KR20230014079A - 코어-쉘 구조의 금속 나노와이어 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 전도성과 투명성의 특성을 가짐과 동시에 산화안정성이 우수하고, 본 발명의 금속 나노와이어를 이용한 2차 가공 공정 이 후에도 우수한 산화안정성을 유지 시킬 수 있는 코어-쉘 구조의 금속 나노와이어에 관한 것으로, 상세하게 본 발명에 따른 코어-쉘 구조의 금속 나노와이는 구리를 함유하는 코어 및 상기 코어 상에 은을 함유하는 쉘을 포함하고, 코어의 직경(D) 및 쉘의 두께(L)의 비(D/L)는 10 내지 60이며, 쉘의 두께는 5 내지 40 nm이고, X선 광전자 분광 스펙트럼에서 은의 Ag 3d5/2의 피크 강도(I1)와 구리의 Cu 2p3/2의 피크 강도(I2)는 하기 식 1을 만족하는 것을 특징으로 한다.
(식 1)
I2/I1 ≤ 0.2
(식 1)
I2/I1 ≤ 0.2
Description
본 발명은 코어-쉘 구조의 금속 나노와이어에 관한 것으로, 상세하게 코어 상에 균일하고 얇게 형성된 쉘에 의해 코어 금속의 산화를 효과적으로 방지할 수 있고, 내구성이 현저히 향상된 코어-쉘 구조의 금속 나노와이어에 관한 것이다.
최근 들어 기존의 도전성 소재인 산화인듐주석(ITO), 전도성고분자, 탄소나노튜브, 그래핀 등을 대체하면서 전도성과 투명성을 동시에 개선시키고자 구리, 은, 니켈, 인듐 등과 같은 도전성 금속을 나노 단위의 크기로 작게하여 대체품으로 적용되고 있다.
그 중에서도 구리 나노 와이어는 높은 전도도, 유연성 및 투명성과 낮은 가격 등의 장점을 가지고 있어 디스플레이에 주로 사용되고 있던 산화인듐주석(ITO)을 대체할 수 있는 물질로 부각되고 있다. 특히, 구리 나노 와이어는 투명한 도체라는 특징 때문에 저방사율 윈도우, 터치-감수성 조절 패널, 태양전지 및 전자기 차폐 물질 등 매우 다양한 용도로 사용될 수 있다.
그러나 구리 나노 와이어는 장시간 공기 중에 노출되면 산화현상이 발생하여 구리 산화물이 형성되고, 이러한 산화현상은 온도가 높아짐에 따라 더욱 빨리 진행되게 되기 때문에 이러한 구리 산화물은 순수한 구리 대비 전기 전도성이 현저히 저하 된다. 따라서 구리를 산소와의 접촉을 물리적 및/또는 화학적으로 완전히 차단하지 못하면 전기적 특성의 열화로 그 사용이 제한될 수 밖에 없다.
이러한 구리 산화물 생성을 방지하기 위해서 대한민국 등록특허 10-1991964호 에서는 코어-쉘 구조를 갖는 나노와이어를 제공하고 있으나, 여전히 산화방지를 위한 나노와이어 상에 코팅된 쉘의 품질 균일성이나, 나노와이어를 이용한 2차 가공 시 나노와이어의 절단으로 인한 코어 금속의 노출 등의 문제로부터 구리 산화물 생성의 가능성이 크다는 문제점이 있다.
이에, 우수한 전도성을 가짐과 동시에 산화안정성이 우수하며, 구조적으로 안정되어 2차 가공 후에도 산화안정성을 유지시킬 수 있는 내구성이 향상된 금속 나노와이어가 개발될 필요성이 있다.
본 발명의 목적은 전도성과 투명성의 특성을 가짐과 동시에 산화안정성이 우수한 코어-쉘 구조의 금속 나노와이어를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 본 발명의 코어-쉘 구조의 금속 나노와이어를 이용하여 2차 가공 시에도 산화안정성이 유지되어 내구성이 향상된 코어-쉘 구조의 금속 나노와이어를 제공하는 것이다.
본 발명의 일 양태에 따른 코어-쉘 구조의 금속 나노와이어는 구리를 함유하는 코어 및 코어 상에 은을 함유하는 쉘을 포함하고, 코어의 직경(D) 및 쉘의 두께(L)의 비(L/D)는 10 내지 60이며, 쉘의 두께는 5 내지 40nm이고, X선 광전자 분광 스펙트럼에서 은의 Ag 3d5/2의 피크 강도(I1)와 구리의 Cu 2p3/2의 피크 강도(I2)는 하기 식 1을 만족하는 것을 특징으로 한다.
(식 1)
I2/I1 ≤ 0.2
본 발명의 일 실시예에 따른 금속 나노와이어에 있어, 금속 나노와이어의 직경은 110 내지 500 nm이며, 종횡비는 5 내지 100일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 금속 나노와이어에 있어, 금속 나노와이어의 코어의 직경은 100내지 400nm일수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 금속 나노와이어에 있어, X선 광전자 분광 스펙트럼에서 은의 Ag 3d5/2의 피크는 금속성 은(Ag0)의 피크로 이루어지는 것일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 금속 나노와이어에 있어, 코어에 함유되는 구리 산화물(CuO)의 함량은 전체 코어 중량 중 2중량% 이하일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 금속 나노와이어에 있어, 금속 나노와이어는 쉘에 함유되는 은의 (111) 결정면의 FWHM이 코어에 함유되는 구리의 (111) 결정면의 FWHM보다 큰 것일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 금속 나노와이어에 있어, 금속 나노와이어는 250℃ 이상의 산화 개시 온도를 가질 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 금속 나노와이어에 있어, 상기 X선 광전자 분광 스펙트럼에서 은의 Ag 3d5/2의 피크 강도(I1)와 구리의 Cu 2p3/2의 피크 강도(I2)는 하기 식 2를 만족하는 것일 수 있다.
(식 2)
I2/I1 ≤ 0.05
본 발명의 일 실시예에 따른 금속 나노와이어에 있어, 금속 나노와이어를 포함하는 8 μm 두께의 전도성 필름에 있어, 상기 전도성 필름의 초기 비저항 값에 대한 상기 전도성 필름을 상대습도 60% 및 180℃의 온도 조건 하에 10일 간 방치 후 측정된 비저항 값의 비를 백분율로 나타낸 비저항 변화율은 103% 이하일 수 있다.
본 발명은 다른 일 양태로 전술한 코어-쉘 구조의 금속 나노와이어를 포함하는 페이스트 조성물을 제공한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 페이스트 조성물에 있어, 페이스트 조성물은 바인더를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 페이스트 조성물에 있어, 바인더는 유기 바인더 또는세라믹 바인더일 수 있다.
본 발명에 따른 코어-쉘 구조의 금속 나노와이어는 산화에 취약한 코어 상에 얇고 균일하게 형성된 쉘에 의해 코어 상에서 발생할 수 있는 산화반응을 효과적으로 억제시킬 수 있고, 구조적으로 안정한 형상을 가져 금속 나노와이어를 이용한 2차 가공 공정 이 후에도 우수한 산화안정성이 유지될 수 있다.
도 1는 실시예 1에서 합성한 전자주사현미경 사진이다.
도 2은 실시예 2에서 합성한 전자주사현미경 사진이다.
도 3는 실시예 3에서 합성한 전자주사현미경 사진이다.
도 4는 비교예 1에서 합성한 전자주사현미경 사진이다.
도 5은 비교예 2에서 합성한 전자주사현미경 사진이다.
도 6은 실시예 1, 실시예 2 및 비교예 1에 따라 합성한 시료의 열중량분석(TGA)분석 결과이다.
도 2은 실시예 2에서 합성한 전자주사현미경 사진이다.
도 3는 실시예 3에서 합성한 전자주사현미경 사진이다.
도 4는 비교예 1에서 합성한 전자주사현미경 사진이다.
도 5은 비교예 2에서 합성한 전자주사현미경 사진이다.
도 6은 실시예 1, 실시예 2 및 비교예 1에 따라 합성한 시료의 열중량분석(TGA)분석 결과이다.
이하 첨부한 도면들을 참조하여 본 발명의 코어-쉘 구조의 금속 나노와이어를 상세히 설명한다. 다음에 소개되는 도면들은 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 예로서 제공되는 것이다. 따라서, 본 발명은 이하 제시되는 도면들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있으며, 이하 제시되는 도면들은 본 발명의 사상을 명확히 하기 위해 과장되어 도시될 수 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.
또한 명세서 및 첨부된 특허청구범위에서 사용되는 단수 형태는 문맥에서 특별한 지시가 없는 한 복수 형태도 포함하는 것으로 의도할 수 있다.
본 명세서 및 첨부된 특허청구범위에서 포함하다 또는 가지다 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 또는 구성요소가 존재함을 의미하는 것이고, 특별히 한정하지 않는 한, 하나 이상의 다른 특징들 또는 구성요소가 부가될 가능성을 미리 배제하는 것은 아니다.
본 발명의 일 양태에 따른 코어-쉘 구조의 금속 나노와이어는 구리를 함유하는 코어 및 코어 상에 은을 함유하는 쉘을 포함하고, 코어의 직경(D) 및 쉘의 두께(L)의 비(D/L)는 10 내지 60이며, 쉘의 두께는 5 내지 40 nm이고, X선 광전자 분광 스펙트럼에서 은의 Ag 3d5/2의 피크 강도(I1)와 구리의 Cu 2p3/2의 피크 강도(I2)는 하기 식 1을 만족하는 것을 특징으로 한다.
(식 1)
I2/I1 ≤ 0.2
구리를 함유하는 코어는 구리가 공기 중에 노출되었을 시 산화되어 전기적 특성이 저하될 수 있는 단점이 있고, 이러한 단점은 종래와 같이 구리를 함유하는 코어 상에 은을 함유하는 쉘을 포함하는 코어-쉘 구조로 완화시킬 수 있으나, 코어 상에 코팅된 쉘의 품질 균일성이 일정하지 않아 코어에 함유된 구리가 외부로 노출되어 여전히 금속 나노와이어의 표면에서 전기적 특성을 저하시킬 수 있는 구리 산화물이 생성될 가능성이 존재한다.
반면에, 본 발명의 코어-쉘 구조의 금속 나노와이어는 코어-쉘 구조에서 코어의 직경(D) 및 쉘의 두께(L)의 비(D/L)는 10 내지 60이며, 쉘의 두께는 5 내지 40 nm이고, X선 광전자 분광 스펙트럼에서 은의 Ag 3d5/2의 피크 강도(I1)와 구리의 Cu 2p3/2의 피크 강도(I2)는 상기 식 1을 만족하여 구리를 함유하는 코어 상에 얇고 균일하게 형성된 은을 함유하는 쉘에 의해 구리를 포함하는 코어가 외부로 거의 노출되지 않기 때문에 현저히 우수한 산화안정성을 가질 수 있는 것이다.
일 실시예에 있어, X선 광전자 분광 스펙트럼에서 은의 Ag 3d5/2의 피크 강도(I1)와 구리의 Cu 2p3/2의 피크 강도(I2)의 비(I2/I1)는 0.2 이하, 좋게는 0.1 이하, 보다 좋게는 0.05 이하, 보다 더 좋게는 0.03 이하일 수 있고, 0.001 이상 일 수 있다.
X선 광전자 분광 스펙트럼에서 은의 Ag 3d5/2의 피크 강도(I1)와 구리의 Cu 2p3/2의 피크 강도(I2)의 비(I2/I1)가 0.2 초과이면 코어-쉘 구조의 금속 나노와이어에서 외부로 노출된 구리가 산화되어 금속 나노와이어의 산화안정성이 떨어질 수 있기 때문에 X선 광전자 분광 스펙트럼에서 은의 Ag 3d5/2의 피크 강도(I1)와 구리의 Cu 2p3/2의 피크 강도(I2)의 비(I2/I1)는 전술한 범위를 만족하는 것이 바람직하다.
일 구체예로, X선 광전자 분광 스펙트럼에서 은의 Ag 3d5/2의 피크는 금속성 은(Ag0)의 피크로 이루어지는 것일 수 있다.
상세하게, 본 발명의 코어-쉘 구조의 금속 나노와이어는 금속 나노와이어에 포함되어 코어 상에 위치하는 은을 함유하는 쉘은 산화되지 않은 은 즉, Ag2O, AgO, Ag2O2 등의 산화은이 아닌 금속성 은(Ag)을 함유하는 것으로 우수한 전기전도도 특성을 가질 수 있는 것이다. 일 예로, 쉘에 함유된 은의 산화도는 1% 미만, 유리하게는 0.5% 미만, 보다 유리하게는 0.1% 미만일 수 있고 0.01% 이상 일 수 있다.
본 발명의 일 구체예에 있어, 코어에 함유되는 구리 산화물(CuO)의 함량은 전체 코어 중량 중 4 중량% 이하, 2 중량% 이하, 1 중량% 이하, 0.5 중량% 이하 일 수 있고, 0.01 중량% 이상일 수 있다.
코어에 함유되는 구리 산화물이 전술한 범위의 함량으로 포함됨에 따라 코어는 구리 본연의 우수한 전기적 특성을 유지할 수 있고, 또한 코어 상에 위치하여 산화도가 현저히 낮은 은을 함유하는 쉘을 포함하는 본 발명의 코어-쉘 구조의 금속 나노와이어는 우수한 산화안정성을 기반으로 전기적 특성을 유지할 수 있는 것이다.
일 구체예로, 금속 나노와이어는 쉘에 함유되는 은의 (111) 결정면의 반치폭(full width half maximum, FWHM)이 코어에 함유되는 구리의 (111) 결정면의 반치폭(FWHM)보다 큰 것일 수 있다.
이 때, 반치폭은 X-선 회절 피크의 반치폭을 의미하고, 코어-쉘 구조의 금속 나노와이어에서 쉘에 함유되는 은의 (111) 결정면의 반치폭이 코어에 함유되는 구리의 (111) 결정면의 반치폭보다 크다는 것은 은의 결정 크기가 구리의 결정 크기 대비 작다는 것을 의미한다. 이와 같이, 구리를 함유하는 코어 상에 구리의 결정 크기 보다 작은 은이 촘촘한 형태로 위치하여 코어를 감쌈으로써 구리가 외부로 노출되는 것을 효과적으로 방지하여 본 발명의 코어-쉘 구조의 금속 나노와이어는 우수한 산화안정성을 가질 수 있게 되는 것이다.
본 발명의 코어-쉘 구조의 금속 나노와이어가 전술한 바와 같이 우수한 산화안정성을 가질 수 있는 것은 코어 상에 극히 얇고 균일하게 위치하는 은을 함유하는 쉘로부터 기인한 것일 수 있다.
일 예로, 쉘의 두께는 5 내지 40 nm일 수 있고, 구체적으로 5 내지 30 nm일 수 있으며, 보다 구체적으로 5 내지 20 nm일 수 있으며, 보다 더 구체적으로 6 내지 10 nm일 수 있다.
쉘의 두께가 5 nm 미만이면 코어에 함유된 구리의 산화를 효과적으로 억제할 수 없고, 쉘의 두께가 40 nm 이상이면 코어 상에 위치하는 쉘의 균일성이 떨어져 구리 산화물의 생성 가능성이 존재할 수 있으며, 경제적인 측면에서 유리하지 않기 때문에 쉘의 두께는 전술한 범위를 만족하는 것이 좋다.
일 구체예로, 코어의 직경(D) 및 쉘의 두께(L)의 비(D/L)는 10 내지 60, 유리하게는 15 내지 50, 보다 유리하게는 20 내지 50, 보다 더 유리하게는 30 내지 50일 수 있으며, 코어의 직경은 일 예로, 100 내지 400 nm, 좋게는 150 내지 400 nm, 보다 좋게는 200 내지 400 nm 일 수 있다.
본 발명의 코어-쉘 구조의 금속 나노와이어에 포함되는 코어의 직경이 전술한 범위를 갖고, 코어의 직경(D) 및 쉘의 두께(L)의 비(D/L)가 전술한 범위를 가짐에 따라 코어 상에 위치하는 쉘의 균일성이 우수하게 되어 산화에 대한 저항성이 강한 코어-쉘 구조의 금속 나노와이어를 제공할 수 있는 것이다.
일 실시예에 있어, 금속 나노와이어의 직경은 110 내지 500 nm일 수 있고, 구체적으로 160 내지 500 nm일 수 있으며, 보다 구체적으로 210 내지 500 nm일 수 있고, 금속 나노와이어의 종횡비는 5 내지 100, 좋게는 8 내지 60, 보다 좋게는 10 내지 40일 수 있다.
금속 나노와이어를 이용하여 금속 나노와이어 네트워크 구조 형성 등을 위해 롤밀링(roll milling) 등과 같은 방법으로 조성물을 제조하는 2차 가공 공정 이후에도 금속 나노와이어가 산화안정성이 유지됨과 동시에 우수한 분산성을 가지면서 높은 도전성을 갖기 위해서는 금속 나노와이어의 직경 및 종횡비는 전술한 범위를 만족하는 것이 바람직하다.
구체적으로, 금속 나노와이어는 복수의 금속 나노와이어가 서로 접촉하여 얽힌 네트워크 구조로 사용되는데 이를 위하여 일반적으로 금속 나노와이어가 바인더와 혼합된 조성물의 제조와 같은 2차 가공 공정을 거치게 된다. 이 때, 조성물 내에서 금속 나노와이어 간의 응집없이 분산되는 분산 정도에 따라 최종 형성된 금속 나노와이어 네트워크의 전기적 및/또는 물리적 물성이 크게 좌우되기 때문에 우수한 분산성을 갖는 것은 매우 중요하다.
또한, 금속 나노와이어의 산화 안정성 측면에서 구리를 함유하는 코어 상에 위치하는 쉘에 의해 코어에 함유된 구리의 산화에 대한 저항성이 강화되었더라도 2차 가공 공정 중에 금속 나노와이어가 절단되어 구리를 함유하는 코어가 외부로 노출되어 산화안정성이 저하될 수 있기 때문에 금속 나노와이어가 2차 가공 공정 이후에도 우수한 산화안정성이 유지될 수 있도록 구조적으로 안정한 형상을 갖는 것이 중요하다.
일 예로, 금속 나노와이어의 길이는 1 내지 50 μm일 수 있고, 바람직하게는 2 내지 35 μm일 수 있으며, 보다 바람직하게는 3 내지 20 μm일 수 있다.
본 발명의 코어-쉘 구조의 금속 나노와이어가 전술한 범위 내의 길이를 갖기 때문에 구조적으로 안정하여 금속 나노와이어 자체적으로도 우수한 산화안정성을 가질 뿐 아니라, 2차 가공 공정 이 후에도 우수한 산화안정성이 유지될 수 있는 것이다.
일 예로, 2차 가공 공정을 거쳐 제조될 수 있는 금속 나노와이어 및 바인더가 혼합된 조성물을 이용하여 기판 상에 금속 나노와이어를 코팅할 수 있다.
이 때, 금속 나노와이어가 코팅된 기판은 유기 또는 무기재료로 제조된 기판을 사용할 수 있으며, 구체적 일 예로, 플라스틱 기판, 유리 기판, 또는 석영 기판 등일 수 있다. 전술한 기판을 구성하는 물질의 예로는 메타크릴 수지, 방향족 폴리에스테르, 변성 폴리페닐렌옥사이드(ModifiedPolyphenylene Oxide: MPPO), 셀룰로스 에스테르(Cellulose ester), 셀룰로오스 아세테이트, 수정(quartz), 스티렌-부타디엔 공중합체, 실리콘 웨이퍼, 아크릴로니트릴 부타디엔 스티렌(acrylonitrile butadiene styrenecopolymer, ABS 수지), 에폭시 수지, 올레핀 말레이미드 공중합체, 용융실리카, 유리, 재생 셀룰로스(Regenerated cellulose), 트리아세틸셀룰로오스, 페놀 수지, 폴리디메틸시클로헥센테레프탈레이트, 폴리디메틸실록산(polydimethylsiloxane, PDMS), 폴리메틸메타크릴레이트, 폴리메틸아크릴레이트(polymethylacrylate), 폴리부타디엔, 폴리부틸렌 테레프탈레이트, 폴리불화 비닐리덴, 폴리비닐리덴플로라이드(Polyvinylidenfluoride), 폴리비닐아세테이트, 폴리설포네이트, 폴리술폰(Polysulfone), 폴리스티렌(PS), 폴리실라잔(polysilazane), 폴리실란(polysilane), 폴리실록산(polysiloxane), 폴리아라미드, 폴리아릴레이트,폴리아미드, 폴리아미드 이미드, 폴리아크릴레이트, 폴리아크릴로니트릴(Polyacrylonitrile, PAN), 폴리에스테르, 폴리에스테르술폰(Polyethersulfone, PES), 폴리에테르 니트릴, 폴리에테르 술폰, 폴리에테르 이미드, 폴리에테르 케톤, 폴리에틸렌 나프탈레이트(polyethylenenaphthalte, PEN), 폴리에틸렌 설폰, 폴리에틸렌(PE), 폴리에틸렌테레프탈레이트(Polyethylene terephtalate, PET), 폴리에틸메타크릴레이트(polyethylmetacrylate), 폴리에틸아크릴레이트(polyethylacrylate), 폴리에폭사이드, 폴리염화비닐, 폴리옥시에틸렌, 폴리올레핀, 폴리우레탄, 폴리이미드 수지, 폴리카르보실란(polycarbosilane), 폴리카보네이트(Polycarbonate), 폴리페닐렌술피드, 폴리페닐렌 에테르, 폴리프로필렌(PP), AS 수지, GaAs, MgO, silica, 폴리비닐클로라이드, 폴리디메틸시클로헥센테레프탈레이트 등일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
본 발명의 일 실시예에 있어, 코어-쉘 구조의 금속 나노와이어는 250℃ 이상의 산화 개시 온도를 가질 수 있다.
이 때, 코어-쉘 구조인 금속 나노와이어의 산화 개시 온도는 열중량 분석(Thermogravimetric analysis, TGA)의 결과로부터 얻어진 것일 수 있다.
구체적으로, 산화 개시 온도는 열중량 분석 결과 그래프에서 초기에 중량 변화가 없는 직선 및 초기 중량 대비 1 중량 %의 변화가 있는 점에서의 접선이 교차하는 교차점에서의 온도로 정의될 수 있다.
일 구체예로, 코어-쉘 구조의 금속 나노와이어는 250℃ 이상, 구체적으로 280℃ 이상, 보다 구체적으로 300℃ 이상에서 산화가 개시될 수 있으며, 상한 값이 제한되는 것은 아니나, 코어-쉘 구조의 금속 나노와이어는 400℃ 이하의 온도에서 산화가 개시될 수 있다. 일반적으로 구리의 산화는 160 내지 180℃ 범위에서 개시되는데 본 발명의 코어-쉘 구조의 금속 나노와이어는 250℃ 이상의 산화 개시 온도를 가진다는 것은 구리를 함유하는 코어 부분이 외부로 노출되지 않았다는 것을 의미할 수 있다.
즉, 본 발명의 코어-쉘 구조의 금속 나노와이어는 전술한 두께 범위로 구리를 함유하는 코어 상에 은을 함유하는 쉘이 얇고 균일하게 위치하여 전술한 범위의 산화 개시 온도를 가져 안정적으로 산화에 대한 강한 저항성을 가질 수 있는 것이다.
일 구현예로, 전술한 금속 나노와이어를 포함하는 8 μm 두께의 전도성 필름에 있어, 상기 전도성 필름의 초기 비저항 값에 대한 상기 전도성 필름을 상대습도 60% 및 180℃의 온도 조건 하에 10일 간 방치 후 측정된 비저항 값의 비를 백분율로 나타낸 비저항 변화율은 103% 이하, 유리하게는 102% 이하, 보다 유리하게는 101% 이하일 수 있고, 하한 값이 제한되는 것은 아니나 실질적으로 99% 이상일 수 있다.
여기서 비저항 변화율이 상기 범위를 만족한다는 것은 구리를 함유하는 코어 상에 은을 함유하는 쉘이 치밀하고 균일하게 위치하여 전술한 가혹 조건 하에 10일 간 방치 후에도 초기 비저항 특성을 유지하는 것을 의미한다.
금속 나노와이어를 포함하는 전도성 필름은 전술한 바와 같이 2차 가공 공정을 거쳐 제조될 수 있는 금속 나노와이어 및 바인더가 혼합된 조성물을 이용하여 형성될 수 있는데 2차 가공 공정 이 후에도 우수한 산화안정성이 유지될 수 있는 것을 알 수 있다.
본 발명은 다른 일 양태로 상술한 코어-쉘 구조의 금속 나노와이어를 포함하는 페이스트 조성물을 제공한다.
일 실시예로, 페이스트 조성물은 조성물 전체 중량을 기준으로 5 내지 80 중량%, 구체적으로 10 내지 70 중량%, 보다 구체적으로 30 내지 60 중량%의 금속 나노와이어를 포함할 수 있다.
일 구현예에 있어, 페이스트 조성물은 바인더를 더 포함할 수 있고, 바인더는 페이스트 조성물 총 중량 중 5 내지 30 중량%, 구체적으로 10 내지 30 중량% 로 포함될 수 있다.
일 구체예에 있어, 바인더는 유기 바인더 또는 세라믹 바인더일 수 있고, 유기 바인더는 구체적으로는, 에폭시계 수지, 아크릴 수지, 실리콘 수지, 우레탄 수지, 불소 고무, 니트릴 고무, 에틸셀룰로오스, 에틸하이드록시에틸셀룰로오스, 니트로셀룰로오스 등의 유기 수지 중에서 선택되는 하나 이상일 수 있으며, 에폭시계 수지는 비스페놀 A형 에폭시수지, 비스페놀 F형 에폭시 수지, 비스페놀 S형 에폭시 수지, 페놀 노볼락형 에폭시 수지, 크레졸 노볼락형 에폭시 수지, 알킬페놀 노볼락형 에폭시 수지, 비페닐형 에폭시 수지, 나프탈렌형 에폭시 수지, 디사이클로펜타디엔형 에폭시 수지, 트리글리시딜 이소시아네이트, 우레탄 변성 에폭시수지 및 에폭시 수지 등에서 선택되는 어느 하나 또는 둘 이상의 에폭시 수지 일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
세라믹 바인더는 규소(Si) 원자와 산소(O)원자가 교대로 되어있는 폴리실록산 주쇄를 가지는 고분자로서, 대게 실리콘은 각각의 규소 원자에 보통 두 개의 메틸, 에틸, 프로필 등의 알킬 또는 페닐(-C6H5)의 유기 원자단이 결합되어 있는 구조를 가지며, 본 발명에 따른 페이스트 조성물에 포함되어 있는 세라믹 바인더는 수소, 히드록시기, 메틸기 또는 페닐기가 결합된 것일 수 있으며, 일예로, 디메틸실록산 반복단위를 포함하는 폴리디메틸실록산계 수지일 수 있으며, 메틸페닐실록산 반복단위, 에틸페닐실록산 반복단위 또는 디페닐실록산 반복단위를 더 포함하는 폴리실록산계 수지일 수 있다.
일 구체예로, 페이스트 조성물은 조성물 전체 중량을 기준으로 5 내지 30 중량%의 용매를 더 포함될 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
일 구체예에 있어, 용매는 아세톤, 메틸에틸케톤, 메틸알콜, 에틸알콜, 이소프로필알콜, 부틸알콜, 에틸렌글리콜, 폴리에틸렌글리콜, 테트라하이드로퓨란, 디메틸포름아미드, 디메틸아세트아미드, N-메틸-2-피롤리돈, 헥산, 사이클로헥사논, 톨루엔, 클로로포름, 디클로로벤젠, 디메틸벤젠, 트리메틸벤젠, 피리딘, 메틸나프탈렌, 니트로메탄, 아크릴로니트릴, 옥타데실아민, 부틸 카비톨 아세테이트, 아닐린, 디메틸설폭사이드, 디에틸렌글리콜에틸에테르 및 터피네올에서 선택되는 어느 하나 또는 둘 이상일 수 있다.
본 발명은 또 다른 일 양태로 전술한 코어-쉘 구조의 금속 나노와이어의 제조방법을 제공한다.
본 발명에 따른 코어-쉘 구조의 금속 나노와이어의 제조방법은 a) 구리 나노 와이어를 제조하는 단계; b) 제조된 구리 나노 와이어가 수 분산된 수 분산액에 산화막 제거용액을 첨가하여 산화막을 제거하는 단계; c) b) 단계 용액에 제1 환원제를 첨가한 후, 제1 질산은 용액을 드롭핑 하면서 제1 은 코팅층을 형성하는 단계; d) 제2 환원제를 첨가한 후, 제2 질산은-암모니아 착물용액을 드롭핑 하면서 제2 은 코팅층을 형성하는 단계; 및 e) f) 단계에서 제조된 은 코팅 구리 나노 와이어를 세척 및 건조하는 단계;를 포함한다.
본 발명의 제조방법에 따라 제조된 코어-쉘 구조의 금속 나노와이어는 먼저 구리 나노와이어를 제조하고, 산화막 제거용액을 이용하여 구리 나노와이어의 표면에 형성된 산화막을 제거한 다음, 제1 질산은 용액 및 제2 질산은-암모니아 착물용액을 순차적으로 드롭핑 하여 구리 나노와이어 상에 은 코팅층을 형성시키기 때문에 종래 대비 극히 얇고 균일하며 치밀하게 형성된 은을 함유하는 쉘이 구리를 함유하는 코어 상에 형성될 수 있는 것이다.
일 실시예에 있어, 구리 나노와이어에 상에 형성되는 은 코팅층은 2회에 거쳐 순차적으로 형성되는 것일 수 있으나, 3회, 4회, 5회, 6회 또는 7회에 거쳐 순차적으로 형성될 수 있음은 물론이다. 다만, 제조 공정 효율 및 경제적인 측면을 고려하여 구리 나노와이어 상에 은 코팅층을 2회에 거쳐 순차적으로 형성시키는 것이 좋다.
구체적으로 구리 나노와이어를 포함하는 용액에 제1 질산은 용액을 드롭핑 하면서 제1 은 코팅층을 형성한 다음, 제1 은 코팅층이 형성된 구리 나노와이어를 포함하는 용액에 제2 질산은-암모니아 착물용액을 드롭핑 하면서 제2 은 코팅층을 형성시킬 수 있다. 이 때, 은-암모니아 착물 용액은 질산은 용액과 암모니아수가 혼합된 용액일 수 있다.
보다 상세하게, 제2 은 코팅층은 은-암모니아 착물을 포함하는 제2 질산은-암모니아 착물용액에 의해 형성될 수 있는데 은-암모니아 착물에 포함된 Ag 이온이 구리 나노와이어의 구리로부터 나온 전자에 의해 환원되어 구리 나노와이어 상에 은 원자가 코팅되는 것이다.
여기서, 제2 질산은-암모니아 착물용액에 포함된 은-암모니아 착물은 하기 반응식 1에 따라 형성될 수 있다.
(반응식 1)
1) 2AgNO3+ 2NH4OH →Ag2O ↓+H2O + 2NH4NO3
2) Ag2O + 4NH4OH →2[Ag(NH3)2]OH + 3H2O
3) [Ag(NH3)2]OH + NH4NO3 →[Ag(NH3)2]NO3 + NH4OH
반응식 1의 3)에서 형성된 [Ag(NH3)2]+가 은-암모니아 착물인 것이다. 전술한 바와 같이, 은-암모니아 착물에 포함된 Ag 이온이 환원되는 반응은 하기 반응식 2로 나타낼 수 있다.
(반응식 2)
Cu + 2[Ag(NH3)2]NO3 →[Cu(NH3)4](NO3)2 + 2Ag ↓
상술한 바와 같이, 제2 질산은-암모니아 착물용액을 이용하여 구리 나노와이어 상에 은 코팅층을 형성시켜 구리 나노와이어 표면에서의 산화 반응을 억제시킬 수 있으나 은 코팅층을 치밀하고 균일하게 형성시키는데는 한계가 있다.
구체적으로, 제2 질산은-암모니아 착물용액을 이용하여 구리 나노와이어 상에 은 코팅층을 형성시킬 경우 은 코팅층은 은의 핵 생성 및 생성된 핵의 성장이 동시에 진행되어 형성되기 때문에 코팅층의 균일성 및 치밀성의 향상에 한계가 있는 것이다.
이로 인해 은 코팅된 구리 나노와이어의 산화 안정성을 향상시키기 위해서는 불필요하게 두꺼운 은 코팅층을 형성시키거나 두꺼운 은 코팅층이 형성되더라도 일부 치밀하지 못한 은 코팅층 영역에서 국부적으로 산화 안정성이 저하되는 단점이 있다.
반면에, 본 발명에 따른 금속 나노와이어는 제1 은 코팅층이 형성된 구리 나노와이어를 포함하는 용액에 제2 질산은-암모니아 착물용액을 드롭핑 하면서 제2 은 코팅층을 형성시킴에 따라 최종적으로 구리 나노와이어 상에 형성되는 은 코팅층은 종래 대비 극히 얇음에도 불구하고 균일하고 치밀하게 형성되어 금속 나노와이어의 산화 안정성을 현저히 향상시킬 수 있는 것이다.
전술한 바와 같이, 제1 은 코팅층이 형성된 구리 나노와이어 상에 제2 은 코팅층을 형성시키기 위해서는 제1 은 코팅층이 형성된 구리 나노와이어의 표면에서 은-암모니아 착물과의 반응을 위해 구리를 일부 노출시킬 필요가 있다.
상세하게, 1차 은 코팅층은 다량의 은 핵이 균일하게 생성되되, 핵 성장이 억제되어 구리 나노와이어 표면에 구리가 노출된 코팅층일 수 있고, 제2 은 코팅층 형성을 위해 제1 은 코팅층이 형성된 구리 나노와이어를 포함하는 용액에 제2 질산은-암모니아 착물용액을 드롭핑할 경우 핵 성장이 우세하게 되어 최종적으로 형성되는 은 코팅층의 치밀성 및 균일성을 현저히 향상될 수 있는 것이다.
일 구현예로, 제1 은 코팅층은 산화막이 제거된 구리 나노 와이어가 수 분산된 수 분산액에 제1 환원제를 첨가한 후, 제1 질산은 용액을 드롭핑 하면서 형성될 수 있다.
일 구체예에 있어, 제1 질산은 용액의 농도는 0.01 내지 1 M일 수 있고, 구체적으로 0.01 내지 0.8 M일 수 있으며, 보다 구체적으로 0.01 내지 0.2 M일 수 있으며, 보다 더 구체적으로 0.03 내지 0.1 M일 수 있다.
구리를 포함하는 코어 상에 1차적으로 형성된 제1 은 코팅층은 제1 질산은 용액에 의해 형성될 수 있으며, 이 때 제1 질산은 용액의 농도가 0.01 M 미만이면 은 코팅층이 형성되지 않을 수 있고, 1.0 M을 초과하면 은 코팅층이 두껍고 불균일하게 형성되어, 제2 은 코팅층의 형성이 원활하지 않아 치밀하고 균일한 은 코팅층을 형성시킬 수 없기 때문에 제1 질산은 용액의 농도는 상기 범위를 만족하는 것이 유리하다.
일 구체예로, 제1 질산은 용액의 드롭핑은 산화막이 제거된 구리 나노 와이어가 수 분산된 수 분산액에 제1 환원제를 첨가한 후, 수 분산액을 500 내지 10,000rpm, 구체적으로 5,000 내지 10,000rpm으로 교반하면서 제1 질산은 용액을 분당 0.1 내지 500ml, 유리하게는 0.5 내지 100ml로 주입하는 것을 특징으로 할 수 있다.
제1 질산은 용액의 주입속도가 0.1ml/min 미만인 경우, 환원되는 은의 양이 적어 은 코팅층이 형성되지 않으며, 500ml/min 초과의 경우, 은이 구리 나노 와이어 상에 코팅되지 않고 용액 중에 자유 은 입자가 형성될 수 있기 때문에 제1 질산은 용액은 전술한 주입속도로 주입되는 것이 유리하다.
이 때, 이어서 수행되는 제2 은 코팅층의 형성을 통해 최종적으로 형성되는 은 코팅층을 균일하고 치밀하게 형성시키기 위해서는 제1 질산은 용액은 1 내지 30분, 구체적으로 10 내지 20분 동안 주입될 수 있다.
또한, 수 분산액의 교반 속도가 500rpm 미만의 경우, 구리 나노 와이어 표면에 은 코팅이 제대로 되지 않을 수 있으며, 10,000rpm 초과의 경우, 수 분산액에 분산된 구리 나노와이어의 전단강도 이상의 힘이 가해져 전단파괴로 인해 길이가 짧아질 수 있기 때문에 교반 속도는 전술한 범위를 만족하는 것이 좋다.
일 실시예로, 제1 은 코팅층의 형성을 위해 첨가되는 제1 환원제는 은 이온을 환원시켜 은 코팅을 수행할 수 있는 환원제라면 제한 없이 사용 가능하며, 일 예로, 제1 환원제는 옥살산, 말로닉산, 숙시닉산, 글루타릭산, 아디픽산, 피멜릭산, 수베릭산, 아젤라익산, 세바식산, 브라실릭산, 도데카노익산, 쌉식산, 말레익산, 푸마릭산, 글루코닉산, 트라우마틱산, 무코닉산, 글루티닉산, 시트라코닉산, 메사코닉산, 아스파틱산, 글루타믹산, 디아미노피멜릭산, 타르트로닉산, 아라비나릭산, 사카릭산, 메소살릭산, 옥살로아세틱산, 아세토니디카르복실릭산, 프탈릭산, 이소프탈릭산, 테레프탈릭산, 디페닉산, 타르타르산, 타르타르산 나트륨 칼륨, 아스코빅산, 하이드로퀴논, 클루코스 및 하이드라진의 군에서 선택되는 하나 또는 둘 이상일 수 있다.
일 구체예로, 제1 환원제의 농도는 0.001 내지 3M일 수 있고, 구체적으로 0.005 내지 2M일 수 있으며, 보다 구체적으로 0.005 내지 1M일 수 있다.
제1 환원제의 농도가 0.001M 미만이면 환원 반응이 적어져 은 코팅층이 형성되지 않을 수 있고, 3M을 초과하면 시약소모량이 커져 경제적 및/또는 환경적 손실이 커져 효율적이지 못하기 때문에 제1 환원제의 농도는 전술한 범위를 만족하는 것이 좋다.
일 구체예로, 제1 은 코팅층이 형성되는 구리 나노와이어는 산화막이 제거된 구리 나노와이어일 수 있다.
구리 나노 와이어는 제조된 이후 쉽게 산화되어 표면에 산화막(산화구리)이 형성될 수 있고, 이러한 산화막은 구리 나노와이어의 전기 전도도를 떨어트리며, 표면에 코팅되는 은과의 접촉을 방해할 수 있다. 따라서 은 코팅층이 형성되기 이전에 구리의 표면 상에 형성된 산화막을 제거하는 것이 바람직하다.
일 실시예로, 구리 나노 와이어가 수 분산된 수 분산액에 산화막 제거용액을 첨가하여 산화막이 제거될 수 있다.
산화막 제거용액은 암모니아수 및 황산암모늄의 혼합용액일 수 있으며, 이때 암모니아수 및 황산암모늄 혼합용액의 농도는 0.001 내지 0.3M, 구체적으로 0.001 내지 0.1M일 수 있으며, 상기 암모니아수 및 황산암모늄 혼합용액의 농도가 0.001M 미만인 경우, 산화막 제거가 제대로 되지 않아 은 코팅층이 형성되지 않거나, 구리 나노 와이어의 전기 전도도가 떨어질 수 있으며, 0.3 M 초과의 경우, 구리 나노 와이어가 분해될 수 있으므로 구리의 소모량이 커 전체적인 수득량이 줄어 들 수 있기 때문에 산화막 제거용액의 농도는 전술한 범위를 만족하는 것이 바람직하다.
또한, 산화막 제거용액은 암모니아 이온을 포함하는 용액 외에 에틸렌디아민테트라아세트산 디나트륨 염 등과 같은 아민을 포함하는 물질로 대체하여 사용할 수 있으며, 다른 아민계 물질 또는 첨가제를 추가로 포함할 수 있지만 이에 제한되는 것은 아니다.
유리한 일 예로, 산화막 제거용액을 이용한 산화막 제거는 1 내지 60분간, 구체적으로 1 내지 30분간, 보다 구체적으로 1 내지 20분간 수행하는 것이 바람직하다. 1분 미만의 반응시간을 가지는 경우, 산화막이 제거되지 않으며, 60분을 초과하는 경우. 구리 나노 와이어가 용해될 수 있다.
일 실시예에 있어, 구리 나노와이어 상에 제1 은 코팅층을 형성한 다음, 제2 환원제를 첨가한 후, 제2 질산은-암모니아 착물용액을 드롭핑 하면서 제2 은 코팅층을 형성할 수 있다.
이 때, 제2 질산은-암모니아 착물용액의 농도는 제1 질산은 용액의 농도 대비 묽은 농도를 가질 수 있다.
제2 질산은-암모니아 착물용액은 전술한 바와 같이, 질산은 용액과 암모니아수가 혼합된 용액인 것으로, 제2 질산은-암모니아 착물 용액의 농도가 제1 질산은 용액의 농도 대비 묽은 농도를 갖는다는 것은 제2 질산은-암모니아 착물 용액에 포함된 질산은 용액의 농도가 제1 질산은 용액의 농도 대비 낮다는 의미일 수 있다.
이와 같이, 구리 나노와이어 상에 코팅층을 형성함에 있어, 제1 질산은 용액 및 제1 질산은 용액의 농도 대비 묽은 농도의 질산은 용액을 포함하는 제2 질산은-암모니아 착물용액을 이용하여 두 차례에 거쳐 코팅층을 형성시키기 때문에 구리 나노와이어 상에 종래 대비 얇고, 균일하면서도 치밀한 은 코팅층이 형성될 수 있는 것이다.
일 구현예로, 제1 질산은 용액: 제2 질산은-암모니아 착물 용액에 포함된 질산은 용액의 농도비는 1: 0.01 내지 0.9, 구체적으로 1: 0.05 내지 0.8, 보다 구체적으로 1: 0.1 내지 0.6일 수 있다.
전술한 바와 같이, 제1 질산은 용액: 제2 질산은-암모니아 착물 용액에 포함된 질산은 용액의 농도비가 상기 범위를 만족함에 따라 구리 나노와이어 상에 종래 대비 얇고, 균일하면서도 치밀한 은 코팅층이 형성되어 은 코팅된 구리 나노와이어의 산화 안정성을 현저히 향상시킬 수 장점이 있다.
구체적 일 예로, 제2 질산은-암모니아 착물용액에 포함되는 질산은 용액의 농도는 0.005 내지 0.5 M일 수 있고, 구체적으로 0.01 내지 0.1 M일 수 있으며, 보다 구체적으로 0.01 내지 0.05 M일 수 있다.
구리를 포함하는 코어 상에 1차적으로 얇은 두께로 형성된 은 코팅층의 두께를 유지시키면서 보다 치밀하고 균일한 은 코팅층이 형성되기 위해서는 제2 질산은-암모니아 착물용액에 포함되는 질산은 용액의 농도는 전술한 범위를 만족하는 것이 바람직하다.
일 구체예에 있어, 제2 질산은-암모니아 착물용액에 포함되는 암모니아수의 농도는 은-암모니아 착물이 형성되어 구리를 포함하는 코어 상에 은은 포함하는 쉘 층이 형성될 수 있다면 자유롭게 조절 가능할 수 있고, 일 예로, 0.01 내지 0.3 M일 수 있고, 구체적으로 0.01 내지 0.1 M일 수 있다.
일 구현예에 있어, 제2 질산은-암모니아 착물용액의 드롭핑은 제2 질산은-암모니아 착물용액의 주입 시간 조건을 제외한 전술한 제1 질산은 용액의 드롭핑 조건과 동일하게 수행되는 것일 수 있다.
구체적으로, 제2 질산은-암모니아 착물용액의 주입은 30 내지 120분, 유리하게는 50 내지 80분 동안 수행될 수 있다.
제1 질산은 용액의 농도 대비 묽은 농도의 제2 질산은-암모니아 착물용액을 이용하여 최종적으로 형성되는 은 코팅층을 치밀하고 균일하게 형성시키기 위해서 전술한 시간 동안 제2 질산은-암모니아 착물용액을 주입하여 제2 은 코팅층을 형성시키는 것이 좋다.
제2 은 코팅층의 형성을 위해 첨가되는 제2 환원제는 전술한 제1 환원제와 동일 내지 유사한 것으로 상세한 설명은 생략한다.
다만, 제2 은 코팅층의 형성 시 은 피막이 균일하고 치밀하게 형성될 수 있는 측면에서 약한 환원제를 사용하는 것이 좋고, 바람직한 일 예로 제2 환원제는 타르타르산 나트륨 칼륨일 수 있다.
일 구체예로, 제2 환원제의 농도는 0.001 내지 3M일 수 있고, 구체적으로 0.005 내지 2M일 수 있으며, 보다 구체적으로 0.005 내지 1M일 수 있다.
일 구현예로, 구리 나노와이어 상에 형성된 제1 은 코팅층 및 제2 은 코팅층을 포함하는 은 코팅층의 두께는 5 내지 40 nm, 구체적으로 5 내지 30 nm일 수 있으며, 보다 구체적으로 5 내지 20 nm, 보다 더 구체적으로 6 내지 10 nm일 수 있다.
일 구현예에 있어, 구리 나노 와이이가 분산된 수 분산액에 제1 질산은 용액을 드롭핑 하여 제1 은 코팅층을 형성한 이후, 상기 용액에 포함된 구리 이온을 제거하는 단계를 더 포함할 수 있다. 이 때, 구리 이온의 제거는 전술한 산화막 제거용액과 동일한 용액을 이용하여 수행될 수 있다.
전술한 바와 같이, 제1 은 코팅층은 산화막이 제거된 구리 나노와이어가 수 분산된 수 분산액에 제1 질산은 용액을 드롭핑 하여 형성될 수 있는데 이 때, 수 분산액 내에서는 구리 이온이 포함되어 있을 수 있다.
제1 질산은 용액을 드롭핑 하여 제1 은 코팅층을 형성한 이후, 구리 이온을 제거함에 따라 제1 은 코팅층을 형성한 다음 이어서 수행되는 제2 환원제를 첨가한 후, 제2 질산은-암모니아 착물용액을 드롭핑 하면서 제2 은 코팅층을 형성하여 제조되는 은 코팅층의 순도를 현저히 향상시킬 수 있는 장점이 있다.
일 구현예에 있어, 코어-쉘 구조의 금속 나노와이어에서 금속 나노와이어의 코어에 해당하는 구리 나노와이어는 구리 화합물을 포함하는 수용액에 제3환원제를 첨가한 후, 구리 이온을 환원시켜 제조된 것일 수 있다.
구체적으로, 물에 알칼리, 구리 화합물 및 캡핑제를 첨가한 후 교반하여 제조된 구리 화합물을 포함하는 수용액에 하이드라진, 아스코르브산, L(+)-아스코르브산, 이소아스코르브산, 아스코르브산 유도체, 옥살산, 포름산, 포스파이트, 인산, 설파이트 또는 나트륨 보로하이드라이드 중에서 선택되는 어느 하나 이상의 제3환원제를 첨가한 후, 구리 이온을 환원시켜 구리 나노와이어를 제조할 수 있다.
이 때, 캡핑제는 구리 화합물에 포함된 구리 이온이 환원된 구리 나노 구조에 결합하며, 구리가 세로 방향으로 성장하여 나노와이어 형태를 가질 수 있도록 하는 역할을 수행한다. 캡핑제로는 피페라진(C4H10N2) 및/또는 헥사메틸렌디아민(C6H16N2)을 사용될 수 있고, 보다 상세한 구리 나노와이어의 제조방법은 본 출원인의 대한민국 등록특허 제10-1789213호를 참고한다.
일 실시예에 있어서, 제조된 구리 나노와이어를 수용액과 분리하여 세척 및 건조하는 단계를 포함할 수 있다.
구리 나노와이어의 제조 시 형성될 수 있는 구리 나노와이어 표면의 불순물을 제거할 수 있는 물질을 이용하여 세척하고 건조할 수 있으며, 바람직하게는 증류수 및 에탄올 용액을 이용하여 세척할 수 있다. 구리 나노와이어 세척 시, 구리 나노와이어 표면의 불순물을 증류수로 수 차례 세척한 다음, 빠른 건조를 위해 에탄올을 이용하여 1 내지 2회 세척하고, 진공오븐에서 상온(20 내지 28℃)으로 12 내지 30시간 동안 건조 시키는 것이 바람직하지만 이에 제한되는 것은 아니다.
일 실시예로, 구리 나노와이어와 분리된 잔류 수용액을 재활용하여 구리 나노와이어를 제조할 수 있다.
구체적으로, 구리 나노와이어를 수득한 이후, 즉, 구리 나노와이어의 세척 및 건조를 위해 분리된 잔류 수용액에는 상당량의 구리 전구체와 환원제가 남아있게 된다. 이에, 잔류 수용액에 구리 화합물과 제3 환원제를 추가로 첨가하여 구리 나노와이어를 재합성 할 수 있는 것이다.
일반적으로, 구리 나노와이어 제조에 사용되는 알칼리 용액은 고농도로 투입되어 져야 하기 때문에 그대로 폐기되는 경우, 새로운 알칼리 용액 구입비용 및 처리비용이 소모되어 경제적이지 못하다. 따라서, 구리 나노와이어로부터 분리된 잔류 수용액에 구리 화합물과 제3 환원제를 추가로 공급하여 반응시키는 경우, 제조비용을 상당부분 절감할 수 있는 장점이 있다.
이 때, 잔류 수용액의 재활용은 1 내지 30회, 좋게는 4 내지 20회, 보다 좋게는 6 내지 15회까지 가능할 수 있다. 잔류 수용액은 잔류 수용액에 구리 화합물과 제3 환원제를 추가로 공급하여 제조되는 구리 나노와이어가 균일한 나노와이어의 형상으로 제조되는 측면에서 전술한 범위 내에서 재활용되는 것이 좋다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상술한 방법으로 제조된 제1 은 코팅층 및 제2 은 코팅층을 포함하는 은 코팅된 구리 나노와이어인 코어-쉘 구조의 금속 나노와이어는 세척 및 건조하는 단계를 거쳐 수득할 수 있고, 상기 세척 및 건조는 전술한 구리 나노와이어의 세척 및 건조와 동일한 방법으로 수행될 수 있다.
일 구현예로, 최종적으로 수득한 코어-쉘 구조의 금속 나노와이어에서 코어의 직경(D) 및 쉘의 두께(L)의 비(D/L)는 10 내지 60이며, 쉘의 두께는 5 내지 40 nm이고, X선 광전자 분광 스펙트럼에서 은의 Ag 3d5/2의 피크 강도(I1)와 구리의 Cu 2p3/2의 피크 강도(I2)는 하기 식 1을 만족하는 것일 수 있다.
(식 1)
I2/I1 ≤ 0.2
여기서, 코어는 구리 나노와이어를 의미하고, 쉘은 제1 은 코팅층 및 제2 은 코팅층을 포함하는 은 코팅층을 의미한다.
본 발명에 있어서, 상기 코어-쉘 구조의 금속 나노와이어의 제조시 제조 공정방법은 배치반응식, 플러그흐름반응식, 연속교반탱크형반응식 공정으로 제조할 수 있지만 이에 제한되는 것은 아니다.
이하, 실시예를 통해 본 발명에 따른 코어-쉘 구조의 금속 나노와이어에 대해 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 않은 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.
(제조예) 구리 나노와이어의 제조
3000ml 둥근 플라스크에 물(초순수) 2000ml를 넣고 교반기를 장착하여 교반 하면서 수산화나트륨(NaOH, 삼전순약공업)을 1200g(15M)을 투입하였다. 발열반응으로 뜨거워진 반응기 내부의 온도를 50℃가 넘지 않도록 냉각한 후, 질산구리(II) (Cu(NO3)23H2O, 삼전순약공업) 3.8g(0.0079M)을 물(초순수) 100ml에 용해시키고 반응기에 투입하였다. 이후에 피페라진 (C4H10N2, 시그마 알드리치) 9.7g(0.268M)을 물(초순수) 100ml에 용해시키고 첨가한 후, 평균 교반속도 300 rpm에서 10분 동안 교반시켰다. 반응기를 70℃로 승온시킨 후 하이드라진(N2H4, 삼전순약공업) 4ml를 물(초순수) 240ml(0.04M)에 혼합한 후 반응기의 내부에 실린지 펌프(syringe pump)를 사용하여 4ml/min의 속도로 1시간 동안 첨가하였다. 반응기를 70℃로 동안 유지시키고 반응이 종료되면 상온으로 천천히 온도를 냉각한 후 하이드라진 1vol%의 세척액 2L을 사용하여 세척한 후에 진공오븐(JEIO Tech, OV-12)에서 25℃24시간 동안 건조시켰다.
건조 후 수득한 구리 나노와이어는 길이가 2~10 μm이고, 직경이 100~500 nm인 것을 확인하였다.
(실시예 1)
5L 플라스크에 물(초순수) 1200ml와 상기 제조예에 의해 제조된 구리나노 와이어 15.0g을 첨가한 후 호모믹서(Homomixer, K-Corporation, Primix)를 이용하여 10,000rpm으로 교반하였다. 여기에 구리 나노와이어의 산화막을 제거하기 위해 에틸렌디아민 테트라아세트산 디나트륨 염(EDTA-2Na Dihydrate, 삼전순약공업) 22.5g을 물(초순수) 150ml에 용해시켜 넣어주고 3분 동안 10,000rpm으로 교반하였다. 여기에 환원제인 L-아스코빅 산(C6H8O6, 삼전순약공업) 13.1g을 물(초순수) 150ml에 용해시킨 후 첨가하고 다시 3분 동안 교반하였다.
산화막이 제거된 구리 나노와이어에 1차 은 코팅을 하기 위해 물(초순수) 150ml과 질산은(AgNO3, 준텍) 1.67g을 혼합하여 제1 질산은 용액을 제조하고, 연동 펌프(Peristaltic pump, Leadfluid, BT100L)을 이용하여 분당 10ml의 속도로 약 15분 동안 첨가하여 반응시켰다.
이후, 1차 은 코팅이 완료된 시료를 물(초순수) 2L로 세척하고 건조하여 1차 은 코팅 구리 나노와이어 시료를 수득하였다.
이어서 2차 은 코팅을 하기 위해 1차 은 코팅이 완료된 시료와 물(초순수) 1200ml를 5L 플라스크에 넣고 호모믹서(Homomixer, K-Corporation, Primix)를 이용하여 10,000rpm으로 교반하였다. 구리이온을 안정적으로 제거하기 위해 에틸렌디아민테트라아세트산 디나트륨 염(EDTA-2Na Dihydrate, 삼전순약공업) 22.5g을 물(초순수) 150ml에 용해시켜 넣어주고 3분 동안 10,000rpm으로 교반하였다.
환원제인 주석산나트륨칼륨 4수화물(KNaC4H4O6·4H2O) 21g을 물(초순수) 150ml에 용해시켜 넣어주고 다시 3분 동안 교반하였다. 2차 은 코팅을 하기 위해 질산은 4.23g에 물(초순수) 655ml를 넣어 질산은 용액을 제조 후 암모니아수(NH4OH, 삼전순약) 4.34ml를 첨가하여 제2 질산은-암모니아 착물 용액을 제조하였다. 제조된 제2 은-암모니아 착물 용액을 분당 10ml의 속도로 약 66분 동안 첨가하여 반응시켰다.
반응이 완료된 후, 여과지를 이용하여 분리된 금속 나노와이어를 물(초순수) 2L로 세척하고 상온에서 24시간 동안 건조하여 얇고 균일하게 은으로 코팅 구리 나노와이어를 수득하였다.
수득한 은 코팅 구리 나노와이어를 주사전자현미경(Scanning Electron Microscope, COXEM, EM-30AXN)을 이용하여 측정하였고, 그 결과를 도 1에 도시하였으며, 은 코팅된 구리 나노와이어의 길이 및 두께를 분석한 결과에서 길이는 2.1~6.3um, 두께는 191~450nm로 측정되었다.
(실시예 2)
실시예 1과 동일하게 실시하되, 산화막이 제거된 구리 나노 와이어에 은 코팅은 물(초순수)150ml와 질산은(AgNO3, 준텍) 2.95g을 혼합하여 제조된 제1 질산은 용액 및 2차 은 코팅을 하기 위해 질산은 2.95g에 물(초순수) 655ml를 넣어 질산은 용액을 제조 후 암모니아수(NH4OH, 삼전순약) 4.34ml를 첨가하여 제2 은-암모니아 착물 용액을 사용한 것을 제외하고는 동일하게 실시하였다.
수득한 은 코팅 구리 나노와이어를 주사전자현미경을 이용하여 측정하였고, 그 결과를 도 2에 도시하였으며, 은 코팅된 구리 나노와이어의 길이 및 두께를 분석한 결과에서 길이는 2.0~4.1um, 두께는 299~412nm로 측정되었다.
(실시예 3)
실시예 1과 동일하게 실시하되, 산화막이 제거된 구리 나노 와이어에 은 코팅은 물(초순수)150ml와 질산은(AgNO3, 준텍) 4.23g을 혼합하여 제조된 제1 질산은 용액 및 2차 은 코팅을 하기 위해 질산은 1.67g에 물(초순수) 655ml를 넣어 질산은 용액을 제조 후 암모니아수(NH4OH, 삼전순약) 4.34ml를 첨가하여 제2 은-암모니아 착물 용액을 사용한 것을 제외하고는 동일하게 실시하였다.
수득한 은 코팅 구리 나노와이어를 주사전자현미경을 이용하여 측정하였고, 그 결과를 도 3에 도시하였으며, 은 코팅된 구리나노와이어의 길이 및 두께를 분석한 결과에서 길이는 2.1~6.3um, 두께는 191~450nm로 측정되었다.
(비교예 1)
실시예 1과 동일하게 실시하되, 1차 은 코팅 반응은 실행하지 않고, 2차 은 코팅을 하기 위해 질산은 5.90g에 물(초순수) 655ml를 넣어 질산은 용액을 제조 후 암모니아수(NH4OH, 삼전순약) 4.34ml를 첨가하여 제2 은-암모니아 착물 용액만을 사용하여 구리 나노와이어에 은 코팅층을 형성시킨 것을 제외하고 동일하게 실시하였다.
수득한 은 코팅 구리 나노와이어를 주사전자현미경, Scanning Electron Microscope (COXEM, EM-30AXN)을 이용하여 측정하였고, 그 결과를 도 4에 도시하였으며, 은 코팅된 구리 나노와이어의 길이 및 두께를 분석한 결과에서 길이는 1.3~5.4um, 두께는 214~478nm로 측정되었다.
(비교예 2)
실시예 1과 동일하게 실시하되, 1차 은 코팅 반응은 실행하지 않고 2차 은 코팅을 하기 위해 질산은 5.90g에 물(초순수) 655ml를 넣어 질산은 용액을 제조 후 암모니아수 (NH4OH, 삼전순약) 4.34ml를 첨가하여 제2 은-암모니아 착물 용액만을 사용하여 구리 나노와이어에 은 코팅층을 형성시키되 분당 20ml의 속도로 약 33분간 첨가하여 반응시킨 것을 제외하고 동일하게 실시하였다.
수득한 은 코팅 구리 나노와이어를 주사전자현미경, Scanning Electron Microscope (COXEM, EM-30AXN)을 이용하여 측정하였고, 그 결과를 도 5에 도시하였으며, 은 코팅된 구리나노와이어의 길이 및 두께를 분석한 결과에서 길이는 1.6~8.3um, 두께는 131~787nm로 측정되었다.
(비교예 3)
비교예 1과 동일하게 실시하되, 1차 은 코팅 반응은 실행하지 않고 2차 은 코팅을 하기 위해 질산은 12.2g에 물(초순수) 655ml를 넣어 질산은 용액을 제조 후 암모니아수 (NH4OH, 삼전순약) 4.34ml를 첨가하여 제2 은-암모니아 착물 용액만을 사용하여 구리 나노와이어에 은 코팅층을 형성시킨 것을 제외하고 동일하게 실시하였다.
(실험예 1) 은 코팅 구리 나노와이어의 구조 및 표면 분석
코어-쉘 구조인 각각의 은 코팅 구리 나노와이어에 대하여 코어 직경 및 구리 나노와이어 상에 형성된 은 코팅층의 두께를 이온빔 주사전자현미경(Focused Ion Beam Scanning Electron Microscope, LYRA3 XMU, TESCAN)을 이용하여 측정하였고, 은 코팅 구리 나노와이어의 표면을 X선 광전자 분광법(XPS, Thermo VG Scientific, Sigma Probe)을 통해 분석하였으며, 그 결과를 표 1에 정리하였다.
이 때, 각각의 은 코팅 구리 나노와이어의 XPS 스펙트럼으로부터 산출된 Ag 3d5/2의 피크 강도(I1)와 Cu 2p3/2의 피크 강도(I2)를 비교하여 구리 나노와이어 상에 형성된 은 코팅층의 균일성을 판단하였다.
Cu 코어직경(D) (nm) | Ag 코팅층 두께(L) (nm) |
D/L | XPS(I2/I1) | ||
실시예 1 | 350 | 8.2 | 42.7 | 0.029 | |
실시예 2 | 312 | 12.1 | 25.8 | 0.11 | |
실시예 3 | 321 | 14.6 | 22.0 | 0.17 | |
비교예 1 | 368 | 16.8 | 21.9 | 0.28 | |
비교예 2 | 398 | 17.8 | 22.4 | 0.30 | |
비교예 3 | 302 | 31.2 | 9.7 | 0.41 |
표 1의 X선 광전자 분광 스펙트럼 분석 결과를 참조하면 실시예 1 내지 실시예 3에서는 은의 Ag 3d5/2의 피크 강도(I1)와 구리의 Cu 2p3/2의 피크 강도(I2) 비가 0.2 이하로 확인된 반면에 비교예 1 내지 비교예 3의 수치는 0.2 초과로 확인되었으며, 이로부터 비교예 1 내지 비교예 3의 금속 나노와이어는 표면에 은이 고르게 코팅되지 않아 구리가 외부로 노출되어 있음을 알 수 있다.
반면에, 실시예 1 내지 실시예 3의 경우는 구리 코어 상에 15 nm 미만의 얇은 은 코팅층이 균일하고 치밀하게 형성되어 있음을 알 수 있고, 이로부터 구리 코어가 외부로 노출되는 것을 효과적으로 억제시켜 우수한 산화안정성을 가질 수 있음을 알 수 있다.
또한, 제1 질산은 용액 : 제2 질산은-암모니아 착물 용액에 포함된 질산은 용액의 농도비가 1: 0.58인 실시예 1에의 경우는 8.2 nm 두께의 얇은 은 코팅이 형성되어 관찰된 I2/I1 수치가 0.029로 현저히 낮음을 알 수 있는데 이는 실시예 1에서 구리 나노와이어 표면에 은이 보다 치밀하고 균일하게 코팅되어 있음을 알 수 있다.
또한, 실시예 1 내지 실시예 3의 X선 광전자 분광 스펙트럼에서 Ag 3d5/2의 피크는 금속성 은(Ag0)의 피크로 이루어지는 것이 관찰되었고, 코어 상에 코팅된 은 역시 산화도가 극히 낮음이 관찰되었다.
추가적으로, 실시예 1 내지 실시예 3의 금속 나노와이어에서 코어인 구리 나노와이어에 함유되는 구리 산화물의 함량이 0.4 중량%임을 확인하였다.
(실험예 2) 은 코팅 구리 나노와이어의 열중량 분석
실시예 1, 실시예 2 및 비교예 1의 금속 나노와이어에 대하여 열중량 분석(TGA, Labsys EVO)을 수행하였고, 그 결과를 도 6에 도시하였다.
이 때, 열중량 분석은 공기 분위기 하에서 수행되었고, 수득한 각각의 열중량 분석 결과 그래프에서 초기에 중량 변화가 없는 직선 및 초기 중량 대비 1 중량 %의 변화가 있는 점에서의 접선이 교차하는 교차점에서의 온도를 산화 개시 온도로 정의하고 각각의 금속 나노와이어의 산화 안정성을 비교하였다.
도 6을 참조하면, 실시예 1 및 실시예 2의 산화 개시 온도는 각각 312 ℃및 253 ℃로 매우 우수한 산화 안정성을 가지는 것이 관찰된 반면에 비교예 1의 경우는 210 ℃에서 산화가 개시되는 것이 관찰되었고, 이로부터 실시예 1 및 실시예 2는 비교예 1 대비 산화 안정성이 우수함을 알 수 있다.
(실험예 3) 은 코팅 구리 나노와이어의 내구성 평가
제조된 각각의 금속 나노와이어의 내구성을 판단하기 위해 실시예 1 내지 실시예 3 및 비교예 1 내지 비교예 3에서 제조된 금속 나노와이어를 에폭시 수지(SE-55F, 신아티앤씨)와 혼합한 후, 3롤밀(3-rollmill, EXAKT 50)을 이용하여 조성물을 제조한 다음, 바코터(Bar coater, ERICHSEN, Model-510)를 사용하여 10 μm x 10 μm 크기의 폴리이미드 필름 상에 8 μm 두께로 코팅 한 후, 200℃ 로 40분간 열처리하여 코팅층을 형성시켰다.
이 때, 상기 조성물은 조성물 전체 중량을 기준으로 50 중량%의 금속 나노와이어가 포함되도록 제조되었다.
이후, 각각의 코팅층에 대하여 초기 비저항을 측정하고, 각각의 코팅층을 상대습도 60% 및 180℃의 온도 조건 하에 10일 간 방치 후 비저항을 재 측정하여 산출된 비저항 변화율로부터 내구성을 평가하였고, 그 결과를 하기 표 2에 정리하였다.
이 때, 비저항 변화율은 초기 비저항 값(R0)에 대한 상기 상대습도 및 온도 조건 하에 10일 간 방치 후에 측정된 비저항 값(R)의 비(R/R0)를 백분율(%)로 나타내었다.
비저항 변화율(%) | |
실시예 1 | 100.1 |
실시예 2 | 101.3 |
실시예 3 | 101.2 |
비교예 1 | 104.7 |
비교예 2 | 105.1 |
비교예 3 | 104.8 |
표 2를 참조하면, 실시예 1 내지 실시예 3의 비저항 값은 고온 다습한 조건 하에서 10일간 방치하였음에도 초기 비저항 값과 유사하게 유지되는 것을 알 수 있고, 특히, 실시예 1의 경우는 구리 나노와이어 상에 8.2 nm 두께의 얇은 은 코팅층이 형성되었음에도 구리 나노와이어 표면에 은이 보다 치밀하고 균일하게 코팅되어 초기 비저항 값과 동일하게 유지되는 것을 확인하였다.
반면에, 비교예 1 내지 비교예 3의 경우는 고온 다습한 조건 하에서 구리가 산화되어 비저항 값이 초기 대비 높아지는 것이 관찰되었다.
이상과 같이 특정된 사항들과 한정된 실시예를 통해 본 발명이 설명되었으나, 이는 본 발명의 보다 전반적인 이해를 돕기 위해서 제공된 것일 뿐, 본 발명은 상기의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다.
따라서, 본 발명의 사상은 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니되며, 후술하는 특허청구범위뿐 아니라 이 특허청구범위와 균등하거나 등가적 변형이 있는 모든 것들은 본 발명 사상의 범주에 속한다고 할 것이다.
Claims (12)
- 구리를 함유하는 코어 및 상기 코어 상에 은을 함유하는 쉘을 포함하고,
상기 코어의 직경(D) 및 쉘의 두께(L)의 비(D/L)는 10 내지 60이며, 쉘의 두께는 5 내지 40 nm이고, X선 광전자 분광 스펙트럼에서 은의 Ag 3d5/2의 피크 강도(I1)와 구리의 Cu 2p3/2의 피크 강도(I2)는 하기 식 1을 만족하는 것을 특징으로 하는, 코어-쉘 구조의 금속 나노와이어.
(식 1)
I2/I1 ≤ 0.2 - 제1항에 있어서,
상기 금속 나노와이어의 직경은 110 내지 500 nm이며, 종횡비는 5 내지 100인, 코어-쉘 구조의 금속 나노와이어. - 제2항에 있어서,
상기 금속 나노와이어의 코어의 직경은 100 내지 400 nm인, 코어-쉘 구조의 금속 나노와이어. - 제1항에 있어서,
상기 은의 Ag 3d5/2의 피크는 금속성 은(Ag0)의 피크로 이루어지는, 코어-쉘 구조의 금속 나노와이어. - 제1항에 있어서,
상기 코어에 함유되는 구리 산화물(CuO)의 함량은 전체 코어 중량 중 2중량% 이하인, 코어-쉘 구조의 금속 나노와이어. - 제1항에 있어서,
상기 금속 나노와이어는 쉘에 함유되는 은의 (111) 결정면의 FWHM이 코어에 함유되는 구리의 (111) 결정면의 FWHM보다 큰 것인, 코어-쉘 구조의 금속 나노와이어. - 제1항에 있어서,
상기 금속 나노와이어는 250℃ 이상의 산화 개시 온도를 가지는, 코어-쉘 구조의 금속 나노와이어. - 제1항에 있어서,
상기 X선 광전자 분광 스펙트럼에서 은의 Ag 3d5/2의 피크 강도(I1)와 구리의 Cu 2p3/2의 피크 강도(I2)는 하기 식 2를 만족하는 것을 특징으로 하는, 코어-쉘 구조의 금속 나노와이어.
(식 2)
I2/I1 ≤ 0.05 - 제1항에 있어서,
상기 금속 나노와이어를 포함하는 8 μm 두께의 전도성 필름에 있어, 상기 전도성 필름의 초기 비저항 값에 대한 상기 전도성 필름을 상대습도 60% 및 180℃의 온도 조건 하에 10일 간 방치 후 측정된 비저항 값의 비를 백분율로 나타낸 비저항 변화율은 103% 이하인 코어-쉘 구조의 금속 나노와이어. - 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 따른 코어-쉘 구조의 금속 나노와이어를 포함하는 페이스트 조성물.
- 제10항에 있어서,
상기 페이스트 조성물은 바인더를 더 포함하는 페이스트 조성물. - 제11항에 있어서,
상기 바인더는 유기 바인더 또는 세라믹 바인더인 페이스트 조성물.
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