KR100642427B1 - 탄소 나노튜브를 이용한 전자파차폐용 조성물 - Google Patents

탄소 나노튜브를 이용한 전자파차폐용 조성물 Download PDF

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Abstract

본 발명은 탄소 나노튜브, 금속 분말, 수분산 폴리우레탄 디스펄젼, 용매, 및 레올로지 조절제를 포함하는 탄소 나노튜브를 이용한 전자파차폐용 조성물에 관한 것으로, 본 발명의 전도성 조성물은 가격이 저렴하고 도전성 박막 형성시 낮은 도막 두께에서도 전도성, 부착성 및 차폐효율이 우수하고, 열 및 염수에 안정한 현저한 이점을 제공하므로 각종 전자기기의 회로 내부간 전자파 장애로 인한 간섭 현상 뿐만 아니라 외부로 방출되는 전자파를 효율적으로 차단할 수 있다.
전자파차폐, 탄소 나노튜브, 전도성, 정전기방지, 수분산 폴리우레탄 디스펄젼, 용매, 레올로지 조절제

Description

탄소 나노튜브를 이용한 전자파차폐용 조성물{COMPOSITION FOR ELECTROMAGNETIC INTERFERENCE SHIELDING USING CARBON NANOTUBE}
도 1은 본 발명의 실시예에서 사용된 본 발명의 전자파차폐용 조성물의 물성을 평가하기 위한 시편의 구조도이다.
본 발명은 탄소 나노튜브를 이용한 전자파차폐용 조성물에 관한 것으로, 더욱 상세하세는 탄소 나노튜브를 이용함으로써 금속분말의 함량을 줄이고 전기전도성 특성을 향상시킨 전자파차폐용 조성물에 관한 것이다.
이동동신 단말기, 노트북 컴퓨터, 사무기기, 의료기기 등의 각종 전자기기의 내부 소자로부터 발생되는 전자파의 인체에 대한 유해성 논란이 가중되고 있다. 또한 전자제품의 경량화 추세에 의해 소자의 집적도가 증가하면서 각 구성소자로부터 발생되는 불요전자파(electromagnetic noise)는 주변 소자의 오작동을 일으켜 기기장애의 원인이 되기도 한다. 따라서 최근에는 컴퓨터, 무선전화기, 자동차, 의료기기, 멀티미디어 플레이어 등의 가정용, 사무용, 산업용 전자제품으로부터 발생되는 전자파에 대한 차폐규격의 강화와 더불어 EMI(Electromagnetic Interference) 및 RFI (Radio Frequency Interference) 방출에 대한 규제도 강화되고 있어 각종 전자기기 및 부품의 전자파 차폐 대책이 중요한 과제로 대두되고 있다.
이러한 불필요한 전자파를 차단하기 위해서 회로적인 측면에서 칩의 배열과 설계를 변경하는 시도가 진행되고 있으나, 이는 한계가 있다. 직접 전자파의 방출원인인 칩 전체를 금속 케비넷으로 감싸는 방식이 개발되었으나, 이러한 방식은 휴대용 전자기기의 무게를 증가시키고 두께를 증가시키는 문제점이 있어 많이 사용되고 있지 않다.
다른 전자파 차폐 방법으로 금속 입자를 진공증착법이나 무전해도금법에 의해 도장하는 방법이 시도되었으나, 이러한 방법에 사용되는 설비가 고가이고, 가혹조건에서의 신뢰성을 만족할 수 없고, 유해물질이 배출되므로 환경친화적이지 못한 단점이 있다.
이러한 문제점을 극복하기 위해, 금속분말과 수용성 우레탄 분산액을 함유한 전자파 차폐용 전도성 코팅액이 개발되었으나 이는 금속 함량이 높아 원재료 비용이 상승하고 플라스틱 기질과의 접착력이 좋지 않아 장시간 사용 시에는 전자파차폐 능력이 저하되는 문제점을 갖는다.
유한 자원인 금속을 이용한 전자파 차폐 재료에서 비용을 저감시키고, 접착력의 향상 및 친환경성, 우수한 내구성을 확보하기 위하여 탄소 나노 튜브를 활용 한 연구가 많이 진행되고 있다. 그러나 아직까지 금속의 성능을 능가할 만한 전도성 재료의 개발이 이루어지지 못하고 있다.
전도성 도료를 이용하여 전자기기의 전자파를 차폐하는 방법으로는 금 및 구리 등과 같은 금속과 같은 전도성 물질을 포함하느 도료를 전자기기 하우징 내부에 코팅시키는 방법이 널리 이용되고 있다. 그러나 전자기기의 플라스틱 사출물의 내부는 구동칩간 간섭을 방지하기 위해 격벽(Rib 또는 Wall)을 두고 있으며, 입체적 구조를 가지고 있기 때문에 금속 단독으로만 이루어진 전도성 도료는 금속 자체의 밀도가 높기 때문에 사용시 그 자체의 중량에 의해 흘러내려 격벽으로 인한 전도성의 감소가 나타나는 문제점이 발생하고 있다. 따라서 도막 두께가 증가하게 되고 비용이 상승하는 문제점이 발생한다.
본 발명은 상술한 바와 같은 종래 기술의 문제점을 극복하기 위한 것으로, 본 발명의 목적은 밀도가 작고, 입체 사출물 구조에서도 자중에 의한 흘러내림 현상이 없어 낮은 도포량에서도 전도성이 우수하고, 부착력 및 내마모성 등이 우수하면서 기존의 전도성 도료에 비하여 향상된 전기전도성을 나타내는 탄소 나노튜브를 이용한 전자파 차폐용 코팅액 조성물을 제공하는 것이다.
상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 하나의 양상은 탄소 나노튜브, 금속분말, 수분산 폴리우레탄 디스펄젼, 용매 및 레올로지 조절제를 포함하는 탄소 나노튜브를 이용한 전자파차폐용 조성물에 관계한다.
본 발명의 다른 양상은 본 발명의 코팅액 조성물을 이용하여 제조된 도전성 박막에 관계한다.
본 발명의 또 다른 양상은 본 발명의 도전막을 포함하는 전자파 차폐용 기재에 관계한다.
이하에서 첨부 도면을 참고하여 본 발명에 관하여 더욱 상세하게 설명한다. 본 발명에 의한 전자파차폐용 조성물은 탄소 나노튜브, 금속 분말, 수분산 폴리우레탄 디스펄젼, 용매, 및 레올로지 조절제를 포함한다.
본 발명에서 특징적으로 사용되는 탄소 나노튜브는 구조의 비등방성이 크며 직경이 수십에서 수백 나노미터이고, 길이는 수십에서 수백 마이크로미터이다. 단일벽 또는 다중벽 등 다양한 구조가 있으며, 또한 감긴 형태에 따라 도체, 반도체의 성질을 띤다. 또한 탄소 나노튜브는 길이에 비해 직경이 작으므로 전기장이 인가되었을 때 튜브 끝에서 전기장이 증폭된다. 탄소 나노튜브의 제조 방법은 현재까지 전기방전법, 레이저증착법, 플라즈마 화상기상법, 기상합성법, 전기분해법 등 많은 방법이 알려져 있다, 1998년 Frank는 SPM(Scanning probing microscopy)을 이용하여 탄소 나노섬유를 수은 액체상에 담지하여 전도성을 측정하였고, 그 결과 탄소 나노튜브가 양자 거동을 보이면서 획기적인 전도성 (ballistic conductance)을 가진다고 보고하였다. MWNT (Multiwall Nanotube: MWNT)의 전도 성은 각 나노튜브가 수은 액체상에 첨가될 때마다 1 Go만큼 증가하였다. 이 때 Go의 값은 1/12.9 ㏀-1이다. 1999년 Sanvito 등은 스캐터링 (scattering) 기법을 이용하여 다중벽 나노튜브 의 전도성을 측정하였으며 Frank의 결과를 재확인하였고 MWNT내의 양자전도성 채널이 내벽 (interwall) 반응에 의해 감소됨을 관찰하였다. 이 반응에 의해 각 탄소 나노튜브의 전자흐름이 재배치됨을 관찰하였고, Thess 등은 로프 형태의 금속성 단중벽 나노튜브 (Single Wall Nanotube: SWNT)의 저항을 4점 (four-point) 기법을 이용하여, 300 K에서 약 10-4 Ω-cm임을 관찰하였으며, 이 값은 현재 알려진 고전도성 탄소 나노섬유 보다 더 높은 값을 가진 것으로 나타났다. Frank 등과 Avouris 등은 각각 107 A/㎠ 이상, 1013 A/㎠ 이상의 안정된 전류밀도가 나타남을 관찰하였다.
본 발명은 현재 많이 개발되고 있고 전기적 특성이 우수한 단일벽 또는 이중벽의 탄소 나노튜브를 활용하여 기존의 금속을 포함하고 있는 전자파 차폐 재료를 혼합하여 우수한 전자파 차폐특성 및 전기 전도성의 전자파 차폐용 조성물을 얻고자 한다.
본 발명의 코팅액 조성물에서 전도성을 부여하기 위한 성분들 중의 하나인 탄소 타노 튜브의 크기는 길이가 50 ㎛ 이하이고, 폭이 20 ㎚ 이하의 탄소 나노튜브를 사용하며, 그 함량을 0.3 내지 20중량%로 포함한다.
본 발명의 전도성 조성물에 사용가능한 금속분말은 은 분말, 동 분말 또는 은이 코팅된 동 분말을 단독으로 사용하거나 이들을 혼합하여 사용할 수 있다. 본 발명에서 사용되는 금속분말의 사용량은 5 중량% ∼ 60중량%이다. 금속분말이 5 중량% 미만일 경우 도전성이 부족할 수 있고 60 중량%를 초과하는 경우에는 제조원가가 상승하는 단점이 있다. 본 발명에서 금속 분말의 평균입도 분포는 1 내지 60 ㎛이며, 그 형상은 플레이크형, 구형, 가지형인 것이 바람직하다.
본 발명에서 적용된 수분산 폴리우레탄 디스펄젼은 방향족 관능기를 갖는 수분산 폴리우레탄 디스펄젼으로서, 플라스틱 기질에 코팅시 스프레이가 가능하도록 하며, 건조 후 우수한 소지 부착성과 내마모성을 가질 수 있다. 본 발명에서 사용된 우레탄 디스펄젼은 알리파틱계와 아로마틱계의 다가산을 이용한 폴리올을 적용하여 합성한 디스펄젼이며, 그 함량은 0.2 wt% 내지 60 wt% 바람직하게는 5wt% 내지 40wt%(제품무게기준)이다. 수분산 우레탄 디스펄젼의 함량이 0.2 중량% 미만일 경우 소자의 부착성과 내마모성이 불량해질 수 있고, 60 중량%를 초과하는 경우 저항이 상승할 우려가 있다.
본 발명의 조성물에 사용되는 용매로는 알콜계 용매가 사용되며, 좀 더 구체적으로 메탄올, 에탈올, 이소프로판올, 노말부탄올, 이소부탄올 등을 각각 단독으로 또는 2종 이상 혼합하여 사용할 수 있으며 그 함량은 10 내지 60중량%이다.
또한 본 발명의 조성물에서는 코팅액의 점도를 조절하기 위해 레올로지 조절제가 첨가된다. 본 발명에서 사용가능한 바람직한 레올로지 조절제는 가교 폴리아크릴레이트 중합체, 셀룰로오스, 우레탄, 아크릴에멀젼타입 및 벤토나이트를 포함한다. 가교 폴리아크릴레이트 중합체 타입이 특히 바람직한데, 이는 알콜계 용매에 용해가 잘되며 도전성에 영향을 미치지 않고 금속의 침강방지 및 스프레이 작업성 향상에 효과가 있기 때문이다. 이러한 레올로지 조절제의 구체적인 예는 노벤(Noveon)사에서 제조되는 카보폴(Carbo-pol) EZ-2를 들 수 있다. 본 발명서에서 레올로지 조절제의 함량은 0.01 ~ 5 중량%이다. 레올로지 조절제의 양이 0.01 중량% 미만일 경우에는 증점 효과가 떨어져 금속의 침강이 일어날 수 있고, 5 중량%를 초과하는 경우에는 수지와의 강한 상호작용으로 인해 저장성이 불량해져 저항 값 상승의 원인이 될 수 있다.
본 발명에 따른 전도성 조성물은 상기 필수 구성 성분 이외에 각종 첨가제를 본 발명의 목적을 저해하지 않는 범위 내에서 추가로 포함할 수 있다.
본 발명에 의한 전도성 조성물은 당업계에서 통상적으로 사용되는 코팅 방법에 의해 기판 위에 코팅되어 도전성 박막으로 형성될 수 있다. 바람직한 코팅 방법의 예들은 스핀 코팅(spin coating), 딥 코팅(dip coating), 분무 코팅(spray coating), 흐름 코팅(flow coating), 및 스크린 인쇄(screen printing)를 포함하나, 이에 제한되지는 않는다. 편의성 및 균일성의 측면에서 가장 바람직한 도포방법은 스핀 코팅이다.
본 발명에 의한 전도성 조성물은 폴리카보네이트나 폴리카보네이트 얼로이, 아크릴로부타디엔스타이렌/폴리카보네트, 폴리페닐설파이트 등의 고분자로 이루어진 플라스틱 기판 위에 도포될 수 있다.
본 발명에 의한 전도성 조성물은 탄소 나노 튜브를 이용함으로써 금속분말의 함량을 줄일 수 있고 탄소 나노튜브가 그물망 구조를 형성함으로써 접촉저항을 줄여 코팅액 조성물의 전기전도성이 우수하여 도전성 박막으로 제조되는 경우에 이동 통신 기기, 노트북, 휴대용 전자기기, 의료기기 등 전자기기 내부에서 발생되는 노이즈를 차단하여 전자파 간섭 문제를 해결할 수 있고, 유해전자파가 외부로 방출되지 않도록 차단할 수 있다.
이하에서 실시예를 들어 본 발명을 더욱 상세하게 설명할 것이나. 이러한 실시예들은 단지 설명의 목적을 위한 것으로 본 발명의 보호범위를 제한하고자 하는 것은 아니다.
실시예 1
수분산 폴리우레탄 디스펄젼 30g을 교반기를 이용하여 2000rpm에서 30분간 교반하면서 탄소 나노튜브를 조금씩 첨가시켰다. 이 때 사용된 탄소나노 튜브는 통상의 방법으로 수득한 탄소 나노 튜브로 단일벽으로 길이 20㎛, 폭이 10nm이고, 함량을 0.5g으로 하였다. 여기에 시판되는 은분말(SF-70A, Ferro사)을 25g 첨가하여 2000rpm에서 20분간 교반하였다. 여기에 에탄올 41g 첨가한 뒤 500rpm에서 15분간 교반하였다. 여기에 점도조절제로 통상의 시판되는 폴리아크릴레이트 폴리머를 3중량% 첨가하여 1000prm에서 30분간 교반하였다. 균일한 분산을 위하여 교반기의 온도를 10℃ 이하로 유지하여 전도성 조성물을 제조하였다. 이렇게 해서 제조된 전자파차폐용 조성물을 에탄올 100부피%로 희석하여 스프레이 코팅액을 제조한 뒤 폴리카보네이트 시트에 스프레이 코팅하였다. 이 때, 시편의 크기는 가로 15cm, 세로 6cm이고 도 1과 같이 한가운데 두께 5mm, 폭 5mm의 격벽이 3개 있 는 것을 사용하였다. 에탄올 용매가 건조된 후 시트에 도포된 도막 두께가 12㎛ 전후가 되도록 스프레이 노즐을 조정하여 시편을 제조하였다. 제조된 시편의 물성을 아래의 방법에 의해 평가하여 그 결과를 하기 표 1에 나타내었다.
[물성 평가 방법]
*저항 : 멀테미터를 이용하여 단위 면적당 표면저항을 측정하였다.
*접착력: ASTM D3359로 평가하였다.
*차폐효율: 네트워크 어낼라이저를 이용하여 30 MHz에서 10 GHz까지 측정하였고 범위에서의 평균값으로 하였다.
*열안정성: 50 ℃ 온도에서 10일간 방치한 후의 저항을 측정하였다.
*내염수성 :5 중량% NaCl 용액에 3일간 침지한 후의 저항을 측정하였다.
실시예 2
탄소 나노 튜브의 함량을 5g으로 증가시키고 은 분말 함량을 12.5g으로 변화시킨 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 실시하여 시편을 제조하고 그 물성을 평가하여 하기 표 1에 함께 나타내었다.
실시예 3
탄소 나노 튜브의 크기를 길이 50㎛, 폭 20nm로 증가시킨 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 실시하여 시편을 제조하고 그 물성을 평가하여 하기 표 1에 함께 나타내었다.
실시예 4
탄소 나노 튜브의 함량을 0.1 g으로 하고, 은분말(SF-70A, Ferro사)의 함량을 30g으로 하고, 에탄올 함량을 35.4g으로 변화시킨 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 실시하여 시편을 제조하고 그 물성을 평가하여 하기 표 1에 함께 나타내었다.
비교예 1
수분산 폴리우레탄 디스펄젼 30g, 길이가 20㎛이고 폭이 10nm인 5g의 탄소 나노튜브, 시판되는 은분말(SF-70A, Ferro사) 10g, 에탄올 51.5g, 폴리아크릴레이트 폴리머 3.5g을 포함하는 전도성 조성물을 포함하는 전도성 조성물을 제조한 후 실시예 1과 동일한 방법으로 시편을 제조하고 그 물성을 평가하여 그 결과를 하기 표 1에 함께 나타내었다.
비교예 2
탄소 나노튜브 함량을 0.05g으로 하고, 은분말(SF-70A, Ferro사)을 30g, 에탄올 함량을 36.45g 첨가한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 실시하여 시편을 제조하고 그 물성을 평가하여 하기 표 1에 함께 나타내었다.
비교예 3
탄소 나노튜브의 크기를 길이 60㎛, 폭 30nm로 한 것을 제외하고는 실시예 1 과 동일한 방법으로 실시하여 시편을 제조하고 그 물성을 평가하여 하기 표1에 함께 나타내었다.
비교예 4
수분산 폴리우레탄 분산액 20g, 탄소 나노튜브를 포함시키지 않고 은분말 50g, 에탄올 26.5g, 폴리아크릴레이트 폴리머를 3.5g 첨가한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 실시하여 시편을 제조하고 그 물성을 평가하여 하기 표 1에 함께 나타내었다.
구분 도막두께 (㎛) 초기저항 (ohm/□) 접착력 차폐효율 (dB) 열안정성 테스트후 저항 내염수성 테스트후 저항
실시예 1 12.3 0.15 5B 85 0.17 0.15
실시예 2 12.2 0.07 5B 92 0.1 0.08
실시예 3 12.4 0.2 5B 93 0.23 0.21
실시예 4 12.1 0.17 5B 87 0.19 0.15
비교예 1 12.0 0.7 5B 75 1.0 2.1
비교예 2 12.6 1.3 5B 85 3.3 3.5
비교예 3 12.2 1.75 4B 85 2.5 2.9
비교예 4 12.0 2.15 5B 83 3.4 3.6
본 발명에 따른 탄소 나노튜브를 이용한 전자파차폐용 조성물은 금속분말의 함량을 줄여 가격 경쟁력이 있고 밀도가 작고 입체 사출물 구조에서도 자중에 의한 흘러내림 현상이 없으며 탄소 나노튜브가 그물망 구조를 형성함으로써 접촉저항을 줄여 전기전도성이 기존의 전도성 도료에 비해 월등히 우수하며, 낮은 도막 두께에 서도 전도성, 부착성 및 차폐효율이 우수하고, 열 및 염수에 안정한 이점을 갖는다. 따라서 소형화 및 박형화되는 휴대용 전자기기의 회로 내부간 전자파 장애로 인한 간섭 현상 뿐만 아니라 외부로 방출되는 전자파를 차단하고 통신기기의 방사특성을 높일 수 있는 효과를 제공할 수 있다.

Claims (10)

  1. 탄소 나노튜브 0.3 ∼ 20중량%, 금속분말 5 ∼ 40중량%, 수분산 폴리우레탄 디스펄젼 5 ∼ 40중량%, 용매 10 ∼ 60중량%, 및 레올로지 조절제 0.01 ∼ 5중량%를 포함하는 탄소 나노튜브를 이용한 전자파차폐용 조성물.
  2. 삭제
  3. 제 1항에 있어서, 상기 탄소 나노튜브의 길이가 50 ㎛ 이하이고 폭이 20 ㎚ 이하인 것을 특징으로 하는 전자파차폐용 조성물.
  4. 제 1항에 있어서, 상기 수분산 폴리 우레탄 디스펄젼은 알리파틱계와 아로마틱계의 다가산을 이용한 폴리올을 적용하여 합성한 것임을 특징으로 하는 전자파차폐용 조성물.
  5. 제 1항에 있어서, 상기 수분산 폴리 우레탄 디스펄젼은 폴리우레탄 수지의 고형분이 1 ~ 10% 인 것을 특징으로 하는 전자파차폐용 조성물.
  6. 제 1항에 있어서, 상기 금속분말은 은, 동, 또는 은 코팅된 동 분말로서 평균입경이 1 내지 60 ㎛이며, 그 형상은 플레이크형, 구형 또는 가지형인 것을 특징으로 하는 전자파 차폐용 조성물.
  7. 제 1항에 있어서, 상기 용매는 메탄올, 에탈올, 이소프로판올, 노말부탄올, 이소부탄올로 구성되는 그룹으로부터 선택되는 알콜계 용매임을 특징으로 하는 전자파차폐용 조성물.
  8. 제 1항에 있어서, 상기 레올로지 콘트롤제가 가교 폴리아크릴레이트 중합체, 셀룰로오스, 우레탄, 아크릴에멀젼 타입 및 벤토나이트로 구성되는 그룹으로터 선택되는 것임을 특징으로 하는 전자파차폐용 조성물.
  9. 제 1항의 조성물에 의해 제조된 전자파 차폐용 도전막.
  10. 제 9항의 도전막을 포함하는 전자파 차폐용 기재.
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