초음파 처리 시간에 따른 수계 분산된 단일벽 탄소나노튜브의 길이와 지름 분포의 정량화 및 투명 전도성 박막 제작

Abstract

낮은 면저항 대비 높은 광 투과도가 특징인 ITO(indium tin Oxide)가 지금까지 디스플레이용 투명 전도성 박막으로 많이 이용되어 왔지만, 자원 고갈에 따른 인듐(indium) 수급 불안정성에 기인한 지속적 가격 상승의 문제가 나타나고 있다. 또한, ITO가 코팅된 플라스틱 기판을 휘면 저항이 급격히 증가하므로, ITO 박막은 변형이 가능한 유연 디스플레이 제작에 사용하기 어렵다는 단점이 있다. 지난 몇 년간 이런 문제들을 극복하기 위한 대체 물질로 탄소나노튜브 기반의 투명 전도성 박막이 많은 관심을 끌고 있다. 탄소나노튜브 박막은 유연하며 환경 안정성이 우수하고 가격 경쟁력 우위를 가질 잠재력이 있으나, 아직까지 전기적인 특성이 ITO 박막에 미치지 못하고 있어 이를 개선하기 위한 연구가 중요하다. 탄소나노튜브로 ITO를 대체하기 위해서는 탄소나노튜브 분산 기술의 향상과 고농도 분산액 제조, 성막 기술의 확보, 전기적 특성 향상을 위한 후처리 공정 최적화 등이 필수적이다. 초음파 처리를 이용한 탄소나노튜브 수(水)계 분산은 Dichloroethylene(DCE), Dichloroethylene(DMF), N-methylpyrrolidone(NMP) 등의 유기 용매를 사용한 분산과 비교하여 가격 경쟁력이 우수하고 환경 친화적이며 고농도 분산이 가능한 장점이 있다. 그러나 수계 분산에는 상당한 초음파 처리 공정이 요구되어 분산된 나노튜브의 물성이 현저히 감소되며, 또한 분산 공정에 필수적으로 사용되는 계면활성제의 제거가 어려워 결과적으로 투명 전도막의 물성이 제한되는 경향이 있다. 본 연구에서는 계면활성제 Sodium Dodecyl Benzene Sulfonate (SDBS)를 첨가한 단일벽 탄소나노튜브(single-walled carbon nanotubes, SWCNTs)의 수계 분산 공정에 있어 초음파(Ultrasonication) 처리 시간에 따른 나노튜브의 평균 길이와 지름의 변화를 원자힘현미경(Atomic force microscopy, AFM)과 주사전자현미경(Scanning electron microscope, SEM) 분석을 통하여 정량화 하였다. 더불어 초음파 처리 시간을 달리한 분산액을 각각 (×1/5), (×1/10), (×1/20), (×1/30) 배의 비율로 물에 희석하여 얻어진 용액들의 흡광도를 측정하여 농도에 따른 흡광도 변화를 정량 비교 분석하였다. 또한 초음파 처리 시간을 달리한 동일 농도(0.055 ㎎/㎖) 탄소나노튜브 분산액들을 사용하여 스프레이(Spray) 코팅법으로 기판 위에 투명전도성 박막을 제조하였다. 이렇게 만들어진 박막의 면저항(Sheet Resistance)과 광 투과도(Transmittance) 값의 비교를 통하여 초음파 처리 시간에 따른 나노튜브 길이 및 직경 분포 변화가 투명전극 특성에 미치는 영향을 조사하였으며, 이로부터 탄소나노튜브 기반 투명 전극 제조용 최적 분산 조건을 확립하였다. 최종적으로 최적화된 분산액을 이용하여 접촉식화면(Touch screen) 응용에 적합한 특성을 갖는 투명 전도성 박막을 플라스틱 기판 위에 제작하였으며, 나아가 탄소나노튜브 기반의 투명 전극을 양극으로 사용하여 OLED 소자를 제작하고 동작 특성을 조사하여, ITO 대체 가능성을 확인하였다.