최근 플렉서블하고 웨어러블한 디바이스에 대한 관심이 증가함에 따라 Stretchable Transparent Conducting Film, 즉 STCF에 대한 연구가 요구되고 있다. ITO(Indium thin oxide) 소재는 높은 광 투과율과 낮은 면 저항을 가지고 있어 기존의 일반적인 TCF소재로 사용되었지만, 제조과정에서 고온, 고 진공의 스퍼터 공정을 사용하기 때문에 높은 공정 단가가 요구되며, 스트레쳐블 기판에서의 접착력이 좋지 않고 취성을 가진다는 단점이 있다. 이러한 특성은 Stretchable Device의 전극으로 활용하기에 부적합하기 때문에 ITO를 대체하기 위한 다양한 재료의 개발과 공정의 개선은 물론, 기판에 대한 개발이 진행되고 있다. 대표적인 ITO 대체재료로는 ...
최근 플렉서블하고 웨어러블한 디바이스에 대한 관심이 증가함에 따라 Stretchable Transparent Conducting Film, 즉 STCF에 대한 연구가 요구되고 있다. ITO(Indium thin oxide) 소재는 높은 광 투과율과 낮은 면 저항을 가지고 있어 기존의 일반적인 TCF소재로 사용되었지만, 제조과정에서 고온, 고 진공의 스퍼터 공정을 사용하기 때문에 높은 공정 단가가 요구되며, 스트레쳐블 기판에서의 접착력이 좋지 않고 취성을 가진다는 단점이 있다. 이러한 특성은 Stretchable Device의 전극으로 활용하기에 부적합하기 때문에 ITO를 대체하기 위한 다양한 재료의 개발과 공정의 개선은 물론, 기판에 대한 개발이 진행되고 있다. 대표적인 ITO 대체재료로는 금속 나노와이어, Carbon Nanomaterials, 전도성고분자 등이 있으며, 해당 재료들은 보통 한가지 분야에 우수한 물성을 가지고 있지만, 단독으로 투명전극소재에 적용시키기에는 치명적인 단점들을 가지고 있다. 이에 본 연구에서는 2가지 이상의 재료를 하이브리드하여 각각의 단점을 보완하고 Stretchable Device에 사용 가능한 투명전극 개발에 초점을 두어 연구를 진행하였다. 먼저 투명전극소재로는 1차원 전도체로써 우수한 기계적 성질을 가지며, 유연한 특성을 가진 단일벽 탄소나노튜브(SWCNT)와 은 나노와이어(Ag NW)를 하이브리드하여 원 솔루션의 잉크를 제작하였다. 합성된 Ag NW-SWCNT Hybrid ink 소재는 간단한 습식 코팅 기술을 이용, 투명전극 필름을 제작하였고 탄소나노튜브 농도에 따른 박막의 구조와 전기적, 광학적 특성을 분석하였다. 그 결과, 탄소나노튜브가 은 나노와이어 네트워크에 새로운 전자이동채널을 부여함으로써 우수한 전기적특성을 가질 뿐 아니라, 표면 모포로지 개선을 통해 광학적 특성이 향상되는 것을 확인하였고, 이러한 특성은 SWCNT의 농도에 많은 영향을 받는 것으로 밝혀졌다. 본 연구에서는 Ag NW-SWCNT Hybrid 전극 소재를 기반으로 폴리우레탄 혹은 실리콘고분자 기판에 적용시킴으로써 크게 2가지 Stretchable Device 분야로의 응용가능성을 확인하였다. 첫번째로 Ag NW-SWCNT Hybrid 전극 소재 필름을 스트레쳐블 투명 히터에 적용시킴으로써, 고온 고습 혹은 Stretching-Releasing 환경에서도 발열이 가능한 면상 발열체를 제작하였다. 제작된 투명 히터는 온도 85℃, 습도 85%의 항온 항습 조건하에서 7일동안의 면 저항 변화를 관찰하고, 600회 이상의 Bending test와 100회 이상의 Stretching test를 진행함으로써 다양한 외부환경에서의 우수한 안정성을 가지고 있음을 확인하였다. 두번째로 Ag NW-SWCNT Hybrid 전극 소재와 기능성 전도성고분자 폴리피롤의 Two layer 구조를 통해 암모니아 가스에 민감한 감도를 가지는 스트레쳐블 투명 센서를 제작하였다. 이러한 구조의 센서는 일반 전도성고분자 기반의 센서와 비교하였을 때, 80% 이상의 높은 광 투과율을 가지면서도, 동일한 두께에서 30%정도의 향상된 센서 감도를 가지고 있음을 확인하였다. 이러한 연구결과를 통해 Ag NW-SWCNT Hybrid 전극 소재를 다양한 Stretchable기판에 적용시킴으로써 기존의 ITO에 기반한 투명전극필름 (TCF)를 대체 가능할 뿐만 아니라, 다양한 기능성이 요구되는 차세대 투명전극 소재로의 응용가능성을 제시할 수 있다.
최근 플렉서블하고 웨어러블한 디바이스에 대한 관심이 증가함에 따라 Stretchable Transparent Conducting Film, 즉 STCF에 대한 연구가 요구되고 있다. ITO(Indium thin oxide) 소재는 높은 광 투과율과 낮은 면 저항을 가지고 있어 기존의 일반적인 TCF소재로 사용되었지만, 제조과정에서 고온, 고 진공의 스퍼터 공정을 사용하기 때문에 높은 공정 단가가 요구되며, 스트레쳐블 기판에서의 접착력이 좋지 않고 취성을 가진다는 단점이 있다. 이러한 특성은 Stretchable Device의 전극으로 활용하기에 부적합하기 때문에 ITO를 대체하기 위한 다양한 재료의 개발과 공정의 개선은 물론, 기판에 대한 개발이 진행되고 있다. 대표적인 ITO 대체재료로는 금속 나노와이어, Carbon Nanomaterials, 전도성고분자 등이 있으며, 해당 재료들은 보통 한가지 분야에 우수한 물성을 가지고 있지만, 단독으로 투명전극소재에 적용시키기에는 치명적인 단점들을 가지고 있다. 이에 본 연구에서는 2가지 이상의 재료를 하이브리드하여 각각의 단점을 보완하고 Stretchable Device에 사용 가능한 투명전극 개발에 초점을 두어 연구를 진행하였다. 먼저 투명전극소재로는 1차원 전도체로써 우수한 기계적 성질을 가지며, 유연한 특성을 가진 단일벽 탄소나노튜브(SWCNT)와 은 나노와이어(Ag NW)를 하이브리드하여 원 솔루션의 잉크를 제작하였다. 합성된 Ag NW-SWCNT Hybrid ink 소재는 간단한 습식 코팅 기술을 이용, 투명전극 필름을 제작하였고 탄소나노튜브 농도에 따른 박막의 구조와 전기적, 광학적 특성을 분석하였다. 그 결과, 탄소나노튜브가 은 나노와이어 네트워크에 새로운 전자이동채널을 부여함으로써 우수한 전기적특성을 가질 뿐 아니라, 표면 모포로지 개선을 통해 광학적 특성이 향상되는 것을 확인하였고, 이러한 특성은 SWCNT의 농도에 많은 영향을 받는 것으로 밝혀졌다. 본 연구에서는 Ag NW-SWCNT Hybrid 전극 소재를 기반으로 폴리우레탄 혹은 실리콘고분자 기판에 적용시킴으로써 크게 2가지 Stretchable Device 분야로의 응용가능성을 확인하였다. 첫번째로 Ag NW-SWCNT Hybrid 전극 소재 필름을 스트레쳐블 투명 히터에 적용시킴으로써, 고온 고습 혹은 Stretching-Releasing 환경에서도 발열이 가능한 면상 발열체를 제작하였다. 제작된 투명 히터는 온도 85℃, 습도 85%의 항온 항습 조건하에서 7일동안의 면 저항 변화를 관찰하고, 600회 이상의 Bending test와 100회 이상의 Stretching test를 진행함으로써 다양한 외부환경에서의 우수한 안정성을 가지고 있음을 확인하였다. 두번째로 Ag NW-SWCNT Hybrid 전극 소재와 기능성 전도성고분자 폴리피롤의 Two layer 구조를 통해 암모니아 가스에 민감한 감도를 가지는 스트레쳐블 투명 센서를 제작하였다. 이러한 구조의 센서는 일반 전도성고분자 기반의 센서와 비교하였을 때, 80% 이상의 높은 광 투과율을 가지면서도, 동일한 두께에서 30%정도의 향상된 센서 감도를 가지고 있음을 확인하였다. 이러한 연구결과를 통해 Ag NW-SWCNT Hybrid 전극 소재를 다양한 Stretchable기판에 적용시킴으로써 기존의 ITO에 기반한 투명전극필름 (TCF)를 대체 가능할 뿐만 아니라, 다양한 기능성이 요구되는 차세대 투명전극 소재로의 응용가능성을 제시할 수 있다.
Flexible and wearable transparent conductive films have recently attracted considerable attention for their potential application in various optoelectronic devices. One of the most widely used transparent conductive materials is indium-tin-oxide (ITO) due to their superior optical properties and low...
Flexible and wearable transparent conductive films have recently attracted considerable attention for their potential application in various optoelectronic devices. One of the most widely used transparent conductive materials is indium-tin-oxide (ITO) due to their superior optical properties and low sheet resistance. However, there are many limitations to using ITO in flexible and stretchable devices because it is brittle, lacks mechanical flexibility, and high temperature and high vacuum processing. Therefore, to find a substitute for ITO, great efforts have been made to develop new flexible transparent conductors such as metal nanowires, conductive polymers, and carbon-based materials (CNT). Among them, silver nanowires (Ag NW) have been gaining interest as a promising alternative to ITO due to their ease of manufacture, large scale solution processability and excellent conductivity with mechanical ductility. In this study, we focused on the development of a transparent electrode which can be used for a stretchable device by complementing each defect by hybridizing two or more materials. First, a Ag NW-SWCNT Hybrid ink solutions were prepared through hybridizing Ag NWs and SWCNT, which have excellent mechanical properties as a one-dimensional conductor and have flexible characteristics. And, their transparent conductive films could be also fabricated on the stretchable silicone polymer substrate using a simple wet coating technique of the synthesized ink solution, and these conductive films were also confirmed to be applicable to two kind of stretchable devices such as transparent heater and gas sensor. For the transparent heater application, highly stretchable transparent electrode-films were fabricated based on a composite of Ag NW networks hybridized with SWCNTs in a sandwich structure, wherein a Ag NW-SWCNT hybrid network electrode was embedded between layers of PDMS and transparent polyurethane film. When 0.025 wt% SWCNTs were hybridized with Ag NWs, a Ag NW-SWCNT network electrode, which had excellent optical properties (very low haze value of less than 1% and 95% transmittance) and a low sheet resistance value of 30 Ω/sq, was obtained through the effective electrical transportation of the NW–NW, CNT–NW, and CNT–CNT junctions. The fabricated film heaters showed environmental endurance, and no significant performance degradation was observed after the films were kept under at a high temperature of 85°C and humidity of 85%. They also exhibited high stretchability up to 20. Effective Joule heating can increase the temperature of the electrode films (30 Ω/sq) up to 68°C at a bias of 11 V. For the transparent gas sensor application, the polypyrrole-phenylalanine nano-particles coated on a stretchable transparent conductive hybrid film of Ag NW networks hybridized with SWCNTs based on PDMS. By incorporating polypyrrole-phenylalanine nano-particles on the Ag NW-SWCNT hybrid network electrode backbone, highly sensitive sensor films having transparent of more than 80% have been produced and found to respond to ammonia gas. The chemical sensors films displayed enhanced reproducible and reversible responses upon exposure to ammonia gas. These results show that applying the Ag NW-SWCNT hybrid electrode material to various types of stretchable substrates can replace the conventional ITO-based transparent electrode film (TCF) and can be applied to next-generation transparent electrode materials that require various functions.
Flexible and wearable transparent conductive films have recently attracted considerable attention for their potential application in various optoelectronic devices. One of the most widely used transparent conductive materials is indium-tin-oxide (ITO) due to their superior optical properties and low sheet resistance. However, there are many limitations to using ITO in flexible and stretchable devices because it is brittle, lacks mechanical flexibility, and high temperature and high vacuum processing. Therefore, to find a substitute for ITO, great efforts have been made to develop new flexible transparent conductors such as metal nanowires, conductive polymers, and carbon-based materials (CNT). Among them, silver nanowires (Ag NW) have been gaining interest as a promising alternative to ITO due to their ease of manufacture, large scale solution processability and excellent conductivity with mechanical ductility. In this study, we focused on the development of a transparent electrode which can be used for a stretchable device by complementing each defect by hybridizing two or more materials. First, a Ag NW-SWCNT Hybrid ink solutions were prepared through hybridizing Ag NWs and SWCNT, which have excellent mechanical properties as a one-dimensional conductor and have flexible characteristics. And, their transparent conductive films could be also fabricated on the stretchable silicone polymer substrate using a simple wet coating technique of the synthesized ink solution, and these conductive films were also confirmed to be applicable to two kind of stretchable devices such as transparent heater and gas sensor. For the transparent heater application, highly stretchable transparent electrode-films were fabricated based on a composite of Ag NW networks hybridized with SWCNTs in a sandwich structure, wherein a Ag NW-SWCNT hybrid network electrode was embedded between layers of PDMS and transparent polyurethane film. When 0.025 wt% SWCNTs were hybridized with Ag NWs, a Ag NW-SWCNT network electrode, which had excellent optical properties (very low haze value of less than 1% and 95% transmittance) and a low sheet resistance value of 30 Ω/sq, was obtained through the effective electrical transportation of the NW–NW, CNT–NW, and CNT–CNT junctions. The fabricated film heaters showed environmental endurance, and no significant performance degradation was observed after the films were kept under at a high temperature of 85°C and humidity of 85%. They also exhibited high stretchability up to 20. Effective Joule heating can increase the temperature of the electrode films (30 Ω/sq) up to 68°C at a bias of 11 V. For the transparent gas sensor application, the polypyrrole-phenylalanine nano-particles coated on a stretchable transparent conductive hybrid film of Ag NW networks hybridized with SWCNTs based on PDMS. By incorporating polypyrrole-phenylalanine nano-particles on the Ag NW-SWCNT hybrid network electrode backbone, highly sensitive sensor films having transparent of more than 80% have been produced and found to respond to ammonia gas. The chemical sensors films displayed enhanced reproducible and reversible responses upon exposure to ammonia gas. These results show that applying the Ag NW-SWCNT hybrid electrode material to various types of stretchable substrates can replace the conventional ITO-based transparent electrode film (TCF) and can be applied to next-generation transparent electrode materials that require various functions.
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