코로나 표면처리를 이용한 탄소 나노튜브와 PET 기판간의 응착력 향상에 대한 연구

Abstract

탄소 나노튜브(carbon nanotube, CNT)는 고유의 기계적, 물리화학적 특성뿐 아니라 높은 구조적 종횡비(aspect ratio)를 이용하여, 바이오센서(biosensor), 슈퍼커패시터(supercapacitor), X-ray 튜브용 냉음극(cold cathode) 등의 다양한 분야에서 응용 개발이 진행되고 있다. 특히, 탄소 나노튜브가 투명전극 분야에서 기존에 널리 사용되고 있는 ITO(indium tin oxide)필름을 대체할 수 있는 새로운 물질 중 하나로서, 플렉서블(flexible) 전극으로도 응용이 가능한 것으로 보고되고 있는 바, 이와 관련한 연구들이 최근 활발히 진행되고 있다. 플렉서블 투명전극의 기판으로는 PET(poly-ethylene terephthalate), PE(polyethylene), PP(poly-propylene) 등이 많이 사용되고 있다. 또한, 탄소 나노튜브는 화학기상증착(chemical vapor deposition, CVD)와 같은 직접성장(direct growth) 방법뿐 아니라, 스프레이-코팅(spray-coating), 딥-코팅(dip-coating), 바-코팅(bar-coating), 잉크젯-프린팅(inkjet-printing) 등과 같은 간접성장(indirect growth) 방법에 의해 증착이 가능하다. 여기서, 간접성장 방법은 직접성장 방법에 비하여 장치가 비교적 간단하여 탄소 나노튜브의 제작단가가 저렴한 장점은 있으나, 기판과의 응착력(adhesive force)이 낮은 단점이 있다. 또한, 플라스틱 기판과 같은 고분자 재료는 치밀한 분자배열구조를 가지고 있으며 기계적 성질이 우수한 반면에, 기판 표면에 극성 관능기를 함유하고 있지 않는 특성으로 발생하는 전형적인 소수성(hydrophobic)으로 인하여 그 위에 증착되는 재료와의 접착성이 부족한 단점이 있다. 플라스틱 기판의 표면을 산화시킴으로써 탄소 나노튜브와의 응착력을 향상시키기 위하여 최근에 플라즈마(plasma), 자외선(UV) 등을 이용한 기판의 표면처리 방법을 적용하는 연구가 보고된 바 있다. 그러나, 이러한 대부분의 방법은 낮은 공정 압력, 긴 처리시간, 그리고 높은 공정 온도 등의 문제점을 가지고 있다. 이에 상온 및 상압에서 수행될 수 있는 플라스틱 기판의 표면 개질 방법으로 상업적으로 유리한 코로나 전처리가 제안되고 있다. 플라스틱 기판의 내부 특성은 변화시키지 않고 표면 특성만을 변화시키는 점은 코로나 전처리의 또 다른 장점이다. 그러나, 플렉서블 투명전극으로 사용되는 탄소 나노튜브의 물성에 기판의 코로나 표면처리가 미치는 정량적인 효과를 체계적으로 제시한 연구 결과는 아직까지 보고된 바 없다. 본 연구에서는 탄소 나노튜브의 플렉서블 투명전극으로서의 물성을 향상시키기 위하여, 상온 및 상압에서 공정이 가능한 코로나(corona) 플라즈마를 이용하여 PET 기판을 표면처리하고, 그 위에 스프레이-코팅 방법으로 탄소 나노튜브를 증착하였다. PET 기판의 코로나 처리는 코로나 에너지, PET 기판의 공급 방향과 코로나 처리 횟수를 변화시킴으로써 수행 하였다. 처리조건에 따른 PET 기판의 표면 형상, 접촉각, 표면 에너지 및 표면 화학반응의 변화를 체계적으로 분석하였으며, 16,000회의 유연성 검사(bending test) 실시 이전과 이후에 탄소 나노튜브의 면저항 및 광투과율의 변화를 분석함으로써, PET 기판에 대한 표면처리가 탄소 나노튜브의 물성에 미치는 영향에 대한 정량적인 결과를 제시하였다.