KR100911884B1

KR100911884B1 - 비상용성 이성분계 고분자 나노입자 복합체에 전단응력을 인가한 나노입자 배향채널의 제조방법

Info

Publication number: KR100911884B1
Application number: KR1020070065144A
Authority: KR
Inventors: 박수동; 한동희; 권영환
Original assignee: 한국전기연구원
Priority date: 2006-08-30
Filing date: 2007-06-29
Publication date: 2009-08-11
Also published as: KR20080020462A; US20080160290A1

Abstract

본 발명은 나노입자가 특정 방향으로 배향된 배향채널의 제조방법에 관한 것으로서, 나노입자를 고분자A에 분산시켜 고분자 나노입자 복합체를 형성시키는 제1공정과; 상기 고분자 나노입자 복합체와 상기 고분자A에 대해 비상용성의 고분자B를 용융블렌딩시켜 냉각하여 이성분 고분자 나노입자 복합체를 형성시키는 제2공정과; 상기 이성분 고분자 나노입자 복합체에 전단응력을 인가하여 상기 고분자A에 분산된 나노입자가 전단응력에 평행되게 배향되도록 나노입자 배향채널을 형성시키는 제3공정;을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 비상용성 이성분계 고분자 나노입자 복합체에 전단응력을 인가한 나노입자 배향채널의 제조방법을 기술적 요지로 한다. 이에 따라 나노입자와 비상용성의 고분자들과의 복합체에 전단응력을 인가하여 상기 나노입자가 특정 고분자에만 분산된 상태에서 전단응력에 평행되는 방향으로 배향된 나노입자 배향채널을 제공하여, 전기전도도 특성 및 이방성이 향상되어 이러한 특성을 이용한 응용분야에 우수한 재료로 사용될 수 있으며, 또한 나노입자가 특정 고분자에만 분산된 상태를 유지하고 나머지 다른 고분자에 대해서는 분산되지 않은 상태를 유지하게 되므로 소정 방향으로 배향된 나노입자 배향채널은 그 배향상태가 안정적이고 지속적으로 유지될 수 있으므로 산업에 안정적으로 사용할 수 있으며, 두께나 크기에 관계없이 특정 방향으로 배향된 나노입자 배향채널을 얻을 수 있으므로 다양한 분야에 응용이 가능한 이점이 있다.

나노입자 탄소나노튜브 배향 상분리 비상용성 이성분 고분자 분산 전단응력

Description

비상용성 이성분계 고분자 나노입자 복합체에 전단응력을 인가한 나노입자 배향채널의 제조방법{Fabrication method of nano particle aligned channel using continuous shear force and phase separation behavior of immiscible binary polymer blend nano particle composite}

도 1 - 본 발명에 따른 탄소나노튜브 배향채널의 제1공정에 대한 모식도.

도 2 - 본 발명에 따른 탄소나노튜브 배향채널의 제1공정에 대한 모식도.

도 3 - 본 발명에 따른 탄소나노튜브 배향채널의 제1공정에 대한 모식도.

도 4 - 본 발명에 따른 탄소나노튜브 배향채널을 전단응력에 대해 평행한 방향으로 관찰한 SEM 사진을 나타낸 도.

도 5 - 본 발명에 따른 탄소나노튜브 배향채널을 전단응력에 대해 수직한 방향으로 관찰한 SEM 사진을 나타낸 도.

본 발명은 나노입자가 특정 방향으로 배향된 배향채널의 제조방법에 관한 것으로서, 특히 나노입자와 비상용성의 고분자들과의 복합체에 전단응력을 인가하여 상기 나노입자가 특정 고분자에만 분산된 상태에서 전단응력에 평행되게 배향된 비상용성 이성분계 고분자 나노입자 복합체에 전단응력을 인가한 나노입자 배향채널의 제조방법에 관한 것이다.

일반적으로 나노입자는 수십 내지 수백 nm 정도의 크기를 가진 입자를 말하는 것으로, 금속 또는 비금속, 반도체, 자성체 등 그 종류를 불문하며, 특히 본 발명에서는 금속 및 반도체, 경우에 따라서는 비금속의 성질을 가지는 탄소나노튜브에 대해 설명하고자 한다.

상기 탄소나노튜브는 전기저항이 10^-4Ωcm로 금속에 버금가는 전기전도도를 가지고 있으며, 표면적이 벌크 재료에 비해 1000배 이상 높은 재료로써, 최근 그 제조 및 응용, 적용분야에 있어서 활발히 연구되고 있다. 특히 탄소나노튜브는 형상 및 크기에 따라 금속과 같은 전기적 도체의 성질에서부터 전기가 잘 통하지 않는 반도체의 성질을 가지고 있어 각종 전자회로 분야뿐만 아니라, 화학적, 기계적으로도 매우 안정하므로 초강력 섬유나, 표면재료 분야 등 그 활용분야가 매우 다양할 것으로 기대되고 있다.

또한 탄소나노튜브는 그 형태 및 구조상 길이방향과 반경방향으로 성질이 다른 이방성을 가지게 되며, 이러한 이방성을 이용한 응용분야 또한 다양할 것으로 기대되고 있다.

그러나 탄소나노튜브는 일반적인 전기방전 등의 방법으로 제조된 경우 수 나노미터의 직경과 이의 1000배 이상 되는 길이를 가지면서 무질서하게 엉켜있는 형 태를 이루어 산업상 응용분야가 많은 이방성의 성질을 제대로 활용할 수 없는 문제점이 있다.

이러한 문제점을 해결하기 위한 것으로 탄소나노튜브를 균일하게 분산시키고, 일정 방향으로 배향시키기 위한 방법이 중요하며 이에 대한 연구가 활발한 실정이다.

종래기술로써, 대한민국특허청 공개특허공보 출원번호 10-2001-0034391호 "일축 정렬된 탄소나노튜브 극세사 및 이의 제조방법"으로써 고분자 용액 속에 탄소나노튜브를 분산시켜 모세관을 통과시켜 용액의 흐름방향으로 정렬시킨 후 에탄올로 응고시켜 탄소나노튜브 극세사를 제조하거나, 출원번호 10-2003-0095837호 "자성을 띄는 탄소나노튜브 및 그 제조와 배열방법"으로써 아크방전을 가하여 씨드를 중심으로 탄소나노튜브를 성장시키고 이를 자화하여 탄소나노튜브를 실질적으로 수직으로 정렬시키는 기술, 출원번호 10-2002-7011025호 "콜로이드 입자, 특히 탄소나노튜브로부터 거시적 섬유 및 스트립을 얻는 방법"으로써 계면활성제에 분산된 탄소나노튜브를 오리피스 개구를 통하여 외부 용액에 사출시켜 입자를 정렬시킴으로써 섬유 또는 스트립으로 입자를 응집시키는 기술, 출원번호 10-2004-0107519호 "탄소나노튜브를 포함하는 복합체 및 탄소나노튜브 집합체의 제조방법"으로써 고분자 용액에 분산된 탄소나노튜브 용액을 전기방사하여 나노섬유 웹을 형성시켜 용융결합시키는 탄소나노튜브 복합체의 제조방법에 관한 기술, 출원번호 10-2003-0018056호 "나노복합체 섬유, 그 제조방법 및 용도"로써 탄소나노튜브 등을 고분자 용액에 분산시켜 고전압의 전기장을 가하여 나노복합체 섬유 웹을 형성시키는 기술 등이 있다.

상기 종래의 기술들은 일반적으로 탄소나노튜브 분산 용액을 전자기장 속으로 방사하거나 탄소나노튜브 분산 용액에 전자기장을 가하여 특정 방향으로 정렬되게 하거나 아니면 모세관과 같은 좁은 틈으로 탄소나노튜브 분산 용액을 방사하여 일정한 방향(용액의 흐름 방향)으로 정렬되게 하는 극세사 또는 웹을 형성시키는 기술임을 알 수 있다.

그러나 이러한 종래의 탄소나노튜브 정렬 방법은 대부분이 얇은 시트 형상이나 극세사를 이루며 그 이용분야가 한정적이고, 또한 온도나 습도에 민감하여 실험실의 환경에 따라 탄소나노튜브가 제대로 정렬이 되지 않거나 제조방법과 관리가 까다로운 문제점이 있다.

또한 탄소나노튜브를 일정한 방향으로 정렬하는 것은 고강도의 탄소나노튜브 섬유를 얻어 산업상 이용하려는 목적이 있으나, 이러한 방식에 의해 제조된 탄소나노튜브는 그 정렬 정도가 오랜 시간이 지난 후에도 일정하게 유지되지 않아 이에 의해 강도가 약해지는 문제점이 있어, 그 응용분야가 한정적일 뿐만 아니라 이방성의 성질을 제대로 활용할 수 없는 문제점이 있다.

따라서, 상기 탄소나노튜브를 포함한 각종 나노입자의 특성을 최대한 다양하게 활용하기 위하여, 상기 나노입자를 균일하게 분산시키고, 일정 방향으로 안정되게 배향시키기 위한 방법에 대한 연구가 필요한 실정이다.

본 발명은 상술한 바와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 나노입자와 비상용성의 고분자들과의 복합체에 전단응력을 인가하여 상기 나노입자가 특정 고분자에만 분산된 상태에서 전단응력에 평행되게 배향된 것을 특징으로 하는 비상용성 이성분계 고분자 나노입자 복합체에 전단응력을 인가한 나노입자 배향채널의 제조방법의 제공을 그 목적으로 한다.

상술한 바와 같은 목적 달성을 위해 본 발명은, 나노입자를 고분자A에 분산시켜 고분자 나노입자 복합체를 형성시키는 제1공정과; 상기 고분자 나노입자 복합체와 상기 고분자A에 대해 비상용성의 고분자B를 용융블렌딩시켜 냉각하여 이성분 고분자 나노입자 복합체를 형성시키는 제2공정과; 상기 이성분 고분자 나노입자 복합체에 전단응력을 인가하여 상기 고분자A에 분산된 나노입자가 전단응력에 평행되게 배향되도록 나노입자 배향채널을 형성시키는 제3공정;을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 비상용성 이성분계 고분자 나노입자 복합체에 전단응력을 인가한 나노입자 배향채널의 제조방법을 기술적 요지로 한다.

또한 상기 제1공정은, 비용매성 용매에 고분자A를 용해시키고, 분산제를 첨가시켜 교반하여 분산용액을 제조하는 단계와; 상기 분산용액에 상기 나노입자를 첨가시켜 초음파 분산시키는 단계;로 이루어지는 것이 바람직하다.

또한 상기 제3공정은, 상기 고분자A와 상기 고분자B의 점도비가 0.5~1.5로 되는 온도하에서 전단응력이 인가되는 것이 바람직하다.

또한 상기 고분자A는 폴리스티렌으로 형성되고, 상기 고분자B는 저밀도폴리 에틸렌으로 형성되는 것이 바람직하다.

여기에서, 상기 나노입자는, 탄소나노튜브, 구리, 나노카본블랙, 금, 은, 백금 및 이들의 혼합물 중 어느 하나를 선택하여 사용하는 것이 바람직하다.

이에 따라 나노입자와 비상용성의 고분자들과의 복합체에 전단응력을 인가하여 상기 나노입자가 특정 고분자에만 분산된 상태에서 전단응력에 평행되는 방향으로 배향된 나노입자 배향채널을 제공하여, 전기전도도 특성 및 이방성이 향상되어 이러한 특성을 이용한 응용분야에 우수한 재료로 사용될 수 있으며, 또한 나노입자가 특정 고분자에만 분산된 상태를 유지하고 나머지 다른 고분자에 대해서는 분산되지 않은 상태를 유지하게 되므로 소정 방향으로 배향된 나노입자 배향채널은 그 배향상태가 안정적이고 지속적으로 유지될 수 있으므로 산업에 안정적으로 사용할 수 있으며, 두께나 크기에 관계없이 특정 방향으로 배향된 나노입자 배향채널을 얻을 수 있으므로 다양한 분야에 응용이 가능한 이점이 있다.

이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 대해 상세히 설명하고자 한다. 본 발명에 따른 나노입자 배향채널에서의 나노입자는 직경이 수십 내지 수백 nm 정도의 크기를 가진 입자를 말하며, 특정 방향으로 배향시 그 특성(전기전도성, 열전도성, 저항체 등)을 이용할 수 있는 물질이면 어떠한 것이든 사용할 수 있으며, 금속 또는 비금속, 반도체, 자성체 등 그 종류를 불문한다.

특히 본 발명에서는 배향채널으로 제조 후, 산업현장에서의 그 물성의 응용과 적용이 우수한 탄소나노튜브를 중심으로 설명하고자 한다. 상기 탄소나노튜브는 일반적으로 이방성을 띄며, 금속 및 반도체, 경우에 따라서는 비금속의 성질을 가지고 있다.

도시된 바와 같이, 본 발명은 비상용성의 즉, 서로 섞이지 않는 두 가지 성분의 고분자를 이용하여 탄소나노튜브 복합체를 형성시키되, 상기 탄소나노튜브가 특정 성분의 고분자에만 분산되도록 하고, 상기 복합체에 전단응력을 인가함으로써, 특정 성분의 고분자에 분산된 상태에서 전단응력에 평행한 방향으로 배향된 탄소나노튜브 배향채널에 관한 것이다.

먼저, 도 1에 도시된 바와 같이, 제1공정으로써, 탄소나노튜브를 고분자A에 분산시켜 고분자 탄소나노튜브 복합체를 형성시킨다. 여기에서 상기 탄소나노튜브는 단일벽, 이중벽, 다중벽 등 사용목적에 따라 적절하게 선택하여 사용할 수 있다.

그리고 상기 탄소나노튜브와 고분자A와의 균일한 분산을 위하여, 비용매성(nonsolvent) 용매에 고분자A를 용해시키고, 여기에 분산제를 첨가시켜 교반하여 분산용액을 제조한 후에, 상기 탄소나노튜브를 첨가시켜 소정 시간 동안 초음파를 인가하여 분산시키게 된다. 그 다음 상기 용매는 감압증류 등의 방법으로 제거하면 고상(solid state)의 고분자A에 균일하게 분산된 고분자 탄소나노튜브 복합체를 얻게 된다.

그리고 도 2에 도시된 바와 같이, 제2공정으로써, 상기 고분자 탄소나노튜브 복합체와 상기 고분자A에 대해 비상용성의 고분자B를 소정 온도에서 용융블렌딩시켜 고분자 탄소나노튜브 복합체와 고분자B가 용융된 상태의 물질을 얻게 되며, 이 를 냉각시키므로써 고상의 이성분 고분자 탄소나노튜브 복합체를 얻게 된다. 여기에서 상기 고분자A와 고분자B는 서로 섞이지 않는 고분자 군 중에서 사용목적에 따라 적절하게 선택하여 사용할 수 있다.

이때, 상기 이성분 고분자 탄소나노튜브 복합체는 상기 고분자A 및 고분자B가 서로 비상용성으로서 상분리 거동을 나타내게 되므로, 마치 물과 기름처럼 상기 고분자 탄소나노튜브 복합체는 내부에 탄소나노튜브가 균일하게 분산된 상태에서 구형으로 형성되고, 상기 고분자B는 연속상을 가지게 된다. 즉, 상기 탄소나노튜브는 고분자A에만 선택적으로 분산된 형태를 가지게 되는 것이다.

그 다음, 도 3에 도시된 바와 같이, 제3공정으로써, 상기 이성분 고분자 탄소나노튜브 복합체에 전단응력을 인가하여 상기 고분자A에 대해서만 선택적으로 분산됨과 동시에 전단응력에 평행되게 배향된 탄소나노튜브 배향채널을 형성시키는 것이다.

상기 전단응력은 레오미터(Rheometer) 또는 롤밀(roll mill)을 사용하여 소정 온도와 시간 동안 연속적으로 상기 이성분 고분자 탄소나노튜브 복합체에 인가한다. 상기에서 살펴본 바와 같이 고분자A와 고분자B는 비상용성으로 상분리 거동이 나타나게 되므로, 이때 전단응력을 가하게 되면 특정조건에서, 바람직하게는 고분자A와 고분자B의 점도비가 0.5~1.5인 상태의 온도, 더욱 바람직하게는 점도비가 같은 온도에서 고분자A와 고분자B가 각각 연신되어 고분자A에 분산되어 고분자A의 연신방향으로 탄소나노튜브가 배향되게 되는 것이다. 즉, 상기 탄소나노튜브는 배향된 고분자A에서만 선택적으로 분산됨과 동시에 배향되게 된다.

상기와 같이 배향된 고분자A에서만 선택적으로 분산됨과 동시에 배향(연신방향 또는 전단응력에 평행한 방향)되고, 그 주변으로 고분자B가 배향되게 되며, 이에 의해 탄소나노튜브는 전체적으로 균일하게 분산된 상태에서 일정 방향으로 배향되게 되며, 이를 냉각시키므로써, 탄소나노튜브 배향채널을 얻을 수 있게 되는 것이다.

물론, 여기에서 상기 탄소나노튜브, 고분자A, 고분자B 등의 량을 조절함으로써, 다양한 크기나 두께의 배향채널을 얻을 수 있고, 이를 기질 상면에 코팅하여 배향필름을 얻을 수 있으며, 더 나아가 벌크 상태의 탄소나노튜브 배향체를 얻을 수 있게 되는 것이다.

이하에서는 본 발명의 바람직한 실시예에 대해 설명하고자 한다.

상기 탄소나노튜브로써 다중벽(multi-walled) 탄소나노튜브를 사용하였으며, 고분자A로는 폴리스티렌(polystyrene), 고분자B로는 저밀도폴리에틸렌(low density polyethylene, LDPE)을 사용하였다. 그리고 비용매성 용매로써 디클로로에틸렌(dichloro ethylene, DCE)을 사용하고, 분산제로써는 KD-15를 사용하였다.

먼저, 디클로로에틸렌 100ml에 5g의 폴리스티렌을 완전히 용해시킨 후, 1g의 KD-15를 첨가하고 약 1시간 동안 교반하여 분산용액을 완성시켰다. 그리고, 상기 분산용액에 탄소나노튜브를 상기 폴리스티렌 100중량부에 대해 1중량부만큼 첨가하여 초음파를 이용하여 5시간 동안 분산시켰다. 그리고 용매인 상기 디클로로에틸렌을 감압증류로 제거하여 고상으로 상기 탄소나노튜브가 상기 폴리스티렌에 균일하 게 분산된 폴리스티렌 탄소나노튜브 복합체를 얻었다.

그 다음, 폴리스티렌 탄소나노튜브 복합체와 저밀도폴리에틸렌을 각각 15중량%와 85중량%의 비율로 섞어 약 200℃ 정도에서 용융블렌딩시켜 이성분 고분자 탄소나노튜브 복합체인 저밀도폴리에틸렌 폴리스티렌 탄소나노튜브 복합체를 얻었다.

그리고 상기 저밀도폴리에틸렌 폴리스티렌 탄소나노튜브 복합체에 상기 저밀도폴리에틸렌과 폴리스티렌의 점도비가 약 1이 되는 온도인 200℃에서 레오미터(Rheometer)를 전단비율(shear rate) 10s^-1에서 약 2시간 동안 연속적으로 전단응력을 가하였다. 2시간이 지난 후에 상기 저밀도폴리에틸렌 폴리스티렌 탄소나노튜브) 복합체를 액체질소로 급냉하여 레오미터로부터 회수하였다.

이에 의해 특정 방향으로 균일하고 안정적으로 배향된 탄소나노튜브 배향채널을 얻을 수 있게 되는 것이다.

이렇게 완성된 탄소나노튜브 배향채널의 모폴로지(morphology)를 확인하기 위해 전단응력에 대해 평행하게 절단된 샘플과 수직으로 절단된 샘플에 대한 SEM 분석을 하였다. SEM 분석을 위해 샘플들은 액체 질소에 충분히 냉각시킨 후, 닥터블레이드법(doctor's blade)을 이용하여 절단하였으며, SEM의 콘트라스트(contrast)를 향상시키기 위해서 절단된 샘플들에서 폴리스티렌 탄소나노튜브 영역을 톨루엔으로 추출하고 진공에서 건조하여 샘플들을 준비하였다.

이에 의한 SEM 분석 사진은 도 4 및 도 5에 도시하였다. 도 4로부터 폴리스티렌과 저밀도폴리에틸렌의 상분리 거동에 의한 결과를 확인할 수 있으며, 상기 두 물질은 비상용성이므로 폴리스티렌에만 상기 탄소나노튜브가 균일하게 분산되어 특정 방향으로 배향된 상태임을 확인할 수 있었다. 그리고 도 5는 전단응력에 대해 수직으로 절단시킨 샘플에 대한 사진으로 구형을 이루는 부분이 탄소나노튜브가 분산된 폴리스티렌이며, 연속상을 이루는 부분이 저밀도폴리에틸렌 부분임을 확인할 수 있었다.

상기 구성에 의한 본 발명은, 나노입자와 비상용성의 고분자들과의 복합체에 전단응력을 인가하여 상기 나노입자가 특정 고분자에만 분산된 상태에서 전단응력에 평행되는 방향으로 배향된 나노입자 배향채널을 제공하여, 전기전도도 특성 및 이방성이 향상되어 이러한 특성을 이용한 응용분야에 우수한 재료로 사용될 수 있는 효과가 있다.

또한 나노입자가 특정 고분자에만 분산된 상태를 유지하고 나머지 다른 고분자에 대해서는 분산되지 않은 상태를 유지하게 되므로 소정 방향으로 배향된 나노입자 배향채널은 그 배향상태가 안정적이고 지속적으로 유지될 수 있으므로 산업에 안정적으로 사용할 수 있는 효과가 있다.

또한 본 발명에 따르면, 단순히 분산 및 블렌딩 과정을 거치고 전단응력을 인가함으로써 특정 방향으로 안정적으로 배향된 나노입자 배향채널을 얻을 수 있으므로, 그 제조방법 및 관리가 편리하며, 두께나 크기에 관계없이 특정 방향으로 배향된 나노입자 배향채널을 얻을 수 있으므로 다양한 분야에 응용이 가능할 것으로 기대되고 있다.

또한 본 발명에 의한 나노입자로는 특정 방향으로 배향시 그 특성을 이용할 수 있는 물질이면 어떠한 것이든 사용할 수 있으며, 특히 탄소나노튜브에 대해 안정적인 배향채널의 제공이 가능하여 탄소나노튜브의 이방성을 효율적으로 활용할 수 있는 효과가 있다.

Claims

나노입자를 고분자A에 분산시켜 고분자 나노입자 복합체를 형성시키는 제1공정과;

상기 고분자 나노입자 복합체와 상기 고분자A에 대해 비상용성의 고분자B를 용융블렌딩시켜 냉각하여 이성분 고분자 나노입자 복합체를 형성시키는 제2공정과;

상기 이성분 고분자 나노입자 복합체에 전단응력을 인가하여 상기 고분자A에 분산된 나노입자가 전단응력에 평행되게 배향되도록 나노입자 배향채널을 형성시키는 제3공정;을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 비상용성 이성분계 고분자 나노입자 복합체에 전단응력을 인가한 나노입자 배향채널의 제조방법.
제 1항에 있어서, 상기 제1공정은,

비용매성 용매에 고분자A를 용해시키고, 분산제를 첨가시켜 교반하여 분산용액을 제조하는 단계와;

상기 분산용액에 상기 나노입자를 첨가시켜 초음파 분산시키는 단계;로 이루어지는 것을 특징으로 하는 비상용성 이성분계 고분자 나노입자 복합체에 전단응력을 인가한 나노입자 배향채널의 제조방법.
제 1항에 있어서, 상기 제3공정은,

상기 고분자A와 상기 고분자B의 점도비가 0.5~1.5로 되는 온도하에서 전단응 력이 인가되는 것을 특징으로 하는 비상용성 이성분계 고분자 나노입자 복합체에 전단응력을 인가한 나노입자 배향채널의 제조방법.
제 3항에 있어서, 상기 고분자A는 폴리스티렌으로 형성되고, 상기 고분자B는 저밀도폴리에틸렌으로 형성된 것을 특징으로 하는 비상용성 이성분계 고분자 나노입자 복합체에 전단응력을 인가한 나노입자 배향채널의 제조방법.
제 1항에 있어서, 상기 나노입자는,

탄소나노튜브, 구리, 나노카본블랙, 금, 은, 백금 및 이들의 혼합물 중 선택된 1종인 것을 특징으로 하는 비상용성 이성분계 고분자 나노입자 복합체에 전단응력을 인가한 나노입자 배향채널의 제조방법.
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