1. 서 론

나노 물질의 다양한 특성이 나노입자의 크기와 모양, 안정제와의 상호 작용, 입자를 둘러싸고 있는 매체 및 제조 방법과 관련되어 있다 는 것은 많은 연구를 통하여 알려져 있다[1-4]. 아울러 금속 나노입자 의 크기와 형태, 안정성 및 화학적/물리적 특성은 실험 조건, 금속 이 온과 환원제의 상호 작용의 동역학 및 안정제와 금속 나노입자와 안 정제의 흡착 과정에 따라 크게 영향을 받는다고 보고되어 있다[5].

나노입자는 높은 표면장력으로 인하여 입자 간의 응집을 통해서 표 면에너지를 낮추려는 경향이 있다. 이를 방지하기 위해서 나노입자 형성 시 높은 표면 장력을 낮추기 위해 고분자 및 계면활성제 등을 나노입자 표면에 흡착시켜 표면에너지를 낮춰 은 나노입자 간의 응집 력을 차폐하여야 한다. 분산 용매 상에서 입자의 분산 안정화 거동은 입체 안정화와 전기적 반발력에 의존하기 때문에 분산의 주요 기구인 입체 안정화와 전기적 반발력을 이용하여 분산성을 향상 시키고자 하 는 많은 연구가 지속적으로 이루어지고 있다[6-9].

은은 금에 비하여 비용이 적게 들고, 구리나 니켈과 비교하여 공기 중에서 안정성이 우수하고 높은 전도성을 가진다. 은 나노입자는 은 벌크물질과 비교하여 단위당 높은 에너지를 나타내는 양자크기 효과 로 독특한 물리 및 화학적 성질을 가지므로 의학, 전자 기기, 마이크 로 전자 기기, 광학, 광전자 분야에서 응용되고 있다[10].

전자 기기 분야 중에서 터치 패널, LCD, OLED와 같은 디스플레이, 투명트랜지스터의 전극, 투명히터 및 태양 전지에 사용되는 투명전도 성필름(transparent conductive film, 이하 TCF)의 경우, 현재 주로 사용 되는 indium tin oxide (ITO)소재가 희토류인 인듐의 전략자원화 및 유연소재로의 적용이 어려워 대체소재로 나노와이어, 나노 메탈, 메탈 메쉬, 카본나노튜브 등이 개발되어 상용화가 진행되고 있다. 그중에서 가시광선 영역에서의 높은 광 투과도(80% 이상)와 낮은 면저항(100Ω /sq 이하)을 보유한 전도성을 동시에 갖는 소재이면서도 상품화시 가 격 경쟁력을 갖고 있는 은 나노입자(silver nanoparticles)가 가장 주목 을 받고 있다[10-12].

TCF 제조를 위해 사용되는 은 나노입자는 일차적으로 입자의 크기 가 분산안전성에 영향을 미친다[13]. 이에 따라 은 나노입자의 제조 방법이 TCF 성능에 영향을 미치는 중요한 요인이 된다. 이는 제조 방 법에 따라 은 나노입자의 크기 및 형태가 결정될 뿐 아니라, 제조 중 에 정제되지 못한 메탈 및 유기물 성분들이 투명전도성 코팅액(이하 코팅액)에 영향을 주어 코팅시 부착력 및 전도성 저하를 초래할 수 있 기 때문이다.

본 연구에 사용된 은 나노입자는 PET 필름에 롤투롤(roll-to-roll) 코 팅으로 상업적으로 판매가 가능한 TCF를 제조할 수 있도록, 은 나노 입자의 대량 생산(kg base/batch 이상)이 가능하고 가격 경쟁력이 있는 은 나노입자 제조업체의 제품을 선별하였다. 이렇게 선정된 은 나노 입자를 이용하여 은 나노입자 코팅액을 제조하고, 이를 이용한 TCF 제조시 은 나노입자의 평균입자 크기 및 형태가 polyethylene terephthalate (PET) 필름 위에 형성된 은 전도성 라인의 두께와 형상에 미치 는 영향을 다양한 방법을 통하여 분석하였다. 이를 바탕으로 은 나노 입자의 평균입자 크기 및 형태가 TCF의 광학 및 전기 특성에 미치는 영향을 규명하고자 하였다.

2. 실 험

2.1. 실험재료

코팅액의 제조를 위하여 30~160 nm의 크기를 갖는, 제조 방법이 다 른 은 나노입자 6개사의 제품을 입수하였다. 이렇게 입수한 은 나노입 자의 분산을 위한 분산액으로 대정화금사의 톨루엔을 사용하였다. 코 팅액의 부착력을 높이기 위한 부착력 증강제로 각각 Sigma-Aldrich사 의 헥사메톡시메틸멜라민(hexamethoxymethyl melamine, HMMM)과 디노닐나프탈렌디설포닉산(dinonylnaphthalene disulfonic acid, DNNDSA) 을 혼합하여 사용하였다. 또한 은 나노입자의 분산 안전성과 습윤성 증가를 위한 첨가제로 Sigma-Aldrich사의 데카메틸사이클로펜타실록 산(decamethylcyclopentasiloxane, DMCPS)과 2-아미노-3-메틸-1-부탄 올(2-amino-3-methyl- 1-butanol, 2-AMB) 및 폴리에터실록산(polyethersiloxane, PES)을 사용하였다. PET 필름은 SKC사의 V7610을 사 용하였다.

2.2. 은 나노입자 코팅액 제조

은 나노입자 2 g을 톨루엔 58 g과 교반기에 투입한 후 분당 8,000 rpm으로 20 min간 교반하여 은 나노입자 분산액 60 g을 제조하였다. 한편, 실온에서 HMMM 0.15 g과 DNNDSA 0.15 g의 혼합으로 조성 된 부착력 증강제 0.3 g 및 DMCPS 0.35 g과 2-AMB 0.35 g의 혼합으 로 조성된 첨가제 0.7 g 및 PES 0.4 g을 증류수 38.6 g과 혼합하여 수 분산액 40 g을 제조하였다. 이렇게 제조한 은 나노입자 분산액 60 g 및 수분산액 40 g을 균질 분산기에 투입한 후 실온에서 분당 9,000 rpm으로 30 min간 교반하여 코팅액 100 g을 제조하였다.

2.3. 은 나노입자의 특성 평가

은 나노입자의 특성 파악을 위하여 UV-Vis (UV 1601, Shimadzu) 분광법과 주사전자현미경(SEM, LEO SUPRA 55)을 사용하였다. UV-Vis 분광법은 은 나노입자 약 5 mg을 에틸렌글리콜 50 mL에 완 전히 분산시키고 측정하였다. 은 나노입자의 크기와 모양은 SEM으로 분석하였으며, 은 나노입자를 이소프로판올에 분산시킨 후 구리 그리 드 위에 떨어뜨리고 건조시켜 분석하였다. 또한 은 나노입자의 산화 정도 파악을 위하여 에너지 분산 X선(energy dispersive X-ray, EDX) 기능을 갖는 상기의 SEM을 이용하여 측정하였다.

2.4. 은 나노입자 코팅액 및 코팅후의 TCF 특성 평가

은 나노입자를 이용한 투명전도성 코팅액의 점도는 점도계(LVPDII + Pro, Brookfield, USA)로 Spindle #63, 25 ℃, 20 rpm에서 측정하였 다. 코팅액을 이용한 은 박막은 PET 필름위에 Wire Bar #12를 이용하 여 바코팅을 하고 150 ℃에서 1 min간 건조시켜 제조하였다. PET 필 름 위에 코팅된 얇은 은 박막의 저항은 4-point probe (SRM-232, Gurdian)로 측정하였다. 또한, 은 나노입자의 코팅 후 형성되는 자가 조립 망상구조의 패턴 분석을 위하여 일차적으로 광학현미경(Nikon SMZ 1000)을 이용하여 110배의 배율로 확대하여 확인하였다. 보다 정밀한 분석을 위하여 SEM을 이용하였으며, 정면의 패턴 구조는 500 배, 측면의 패턴 구조는 2,000배 또는 3,000배의 비율로 확대하여 확 인하였다.

3. 결과 및 고찰

3.1. 은 나노입자의 특성 분석

은 나노입자를 제조하는 방법으로 열분해법, 기상 응축법, 전기 아 크방전, 레이저 절제, 마이크로 에멀션, 화학적 환원법 등 많은 방법이 있다. 은 나노입자의 특이한 물리적, 화학적 특성은 입자의 크기, 모양 과 입자의 환경에 크게 영향을 받는다. 때문에 은 나노입자의 크기, 크기의 분포와 그들의 형태를 조절하기 위한 연구가 많이 진행되어 왔다[14-17]. 일반적으로 나노 입자의 경우 입자가 형성되는 과정에서 입자가 뭉치거나 커지게 되어 큰 입자를 형성하는 경향이 있다. 나노 입자의 뭉치는 현상은 Van der Waals 인력과 전자기적 반발력 간의 힘의 균형으로 발생하는 것으로 알려져 있다[18].

본 실험에서는 은 나노입자의 크기 및 특성을 파악한 후 은 나노입자 코팅액을 제조하여 PET 필름에 코팅하였을 때 나타나는 TCF의 특성을 검토하였다. 이를 통하여 은 나노입자의 크기 및 형태가 자가조립 망상 구조를 갖는 TCF의 전도성에 미치는 영향을 파악하고자 하였다.

이를 위하여 제조 방법이 각각 다른 6가지 은 나노입자를 입수하여, 제조 방법에 따라 다음과 같이 시료의 명칭을 부여하였다. chemicalmechanical milling법(시료명 Ag-CM), microemulsion법(시료명 Ag-ME), electrical explosion법(시료명 Ag-EE), E-beam법(시료명 Ag-EB), chemical reduction법(시료명 Ag-CR), plasma법(시료명 Ag-PL)으로 명명하였다. 이렇게 명명된 은 나노입자의 입자 크기 및 형상을 SEM 으로 분석한 결과를 종합하여 Table 1에 수록하였으며, 이와 관련된 SEM 사진은 Figure 1에 수록하였다.

Figure 1에서 보여주는 SEM 결과에 의하면 시료 Ag-CM, Ag-ME 및 Ag-EE의 경우 비교적 균일한 형태의 거의 구형형태의 입자를 관 찰할 수 있었으며, 시료 Ag-EB, Ag-CR 및 Ag-PL의 경우는 다각형의 은 나노입자의 형태가 관찰되었다. 입자의 크기는 시료 Ag-CM, Ag-ME 및 Ag-EE의 경우 평균 입도가 80 nm 이하였다. 이에 반하여 시료 Ag-EB, Ag-CR 및 Ag-PL의 경우 앞의 3가지 제조 방법과는 다 른 100 nm 또는 그 이상의 입도를 나타내었으며, 특히 입자의 뭉침 현상이 심하게 나타났다. 따라서 Ag-CM, Ag-ME 및 Ag-EE 방식으로 제조한 은 나노입자가 Ag-EB, Ag-CR 및 Ag-PL 방식으로 제조한 은 나노입자보다 입자의 크기가 작고 입자 형태의 균일성 측면에서도 우 수한 특성을 보였다.

아울러 은 나노입자의 에틸렌글리콜 분산액을 UV-Vis 분광법으로 측정하여 나노입자의 광학적 특성을 판단하고자 하였다. 나노입자의 광학적 특성은 플라즈마 공명 또는 내부밴드 전이에 의한 여기와 관 계가 되며 특히 크기효과에 의한 Mie 이론으로 설명되어 진다. Mie 이론에 따르면 최대 흡수 피크가 장파장 쪽으로 이동할수록 은 나노 입자의 크기는 증가하고, 흡광도가 클수록 은 나노입자의 분율이 크 며, 최대 흡수 피크의 폭이 좁을수록 입도 분포가 균일하게 된다[19].

은 나노입자는 Figure 2에서 보듯 입자가 상대적으로 작은 시료 Ag-CM, Ag-ME 및 Ag-EE의 경우 최대 흡수 피크가 410 nm 전후에 서 나타나고 입자가 커지면 420 nm에서 440 nm에서 최대 흡수 피크 가 나타나 기존의 문헌[9,19,20]과 일치한 특성을 보였다. 또한 최대 피크의 세기가 Ag-EE, Ag-ME, 및 Ag-CM 방식으로 제조한 은 나노 입자가 Ag-EB, Ag-CR, 및 Ag-PL 방식으로 제조한 나노입자보다 크 게 나타나는 점도 은 나노입자의 분율이 클수록 흡광도가 커진다는 기존의 문헌[9,20]과 일치하였다.

한편 본 실험에서 측정된 UV-Vis 흡수 스펙트럼은 전반적으로 최 대 피크를 나타낸 이후 흡수도가 급격히 떨어지는 기존의 문헌[12,20] 과는 다르게 흡수도가 상대적으로 밋밋하게 저하되거나 거의 수평을 이루는 양상을 보여주고 있다. 이러한 결과는 은 나노입자를 제조한 후 건조하는 과정에서 은 나노입자가 뭉치고 표면이 산화하는 것과 관련이 있을 것으로 추정되었다. 이것은 고체로 공급되는 다른 5개의 시료와 다르게 액체 상태로 보관되어 공급되는 시료 Ag-ME의 UV-Vis 흡수 스펙트럼이 최대 피크 이후 흡광도가 상대적으로 크게 떨어지는 스펙트럼을 보이는 결과와 일치한다고 추정되었다.

이를 보다 명확히 하려고 EDX를 이용하여 은 나노입자의 산화 정 도를 측정함으로써 산화도가 은 나노입자의 특성에 미치는 영향을 파 악하고자 하였으며 그 결과를 Figure 3에 수록하였다. 이를 통하여 은 나노입자의 크기가 상대적으로 작은 시료 Ag-ME가 시료 Ag-EE보다 산화 정도가 작은 것을 파악할 수 있었다. 이는 H. Qi 등[21]이 나노 입자의 사이즈가 커지고 분포가 넓어질수록 산화도가 증가한다고 보 고한 것과 일치하였다. 그러나 시료 Ag-ME와 Ag-EE의 산소함량의 차이가 0.3% 포인트이므로, 이 차이가 은 나노입자를 사용하여 제조 한 TCF의 특성에 영향을 미치는 것인지는 추후 확인실험이 필요할 것으로 사료된다.

3.2. 은 나노입자 코팅액 특성 평가

은 나노입자의 덩어리짐을 방지하기 위하여 일반적으로 계면활성 제, 고분자와 안정화 리간드를 사용하여 입자를 피막으로 보호하는 방법으로 덩어리짐을 방지한다. 따라서 본 실험에서도 자가조립 망상 구조를 갖는 TCF를 제작하기 위한 은 나노입자를 이용한 코팅액을 만들 때, 은 나노입자의 분산 안전성과 습윤성 증가를 위한 첨가제를 사용하여 제조하였다. 이렇게 배합한 은 나노입자 코팅액의 점도는 8.4 cps부터 22.8 cps까지 측정되었다. 시료 Ag-EB를 사용하여 제조한 코팅액의 점도가 가장 낮게 나타났으며, 시료 Ag-CM를 사용하여 제 조한 코팅액의 점도가 가장 높게 나타났다. 그러나 Table 2에서 알 수 있듯 코팅액을 PET 필름에 바 코팅한 후 투명도를 측정한 결과 투명 도가 6개 시료 사이에 큰 차이점을 보이지 않음으로서 코팅액의 점도 와 투명도의 상관성은 크지 않은 것으로 나타났다.

투명도를 측정한 값과 PET 필름 위에 나타나는 패턴 이미지 사이 의 상관관계 분석을 위하여 일차적으로 광학현미경을 이용하여 관찰 하였으며, 그 결과를 Figure 4에 수록하였다. 광학현미경으로 관찰한 패턴 이미지로는 시료 Ag-PL로 제조한 코팅액을 제외하고는 다른 시 료로 제조한 코팅액을 사용하여 형성한 패턴들에서 큰 차이점이 발견 되지 않았다.

그러나 Ag-EB와 Ag-CR로 제조한 코팅액을 사용하여 형성한 패턴 은 표면 저항값 측정 시 Ag-CM, Ag-ME, 및 Ag-EE보다 약 5배에서 40배 정도 높은 표면 저항값을 보여주고 있으므로 TCF 제조에 적합 하지 않음을 알 수 있었다. 더구나 시료 Ag-PL로 제조한 코팅액을 사 용하여 형성한 패턴은 패턴 자체도 희미하였을 뿐 아니라 형성된 패 턴 사이에 많은 점이 발견되었다. 이것은 은 나노입자가 뭉쳐있는 것 으로, 시료 Ag-PL의 경우 표면 저항값 측정의 범위를 벗어날 정도로 저항값이 높게 나타났다.

이는 은 나노입자의 특성을 분석하였을 때, 입자 형태의 균일성이 AG-CM, Ag-ME 및 Ag-EE 방식으로 제조한 은 나노입자가 Ag-EB, Ag-CR 및 Ag-PL 방식으로 제조한 은 나노입자보다 우수한 특성을 보인 것과 일치한 결과라고 판단된다.

3.3. 은 나노입자 코팅 후의 TCF 특성 평가

TCF의 제작 시 가격경쟁력의 확보를 위하여 적은 양의 은 나노입 자를 사용하고도 자기조립 망상구조를 구현하여 우수한 면저항 특성 을 유지하는 것이 필요하다. 은 나노입자가 코팅 후 시간이 경과함에 따라 불투명에서 망상구조의 투명 전도성 필름으로 변화하는 메카니 즘을 Figure 5에 나타내었다.

이러한 기술을 적용하여 PET 필름 위에 바 코팅을 하고 건조시켜 제조한 패턴을 각각의 시료별로 SEM으로 정면(500배)과 측면(2,000 배 또는 3,000배)에서 관찰하고 그 결과를 Figure 6에 나타내었다. SEM을 사용하여 관찰한 결과, 광학현미경으로 관찰한 패턴 이미지에 서는 차이점을 발견하기 어려웠던 나노 실버 패턴의 차이점을 관찰할 수 있었다. 정면에서 500배의 배율로 관찰한 결과 AG-CM 및 Ag-ME 로 제조한 코팅액을 사용한 경우가 다른 시료를 사용하여 제조한 코 팅액의 경우보다 생성된 패턴의 형상, 즉 은 전도성 라인이 은 나노입 자의 뭉침이 없이 보다 균일하게 형성되어 있음을 파악할 수 있었다. 나노 입자가 뭉쳐있을 경우 TCF 표면에 형성된 패턴에서 나노 입자 의 탈착이 일어나기 쉬워 제품의 안정성이 저하되고, 이로 인해 상업 적 제품의 신뢰도에 영향을 미친다.

아울러 단면의 일부를 보여주는 측면의 SEM 사진에 나타난 것처럼 PET 필름에 코팅하여 소성시킨 나노 실버 패턴 두께의 균일도를 Table 2에 수록하였다. AG-CM, Ag-ME 및 Ag-EE 방식으로 제조한 은 나노입자를 사용하여 제조한 은 전도성 라인의 두께 편차가 각각 1.41, 1.46, 1.92 μm를 나타낸 반면, Ag-EB, Ag-CR 및 Ag-PL 방식으 로 제조한 은 나노입자를 사용하여 제조한 은 전도성 라인의 두께 편 차는 각각 2.54, 3.0, 4.0 μm를 나타냄으로서 앞서 언급한 세 가지 경 우의 은 전도성 라인의 두께가 보다 균일함을 알 수 있었다.

4. 결 론

본 연구에서는 은 나노입자 코팅액을 이용한 TCF 제조시 은 나노 입자의 평균입자 크기 및 형태가 PET 필름 위에 형성된 은 전도성 라 인의 두께와 형상에 미치는 영향을 SEM을 통하여 분석하였다. 이를 바탕으로 은 나노입자의 평균입자 크기 및 형태가 TCF의 특성에 미 치는 영향을 규명하고자 하였다.

입자 형태의 균일성은 Ag-CM, Ag-ME 및 Ag-EE 방식으로 제조한 은 나노입자가 Ag-EB, Ag-CR 및 Ag-PL 방식으로 제조한 은 나노입 자보다 우수한 특성을 보였다. 이는 입자의 크기가 Ag-CM, Ag-ME 및 Ag-EE의 경우 평균 입도가 약 80 nm 이하인 반면 Ag-EB, Ag-CR 및 Ag-PL의 경우 100 nm 또는 그 이상의 입도를 나타내었으며, 특히 입자의 뭉침 현상이 심하게 나타난 결과와 관련이 있음을 확인하였다.

제조된 코팅액을 이용하여 PET 필름에 코팅한 후 측정한 투명도는 큰 차이가 없었으나 Ag-CM, Ag-EB 및 Ag-CR로 제조한 코팅액을 사 용하여 형성한 패턴의 표면 저항값이 Ag-CM, Ag-ME, Ag-EE보다 낮 게 나타나 TCF 제조에 보다 적합함을 보여주었다.

이 결과는 PET 필름 위에 스크린 코팅을 하고 건조시켜 제조한 패 턴을 각각의 시료별로 SEM으로 정면과 측면에서 관찰하였을 때, 패 턴의 형상 및 두께의 균일도 측면에서 나타난 결과와 일치하였다.

따라서 은 나노입자의 평균입자 크기가 작고 입자의 균일성이 유지 될수록 PET 필름을 이용하여 TCF를 제조할 경우 보다 우수한 전기 특성을 나타냄을 확인하였다.