KR20240100405A - 초박형 그래핀을 갖는 전도성 분산체 - Google Patents

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KR20240100405A
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나노테크 에너지, 인크.
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Abstract

전도성 잉크 및 이의 배합 방법이 본원에 제공되고, 이의 전기 특성 및 기계 특성(예를 들어, 점도 및 표면 장력)은 다양한 종류의 인쇄 기술에서의 이의 사용이 가능하게 한다. 본원에서의 잉크에서의 그래핀의 뛰어난 전도율, 열 안정성, 화학 안정성 및 가요성은 조율 가능한 전자화학 특성을 갖는 저비용 전자장치의 제조가 가능하게 한다.

Description

초박형 그래핀을 갖는 전도성 분산체
상호 참조
본 출원은 2021년 11월 4일에 출원된 미국 가출원 제63/275,804호의 이익을 주장하고, 이는 본원에 의해 그 전체가 본원에 참고로 포함된다.
배경
가요성 기재에서의 전도성 패턴의 인쇄는 마이크로 규모의 저비용 가요성 전자장치의 제조가 가능하게 한다. 이러한 장치의 요구의 증가에 뒤지지 않도록 개선된 인쇄 잉크가 필요하다. 인쇄된 전자장치는 터치스크린, 태양 전지, 센서, 가요성 디스플레이, 접는 디스플레이, 전자 종이, 센서, 무선 주파수 인식(RFID: radio-frequency identification) 태그, 배터리 및 슈퍼 커패시터와 같은 장치에서 사용된다.
전도성 잉크는 스크린, 플렉소그래픽, 슬롯-다이, 나이프-오버 에지 코팅, 스크린 인쇄, 그라비어 인쇄, 분무, 침지, 또는 이들의 임의의 조합과 같은 응용분야에 특히 적합한 고점도 잉크일 수 있다. 제2 전도성 잉크는 그라비어 및 스프레이 및 딥 코팅과 같은 응용분야에 특히 적합한 저점도 잉크일 수 있다.
본원에 제공된 하나의 양태는 그래핀 시트; 결합제; 안정화제; 및 용매를 포함하는 전도성 잉크이고, 여기서 그래핀 시트의 적어도 약 90%가 단일 층으로 이루어지거나; 그래핀 시트가 최대 약 6%의 산소 함량을 갖거나; 또는 둘 다이다.
일부 실시형태에서, 그래핀은 환원된 그래핀 옥사이드 또는 활성화된 환원된 그래핀 옥사이드를 포함한다. 일부 실시형태에서, 결합제는 폴리머 결합제이다. 일부 실시형태에서, 폴리머 결합제는 열가소성 공중합체이다. 일부 실시형태에서, 결합제는 폴리비닐피롤리돈, 에틸 메타크릴레이트, 부틸 메타크릴레이트, 또는 이들의 임의의 조합을 포함한다. 일부 실시형태에서, 안정화제는 폴리테트라하이드로푸란, 불소화된 트리에틸렌 글리콜 모노메틸 에테르, 왁스, 에틸 셀룰로스, 디에틸렌 글리콜, 또는 이들의 임의의 조합을 포함한다. 일부 실시형태에서, 안정화제는 폴리테트라하이드로푸란 및 디에틸렌 글리콜을 포함하고, 폴리테트라하이드로푸란과 디에틸렌 글리콜 사이의 비는 약 8:1 내지 약 11:1이다. 일부 실시형태에서, 용매는 프로필렌 글리콜 n-프로필 에테르, 2-에틸-1-헥산올, 디에틸렌 글리콜 모노부틸 에테르, 2-에틸-1-부탄올, 2-메틸-1-펜탄올, 프로필렌 글리콜 모노메틸 에테르 아세테이트, 헥사민, 사이클로헵틸아민, 이소아밀아민, 3-메톡시프로필아민, 파라클로로벤조트리플루오라이드, 에틸렌 글리콜, 이소프로판올, 에틸 아세테이트, 클로로포름, 디메틸포름아미드, n-메틸-2-피롤리돈, 테트라하이드로푸란 및 디클로로벤젠, 또는 이들의 임의의 조합을 포함한다. 일부 실시형태에서, 전도성 잉크는 그래핀의 w/w 농도가 약 0.1% 내지 약 10%이다. 일부 실시형태에서, 전도성 잉크는 결합제의 w/w 농도가 약 5% 내지 약 60%이다. 일부 실시형태에서, 전도성 잉크는 안정화제의 w/w 농도가 약 1% 내지 약 80%이다. 일부 실시형태에서, 전도성 잉크는 용매의 w/w 농도가 약 20% 내지 약 90%이다. 일부 실시형태에서, 전도성 잉크는 고체 함량이 약 5% 내지 약 80%이다. 일부 실시형태에서, 전도성 잉크는 점도가 약 25 cP 내지 약 4,000 cP이다. 일부 실시형태에서, 전도성 잉크는 전단 속도가 약 100 s-1 내지 약 400 s-1이다. 일부 실시형태에서, 기재 상에 분산된 전도성 잉크의 습윤 두께와 기재 상의 건조된 전도성 잉크의 건조 두께 사이의 비는 약 2:1 내지 약 6:1이다. 일부 실시형태에서, 전도성 잉크는 건조시 저항이 약 300 ohm/sq 내지 약 80,000 ohm/sq이다. 일부 실시형태에서, 전도성 잉크는 건조시 저항이 약 300 ohm/sq 이하이다. 일부 실시형태에서, 전도성 잉크는 입자 크기가 약 1 ㎛ 내지 약 40 ㎛이다. 일부 실시형태에서, 전도성 잉크는 전도성 첨가제를 추가로 포함한다. 일부 실시형태에서, 전도성 첨가제는 나노탄소를 포함한다. 일부 실시형태에서, 나노탄소는 탄소 나노입자, 탄소 나노점, 탄소 나노튜브, 그래핀 나노리본, 탄소 나노섬유, 나노흑연, 탄소 어니언, 탄소 나노콘, 또는 이들의 임의의 조합을 포함한다. 일부 실시형태에서, 전도성 잉크는 전도성 첨가제의 w/w 농도가 약 1% 내지 약 40%이다. 일부 실시형태에서, 전도성 잉크는 흑연을 추가로 포함한다. 일부 실시형태에서, 전도성 잉크는 흑연의 w/w 농도가 약 5% 내지 약 80%이다.
본원에 제공된 또 다른 양태는 전도성 잉크를 인쇄하는 방법이고, 상기 방법은 기재 상에 제1항의 잉크의 최대 2개의 층을 침적시키는 단계; 및 기재 상의 잉크를 건조시키는 단계를 포함한다. 일부 실시형태에서, 침적은 스크린 인쇄, 플렉소그래픽 인쇄, 슬롯-다이 인쇄, 나이프-오버 에지 코팅, 스크린 인쇄, 그라비어 인쇄, 분무, 침지, 또는 이들의 임의의 조합에 의해 수행된다. 일부 실시형태에서, 잉크는 약 100℃ 내지 약 180℃의 온도에서 건조된다. 일부 실시형태에서, 잉크는 약 10분 내지 약 60분의 시간 동안 건조된다. 일부 실시형태에서, 잉크는 약 150 ㎛ 내지 약 3,000 ㎛의 선폭으로 기재 상에 침적된다. 일부 실시형태에서, 기재는 운모, 유리, 실리콘, 유리, 금속, 플라스틱, 패브릭, 흑연 시트, 금, 또는 이들의 임의의 조합을 포함한다. 일부 실시형태에서, 건조된 잉크의 평균 조도는 약 1 ㎛ 내지 약 2 ㎛이다. 일부 실시형태에서, 건조된 잉크의 텍스처 종횡비는 약 0.25° 내지 약 1.5°이다. 일부 실시형태에서, 인쇄된 전도성 잉크는 저항이 약 1,000 내지 약 40,000 ohm/sq이다. 일부 실시형태에서, 상기 방법은 기재 상의 잉크를 어닐링하는 단계를 추가로 포함한다.
전도성 잉크를 형성하는 방법으로서, 상기 방법은 그래핀 시트; 결합제; 안정화제; 및 용매를 포함하는 용액을 혼합하는 단계를 포함하고, 여기서 그래핀 시트의 적어도 약 90%가 단일 층으로 이루어지거나; 그래핀 시트가 최대 약 6%의 산소 함량을 갖거나; 또는 둘 다이다.
일부 실시형태에서, 그래핀은 환원된 그래핀 옥사이드 또는 활성화된 환원된 그래핀 옥사이드를 포함한다. 일부 실시형태에서, 결합제는 폴리머 결합제이다. 제38항에 있어서, 폴리머 결합제는 열가소성 공중합체인 방법. 일부 실시형태에서, 결합제는 폴리비닐피롤리돈, 에틸 메타크릴레이트, 부틸 메타크릴레이트, 또는 이들의 임의의 조합을 포함한다. 일부 실시형태에서, 안정화제는 폴리테트라하이드로푸란, 불소화된 트리에틸렌 글리콜 모노메틸 에테르, 왁스, 에틸 셀룰로스, 디에틸렌 글리콜, 또는 이들의 임의의 조합을 포함한다. 일부 실시형태에서, 용매는 프로필렌 글리콜 n-프로필 에테르, 2-에틸-1-헥산올, 디에틸렌 글리콜 모노부틸 에테르, 2-에틸-1-부탄올, 2-메틸-1-펜탄올, 프로필렌 글리콜 모노메틸 에테르 아세테이트, 헥사민, 사이클로헵틸아민, 이소아밀아민, 3-메톡시프로필아민, 파라클로로벤조트리플루오라이드, 에틸렌 글리콜, 이소프로판올, 에틸 아세테이트, 클로로포름, 디메틸포름아미드, n-메틸-2-피롤리돈, 테트라하이드로푸란 및 디클로로벤젠, 또는 이들의 임의의 조합을 포함한다. 일부 실시형태에서, 용액은 그래핀의 w/w 농도가 약 0.1% 내지 약 10%이다. 일부 실시형태에서, 용액은 결합제의 w/w 농도가 약 5% 내지 약 60%이다. 일부 실시형태에서, 용액은 안정화제의 w/w 농도가 약 1% 내지 약 80%이다. 일부 실시형태에서, 용액은 용매의 w/w 농도가 약 20% 내지 약 90%이다. 일부 실시형태에서, 용액은 고체 함량이 약 5% 내지 약 80%이다. 일부 실시형태에서, 용액은 약 1시간 내지 약 4시간의 시간 동안 혼합된다. 일부 실시형태에서, 전도성 잉크는 점도가 약 25 cP 내지 약 4,000 cP이다. 일부 실시형태에서, 전도성 잉크는 전단 속도가 약 100 s-1 내지 약 400 s-1이다. 일부 실시형태에서, 기재 상에 분산된 전도성 잉크의 습윤 두께와 기재 상의 건조된 전도성 잉크의 건조 두께 사이의 비는 약 2:1 내지 약 6:1이다. 일부 실시형태에서, 전도성 잉크는 건조시 저항이 약 300 ohm/sq 내지 약 80,000 ohm/sq이다. 일부 실시형태에서, 전도성 잉크는 입자 크기가 약 3 ㎛ 내지 약 40 ㎛이다. 일부 실시형태에서, 용액은 전도성 첨가제를 추가로 포함한다. 일부 실시형태에서, 전도성 첨가제는 나노탄소를 포함한다. 일부 실시형태에서, 나노탄소는 탄소 나노입자, 탄소 나노점, 탄소 나노튜브, 그래핀 나노리본, 탄소 나노섬유, 나노흑연, 탄소 아니온, 탄소 나노콘, 또는 이들의 임의의 조합을 포함한다. 일부 실시형태에서, 용액은 전도성 첨가제의 w/w 농도가 약 1% 내지 약 40%이다. 일부 실시형태에서, 용액은 그래핀을 추가로 포함한다. 일부 실시형태에서, 용액은 그래핀의 w/w 농도가 약 5% 내지 약 80%이다.
본 개시내용의 신규의 특징은 첨부된 청구항에 특히 기재되어 있다. 본 개시내용의 특징 및 이점의 더 양호한 이해는 본 개시내용의 원칙이 사용된 예시적인 실시형태를 기재한 하기의 상세한 설명 및 하기의 첨부된 도면을 참조하여 얻어질 것이고,
도 1은 본원의 하나 이상의 실시형태에 따른 전도성 잉크의 다이어그램이고,
도 2a는 본원의 하나 이상의 실시형태에 따른 예시적인 제1 전도성 잉크의 제1 광학 현미경 영상이고,
도 2b는 본원의 하나 이상의 실시형태에 따른 예시적인 제1 전도성 잉크의 제2 광학 현미경 영상이고,
도 3a는 본원의 하나 이상의 실시형태에 따른 예시적인 제1 전도성 잉크의 입자 크기 분포이고,
도 3b는 본원의 하나 이상의 실시형태에 따른 헤그만 게이지(Hegman gauge)에서 예시적인 제1 전도성 잉크의 영상이고,
도 4a는 본원의 하나 이상의 실시형태에 따른 예시적인 제1 전도성 잉크의 X선 회절 그래프이고,
도 4b는 본원의 하나 이상의 실시형태에 따른 예시적인 제1 전도성 잉크의 라만 분광학 그래프이고,
도 5는 본원의 하나 이상의 실시형태에 따른 예시적인 제1 전도성 잉크의 전단 속도 대 점도 그래프이고,
도 6a는 본원의 하나 이상의 실시형태에 따른 예시적인 제1 전도성 잉크의 열 분석의 예시적인 제1 그래프이고,
도 6b는 본원의 하나 이상의 실시형태에 따른 예시적인 제1 전도성 잉크의 열 분석의 예시적인 제2 그래프이고,
도 7은 본원의 하나 이상의 실시형태에 따른 예시적인 제1 전도성 잉크의 열 분석의 예시적인 제3 그래프이고,
도 8a는 본원의 하나 이상의 실시형태에 따른 예시적인 제2 전도성 잉크의 제1 SEM 영상이고,
도 8b는 본원의 하나 이상의 실시형태에 따른 예시적인 제2 전도성 잉크의 제2 SEM 영상이고,
도 9a는 본원의 하나 이상의 실시형태에 따른 예시적인 제2 전도성 잉크의 입자 크기 분포이고,
도 9b는 본원의 하나 이상의 실시형태에 따른 헤그만 게이지에서 예시적인 제2 전도성 잉크의 영상이고,
도 10은 본원의 하나 이상의 실시형태에 따른 예시적인 제2 전도성 잉크의 라만 분광학 그래프이고,
도 11a는 본원의 하나 이상의 실시형태에 따른 예시적인 제2 전도성 잉크의 전단 속도 대 점도 그래프이고,
도 11b는 본원의 하나 이상의 실시형태에 따른 예시적인 제1 전도성 잉크 및 제2 전도성 잉크의 X선 회절 그래프이고,
도 12a는 본원의 하나 이상의 실시형태에 따른 예시적인 제2 전도성 잉크의 열 분석의 예시적인 제1 그래프이고,
도 12b는 본원의 하나 이상의 실시형태에 따른 예시적인 제2 전도성 잉크의 열 분석의 예시적인 제2 그래프이고,
도 13은 본원의 하나 이상의 실시형태에 따른 예시적인 제2 전도성 잉크의 열 분석의 예시적인 제3 그래프이고,
도 14a는 본원의 하나 이상의 실시형태에 따른 실리콘 웨이퍼에 인쇄된 예시적인 전도성 잉크 스크린의 사진이고,
도 14b는 본원의 하나 이상의 실시형태에 따른 실리콘 웨이퍼에 인쇄된 예시적인 전도성 잉크 스크린의 상이한 폭의 트레이스의 사진 및 트레이스의 고배율 사진이고,
도 15a는 본원의 하나 이상의 실시형태에 따른 도 14a의 트레이스의 광학 프로필로메트리 영상이고,
도 15b는 본원의 하나 이상의 실시형태에 따른 도 15a의 광학 프로필로메트리 영상의 3차원 렌더링이고,
도 16a는 본원의 하나 이상의 실시형태에 따른 도 15a의 트레이스의 제1 축을 따른 광학 프로필로메트리 영상의 높이의 그래프이고,
도 16b는 본원의 하나 이상의 실시형태에 따른 도 15a의 트레이스의 제2 축을 따른 광학 프로필로메트리 영상의 높이의 그래프이고,
도 17은 본원의 하나 이상의 실시형태에 따른 예시적인 전도성 잉크에 의해 형성된 트레이스의 전도율 대 폭의 그래프이고,
도 18a는 본원의 하나 이상의 실시형태에 따른 예시적인 전도성 잉크에 의해 형성된 트레이스의 건조 두께 대 시트 저항의 그래프이고,
도 18b는 본원의 하나 이상의 실시형태에 따른 예시적인 전도성 잉크에 의해 형성된 트레이스의 습윤 두께 대 건조 두께의 그래프이고,
도 19a는 본원의 하나 이상의 실시형태에 따른 예시적인 전도성 잉크에 의해 형성된 예시적인 트레이스의 파장 투과율의 그래프이고,
도 19b는 본원의 하나 이상의 실시형태에 따른 예시적인 전도성 잉크의 파장 투과율의 그래프이고,
도 20a는 본원의 하나 이상의 실시형태에 따른 예시적인 환원된 그래핀 옥사이드 시트의 제1 주사 전자 현미경(SEM) 영상이고,
도 20b는 본원의 하나 이상의 실시형태에 따른 예시적인 환원된 그래핀 옥사이드 시트의 제2 SEM 영상이고,
도 21a는 본원의 하나 이상의 실시형태에 따른 예시적인 환원된 그래핀 옥사이드 시트의 제1 원자 힘 현미경(AFM) 영상이고,
도 21b는 본원의 하나 이상의 실시형태에 따른 예시적인 환원된 그래핀 옥사이드 시트의 제2 AFM 영상이고,
도 22a는 본원의 하나 이상의 실시형태에 따른 예시적인 제3 전도성 잉크의 전단 속도 대 점도 그래프이고,
도 22b는 본원의 하나 이상의 실시형태에 따른 예시적인 제3 전도성 잉크의 토크 대 속도 그래프이고,
도 23a는 본원의 하나 이상의 실시형태에 따른 예시적인 제3 전도성 잉크의 시간 대 열 흐름 그래프이고,
도 23b는 본원의 하나 이상의 실시형태에 따른 예시적인 제3 전도성 잉크의 시간 대 중량 그래프이고,
도 24a는 본원의 하나 이상의 실시형태에 따른 예시적인 제3 전도성 잉크의 XRD 패턴이고,
도 24b는 본원의 하나 이상의 실시형태에 따른 예시적인 제3 전도성 잉크에 의해 코팅된 기재의 라만 스펙트럼이고,
도 25a는 본원의 하나 이상의 실시형태에 따른 예시적인 제3 전도성 잉크에 의해 코팅된 기재의 건조 필름 두께 대 시트 저항 그래프이고,
도 25b는 본원의 하나 이상의 실시형태에 따른 예시적인 제3 전도성 잉크에 의해 코팅된 기재의 습윤 필름 두께 대 건조 필름 두께 그래프이고,
도 26a는 본원의 하나 이상의 실시형태에 따른 예시적인 제3 전도성 잉크의 입자 분포 그래프이고,
도 26b는 본원의 하나 이상의 실시형태에 따른 예시적인 제3 전도성 잉크에 의해 덮인 기재에 대한 트레이스 폭 대 저항을 보여주고,
도 27a는 본원의 하나 이상의 실시형태에 따른 예시적인 제4 전도성 잉크의 전단 속도 대 점도 그래프이고,
도 27b는 본원의 하나 이상의 실시형태에 따른 예시적인 제4 전도성 잉크의 토크 대 속도 그래프이고,
도 28a는 본원의 하나 이상의 실시형태에 따른 예시적인 제4 전도성 잉크의 시간 대 열 흐름 그래프이고,
도 28b는 본원의 하나 이상의 실시형태에 따른 예시적인 제4 전도성 잉크의 시간 대 중량 그래프이고,
도 29a는 본원의 하나 이상의 실시형태에 따른 예시적인 제4 전도성 잉크의 XRD 그래프이고,
도 29b는 본원의 하나 이상의 실시형태에 따른 예시적인 제4 전도성 잉크의 라만 스펙트럼이고,
도 30a는 본원의 하나 이상의 실시형태에 따른 예시적인 제4 전도성 잉크에 의해 코팅된 기재의 건조 필름 두께 대 시트 저항 그래프이고,
도 30b는 본원의 하나 이상의 실시형태에 따른 예시적인 제4 전도성 잉크에 의해 코팅된 기재의 습윤 필름 두께 대 건조 필름 두께 그래프이고,
도 31은 본원의 하나 이상의 실시형태에 따른 예시적인 제4 전도성 잉크의 입자 분포 그래프이고,
도 32a는 본원의 하나 이상의 실시형태에 따른 예시적인 제5 전도성 잉크의 전단 속도 대 점도 그래프이고,
도 32b는 본원의 하나 이상의 실시형태에 따른 예시적인 제5 전도성 잉크의 토크 대 속도 그래프이고,
도 33a는 본원의 하나 이상의 실시형태에 따른 예시적인 제5 전도성 잉크의 시간 대 열 흐름 그래프이고,
도 33b는 본원의 하나 이상의 실시형태에 따른 예시적인 제5 전도성 잉크의 시간 대 중량 그래프이고,
도 34a는 본원의 하나 이상의 실시형태에 따른 예시적인 제5 전도성 잉크의 XRD 그래프이고,
도 34b는 본원의 하나 이상의 실시형태에 따른 예시적인 제5 전도성 잉크의 라만 스펙트럼이고,
도 35a는 본원의 하나 이상의 실시형태에 따른 예시적인 제5 전도성 잉크의 입자 분포 그래프이고,
도 35b는 본원의 하나 이상의 실시형태에 따른 예시적인 제5 전도성 잉크에 의해 덮인 기재에 대한 트레이스 폭 대 저항을 보여주고,
도 36a는 본원의 하나 이상의 실시형태에 따른 예시적인 제5 전도성 잉크에 의해 덮인 기재의 제1 광학 프로필로메트리 영상을 보여주고,
도 36b는 본원의 하나 이상의 실시형태에 따른 도 36a에서의 샘플의 길이를 따른 예시적인 건조된 제5 전도성 잉크의 두께의 그래프를 보여주고,
도 36c는 본원의 하나 이상의 실시형태에 따른 도 36a에서의 샘플의 폭을 따른 예시적인 건조된 제5 전도성 잉크의 두께의 그래프를 보여주고,
도 37a는 본원의 하나 이상의 실시형태에 따른 예시적인 제5 전도성 잉크에 의해 덮인 기재의 제2 광학 프로필로메트리 영상을 보여주고,
도 37b는 본원의 하나 이상의 실시형태에 따른 예시적인 제5 전도성 잉크에 의해 덮인 기재의 제3 광학 프로필로메트리 영상을 보여주고,
도 38a는 본원의 하나 이상의 실시형태에 따른 예시적인 제5 전도성 잉크에 의해 코팅된 기재의 건조 필름 두께 대 시트 저항 그래프이고,
도 38b는 본원의 하나 이상의 실시형태에 따른 예시적인 제5 전도성 잉크에 의해 코팅된 기재의 습윤 필름 두께 대 건조 필름 두께 그래프이고,
도 39a는 본원의 하나 이상의 실시형태에 따른 예시적인 제5 전도성 잉크에 의해 코팅된 기재의 저배율 SEM 영상이고,
도 39b는 본원의 하나 이상의 실시형태에 따른 예시적인 제5 전도성 잉크에 의해 코팅된 기재의 고배율 SEM 영상이고,
도 40a는 본원의 하나 이상의 실시형태에 따른 예시적인 제6 전도성 잉크의 전단 속도 대 점도 그래프이고,
도 40b는 본원의 하나 이상의 실시형태에 따른 예시적인 제6 전도성 잉크의 토크 대 속도 그래프이고,
도 41a는 본원의 하나 이상의 실시형태에 따른 예시적인 제6 전도성 잉크의 시간 대 열 흐름 그래프이고,
도 41b는 본원의 하나 이상의 실시형태에 따른 예시적인 제6 전도성 잉크의 시간 대 중량 그래프이고,
도 42a는 본원의 하나 이상의 실시형태에 따른 예시적인 제6 전도성 잉크의 XRD 패턴이고,
도 42b는 본원의 하나 이상의 실시형태에 따른 예시적인 제6 전도성 잉크에 의해 코팅된 기재의 라만 스펙트럼이고,
도 43a는 본원의 하나 이상의 실시형태에 따른 예시적인 제6 전도성 잉크의 입자 분포 그래프이고,
도 43b는 본원의 하나 이상의 실시형태에 따른 예시적인 제6 전도성 잉크에 의해 코팅된 기재의 건조 필름 두께 대 시트 저항 그래프이고,
도 44a는 본원의 하나 이상의 실시형태에 따른 예시적인 제6 전도성 잉크에 의해 형성된 트레이스의 습윤 두께 대 건조 두께의 그래프이고,
도 44b는 예시적인 제6 전도성 잉크에 의해 덮인 기재에 대한 트레이스 폭 대 저항을 보여준다.
현재, 제한된 방법은 거기에 사용된 전도성 잉크의 제한으로 인해 인쇄된 전자장치를 제조하기 위해 이용 가능하다. 현재의 은계 잉크 및 구리계 잉크는 대규모 장치 제조에 대개 너무 비싸다. 추가로, 이러한 잉크는 인쇄 동안 응집하여 비평평하고 비일관된 성분을 형성하고, 특정 인쇄 방법에 조율될 수 없는 점도 및 표면 장력을 갖고, 불량한 기재 접착 및 낮은 가요성을 겪는다. 그러므로, 이러한 잉크에 의한 경제적으로 제조 내구적이고 고도로 전도성인 인쇄된 성분은 대개 어렵거나 비효과적이다.
이러한 인쇄된 전자장치의 성능을 개선하기 위해 그리고 이러한 전자장치의 더 넓은 범위의 제작이 가능하게 하도록, 개선된 잉크가 필요하다. 그러므로, 전도성 잉크 및 이의 배합 방법이 본원에 제공되고, 이의 전기 특성 및 기계 특성(예를 들어, 점도 및 표면 장력)은 다양한 종류의 인쇄 기술에서의 이의 사용이 가능하게 한다. 본원에서의 잉크에서의 그래핀의 뛰어난 전도율, 열 안정성, 화학 안정성 및 가요성은 조율 가능한 전자화학 특성을 갖는 저비용 전자장치의 제조가 가능하게 한다. 마지막으로, 많은 현재의 전도성 잉크가 적절한 접착 및 전도성을 위해 다수의 층을 요하지만, 본원에서의 잉크는 심지어 단일 인쇄에서처럼 감소된 층 수를 사용하여 충분한 두께를 갖는 전자 회로를 형성할 수 있다.
전도성 잉크
도 1a는 전도성 잉크(1000)의 다이어그램이다. 일부 실시형태에서, 전도성 잉크(1000)는 그래핀(110), 결합제(120), 안정화제(130) 및 용매(140)를 포함한다. 일부 실시형태에서, 전도성 잉크(1000)는 그래핀(110), 결합제(120), 안정화제(130) 및 용매(140)로 이루어진다. 일부 실시형태에서, 전도성 잉크(1000)는 그래핀(110), 결합제(120), 안정화제(130) 및 용매(140)로 본질적으로 이루어진다. 일부 실시형태에서, 전도성 잉크(1000)는 계면활성제를 포함하지 않는다. 일부 실시형태에서, 전도성 잉크(1000)는 소포제를 포함하지 않는다.
본원에서의 전도성 잉크(1000)의 특정 성분은 이의 예상치 못하게 개선된 탄성, 접착, 열 안정성, 코팅 균일성, 화학 안정성 및 조율 가능한 점도가 가능하게 한다. 잉크는 우수한 안정성을 나타내고 홀을 남기지 않으면서 평평하게 코팅하고 부드러운 표면을 갖는다.
일부 실시형태에서, 그래핀(110)은 환원된 그래핀 옥사이드를 포함한다. 일부 실시형태에서, 그래핀(110)은 활성화된 환원된 그래핀 옥사이드를 포함한다. 일부 실시형태에서, 그래핀(110) 시트의 적어도 약 85%, 86%, 87%, 88%, 89%, 90%, 91%, 92%, 93%, 94%, 95%, 96%, 97%, 98% 또는 그 초과는 그래핀(111)의 단일 층으로 이루어진다. 일부 실시형태에서, 전도성 잉크(1000) 내의 단일 층 그래핀 시트(111)의 높은 함량은 건조시 전도성 잉크(1000)의 전도율을 개선한다. 일부 실시형태에서, 단일 층으로 이루어진 환원된 그래핀 옥사이드의 백분율은 원자 힘 현미경검사(AFM)에 의해 결정된다. 일부 실시형태에서, 그래핀 시트(110)는 산소 함량이 최대 약 2%, 3%, 4%, 5%, 6%, 7%, 8%, 9% 또는 10%, 및 이들 내의 증분이다. 일부 실시형태에서, 전도성 잉크(1000) 내의 그래핀 시트(110)의 낮은 산소 함량은 건조시 전도성 잉크(1000)의 전도율을 개선한다.
일부 실시형태에서, 결합제(120)는 폴리머 결합제(120)이다. 일부 실시형태에서, 폴리머 결합제(120)는 열가소성 공중합체이다. 일부 실시형태에서, 결합제(120)는 폴리비닐피롤리돈, 에틸 메타크릴레이트, 부틸 메타크릴레이트, 또는 이들의 임의의 조합을 포함한다. 본원에서의 특정 결합제(120)는 본원에서의 전도성 잉크(1000) 및 이로부터 형성된 전자장치의 예상치 못하게 개선된 탄성, 접착, 열 안정성, 화학 안정성 및 조율 가능한 점도가 가능하게 한다.
일부 실시형태에서, 안정화제(130)는 중합체를 포함한다. 일부 실시형태에서, 안정화제(130)는 실온에서 고체이다. 일부 실시형태에서, 안정화제(130)는 폴리테트라하이드로푸란, 불소화된 트리에틸렌 글리콜 모노메틸 에테르, 에틸 셀룰로스, 디에틸렌 글리콜, 또는 이들의 임의의 조합을 포함한다. 본원에서의 특정 안정화제(130)는 느리게 건조시키고 크래킹 및 섬 형성을 방지하기 위해, 응집을 방지하기 위해 잉크(1000) 내의 그래핀(110)을 안정화시키기 위해 그리고 손상 없이 탄성적으로 구부리기 위해 기재의 균일한 코팅에 대한 예상치 못하게 개선된 능력을 본원에서의 잉크(1000)에 제공한다. 일부 실시형태에서, 안정화제(130)는 전도성 잉크(1000)의 점도, 가요성 및 탄성을 증가시키고, 전도성 잉크(1000)에서의 그래핀(110)을 안정화시키고, 크래킹 및 섬 형성을 방지하기 위해 실온에서 건조 공정을 느리게 하는 폴리테트라하이드로푸란을 포함한다. 일부 실시형태에서, 안정화제(130)는 건조된 전도성 잉크(1000)의 가요성 및 강도를 개선하는 디에틸렌 글리콜을 포함한다.
일부 실시형태에서, 용매(140)는 프로필렌 글리콜 n-프로필 에테르, 2-에틸-1-헥산올, 디에틸렌 글리콜 모노부틸 에테르, 2-에틸-1-부탄올, 2-메틸-1-펜탄올, 프로필렌 글리콜 모노메틸 에테르 아세테이트, 헥사민, 사이클로헵틸아민, 이소아밀아민, 3-메톡시프로필아민, 파라클로로벤조트리플로라이드, 에틸렌 글리콜, 이소프로판올, 에틸 아세테이트, 클로로포름, 디메틸포름아미드, n-메틸-2-피롤리돈, 테트라하이드로푸란 및 디클로로벤젠, 또는 이들의 임의의 조합을 포함한다. 일부 실시형태에서, 왁스는 동물 왁스, 식물성 왁스, 광물 왁스, 석유 왁스, 또는 이들의 임의의 조합이다. 일부 실시형태에서, 용매(140)는 본원에서의 잉크(1000) 내의 그래핀(110)의 안정성을 증가시킨다. 일부 실시형태에서, 용매(140)는 휘발성이다. 일부 실시형태에서, 용매(140)는 20℃에서의 증기압이 약 20 Pa 내지 약 250 Pa이다. 일부 실시형태에서, 용매(140)는 비점이 약 110℃ 내지 약 200℃이다. 일부 실시형태에서, 용매의 증기압 및 비점은 본원에서의 잉크(1000)가 느리게 건조하고 이에 따라 크래킹을 방지하게 한다. 일부 실시형태에서, 용매의 높은 비점은 전도성 잉크의 건조 시간을 증가시키고, 전도성 잉크에 의해 기재를 코팅하는 시간을 증가시키고, 기재에 도포된 잉크의 표면에 걸친 전도성 잉크의 평평한 건조를 허용할 수 있다. 일부 실시형태에서, 기재에 도포된 잉크의 표면에 걸친 잉크의 평평한 건조는 전도성 잉크의 벌크 전에 에지가 건조하는 것을 방지할 수 있고, 전도성 잉크의 벌크로부터의 기재에 도포된 것과 같은 전도성 잉크의 에지로의 밖으로의 현탁된 환원된 그래핀 옥사이드 입자의 모세관 흐름을 방지할 수 있고, 기재에 도포된 전도성 잉크에 전체적으로 그래핀 옥사이드 입자의 균일한 분산 또는 실질적으로 균일한 분산에 의해 기재에서의 전도성 잉크의 평평한 코팅을 허용할 수 있다. 일부 실시형태에서, 기재에 도포된 잉크의 표면에 걸친 잉크의 느린 평평한 건조는 기재에 도포된 전도성 잉크의 고도로 균일한 코팅을 허용할 수 있어서, 기재에 도포된 전도성 잉크에 의해 제조된 최종 생성물의 전도율을 개선한다.
일부 실시형태에서, 전도성 잉크는 입자 크기가 약 3 ㎛ 내지 약 20 ㎛이다. 일부 실시형태에서, 전도성 잉크는 입자 크기가 약 3 ㎛ 내지 약 4 ㎛, 약 3 ㎛ 내지 약 6 ㎛, 약 3 ㎛ 내지 약 8 ㎛, 약 3 ㎛ 내지 약 10 ㎛, 약 3 ㎛ 내지 약 12 ㎛, 약 3 ㎛ 내지 약 14 ㎛, 약 3 ㎛ 내지 약 16 ㎛, 약 3 ㎛ 내지 약 18 ㎛, 약 3 ㎛ 내지 약 20 ㎛, 약 4 ㎛ 내지 약 6 ㎛, 약 4 ㎛ 내지 약 8 ㎛, 약 4 ㎛ 내지 약 10 ㎛, 약 4 ㎛ 내지 약 12 ㎛, 약 4 ㎛ 내지 약 14 ㎛, 약 4 ㎛ 내지 약 16 ㎛, 약 4 ㎛ 내지 약 18 ㎛, 약 4 ㎛ 내지 약 20 ㎛, 약 6 ㎛ 내지 약 8 ㎛, 약 6 ㎛ 내지 약 10 ㎛, 약 6 ㎛ 내지 약 12 ㎛, 약 6 ㎛ 내지 약 14 ㎛, 약 6 ㎛ 내지 약 16 ㎛, 약 6 ㎛ 내지 약 18 ㎛, 약 6 ㎛ 내지 약 20 ㎛, 약 8 ㎛ 내지 약 10 ㎛, 약 8 ㎛ 내지 약 12 ㎛, 약 8 ㎛ 내지 약 14 ㎛, 약 8 ㎛ 내지 약 16 ㎛, 약 8 ㎛ 내지 약 18 ㎛, 약 8 ㎛ 내지 약 20 ㎛, 약 10 ㎛ 내지 약 12 ㎛, 약 10 ㎛ 내지 약 14 ㎛, 약 10 ㎛ 내지 약 16 ㎛, 약 10 ㎛ 내지 약 18 ㎛, 약 10 ㎛ 내지 약 20 ㎛, 약 12 ㎛ 내지 약 14 ㎛, 약 12 ㎛ 내지 약 16 ㎛, 약 12 ㎛ 내지 약 18 ㎛, 약 12 ㎛ 내지 약 20 ㎛, 약 14 ㎛ 내지 약 16 ㎛, 약 14 ㎛ 내지 약 18 ㎛, 약 14 ㎛ 내지 약 20 ㎛, 약 16 ㎛ 내지 약 18 ㎛, 약 16 ㎛ 내지 약 20 ㎛ 또는 약 18 ㎛ 내지 약 20 ㎛, 및 이들 내의 증분이다. 일부 실시형태에서, 전도성 잉크는 입자 크기가 약 3 ㎛, 약 4 ㎛, 약 6 ㎛, 약 8 ㎛, 약 10 ㎛, 약 12 ㎛, 약 14 ㎛, 약 16 ㎛, 약 18 ㎛ 또는 약 20 ㎛이다. 일부 실시형태에서, 전도성 잉크는 입자 크기가 적어도 약 3 ㎛, 약 4 ㎛, 약 6 ㎛, 약 8 ㎛, 약 10 ㎛, 약 12 ㎛, 약 14 ㎛, 약 16 ㎛ 또는 약 18 ㎛이다. 일부 실시형태에서, 전도성 잉크는 입자 크기가 최대 약 4 ㎛, 약 6 ㎛, 약 8 ㎛, 약 10 ㎛, 약 12 ㎛, 약 14 ㎛, 약 16 ㎛, 약 18 ㎛ 또는 약 20 ㎛이다. 일부 실시형태에서, 본원에서의 잉크의 특정 입자 크기는 다양한 종류의 전자 부품의 제조를 위한 다양한 방법 및 기계에 의한 인쇄가 가능하게 하도록 조율 가능한 점도 및 표면 장력을 제공한다. 일부 실시형태에서, 상기에 기재된 입자 크기는 평균치 또는 평균 입자 크기를 지칭한다. 일부 실시형태에서, 상기에 기재된 입자 크기는 나열된 입자 크기를 갖는 잉크의 적어도 80%, 적어도 90% 또는 적어도 95%를 지칭한다.
전도성 잉크의 점도는 전단 혼합 시간을 조정하여서 조율될 수 있고, 더 긴 전단 시간은 점도를 감소시킨다. 일부 실시형태에서, 전도성 잉크는 점도가 약 25 cP 내지 약 3,000 cP이다. 일부 실시형태에서, 전도성 잉크는 점도가 약 25 cP 내지 약 50 cP, 약 25 cP 내지 약 100 cP, 약 25 cP 내지 약 250 cP, 약 25 cP 내지 약 500 cP, 약 25 cP 내지 약 750 cP, 약 25 cP 내지 약 1,000 cP, 약 25 cP 내지 약 2,000 cP, 약 25 cP 내지 약 3,000 cP, 약 25 cP 내지 약 400 cP, 약 50 cP 내지 약 100 cP, 약 50 cP 내지 약 250 cP, 약 50 cP 내지 약 500 cP, 약 50 cP 내지 약 750 cP, 약 50 cP 내지 약 1,000 cP, 약 50 cP 내지 약 2,000 cP, 약 50 cP 내지 약 3,000 cP, 약 50 cP 내지 약 400 cP, 약 100 cP 내지 약 250 cP, 약 100 cP 내지 약 500 cP, 약 100 cP 내지 약 750 cP, 약 100 cP 내지 약 1,000 cP, 약 100 cP 내지 약 2,000 cP, 약 100 cP 내지 약 3,000 cP, 약 100 cP 내지 약 400 cP, 약 250 cP 내지 약 500 cP, 약 250 cP 내지 약 750 cP, 약 250 cP 내지 약 1,000 cP, 약 250 cP 내지 약 2,000 cP, 약 250 cP 내지 약 3,000 cP, 약 250 cP 내지 약 400 cP, 약 500 cP 내지 약 750 cP, 약 500 cP 내지 약 1,000 cP, 약 500 cP 내지 약 2,000 cP, 약 500 cP 내지 약 3,000 cP, 약 500 cP 내지 약 400 cP, 약 750 cP 내지 약 1,000 cP, 약 750 cP 내지 약 2,000 cP, 약 750 cP 내지 약 3,000 cP, 약 750 cP 내지 약 400 cP, 약 1,000 cP 내지 약 2,000 cP, 약 1,000 cP 내지 약 3,000 cP, 약 1,000 cP 내지 약 400 cP, 약 2,000 cP 내지 약 3,000 cP, 약 2,000 cP 내지 약 400 cP 또는 약 3,000 cP 내지 약 400 cP, 및 이들 내의 증분이다. 일부 실시형태에서, 전도성 잉크는 점도가 약 25 cP, 약 50 cP, 약 100 cP, 약 250 cP, 약 500 cP, 약 750 cP, 약 1,000 cP, 약 2,000 cP, 약 3,000 cP 또는 약 400 cP이다. 일부 실시형태에서, 전도성 잉크는 점도가 적어도 약 25 cP, 약 50 cP, 약 100 cP, 약 250 cP, 약 500 cP, 약 750 cP, 약 1,000 cP, 약 2,000 cP 또는 약 3,000 cP이다. 일부 실시형태에서, 전도성 잉크는 점도가 최대 약 50 cP, 약 100 cP, 약 250 cP, 약 500 cP, 약 750 cP, 약 1,000 cP, 약 2,000 cP, 약 3,000 cP 또는 약 400 cP이다. 일부 실시형태에서, 본원에서의 잉크의 점도는 다양한 종류의 전자 부품을 제조하기 위해 다양한 방법 및 기계에 의한 이의 인쇄가 가능하게 한다.
일부 실시형태에서, 전도성 잉크는 전단 속도가 약 100 s-1 내지 약 400 s-1이다. 일부 실시형태에서, 전도성 잉크는 전단 속도가 약 100 s-1 내지 약 150 s-1, 약 100 s-1 내지 약 200 s-1, 약 100 s-1 내지 약 250 s-1, 약 100 s-1 내지 약 300 s-1, 약 100 s-1 내지 약 350 s-1, 약 100 s-1 내지 약 400 s-1, 약 150 s-1 내지 약 200 s-1, 약 150 s-1 내지 약 250 s-1, 약 150 s-1 내지 약 300 s-1, 약 150 s-1 내지 약 350 s-1, 약 150 s-1 내지 약 400 s-1, 약 200 s-1 내지 약 250 s-1, 약 200 s-1 내지 약 300 s-1, 약 200 s-1 내지 약 350 s-1, 약 200 s-1 내지 약 400 s-1, 약 250 s-1 내지 약 300 s-1, 약 250 s-1 내지 약 350 s-1, 약 250 s-1 내지 약 400 s-1, 약 300 s-1 내지 약 350 s-1, 약 300 s-1 내지 약 400 s-1 또는 약 350 s-1 내지 약 400 s-1, 및 이들 내의 증분이다. 일부 실시형태에서, 전도성 잉크는 전단 속도가 약 100 s-1, 약 150 s-1, 약 200 s-1, 약 250 s-1, 약 300 s-1, 약 350 s-1 또는 약 400 s-1이다. 일부 실시형태에서, 전도성 잉크는 전단 속도가 적어도 약 100 s-1, 약 150 s-1, 약 200 s-1, 약 250 s-1, 약 300 s-1 또는 약 350 s-1이다. 일부 실시형태에서, 전도성 잉크는 전단 속도가 최대 약 150 s-1, 약 200 s-1, 약 250 s-1, 약 300 s-1, 약 350 s-1 또는 약 400 s-1이다. 일부 실시형태에서, 본원에서의 잉크의 전단 속도는 다양한 종류의 전자 부품을 제조하기 위해 다양한 방법 및 기계에 의한 이의 인쇄가 가능하게 한다.
일부 실시형태에서, 전도성 잉크는, 습윤시, 그래핀의 w/w 농도가 약 0.1% 내지 약 10%이다. 일부 실시형태에서, 전도성 잉크는, 습윤시, 그래핀의 w/w 농도가 약 0.1% 내지 약 0.5%, 약 0.1% 내지 약 1%, 약 0.1% 내지 약 2%, 약 0.1% 내지 약 3%, 약 0.1% 내지 약 4%, 약 0.1% 내지 약 5%, 약 0.1% 내지 약 6%, 약 0.1% 내지 약 7%, 약 0.1% 내지 약 8%, 약 0.1% 내지 약 9%, 약 0.1% 내지 약 10%, 약 0.5% 내지 약 1%, 약 0.5% 내지 약 2%, 약 0.5% 내지 약 3%, 약 0.5% 내지 약 4%, 약 0.5% 내지 약 5%, 약 0.5% 내지 약 6%, 약 0.5% 내지 약 7%, 약 0.5% 내지 약 8%, 약 0.5% 내지 약 9%, 약 0.5% 내지 약 10%, 약 1% 내지 약 2%, 약 1% 내지 약 3%, 약 1% 내지 약 4%, 약 1% 내지 약 5%, 약 1% 내지 약 6%, 약 1% 내지 약 7%, 약 1% 내지 약 8%, 약 1% 내지 약 9%, 약 1% 내지 약 10%, 약 2% 내지 약 3%, 약 2% 내지 약 4%, 약 2% 내지 약 5%, 약 2% 내지 약 6%, 약 2% 내지 약 7%, 약 2% 내지 약 8%, 약 2% 내지 약 9%, 약 2% 내지 약 10%, 약 3% 내지 약 4%, 약 3% 내지 약 5%, 약 3% 내지 약 6%, 약 3% 내지 약 7%, 약 3% 내지 약 8%, 약 3% 내지 약 9%, 약 3% 내지 약 10%, 약 4% 내지 약 5%, 약 4% 내지 약 6%, 약 4% 내지 약 7%, 약 4% 내지 약 8%, 약 4% 내지 약 9%, 약 4% 내지 약 10%, 약 5% 내지 약 6%, 약 5% 내지 약 7%, 약 5% 내지 약 8%, 약 5% 내지 약 9%, 약 5% 내지 약 10%, 약 6% 내지 약 7%, 약 6% 내지 약 8%, 약 6% 내지 약 9%, 약 6% 내지 약 10%, 약 7% 내지 약 8%, 약 7% 내지 약 9%, 약 7% 내지 약 10%, 약 8% 내지 약 9%, 약 8% 내지 약 10% 또는 약 9% 내지 약 10%, 및 이들 내의 증분이다. 일부 실시형태에서, 전도성 잉크는, 습윤시, 그래핀의 w/w 농도가 약 0.1%, 약 0.5%, 약 1%, 약 2%, 약 3%, 약 4%, 약 5%, 약 6%, 약 7%, 약 8%, 약 9% 또는 약 10%이다. 일부 실시형태에서, 전도성 잉크는, 습윤시, 그래핀의 w/w 농도가 적어도 약 0.1%, 약 0.5%, 약 1%, 약 2%, 약 3%, 약 4%, 약 5%, 약 6%, 약 7%, 약 8% 또는 약 9%이다. 일부 실시형태에서, 전도성 잉크는, 습윤시, 그래핀의 w/w 농도가 최대 약 0.5%, 약 1%, 약 2%, 약 3%, 약 4%, 약 5%, 약 6%, 약 7%, 약 8%, 약 9% 또는 약 10%이다. 일부 실시형태에서, 전도성 잉크의 추가 요소 이외에 본원에서의 그래핀 옥사이드의 낮은 농도는 높은 전도율 및 낮은 저항을 유지하면서 본원에서의 전도성 잉크의 비용을 감소시킨다.
일부 실시형태에서, 전도성 잉크는, 습윤시, 결합제의 w/w 농도가 약 10% 내지 약 60%이다. 일부 실시형태에서, 전도성 잉크는, 습윤시, 결합제의 w/w 농도가 약 10% 내지 약 15%, 약 10% 내지 약 20%, 약 10% 내지 약 25%, 약 10% 내지 약 30%, 약 10% 내지 약 35%, 약 10% 내지 약 40%, 약 10% 내지 약 45%, 약 10% 내지 약 50%, 약 10% 내지 약 55%, 약 10% 내지 약 60%, 약 15% 내지 약 20%, 약 15% 내지 약 25%, 약 15% 내지 약 30%, 약 15% 내지 약 35%, 약 15% 내지 약 40%, 약 15% 내지 약 45%, 약 15% 내지 약 50%, 약 15% 내지 약 55%, 약 15% 내지 약 60%, 약 20% 내지 약 25%, 약 20% 내지 약 30%, 약 20% 내지 약 35%, 약 20% 내지 약 40%, 약 20% 내지 약 45%, 약 20% 내지 약 50%, 약 20% 내지 약 55%, 약 20% 내지 약 60%, 약 25% 내지 약 30%, 약 25% 내지 약 35%, 약 25% 내지 약 40%, 약 25% 내지 약 45%, 약 25% 내지 약 50%, 약 25% 내지 약 55%, 약 25% 내지 약 60%, 약 30% 내지 약 35%, 약 30% 내지 약 40%, 약 30% 내지 약 45%, 약 30% 내지 약 50%, 약 30% 내지 약 55%, 약 30% 내지 약 60%, 약 35% 내지 약 40%, 약 35% 내지 약 45%, 약 35% 내지 약 50%, 약 35% 내지 약 55%, 약 35% 내지 약 60%, 약 40% 내지 약 45%, 약 40% 내지 약 50%, 약 40% 내지 약 55%, 약 40% 내지 약 60%, 약 45% 내지 약 50%, 약 45% 내지 약 55%, 약 45% 내지 약 60%, 약 50% 내지 약 55%, 약 50% 내지 약 60% 또는 약 55% 내지 약 60%, 및 이들 내의 증분이다. 일부 실시형태에서, 전도성 잉크는, 습윤시, 결합제의 w/w 농도가 약 10%, 약 15%, 약 20%, 약 25%, 약 30%, 약 35%, 약 40%, 약 45%, 약 50%, 약 55% 또는 약 60%이다. 일부 실시형태에서, 전도성 잉크는, 습윤시, 결합제의 w/w 농도가 적어도 약 10%, 약 15%, 약 20%, 약 25%, 약 30%, 약 35%, 약 40%, 약 45%, 약 50% 또는 약 55%이다. 일부 실시형태에서, 전도성 잉크는, 습윤시, 결합제의 w/w 농도가 최대 약 15%, 약 20%, 약 25%, 약 30%, 약 35%, 약 40%, 약 45%, 약 50%, 약 55% 또는 약 60%이다. 본원에서의 결합제의 특정 w/w 농도는 조율 가능한 점도 및 표면 장력을 유지하면서 본원에서의 잉크의 탄성, 접착, 열 안정성 및 화학 안정성을 개선한다.
일부 실시형태에서, 전도성 잉크는, 습윤시, 안정화제의 w/w 농도가 약 1% 내지 약 80%이다. 일부 실시형태에서, 전도성 잉크는, 습윤시, 안정화제의 w/w 농도가 약 1% 내지 약 5%, 약 1% 내지 약 10%, 약 1% 내지 약 15%, 약 1% 내지 약 20%, 약 1% 내지 약 25%, 약 1% 내지 약 30%, 약 1% 내지 약 40%, 약 1% 내지 약 50%, 약 1% 내지 약 60%, 약 1% 내지 약 70%, 약 1% 내지 약 80%, 약 5% 내지 약 10%, 약 5% 내지 약 15%, 약 5% 내지 약 20%, 약 5% 내지 약 25%, 약 5% 내지 약 30%, 약 5% 내지 약 40%, 약 5% 내지 약 50%, 약 5% 내지 약 60%, 약 5% 내지 약 70%, 약 5% 내지 약 80%, 약 10% 내지 약 15%, 약 10% 내지 약 20%, 약 10% 내지 약 25%, 약 10% 내지 약 30%, 약 10% 내지 약 40%, 약 10% 내지 약 50%, 약 10% 내지 약 60%, 약 10% 내지 약 70%, 약 10% 내지 약 80%, 약 15% 내지 약 20%, 약 15% 내지 약 25%, 약 15% 내지 약 30%, 약 15% 내지 약 40%, 약 15% 내지 약 50%, 약 15% 내지 약 60%, 약 15% 내지 약 70%, 약 15% 내지 약 80%, 약 20% 내지 약 25%, 약 20% 내지 약 30%, 약 20% 내지 약 40%, 약 20% 내지 약 50%, 약 20% 내지 약 60%, 약 20% 내지 약 70%, 약 20% 내지 약 80%, 약 25% 내지 약 30%, 약 25% 내지 약 40%, 약 25% 내지 약 50%, 약 25% 내지 약 60%, 약 25% 내지 약 70%, 약 25% 내지 약 80%, 약 30% 내지 약 40%, 약 30% 내지 약 50%, 약 30% 내지 약 60%, 약 30% 내지 약 70%, 약 30% 내지 약 80%, 약 40% 내지 약 50%, 약 40% 내지 약 60%, 약 40% 내지 약 70%, 약 40% 내지 약 80%, 약 50% 내지 약 60%, 약 50% 내지 약 70%, 약 50% 내지 약 80%, 약 60% 내지 약 70%, 약 60% 내지 약 80% 또는 약 70% 내지 약 80%, 및 이들 내의 증분이다. 일부 실시형태에서, 전도성 잉크는, 습윤시, 안정화제의 w/w 농도가 약 1%, 약 5%, 약 10%, 약 15%, 약 20%, 약 25%, 약 30%, 약 40%, 약 50%, 약 60%, 약 70% 또는 약 80%이다. 일부 실시형태에서, 전도성 잉크는, 습윤시, 안정화제의 w/w 농도가 적어도 약 1%, 약 5%, 약 10%, 약 15%, 약 20%, 약 25%, 약 30%, 약 40%, 약 50%, 약 60% 또는 약 70%이다. 일부 실시형태에서, 전도성 잉크는, 습윤시, 안정화제의 w/w 농도가 최대 약 5%, 약 10%, 약 15%, 약 20%, 약 25%, 약 30%, 약 40%, 약 50%, 약 60%, 약 70% 또는 약 80%이다. 본원에 개시된 안정화제의 다양한 w/w 농도는 크래킹 및 섬 형성을 방지하면서 기재에 대한 균일한 코팅에 대한 잉크의 능력을 개선할 수 있고, 조율 가능한 점도 및 표면 장력을 유지하면서 응집을 방지하기 위해 잉크 내의 그래핀을 안정화시킨다. 일부 실시형태에서, 본원에서의 안정화제의 w/w 농도는 전도성 잉크의 건조 시간을 증가시키고, 전도성 잉크에 의해 기재를 코팅하는 시간을 증가시키고, 기재에 도포된 잉크의 표면에 걸친 전도성 잉크의 평평한 건조를 허용할 수 있다. 일부 실시형태에서, 기재에 도포된 잉크의 표면에 걸친 잉크의 평평한 건조는 전도성 잉크의 벌크 전에 에지가 건조하는 것을 방지할 수 있고, 전도성 잉크의 벌크로부터의 기재에 도포된 것과 같은 전도성 잉크의 에지로의 밖으로의 현탁 환원된 그래핀 옥사이드 입자의 모세관 흐름을 방지할 수 있고, 기재에 도포된 전도성 잉크에 전체적으로 그래핀 옥사이드 입자의 균일한 분산 또는 실질적으로 균일한 분산에 의해 기재에서의 전도성 잉크의 평평한 코팅을 허용할 수 있다. 일부 실시형태에서, 기재에 도포된 잉크의 표면에 걸친 잉크의 느린 평평한 건조는 기재에 도포된 전도성 잉크의 고도로 균일한 코팅을 허용할 수 있어서, 기재에 도포된 전도성 잉크에 의해 제조된 최종 생성물의 전도율을 개선한다.
일부 실시형태에서, 폴리테트라하이드로푸란과 디에틸렌 글리콜 사이의 비는 약 8:1 내지 약 11:1이다. 일부 실시형태에서, 폴리테트라하이드로푸란과 디에틸렌 글리콜 사이의 비는 약 8:1 내지 약 8.5:1, 약 8:1 내지 약 9:1, 약 8:1 내지 약 9.5:1, 약 8:1 내지 약 10:1, 약 8:1 내지 약 10.5:1, 약 8:1 내지 약 11:1, 약 8.5:1 내지 약 9:1, 약 8.5:1 내지 약 9.5:1, 약 8.5:1 내지 약 10:1, 약 8.5:1 내지 약 10.5:1, 약 8.5:1 내지 약 11:1, 약 9:1 내지 약 9.5:1, 약 9:1 내지 약 10:1, 약 9:1 내지 약 10.5:1, 약 9:1 내지 약 11:1, 약 9.5:1 내지 약 10:1, 약 9.5:1 내지 약 10.5:1, 약 9.5:1 내지 약 11:1, 약 10:1 내지 약 10.5:1, 약 10:1 내지 약 11:1 또는 약 10.5:1 내지 약 11:1, 및 이들 내의 증분이다. 일부 실시형태에서, 폴리테트라하이드로푸란과 디에틸렌 글리콜 사이의 비는 약 8:1, 약 8.5:1, 약 9:1, 약 9.5:1, 약 10:1, 약 10.5:1 또는 약 11:1이다. 일부 실시형태에서, 폴리테트라하이드로푸란과 디에틸렌 글리콜 사이의 비는 적어도 약 8:1, 약 8.5:1, 약 9:1, 약 9.5:1, 약 10:1 또는 약 10.5:1이다. 일부 실시형태에서, 폴리테트라하이드로푸란과 디에틸렌 글리콜 사이의 비는 최대 약 8.5:1, 약 9:1, 약 9.5:1, 약 10:1, 약 10.5:1 또는 약 11:1이다.
일부 실시형태에서, 전도성 잉크는, 습윤시, 용매의 w/w 농도가 약 20% 내지 약 90%이다. 일부 실시형태에서, 전도성 잉크는, 습윤시, 용매의 w/w 농도가 약 20% 내지 약 30%, 약 20% 내지 약 40%, 약 20% 내지 약 50%, 약 20% 내지 약 60%, 약 20% 내지 약 70%, 약 20% 내지 약 80%, 약 20% 내지 약 90%, 약 30% 내지 약 40%, 약 30% 내지 약 50%, 약 30% 내지 약 60%, 약 30% 내지 약 70%, 약 30% 내지 약 80%, 약 30% 내지 약 90%, 약 40% 내지 약 50%, 약 40% 내지 약 60%, 약 40% 내지 약 70%, 약 40% 내지 약 80%, 약 40% 내지 약 90%, 약 50% 내지 약 60%, 약 50% 내지 약 70%, 약 50% 내지 약 80%, 약 50% 내지 약 90%, 약 60% 내지 약 70%, 약 60% 내지 약 80%, 약 60% 내지 약 90%, 약 70% 내지 약 80%, 약 70% 내지 약 90% 또는 약 80% 내지 약 90%, 및 이들 내의 증분이다. 일부 실시형태에서, 전도성 잉크는, 습윤시, 용매의 w/w 농도가 약 20%, 약 30%, 약 40%, 약 50%, 약 60%, 약 70%, 약 80% 또는 약 90%이다. 일부 실시형태에서, 전도성 잉크는, 습윤시, 용매의 w/w 농도가 적어도 약 20%, 약 30%, 약 40%, 약 50%, 약 60%, 약 70% 또는 약 80%이다. 일부 실시형태에서, 전도성 잉크는, 습윤시, 용매의 w/w 농도가 최대 약 30%, 약 40%, 약 50%, 약 60%, 약 70%, 약 80% 또는 약 90%이다. 본원에서의 용매의 특정 w/w 농도는 조율 가능한 점도 및 표면 장력을 유지하면서 잉크 내의 그래핀의 안정성을 예상치 못하게 개선한다.
일부 실시형태에서, 전도성 잉크(1000)는 전도성 첨가제(150)를 추가로 포함한다. 일부 실시형태에서, 전도성 첨가제(150)는 나노탄소를 포함한다. 일부 실시형태에서, 나노탄소는 탄소 나노입자, 탄소 나노점, 탄소 나노튜브, 그래핀 나노리본, 탄소 나노섬유, 나노흑연, 탄소 어니언, 탄소 나노콘, 또는 이들의 임의의 조합을 포함한다. 일부 실시형태에서, 본원에서의 전도성 첨가제(150)는 다양한 종류의 전자 부품을 형성하기 위해 다양한 수단을 통한 인쇄가 가능하게 하도록 이의 레올로지 특성을 유지하면서 본원에서의 잉크(2000)의 전도율을 개선한다. 일부 실시형태에서, 본원에서의 전도성 첨가제(150)는 마이크로 그라비어 인쇄에 대한 요건에 일치하도록 잉크의 전자 전도율을 개선하고 전체 점도를 낮춘다. 일부 실시형태에서, 탄소 나노입자는 카본 블랙을 포함한다.
일부 실시형태에서, 전도성 잉크는, 습윤시, 전도성 첨가제의 w/w 농도가 약 1% 내지 약 40%이다. 일부 실시형태에서, 전도성 잉크는, 습윤시, 전도성 첨가제의 w/w 농도가 약 1% 내지 약 5%, 약 1% 내지 약 10%, 약 1% 내지 약 15%, 약 1% 내지 약 20%, 약 1% 내지 약 25%, 약 1% 내지 약 30%, 약 1% 내지 약 35%, 약 1% 내지 약 40%, 약 5% 내지 약 10%, 약 5% 내지 약 15%, 약 5% 내지 약 20%, 약 5% 내지 약 25%, 약 5% 내지 약 30%, 약 5% 내지 약 35%, 약 5% 내지 약 40%, 약 10% 내지 약 15%, 약 10% 내지 약 20%, 약 10% 내지 약 25%, 약 10% 내지 약 30%, 약 10% 내지 약 35%, 약 10% 내지 약 40%, 약 15% 내지 약 20%, 약 15% 내지 약 25%, 약 15% 내지 약 30%, 약 15% 내지 약 35%, 약 15% 내지 약 40%, 약 20% 내지 약 25%, 약 20% 내지 약 30%, 약 20% 내지 약 35%, 약 20% 내지 약 40%, 약 25% 내지 약 30%, 약 25% 내지 약 35%, 약 25% 내지 약 40%, 약 30% 내지 약 35%, 약 30% 내지 약 40% 또는 약 35% 내지 약 40%, 및 이들 내의 증분이다. 일부 실시형태에서, 전도성 잉크는, 습윤시, 전도성 첨가제의 w/w 농도가 약 1%, 약 5%, 약 10%, 약 15%, 약 20%, 약 25%, 약 30%, 약 35% 또는 약 40%이다. 일부 실시형태에서, 전도성 잉크는, 습윤시, 전도성 첨가제의 w/w 농도가 적어도 약 1%, 약 5%, 약 10%, 약 15%, 약 20%, 약 25%, 약 30% 또는 약 35%이다. 일부 실시형태에서, 전도성 잉크는, 습윤시, 전도성 첨가제의 w/w 농도가 최대 약 5%, 약 10%, 약 15%, 약 20%, 약 25%, 약 30%, 약 35% 또는 약 40%이다.
전도성 잉크의 특징규명
본원에서의 전도성 잉크는 레벨 5B 접착(이상적인 접착)을 나타내고, 이는 예를 들어 폴리이미드, 유리, 알루미늄 및 폴리에틸렌 테레프탈레이트와 같은 다양한 종류의 기재에 대한 이의 사용이 가능하게 한다. 추가로, 많은 현재의 전도성 잉크에서의 성분이 분리하고 비분산성 덩어리를 형성하지만, 본원에서의 전도성 잉크는 1년이 넘는 반감기를 나타내고, 잉크의 성분이 용액에 남는다. 추가로, 본원에서의 전도성 잉크는 많은 현재의 전도성 잉크와 달리 큰 부피로 제조되고 공급될 수 있다. 추가적으로, 본원에서의 전도성 잉크가 임의의 온도에서 그리고 110℃보다 낮은 온도에서 10분 또는 그 미만만큼 낮은 경화 시간에 경화될 수 있으므로, 이것은 인쇄된 전도성 재료를 형성하는 효율 및 속도를 개선한다. 마지막으로, 본원에서의 전도성 잉크는 수용성이고 건조될 때 일관된 연속 코팅을 제조한다.
일부 실시형태에서, 전도성 잉크는 고체 함량이 약 5% 내지 약 80%이다. 일부 실시형태에서, 전도성 잉크는 고체 함량이 약 5% 내지 약 10%, 약 5% 내지 약 20%, 약 5% 내지 약 30%, 약 5% 내지 약 40%, 약 5% 내지 약 50%, 약 5% 내지 약 60%, 약 5% 내지 약 70%, 약 5% 내지 약 80%, 약 10% 내지 약 20%, 약 10% 내지 약 30%, 약 10% 내지 약 40%, 약 10% 내지 약 50%, 약 10% 내지 약 60%, 약 10% 내지 약 70%, 약 10% 내지 약 80%, 약 20% 내지 약 30%, 약 20% 내지 약 40%, 약 20% 내지 약 50%, 약 20% 내지 약 60%, 약 20% 내지 약 70%, 약 20% 내지 약 80%, 약 30% 내지 약 40%, 약 30% 내지 약 50%, 약 30% 내지 약 60%, 약 30% 내지 약 70%, 약 30% 내지 약 80%, 약 40% 내지 약 50%, 약 40% 내지 약 60%, 약 40% 내지 약 70%, 약 40% 내지 약 80%, 약 50% 내지 약 60%, 약 50% 내지 약 70%, 약 50% 내지 약 80%, 약 60% 내지 약 70%, 약 60% 내지 약 80% 또는 약 70% 내지 약 80%, 및 이들 내의 증분이다. 일부 실시형태에서, 전도성 잉크는 고체 함량이 약 5%, 약 10%, 약 20%, 약 30%, 약 40%, 약 50%, 약 60%, 약 70% 또는 약 80%이다. 일부 실시형태에서, 전도성 잉크는 고체 함량이 적어도 약 5%, 약 10%, 약 20%, 약 30%, 약 40%, 약 50%, 약 60% 또는 약 70%이다. 일부 실시형태에서, 전도성 잉크는 고체 함량이 최대 약 10%, 약 20%, 약 30%, 약 40%, 약 50%, 약 60%, 약 70% 또는 약 80%이다.
일부 실시형태에서, 기재 상에 분산된 전도성 잉크의 습윤 두께와 기재 상의 건조된 전도성 잉크의 건조 두께 사이의 비는 약 2:1 내지 약 6:1이다. 일부 실시형태에서, 기재 상에 분산된 전도성 잉크의 습윤 두께와 기재 상의 건조된 전도성 잉크의 건조 두께 사이의 비는 약 2:1 내지 약 2.5:1, 약 2:1 내지 약 3:1, 약 2:1 내지 약 3.5:1, 약 2:1 내지 약 4:1, 약 2:1 내지 약 4.5:1, 약 2:1 내지 약 5:1, 약 2:1 내지 약 5.5:1, 약 2:1 내지 약 6:1, 약 2.5:1 내지 약 3:1, 약 2.5:1 내지 약 3.5:1, 약 2.5:1 내지 약 4:1, 약 2.5:1 내지 약 4.5:1, 약 2.5:1 내지 약 5:1, 약 2.5:1 내지 약 5.5:1, 약 2.5:1 내지 약 6:1, 약 3:1 내지 약 3.5:1, 약 3:1 내지 약 4:1, 약 3:1 내지 약 4.5:1, 약 3:1 내지 약 5:1, 약 3:1 내지 약 5.5:1, 약 3:1 내지 약 6:1, 약 3.5:1 내지 약 4:1, 약 3.5:1 내지 약 4.5:1, 약 3.5:1 내지 약 5:1, 약 3.5:1 내지 약 5.5:1, 약 3.5:1 내지 약 6:1, 약 4:1 내지 약 4.5:1, 약 4:1 내지 약 5:1, 약 4:1 내지 약 5.5:1, 약 4:1 내지 약 6:1, 약 4.5:1 내지 약 5:1, 약 4.5:1 내지 약 5.5:1, 약 4.5:1 내지 약 6:1, 약 5:1 내지 약 5.5:1, 약 5:1 내지 약 6:1 또는 약 5.5:1 내지 약 6:1, 및 이들 내의 증분이다. 일부 실시형태에서, 기재 상에 분산된 전도성 잉크의 습윤 두께와 기재 상의 건조된 전도성 잉크의 건조 두께 사이의 비는 약 2:1, 약 2.5:1, 약 3:1, 약 3.5:1, 약 4:1, 약 4.5:1, 약 5:1, 약 5.5:1 또는 약 6:1이다. 일부 실시형태에서, 기재 상에 분산된 전도성 잉크의 습윤 두께와 기재 상의 건조된 전도성 잉크의 건조 두께 사이의 비는 적어도 약 2:1, 약 2.5:1, 약 3:1, 약 3.5:1, 약 4:1, 약 4.5:1, 약 5:1 또는 약 5.5:1이다. 일부 실시형태에서, 기재 상에 분산된 전도성 잉크의 습윤 두께와 기재 상의 건조된 전도성 잉크의 건조 두께 사이의 비는 최대 약 2.5:1, 약 3:1, 약 3.5:1, 약 4:1, 약 4.5:1, 약 5:1, 약 5.5:1 또는 약 6:1이다.
일부 실시형태에서, 전도성 잉크는 건조시 저항이 약 300 ohm/sq 내지 약 80,000 ohm/sq이다. 일부 실시형태에서, 전도성 잉크는 건조시 저항이 약 300 ohm/sq 내지 약 500 ohm/sq, 약 300 ohm/sq 내지 약 750 ohm/sq, 약 300 ohm/sq 내지 약 1,000 ohm/sq, 약 300 ohm/sq 내지 약 2,500 ohm/sq, 약 300 ohm/sq 내지 약 5,000 ohm/sq, 약 300 ohm/sq 내지 약 7,500 ohm/sq, 약 300 ohm/sq 내지 약 10,000 ohm/sq, 약 300 ohm/sq 내지 약 25,000 ohm/sq, 약 300 ohm/sq 내지 약 50,000 ohm/sq, 약 300 ohm/sq 내지 약 80,000 ohm/sq, 약 500 ohm/sq 내지 약 750 ohm/sq, 약 500 ohm/sq 내지 약 1,000 ohm/sq, 약 500 ohm/sq 내지 약 2,500 ohm/sq, 약 500 ohm/sq 내지 약 5,000 ohm/sq, 약 500 ohm/sq 내지 약 7,500 ohm/sq, 약 500 ohm/sq 내지 약 10,000 ohm/sq, 약 500 ohm/sq 내지 약 25,000 ohm/sq, 약 500 ohm/sq 내지 약 50,000 ohm/sq, 약 500 ohm/sq 내지 약 80,000 ohm/sq, 약 750 ohm/sq 내지 약 1,000 ohm/sq, 약 750 ohm/sq 내지 약 2,500 ohm/sq, 약 750 ohm/sq 내지 약 5,000 ohm/sq, 약 750 ohm/sq 내지 약 7,500 ohm/sq, 약 750 ohm/sq 내지 약 10,000 ohm/sq, 약 750 ohm/sq 내지 약 25,000 ohm/sq, 약 750 ohm/sq 내지 약 50,000 ohm/sq, 약 750 ohm/sq 내지 약 80,000 ohm/sq, 약 1,000 ohm/sq 내지 약 2,500 ohm/sq, 약 1,000 ohm/sq 내지 약 5,000 ohm/sq, 약 1,000 ohm/sq 내지 약 7,500 ohm/sq, 약 1,000 ohm/sq 내지 약 10,000 ohm/sq, 약 1,000 ohm/sq 내지 약 25,000 ohm/sq, 약 1,000 ohm/sq 내지 약 50,000 ohm/sq, 약 1,000 ohm/sq 내지 약 80,000 ohm/sq, 약 2,500 ohm/sq 내지 약 5,000 ohm/sq, 약 2,500 ohm/sq 내지 약 7,500 ohm/sq, 약 2,500 ohm/sq 내지 약 10,000 ohm/sq, 약 2,500 ohm/sq 내지 약 25,000 ohm/sq, 약 2,500 ohm/sq 내지 약 50,000 ohm/sq, 약 2,500 ohm/sq 내지 약 80,000 ohm/sq, 약 5,000 ohm/sq 내지 약 7,500 ohm/sq, 약 5,000 ohm/sq 내지 약 10,000 ohm/sq, 약 5,000 ohm/sq 내지 약 25,000 ohm/sq, 약 5,000 ohm/sq 내지 약 50,000 ohm/sq, 약 5,000 ohm/sq 내지 약 80,000 ohm/sq, 약 7,500 ohm/sq 내지 약 10,000 ohm/sq, 약 7,500 ohm/sq 내지 약 25,000 ohm/sq, 약 7,500 ohm/sq 내지 약 50,000 ohm/sq, 약 7,500 ohm/sq 내지 약 80,000 ohm/sq, 약 10,000 ohm/sq 내지 약 25,000 ohm/sq, 약 10,000 ohm/sq 내지 약 50,000 ohm/sq, 약 10,000 ohm/sq 내지 약 80,000 ohm/sq, 약 25,000 ohm/sq 내지 약 50,000 ohm/sq, 약 25,000 ohm/sq 내지 약 80,000 ohm/sq 또는 약 50,000 ohm/sq 내지 약 80,000 ohm/sq, 및 이들 내의 증분이다. 일부 실시형태에서, 전도성 잉크는 건조시 저항이 약 300 ohm/sq, 약 500 ohm/sq, 약 750 ohm/sq, 약 1,000 ohm/sq, 약 2,500 ohm/sq, 약 5,000 ohm/sq, 약 7,500 ohm/sq, 약 10,000 ohm/sq, 약 25,000 ohm/sq, 약 50,000 ohm/sq 또는 약 80,000 ohm/sq이다. 일부 실시형태에서, 전도성 잉크는 건조시 저항이 적어도 약 300 ohm/sq, 약 500 ohm/sq, 약 750 ohm/sq, 약 1,000 ohm/sq, 약 2,500 ohm/sq, 약 5,000 ohm/sq, 약 7,500 ohm/sq, 약 10,000 ohm/sq, 약 25,000 ohm/sq 또는 약 50,000 ohm/sq이다. 일부 실시형태에서, 전도성 잉크는 건조시 저항이 최대 약 500 ohm/sq, 약 750 ohm/sq, 약 1,000 ohm/sq, 약 2,500 ohm/sq, 약 5,000 ohm/sq, 약 7,500 ohm/sq, 약 10,000 ohm/sq, 약 25,000 ohm/sq, 약 50,000 ohm/sq 또는 약 80,000 ohm/sq이다.
일부 실시형태에서, 기재에 인쇄된 전도성 잉크는 약 400℃까지 열 안정하다. 일부 실시형태에서, 전도성 잉크는 건조되고 기재에 도포될 때 가요성이다. 일부 실시형태에서, 전도성 잉크의 가요성은 벤딩 시 기재에 도포될 때 전도성 잉크의 시트 저항을 측정하여서 측정된다. 일부 실시형태에서, 전도성 잉크의 시트 저항은 기재의 벤딩, 기재의 폴딩 또는 기재의 크리싱(creasing) 시 감소하지 않는다. 일부 실시형태에서, 전도성 잉크의 시트 저항은 기재의 벤딩, 기재의 폴딩 또는 기재의 크리싱 시 10% 미만, 9%, 8%, 7%, 6%, 5%, 4%, 3% 2%, 1%, 0.5%, 0.1% 또는 그 미만만큼 감소한다.
일부 실시형태에서, 전도성 잉크는 접착성이고 크래킹에 저항적이다. 전도성 잉크의 크래킹은 전도성 잉크의 표면의 코팅에 절개를 만듦으로써 그리고 전도성 잉크의 갈라진 표면에 접착 표면을 도포하여서 측정될 수 있다. 일부 실시형태에서, 전도성 잉크는 크래킹에 저항적이고, 전도성 잉크의 어느 것도 갈라진 표면에 대한 접착 표면의 도포 시 전도성 잉크의 갈라진 표면으로부터 제거되지 않는다. 일부 실시형태에서, 전도성 잉크는 크래킹에 저항적이고, 전도성 잉크의 10% 미만, 9%, 8%, 7%, 6%, 5%, 4%, 3% 2%, 1%, 0.5%, 0.1% 또는 그 미만은 갈라진 표면에 대한 접착 표면의 도포 시 전도성 잉크의 갈라진 표면으로부터 제거된다.
전도성 잉크를 형성하는 방법
전도성 잉크를 형성하는 방법으로서, 상기 방법은 그래핀; 결합제; 안정화제; 및 용매를 포함하는 용액을 혼합하는 단계; 용액을 제1 온도로 가열하는 단계; 보유 시간 동안 용액의 제1 온도를 유지하는 단계; 및 용액을 제2 온도로 가열하는 단계를 포함하는 방법.
일부 실시형태에서, 그래핀은 환원된 그래핀 옥사이드 또는 활성화된 환원된 그래핀 옥사이드를 포함한다. 일부 실시형태에서, 결합제는 폴리머 결합제이다. 일부 실시형태에서, 폴리머 결합제는 열가소성 공중합체이다. 일부 실시형태에서, 결합제는 폴리비닐피롤리돈, 에틸 메타크릴레이트, 부틸 메타크릴레이트, 또는 이들의 임의의 조합을 포함한다. 일부 실시형태에서, 안정화제는 폴리테트라하이드로푸란, 불소화된 트리에틸렌 글리콜 모노메틸 에테르, 왁스, 에틸 셀룰로스, 또는 이들의 임의의 조합을 포함한다. 일부 실시형태에서, 안정화제는 폴리테트라하이드로푸란 및 디에틸렌 글리콜을 포함한다. 일부 실시형태에서, 안정화제에서의 폴리테트라하이드로푸란과 디에틸렌 글리콜 사이의 비는 약 8:1 내지 약 11:1이다.
일부 실시형태에서, 용매는 프로필렌 글리콜 n-프로필 에테르, 2-에틸-1-헥산올, 디에틸렌 글리콜 모노부틸 에테르, 2-에틸-1-부탄올, 2-메틸-1-펜탄올, 프로필렌 글리콜 모노메틸 에테르 아세테이트, 헥사민, 사이클로헵틸아민, 이소아밀아민, 3-메톡시프로필아민, 파라클로로벤조트리플루오라이드, 에틸렌 글리콜, 이소프로판올, 에틸 아세테이트, 클로로포름, 디메틸포름아미드, n-메틸-2-피롤리돈, 테트라하이드로푸란 및 디클로로벤젠, 또는 이들의 임의의 조합을 포함한다.
일부 실시형태에서, 용액은 그래핀의 w/w 농도가 약 0.1% 내지 약 10%이다. 일부 실시형태에서, 용액은 결합제의 w/w 농도가 약 5% 내지 약 60%이다. 일부 실시형태에서, 용액은 안정화제의 w/w 농도가 약 1% 내지 약 80%이다. 일부 실시형태에서, 용액은 용매의 w/w 농도가 약 20% 내지 약 90%이다. 일부 실시형태에서, 용액은 고체 함량이 약 5% 내지 약 80%이다. 일부 실시형태에서, 용액은 약 1시간 내지 약 4시간의 시간 동안 혼합된다. 일부 실시형태에서, 제1 온도는 약 100℃ 내지 약 200℃이다. 일부 실시형태에서, 용액은 약 1℃/분 내지 약 10℃/분의 속도로 제1 온도로 가열된다. 일부 실시형태에서, 보유 시간은 약 2시간 내지 약 5시간이다. 일부 실시형태에서, 제2 온도는 약 800℃ 내지 1,000℃이다. 일부 실시형태에서, 용액은 약 1℃/분 내지 약 10℃/분의 속도로 제2 온도로 가열된다. 일부 실시형태에서, 전도성 잉크는 점도가 약 25 cP 내지 약 4,000 cP이다. 일부 실시형태에서, 전도성 잉크는 전단 속도가 약 100 s-1 내지 약 400 s-1이다. 일부 실시형태에서, 기재 상에 분산된 전도성 잉크의 습윤 두께와 기재 상의 건조된 전도성 잉크의 건조 두께 사이의 비는 약 21 내지 약 61이다. 일부 실시형태에서, 전도성 잉크는 건조시 저항이 약 300 ohm/sq 내지 약 80,000 ohm/sq이다. 일부 실시형태에서, 전도성 잉크는 입자 크기가 약 3 ㎛ 내지 약 40 ㎛이다.
일부 실시형태에서, 용액은 전도성 첨가제를 추가로 포함한다. 일부 실시형태에서, 전도성 첨가제는 나노탄소를 포함한다. 일부 실시형태에서, 나노탄소는 탄소 나노입자, 탄소 나노점, 탄소 나노튜브, 그래핀 나노리본, 탄소 나노섬유, 나노흑연, 탄소 어니언, 탄소 나노콘, 또는 이들의 임의의 조합을 포함한다. 일부 실시형태에서, 용액은 전도성 첨가제의 w/w 농도가 약 1% 내지 약 40%이다. 일부 실시형태에서, 용액은 그래핀을 추가로 포함한다. 일부 실시형태에서, 용액은 그래핀의 w/w 농도가 약 5% 내지 약 80%이다.
전도성 잉크를 인쇄하는 방법
본원에서의 전도성 잉크를 인쇄하는 방법이 본원에 제공된다. 일부 실시형태에서, 상기 방법은 기재 상에 본원에서의 전도성 잉크의 최대 2개의 층을 침적시키는 단계 및 기재 상의 잉크를 건조시키는 단계를 포함한다. 일부 실시형태에서, 상기 방법은 기재 상의 잉크를 어닐링하는 단계를 추가로 포함한다. 일부 실시형태에서, 상기 방법은 기재에 본원에서의 전도성 잉크의 최대 1개, 2개, 3개, 4개, 5개, 6개, 7개, 8개, 9개 또는 10개의 층을 침적시키는 단계를 포함한다.
일부 실시형태에서, 침적은 스크린 인쇄, 플렉소그래픽 인쇄, 슬롯-다이 인쇄, 나이프-오버 에지 코팅, 롤 대 롤 코팅, 스크린 인쇄, 그라비어 인쇄, 분무, 침지, 또는 이들의 임의의 조합에 의해 수행된다. 본원에서의 잉크의 점도 및 표면 장력은 넓은 종류의 전자 부품을 제조하기 위해 다양한 이러한 방법에 의한 이의 침적이 가능하게 한다. 추가로 본원에서의 잉크의 성분 및 레올로지 특성은 본원에 기재된 방법 중 임의의 하나 이상을 사용하여 내구적이고 열 안정하고 화학적으로 안정한 전기 부품의 형성이 가능하게 한다.
일부 실시형태에서, 전도성 잉크는 마이어 봉에 의해 기재에 인쇄된다. 마이어 봉은 표면에 제어되고 일관된 잉크 두께를 도포하기 위해 사용되는 와이어 커버 금속 막대이다. 하기에 대하여, 마이어 봉의 크기는 습윤 두께를 기술한다.
일부 실시형태에서, 본원에서의 전도성 잉크는 습윤 두께를 갖는 기재에 인쇄되고, 습윤 두께는 기재에 도포된 잉크의 최대 두께, 최소 두께 또는 평균 두께이다. 일부 실시형태에서, 기재는 운모, 유리, 실리콘, 유리, 금속, 플라스틱, 패브릭, 흑연 시트, 금, 또는 이들의 임의의 조합을 포함한다. 일부 실시형태에서, 플라스틱은 PET, HDPE, LDPE, PTFE, Kapton, 또는 이들의 임의의 조합을 포함한다. 일부 실시형태에서, 금속은 구리, 알루미늄, 스틸, 백금, 또는 이들의 임의의 조합을 포함한다. 일부 실시형태에서, 인쇄된 전도성 잉크는 저항이 약 300 ohm/sq 내지 약 80,000 ohm/sq이다. 일부 실시형태에서, 잉크는 약 150 ㎛ 내지 약 3,000 ㎛의 선폭으로 기재 상에 침적된다.
일부 실시형태에서, 잉크는 약 100℃ 내지 약 180℃의 온도에서 건조된다. 일부 실시형태에서, 잉크는 약 100℃ 내지 약 110℃, 약 100℃ 내지 약 120℃, 약 100℃ 내지 약 130℃, 약 100℃ 내지 약 140℃, 약 100℃ 내지 약 150℃, 약 100℃ 내지 약 160℃, 약 100℃ 내지 약 170℃, 약 100℃ 내지 약 180℃, 약 110℃ 내지 약 120℃, 약 110℃ 내지 약 130℃, 약 110℃ 내지 약 140℃, 약 110℃ 내지 약 150℃, 약 110℃ 내지 약 160℃, 약 110℃ 내지 약 170℃, 약 110℃ 내지 약 180℃, 약 120℃ 내지 약 130℃, 약 120℃ 내지 약 140℃, 약 120℃ 내지 약 150℃, 약 120℃ 내지 약 160℃, 약 120℃ 내지 약 170℃, 약 120℃ 내지 약 180℃, 약 130℃ 내지 약 140℃, 약 130℃ 내지 약 150℃, 약 130℃ 내지 약 160℃, 약 130℃ 내지 약 170℃, 약 130℃ 내지 약 180℃, 약 140℃ 내지 약 150℃, 약 140℃ 내지 약 160℃, 약 140℃ 내지 약 170℃, 약 140℃ 내지 약 180℃, 약 150℃ 내지 약 160℃, 약 150℃ 내지 약 170℃, 약 150℃ 내지 약 180℃, 약 160℃ 내지 약 170℃, 약 160℃ 내지 약 180℃ 또는 약 170℃ 내지 약 180℃, 및 이들 내의 증분의 온도에서 건조된다. 일부 실시형태에서, 잉크는 약 100℃, 약 110℃, 약 120℃, 약 130℃, 약 140℃, 약 150℃, 약 160℃, 약 170℃ 또는 약 180℃의 온도에서 건조된다. 일부 실시형태에서, 잉크는 적어도 약 100℃, 약 110℃, 약 120℃, 약 130℃, 약 140℃, 약 150℃, 약 160℃ 또는 약 170℃의 온도에서 건조된다. 일부 실시형태에서, 잉크는 최대 약 110℃, 약 120℃, 약 130℃, 약 140℃, 약 150℃, 약 160℃, 약 170℃ 또는 약 180℃의 온도에서 건조된다.
일부 실시형태에서, 잉크는 약 10분 내지 약 60분의 시간 동안 건조된다. 일부 실시형태에서, 잉크는 약 10분 내지 약 15분, 약 10분 내지 약 20분, 약 10분 내지 약 25분, 약 10분 내지 약 30분, 약 10분 내지 약 35분, 약 10분 내지 약 40분, 약 10분 내지 약 45분, 약 10분 내지 약 50분, 약 10분 내지 약 55분, 약 10분 내지 약 60분, 약 15분 내지 약 20분, 약 15분 내지 약 25분, 약 15분 내지 약 30분, 약 15분 내지 약 35분, 약 15분 내지 약 40분, 약 15분 내지 약 45분, 약 15분 내지 약 50분, 약 15분 내지 약 55분, 약 15분 내지 약 60분, 약 20분 내지 약 25분, 약 20분 내지 약 30분, 약 20분 내지 약 35분, 약 20분 내지 약 40분, 약 20분 내지 약 45분, 약 20분 내지 약 50분, 약 20분 내지 약 55분, 약 20분 내지 약 60분, 약 25분 내지 약 30분, 약 25분 내지 약 35분, 약 25분 내지 약 40분, 약 25분 내지 약 45분, 약 25분 내지 약 50분, 약 25분 내지 약 55분, 약 25분 내지 약 60분, 약 30분 내지 약 35분, 약 30분 내지 약 40분, 약 30분 내지 약 45분, 약 30분 내지 약 50분, 약 30분 내지 약 55분, 약 30분 내지 약 60분, 약 35분 내지 약 40분, 약 35분 내지 약 45분, 약 35분 내지 약 50분, 약 35분 내지 약 55분, 약 35분 내지 약 60분, 약 40분 내지 약 45분, 약 40분 내지 약 50분, 약 40분 내지 약 55분, 약 40분 내지 약 60분, 약 45분 내지 약 50분, 약 45분 내지 약 55분, 약 45분 내지 약 60분, 약 50분 내지 약 55분, 약 50분 내지 약 60분 또는 약 55분 내지 약 60분, 및 이들 내의 증분의 시간 동안 건조된다. 일부 실시형태에서, 잉크는 약 10분, 약 15분, 약 20분, 약 25분, 약 30분, 약 35분, 약 40분, 약 45분, 약 50분, 약 55분 또는 약 60분의 시간 동안 건조된다. 일부 실시형태에서, 잉크는 적어도 약 10분, 약 15분, 약 20분, 약 25분, 약 30분, 약 35분, 약 40분, 약 45분, 약 50분 또는 약 55분의 시간 동안 건조된다. 일부 실시형태에서, 잉크는 최대 약 15분, 약 20분, 약 25분, 약 30분, 약 35분, 약 40분, 약 45분, 약 50분, 약 55분 또는 약 60분의 시간 동안 건조된다.
일부 실시형태에서, 본원에 기재된 전도성 잉크는 오직 단일 통과로서 사용하여 인쇄되고, 전도성 잉크에 의해 코팅된 기재의 표면에 환원된 그래핀 옥사이드의 단일 층을 제조한다. 일부 실시형태에서, 단일 통과 인쇄는 전도성 잉크에 의해 코팅된 기재를 생성하고, 단일 통과 인쇄 공정으로부터 생긴 전도성 표면은 그래핀 시트의 적어도 약 90%가 단일 층으로 이루어짐; 약 0.25% 내지 약 5%의 그래핀 w/w 농도; 그래핀 시트가 산소 함량이 최대 약 6%임; 약 1,000 ohm/sq 내지 약 5,000 ohm/sq의 건조시 저항을 특징으로 하는 전도성 표면을 생성한다. 일부 실시형태에서, 단일 통과 인쇄는 전도성 잉크에 의해 코팅된 기재를 생성하고, 단일 통과 인쇄 공정으로부터 생긴 전도성 표면은 그래핀 시트가 단일 층으로 이루어짐; 약 0.25% 내지 약 5%의 그래핀 w/w 농도; 그래핀 시트가 산소 함량이 최대 약 6%임; 약 1,000 ohm/sq 내지 약 5,000 ohm/sq의 건조시 저항을 특징으로 하는 전도성 표면을 생성한다.
일부 실시형태에서, 전도성 잉크가 인쇄된 기재는 실리콘 웨이퍼, 유리, Kapton 테이프, 폴리아미드, PET, 운모, 실리콘 웨이퍼, ITO 유리, 폴리에틸렌 시트, Teflon, 아크릴, 중합체, 플라스틱, 흑연 시트, 금 코팅된 Kapton, 알루미늄, 구리, 금속, 집전 장치, 금속 집전 장치, 비금속 집전 장치, 종이를 포함하지만, 본 개시내용은 이들 재료로 제한되지 않고, 임의의 다른 적합한 재료를 포함할 수 있다.
환원된 그래핀 옥사이드
본원에서의 전도성 잉크를 형성하기 위해 사용된 환원된 그래핀 옥사이드(rGO)는 넓은 범위의 용매로부터 쉽게 분산되고 가공될 수 있고, 넓은 범위의 응용분야에 대해 조율 가능한 전자 특성 및 기계 특성을 갖는 전도성 잉크가 가능하게 한다.
도 20a는 예시적인 rGO 시트의 제1 주사 전자 현미경(SEM) 영상이다. 도 20b는 예시적인 rGO 시트의 제2 SEM 영상이다. 도 21a는 예시적인 rGO 시트의 제1 원자 힘 현미경(AFM) 영상이다. 도 21b는 예시적인 rGO 시트의 제2 AFM 영상이다.
일부 실시형태에서, rGO 시트는 주변 길이가 긴 수지상 형태이다. 일부 실시형태에서, rGO는 나노플레이트, 나노시트, 나노입자, 나노플레이크, 나노플레이트렛, 또는 이들의 임의의 조합을 포함하는 형태를 갖는다.
일부 실시형태에서, rGO는 rGO의 단일 층이다. 일부 실시형태에서, rGO 시트는 단일의 주름진 층을 갖는 플레이크이다. 일부 실시형태에서, 그래핀 나노시트의 기저 면에서의 큰 주름 및 릿지는 반 데르 발스 상호작용으로부터의 그래핀 시트의 붕괴 및 재적층을 방지한다.
일부 실시형태에서, rGO는 2개, 3개, 4개, 5개, 6개, 7개, 8개, 9개, 10개 또는 그 초과 층을 포함한다. 일부 실시형태에서, rGO는 중간층 기공을 사이에 형성하는 복수의 층을 포함한다. 일부 실시형태에서, 중간층 기공은 연속 네트워크를 형성한다. 일부 실시형태에서, 중간층 기공 중 하나 이상은 폐쇄된다. 일부 실시형태에서, 중간층 기공 중 하나 이상은 2개, 3개, 4개, 5개, 6개, 7개, 8개, 9개, 10개 또는 그 초과의 층에 의해 한정된다. 일부 실시형태에서, 층은 상호연결된다. 일부 실시형태에서, 층들 중 하나 이상은 물결 모양이다. 일부 실시형태에서, 층들 중 하나 이상은 주름을 갖는다. 일부 실시형태에서, 층들 중 하나 이상은 구김을 갖는다. 일부 실시형태에서, 복수의 층은 아코디언 유사 구조(accordion-like structure)를 형성한다. 일부 실시형태에서, 복수의 층은 발포체 유사 구조(foam-like structure)를 형성한다. 일부 실시형태에서, rGO에서의 복수의 층은 일반적으로 평행한다. 일부 실시형태에서, 층은 적층되지 않는다. 거기에 도시된 중간층 공간의 큰 크기는 이것으로 제조된 건조된 잉크 내에 높은 표면적 및 이온 혹산 속도가 가능하게 한다.
일부 실시형태에서, rGO 시트는 크기가 약 1 ㎛ 내지 약 5 ㎛의 범위이다. 일부 실시형태에서, rGO 시트는 약 0.5 ㎛의 중앙치로 크기가 약 0.1 ㎛ 내지 약 1 ㎛의 범위이다. 일부 실시형태에서, rGO 시트는 크기가 적어도 약 0.1 ㎛, 0.25 ㎛, 0.5 ㎛, 0.75 ㎛, 1 ㎛, 1.25 ㎛, 1.5 ㎛, 2 ㎛, 2.5 ㎛ 또는 약 3 ㎛, 및 이들 내의 증분이다. 일부 실시형태에서, rGO 시트는 크기가 최대 약 0.25 ㎛, 0.5 ㎛, 0.75 ㎛, 1 ㎛, 1.25 ㎛, 1.5 ㎛, 2 ㎛, 2.5 ㎛, 3 ㎛ 또는 3.5 ㎛, 및 이들 내의 증분이다. 일부 실시형태에서, rGO 시트의 크기는 평균치 입자 크기 또는 중앙치 입자 크기로서 측정된다. 일부 실시형태에서, rGO 시트의 크기는 길이, 폭 또는 대각선 길이로서 측정된다. 일부 실시형태에서, 크기(예를 들어, 길이, 폭 또는 대각선 길이)는 평균으로서 측정된다. 예를 들어, 평균 크기를 결정하도록 다수의 측정이 취해지고 평균이 될 수 있다.
일부 실시형태에서, rGO 시트는 최대 두께, 최소 두께 또는 평균 두께가 약 0.5 nm 내지 약 20 nm이다. 일부 실시형태에서, rGO 시트는 최대 두께, 최소 두께 또는 평균 두께가 약 0.5 nm 내지 약 0.75 nm, 약 0.5 nm 내지 약 1 nm, 약 0.5 nm 내지 약 1.25 nm, 약 0.5 nm 내지 약 1.5 nm, 약 0.5 nm 내지 약 1.75 nm, 약 0.5 nm 내지 약 2 nm, 약 0.5 nm 내지 약 3 nm, 약 0.5 nm 내지 약 4 nm, 약 0.5 nm 내지 약 5 nm, 약 0.5 nm 내지 약 10 nm, 약 0.5 nm 내지 약 20 nm, 약 0.75 nm 내지 약 1 nm, 약 0.75 nm 내지 약 1.25 nm, 약 0.75 nm 내지 약 1.5 nm, 약 0.75 nm 내지 약 1.75 nm, 약 0.75 nm 내지 약 2 nm, 약 0.75 nm 내지 약 3 nm, 약 0.75 nm 내지 약 4 nm, 약 0.75 nm 내지 약 5 nm, 약 0.75 nm 내지 약 10 nm, 약 0.75 nm 내지 약 20 nm, 약 1 nm 내지 약 1.25 nm, 약 1 nm 내지 약 1.5 nm, 약 1 nm 내지 약 1.75 nm, 약 1 nm 내지 약 2 nm, 약 1 nm 내지 약 3 nm, 약 1 nm 내지 약 4 nm, 약 1 nm 내지 약 5 nm, 약 1 nm 내지 약 10 nm, 약 1 nm 내지 약 20 nm, 약 1.25 nm 내지 약 1.5 nm, 약 1.25 nm 내지 약 1.75 nm, 약 1.25 nm 내지 약 2 nm, 약 1.25 nm 내지 약 3 nm, 약 1.25 nm 내지 약 4 nm, 약 1.25 nm 내지 약 5 nm, 약 1.25 nm 내지 약 10 nm, 약 1.25 nm 내지 약 20 nm, 약 1.5 nm 내지 약 1.75 nm, 약 1.5 nm 내지 약 2 nm, 약 1.5 nm 내지 약 3 nm, 약 1.5 nm 내지 약 4 nm, 약 1.5 nm 내지 약 5 nm, 약 1.5 nm 내지 약 10 nm, 약 1.5 nm 내지 약 20 nm, 약 1.75 nm 내지 약 2 nm, 약 1.75 nm 내지 약 3 nm, 약 1.75 nm 내지 약 4 nm, 약 1.75 nm 내지 약 5 nm, 약 1.75 nm 내지 약 10 nm, 약 1.75 nm 내지 약 20 nm, 약 2 nm 내지 약 3 nm, 약 2 nm 내지 약 4 nm, 약 2 nm 내지 약 5 nm, 약 2 nm 내지 약 10 nm, 약 2 nm 내지 약 20 nm, 약 3 nm 내지 약 4 nm, 약 3 nm 내지 약 5 nm, 약 3 nm 내지 약 10 nm, 약 3 nm 내지 약 20 nm, 약 4 nm 내지 약 5 nm, 약 4 nm 내지 약 10 nm, 약 4 nm 내지 약 20 nm, 약 5 nm 내지 약 10 nm, 약 5 nm 내지 약 20 nm 또는 약 10 nm 내지 약 20 nm, 및 이들 내의 증분이다. 일부 실시형태에서, rGO 시트는 최대 두께, 최소 두께 또는 평균 두께가 약 0.5 nm, 약 0.75 nm, 약 1 nm, 약 1.25 nm, 약 1.5 nm, 약 1.75 nm, 약 2 nm, 약 3 nm, 약 4 nm, 약 5 nm, 약 10 nm 또는 약 20 nm이다. 일부 실시형태에서, rGO 시트는 최대 두께, 최소 두께 또는 평균 두께가 최대 약 0.75 nm, 약 1 nm, 약 1.25 nm, 약 1.5 nm, 약 1.75 nm, 약 2 nm, 약 3 nm, 약 4 nm, 약 5 nm, 약 10 nm 또는 약 20 nm이다.
일부 실시형태에서, rGO 시트의 작은 높이는 이의 표면적을 크게 증가시키고 재적층을 최소화한다. 일부 실시형태에서, 본원에서의 rGO 시트의 산소 함유 작용기는 극성 용매에 의한 이의 잉크 형성을 가능하게 한다.
환원된 그래핀 옥사이드를 형성하는 방법
일부 실시형태에서, 그래핀은 환원된 그래핀 옥사이드(rGO) 또는 활성화된 환원된 그래핀 옥사이드(ArGO)를 포함한다. 일부 실시형태에서, rGO, ArGO 또는 둘 다는 열적으로 환원된다. 일부 실시형태에서, rGO, ArGO 또는 둘 다는 화학적으로 환원되지 않는다. 일부 실시형태에서, 열 환원은 rGO, ArGO 또는 둘 다의 산소 함량을 낮춘다.
일부 실시형태에서, 그래핀 옥사이드는 (a) 부식액 및 그래핀 옥사이드 용액을 포함하는 제1 용액을 가열하는 단계; (b) 제1 용액을 냉각시키는 단계; (c) 제1 용액을 여과하고 세척하는 단계; 및 (d) 제1 용액을 스프레이 건조하는 단계를 포함하는 방법에 의해 활성화된 그래핀 옥사이드(AGO)를 형성하도록 활성화된다. 그래핀 옥사이드 활성화는 개별 그래핀 옥사이드 시트 내에 평면내 결함부를 생성하기 위해 사용될 수 있다. 시트에서의 이 결함부의 수 및/또는 크기는 예를 들어 반응 온도 및/또는 부식액의 w/w 농도를 조절하여서 이 활성화 단계를 통해 조절될 수 있다. 스프레이 건조에 대한 대안적인 기전, 예를 들어 공기 건조, 가열, 동결 건조 및 진공 건조는 그래핀 옥사이드 시트를 얻기 위해서 제1 용액을 건조시키기 위해 사용될 수 있다.
일부 실시형태에서, 제1 용액은 그래핀 옥사이드의 w/w 농도가 약 1 mg/ml 내지 약 20 mg/ml이다. 일부 실시형태에서, 제1 용액은 그래핀 옥사이드의 w/w 농도가 적어도 약 1 mg/ml, 2 mg/ml, 3 mg/ml, 4 mg/ml, 6 mg/ml, 8 mg/ml, 10 mg/ml, 12 mg/ml, 14 mg/ml, 16 mg/ml, 18 mg/ml 또는 그 초과, 및 이들 내의 증분이다. 일부 실시형태에서, 제1 용액은 그래핀 옥사이드의 w/w 농도가 최대 약 2 mg/ml, 3 mg/ml, 4 mg/ml, 6 mg/ml, 8 mg/ml, 10 mg/ml, 12 mg/ml, 14 mg/ml, 16 mg/ml, 18 mg/ml, 20 mg/ml 또는 그 초과, 및 이들 내의 증분이다. 일부 실시형태에서, 제1 용액은 부식액의 부피 기준 w/w 농도가 약 60% 내지 약 98%이다. 일부 실시형태에서, 제1 용액은 부식액의 부피 기준 w/w 농도가 적어도 약 60%, 65%, 70%, 75%, 80%, 85%, 90%, 95% 또는 그 초과, 및 이들 내의 증분이다. 일부 실시형태에서, 제1 용액은 부식액의 부피 기준 w/w 농도가 최대 약 65%, 70%, 75%, 80%, 85%, 90%, 95%, 98% 또는 그 초과, 및 이들 내의 증분이다. 일부 실시형태에서, 제1 용액에서의 부식액의 부피 기준 w/w 농도는 그래핀 시트의 결함부의 크기 및/또는 밀도를 기술한다. 일부 실시형태에서, 그래핀 옥사이드의 w/w 농도, 부식액 또는 둘 다는 AGO의 산소 함량에 영향을 미친다.
일부 실시형태에서, 제1 용액은 약 60℃ 내지 약 120℃의 온도로 가열된다. 일부 실시형태에서, 제1 용액은 적어도 약 60℃, 70℃, 80℃, 90℃, 100℃, 110℃ 또는 그 초과, 및 이들 내의 증분의 온도로 가열된다. 일부 실시형태에서, 제1 용액은 최대 약 70℃, 80℃, 90℃, 100℃, 110℃, 120℃ 또는 그 초과, 및 이들 내의 증분의 온도로 가열된다. 일부 실시형태에서, 제1 용액은 가열 단계 후 냉각된다. 일부 실시형태에서, 제1 용액은 약 70℃ 내지 약 90℃의 온도로 냉각된다. 일부 실시형태에서, 제1 용액은 적어도 약 70℃, 75℃, 80℃, 85℃ 또는 그 초과, 및 이들 내의 증분의 온도로 냉각된다. 일부 실시형태에서, 제1 용액은 최대 약 75℃, 80℃, 85℃, 90℃ 또는 그 초과, 및 이들 내의 증분의 온도로 냉각된다. 일부 실시형태에서, 가열 온도 및/또는 냉각 온도는 물 함량 및 이에 따라 AGO의 산소 함량에 영향을 미친다.
일부 실시형태에서, 제1 용액을 여과하는 단계는 메시 크기가 약 0.5 ㎛ 내지 약 3 ㎛인 필터에 의해 수행된다. 일부 실시형태에서, 제1 용액을 여과하는 단계는 메시 크기가 적어도 약 0.5 ㎛, 1 ㎛, 1.5 ㎛, 2 ㎛, 2.5 ㎛ 또는 그 초과, 및 이들 내의 증분인 필터에 의해 수행된다. 일부 실시형태에서, 제1 용액을 여과하는 단계는 메시 크기가 최대 약 1 ㎛, 1.5 ㎛, 2 ㎛, 2.5 ㎛, 3 ㎛ 또는 그 초과, 및 이들 내의 증분인 필터에 의해 수행된다. 일부 실시형태에서, 필터는 2개 이상의 여과 층을 포함한다. 일부 실시형태에서, 필터는 적어도 1개, 2개, 3개, 4개, 5개, 6개, 7개, 8개, 9개 또는 10개의 필터 층을 포함한다. 일부 실시형태에서, 적어도 1개의 메시 필터 층은 금속이다. 일부 실시형태에서, 필터는 진공 필터를 포함한다. 일부 실시형태에서, 진공 필터는 제1 용액 및 세척 액체 중 적어도 하나를 필터에 분배하도록 배치된 적어도 하나의 스프레이 막대 어셈블리를 포함한다. 일부 실시형태에서, 진공 필터는 여과를 증대시키기 위해 필터에 음압을 인가하도록 구성된 진공원을 포함한다. 일부 실시형태에서, 진공 필터는 제1 용액의 pH를 측정하기 위한 pH 센서를 포함한다. 일부 실시형태에서, 여과되고 세척된 제1 용액은 pH가 약 1 내지 약 5이다. 일부 실시형태에서, 여과되고 세척된 제1 용액은 pH가 적어도 약 1, 1.5, 2, 2.5, 3, 3.5, 4, 4.5 또는 그 초과, 및 이들 내의 증분이다. 일부 실시형태에서, 여과되고 세척된 제1 용액은 pH가 최대 약 1.5, 2, 2.5, 3, 3.5, 4, 4.5, 5 또는 그 초과, 및 이들 내의 증분이다. 일부 실시형태에서, 제1 용액의 pH, 여과 방법 또는 둘 다는 그래핀 시트의 결함부의 크기 및/또는 밀도를 기술한다.
일부 실시형태에서, 스프레이 건조는 스프레이 건조 노즐을 통해 제1 용액을 통과시켜서 수행된다. 일부 실시형태에서, 스프레이 건조 노즐은 초음파 노즐이고, 제1 용액은 제1 용액에서의 음속보다 높은 속도에서 이를 통과한다. 일부 실시형태에서, 스프레이 건조 노즐은 아음속 노즐이고, 제1 용액은 제1 용액에서의 음속보다 낮은 속도에서 이를 통과한다. 일부 실시형태에서, 스프레이 건조 노즐은 제1 용액을 분무하는 플레인 오리피스 노즐(plain-orifice nozzle)이다. 일부 실시형태에서, 스프레이 건조 노즐은 제1 용액의 입자 크기를 감소시키기 위한 압력-스월 스프레이를 갖는다. 일부 실시형태에서, 스프레이 건조 노즐은 단일 효과 노즐이다. 일부 실시형태에서, 스프레이 건조 노즐은 다중 효과 노즐이다. 일부 실시형태에서, 스프레이 건조 노즐은 분무기를 포함한다.
일부 실시형태에서, 스프레이 건조는 약 1 ml/hr 내지 약 6,000 ml/hr의 유속에서 수행된다. 일부 실시형태에서, 스프레이 건조는 적어도 약 1 ml/hr, 5 ml/hr, 10 ml/hr, 50 ml/hr, 100 ml/hr, 500 ml/hr, 1,000 ml/hr, 2,000 ml/hr, 4,000 ml/hr 또는 그 초과, 및 이들 내의 증분의 유속에서 수행된다. 일부 실시형태에서, 스프레이 건조는 최대 약 5 ml/hr, 10 ml/hr, 50 ml/hr, 100 ml/hr, 500 ml/hr, 1,000 ml/hr, 2,000 ml/hr, 4,000 ml/hr, 6,000 ml/hr 또는 그 초과, 및 이들 내의 증분의 유속에서 수행된다. 일부 실시형태에서, 스프레이 건조는 약 10 psi 내지 약 50 psi의 압력에서 수행된다. 일부 실시형태에서, 스프레이 건조는 적어도 약 10 psi, 15 psi, 20 psi, 25 psi, 30 psi, 35 psi, 40 psi, 45 psi 또는 그 초과, 및 이들 내의 증분의 압력에서 수행된다. 일부 실시형태에서, 스프레이 건조는 최대 약 15 psi, 20 psi, 25 psi, 30 psi, 35 psi, 40 psi, 45 psi, 50 psi 또는 그 초과, 및 이들 내의 증분의 압력에서 수행된다. 일부 실시형태에서, 스프레이 건조는 약 120℃ 내지 약 200℃의 입구 온도에 의해 수행된다. 일부 실시형태에서, 스프레이 건조는 적어도 약 120℃, 130℃, 140℃, 150℃, 160℃, 170℃, 180℃, 190℃ 또는 그 초과, 및 이들 내의 증분의 입구 온도에 의해 수행된다. 일부 실시형태에서, 스프레이 건조는 최대 약 130℃, 140℃, 150℃, 160℃, 170℃, 180℃, 190℃, 200℃ 또는 그 초과, 및 이들 내의 증분의 입구 온도에 의해 수행된다. 일부 실시형태에서, 스프레이 건조의 출구 온도는 약 30℃ 내지 약 80℃이다. 일부 실시형태에서, 스프레이 건조의 출구 온도는 적어도 약 30℃, 40℃, 50℃, 60℃, 70℃ 또는 그 초과, 및 이들 내의 증분이다. 일부 실시형태에서, 스프레이 건조의 출구 온도는 최대 약 40℃, 50℃, 60℃, 70℃, 80℃ 또는 그 초과, 및 이들 내의 증분이다.
일부 실시형태에서, 제1 용액을 가열하는 단계는 제1 용액을 교반하는 것을 포함한다. 일부 실시형태에서, 어닐링은 공기, 질소, 아르곤, 또는 이들의 임의의 조합에서 수행된다. 일부 실시형태에서, 제1 용액은 제1 용액에 얼음을 첨가하여서 냉각된다. 일부 실시형태에서, 부식액은 과산화수소, 브로민, 요오드, 과망간칼륨, 염소산칼륨, 이염소산칼륨, 산화망간, 염화철(iii), 과산화나트륨, 과황산칼륨, 차아염소산, 또는 이들의 임의의 조합을 포함한다.
그래핀이 용매 매질에 분산하기 어려울 수 있지만, 본원에서의 AGO의 산소 함유 작용기는 극성 용매에서 이의 분산이 가능하게 한다. 일부 실시형태에서, 본원에서의 AGO는 계면활성제를 첨가하여서 그리고 예를 들어 전단 혼합, 초음파 교반, 볼 밀링, 또는 이들의 임의의 조합과 같은 기계적 힘을 적용하여서 유기 용매 또는 수성 용매(예를 들어, n-메틸-2-피롤리돈(NMP), 디메틸포름아미드(DMF), 테트라하이드로푸란(THF), 클로로포름 및 디클로로벤젠)에 분산된다.
일부 실시형태에서, 그래핀 옥사이드는 rGO를 형성하도록 환원된다. 일부 실시형태에서, 활성화된 그래핀 옥사이드는 ArGO를 형성하도록 환원된다. 예를 들어, 활성화 단계로부터 형성된 활성화된 그래핀 옥사이드는 ArGO를 얻기 위해 화학 환원 단계로 처리될 수 있다.
일부 실시형태에서, rGO를 형성하기 위한 화학 환원은 AGO, 강염기 및 환원제를 포함하는 제2 용액을 제2 용액으로 가열하는 것 및 선택적으로 환원제 및 제2 용액을 여과하고 세척하는 것을 포함한다. 일부 실시형태에서, 강염기는 수산화나트륨, 수산화암모늄, 수산화칼륨, 우레아, 멜라민, 탄산나트륨, 또는 이들의 임의의 조합을 포함한다. 일부 실시형태에서, 환원제는 아스코르브산, 하이드라진, 수소화붕소나트륨, 피로갈롤, 수소화알루미늄리튬, 암모니아 보란, 이산화티오요소, 요오드화수소산, 브로민화수소, 에탄티올-염화알루미늄, 라웨슨 시약(Lawesson's reagent), 아황산나트륨, 디티온산나트륨, 알루미늄, 철, 아연, 마그네슘, 또는 이들의 임의의 조합을 포함한다.
일부 실시형태에서, AGO를 환원시키는 것은 스프레이 건조된 제1 용액을 어닐링하는 것을 포함한다. 일부 실시형태에서, 어닐링은 플레임 토치, 가열 스트립, 가열 코일, 또는 이들의 임의의 조합에 의해 수행된다. 일부 실시형태에서, 어닐링은 공기, 질소, 아르곤, 또는 이들의 임의의 조합에서 수행된다. 일부 실시형태에서, 어닐링은 약 3,000℃, 2,500℃, 2,000℃ 미만, 및 이들 내의 증분의 온도에서 수행된다. 일부 실시형태에서, AGO를 환원시키는 것은 스프레이 건조된 제1 용액을 어닐링하는 것을 포함하지 않는다.　일부 실시형태에서, 어닐링은 약 100℃ 내지 약 1,500℃의 온도에서 수행된다. 일부 실시형태에서, 어닐링은 적어도 약 100℃, 110℃, 150℃, 250℃, 500℃, 750℃, 1,000℃ 또는 1,250℃, 및 이들 내의 증분의 온도에서 수행된다. 일부 실시형태에서, 어닐링은 최대 약 250℃, 500℃, 750℃, 1,000℃ 또는 1,250℃ 또는 1,500℃, 및 이들 내의 증분의 온도에서 수행된다. 일부 실시형태에서, 어닐링은 약 1분 내지 약 1,500분의 시간 동안 발생한다. 일부 실시형태에서, 어닐링 온도, 수단, 시간, 또는 이들의 임의의 조합은 AGO의 점화, 폭발 및 팽창 및 이에 따른 형태에 영향을 미친다. 일부 실시형태에서, AGO를 환원시키는 것은 초기 열 팽창, 이어서 어닐링을 포함한다. 어닐링 단계는 표면적 및 전도율과 같은 AGO의 특성을 개선할 수 있다. 일부 실시형태에서, 활성화된 그래핀 옥사이드를 어닐링하는 것은 거기서의 산소 작용기를 제거한다. 일부 실시형태에서, 활성화된 그래핀 옥사이드를 어닐링하는 것은 거기서의 산소 작용기를 약 25% 내지 약 75%만큼 제거한다. 일부 실시형태에서, 활성화된 그래핀 옥사이드로부터 산소 작용기를 제거하는 것은 이의 전도율을 증가시킨다. 일부 실시형태에서, 활성화된 그래핀 옥사이드로부터 산소 작용기를 제거하는 것은 이의 전도율을 약 75% 내지 약 125%만큼 증가시킨다. 일부 실시형태에서, 활성화된 그래핀 옥사이드를 어닐링하는 것은 이의 표면적을 증가시킨다. 일부 실시형태에서, 활성화된 그래핀 옥사이드를 어닐링하는 것은 이의 표면적을 약 75% 내지 약 125%만큼 증가시킨다. 하나의 예에서, 활성화된 그래핀 옥사이드를 어닐링하는 것은 이의 표면적을 약 350 ㎡/g으로부터 700 ㎡/g으로 증가시키고, 이의 산소 함량을 약 30%로부터 약 16%로 감소시키고, 이는 이의 전도율을 약 50 S/m으로부터 약 100 S/m으로 증가시킨다.
일부 실시형태에서, 건조는 약 3분 내지 약 60분의 시간 동안 발생한다. 일부 실시형태에서, 건조는 적어도 약 3분, 5분, 10분, 20분, 30분, 40분, 50분 또는 그 초과, 및 이들 내의 증분의 시간 동안 발생한다. 일부 실시형태에서, 건조는 최대 약 5분, 10분, 20분, 30분, 40분, 50분, 60분 또는 그 초과, 및 이들 내의 증분의 시간 동안 발생한다. 일부 실시형태에서, 제2 용액은 약 60℃ 내지 약 120℃의 온도로 가열된다. 일부 실시형태에서, 제2 용액은 적어도 약 60℃, 70℃, 80℃, 90℃, 100℃, 110℃ 또는 그 초과, 및 이들 내의 증분의 온도로 가열된다. 일부 실시형태에서, 제2 용액은 최대 약 70℃, 80℃, 90℃, 100℃, 110℃, 120℃ 또는 그 초과, 및 이들 내의 증분의 온도로 가열된다. 일부 실시형태에서, 제2 용액을 여과하고 세척하는 것은 약 0.5시간 및 10시간의 제2 용액에 대한 환원제의 첨가 후 시간 기간 내에 발생한다. 일부 실시형태에서, 제2 용액을 여과하고 세척하는 것은 제2 용액이 pH가 약 8 내지 약 11일 때 발생한다.
일부 실시형태에서, AGO를 환원시키는 것은 제1 ARGO를 형성하기 위한 상기에 기재된 것과 같은 열 환원 및 제2 ARGO를 형성하기 위한 제1 ARGO의 마이크로파처리의 방법을 포함한다. 일부 실시형태에서, 제2 ARGO는 제1 ARGO와 비교하여 감소된 산소 함량을 갖는다. 일부 실시형태에서, 마이크로파처리는 약 10초 내지 약 60초의 시간 기간에 걸쳐 발생한다. 일부 실시형태에서, 마이크로파처리는 약 500 W 내지 약 2,000 W의 전력에서 발생한다. 일부 실시형태에서, 마이크로파처리는 적어도 약 500 W, 750 W, 1,000 W, 1,250 W, 1,500 W, 1,750 W 또는 그 초과, 및 이들 내의 증분의 전력에서 발생한다. 일부 실시형태에서, 마이크로파처리 시간, 전력량 또는 둘 다는 AGO의 점화, 폭발 및 팽창 및 이에 따른 형태에 영향을 미친다.
인쇄된 전도성 잉크의 특징규명
도 14a 및 도 14b는 마이어 봉에 의해 실리콘 웨이퍼에 인쇄된 예시적인 전도성 잉크 스크린의 사진을 보여준다. 일부 실시형태에서, 도시된 것처럼, 두께가 150 ㎛, 300 ㎛, 500 ㎛, 1,000 ㎛, 2,000 ㎛ 및 3,000 ㎛인 잉크 트레이스는 갭 또는 분리 없이 1회 통과로 인쇄될 수 있다. 도시된 것처럼, 잉크 트레이스는 길이가 약 4 cm이다. 현재의 전도성 잉크는 덜 분산 가능하고 인쇄기를 막고 비일관되게 건조하는 응집체를 형성하지만, 본원에서의 전도성 잉크는 작은 규모에서도 전도성 트레이스 및 다른 형상의 일관된 인쇄가 가능하게 한다.
도 15a는 도 14b의 트레이스의 광학 프로필로메트리 영상이다. 도 15b는 도 15a의 광학 프로필로메트리 영상의 3차원 렌더링이다. 거기에 도시된 것처럼, 예시적인 전도성 잉크에 의해 인쇄된 트레이스는 고도로 균일한 횡단 프로파일을 갖는 직선의 투명한 에지를 갖는다. 도 16a 및 도 16b는 각각 도 15a 및 도 15b의 트레이스의 제1 축 및 트레이스의 제2 축을 따른 광학 프로필로메트리 영상의 높이의 그래프이다. 도 15a-도 16b에서의 데이터로부터, 다음의 조도 측정이 계산될 수 있다:
Figure pct00002
도 16a는 조도 평균(Sa)(1601), 최대 높이(Sp)(1602), 최대 밸리 깊이(Sv)(1603) 및 최대 피크 높이(Sz)(1604)에 대한 예시적인 측정을 보여준다. 기재에 세트 길이(l)에 걸쳐 T의 두께(x)로 인쇄된 전도성 잉크에 대해, 조도 변수는 하기로서 계산된다:
일부 실시형태에서, 인쇄된 예시적인 전도성 잉크는 첨도가 약 3.5 내지 약 5이다. 첨도는 조도 프로파일의 선예도의 측정치이고, 3의 첨도는 정규 분포 곡선에 동등한 조도 프로파일을 나타내고, 큰 첨도 값은 더 큰 선예도와 상관된다. 일부 실시형태에서, 침적은 코트 스크린 인쇄에 의해 수행되고, 건조된 잉크의 조도는 약 0.02 내지 약 0.15이다. 일부 실시형태에서, 침적은 코트 스크린 인쇄에 의해 수행되고, 건조된 잉크의 첨도는 약 2 내지 약 8이다. 일부 실시형태에서, 침적은 코트 스크린 인쇄에 의해 수행되고, 건조된 잉크의 텍스처 종횡비는 약 0.25° 내지 약 1.5°이다.
텍스처 종횡비는 주요 표면 패턴 또는 레이의 등방성 또는 균일성의 측정치이다. 텍스처 종횡비는 또한 달리 평평한 텍스처의 방향성을 나타낸다. 고도로 패턴화된 텍스처를 갖는 표면은 텍스처 종횡비가 0이고, 고도로 등반성인 표면은 텍스처 종횡비가 1이다.
자기 상관 길이(Sal)는 주요 표면 패턴 또는 레이의 파장에 상응한다. 예를 들어, 자기 상관 길이(Sal)가 높은 표면은 낮은 주파수 및 긴 파장을 갖는 주요 표면 패턴 또는 레이를 갖고, 자기 상관 길이(Sal)가 낮은 표면은 높은 주파수 및 짧은 파장을 갖는 주요 표면 패턴 또는 레이를 갖는다.
도 17은 예시적인 전도성 잉크에 의해 형성된 트레이스의 전도율 대 폭의 그래프이다. 도시된 것처럼, 폭이 300 ㎛ 내지 3,000 ㎛인 트레이스는 약 2,000 S의 높은 전도율을 나타내고, 적어도 150 ㎛의 트레이스 폭은 성공적으로 인쇄될 수 있다.
도 18a는 예시적인 전도성 잉크에 의해 형성된 트레이스의 건조 두께 대 시트 저항의 그래프이다. 도 18b는 예시적인 전도성 잉크에 의해 형성된 트레이스의 습윤 두께 대 건조 두께의 그래프이다.
도 19a는 예시적인 전도성 잉크에 의해 형성된 예시적인 트레이스의 파장 투과율의 그래프이다. 도 19b는 예시적인 전도성 잉크의 파장 투과율의 그래프이다. 거기에 보이는 것처럼 액체 잉크 및 인쇄된 트레이스를 통한 투과율은 대략 0이고, 최대 투과율은 각각 액체 잉크 및 인쇄된 트레이스를 통해 0.0092% 및 0.0177%이다. 일부 실시형태에서, 본원에서의 전도성 잉크는 최대 투과율이 약 0.004% 내지 약 0.015%이다. 일부 실시형태에서, 본원에서의 전도성 잉크는 최대 투과율이 적어도 약 0.004%이다. 일부 실시형태에서, 본원에서의 전도성 잉크는, 인쇄되고 건조될 때, 최대 투과율이 약 0.01% 내지 약 0.03%이다. 일부 실시형태에서, 본원에서의 전도성 잉크는, 인쇄되고 건조될 때, 최대 투과율이 적어도 약 0.01%이다.
용어 및 정의
달리 정의되지 않는 한, 본원에 사용된 모든 기술 용어는 본 개시내용이 속하는 분야의 당업자에 의해 흔히 이해되는 것과 동일한 의미를 갖는다.
본원에 사용된 것과 같이, "단일 층 그래핀"의 용어는 다층 그래핀으로 응집되지 않은 그래핀의 단일 시트로 이루어지는 그래핀 또는 환원된 그래핀 옥사이드를 지칭한다. 그래핀의 단일 시트는 2차원 구조화된 시트가 다층 또는 흑연 유사 구조로 적층되지 않도록 서로 분리되지만, (예를 들어, 3차원 망상구조를 형성하는 상호연결된) 부분적인 물리적 접촉을 여전히 가질 수 있다. 예를 들어, 단일 층 그래핀은 본원에 개시된 방법에 따라 흑연으로부터 고효율 박리에 의해 형성될 수 있다.
본원에 사용된 것과 같이, 단수 형태("a", "an" 및 "the")는 문맥이 명확히 달리 기술하지 않는 한 복수 지시어를 포함한다. 본원에서의 "또는"의 임의의 지칭은 달리 기술되지 않는 한 "및/또는"을 포함하도록 의도된다.
본원에 사용된 것과 같이, 일부 경우에 "약"의 용어는 대략 기술된 양인 양을 지칭한다.
본원에 사용된 것과 같이, "약"의 용어는 10%, 5% 또는 1%, 및 이들 내의 증분만큼 기술된 양 근처의 양을 지칭할 수 있다. 구체적으로 달리 기술되지 않는 한, "약"의 용어는 10%만큼 기술된 백분율보다 높거나 낮은 양을 지칭한다.
본원에 사용된 것과 같이, 백분율의 지칭에서 "약"의 용어는 10%, 5% 또는 1%, 및 이들 내의 증분만큼 기술된 백분율보다 높거나 낮은 양을 지칭할 수 있다. 구체적으로 달리 기술되지 않는 한, 백분율의 지칭에서 "약"의 용어는 10%만큼 기술된 백분율보다 높거나 낮은 양을 지칭한다.
본원에 사용된 것과 같이, "적어도 하나", "하나 이상" 및 "및/또는"의 구절은 사용 중 접속적 및 이접적 둘 다인 개방 말단 표현이다. 예를 들어, "A, B 및 C 중 적어도 하나", "A, B 또는 C 중 적어도 하나", "A, B 및 C 중 하나 이상", "A, B 또는 C 중 하나 이상" 및 "A, B 및/또는 C"의 각각의 표현은 A 단독, B 단독, C 단독, 및 A와 B를 함께, A와 C를 함께, B와 C를 함께 또는 A, B와 C를 함께를 의미한다.
본원에 사용된 것과 같이, "고체 함량"의 용어는 휘발성 용매가 기화된 건조된 후 남은 분산체 또는 잉크의 백분율을 지칭한다.
실시예
하기의 예시적인 실시예는 본원에 기재된 조성물 및 방법의 실시형태를 나타내고, 어떠한 방식으로든 제한인 것으로 의도되지 않는다. 하기 6에 대하여 예시적인 잉크는 본원에 제공된다.
실시예 1 - 제1 전도성 잉크
도 2a 및 도 2b는 예시적인 제1 전도성 잉크의 광학 현미경 영상이다. 제1 전도성 잉크는 거기에 도시된 것처럼 매우 안정하고 기재를 평평하게 코팅하여 구멍 또는 수축이 없는 부드러운 표면을 형성한다. 추가로 도시된 것처럼, 2D 그래핀 시트와 0차원 탄소 나노입자 사이의 상호작용은 훌륭한 전자 전도율 및 감소된 저항을 갖는 심리스 탄소 망상구조를 제조한다.
도 3a는 예시적인 제1 전도성 잉크의 입자 크기 분포이다. 도 3b는 헤그만 게이지에서 예시적인 제1 전도성 잉크의 영상이다. 예시적인 제1 전도성 잉크는 도시된 것처럼 약 9 ㎛의 평균치 및 약 26 ㎛의 최대치를 갖는 단봉 입자 크기 분포를 갖고, 입자의 90%는 크기가 약 13.5 ㎛ 미만이다.
도 4a는 기재에 코팅된 예시적인 제1 전도성 잉크의 X선 회절 그래프이다. 거기에서 각각 7.5 및 4.5° 옹스트롬의 d 값에 상응하는 12.3° 및 19.4°의 2 쎄타에서의 2개의 넓은 특징적인 피크는 결합제의 XRD 차트와 일치한다. 도 4b는 기재에 인쇄된 예시적인 제1 전도성 잉크의 라만 분광학 그래프이고, 각각 1346 cm-1 및 1603 cm-1에서의 D 밴드 및 G 밴드는 rGO에 특징적이다.
도 5는 예시적인 제1 전도성 잉크의 전단 속도 대 점도 그래프이다. 도시된 것처럼, 제1 전도성 잉크의 점도는 전단 혼합 시간을 조정하여서 조율될 수 있고, 더 긴 전단 시간은 점도를 감소시킨다.
도 6a 및 도 6b는 예시적인 제1 전도성 잉크의 열 분석의 그래프이다. 열 분석에서 액체 형태의 본원에서의 제1 전도성 잉크는 약 3℃/분의 속도로 약 140℃로 가열되고, 약 3시간 동안 약 140℃에서 유지되고, 약 3℃/분의 속도로 약 900℃로 가열된다. 도 6a 및 도 6b에 대하여, 일부 실시형태에서, 제1 전도성 잉크는 약 129℃에서 흡열 피크(601)를 가져서, 증기압이 높은 용매의 증발로 인한 신속한 질량 손실을 나타낸다. 추가로 도시된 것처럼, 일부 실시형태에서, 제1 전도성 잉크는 각각 약 415.75℃, 449.98℃, 485.78℃ 및 552.40℃에서 발열 피크(611 612 613 614)를 갖는다. 도 6b에 대하여 약 900℃에서 잉크의 질량이 0에 가까워지면서, 모든 또는 거의 모든 제1 전도성 잉크는 그 온도에서 산소와의 이의 반응 동안 소모된다.
도 7은 기재에 건조된 예시적인 제1 전도성 잉크의 열 분석의 그래프이다. 일부 실시형태에서, 제1 전도성 잉크는 도시된 것처럼 각각 약 391.73℃, 469.69℃ 및 582.37℃에서 발열 피크(701 702 703)를 갖는다. 제1 발열 피크 및 제2 발열 피크(701 702)는 결합제, 연화제 또는 둘 다의 증발에 상응할 수 있고, 제3 발열 피크(703)는 그래핀에 상응할 수 있다. 약 550℃의 온도에서, 인쇄된 제1 전도성 잉크의 질량은 도시된 것처럼 약 93.5%만큼 감소되었다. 약 800℃의 온도에서, 거의 모든 제1 전도성 잉크는 산소와의 이의 반응 동안 소모된다. 이 열 분석은 기재에 인쇄된 제1 전도성 잉크가 약 400℃까지 열 안정하다는 것을 입증한다.
실시예 2 - 제2 전도성 잉크
도 8a 및 도 8b는 예시적인 제2 전도성 잉크의 광학 현미경 영상을 보여준다. 제2 전도성 잉크는 거기에 도시된 것처럼 매우 안정하고 기재를 평평하게 코팅하여 구멍 또는 수축이 없는 부드러운 표면을 형성한다. 추가로, 도시된 것처럼, 2D 그래핀 시트와 0차원 탄소 나노입자 사이의 상호작용은 훌륭한 전자 전도율을 갖는 심리스 탄소 망상구조를 제조한다. 그래핀 및 탄소 나노입자는 거기서 친밀한 심리스 접촉에 있어서, 코팅된 필름의 전체 저항을 감소시킨다.
도 9a는 예시적인 제2 전도성 잉크의 입자 크기 분포이다. 도 9b는 약 10 ㎛의 입자 크기에서 스트리크를 갖는 헤그만 게이지에서 예시적인 제2 전도성 잉크의 영상이다. 예시적인 제2 전도성 잉크는 도시된 것처럼 약 9 ㎛의 평균치 및 약 26 ㎛의 최대치를 갖는 단봉 입자 크기 분포를 갖고, 입자의 90%는 크기가 약 13.5 ㎛ 미만이다.
도 10은 약 1,368 cm-1에서의 D 피크 및 약 1,624 cm-1에서의 G 피크를 보여주는 예시적인 제2 전도성 잉크의 라만 분광학 그래프이다.
도 11a는 예시적인 제2 전도성 잉크의 전단 속도와 점도 사이의 선형 관계식을 보여준다. 예시적인 제2 전도성 잉크는 도시된 것처럼 약 100 s-1의 전단 속도에서 점도가 약 210 cP이고, 약 750 s-1의 전단 속도에서 점도가 약 185 cP이다. 도시된 것처럼, 전도성 잉크의 점도는 전단 혼합 시간을 조정하여서 조율될 수 있고, 더 긴 전단 시간은 점도를 감소시킨다.
도 11b는 둘 다 약 26°에서의 피크를 보여주는 예시적인 제1 전도성 잉크 및 제2 전도성 잉크의 X선 회절 그래프이다.
도 12a 및 도 12b는 예시적인 제2 전도성 잉크의 열 분석의 그래프이다. 열 분석에서 액체 형태의 본원에서의 제2 전도성 잉크는 약 3℃/분의 속도로 약 140℃로 가열되고, 약 3시간 동안 약 140℃에서 유지되고, 약 3℃/분의 속도로 약 900℃로 가열된다. 도 12a 및 도 12b에 대하여, 일부 실시형태에서, 제2 전도성 잉크는 약 92℃에서 흡열 피크(1201)를 가져서, 증기압이 높은 용매의 증발로 인한 신속한 질량 손실을 나타낸다. 추가로 도시된 것처럼, 일부 실시형태에서, 제2 전도성 잉크는 각각 약 329℃, 422.04℃, 448.37℃ 및 654.98℃에서 발열 피크(1211 1212 1213 1214)를 갖는다. 도 12b에 대하여 약 900℃에서 잉크의 질량이 0에 가까워지면서, 모든 또는 거의 모든 제2 전도성 잉크는 그 온도에서 산소와의 이의 반응 동안 소모된다.
도 13은 기재에 건조된 예시적인 제2 전도성 잉크의 열 분석의 그래프이다. 일부 실시형태에서, 제2 전도성 잉크는 도시된 것처럼 각각 약 320.22℃, 413.79℃, 456.48℃ 및 663.3℃에서 발열 피크(1301 1302 1303 1304)를 갖는다. 제2 발열 피크(1301)는 결합제, 연화제 또는 둘 다의 증발에 상응할 수 있고, 제2 발열 피크 및 제3 발열 피크(1302 1303)는 그래핀에 상응할 수 있다. 약 680℃의 온도에서, 인쇄된 제2 전도성 잉크의 질량은 도시된 것처럼 약 95%만큼 감소되었다. 약 800℃의 온도에서, 거의 모든 제2 전도성 잉크는 산소와의 이의 반응 동안 소모된다. 이 열 분석은 기재에 인쇄된 제2 전도성 잉크가 약 400℃까지 열 안정하여서 본원에서의 제2 전도성 잉크에 대한 증가된 사용 경우가 가능하게 한다는 것을 입증한다.
실시예 3 - 제3 전도성 잉크
도 22a는 예시적인 제3 전도성 잉크의 전단 속도 대 점도 그래프이다. 유동통신(Rheogram)은 선형 또는 뉴턴식으로 보이지만, 예시적인 제3 전도성 잉크는 약간의 곡률, 전단 박하 및/또는 유사 가소성 배향을 나타낸다. 잉크는 스크린 인쇄, 슬롯-다이에 의한 롤 코팅 또는 리버스 콤마 블레이드(reverse comma blade) 및 평평 플렉소그래픽 인쇄에 적합하다. 도 22b는 예시적인 제3 전도성 잉크의 토크 대 속도 그래프이다.
하나의 실험에서, 도 23a 및 도 23b에 대해서, 예시적인 제3 전도성 잉크를 10℃/분의 속도로 110℃로 가열하고, 2시간 동안 110℃에서 유지하고, 10℃/분의 속도로 800℃로 가열하였다. 도시된 것처럼, 흡열 피크는 높은 증기압 용매의 증발로 인해 잉크의 신속한 중량 손실에 상응하여 110℃에서 검출된다. 일부 실시형태에서, 약 110℃의 온도에서 예시적인 제3 전도성 잉크를 어닐링하는 것은, 기재에 인쇄되면, 최적 전도율, 이상적인 접착 및 가요성을 달성한다. 추가로 도시된 것처럼, 몇몇 발열 피크는 350℃, 411℃, 537℃ 및 637℃에서 발견되고, 이는 결합제, 분산제 및/또는 그래핀의 분해에 상응할 수 있다. 637℃에서 잔류물이 0에 가까워지면서, 모든 잉크 성분은 그 온도에서 공기 흐름으로부터의 산소와 반응하여 소모된다.
예시적인 제3 전도성 잉크에 의해 코팅된 기재의 XRD 패턴은, 도 24a에 대해서, 폴리머 결합제에 대해 보고된 값과 일치하는 각각 7.5 및 4.5° 옹스트롬의 d 값에 상응하는 12.9° 및 20.8°의 2θ에서의 2개의 넓은 특징적인 피크를 보여준다.
기재에 인쇄된 예시적인 제3 전도성 잉크의 라만 스펙트럼은, 도 24b에 대하여, 각각 대략 1400 cm-1 및 1600 cm-1에서 rGO에 특징적인 D 밴드 및 G 밴드를 보여준다.
도 25a-25b에 대하여, 1 ㎛ 두께의 폴리이미드 기재를 마이어 봉에 의해 예시적인 제3 전도성 잉크의 다양한 두께에 의해 코팅하고, 코팅된 기재를 건조까지 110℃에서 경화시켰다. 결과는 예상대로 건조 두께 감소와 연관된 시트 저항 증가를 보여주고, 여기서 평균 전도율은 약 1.8 S/m의 표준 편차로 약 7.6 S/m이다.
도 26a에 대하여, 예시적인 제3 전도성 잉크는 중앙치 입자 크기가 약 8.8 ㎛이고, 평균치 입자 크기가 약 7.9 ㎛이고, 최대 크기가 약 19 ㎛이고, 입자의 90%는 크기가 약 11.5 ㎛ 미만이다.
도 26b는 예시적인 제3 전도성 잉크에 의해 덮인 기재에 대한 트레이스 폭 대 저항을 보여주고, 예시적인 제3 전도성 잉크는 선폭이 150 내지 3000 마이크로미터인 트레이스로 성공적으로 스크린 인쇄될 수 있다.
폴리이미드 기재를 예시적인 제3 전도성 잉크의 50 ㎛의 습윤 필름 두께로 코팅하고, 이후 코팅을 110℃에서 10분 동안 및 300℃에서 30분 동안 경화시키고, 이후 물로 분무하였다. 코팅은 손상의 징후를 나타내지 않았다
액침 시험 결과는 하기에 기재되어 있다.
실시예 4 - 제4 전도성 잉크
도 27a는 예시적인 제4 전도성 잉크의 전단 속도 대 점도 그래프이다. 도 27b는 예시적인 제4 전도성 잉크의 토크 대 속도 그래프이다. 도시된 것처럼, 유동통신은 선형 또는 뉴턴식으로 보이지만, 예시적인 제4 전도성 잉크의 그래프는 약간의 곡률, 전단 박하 또는 유사 가소성 배향을 나타낸다.
도 28a-도 28b에 대해서 열 분석에서, 예시적인 제4 전도성 잉크의 액체를 10℃/분의 속도로 110℃로 가열하고, 2시간 동안 110℃에서 유지하고, 10℃/분의 속도로 800℃로 가열하였다. 도시된 것처럼, 흡열 피크는 높은 증기압 용매의 증발과 연관된 잉크의 빠른 중량 손실에 상응하여 110℃에서 검출된다. 추가로, 도시된 것처럼, 약 110℃의 온도에서 예시적인 제3 전도성 잉크를 어닐링하는 것은, 기재에 인쇄되면, 최적 전도율, 이상적인 접착 및 가요성을 달성한다. 몇몇 발열 피크는 358℃, 466℃, 515.79℃ 및 726.24℃에서 발견되고, 이는 결합제, 분산제, 탄소 및 그래핀의 분해에 상응한다. 797.48℃에서 잔류물은 0에 가깝고, 이는 모든 잉크 성분이 공기 흐름으로부터의 산소와 반응하여 소모된다는 것을 의미한다.
예시적인 제4 전도성 잉크에 의해 코팅된 기재의 도 29a에서의 XRD 패턴은 폴리머 결합제에 대해 보고된 값과 일치하는 각각 7.5 및 4.5° 옹스트롬의 d 값에 상응하는 12.4° 및 21.1°의 2 쎄타에서의 2개의 넓은 특징적인 피크를 나타낸다.
도 29b에 대하여, 예시적인 제4 전도성 잉크에 의해 코팅된 기재의 라만 스펙트럼은 각각 대략 1400 cm-1 및 1600 cm-1에서 rGO에 특징적인 D 밴드 및 G 밴드를 보여준다.
도 30a-도 30b에 대하여, 1 ㎛ 두께의 폴리이미드 기재를 마이어 봉에 의해 예시적인 제4 전도성 잉크의 다양한 두께에 의해 코팅하고, 코팅된 기재를 건조까지 110℃에서 경화시켰다. 결과는 예상대로 건조 두께 감소와 연관된 시트 저항 증가를 보여주고, 여기서 평균 전도율은 약 3.7 S/m의 표준 편차로 약 12.7 S/m이다.
도 31은 예시적인 제4 전도성 잉크에 의해 덮인 기재에 대한 트레이스 폭 대 저항을 보여주고, 예시적인 제3 전도성 잉크는 선폭이 150 내지 3000 마이크로미터인 트레이스로 성공적으로 스크린 인쇄될 수 있다.
실시예 5 - 제5 전도성 잉크
도 32a는 예시적인 제5 전도성 잉크의 전단 속도 대 점도 그래프이다. 도 32b는 예시적인 제5 전도성 잉크의 토크 대 속도 그래프이다. 도시된 것처럼, 유동통신은 선형 또는 뉴턴식으로 보이지만, 예시적인 제5 전도성 잉크의 그래프는 약간의 곡률, 전단 박하 또는 유사 가소성 배향을 나타낸다.
도 33a-도 33b에 대해서 열 분석에서, 예시적인 제4 전도성 잉크의 액체를 10℃/분의 속도로 110℃로 가열하고, 2시간 동안 110℃에서 유지하고, 10℃/분의 속도로 800℃로 가열하였다. 도시된 것처럼, 흡열 피크는 높은 증기압 용매의 증발과 연관된 잉크의 빠른 중량 손실에 상응하여 110℃에서 검출된다. 추가로, 도시된 것처럼, 약 110℃의 온도에서 예시적인 제3 전도성 잉크를 어닐링하는 것은, 기재에 인쇄되면, 최적 전도율, 이상적인 접착 및 가요성을 달성한다. 몇몇 발열 피크는 367℃, 474℃, 714℃ 및 805℃에서 발견되고, 이는 결합제, 분산제, 탄소 및 그래핀의 분해에 상응한다. 805℃에서 잔류물은 0에 가깝고, 이는 모든 잉크 성분이 공기 흐름으로부터의 산소와 반응하여 소모된다는 것을 의미한다.
예시적인 제5 전도성 잉크에 의해 코팅된 기재의 도 34a에서의 XRD 패턴은 2θ=26°에서의 흑연에 대한 날카로운 강한 특징적인 피크 및 2θ=55°에서의 더 작은 피크를 보여준다. 대략 2θ= 45°에서의 다른 피크는 rGO와 상관된다.
도 34b에 대하여, 예시적인 제5 전도성 잉크에 의해 코팅된 기재의 라만 스펙트럼은 rGO에 특징적인 대략 1400 cm-1 및 1600 cm-1에서의 D 밴드 및 G 밴드를 보여준다. 대략 2700 cm-1에서 발견된 피크는 흑연의 특징이고, 이는 1600 주위의 피크의 선예도를 또한 설명한다.
도 35a에 대하여, 예시적인 제5 전도성 잉크는 중앙치 입자 크기가 약 11.8 ㎛이고, 평균치 입자 크기가 약 11.2 ㎛이고, 입자의 90%는 크기가 약 15.7 ㎛ 미만이다.
도 35b는 예시적인 제5 전도성 잉크에 의해 덮인 기재에 대한 트레이스 폭 대 저항을 보여주고, 예시적인 제5 전도성 잉크는 선폭이 150 내지 3000 마이크로미터인 트레이스로 성공적으로 스크린 인쇄될 수 있다.
도 36a-도 36c 및 도 37a-도 37b에 대하여, 인쇄된 선의 광학 프로필로메트리는 에지가 직선이고 투명하다는 것을 보여준다. 고도로 균일한 횡단 프로파일은 잉크 배합물의 성공적인 제조에 대한 증거를 제공한다.
도 38a-38b에 대하여, 1 ㎛ 두께의 폴리이미드 기재를 마이어 봉에 의해 예시적인 제5 전도성 잉크의 다양한 두께에 의해 코팅하고, 코팅된 기재를 건조까지 110℃에서 경화시켰다. 결과는 예상대로 건조 두께 감소와 연관된 시트 저항 증가를 보여주고, 여기서 평균 전도율은 약 15.8 S/m의 표준 편차로 약 41.9 S/m이다.
도 39a 내지 도 39b는 예시적인 제5 전도성 잉크에 의해 코팅된 기재의 저배율 및 고배율 SEM 영상을 보여준다.
실시예 6 - 제6 전도성 잉크
도 40a는 예시적인 제3 전도성 잉크의 전단 속도 대 점도 그래프이다. 유동통신은 선형 또는 뉴턴식으로 보이지만, 예시적인 제3 전도성 잉크는 약간의 곡률, 전단 박하 및/또는 유사 가소성 배향을 나타낸다. 잉크는 스크린 인쇄, 슬롯-다이에 의한 롤 코팅 또는 리버스 콤마 블레이드 및 평평 플렉소그래픽 인쇄에 적합하다. 도 40b는 예시적인 제3 전도성 잉크의 토크 대 속도 그래프이다.
하나의 실험에서, 도 41a 및 도 41b에 대해서, 예시적인 제6 전도성 잉크를 10℃/분의 속도로 110℃로 가열하고, 2시간 동안 110℃에서 유지하고, 10℃/분의 속도로 800℃로 가열하였다. 도시된 것처럼, 흡열 피크는 높은 증기압 용매의 증발로 인해 잉크의 신속한 중량 손실에 상응하여 110℃에서 검출된다. 일부 실시형태에서, 약 110℃의 온도에서 예시적인 제6 전도성 잉크를 어닐링하는 것은, 기재에 인쇄되면, 최적 전도율, 이상적인 접착 및 가요성을 달성한다. 추가로 도시된 것처럼, 몇몇 발열 피크는 351℃, 462℃, 484℃ 및 669℃에서 발견되고, 이는 결합제, 분산제 및/또는 그래핀의 분해에 상응할 수 있다. 669℃에서 잔류물이 0에 가까워지면서, 모든 잉크 성분은 그 온도에서 공기 흐름으로부터의 산소와 반응하여 소모된다.
예시적인 제3 전도성 잉크에 의해 코팅된 기재의 XRD 패턴은, 도 42a에 대해서, 폴리머 결합제에 대해 보고된 값과 일치하는 12.3° 및 19.4°의 2θ에서의 2개의 넓은 특징적인 피크를 보여준다.
기재에 인쇄된 예시적인 제6 전도성 잉크의 라만 스펙트럼은, 도 42b에 대하여, 각각 대략 1400 cm-1 및 1600 cm-1에서 rGO에 특징적인 D 밴드 및 G 밴드를 보여준다.
도 43a에 대하여, 예시적인 제6 전도성 잉크는 중앙치 입자 크기가 약 12.5 ㎛이고, 평균치 입자 크기가 약 11.6 ㎛이고, 입자의 90%는 크기가 약 19.6 ㎛ 미만이다.
도 43b에 대하여, 1 ㎛ 두께의 폴리이미드 기재를 마이어 봉에 의해 예시적인 제6 전도성 잉크의 다양한 두께에 의해 코팅하고, 코팅된 기재를 건조까지 110℃에서 경화시켰다. 결과는 예상대로 건조 두께 감소와 연관된 시트 저항 증가를 보여주고, 여기서 평균 전도율은 약 14.3 S/m의 표준 편차로 약 28.4 S/m이다.
도 44a는 예시적인 제6 전도성 잉크에 의해 형성된 트레이스의 습윤 두께 대 건조 두께의 그래프이다. 도 44b는 예시적인 제6 전도성 잉크에 의해 덮인 기재에 대한 트레이스 폭 대 저항을 보여주고, 예시적인 제6 전도성 잉크는 선폭이 150 내지 3000 마이크로미터인 트레이스로 성공적으로 스크린 인쇄될 수 있다.
본 개시내용의 바람직한 실시형태가 본원에 도시되고 기재되어 있지만, 이러한 실시형태가 오직 예에 의해 제공된다는 것이 당업자에게 자명할 것이다. 본 개시내용으로부터 벗어나지 않으면서 당업자에게 많은 변동, 변화 및 치환이 이제 발생할 것이다. 본 개시내용을 실행하는 데 있어서 본원에 기재된 개시내용의 실시형태에 대한 다양한 대안이 사용될 수 있는 것으로 이해되어야 한다.

Claims (59)

  1. (a) 그래핀 시트, 여기서
    (ⅰ) 그래핀 시트의 적어도 약 90%가 단일 층으로 이루어지거나;
    (ⅱ) 그래핀 시트가 최대 약 6%의 산소 함량을 갖거나;
    (ⅲ) 둘 다임;
    (b) 결합제;
    (c) 안정화제; 및
    (d) 용매
    를 포함하는 전도성 잉크.
  2. 제1항에 있어서, 그래핀은 환원된 그래핀 옥사이드 또는 활성화된 환원된 그래핀 옥사이드를 포함하는 것인, 전도성 잉크.
  3. 제1항에 있어서, 결합제는 폴리머 결합제인, 전도성 잉크.
  4. 제3항에 있어서, 폴리머 결합제는 열가소성 공중합체인, 전도성 잉크.
  5. 제1항에 있어서, 결합제는 폴리비닐피롤리돈, 에틸 메타크릴레이트, 부틸 메타크릴레이트, 또는 이들의 임의의 조합을 포함하는 것인, 전도성 잉크.
  6. 제1항에 있어서, 안정화제는 폴리테트라하이드로푸란, 불소화된 트리에틸렌 글리콜 모노메틸 에테르, 왁스, 에틸 셀룰로스, 디에틸렌 글리콜, 또는 이들의 임의의 조합을 포함하는 것인, 전도성 잉크.
  7. 제6항에 있어서, 안정화제는 폴리테트라하이드로푸란 및 디에틸렌 글리콜을 포함하고, 폴리테트라하이드로푸란과 디에틸렌 글리콜 사이의 비는 약 8:1 내지 약 11:1인, 전도성 잉크.
  8. 제1항에 있어서, 용매는 프로필렌 글리콜 n-프로필 에테르, 2-에틸-1-헥산올, 디에틸렌 글리콜 모노부틸 에테르, 2-에틸-1-부탄올, 2-메틸-1-펜탄올, 프로필렌 글리콜 모노메틸 에테르 아세테이트, 헥사민, 사이클로헵틸아민, 이소아밀아민, 3-메톡시프로필아민, 파라클로로벤조트리플루오라이드, 에틸렌 글리콜, 이소프로판올, 에틸 아세테이트, 클로로포름, 디메틸포름아미드, n-메틸-2-피롤리돈, 테트라하이드로푸란, 및 디클로로벤젠, 또는 이들의 임의의 조합을 포함하는 것인, 전도성 잉크.
  9. 제1항에 있어서, 그래핀의 w/w 농도가 약 0.1% 내지 약 10%인, 전도성 잉크.
  10. 제1항에 있어서, 결합제의 w/w 농도가 약 5% 내지 약 60%인, 전도성 잉크.
  11. 제1항에 있어서, 안정화제의 w/w 농도가 약 1% 내지 약 80%인, 전도성 잉크.
  12. 제1항에 있어서, 용매의 w/w 농도가 약 20% 내지 약 90%인, 전도성 잉크.
  13. 제1항에 있어서, 고체 함량이 약 5% 내지 약 80%인, 전도성 잉크.
  14. 제1항에 있어서, 점도가 약 25 cP 내지 약 4,000 cP인, 전도성 잉크.
  15. 제1항에 있어서, 전단 속도가 약 100 s-1 내지 약 400 s-1인, 전도성 잉크.
  16. 제1항에 있어서, 기재(substrate) 상에 분산된 전도성 잉크의 습윤 두께와 기재 상의 건조된 전도성 잉크의 건조 두께 사이의 비는 약 2:1 내지 약 6:1인, 전도성 잉크.
  17. 제1항에 있어서, 건조시 저항이 약 300 ohm/sq 내지 약 80,000 ohm/sq인, 전도성 잉크.
  18. 제1항에 있어서, 건조시 저항이 약 300 ohm/sq 이하인, 전도성 잉크.
  19. 제1항에 있어서, 입자 크기가 약 1 ㎛ 내지 약 40 ㎛인, 전도성 잉크.
  20. 제1항에 있어서, 전도성 첨가제를 추가로 포함하는 전도성 잉크.
  21. 제20항에 있어서, 전도성 첨가제는 나노탄소를 포함하는 것인, 전도성 잉크.
  22. 제21항에 있어서, 나노탄소는 탄소 나노입자, 탄소 나노점, 탄소 나노튜브, 그래핀 나노리본, 탄소 나노섬유, 나노흑연, 탄소 어니언(onion), 탄소 나노콘, 또는 이들의 임의의 조합을 포함하는 것인, 전도성 잉크.
  23. 제20항에 있어서, 전도성 잉크는 전도성 첨가제의 w/w 농도가 약 1% 내지 약 40%인, 전도성 잉크.
  24. 제1항에 있어서, 흑연을 추가로 포함하는 전도성 잉크.
  25. 제24항에 있어서, 전도성 잉크는 흑연의 w/w 농도가 약 5% 내지 약 80%인, 전도성 잉크.
  26. (a) 기재 상에 제1항의 잉크의 최대 2개의 층을 침적시키는 단계; 및
    (b) 기재 상의 잉크를 건조시키는 단계
    를 포함하는, 전도성 잉크를 인쇄하는 방법.
  27. 제26항에 있어서, 침적은 스크린 인쇄, 플렉소그래픽 인쇄, 슬롯-다이 인쇄, 나이프-오버 에지 코팅, 스크린 인쇄, 그라비어 인쇄, 분무, 침지, 또는 이들의 임의의 조합에 의해 수행되는 것인, 방법.
  28. 제26항에 있어서, 잉크는 약 100℃ 내지 약 180℃의 온도에서 건조되는 것인, 방법.
  29. 제26항에 있어서, 잉크는 약 10분 내지 약 60분의 시간 동안 건조되는 것인, 방법.
  30. 제26항에 있어서, 잉크는 약 150 ㎛ 내지 약 3,000 ㎛의 선폭으로 기재 상에 침적되는 것인, 방법.
  31. 제26항에 있어서, 기재는 운모, 유리, 실리콘, 유리, 금속, 플라스틱, 패브릭, 흑연 시트, 금, 또는 이들의 임의의 조합을 포함하는 것인, 방법.
  32. 제26항에 있어서, 건조된 잉크의 평균 조도는 약 1 ㎛ 내지 약 2 ㎛인, 방법.
  33. 제26항에 있어서, 건조된 잉크의 텍스처 종횡비는 약 0.25°내지 약 1.5°인, 방법.
  34. 제26항에 있어서, 인쇄된 전도성 잉크는 약 1,000 내지 약 40,000 ohm/sq의 저항을 갖는 것인, 방법.
  35. 제26항에 있어서, 기재 상의 잉크를 어닐링하는 단계를 추가로 포함하는 방법.
  36. (a) 그래핀 시트, 여기서
    (ⅰ) 그래핀 시트의 적어도 약 90%가 단일 층으로 이루어지거나;
    (ⅱ) 그래핀 시트가 최대 약 6%의 산소 함량을 갖거나;
    (ⅲ) 둘 다임;
    (b) 결합제;
    (c) 안정화제; 및
    (d) 용매
    를 포함하는 용액을 혼합하는 단계를 포함하는, 전도성 잉크를 형성하는 방법.
  37. 제36항에 있어서, 그래핀은 환원된 그래핀 옥사이드 또는 활성화된 환원된 그래핀 옥사이드를 포함하는 것인, 방법.
  38. 제37항에 있어서, 결합제는 폴리머 결합제인, 방법.
  39. 제38항에 있어서, 폴리머 결합제는 열가소성 공중합체인, 방법.
  40. 제36항에 있어서, 결합제는 폴리비닐피롤리돈, 에틸 메타크릴레이트, 부틸 메타크릴레이트, 또는 이들의 임의의 조합을 포함하는 것인, 방법.
  41. 제36항에 있어서, 안정화제는 폴리테트라하이드로푸란, 불소화된 트리에틸렌 글리콜 모노메틸 에테르, 왁스, 에틸 셀룰로스, 디에틸렌 글리콜, 또는 이들의 임의의 조합을 포함하는 것인, 방법.
  42. 제36항에 있어서, 용매는 프로필렌 글리콜 n-프로필 에테르, 2-에틸-1-헥산올, 디에틸렌 글리콜 모노부틸 에테르, 2-에틸-1-부탄올, 2-메틸-1-펜탄올, 프로필렌 글리콜 모노메틸 에테르 아세테이트, 헥사민, 사이클로헵틸아민, 이소아밀아민, 3-메톡시프로필아민, 파라클로로벤조트리플루오라이드, 에틸렌 글리콜, 이소프로판올, 에틸 아세테이트, 클로로포름, 디메틸포름아미드, n-메틸-2-피롤리돈, 테트라하이드로푸란, 및 디클로로벤젠, 또는 이들의 임의의 조합을 포함하는 것인, 방법.
  43. 제36항에 있어서, 용액은 그래핀의 w/w 농도가 약 0.1% 내지 약 10%인, 방법.
  44. 제36항에 있어서, 용액은 결합제의 w/w 농도가 약 5% 내지 약 60%인, 방법.
  45. 제36항에 있어서, 용액은 안정화제의 w/w 농도가 약 1% 내지 약 80%인, 방법.
  46. 제36항에 있어서, 용액은 용매의 w/w 농도가 약 20% 내지 약 90%인, 방법.
  47. 제36항에 있어서, 용액은 고체 함량이 약 5% 내지 약 80%인, 방법.
  48. 제36항에 있어서, 용액은 약 1시간 내지 약 4시간의 시간 동안 혼합되는 것인, 방법.
  49. 제36항에 있어서, 전도성 잉크는 점도가 약 25 cP 내지 약 4,000 cP인, 방법.
  50. 제36항에 있어서, 전도성 잉크는 전단 속도가 약 100 s-1 내지 약 400 s-1인, 방법.
  51. 제36항에 있어서, 기재 상에 분산된 전도성 잉크의 습윤 두께와 기재 상의 건조된 전도성 잉크의 건조 두께 사이의 비는 약 2:1 내지 약 6:1인, 방법.
  52. 제36항에 있어서, 전도성 잉크는 건조시 저항이 약 300 ohm/sq 내지 약 80,000 ohm/sq인, 방법.
  53. 제36항에 있어서, 전도성 잉크는 입자 크기가 약 3 ㎛ 내지 약 40 ㎛인, 방법.
  54. 제36항에 있어서, 용액은 전도성 첨가제를 추가로 포함하는 것인, 방법.
  55. 제54항에 있어서, 전도성 첨가제는 나노탄소를 포함하는 것인, 방법.
  56. 제55항에 있어서, 나노탄소는 탄소 나노입자, 탄소 나노점, 탄소 나노튜브, 그래핀 나노리본, 탄소 나노섬유, 나노흑연, 탄소 아니온(anion), 탄소 나노콘, 또는 이들의 임의의 조합을 포함하는 것인, 방법.
  57. 제54항에 있어서, 용액은 전도성 첨가제의 w/w 농도가 약 1% 내지 약 40%인, 방법.
  58. 제36항에 있어서, 용액은 그래핀을 추가로 포함하는 것인, 방법.
  59. 제58항에 있어서, 용액은 그래핀의 w/w 농도가 약 5% 내지 약 80%인, 방법.
KR1020247018492A 2021-11-04 2022-11-03 초박형 그래핀을 갖는 전도성 분산체 KR20240100405A (ko)

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