장기 안정성을 나타내는 탄소 나노튜브 투명 도전막 제작

KISTI 미리안 『글로벌동향브리핑』 2015-02-12

독립행정법인 일본 산업기술 종합연구소 전자 광기술 연구부문 분자 집적장치 그룹과 나노튜브 응용연구센터 유동기상성장 CNT팀의 연구그룹은 탄소 나노 튜브(CNT)를 이용한 투명 전도성 필름의 전도성에 대하여 장기 안정성을 비약적으로 개선하는 기술을 개발했다. 이번에 개발한 CNT 투명 전도성 필름은 요오드화 구리 등의 금속 할로겐화물 나노 입자를 박막 내에서 성장하여 나노 입자가 CNT를 합친 하이브리드 구조로 되어 있다. 기재 투과율 85%를 유지하면서 시트 저항(표면 저항)60Ω/□이며, CNT 투명 도전막으로 실용화에 충분한 높은 투명성과 전도성을 나타낸다. 또한, 기존의 전도성을 향상시키기 위한 도핑 기술 과제로 되어 있던 대기 보관 중인 시트 저항값의 장기 안정성을 실현했다. CNT의 유연한 성질을 살린 유연한 도전 부재로서, 터치 패널, 센서, 플렉서블 태양 전지 등에 응용이 기대되며, 또한, 신축성이 필요한 웨어러블 전자에의 응용도 기대할 수있다. 현재 모바일 정보 단말기 및 터치 패널식 PC 등의 투명 전극 재료로서 주로 사용되고 있는 인듐 주석 산화물(ITO)막은 희소 금속인 인듐을 사용하고 있으며, 자원의 고갈과 국제 정세에 의존한 공급의 불안정성이 우려된다. 또한, ITO 필름은 약하고 굴곡에 약해 구부리거나 접어서 사용할 수 있는 차세대의 유연한 전자 디바이스의 개발에는 이용하기 어렵다는 문제점이 있다. 따라서 이 문제를 해결할 수 있는 대체 투명 도전 재료가 요구되고 있다. 일본 산업기술 종합연구소 나노튜브 응용 연구센터에서는 단층 카본 나노 튜브의 양산, 고품질화, 직경 제어 등이 가능한 eDIPS법을 개발해 왔다(2006년 5월 11일 산업 기술 종합 연구소 프레스 발표). 또한, 전자 광기술 연구 부문에서는 eDIPS법으로 제작한 단층 카본 나노 튜브를 셀룰로오스계 고분자를 포함한 용제에 분산시킨 잉크를 이용하여 플라스틱 기판상에 균일성이 우수한 도포 막을 제작, 펄스 광 소성 등의 후 처리에 의해 높은 전도성을 나타내는 투명 도전 막을 제작하는데 성공했다(2013년 1월 25일 산업 기술 종합 연구소 프레스 발표). 이번에 CNT투명 전도성 박막의 실용화에 있어서 걸림돌이었던 도전성의 장기 안정성을 비약적으로 향상시킬 수 있었다. CNT는 흑연을 원통형으로 만든 구조 재료로서 고분자처럼 유연한 자재이면서, 매우 높은 전도성을 나타내는 것으로 알려져 있지만, CNT 박막의 도전율은 단일 CNT에 비해 크게 떨어진다. 이는 CNT와 CNT 간 접촉 저항이 CNT박막의 전도율에 큰 영향을 끼치는 때문이라고 생각된다. CNT박막의 전도성을 높이기 위해서는 질산을 비롯한 산화제 등을 소량 첨가하는 "도핑"이라는 방법이 자주 사용된다. 질산 도핑은 휘발성의 질산을 CNT에 흡착시켜 도핑을 하는데, 장기간 대기 중에 보관하면 휘발성 분자가 도핑한 박막에서 점차 유리되어 시트 저항이 높아지고 내구성에 과제가 있었다. 이번 연구에서는 CNT에 질산을 도핑하는 대신에 요오드화 구리 등의 금속 할로겐화물 박막을 진공 증착법으로 CNT 박막의 위 또는 아래에 제작했다(그림 1). 이에 수백 밀리 초의 펄스 폭의 빛을 조사하여 박막의 온도를 급격히 상승, 하강시킴으로써 금속 할로겐화물을 박막 내에서 이동시켜 투명 전도성 박막을 제작했다. eDIPS법을 이용해 제작한 단층 카본 나노튜브를 이용하여 투과율 85%(기재의 투과율을 100%라고 할 때의 파장 550nm에서 상대 값)에 대해 시트 저항 60Ω/□이라는 CNT 투명 도전막으로는 세계 최고 수준의 투명성과 전도성을 보였다. 펄스 광선 조사 전과 조사 후 CNT 박막의 원자간 힘 분석 영상에서 펄스 광 조사에 의한 금속 할로겐의 나노 입자가 성장하는 동시에 CNT의 네트워크 속으로 이동하는 것으로 나타났다. 또한, 펄스 광 조사 후, 나노 입자는 주로 2개 이상의 CNT가 교차하는 장소에 위치하고(그림 2), 나노 입자가 CNT간의 접촉을 강화하여, “인터 커넥트”구조를 형성함으로써 높은 전도성을 가질 가능성이 제시되었다. 또한, 실온, 대기 중에서 보관했을 때 도전성의 시간 경과에 따른 변화를 측정하면, 질산으로 도핑한 기존 CNT 투명 도전성 박막에서는 제작 직후에 급격한 시트 저항의 상승이 보이고, 그 후에도 차츰 값이 증가하지만, 이번에 개발한 투명 도전막에서는 제작 직후의 시트 저항의 값을 장기간 유지하는 것으로 나타났다(그림 3). 이는 금속 할로겐 화물 등의 나노 입자는 대기에 노출되어도 휘발하지 않으므로 장기간 안정성을 유지할 수 있기 때문이며, 지금까지 CNT, 그래핀을 이용한 투명 전도성 박막의 실용화의 걸림돌이었던 도전성의 장기 안정성을 개선할 수 있었다. 나노 입자 재료의 종류, 광처리 조건의 최적화에 의해 CNT 투명 전도성 박막의 전도성, 투명성을 더욱 향상시키고, 또한, 전체 공정을 도포나 인쇄 등 습식 공정으로 제작하는 것을 목표로 한다. 또한, 스크린 인쇄법에 의한 대면적 패터닝 등에 의해 터치 패널뿐 아니라 센서, 태양 전지의 전극, 웨어러블 일렉트로닉스 등에 폭넓은 용도 개발을 목표로 한다. 20150209195757.png 20150209195816.png 20150209195825.png http://www.aist.go.jp/aist_j/press_release/pr2015/pr20150209/pr20150209.html