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KR20130070729A - 메탈나노와이어 및 탄소나노튜브를 포함하는 적층형 투명전극. - Google Patents

메탈나노와이어 및 탄소나노튜브를 포함하는 적층형 투명전극. Download PDF

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KR20130070729A
KR20130070729A KR1020110137888A KR20110137888A KR20130070729A KR 20130070729 A KR20130070729 A KR 20130070729A KR 1020110137888 A KR1020110137888 A KR 1020110137888A KR 20110137888 A KR20110137888 A KR 20110137888A KR 20130070729 A KR20130070729 A KR 20130070729A
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KR
South Korea
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transparent electrode
carbon nanotubes
coating layer
metal nanowires
weight
Prior art date
Application number
KR1020110137888A
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Inventor
심대섭
이영실
염경태
Original Assignee
제일모직주식회사
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Publication date
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Priority to US14/364,123 priority patent/US20140308524A1/en
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Priority to JP2014548641A priority patent/JP2015508556A/ja
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Abstract

본 발명은 베이스 기판(A) 상에 탄소나노튜브를 포함하는 코팅층(B) 및 메탈나노와이어를 포함하는 코팅층(C)이 다단으로 적층되는 투명전극이고, 상기 적층 구조는 상기 탄소나노튜브를 포함하는 코팅층(B)과 상기 메탈나노와이어를 포함하는 코팅층(C)이 상호 교차되도록 적층되는 것을 특징으로 하는 적층형 투명전극을 제공하며, 본 발명은 탄소나노튜브와 메탈나노와이어를 이용하여 투명기판 위에 코팅함으로써 메탈나노와이어의 전도도를 극대화시키고 탄소나노튜브와의 접합에 있어 메탈나노와이어의 산화 방지 및 안정된 코팅 표면을 유지하게 함으로써 투명전극의 효율성과 함께 안정성을 확보할 수 있다.

Description

메탈나노와이어 및 탄소나노튜브를 포함하는 적층형 투명전극. {Transparent Conductive Films including Metal Nanowires and Carbon Nanotubes}
본 발명은 탄소나노튜브(carbon nanotubes) 및 메탈나노와이어 (metal nanowire)를 포함하는 적층형 투명 전극으로, 더욱 상세하게는 베이스 기판 상에 탄소나노튜브 및 은나노와이어를 각각 포함하는 코팅층을 상호 교차시켜 적층함으로서 전기전도도 및 투명성을 개선하고, 메탈나노와이어의 항산화성을 개선함으로서 투명전극의 효율성 및 안정성이 우수한 투명전극에 관한 것이다.
최근 투명전극용 소재에 대한 관심이 높아짐에 따라, 얇고, 가벼운 디스플레이 분야의 기술이 누적적으로 진보하며 관심의 대상이 되어 왔다.
전기전도성을 가지면서 동시에 투명한 성질을 가지는 필름은 평판디스플레이(flat panel display), 터치스크린 패널(touch screen panel)과 같은 첨단 디스플레이 기기에 주로 응용되고 있다.
이와 같은 평판디스플레이 분야에서 투명전극으로 사용되는 재료는 보통 인듐 주석 산화물(ITO), 인듐 아연 산화물(IZO) 와 같은 금속 산화물 전극을 유리 또는 플라스틱 기판 상에 스퍼터링(sputtering)과 같은 증착 방법을 이용하여 코팅하여 사용하여 왔다. 다만, 상기 금속 산화물을 이용하여 제조된 투명전극 필름은 높은 전도성과 투명도를 가지지만 마찰저항이 낮고 구부림(bending)에 대한 취약한 성질을 가지고 있다.
또한, 주재료로 사용되는 인듐(indium)은 천연 매장량이 한정되어 가격이 매우 높을 뿐만 아니라 가공성이 좋지 않은 문제점을 가진다.
상기와 같은 가공성 문제를 해결하기 위하여 폴리아닐린, 폴리티오펜과 같은 전도성 고분자를 이용한 투명전극의 개발이 이루어지고 있다. 상기 전도성 고분자를 이용한 투명전극필름은 도핑에 의해 높은 전도성을 얻을 수 있으며 코팅막의 접합도가 우수하고 구부러짐 특성이 우수하다는 장점이 있다. 그러나, 전도성 고분자를 이용한 투명 필름은 투명전극에 사용될 정도의 우수한 전기전도도를 얻기가 어려우며 또한 투명도가 낮다는 문제가 있다.
그리하여, 상기 인듐 주석 산화물(ITO)과 필적할 수 있는 소재로 탄소나노튜브를 개발하고 있다. 이러한 탄소나노튜브는 여러 분야에서 이용되고 있는데, 특히 우수한 전기전도성으로 인한 전극 재료로서의 연구가 활발하게 이루어지고 있다.
1996년 Rice 대학의 Smalley 교수가 fullerene의 발견으로 노벨상을 수상한 이래, 나노 크기를 가진 구조 중에서 탄소소재는 가장 주목 받는 물질로 부각되고 있다. 20세기의 핵심 물질이 실리콘이었다면, 21세기의 핵심물질은 탄소가 될 것으로 예측되고 있다. 이 중에서 탄소나노튜브는 완벽한 물성과 구조로 인하여 전자정보통신, 환경 및 에너지, 의약 등의 분야로 산업적 응용성의 기대가 큰 소재이며, 향후 나노과학을 이끌고 갈 중요한 building block으로 많은 기대를 모으고 있다.
탄소나노튜브는 흑연면(graphite sheet)이 나노 크기 직경의 실린더 형태를 가지며, sp2 결합 구조를 갖는다. 이 흑연면이 말리는 각도 및 구조에 따라서 도체 또는 반도체의 특성을 보인다. 또한 벽을 이루고 있는 결합 수에 따라서 단일벽 탄소나노튜브(SWCNT; single-walled carbon nanotube). 이중벽 탄소나노튜브(DWCNT; double-walled carbon nanotube), 다중벽 탄소나노튜브(MWCNT; multi-walled carbon nanotube), 다발형 탄소나노튜브(rope carbon nanotube)로 분류될 수 있다. 특히 SWCNT는 금속적 특성과 반도체적인 특성을 가지고 있어 다양한 전기적, 화학적, 물리적 및 광학적 특성을 나타내며 이러한 특성들을 이용하여 더욱 세밀하고 집적된 소자들을 구현할 수 있다. 현재 연구되고 있는 탄소나노튜브의 응용분야는 플렉시블 또는 일반 투명전극(flexible and/or transparent conductive film), 정전분산필름, 전계방출 소자(field emission device), 면발열체, 광전자 소자(optoelectronic device) 및 각종 센서(sensor), 트랜지스터 등이 있다.
하지만 탄소나노튜브의 한 종으로 이루어진 투명전극은 현재까지 산업화에 근접한 연구결과들이 다수 보고되고 있지만 아직까지 실험실 수준에 머물고 있는 실정이다. 또한 최근 투명전극용 물질로 각광을 받고 있는 은나노와이어는 전기전도도가 우수하고 플렉시블 기판 위에 코팅이 가능하나 필연적으로 산화 안정성에서 우수하지 못하고 HAZE의 증가로 인해 위 층에 고분자의 오버코팅 (overcoating)의 방법을 취하고 있어 상용화 제품에의 적용은 어려운 실정이다.
본 발명의 목적은 전기전도도 및 투명성이 우수한 투명전극을 제공하기 위함이다.
본 발명의 다른 목적은 메탈나노와이어의 항산화성을 개선하여 투명전극의 효율성 및 안정성이 우수한 투명전극을 제공하기 위함이다.
본 발명의 상기 목적 및 기타의 목적들은 하기 설명되는 본 발명에 의하여 모두 달성될 수 있다.
상기 과제를 해결하기 위하여, 본 발명의 구체예에 따르면, 베이스 기판(A) 상에 탄소나노튜브를 포함하는 코팅층(B) 및 메탈나노와이어를 포함하는 코팅층(C)이 다단으로 적층되는 투명전극이고, 상기 적층 구조는 상기 탄소나노튜브를 포함하는 코팅층(B)과 상기 메탈나노와이어를 포함하는 코팅층(B)이 상호 교차되도록 적층되는 것을 특징으로 하는 적층형 투명전극을 제공한다.
본 발명의 다른 구체예에 따르면, 상기 탄소나노튜브를 포함하는 코팅층(B)은 용매 100 중량부, 탄소나노튜브 0.05 내지 1 중량부 및 바인더 수지 0.05 내지 1 중량부를 포함하는 탄소나노튜브 조성물이 도포되어 코팅된 것을 특징으로 하는 적층형 투명전극을 제공한다.
다른 구체예로서, 상기 탄소나노튜브는 1:10 내지 1:2000의 종횡비(aspect ratio)를 가지는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 또 다른 구체예에 따르면,상기 메탈나노와이어를 포함하는 코팅층(C)은 용매 100 중량부, 메탈나노와이어 0.05 내지 2 중량부 및 바인더 수지 0.05 내지 1 중량부를 포함하는 메탈나노와이어 조성물이 도포된 것을 특징으로 하는 적층형 투명전극을 제공한다.
다른 구체예로서 상기 메탈나노와이어는 1:20 내지 1:200의 종횡비(aspect ratio)를 가지는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 투명전극은 전기전도도 및 투명도이 우수하고, 항산화성이 우수하여 상기 투명전극의 효율성 및 안정성이 우수한 효과를 가진다.
도 1은 본 발명에 따라 메탈나노와이어 코팅층과 탄소나노튜브 코팅층을 베이스 기판 상에 적층하여 제조된 투명전극을 개략적으로 도시한 것이다.
도 2a는 베이스 기판 위에 은나노와이어 코팅층으로 이루어진 단층형 투명전극의 전자주사현미경 사진(SEM)을 도시한 것이다.
도 2b는 투명 기판 위에 단일벽 탄소나노튜브 코팅층으로 이루어진 단층형 투명전극의 전자주사현미경 사진(SEM)을 도시한 것이다.
도 2c는 본 발명에 따라 베이스 기판 위에 은나노와이어 코팅층, 탄소나노튜브 코팅층 순으로 적층하여 제조된 투명전극의 전자주사현미경 사진(SEM)을 도시한 것이다.
도 2d는 본 발명에 따라 베이스 기판 위에 탄소나노튜브 코팅층, 메탈나노와이어 코팅층 순으로 적층하여 제조된 투명전극의 전자주사현미경 사진(SEM)을 도시한 것이다.
이하, 본 발명을 구체적으로 설명하기로 한다.
적층형 투명전극
일반적으로 투명전극은 우수한 투명성을 가지면서 전기전도성 역시 우수할 것이 요구된다.
금속 산화물 전극에 필적하는 우수한 전기전도도를 확보하기 위하여 본 발명의 투명전극은 메탈나노와이어 코팅층을 포함하는 것을 특징으로 한다. 다만, 상기 메탈나노와이어는 시간의 흐름에 따라 산화될 수 있으며, 메탈나노와이어가 산화되면 투명전극의 전기전도도가 저하되고, 전극이 부식될 수 있으며, 변색의 문제가 발생할 수 있다. 따라서 투명전극을 장기간 사용하기 위해서는 메탈나노와이어의 산화를 방지할 필요가 있다. 또한, 메탈나노와이어는 전기전도도가 우수한 반면, 투명성이 저하되므로 메탈나노와이어를 적용하는 경우에는 전기전도성을 유지하되 투명성을 동시에 확보하기 위한 기술적 해결원리가 필요하다.
탄소나노튜브는 전도성 재료로서 활발하게 사용되고 있으나, 투명전극에 사용하는 경우에는 메탈나노와이어보다 전기전도성이 충분히 확보되지 못하는 문제점을 가진다. 다만, 탄소나노튜브는 비교적 Haze 값이 낮으므로 메탈나노와어어보다 투명성을 확보하는 것이 용이한 이점을 가진다. 본 발명자는 상기와 같은 전도성 재료가 각각 가지는 장점을 동시에 취하고자 탄소나노튜브와 메탈나노와이어를 전도성 재료로서 동시에 도입하되, 메탈나노와이어 코팅층과 탄소나노튜브 코팅층을 접합시키면 각 층의 일함수(work fuction)의 차이에 의해 탄소나노튜브로부터 메탈나노와이어로 전자가 이동하여 산화를 방지한다는 원리에 기인하여 투명전극의 투명성 및 전도성을 확보하기에 이르렀다.
본 발명의 투명전극은 상기와 같은 기술적 원리에 기초하여 베이스 기판(A) 상에 탄소나노튜브를 포함하는 코팅층(B) 및 메탈나노와이어를 포함하는 코팅층(C)을 포함하는 것을 특징으로 한다.
도 1을 참고하에 구체적으로 설명하면, 본 발명의 투명전극은 베이스 기판(A) 상에 탄소나노튜브를 포함하는 코팅층(B) 및 메탈나노와이어를 포함하는 코팅층(C)이 다단으로 적층되고, 상기 적층 구조는 상기 탄소나노튜브를 포함하는 코팅층(B)과 상기 메탈나노와이어를 포함하는 코팅층(C)이 상호 교차되도록 적층되는 것을 특징으로 한다. 즉, 상기 베이스 기판에 탄소나노튜브-메탈나노와이어 또는 메탈나노와이어-탄소나노튜브 순으로 코팅될 수 있으며, 그 윗면에도 상호 교차하여 재코팅될 수 있다.
상기와 같이 탄소나노튜브를 포함하는 코팅층(B) 및 메탈나노와이어를 포함하는 코팅층(C)를 상호 교차하여 베이스 기판(A) 위에 다단으로 적층함으로써 투명전극의 네트워크를 안정화시켜 전기전도도를 극대화시킬 수 있으며, 메탈나노와이어를 고함량으로 포함시 야기되는 Haze 값의 증가를 경감시킬 수 있다.
또한, 탄소나노튜브층과 메탈나노와이어층을 별개로 적층하여 제조함으로서 메탈나노와이어의 분산성을 확보함과 동시에, 분산제, 계면활성제의 사용을 저감시켜 기계적 물성의 저하를 방지할 수 있다.
따라서 본 발명의 투명전극은 메탈나노와이어 또는 탄소나노튜브를 각각 단일 코팅한 경우에 비해 우수한 전기전도도 및 투명성을 동시에 확보하고, 산화를 방지할 수 있는 장점이 있다.
본 발명의 투명전극은 4점법(4 point-probe)방식을 이용하여 측정한 표면저항이 500Ω/sq 이하인 것이 바람직하고, UV/Vis분광계를 사용하여 550㎚의 파장에서 측정한 투명도가 85% 이상, 헤이즈 미터로 측정한 Haze 값은 3.00 이하, 바람직하게는 2.00 이하이며, 온도 60℃, 습도 90% 의 항온항습 조건에서 24시간 후에 측정한 면 저항값의 변화가 50% 이하인 것이 바랍직하다.
이하, 본 발명의 투명전극의 적층형 구조를 이루는 각각의 코팅층에 대하여 보다 구체적으로 살펴보기로 한다.
(A) 베이스 기판
본 발명은 투명전극에 관한 것이므로 베이스 기판은 기본적으로 투명성이 있을 것이 요구된다. 따라서 상기 베이스 기판은 투명성의 고분자 필름 또는 유리기판을 사용하는 것이 바람직하다.
상기 고분자 필름은 폴리에스테르계, 폴리카보네이트계, 폴리에테르설폰계, 또는 아크릴계 계통의 투명한 필름이 될 수 있으며, 보다 구체적으로는 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET), 폴리에틸렌나프탈레이트(PEN), 또는 폴리에테르설폰(PES)를 사용하는 것이 바람직하다.
(B) 탄소나노튜브 코팅층
본 발명의 탄소나노튜브(Carbon Nanotube)를 포함하는 코팅층(B)은 탄소나노튜브 조성물을 베이스 기판 또는 하부 코팅층 위에 도포 후 건조하여 형성될 수 있다. 상기 탄소나노튜브 조성물은 용매, 바인더 수지, 탄소나노튜브를 포함한다.
상기 용매로는 증류수, 메탄올, 에탄올, 아세톤, 메틸에틸케톤, 이소프로필알콜, 부틸알콜, 에틸렌글라이콜, 폴리에틸렌글라이콜, 테트라하이드로퓨란, 디메틸포름아마이드, 디메틸아세트아마이드, 헥산, 사이클로헥사논, 톨루엔, 클로로포름, 디클로로벤젠, 디메틸벤젠, 피리딘, 아닐린, 및 이들의 혼합물로 이루어진 군으로부터 선택하여 사용할 수 있다. 다만, 바람직하게는 물을 용매로 사용하여 보다 친환경적인 제조 방법을 제공할 수 있으며, 환경 친화적인 공정 면에서도 물의 사용이 권장되고 있다.
상기 탄소나노튜브는 단일벽 탄소나노튜브(single-walled carbon nanotube; SWCNT), 이중벽 탄소나노튜브(double-walled carbonnanotube; DWCNT), 다중벽 탄소나노튜브(multi-walled carbon nanotube; MWCNT), 다발형 탄소나노튜브(rope carbon nanotube) 중에서 하나 이상을 선택하여 사용할 수 있다. 본 발명에서 사용되는 탄소나노튜브는 이러한 단일벽 또는 이중벽 탄소나노튜브를 적어도 90 중량% 이상 포함되는 것이 바람직하다. 또한, 본 발명에 사용되는 탄소나노튜브는 1:10 내지 1:2000의 종횡비(aspect ratio)를 가지는 것이 바람직하다.
상기 탄소나노튜브는 용매 100중량부에 대하여 탄소나노튜브 0.05 내지 1 중량부로 포함될 수 있다. 탄소나노튜브를 0.05 중량부 미만으로 사용하는 경우 코팅된 후 형성된 탄소나노튜브의 네트워크 구조가 취약해 질 수 있으며, 메탈나노와이어의 산화 방지 역할을 충분히 발휘하지 못하게 되고, 1 중량부 초과하여 사용하는 경우에는 투명전극의 투명도가 저하될 수 있다
상기 바인더 수지는 음이온성의 수용성 원자들로 구성되어 있으면서 증점의 역할 또는 상 분리나 내용물의 변질을 막아주는 등 코팅층의 안정화 역할이 가능한 수지가 사용되는 것이 바람직하다. 특히, 상기 바인더 수지가 수분을 잡아주며 분산된 탄소나노튜브의 상 분리 및 재결합을 방지하는 안정화 역할이 가능하여야 도포시 탄소나노튜브의 뭉침 또는 재결합의 방지가 가능하다.
구체적으로 상기 바인더 수지는 네이피온(Nafion), 즉 불소원자가 포함되어 있으며 설포닐 작용기가 도입된 불소화 폴리에틸렌이 바람직하고, 그 외에 카르복실, 설포닐, 포스포닐, 및 설폰 이미드 중 선택된 하나 이상의 작용기가 도입된 열가소성 고분자를 사용할 수 있다. 또한 카르복실, 설포닐, 포스포닐 및 설폰 이미드 중 선택된 하나 이상의 작용기가 K, Na 등과 결합해 염화(salt)된 형태도 가능하다. 그 외에도 소듐카르복시메틸셀룰로오즈(sodium carboxy methyl cellulose; CMC) 등이 사용될 수 있다.
상기 바인더 수지는 용매 100 중량부에 대하여 0.05 내지 1 중량부로 포함되는 것이 바람직하다.
본 발명의 구체예에서 상기 탄소나노튜브 용액은 계면활성제를 더 포함할 수 있다.
상기 계면활성제는 자체에 친수성과 소수성을 지니는 양친성 물질로서 수용액 내부에서 계면활성제의 소수성 부분은 탄소나노튜브와 친화성을 가지고 친수성 부분은 용매인 물과 친화력을 가져 수용액 내부에서 탄소나노튜브가 안정하게 분산될 수 있게끔 도와주는 역할을 할 수 있다. 소수성 부분은 긴 알킬사슬로 구성될 수 있으며, 친수성 부분은 나트륨(sodium)의 염 형태를 가질 수 있다. 본 발명에서는 소수성 부분은 탄소 10개 이상으로 이루어진 긴 사슬구조로 친수성은 이온형태 및 비이온 형태 모두 사용이 가능하다.
상기 계면 활성제로는 소듐도데실설페이트(sodiumdodecylsulfate) 또는 소듐도데실벤젠설포네이트(sodium dodecyl benzene sulfonate)를 사용하는 것이 바람직하다. 상기 계면활성제는 용매 100 중량부에 대하여 0.05 내지 1중량부로 포함되는 것이 바람직하다.
(C) 메탈나노와이어 코팅층
본 발명의 메탈나노와이어(Metal Nanowire)를 포함하는 코팅층(C)은 메탈나노와이어 조성물을 베이스 기판 또는 하부 코팅층 위에 도포 후 건조하여 형성될 수 있다. 상기 메탈나노와이어 용액은 용매, 바인더 수지, 메탈나노와이어로 이루어질 수 있다.
상기 메탈나노와이어는 은(Ag), 금(Au), 백금(Pt), 주석(Sn), 철(Fe), 니켈(Ni), 코발트(Co), 알루미늄(Al), 아연(Zn), 구리(Cu), 인듐(In), 티타늄(Ti), 및 이들의 혼합물로 이루어진 군으로부터 선택된 금속으로 이루어질 수 있다. 이 중에서 전기전도도가 우수한 은나노와이어, 구리를 사용하는 것이 바람직하며, 은나노와이어를 사용하는 것이 가장 바람직하다.
또한, 상기 메탈나노와이어는 1:20 내지 1:200의 종횡비(aspect ratio)를 가지는 것이 바람직하다.
상기 메탈나노와이어의 함량은 용매 100중량부에 대하여 메탈나노와이어 0.05 내지 2 중량부를 사용할 수 있다. 메탈나노와이어를 0.05 중량부 미만으로 사용하는 경우 투명전극의 전기전도도가 저하될 수 있으며, 메탈나노와이어를 1 중량부 초과하여 사용하는 경우에는 투명전극의 투명도가 저하될 수 있다.
상기 바인더 수지는 음이온성의 수용성 원자들로 구성되어 있으면서 증점의 역할 또는 상 분리나 내용물의 변질을 막아주는 등 코팅층의 안정화 역할이 가능한 수지가 사용되는 것이 바람직하다. 특히, 상기 바인더 수지가 수분을 잡아주며 분산된 탄소나노튜브의 상 분리 및 재결합을 방지하는 안정화 역할이 가능하여야 도포시 탄소나노튜브의 뭉침 또는 재결합의 방지가 가능하다.
구체적으로 상기 바인더 수지는 네이피온(Nafion), 즉 불소원자가 포함되어 있으며 설포닐 작용기가 도입된 불소화 폴리에틸렌이 바람직하고, 그 외에 카르복실, 설포닐, 포스포닐, 및 설폰 이미드 중 선택된 하나 이상의 작용기가 도입된 열가소성 고분자를 사용할 수 있다. 또한 카르복실, 설포닐, 포스포닐 및 설폰 이미드 중 선택된 하나 이상의 작용기가 K, Na 등과 결합해 염화(salt)된 형태도 가능하다. 그 외에도 소듐카르복시메틸셀룰로오즈(sodium carboxy methyl cellulose; CMC) 등이 사용될 수 있다.
상기 바인더 수지는 용매 100 중량부에 대하여 0.05 내지 1 중량부로 포함되는 것이 바람직하다.
본 발명의 구체예에서 상기 탄소나노튜브 용액은 계면활성제를 더 포함할 수 있다.
상기 계면활성제는 자체에 친수성과 소수성을 지니는 양친성 물질로서 수용액 내부에서 계면활성제의 소수성 부분은 탄소나노튜브와 친화성을 가지고 친수성 부분은 용매인 물과 친화력을 가져 수용액 내부에서 탄소나노튜브가 안정하게 분산될 수 있게끔 도와주는 역할을 할 수 있다. 소수성 부분은 긴 알킬사슬로 구성될 수 있으며, 친수성 부분은 나트륨(sodium)의 염 형태를 가질 수 있다. 본 발명에서는 소수성 부분은 탄소 10개 이상으로 이루어진 긴 사슬구조로 친수성은 이온형태 및 비이온 형태 모두 사용이 가능하다.
상기 계면 활성제로는 소듐도데실설페이트(sodiumdodecylsulfate) 또는 소듐도데실벤젠설포네이트(sodium dodecyl benzene sulfonate)를 사용하는 것이 바람직하다. 상기 계면활성제는 용매 100 중량부에 대하여 0.05 내지 1중량부로 포함되는 것이 바람직하다.
실시예 및 비교예
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 기재한다. 다만, 하기의 실시예는 본 발명의 바람직한 일 실시예일 뿐, 본 발명이 하기 실시예에 의해 한정되는 것은 아니다.
시료의 준비
(1) 베이스 기판
PET 필름(도레이첨단소재 사의 XU46H)을 사용하였으며 투과도는 93.06%이다.
(2) 탄소나노튜브 조성물
DI water 용매 100 중량부, 폴리아크릴계 바인더 수지 0.5 중량부 및 아크방전(arcdischarge)방법으로 제조된 나노솔루션 사의 210 제품인 단일 탄소나노튜브(SWCNT) 0.5 중량부를 포함하는 탄소나노튜브 조성물을 사용하였다. 상기 탄소나노튜브의 종횡비는 2000이다.
(3) 메탈나노와이어 용액
DI water 용매 100 중량부, 폴리아크릴계 바인더 수지 0.5 중량부 및Cambrios 사의 은나노와이어(Ag NW) 1중량부로 이루어진 용액을 사용하였다. 상기 은나노와이어의 종횡비는 130이다.
물성 평가 방법
(1) 투명성 : 본 발명에 따른 투명 전도성 필름의 투과도는 사용한 베이스 기판 100으로 환산하여 UV/Vis 분광계를 사용하여 550㎚의 파장에서 측정하였다. 헤이즈 값은 헤이즈 미터(Nippon Denshoku Indusries Co. LTD, NHD-5000)로 측정하였다.
(2) 전기전도도 : 4점법(4 point-probe)방식을 이용하여 Mitsubishi Chemical Corporation, Loresta-GP, MCP-T610으로 면 저항값을 측정하였다.
(3) 항산화성 : 온도 60℃, 습도 90% 의 조건에서 24시간 후에 면 저항값의 변화를 측정하였다.
실시예 1 내지 4
실시예 1
PET 기판 위에 50%로 희석한 은나노와이어(Ag NW) 조성물을 도포하여 바 코팅(bar coating)한 후 세척단계를 거쳐 메탈나노와이어 코팅층을 먼저 형성하였다. 상기 형성된 메탈나노와이어 코팅층 위에 50%로 희석한 단일벽 탄소나노튜(CNT) 조성물을 도포하여 바 코팅(bar coating)하고, 세척단계를 거쳐 적층형 투명전극을 제조한 후 각각의 물성을 측정하였다. 그 결과를 하기 표 1에 나타내었다.
실시예 2
탄소나노튜브 코팅층을 메탈나노와이어 코팅층보다 먼저 적층시킨 것을 제외하고는, 상기 실시예 1과 동일한 제조방법으로 적층형 투명전극을 제조하였다.
실시예 3
PET 기판 위에 50%로 희석한 단일벽 탄소나노튜브(CNT) 조성물을 도포하여 바 코팅(bar coating)한 후 세척단계를 거쳐 탄소나노튜브 코팅층을 먼저 형성하였다. 상기 형성된 탄소나노튜브 코팅층 위에 20%로 희석한 은나노와이어(Ag NW) 조성물을 도포하여 바 코팅(bar coating)하고, 세척단계를 거쳐 적층형 투명전극을 제조하였다.
실시예 4
25%로 희석한 단일벽 탄소나노튜브(CNT) 조성물 및 25%로 희석한 은나노와이어(Ag NW) 조성물을 사용한 것을 제외하고는 실시예 3과 동일한 제조방법으로 적층형 투명전극을 제조하였다.
비교예 1 내지 4
비교예 1
코팅층을 형성하지 않은 베이스 기판의 물성을 측정하였다. 그 결과를 하기 표 2에 나타내었다.
비교예 2
하기 표 2의 희석비율로 준비된 은나노와이어 조성물을 바 코팅하여 단층형 투명전극을 제조하였다.
비교예 3
하기 표 2의 희석비율로 준비된 탄소나노튜브 조성물을 바 코팅하여 단층형 투명전극을 제조하였다.
비교예 4
PET 기판 위에 50%로 희석한 단일벽 탄소나노튜브(CNT) 조성물 및 50%로 희석한 은나노와이어(Ag NW) 조성물의 혼합 용액을 도포하여 바 코팅(bar coating)한 후 세척단계를 거쳐 단층형 투명전극을 제조하였다.
Figure pat00001
Figure pat00002
Figure pat00003
상기 표 1에서 보듯이, 본 발명의 적층형 투명전극은 투과도가 높으며, Haze 값이 낮으므로 투명성이 우수하고, 측정된 면 저항값이 낮으므로 전기전도도가 우수한 것을 알 수 있다. 또한, 표 3에서 보듯이, 항온항습 조건에서 일정 시간이 지난 후에도 단층형 투명전극에 비하여 면 저항값이 차이가 작은 것을 알 수 있으므로 다층형 투명전극의 항산화성 및 안정성이 우수한 것을 알 수 있다.
반면에, 표 2 및 표 3에서 메탈나노와이어 코팅층으로 단일 코팅한 비교예 2는 전기전도성 및 투명성을 동시에 확보할 수 없거나, 메탈나노와이어의 산화가 비교적 쉽게 이루어지는 것을 알 수 있다. 탄소나노튜브 코팅층으로 단일 코팅한 비교예 3은 투명성은 우수하나, 투명전극으로 사용되기 위한 전기전도도를 충분히 확보하지 못하는 것을 알 수 있다. 또한, 메탈나노와이어 및 탄소나노튜브를 혼합하여 코팅한 단층형 투명전극인 비교예 4는 메탈나노와이어의 분산성이 확보되지 않음을 이유로 면저항의 측정이 불가한 것을 알 수 있다.
따라서 본 발명의 투명전극은 메탈나노와이어 또는 탄소나노튜브를 단일 코팅한 투명 전극과 비교하여 전기전도성, 투명성 및 항산화성을 동시에 달성할 수 있는 장점이 있다.
10 : 베이스 기판
20 : 메탈나노와이어 코팅층
30 : 탄소나노튜브 코팅층

Claims (13)

  1. 베이스 기판(A) 상에 탄소나노튜브를 포함하는 코팅층(B) 및 메탈나노와이어를 포함하는 코팅층(C)이 다단으로 적층되는 투명전극이고,
    상기 적층 구조는 상기 탄소나노튜브를 포함하는 코팅층(B)과 상기 메탈나노와이어를 포함하는 코팅층(C)이 상호 교차되도록 적층되는 것을 특징으로 하는 적층형 투명전극.
  2. 제1항에 있어서, 상기 베이스 기판(A)은 폴리에스테르계, 폴리카보네이트계, 폴리에테르설폰계, 아크릴계 고분자으로 이루어진 군으로부터 선택되는 고분자 필름 또는 유리기판인 것을 특징으로 하는 적층형 투명전극.
  3. 제1항에 있어서, 상기 탄소나노튜브를 포함하는 코팅층(B)은 용매 100 중량부, 탄소나노튜브 0.05 내지 1 중량부 및 바인더 수지 0.05 내지 1 중량부를 포함하는 탄소나노튜브 조성물이 도포되어 코팅된 것을 특징으로 하는 적층형 투명전극.
  4. 제1항에 있어서, 상기 메탈나노와이어를 포함하는 코팅층(C)은 용매 100 중량부, 메탈나노와이어 0.05 내지 2 중량부 및 바인더 수지 0.05 내지 2 중량부를 포함하는 메탈나노와이어 조성물이 도포된 것을 특징으로 하는 적층형 투명전극.
  5. 제3항에 있어서, 상기 탄소나노튜브 조성물은 계면활성제 0.05 내지 1 중량부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 적층형 투명전극.
  6. 제1항에 있어서, 상기 탄소나노튜브는 단일벽 또는 이중벽으로 된 탄소나노튜브가 전체 탄소나노튜브에 대하여 90중량% 이상 포함되는 것을 특징으로 하는 적층형 투명전극.
  7. 제1항에 있어서, 상기 탄소나노튜브는 1:10 내지 1:2000 의 종횡비(aspect ratio)를 가지는 것을 특징으로 하는 적층형 투명전극.
  8. 제1항에 있어서, 상기 메탈나노와이어는 은(Ag), 금(Au), 백금(Pt), 주석(Sn), 철(Fe), 니켈(Ni), 코발트(Co), 알루미늄(Al), 아연(Zn), 구리(Cu), 인듐(In), 티타늄(Ti), 및 이들의 혼합물로 이루어진 군으로부터 선택된 금속을 포함하는 것을 특징으로 하는 적층형 투명전극.
  9. 제1항에 있어서, 상기 메탈나노와이어는 1:20 내지 1:200의 종횡비(aspect ratio)를 가지는 것을 특징으로 하는 적층형 투명전극.
  10. 제3항 또는 제4항에 있어서, 상기 용매는 증류수, 메탄올, 에탄올, 아세톤, 메틸에틸케톤, 이소프로필알콜, 부틸알콜, 에틸렌글라이콜, 폴리에틸렌글라이콜, 테트라하이드로퓨란, 디메틸포름아마이드, 디메틸아세트아마이드, 헥산, 사이클로헥사논, 톨루엔, 클로로포름, 디클로로벤젠, 디메틸벤젠, 피리딘, 아닐린, 및 이들의 혼합물로 이루어진 군으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 적층형 투명전극.
  11. 제1항에 있어서, 상기 투명전극은 UV/Vis 분광계를 사용하여 550㎚의 파장에서 측정한 투과도가 85%이상이고, 헤이즈 미터로 측정된 Haze 값이 3.00 이하인 것을 특징으로 하는 적층형 투명전극.
  12. 제1항에 있어서, 상기 투명전극은 4점법(4 point-probe)방식을 이용하여 측정한 면저항이 500Ω/sq 이하인 것을 특징으로 하는 적층형 투명 전극.
  13. 제1항에 있어서, 상기 투명전극은 온도 60℃, 습도 90% 의 항온항습 조건에서 24시간 후에 측정한 면 저항값의 변화가 50% 이하인 것을 특징으로 하는 적층형 투명 전극.
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