건조 상태에 따른 CNT 및 ITO로 코팅된 PET 투명전극의 표면 조절 및 내구성 평가 Surface control and durability evaluation of CNT and ITO coated PET transparent electrode with different dry conditions원문보기
최근 투명전극으로 주로 사용되고 있는 ITO 재료를 대체하가 위해 CNT를 이용한 투명전극의 활용 연구가 활발히 진행되고 있다. 본 연구에서는 건조온도에 따라 CNT와 ITO의 응집이 일어나는 정도가 달라진다는 점을 이용하여 표면을 조절하여 CNT 및 ITO가 코팅된 폴리에틸렌 테레프탈레이트 (PET)를 제조하였다. CNT를 ITO를 대신할 투명전극으로의 활용 가능성을 평가하면서, 표면의 물성 변화를 유도 하기 위해 코팅 후 건조온도를 $20^{\circ}C$, $80^{\circ}C$, 그리고 $120^{\circ}C$ 3단계로 나누어 표면을 관찰하였다. 전기저항측정법을 활용하여 재료의 내구성 및 전기적 물성을 평가함으로써 제조한 투명전극의 특성을 평가하였다. 전자현미경을 이용하여 건조온도에 따른 표면 변화를 관찰하였고, UV-스펙트럼을 통해 건조온도가 증가함에 따라 투과도가 변화하는 것을 확인하였다. 나노입자의 코팅 표면 조절에 따른 전기적 물성 변화를 확인하기 위해 순환전압전류법을 이용 하였다. CNT 코팅 표면의 내구성이 ITO 코팅 표면의 내구성보다 우수함을 알았다. 그리고, 건조온도가 높을수록 나노입자들의 응집이 크게 증가 하여 내구성이 우수한 코팅 표면을 만들며, 이에 따른 전기적 물성의 향상도 확인하였다.
최근 투명전극으로 주로 사용되고 있는 ITO 재료를 대체하가 위해 CNT를 이용한 투명전극의 활용 연구가 활발히 진행되고 있다. 본 연구에서는 건조온도에 따라 CNT와 ITO의 응집이 일어나는 정도가 달라진다는 점을 이용하여 표면을 조절하여 CNT 및 ITO가 코팅된 폴리에틸렌 테레프탈레이트 (PET)를 제조하였다. CNT를 ITO를 대신할 투명전극으로의 활용 가능성을 평가하면서, 표면의 물성 변화를 유도 하기 위해 코팅 후 건조온도를 $20^{\circ}C$, $80^{\circ}C$, 그리고 $120^{\circ}C$ 3단계로 나누어 표면을 관찰하였다. 전기저항측정법을 활용하여 재료의 내구성 및 전기적 물성을 평가함으로써 제조한 투명전극의 특성을 평가하였다. 전자현미경을 이용하여 건조온도에 따른 표면 변화를 관찰하였고, UV-스펙트럼을 통해 건조온도가 증가함에 따라 투과도가 변화하는 것을 확인하였다. 나노입자의 코팅 표면 조절에 따른 전기적 물성 변화를 확인하기 위해 순환전압전류법을 이용 하였다. CNT 코팅 표면의 내구성이 ITO 코팅 표면의 내구성보다 우수함을 알았다. 그리고, 건조온도가 높을수록 나노입자들의 응집이 크게 증가 하여 내구성이 우수한 코팅 표면을 만들며, 이에 따른 전기적 물성의 향상도 확인하였다.
Recently transparent electrodes using carbon nanotube (CNT) have been studied actively to replace conventional ITO. In this work, CNT or ITO coated poly(ethylene terephthalate) (PET) were prepared by controlling the surfaces since the cohesion degree depends upon drying conditions. As transparent el...
Recently transparent electrodes using carbon nanotube (CNT) have been studied actively to replace conventional ITO. In this work, CNT or ITO coated poly(ethylene terephthalate) (PET) were prepared by controlling the surfaces since the cohesion degree depends upon drying conditions. As transparent electrode application, 3 drying temperatures were set as 20, 80, and $120^{\circ}C$ to produce the change of surface properties. Interfacial durability and electrical properties of prepared transparent electrodes were evaluated by electrical resistance measurement. Surface change with changing drying temperature was observed by FE-SEM, whereas the transparency change was measured by UV-spectroscopy. The electronic properties of nanoparticle coated surface were evaluated using cyclic voltametry method upon the surface change with controlled drying temperature. Durability of CNT coated surfaces was better than ITO coated ease. As drying temperature increased, better coated surface was prepared due to improved cohesion among nanoparticles, which resulted in increased electrical properties.
Recently transparent electrodes using carbon nanotube (CNT) have been studied actively to replace conventional ITO. In this work, CNT or ITO coated poly(ethylene terephthalate) (PET) were prepared by controlling the surfaces since the cohesion degree depends upon drying conditions. As transparent electrode application, 3 drying temperatures were set as 20, 80, and $120^{\circ}C$ to produce the change of surface properties. Interfacial durability and electrical properties of prepared transparent electrodes were evaluated by electrical resistance measurement. Surface change with changing drying temperature was observed by FE-SEM, whereas the transparency change was measured by UV-spectroscopy. The electronic properties of nanoparticle coated surface were evaluated using cyclic voltametry method upon the surface change with controlled drying temperature. Durability of CNT coated surfaces was better than ITO coated ease. As drying temperature increased, better coated surface was prepared due to improved cohesion among nanoparticles, which resulted in increased electrical properties.
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문제 정의
본 연구에서는 CNT 와 ITO 나노입자를 투명전극에 적용했을 경우의 표면물성과 내구성 평가를 진행했으며, 건조온도에 따라 변화되는 표면 물성을 확인하였다. 건조온도 조건은 20℃, 80℃, 120℃ 3조건으로 나누어 시편의 표면 물성 변화를 확인하였으며, 건조온도가 높을수록 잔존 용매의 증발에 따른 나노입자의 응집 정도가 변화하여 표면 조절이 가능함을 확인하였다.
CNT는 아세톤에, ITO는 에탄올에 균일한 분산 용액을 얻었다[8]. 나노 입자 분산 용액 (0.1 wt% CNT/아세톤, Iwt% ITO/에탄올)을각각 제조한 뒤 스프레이 코팅방법을 이용하여 시편을 제조하였다. 5 기압으로 30cm 거리에서 용액을 PET 기지에 코팅하였다.
나노 입자의 분산을 위해 소니케이션 (HielscheM]-, UP-200S, 독일)을 이용한 나노 입자의 용액을 만들어 코팅용액으로 사용하였다.
나노 입자의 코팅 표면을 제조하기 위해 CNT와 ITO 각각의 재료에 맞는 용액 분산도를 평가하였다. CNT는 아세톤에, ITO는 에탄올에 균일한 분산 용액을 얻었다[8].
1과 같이 건조처리를 한 뒤 직경 1 mm의 물방울을 떨어뜨려 코팅된 면에 스며드는 정도를 평가 하였다. 나노입자들 사이에 응집이 일어나도 빈공간이 존재하며 이러한 빈 공간으로 물이 침투할 때 나노 입자에 대한 응집력을 비교하였다.
다중벽 탄소나노튜브 (Multiwall nanotube, CM-95, 한화나노텍)와 ITO (IMium thin oxide, ITO-125R, 미지텍(쥐)을 이용하여 PET 표면에 스프레이 코팅 방법으로 시편을 제조하였다. 나노 입자의 분산을 위해 소니케이션 (HielscheM]-, UP-200S, 독일)을 이용한 나노 입자의 용액을 만들어 코팅용액으로 사용하였다.
1 mm)에 코팅된 시편의 동적 피로실험을 진행하였다. 동적 피로에 따른 코팅 표면의 파괴 정도를 전기저항 측정으로 확인하였다. 또한, 인장과 압축 실험을 0.
정도를 확인하였다. 또한 Fig. 1과 같이 건조처리를 한 뒤 직경 1 mm의 물방울을 떨어뜨려 코팅된 면에 스며드는 정도를 평가 하였다. 나노입자들 사이에 응집이 일어나도 빈공간이 존재하며 이러한 빈 공간으로 물이 침투할 때 나노 입자에 대한 응집력을 비교하였다.
동적 피로에 따른 코팅 표면의 파괴 정도를 전기저항 측정으로 확인하였다. 또한, 인장과 압축 실험을 0.5 mm/분의 속도로 실험을 진행하여 변화되는 전기저항 및 PET 시편이 받는 힘 값을 측정하여, 외부 하중에 따른 코팅 표면의 변형 정도를 예측하였다.
평가하였다. 순환전압전류법을 통해 건조온도에 따라 달라진 표면 물성을 확인하였고, 그에 따라 달라진 전기적 물성을 평가하였다.
나노입자의 코팅 표면에서의 형상변형 정도가 건조온도 120도 이상이 아니고는 ITO입자가 이루는 표면의 형상 변형이 크게 발생되지 않음을 확인하였다. 이 반면에, CNT 코팅 표면의 경우 건조온도에 따라 큰 폭의 전류 변화를 확인하였다. 즉 건조온도가 증가함에 따라 전류가 더 잘 흐를 수 있는 코팅 표면이 형성되었으며, 건조온도에 따른 변형은 CNT 표면의 변형이 컸다.
5 기압으로 30cm 거리에서 용액을 PET 기지에 코팅하였다. 이후 표면 처리를 하기 위해 상온 (20℃), 80*C (PET의 Te 온도), 120℃ (PET의 물성 변형 되지 않는 최고온도)로 한 시간 동안 각기 다른 건조온도 조건에서 시편을 제조하였다.
전기 저항 측정법 중 본 연구에서 활용한 것은 부피 저항측정과 표면 저항 측정법을 통해 PET에 코팅된 CNT와 ITO 코팅의 전기적 물성을 평가하였다.
전기적 물성을 평가하는 실험이다. 전류 값을 통해 전기적 물성을 비교할 수 있으며, 전압에 따른 전류의 크기에 확인을 통해 건조온도 조건에 따른 코팅 표면의 안정성 및 코팅의 균질도를 평가하였다.
전기저항측정법을 활용하여 비파괴적 거동을 확인하였으며 동적피로실험을 통해 투명전극의 내구성을 평가하였다. 접촉각실험을 통해 건조 온도에 따라 달라진 표면 물성을 비교. 평가하였다.
정적 접촉각 실험을 통해 건조온도에 따라 코팅된 재료의 내구성을 평가하였다. 건조온도에 따라 달라지는 코팅된 표면의 접촉각은 Young 식에 의해 식 (3)에 의해 평가하였다.
코팅된 PET 시편의 인장 실험하고, 달라진 시편의 표면에 접촉각 실험을 반복하여 외부 응력으로 달라진 표면의 물성변화 정도를 확인하였다. 또한 Fig.
이론/모형
평가하였다. 건조온도에 따라 달라지는 코팅된 표면의 접촉각은 Young 식에 의해 식 (3)에 의해 평가하였다.
성능/효과
10은 순환전압전류법을 통해 확인한 나노입자가 코팅된 시편의 전기적 물성을 전압에 따른 전류 값으로 나타내었다. CNT, ITO가 코팅된 표면에서의 전압에 따른 전류를 비교해 볼 때 CNT 코팅 표면이 ITO 코팅 표면에 비해 더 나은 전류 흐름을 확인하였다. ITO 코팅 표면은 건조온도에 따라 전류의 크기가 크게 증가하지 않았다.
건조온도 조건은 20℃, 80℃, 120℃ 3조건으로 나누어 시편의 표면 물성 변화를 확인하였으며, 건조온도가 높을수록 잔존 용매의 증발에 따른 나노입자의 응집 정도가 변화하여 표면 조절이 가능함을 확인하였다. ITO는 건조 온도가 증가됨에 따라 입자간 응집도가 증가했으며, CW는 입자간 엉킴이 유발되었다. UV 실험 결과 광투과도는 건조온도가 증가됨에 따라 입자들의 결정성 증가로 인해 투과도가 감소하는 결과를 얻었으나, 동적피로실험을 통해 내구성을 확인해봤을 경우, 입자들의 응집 정도가 증가함에 따라 코팅 표면의 내구성이 증가되었다.
ITO는 건조 온도가 증가됨에 따라 입자간 응집도가 증가했으며, CW는 입자간 엉킴이 유발되었다. UV 실험 결과 광투과도는 건조온도가 증가됨에 따라 입자들의 결정성 증가로 인해 투과도가 감소하는 결과를 얻었으나, 동적피로실험을 통해 내구성을 확인해봤을 경우, 입자들의 응집 정도가 증가함에 따라 코팅 표면의 내구성이 증가되었다. 또한, 순환전압전류법 및 표면저항측정을 통해 전기적 물성을 확인해보았을 경우, 입자간접촉점의 증가로 전기적 물성이 크게 증가됨을 확인하였다.
변화되는 표면 물성을 확인하였다. 건조온도 조건은 20℃, 80℃, 120℃ 3조건으로 나누어 시편의 표면 물성 변화를 확인하였으며, 건조온도가 높을수록 잔존 용매의 증발에 따른 나노입자의 응집 정도가 변화하여 표면 조절이 가능함을 확인하였다. ITO는 건조 온도가 증가됨에 따라 입자간 응집도가 증가했으며, CW는 입자간 엉킴이 유발되었다.
ITO 코팅 표면은 건조온도에 따라 전류의 크기가 크게 증가하지 않았다. 나노입자의 코팅 표면에서의 형상변형 정도가 건조온도 120도 이상이 아니고는 ITO입자가 이루는 표면의 형상 변형이 크게 발생되지 않음을 확인하였다. 이 반면에, CNT 코팅 표면의 경우 건조온도에 따라 큰 폭의 전류 변화를 확인하였다.
UV 실험 결과 광투과도는 건조온도가 증가됨에 따라 입자들의 결정성 증가로 인해 투과도가 감소하는 결과를 얻었으나, 동적피로실험을 통해 내구성을 확인해봤을 경우, 입자들의 응집 정도가 증가함에 따라 코팅 표면의 내구성이 증가되었다. 또한, 순환전압전류법 및 표면저항측정을 통해 전기적 물성을 확인해보았을 경우, 입자간접촉점의 증가로 전기적 물성이 크게 증가됨을 확인하였다.
CNT는 건조온도가 증가함에 따라 CNT 입자간의 응집되는 정도가 증가되어 CJ간의 엉킴 현상이 증가된다. 반면에, ITO는 건조온도가 증가함에 따라 입자와 입자 간의 응집 정도가 초기에 비해 증가하며, 그 결과 입자와 입자간 거리가 가까워짐을 확인하였다.
건조온도가 증가됨에 따라 입자 간에 응집되는 정도가 증가되어 입자간 인력이 증가된다 하지만, ITO 코팅 표면의 내구성은 구 형태의 입자간 표면에서의 응력만이. 존재하지만, CNT 코팅 표면은 높은 형상비의 CNT 특성에 의해 표면에서의 응집이 아닌 입자와 입자간의 엉킴으로발생된 내구성이기 때문에 ITO보다 강한 내구성을 지니는 코팅 표면임을 확인하였다.
참고문헌 (9)
Gao, J.F., Li, Z.M., Meng, Q.J., and Yang, Q., "CNTs/UHMWPE composites with a two-dimensional conductive network," Material Letter, Vol. 62, No. 3530, 2008, pp. 3530-3532.
Wang, S.J., Geng, Y., Zheng, Q., and Kim, J.K., "Fabrication of highly conducting and transparent graphene films," Carbon, Vol. 48, 2010, pp. 1815-1823.
Yang, J., Zhang, Z., Men, X., and Xu, X., "Fabrication of stable, transparent and superhydrophobic nanocomposite films with polystyrene functionalized carbon nanotubes," Applied Surface Science, Vol. 255, 2009, pp. 9244-9247.
Park, J.M., Kim, P.G., Jang, J.H., Wang, Z.J., Kim, J.W., Lee, W.I., Park, J.G., and DeVries, K.L., "Self-sensing and dispersive evaluation of single carbon fiber/carbon nanotube (CNT)-epoxy composites using electro-micromechanical technique and nondestructive acoustic emission," Composites: Part B, Vol. 39, 2008, pp. 1170-1182.
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