KR20240047848A - 열성형이 가능한 투명전극필름 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 열성형이 가능한 투명전극필름에 있어서, 열성형이 가능한 기재층; 열성형이 가능한 기재층 위에 형성된 투명 도전층;으로서, 복수의 도전성 나노와이어를 포함하는 투명 도전층; 및 투명 도전층 위에 형성된 보호층;을 포함하며, 투명 도전층은 금속산화물 및 환원제를 포함하며, 열성형시 금속산화물 및 환원제에 의해 복수의 도전성 나노와이어 중 적어도 일부가 서로 접합되고, 도전성 나노와이어의 단면상에서의 두께가 접합 전과 비교하여 작아지지 않는 열성형이 가능한 투명전극필름에 대한 것이다.
Description
본 발명은 투명전극필름에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 열성형이 가능한 투명전극필름에 관한 것이다.
여기서는, 본 발명에 관한 배경기술이 제공되며, 이들이 반드시 공지기술을 의미하는 것은 아니다.
스마트폰(smart phone), 자동차 네비게이션, 게임기 등의 디스플레이에서 터치입력장치로 투명전극필름이 사용되고 있다. 종래 기술에서는, 유리 기재나 수지 기재에 ITO와 같은 투명 도전층을 형성한 투명전극필름이 사용되었다. 그런데 최근에 디스플레이의 형상이 평판 형상에서 3차원 형상으로 복잡해지고 있다. 3차원 형상의 투명전극필름을 형성하는 방법으로는 열성형 등의 방법으로 기재를 먼저 성형한 후 3차원 형상으로 열성형된 기재에 투명 도전층을 형성하는 방법이 행해지고 있다. 그렇지만, 3차원 형상으로 복잡하게 성형된 기재에 투명 도전층을 형성하는 것은 기술적으로 난이도가 높다. 예를 들어 3차원 형상의 기재 표면에 투명 도전층이 밀착되어 일체화된 형태로 적용하기가 매우 어려운 문제가 있었다. 또한 최근에 활발히 연구되고 있는 플렉시블 투명전극필름은 일시적으로 휘어지거나 굽히는 정도이지만 열성형이 가능한 투명전극필름은 영구적으로 휘어지거나 굽히는 것으로 플렉시블 투명전극필름과 열성형이 가능한 투명전극필름은 기술적으로 차이가 있다.
도 1은 대한민국 등록특허공보 제1024463호에 기재된 열성형이 가능한 투명전극필름의 일 예를 보여주는 도면이다. 설명의 편의를 위해 도면기호 및 명칭의 일부를 변경하였다.
열성형이 가능한 투명전극필름(10)은 기재층(11), 투명 도전층(12) 및 보호층(13)을 포함하고 있다. 투명 도전층(12)은 가시광선이 투과할 수 있는 두께의 금속층이다. 열성형이 가능한 투명전극필름(10)이 열성형을 통해 3차원의 복잡한 형상을 가질 수 있다. 그러나 도 1에 기재된 열성형이 가능한 투명전극필름(10)은 금속으로된 투명 도전층(12) 형성을 위해 증착 등의 공정이 필요해 롤투롤(roll to roll) 공정으로 제조하기 어려우며 더 나아가 가시광선이 투과되기 위해 금속으로 된 투명 도전층(12)의 두께가 50nm 이하로 얇아 열성형 공정 중 일부 금속이 녹아 투명 도전층(12)의 두께가 변동되거나 투명 도전층(12)의 연신율이 높아지는 경우 전기적 연결이 끓어질 수 있는 문제가 있다.
본 발명은 롤투롤 공정으로 연속 제조가 가능하며 투명 도전층의 연신율이 30% 이상인 경우에도 안정적인 전기적 연결로 면저항이 30 Ω/sq 이내인 열성형이 가능한 투명전극필름을 제공하고자 한다.
이에 대하여 '발명을 실시하기 위한 구체적인 내용'의 후단에 기술한다.
여기서는, 본 발명의 전체적인 요약(Summary)이 제공되며, 이것이 본 발명의 외연을 제한하는 것으로 이해되어서는 아니된다.
본 발명에 따른 일 태양에 의하면, 열성형이 가능한 투명전극필름에 있어서, 열성형이 가능한 기재층; 열성형이 가능한 기재층 위에 형성된 투명 도전층;으로서, 복수의 도전성 나노와이어를 포함하는 투명 도전층; 및 투명 도전층 위에 형성된 보호층;을 포함하며, 투명 도전층은 금속산화물 및 환원제를 포함하며, 열성형시 금속산화물 및 환원제에 의해 복수의 도전성 나노와이어 중 적어도 일부가 서로 접합되고, 도전성 나노와이어의 단면상에서의 두께가 접합 전과 비교하여 작아지지 않는 열성형이 가능한 투명전극필름이 제공된다.
이에 대하여 '발명의 실시를 위한 구체적인 내용'의 후단에 기술한다.
도 1은 대한민국 등록특허공보 제21024463호에 기재된 열성형이 가능한 투명전극필름의 일 예를 보여주는 도면,
도 2는 본 발명에 따른 열성형이 가능한 투명전극필름의 일 예를 보여주는 도면,
도 3은 본 발명에 따른 열성형이 가능한 투명전극필름의 다른 일 예를 보여주는 도면,
도 4는 금속산화물(123) 및 환원제(124)를 사용한 본 발명의 장점을 보여주는 도면.
도 2는 본 발명에 따른 열성형이 가능한 투명전극필름의 일 예를 보여주는 도면,
도 3은 본 발명에 따른 열성형이 가능한 투명전극필름의 다른 일 예를 보여주는 도면,
도 4는 금속산화물(123) 및 환원제(124)를 사용한 본 발명의 장점을 보여주는 도면.
이하, 본 발명을 첨부된 도면을 참고로 하여 자세하게 설명한다. 또한 본 명세서에서 상측/하측, 위/아래 등과 같은 방향 표시는 도면을 기준으로 한다. 또한 도면에서는 설명을 위해 실제 제품보다 크기가 과대하게 도시되었을 수 있다.
도 2는 본 발명에 따른 열성형이 가능한 투명전극필름의 일 예를 보여주는 도면이다.
열성형이 가능한 투명전극필름(100)은 열성형이 가능한 기재층(110), 기재층(110) 위에 형성된 투명 도전층(120) 및 투명 도전층(120) 위에 형성된 보호층(130)을 포함할 수 있다.
열성형이 가능한 기재층(110)은 열가소성(thermoplastic) 고분자 물질일 수 있다. 예를 들어 열가소성(thermoplastic) 고분자 물질은 폴리카보네이트(polycarbonate,PC),폴리에틸렌(polyethylene,PE),폴리프로필렌(polypropylene,PP), 폴리아크릴레이트(polyacrylate), 폴리아릴레이트(polyarylate, PAR), 폴리에테르술폰(polyether sulfon, PES), 및 이들이 복수 개로 구성된 공중합체 물질 중에서 선택된 어느 하나일 수 있으나 이에 반드시 제한되는 것은 아니다. 또한 열성형이 가능한 기재층(110)은 평판 형상을 사용하는데, 곡면이나 3차원 구조의 디자인 제품에 투명 도전층을 형성하는 종래 기술에 비해 평판 형상의 기재층(110)과 투명 도전층(120)이 평판 형상으로 결합된 상태에서 열성형을 통해 3차원 형상의 제품을 제작하므로 제조공정이 용이한 장점이 있다. 기재층(110)의 두께는 500㎛ 내지 800㎛ 일 수 있다.
투명 도전층(120)은 복수의 도전성 나노와이어(121)를 포함하는 것이 바람직하다. 복수의 도전성 나노와이어(121)는 고분자 바인더(122)에 의해 결합되어 있다. 예를 들어 고분자 바인더(122)에는 하이드록시프로필 메틸셀룰로오스가 사용될 수 있다. 복수의 도전성 나노와이어(121)는 형상이 침상 또는 사상(絲狀)이며, 직경이 나노미터 사이즈인 도전성 물질로서, 직선형태이거나 또는 곡선 형태일 수 있다. 도전성 나노와이어(121)로 구성된 투명 도전층(120)을 사용하면, 내굴곡성이 우수한 투명전극필름(100)을 얻을 수 있다. 또한 도전성 나노와이어(121)로 구성된 투명 도전층(120)을 사용하면, 도전성 나노와이어(121)끼리 그물 구조를 형성함으로써, 소량의 도전성 나노와이어(121)를 사용하여도 양호한 전기 전도 경로를 형성하여 전기 저항이 작은 투명전극필름(100)을 얻을 수 있다. 또한 도전성 나노와이어(121)가 그물 구조를 형성함으로 인하여 그물 사이에 개구부를 형성함으로써 광 투과율이 높은 투명전극필름(100)을 얻을 수 있다. 또한 도전성 나노와이어(121)의 소재는 예를 들어, 금속, 도전성 고분자 및 이의 복합소재로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다. 여기서, 금속은 은, 구리, 알루미늄, 금, 팔라듐, 백금, 니켈, 로듐, 루테늄, 텅스텐, 아연, 은-금 합금, 구리-니켈 합금, 은-팔라듐 합금 및 은-금-팔라듐 합금으로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다. 바람직한 것은 은으로 형성된 은 나노와이어다. 도 1에 기재된 투명전극필름(10)과 본 발명에 따른 투명전극필름(100)은 평판 형상의 투명전극필름으로부터 고온(예 160℃ 내지 180℃)의 열성형 공정을 통해 복잡한 3차원 형상의 투명전극필름을 종래 기술보다 용이하게 얻을 수 있다. 그러나 도 1에 기재된 투명전극필름(10)의 전체가 금속으로 된 투명 도전층(12)과 다르게 본 발명의 투명전극필름(100)은 도전성을 위해 직경이 20㎚ 이하이고 길이가 20㎛ 이상으로 직경 대비 길이가 긴 도전성 나노와이어(121)을 포함하고 있으며 직경 대비 길이가 긴 도전성 나노와이어(121)는 열손상에 약하기 때문에 고온의 열성형 공정에서의 열손상을 줄이기 위해 도전성 나노와이어(121)의 표면은 내열성 소재로 코팅(coating)되는 것이 바람직하다. 예를 들어 내열성 소재인 무기물로 도전성 나노와이어(121)의 표면이 코팅될 수 있다. 또한 평판 형상의 투명전극필름을 고온(예 160℃ 내지 180℃)의 열성형 공정을 통해 복합하고 다양한 3차원 형상의 투명전극필름을 얻기 위해 투명 도전층(120)의 1축 및 2축 연신율이 30% 이상 필요하지만 투명 도전층(120)의 1축 및 2축 연신율이 30% 이상인 경우에도 투명 도전층(120)의 면저항은 1Ω/sq 내지 30Ω/sq 인 것이 바람직하다. 더 나아가 연신 전후 투명 도전층(120)의 면저항 변화율은 20% 이내이어야 안정적인 투명 도전층(120)의 기능을 수행할 수 있어 바람직하다. 투명 도전층(120)이 1축 및 2축 연신율이 30% 이상인 고연신에도 투명 도전층(120)의 면저항이 1Ω/sq 내지 30Ω/sq를 유지하기 위해서 가늘고 긴 도전성 나노와이어(121)가 고연신에 의해 파손되는 것을 억제하기 위한 완충제(미도시)를 포함하는 것이 바람직하다. 완충제의 윤활 및 도전성 나노와이어(121) 보호 효과로 인해 투명 도전층(120)이 변형, 확장 및 연신에도 도전성 나노와이어(121)가 파손되는 것을 방지하여 열성형에 의한 연신 전후에도 투명 도전층(120)의 면저항이 1Ω/sq 내지 30Ω/sq이 유지 되도록 할 수 있다. 연신율은 연신을 통해 늘어난 투명 도전층(120)의 길이 및 넓이 비율이다. 즉 1축 연신율은 하기 수학식 1에 따라 계산하며 2축 연신율은 수학식 2에 따라 계산할 수 있다.
1축 및 2축 연신율을 계산하기 위한 투명 도전층(120)의 크기는 가로, 세로 각각 10cm 기준이며, 연신기에 적합하도록 크기 변동 가능하다. 연신되어 증가한 투명 도전층(120)의 면저항 변화율은 수학식 3에 따라 계산할 수 있다.
면저항 변화율을 계산하기 위한 투명 도전층(120)의 크기는 가로, 세로 각각 10cm 기준이며, 연신기에 적합하도록 크기 변동 가능하다. 또한 연신된 투명 도전층(120)과 연신되지 않은 투명 도전층(120)의 면저항은 4 point probe로 상온에서 측정한다. 또한 열성형에 의해 투명 도전층(120)의 1축 및 2축 연신율이 30% 이상인 경우에도 연신 전후에 투명 도전층(120)의 투과도 변화율이 1% 이내인 것이 바람직하다. 연신된 투명 도전층(120), 연신되지 않은 투명 도전층(120)의 투과도는 ASTM D1003 방법으로 측정한다.
보호층(130)은 투명 도전층(120)의 보호 및 산화 방지 역할을 수행한다. 보호층(130)은 경화형 수지로 형성될 수 있다. 더 나아가 보호층(130)은 도전성 고분자를 포함할 수 있다. 보호층(130)이 도전성 고분자를 포함함으로써 열성형이 가능한 투명전극필름(100)의 면 저항 균일도를 향상시키는 한편 외부 충격(굽힘 등)에 의한 투명 도전층(120)의 전기적 단락을 보상할 수 있다. 또한, 보호층(130) 내 도전성 고분자를 포함함으로써 투명 도전층(120)에 포함된 은 나노와이어와 같은 도전성 소재의 함량을 줄일 수 있으며, 이를 통해 은 나노와이어에 의해 유발되는 시인성 저하 가능성을 줄이는 것 또한 가능하다. 보호층(130)에 포함되는 도전성 고분자로는 폴리페닐렌, 폴리플루오렌, 폴리피렌, 폴리아줄렌, 폴리나프탈렌, 폴리카바졸, 폴리인돌, 폴리아제핀, 폴리아닐린, 폴리티오펜, 폴리(3,4-에틸렌디옥시티오펜), 폴리(p페닐렌설파이드), 폴리아세틸렌, 폴리(p-페닐렌비닐렌) 및 이들의 유도체 중에서 선택된 어느 하나 또는 이들의 임의의 조합이 사용될 수 있다. 여기서, 도전성 고분자의 임의의 조합이란 상술한 도전성 고분자 중 적어도 2종 이상이 조합된 형태를 의미하며, 대표적으로 폴리-3,4-에틸렌다이옥시싸이오펜-폴리스타이렌설포네이트(PEDOTPSS) 또는 폴리아닐린-캄포설폰산(PANI-CSA) 등이 있다.
기재층(110) 위에 형성된 투명 도전층(120)은 투명 도전층(120)을 형성하는 액상의 물질을 코팅하여 형성할 수 있으며 보호층(130)은 코팅 후 고상이 된 투명 도전층(120) 위에 코팅하거나 점착제를 통해 부착될 수 있어 모든 과정이 롤투롤 공정으로 진행될 수 있다. 롤투롤 공정에 의한 투명전극필름의 제조와 관련된 선행특허로는 대한민국 등록특허공보 제2168956호, 대한민국 공개특허공보 제2018-0026007호, 대한민국 공개특허공보 제2018-01390976호 및 대한민국 공개특허공보 제2012-0034284호 등에 다수 기재되어 있다.
도 3은 본 발명에 따른 열성형이 가능한 투명전극필름의 다른 일 예를 보여주는 도면이다.
투명 도전층(120)은 금속산화물(123) 및 환원제(124)를 포함할 수 있다. 설명을 위해 투명 도전층(120)의 일부을 확대하여 도시하였다. 금속산화물(123) 및 환원제(124)는 액상의 투명 도전층(120)을 코팅하여 형성한 경우에 금속산화물(123)과 환원제(124)가 도 3(a)와 같이 용해상태로 분산되어 있을 수 있다. 이후 건조에 의해 3(b) 및 3(c)와 같이 금속산화물 입자와 환원제가 도전성 나노와이어(121)의 표면에 부착된 상태가 될 수 있다. 이후 고온의 열성형 공정에 의해 투명전극필름이 평판 형상에서 3차원 형상으로 변형될 때 금속산화물환원에 의해 도 3(d)와 같이 도전성 나노와이어(121)가 서로 접합될 수 있다. 도 2에서 설명한 것처럼 완충제 및 내열 코팅을 통해 나노와이어의 파손이 억제되더라도 연신율이 높아지는 경우 전류 경로증가, 네트워크 연결 감소, 도전성 나노와이어 입자의 밀도 감소로 면저항이 증가될 수 있다. 그러나 도 3(d)와 같이 복수의 도전성 나노와이어(121)가 서로 접합됨으로써 연신에 따른 면저항 증가를 줄여줄 수 있다. 즉 금속산화물(123) 및 환원제 (124)의 조합을 통해 열성형 공정온도에 맞추어 도전성 나노와이어(121) 사이에 접합 반응을 개시하여 고연신으로 인한 면저항 증가를 줄여줄 수 있다. 투명 도전층(120)이 금속산화물(123) 및 환원제(124)를 포함하는 것을 제외하고 도 3에 기재된 투명전극필름은 도 2에 기재된 투명전극필름(100)과 실질적으로 동일하다.
도 4는 금속산화물(123) 및 환원제(124)를 사용한 본 발명의 장점을 보여주는 도면이다.
도전성 나노와이어(121) 사이에 접합을 형성하는 방법으로 한국등록특허공보 제1333012호에 기재된 것처럼 도전성 나노와이어가 포함된 투명도전필름을 고온에서 가압할 수도 있다. 다만 고온에서 가압을 하여 도전성 나노와이어를 접합하는 경우에는 도 4(a)와 같이 도전성 나노와이어(121)가 가압에 의해 단면상에 평평한 부분(210)이 형성되어 도전성 나노와이어(121)의 단면상의 두께(200)가 작아질 수 있다. 도전성 나노와이어(121)의 두께(200)가 작아지는 경우 도전성 나노와이어(121)가 쉽게 끊어질 수 있어 오히려 면저항을 증가시킬 수 있다. 반면에 도 3과 같이 금속산화물(123) 및 환원제 (124)을 사용하여 도전성 나노와이어(121)를 접합하는 경우 도전성 나노와이어(121)의 단면이 평평해질 정도로 가압을 하지 않아도 된다. 즉 본 발명에 의하는 경우 고온의 열성형 공정에 의해 투명전극필름이 평판 형상에서 3차원 형상으로 변형될 때 금속산화물환원에 의해 도 3(d)와 같이 도전성 나노와이어(121)가 서로 접합되어도 도전성 나노와이어(121)의 단면상의 두께(200)가 접합 전과 비교하여 작아지지 않는다.
이하 본 발명의 다양한 실시 형태에 대하여 설명한다.
(1) 열성형이 가능한 투명전극필름에 있어서, 열성형이 가능한 기재층; 열성형이 가능한 기재층 위에 형성된 투명 도전층;으로서, 복수의 도전성 나노와이어를 포함하는 투명 도전층; 및 투명 도전층 위에 형성된 보호층;을 포함하며, 투명 도전층은 금속산화물 및 환원제를 포함하며, 열성형시 금속산화물 및 환원제에 의해 복수의 도전성 나노와이어 중 적어도 일부가 서로 접합되고, 도전성 나노와이어의 단면상에서의 두께가 접합 전과 비교하여 작아지지 않는 열성형이 가능한 투명전극필름.
(2) 투명 도전층은 도전성 나노와이어의 연신에 의한 파손을 방지하는 완충제를 포함하는 열성형이 가능한 투명전극필름.
(3) 도전성 나노와이어의 표면이 내열성 물질로 코팅이 된 열성형이 가능한 투명전극필름.
(4) 내열성 물질은 무기물인 열성형이 가능한 투명전극필름.
(5) 열성형이 가능한 기재는 열가소성 고분자 물질인 열성형이 가능한 투명전극필름.
(6) 열가소성 고분자 물질은 폴리카보네이트(polycarbonate, PC), 폴리에틸렌(polyethylene,PE), 폴리프로필렌(polypropylene, PP), 폴리아크릴레이트(polyacrylate), 폴리아릴레이트(polyarylate, PAR), 폴리에테르술폰(polyether sulfon, PES) 및 이들이 복수 개로 구성된 공중합체 물질 중에서 선택된 어느 하나인 열성형이 가능한 투명전극필름.
(7) 열성형에 의해 투명 도전층의 1축 및 2축 연신율이 30% 이상인 경우, 투명 도전층의 면저항이 1Ω/sq 내지 30Ω/sq 인 열성형이 가능한 투명전극필름.
(8) 열성형에 의해 투명 도전층의 1축 및 2축 연신율이 30% 이상인 경우, 투명 도전층의 면저항 변화율이 20% 이내인 열성형이 가능한 투명전극필름.
(9) 열성형에 의해 투명 도전층의 1축 및 2축 연신율이 30% 이상인 경우, 투명 도전층의 투과도 변화율이 1% 이내인 열성형이 가능한 투명전극필름.
본 발명에 의하면, 열성형이 가능하며 1축 및 2축 연신율이 30% 이상인 경우에도 면저항이 1Ω/sq 내지 30Ω/sq 인 투명전극필름을 얻을 수 있다.
본 발명에 의하면, 열성형이 가능하며 롤투롤 공정으로 제조가능한 투명전극필름을 얻을 수 있다.
투명전극필름 : 10, 100
기재층 : 11, 110
투명 도전층 : 12, 120
보호층 : 13, 130
기재층 : 11, 110
투명 도전층 : 12, 120
보호층 : 13, 130
Claims (9)
- 열성형이 가능한 투명전극필름에 있어서,
열성형이 가능한 기재층;
열성형이 가능한 기재층 위에 형성된 투명 도전층;으로서, 복수의 도전성 나노와이어를 포함하는 투명 도전층; 및
투명 도전층 위에 형성된 보호층;을 포함하며,
투명 도전층은 금속산화물 및 환원제를 포함하며,
열성형시 금속산화물 및 환원제에 의해 복수의 도전성 나노와이어 중 적어도 일부가 서로 접합되고,
도전성 나노와이어의 단면상에서의 두께가 접합 전과 비교하여 작아지지 않는 열성형이 가능한 투명전극필름. - 제1항에 있어서,
투명 도전층은 도전성 나노와이어의 연신에 의한 파손을 방지하는 완충제를 포함하는 열성형이 가능한 투명전극필름. - 제2항에 있어서,
도전성 나노와이어의 표면이 내열성 물질로 코팅이 된 열성형이 가능한 투명전극필름. - 제3항에 있어서,
내열성 물질은 무기물인 열성형이 가능한 투명전극필름. - 제1항에 있어서,
열성형이 가능한 기재는 열가소성 고분자 물질인 열성형이 가능한 투명전극필름. - 제5항에 있어서,
열가소성 고분자 물질은 폴리카보네이트(polycarbonate, PC), 폴리에틸렌(polyethylene,PE), 폴리프로필렌(polypropylene, PP), 폴리아크릴레이트(polyacrylate), 폴리아릴레이트(polyarylate, PAR), 폴리에테르술폰(polyether sulfon, PES) 및 이들이 복수 개로 구성된 공중합체 물질 중에서 선택된 어느 하나인 열성형이 가능한 투명전극필름. - 제1항에 있어서,
열성형에 의해 투명 도전층의 1축 및 2축 연신율이 30% 이상인 경우, 투명 도전층의 면저항이 1Ω/sq 내지 30Ω/sq 인 열성형이 가능한 투명전극필름. - 제1항에 있어서,
열성형에 의해 투명 도전층의 1축 및 2축 연신율이 30% 이상인 경우, 투명 도전층의 면저항 변화율이 20% 이내인 열성형이 가능한 투명전극필름. - 제1항에 있어서,
열성형에 의해 투명 도전층의 1축 및 2축 연신율이 30% 이상인 경우, 투명 도전층의 투과도 변화율이 1% 이내인 열성형이 가능한 투명전극필름.
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| KR1020220127421A KR20240047848A (ko) | 2022-10-05 | 2022-10-05 | 열성형이 가능한 투명전극필름 |
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| KR1020220127421A KR20240047848A (ko) | 2022-10-05 | 2022-10-05 | 열성형이 가능한 투명전극필름 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
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-
2022
- 2022-10-05 KR KR1020220127421A patent/KR20240047848A/ko not_active Application Discontinuation
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