KR101638572B1

KR101638572B1 - 징크옥사이드 로드입자를 포함하는 투명 전도성 폴리에스테르 필름

Info

Publication number: KR101638572B1
Application number: KR1020100007016A
Authority: KR
Inventors: 김태용; 서상원; 서정태
Original assignee: 도레이첨단소재 주식회사
Priority date: 2010-01-26
Filing date: 2010-01-26
Publication date: 2016-07-12
Also published as: KR20110087545A

Abstract

본 발명은 징크옥사이드 로드입자를 포함하는 투명 전도성 폴리에스테르 필름에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 우수한 투명성과 플렉시블한 성질을 유지하면서도 뛰어난 전기 전도성을 갖는 징크옥사이드 로드입자를 포함하는 투명 전도성 폴리에스테르 필름에 관한 것이다. 이를 위해 본 발명에 따른 징크옥사이드 로드입자를 포함하는 투명 전도성 폴리에스테르 필름은 폴리에스테르 기재필름과 상기 폴리에스테르 기재필름의 적어도 한 면에 도포된 코팅층으로서, 접착성 수지와 도핑된 징크옥사이드(ZnO) 로드입자를 포함하고, 두께가 0.02 ~ 3.0 ㎛인 것을 것을 특징으로 한다.

Description

징크옥사이드 로드입자를 포함하는 투명 전도성 폴리에스테르 필름{Transparent and Electrically Conductive Polyester Film Comprising ZnO Rod Particles}

본 발명은 징크옥사이드 로드입자를 포함하는 투명 전도성 폴리에스테르 필름에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 우수한 투명성과 플렉시블한 성질을 유지하면서도 뛰어난 전기 전도성을 갖는 징크옥사이드 로드입자를 포함하는 투명 전도성 폴리에스테르 필름에 관한 것이다.

일반적으로,　투명 전도성 필름은 우수한 광학적, 전기적 특성으로 인하여 핸드폰, 네비게이션과 같은 터치스크린 패널이나 솔라셀의 전극으로 널리 이용되어지고 있다. 최근에는 투명 전도성 필름을 이용하여 플렉서블한 종이책과 같은 분야에 연구가 활발히 진행되고 있다.

이러한 종래의 투명 전도성 필름에는 ITO 또는 SnO₂와 같은 산화물 금속이나 CNT와 같은 물질들을 필름의 한 면에 코팅함으로써 얻을 수 있었다.

이중 ITO를 이용한 투명 전도성 필름의 경우, 최근 터치스크린 패널 수요의 증가로 그 수요가 급증하고 있다. ITO를 이용한 투명 전도성 필름의 제조방법은 스퍼터를 이용하는 물리적 증착 방법과 CVD를 이용한 화학적 증착 방법으로 크게 나눌 수 있다. 물리적 방법의 경우 증착막 성질은 우수하다는 장점을 가지고 있지만, 고진공을 요구하는 스퍼터 장비로 인해 대형화가 힘들고 장비 가격이 비쌀뿐더러 대량생산이 어렵다는 단점을 가지고 있다. 더불어 ITO는 낮은 표면 저항과 높은 투과율 및 높은 생산성을 가진다는 장점을 가지고 있지만, 높은 가격으로 인하여, 제품 가격을 상승시킨다는 단점이 있어 이를 대체하고자 하는 연구가 진행되고 있다.

이러한 높은 가격의 ITO를 대체하고자, 여러 재료들이 연구되었는데, 그 중 하나가 SnO₂ 산화물이다. SnO₂는 현재 오븐용 유리나 복사기 등의 정전기 방지막으로 이용되고 있는데 ITO와 대비하여 낮은 가격을 가지고 있으며, 화학적 안정성이 우수하다는 장점을 가지고 있다. 그러나 강한 내마모성으로 인해 에칭에 어려움이 있어 생산성이 낮다는 문제점을 가지고 있다.

또한 최근에 연구되어지고 있는 재료중의 하나는 CNT 이다. CNT는 탄소체가 가지는 구조적 안정성으로 인하여 높은 물리, 화학적 안정성을 가지며, 높은 전기 전도도를 가지는 재료이다. 또한 고분자 코팅이 가능하여 대량생산에 용이하다는 장점도 가지고 있다. 하지만 CNT 합성시에 도체와 부도체를 분리하는 기술이 필요하며, 순도가 높은 CNT를 얻기가 어렵다는 단점이 있어, 아직도 연구 중에 있다.

이러한 재료들을 필름 표면에 코팅하는 방법에는 스퍼터를 이용한 물리적 방법과 CVD 코팅을 이용한 화학적 방법으로 크게 나눌 수 있다. 스퍼터링 방법은 어느 정도 큰 면적일지라도 표면전기저항이 낮은 도전층을 형성할 수 있다는 장점이 있으나, 대형장치가 필요하며, 막 형성 속도가 느리다는 문제점을 가지고 있다. 또한 CVD 방법은 스퍼터링에 비해 막 형성 속도가 빠르고 다양한 산화물들을 증착시킬 수 있으며, 표면에 균일한 막을 형성할 수 있다는 점이 장점이 있으나, 고온의 공정을 요하므로 필름과 같은 기재를 사용하기가 힘들다는 단점이 있다. 코팅법은 스퍼터링 방법에 비해서는 넓은 면적에 코팅이 가능하며, 대량 생산이 용이하고 고가의 장치가 필요하지 않다는 장점이 있다. 더군다나 필름의 경우 코터를 이용하여 연속적인 제품생산이 가능하고 인라인 코팅에 접목할 경우, 생산성 향상 및 제조원가를 낮출 수 있다. 위에서 예시한 ITO, SnO₂ 및 CNT 재료입자를 표면에 코팅할 경우, 재료들이 서로 접촉함으로써 전기가 통하는 경로를 형성하여 도전성이 발현될 수 있다.

ZnO는 3.4 eV의 넓은 밴드 갭을 가지므로 전도성 특성을 갖게 하기 위해서는 ZnO 표면에 불순물을 도핑할 필요가 있다. 기존의 도핑방법은 주입(implantation)이나 플라즈마(plasma)를 이용하는 방법이다. 하지만 이들 방법은 고가의 장비를 사용한다는 것과 재현성이 낮다는 문제점이 있다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출한 것으로서, 본 발명의 목적은 우수한 투명성과 플렉시블한 성질을 유지하면서도 뛰어난 전기 전도성을 갖는 징크옥사이드 로드입자를 포함하는 투명 전도성 폴리에스테르 필름을 제공하고자 하는 것이다.

본 발명의 상기 및 다른 목적과 이점은 바람직한 실시예를 설명한 하기의 설명으로부터 보다 분명해 질 것이다.

상기 목적은, 폴리에스테르 기재필름과 상기 폴리에스테르 기재필름의 적어도 한 면에 도포된 코팅층으로서, 접착성 수지와 도핑된 징크옥사이드(ZnO) 로드입자를 포함하고, 두께가 0.02 ~ 3.0 ㎛인 것을 특징으로 하는 징크옥사이드 로드입자를 포함하는 투명 전도성 폴리에스테르 필름에 의해 달성된다.

여기서, 상기 접착성 수지는 수성 아크릴계 수지, 수성 폴리우레탄 수지 및 수성 폴리에스테르 수지 중 적어도 하나인 것을 특징으로 한다.

바람직하게는, 상기 징크옥사이드(ZnO) 로드입자의 평균길이는 50nm ~ 100㎛, 평균지름은 10 ~ 200nm이고, 상기 징크옥사이드(ZnO) 로드입자의 양은 상기 코팅층의 전체 고형분 기준 20 ~ 80 wt%인 것을 특징으로 한다.

바람직하게는, 상기 징크옥사이드 로드입자를 포함하는 투명 전도성 폴리에스테르 필름은 투과도가 80% ~ 100%이고, 표면저항이 0 ~ 1 X 10⁹인 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따르면, 우수한 투명성과 플렉시블한 성질을 유지하면서도 뛰어난 전기 전도성을 갖는 등의 효과를 가진다.

이하, 본 발명의 실시예와 도면을 참조하여 본 발명을 상세히 설명한다. 이들 실시예는 오로지 본 발명을 보다 구체적으로 설명하기 위해 예시적으로 제시한 것일 뿐, 본 발명의 범위가 이들 실시예에 의해 제한되지 않는다는 것은 당업계에서 통상의 지식을 가지는 자에 있어서 자명할 것이다.

본 발명에 따른 징크옥사이드 로드입자를 포함하는 투명 전도성 폴리에스테르 필름은 폴리에스테르 기재필름과 상기 폴리에스테르 기재필름의 적어도 한 면에 도포된 코팅층으로서, 수분산계 접착성 수지와 도핑된 징크옥사이드(ZnO) 로드입자를 포함하고, 두께가 0.02 ~ 3.0 ㎛인 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 코팅층의 상기 징크옥사이드 로드입자는 공지의 기술인 CVD법, 수열합성법(Hydrothermal method) 또는 초음파 화학법 등에 의해 합성이 가능하며, 두 가지 이상의 방법에 의해서 합성된 입자를 혼합하여 사용할 수도 있다. 합성된 징크옥사이드 로드입자는 밴드 갭 조절을 위하여 도핑공정이 필요하다. 공지의 기술인 자외선을 이용한 전이금속의 환원반응을 이용하여 징크옥사이드 로드입자 표면에 금속을 부착할 수 있다. 여기에 사용되는 자외선은 100 ~ 300 nm 영역이며, 바람직하게는 150 ~ 250 nm 영역을 사용하는 것이 좋다. 150 nm 미만의 영역에서는 환원반응이 급격하게 일어나, 도핑속도 조절이 어렵게 되고, 250 nm 초과 영역에서는 도핑에 필요한 에너지가 충분히 공급되지 못해 반응이 원활하지 못하다. 도핑에 사용되는 금속은 Al, Ga, In 또는 B 등을 사용할 수 있으며, 조절하고자 하는 밴드 갭에 따라 선택적으로 도핑할 수 있다. 도핑을 위해서 금속염 용액을 준비하고 도핑하고자 하는 양에 따라 자외선을 주사하는 시간을 조절하여 이를 조절할 수 있다. 도핑된 금속의 양은 2~20 wt%가 적당하며, 바람직하게는 5~10 wt%이다. 5 wt % 미만되면, 도핑된 금속의 양이 적어 밴드 갭 조절이 어려우며, 10% 초과되면 ZnO 표면을 금속이 덮게 되어 징크옥사이드 로드입자의 특성을 구현하기가 어려울뿐더러 투과도가 떨어지는 현상이 초래된다.

또한, 코팅층에 포함되는 상기 징크옥사이드(ZnO) 로드입자의 평균길이는 50 nm ~ 100 ㎛, 평균지름은 10 ~ 200 nm인 것이 바람직하다. 또한 상기 징크옥사이드 로드입자의 양은 최종 코팅층의 고형분 기준으로 20~80 wt%로 사용하는 것이 바람직하며, 더욱 바람직하게는 30~70 wt%이다. 상기 징크옥사이드 로드입자의 양이 20 wt% 미만이 되면 로드입자가 연속적으로 연결되지 않아 전도성 특성이 떨어지게 되며 80 wt% 를 초과하게 되면 투명성이 저하게 되고, 제품 가격이 상승하는 문제를 초래하게 된다. 또한 함량이 지나치게 높게 되면 필름의 플렉시블한 특성이 떨어지고, 표면에 크랙이 발생하게 된다.

또한 본 발명에 따른 코팅층의 징크옥사이드 로드입자와 함께 사용되는 수지는 수용성 또는 수분산성 접착성 수지로 한정되는 것은 아니며, 수성 아크릴 수지, 수성 폴리우레탄 수지 또는 수성 폴리에스테르 수지 등을 사용하는 것이 바람직하다. 또한 도포액이 필름 표면에 균일하게 도포되어지기 위해 비이온계나 이온계 계면활성제를 첨가할 수 있으며, 표면 웨팅성을 좋게 하기 위해 웨팅제를 추가적으로 사용할 수 있다.

또한 상기 징크옥사이드 로드입자를 포함하는 코팅층의 두께는 0.02 ~ 3 ㎛인 것이 바람직한데, 코팅층의 두께가 0.02㎛ 미만이 되면 코팅액의 균일한 도포가 어려워 전도성 특성을 발현하기가 어려우며, 3.0㎛를 초과하게 되면 투명성의 저하를 초래하며, 가격 상승으로 인해 경제성이 떨어지게 된다.

또한 본 발명에 따른 징크옥사이드 로드입자를 포함하는 투명 전도성 폴리에스테르 필름의 투과도는 80%~100%이며, 표면저항은 0~1 X 10⁹ 인 것을 특징으로 한다. 상기 투과도가 80% 미만일 경우, 투명성이 떨어져 투명 필름으로서의 역할을 수행할 수 없게 되며, 또한 전기저항이 1 X 10⁹ 를 초과할 경우 전도성이 떨어져 도전성 필름으로서 사용이 어렵게 되기 때문이다.

본 발명에서 코팅층의 코팅 방법은 한가지에 특별히 한정하는 것은 아니고, 그라비어 롤, 리버스 롤, 리버스 그리비아 롤, 메이버 바 등 공지의 방법을 사용할 수 있으며, 또한 인라인 및 오프라인 코팅이 가능하다. 코팅 후 건조공정을 진행하여 코팅액이 표면에 형성되도록 한다.

이하 실시예를 통하여 본 발명을 보다 상세히 설명하고자 한다. 그러나 다음의 실시예는 본 발명을 보다 쉽게 이해하기 위하여 제공되는 것 일뿐 본 발명이 이들 실시예에 한정되는 것은 아니다.

[ 실시예 1]

징크옥사이드 로드입자는 초음파 기법을 이용하여 합성하였다. 징크 나이트레이트와 HMT가 0.01 ~ 0.6 M 조건으로 혼합되어진 용액이 담겨 있는 비커에 징크 기판을 넣고 초음파 발생기를 이용하여 30~50 W의 세기로 30분에서 2시간 인가하였다. 그 후 표면을 칼로 긁어 징크옥사이드 로드입자를 기판에서 분리하였다. 이후 수분산 아크릴계 접착성 수지(Syns Primar 304, 신스켐)와 고형분 기준으로 20:80의 비율로 혼합하여 코팅액을 만든 후 교반기를 이용하여 균일하게 분산시켜 폴리에스테트 기재필름 일면에 메이어바를 이용하여 코팅층 두께가 0.3㎛가 되도록 코팅을 실시하였다. 이렇게 얻어진 필름을 건조 및 경화과정을 거쳐 징크옥사이드 로드입자를 포함하는 투명 전도성 폴리에스테르 필름을 제조하였다.

[ 실시예 2-7]

아크릴계 접착성 수지와 징크옥사이드 로드입자의 고형분 함량을 표 1에 있는 비율로 변경하고 그 외는 실시예 1과 같은 방법으로 하여 얻은 징크옥사이드 로드입자를 포함하는 투명 전도성 폴리에스테르 필름을 각각 실시예 2~7로 하였다.

[ 비교예 1, 2]

아크릴계 접착성 수지와 징크옥사이드 로드입자의 고형분 함량을 표 1에 있는 비율로 변경하고 그 외는 실시예 1과 같은 방법으로 하여 얻은 징크옥사이드 로드입자를 포함하는 투명 전도성 폴리에스테르 필름을 각각 비교예 1, 2로 하였다.

[ 비교예 3]

폴리에스테르 기재필름의 편면에 코팅을 실시하지 않은 폴리에스테르 필름을 비교예 3으로 하였다.

[ 비교예 4]

코팅층의 두께를 4㎛로 한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일하게 하여 얻은 징크옥사이드 로드입자를 포함하는 투명 전도성 폴리에스테르 필름을 비교예 4로 하였다.

[ 비교예 5]

코팅층의 두께를 0.01㎛로 한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일하게 하여 얻은 징크옥사이드 로드입자를 포함하는 투명 전도성 폴리에스테르 필름을 비교예 5로 하였다.

상기 제조된 실시예 및 비교예에 따른 징크옥사이드 로드입자를 포함하는 투명 전도성 폴리에스테르 필름을 사용하여 다음의 실험예를 통해 성능을 평가한 다음 그 결과를 표 1에 나타내었다.

[ 실험예 1: 투과도 측정]

ASTM D1003에 준하여 측정하고 백분율로 표시하였다. 투과도미터(일본, TOYOSEIKI)를 사용하여 가시광선 영역에서 투과율을 측정하였다.

[ 실험예 2: 표면저항 측정]

23 ℃, 60 %RH 조건하에서 표면 저항률(Ω/ sq)을 ASTM D257에 준하여 측정하였다.

구분	코팅성분 비율		코팅두께 (㎛)	표면저항 (Ω/ sq)	투과도 (%)
구분	아크릴수지	징크옥사이드 로드 입자	코팅두께 (㎛)	표면저항 (Ω/ sq)	투과도 (%)
실시예 1	80	20	0.3	1 X 10⁶	95
실시예 2	70	30	0.3	8 X 10⁵	92
실시예 3	60	40	0.3	7 X 10⁵	90
실시예 4	50	30	0.3	5 X 10⁵	88
실시예 5	40	60	0.3	2 X 10⁶	86
실시예 6	30	70	0.3	4 X 10⁶	82
실시예 7	20	80	0.3	7 X 10⁶	81
비교예 1	90	10	0.3	5 X 10⁹	96
비교예 2	10	90	0.3	9 X 10⁵	70
비교예 3	-	-	-	3 X 10¹⁵	98
비교예 4	80	20	4	7 X 10⁶	78
비교예 5	80	20	0.01	6 X 10⁹	96

상기 표 1에서 알 수 있는 바와 같이, 본 발명에 따른 실시예의 경우 접착성 수지인 아크릴 수지와 징크옥사이드 로드입자의 비율을 고형분 기준으로 80:20 ~ 20:80 의 비율로 혼합하여 코팅한 후 측정한 필름의 물성은 코팅하지 않은 비교예3과 비교하여 낮은 표면저항과 양호한 투과도를 보이는 것을 확인할 수 있다. 또한 아크릴 수지와 징크옥사이드 로드입자의 고형분 기준 함량이 90:10으로 실시예와 비교하여 낮은 비교예 1의 경우에는 표면저항 값이 나빠 전도성 필름으로서 사용하기가 힘들다. 이와 반대로 아크릴 수지와 징크옥사이드 로드 입자의 고형분 기준 함량이 10:90으로 실시예와 비교하여 높은 비교예 2의 경우에는 투과도가 좋지 못해 투명성 필름으로서 사용하기가 힘들고, 또한 수지의 양이 상대적으로 적어 징크옥사이드 로드입자간의 응집이 발생해 코팅 표면이 균일하지 못하다.

또한 비교예 4의 경우에는 실시예 1과 동일한 조성의 코팅을 진행하였으나 코팅두께가 4 ㎛로 두꺼워 투과도가 나빠지게 되고 상대적으로 경제적이지 못하고 비교예 5의 경우에는 코팅두께가 0.01 ㎛로 실시예와 비교하여 얇은 코팅층을 가지고 있어 낮은 징크옥사이드 로드입자의 함량으로 인해 표면저항이 커져 전도성 필름으로서 사용이 힘들다.

본 발명에 따른 징크옥사이드 로드입자를 포함하는 투명 전도성 폴리에스테르 필름은 기재 필름의 투명성과 플렉시블한 성질을 유지하면서 뛰어난 전기 전도성을 나타내므로 투명 터치패널 시장 및 솔라셀 전극으로의 응용 가능성이 기대된다.

Claims

징크옥사이드 로드입자를 포함하는 투명 전도성 폴리에스테르 필름에 있어서,
폴리에스테르 기재필름과,
상기 폴리에스테르 기재필름의 적어도 한 면에 도포된 코팅층으로서, 접착성 수지와 도핑된 징크옥사이드(ZnO) 로드입자로서 Al, Ga 또는 In의 금속으로 표면이 도핑된 징크옥사이드(ZnO) 로드입자를 포함하고, 두께가 0.02 ~ 3.0 ㎛인 것을 특징으로 하는, 징크옥사이드 로드입자를 포함하는 투명 전도성 폴리에스테르 필름.
제1항에 있어서,
상기 접착성 수지는 수성 아크릴계 수지, 수성 폴리우레탄 수지 및 수성 폴리에스테르 수지 중 적어도 하나인 것을 특징으로 하는, 징크옥사이드 로드입자를 포함하는 투명 전도성 폴리에스테르 필름.
제1항에 있어서,
상기 징크옥사이드(ZnO) 로드입자의 평균길이는 50nm ~ 100㎛, 평균지름은 10 ~ 200nm이고, 상기 징크옥사이드(ZnO) 로드입자의 양은 상기 코팅층의 전체 고형분 기준 20 ~ 80 wt%인 것을 특징으로 하는, 징크옥사이드 로드입자를 포함하는 투명 전도성 폴리에스테르 필름.
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 징크옥사이드 로드입자를 포함하는 투명 전도성 폴리에스테르 필름은 표면저항이 0 ~ 1 X 10⁹인 것을 특징으로 하는, 징크옥사이드 로드입자를 포함하는 투명 전도성 폴리에스테르 필름.