KR20220076304A - 신축성 및 전도성을 갖는 다공성 전극 제조용 페이스트 조성물, 이를 이용한 다공성 전극 및 이의 제조방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 신축성 및 전도성을 갖는 다공성 전극 제조용 페이스트 조성물, 이를 이용한 다공성 전극 및 이의 제조방법에 관한 것으로, 전도성 복합재 내부에 형성된 다공성 구조로 인해 연신 시에도 낮은 저항 변화율을 가져 우수한 신축성 및 전기전도성 구현이 가능해 스트레처블 소자에 활용 가능하다.
Description
본 발명은 신축성 및 전도성을 갖는 다공성 전극 제조용 페이스트 조성물, 이를 이용한 다공성 전극 및 이의 제조방법에 관한 것이다.
최근 사물인터넷(IoT), 스마트 헬스케어, 웨어러블 디바이스를 포함하는 차세대 산업의 발달로 인해 스트레처블(stretchable) 디바이스와 같이 높은 자유도를 갖는 전자기기에 대한 관심이 증가하고 있다. 스트레처블 소자란 기존의 딱딱하고 유연성 없는 소자와는 달리 유연성을 갖추어서 말거나 접을 수 있고 늘릴 수 있는 등 원하는 모양으로 변형이 가능하며, 변형된 상태에서도 소자로서의 기능을 발휘할 수 있는 것을 의미한다. 기존의 플렉서블 기술을 통해 폴더블(foldable) 폰이나 롤러블(rollable) TV와 같은 플렉서블 전자기기가 상용화되었고, 프리미엄 제품으로 전 세계에 각광받고 있으며, 이를 뛰어넘는 상품성이 기대되는 스트레쳐블(stretchable) 소자에 대한 연구가 진행 중이다. 스트레처블 기술 개발을 통해 접거나 말아서 휴대 가능하며, 사용 시 늘려서 화면을 키울 수 있는 스트레처블 디스플레이 및 다양한 방향으로 신축되며 피부 위에 부착할 수 있어 신체의 여러 정보를 전송할 수 있는 웨어러블 센서 등이 실현화될 것으로 예상된다.
스트레처블 디스플레이는 스마트폰을 비롯한 웨어러블 스마트 기기, 자동차용 디스플레이 및 디지털 사이니지 등의 분야에 적용 가능하며, 다양한 형태 변형이 가능한 스트레처블 형태의 IT 기기는 휴대성, 공간 활용성 등을 높여 소비자에게 편의성을 제공할 수 있다. 또한 가볍고 깨지지 않으며, 평면에서 벗어날 수 있기 때문에 형태 및 공간 제약에서 벗어날 수 있다. 플렉서블 디스플레이는 휘는 정도에 따라 깨지지 않는 언브레이커블(unbreakable), 휘어지는 커브드(curved), 구부릴 수 있는 벤더블(bendable), 돌돌 말 수 있는 롤러블(rollable), 접을 수 있는 폴더블(foldable), 늘어나는 스트레처블(stretchable) 형태로 구분되며, 현재는 커브드 디스플레이 또는 폴더블 디스플레이가 적용된 웨어러블 기기나 전자기기가 출시된 상태이다.
이와 같은 스트레처블 소자의 실현을 위해서는 연신성을 갖는 부드럽고 유연한 소재들의 개발이 필요하며, 이때 가장 필수적인 요소는 전극 소재이다. 스트레처블 소자를 늘렸을 때 스트레스가 일정 크기 이상 커지게 되면 스트레스에 의한 결합의 변형이 발생하고, 이러한 변형은 전기전도도 등에 영향을 주게 되어 소자의 전류특성에 영향을 미친다. 따라서 소자가 휘어졌을 때 전류 및 물성 변화를 극복할 수 있는 스트레스에 강한 전극 소재의 개발이 필요하며, 이를 위해서는 높은 연신성과 전기전도도, 반복 작동 시 견딜 수 있는 내구성 및 연신 시에도 저항의 변화가 적은 특성이 요구된다.
그러나 신축성 전극 소재는 기존의 전극들인 실리콘, 단결정, 메탈, 산화철 등이 가지고 있는 단단함으로 인해 기존의 성능을 유지하면서 유연함과 신축성을 동시에 구비하는 것에 어려움이 있어 이를 해결하기 위한 연구가 진행되고 있다. 그 예로, 전극 소재는 기존의 물질을 동일하게 사용하지만 이를 신축성을 가질 수 있는 구조로 패턴화하는 방법이 제시되었다. 이는 기존의 금속 전극에 serpentine, tendril, buckling, porous 구조 등의 패턴화 및 구조화를 통해 기존 금속 전극의 전기전도도를 가져 낮은 저항을 가지며, 구조적으로 획득한 공간을 통해 전기전도도의 저하 없이 연신성을 획득할 수 있다. 그 예로, 대한민국공개특허 제10-2020-0005256호에 서펜타인 구조를 포함하는 신축 전극 구조체에 대해 개시되어 있다. 그러나 이러한 방법은 기존에 연구된 높은 전기적 특성을 갖는 물질들을 다시 활용할 수 있다는 장점이 있지만, 전극 소재 자체가 가지고 있는 물질의 한계를 극복하는 방식은 아니며, 기존의 금속 전극을 구조화함으로써 많은 공간을 차지하므로 전자기기의 집적도가 낮아지는 단점이 있다.
한편, 다른 예로서, 완전히 새로운 전극 소재를 사용하는 방법이 보고되었다. 이는 기존의 전극 소재가 가지고 있는 단단함을 극복한 카본나노튜브(CNT), 메탈 나노와이어(NWs), 그래핀(graphene), 카본블랙(CB), 메탈 나노파티클(NPs) 등의 전도성 필러를 본질적으로 연성을 가진 폴리머 매트릭스에 골고루 분산시켜 percolation network를 형성함에 따라 물리적 변형에도 전기적 성질을 유지하는 복합재료를 이용하여 전극을 제조하는 방법이다. 이러한 방식을 통해 새로운 전극 소재가 갖는 높은 전기적 성질을 유지하면서 유연하고 신축성 있는 전극을 형성할 수 있다. 그러나 이는 반복 연신시 기존의 저항에 비해 저항이 크게 증가하여 전기적 성능이 낮아지는 문제가 발생한다.
따라서 상기와 같은 문제를 극복할 수 있는 새로운 전극 소재의 개발이 필요한 실정이다.
본 발명은 상기 문제를 해결하기 위해 안출된 것으로, 본질적으로 연성을 가진 소재 내부에 구조를 형성하여 향상된 신축 신뢰성을 가져 휨 또는 신장 등 다양한 물리적 변형이 용이하고, 이러한 변형 시 낮은 저항 변화율을 가져 전기전도도 저하 또는 급격한 전기저항의 증가가 방지되어 우수한 전도성을 가지며, 신뢰성이 우수한 전극을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명은 상기 목적을 달성하기 위하여 신축성 고분자, 전도성 필러 및 친수성 용액을 포함하는 다공성 신축전도성 전극 제조용 페이스트 조성물을 제공한다.
상기 신축성 고분자는 실리콘 계열 고분자, 폴리우레탄, 스티렌-부타디엔 블록코폴리머(styrene-butadiene-styrene block copolymers), 스티렌-에틸렌/부틸렌-스티렌 블록코폴리머(styrene-ethylene/butylene-styrene block copolymers) 및 스티렌-이소프렌-스티렌 블록코폴리머(styrene-isoprene-styrene block copolymers)로 이루어진 군에서 선택되며, 상기 실리콘 계열 고분자는 폴리디메틸실록산(Polydimethylsiloxane), 폴리디에틸실록산(Polydiethylsiloxane), 폴리메틸에틸실록산(Polymethylethylsiloxane), 폴리디페닐실록산(Polydiphenylsiloxane), 폴리메틸페닐실록산(Polymethylphenylsiloxane), 폴리에틸페닐실록산(Polyethylphenylsiloxane) 및 에코플렉스(Ecoflex)로 이루어진 군에서 선택된다.
상기 전도성 필러는 전도성 금속입자인 것을 특징으로 한다.
상기 신축성 고분자는 상기 친수성 용액의 끓는점 이하의 온도에서 고화되는 것을 특징으로 한다.
상기 페이스트 조성물은 소수성 용매를 추가로 포함할 수 있으며, 상기 소수성 용매는 상기 친수성 용액의 끓는점보다 낮은 끓는점을 갖는 것을 특징으로 한다.
상기 페이스트 조성물은 상기 신축성 고분자 20 내지 65 부피%, 상기 전도성 필러 1 내지 20 부피% 및 상기 친수성 용액 5 내지 55 부피%를 포함한다.
상기 친수성 용액은 20℃에서 30 dyn/cm 이상의 표면장력을 가지며, 상기 소수성 용매는 20℃에서 30 dyn/cm 이하의 표면장력을 갖는 것을 특징으로 한다.
또한, 다른 측면에서 본 발명은 상기 페이스트 조성물로 제조된 다공성 신축전도성 전극 및 이를 포함하는 전자 소자를 제공한다.
또한, 다른 측면에서 본 발명은 1) 신축성 고분자, 전도성 필러 및 친수성 용액을 혼합하여 전도성 페이스트를 제조하는 단계; 2) 상기 전도성 페이스트를 기판에 프린팅하는 단계; 3) 상기 친수성 용액의 증발을 억제한 상태에서 신축성 고분자를 고화시키는 단계; 및 4) 상기 전도성 페이스트를 열처리하여 친수성 용액의 증발로 인한 다공성 구조를 형성하는 단계;를 포함하는 신축성 및 전도성을 갖는 다공성 전극의 제조방법을 제공한다.
상기 3) 단계에서, 상기 신축성 고분자는 열 경화, 용매 증발 또는 UV 경화를 통해 고화되는 것을 특징으로 한다.
또한, 다른 측면에서 본 발명은 상기 제조방법으로 제조된 신축성 및 전도성을 갖는 다공성 전극을 제공한다.
본 발명의 전극은 전도성 복합재 내부에 형성된 다공성 구조로 인해 연신 시 다공성 구조가 먼저 소모됨에 따라 전도성 필러에 스트레스를 가하지 않고 전기저항의 증가를 방지하여 낮은 저항 변화율을 나타냄으로써 우수한 전기적 성능을 구현할 수 있다.
또한, 연신성을 갖는 복합재료를 이용하여 기존 복합재료의 연신성을 유지하고, 종래 금속 전극을 구조화하는 경우와 달리 전극 내부를 다공성으로 구조화함으로써 외부 구조가 필요하지 않아 집적도의 저하 없이 우수한 신축성 및 전기전도성 구현이 가능하므로 유연성 및 신축성이 요구되는 전자제품의 전극 소재로서 활용될 수 있다.
또한, 초기 저항이 감소하므로 저저항 특성이 요구되는 전자제품의 전극 소재로서 활용될 수 있다.
또한, 다공성 구조의 패터닝이 손쉬우며, 제조공정이 복잡하지 않고 간단하여 생산성이 우수한 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 일 예에 따른 다공성 형성 원리를 간략하게 도시한 것이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 친수성 용액별 pore를 나타낸 SEM 이미지이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 친수성 용액별 반복 연신시 저항 변화 결과를 나타낸 것이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 크기가 조절된 pore를 나타낸 SEM 이미지, pore의 사이즈를 나타내는 그래프, 레이저 현미경 이미지, EDX 이미지이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 실버 플레이크의 함량과 에틸렌글리콜의 첨가 여부에 따른 초기 전도도 측정 결과를 나타낸 것이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 에틸렌글리콜 함량에 따른 연신시 저항 변화 분석 결과를 나타낸 것이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 다공성 구조 유무에 따른 반복 연신에 의한 저항 변화 분석 결과를 나타낸 것이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 반복 연신에 의한 저항 변화 분석 결과를 나타낸 것이다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 다축 연신시 저항 변화 분석 결과를 나타낸 것이다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따라 구현된 신축 소자의 연신시 I-V 그래프와 구동 이미지이다.
도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 연신시 전기적 특성 측정 방법을 설명하기 위한 이미지이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 친수성 용액별 pore를 나타낸 SEM 이미지이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 친수성 용액별 반복 연신시 저항 변화 결과를 나타낸 것이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 크기가 조절된 pore를 나타낸 SEM 이미지, pore의 사이즈를 나타내는 그래프, 레이저 현미경 이미지, EDX 이미지이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 실버 플레이크의 함량과 에틸렌글리콜의 첨가 여부에 따른 초기 전도도 측정 결과를 나타낸 것이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 에틸렌글리콜 함량에 따른 연신시 저항 변화 분석 결과를 나타낸 것이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 다공성 구조 유무에 따른 반복 연신에 의한 저항 변화 분석 결과를 나타낸 것이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 반복 연신에 의한 저항 변화 분석 결과를 나타낸 것이다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 다축 연신시 저항 변화 분석 결과를 나타낸 것이다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따라 구현된 신축 소자의 연신시 I-V 그래프와 구동 이미지이다.
도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 연신시 전기적 특성 측정 방법을 설명하기 위한 이미지이다.
이하 본 발명을 상세히 설명한다. 다음에 소개되는 실시예 및 도면들은 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 예로서 제공되는 것이다. 따라서, 본 발명은 이하 제시되는 실시예 및 도면들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 이때, 사용되는 기술 용어 및 과학 용어에 있어서 다른 정의가 없다면, 이 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 통상적으로 이해하고 있는 의미를 가지며, 하기의 설명 및 첨부 도면에서 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있는 공지 기능 및 구성에 대한 설명은 생략한다.
본 명세서에 달리 정의하지 않는 한, "신축성 고분자" 또는 "고무 엘라스토머"는 엘라스토머 폴리머를 나타내며, 예를 들어 고무(러버) 중합체 또는/및 고무(러버) 공중합체 등을 포함하여 사용된다.
본 명세서에서 사용된 용어 "모듈러스", "Modulus" 또는 "영률"은 신축성을 확인하기 위한 척도로 사용된다. 영률은 늘어나거나 압축되는 선형 물체의 탄성 특성을 수치화한 것으로, 한계 내에서 물체의 변형에 대한 응력과 변형의 비(응력(stress)/변형률(strain))를 나타낸다.
본 발명은 전도성 필러와 고무 엘라스토머가 혼합된 전도성 복합재 내부에 다공성 구조를 형성하여 연신 시 다공성 구조가 먼저 소모되도록 하여 실제 전도성 복합소재에는 스트레스가 가해지지 않고 연신되는 전극 물질 및 이의 제조방법에 관한 것이다.
일반적으로 반복 연신시 저항이 증가하는 것은 전도성 필러의 이동에 따른 내부 마찰에 기인한다. 이를 감소시키기 위해 복합재에 윤활 첨가제를 첨가하면 전도성 필러의 내부 마찰이 줄어들어 반복 연신 내구성과 연신성이 증가하게 된다. 하지만 연신하게 되면 소재의 단면적은 줄어들고 길이는 길어지게 때문에 저항이 증가하므로 여전히 저항 변화율이 높은 문제가 존재한다. 저항 변화율을 감소시키기 위한 방법으로는 1) 연신 시 전도도가 증가해야 하는데, 대부분의 소재는 연신 시 전도도가 감소하는 경향이 있다. 다른 방법으로는, 2) 기존 연구들의 경우 serpentine 구조나 pre-strain을 통해 미리 굴곡 구조를 만들어 연신 시에도 단면적이 변하지 않고 길이가 늘어나지 않게 하는 방법이 있다. 그러나 이러한 구조는 공간을 많이 차지하여 집적도에 한계가 있으며, 공정성이 좋지 않은 문제점이 존재한다.
이에 본 발명에서는 소재 내부에 구조를 형성하여 동일한 효과를 소자 자체로 구현하였다. 전극 내부에 다공성 구조가 형성되면 기공(pore)으로 인해 벌크(bulk)한 전극에 비해 낮은 영률(modulus)을 갖게 되어 Stretchability를 증가시키고 내부 Percolating Conducting Pathway가 직선이 아닌 기공 형태에 따른 모양으로 형성되어 연신 시 가해지는 스트레스를 감소시켜 저항 변화를 최소화할 수 있다.
본 발명에 있어, 다공성 신축전도성 전극 제조용 페이스트 조성물은 신축성 고분자, 전도성 필러 및 친수성 용액을 포함한다.
상기 신축성 고분자는 폴리머 매트릭스 역할을 하는 것으로, 상기 친수성 용액의 끓는점 이하의 온도에서 고화되며, 즉, 상기 친수성 용액이 증발되기 전 고화되는 고분자인 것이 바람직하다. 상기 신축성 고분자는 실리콘 계열 고분자, 폴리우레탄, 스티렌-부타디엔 블록코폴리머(styrene-butadiene-styrene block copolymers), 스티렌-에틸렌/부틸렌-스티렌 블록코폴리머(styrene-ethylene/butylene-styrene block copolymers) 및 스티렌-이소프렌-스티렌 블록코폴리머(styrene-isoprene-styrene block copolymers)로 이루어진 군에서 선택될 수 있다.
상기 실리콘 계열 고분자는 폴리디메틸실록산(Polydimethylsiloxane), 폴리디에틸실록산(Polydiethylsiloxane), 폴리메틸에틸실록산(Polymethylethylsiloxane), 폴리디페닐실록산(Polydiphenylsiloxane), 폴리메틸페닐실록산(Polymethylphenylsiloxane), 폴리에틸페닐실록산(Polyethylphenylsiloxane) 및 에코플렉스(Ecoflex)로 이루어진 군에서 선택될 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니며, 바람직하게는 폴리디메틸실록산 또는 에코플렉스일 수 있다.
상기 전도성 필러는 전기전도성을 부여하기 위한 물질로, 전도성 금속입자인 것이 바람직하다. 일 예로, 금속 나노입자, 금속 와이어 또는 금속 플레이크일 수 있다. 바람직하게는 상기 전도성 필러는 금속 플레이크(flake)일 수 있으며, 은 플레이크, 금 플레이크, 니켈 플레이크, 구리 플레이크 및 철 플레이크로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상일 수 있다.
더욱 바람직하게는, 상기 전도성 필러는 은 플레이크일 수 있으며, 상기 은 플레이크는 판상형(sheet)의 미립자로, 본 발명의 일 양태에서 상기 은 플레이크를 이루는 판면의 형상은 다각형, 원형, 타원형, 무정형 등일 수 있다.
상기 은 플레이크의 입자 크기는 0.3 내지 3 ㎛인 것이 바람직하며, 더욱 바람직하게는 0.5 내지 2 ㎛일 수 있다. 2D 입자는 두께가 얇고 직경(diameter)이 클수록 퍼콜레이션 임계치(percolation threshold)가 낮아진다. 반면, 0D 입자는 아주 작은 나노사이즈(㎚)여야 퍼콜레이션 임계치가 낮아지고, 1D 입자는 응집(aggregation)이 없어야 퍼콜레이션 임계치가 낮아진다. 따라서 이러한 2D 형태는 0D, 1D에 비해 퍼콜레이션 임계치의 달성이 상대적으로 쉽기 때문에 제조가 비교적 쉬우며, 공정 가격이 저렴하다. 상기 은 플레이크의 입자 크기가 상기 범위보다 크면 고해상도의 패터닝이 어려우며, 상기 범위보다 작으면 소재의 가격이 증가하는 문제가 있다.
종래 금속 전극을 패턴화 및 구조화하는 방법은 기존 금속 전극의 전기전도도를 가지나 구조적으로 많은 공간을 차지하여 전자기기의 집적도가 낮아지는 문제가 있는 반면, 본 발명의 경우 은 플레이크를 포함하고 전극 내부를 구조화함으로써 집적도의 저하 없이 전극에 전기전도성과 신축 신뢰성을 부여할 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 조성물은 소수성 용매를 추가로 포함할 수 있으며, 상기 소수성 용매는 상기 친수성 용액의 끓는점보다 낮은 끓는점을 갖는 것이 바람직하다.
상기 친수성 용액은 다공성 구조 형성을 위해 첨가되는 것으로, 끓는점이 고분자의 경화 온도보다 높아야 하며, 소수성 용매가 첨가될 경우에는 소수성 용매의 건조 온도보다 높아야 한다. 상기 친수성 용액은 상기 소수성 용매의 끓는점보다 높은 온도의 끓는점을 가지며, 20℃에서 30 dyn/cm 이상의 표면장력을 갖는 것이 바람직하다. 일 예로, 끓는점이 120℃ 이상일 수 있으며, 이에 한정되는 것은 아니다. 그 예로서, 에틸렌글리콜, 프로필렌글리콜, 디에틸렌글리콜, N-메틸피롤리돈, 피리미딘, 디메틸포름아미드, 디메틸설폭사이드, 2-메틸-1,3-프로판디올, n-프로판디올 및 글리세롤로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 친수성 용액의 첨가량에 따라 전극 내부에 형성되는 기공(pore) 사이즈 및 공극률(porosity)을 조절할 수 있다.
상기 소수성 용매는 상기 친수성 용액보다 낮은 끓는점을 가지며, 20℃에서 30 dyn/cm 이하의 표면장력을 가진다. 상기 소수성 용매는 일 예로, 헥산, 헵탄, 옥탄, 노난 등의 탄소수 6 내지 12의 선형 또는 분지형 알칸계 용매; 벤젠, 디클로로벤젠, 톨루엔, 디클로로톨루엔, 자일렌, 디페닐에탄 등의 방향족계 용매; 사이클로헥산, 사이클로헵탄 등의 지환족계 용매; 및 염화메틸렌 등의 탄소수 1 내지 3의 선형 또는 분지형 할로겐화알칸계 용매;로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나 또는 둘 이상일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 소수성 용매의 끓는점이 낮을수록 더 큰 사이즈의 기공(pore)이 형성된다.
상기 조성물은 상기 신축성 고분자 20 내지 65 부피%, 상기 전도성 필러 1 내지 20 부피% 및 상기 친수성 용액 5 내지 55 부피%를 포함하는 것이 바람직하다.
상기 친수성 용액은 첨가량이 증가할수록 기공(pore) 사이즈가 커지고, 공극률(porosity)이 증가하는 경향이 있다.
상기 소수성 용매는 기공(pore) 사이즈 조절 및 점도 조절 역할을 한다.
또한, 본 발명에 따른 조성물은 첨가제를 추가로 포함할 수 있다. 상기 첨가제는 계면활성제로서 기공(pore) 사이즈를 감소키는 역할을 하며, 실리콘 오일 첨가 시 전극 연신 시 저항 변화율을 감소시키는 효과가 있을 수 있다.
상기 첨가제는 실리콘 오일일 수 있으며, 상기 실리콘 오일은 메치콘(Methicone), 디메치콘(Dimethicone), 디페닐디메치콘(Diphenyl dimethicone), 페닐트리메치콘(Phenyl trimethicone), 사이클로메치콘(Cyclomethicone), 사이클로펜타실록산(Cyclopentasiloxane), 사이클로헥사실록산(Cyclohexasiloxane), 하이드로겐디메치콘(Hydrogen dimethicone), 아미노프로필디메치콘(Aminopropyl dimethicone), PEG-12 디메치콘(PEG-12 dimethicone), PEG-12 트리데실 에테르(PEG-12 Tridecyl ether) 및 실리콘검(Silicone Gum)으로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
또한, 다른 측면에서 본 발명은 상기 페이스트 조성물로 제조된 다공성 신축전도성 전극 및 이를 포함하는 전자 소자를 제공한다.
본 발명에 따른 다공성 신축 전도성 전극은 50% 10,000회 반복연신시 저항 변화율 170% 이하의 성능을, 50% 4,000회 반복연신시 저항 변화율 100% 이하의 성능을, 50% 2,000회 반복연신시 저항 변화율 60% 이하의 성능을 나타낸다.
또한, 다른 측면에서 본 발명은 1) 신축성 고분자, 전도성 필러 및 친수성 용액을 혼합하여 전도성 페이스트를 제조하는 단계; 2) 상기 전도성 페이스트를 기판에 프린팅하는 단계; 3) 상기 친수성 용액의 증발을 억제한 상태에서 신축성 고분자를 고화시키는 단계; 및 4) 상기 전도성 페이스트를 열처리하여 친수성 용액의 증발로 인한 다공성 구조를 형성하는 단계;를 포함하는 신축성 및 전도성을 갖는 다공성 전극의 제조방법을 제공한다.
상기 3) 단계에서, 상기 신축성 고분자는 열 경화, 용매 증발 또는 UV 경화를 통해 고화될 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
상기 3) 단계 및 4) 단계는 신축성 고분자를 먼저 고화시킨 후 친수성 용액을 증발시켜 복합재 내부에 다공성 구조를 형성하는 단계이다. 이때 고화 조건이 중요한데, 친수성 용액의 끓는점 이하의 온도에서 신축성 고분자를 먼저 고화시키고, 이후 친수성 용액을 증발시키는 것이 중요하다.
상기 고화 조건은 신축성 고분자나 친수성 용액에 따라 적절히 조절하여 수행할 수 있다.
상기 2) 단계에서, 전도성 페이스트를 기판에 프린팅하는 방법은 통상적으로 사용되는 방법이라면 특별히 한정하지 않고 사용할 수 있으며, 예를 들면, 스핀코팅, 닥터블레이딩, 딥코팅, 스프레이 코팅, 캐스팅, 스크린 프린팅, 잉크젯 프린팅, 정전수력학 프린팅, 마이크로컨택 프린팅, 임프린팅, 그라비아 프린팅, 리버스옵셋 프린팅, 그라비옵셋 프린팅 또는 노즐젯 프린팅 등을 이용하여 수행할 수 있다.
좀 더 상세히 설명하면, 본 발명에서는 다공성 구조를 갖는 전극을 제조하기 위해 소수성 엘라스토머, 소수성 전도성 필러, 소수성 용매 및 친수성 용액을 혼합한 후 저온에서 엘라스토머를 고형화한 뒤 가열하여 친수성 용액을 증발시킴으로써 다공성 구조 획득하였다(도 1 참조).
친수성 용액의 첨가는 초기 전기전도도를 향상시키게 되는데, 이는 독특한 결과로, 기공(pore)은 저항이 무한대이므로 전기전도도에 악영향을 줘야 하나 전기전도도가 향상되는 결과를 보인다. 이러한 결과로 인해 연신성과 반복 연신 내구성 또한 향상된다.
모든 친수성 용액이 상기와 같은 효과를 보이는 것은 아니며, 특정 끓는점 이상의 친수성 용액과 상기 공정방법이 결합되어야 상기와 같은 효과를 나타낼 수 있다. 본 발명의 일 예로, 소수성 용매로 옥탄(Ocatane; 끓는점 125℃)을 사용하고, 엘라스토머로 실리콘 계열 고무를 사용할 경우 끓는점 120℃ 내지 190℃의 친수성 용액에서는 상기와 동일한 효과를 보일 수 있다. 이때, 실리콘 계열 고무의 경화 시간은 경화 온도에 따라 달라질 수 있으며, 상온에서는 48시간, 80℃에서는 1시간인 것이 바람직하다. 한편, 소수성 용매와 엘라스토머가 달라진다면 다른 끓는점의 친수성 용액이 적합할 수 있다.
또한, 다른 측면에서 본 발명은 상기 제조방법에 따라 제조된 신축성 및 전도성을 갖는 다공성 전극 및 이를 포함하는 전자 소자를 제공한다.
상기 전자 소자는 웨어러블 디바이스, 스트레처블 디스플레이, 신축성 발광다이오드, 유기태양전지, 액추에이터, 웨어러블 전자기 마사지기, 뇌전도(EEG) 센서, 심전도(ECG) 센서, 근전도(EMG) 센서, 글루코오즈 센서 등을 포함할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
이하, 실시예를 통해 본 발명에 따른 신축성 및 전도성을 갖는 다공성 전극 및 이의 제조방법에 대하여 더욱 상세히 설명한다. 다만 하기 실시예는 본 발명을 상세히 설명하기 위한 하나의 참조일 뿐 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니며, 여러 형태로 구현될 수 있다. 또한 달리 정의되지 않는 한, 모든 기술적 용어 및 과학적 용어는 본 발명이 속하는 당업자 중 하나에 의해 일반적으로 이해되는 의미와 동일한 의미를 갖는다. 본원에서 설명에 사용되는 용어는 단지 특정 실시예를 효과적으로 기술하기 위함이고 본 발명을 제한하는 것으로 의도되지 않는다.
[실시예 1] 다공성 전극 제조
Ecoflex 0030 (주제:경화제 = 1:1 중량비; 이하, R) 0.3 g, 은 플레이크(이하, Ag) 1.0 g, 옥탄(octane) 0.3 g, 에틸렌글리콜(이하, EG) 0.1 g을 Thinky mixer (ARE-310, Japan)를 이용하여 2,000 rpm 3분 교반, 2,200 rpm 1분 탈포, 2,000 rpm 1분 교반의 과정으로 혼합하여 전도성 페이스트 조성물을 제조하였다. 상기 전도성 페이스트 조성물은 Ecoflex 0030으로 제작한 0.5 mm 두께의 기판 위에, 3 cm 길이, 1 mm 폭의 도그본 모양을 가진 200 ㎛ 두께의 마스크를 사용하여 스크린 프린팅한 후 60℃에서 1시간 경화 후 90℃에서 1시간 경화하였다. 이후 연속적으로 130℃에서 3시간 경화하여 친수성 용액을 증발시켜 다공성 구조를 형성하였다.
<실험방법>
연신에 따른 전기전도도는 도 11에 도시된 바와 같이, 전도성 필름을 3 cm 길이의 선형으로 제작하여 양 끝단 1 cm의 하부에 늘어나지 않는 OHP 필름을 부착하여 늘어나는 부분을 1 cm로 제한한 후, 키슬리 사의 디지털 멀티미터 2400을 사용하여 선 저항의 변화를 4-point probe로 측정하였다. 이때 SEM (Quanta FEG 650, FEI. Ltd at 5 kV under a vacuum of <5×10-5 mbar)으로 측정한 초기 두께 값과 top-view 광학 측정 방법으로 표면적의 넓이 변화를 이용해 연신된 선의 단면적과 두께 변화를 계산하였다. 측정된 선 저항, 단면적 및 두께를 이용하여 전기전도도를 구하였다.
[실험예 1] 친수성 용액의 종류에 따른 pore 및 저항 분석
친수성 용액에 따른 기공 및 저항 특성을 분석하였다. 도 2 및 도 3에서 보는 바와 같이, octane을 소수성 용매로 사용한 경우, octane보다 낮은 끓는점을 갖는 2-프로판올 또는 물을 친수성 용액으로 사용하였을 때 기공이 형성되지 않았으며, 전도성도 매우 낮았다. 한편, 290℃ 이상의 높은 끓는점을 갖는 글리세롤의 경우 기공은 형성되었지만 기공의 크기와 분포가 균일하지 않으며, 전기전도도와 연신시 저항 변화율도 좋지 않았다. 반면, 2-메틸-1,3-프로판디올과 1,3-프로판디올의 경우 작은 기공이 균일하게 형성되었으며, 전기전도도와 연신 신뢰성이 향상된 결과를 나타내었다. 이로써 친수성 용액과 소수성 용매의 끓는점 차이가 기공 형성 및 저항 특성에 영향을 주는 것을 확인할 수 있다.
[실험예 2] 친수성 용액 첨가량에 따른 pore 형성 분석
은 플레이크 (1 g), ecoflex (0.3 g), octane (0.3 g), 에틸렌글리콜 (0 g, 0.1 g, 0.3 g, 0.6 g)을 첨가하여 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 다공성 전극을 제조하였다. 도 4를 참조하면, 에틸렌글리콜이 첨가된 경우 전극 내부에 다수의 기공(pore)이 있어 다공성 구조를 형성하는 반면, 에틸렌글리콜이 첨가되지 않은 경우 기공이 존재하지 않음을 알 수 있다. 또한, 에틸렌글리콜의 첨가량이 증가할수록 큰 기공이 형성되며, 더 높은 다공성을 보이는 것이 관찰되었다.
[실험예 3] 친수성 용액 유무에 따른 초기 저항 분석
은 플레이크 (0.7 g, 1 g, 1.3 g, 1.6 g, 1.9 g), ecoflex (0.3 g), octane (0.3 g), 에틸렌글리콜 (0 g, 0.1 g)을 첨가하여 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 다공성 전극을 제조하였다. 도 5는 은 플레이크의 함량별 에틸렌글리콜의 첨가 유무에 따른 초기 전도도값을 측정한 결과를 나타낸다. 에틸렌글리콜이 첨가되지 않은 경우 낮은 초기 전도도값을 나타내나, 에틸렌글리콜이 첨가된 경우 초기 전도도값이 증가한 것을 확인할 수 있다.
[실험예 4] 친수성 용액 함량에 따른 연신시 저항 변화율 분석
친수성 용액 비율을 달리하여 연신시 저항 변화율을 분석하였다. 그 결과 도 6을 참조하면, R:Ag 비율이 3:8일 때, EG가 첨가되지 않은 base mixture와 EG 5.5 vol%인 경우 초기 저항이 매우 높게 나타났으며, 연신시 저항이 급격히 변화하였다. 반면, EG 10.4, 25.8, 41.1 vol%에서는 100% 연신시 저항 변화율 0.34, 1.97, 3.66의 낮은 저항 변화율을 보였다. 상기 결과로부터 EG 첨가시 초기 저항이 낮아지며, 연신시 저항 변화가 적고 안정적으로 유지되는 것을 알 수 있다.
[실시예 5] 반복 연신에 의한 저항 변화 분석
은 플레이크 함량별 최적 조성의 복합소재에 대한 연신시 저항 변화를 분석하였다(도 7 및 도 8). 에틸렌글리콜이 첨가되지 않을 경우 기공이 생기지 않기 때문에 반복 연신시 저항 변화율이 큰 것을 확인할 수 있다. 반면, 에틸렌글리콜 첨가 시 기공이 형성됨에 따라 저항 변화율이 현저히 낮아지는 것을 확인할 수 있으며, 8,000회 25% 연신시 1.10, 50% 연신시 1.45의 저항 변화율을 나타내었다. 이로써 우수한 반복 연신 내구성 및 연신성을 구현할 수 있다.
종합해 볼 때 본 발명에 따른 다공성 전극은 반복 연신 시 낮은 저항 변화율을 나타내며, 이로써 반복 연신 신뢰성을 확보할 수 있다. 또한 우수한 전기전도성과 연신성을 가지므로 스트레처블한 전자기기 등 차세대 제품에 적용될 수 있다.
이상에서 본 발명의 바람직한 실시예를 설명하였으나, 본 발명은 다양한 변화와 변경 및 균등물을 사용할 수 있으며, 상기 실시예를 적절히 변형하여 동일하게 응용할 수 있음이 명확하다. 따라서 상기 기재 내용은 하기 특허청구범위의 한계에 의해 정해지는 본 발명의 범위를 한정하는 것이 아니다.
Claims (15)
- 신축성 고분자, 전도성 필러 및 친수성 용액을 포함하는 다공성 신축전도성 전극 제조용 페이스트 조성물
- 제1항에 있어서, 상기 신축성 고분자는 실리콘 계열 고분자, 폴리우레탄, 스티렌-부타디엔 블록코폴리머(styrene-butadiene-styrene block copolymers), 스티렌-에틸렌/부틸렌-스티렌 블록코폴리머(styrene-ethylene/butylene-styrene block copolymers) 및 스티렌-이소프렌-스티렌 블록코폴리머(styrene-isoprene-styrene block copolymers)로 이루어진 군에서 선택되는 것을 특징으로 하는 다공성 신축전도성 전극 제조용 페이스트 조성물
- 제2항에 있어서, 상기 실리콘 계열 고분자는 폴리디메틸실록산(Polydimethylsiloxane), 폴리디에틸실록산(Polydiethylsiloxane), 폴리메틸에틸실록산(Polymethylethylsiloxane), 폴리디페닐실록산(Polydiphenylsiloxane), 폴리메틸페닐실록산(Polymethylphenylsiloxane), 폴리에틸페닐실록산(Polyethylphenylsiloxane) 및 에코플렉스(Ecoflex)로 이루어진 군에서 선택되는 것을 특징으로 하는 다공성 신축전도성 전극 제조용 페이스트 조성물
- 제1항에 있어서, 상기 전도성 필러는 전도성 금속입자인 것을 특징으로 하는 다공성 신축전도성 전극 제조용 페이스트 조성물
- 제1항에 있어서, 상기 신축성 고분자는 상기 친수성 용액의 끓는점 이하의 온도에서 고화되는 것을 특징으로 하는 다공성 신축전도성 전극 제조용 페이스트 조성물
- 제1항에 있어서, 소수성 용매를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 다공성 신축전도성 전극 제조용 페이스트 조성물
- 제6항에 있어서, 상기 소수성 용매는 상기 친수성 용액의 끓는점보다 낮은 끓는점을 갖는 것을 특징으로 하는 다공성 신축전도성 전극 제조용 페이스트 조성물
- 제1항에 있어서, 상기 신축성 고분자 20 내지 65 부피%, 상기 전도성 필러 1 내지 20 부피% 및 상기 친수성 용액 5 내지 55 부피%를 포함하는 것을 특징으로 하는 다공성 신축전도성 전극 제조용 페이스트 조성물
- 제1항에 있어서, 상기 친수성 용액은 20℃에서 30 dyn/cm 이상의 표면장력을 갖는 것을 특징으로 하는 다공성 신축전도성 전극 제조용 페이스트 조성물
- 제6항에 있어서, 상기 소수성 용매는 20℃에서 30 dyn/cm 이하의 표면장력을 갖는 것을 특징으로 하는 다공성 신축전도성 전극 제조용 페이스트 조성물
- 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항의 페이스트 조성물로 제조된 다공성 신축전도성 전극
- 제11항에 따른 다공성 신축전도성 전극을 포함하는 전자 소자
- 1) 신축성 고분자, 전도성 필러 및 친수성 용액을 혼합하여 전도성 페이스트를 제조하는 단계;
2) 상기 전도성 페이스트를 기판에 프린팅하는 단계;
3) 상기 친수성 용액의 증발을 억제한 상태에서 신축성 고분자를 고화시키는 단계; 및
4) 상기 전도성 페이스트를 열처리하여 친수성 용액의 증발로 인한 다공성 구조를 형성하는 단계;를 포함하는 신축성 및 전도성을 갖는 다공성 전극의 제조방법
- 제13항에 있어서, 상기 3) 단계에서, 상기 신축성 고분자는 열 경화, 용매 증발 또는 UV 경화를 통해 고화되는 것을 특징으로 하는 제조방법
- 제13항에 따른 제조방법으로 제조된 신축성 및 전도성을 갖는 다공성 전극
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Citations (6)
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|---|---|---|---|---|
| JP2007046042A (ja) * | 2005-07-14 | 2007-02-22 | Furukawa Electric Co Ltd:The | 多孔質構造体の製造方法、及び該製造方法から得られる多孔質構造体 |
| KR20150122586A (ko) * | 2014-04-23 | 2015-11-02 | 제록스 코포레이션 | 은 나노입자들 기재의 신축성 전도막 |
| KR20190003213A (ko) * | 2017-06-30 | 2019-01-09 | 주식회사 동진쎄미켐 | 도전성 잉크 조성물 및 이를 이용한 도전성 적층체 |
| KR20190135732A (ko) * | 2018-05-29 | 2019-12-09 | 한국과학기술연구원 | 신축성 전도체 및 이의 제조방법 |
| KR20200066065A (ko) * | 2018-11-30 | 2020-06-09 | 엘에스니꼬동제련 주식회사 | 태양전지 전극용 도전성 페이스트 및 이를 사용하여 제조된 태양전지 |
| KR20200116294A (ko) * | 2019-04-01 | 2020-10-12 | 한국과학기술연구원 | 신축성 전극용 전도성 잉크 및 이를 이용한 신축성 전극 |
-
2021
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Patent Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2007046042A (ja) * | 2005-07-14 | 2007-02-22 | Furukawa Electric Co Ltd:The | 多孔質構造体の製造方法、及び該製造方法から得られる多孔質構造体 |
| KR20150122586A (ko) * | 2014-04-23 | 2015-11-02 | 제록스 코포레이션 | 은 나노입자들 기재의 신축성 전도막 |
| KR20190003213A (ko) * | 2017-06-30 | 2019-01-09 | 주식회사 동진쎄미켐 | 도전성 잉크 조성물 및 이를 이용한 도전성 적층체 |
| KR20190135732A (ko) * | 2018-05-29 | 2019-12-09 | 한국과학기술연구원 | 신축성 전도체 및 이의 제조방법 |
| KR20200066065A (ko) * | 2018-11-30 | 2020-06-09 | 엘에스니꼬동제련 주식회사 | 태양전지 전극용 도전성 페이스트 및 이를 사용하여 제조된 태양전지 |
| KR20200116294A (ko) * | 2019-04-01 | 2020-10-12 | 한국과학기술연구원 | 신축성 전극용 전도성 잉크 및 이를 이용한 신축성 전극 |
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