발명의 배경과 필요성

기술의 배경과 문제점

• 은 나노와이어는 높은 화학적 안정성, 전기 전도성 및 열 전도성을 가져 스트레처블(stretchable) 소자의 전도성 물질로 주목받고 있습니다.

• 하지만 길이가 긴 은 나노와이어를 제조할 때 발생하는 뭉침 현상으로 인해 공정 진행에 어려움이 있습니다.

• 또한, 기존 스트레처블 전극은 신축성에 비해 전도성이 낮아 실제 적용 시 전력 소모가 매우 커 비효율적인 문제가 있습니다.

기술의 필요성

• 신축성과 전도성을 동시에 만족하는 고효율 나노와이어 복합체 개발이 필요합니다.

• 뭉침 현상을 해결하고 수득률을 높일 수 있는 새로운 제조 공정이 요구됩니다.

구현 방법

기술의 원리

• 본 발명은 나노와이어와 신축성 고분자(SBS 고무 또는 실리콘 고무)를 혼합하여 높은 신축성과 전도성을 모두 갖는 복합체를 제조하는 기술입니다.

• 특히, 은 나노와이어의 길이를 100 ~ 300㎛로 길게 형성하여 전기적 퍼콜레이션 네트워크를 극대화하고, 이를 통해 우수한 전도성을 확보합니다.

• 폴리올 공정(Polyol Process)을 통해 화학적 환원 방법으로 나노와이어를 합성하여, 공정을 단순화하고 높은 수득률을 달성합니다.

구체적인 구현 방법

1. 은 나노와이어 형성 단계: 유기 용매, 캐핑제, 촉매를 혼합하고 금속염을 주입하여 170 ~ 190℃에서 반응시켜 긴 은 나노와이어를 형성합니다.

2. 은 나노와이어 표면 개질 단계: 형성된 나노와이어 표면의 리간드를 친유성 리간드로 치환하여 고분자와의 분산성을 향상시킵니다.

3. 은 나노와이어 복합체 제조 단계: 표면이 개질된 나노와이어를 신축성 고분자 및 계면활성제와 혼합 후, 몰딩 및 건조하여 최종 복합체를 완성합니다.

기술의 장점

• 높은 전도성과 신축성: 100㎛ 이상의 긴 나노와이어를 적용하여 10⁴ ~ 10⁵ S/cm의 높은 전도성과 우수한 신축성을 동시에 구현합니다.

• 균일한 성능: 복합체가 늘어나거나 줄어들어도 전도성이 균일하게 유지됩니다.

• 공정 효율성 개선: 에탄올 세척을 통해 기존 공정의 뭉침 현상을 줄여 다음 단계로의 진행을 용이하게 합니다.

• 넓은 활용성: 표면 개질을 통해 다양한 유기 고분자 물질과의 혼합이 용이하여 여러 응용 분야에 적용할 수 있습니다.

실험 및 결과

실험의 목적

본 실험의 목적은 특허에 기술된 제조 방법을 통해 실제로 높은 전도성과 신축성을 가진 나노와이어 복합체를 제작하고, 그 핵심 성능인 '신축에 따른 전도성 유지 능력'을 정량적으로 검증하는 것입니다.

실험 방법 및 과정

1. 에틸렌 글리콜, PVP, 염화구리 용액을 혼합 및 가열 후, 질산은 용액을 주입하여 은 나노와이어를 합성하고 에탄올로 세척합니다.

2. 합성된 은 나노와이어를 디메틸포름아미드(DMF)에 분산시키고 NOBF4, 헥실아민 등을 첨가하여 표면을 개질합니다.

3. 표면이 개질된 은 나노와이어를 SBS 고무, 불소계 계면활성제와 혼합한 후 상온에서 건조하여 최종 신축성 전극을 제작합니다.

실험 결과

실험 결과, 제조된 은 나노와이어 복합체는 상온에서 10⁵ S/cm의 높은 초기 전도성을 보였습니다. 특히, 재료를 110%까지 늘렸을 때에도 3×10⁴ S/cm라는 우수한 전도성을 유지하는 것을 확인했습니다. 이는 본 기술이 높은 신축성 환경에서도 전기적 특성을 안정적으로 유지할 수 있음을 실험적으로 증명한 결과입니다.

활용 방안 및 기대효과

활용 방안

• 웨어러블 디바이스: 신축성 있는 PCB 보드, 스마트 의류, 헬스케어 패치 등 유연성이 요구되는 전자기기

• 전도성 섬유: 전자 기능을 갖춘 스마트 텍스타일 및 의류 일체형 디바이스

• 신축성 디스플레이 및 센서: 유연한 구조의 디스플레이나 신체 부착형 센서의 전극

기대효과

• 기존 스트레처블 전극의 낮은 전도성 문제를 해결하여 고성능 웨어러블 기기 상용화를 촉진할 수 있습니다.

• 단순하고 수득률 높은 공정을 통해 전도성 복합소재의 생산 비용을 절감하고 가격 경쟁력을 확보할 수 있습니다.

• 다양한 고분자와의 결합 용이성을 바탕으로 새로운 소재 및 응용 제품 개발을 촉진할 수 있습니다.

시장 동향

시장 규모 및 성장 전망

은 나노와이어를 활용하는 전도성 소재 시장은 웨어러블 디바이스, 플렉서블 디스플레이 등의 성장에 힘입어 빠르게 확장되고 있습니다. 관련 기술인 전도성 투명 필름(TCF) 시장은 2023년 62억 6천만 달러로 평가되었으며, 연평균 8.38% 성장하여 2030년에는 110억 달러에 이를 것으로 전망됩니다.

주요 플레이어 및 경쟁 환경

투명 전극 시장은 전통적인 ITO(Indium Tin Oxide)의 한계점으로 인해 은 나노와이어, 그래핀, 탄소나노튜브 등 대체 소재 개발 경쟁이 치열합니다. 특히 플렉서블 및 웨어러블 기기 시장이 커지면서 유연성과 내구성을 갖춘 소재의 중요성이 부각되고 있습니다. 아래는 은나노 와이어 기반 전도성 투명 필름 시장의 성장 전망입니다.

산업 동인 및 기회 요인

1. 디바이스 수요 급증: 스마트폰, 노트북, 태블릿 등 휴대용 전자기기와 웨어러블 기기의 수요가 시장 성장을 견인하고 있습니다.

2. 기술 발전 및 소재 대체: 나노기술 및 재료 과학의 발전으로 은 나노와이어와 같은 고성능, 저비용 대체 소재에 대한 관심이 증가하고 있습니다. (출처)

3. 신산업 분야 확대: 유연하고 신축성 있는 전자기기, 스마트 윈도우, 태양전지 등 새로운 응용 분야가 확대되면서 관련 소재 시장의 기회 요인으로 작용하고 있습니다. (출처)