KR100348498B1

KR100348498B1 - 전자파차폐용 코팅재의 제조방법

Info

Publication number: KR100348498B1
Application number: KR1020000040267A
Authority: KR
Inventors: 김명수; 이방원; 우원준
Original assignee: 명지대학교; 김명수
Priority date: 2000-07-13
Filing date: 2000-07-13
Publication date: 2002-08-09
Also published as: KR20020006824A

Abstract

본 발명은 폴리비닐알코올/나노탄소섬유를 이용하는 전자파 차폐용 코팅재를 제조하는 방법에 있어서, 폴리비닐알코올 10∼30중량%, 물 70∼90중량%를 폴리비닐알코올 고형분에 대하여 분산제로 HLB 값이 12∼14인 비이온 계면활성제 0.5∼3중량%, 실리콘 소포제 0.1∼2중량%를 혼합하여 80℃~100℃의 온도에서 2∼4 시간 동안 교반하여 폴리비닐알코올 수용액을 제조하고 상기 폴리비닐알콜 수용액에 폴리비닐알코올 고형분에 대하여 1000∼1100℃에서 1-20시간 동안 열처리한 나노탄소섬유 20-50중량%를 넣고 균질화기를 사용, 혼합하여 전자파 차폐용 코팅재를 제조하는 방법에 관한 것이다.

본 발명에 따른 폴리비닐알코올/나노탄소섬유 코팅물질의 제조방법은 균일한 코팅막을 제조할 수 있을 뿐만 아니라, 전자파 차폐나 대전 방지효과를 나타낼 수 있으며 건물 내부의 전자파 차폐용 도료나 전기나 전자제품의 하우징재로 사용할 수 있는 효과가 있다.

Description

전자파차폐용 코팅재의 제조방법{Preparing Method of Coating Materials for Electromagnetic Interference Shielding}

본 발명은 폴리비닐알코올 수지를 바인더로 사용하고 비표면적과 전도성이 우수한 나노탄소섬유를 이용한 전자파차폐용 코팅재의 제조방법에 관한 것이다.

구체적으로는 폴리비닐알코올수지에 탄소섬유를 분산시켜서 된 전자파 차폐용 코팅재에 있어서, 나노탄소섬유를 균일하게 분산시켜 주는데 적합한 폴리비닐알코올 수용액의 제조방법과 상기 폴리비닐알코올 수용액에 전기전도도가 우수한 나노탄소섬유를 분산시켜 전자파 차폐용 코팅재를 제조하는 방법에 관한 것이다. 본 발명에 따라 제조된 코팅물질은 대전방지용 및 전자파 차폐용 코팅재로 이용할 수 있다.

우리 주변에서 사용하는 전기제품이나 전자제품에서 발생하는 전기장과 자기장은 인체에 해를 줄 수 있는 전자파를 발생시키고 있는데, 이러한 전자파를 차단하기 위해 종래에는 주로 플라스틱 하우징에 도전성을 부여하는 방법이 사용되고 있다. 플라스틱에 전자파 차폐성을 부여하는 방법으로는 ① 금속박막을 플라스틱에 씌우거나, ② 플라스틱에 도전성 표면층으로 코팅 처리하거나, ③ 플라스틱에 도전성 충전제를 혼입하거나, ④ 플라스틱 자체에 도전성을 부여하는 방법 등이 있다.

최근까지 플라스틱에 전자파 차폐 효과를 부여하는 방법으로 전도성 코팅을 하거나, 금속 도금하여 플라스틱판으로 성형하는 방법이 있다. 이러한 방법은 효과적이기는 하나 가격이 비싸고 작업하기 어려운 점이 있고 많은 재료가 소요되고 2차 작업이 필요하다는 문제가 있다.

최근 전도성 충전제를 열가소성 플라스틱에 혼합하여 전도성 플라스틱을 제조하는 방법이 제안된바 있다. 이때 충전제로는 전도성 파우더, 플레이크, 섬유 등을 사용하고 전도성 파우더는 열가소성 플라스틱에 대하여 25∼40중량%, 전도성 플레이크는 36-49중량%, 전도성 섬유는 25∼30중량% 범위에서 혼합되는 것으로 알려져 있다 (Materials Engineering, March, 1982, p.37-43; Modern Plastics International, September, 1982, p.46-49).

미국 특허 제 545,339호 및 4,566,990호에서는 금속 플레이크 또는 금속으로 코팅된 섬유의 혼합에 의해 효과적인 전자파 차폐 효과를 갖는 전도성 플라스틱을 제조하였다고 보고하고 있으며, 이러한 복합성분에 의해 전자파 차폐효과는 비교적 높게 나타났으나 이 경우 불균일한 표면 전도성으로 인한 문제점이 있다.

나노탄소섬유는 탄소 함유 가스로부터 촉매에 의해 섬유의 형태로 성장시킨 탄소재료로서, 대부분의 탄화수소들과 일산화탄소와 같이 탄소를 함유하는 가스가 니켈, 코발트, 철, 구리와 같은 전이금속촉매에서 분해될 때, 화학증착법에 의해 얻을 수 있다. 나노탄소섬유는 50∼200 나노미터(nm)의 가는 직경으로 인하여 비표면적이 10∼1000 m²/g에 이르고, 기계적 강도와 흑연화도가 큰 장점을 가지고 있다. 나노탄소섬유와 같은 전자파 차폐용 충전제는 높은 표면적, 낮은 전기비저항을 갖는 것이 유리하며, 나노탄소섬유의 형태적인 측면에서는 직선형 보다 코일형이 전자파 차폐용 충전제로서 우수한 것으로 알려져 있다. 현재 나노탄소섬유를 연속적으로 생산하기 위해서 수직형 반응기를 고안하여 제조하는 방법이 일본 특허 제 1982-58,966호에 기재되어 있고, 탄화수소를 이용하여 미세한 전이금속을 기질(substrate)에 담지시키고 기상성장시켜 탄소섬유를 제조하는 방법도 미국 특허제 5,102,647호에 기재되어 있다.

현재 전자파 차폐재의 매트릭스로 이용하고 있는 것에는 폴리아닐린, 폴리피롤(polypyrrole), 폴리비닐리덴, 폴리카보네이트 등이 있는데, 이들 화합물은 중합이 쉽고 상당히 우수한 전도성과 열적 안정성을 가지므로 널리 연구되고 있는 물질이다. 이러한 고분자 매트릭스를 이용하여 전극, 전자파 차폐용 소재 등 여러 가지 용도로 사용 가능성이 제안되고 있으나, 가공상의 난점, 열적 및 대기 안정성의 문제, 가격 등의 문제점이 있다.

본 발명자는 폴리비닐알코올 수지에 나노탄소섬유를 분산시켜 전자파 차폐용 코팅재를 제조함에 있어서, 폴리비닐알코올을 수용액 상태로 제조한 후 여기에 열처리하여 전기전도도를 높여준 나노탄소섬유를 분산시킨 후 건조시켜 전자파 차폐용 코팅재를 제조하게 되면 종래 폴리비닐알콜과 탄소 나노탄소섬유를 물리적인 방법으로 브랜드(Blend)하여 제조된 코팅재에서 나타내고 있는 균열(crack), 핀홀(pih hole), 구김(wrinkle), 수포(blisters), 공기구멍(air entrapment) 등이 생기는 것을 방지할 수 있어 우수한 전자파 차폐효과를 나타낼 수 있는 전자파 차폐용 코팅재를 얻을 수 있음을 확인하여 본 발명을 완성하게 되었다.

전자파 차폐재로는 전도성이 높은 물질이 우수한 효과를 나타내는데, 나노탄소섬유의 경우 일반적으로 제조온도가 600℃ 근처로서 카본블랙과 같이 고온에서 제조된 것보다 전도성이 떨어지므로 본 발명에서는 열처리 방법에 의해 전도성이 개선된 나노탄소섬유를 사용함으로서 전자파 차폐효과를 증가시켰다.

본 발명의 폴리비닐알코올/나노탄소섬유 코팅액은 폴리비닐알코올 10∼30중량%, 물 70∼90중량%, 나머지는 폴리비닐알코올 고형분에 대하여 나노탄소섬유 20∼50중량%, 분산제로 HLB(hydrophilic-lypophilic balance)가 12∼14인 비이온 계면활성제를 0.5∼3중량% 및 실리콘 소포제 0.1∼2중량%로 이루어진다.

그 제조방법은 먼저 폴리비닐알코올 10∼30중량%, 물 70∼90중량%, 폴리비닐알코올 고형분에 대하여 분산제로 HLB 값이 10~14인 비이온 계면활성제 0.5∼3중량% 및 실리콘 소포제 0.1∼2중량%를 혼합하여 80~100℃에서 2~4시간 동안 교반하여 폴리비닐알코올 수용액을 제조하고, 상기 폴리비닐알코올 수용액에 폴리비닐알코올 고형분에 대하여 1000~1100℃에서 1~20시간 동안 열처리한 나노탄소섬유를 20~50중량%를 넣고 균질화기(homogenizer)를 사용하여 20,000~40,000RPM 범위에서 1분간씩 3회 균일하게 혼합한 후 교반기(mechanical stirrer)로 20∼60분간충분히 혼합하여 제조한다.

본 발명에서 나노탄소섬유의 함량을 폴리비닐알코올 고형분에 대하여 20∼50중량%로 사용하는데, 20중량% 이하에서는 전도도가 너무 낮기 때문에 본 발명의 용도인 정전기 방지 및 전자파 차폐 목적에 적합하지 않고, 50중량%를 초과하는 경우에는 전도도가 우수하나 점도가 너무 높아 코팅이 적합하지 않게 되기 때문이다.

본 발명에서 사용하는 나노탄소섬유는 기상성장법에 의해 제조된 것을 사용하게 되는데, 촉매를 사용한 기상성장 탄소섬유의 제조 방법은 대한민국 특허0252795호에 보고되어 있다. 이러한 나노탄소섬유는 공침법(coprecipitation)에 의해 만들어진 순수한 Ni과 Cu를 포함한 조성이 서로 다른 합금촉매를 사용하여 제조한다. 합금촉매를 제조하기 위하여, 각각의 조성에 대하여 필요한 질산니켈(nickel nitrate)과 질산동(copper nitrate)을 증류수에 용해시키고, 탄산수소암모늄(ammonium bicarbonate)을 넣어서 침전을 형성시킨다. 뜨거운 증류수로 세척, 건조, 분쇄, 소성 및 환원의 과정을 거쳐 실온까지 질소분위기 하에서 냉각시키고, 공기를 도입하여 부동태화 시킨다. 이렇게 만들어진 100 mg의 금속촉매를 알루미나 보트에 넣고 튜브형 전기로 내에서 500℃ 정도에서 10부피% 수소/질소 가스분위기로 환원시킨 후, 반응온도(500∼800℃)에서 탄화수소와 수소 혼합물 분위기로 전환하여 보통 2∼3시간 반응시켜 나노탄소섬유를 성장시킨다. 반응이 끝난 후, 질소 분위기로 전환시키고, 온도를 1000∼1100℃로 올려서 1∼20시간 동안 열처리하여 사용하고자 하는데, 이러한 열처리에 의해 시료의 전도도가 10∼100 배정도 높아지기 때문이다. 비활성 가스 분위기에서 나노탄소섬유 시료를 열처리 하면전기전도도가 높아지는 것은 탄소질 시료의 흑연화도 즉 결정화도의 증가 효과와 시료 중 비정질의 불순물을 제거하는 효과가 있는 것으로 이해된다. 열처리 시간에 따른 시료의 결정화도의 증가는 X-선 회절분석법으로 확인할 수 있다.

본 발명의 코팅재로 코팅막을 제조하는 방법은 다음과 같다. 즉, 유리, 마닐라 필름, 폴리에틸렌테레프탈레이트 필름과 같은 투명 기질 위에 본 발명의 코팅재를 붓고, 닥터브레이드(doctor blade)나 바코터(bar coater)로 균일하게 도포한 후 상온에서 24시간 정도 건조시킨다. 이렇게 하여 제조된 전자파 차폐용 코팅재는 전자파 차폐 및 대전 방지용으로 전기제품이나 전자제품의 하우징재로 효과적으로 사용할 수 있다. 이하, 본 발명의 폴리비닐알코올을 매트릭스로 하고 나노탄소섬유를 충전제로 사용한 전자파 차폐용 코팅액을 제조하는 실시예를 설명하면 다음과 같다.

실시예 1

폴리비닐알코올 10중량%에 물 90중량%와 각각 폴리비닐알코올 고형분에 대하여 분산제로 폴리옥시에틸렌노닐페닐에테르 분산제 1중량%, 실리콘 0.5중량%를 넣어 90℃이상의 온도에서 100℃가 넘지 않도록 3시간 정도 교반하여 폴리비닐알코올 수용액을 제조하였다. 잘 교반한 폴리비닐알코올 수용액에 폴리비닐알코올 고형분에 대하여 1100℃에서 1시간 동안 열처리한 나노탄소섬유 40중량%를 넣고 균질화기를 사용하여 30,000 r.p.m.으로 1분간씩 3회 혼합한 후, 교반기로 30분간 충분히 혼합하였다. 이렇게 제조된 코팅용액을 마닐라 필름 위에 200 마이크로미터(㎛)의바코드로 코팅하고, 상온에서 24시간 동안 건조하여 코팅막을 제조하였다. 표 1에서 분산제에 따른 막의 균일성을 코팅막 표면의 요철상태를 육안 또는 현미경으로 관찰하여 주름이나 핀홀이 발생한 상태를 'Bad' 발생하지 않은 상태를 'Good'으로 평가하였고, 표 2에서 나노탄소섬유의 열처리 유무에 따른 평가를 전기전도도 측정장치를 사용한 전기전도도와 ASTM D 4935 시험법에 의해 전자파 차폐율을 측정하였다.

비교예 1

상기 실시예 1과 동일하게 실시하여 폴리옥시에틸렌노닐페닐에테르 분산제의 HLB 범위(5.7∼15.5)에 따른 막균일성을 표 1에 나타내었다.

비교예 2

열처리하지 않은 나노탄소섬유를 사용하여 상기 실시예 1과 동일하게 전자파 차폐용 도포재를 제조하고 표면저항 및 전자파 차폐율을 측정하여 그 결과를 표 2에 나타내었다.

분산제의종류	HLB 5.7	HLB 8.9	HLB 10.9	HLB 12.3	HLB 13.3	HLB 15.5
막의 균일성	Bad	Bad	Bad	Good	Good	Bad

열처리유무/특성	전기전도도(S/cm)	전자파차폐율(dB)
열처리전	0.01∼0.03	1∼2
열처리후	0.1∼5	4∼20

본 발명에 따른 폴리비닐알코올/나노탄소섬유 코팅재의 제조방법은 균일한 코팅막을 제조할 수 있을 뿐만 아니라, 전자파 차폐나 대전 방지효과가 우수하며 건물 내부의 전자파 차폐용 도료나 전기나 전자제품의 하우징재로 사용할 수 있는 효과가 있다.

Claims

폴리비닐알코올/나노탄소섬유를 이용하는 전자파 차폐용 코팅재를 제조하는 방법에 있어서, 폴리비닐알코올 10∼30중량%, 물 70∼90중량% 및 폴리비닐알코올 고형분에 대하여 분산제로 HLB 값이 10-14인 비이온 계면활성제 0.5∼3중량%, 실리콘 소포제 0.1∼2중량%를 혼합하여 80℃~100℃의 온도에서 2∼4 시간 동안 교반하여 폴리비닐알코올 수용액을 제조하고, 상기 폴리비닐알코올 수용액에 폴리비닐알코올 고형분에 대하여 1000∼1100℃에서 1∼20시간 동안 열처리한 나노탄소섬유 20∼50중량%를 넣고 균질화기로 혼합하는 것을 특징으로 하는 폴리비닐알코올 수지와 나노탄소섬유를 이용한 전자파 차폐용 코팅재의 제조방법.