서 분산될 수 있었으나, 상기 표면이 상기 헥실 아민과 같은 친유성 리간드로 치환된 은 나노와이어는 유기계 물질에 잘 분산 될 수 있다. 그리하여 고무나 기타 고분자 물질을 포함하는 다양한 유기 물질과의 혼합물 제조에 이용될 수 있다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 은 나노와이어 복합체 제조 단계의 흐름도이고, 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 은 나노와이어 복합체 제조를 위한 혼합물의 구성을 개략적으로 나타낸다.
도 4 및 도 5를 참조하면, 은 나노와이어 복합체 제조 단계(S30)는 상기 표면이 개질된 은 나노와이어 및 신축성 고분자를 혼합하는 단계(S31)를 포함할 수 있다.
혼합 단계(S31)에서 상기 신축성 고분자는 신축성을 가진 고무, 탄성으로 인해 힘을 가하면 이에 대응하여 기존 가지고 있던 길이보다 표면적이 늘어나고 상기 힘을 제거하면 단시간에 거의 원래의 길이로 회복하는 탄성중합체(Elastomer)를 포함할 수 있다. 예를 들어 SBS(styrene-butadiene-styrene) 고무, 실리콘 고무를 포함할 수 있다.
상기 SBS 고무는 열가소성 탄성체(thermoplastic elastomer)로 스티렌(styrene)과 부타디엔(butadien)의 공중합체의 일종으로, 폴리스티렌(polystyrene) 사슬 및 폴리부타디엔(polybutadiene) 사슬 구조를 가진다. 상기 폴리스티렌 사슬은 강하고 딱딱한 플라스틱으로 상기 SBS의 내구성을 증진시킬 수 있고 반면에, 상기 폴리부타디엔은 고무상 물질로 상기 SBS가 고무처럼 거동하도록 하는 성질을 가진다. 이러한 성질로 인해 상기 SBS와 같은 열가소성 탄성체는 상온에서는 고무의 성질을 나타내나 열을 가하면 플라스틱과 같이 용융되어 성형이 가능하다.
상기 실리콘 고무는 유기기가 결합되어 있는 규소가 실록산 결합(Si-O-Si)에 의해 연결되어 생긴 폴리머이다. 안정된 화학구조를 가지고 있고, 부식성이 없으며 산화되지 않는 화합물로서 내열, 내한, 전기 절연, 화학적 안전성, 내마모성, 광택성, 풍부한 탄성 등 여러 가지 특성을 가진다. 또한 가스나 열기의 투과율이 크고. 화학적 합성, 및 반응 기술에 의해 자유롭게 물리적, 전기적 특성, 예를 들어, 초절연, 초내열, 초난연 등을 부여할 수 있다.
혼합 단계(S31)에서 상기 표면이 개질된 은 나노와이어 및 상기 신축성 고분자 외에 첨가제가 더 추가될 수 있다. 상기 첨가제는 상기 신축성 고분자 및 상기 표면이 개질된 은 나노와이어와 함께 혼합되어 높은 신축성 및 전도성을 가진 은 나노와이어 복합체를 제조할 수 있다. 상기 첨가제로 인해 상기 은 나노와이어 복합체는 늘어나거나 줄어들어도 상기 전도성이 유지될 수 있다.
상기 첨가제는 계면활성제를 포함할 수 있다. 예를 들어, 불소계 계면활성제를 이용할 수 있다. 상기 불소계 계면활성제는 탄화 수소기의 수소 성분의 전부 또는 일부를 불소로 치환 반응시켜 제조한 것으로, 표면장력 저항력이 우수하다. 물과 기름에 대한 반발력이 우수하고 내약품성, 내열성 등이 좋으며, 유기 용매에 대한 표면 활성 효과도 우수하다. 또한, 상기 불소계 계면활성제는 소량 첨가로도 확실한 효과를 발휘할 수 있다.
은 나노와이어 복합체 제조단계(S30)는 혼합 단계(S31)를 통해 제조된 복합체를 몰딩하는 단계(S32) 및 건조 단계(S33)를 더 포함할 수 있다.
몰딩 단계(S32)는 혼합되어 제조된 은 나노와이어 복합체가 테프론(Teflon) 몰드, 폴리디메틸실록산(polydimetylsiloxane, PDMS) 몰드 등을 이용하여 몰딩될 수 있다. 상기 폴리디메틸실록산은 계면 자유 에너지(interfacial free energy)가 낮아, 상기 폴리디메틸실록산 몰드로 다른 폴리머를 몰딩할 때, 접착이 잘 일어나지 않아 성형 가공성이 좋다.
넓은 판 모양의 몰드를 이용하여 고전도성 고무 필름을 제작할 수 있고, 얇은 패턴의 몰드를 이용하여 긴 전선을 제작할 수 있다. 다양한 패턴의 몰드를 이용하여 상기 전도성의 분포가 균일한 고전도성 은 나노와이어 복합체를 다양한 형상으로 제작할 수 있다.
또한, 상기 몰딩한 복합체 위에 상기 SBS 고무 등을 코팅할 수 있고, 이 경우 SBS 레이어가 만들어져 내구성이 더 강화될 수 있다. 안정적인 신축성 전선으로 제작하기 위해 롤프레스를 이용하여 두층 이상의 다층으로 제작할 수 있다.
상기 은 나노와이어 복합체는 전도성 섬유를 비롯하여, 신축성 있는 PCB 보드, 웨어러블 디바이스, 신축성이 필요한 전자 제품 등에 다양하게 활용될 수 있다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 은 나노와이어 복합체의 전도성을 나타낸다.
도 6을 참조하면, 제조된 은 나노와이어 복합체는 상온에서 105 S/cm의 전도성을 지니고, 110% 까지 늘어나도 3×104 S/cm의 높은 전도성을 유지한다.
본 발명의 실시예들에 따라 제조된 은 나노와이어 복합체는 신축성 및 고전도성을 가질 수 있고, 상기 신축성에 의해 상기 은 나노와이어 복합체가 늘어나거나 줄어들더라도 상기 전도성은 104 ~ 105 S/cm로 균일하게 분포될 수 있다.
[실험예]
에틸렌 글리콜 130mL를 500mL 비커에 넣고 0.147M PVP(360k) 380mg을 넣은 후, 260rpm 스터링 하에 180℃로 가열하였다. 상기 가열된 비커에 에틸렌 글리콜에 용해된 4mM 염화구리(Ⅱ)(CuCl2) 용액 800μL 주입하였다. 상기 염화구리 용액을 주입한 후 10분 더 추가로 스터링시켰다. 상기 10분 후에, 상기 에틸렌 글리콜에 용해시킨 0.094M 질산은(AgNO3) 용액 30ml를 180mL/hr 속도로 시린지 펌프(syringe pump)를 이용하여 인젝션하였다. 10분 동안 상기 260rpm으로 스터링한 후, 그 후 20분간은 스터링없이 반응을 진행하였다. 그 후, 상기 반응 결과물을 에탄올로 3번 세척하였다.
형성된 은 나노와이어를 디메틸포름아미드(DMF)에 분산시켰다. 상기 분산된 용액에 0.1M NOBF4 2mL를 넣어주었다. 헥산(Hexane) 40mL를 주입하여 교반한 후, 헥실아민(Hexylamine) 및 헥사노익산(Hexanoic acid)을 각각 0.3mL씩 첨가하였다. 상기 결과물을 에탄올로 3번 세척한 후, 에탄올 및 톨루엔의 비율이 1:2.5인 혼합 용액 4mL에 분산시켰다.
표면이 개질된 은 나노와이어와 SBS 고무 및 불소계 계면활성제를 섞어 상온에서 건조시켜 고전도성의 신축성 전극을 제작하였다.
이제까지 본 발명에 대한 구체적인 실시예들을 살펴보았다. 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 변형된 형태로 구현될 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 개시된 실시예들은 한정적인 관점이 아니라 설명적인 관점에서 고려되어야 한다. 본 발명의 범위는 전술한 설명이 아니라 특허청구범위에 나타나 있으며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 차이점은 본 발명에 포함된 것으로 해석되어야 할 것이다.

Claims (16)

  1. 나노와이어; 및
    상기 나노와이어가 분산되어 있는 신축성 고분자를 포함하는 나노와이어 복합체.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 나노와이어는 길이가 100 ~ 300㎛인 것을 특징으로 하는 나노와이어 복합체.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 나노와이어는 전도성 금속을 포함하는 것을 특징으로 하는 나노와이어 복합체.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 전도성 금속은 은을 포함하는 것을 특징으로 하는 나노와이어 복합체.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 나노와이어 복합체는 104 ~ 105 S/cm의 전도성을 가지는 것을 특징으로 하는 나노와이어 복합체.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 신축성 고분자는 SBS 고무 또는 실리콘 고무를 포함하는 것을 특징으로 하는 나노와이어 복합체.
  7. 나노와이어를 형성하는 단계; 및
    상기 나노와이어와 신축성 고분자를 혼합하여 나노와이어 복합체를 형성하는 단계를 포함하는 나노와이어 복합체 제조방법.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 나노와이어는 길이가 100 ~ 300㎛인 것을 특징으로 하는 나노와이어 복합체 제조방법.
  9. 제 7 항에 있어서,
    상기 나노와이어를 형성하는 단계는,
    유기 용매, 캐핑제, 및 촉매를 혼합하여 혼합 용액를 형성하는 단계 및
    상기 혼합 용액에 금속염을 주입하여 상기 나노와이어를 형성하는 반응을 수행하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 나노와이어 복합체 제조방법.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 유기 용매는 에틸렌 글리콜을 포함하고,
    상기 캐핑제는 PVP를 포함하고,
    상기 촉매는 염화구리(CuCl2)를 포함하며,
    상기 금속염은 질산은을 포함하는 것을 특징으로 하는 나노와이어 복합체 제조방법.
  11. 제 9 항에 있어서,
    상기 혼합 용액를 형성하는 단계 및 상기 나노와이어를 형성하는 반응을 수행하는 단계는 170 ~ 190℃에서 수행되는 것을 특징으로 하는 나노와이어 복합체 제조방법.
  12. 제 9 항에 있어서,
    상기 금속염이 주입된 상기 혼합 용액은 일정 시간 스터링되는 것을 특징으로 하는 나노와이어 복합체 제조방법.
  13. 제 9 항에 있어서,
    상기 반응은 상기 혼합 용액이 스터링되지 않은 상태에서 수행되는 것을 특징으로 하는 나노와이어 복합체 제조방법.
  14. 제 9 항에 있어서,
    상기 금속염 주입은 100 ~ 200ml/hr의 속도로 수행되는 것을 특징으로 하는 나노와이어 복합체 제조방법.
  15. 제 9 항에 있어서,
    상기 나노와이어를 형성하는 단계는,
    상기 나노와이어를 에탄올을 이용하여 세척하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 나노와이어 복합체 제조방법.
  16. 제 7 항에 있어서,
    상기 나노와이어와 상기 신축성 고분자를 혼합할 때 계면활성제를 첨가하는 것을 특징으로 하는 나노와이어 복합체 제조방법.
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