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KR102226679B1 - 고전도도의 탄소 나노튜브 미세 구조체의 3d 프린팅 방법 및 그에 사용되는 잉크 - Google Patents

고전도도의 탄소 나노튜브 미세 구조체의 3d 프린팅 방법 및 그에 사용되는 잉크 Download PDF

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KR102226679B1
KR102226679B1 KR1020160092843A KR20160092843A KR102226679B1 KR 102226679 B1 KR102226679 B1 KR 102226679B1 KR 1020160092843 A KR1020160092843 A KR 1020160092843A KR 20160092843 A KR20160092843 A KR 20160092843A KR 102226679 B1 KR102226679 B1 KR 102226679B1
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한국전기연구원
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Abstract

CNT 3차원 구조체의 인쇄 방법이 개시된다. 본 발명은 CNT 및 유동 조절제를 포함하는 CNT 복합재가 분산된 잉크를 노즐에 제공하는 단계; 상기 노즐을 기판 상의 소정 지점에 위치시키는 단계; 및 상기 노즐로부터 상기 잉크를 토출하면서 상기 기판 상의 소정 경로를 따라 상기 노즐을 이동시켜 상기 노즐의 이동 경로에 대응하는 CNT 복합재 패턴을 인쇄하는 단계를 포함하고, 상기 CNT 복합재 패턴 인쇄 단계에서, 상기 패턴은 상기 노즐과 상기 기판 사이에서 상기 노즐로부터 토출되는 상기 잉크에 의해 형성된 메니스커스 내의 용매의 증발에 의해 CNT 복합재로 적층되는 것을 특징으로 하는 CNT 복합재 구조체의 제조 방법을 제공한다. 본 발명에 따르면, CNT를 주성분으로 하는 CNT 구조체의 제조가 가능하게 되며, 무가압 방식으로 노즐의 폐색이나 잉크의 끊김 없이 연속적인 패턴 성형이 가능하고, 제조된 CNT 구조체는 사출된 형상을 견고히 유지할 수 있다.

Description

고전도도의 탄소 나노튜브 미세 구조체의 3D 프린팅 방법 및 그에 사용되는 잉크{3D Printing of Highly Conductive CNT Microarchitecture And Ink Therefor}
본 발명은 3차원 구조체의 프린팅 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 탄소 나노튜브를 포함하는 고전도도의3차원 미세 구조체의 프린팅 방법 및 그에 사용되며 유체 거동을 나타내는 잉크에 관한 것이다.
인쇄전자기술(Printed Electronics)은 복잡하고 고비용의 종래의 사진식각기법(Photolithography)에 비해 원하는 형상을 직접 인쇄함으로써 공정을 단순화하고 빠르고 저렴한 회로 소자를 다양한 기판 상에 제조할 수 있다는 장점을 갖는다.
인쇄전자 기술에는 평면으로 된 2차원 개체를 스캔, 복사, 출력하는 형식으로 전자소자를 제작하는 방법 이외에 3차원 패턴을 제작할 수 있는 3차원(3D) 프린팅 방법이 있다. 3D프린팅기술은 고무, 나일론, 플라스틱과 같은 절연체, 스테인리스스틸, 티타늄과 같은 금속 등의 소재를 3차원 설계 데이터를 기반으로 하여 적층제조법(additive manufacturing)으로 실물 모형, 프로토타입, 툴 및 부품 등을 형상화할 수 있다. 이러한 2차원 과 3차원의 프린팅 기술들은 과거 인쇄회로기판의 회로, 반도체의 포토마스크, 디스플레이의 컬러 필터 등 일부 영역에 제한적으로 적용되어 왔던 인쇄전자의 분야를 각종 잉크 및 기판 재료와 미세 인쇄기술이 발전·융합하면서 새로운 영역으로 성장시키는 기폭제 역할을 하고 있다.
그러나, FDM(Fused Deposit Modelling), SLS(Selective Laser Printing)과 같은 종래의 3D 프린팅 기술은 제조기법에 기인하는 공정요소들 또는 사용되는 원료 물질의 제한 등으로 인해 다양한 기능성 재료로 미세 패턴이 구현되어야 하는 인쇄전자기술에 적용되기에 한계를 가지고 있다.
한편, 탄소 나노튜브(carbon nanotubes; 이하 'CNT')는 양호한 열적, 전기적, 기계적 특성 및 화학적 안정성을 가진 매력적인 전자 소재로, 이것의 3차원 구조체를 제작하여 3차원 인쇄전자기술에 적용하려는 요구가 있다.
이러한 기술들에서 3차원 구조체는 폴리머를 주성분으로 하고 여기에 미량의 CNT를 기능성 첨가제로 사용하고 있다. 예를 들어, 통상의 FDM 기술을 적용하는 경우 3wt% 미만의 미량의 CNT를 첨가한 폴리머 필라멘트를 용융 사출하여 원하는 3차원 구조체를 형성하고 있다. 이때 제작된 CNT/폴리머 필라멘트는 109-W 의 표면 비저항을 가진다. 전도도 향상을 위해 CNT의 함량이 증가하게 되면 3D프린팅용 필라멘트의 제작이 어렵다는 문제가 있다.
테리알트(Therriault) 등은 UV 조사를 통해 경화되는 0.5 중량% CNT와 5 중량% 실리카가 함유된 폴리우레탄 잉크를 이용하여 3차원 코일을 제작했으나 이때 제작된 구조물의 전도도는 10-4 S m- 1 이다. 최근, 그리피니(Griffini) 등은 용액 상태의 CNT/폴리머 복합재를 가압사출(pressure extrusion)하여 3차원 구조체를 제조하는 기술을 제시한 바 있다. 이 기술에서 CNT/폴리머 복합재는 휘발성 용매에 분산되는데, 용액은 높은 점성을 가지며 비틀림 응력의 크기에 따라 유동 상태가 고체 유사 상태(solid-like behavior) 및 액체 유사 상태(liquid-like behavior)로 변환하는 거동을 나타낸다. 또한, 용액의 점도가 증가하면 보다 큰 사출 압력이 요구되므로, 이 기법에서는 CNT/폴리머 복합재 함량에 대하여 대략 최대 10 중량%의 CNT가 사용되고 있다. 이때, 제작된 구조물은 100 S m-1의 전도도를 갖는다. 이와 같이 종래의 다양한 시도에도 불구하고 현재까지 CNT를 주성분으로 하고 고전도도를 갖는 3차원 구조체 및 그 제조 기술의 개발은 가능하지 않은 실정이다.
상기한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여, 본 발명은 인쇄전자기술에 적용하기에 적합한 CNT 3차원 구조체를 제작할 수 있는 잉크 기반의 제조 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한 본 발명은 CNT를 실질적인 주성분으로 하는 3차원 구조체의 제조 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명은 전술한 CNT 구조체의 제조에 적합한 잉크 조성물을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위하여 본 발명은, CNT 및 유동 조절제를 포함하는 CNT 복합재가 분산된 잉크를 노즐에 제공하는 단계; 상기 노즐을 기판 상의 소정 지점에 위치시키는 단계; 및 상기 노즐로부터 상기 잉크를 토출하면서 상기 기판 상의 소정 경로를 따라 상기 노즐을 이동시켜 상기 노즐의 이동 경로에 대응하는 CNT 복합재 패턴을 인쇄하는 단계를 포함하고, 상기 CNT 복합재 패턴 인쇄 단계에서, 상기 패턴은 상기 노즐과 상기 기판 사이에서 상기 노즐로부터 토출되는 상기 잉크에 의해 형성된 메니스커스 내의 용매의 증발에 의해 CNT 복합재로 적층되는 것을 특징으로 하는 CNT 복합재 구조체의 제조 방법을 제공한다.
본 발명의 일실시예에서 상기 유동 조절제는 상기 CNT 표면을 둘러싸는 친수성 고리를 형성하는 것이 바람직하다.
또한, 본 발명의 실시예에서, 상기 잉크 중의 CNT 복합재 농도는 6 ~ 60 중량%, 바람직하게는 22 ~ 35 중량%인 것이 바람직하다. 또한, 상기 잉크 중의CNT 농도는 1 ~ 20 중량%가 사용될 수 있으며, 바람직하게는 5 ~ 10 중량%인 것이 좋다. 또한, 상기 유동 조절제 농도는 5 ~ 40 중량%가 사용될 수 있으며, 바람직하게는 10~25 중량% 더욱 바람직하게는 17 ~ 25 중량%인 것이 좋다.
또한 본 발명에서 상기 유동 조절제는 친수성 폴리머가 사용될 수 있다. 예컨대, 상기 유동 조절제는 PVP, PEG, PAA로 이루어진 그룹 중에서 선택된 최소한 1종의 폴리머를 포함할 수 있다.
또한 본 발명은 상기 인쇄 단계 이후에 상기 적층된 CNT 복합재 중 상기 유동 조절제의 최소한 일부를 제거하는 단계를 더 포함할 수 있다.
본 발명에서 상기 제거 단계 이후에 상기 CNT 복합재 중 50 중량% 이상 더 바람직하게는 70 중량% 이상의 CNT가 함유될 수 있다.
본 발명에서 상기 용매는 물, 알코올, 아세톤 및 디클로로메탄으로 이루어진 극성용매 그룹 중에서 선택된 최소한 1종일 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 따르면, CNT, 상기 CNT의 유동을 조절하기 위한 유동 조절제 및 용매를 포함하는 CNT 잉크에 있어서, 상기 잉크는 10-1 내지 10 Pa의 전단응력하에서 액체 유사 거동을 나타내는 것을 특징으로 하는 CNT 잉크를 제공한다.
본 발명의 실시예에서 상기 잉크는 10-1 내지 10 Pa의 전단응력하에서 손실탄성률이 저장탄성률보다 큰 값을 갖는 것이 바람직하다. 이 때, 상기 CNT 함량은 5 ~ 10 중량% 일 수 있다. 또한, 상기 잉크 중 유동 조절제 함량은 10~25 중량%, 더 바람직하게는 17 ~ 25 중량% 일 수 있다.
또한, 상기 잉크 중 CNT 중량과 유동 조절제 중량의 비율은 1:1~1:5일 수 있다.
본 발명에 따르면, 인쇄 방식으로 3차원 구조체를 프린팅 하는 CNT 구조체의 제조 방법을 제공한다.
또한, 본 발명에 따르면 CNT를 주성분으로 하는 CNT 구조체의 제조가 가능하게 된다.
또, 본 발명에 따르면, 무가압 방식으로 노즐의 폐색이나 잉크의 끊김 없이 연속적인 패턴 성형이 가능하며, 제조된 CNT 구조체는 사출된 형상을 견고히 유지한다.
본 발명은 특히 인쇄전자 기술에 적용되어 능동 소자 및 수동 소자를 포하맣는 다양한 부품 소자의 구현에 적용될 수 있다.
또한, 본 발명의 다른 측면에 따르면 본 발명은 무가압 사출(pressureless extrusion) 방식의 3D 프린팅에 적합한 CNT 잉크를 제공할 수 있게 된다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 인쇄 기술을 개략적으로 설명하기 위한 도면이다.
도 2 는 본 발명의 일실시예에 따른 CNT 패턴 인쇄를 위한 프린팅 펜(110)의 동작 과정을 보다 상세하게 도시한 개념도이다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 패턴 인쇄 방법의 일례를 예시적으로 도시한 도면이다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 인쇄 장치를 모식적으로 나타낸 도면이다.
도 5는 본 발명의 CNT 잉크에서 유동 조절제가 CNT 표면을 둘러싼 형태를 모식적으로 도시한 도면이다.
도 6의 본 발명의 실시예에 따라 제조된 잉크의 유동 특성 측정 결과를 나타낸 그래프이다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따라 제조된 잉크의 인쇄성을 테스트한 결과를 나타낸 그래프이다. (스케일바: 20 μm)
도 8은 본 발명의 실시예에 따라 제조된 잉크의 열중량분석 결과를 나타낸 그래프이다.
도 9는 존 발명의 실시예에 따라 구현된 다양한 구조체를 보여주는 사진이다.
도 10은 본 발명의 다른 실시예에 따른 3D 구조체의 일례를 도시한 도면이다. (스케일바: 20 μm)
도 11은 본 발명의 실시예에 따라 구현된 기능성 소자를 보여주는 사진이다.
이상 본 발명의 바람직한 실시예를 설명하였지만, 전술한 실시예는 본 발명을 예시하는 것이고 본 발명을 제한하는 것은 아니다.
본 발명의 명세서에 사용되는 용어는 용어의 통상적인 의미로 사용된다. 다만, 본 명세서에서 특별하게 정의된 용어는 그 정의된 대로 사용된다. 본 발명에서 패턴은 전기 전자 소자로 기능하게 되는 구조물로서 2차원뿐만 아니라 3차원의 구조물을 포함하는데, 예컨대 기판 표면과 평행한 방향으로 적층되거나 기판에 수직 방향으로 연장되는 와이어 형태의 구조물을 모두 포함한다.
도 1은 본 발명의 인쇄 기술을 개략적으로 설명하기 위한 도면이다. 도 1을 참조하면, CNT와 폴리머(유동조절제)가 소정의 농도로 분산된 CNT 잉크가 프린팅 펜(110)에 유지된다. 프린팅 펜(110)이 기판(10)과 접촉하고 펜(110)이 접촉점으로부터 특정 방향 예컨대 수직 방향으로 소정 속도(v)로 이동함에 따라 상기 펜 선단의 노즐에는 소정 유량(W)으로 잉크가 방출된다.
상기 펜 선단의 노즐 부근에서 방출된 잉크는 표면 장력에 의하여 메니스커스(meniscus; B)를 형성한다. 순간적으로 메니스커스 표면으로부터 잉크의 용매가 증발하고 그 결과 기판 상에는 순수한 CNT/폴리머 적층구조물(A)이 남게 된다. 프린팅 펜(110)이 상방으로 이동함에 따라 노즐 선단에 형성된 메니스커스(B)에 의한 표면 장력은 용액을 끊김 없이 노즐 밖으로 방출하도록 한다. 이와 같은 방식으로, 노즐의 이동에 따라 노즐 내의 용액이 연속적으로 토출되며, 기판에 가까운 증발 부위에는 CNT/폴리머 적층구조물(A)이 인쇄되는 한편 노즐측에는 메니스커스(B)가 형성되는 연속적인 과정이 발생한다.
그 결과 기판 상에는 노즐의 이동 궤적에 상응하는 소정의 CNT 복합재 적층 패턴이 인쇄될 수 있다.
도 2의 (a) 내지 (c)는 본 발명의 일실시예에 따른 CNT 패턴 인쇄를 위한 프린팅 펜(110)의 동작 과정을 보다 상세하게 도시한 개념도이다.
도 2의 (a)는 펜(110)의 노즐이 기판(10)과 노즐과 접촉하는 초기 상태를 도시한다. 상기 펜(110)의 내부에는 CNT(22), 유동 조절제(23) 및 용매(24)를 포함하는 잉크가 저장되어 있다.
도 2의 (b)에 도시된 바와 같이 도 2의 (a) 상태로부터 상기 펜(110)이 상방으로 소정 간격 이동하면, 상기 노즐과 상기 기판 사이의 간극에 잉크의 메니스커스(B)가 형성된다.
이어서, 도 2의 (c)에 도시된 바와 같이, 이 상태에서 상기 펜(110)이 상방으로 소정 속도로 이동하면, 상기 노즐로부터 잉크가 방출된다. 도 1과 관련하여 설명한 방식으로 상기 노즐측에는 용액 상태의 잉크에 의한 표면 장력이 작용하는 메니스커스(B)가 형성되고, 기판측에는 용매(24)의 증발에 의해 CNT 복합재 적층 구조물(A)을 형성한다. 본 발명에서 상기 메니스커스는 CNT의 유동을 위한 관로로 작용한다. CNT 입자(22)는 메니스커스가 형성하는 관로를 따라 노즐 밖으로 유동한다.
본 발명에서 메니스커스(B)의 용매는 높은 비표면적을 가져 상온에서도 자발적으로 증발(evaporation)한다. 물론, 경우에 따라 본 발명에서 상기 펜의 동작 과정에 적절한 가열 수단이 부가되는 것을 배제하는 것은 아니다. 본 발명에서 상기 메니스커스의 형성과 용매의 증발은 거의 동시에 발생하며 그 결과 CNT 복합재 패턴은 형상을 유지한다.
본 발명에서 용매의 증발을 위한 높은 비표면적을 제공하도록 메니스커스의 폭은 적절한 범위 내에서 유지된다. 본 발명에서 메니스커스의 폭은 노즐의 구경(aperture)과 노즐의 이동 속도에 의존한다. 또한, CNT가 메니스커스의 관로 내에서 유동하기 때문에, 결과적인 CNT 복합재 패턴의 선폭은 메니스커스의 폭(d)과 동일하거나 작은 값을 갖는다.
다시 도 1을 참조하면, 소정 이동 속도(v)에서 메니스커스는 소정 크기의 폭(d)을 갖는다. 그러나, 이동 속도가 증가하면 메니스커스의 폭은 보다 작은 값을 갖는다. 이 관계는 소위 재료 균형 법칙이라고 하는 다음의 수식으로 표현할 수 있다.
r = [W(v)/(πv)]1/2
(여기서, r은 메니스커스의 반경, v는 노즐의 이동 속도, W는 잉크의 흐름 속도)
한편, 본 발명의 방법에 의해 인쇄된 CNT 복합재 패턴의 유동 조절제는 적절한 방식으로 제거될 수 있다. 예를 들어, 진공 또는 비산화 분위기에서의 열처리 과정에 의해 유동 조절제가 제거될 수 있다. 열처리 온도 및 시간은 기판 상에 인쇄된 소자 및 인근 소자의 내열성 등을 고려하여 적절히 설계할 수 있다.
한편, 본 발명의 인쇄 방법은 다양한 형태의 패턴에 적용 가능하다.
도 3은 본 발명에 따른 패턴 인쇄 방법의 일례를 예시적으로 도시한 도면이다.
도 3의 (a)를 참조하면, 프린트 펜(110)은 기판과 평행한 방향으로 이동할 수 있다. 이 경우에도 국부적인 메니스커스의 형성, 용액의 증발 및 CNT 패턴의 제조가 전술한 것과 동일한 메커니즘으로 진행될 수 있다. 또한, 이와 같은 패턴은 2차원 면 형상의 패턴을 인쇄하는 데에 적용될 수 있을 것이다.
또, 도 3의 (b)는 프린트 펜(110)이 기판에 수직한 방향으로 이동함으로써 기판에 수직 방향으로 자유 기립(freestanding) 와이어 패턴의 제조가 가능하게 된다.
또한, 본 발명에 속한 기술 분야의 당업자라면 두 방향의 이동을 적절히 조합함으로써 3차원 공간 상에서 와이어 본딩(bonding)이 가능하게 될 수 있음을 알 수 있을 것이다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 CNT 복합재 패턴 인쇄 장치를 모식적으로 나타낸 도면이다.
도 4를 참조하면, 본 발명의 CNT 복합재 패턴 인쇄 장치(100)는 프린팅 펜(110), 기판 스테이지(120) 및 위치 제어부(140)를 포함할 수 있다.
상기 프린팅 펜(110)은 내부에 CNT 복합재 잉크(20)를 담는 적재 공간을 구비하고, 선단부에 구비된 노즐을 통해 CNT 복합재 잉크(20)를 배출한다. 본 발명에서 프린팅 펜(110) 노즐의 단면은 원형, 사형, 육각형 등 다양한 형태를 가질 수 있다.
본 발명에서 상기 노즐은 소정의 구경을 갖는다. 전술한 바와 같이, 노즐의 이동에 의해 인쇄되는 패턴의 선폭은 노즐의 이동 속도에 의존한다. 따라서, 나노 사이즈의 패턴을 얻기 위하여 상기 나노 사이즈의 구경을 요하지 않는다. 바람직하게는 본 발명에서 상기 노즐의 구경은 0.1㎛~50㎛인 것이 바람직하다. 상기 노즐의 구경이 50㎛ 이상인 경우, 형성되는 메니스커스의 비표면적이 작아 적층 구조물의 인쇄가 용이하지 않다. 또한, 상기 노즐 구경이 0.1㎛ 미만인 경우 노즐의 폐색이 발생할 수 있다.
상기 프린팅 펜(110)에는 잉크 공급 탱크(도시하지 않음) 및 잉크 공급 밸브(도시하지 않음)가 연결될 수 있다. 잉크 공급 밸브는 상기 프린팅 펜(110)으로 유입되는 잉크의 흐름을 단속할 수 있다. 또한, 상기 프린팅 펜(110)은 3축 방향 이송을 위한 이송 기구 예컨대 이송암에 부착될 수 있으며, 이송암이 X, Y, Z 축 방향으로 상기 프린팅 펜(110)을 이송할 수 있다.
상기 기판 스테이지(110)는 인쇄 대상이 되는 기판을 유지하기 위한 일체의 수단을 구비할 수 있다. 상기 기판 스테이지(120)는 3축 방향으로 이동 가능한 이송 기구(도시하지 않음)를 구비할 수 있다.
또한, 상기 위치 제어부(140)는 프린팅 펜(110) 및 기판 스테이지(120) 중 적어도 하나의 위치를 제어한다. 이를 위하여, 상기 프린팅 펜(110) 및 기판 스테이지(120)의 이송 기구를 구동하여 상기 프린팅 펜(110)과 상기 기판 스테이지(120)의 3차원적인 상대적 위치를 제어할 수 있다.
또한, 상기 위치 제어부(140)는 기판에 대한 프린팅 펜(110)의 상대적 이동 속도를 제어한다. 본 발명에서 패턴 인쇄를 위한 노즐의 이동 속도는 메니스커스 내의 용액 증발 속도와 용액의 표면 장력을 고려하여 설계된다. 물, 에탄올 또는 아세톤을 용매로 사용하는 경우, 노즐의 이동 속도는 바람직하게는 0.1 ㎛/sec~ 200 ㎛/sec범위인 것이 좋다.0.1 ㎛/sec 미만의 이동 속도에서는 빠른 증발로 노즐의 폐색이 발생하고, 200 ㎛/sec 이상의 이동 속도에서는 패턴의 끊김이 발생한다.
물론, 본 발명에서 상기 위치 제어부(120)는 CCD 카메라(142)를 통해 획득되는 단위 구조물의 형상을 참조하여 프린팅 펜(110) 및/또는 기판홀더(120)의 위치를 제어할 수도 있다. 이 때, 상기 위치 제어부(140)는 프린팅 펜(110)과 기판(120) 사이에 형성된 메니스커스(113)의 형상을 제어하여 구조물의 성장 방향을 조절할 수도 있다.
본 발명에서 상기 CNT 복합재 패턴 인쇄 장치(100)의 원료로 공급되는 잉크는 다음의 특성을 갖는 것이 바람직하다.
상기 잉크는 CNT(22), 유동 조절제로서의 폴리머(23), 용매(또는 분산매; 24)를 포함한다.
상기 CNT는 단일벽구조 CNT(Single Wall CNT; SWNT), 다중벽구조 CNT(Multi wall CNT; MWNT) 또는 이들의 조합으로 된 입자 또는 분말일 수 있다.
상기 CNT는 용액 내에서 반데르발스력에 의해 강한 응집 특성을 나타낸다. 이를 억제하기 위해 산처리 등에 의해 CNT 분말 표면에 카르복실기(-COOH), 수산화기(-OH) 등의 작용기(functional group)가 도입될 수 있다. 그러나, 이러한 처리로는 노즐을 통한 개별 CNT의 연속적인 유동이 보장될 수 없다.
이러한 이유로, 본 발명의 잉크에는 유동 조절제(rheological modifier)가 도입된다. 상기 유동 조절제는 상기 CNT 분말의 응집을 억제하고 균일한 분산을 유도한다. 상기 유동 조절제에 의해 상기 CNT 분말이 상기 노즐을 통하여 끊김 없이 유동할 수 있다.
본 발명에서 상기 유동 조절제는 친수성 폴리머인 것이 바람직하다. 또한, 상기 친수성 폴리머는 수용성 폴리머일 수 있다. 예컨대, 상기 유동 조절제로는 PVP(polyvinyl pirolidine), PAA(Polyacrylic acid), PEG(Polyethylene glycol) 로 이루어진 그룹 중에서 선택된 최소한 1종의 폴리머가 사용될 수 있다.
상기 유동 조절제는 상기 CNT 표면에 들러 붙어 CNT 표면에 붙거나 표면을 랩핑(wrapping)한다. 도 5는 유동 조절제(23)가 CNT(22) 표면을 둘러싼 형태를 모식적으로 도시한 도면이다. 이와 같이, 친수성 유동 조절제(23)가 CNT 표면을 둘러싸면서 친수성 고리를 형성하고, 이로 인해 CNT 입자는 용액(물) 내에 균일하게 분산될 수 있다.
본 발명에서 상기 용매는 증발 후 잔류물을 생성하지 않는 것이 바람직하다. 본 발명에서 상기 용매로는 극성의 무기 용매나 유기 용매가 사용될 수 있다. 바람직하게는 상기 무기 용매로는 물, 상기 유기 용매로는 알코올, 디클로로메탄 및 아세톤이 사용될 수 있다. 또한, 본 발명에서 상기 용매의 증발과 패턴의 인쇄는 실질적으로 인시튜로 발생하여야 한다. 따라서, 본 발명에서 용매는 끓는점 온도가 물과 동등하거나 이보다 낮은 온도인 것이 좋고, 100 ℃이하인 것이 바람직하다.
본 발명에서 상기 잉크는 유동 조절제 함량이 증가하면 점도는 증가한다. 또한, 상기 잉크는 전단변형(shear stress)이 증가함에 따라 점도가 감소하는 전단 유동화(shear thinning) 특성을 나타낸다. 나아가, 본 발명에서 상기 잉크는 전단변형시 액체 유사 거동(liquid-like behavior)을 나타낸다. 즉, 전단변형(shear stress) 하에서 손실탄성률(loss moduli; G")이 저장탄성률(storage muduli; G') 보다 큰 값을 갖는다.
이하 본 발명의 예시적인 실시예를 설명한다.
<CNT 복합재 잉크 제조예>
MWNT(일진나노텍)와 분자량 (Mw) = 10,000인 PVP(알드리치)를 잉크 원료 물질로 사용하였다.
MWNT는 농축 H2SO4 및 HNO3 (부피비 3:1)의 혼합물에 분산하여 70 °C에서 24 h 동안 열처리하여 산처리하였다. 산처리를 거친 MWNT를 중수에 수회 세척하고 드라이 오븐 100 °C에서 24 h 동안 건조하였다.
물을 용매로 하여 잉크 전체 중량에 대하여 MWNT 7 중량%, PVP가 각각 0 중량%, 7 중량%, 17 중량% 및 25 중량%가 포함되도록 칭량하여 물에 분산하여 상이한 조성의 잉크를 제조하였다.
레오미터(MCR102, Anton Paar)로 제조된 잉크의 유동학적 특성을 측정하였다. 잉크의 점도를 측정하기 위하여 변화하는 전단속도(shear rate)에서 점도를 측정하기 위하여 10~102 s-1 범위에서 스트레인을 연속적으로 변화시켰다. 저장탄성률과 손실탄성률을 응력의 함수로 구하기 위하여 1 Hz의 일정 주파수에서 응력을 연속적으로 변화시켰다.
또, MWNT 및 PVP의 질량 감소를 측정하기 위하여 열중량분석기(TA Instruments Q600, USA)로 열중량 분석을 실시하였다. 열중량분석을 위하여 샘플을 알루미나 도가니에서 10 °C/min의 승온 속도로 450 °C로 승온한 뒤 Ar 분위기(유량 100 ml/min)에서 1 시간 동안 유지하였다.
도 6의 본 발명의 실시예에 따라 제조된 잉크의 유동 특성 측정 결과를 나타낸 그래프이다.
먼저, 도 6의 (a)는 전단속도에 따른 점도 변화를 도시한 그래프이다. 도시된 바와 같이 MWNT 7 중량% 포함된 잉크(A-MWNT)나 MWNT 7 중량% 및 PVP 17 중량% 포함된 잉크 모두 전단속도가 증가함에 따라 점도가 감소하는 전단 유동화(shear thinning) 특성을 보여주고 있다. 한편, 도 6의 (a) 내측에 도시된 작은 그래프는 PVP 농도(중량%)가 증가함에 따라 점도가 증가함을 보여주고 있다.
다음으로, 도 6의 (b)는 전단변형에 따른 저장탄성률(G') 및 손실탄성률(G")의 변화를 나타내고 있다.
도 6의 (b)를 참조하면, 25 중량% PVP 농도에 이르기까지, 모든 잉크는 전단응력 구간(10-1 Pa ~ 10 Pa)에서 손실탄성률(G")이 저장탄성률(G') 보다 큰 값을 나타내고 있다. 이것은 본 발명의 잉크가 이 구간에서 액체 유사 거동(liquid-like behavior)을 가짐을 보여준다. 또한 높은 전단응력 구간에서 저장탄성률 값이 도시되어 있지 않지만, 그래프의 경향으로부터 저장탄성률은 전단응력이 증가함에 따라 감소하는 경향을 보이고 있어, 본 발명의 잉크는 10 Pa 이상의 구간에서도 액체 유사 거동을 가짐을 예측할 수 있다.
이와 같이, 액체 유사 거동을 보이는 잉크를 이용함으로써, 본 발명은 가압 방식을 사용하지 않아도 되기 때문에 제작할 수 있는 3차원 구조물의 공간 해상도를 높일 수 있다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따라 제조된 잉크의 인쇄성을 테스트한 결과를 나타낸 그래프이다.
Pt 코팅된 Si 기판 상에 MWNT 7 wt% + PVP(각 농도 0 wt%, 7 wt%, 17 wt%, 25 wt%) 잉크로 2차원 배선을 형성하였다. 이 때, 배선의 폭(Ws)은 24 mm로 설정하였고, 직경 20 mm인 피펫을 사용하여 무가압 상태에서 당김 속도(υ) 75 mm-1로 배선을 형성하였다. 이어서, 형성된 배선을 450 ℃ 진공분위기에서 1시간 동안 열처리하였다
도 7의 (a) 내지 (d)의 상단 사진은 열처리 전의 배선 패턴을 촬영한 사진이다. 이 도면으로부터 알 수 있는 바와 같이, PVP 농도 17 wt% 및 25 wt% 잉크의 경우 폭이 24 mm로 균일한 배선이 얻어졌으며, 이 농도에서 끊김 없는 피팻 노즐에서 연속적인 잉크의 유동이 가능하였음을 보여준다. 그러나, PVP 농도 17 wt% 미만에서는 불연속적이고 비균일한 배선 패턴이 형성되었다.
도 7의 하단 사진은 열처리 후의 배선 패턴을 촬영한 사진이다. 도 7의 (c)에 도시된 상단 및 하단 사진은 열처리에 의해 PVP가 제거되어 배선 패턴에는 주로 MWNT가 잔류하게 됨을 보여주고 있다.
도 8은 본 발명의 실시예에 따라 제조된 잉크의 열중량분석 결과를 나타낸 그래프이다.
열중량분석은 MWNT 7 wt% 샘플(7-wt% A-MWNT) 및 MWNT 7 wt% + 17 wt% PVP 샘플(7-wt% A-MWNT+17-wt% PVP)에 대하여 행하였다. 각 샘플에 대한 중량분석 결과에서 100℃ 부근의 중량감소는 용매의 증발에 기인한 것이고, 400℃ 이상의 온도에서의 중량감소는 대부분 PVP의 분해에 기인하는 것이다. 물론, MWNT 7 wt% 샘플의 경우에도 고온에서 중량감소가 관찰되고 있는데, 이것은 MWNT의 분해에 기인하는 것으로 추정된다.
MWNT 7 wt% 샘플의 경우 최종 중량은 약 5 wt% 였고, MWNT 7 wt% + 17 wt% PVP 샘플의 경우 최종 중량은 대략 6.6 wt%였다. 따라서, MWNT 7 wt% + 17 wt% PVP 샘플 내의 MWNT 함량은 MWNT 7 wt% 샘플의 함량과 동일한 것이므로, 이 샘플은 열처리에 의해 MWNT 75 wt% + PVP 25 wt%로 구성된 구조물을 생성하게 됨을 알 수 있다. 따라서, 본 발명의 잉크로 제조된 MWNT 구조체는 MWNT를 주성분으로 하여, MWNT가 갖는 전기적 기계적 특성을 온전히 활용할 수 있게 된다.
한편, 본 발명에서 PVP 제거 단계를 거친 구조체는 MWNT를 주성분으로 하여 이들 간의 반데르발스 결합에 의해 견고하게 형상을 유지할 수 있으며 물에 대한 재용해성을 나타내지 않음을 보여주었다.
<CNT 복합재 구조체의 제조>
MWNT 7 중량% 및 PVP 17 중량% 포함된 잉크를 사용하여, CNT 복합체 구조체를 제조하였다. 노즐로는 글라스 마이크로피펫(micro-pippet)을 사용하였고, 노즐 구경은 8㎛ 내지 30㎛의 다양한 구경을 사용하였다. 도 1 내지 도 3과 관련하여 설명한 바와 같이, CNT 잉크를 마이크로 피펫의 후방으로 공급하고 모세관력 외의 다른 압력 부가없이 팁 선단에서 방출되었다.
도 4에 도시된 장치를 사용하여, 패턴 제조 과정에서 마이크로피펫의 위치 및 당김 속도는 3축 스테핑 모터로 250nm의 위치 정밀도로 정밀하게 제어하였고, 200배 광학 렌즈와 CCD 카메라를 구비한 고선명 모니터링 시스템을 사용하여 미세 구조체의 성장 과정을 인시튜로 촬영하였다.
인쇄된 MWNT 구조체는 진공 중 450° C에서 1 시간 동안 열처리하였다.
도 9에 도시된 바와 같이, 다양한 구조체를 본 발명의 방법에 따라 구현하였다.
도 9의 (a)는 직경이 대략 9 ㎛이고 간격이 30 ㎛인 자유 기립 MWNT 기둥들의 배치를 보여주고 있다. 마이크로 피펫을 20 ㎛s-1의 속도(υ)로 수직 방향으로 당김으로써 도시된 구조물을 형성하였다.
도 9의 (b)는 브릿지 구조물, 도 9의 (c)는 문자 "KERI"가 브릿지에 의해 연결된 구조를 보여주고 있다. 도 9의 (c) 우측 그래프는 문자 "KERI" 패턴과 은 전극(silver paste) 사이의 오믹 접촉을 보여준다. "KERI" 패턴은 상온에서 약 2540 Sm-1의 전기 전도도를 나타내고 있다. 이는 기존에 보고되었던 3차원 프린팅된 CNT 구조물의 전도도보다 월등히 높은 값이다.
도 9의 (d)는 곡률 반경이 약 8.4 mm인 곡면 글라스 기판 상에서 구현된 연속되는 MWNT 브릿지 구조를 보여준다. 이 실시예는 곡면과 같은 비평탄면에서 본 발명이 구현될 수 있음을 보여준다.
도 10은 본 발명의 다른 실시예에 따른 3D 구조체의 일례를 도시한 도면이다.
도 10을 참조하면, 다양한 형상을 갖는 3D 벽구조의 구조체가 도시되어 있다. 이와 같이, 계단형 벽구조, 중공(hollow) 구조를 포함하는 다양한 형상의 3D 구조체의 구현이 가능하다.
<기능성 소자의 제조>
도 11의 (a)에 도시된 바와 같이, 10 μm 간격의 Pt 코팅된 Si 전극 사이에 MWNT 미세 브릿지를 인쇄하여 제조된 센서를 상온에서 테스트하였다. 은 페이스트로 납(Pb) 와이어를 두 전극에 부착하고 측정 시스템과 전기적으로 연결하였다. 센서를 가스 유동을 위한 입구 파이프 및 출구 파이프를 구비한 수제작한 챔버 내에 배치하였다. 유량 제어기(ATOVAC AFC500)를 사용하여 순도 99.999%의 질소 가스와 암모니아 가스의 유량을 제어하였다. NH3 농도는 NH3/N2 비율을 조절하여 10 내지 70 ppm 사이로 유지하였다. 순수한 N2는 센서 저항을 기준 조건(Ro)으로 복귀시키기 위한 퍼지용으로 사용하였다. 반도체 분석 시스템(Keithley 4200-SCS)으로 센서의 전기 저항을 1V의 바이어스 전압을 측정하였다. NH3가 MWNT에 흡착되면 홀 농도를 감소시키며, 이것은 MWNT 브릿지 구조의 전기저항을 증가시킨다. 도 11의 b는 NH3 농도가 10 ppm에서 70 ppm으로 증가하였을 때의 MWNT 브릿지 트랜스듀서의 반응을 나타내고 있다.
도 11의 (c)에 도시된 바와 같이, 전자방출소자로서의 응용을 위해 MWNT 벽구조체를 제조하였다. 진공 챔버 내에 DC 바이어스가 내장된 다이오드 타입 시스템에서 3D MWNT 월 구조체의 전자 방출을 수행하였다. 이 때, 기본 압력(base pressure)은 5*10-7 torr로 유지하였다. 이미터로서의 3D MWNT 월 구조체는 ITO 글라스에 인쇄하였는데, 500 mm 두께의 ITO 글라스와 인(P) 코팅된 글라스 기판이 각각 스페이서와 음극으로 사용되었다. 도 11의 (d)는 MWNT 벽구조체의 J-E 특성을 나타내 그래프이고, 도 11의 (e)는 Fowler-Nordheim 플롯을 나타낸 그래프이다.
도 11의 (f)는 RF 인덕터 소자로서, 2차원 전송라인과 3차원 브릿지 구조의 연결 배선을 유리기판 상에 구현하였다. 도 11의 (g) 및 (h)는 각각 구혀된 인덕터 소자의 인덕턴스, Q-factor 및 AC resistance 측정 결과를 나타내 그래프이다.
10 기판
20 CNT 잉크
22 CNT
23 유동 조절제
24 용매
100 CNT 패턴 인쇄 장치
110 노즐
120 기판 스테이지
140 위치 제어부
142 카메라

Claims (18)

  1. CNT 및 유동 조절제를 포함하는 CNT 복합재가 분산된 잉크를 노즐에 제공하는 단계;
    상기 노즐을 기판 상의 소정 지점에 위치시키는 단계; 및
    상기 노즐로부터 상기 잉크를 토출하면서 상기 기판 상의 소정 경로를 따라 상기 노즐을 이동시켜 상기 노즐의 이동 경로에 대응하는 CNT 복합재 패턴을 인쇄하는 단계를 포함하고,
    상기 CNT 복합재 패턴 인쇄 단계에서, 상기 패턴은 상기 노즐과 상기 기판 사이에서 상기 노즐로부터 토출되는 상기 잉크에 의해 형성된 메니스커스 내의 용매의 증발에 의해 CNT 복합재로 적층되며,
    상기 유동 조절제는 PVP, PAA 및 PEG로 이루어진 그룹 중에서 선택된 최소한 1종의 친수성 폴리머를 포함하는 것을 특징으로 하는 CNT 복합재 구조체의 제조 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 유동 조절제는 상기 CNT 표면을 둘러싸는 친수성 고리를 형성하는 것을 특징으로 하는 CNT 복합재 구조체의 제조 방법.
  3. CNT 및 유동 조절제를 포함하는 CNT 복합재가 분산된 잉크를 노즐에 제공하는 단계;
    상기 노즐을 기판 상의 소정 지점에 위치시키는 단계; 및
    상기 노즐로부터 상기 잉크를 토출하면서 상기 기판 상의 소정 경로를 따라 상기 노즐을 이동시켜 상기 노즐의 이동 경로에 대응하는 CNT 복합재 패턴을 인쇄하는 단계를 포함하고,
    상기 CNT 복합재 패턴 인쇄 단계에서, 상기 패턴은 상기 노즐과 상기 기판 사이에서 상기 노즐로부터 토출되는 상기 잉크에 의해 형성된 메니스커스 내의 용매의 증발에 의해 CNT 복합재로 적층되며,
    상기 잉크는 전단 속도(s-1) 10에서 점도가 37.99~88.38 mPa·S이고, 10-1 내지 10 Pa의 전단응력하에서 손실탄성률이 저장탄성률보다 큰 값을 갖는 것을 특징으로 하는 복합재 구조체의 제조 방법.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 잉크 중의 CNT 복합재 농도는 22 ~ 35 중량%인 것을 특징으로 하는 CNT 복합재 구조체의 제조 방법.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 잉크 중의 CNT 농도는 5 ~ 10 중량%인 것을 특징으로 하는 CNT 복합재 구조체의 제조 방법.
  6. 삭제
  7. 삭제
  8. 삭제
  9. 제1항 또는 제3항에 있어서,
    상기 인쇄 단계 이후에 상기 적층된 CNT 복합재 중 상기 유동 조절제의 최소한 일부를 제거하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 CNT 복합재 구조체의 제조 방법.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 제거 단계 이후에 상기 CNT 복합재 중 CNT 함량은 50 중량% 이상인 것을 특징으로 하는 CNT 복합재 구조체의 제조 방법.
  11. 제9항에 있어서,
    상기 제거 단계 이후에 상기 CNT 복합재 중 CNT 함량은 70 중량% 이상인 것을 특징으로 하는 CNT 복합재 구조체의 제조 방법.
  12. 제1항에 있어서,
    상기 용매는 물, 알코올, 아세톤 및 디클로로메탄으로 이루어진 극성용매 그룹 중에서 선택된 최소한 1종인 것을 특징으로 하는 CNT 복합재 구조체의 제조 방법.
  13. CNT, 유동 조절제 및 용매를 포함하는 CNT 복합재가 분산된 CNT 잉크에 있어서,
    상기 잉크는 상기 잉크는 전단 속도(s-1) 10에서 점도가 37.99~88.38 mPa·S이고, 10-1 내지 10 Pa의 전단응력하에서 손실탄성률이 저장탄성률보다 큰 값을 갖는 것을 특징으로 하는 CNT 잉크.
  14. 삭제
  15. 제13항에 있어서,
    상기 CNT 복합재의 농도는 22~35 중량% 인 것을 특징으로 하는 CNT 잉크.
  16. 제15항에 있어서,
    상기 유동 조절제는 PVP, PAA 및 PEG로 이루어진 그룹 중에서 선택된 최소한 1종의 친수성 폴리머를 포함하는 특징으로 하는 CNT 잉크.
  17. 제13항에 있어서,
    상기 잉크 중 CNT 함량과 유동 조절제 함량의 중량비는 1:1~1:5인 것을 특징으로 하는 CNT 잉크.
  18. 제13항에 있어서,
    상기 용매는 100℃ 이하의 비점을 갖는 것을 특징으로 하는 CNT 잉크.
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