구리 포메이트를 활용한 탄소나노튜브/구리 복합소재 제조 및 유연 전극 응용에 대한 연구

Abstract

Nanostructured conducting materials are one of the most promising fillers to achieve high electrical properties and durability of flexible printed electronic devices. Here, we report a commercially available synthesis method for hybrid materials of single-walled carbon nanotube (SWCNTs) and copper nanoparticles in aqueous solutions, using copper formate as a copper precursor in the presence of highly oxidized SWCNTs as efficient nucleation templates. The density and uniformity of copper nanoparticles could be successfully controlled by modifying the density of oxygen functional groups of SWCNTs, because the copper formate could be selectively attached with carbonyl groups. Irradiation of a Xenon flash lamp within a time interval of ten second in an atmosphere condition is used for efficient photothermal sintering of conductive hybrid fillers. The electrical and flexible properties of the hybrid electrodes is systematically controlled by changing the relative content of copper formate and the irradiation conditions. High durability of the SWCNT/Cu hybrid materials is confirmed by bending test of 10,000 times with various bending angles. Finally, an electromagnetic shielding effectiveness and received signal strength indicator of the SWCNT/Cu hybrid samples is measured at the frequency range from 1 GHz to 10 GHz. For practical applications, the flexible EMI shielding pouches with a size of 10 cm x 15 cm are fabricated and demonstrated upon 2.4 GHz Bluetooth circumstance.

본 연구에서는 단일벽 탄소나노튜브와 구리 포메이트를 활용하여 광소결이 가능한 복합 소재를 제조하였으며 유연 전자파 차폐 전극으로 활용하였다. 복합체 합성 시 구리 포메이트와의 호환성과 수분산성 개선을 위해 다수의 카보닐기를 갖는 탄소나노튜브를 도입하였다. 탄소나노튜브 표면의 카보닐기는 구리 포메이트의 리간드로 작용하여 열분해를 촉진하고 효과적인 핵생성이 가능하다. 복합 소재는 합성 시 함량과 광소결 에너지 제어를 통해 최적의 특성을 갖는 조건을 확립하였으며, IPL 광소결 시 구리 포메이트는 열분해 반응에 의해 금속 구리로 환원된다. 또한 탄소나노튜브도 광에너지에 의해 환원되어 결정성을 회복하기 때문에 우수한 전기적 특성의 구현이 가능하다. 이때 산화가 쉽게 발생하는 구리의 단점을 보완하기 위해, 다중 조사 조건에서 충분한 냉각 시간을 제공하여 산화구리의 발생을 방지하였다. 이렇게 제조된 복합전극은 굽힘 테스트를 통해 내구성을 확인하였고, 그 결과 10,000회의 반복적인 굽힘에도 저항의 증가 없이 우수한 특성을 나타내었다. 이는 탄소나노튜브와 구리 나노입자가 표면뿐만 아니라 내부까지 균일하게 혼합된 모폴로지로 합성되어 외부장력에도 균열이 발생하지 않기 때문이다. 이러한 결과는 기존의 입자 형태로 인하여 유연 소자의 적용에 한계점을 가졌던 구리 나노입자 전극의 문제점을 보완할 수 있다. 마지막으로 이와 같은 우수한 유연성과 전기적 특성을 활용하여 전자파 차폐 전극으로 적용하였다. 전자파 차폐 효과 및 RSSI 측정은 1GHz~10GHz의 주파수 범위에서 측정하였으며, 그 결과 복합 전극은 최대 60.3 dB의 우수한 차폐 효과를 나타내어 전자파 차폐 소재로서의 적용 가능성을 확인하였다. 또한 복합 전극으로 제작된 파우치에 무선 통신기기를 넣은 후 개폐함에 따라 외부에서 수신되는 신호가 차폐되었으며, 이러한 결과는 탄소나노튜브/구리 복합 전극이 실제 유연 전자파 차폐 소재로 적용될 수 있음을 보여주었다.