단일벽 탄소나노튜브를 이용한 유연성 투명전도필름의 제조 및 특성화

[카리]

현재까지 평판 디스플레이용 투명전도필름으로 인듐과 주석 산화물(indium tin oxide: ITO)이 가장 일반적으로 사용되어 왔으나 ITO필름은 디스플레이 산업의 성장과 함께 인듐 가격의 급등과 고가의 진공증착장비를 필요로 하므로 제조단가가 높으며 또한 기계적 강도가 낮아 외부 충격에 약할 뿐만아니라 취성이 있어 휨에 의해 쉽게 부러지는 단점을 가지고 있기 때문에 유연성 투명전도필름으로 사용하기에는 한계가 있다. 반면에 탄소나노튜브 (carbon nanotubes: CNTs)는 높은 전기전도도와 종횡비를 가지고 있어서 폴리머와의 복합으로 높은 전도도와 광투과도를 유지하면서도 ITO가 가지는 여러가지 단점들을 동시에 해결할 수 있는 재료로 주목받고 있다. 본 연구에서는 화학기상법으로 제조된 단일벽 탄소나노튜브(single walled carbon nanotubes: SWNTs)를 전도성 필러로, PET(polyethylene terephthalate)를 유연성 기재로 사용하여 광투과도 80%이상(기재 제외시에는 90%이상)에서 면저항이 500Ω/□ 이하인 유연성 투명전도필름의 제조 및 특성화에 대한 연구가 수행되었다.
동적광산란(dynamic light scattering: DLS)법에 의한 입도분석을 통하여 탄소나노튜브의 분산성을 측정하였으며, 레이저 도플러 전기영동(laser Doppler electrophoresis: LDE)법에 의한 제타전위를 측정하여 분산안정성을 평가하였다. 나노입자의 입도분석에 의한 분산성과 제타전위에 의한 분산안정성의 측정을 조합함으로써 각각의 탄소나노튜브별로 과다한 분산에 의한 절단이나 표면 손상을 최소화하면서도 안정성이 가장 우수한 최적의 분산조건을 찾을 수가 있었다. 수계 분산 시스템에서 sodium dodecyl sulfate(SDS)를 분산제로 하여 초음파 진폭 22.5㎛ 로 5분간 분산시 제타전위가 -81mV로 가장 안정하였으며 투과도 대비 면저항값도 가장 낮았다. 초음파 진폭이 22.5㎛이상 증가할 경우 기포 발생과 튜브 손상으로 입도는 증가하고 제타전위 절대값은 감소하였다. 분산시간이 5분 이상으로 길어지면 튜브의 분산 및 절단으로 인해 입도는 점차적으로 감소를 하나 과도한 분산에 의해 탄소나노튜브의 표면 손상으로 제타전위 절대치가 감소하였으며 투과도 대비 면저항값도 오히려 증가하였다. 특정 분산 시스템에 가장 효율적인 초음파 진폭이 존재함을 알 수 있었으며, 분산은 초기 아주 짧은 시간에 이루어지고 이 시간을 전후로 분산도가 급격히 저하되기 때문에 최적 분산시간을 찾은 것이 매우 중요하였다.
개별 탄소나노튜브의 전기적/광학적 평가는 필터와 전이법(filter and transfer method)을 이용한 투명전도필름을 제조하여 정량적으로 평가하였다. 기존 진공필터링법의 전이방법을 개선하여 투명전도필름의 손상없이 보다 간단하고 정확하게 개별 탄소나노튜브의 투과도 및 전도특성을 평가할 수 있었다. 튜브의 직경이 작고 길이가 길수록 투과도 대비 전기전도도가 우수하였다.
탄소나노튜브의 고유 특성을 구현하기 위해서는 일차번들의 분리가 필수적이며 이를 위해 번들사이로 이종물질을 침투시키는 intercalation법을 도입하였다. 무기산을 일차로 intercalation후 분산제를 이차로 intercalation시키는 두 단계 intercalation이 보다 효과적이었다. 개선된 분산 공정은 기존의 분산제만를 이용한 초음파 분산법보다 투과도 85%를 기준으로 질산을 일차 intercalation시킨 경우엔 면저항이 대략 1.5 KΩ/□에서 0.75 KΩ/□으로 감소하였고 황산을 일차 intercalation시킨 경우에는 0.5 KΩ/□으로 감소하였다. 분산용액중 나노튜브의 제타전위는 황산을 사용한 경우가 -74mV로 분산제를 단독으로 사용한 경우의 -81mV와 유사한 안정성을 보여주었으나 질산을 intercalation시킨 경우엔 -37mV로 안정성이 크게 저하되었다.
분산된 탄소나노튜브 용액을 스프레이법으로 기재에 도포시 용액과 기재의 표면장력을 조절을 통하여 접촉각을 74.3°에서 22.9°로 크게 줄일 수 있었다. 도포된 투명전도막은 질산처리를 통하여 분산제의 세정과 탄소나노튜브의 도핑(doping)을 진행하였다. 탈염수를 이용한 분산제의 세정시 투과도 82.5% 기준으로 면저항값은 5~6 KΩ/□에서 2~3 KΩ/□ 수준으로 감소를 하였으나 질산으로 세정과 도핑을 동시에 진행한 경우 면저항값이 0.5~0.7 KΩ/□ 수준으로 크게 감소하였다. 도핑된 탄소나노튜브는 매우 불안정하여 수분과의 반응과 열에 의해 쉽게 디도핑 (dedoping)되므로 이를 최소화하기 위해 다양한 폴리머를 검토하여 수분 침투에 대한 내습특성과 내열성이 우수한 Parylene C를 선정하여 코팅하였다. 본 연구에서는 탄소나노튜브용액과 폴리머 용액을 개별적으로 도포하고 중간공정에서 도핑과정을 도입함으로써 유연성 디스플레이에 사용될 수 있는 우수한 전도도와 도막물성을 동시에 만족하는 투명전도필름을 제조할 수 있었으며 치밀한 도막 형성을 위해 중합과 동시에 코팅이 진행되는 특수 보호 코팅재를 이용하여 내환경성을 확보하였다.

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