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정태 석
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1 Appl. Chem. Eng., Vol. 26, No. 4, August 2015, Article 대전방지 PEDOT/PSS 필름제조를위한바인더에관한연구 김석준 박완수 황정석 박나영 * 최영주 * 정대원 수원대학교공과대학신소재공학과, *( 주 ) 에버켐텍 (2015 년 4 월 22 일접수, 2015 년 4 월 30 일심사, 2015 년 5 월 17 일채택 ) Study on Binders for Preparing Antistatic Films of PEDOT/PSS Seok Jun Kim, Wan-Su Park, Jung Seok Hwang, Na Young Pak*, Young Ju Choi*, and Dae-won Chung Department of Polymer Engineering, College of Engineering, Suwon University, Suwon , Korea *EverChemTech Co., Ltd, #313,314, Human Sky Vally, 959, Gosaek-dong, Gwonseon-gu, Suwon-si, Gyeonggi-do, Korea (Received April 22, 2015; Revised April 30, 2015; Accepted May 17, 2015) 초록전도성고분자인 poly(3,4-ethylenedioxythiophene)-poly(styrene sulfonate) (PEDOT/PSS) 의투명한필름을제조하기위해서는바인더의사용이반드시필요하다. 본연구에서는 poly(vinyl alcohol) (PVA), poly(vinyl pyrrolidone) (PVP) 및 PSS 를바인더로서검토하여그특성을비교하였다. PEDOT/PSS 필름의형성여부는기본적으로바인더를포함하는코팅액의표면장력값에의존하였다. PSS 또는 PVP를바인더로사용하였을때는필름이형성되지않거나필름이기재로부터쉽게박리되는현상이나타났다. 그러나 PVA를단독으로사용하거나또는 PSS 및 PVP를 PVA와혼합하여사용하면투명하며균일한표면저항값을나타내는대전방지필름을얻을수있었다. 필름의접착력및장기보관안정성등을종합적으로판단하면, PEDOT/PSS의대전방지용필름을제조하기위한바인더로서는 PVA와 PSS의혼합물이최적인것으로나타났다. Abstract It is essential to employ a binder to prepare transparent films from conductive polymer such as poly(3,4-ethylenedioxythiophene)-poly(styrene sulfonate) (PEDOT/PSS). In this paper, poly(vinyl alcohol) (PVA), poly(vinyl pyrrolidone) (PVP), and PSS were selected as a binder, and their effects were investigated. The formation of the film was found to be primarily dependent on the surface tension of coating solution including PEDOT/PSS and a binder. When PSS was used as a binder, the film was not formed. In case of using PVP, it was easily peeled off from the substrate. However, when using the PVA or the mixtures of PVA and PSS or PVA and PVP as a binder, films with good transparency and uniform surface resistances were produced. Based on adhesion and long-term stability tests, we concluded that the mixture of PVA and PSS is the best binder for preparing antistatic films of PEDOT/PSS. Keywords: poly(3,4-ethylenedioxythiophene), poly(styrene sulfonate), binder, antistatic film, poly(vinyl alcohol) 1)1. 서론 유기고분자물질인폴리아세틸렌이전도성을띌수있다는연구결과 [1] 가발표된이후로가볍고필름형태로성형이가능한다양한전도성고분자에관한많은연구가이루어져폴리아닐린, 폴리피롤 [2,3] 및폴리싸이오펜 [4] 등도적절한도핑에의해전도성을띈다는것이확인되었다. 이와같은전도성고분자중에서도, 폴리싸이오펜은주쇄에생성되는양전하를황원자가안정화시켜안정적으로전도성을나타낼수있는것으로알려졌다. 폴리싸이오펜중에서도 3과 4 위치에에틸렌옥사이드가결 Corresponding Author: Suwon University, Department of Polymer Engineering, College of Engineering, Suwon , Korea Tel: dwchung@suwon.ac.kr pissn: eissn: 2014 The Korean Society of Industrial and Engineering Chemistry. All rights reserved. 합된형태의 poly(3,4-ethylenedioxythiophene) (PEDOT) 은전기음성도가높은산소원자에의해산화상태에서더욱안정화된다는사실 [5] 이밝혀진이후이와관련된많은연구가이루어졌다. 특히수용성 poly(styrene sulfonate) 로도핑된 poly(3,4-ethylenedioxythiophene)-poly(styrene sulfonate) (PEDOT/PSS) 는수분산이가능하며, 전기적특성이매우우수하고투명도높은필름을제공한다는관점에서대전방지코팅을비롯한광학용기기에널리응용되고있다. PEDOT/PSS는그자체로는필름형성이어렵고충분한접착력을내기위해서는바인더물질을사용해야한다. 주로유기고분자물질인바인더는필름의접착력뿐만아니라열적특성, 기계적물성등을개선하기위해서도필요하다. PEDOT/PSS용바인더로는수계폴리에스터또는폴리우레탄등이가능하며고전압하에서사용가능한폴리에스터계바인더가알려져있기는하지만 [6], 일반적으로는폴리비닐알코올 (PVA) 이사용되고있다 [7]. PVA는금속, 무기물등의분야 [8-10] 및유기물과의복합화분야 458

2 대전방지 PEDOT/PSS 필름제조를위한바인더에관한연구 459 Table 1. The Effect of Binders on Surface Resistance and Transmmitance of PEDOT/PSS Films Binder Electrical properties log Rs (Ω/sq) STDEV * Uniformity ** Transmittance PVA % 97.26% PSS N.F PVP % 97.19% PVA+PSS % 97.57% PVA+PVP % 97.30% * : Standard deviation of log Rs, ** : STDEV / Average of log Rs [11-13] 등에서폭넓게바인더로사용되고있으며, PVA를바인더로사용하였을때의용출 (migration) 현상 [14] 또는점도변화 [15] 등에관한학문적연구도동시에이루어지고있다. 최근에는 PVA를키토산 [16] 또는폴리에틸렌글리콜 [17] 과결합시킨복합물질들도바인더로검토되고있다. 또한, 바인더로서의 PVA는세라믹의전기적특성에도영향을입히는것으로알려져있으며 [18] PEDOT/PSS와 PVA의혼합체로부터만들어지는전도성고분자섬유에서는 PVA에의해 PEDOT/PSS의구조가 expanded coil conformation으로변화하여전기적특성을향상시켰다 [19]. 또한최근에는 PEDOT/PSS와 PVA와의블렌딩으로부터제작한필름에서 PEDOT/PSS의젖음성 (wettablilty), 열적안정성, 기계적물성등이향상된다는보고 [20] 가있었으며, 이는 PVA가 PEDOT/PSS 필름의바인더로서우수한물질임을나타내는것으로이해할수있다. 그러나필름형성후의장기안정성은우수하지못한것으로알려져있다 [7]. 본연구에서는대전방지필름용 PEDOT/PSS의바인더로서 PVA의특성을재검토하고 PVA를대체할수있는고분자물질들을검토하였다. 구체적으로는, 수용성고분자가적용되는다양한분야에서 PVA 를현실적으로대체하고있는 PVP 및 PEDOT/PSS와의상용성이우수할것으로기대되는 PSS를바인더로적용하여 PVA와비교검토하였다. 2. 실험 2.1. 시약및기기 PEDOT/PSS는 Heraeus사의 Clevios (PT2) 를구매하여사용하였다. 바인더로사용한 PVA ( 평균분자량, 22,000 g mol -1 ), PSS ( 평균분자량, 70,000 g mol -1 ), PVP ( 평균분자량 29,000 g mol -1 ) 등은 Sigma-Aldrich로부터구입하여사용하였다. 기재로사용한 PET 필름은일반적인 OHP film으로 AST사에서구매하였고, 저항측정에사용한저항측정기는 SIMCO사의 ST-4를사용하였다. 접착력테스트는 Mecmesin 사의 BFG 10N을사용하여수행하였으며, 필름의투과도측정에이용한 UV/Vis Spectrophotometer는 Mecasys사의 Optizen POP 를사용하였다 필름제조고형분농도가 1.2% 인 PEDOT/PSS 수분산액인 PT2에증류수를첨가하여 0.8 wt% 의농도가되도록희석하고 PEDOT/PSS의고형분대비로 5 : 1이되도록각각의바인더들을첨가하고초음파파쇄기로 5 min 동안분산시켰다. 분산시킨용액을가지고 Mayer bar coater 3번바를사용하여습도막기준으로 7 µm가되도록 PET 필름 ( 가로 21 cm 세로 29.5 cm) 위에코팅하고 120 에서 1 min간건조시켰다. 이렇게제조한필름의각각의모서리 ( 끝에서안쪽으로 4 cm) 및정중앙 부분, 즉 5부분의면저항 (sheet resistance, Rs) 을측정하였다. 하나의코팅액에대해서 3장의필름을제작하고, 각각의필름에서 5군데를측정하였으므로, 총 15개의 Rs 값을측정하고그로부터평균값, 표준편차, 균질도 (uniformity) 등을계산하였다. 투과도측정은 PET 필름에코팅된필름을일정부분을잘라내어파장 550 nm에서의투과도를측정하였으며코팅하지않은 PET 필름자체의투과도에대비하여코팅된필름의투과도데이터를얻었다 접착력테스트접착력테스트는미국재료시험학회 (ASTM) D 방법을참고하여진행하였다. 접착력테스트분석을위해서는 PET 필름에코팅된필름을가로 2.5 cm, 세로 12 cm가되도록잘라내어시편으로사용하였다. 접착력테스트로얻어진데이터는시편의전체구간을측정하여그평균치를측정한것이므로얻어진데이터는신뢰성을가진다 표면장력측정코팅액의표면장력은표면장력계 (KRUSS사의 Force Tensiometer K11) 를사용하여 Wilhelmy plate 방법 [21] 에따라서측정하였다. 이때 probe로는폭이 19.9 mm, 높이 10 mm인직사각형모양의 plate를사용하였다. 코팅액과동일한비율로제작한샘플을그대로측정에사용하였으며비교를위하여바인더를첨가하지않은 PEDOT/PSS 그자체도측정하였다. 측정은 probe를코팅액에 0.2 mm 담그고올리면서측정된표면장력을시간에따른값과평균값으로나타내었다. 사용한 PET 필름의표면장력은접촉각측정기 (KRUSS사의 DSA30) 를이용하여측정을하였다. 필름위에물방울을떨어뜨려얻어진접촉각을이용하여표면장력값을측정하였으며, 10회를진행하여얻어진표면장력값의평균치를구하였다. 3. 결과및고찰 3.1. 바인더후보물질의필름형성에미치는영향각각의바인더후보물질을포함하는 PEDOT/PSS의코팅액을 PET 필름위에코팅후, 제작한필름의 Rs 값및투과도를 Table 1에정리하였다. Table 1에는측정된 Rs 값을 log 값으로환산하여평균값을구하였으며또한 log Rs 값의표준편차와균질도도함께나타내었다. 균질도는측정된 log Rs의표준편차를측정된 log Rs의평균값으로나누어준것 [22] 으로, 표준편차 % 로도표현되는지수 [23] 이다. 즉, 균질도는하나의필름에서위치에따른 Rs 값의균질여부를정량적으로표현하는것으로, 최근에는 ITO 등의투명전극의특성을연구하는분야에서주요한지표로사용되고있다 [24]. 본연구에서도각각의필름에서의균질도를계산하여 Table 1에정리하였다. Appl. Chem. Eng., Vol. 26, No. 4, 2015

460 김석준 박완수 황정석 박나영 최영주 정대원 Figure 1. Photographs of PEDOT/PSS coated on PET film when binder was PVA (A), PVP (B), and PSS (C). 혀 wetting이되지않았으며, 이들고분자물질들은 PVA와혼합하여도 wetting이불완전하여필름이형성되지않았다.

3 460 김석준 박완수 황정석 박나영 최영주 정대원 Figure 1. Photographs of PEDOT/PSS coated on PET film when binder was PVA (A), PVP (B), and PSS (C). 혀 wetting이되지않았으며, 이들고분자물질들은 PVA와혼합하여도 wetting이불완전하여필름이형성되지않았다. 따라서 Table 1에표기하지않았으며또한더이상의추가연구도수행하지않았다. 필름이형성된 4종류의필름의투과도는 Table 1에나타낸바와같이전부 97% 이상으로매우높게나타나 PEDOT/PSS의투명필름용바인더로서의기본물성을만족하는것으로나타났다. 또한 Rs 값에는큰차이가나지는않았지만 PVA를바인더로사용하였을때더높은값이나오고나머지 3종류의바인더에서는비슷한값을나타내었다. 그러나균질도측면에서는 PVP를사용하였을때가 1.97% 로다른 3종의샘플들에비해 2배이상으로큰값이나와위치에따른 Rs 값의균일함이상대적으로떨어지는것으로나타났다. 전도성또는대전방지코팅액과기재필름과의젖음성은일반적으로필름의형성여부뿐만아니라전기적특성의균질도에도큰영향을입히므로, 각각의코팅액의표면장력을측정하여바인더물질들에서나타난특성을규명하고자하였다. Figure 2. Surface tensions of various coating solutions. Figure 3. The effect of binders on adhesion forces of PEDOT/PSS films. 일반적으로대전방지기능을위해서필요한 Rs 값은응용용도에따라서차이가있으나, Ω/cm 정도의범위로알려져있다 [25,26]. Table 1에나타낸바와같이, 본연구에서제조한필름의 Rs 값역시 Ω/cm 정도를나타내어대전방지용도로적용이가능한범위인것을알수있다. PEDOT/PSS의바인더로서널리사용되는 PVA 뿐만아니라 PVP에서도투명한필름이형성되었으나, PSS에서는코팅액이충분하게 wetting이되지않고균일한형상의필름이형성되지않았다. 3종류의바인더를사용하여 PEDOT/PSS 수용액을코팅한필름의사진을 Figure 1에나타내었다. PVA의경우에는투명한필름을나타내었으나, PSS를바인더로사용한경우에는필름이형성되지않고그림에서와같이얼룩진형상으로남아있었다. 그러나 PSS를 PVA와무게비로 1 : 1로혼합한경우에는투명한필름을제공하는것으로나타났다. 또한양이온성바인더로널리사용 [27,28] 되는아민계고분자인 poly(diallyldimethylammoniumchloride) 및 poly(ethylenimine) 등을바인더로검토한경우에도 PET 필름에전 3.2. 바인더물질의표면장력각각의바인더가포함되어있는 PEDOT/PSS 코팅액의표면장력을측정한결과를 Figure 2에나타내었다. 먼저모든샘플에서시간의변화에도일정한표면장력값을나타내는것을확인할수있었으며, 바인더의첨가없이 PEDOT/PSS만의표면장력값은약 71 mn/m로나타났으며 PSS를바인더로사용한경우에도거의동일한값을나타내었다. 반면에 PVA, PVA+PSS 및 PVA+PVP의경우에는약 62에서 63 mn/m 정도의낮은표면장력값을나타내어젖음성이상대적으로우수한것으로판단된다. 그러나 PVP를바인더로사용한경우에는약 68 mn/m 정도로나타나, PSS보다는낮지만나머지 3종류의바인더에비하면높은표면장력값을나타내었다. 일반적으로 PET 필름의표면장력값은 40.2 mn/m[29] 또는 40.4 mn/m[30] 로알려져있으며, 본연구에서사용한 PET 필름의표면장력값은 40.9 mn/m로측정되었다. 즉, 본연구에서검토한바인더들을포함하는코팅액은전체적으로기재필름인 PET보다는표면장력이높으며, 특히 PSS를바인더로사용한경우에는표면장력이 71 mn/m 정도로매우높아서필름이형성되지않았으며, PVP의경우에는 68 mn/m 정도로 PSS 보다는낮은표면장력값을가지므로필름은형성되고투과도도높게나왔으나상대적으로젖음성이떨어져필름의위치에따른 Rs 값의균질도는떨어지는것으로판단된다 필름의접착력및안정성이상과같이 PEDOT/PSS의필름형성능력을나타낸바인더물질을사용하여제조한필름의접착력을측정하여시간의변화에따른차이를비교하였다. Figure 3에나타낸바와같이, 필름을제조하였을때의접착력은큰차이는아니지만, PVA+PSS, PVA, PVA+PVP 그리고 PVP 순으로나타났으며, 2주경과할때까지는시간에따른접착력의변화는거의나타나지않았다. 그러나한달이경과한후에는모든필름들에서접착력이감소되는경향이나타났으며, 그경향은 PVP를바인더로사용했을때가더욱뚜렷하였다. 이는 Figure 2에서나타낸바와같이, PVP를바인더로사용한코팅액의표면장력값이상대적으로높기때문으로이해된다. 한편상온에서보관하면서시간에따른필름의표면저항의변화를추적한결과를 Figure 4에나타내었다. 필름을제조한시점에서는거의유사한값을나타내던필름들의전기적특성이시간이지남에따라조금씩나빠지는것을알수있으며, 특히 PVP를사용한필름에서 공업화학, 제 26 권제 4 호, 2015

4 대전방지 PEDOT/PSS 필름제조를위한바인더에관한연구 결론 Figure 4. The stability of PEDOT/PSS films stored at room temperature. 전도성고분자인 PEDOT/PSS의대전방지필름을제조하기위하여필요한바인더물질로서다양한고분자들을비교검토하였다. 먼저검토한고분자중에는필름자체를형성하지않는물질들도있었으며필름의형성여부는기본적으로코팅액의표면장력값에의존하였다. 즉, 표면장력값이약 62에서 63 mn/m 정도인 PVA, PVA+PSS 및 PVA+PVP 에서는투명하며안정적인대전방지필름을제공하였다. 또한, 60 에서진행한필름의안정성실험에서는 PVA+PVP 의경우시간의경과에따라 Rs 값이급격하게증가하는경향을보였다. PEDOT/PSS 필름용바인더로일반적으로사용되는 PVA보다 PVA+PSS를바인더로사용하였을때, 접착력및 Rs 값의장기적인안정성등모든면에서조금씩더향상되는것으로나타났다. 이결과는향후대전방지용전도성고분자필름의응용연구에유용하게활용될수있을것이라고기대된다. 감 사 본논문은 2013년도중소기업청융복합기술개발과제 ( 센터연계형기술개발사업, S ) 의연구비에서지원되었으며, 이에감사를드립니다. References Figure 5. The stability of PEDOT/PSS films stored at 65. 의 Rs 값의증가가뚜렷하게나타나며또한 Rs 값의표준편차역시상대적으로크게나타나는것을알수있다. 이는상기에언급한것과같이, PVP를바인더로사용한코팅액의표면장력값이상대적으로높아서기재필름과의젖음성이열악하기때문으로판단된다. 또한, PVP를제외한나머지 3종류의바인더에서의 Rs 값의증가에는큰차이가없었지만, 상대적으로 PVA+PSS가가장우수한것으로나타났다. 이들필름에서의차이를좀더검토하기위하여 65 에서보관하면서측정한 Rs 값을 Figure 5에정리하였다. 상온에서보관했을때와유사하게 3종류의필름에서큰차이가나타나지는않았지만 PVA+PSS에서가장우수한전기적특성을나타내었으며, 시간의경과에따라 PVA+PVP를바인더로사용한필름에서의 Rs 값이급격하게증가하는것을알수있다. 일반적으로 PVA는 deacetylation에의해 acetate 라디칼이발생되고이라디칼이 PVA backbone의분해에관여하게되므로 PVP보다열적안정성이떨어지는것으로알려져있다 [31,32]. 실제적으로 PVA의열적안정성을보완하기위해서 PVA에 PVP를블렌딩하는방법이많이사용되고있다 [33-35]. 따라서본연구에서나타난것과같이 PVA 필름에비해서 PVA+PVP 필름에서 Rs 값이급격하게증가한현상은 PVA 또는 PVP 자체의열적안정성과는직접적인관련이없는것으로사료된다. 이상의결과를종합하면, PEDOT/PSS의대전방지필름용바인더로서필요한전기적특성및필름의안정성등을고려하였을때, PVA와 PSS를혼합한물질이최적으로나타났다. 1. H. Shirakawa, E. J. Louis, A. G. MacDiarmid, C. K. Chiang, and A. J. Heeger, Synthesis of Electrically Conducting Organic Polymers: Halogen Derivatives of Polyacetylene, (CH)x, J. Chem. Soc., Chem. Commun., 16, (1997). 2. J. H. Hong and K. S. Jang, Synthesis and Characterization of Soluble Polypyrrole with High Conductivity, J. Korean Ind. Eng. Chem., 18, (2007). 3. Y. H. Lee, Y. W. Ju, H. R. Jung, Y. I. Huh, and W. J. Lee, Preparation of Polypyrrole/Sulfonated-SEBS Conducting Composites Through an Inverted Emulsion Pathway, J. Ind. Eng. Chem., 11, (2005). 4. J. M. Lee and K. H. Lim, Electrochemical Synthesis of Conducting Polythiophene in an Ultrasonic Field, J. Ind. Eng. Chem., 6, (2000). 5. H. Munstedt, Ageing of Electrically Conducting Organic Materials, Polymer, 29, (1988). 6. S. G. Park, J. J. Na, J. S. Lee, and R. A. Osteryoung, Characteristics of Film Preparation with Conducting Polyphenylenediamine Powder, J. Ind. Eng. Chem., 2, (1996). 7. A. Elschner, S. Kirchmeyer, W. Lovenich, U. Merker, and K. Revter, PEDOT: Principles and Applications of an Intrinsically Conductive Polymer, , CRC Press, Boca Raton, FL, USA (2010). 8. K. Ando, Z. Kato, N. Uchida, K. Uematsu, and K. Saito, Wetting of aqueous solutions of organic binder (PVA) on sapphire and fused quartz, J. Mater. Sci., 24, (1989). 9. S. Mandai and Y. Hirai, Polyvinylalcohol Applied for The Ink Jet Silica Binder -Application of Crosslinkable PVA Gohsefimer Z-, Japan Tappi J., 58, (2004). 10. S. Wan, W. Z. Lu, Z. X. Fu, and X. C. Wang, Aqueous tape casting of ZnO varistor ceramics with PVA as binder and their properties, Electron. Compon. Mater, 34, (2012). Appl. Chem. Eng., Vol. 26, No. 4, 2015

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