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home>products>미국 nanoComposix 제품>실버 나노와이어의 전도성 투명코팅에 관한 백서

1. 개 요(Executive summary)

화학증착으로 코팅되는 ITO 등과 같은 물질을 대체하기위해, 투명 전도성 코팅에 적용될 수 있는 전도성 나노입자들에 대한 관심이 아주많아지고 있다.
우리는 비용, 성능, 공정, 및 환경적인 면에서 CNT-기반 용액을 넘어서는 장점을가진 은나노와이어(SNW) 전도성 투명 기술을 개발중이다.
우리의 1세대 제품은 가시도에 있어 유리기판의 85%의 투과율과 거의 적외선 영역에 가까운 스펙트럼을 갖는 32 Ω /sq 의 은나노와이어 코팅을 만들어 냈다.
은나노와이어는 전도성 투명코팅에 있어 다음과 같은 장점이 있다.

은은 다른금속에비해 가장적은 전기저항(1.6 × 10-6 Ω ×cm)을 가지고 있으며, 열에 안정하고, 낮은 표면접촉
저항(low surface contact resistance)을 가지고 있다.

응집이 안되는 방법으로 직경 30nm 길이 50 um의 각각의 단일 나노와이어를 만들었다.

수율 >95%에 이르는 은나노와이어를 반복적으로 얻었다.

환경친화적인방법으로 제조시, 공정시, 그리고 박막제조시 유기용제를 사용하지 않는다.

현재 30 Ω/sq sheet resistance 에 70 ft2/g 의 커버율을 보여, 이 코팅은 넓은면에 경제적으로 유리하다.
(~$0.10 / ft2).

일반적인 코팅의 형성은 평균길이 20 micron 직경 64 nm 의 나노와이어로 이루어져있다.(Figure 1)
훨씬적게 분산되는 30 nm 직경의 나노와이어를 만드는 방법을 완성했다.(Figure 2)

직경 30nm를 유지시키면서 평균길이를 증가시키는 처리방법을 더욱 최적화시키는 중에 있다.
이론 및 광학적 측정으로 직경이 64 nm에서 30nm 로 감소하면 같은 g/ft2 하중밀도(loading density)에서 투과는 83%에서 94%로 된다.

2. Silver Nanowires

당사는 최근 4년간 은나노와이어 제조방법을 발전 시켜왔으며 최적화 하였다. 반응조건을 조정하여 은나노 와이어의 길이와 직경을 조절할수 있다. 은나노와이어의 원자수준의 매끄러움 및 직경 균일성조절을 Figure 3 에서 볼수 있다. 2개의 다른 형태의 은나노와이어의 길이 직경 통계가 Figure 4 에 있다.
약간의 은나노와이어를 20리터의 배치에서 제조할수 있으며, 각 배치에는 30 Ω /sq에서 4600 ft2 의 예상 커버면적을 갖는 60g 의 은나노와이어를 생산한다.

은나노와이어의 주요 장점은 최종 용액이 뭉치지 않는 것이다. 이러한 것은 은나노와이어의 생산을 위해 발전되고 최적화되어진 당사의 특허 공정기술로 만들어졌다. 이 기술이 없으면, 수율과 생산시간, 그리고 생산비용을 제한하는 다중 원심분리단계가 필요하다.
은나노와이어는 형태가 선형 막대형태고, 기질(substrate)에 개별적으로 침전되지 않기때문에, 높은 전도성을 위한 퍼컬레이션(PERCOLATION) 한계치 에 도달할수 있도록 낮은 부하수준(low loading levels)이 요구된다. 이것은 긴 은나노와이어의 어두운 부분 광학이미지 와 짧은 은나노와이어의 저배율 TEM 이미지에서 분명히 알수 있다.(Figures 1 및 2)

현재의 은나노와이어의 주요 문제점은 64 nm 직경 은나노와이어 코팅으로부터 산란과 관련된 약간의 희뿌연 (haze) 것이다. 와이어의 직경이 감소함에따라, 산란 요소가 상당히 많이 감소된다. 직경의 변화에대한 평면파동여기상태(plane wave excitation)의 와이어의 전기력 반응이 이산쌍극자 근사법 (discrete dipole approximation-DDA)으로 표현되었다. 이 방법에서, 와이어는 편광시킬 수 있는 정육면체 배열로 나누어졌다. 한 filed가 입자에 적용되면, elements 의 감소된 편광(polarizations)들이 측정되어지며, 흡수, 산란, 그리고 local electric fields 가 측정되어진다. 그결과로 생긴 분산된 단면이 Figure 5 에서 보여진다.

이 이론적 구성으로 와이어의 직경이 감소함에 따라 은나노와이어로 부터의 산란이 극적으로 감소함을 입증하였다. 은나노와이어의 직경을 60 nm에서 30nm로 축소하여서 550 nm에서 와이어에대한 분산이 85% 감소 하였다. 직경 30nm의 은나노와이어가 만들어 졌다.(Figure 3B)

그러나, 코팅재로서 투명하기는 하지만, 이 와이어들은 높은 하중(high mass loading)없이 전도성 투과 네트웍 (conductivity percolation network)을 만들기에는 너무 짧다. 얇은 나노와이어의 길이를 증가시키는 방법의 최적화가 진행중이다.

3. 은나노와이어 필름의 전도성 및 빛 투과성

전도성 투명 코팅재로서의 은나노와이어 특성을 시험하기 위해, 유리 슬라이드(glass slides)에 은나노와이어를 적용하였다.

은나노코팅을 하기전에, 슬라이드(1”× 3”)를 접착테이프 로 씌운후 금으로 스퍼터 코팅(sputter-coated) 된 1“ 평방면의 2개의 전극공간을 만들어 표면처리 전도성측정을 한다.(Figure 6)
금전극에 긁힘이 없이 저항측정을 할수 있도록 구리 전극을 금표면에 Silver 페인트로 접착한다.
Fluke 189 digital multimeter 와 구리패드에 탐촉자 (touching probes)로 하여 저항이 측정되었다.

인접한 스퍼터코팅 금필름에 연결된 두 개의 구리 패드 사이의 저항은 2 Ω 으로 나타났다.
결과로, 우리 실험장치로부터 얻어진 데이터는 각각의 표면 처리의 저항 (resistivity)을 거의 4 Ω 까지 과대 평가 하였다. 보고된 데이터는 (다른말로하면)접촉저항-n의 검출을 위해 조정되지 않았다.
우리가 시험한 은나노와이어 필름은 다른 수많은 제안된것들 보다 실질적으로 훨씬 전도성이 좋았다.

은나노막대 필름의 광학투명성을 측정하기위해 유리 슬라이드가 HP8453 UV/Vis 스펙트로미터measure 의 빔(beam) 속에 놓여 졌다. 유리 슬라이드는 그자체가 파장길이 550nm에서 공기와 비교하여 92%의 투과성을 가지고 있으며, 일련의 측정을 위하여 코팅이 안된 유리슬라이드가 blank sample 로 사용되었다. 길이 20μm 직경 64 nm 의 은나노와이어 농축 수용액이 isopropanol 에 다른농도로 희석 되었다.

피펫을 이용하여 전극사이의 유리슬라이드에 이용액 60 uL 가 도포되었다. 유리 슬라이드의 스퍼터 되지 않은 부분위에 필름을 형성하도록 피펫 끝으로 이용액을 골고루 피고, 균일한 필름을 형성 하도록 오비탈쉐이커에서 건조를 시켰다.
이 슬라이드는 오븐기(furnace)에서100°C로 20분동안 질소하에서 열처리 되었다. 열처리단계는 시트저항(sheet resistance) 를 70-80% 까지 감소 시킨다. Figure 7 은 30 Ω /sq의 시트저항(sheet resistance)을 갖는 90 μg/in2 샘플의 어두운 부분 이미지 (dark field image)를 보여준다. 2D 투과 네트웍이 보이는 부분을 가로지르고 있다.

유리슬라이드위의 다른 하중(mass loadings)을가진 은나노와이어의 면적저항(area resistance) 과 투과도가
<Table 1>에 있다.
은나노와이어에 높은하중이 주어지면 표면의 전도성은 증가하나 투과성은 감소 시켜, 저항 및 광학적 투과성은 모두 예상된 방향의 경향을 나타내고 있다.
90 μg/in2 의 하중에서, 그 물질은 32 Ω/ sq 시트 저항을 가지며, 여전히 85%의 빛이 투과 된다.
이 하중에서, 1의 은나노와이어가 32 Ω /sq 의 시트 저항에서 유리의 ~70 ft2에 도포된다.

Figure 8 은 ITO 코팅유리 와 코팅이안된 유리와 비교하여 공기와 관련된 다른 은나노와이어 코팅의 투과 스펙트럼을 보여주고 있다.
Figure 9 에서 , 다른 농도의 은나노와이어의 시트저항 대 투과율이 묘사되어 있다.
550nm에서 87% 이상의 투과율이면, 전도성 투과 네트웍 은 손상 되기 시작한다. 이것은 시트 저항(sheet resistance)의 급격한 상승으로 증명 되어진다.

4. 얇은 은나노와이어

은나노와이어 코팅된 유리 슬라이드의 투과율 감소는 64nm 은나노막대의 단면적 분산으로부터 일어난다. (Figure 5).
은나노와이어의 직경이 감소는 코팅성을 향상시킨다.
필요한 전도성을 달성하기에 충분하지 않은 짧고 얇은 은나노와이어를 만들었다.

은나노와이어를 얇게 만들어 얻어지는 장점을 측정하기 위해, 은나노와이어의 20um 의 32 Ω /sq 시트저항(sheet resistance)을 갖는 같은 막대길이 와 같은 90 μg/in2 하중의 30 nm 두께 2μm 길이 와이어로 구성된
필름들이 준비되었다.
(To estimate the benefit that would be obtained from the development of thinner SNWs, films comprised of 30 nm thick, 2 μm long rods at the same 90 μg/in2 mass loading and same total rod length that yielded a 32 Ω /sq sheetresistance for 20μm SNWS were prepared.)

Figure 8 은 동등한 중량 및 동등한 길이 박막 은나노막대의 투과율을 보여주고 있으며, 뿐만아니라 코팅이 안된 슬라이드, 90 μg/in2 샘플, 225 μg/in2 및 ITO 코팅된 슬라이드의 100 Ω2 샘플의 투과율을 보여주고 있다. 같은 하중 밀도의 30nm 은나노와이어는 코팅이 안된 유리와 비교하여 94.9% 의 투과율을 가지고 있다.
같은 총길이의 은나노(20 μg/in2 for 30 nm diameter SNWs)를 달성하려고 농도를 더 감소하면, 투과율은 원판 유리의 98.7% 가 되며, 실질적으로 증가되는거는 ITO를 넘어선다. 이결과는 기판의 투과성에 실질적으로 영향을 주지않는 고 전도성 코팅을 달성하기 위한 기술적 잠재성을 입증 한다.

Figure 10 은 32 Ω /sq 면 저항 (area resistance)을 같는 긴 은나노막대 코팅, ITO 코팅된 유리 커버슬립 그리고 30nm 두께의 은나노막대의 32 Ω / sq 양에 상당하는 길이로 코팅된 유리슬라이드 등으로부터 얻어진 tri-bar 챠트의 사진을 보여준다.
이 tri-bar 는 모든 3개의 코팅을 통하여 쉽게 알아볼수 있다.