WO2017111452A1 - 고분자 무기나노입자 복합체 다층 박막 및 이의 제조 방법 - Google Patents

고분자 무기나노입자 복합체 다층 박막 및 이의 제조 방법 Download PDF

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polymer
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nanoparticle composite
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김태일
장혜진
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Sungkyunkwan University
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    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C09—DYES; PAINTS; POLISHES; NATURAL RESINS; ADHESIVES; COMPOSITIONS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; APPLICATIONS OF MATERIALS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • C09J—ADHESIVES; NON-MECHANICAL ASPECTS OF ADHESIVE PROCESSES IN GENERAL; ADHESIVE PROCESSES NOT PROVIDED FOR ELSEWHERE; USE OF MATERIALS AS ADHESIVES
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    • C09J183/04—Polysiloxanes
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C09—DYES; PAINTS; POLISHES; NATURAL RESINS; ADHESIVES; COMPOSITIONS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; APPLICATIONS OF MATERIALS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • C09J—ADHESIVES; NON-MECHANICAL ASPECTS OF ADHESIVE PROCESSES IN GENERAL; ADHESIVE PROCESSES NOT PROVIDED FOR ELSEWHERE; USE OF MATERIALS AS ADHESIVES
    • C09J4/00—Adhesives based on organic non-macromolecular compounds having at least one polymerisable carbon-to-carbon unsaturated bond ; adhesives, based on monomers of macromolecular compounds of groups C09J183/00 - C09J183/16

Definitions

  • the present invention relates to a composite thin film of inorganic nanoparticles and a polymer and a method for manufacturing the same, and specifically, to the inorganic nanoparticle polymer composite thin film and a method of manufacturing the same using an ultra-thin transparent adhesive.
  • the present invention relates to a polymer inorganic nanoparticle composite thin film in which inorganic nanoparticles are patterned in a polymer by UV selective curing using an ultraviolet curable ultrathin transparent adhesive, and a method of manufacturing the same.
  • a typical method is to produce a composite by dispersing particles in a polymer.
  • complexation requires control of the interface between the polymer and the filler.
  • This method of interface control varies depending on the type of the base material and the filler, which is a polymer. In the case of the filler having low reactivity, the interface control is difficult.
  • the thermal conductivity is low unless the filler particles form an effective conductive path.
  • Thin composite manufacturing methods include layer-by-layer assembly.
  • a variety of materials can form a multilayer thin film by bonding between layers by electrostatic attraction, hydrogen bonding, and covalent bonding on the substrate.
  • an amphiphilic material is additionally inserted or surface modification is required. Surface modification has the problem of changing the inherent properties of the material.
  • an object of the present invention to provide a nanocomposite multilayer thin film and a method of manufacturing the same. Specifically, an object of the present invention is to produce a highly functional thin film having excellent durability and thickness in an easy and simple process. It is another object of the present invention to provide a thermally conductive or electrically conductive nanocomposite multilayer thin film. Another object is to show that it can be used as a functional adhesive film.
  • the present invention is a polymer substrate; An adhesive layer coated on the polymer substrate; And a nano-inorganic particle layer coated on the adhesive layer, wherein the adhesive layer and the nano-inorganic particle layer are alternately stacked two or more, to provide a polymer inorganic nanoparticle composite multilayer thin film.
  • the alternating stacking may increase mechanical stability while increasing the mass fraction of the nano-inorganic particles.
  • the polymer substrate is characterized in that the flexible transparent substrate.
  • Coating on the adhesive layer of the nano-inorganic particles includes the impregnation of all or a portion of the nano-inorganic particles on the surface of the adhesive layer or into the adhesive layer.
  • the adhesive includes a transparent adhesive containing a bisphenol A acrylate compound and an alkoxysilyl acrylate compound.
  • the bisphenol A-based diacrylate compound is characterized in that the bisphenol A glycerol (1 glycerol / phenol) diacrylate (Bisphenol A glycerolate (1 glycerol / phenol) diacrylate) of the formula (2) below.
  • the alkoxysilyl acrylate compound is characterized in that 3- (trimethoxysilyl) propyl methacrylate (3- (trimethoxysilyl) propyl methacrylate) of Formula 3 below.
  • the adhesive is characterized in that it comprises a photoinitiator.
  • the polymerization photoinitiator is characterized in that 2-benzyl-2- (dimethylamino) -4-morpholinobutyrophenone (2-Benzyl-2- (dimethylamino) -4-morpholinobutyrophenone) of Formula 1 below.
  • the adhesive may comprise poly (methyl silsesquioxane).
  • the adhesive of the present invention can provide sufficient adhesion to the nano-inorganic particles while forming a thin layer, and facilitates percolation between the nano-inorganic particles. This percolation maximizes the conduction and heat dissipation characteristics.
  • the thickness of the adhesive layer of the present invention is characterized in that 100nm to 150nm, less than 100nm may cause a process defect. Thickness of 150 nm or more may lower the mechanical stability.
  • the nano inorganic particles may include graphene, a metallic grid, carbon nanotubes, silver nanowires, and boron nitride.
  • the polymer inorganic nanoparticle composite multilayer thin film of the present invention can be applied as a heat sink, an electromagnetic shielding material, and an electrode of an electronic device.
  • the present invention comprises the steps of i) preparing a substrate; ii) forming an adhesive layer on the substrate; And iii) transferring the nano-inorganic particles to the adhesive layer with a nano-inorganic particle layer-coated stamp to form a nano-inorganic particle layer.
  • step iii) two or more transfer steps to form a junction between the nanoinorganic particles impregnated with the adhesive layer into the adhesive layer.
  • the nano-inorganic particles are wire-shaped nano-inorganic particles, and includes transferring the wire-shaped nano-inorganic particles to cross the two or more transfers.
  • the adhesive is a UV curable adhesive, and may include curing the multilayer thin film of the polymer inorganic nanoparticle composite after UV irradiation after step iii).
  • the adhesive is a UV curable adhesive, and between steps ii) and iii), comprising selectively UV curing the adhesive layer with a photomask, and through step iii), the nano Forming an inorganic particle layer may be characterized by patterning the inorganic nanoparticles.
  • the nano-inorganic particles are nanowires, and step iii) comprises first stamping the nanowires in one direction on the adhesive layer, followed by second stamping the nanowires to form a grid. It is possible to form a grid-type nano inorganic particles layer.
  • the present invention is a substrate roll wound polymer substrate and supplying a polymer substrate;
  • Adhesive supply means for supplying an adhesive on a substrate supplied from a substrate roll;
  • Drying means positioned next to the adhesive supply means to dry the adhesive supplied on the substrate;
  • a transfer roller positioned after said drying means for transferring inorganic nanoparticles onto said adhesive;
  • It provides an inorganic nanoparticle composite multilayer thin film roll-to-roll manufacturing apparatus comprising an inorganic nanoparticle supply means for coating the inorganic nanoparticles on the transfer roller.
  • the inorganic nanoparticle supply means includes a supply unit for supplying inorganic nanoparticles onto the blade and the blade on the transfer roller side, the blade is configured to flatten the inorganic nanoparticles by the rotation of the transfer roller.
  • the present invention can produce a thin film having a thermally conductive or electrically conductive function according to the type of the transferred particles.
  • Conventional techniques require an additional process to improve the affinity between the polymer and particles, such as surface modification, but in the present invention can be applied to a variety of materials without the additional process, and thus it is possible to produce a composite multilayer thin film more easily and simply than the prior art.
  • multilayered thin films can achieve higher performance than single thin films.
  • the present invention can easily and simply form a pattern of particles.
  • the multilayer thin film produced in the present invention is thin, it is suitable for softening, thinning, miniaturization, etc. In addition, it has excellent durability due to the strong bonding force between the adhesive and the particles. The desired performance can be obtained by adjusting the number of times the particles are transferred.
  • FIG. 1 illustrates a method for producing a polymer nanocomposite of the present invention.
  • FIG. 2 is an image analysis image of the silver nanowire polymer composite film prepared in Example 1.
  • Figure 7 illustrates a method for producing a polymer composite sheet of the present invention by a roll-to-roll process.
  • first and second may be used to describe various components, but the components should not be limited by the terms. The terms are used only for the purpose of distinguishing one component from another.
  • the first component may be referred to as the second component, and similarly, the second component may also be referred to as the first component.
  • a composite thin film is prepared by transferring a nanomaterial onto a substrate coated with an adhesive.
  • FIG. 1 illustrates a method for producing a polymer nanocomposite of the present invention.
  • the stamp of the present invention exemplifies PDMS, and may be a stamp of the present invention as long as it is a stamp of a material capable of transferring a material coated on the stamp onto the adhesive, in particular a nano-inorganic particle, in contact with the adhesive of the present invention.
  • the nano inorganic particles may be, for example, graphene, metallic grid, carbon nanotubes, silver nanowires and boron nitride.
  • the nano-inorganic particles of the present invention is preferably in the form of wire or thin film.
  • a grid may be formed by oriented in one direction or primary coating and primary coating in a vertical direction.
  • silver nanowires are used as nano inorganic particles. The silver nanowires were coated so as to be oriented in one direction.
  • 1B is an enlarged photograph of silver nanowires coated to be oriented in one direction on PDMS.
  • Figure 1 c illustrates the transfer of nano-inorganic particles by PDMS stamping on an adhesive coated polymer substrate.
  • the polymer substrate is not limited, but may preferably be a flexible transparent polymer such as PET.
  • FIG. 1D illustrates the transfer of silver nanowires oriented in one direction onto the adhesive.
  • FIG. 1E illustrates a state in which a grid is formed by transferring silver nanowires in a direction perpendicular to the alignment direction of d.
  • Silver wire was prepared as an exemplary material to be complexed with a polymer.
  • Silver nanowires were purchased from Sigmae-Aldrich. Silver nanowires were 20-50 ⁇ m long and 115 nm in diameter. This suspension had a concentration of 0.5% by weight diluted in isopropyl alcohol.
  • PDMS was prepared as an exemplary stamp material to transfer nanowires in a stamping manner.
  • PDMS stamps were prepared using the SYLGARD 184 silicone elastomer kit (Dow Corning Inc.). In SYLGARD 184, the PDMS precursor and the curing agent are mixed in a 10: 1 ratio and poured into a Petri dish. The bubbles were removed and cured at 70 ° C. for 1 hour.
  • PET film was prepared as a substrate, which was treated with oxygen plasma, and then the adhesive prepared on the substrate was spin coated at 3000 rpm for 30 seconds to form an adhesive layer 100-120 nm thick.
  • the prepared nanowire dispersion was coated on a PDMS slab with an automatic film applicator (Auto Film applicator Lab-Q P100H, CK Trade, Korea) at a constant deposition rate of 10 mm / s at 90 ° C. to oriented coating in one direction. And the orientation coating of the secondary nanowires in a direction perpendicular to the one-way orientation coating. Thereafter, ultraviolet rays were cured by irradiation.
  • Auto Film applicator Lab-Q P100H, CK Trade, Korea Auto Film applicator Lab-Q P100H, CK Trade, Korea
  • FIG. 2 is an image analysis image of the silver nanowire polymer composite film prepared in Example 1.
  • FIG. The left image of a of FIG. 2 is an SEM image primarily printed on the adhesive.
  • the right image of a is its image analysis image.
  • b is a histogram showing the number of silver nanowires with respect to the orientation angle of the silver nanowires. It is oriented in one direction.
  • the left image of c is a secondary printed SEM image so that it is vertically oriented on the primary printed nanowire and the right image is its image analysis image.
  • d is a histogram showing the number of silver nanowires relative to the orientation angle of the silver nanowires thereof. Show that you are forming a grid.
  • the main feature of the polymer nanocomposite film of the present invention is that the nanowires can be impregnated into the adhesive as shown in FIG.
  • the primary printed silver nanowires were confirmed to be impregnated into the adhesive layer as shown in FIG. 3.
  • the impregnation reduced its conductivity.
  • the silver nanowires may be partially or wholly exposed from the adhesive through several transfer processes on the first printed silver nanowires. It shows good physical contact and uniform surface conductivity and sheet resistance.
  • the present invention enables easy patterning of nanowires.
  • Conventional photolithography by nanowire wet etching did not allow small patterning. Because of etching, breakage of the network of nanowires occurred locally and caused large variations in sheet resistance.
  • the present invention can provide seamless network patterning of nanowires.
  • FIG. 4 schematically illustrates a method of nanowire patterning.
  • Selective polymerization of the adhesive by ultraviolet exposure of the photomask as in FIG. 4A can reduce the adhesion of the adhesive surface.
  • the nanowires can then be printed on surfaces that are not exposed to ultraviolet light (uncured areas, ie areas with strong adhesion).
  • 4 c to h shows a successful nanowire patterning method by the method of the ball invention.
  • FIG. 6 is a simulation showing that the thermal conductivity of the polymer composite sheet of the present invention can be improved.
  • 8A is a film coated with an adhesive only
  • FIG. 8B is a film in which BN nanoparticles are transferred onto an adhesive
  • FIG. 8C is a film having two layers of alternating adhesive and BN.
  • Figure 7 illustrates a method for producing a polymer composite sheet of the present invention by a roll-to-roll process.
  • the substrate roll 710 is wound around the polymer substrate, the adhesive jet portion 720 for injecting the adhesive, the hot air portion 730 for blowing hot air, the roller type PDMS stamp 740 and paired with Blade 750.
  • the substrate roll 710 is wound around the polymer substrate.
  • the substrate roll is unwound and the substrate is continuously supplied.
  • the adhesive of the present invention sprayed from the adhesive spraying unit 720 is ejected from the substrate unrolled from the substrate roll. Means for leveling the adhesive may be added and are not illustrated in FIG. 7.
  • the adhesive evaporates the solvent through the hot air drying unit 730.
  • the PDMS stamp roller 740 is positioned after the hot air dryer 730. PDMS stamp roller is the outer surface of the roller is made of PDMS, inorganic nanoparticles are coated.
  • the blade is located on the side of the roller, and the inorganic nanoparticle suspension 760 is supplied above the roller to coat the inorganic nanoparticles flat and uniformly oriented to the PDMS roller surface by the blade 750.
  • the inorganic nanoparticle-coated PDMS roller continuously rotates and transfers the inorganic nanoparticles onto the adhesive layer.
  • an additional PDMS stamp roller 741 may be further added, and the additional PDMS stamp roller 741 may stack multiple inorganic nanoparticles, and may change the stacking direction of the inorganic nanoparticles. You can update it.
  • the roll-to-roll process of the present invention may further include an additional adhesive spraying unit 721, hot air drying unit 731, and PDMS rollers 742 and 743 after the PDMS stamp rollers 740 and 741.
  • the UV irradiation part 790 may be included and the adhesive may be cured.

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Abstract

본 발명은 무기나노입자와 고분자의 복합체 박막 및 이의 제조 방법에 관한 것으로, 구체적으로 본 발명은 초박막 투명 접착제를 사용한 무기나노입자 고분자 복합체 박막 및 이의 제조 방법에 관한 것이다. 또한 자외선 경화성 초박막 투명 접착제의 사용하여 자외선 선택적 경화에 따라 무기나노입자가 고분자에서 패터닝된 고분자 무기나노입자 복합체 박막 및 이의 제조 방법에 관한 것이다.

Description

고분자 무기나노입자 복합체 다층 박막 및 이의 제조 방법
본 발명은 무기나노입자와 고분자의 복합체 박막 및 이의 제조 방법에 관한 것으로, 구체적으로 본 발명은 초박막 투명 접착제를 사용한 무기나노입자 고분자 복합체 박막 및 이의 제조 방법에 관한 것이다. 또한 자외선 경화성 초박막 투명 접착제의 사용하여 자외선 선택적 경화에 따라 무기나노입자가 고분자에서 패터닝된 고분자 무기나노입자 복합체 박막 및 이의 제조 방법에 관한 것이다.
기존에는 고분자의 물성을 향상시키기 위한 방법으로 고분자와 입자의 복합화를 위한 연구가 진행되고 있다.
대표적인 방법으로 고분자에 입자를 분산하여 복합재를 제조하는 방법이 있다. 하지만 복합화를 위해서는 고분자와 필러 사이의 계면 제어가 필요하다. 이는 주로 고분자인 모재와 필러의 종류에 따라 계면 제어의 방법이 달라진다. 그리고 반응성이 낮은 필러의 경우 계면 제어가 어렵다는 단점이 있다. 또한, 필러가 균일하게 분산이 되더라도 필러 입자들이 효과적인 전도성 경로를 형성하지 않으면 열 전도성이 낮다는 단점이 있다.
이를 극복하기 위해 고분자에 많은 양의 필러를 충진해야 한다. 충진량이 많을수록 필러간 사이가 가까워져 상호작용이 커지며 응집이 일어나 균일한 분산이 어려우며 충진 가능한 양에 한계가 있다. 그리고 충진량이 증가하면 복합재의 열 전도성 뿐만 아니라 강도, 모듈러스와 같은 기계적 물성이 증가하며 유연성을 감소시킨다. 또한, 기존에 연구되고 있는 복합재의 경우 두께가 두껍다. 이런 성질은 최근 전자소자의 유연화, 박형화, 소형화 추세에 적합하지 않다.
얇은 복합재 제조 방법으로는 층상 자기조립법(layer-by-layer assembly)이 있다. 다양한 물질들이 기판 위에 정전기적 인력, 수소결합, 공유결합 등으로 층 간의 결합을 이뤄 다층 박막 제작이 가능한 방법이다. 하지만 물질 간 강한 친화력을 가지지 않으면 다층 박막을 제작하는 것이 불가능하다. 따라서 추가적으로 양친화성 물질을 중간에 삽입하거나 표면개질이 필요하다. 표면개질을 하게 되면 재료 고유의 성질을 변화시키는 문제점이 있다.
본 발명의 목적은 나노 복합체 다층 박막 및 이의 제조 방법을 제공함에 있다. 구체적으로, 본 발명은 쉽고 간단한 공정으로 내구성이 우수하고 두께가 얇은 고기능성 박막을 제조하는데 목적이 있다. 또한, 본 발명은 열전도성 또는 전기전도성 나노 복합체 다층 박막을 제공하는데 목적이 있다. 또 다른 목적은 기능성 접착 필름으로 사용가능함을 보이는데 있다.
일 측면으로서 본 발명은 고분자 기판; 상기 고분자 기판 상에 코팅된 접착제 층; 및 상기 접착제 층 위에 코팅된 나노무기입자층을 포함하고, 상기 접착제 층과 상기 나노무기입자층이 교호적으로 둘 이상 적층된, 고분자 무기나노입자 복합체 다층 박막을 제공한다.
상기 교호적 적층을 통해 나노무기입자의 질량분율(mass fraction)을 높아짐에도 기계적 안정성도 높아질 수 있다.
상기 고분자 기판은 플렉서블 투명 기판임을 특징으로 한다.
상기 나노무기입자의 접착제 층 위의 코팅은 상기 접착제 층 표면에 위치하거나 상기 접착제 층 내로 상기 나노무기입자의 전부 또는 일부가 함침됨을 포함한다.
상기 접착제는, 비스페놀A계 아크릴레이트 화합물 및 알콕시실릴계 아크릴레이트 화합물을 포함하는 투명 접착제를 포함한다.
상기 비스페놀A계 디아크릴레이트 화합물은 아래 화학식2의 비스페놀 에이 글리세롤레이트(1 글리세롤/페놀) 다이아크릴레이트 (Bisphenol A glycerolate (1 glycerol/phenol) diacrylate)임을 특징으로 한다.
Figure PCTKR2016014990-appb-C000001
상기 알콕시실릴계 아크릴레이트 화합물은 아래 화학식3의 3-(트리메톡시실릴)프로필 메타크릴레이트(3-(trimethoxysilyl)propyl methacrylate)임을 특징으로 한다.
Figure PCTKR2016014990-appb-C000002
상기 접착제는 광개시제를 포함함을 특징으로 한다.
상기 중합 광개시제는 아래 화학식1의 2-벤질-2-(디메틸아미노)-4-모르폴리노부티로페논(2-Benzyl-2-(dimethylamino)-4-morpholinobutyrophenone)임을 특징으로 한다.
Figure PCTKR2016014990-appb-C000003
상기 접착제는 폴리(메틸 실세스퀴녹산)(poly(methyl silsesquioxane))을 포함할 수 있다.
본 발명의 접착제는 얇은 층이 형성되면서 나노무기입자에 대한 충분한 접착력을 제공할 수 있으며, 나노무기입자 간의 퍼콜레이션(percolation)을 용이하게 한다. 이 퍼콜레이션에 따라 전도 특성 및 열방출 특성을 극대화 한다.
본 발명의 상기 접착층의 두께는 100nm 내지 150nm 임을 특징으로 하며, 100nm 이하에서는 공정상의 불량이 발생될 수 있다. 150nm 이상의 두께는 기계적 안정성이 저하될 수 있다.
상기 나노무기입자는, 그래핀, 금속성 그리드, 탄소나노튜브, 실버나노와이어 및 보론나이트라이드를 포함할 수 있다.
본 발명의 고분자 무기나노입자 복합체 다층 박막은 히트싱크, 전자파 차폐재 및 전자소자의 전극으로서 응용될 수 있다.
다른 측면으로서,
본 발명은 i) 기판을 준비하는 단계; ii) 상기 기판 상에 접착제 층을 형성하는 단계; 및 iii) 나노무기입자층이 코팅된 스탬프로 상기 접착제 층에 상기 나노무기입자를 전사시켜 나노무기입자층을 형성하는 단계를 포함하는, 고분자 무기나노입자 복합체 다층 박막 제조 방법을 제공한다.
상기 단계 ii) 및 iii)를 2회 이상 반복하여 접착제층과 나노무기입자 층 교호 적층된 고분자 무기나노입자 복합체 다층 박막 제조 방법을 제공한다.
단계 iii)에서 나노무기입자의 상기 접착제 층으로의 함침된 나노무기입자 간의 연결(junction)을 형성하도록 2회 이상의 전사 단계를 포함한다.
상기 나노무기입자는 와이어 형상의 나노무기입자이고, 상기 2회 이상의 전사시, 상기 와이어 형상의 나노무기입자가 교차되도록 전사함을 포함한다.
상기 접착제는 UV 경화성 접착제이고, iv) 단계 iii) 이후에 고분자 무기나노입자 복합체 다층 박막을 자외선 조사하여 경화시킴을 포함할 수 있다.
상기 접착제는 UV 경화성 접착제이고, 상기 단계 ii)과 iii) 사이에, 상기 접착제 층을 포토마스크를 이용하여 선택적 UV 경화하는 단계를 포함하고, iii) 단계를 통해, 상기 UV 경화되지 않은 영역에 나노무기입자층을 형성하는 단계를 포함하여, 무기 나노입자를 패터닝함을 특징으로 할 수 있다.
상기 나노무기입자는 나노와이어이고, 단계 iii)은 나노와이어가 상기 접착제 층 상에 일방향으로 배향되도록 1차 스탬핑을 한 후 나노와이어가 그리드를 형성하도록 2차 스탬핑을 함을 포함하여, 나노와이어로 그리드 형 나노무기입자 층을 형성할 수 있다.
다른 측면으로서, 본 발명은 고분자 기판이 감겨 있고 고분자 기판을 공급하는 기판롤; 기판롤로부터 공급된 기판 상에 접착제를 공급하는 접착제 공급수단; 상기 접착제 공급수단 다음에 위치하여 기판 상에 공급된 접착제를 건조시키는 건조수단; 상기 건조수단 다음에 위치하고 상기 접착체 위에 무기나노입자를 전사키기 위한 전사 롤러; 상기 전사 롤러에 무기나노입자를 코팅시키는 무기나노입자 공급수단을 포함하는, 고분자 무기나노입자 복합체 다층 박막 롤투롤 제조 장치를 제공한다. 상기 무기나노입자 공급수단은 상기 전사 롤러 측에 블레이드 및 상기 블래이드 상으로 무기나노입자를 공급하는 공급부를 포함하며, 상기 블레이드는 상기 전사 롤러의 회전에 의해 무기나노입자를 평탄화시키도록 구성된다.
본 발명은 전사한 입자의 종류에 따라 열전도성 또는 전기 전도성 기능을 가진 박막을 제조할 수 있다. 종래 기술들은 표면개질과 같은 고분자와 입자사이의 친화력을 향상시키기 위해 추가적인 공정이 필요하지만 본 발명에서는 추가적인 공정 없이 다양한 물질에 적용가능하며 따라서 종래기술 보다 쉽고 간단하게 복합체 다층박막을 제조할 수 있다. 사용 목적에 따라 다층박막으로 단일박막에 비해 더 높은 성능을 얻을 수 있다.
또한 본 발명은 쉽고 간단하게 입자들의 패턴을 형성을 할 수 있다.
본 발명에서 제조된 다층박막은 두께가 얇기 때문에 소자의 유연화, 박형화, 소형화 등에 적합하다. 또한 접착제와 입자 사이의 강한 결합력으로 내구성이 우수하다. 입자의 전사 횟수를 조절하여 원하는 성능을 얻을 수 있다.
도 1은 본 발며의 고분자나노복합재의 제조 방법을 예시한다.
도 2는 실시예1에서 제조한 은나노와이어 고분자 복합 필름의 영상 분석 이미지이다.
도 3은 나노입자가 접착제 내에 함침됨을 보여주는 도면이다.
도 4는 나노와이어 패터닝의 방법을 개략적으로 예시한다.
도 5는 본 발명의 여러 성능 평가를 보여주는 결과이다.
도 6은 본 발명의 고분자복합시트의 열전도성을 향상시킬 수 있음을 보인 시뮬레이션이다.
도 7은 롤투롤 공정으로 본 발명의 고분자복합시트를 제조하는 방법을 예시한다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있는바, 특정 실시예들에 대해서만 상세하게 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명을 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다.
본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서 상에 기재된 특징, 구성요소 등이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 구성요소 등이 존재하지 않거나 부가될 수 없음을 의미하는 것은 아니다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
본 발명에는 접착제로 코팅된 기판 위에 나노물질을 전사하여 복합재 박막을 제조한다.
도 1은 본 발명의 고분자나노복합재의 제조 방법을 예시한다.
도 1의 a는 스탬프 상에 나노무기입자를 코팅한다. 본 발명의 스탬프는 PDMS를 예시하였으며, 본 발명의 접착제와 접촉으로 접착제 상으로 스탬프에 코팅된 물질 특히 나노무기입자를 전사시킬 수 있는 재료의 스탬프이면 본 발명의 스탬프일 수 잇다. 그리고 나노무기입자는 예를 들어, 그래핀, 금속성 그리드, 탄소나노튜브, 실버나노와이어 및 보론나이트라이드일 수 있다. 특히 본 발명의 나노무기입자는 와이어 형태 또는 박막형태가 바람직하다. 특히 와이어 형태의 경우 일방향으로 배향되거 1차 코팅하고 수직방향으로 1차 코팅하여 그리드를 형성할 수도 있는 장점이 있다. 본 발명은 예시적으로 나노무기입자로서 은나노와이어를 사용하였다. 은나노와이어를 일방향으로 배향되도록 코팅시켰다.
도 1의 b는 PDMS 상에 일방향으로 배향되도록 코팅된 실버나노와이어의 확대사진이다.
도 1의 c는 접착제가 코팅된 고분자 기판 상에 PDMS 스탬핑으로 나노무기입자를 전사시킴을 예시한다. 고분자 기판은 제한되지 않으나, 바람직하게는 유연성 투명 고분자, 예컨대 PET일 수 있다.
도 1의 d는 일 방향으로 배향된 은나노와이어가 접착제 위에 전사된 모습을 예시한다.
도 1의 e는 d의 배향방향에 수직한 방향으로 은나노와이어를 전사시켜 그리드를 형성한 모습이다.
[실시예 1]
(1) 나노무기재료
고분자와 복합화를 이룰 예시적인 재료로서 실버와이어를 준비하였다. 실버나노와이어를 Sigmae-Aldrich로부터 구입하였다. 실버나노와이어는 20-50㎛의 길이 및 115nm의 직경이었다. 이 현탁물은 이소프로필알코올에 희석된 0.5중량%의 농도를 가졌다.
(2) 스탬프
나노와이어를 스탬핑 방식으로 전사할 예시적인 스탬프 재료로서 PDMS를 준비하였다. PDMS 스탬프를 SYLGARD 184 silicone elastomer kit (Dow Corning Inc.)를 사용하여 제조하였다. SYLGARD 184에서 PDMS 전구체와 경화제를 10:1 비율로 섞어준 후 페트리 디쉬에 부어준다. 기포를 제거하고 70℃에서 1시간 경화하였다.
(3) 접착제
초박막 접착제로서 비스페놀 A 글리세롤레이트(1 글리세롤/페놀) 디아크릴레이트, 3-(트리메톡시실릴) 프로필 메타크릴레이트, 스핀-온 글라스(SOG 500F), 2-벤질-2-(디메틸아미노)-4, 무수에탄올을 200:100:100:9:1700 질량 비율로 섞어 제조하였다.
(4) 기판 상의 접착층 형성
PET 필름을 기재로서 준비하였고, 이를 산소 플라즈마로 처리한 후, 이 기재 위에 준비된 접착제를 30초 동안 3000 rpm으로 스핀 코팅하여 100-120 nm 두께의 접착제 층을 형성하였다.
(5) 고분자나노복합 필름 제조
Automatic film applicator(Auto Film applicator Lab-Q P100H, CK Trade, Korea)으로 PDMS 슬랩(slab) 위에 상기 준비된 나노와이어 분산물을 90℃에서 10mm/s의 일정한 증착 속도로 코팅하여 일방향으로 배향 코팅하였다. 그리고 상기 일방향 배향 코팅에 수직한 방향으로 2차 나노와이어의 배향 코팅하였다. 그 후, 자외선을 조사하여 경화시켰다.
도 2는 실시예1에서 제조한 은나노와이어 고분자 복합 필름의 영상 분석 이미지이다. 도 2의 a의 왼쪽 이미지는 접착제 상에 1차 프린트된 SEM 이미지이다. a의 오른쪽 이미지는 이의 영상 분석 이미지이다. b는 은나노와이어의 배향 각도에 대한 은나노와이어 수를 보여주는 히스토그램이다. 일방향으로 배향됨을 보여준다. c의 왼쪽 이미지는 1차 프린트된 나노와이어 상에 수직 배향되도록 2차 프린트된 SEM 이미지이고 오른쪽 이미지는 이의 영상 분석 이미지이다. d는 이의 은나노와이어의 배향 각도에 대한 은나노와이어 수를 보여주는 히스토그램이다. 그리드를 형성하고 있음을 보여준다.
본 발명의 고분자나노복합필름의 주요 특징은 나노와이어가 도3에서와 같이접착제에 함침될 수 있다는 것이다. 1차 프린트된 은나노와이어는 도 3에서와 같이 접착제 층에 함침되었음을 확인하였다. 함침에 따라 이의 전도성은 감소하였다. 그러나 1차 프린트된 은나노와이어 상에 여러 번의 전사 과정을 통해 은나노와이어는 부분적으로 또는 전체적으로 접착체로부터 노출될 수 있음을 확인하였다. 그리고 우수한 물리적 접촉을 보여주고 균일한 표면 전도성 및 시트 저항성을 보여준다.
본 발명의 또 다른 주요 특징은 본 발명은 나노와이어의 패터닝이 쉽게 가능하다는 것이다. 나노와이어 습식 에칭에 의한 통상의 포토리소그래피는 작은 패턴화가 가능하지 않았다. 왜냐하면 에칭에 의해 나노와이어의 네트워크의 끊김이 국소적으로 발생하고 시트 저항의 큰 편차를 야기했다. 그러나 본 발명은 나노와이어의 네트워크 끊김이 없는 패터닝을 제공할 수 있다.
도 4는 나노와이어 패터닝의 방법을 개략적으로 예시한다. 도 4의 a에서와 같이 포토마스크의 자외선 노출에 의해 접착제의 선택적 중합은 접착 표면의 접착력을 감소시킬 수 있다. 그 다음에 나노와이어를 자외선에 노출되지 않은 표면(경화되지 않은 영역, 즉 접착력이 강한 영역)에 프린트 할 수 있다. 도 4의 c 내지 h는 볼 발명의 방법으로 실제 나노와이어 패터닝을 성공한 모습을 보여준다.
도 5는 본 발명의 여러 성능 평가를 보여주는 결과이다. 결과적으로 투과도 86.7%, 면저항 9.3ohm/sq로 우수한 광학적 전기적 특성을 가진 전도성 박막을 제작하였다. 또한, 나노물질이 접착제에 강하게 부착되어 있어 내구성이 우수하며 접착제의 두께가 매우 얇기 때문에 유연성도 우수하다. 10만 번의 굽힘 피로시험을 통해 저항이 변하지 않음을 확인함으로써 내구성이 매우 우수함을 알 수 있다. 전기 전도성 박막을 구부렸을 때 저항의 변화를 확인한 결과, 0.15mm 곡률반경까지 구부렸음에도 저항의 변화가 크지 않았으며 다시 폈을 때 원래의 저항으로 돌아왔다. 이를 통해 유연성이 매우 우수함을 알 수 있다.
도 6은 본 발명의 고분자복합시트의 열전도성을 향상시킬 수 있음을 보인 시뮬레이션이다. 도 8의 a는 접착제만 코팅된 필름, 도8의 b는 접착제 위에 BN 나노입자가 전사된 필름, 도8의 c는 접착제와 BN이 번갈아 가면서 두 겹씩 있는 필름이다. 100의 소자를 필름위에 부착했을 때 도8의 c가 가장 열이 많이 확산된 것을 확인 할 수 있다.
도 7은 롤투롤 공정으로 본 발명의 고분자복합시트를 제조하는 방법을 예시한다.
본 발명의 롤투롤 장치는, 고분자 기판가 감겨 있는 기판롤(710), 접착제를 분사하는 접착제 분사부(720), 열풍을 내는 열풍부(730), 롤러형 PDMS 스탬프(740) 및 이와 짝을 이룬 블래이드(750)를 포함한다.
고분자 기판이 감겨 있는 기판롤(710)에 감겨 있다. 기판롤은 풀리면서 기판을 연속적으로 공급한다. 기판롤로부터 풀린 기판은 접착제 분사부(720)로부터 부터 분사된 본 발명의 접착제가 분사된다. 접착제의 평단화를 위한 수단이 추가될 수 있으며 도 7에서는 예시하지 않았다. 접착제는 열풍 건조부(730)를 통해 용매를 증발시킨다. 열풍 건조부(730) 다음에는 PDMS 스탬프 롤러(740)가 위치한다. PDMS 스탬프 롤러는 롤러의 외면이 PDMS로 이뤄져 있으며, 무기나노입자가 코팅된다. 블래이드는 롤러의 측면에 위치하며, 롤러 위쪽으로 무기나노입자 현탁액(760)이 공급되며 블래이드(750)에 의해 PDMS 롤러 표면으로 평탄하고 균일하게 배향된 무기나노입자를 코팅시킨다. 무기나노입자가 코팅된 PDMS 롤러는 회전하면서 연속적으로 접착층 상에 무기나노입자를 전사시킨다. 이와 같은 롤투롤 공정에 의해 연속적으로 대면적 고분자무기나노입자 복합제를 형성시킬 수 있다.
본 발명의 롤투롤 공정은 추가의 PDMS 스탬프 롤러(741)이 더 추가될 수 있으며, 이 추가 PDMS 스탬프 롤러(741)에 의해 무기나노입자를 여러겹 적층할 수 있으며, 무기나노입자의 적층 방향을 새롭게 할 수 있다.
또한 본 발명의 롤투롤 공정은 PDMS 스탬프 롤러(740, 741) 다음에 추가로 추가 접착제 분사부(721), 열풍건조부(731) 및 PDMS 롤러(742, 743)을 포함할 수 있다. 마지막 순서에 UV 조사부(790)를 포함하며, 접착제를 경화시킬 수 있다.

Claims (29)

  1. 고분자 기판;
    상기 고분자 기판 상에 코팅된 접착제 층; 및
    상기 접착제 층 위에 코팅된 나노무기입자층을 포함하고,
    상기 접착제 층과 상기 나노무기입자층이 교호적으로 둘 이상 적층된,
    고분자 무기나노입자 복합체 다층 박막.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 고분자 기판은 플렉서블 투명 기판임을 특징으로 하는,
    고분자 무기나노입자 복합체 다층 박막.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 나노무기입자의 접착제 층 위의 코팅은 상기 접착제 층 표면에 위치하거나 상기 접착제 층 내로 상기 나노무기입자의 전부 또는 일부가 함침됨을 포함하는,
    고분자 무기나노입자 복합체 다층 박막.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 접착제는, 비스페놀A계 아크릴레이트 화합물 및 알콕시실릴계 아크릴레이트 화합물을 포함하는 투명 접착제를 포함하는,
    고분자 무기나노입자 복합체 다층 박막.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 비스페놀A계 디아크릴레이트 화합물은 아래 화학식2의 비스페놀 에이 글리세롤레이트(1 글리세롤/페놀) 다이아크릴레이트 (Bisphenol A glycerolate (1 glycerol/phenol) diacrylate)임을 특징으로 하는,
    고분자 무기나노입자 복합체 다층 박막:
    Figure PCTKR2016014990-appb-I000001
    화학식2.
  6. 제4항에 있어서,
    상기 알콕시실릴계 아크릴레이트 화합물은 아래 화학식3의 3-(트리메톡시실릴)프로필 메타크릴레이트(3-(trimethoxysilyl)propyl methacrylate)임을 특징으로 하는,
    고분자 무기나노입자 복합체 다층 박막:
    Figure PCTKR2016014990-appb-I000002
    화학식3.
  7. 제4항에 있어서,
    상기 접착제는 광개시제를 포함함을 특징으로 하는,
    고분자 무기나노입자 복합체 다층 박막.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 중합 광개시제는 아래 화학식1의 2-벤질-2-(디메틸아미노)-4-모르폴리노부티로페논(2-Benzyl-2-(dimethylamino)-4-morpholinobutyrophenone)임을 특징으로 하는,
    고분자 무기나노입자 복합체 다층 박막:
    Figure PCTKR2016014990-appb-I000003
    화학식1.
  9. 제4항에 있어서,
    상기 접착제는 폴리(메틸 실세스퀴녹산)(poly(methyl silsesquioxane))을 포함하는,
    고분자 무기나노입자 복합체 다층 박막.
  10. 제4항에 있어서,
    상기 접착층의 두께는 100nm 내지 150nm 임을 특징으로 하는,
    고분자 무기나노입자 복합체 다층 박막.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 나노무기입자는, 그래핀, 금속성 그리드, 탄소나노튜브, 실버나노와이어 및 보론나이트라이드를 포함하는,
    고분자 무기나노입자 복합체 다층 박막.
  12. 제1항 내지 제 11항 중 어느 한 항의 고분자 무기나노입자 복합체 다층 박막을 포함하는 히트싱크.
  13. 제1항 내지 제 11항 중 어느 한 항의 고분자 무기나노입자 복합체 다층 박막을 포함하는 전자파 차폐재.
  14. i) 기판을 준비하는 단계;
    ii) 상기 기판 상에 접착제 층을 형성하는 단계; 및
    iii) 나노무기입자층이 코팅된 스탬프로 상기 접착제 층에 상기 나노무기입자를 전사시켜 나노무기입자층을 형성하는 단계를 포함하는,
    고분자 무기나노입자 복합체 다층 박막 제조 방법.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 단계 ii) 및 iii)를 2회 이상 반복하여 접착제층과 나노무기입자 층 교호 적층된,
    고분자 무기나노입자 복합체 다층 박막 제조 방법.
  16. 제14항에 있어서,
    단계 iii)에서 나노무기입자의 상기 접착제 층으로의 함침된 나노무기입자 간의 연결(junction)을 형성하도록 2회 이상의 전사 단계를 포함하는,
    고분자 무기나노입자 복합체 다층 박막 제조 방법.
  17. 제16항에 있어서,
    상기 나노무기입자는 와이어 형상의 나노무기입자이고,
    상기 2회 이상의 전사시, 상기 와이어 형상의 나노무기입자가 교차되도록 전사함을 포함하는,
    고분자 무기나노입자 복합체 다층 박막 제조 방법.
  18. 제14항에 있어서,
    상기 접착제는 UV 경화성 접착제이고,
    iv) 단계 iii) 이후에 고분자 무기나노입자 복합체 다층 박막을 자외선 조사하여 경화시킴을 포함하는,
    고분자 무기나노입자 복합체 다층 박막 제조 방법.
  19. 제 14항에 있어서,
    상기 접착제는 UV 경화성 접착제이고,
    상기 단계 ii)과 iii) 사이에, 상기 접착제 층을 포토마스크를 이용하여 선택적 UV 경화하는 단계를 포함하고,
    iii) 단계를 통해, 상기 UV 경화되지 않은 영역에 나노무기입자층을 형성하는 단계를 포함하여, 무기 나노입자를 패터닝함을 특징으로 하는,
    고분자 무기나노입자 복합체 다층 박막 제조 방법.
  20. 제 14항에 있어서,
    상기 나노무기입자는 나노와이어이고,
    단계 iii)은 나노와이어가 상기 접착제 층 상에 일방향으로 배향되도록 1차 스탬핑을 한 후 나노와이어가 그리드를 형성하도록 2차 스탬핑을 함을 포함하여,
    나노와이어로 그리드 형 나노무기입자 층을 형성하는,
    고분자 무기나노입자 복합체 다층 박막 제조 방법.
  21. 제 14항에 있어서,
    상기 접착제는, 비스페놀A계 아크릴레이트 화합물 및 알콕시실릴계 아크릴레이트 화합물을 포함하는 투명 접착제를 포함하는,
    고분자 무기나노입자 복합체 다층 박막 제조 방법.
  22. 제 21항에 있어서,
    상기 비스페놀A계 디아크릴레이트 화합물은 아래 화학식2의 비스페놀 에이 글리세롤레이트(1 글리세롤/페놀) 다이아크릴레이트 (Bisphenol A glycerolate (1 glycerol/phenol) diacrylate)임을 특징으로 하는,
    고분자 무기나노입자 복합체 다층 박막 제조 방법:
    Figure PCTKR2016014990-appb-I000004
    화학식2.
  23. 제 21항에 있어서,
    상기 알콕시실릴계 아크릴레이트 화합물은 아래 화학식3의 3-(트리메톡시실릴)프로필 메타크릴레이트(3-(trimethoxysilyl)propyl methacrylate)임을 특징으로 하는,
    고분자 무기나노입자 복합체 다층 박막 제조 방법:
    Figure PCTKR2016014990-appb-I000005
    화학식3.
  24. 제 21항에 있어서,
    상기 접착제는 광개시제를 포함함을 특징으로 하는,
    고분자 무기나노입자 복합체 다층 박막 제조 방법.
  25. 제 21항에 있어서,
    상기 접착제는 광개시제를 포함함을 특징으로 하는,
    고분자 무기나노입자 복합체 다층 박막 제조 방법:
    Figure PCTKR2016014990-appb-I000006
    화학식1.
  26. 제 21항에 있어서,
    상기 접착제는 폴리(메틸 실세스퀴녹산)(poly(methyl silsesquioxane))을 포함하는,
    고분자 무기나노입자 복합체 다층 박막 제조 방법.
  27. 제 14항에 있어서,
    상기 나노무기입자는, 그래핀, 금속성 그리드, 탄소나노튜브, 실버나노와이어 및 보론나이트라이드를 포함하는,
    고분자 무기나노입자 복합체 다층 박막 제조 방법.
  28. 고분자 기판이 감겨 있고 고분자 기판을 공급하는 기판롤;
    기판롤로부터 공급된 기판 상에 접착제를 공급하는 접착제 공급수단;
    상기 접착제 공급수단 다음에 위치하여 기판 상에 공급된 접착제를 건조시키는 건조수단;
    상기 건조수단 다음에 위치하고 상기 접착체 위에 무기나노입자를 전사키기 위한 전사 롤러;
    상기 전사 롤러에 무기나노입자를 코팅시키는 무기나노입자 공급수단을 포함하는,
    고분자 무기나노입자 복합체 다층 박막 롤투롤 제조 장치.
  29. 제 28항에 있어서,
    상기 무기나노입자 공급수단은 상기 전사 롤러 측에 블레이드 및 상기 블래이드 상으로 무기나노입자를 공급하는 공급부를 포함하며,
    상기 블레이드는 상기 전사 롤러의 회전에 의해 무기나노입자를 평탄화시키도록 구성된,
    고분자 무기나노입자 복합체 다층 박막 롤투롤 제조 장치.
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