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KR101335683B1 - ２차원 나노소재에 의해 전도성이 향상된 １차원 전도성 나노소재기반 전도성 필름 - Google Patents

２차원 나노소재에 의해 전도성이 향상된 １차원 전도성 나노소재기반 전도성 필름 Download PDF

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KR101335683B1
KR101335683B1 KR1020110101907A KR20110101907A KR101335683B1 KR 101335683 B1 KR101335683 B1 KR 101335683B1 KR 1020110101907 A KR1020110101907 A KR 1020110101907A KR 20110101907 A KR20110101907 A KR 20110101907A KR 101335683 B1 KR101335683 B1 KR 101335683B1
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conductive
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이건웅
정희진
정승열
김준석
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한국전기연구원
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Abstract

본 발명은 2차원 나노소재에 의해 전도성이 향상된 1차원 전도성 나노소재기반 전도성 필름에 관한 것으로, 기판과, 상기 기판 상면에 형성된 1차원 전도성 나노소재층과, 상기 1차원 전도성 나노소재층 상면에 형성된 2차원 나노소재층을 포함하여 전도성 필름이 형성되되, 상기 1차원 전도성 나노소재층에 포함된 1차원 전도성 나노소재는 탄소나노튜브, 금속나노와이어, 금속나노로드(metal nanorod) 중에서 선택된 1종 이상으로 형성되고, 상기 2차원 나노소재층에 포함된 2차원 나노소재는 산화그래핀, 보론나이트라이드(boron nitride), 텅스텐옥사이드(WO3), 몰리브데넘설파이드(MoS2), 몰리브데넘텔루라이드(MoTe2), 니오비움 디셀레나이드(NbSe2), 탄탈륨 디셀레나이드(TaSe2), 망간옥사이드(MnO2) 중에서 선택된 1종 이상으로 형성되는 2차원 나노소재에 의해 전도성이 향상된 1차원 나노소재기반 전도성 필름을 기술적 요지로 한다. 이에 따라, 탄소나노튜브나 금속나노와이어 등의 1차원 전도성 나노소재 상면에 2차원 나노소재인 그래핀 등을 적층하여 1차원 전도성 나노소재 필름의 전도성 등을 향상시키는 이점이 있다.

Description

２차원 나노소재에 의해 전도성이 향상된 １차원 전도성 나노소재기반 전도성 필름{One-dimensional conductive nanomaterial-based conductive films with enhanced conductivities by coating with two-dimensional nanomaterials}
본 발명은 2차원 나노소재에 의해 전도성이 향상된 1차원 전도성 나노소재기반 전도성 필름에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 탄소나노튜브나 금속나노와이어 등의 1차원 전도성 나노소재로 이루어진 필름 상면에 2차원 나노소재인 그래핀 등을 적층하여 1차원 전도성 나노소재 필름의 전도성을 향상시키는 2차원 나노소재에 의해 전도성이 향상된 1차원 전도성 나노소재기반 전도성 필름에 관한 것이다.
일반적으로 투명전도성 필름은 플라스마 디스플레이 패널(PDP), 액정 디스플레이(LCD) 소자, 발광다이오드소자(LED), 유기전자발광소자(OLEL), 터치패널 또는 태양전지 등에 사용된다.
이러한 투명전도성 필름은 높은 도전성(예를 들면, 1x103Ω/sq 이하의 면저항)과 가시영역에서 높은 투과율을 가지기 때문에 태양전지, 액정표시소자, 플라즈마 디스플레이 패널, 스마트 윈도우 그 이외의 각종 수광소자와 발광소자의 전극으로 이용되는 것 이외에 자동차 창유리나 건축물의 창유리 등에 쓰이는 대전 방지막, 전자파 차폐막 등의 투명전자파 차폐체 및 열선 반사막, 냉동쇼케이스 등의 투명 발열체로 사용되고 있다.
투명전도성 필름으로는 안티몬이나 불소가 도핑된 산화주석(SnO2)막 알루미늄이나 칼륨이 도핑된 산화아연(ZnO)막, 주석이 도핑된 산화인듐(In2O3)막 등이 광범위하게 이용되고 있다.
특히 주석이 도핑된 산화 인듐막, 즉 In2O3-Sn계의 막은 ITO(Indium tin oxide)막이라고 불리워지고, 저 저항의 막을 쉽게 얻을 수 있기 때문에 많이 이용되고 있다. ITO의 경우 제반 물성이 우수하고 현재까지 공정 투입의 경험이 많은 장점을 가지고 있지만, 산화인듐(In2O3)은 아연(Zn) 광산 등에서 부산물로 생산되기 때문에 수급이 불안정한 문제점이 있다. 또한, ITO막은 유연성이 없기 때문에 폴리머기질 등의 플렉시블한 재질에는 사용하지 못하는 단점이 있으며, 고온, 고압 환경하에서 제조가 가능하므로 생산단가가 높아지는 문제점이 있다.
또한, 플렉시블한 디스플레이 등을 얻기 위해 전도성 고분자를 이용하여 폴리머 기질 상면에 코팅시킬 수도 있으나, 이러한 필름은 외부 환경에 노출 시 전기전도도가 떨어지거나 투명하지 않은 문제점이 있어, 그 용도가 제한적이게 된다.
이러한 문제점을 해결하기 위해 최근에는 여러 종류의 기질 상면에 탄소나노튜브를 코팅하는 기술이 널리 연구되고 있다. 상기 탄소나노튜브는 전기저항이 10-4Ωcm로 금속에 버금가는 전기 전도도를 가지고 있으며, 표면적이 벌크 재료에 비해 1000배 이상 높고, 외경에 비해 길이가 수천배 정도로 길기 때문에 전도성 구현에 있어 이상적인 재료이며, 표면기능화를 통해 기질에의 결합력을 향상시킬 수 있는 장점이 있다. 특히, 플렉시블한 기질에의 사용이 가능하여 그 용도가 무한할 것으로 기대되고 있다.
종래의 이러한 탄소나노튜브를 이용한 기술로써, "탄소나노튜브를 함유하는 코팅막"(대한민국특허청 공개특허공보 공개번호 10-2004-0030553호)이 있다. 상기 종래 기술은 탄소나노튜브의 분산성 및 전기전도성을 고려하여 외경이 3.5nm인 탄소나노튜브만을 사용할 수 있어, 재료의 사용이 제한적인 문제점이 있으며, 코팅막 제조시 탄소나노튜브의 분산성 및 접착성이 떨어져 그 특성이 시간이 지날수록 저하되는 문제점이 있다.
다른 종래기술로는 대한민국특허청 등록특허공보 10-869163에는 본 출원인이 특허출원등록한 "탄소나노튜브와 바인더를 함유하는 투명전도성 필름의 제조방법 및 이에 의해 제조된 투명전도성 필름"이 소개되어 있다.
상기 종래기술은 외경 15nm 미만의 산처리된 탄소나노튜브와 바인더를 혼합하되, 상기 바인더를 상기 탄소나노튜브와 바인더 100 중량부에 대해 15 내지 80 중량부로 첨가하여 형성된 탄소나노튜브 바인더 혼합코팅액을 기질 상면에 코팅하여 투명 전도성 필름을 형성시키는 구성입니다.
상기 종래기술은 탄소나노튜브 네트워크의 패킹밀도(packing density)가 크지 않아 접합저항의 증가에 의해 전도성이 감소할 우려가 있고, 탄소나노튜브는 소수성을 지니고 있어 그 위에 친수성 물질을 도포하는데 어려움이 있다.
또한 탄소나노튜브인 경우 표면에 기공이 있어 표면이 거칠게 됨에 의해 광전자소자로의 이용에 제약이 있다는 문제점이 있다.
따라서, 본 발명은 상기한 종래기술들의 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 탄소나노튜브나 금속나노와이어 등의 1차원 전도성 나노소재로 이루어진 필름 상면에 2차원 나노소재인 그래핀 등을 적층하여 1차원 전도성 나노소재 필름의 전도성을 향상시키는 2차원 나노소재에 의해 전도성이 향상된 1차원 전도성 나노소재기반 전도성 필름에 관한 것이다.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 기판과, 상기 기판 상면에 형성된 1차원 전도성 나노소재층과, 상기 1차원 전도성 나노소재층 상면에 형성된 2차원 나노소재층을 포함하여 전도성 필름이 형성되되, 상기 1차원 전도성 나노소재층에 포함된 1차원 전도성 나노소재는 탄소나노튜브, 금속나노와이어, 금속나노로드(metal nanorod) 중에서 선택된 1종 이상으로 형성되고, 상기 2차원 나노소재층에 포함된 2차원 나노소재는 산화그래핀, 보론나이트라이드(boron nitride), 텅스텐옥사이드(WO3), 몰리브데넘설파이드(MoS2), 몰리브데넘텔루라이드(MoTe2), 니오비움 디셀레나이드(NbSe2), 탄탈륨 디셀레나이드(TaSe2), 망간옥사이드(MnO2) 중에서 선택된 1종 이상으로 형성되는 2차원 나노소재에 의해 전도성이 향상된 1차원 나노소재기반 전도성 필름을 기술적 요지로 한다.
여기서, 상기 기판은 유리, 수정, 글래스웨이퍼, 실리콘웨이퍼, 플라스틱으로 이루어진 군으로부터 선택된 1종으로 이루어진 것이 바람직하다.
상기 1차원 전도성 나노소재층은 1차원 전도성 나노소재를 용매에 분산시킨 1차원 전도성 나노소재용액을 상기 기판 상면에 도포하여 형성되고, 상기 도포는 스프레이(spray), 디핑(dipping), 스핀코팅(spin coating), 스크린 프린팅(screen printing), 잉크젯 프린팅(inkjet printing), 패드 프린팅, 나이프 코팅, 키스 코팅, 그라비아 코팅 중에서 선택된 하나의 방법을 이용하는 것이 바람직하다.
상기 2차원 나노소재는 산화 그래핀이고, 상기 2차원 나노소재층은 분말상태의 그래파이트 플레이크(flake)를 강산을 이용해 산처리한 후, 정제하여 제조된 산화흑연을 박리함으로써 형성된 산화그래핀을 상기 1차원 전도성 나노소재층 상면에 도포함에 의해 형성되는 것이 바람직하다. 여기서 상기 산처리는 스타우덴마이어법(L. Staudenmaier, Ber. Dtsch. Chem. Ges., 31, 1481-1499, 1898), 험머스법(W. Hummers 외 1명, J. Am. Chem. Soc., 80, 1339, 1958), 브로디법(B. C. Brodie, Ann. Chim. Phys., 59, 466-472, 1860)과 보다 효과적인 흑연의 산화와 박리를 위해 수정된 방법들이 알려져 있고 인용에 의해 본 발명 또한 상기 방법들을 이용한다.
상기 도포는 스프레이(spray), 디핑(dipping), 스핀코팅(spin coating), 스크린 프린팅(screen printing), 잉크젯 프린팅(inkjet printing), 패드 프린팅, 나이프 코팅, 키스 코팅, 그라비아 코팅, 옵셋 코팅 중에서 선택된 하나의 방법을 이용하는 것이 바람직하다.
이에 따라, 탄소나노튜브나 금속나노와이어, 금속나노로드 등의 1차원 전도성 나노소재 상면에 2차원 나노소재인 그래핀 등을 적층하여 1차원 전도성 나노소재 필름의 전도성 등을 향상시키는 이점이 있다.
상기의 구성에 의한 본 발명은, 탄소나노튜브나 금속나노와이어 등의 1차원 전도성 나노소재 상면에 2차원 나노소재인 그래핀 등을 적층하여 1차원 전도성 나노소재 필름의 전도성 등을 향상시키는 효과가 있다.
도 1은 기판상에 형성된 탄소나노튜브 필름의 주사 현미경 사진을 나타낸 도이고,
도 2는 1차원 전도성 나노소재 상면에 2차원 나노소재가 적층 되는 형상을 나타낸 모식도이고,
도 3은 2차원 나노소재층의 재료인 산화그래핀의 주사전자현미경 사진을 나타낸 도이고,
도 4는 2차원 나노소재층의 재료인 산화그래핀의 X-선 광전자 분광기(a)와 적외선 분광기(b) 분석 결과를 나타낸 도이고,
도 5는 탄소나노튜브 투명전도막에 산화그래핀을 도포전과 후의 투과도 대비 면저항 수치를 나타내는 도이고,
도 6은 산화그래핀 코팅에 따른 탄소나노튜브 투명전도막의 표면모폴로지에 대한 주사전자현미경 사진과 그 표면에서의 물접촉각을 나타내는 도이고,
도 7은 본 발명에 따른 산화그래핀 코팅에 따른 탄소나노튜브의 라만분광 스펙트럼을 나타내는 도이고,
도 8은 본 발명에 따른 산화그래핀 코팅에 따른 탄소나노튜브의 네트위크 변화를 나타낸 모식도이고,
도 9는 본 발명에 따른 산화그래핀을 이용해 전도성이 제어된 탄소나노튜브 투명전도막을 전극으로 사용하여 제작된 유기태양전지(a)와 그 특성(b)을 나타내는 도이고,
도 10은 2차원 나노소재층의 재료인 보론나이트라이드의 주사전자현미경 사진을 나타낸 도이다.
이하 본 발명의 바람직한 실시예를 도면을 참조로 상세히 설명한다.
< 제 1실시예 >
먼저 1차원 전도성 나노소재층에 대해 설명한다.
상기 1차원 전도성 나노소재층은 플라스틱기판 상면에 1차원 전도성 나노재료를 이용하여 투명전도막을 형성하는 과정으로, 본 발명의 실시예에서는 기판으로 폴리에틸렌테레프탈레이트(polyethylene terephthalate) 기판을 사용한다. 그리고 1차원 전도성 나노재료는 탄소나노튜브, 금속나노와이어, 금속나노로드 등이 사용 가능하나 본 발명의 실시예에서는 탄소나노튜브를 사용한다.
먼저, 단일벽 탄소나노튜브 1㎎을 계면활성제용액(1%농도) 100㎖에 첨가하고 초음파 분산기(sonicator)를 이용해 1시간 동안 탄소나노튜브를 분산시킨 후 원심분리기를 이용하여 1000rpm으로 30분 처리하여 상층액을 분리하여 탄소나노튜브 용액을 제조한다.
그런 다음, 상기 제조된 탄소나노튜브 용액을 스프레이 코터를 이용해 폴리에틸렌테레프탈레이트(polyethylene terephthalate) 기판에 도포한다.
상기의 과정에 의해 상기 기판에는 1차원 전도성 나노소재층인 탄소나노튜브 투명전도막이 형성되는바, 상기 투명전도막에는 계면활성제가 잔류하게 되는바, 증류수를 이용해 상기 계면활성제를 제거하여 최종적으로 도 1과 같이 탄소나노튜브 투명전도막이 형성된다.
상기의 상태에서 상기 1차원 전도성 나노소재층 상면에 2차원 나노소재층이 형성된다.
도 2는 1차원 전도성 나노소재 상면에 2차원 나노소재가 적층되는 형상을 나타낸 모식도이며, 본 발명의 실시예에서는 산화그래핀을 사용하였다.
산화그래핀은 순수흑연을 황산과 KMnO4로 1일 처리하고 과산화수소와 염산으로 정제하여 제조된 산화흑연을 초음파 분산기를 이용하여 박리함으로써 제조한다.
제조된 산화그래핀은 도 3과 같이 단일층으로 이루어졌으며, X-선 광전자 분광기와 적외선 분광기로 분석한 결과 도 4와 같이 산화물형태의 그래핀임을 확인하였다.
상기의 제조된 산화그래핀을 1차원 전도성 나노소재인 탄소나노튜브 투명전도막 상면에 스프레이 코터를 이용 도포하여 2차원 나노소재에 의해 전도성이 향상된 1차원 전도성 나노소재기반 전도성 필름을 형성하였다.
도 5는 산화그래핀을 도포전과 후의 투과도 대비 면저항 수치를 나타내는 도이다.
도 5에 나타난 바와 같이, 산화그래핀을 코팅한 경우에는 동일 투과도에서 처리 전에 비해 면 저항이 감소하였음 을 알 수 있었다. 즉, 1차원 전도성 나노소재층인 탄소나노튜브 투명전도막 상면에 2차원 나노소재층인 산화그래핀을 도포한 경우가 산화그래핀을 도포하기 전보다 동일 투과도에서 면 저항이 감소 되었으며, 이는 산화그래핀이 탄소나노튜브 네트워크의 충전밀도(packing density)를 증가시켜 접합저항을 감소시킴으로써 전도성을 증가시키는 것으로 이해된다.
다음은 산화그래핀 도포에 따른 물접촉각을 알아보기 위한 것으로, 도 6은 산화그래핀 코팅에 따른 탄소나노튜브 투명전도막의 표면모폴로지에 대한 주사전자현미경 사진과 그 표면에서의 물접촉각을 나타내는 도이다.
도 6(a)는 탄소나노튜브 투명전도막만이 존재하는 경우이고, 도 6(b)는 탄소나노튜브 투명전도막위에 산화그래핀이 도포된 경우이며, 도 6(c)는 도 6(b)의 일부확대도이다.
도 6(a)와 같이 산화그래핀 코팅전 물접촉각이 113.6도에서, 도 6(b)와 같이 산화그래핀을 코팅함에 따라 물접촉각이 27.9도까지 감소함으로써 물에 대한 젖음성이 향상됨을 확인하였다.
그리고, 도 6(c)에 나타난 바와 같이, 산화그래핀이 탄소나노튜브위에 균일하게 도포 됨을 알 수 있으며, 이는 산화그래핀이 탄소나노튜브 네트워크를 더 치밀하게 해줌을 알 수 있다.
도 7은 본 발명에 따른 산화그래핀 코팅에 따른 탄소나노튜브의 라만분광 스펙트럼 을 나타낸 도이고, 도 8은 본 발명에 따른 산화그래핀 코팅에 따른 탄소나노튜브의 네트위크 변화를 나타낸 모식도이다.
도시된 바와 같이, 탄소나노튜브의 라만스펙트럼에서 G 모드 밴드의 변화를 통해 탄소나노튜브의 변형을 관찰할 수 있다. 즉, 산화그래핀을 코팅함에 따라 G-모드의 피크가 오른쪽으로 이동하는 것을 확인하였다.
이러한 사실은 도 8에 나타난 바와 같이, 산화그래핀이 탄소나노튜브위에 도포되면서 탄소나노튜브 네트워크를 더 치밀하게 만들고 전자를 끌어당겨 도핑효과가 발생한다는 근거가 된다는 것을 의미한다.
부연설명하자면, 제조된 탄소나노튜브 투명전도막에 산화그래핀을 스프레이코터를 이용해 코팅한바, 산화그래핀을 코팅하기 전에 비해 코팅 후 도 8에 나타낸 바와 같이 탄소나노튜브 네트워크가 더 치밀해져 탄소나노튜브간 접합저항이 감소하고 탄소나노튜브와 직접 접촉하고 있는 산화그래핀에 의해 탄소나노튜브가 도핑됨으로 인해 투명전도막의 면저항이 감소하는 것이다.
도 9는 산화그래핀을 이용해 전도성이 제어된 탄소나노튜브 투명전도막을 전극으로 사용하여 제작된 유기태양전지(a)와 그 특성(b)을 나타내는 도이다.
도 9(a)에 나타난 바와 같이 탄소나노튜브 투명전도막을 전극으로 이용하여 유연한 유연 태양전지를 제작하였으며, 도 9(b)와 같이 산화그래핀을 코팅하지 않은 탄소나노튜브 투명전도막을 사용한 경우 광전효율이 0.43%에 불과하지만 산화그래핀을 코팅하여 전도성과 젖음성이 향상된 탄소나노튜브 투명전도막을 전극으로 사용한 경우 광전효율이 2.7%로 크게 증가함을 확인하였다.
< 제 2실시예 >
본 발명의 제2실시예에서는 제1실시예에서와 동일하게 탄소나노튜브 투명전도막을 형성시켰으며, 상층부에 도포되는 2차원 나노소재를 보론나이트라이드 (boron nitride)를 사용하였다.
보론나이트라이드는 흑연과 동일하게 한층의 2차원 보론나이트라이드가 층층으로 쌓여있는 구조이다.
본 발명에 따른 실시예에서는 알콜과 같은 유기용매에 보론나이트라이드를 분산시키고 초음파와 고압균질기를 이용하여 낱장의 2차원 보론나이트라이드 코팅액을 제조하였다.
도 10은 상기에서 제조된 낱장으로 분리된 2차원 보론나이트라이드의 주사전자현미경 사진을 나타내는 도로써, 단일층으로 이루어졌음을 알 수 있다.
상기 제조된 보론나이트라이드 용액을 탄소나노튜브 투명전도막에 코팅하여 2차원 나노소재층을 형성하였으며, 상기 제1실시예의 산화그래핀이 도포된 것과 마찬가지로 동일 투과도에서 면저항이 감소함을 확인하였다.
100 : 1차원전도성나노소재층 200 : 2차원나노소재층
300 : 기판

Claims (7)

  1. 기판과, 상기 기판 상면에 형성된 1차원 전도성 나노소재층과, 상기 1차원 전도성 나노소재층 상면에 형성된 2차원 나노소재층을 포함하여 전도성 필름이 형성되되,
    상기 1차원 전도성 나노소재층에 포함된 1차원 전도성 나노소재는 탄소나노튜브, 금속나노와이어, 금속나노로드(metal nanorod) 중에서 선택된 1종 이상으로 형성되고,
    상기 2차원 나노소재층에 포함된 2차원 나노소재는 산화그래핀, 보론나이트라이드(boron nitride), 텅스텐옥사이드(WO3), 몰리브데넘설파이드(MoS2), 몰리브데넘텔루라이드(MoTe2), 니오비움 디셀레나이드(NbSe2), 탄탈륨 디셀레나이드(TaSe2), 망간옥사이드(MnO2) 중에서 선택된 1종 이상으로 형성되어,
    상기 2차원 나노소재가 상기 1차원 전도성 나노소재의 네트워크의 충전밀도(packing density)를 증가시킴을 특징으로 하는 2차원 나노소재에 의해 전도성이 향상된 1차원 나노소재기반 전도성 필름.
  2. 제1항에 있어서, 상기 기판은 유리, 수정, 글래스웨이퍼, 실리콘웨이퍼, 플라스틱으로 이루어진 군으로부터 선택된 1종으로 이루어진 것을 특징으로 하는 2차원 나노소재에 의해 전도성이 향상된 1차원 나노소재기반 전도성 필름.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 1차원 전도성 나노소재층은 1차원 전도성 나노소재를 용매에 분산시킨 1차원 전도성 나노소재용액을 상기 기판 상면에 도포하여 형성됨을 특징으로 하는 2차원 나노소재에 의해 전도성이 향상된 1차원 나노소재기반 전도성 필름.
  4. 제3항에 있어서, 상기 도포는 스프레이(spray), 디핑(dipping), 스핀코팅(spin coating), 스크린 프린팅(screen printing), 잉크젯 프린팅(inkjet printing), 패드 프린팅, 나이프 코팅, 키스 코팅, 그라비아 코팅 중에서 선택된 하나의 방법을 이용함을 특징으로 하는 2차원 나노소재에 의해 전도성이 향상된 1차원 나노소재기반 전도성 필름.
  5. 제3항에 있어서, 상기 2차원 나노소재는 산화 그래핀임을 특징으로 하는 2차원 나노소재에 의해 전도성이 향상된 1차원 나노소재기반 전도성 필름.
  6. 제5항에 있어서, 상기 2차원 나노소재층은 순수흑연을 산처리를 통해 제조된 산화흑연을 박리함으로써 형성된 산화그래핀을 상기 1차원 전도성 나노소재층 상면에 도포함에 의해 형성됨을 특징으로 하는 2차원 나노소재에 의해 전도성이 향상된 1차원 나노소재기반 전도성 필름.
  7. 제6항에 있어서, 상기 도포는 스프레이(spray), 디핑(dipping), 스핀코팅(spin coating), 스크린 프린팅(screen printing), 잉크젯 프린팅(inkjet printing), 패드 프린팅, 나이프 코팅, 키스 코팅, 그라비아 코팅, 옵셋 코팅 중에서 선택된 하나의 방법을 이용함을 특징으로 하는 2차원 나노소재에 의해 전도성이 향상된 1차원 나노소재기반 전도성 필름.
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