KR101272483B1

KR101272483B1 - 탄소나노튜브와 전도성 고분자를 이용한 다층 구조의 투명 전도성 판재의 제조방법

Info

Publication number: KR101272483B1
Application number: KR1020100125701A
Authority: KR
Inventors: 최성민; 심준보
Original assignee: 한국과학기술원
Priority date: 2010-12-09
Filing date: 2010-12-09
Publication date: 2013-06-10
Also published as: KR20120089500A

Abstract

본 발명은 투명 전도성 판재의 제조방법 및 이에 의해 제조된 투명 전도성 판재에 관한 것으로서, 본 발명에서는 투명한 기판(100)의 표면을 세정하여 이물질을 제거하는 단계; 세정된 기판(100)의 표면에 아미노프로필디옥사이드 실레인(APTES)을 이용하여 양(+) 전하 층을 형성하는 단계; 탄소나노튜브(CNT)와 폴리소듐4-스틸렌 설포네이트(PSS)를 물에 혼입하고 고주파를 가하여 물에 혼입된 CNT와 PSS가 물에 고르게 분산되어 있는 상태의 CNT 수용액을 만들어서, 양(+) 전하 층을 가지는 상기 기판(100)을 상기 CNT 수용액에 함침시켜, 상기 기판(100)의 표면에 음(-) 전하를 띄는 CNT 층을 형성하는 단계; 및 상기 CNT 층으로 코팅된 상기 기판(100)을, 양(+) 전하를 띄는 전도성 고분자를 이용하여 만든 전도성 고분자 용액에 함침시켜, 상기 기판(100)의 CNT 층 위로 투명한 전도성 고분자 층을 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 투명 전도성 판재의 제조방법과, 그에 의해 제조된 투명 전도성 판재가 제공된다.

Description

탄소나노튜브와 전도성 고분자를 이용한 다층 구조의 투명 전도성 판재의 제조방법{Manufacturing Method of Transparent Conducting Plate using Carbon Nanotubes-Conducting Polymer Hybrid Multilayer}

본 발명은 탄소나노튜브와 전도성 고분자를 이용한 투명 전도성 판재의 제조방법 및 이에 의해 제조된 투명 전도성 판재에 관한 것으로서, 구체적으로는 유리, 아크릴 판, 폴리에틸렌 테레프탈레이트 필름(Polyethylene Terephthalate 필름/이하 "PET 필름"이라고 약칭함) 등과 같은 투명한 기판 위에 탄소나노튜브(Carbon Nanotube/이하, "CNT"라고 약칭함)와 전도성 고분자를 딥핑(dipping) 방식으로 반복적으로 ??게 코팅하여 박막의 전기 전도 층을 반복하여 형성함으로써 우수한 전기 전도도를 가지면서도 높은 광 투과율을 가지도록 하는 새로운 방식의 투명 전도성 판재의 제조방법 및 이에 의해 제조된 투명 전도성 판재에 관한 것이다.

투명 전도성 판재는, 유리판과 같이 두께를 가지고 있거나 또는 두께가 얇은 필름 성상을 가지고 있으며, 평판 디스플레이 패널, 태양전지, 투명전극, 터치 패널, 전자파 차폐재 등 많은 분야에서 활용되고 있는 핵심 제품이다. 이러한 투명 전도성 판재를 제조하는데 있어서, 기존의 산화 금속계열의 재료는 높은 전기 전도도와 높은 광 투과율로 인해 다양한 분야에서 널리 사용되고 있으나 지속적으로 상승하는 재료의 가격과 구부러지는 유연한 판재를 제조하는 것이 불가능하다는 단점 때문에 활용성이 제한되고 있으며 이에 대체 물질 개발의 필요성이 대두되고 있다. 특히, 뛰어난 전기 전도도와 광 투과율을 가지면서도 대면적을 가지는 판재의 제조에 용이하고, 구부러지는 유연한 판재의 제조가 가능하며 화학적, 물리적으로 안정되어 있는 판재를 제조하는 기술이 절실히 요구되고 있는 실정이다.

본 발명은 위와 같이 해당 기술 분야의 필요성을 충족시키기 위하여 개발된 것으로서, 구체적으로는 높은 전기 전도도를 가지는 CNT와 전도성 고분자를 나노미터 단위로 얇게 번갈아 코팅함으로써 높은 수준의 전기 전도도와 높은 광 투과율을 가지면서도 구부러지는 유연한 판재를 제조할 수 있는 기술의 제공을 목적으로 한다.

위와 같은 과제를 달성하기 위하여 본 발명에서는, 투명한 기판의 표면을 세정하여 이물질을 제거하는 단계; 세정된 기판의 표면에 아미노프로필디옥사이드 실레인(APTES)을 이용하여 양(+) 전하 층을 형성하는 단계; 탄소나노튜브(CNT)와 폴리소듐4-스틸렌 설포네이트(PSS)를 물에 혼입하고 고주파를 가하여 물에 혼입된 CNT와 PSS가 물에 고르게 분산되어 있는 상태의 CNT 수용액을 만들어서, 양(+) 전하 층을 가지는 상기 기판(100)을 상기 CNT 수용액에 함침시켜, 상기 기판의 표면에 음(-) 전하를 띄는 CNT 층을 형성하는 단계; 및 상기 CNT 층으로 코팅된 상기 기판을, 양(+) 전하를 띄는 전도성 고분자를 이용해 만든 전도성 고분자 용액에 함침시켜, 상기 기판(100)의 CNT 층 위로 투명한 전도성 고분자 층을 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 투명 전도성 판재의 제조방법과 이러한 과정에 의하여 제조되는 투명 전도성 판재가 제공된다.

본 발명에 의하면, CNT를 개별적으로 잘 분리된 가닥 형태를 이루도록 하고 분산 처리한 후 물에 혼합하여 수용액을 만들게 되므로, CNT 사이의 접촉저항이 크게 줄어들게 되어, 기판의 표면에 코팅되어 CNT 층을 형성하였을 때, CNT 층의 전기 전도도가 크게 향상될 뿐만 아니라 CNT 네트워크 사이의 빈공간이 크게 증가하면서 광 투과율도 크게 향상되며, 따라서 기판 위에 높은 전기 전도도를 확보하면서도 광 투과율이 우수한 투명 전도성 판재를 제작할 수 있는 효과가 있다.

특히, 본 발명에서는 CNT 층을 한꺼번에 두껍게 형성하는 것이 아니라, 전도성 고분자 층과 함께 나노미터 수준의 아주 얇은 층들을 다층으로 반복적으로 적층하여 형성하므로, 기판 표면에 매우 고르고 균일한 코팅층을 형성할 수 있으며, CNT 층과 전도성 고분자 층의 적층 횟수를 조절함으로써, 기판을 포함한 투명 전도성 판재 전체의 두께, 함유되는 CNT와 전도성 고분자의 양을 매우 미세하게 조절할 수 있으며, 이를 통해 투명 전도성 판재의 전기적, 광학적 성질을 사용자가 원하는 대로 조절할 수 있게 되는 장점이 있다.

더 나아가, 본 발명에서는 이와 같이 CNT 층을 복수개의 층으로 적층함에 있어서, 분산된 CNT와 반대의 표면전하를 가지는 전도성 고분자를 번갈아 가면서 적층함으로써 두 층 사이의 강한 전기적 인력으로 인하여 층간의 견고하고 안정적인 접합을 이룰 수 있다. 이는 기판 위에 견고하고 높은 내구성을 가지는 전기 전도 층을 형성할 수 있게 되는 장점이 있다.

이와 같이, 본 발명에서는 우수한 전기 전도도를 가지는 CNT와 전도성 고분자가 복잡한 다층 네트워크 구조를 형성하게 되며, 따라서 종래의 투명 전도성 판재 보다 본 발명에 따른 투명 전도성 판재는 더욱 우수한 전기적, 광학적 성질을 가지게 된다.

이러한 본 발명의 투명 전도성 판재는, 평판 디스플레이 패널, 태양전지, 투명전극, 터치 패널 등의 소재로 사용되거나 전자파 차폐재 등으로 사용될 수 있다.

도 1은 기판의 표면을 APTES로 처리하여 기판의 표면에 양(+) 전하를 띄는 층이 형성된 상태를 보여주는 개략적인 단면도이다.
도 2는 SWNT의 표면에 음(-) 전하를 띄는 PSS가 감겨져 있게 되는 상태를 보여주는 개념도이다.
도 3은 양(+) 전하를 띄는 층이 형성된 기판이 CNT 수용액에 함침됨으로써, 음(-) 전하를 띄는 CNT가 기판의 표면에 부착되는 상태를 보여주는 개략적인 개념도이다.
도 4는 CNT가 부착되어 형성된 기판의 CNT 층의 외면에 양(+) 전하를 가지는 전도성 고분자가 흡착되는 상태를 보여주는 개략적인 개념도이다.
도 5와 6은 CNT와 전도성 고분자가 흡착된 기판에 CNT와 전도성 고분자를 추가적으로 코팅함으로써 CNT와 전도성 고분자 층을 반복적으로 형성하는 상태를 보여주는 개략적인 개념도이다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시 예를 첨부한 도면을 참조하여 설명한다. 본 발명은 도면에 도시된 실시 예를 참고로 설명되었으나 이는 하나의 실시예로서 설명되는 것이며, 이것에 의해 본 발명의 기술적 사상과 그 핵심 구성 및 작용이 제한되지 않는다.

본 발명에서는, 투명한 기판(100)의 표면이 양(+) 전하를 가지도록 처리한 후, 기판(100)의 표면에 음(-) 전하를 가지도록 처리되고 잘 분산된 CNT를 코팅하고, 후속하여 양(+) 전하를 가지도록 처리된 전도성 고분자를 코팅하며, 이러한 CNT 코팅과 전도성 고분자의 코팅을 반복하여 수행함으로써 전기적, 광학적 성능이 우수한 투명 전도성 판재를 제조하게 된다.

도면을 참조하여 본 발명에 따라 투명 전자파 차폐재를 제조하는 방법을 구체적으로 살펴보면, 우선 기판(100)을 준비하여 그 표면의 이물질을 제거한다. 이와 더불어 기판(100)의 표면을 화학적으로 기능화 시키는 공정, 즉 후술하는 것처럼 기판(100)의 표면에 OH기가 붙도록 한 후 양(+)전하를 가지는 분자(하기의 실시 예에서는 NH+)가 기판(100)의 표면에 부착되도록 하는 공정을 수행한다. 본 발명에서 상기 기판(100)으로는 투명한 유리, 아크릴, 합성수지 필름, PET 필름 등이 이용될 수 있는데 이에 한정되는 것은 아니다.

구체적으로, 준비된 기판(100)의 표면을 깨끗하게 세정한 후, 기판(100)을 OH기 부착용 용액에 담가서 표면의 이물질을 추가적으로 제거함과 동시에 화학적으로 기판(100)의 표면에 OH기가 붙도록 한다. 이 때 사용되는 OH기 부착용 용액으로는, 30% 질량 농도의 H₂SO4와 H₂O₂가 부피비로서 3:1의 비율로 섞인 용액을 사용하는 것이 바람직하다. 상기한 조성의 OH기 부착용 용액은매우 강한 산성을 가지고 있으므로 취급에 유의해야 한다. 준비한 기판을 OH기 부착용 용액에 담글 때는 먼저 OH기 부착용 용액을 약 70℃로 가열한 후, 기판(100)을 준비된 OH기 부착용 용액에 약 30분 정도 담근다. OH기 부착용 용액을 가열할 때에는 중탕 방법을 이용하는 것이 바람직하다.

이와 같이 OH기 부착용 용액을 준비하고 세정된 상태의 기판(100)을 OH기 부착용 용액에 담그는 공정을 거치게 되면, 기판(100)의 표면은 각종 이물질이 제거됨은 물론이고 표면에 화학적으로 OH기가 붙게 된다.

표면이 세정되고 세정된 표면에 OH기가 붙어 있는 상태로 준비된 기판(100)에 대해, 아미노프로필디옥사이드 실레인(aminopropyltriethoxy silane/ 이하, "APTES"라고 약칭함)으로 처리하여 기판(100)의 표면에 양(+) 전하 층이 형성되도록 만드는 공정을 수행한다.

이를 위해서는 우선 APTES가 함유된 용액을 만들게 되는데, 예를 들어, 톨루엔(toluene)에 APTES을 1% 부피비로 넣어 APTES 용액을 준비한다. 준비된 APTES 용액을 가열하는데, 그 가열 온도는 약 60℃인 것이 바람직하다. 이 때, APTES 용액을 가열할 때에는 중탕 방법을 이용하는 것이 바람직하다. 가열된 APTES 용액에 앞서 준비한 기판(100)을 담근다. 일정 시간(약 4분) 동안 기판(100)을 APTES 용액에 담근 후, 기판(100)을 꺼내어 세척한다. 톨루엔과 물을 이용하여 기판(100)을 깨끗하게 세척하는 것이 좋다.

이와 같이 표면에 OH기가 붙어 있는 기판(100)을 APTES 용액에 함침시키게 되면, 기판(100)의 표면에는 NH+기가 화학적으로 결합하게 되면서 양(+) 전하 층(10)이 형성된다. 도 1에는 기판(100)의 표면을 APTES로 처리하여 기판(100)의 표면에 양(+) 전하 층(10)이 형성된 상태를 보여주는 개략적인 단면도가 도시되어 있다.

이와 같이 APTES 용액에의 함침에 의해 양(+) 전하 층(10)이 형성되어 표면이 양(+)전하를 띄게 된 기판(100)에 대해서, 후속하여 전도성이 우수한 물질인 CNT를 코팅한다. 이를 위해서 본 발명에서는 CNT 수용액을 만들고, 양(+) 전하 층(10)이 형성된 기판(100)을 준비된 CNT 수용액에 함침시키는 공정을 수행한다.

코팅 재료인 CNT는 표면이 소수성이어서 물에 분산되지 않을 뿐만 아니라 CNT와 CNT 사이의 강한 반데르발스 인력 때문에 개별적인 가닥이 아닌 뭉쳐진 다발로 존재하게 된다. 이러한 CNT의 성질은, CNT 수용액을 만드는데 어려움을 줄 뿐만 아니라, 기판(100)을 CNT 수용액에 함침시켜 기판(100) 표면을 CNT로 코팅을 한 후에도 전기적 특성을 발현하는데 큰 방해요인이 된다.

이러한 문제점을 해결하기 위하여, 본 발명에서는 CNT 수용액을 제조할 때, 다발로 뭉쳐있던 CNT들에 대해 강력한 초음파 분쇄 과정을 수행하여, 뭉쳐있던 CNT를 각각의 분리된 가닥으로 분리시키고, 그와 더불어 친수성 및 음(-) 전하 특성을 가지는 고분자인 폴리소듐4-스틸렌 설포네이트(Poly Sodium 4-Styrene Sulfonate/이하, "PSS"라고 약칭함)를 CNT의 표면에 감싸게 함으로써, CNT의 분산성을 향상시키고 CNT의 표면을 친수성으로 바꾸는 CNT의 개질 공정을 수행한다. 즉, 본 발명에서는, CNT와 PSS를 물에 혼입하고 고주파 분산기(Ultra Sonicator) 등을 이용하여 물에 혼입된 입자들을 분산시키는 작업을 수행함으로써, CNT가 PSS에 감싸여진 채로 물에 고르게 분산되어 있는 상태의 CNT 수용액을 만들게 된다.

CNT는 크게 단일벽 탄소나노튜브(Single-Walled Carbon Nanotubes/이하, "SWNT"라고 약칭함)와, 다중벽 탄소나노튜브(Multi-Walled Carbon Nanotubes/이하, "MWNT"라고 약칭함)로 나눌 수 있는데, SWNT의 전기적 특성이 MWNT보다 월등히 우수하므로, CNT 수용액에 사용될 CNT로서 SWNT를 사용하는 것이 바람직하다. 구체적인 제조과정을 보면, SWNT을 0.2%의 질량 농도로 PSS 고분자와 함께 물에 넣어준다. PSS 고분자의 경우 분자량에 따라 종류가 다양한데, 분자량이 70,000인 것을 사용하는 것이 바람직하다. 이때, SWNT와 PSS 고분자의 비율이 굉장히 중요한데, PSS 고분자의 양이 너무 많으면 용액 내에 SWNT와 결합하지 못한 PSS 고분자의 양이 증가하여 전기전도성을 떨어뜨리게 되고(PSS 자체는 부도체로서 전기전도도가 매우 낮다), 반대로 PSS의 양이 너무 적으면 SWNT들에 PSS들이 충분히 결합하지 못하여 SWNT의 분산 및 표면 전하 개질이 제대로 이루어지지 않는다. 따라서 본 발명에서는 SWNT와 PSS는 질량비로서 1:1의 비율로 물에 넣는 것이 바람직하다.

이와 같이 SWNT와 PSS가 혼합된 수용액이 준비되면, 고주파를 조사하여 분산작업을 수행하게 된다. 구체적으로, 수조형 고주파 분산기에 의해, 상기 SWNT 및 PSS가 혼합된 수용액에 고주파를 조사하여 약 30분간 분산작업을 수행한 후, 팁형 고주파 분산기를 통하여 추가적으로 고주파를 조사하여 약 1시간 동안 강하게 분산작업을 수행하고 마지막으로 수조형 고주차 분산기를 이용하여 30분간 분산작업을 수행하는 것이 바람직하다. 이러한 고주파 조사를 통한 분산공정을 통해서, 뭉쳐진 다발로 존재하던 다수의 SWNT가 개별적인 가닥으로 분리 되며, PSS들이 각각의 분리된 SWNT의 표면을 감싸 안으며 흡착하게 된다. 도 2에는 개별적으로 분리된 SWNT(21)의 표면에 PSS(22)가 감겨져 있게 되는 상태가 개념적으로 도시되어 있다. PSS(22)가 감싸 안은 SWNT(21)는 표면의 PSS(22)로 인해 뭉쳐진 다발로 다시 달라붙지 않기 때문에 개별적으로 분리된 상태를 유지하게 되며, 친수성과 음(-) 전하 특성을 가지게 된다. 이렇게 제조된 용액을 본 명세서에서는 "PSS-SWNT 수용액"라고 약칭하는데, 상기 PSS-SWNT 수용액은 마지막으로 고속 원심분리기를 통해 정제 과정을 거친다. 구체적으로 PSS-SWNT 수용액을 고속 원심분리기에 넣은 뒤 약 10,000G의 원심력을 주고 약 1시간 동안 원심분리 작업을 수행한다. 이러한 과정을 거치게 되면, 미처 개별적으로 잘 분산되지 않았던 SWNT 덩어리와 PSS 덩어리들이 아래쪽으로 가라앉으면서 용액으로부터 분리된다. 분리된 SWNT 덩어리와 PSS 덩어리들은 버리고, 위쪽에 존재하는 잘 분산된 PSS-SWNT 수용액 부분만을 건져내어 코팅에 사용한다.

CNT 층이 전기전도도를 가지고 전도성 판재의 재료로서 사용될 수 있으려면 CNT들이 복잡하게 얽혀서 네트워크를 형성하여야 한다. 그런데 다발로 묶여 있는 CNT를 사용하게 되면 CNT와 CNT사이의 접촉저항이 개별적으로 분리되어있을 때 보다 증가하여 결과적으로 전기 전도도가 낮아질 뿐만 아니라, 뭉쳐있는 CNT들로 인해 광학적 투명도도 급격히 저하되는 문제점이 있다. 본 발명에서는 앞서 설명한 것처럼, 단순히 CNT를 물에 혼합하는 것이 아니라, CNT를 개별적으로 잘 분리된 가닥 형태를 이루도록 처리한 후 물에 혼합하여 수용액을 만들게 되므로, CNT 사이의 접촉저항이 크게 줄어들게 되어, 기판(100)의 표면에 코팅되어 CNT 층을 형성하였을 때, CNT 층의 전기전도도가 크게 향상될 뿐만 아니라 CNT 네트워크 사이의 빈공간이 크게 증가하면서 광 투과율도 크게 향상된다. 따라서 높은 전기 전도도를 가지면서도 광 투과율이 우수한 투명 전도성 판재를 형성할 수 있게 된다.

기판(100)을 CNT 수용액에 함침시켜서 CNT 층을 형성함에 있어서, 한 번에 두꺼운 CNT 층을 형성하는 것보다는 여러 개의 CNT 층 적층 형성하는 것이 고르고 균일한 층을 형성할 수 있다는 점 이외에도 사용자가 필요한 두께의 CNT 층을 형성하여 전기전도도와 투명도를 필요에 따라 조절할 수 있다는 점에서도 매우 유리하다. 이렇게 여러 층의 얇은 CNT 층을 만들기 위해서 본 발명에서는 음(-) 전하를 띄는 CNT 수용액을 준비하는 것과 별도로, 양(+) 전하를 띄게 되는 또 다른 대전물인 전도성 고분자 용액을 준비하여, CNT 층 사이에 투명한 전도성 고분자 층을 코팅하게 된다. 동일한 전하를 가지는 동일 물질을 계속해서 코팅하는 것은 물질 사이의 전기적 반발력으로 인해 매우 힘들기 때문에 위와 같은 과정을 진행하게 되는 것이다.

일반적인 고분자들도 양(+) 전하를 가지고 있다면 CNT 층 사이에 코팅됨으로써 다층 구조를 형성하는데 사용될 수 있다. 하지만 일반적인 고분자는 전기적인 부도체로써 매우 낮은 전기전도도를 가지고 있기 때문에 전도성 판재를 제조하는 데에는 적합하지 않다. 따라서 본 발명에서는 양(+) 전하를 가지면서도 높은 전기전도도를 가지는 전도성 고분자 용액을 준비하여 사용하였다. 양(+) 전하를 가지면서도 높은 전기전도도를 가지는 전도성 고분자 용액으로는 대표적으로 폴리 아닐린 (polyaniline)을 들 수 있으며, 전도성 고분자인 폴리 3,4-에틸렌디옥시티오펜(Poly 3,4-ethylenedioxythiophene/이하, "PEDOT"라고 약칭함)을 이용하여 만든 폴리 3,4-에틸렌디옥시티오펜-폴리 에틸렌글리콜 블록 혼성 고분자(Poly(3,4-ethylenedioxythiophene)-block-poly(ethylene glycol)/과염소산염이 불순물 추가되어있음/이하 "PEDOT-PEG"라고 약칭함) 역시 본 목적에 맞는 좋은 특성을 가지고 있다. 이중 PEDOT-PEG는 높은 전기전도도, 높은 광학적 투명도를 가지고 있으며 이와 함께 양(+) 전하를 가지는 고분자 물질로 본 발명의 목적에 사용하기 적합하다. 다만 물에는 잘 녹지 않는 성질을 가지고 있으므로 본 발명에서는, 프로필렌 카보네이트(Propylene Carbonate)에 PEDOT-PEG를 녹인 용액(이하, "PEDOT-PEG 용액"이라고 약칭함)을 만들어서 이를 전도성 고분자 용액으로 사용한다. 이 때, 전도성 고분자 용액에서의 PEDOT-PEG 농도는 질량농도로 약 0.0005% 정도인 것이 바람직하다. 만일 PEDOT-PEG의 농도가 0.0005%보다 많이 높은 경우, PEDOT 자체의 색으로 인해 광학적 특성이 급격히 나빠지므로 바람직하지 않다.

APTES로 표면 처리가 완료되어 표면에 양(+) 전하 층(10)이 적층된 상태 기판(100)과 CNT 수용액, 그리고 전도성 고분자 용액이 준비되면, CNT 수용액과 전도성 고분자 용액에 번갈아가면서 기판(100)을 함침시켜 표면에 코팅층을 형성하는 딥 코팅(Dip Coating)공정을 수행한다.

구체적으로 양(+) 전하 층(10)이 표면에 적층되어 있는 상태의 기판(10)을, CNT 수용액(앞서 설명한 예에서는, PSS-SWNT 수용액)에 담그는 딥 코팅(Dip Coating) 작업을 수행한다. 도 3에는 양(+) 전하 층(10)이 형성된 기판(100)이 PSS-SWNT 수용액에 함침 됨으로써, 음(-) 전하를 띄는 CNT(앞서 설명한 예에 의하면 PSS들이 각각의 분리된 SWNT의 표면을 감싸 안으며 흡착한 것)(20)가 기판의 표면에 부착되는 상태를 보여주는 개략적인 개념도가 도시되어 있다. 양(+) 전하로 대전되어있는 기판(100)을 CNT 수용액에 담그면 음(-) 전하를 가지는 CNT(20)들이 전기적 인력으로 인해 기판(100)의 표면에 강하게 달라붙게 되면서 매우 얇고 일정한 두께의 CNT 층이 형성된다. 이러한 기판(100)의 CNT 수용액 함침 작업을 약 30분 정도 수행하는 것이 바람직한데, 기판(100)의 표면에 흡착되는 CNT의 양이 함침 시간의 증가에 따라 증가하다가 30분을 기점으로 일정하게 유지되기 때문이다.

이와 같은 기판(100)의 CNT 수용액 함침 작업에 의한 CNT 층의 코팅 작업이 끝난 뒤에는 깨끗한 물에 씻어냄으로써, 혹시 흡착되어 있을 수 있는 불순물과 완전하게 흡착되지 못한 잔여 CNT들을 제거하는 것이 바람직하다. 이를 통해 더욱 균일하고 얇은 두께의 코팅을 기대할 수 있다. 후속하여 기판(100)을 건조시키게 되는데, 질소로 밀폐되어 있는 챔버 내에서 기판(100)을 건조시키는 것이, 건조 작업 과정에서 불순물이 흡착되는 것을 방지하는데 유리하다.

기판(100)의 CNT 수용액 함침 작업이 완료되어 기판(100) 표면에 CNT 층이 코팅되면, 음(-) 전하를 가지는 CNT(20)로 인해 기판(100)의 표면은 음(-) 전하를 띄게 된다. 후속하여, 표면에 음(-) 전하를 띄는 기판(100)을 양(+) 전하를 가지는 전도성 고분자 용액(구체적으로는 PEDOT-PEG 용액)에 함침 시켜 기판(100)의 표면에 투명한 전도성 고분자 층을 형성하는 전도성 고분자 용액 딥코팅 작업을 수행한다. 이때 기판(100)을 전도성 고분자 용액에 함침 시키는 시간은 약 15분으로 하는 것이 바람직하다.

이러한 기판(100)의 전도성 고분자 용액 딥코팅 작업이 끝난 뒤에는 기판(100)을 세정한 후 건조시킨다. 기판(100)의 세정시에는 프로필렌 카보네이트(Propylene Carbonate) 용액과 깨끗한 물을 이용하는 것이 바람직하다. 건조 작업은 이전 공정과 마찬가지로 질소로 밀폐되어 있는 챔버 내에서 수행하는 것이 건조 작업 과정에서 불순물이 흡착되는 것을 방지하는데 유리하다.

이러한 과정을 거치게 되면 CNT 층이 코팅되어 있는 기판(100)의 표면에는 추가적으로 투명한 전도성 고분자 층이 형성되는데, 기판(100)에 적층 형성된 CNT 층과 전도성 고분자 층은 재료의 매우 높은 전기 전도도를 가지고 있으므로, 우수한 성능을 발휘하는 전기 전도 층이 형성 되며, 이러한 CNT 층과 전도성 고분자 층이 적층된 기판(100)은 우수한 광 투과율과 전기 전도도를 가지는 투명 전도성 판재가 된다.

특히, 앞서 설명한 것처럼 CNT 층을 형성함에 있어서 CNT가 고르게 분산되므로, 전도성 확보를 위하여 CNT 층을 기판(100) 위에 형성하더라도 기판(100)의 광 투과율이 크게 저하되지 않게 되며, 따라서 높은 광 투과율을 가지는 전도성 판재를 만들 수 있게 된다.

도 4에는 CNT(20)가 부착되어 형성된 기판(100)의 CNT 층의 외면에 양(+) 전하를 가지는 전도성 고분자(구체적으로는 PEDOT-PEG)(30)가 흡착되는 상태를 보여주는 개략적인 개념도가 도시되어 있다. 전도성 고분자의 코팅 후에는 양(+) 전하를 가지는 전도성 고분자(30)로 인해 기판(100)의 표면이 양(+) 전하를 띄게 된다.

따라서 이렇게 전도성 고분자 층이 형성된 기판(100)을 다시 CNT 수용액에 함침시키게 되면 추가로 CNT 층이 더 형성될 수 있다. 필요한 경우, 후속하여 CNT 수용액에 대한 함침에 의한 CNT 층 형성, 및 전도성 고분자 용액에 대한 함침에 의한 전도성 고분자 층 형성을 반복적으로 수행하여, 필요한 두께만큼의 전기 전도 층을 기판(100)의 표면에 형성하게 된다.

이와 같이 본 발명에서는 CNT 층을 한꺼번에 두껍게 형성하는 것이 아니라, 다층으로 적층하여 형성하므로, 기판(100) 표면에 고르고 균일한 코팅 층을 형성할 수 있다. 특히, 기판(100)에 코팅되는 CNT 층과 전도성 고분자 층의 한 층 두께는 수 나노미터(nm) 정도로서, 그 두께가 매우 얇고 일정하다. 따라서 본 발명에 의하면, 이와 같은 CNT 층과 전도성 고분자 층의 적층 횟수를 조절함으로써, 기판을 포함한 투명 전도성 판재 전체의 두께, 및 함유되는 CNT와 전도성 고분자의 양을 매우 미세하게 조절할 수 있으며, 이를 통해 투명 전도성 판재의 전기적, 광학적 성질을 사용자가 원하는 대로 조절할 수 있게 되는 장점이 있다.

더 나아가, 본 발명에서는 이와 같이 CNT 층을 복수개의 층으로 적층함에 있어서, CNT 층을 전도성 고분자 층과 교대로 형성함으로써, CNT 층 간의 견고한 접합을 이룰 수 있어, 기판(100) 위에 견고하고 내구성을 가지는 전기 전도 층을 형성할 수 있게 되는 장점이 있다.

100: 기판, 10: 양(+) 전하 층, 20: PSS-SWNT,
21: CNT (SWNT), 22:PSS, 30: PEDOT-PEG

Claims

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투명한 기판(100)의 표면을 세정하여 이물질을 제거하는 단계;
기판(100)을 OH기 부착용 용액에 담가서 기판(100)의 표면에 OH기가 붙게 하는 단계;
세정된 기판(100)의 표면에 아미노프로필디옥사이드 실레인(APTES)을 이용하여 양(+) 전하 층을 형성하는 단계;
탄소나노튜브(CNT)와 폴리소듐4-스틸렌 설포네이트(PSS)를 물에 혼입하고 고주파를 가하여 물에 혼입된 CNT와 PSS가 물에 고르게 분산되어 있는 상태의 CNT 수용액을 만들어서, 양(+) 전하 층을 가지는 상기 기판(100)을 상기 CNT 수용액에 함침시켜, 상기 기판(100)의 표면에 음(-) 전하를 띄는 CNT 층을 형성하는 단계; 및
상기 CNT 층으로 코팅된 상기 기판(100)을, 양(+) 전하를 띄는 전도성 고분자를 이용해 만든 전도성 고분자 용액에 함침시켜, 상기 기판(100)의 CNT 층 위로 투명한 전도성 고분자 층을 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 투명 전도성 판재의 제조방법.
제2항에 있어서,
상기 OH기 부착용 용액은, 30% 질량 농도의 H₂SO4와 H₂O₂가 부피비 3:1의 비율로 섞인 용액으로 이루어진 것을 특징으로 하는 투명 전도성 판재의 제조방법.
제2항 또는 제3항에 있어서,
상기 CNT 수용액에 혼입되는 CNT는 단일벽 탄소나노튜브(SWNT)이고,
상기 CNT 수용액에는 SWNT와 PSS가 질량비 1:1의 비율로 혼입되는 것을 특징으로 하는 투명 전도성 판재의 제조방법.
제2항 또는 제3항에 있어서,
상기 전도성 고분자 용액은, 프로필렌 카보네이트에, 폴리3,4-에틸렌디옥시티오펜-폴리에틸렌글리콜을 녹여서 제조되는 것을 특징으로 하는 투명 전도성 판재의 제조방법.
제2항 또는 제3항에 있어서,
기판(100) 위에 양(+) 전하 층, CNT 층 및 전도성 고분자 층을 차례로 적층한 후,
기판(100)을 CNT 수용액에 함침시켜 기판(100)의 표면에 음(-) 전하를 띄는 CNT 층을 형성하는 단계와, 기판(100)을 양(+) 전하를 띄는 전도성 고분자 용액에 함침시켜 기판(100)의 CNT 층 위로 투명한 전도성 고분자 층을 형성하는 단계를 반복하여 수행하는 것을 특징으로 하는 투명 전도성 판재의 제조방법.
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