KR101049650B1 - 섬유 복합 재료 및 그의 제조방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 간략화된 제조방법을 통해 감소된 양의 원료로부터 제조될 수 있으며, 섬유 재료 고유의 우수한 기능성을 보유하고 높은 유연성 및 낮은 열팽창성을 갖는 고 투명성 섬유 복합 재료를 제공한다. 상기 섬유 복합 재료는 평균 섬유 직경이 4~200nm이고 50㎛-두께 가시광 투과율이 3% 이상인 섬유 집합체; 및 상기 섬유 집합체의 표면을 코팅하여 평활화하는 코팅층;을 포함한다. 상기 섬유 복합 재료는 60% 이상의 50㎛-두께 가시광 투과율을 갖는다. 상기 섬유 집합체의 표면은 코팅층으로 코팅되어 평활화되기 때문에 표면의 요철 형상에서 기인하는 광 산란이 억제된다. 따라서, 고 투명성 섬유 복합 재료를 얻을 수 있다.
섬유 복합 재료, 섬유 집합체, 코팅층, 평활화, 투명성
Description
본 발명은 섬유 복합 재료 및 그의 제조방법에 관한 것이다. 특히, 본 발명은 가시광 파장 미만의 섬유 직경을 갖는 섬유 집합체를 코팅층으로 코팅하여 제조된 고 투명성 섬유 복합 재료 및 그의 제조방법에 관한 것이다.
일반적으로 알려진 섬유 복합 재료는 유리 섬유에 수지를 함침하여 제조된 유리 섬유 강화 수지를 포함한다. 상기 유리 섬유 강화 수지는 일반적으로 불투명하다. 하지만, 특허문헌 1 및 2는 매트릭스 수지의 굴절율을 이에 함침된 유리 섬유의 굴절율과 일치시켜 투명한 유리 섬유 강화 수지를 획득하는 방법을 개시하고 있다.
본 출원인에 의한 특허문헌 3은 이른바 마이크로피브릴화된 섬유 재료에 매트릭스 재료를 함침하여 고 투명성 섬유 복합 재료를 얻을 수 있음을 개시하고 있다. 특허문헌 3에서는 마이크로피브릴화된 섬유 재료로서 펄프 등의 식물 섬유를 섬유화 및 마쇄하여 제조된 섬유, 또한 박테리아 및 박테리아에 의해 생성된 셀룰로오즈를 포함하는 생성물로부터 박테리아를 제거하여 제조되고 3차원 구조를 갖는 박테리아 셀룰로오즈가 사용될 수 있는 것을 제안하고 있다.
[특허문헌 1] 일본 특허 출원 공개 공보 평9-207234호.
[특허문헌 2] 일본 특허 출원 공개 공보 평7-156279호.
[특허문헌 3] 일본 특허 출원 공개 공보 제2005-60680호.
특허문헌 1 및 2에 개시된 종래의 유리 섬유 강화 수지는 일부 사용 조건 하에서 불투명하게 될 수 있다. 특히, 재료의 굴절율은 온도 의존성을 갖는다. 그러므로 특허문헌 1 및 2에 개시된 유리 섬유 강화 수지가 특정 온도 조건 하에서 투명할지라도, 상기 온도 조건과 상이한 조건 하에서는 반투명 또는 불투명하게 될 수 있다. 더욱이, 굴절율은 물질마다 다른 파장 의존성을 갖는다. 그러므로 섬유의 굴절율이 가시광 범위 내의 특정 파장에서 매트릭스 수지의 굴절율과 일치할지라도, 가시광 범위 내의 특정 범위에서 굴절율들은 서로 다를 수 있다. 이러한 범위에서는 투명성이 획득될 수 없다.
특허문헌 3에 개시된 섬유 복합 재료에서, 섬유 직경이 가시광의 파장보다 짧도록 하기 위해 섬유 직경이 나노 사이즈인 셀룰로오즈 섬유를 사용하고, 섬유들 사이의 공극은 셀룰로오즈의 굴절율과 가까운 굴절율을 갖는 매트릭스 재료로 함침시킨다. 이러한 방법에서, 섬유 및 공극 부분 매트릭스 재료 사이의 경계면에서 가시광 산란이 억제된다. 따라서, 온도 조건, 파장 등에 의해 영향을 받지 않으면서 높은 투명성을 갖는 섬유 복합 재료가 획득될 수 있다. 하지만, 높은 공극율(void ratio)을 갖는 섬유 재료에 매트릭스 재료를 함침할 경우, 과량의 매트릭스 재료가 사용되어야 한다. 더욱이, 함침 단계는 비교적 장시간이 걸리고 복잡한 단계가 될 수 있다. 또한, 일부 함침 조건 하에서는 감압 또는 가압과 같은 특수한 처리가 요 구될 수 있다. 마찬가지로, 섬유 재료는 높은 유연성 및 낮은 열팽창성을 갖고 기능성이 우수하기 때문에 다양한 적용 범위에 사용될 수 있다. 하지만, 매트릭스 재료를 함침한 섬유 복합 재료에서, 섬유 재료의 양에 대한 매트릭스 재료의 양의 비율이 크다. 이는 유연성을 감소시키며 열팽창성을 증대시키는 경향이 있고 섬유 재료의 본래 특성을 저하시키는 문제점이 있다.
상기 관점에서, 본 발명의 목적은 간략화된 방법을 통해 감소된 양의 원료를 제조될 수 있으며, 높은 유연성 및 낮은 열팽창성을 갖고 섬유 재료의 우수한 기능성을 보유하는 고 투명성 섬유 복합 재료를 제공하는 것이다. 본 발명의 다른 목적은 섬유 복합 재료의 제조방법을 제공하는 것이다.
본 발명은 상기 문제점을 해결하기 위해 완성되었으며, 하기 특성들에 의해 특징지어질 수 있다.
본 발명의 섬유 복합 재료는:
평균 섬유 직경이 4~200nm이고 50㎛-두께 가시광 투과율이 3% 이상인 섬유 집합체; 및
상기 섬유 집합체의 표면을 코팅하여 평활화하는 코팅층;
을 포함하고, 상기 섬유 복합 재료의 50㎛-두께 가시광 투과율이 60% 이상인 것을 특징으로 갖는다. 바람직하게, 상기 섬유 집합체의 공극율은 35% 이하이다.
바람직하게, 상기 언급된 섬유 복합 재료에서, 상기 섬유 집합체는 셀룰로오즈 섬유로 구성된다. 상기 셀룰로오즈 섬유는 바람직하게 식물 섬유로부터 분리된 섬유이다. 또한, 상기 셀룰로오즈 섬유는 식물 섬유로부터 분리된 섬유를 섬유화 처리하여 얻어지는 섬유가 될 수 있다. 특히, 섬유화 처리는 바람직하게 마쇄(磨碎) 처리를 포함한다. 더욱이, 바람직한 방식에서 셀룰로오즈 섬유는 화학 변형 및/또는 물리 변형된다.
바람직하게, 상기 언급된 섬유 복합 재료에서 코팅층은 유기 폴리머 재료, 무기 폴리머 재료 및 유기와 무기 폴리머의 하이브리드 폴리머 재료로 이루어진 군에서 선택된 적어도 1종 또는 2종 이상의 조합이다. 상기 코팅층은 바람직하게 10% 이하의 결정화도 및 110℃ 이상의 유리 전이 온도를 갖는 합성 폴리머 재료이다. 더욱이, 상기 코팅층은 무기 재료를 더 포함할 수 있다.
바람직하게, 상기 언급된 섬유 복합 재료에서 코팅층의 굴절율은 1.4~1.7이다. 더욱이, 상기 코팅층의 50㎛-두께 가시광 투과율은 바람직하게 60% 이상이다.
바람직하게, 상기 언급된 섬유 복합 재료의 선 열팽창 계수는 0.05x10-5 내지 5x10-5K-1이다.
바람직하게, 상기 언급된 섬유 복합 재료에서 섬유 집합체 표면의 전체면이 코팅층으로 코팅된다. 바람직하게, 상기 언급된 섬유 복합 재료에서 섬유 집합체의 표면은 코팅층으로 코팅되지 않은 비코팅 부분을 포함하고, 상기 비코팅 부분을 피복재(covering material)로 피복한다.
한 측면에서, 본 발명의 섬유 복합 재료의 제조방법은 상기 코팅층을 형성할 수 있는 코팅용 액상물을 상기 섬유 집합체의 표면에 도포하는 단계; 및 상기 코팅용 액상물을 경화하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다. 상기 코팅용 액상물은 바람직하게 유동성 코팅 재료, 유동성 코팅 재료용 원료, 코팅 재료를 유동화하여 제조된 유동화물, 코팅 재료용 원료를 유동화하여 제조된 유동화물, 코팅 재료 용액 및 코팅 재료용 원료 용액으로 이루어진 군에서 선택된 1종 또는 2종 이상의 조합이다.
다른 측면에서, 본 발명의 섬유 복합 재료의 제조방법은 상기 코팅층을 형성할 수 있는 코팅용 라미네이트 재료를 상기 섬유 집합체의 표면에 붙이는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따라 간략화된 방법을 통해 감소된 양의 원료를 사용하여 제조될 수 있으며, 높은 유연성 및 낮은 열팽창성을 갖고 섬유 재료의 우수한 기능성을 보유하는 고 투명성 섬유 복합 재료를 제공할 수 있다. 또한, 상기 섬유 복합 재료의 제조방법을 제공할 수 있다.
본 발명에서 나노 사이즈의 섬유 직경 및 소정의 값 이상의 광투과율을 갖는 섬유 집합체의 표면은 코팅층으로 코팅되어 평활화된다. 이러한 방법에서, 표면에서 가시광의 산란이 억제됨으로써 고 투명성 섬유 복합 재료가 얻어질 수 있다.
섬유 집합체의 내부는 수지 등으로 채워지지 않지만, 대신에 섬유 집합체의 표면이 수지 등의 코팅층으로 간단하게 코팅된다. 그러므로 사용되는 수지 등의 양이 감소될 수 있어 원료 비용이 감소될 수 있다. 더욱이, 코팅법으로 도포 방법, 라미네이트 방법 등이 사용될 수 있기 때문에 처리 방법이 간략화될 수 있다.
섬유 집합체 내부의 공극 부분을 추가 재료로 채우지 않고, 섬유 집합체의 표면에 코팅층을 간단히 제공함으로써 고 투명성 섬유 복합 재료가 획득될 수 있다. 그러므로 상기 섬유 집합체의 특성, 예를 들어 높은 유연성 및 낮은 열팽창성이 효과적으로 이용될 수 있다.
상기와 같이, 본 발명의 섬유 복합 재료는 우수한 투명성, 높은 유연성 및 낮은 열팽창성 등을 갖고, 섬유 집합체 및 코팅층의 조합을 통해 얻어진 우수한 기능성을 갖는다. 그러므로 상기 섬유 복합 재료는 전자 공학, 광학, 구조 재료 및 건축 재료 분야와 같은 다양한 적용을 위해 바람직하게 사용될 수 있다.
이하에서, 본 발명의 섬유 복합 재료 및 그의 제조방법의 구현예가 도면을 참고로 상세하게 설명될 것이다. 하지만, 본 발명이 하기 대표적인 구현예에 의해 한정되지는 않는다.
본 발명의 섬유 복합 재료는:
평균 섬유 직경이 4~200nm이고 50㎛-두께 가시광 투과율이 3% 이상인 섬유 집합체; 및
상기 섬유 집합체의 표면을 코팅하여 평활화하는 코팅층;
을 포함한다. 상기 섬유 집합체의 50㎛-두께 가시광 투과율이 60% 이상인 것을 특징으로 한다.
본 발명의 섬유 복합 재료에서 평균 섬유 직경이 4~200nm이고 50㎛-두께 가시광 투과율이 3% 이상인 섬유 집합체의 표면을 코팅층으로 코팅하여 평활화한다. 이러한 방법에서, 섬유 집합체의 표면에서의 요철 형상으로 인한 광 산란이 감소됨으로써 고 투명성, 즉 60% 이상의 50㎛-두께 가시광 투과율이 획득될 수 있다.
본 발명에서 섬유 복합 재료의 표면에 코팅층을 형성하여 고 투명성이 얻어질 수 있고, 따라서 코팅층을 위해 사용된 재료의 양은 섬유 재료를 함침시키기 위해 사용된 매트릭스 재료의 양보다 적을 수 있다. 더욱이, 함침 단계가 필요하지 않기 때문에, 방법이 간략화될 수 있다. 또한, 코팅층은 단지 상기 섬유 집합체의 표면을 코팅할 뿐이기 때문에 코팅층은 섬유 집합체의 특성들을 더 적게 악화시킨다. 그러므로 상기 섬유 집합체의 우수한 특성, 즉 높은 유연성 및 낮은 열팽창성이 충분히 이용될 수 있다.
본 발명에서 "50㎛-두께 가시광 투과율"은 400~700nm 파장에서의 광투과율의 50㎛-두께 환산값이다. 특히, 50㎛-두께 가시광 투과율은 본 발명의 섬유 복합 재료에 두께 방향으로 400~700nm의 파장을 갖는 빛을 조사; 광투과율(직선광 투과율=평행광 투과율)을 측정하여 전체 파장 범위에 걸친 광투과율 값을 평균; 및 평균 광투과율을 50㎛ 두께에서의 값으로 변환함으로써 얻어진다. 광원과 검출기를 이들 사이에 제공되는 테스트 기판(시료 기판)에 수직이 되도록 배치하고, 공기를 기준으로 직선 투과광(평행광)을 측정함으로써 광투과율이 획득될 수 있다. 보다 상세하게는, 상기 광투과율이 하기 실시예에 기재된 측정 방법을 이용하여 측정될 수 있다.
본 발명의 섬유 집합체로는 평균 섬유 직경이 4~200nm이고 50㎛-두께 가시광 투과율이 3% 이상인 섬유 집합체가 사용될 수 있다. 상기 요구 조건을 만족시키는 섬유 집합체는 코팅층을 제공함으로써 섬유 집합체의 표면을 평활화하여 가시 영역(파장: 약 400~700nm) 내에서 고 투명성을 얻을 수 있다.
본 발명의 섬유 집합체에서, 단일 섬유는 한 방향으로 배열되지 않고 무질서한 네트워크 구조를 형성할 수 있다. 이러한 경우, 평균 섬유 직경은 단일 섬유의 평균 직경이다. 더욱이, 본 발명의 섬유 집합체에서, 단일 얀(yarn)은 복수(다수)의 단일 섬유의 다발로 구성될 수 있다. 이러한 경우, 평균 섬유 직경은 단일 얀의 평균 직경으로 정의될 수 있다. 하기에 기재되는 박테리아 셀룰로오즈는 상기 얀으로 구성된다.
상기 섬유 집합체의 형상에는 특별한 제한이 없으며, 상기 섬유 집합체는 시트형, 판형, 블록형 및 소정의 형상(예를 들어, 렌즈형)과 같은 다양한 형상을 갖기 때문에 다양한 적용 분야에 이용될 수 있다.
본 발명의 섬유 집합체의 평균 섬유 직경은 바람직하게 4~200nm, 보다 바람직하게는 4~60nm이다. 이러한 평균 섬유 직경은 상기 섬유 집합체를 구성하는 단섬유 또는 얀-형(yarn-like) 섬유 직경의 평균값이고, 주사 전자 현미경(scanning electron microscope; SEM) 등을 이용한 사진 관찰로 측정될 수 있다. 본 발명에서, 상기 섬유 집합체의 평균 섬유 직경이 가시광의 파장에 가까운 200nm를 초과할 경우, 공극 부분과의 경계면에서 가시광의 굴절이 발생하기 쉽고, 이는 투명성의 저하를 초래할 수 있다. 그러므로 상기 평균 섬유 직경의 상한은 200nm로 설정된다. 4nm 미만의 평균 섬유 직경을 갖는 섬유 집합체는 제조되기 어렵다. 예를 들어, 섬유 집합체의 한 예로 아래에 기재된 박테리아 셀룰로오즈의 단일 섬유의 직경은 약 4nm이다. 그러므로 본 발명에서의 섬유 집합체의 평균 섬유 직경의 하한은 4nm로 설정된다.
본 발명의 섬유 집합체는 평균 섬유 직경이 4~200nm 범위 내에 있는 한, 4~200nm의 범위 밖의 직경을 갖는 섬유를 포함할 수 있다. 하지만, 이러한 경우에 상기 섬유의 비율은 바람직하게 30중량% 이하이다. 더욱이, 모든 섬유의 섬유 직경은 바람직하게 200nm 이하, 보다 바람직하게는 100nm 이하, 가장 바람직하게는 60nm 이하이다.
상기 섬유 집합체 내의 섬유의 길이는 특별히 제한되지 않지만, 평균 길이는 바람직하게 100nm 이상이다. 상기 섬유의 평균 길이가 100nm 미만이면, 강화 효과가 작고 섬유 복합 재료의 강도가 불충분할 수 있다. 상기 섬유는 100nm 미만의 길이를 갖는 섬유를 포함할 수 있지만, 이러한 섬유의 비율은 30중량% 이하인 것이 바람직하다.
본 발명의 섬유 집합체의 50㎛-두께 가시광 투과율은 3% 이상, 바람직하게 5% 이상, 보다 바람직하게 10% 이상이다. 상기 섬유 집합체의 50㎛-두께 가시광 투과율이 상기 범위 내에 있으면, 코팅층을 제공함으로써 섬유 집합체의 표면을 평활화하여 60% 이상의 50㎛-두께 가시광 투과율을 갖는 고 투명성 섬유 복합 재료를 얻을 수 있다. 이는 하기 이유에서 기인하는 것이다. 상기 섬유 집합체가 나노 사이즈 섬유 직경의 섬유로 구성될 경우, 상기 섬유 집합체의 내부가 투명할 지라도 표면의 요철 형상이 크다. 광투과율의 감소가 표면에서의 광 산란에 의해 초래되지만, 상기 섬유 집합체의 내부에서는 비교적 높은 광투과율이 유지된다.
상기와 같이, 투명한 내부를 갖는 섬유 집합체에서, 광투과율의 감소는 섬유 집합체의 표면에서의 광 산란에 의해 초래된다. 그러므로 코팅층을 제공해 표면을 평활화하여 산란을 억제함으로써, 고 투명성 섬유 복합 재료가 획득될 수 있다. 본 발명은 반복된 실험 및 관찰의 결과로서의 발견에 기초한다. 즉, 섬유 집합체의 내부가 상대적으로 투명하고 표면에서의 산란에 의해 광투과율의 감소가 유발될 경우, 상기 섬유 집합체는 50㎛-두께 가시광 투과율의 약 3%의 양으로 광이 통과하도록 한다. 하지만 섬유 집합체 내부의 투명성이 낮을 경우, 상기 섬유 집합체는 50㎛-두께 가시광 투과율의 3% 미만으로 광을 통과시킨다. 그에 반해 섬유 집합체의 내부가 불투명한 경우, 광의 산란 또는 반사가 내부 공극, 섬유 구조 등에 의해 초래된다. 그러므로 표면이 코팅층으로 평활화될지라도 섬유 집합체가 투명해질 수는 없다.
상기 섬유 집합체의 50㎛-두께 가시광 투과율이 하한값 미만이면, 섬유 집합체의 표면이 코팅층으로 평활화될지라도 고 투명성이 얻어질 수 없다. 이는 상기 섬유 집합체 내부의 공극, 섬유 구조 등에 기인한 입사광이 섬유 복합체 내부에서의 산란 또는 섬유 복합체와 코팅층 사이의 경계면에서 반사를 유발하기 때문이다. 상기 섬유 집합체의 50㎛-두께 가시광 투과율의 상한값은 특별히 제한되지 않지만, 상한값은 100% 이하, 바람직하게는 99% 이하이다. 상기 값을 초과하는 광투과율을 갖는 섬유 집합체의 제조방법은 복잡하고, 이로써 비용이 증가할 수 있다.
본 발명에서 섬유 집합체의 공극율(void ratio)은 바람직하게 35% 이하, 보다 바람직하게는 20% 이하, 특히 바람직하게는 15% 이하이다. 본 발명에서 공극율은 하기와 같이 측정될 수 있다. 먼저, 상기 섬유 집합체의 단위 부피당 질량을 20℃에서 측정하여 밀도를 구하고, 공극율은 다음 식을 이용하여 결정한다:
공극율(%) = (1-(섬유 집합체의 밀도/섬유의 밀도)) x 100.
상기 섬유 집합체의 공극율이 상기 범위 내에 있는 경우, 섬유와 공극 사이의 경계면에서 광 굴절이 억제되고, 이로 인해 섬유 집합체 내 공극에 의해 유발되는 광의 산란 손실이 감소될 수 있다. 더욱이, 상기 섬유 집합체는 가시광의 파장 미만인 나노 사이즈의 섬유 직경을 갖는다. 그러므로 공극의 크기와 갯수가 적을 경우, 가시광의 산란이 효과적으로 억제될 수 있다. 상기 섬유 집합체에서, 코팅층으로 표면을 평활화함으로써 고 투명성 섬유 복합 재료가 얻어질 수 있다.
섬유 집합체의 공극율이 상기 상한값을 초과할 경우, 섬유 집합체 내부 공극의 크기와 갯수가 크다. 이러한 경우, 섬유 집합체 내부 공극에 의해 유발된 광 산란의 영향이 증가하고, 이는 섬유 집합체 자체의 투명성 저하를 유발한다. 그러므로 섬유 집합체의 표면이 코팅층으로 평활화될지라도, 고 투명성 섬유 복합 재료가 얻어질 수 없다.
상기 섬유 집합체의 공극율의 하한값은 특별히 한정되지 않는다. 하지만 공극의 갯수가 매우 적고 섬유가 밀집된 경우, 섬유 직경을 나노 사이즈 범위 내로 조절하고 유지하기 어렵다. 그러므로 공극율의 하한값은 0% 이상, 바람직하게는 1% 이상이다.
본 발명의 섬유 복합 재료의 코팅층은 섬유 집합체의 표면을 코팅하고 평활화할 수 있는 한, 특별히 한정되지 않는다. 코팅층으로 상기 섬유 집합체의 표면 요철 형상을 평활화함으로써 표면에서의 광 산란 및 반사를 억제하고, 이로써 고 투명성 섬유 복합 재료가 얻어질 수 있다.
본 발명의 섬유 집합체는 나노 사이즈 범위 내의 평균 섬유 직경 및 소정의 값 이상의 광투과율을 갖는다. 이러한 섬유 집합체에서, 이의 내부 투명성이 비교적 높을 지라도 표면의 요철 형상이 커지는 경향이 있다. 그러므로 섬유 집합체의 표면이 코팅층으로 평활화됨으로써 요철 형상을 평탄하게 한다. 이러한 방법에서, 표면 거칠기가 감소하기 때문에 표면에서의 광 산란 및 반사가 억제될 수 있다. 상기와 같이, 상기 코팅층과의 조합으로 섬유 집합체의 사용은 섬유 집합체의 표면에서의 광 산란 및 반사를 억제함으로써 고 투명성 섬유 복합 재료가 얻어질 수 있다.
본 발명의 코팅층은 섬유 집합체 표면의 전체면 또는 일부에 형성될 수 있다. 예를 들어, 시트형 섬유 집합체가 사용될 경우, 시트의 양면에 코팅층을 형성함으로써 고 투명성 시트가 얻어질 수 있다. 블록형 구조와 같은 삼차원 구조를 갖는 섬유 집합체가 사용될 경우, 코팅층이 블록의 전체면 또는 블록의 마주보는 면 또는 한쪽 면에만 형성될 수 있다.
바람직하게, 섬유 집합체 표면의 전체면이 코팅층으로 코팅된다. 이러한 경우, 섬유 복합 재료를 습식 공정하거나 고습도 상태하에 사용하더라도 코팅층이 섬유 집합체를 보호하고, 물에 의해 섬유 집합체가 팽창되는 것을 방지할 수 있다. 예를 들어, 큰 크기의 시트형 섬유 집합체에 코팅층을 코팅하고 작은 단편으로 절단하여 사용할 경우, 작은 단편의 시트 표면 모서리에 섬유집합체가 노출된다. 그러므로 표면 모서리는 바람직하게 코팅층으로 코팅된다.
상기 섬유 집합체의 표면이 코팅층에 의해 부분적으로 코팅될 경우, 상기 섬유 집합체 표면이 코팅층으로 코팅되지 않은 부분을 피복재로 피복함으로써 섬유 집합체의 전체면이 보호될 수 있다. 예를 들어, 시트형 섬유 집합체의 마주보는 면들을 코팅층으로 코팅하고 피복재로 시트의 모서리를 피복함으로써, 시트의 평면상에 투명성이 부여될 수 있고, 시트는 전체적으로 내수성(water resistant)이 될 수 있다. 상기 섬유 집합체를 평활화하지 않는 재료를 피복재로 사용할 수 있고, 이러한 경우에는 제조 방법을 간략화할 수 있다.
본 발명의 섬유 복합 재료의 50㎛-두께 가시광 투과율이 60% 이상, 바람직하게는 65% 이상, 보다 바람직하게는 70% 이상이다. 섬유 복합 재료의 50㎛-두께 가시광 투과율이 상기 범위 내에 들어갈 경우, 가시광에 대한 고 투명성이 획득될 수 있다. 그러므로 상기 섬유 복합 재료는 자동차, 전차 및 선박 등와 같은 이동체의 창 재료, 디스플레이, 주택, 건축물 및 다양한 광학 성분 등과 같이 고 투명성이 요구되는 적용에 적합한 재료로 사용될 수 있다. 상기 섬유 복합 재료의 50㎛-두께 가시광 투과율이 상기 하한값의 미만이면, 섬유 복합 재료는 반투명 또는 불투명하고, 투명 재료로서 이의 적용 범위가 제한될 수 있다.
이하, 본 발명의 섬유 집합체를 상세히 설명하지만, 본 발명의 섬유 집합체는 하기 설명에 의해 한정되지 않는다.
바람직하게, 본 발명의 섬유 집합체는 셀룰로오즈 섬유로 구성된다. 상기 셀룰로오즈 섬유는 식물 세포벽의 기본 골격 등을 형성하는 셀룰로오즈의 마이크로피브릴 또는 셀룰로오즈를 구성하는 섬유이다. 상기 셀룰로오즈 섬유는 일반적으로 약 4nm의 직경을 갖는 단섬유(filament)의 집합체이다. 셀룰로오즈 섬유의 사용은 섬유 복합 재료의 열팽창을 억제할 수 있다. 더욱이, 하기 다른 종류의 셀룰로오즈 섬유를 사용함으로써, 나노 사이즈의 평균 섬유 직경 및 소정의 값 이상의 광투과율을 갖는 섬유 집합체가 형성될 수 있다.
바람직하게, 본 발명에 사용되는 셀룰로오즈 섬유는 나노피브릴화된 셀룰로오즈(또는 나노섬유 셀룰로오즈, 용어 "나노피브릴화된 셀룰로오즈"는 나노섬유 셀룰로오즈를 포함하기 위해 하기 설명에 사용됨)이다. 상기 셀룰로오즈 섬유의 평균 섬유 직경이 나노 사이즈 범위에 있는 한, 나노피브릴화된 셀룰로오즈는 특별히 한정되지 않는다. 상기 나노피브릴화된 셀룰로오즈의 예는: 목재, 코튼(cotton)과 같은 천연 식물 또는 해초 또는 멍게의 피낭으로부터 분리된 셀룰로오즈 섬유를 섬유화하여 얻은 나노피브릴화된 섬유; 및 박테리아로부터 생성된 박테리아 셀룰로오즈를 포함한다. 상기 나노피브릴화된 셀룰로오즈에서는 평균 섬유 직경이 짧고 소정의 광투과율을 갖는 섬유 집합체가 획득될 수 있다.
본 발명의 섬유 집합체를 형성하는 셀룰로오즈 섬유의 예는: 목재, 코튼과 같은 식물 섬유로부터 분리된 섬유 및 해초와 같은 식물성 섬유로부터 분리된 섬유, 멍게의 피낭과 같은 동물성 섬유로부터 분리된 섬유, 및 박테리아 셀룰로오즈를 포함하고, 상기 식물 섬유로부터 분리된 섬유가 바람직하다. 상기 식물 섬유의 바람직한 예는 펄프, 코튼 및 목재를 분말화하고 그로부터 리그닌(lignin) 등을 제거하여 얻은 목재 분말을 포함한다. 상기 셀룰로오즈 섬유의 1종이 단독으로 사용되거나 또는 2종 이상의 조합이 사용될 수 있다.
바람직하게, 본 발명에 사용된 셀룰로오즈 섬유는 식물 섬유로부터 분리된 섬유를 섬유화 처리하여 생성된다. 상기 섬유화 처리의 바람직한 예는 마쇄 처리를 포함한다. 식물 섬유로부터 얻은 사전에 분리된 섬유는 비교적 큰 섬유 직경을 갖는다. 하지만, 상기 섬유는 마쇄 처리에 의해 마이크로피브릴화될 수 있고, 그로인해 섬유 직경은 나노 사이즈 범위로 감소될 수 있다. 마쇄 처리 전 다른 처리를 사용하여 섬유를 마이크로피브릴화하고, 비교적 섬유 직경이 작은 생성 섬유를 마쇄 처리함으로써 섬유 직경이 더 감소될 수 있다. 상기 미세한 섬유를 사용하여 섬유 집합체를 형성함으로써 평균 섬유 직경이 나노 사이즈 범위에 있고 광투과율은 소정의 값 이상일 수 있다. 상기 섬유의 제조방법은 특별하게 제한되지 않는다. 예를 들어, 제조 방법은 섬유를 물에 현탁하고 상기 현탁액을 여과하는 방법이 사용될 수 있다.
이하, 셀룰로오즈 섬유의 섬유화 방법의 대표적인 방법이 상세히 기재될 것이다. 하기 대표적인 처리 방법은 셀룰로오즈 섬유 원료 뿐만 아니라 펄프, 코튼, 목재 분말, 해초, 멍게 피낭 등으로부터 유래한 다양한 섬유에도 적용될 수 있다. 하기 다수의 방법들 중 하나가 사용되거나 또는 상기 방법들의 임의의 조합이 사용될 수 있다.
본 발명의 셀룰로오즈 섬유의 섬유화 방법의 예는 마쇄 처리를 포함한다. 예를 들어, 그라인더(grinder)를 이용하여 섬유를 마쇄할 수 있다.
상기 그라인더의 한 예는 쿠리타 기계 제조사(Kurita Machinery Mfg. Co., Ltd)에 의해 제조된 그라인더 "퓨어 파인 밀(pure fine mill)"이다. 이러한 그라인더는 수직 방향으로 배치된 2개의 그라인더들의 사이 공간을 원료가 통과하는 경우에 발생하는 충격, 원심력 및 전단력에 의해 원료를 초미립자(ultrafine)로 분쇄하는 맷돌 타입 분쇄기이다. 이러한 그라인더에 의해 전단, 마쇄, 미립화, 분산, 유화 및 섬유화가 동시에 수행될 수 있다.
상기 그라인더의 다른 예는 마스코 산교사(Masuko Sangyo Co.,Ltd)에 의해 제조된 "슈퍼매스콜로이더(Supermasscolloider)"이다. 슈퍼매스콜로이더는 종래의 분쇄 처리에 의해 얻을 수 없는 용융형(melt-like) 초미립자를 제조할 수 있는 마쇄기이다. 슈퍼매스콜로이더는 두 개의 비-다공성(non-porous) 분쇄돌이 그 사이에 제공된 자유롭게 조정가능한 공간에 수직으로 배치된 맷돌 타입 초미립자 마쇄기이다. 상부 분쇄돌은 고정되고 하부 분쇄돌은 고속 회전한다. 호퍼(hopper)로 들어가는 원료는 원심력에 의해 상부와 하부 분쇄돌 사이의 공간으로 이송되고, 상기 분쇄돌 사이에 발생하는 강한 압축, 전단 및 회전 마찰력에 의해 서서히 분쇄되어 초미립자를 형성한다.
상기와 같이 마쇄되어 미세화된 섬유를 약 0.01~1중량%로 함유하는 수용성 현탁액을 제조 및 여과하여 섬유 집합체를 형성할 수 있다.
상기 마쇄 처리에서 바람직한 미세 섬유는 식물 섬유로부터 유래된 섬유로부터 획득될 수 있다. 특히, 코튼이 사용될 경우, 추가 처리없는 탈지된 흡수성 코튼이 마쇄 처리되어 섬유의 크기가 감소될 수 있다. 목재 분말이 사용될 경우, 리그닌은 소듐 클로라이트(sodium chlorite) 등을 사용하여 목재 분말로부터 표백되고 제거되며, 헤미셀룰로오즈는 수산화칼륨(potassium hydroxide)과 같은 알칼리를 사용하여 제거된다. 이어서, 처리된 목재 분말을 마쇄 처리하여 미세 섬유를 획득할 수 있다.
본 발명의 셀룰로오즈 섬유의 섬유화 방법의 다른 예는 상기 마쇄 처리, 두드리기(beating)-분말화 처리 및 다른 처리와의 조합이 사용된다. 이러한 방법에서, 셀룰로오즈 섬유를 마쇄 처리하기 전, 섬유를 서로 분리시키고 힘을 직접 가하여 두드리기 및 분말화 처리를 실시하여 섬유를 마이크로피브릴화한다.
특히, 이러한 방법은 바람직하게 펄프에 적용될 수 있다. 예를 들어, 펄프를 고압 호모게나이저(homogenizer)로 처리하여 약 0.1~10㎛의 평균 섬유 직경을 갖는 마이크로피브릴화된 셀룰로오즈 섬유를 얻을 수 있고, 상기 마이크로피브릴화된 셀룰로오즈 섬유를 약 0.1~3중량%로 포함하는 수용성 현탁액이 제조된다. 이어서, 크기를 더 줄이기 위해 상기 그라인더 등을 이용하여 마쇄 처리를 실시한다. 이러한 방법에서, 약 10~100nm의 평균 섬유 직경을 갖는 나노피브릴화된 셀룰로오즈 섬유를 얻을 수 있다. 상기에서 얻어진 섬유를 약 0.01~1중량%로 포함하는 수용성 현탁액을 제조하고 여과함으로써 섬유 집합체를 형성할 수 있다.
본 발명의 셀룰로오즈 섬유의 섬유화 방법의 다른 예에서, 고온 고압 수증기 처리가 사용된다. 이러한 처리 방법에서는 셀룰로오즈 섬유를 고온 고압 수증기에 노출하여 섬유를 서로 분리시킴으로써 미세한 셀룰로오즈 섬유를 얻는다.
이러한 방법에서는 식물 섬유로부터 분리된 셀룰로오즈 섬유 등의 표면을 인산화하여 셀룰로오즈 섬유들 사이의 결합 세기를 약화시킨다. 그 후에, 정제기(refiner) 처리를 실시하여 섬유들을 서로 분리시킴으로써 셀룰로오즈 섬유를 얻는다. 예를 들어, 리그닌 등이 제거된 식물 섬유로부터 분리된 섬유, 해초 또는 멍게 피낭을 요소 50중량% 및 인산 32중량%를 함유하는 용액에 침지하고, 상기 셀룰로오즈 섬유를 60℃에서 용액에 충분히 함침한다. 이어서, 온도를 180℃까지 상승시켜 인산화를 촉진한다. 물로 세척한 후, 생성물을 3중량% 염산 수용액에서 60℃에서 2 시간 가수분해하고 물로 다시 세척한다. 그 후에, 생성물을 실온에서 20분 동안 3중량%의 탄산나트륨 수용액에서 처리하여 인산화를 종료시킨다. 처리된 생성물을 정제기로 섬유화하여 미세 셀룰로오즈 섬유를 얻는다. 상기에서 얻어진 셀룰로오즈 섬유의 수용액을 여과함으로써 섬유 집합체를 형성할 수 있다.
상기 식물 섬유로부터 분리된 섬유뿐만 아니라, 박테리아 셀룰로오즈가 본 발명의 섬유 집합체를 구성하는 셀룰로오즈 섬유로 사용될 수 있다. 박테리아 셀룰로오즈는 나노피브릴화된 셀룰로오즈와 유사한 평균 섬유 직경을 갖기 때문에 작은 평균 섬유 직경 및 소정의 광투과율을 갖는 섬유 집합체가 그로부터 형성될 수 있다.
지구상에서 셀룰로오즈를 생성할 수 있는 유기체는 식물계 내의 유기체뿐만 아니라, 멍게와 같은 동물계 내의 일부 유기체, 조류, 난균류(oomycete) 및 점균류(myxomycete)와 같은 원생 생물계(Protista) 내의 일부 유기체, 시나오박테리아(cyanobacteria), 아세트산 박테리아 및 토양 박테리아(soil bacteria)와 같은 모네라계(Monera) 내의 일부 유기체를 포함한다. 현재, 균류(진균류) 내의 유기체에서는 셀룰로오즈를 생성하는 능력이 발견되지 않았다. 상기 아세트산 박테리아의 예는 아세토박터(Acetobacter)를 포함한다. 보다 상세한 예는 아세토박터 아세티(Acetobacter aceti), 아세토박터 아종(Acetobacter subsp.) 및 아세토박터 자일리늄(Acetobacter xylinum)을 포함하지만, 이에 한정되지는 않는다.
상기 박테리아를 배양함으로써 박테리아로부터 셀룰로오즈가 생성된다. 얻어진 생성물은 박테리아 및 박테리아에 의해 생성되고 박테리아와 연결된 셀룰로오즈 섬유(박테리아 셀룰로오즈)를 포함한다. 따라서, 상기 생성물을 배지로부터 취한 후, 물로 세척하거나 또는 알칼리 처리하여 박테리아를 제거하면 박테리아를 함유하지 않는 함수 박테리아 셀룰로오즈를 얻을 수 있다. 상기 함수 박테리아 셀룰로오즈로부터 수분을 제거하면 박테리아 셀룰로오즈를 얻을 수 있다.
상기 배지의 예는 한천(agar)형 고체 배지 및 액체 배지(배양액)를 포함한다. 상기 배양액의 예는 코코넛 밀크(총 질소량: 0.7중량%, 지질량: 28중량%) 7중량% 및 수크로오즈 8중량%를 포함하고 아세트산으로 조절된 pH 3.0의 배양액; 및 글루코오즈 2중량%, 박토-이스트 추출물 0.5중량%, 박토 펩톤 0.5중량%, 인산 수소 이나트륨 0.27중량%, 시트르산 0.115중량% 및 황산 마그네슘 칠수화물 0.1중량%를 포함하고 염산으로 조절된 pH 5.0의 수용액(SH 배지)를 포함한다.
예를 들어, 하기 방법이 배양 방법으로 사용될 수 있다. 코코넛 밀크 배양액에서 아세토박터 자일리늄 FF-88과 같은 아세트산 박테리아를 식균한다. 예를 들어, FF-88을 사용할 경우, 30℃에서 5일 동안 정치 배양(static culture)한 후에 1차 배양액을 얻는다. 얻어진 1차 배양액으로부터 겔 성분을 취한 후, 상기 액체 성분을 앞에서 사용된 것과 동일한 종류의 배양액에 5중량%의 비율로 첨가하고, 30℃에서 10일 동안 정치 배양한 후에 2차 배양액을 얻는다. 상기 2차 배양액에는 약 1중량%의 셀룰로오즈 섬유가 포함된다.
또 다른 배양 방법으로, 수용액(SH 배양액)이 배양액으로 사용된다. 상기 수용액은 글루코오즈 2중량%, 박토-이스트 추출물 0.5중량%, 박토 펩톤 0.5중량%, 인산 수소 이나트륨 0.27중량%, 시트르산 0.115중량% 및 황산 마그네슘 칠수화물 0.1중량%를 포함하고 염산으로 조절된 pH 5.0를 갖는다. 이러한 경우, 상기 SH 배양액은 동결건조 상태에서 저장된 아세트산 박테리아의 균주(strain)에 첨가되고, 이어서 1주일 동안 정치 배양된다(25~30℃). 박테리아 셀룰로오즈가 배양액의 표면에 생성된다. 상대적으로 두꺼운 두께로 생성된 박테리아 셀룰로오즈의 부분이 선택되고, 선택된 부분 내 균주를 위해 소량의 배양액을 취하고 새로운 배양액을 첨가한다. 이어서, 이러한 배양액을 대형 배양기(incubator)에 넣고, 25~30℃에서 7~30일 동안 정치 배양한다. 상기와 같이, "기존의 배양액의 일부를 새로운 배양액에 첨가한 후, 약 7~30일 동안 정치 배양함"의 과정을 반복함으로써 박테리아 셀룰로오즈를 얻을 수 있다.
박테리아에 의해 생성되는 셀룰로오즈의 양이 불충분하거나 또는 다른 문제점이 발생하는 경우, 이하 과정을 실시한다. 특히, 박테리아가 배양된 소량의 배양액을 한천을 배양액에 첨가하여 제조된 한천 배지에 분무하고, 상기 배지를 약 1주일 동안 방치하여 콜로니를 생성시킨다. 각각의 콜로니를 관찰하고, 비교적 과량의 셀룰로오즈를 제조하는 콜로니를 한천 배지로부터 취하여, 새로운 배양액에 첨가한 후, 배양한다.
상기와 같이 생성된 박테리아 셀룰로오즈를 배양액으로부터 취하고, 상기 박테리아 셀룰로오즈에 잔존하는 박테리아를 제거한다. 물 세척, 알칼리 처리 등을 제거 방법으로 사용할 수 있다. 박테리아를 용해 제거하기 위한 알칼리 처리 방법으로, 예를 들어 배양액으로부터 취한 박테리아 셀룰로오즈를 0.01~10중량%의 알칼리 농도를 갖는 알칼리 수용액에 1시간 이상 동안 침지하는 방법을 사용할 수 있다. 알칼리 처리를 실시할 경우, 알칼리 처리액으로부터 상기 박테리아 셀룰로오즈를 취하고 물로 충분히 세척하여 알칼리 처리액을 제거한다.
그 후, 상기에서 얻어진 함수 박테리아 셀룰로오즈(일반적으로 함수율이 95~99중량%인 박테리아 셀룰로오즈)를 탈수 처리한다. 탈수 처리를 위한 방법은 특별히 제한되지 않는다. 예를 들어, 함수 박테리아 셀룰로오즈를 방치하거나 또는 콜드 프레싱(cold pressing) 등을 실시하여 물을 어느 정도까지 제거하고, 다시 방치하거나 또는 핫 프레싱(hot pressing) 등을 실시하여 남아있는 물을 완전히 제거하는 방법을 사용할 수 있다. 또한, 콜드 프레싱한 후, 건조기를 이용하거나 또는 자연 건조에 의해 수분을 제거하는 방법을 사용할 수 있다.
상기 방법에 의해 얻어진 박테리아 셀룰로오즈는 배양 조건에 기초하여 평균 섬유 직경, 광투과율, 공극율 등을 조절하고 나서 배양 후 수분 제거 공정 동안 가압, 가열 및 다른 조건 등을 실시함으로써 본 발명의 섬유 집합체로 사용될 수 있다. 또한, 박테리아에 의해 생성된 박테리아 셀룰로오즈 구조체를 추가로 섬유화하고 다시 구조체를 형성하여 밀집한 박테리아 셀룰로오즈를 얻을 수 있고, 이로써 소정의 광투과율을 갖는 섬유 집합체를 얻을 수 있다. 상기 박테리아 셀룰로오즈로 구성된 섬유 집합체에서 코팅층을 이용하여 이의 표면을 평활화함으로써 고 투명성 섬유 복합 재료를 얻을 수 있다.
본 발명의 섬유 집합체를 구성하는 셀룰로오즈 섬유로 상기 셀룰로오즈 섬유를 화학 변형 및/또는 물리 변형하여 얻어진 셀룰로오즈 섬유를 사용할 수 있다. 상기 셀룰로오즈 섬유에서, 상기 섬유 집합체의 기능성을 향상시킬 수 있다. 화학 변형의 예는 아세틸화, 시아노에틸화, 아세탈화, 에테르화 및 이소시안화와 같은 작용기의 첨가; 및 화학 반응, 졸-겔 반응 등을 통한 규산염(silicate) 또는 티탄산염(titanate)과 같은 무기 재료와의 혼합 또는 코팅을 포함한다. 예를 들어, 화학 변형의 방법으로, 섬유 집합체를 무수 아세트산에 침지하고 이어서 가열하는 방법을 사용할 수 있다. 바람직하게, 아세틸화를 사용한다. 상기와 같은 경우, 광투과율의 저하없이 흡수성(water-absorbing properties)이 감소될 수 있고 내열성(heat resistance)은 향상될 수 있다. 물리 변형의 예는 진공 증착, 이온 도금 및 스퍼터링과 같은 물리 기상 증착법(PVD법), 화학 기상 증착법(CVD법), 무전해 도금 또는 전해 도금 등과 같은 도금 방법을 사용하여 금속 또는 세라믹 원료로 표면을 코팅하는 것을 포함한다.
이하, 본 발명의 코팅층을 설명하지만, 본 발명의 코팅층이 하기 설명에 의해 한정되지는 않는다.
바람직하게, 본 발명의 코팅층으로 유기 폴리머 재료, 무기 폴리머 재료 및 유기와 무기 폴리머의 하이브리드 폴리머 재료의 1종 또는 2종 이상의 조합이 사용된다. 2종 이상의 조합이 사용될 경우, 상기 재료의 혼합물은 단일 층을 형성하기 위해 사용되거나 또는 다른 재료로 구성된 다수의 층이 쌓일 수 있다. 상기 재료들이 사용될 경우, 섬유 집합체의 표면에 도포 또는 라미네이트와 같이 비교적 간단한 방법을 사용하여 코팅층을 균일하게 형성할 수 있다. 이러한 경우, 얻어진 코팅층의 표면 거칠기가 작기 때문에 표면에서의 반사를 억제할 수 있다. 그러므로 고 투명성을 획득할 수 있다. 더욱이, 코팅층의 굴절율을 섬유 집합체의 굴절율에 맞춤으로써 기판으로 제공되는 섬유 집합체와 코팅층 사이의 경계면에서 굴절을 억제할 수 있다. 이러한 방법에서, 고 투명성 섬유 복합 재료를 얻을 수 있다.
본 발명에서 코팅층에 사용되는 유기 폴리머 재료의 예는 천연 폴리머 재료 및 합성 폴리머 재료를 포함한다. 천연 폴리머 재료의 예는 셀로판 및 트리아세틸 셀룰로오즈와 같은 재생된 셀룰로오즈 폴리머 재료를 포함한다. 합성 폴리머 재료의 예는 비닐 수지, 중축합 수지, 중첨가 수지, 첨가 축합 수지 및 개환 중합(ring-opening polymerization) 수지를 포함한다.
본 발명에서 코팅층에 사용되는 무기 폴리머 재료의 예는 유리, 규산염 재료 및 티탄산염 재료와 같은 세라믹을 포함하고 상기 재료들은, 예를 들어 알코올레이트(alcoholate)의 탈수 축합 반응에 의해 형성될 수 있다.
본 발명에서 코팅층에 사용되는 유기와 무기 폴리머들의 하이브리드 폴리머 재료의 예는 상기 유기와 무기 폴리머 재료의 혼합물 및 상기 유기 폴리머 재료로 구성된 층과 상기 무기 폴리머 재료로 구성된 층의 라미네이트를 포함한다.
이하, 상기 코팅층을 형성하는 유기 폴리머 재료로 사용되는 합성 폴리머 재료의 구체적인 예들이 기재된다.
상기 비닐 수지의 예는 폴리올레핀, 염화 비닐수지, 비닐 아세테이트 수지, 플루오르수지 및 (메트)아크릴 수지와 같은 범용 수지; 및 비닐 중합을 통해 형성되는 엔지니어링 플라스틱 및 슈퍼 엔지니어링 플라스틱을 포함한다. 이러한 수지는 단일 타입의 모노머(monomer)로부터 형성된 호모폴리머(homopolymer) 또는 코폴리머(copolymer)일 수 있다.
상기 폴리올레핀의 예는 에틸렌, 프로필렌, 스티렌, 부타디엔, 부텐, 이소프렌, 클로로프렌, 이소부틸렌, 이소프렌 등의 호모폴리머 또는 이들의 코폴리머; 및 노보넨(norbornene) 구조를 갖는 고리 폴리올레핀을 포함한다.
상기 염화 비닐, 염화 비닐리덴 등의 호모폴리머 또는 이들의 코폴리머를 포함한다.
상기 비닐 아세테이트 수지의 예는 비닐 아세테이트의 호모폴리머인 폴리비닐 아세테이트, 폴리비닐 아세테이트의 가수분해 산물인 폴리비닐 알코올, 포름알데히드 또는 n-부틸 알데히드와 비닐 아세테이트의 반응 산물인 폴리비닐 아세탈, 및 부틸 알데히드와 폴리비닐 알코올의 반응 산물인 폴리비닐 부티랄 등을 포함한다.
상기 플루오르수지의 예는 테트라 클로로에틸렌, 헥사플루오로프로필렌, 클로로트리플루오로에틸렌, 플루오르화 비닐리덴, 플루오르화 비닐, 퍼플루오로알킬 비닐 에테르 등의 호모폴리머 또는 이들의 코폴리머를 포함한다.
상기 (메트)아크릴 수지의 예는 (메트)아크릴산, (메트)아크릴로니트릴, (메트)아크릴레이트, (메트)아크릴아미드 등의 호모폴리머 또는 이들의 코폴리머를 포함한다. 본 명세서에서, 용어 "(메트)아크릴"은 "아크릴 및/또는 메타크릴"을 의미한다. (메트)아크릴산의 예는 아크릴산 및 메타크릴산을 포함한다. 상기 (메트)아크릴레이트는 알킬(메트)아크릴레이트, 시클로알킬기를 갖는 (메트)아크릴산-계 모노머 및 알콕시알킬 (메트)아크릴레이트를 포함한다. 상기 알킬 (메트)아크릴레이트의 예는 메틸 (메트)아크릴레이트, 에틸 (메트)아크릴레이트, 부틸 (메트)아크릴레이트, 2-에틸헥실 (메트)아크릴레이트, 시클로헥실 (메트)아크릴레이트, 벤질 (메트)아크릴레이트, 라우릴 (메트)아크릴레이트, 스테아릴 (메트)아크릴레이트 및 하이드록시에틸 (메트)아크릴레이트를 포함한다. 상기 시클로알킬기를 갖는 (메트)아크릴산-계 모노머의 예는 시클로헥실 (메트)아크릴레이트 및 이소보닐 (메트)아크릴레이트를 포함한다. 상기 알콕시알킬 (메트)아크릴레이트의 예는 2-메톡시에틸 (메트)아크릴레이트, 2-에톡시에틸 (메트)아크릴레이트 및 2-부톡시에틸 (메트)아크릴레이트를 포함한다. 상기 (메트)아크릴아미드의 예는 (메트)아크릴아미드 및 N-메틸 (메트)아크릴아미드, N-에틸 (메트)아크릴아미드, N,N-디메틸 (메트)아크릴아미드, N,N-디에틸 (메트)아크릴아미드, N-이소프로필 (메트)아크릴아미드 및 N-t-옥틸 (메트)아크릴아미드와 같은 N-치환 (메트)아크릴아미드를 포함한다.
상기 중축합 수지의 예는 아미드 수지 및 폴리카보네이트를 포함한다.
상기 아미드 수지의 예는 6,6-나일론, 6-나일론, 11-나일론, 12-나일론, 4,6-나일론, 6,10-나일론 및 6,12-나일론과 같은 지방족 아미드 수지; 및 페닐렌 디아민과 같은 방향족 디아민, 염화 테레프탈로일 및 염화 이소프탈로일과 같은 방향족 디카르복실산, 및 이들의 유도체로부터 생성된 방향족 폴리아미드 수지를 포함한다.
상기 폴리카보네이트는 비스페놀 A 및 이의 유도체와 같은 비스페놀과 포스겐 또는 페닐 디카보네이트의 반응 산물이다.
상기 중첨가 수지의 예는 에스테르 수지, U 폴리머, 액정(liquid crystal) 폴리머, 폴리에테르 케톤, 폴리에테르에테르케톤, 불포화 폴리에스테르, 알키드(alkyd) 수지, 폴리이미드 수지, 폴리술폰, 폴리페닐렌 설파이드 및 폴리에테르 설폰을 포함한다.
상기 에스테르 수지의 예는 방향족 폴리에스테르, 지방족 폴리에스테르 및 불포화 폴리에스테르를 포함한다. 상기 방향족 폴리에스테르의 예는 에틸렌 글리콜, 프로필렌 글리콜 및 1,4-부탄디올과 같은 하기 디올과 테레프탈산과 같은 방향족 디카르복실산의 코폴리머를 포함한다. 상기 지방족 폴리에스테르의 예는 숙신산 및 발레르산과 같은 지방족 디카르복실산와 하기 디올의 코폴리머; 글리콜산 및 유산과 같은 하이드록시카복실산의 호모폴리머 또는 이들의 코폴리머; 및 상기 디올, 상기 지방족 디카르복실산 및 상기 하이드록시카복실산의 코폴리머를 포함한다. 상기 불포화 폴리에스테르의 예는 하기 디올, 무수 말레산과 같은 불포화 디카르복실산, 만약 필요한 경우에는 스티렌과 같은 비닐 모노머의 코폴리머를 포함한다.
상기 U 폴리머의 예는 비스페놀 A 및 이의 유도체와 같은 비스페놀, 테레프탈산, 이소프탈산 등의 코폴리머를 포함한다.
상기 액정 폴리머의 예는 테레프탈산, p,p'-디옥시디페놀, p-하이드록시-6-나프토산, 폴리테레프탈 에틸렌 등과 p-하이드록시벤조산의 코폴리머를 포함한다.
상기 폴리에테르 케톤의 예는 4,4'-디플루오로벤조페논, 4,4'-디하이드로벤조페논 등의 호모폴리머 및 이들의 코폴리머를 포함한다.
상기 폴리에테르에테르케톤의 예는 4,4'-디플루오로벤조페논 및 하이드로퀴논 등의 코폴리머를 포함한다.
상기 알키드 수지의 예는 스테아르산 및 팔미트산과 같은 고급 지방산, 무수 프탈산과 같은 이염기산, 글리세린과 같은 폴리올 등으로 구성된 코폴리머를 포함한다.
상기 폴리설폰의 예는 4,4'-디클로로디페닐 설폰, 비스페놀 A 등의 코폴리머를 포함한다.
상기 폴리페닐렌 설파이드의 예는 p-디클로로벤젠, 황화 나트륨 등의 코폴리머를 포함한다.
상기 폴리에테르 설폰의 예는 4-클로로-4'-하이드록시디페닐 설폰의 폴리머를 포함한다.
상기 폴리이미드 수지의 예는 무수 피로멜리트산, 4,4'-디아미노디페닐 에테르 등의 코폴리머인 피로멜리트산-타입의 폴리이미드; 무수 염화 트리멜리트산, p-페닐렌디아민과 같은 방향족 디아민, 후술할 디이소시아네이트 화합물 등의 코폴리머인 트리멜리트산-타입 폴리이미드; 비페닐 테트라카복실산, 4,4'-디아미노디페닐 에테르, p-페닐렌디아민 등으로 구성된 비페닐-타입 폴리이미드; 벤조페논 테트라카복실산, 4,4'-디아미노디페닐 에테르 등으로 구성된 벤조페논-타입 폴리이미드; 및 비스말레이미드, 4,4'-디아미노디페닐메탄 등으로 구성된 비스말레이미드-타입 폴리이미드를 포함한다.
상기 중첨가 수지의 예는 우레탄 수지를 포함한다.
상기 우레탄 수지는 디이소시아네이트 및 디올의 코폴리머이다. 상기 디이소시아네이트의 예는 디시클로헥실메탄 디이소시아네이트, 1,6-헥사메틸렌 디이소시아네이트, 이소포론 디이소시아네이트, 1,3-시클로헥실렌 디이소시아네이트, 1,4-시클로헥실렌 디이소시아네이트, 2,4-톨리렌 디이소시아네이트, 2,6-톨리렌 디이소시아네이트, 4,4'-디페닐메탄 디이소시아네이트, 2,4'-디페닐메탄 디이소시아네이트 및 2,2'-디페닐메탄 디이소시아네이트를 포함한다. 상기 디올의 예는 에틸렌 글리콜, 프로필렌 글리콜, 1,3-프로판디올, 1,3-부탄디올, 1,4-부탄디올, 1,5-펜탄디올, 3-메틸-1,5-펜탄디올, 1,6-헥산디올, 네오펜틸 글리콜, 디에틸렌 글리콜, 트리메틸렌 글리콜, 트리에틸렌 글리콜, 테트라에틸렌 글리콜, 디프로필렌 글리콜, 트리프로필렌 글리콜 및 시클로헥산디메탄올과 같이 비교적 저 분자량을 갖는 디올; 폴리에스테르 디올; 폴리에테르 디올; 및 폴리카보네이트 디올을 포함한다.
상기 첨가 축합 수지의 예는 페놀 수지, 요소(urea) 수지 및 멜라민 수지를 포함한다.
상기 페놀 수지의 예는 페놀, 크레졸, 레조시놀, 페닐페놀, 비스페놀 A, 비스페놀 F 등의 호모폴리머 또는 이들의 코폴리머를 포함한다.
상기 요소 수지 및 멜라민 수지는 포름알데히드, 요소, 멜라민 등의 코폴리머이다.
상기 개환 중합 수지의 예는 폴리알킬렌 옥사이드, 폴리아세탈 및 에폭시 수지를 포함한다. 상기 폴리알킬렌 옥사이드의 예는 에틸렌 옥사이드, 프로필렌 옥사이드 등의 호모폴리머 또는 이들의 코폴리머를 포함한다. 상기 폴리아세탈의 예는 트리옥산, 포름알데히드, 에틸렌 옥사이드 등의 코폴리머를 포함한다. 상기 에폭시 수지의 예는 에틸렌 글리콜과 같은 폴리알코올과 에피클로로하이드린으로 구성된 지방족 에폭시 수지; 및 비스페놀 A와 에피클로로하이드린으로 구성된 지방족 에폭시 수지를 포함한다.
본 발명의 코팅층에는 결정화도가 10% 이하, 바람직하게는 5% 이하이고 유리 전이 온도(Tg)가 110℃ 이상, 바람직하게는 120℃ 이상, 특히 바람직하게는 130℃ 이상인 합성 폴리머 재료가 바람직하게 사용된다. 우수한 투명성 및 내구성을 가진 섬유 복합 재료를 얻기 위해서 높은 Tg를 갖는 비정질(amorphous) 합성 폴리머 재료를 사용하는 것이 바람직하다. 110℃ 미만의 Tg를 갖는 합성 폴리머 재료는, 예를 들어 끓는 물과 접촉하는 경우, 코팅층이 변형될 수 있고 투명 부품, 광학 부품 등으로 적용 시 내구성에 문제가 발생한다. 상기 Tg는 DSC 방법을 사용하여 측정될 수 있고, 결정화도는 비정질 부분 및 결정질 부분의 밀도로부터 결정화도가 계산되는 밀도 방법에 의해 측정된다.
본 발명에서 상기 임의의 재료를 포함하는 코팅층은 무기 재료를 더 포함할 수 있다. 코팅층은 상기 임의의 재료를 포함하는 코팅층 및 무기 재료를 포함하는 무기 재료층을 적층하여 형성되거나 또는 상기 임의의 재료에 무기 재료를 첨가함으로써 형성될 수 있다. 상기 코팅층이 무기 재료를 포함할 경우, 상기 코팅층의 기능성이 향상될 수 있다. 더욱이, 섬유 집합체와 코팅층 사이에 무기 재료층을 형성할 경우, 코팅층을 형성하는 재료가 섬유 집합체의 내부로 침입하는 것을 방지한다. 상기 무기 재료의 예는 산화 실리콘, 질화 실리콘, 탄화 실리콘, 질산화 실리콘, 탄산화 실리콘, 알루미나, 산화 티타늄, 탄화 티타늄, 질산화 티타늄과 같은 금속 산화물, 금속 질화물 및 금속 탄화물; 및 이들의 혼합물을 포함한다. 상기 무기 재료층은 화학 기상 증착법 또는 물리 기상 증착법을 사용하여 형성될 수 있다. 상기 무기 재료층이 형성될 경우, 섬유 복합 재료의 유연성 저하를 막기 위해 두께는 5㎛ 이하, 바람직하게는 1㎛ 이하로 조절되는 것이 바람직하다.
본 발명에서 코팅층의 굴절율은 바람직하게 1.4~1.7, 보다 바람직하게는 1.5~1.6이다. 일반적인 섬유인 셀룰로오즈의 굴절율이 약 1.5이기 때문에 코팅층의 굴절율을 1.5에 가까운 값으로 조절하여 섬유 집합체와 코팅층 사이의 굴절율 차이를 줄임으로써, 섬유 집합체와 코팅층 사이의 경계면에서 광 산란 손실을 감소시킬 수 있다. 이러한 방법에서, 고 투명성 섬유 복합 재료를 획득할 수 있다. 상기 코팅층의 굴절율이 상한값을 초과하거나 또는 하한값보다 미만일 경우, 섬유 집합체와 코팅층 사이의 경계면에서 광 산란이 일어나기 때문에 섬유 복합 재료의 투명성이 감소할 수 있다.
본 발명에서 코팅층의 50㎛-두께 가시광 투과율은 바람직하게 60% 이상, 보다 바람직하게는 80% 이상, 가장 바람직하게는 85% 이상이다. 이러한 방법에서, 코팅층을 포함하는 전체 섬유 복합 재료의 투명성이 더 향상될 수 있다. 상기 코팅층을 위한 다양한 재료 중, 아크릴 수지, 메타크릴 수지, 에폭시 수지, 우레탄 수지,페놀 수지, 멜라민 수지, 노볼락 수지, 요소 수지, 구아나민 수지, 알키드 수지, 불포화 폴리에스테르 수지, 비닐 에스테르 수지, 디알리 프탈레이트 수지, 실리콘 수지, 푸란 수지, 케톤 수지, 자일렌 수지, 열경화성 폴리이미드, 스티릴피리딘계 수지 및 트리아진계 수지와 같은 열경화성 수지가 바람직하게 사용되어 고 투명성 코팅층을 형성한다. 이들 중에서, 특히 높은 투명성으로 인해 아크릴 수지 및 메타크릴 수지가 바람직하다.
본 발명에서 코팅층의 표면 거칠기 Ra(중심선 표면 거칠기)는 코팅층이 형성되기 전 섬유 집합체의 표면 거칠기 Ra보다 작아야 한다. 상기 섬유 집합체의 표면 거칠기 Ra가 적어도 약 2nm 이상이기 때문에 코팅층의 표면 거칠기 Ra는 바람직하게 1nm 이하이다. 표면 거칠기 Ra가 상기 범위 내에 들어갈 경우, 코팅층의 표면이 충분히 평탄하고 광의 산란이 억제됨으로써 고 투명성 섬유 복합 재료가 획득될 수 있다.
본 발명에서 코팅층의 두께는 바람직하게 0.5㎛ 이상, 보다 바람직하게 1㎛이상이다. 코팅층의 두께가 상기한 두께 이상일 경우, 섬유 집합체에서의 요철 형상이 제거되고 섬유 복합 재료의 표면이 평활화되기 때문에 표면에서의 광 반사가 억제된다. 이러한 방법에서 고 투명성 섬유 복합 재료가 형성될 수 있다.
이하, 본 발명의 섬유 복합 재료의 제조방법을 상세히 설명하지만, 섬유 복합 재료의 제조 방법이 하기 설명에만 한정되는 것은 아니다.
본 발명에서 섬유 복합 재료의 제조방법은 상기 코팅층을 형성할 수 있는 코팅용 액상물을 상기 섬유 집합체의 표면에 도포하는 단계; 및 상기 코팅용 액상물을 경화하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 도포 방법의 예는 코팅용 액상물을 기본 재료 위에 적하하여 도포하고 원심력 등에 의해 분산시키는 도포 방법; 브러쉬 또는 블레이드(blade)를 이용하여 코팅용 액상물을 기본 재료 위에 분산시키는 도포 방법; 코팅용 액상물을 기본 재료 위에 분무(spraying) 등에 의해 분산시키는 도포 방법; 및 코팅용 액상물에 기본 재료를 담그고 액상물에 함침되지 않은 기본 재료는 제거하는 도포 방법;을 포함한다. 상기 도포 공정을 현실화할 수 있는 방법의 예는 스핀 코팅법, 블레이드 코팅법, 와이어 바(wire bar) 코팅법, 분무 코팅법 및 슬릿(silt) 코팅법을 포함한다. 보다 상세하게, 스핀 코팅법은 상기 섬유 집합체를 회전시키고 유동성 코팅 재료를 그 위에 적하한다. 상기 스핀 코팅법은 원심력에 의해 코팅 재료를 섬유 집합체의 표면에 균일하고 얇게 도포하기 때문에 바람직하다.
본 발명에서 코팅용 액상물로는 유동성 코팅 재료, 유동성 코팅 재료용 원료, 코팅 재료를 유동화하여 제조된 유동화물, 코팅 재료용 원료를 유동화하여 제조된 유동화물, 코팅 재료 용액 및 코팅 재료용 원료 용액으로 이루어진 군에서 선택된 1종 또는 2종 이상의 조합이 사용될 수 있다.
상기 유동성 코팅 재료는 유동성을 갖는 코팅 재료 또는 이와 유사한 재료이다. 상기 유동성 코팅 재료용 원료의 예는 프리폴리머(prepolymer) 및 올리고머(oligomer)와 같은 유동성 중합 중간체를 포함한다.
상기 코팅 재료를 유동화하여 제조된 유동화물의 예는 열가소성 코팅 재료를 가열 및 용융함으로써 얻은 재료를 포함한다.
상기 코팅 재료용 원료를 유동화하여 제조된 유동화물의 예는 프리폴리머 및 올리고머와 같은 고체 중합 중간체를 가열 및 용융함으로써 얻은 재료를 포함한다.
상기 코팅 재료 용액 및 코팅 재료용 원료 용액의 예는 코팅 재료 또는 코팅 재료용 원료를 용매 등에 용해시켜 제조한 용액을 포함한다. 적절한 용매는 용해될 코팅 재료 및 코팅 재료용 원료에 따라 선택된다. 상기 용매가 다음 단계에서 증발에 의해 제거될 경우, 코팅 재료 또는 코팅 재료용 원료가 분해되지 않는 온도 이하의 끓는점을 갖는 용매를 사용하는 것이 바람직하다.
바람직하게, 도포 단계에서 처리 온도의 하한은 선택된 타입의 코팅용 액상물의 유동성이 유지될 수 있는 온도로 설정된다. 바람직하게, 처리 온도의 상한은 가열동안 변형이 일어나지 않도록 코팅용 액상물의 끊는점 이하의 온도로 설정된다. 특히, 용매가 코팅용 액상물에 사용될 경우, 처리 온도의 상한은 용매의 기화를 억제시키기 위해서 용매의 끓는점 이하인 것이 바람직하다.
상기 섬유 집합체에 도포된 코팅용 액상물은 코팅용 액상물의 종류에 적합한 방법을 사용하여 경화된다. 예를 들어, 상기 코팅용 액상물이 유동성 코팅 재료일 경우, 유동성 코팅 재료는 가교 반응, 사슬 연장 반응 등을 통해 경화된다. 상기 코팅용 액상물이 유동성 코팅 재료용 원료일 경우, 유동성 원료는 중합 반응, 가교 반응, 사슬 연장 반응 등을 통해 경화된다.
상기 코팅용 액상물이 코팅 재료를 유동화하여 제조된 유동화물일 경우, 상기 유동성 재료는 냉각 등에 의해 경화될 수 있다. 상기 코팅용 액상물이 코팅 재료용 원료를 유동화하여 제조된 유동화물일 경우, 중합 반응, 가교 반응, 사슬 연장 반응 등과 냉각 등의 조합이 사용될 수 있다.
상기 코팅용 액상물이 코팅 재료 용액일 경우, 상기 용액 내의 용매는, 예를 들어 증발, 자연 건조 등에 의해 제거된다. 상기 코팅용 액상물이 코팅 재료용 원료 용액일 경우, 중합 반응, 가교 반응, 사슬 연장 반응 등과 용액 내의 용매 제거 등의 조합이 사용될 수 있다. 상기 증발 제거는 정상 기압(normal pressure) 하의 증발 제거 뿐만 아니라, 감압 하의 증발 제거를 포함한다.
본 발명의 섬유 복합 재료의 다른 제조 방법은 상기 코팅층을 형성할 수 있는 코팅용 라미네이트 재료를 상기 섬유 집합체의 표면에 붙이는 것을 특징으로 한다. 예를 들어, 재생 셀룰로오즈계 폴리머 재료인 셀로판 시트의 한 면에 접착제 또는 부착제를 도포한다. 시트의 접착면 또는 부착면을 섬유 집합체의 표면에 누르고, 가압, 광-경화(photo-curing), 열-경화 또는 핫멜트함으로써 섬유 집합체의 표면에 셀로판 시트를 붙일 수 있다. 코팅용 라미네이트 재료의 예는 상기 셀로판뿐만 아니라, PET(폴리에틸렌 테레프탈레이트), PEN(폴리에틸렌 나프탈레이트), PES(폴리에테르 설폰), PC(폴리카보네이트), 폴리올레핀, PMMA(폴리메틸 메타크릴레이트), 나일론 및 PI(폴리이미드)를 포함한다.
본 발명에서 섬유 복합 재료의 선 열팽창 계수는 바람직하게 0.05x10-5 내지 5x10-5K-1, 보다 바람직하게는 0.2x10-5 내지 2x10-5K-1, 가장 바람직하게는 0.3x10-5 내지 2x10-5K-1이다. 상기 섬유 복합 재료의 선 열팽창 계수는 0.05x10-5K-1보다 작을 수 있다. 그러나 셀룰로오즈 섬유 등의 선 열팽창 계수를 고려해서 실현이 어려울 수 있다. 상기 선 열팽창 계수가 5x10-5K-1보다 클 경우, 섬유 강화 효과를 얻지 못할 수 있다. 그러므로 섬유 복합 재료와 유리 또는 금속 재료간의 선 열팽창 계수의 차이로 인해 특정 주위 온도에서 창 재료의 휨 또는 뒤틀림, 및 광학 부품의 화상-형성능과 굴절율 변화와 같은 문제를 초래할 수 있다. 본 발명에서 사용되는 선 열팽창 계수는 섬유 강화 복합 재료를 20℃ 내지 150℃로 가열시 측정된 선 열팽창 계수이고 ASTM D 696에 명시된 조건 하에서 측정된 값이다.
본 발명의 섬유 복합 재료는 섬유 집합체의 표면에 형성된 코팅층을 포함하고, 상기 섬유 집합체의 내부가 수지 등으로 함침되는 것을 방지한다. 그러므로 상기 섬유 집합체의 특성, 예를 들어 굽힘 강도 및 굽힘 탄성이 손상되지 않고 높은 강도 및 높은 유연성을 갖는 재료를 얻을 수 있다.
본 발명에 따라 평균 섬유 직경이 4~200nm이고 50㎛-두께 가시광 투과율이 3% 이상인 섬유 집합체의 표면을 코팅층으로 코팅하여 평활화함으로써 50㎛-두께 가시광 투과율이 60% 이상인 고 투명성 섬유 복합 재료를 얻을 수 있다. 특히, 섬유 집합체 내부는 투명성이 비교적 높지만, 이의 표면은 요철 형상을 갖는다. 그러므로 표면에서의 요철 형상에 의해 광이 반사되고, 전체의 광투과율이 저하되는 경향이 있다. 하지만, 코팅층을 이용하여 표면을 평활화하면 고 투명성 섬유 복합 재료가 얻어질 수 있다.
본 발명에서는 섬유 집합체의 공극 부분에 추가적인 재료, 예를 들어 수지를 함침시킬 필요없이 섬유 집합체의 표면을 코팅층으로 간단하게 코팅한다. 그러므로 사용되는 원료의 양이 감소되고 처리 방법이 간략화될 수 있다.
본 발명의 섬유 복합 재료는 섬유 집합체의 표면에 코팅층을 간단히 형성함으로써 섬유 집합체 내의 공극 부분에 추가적인 재료를 함침시키지 않고도 충분한 투명성을 얻을 수 있다. 그러므로 섬유 집합체의 특성, 예를 들어 높은 유연성 및 낮은 열팽창성이 효과적으로 이용될 수 있다. 더욱이, 주위 온도가 바뀔 경우에도 뒤틀림, 변형 및 모양의 정확도 감소와 같은 문제점이 더 적게 일어난다. 따라서, 상기 섬유 복합 재료는 향상된 광학 기능성을 갖고 광학 재료로서 유용하다. 또한, 휨, 뒤틀림, 변형 등이 억제되기 때문에 섬유 복합 재료는 구조 재료로도 유용하다.
본 발명의 섬유 복합 재료에서, 유리 섬유보다 가벼운 셀룰로오즈 섬유가 사용되고, 셀룰로오즈 섬유의 비중은 유리 섬유 강화 수지의 비중보다 적다. 그러므로 유리 섬유 강화 수지의 적용 분야에 본 발명의 섬유 복합 재료가 상기 섬유의 대안으로 사용되면 중량을 감소시킬 수 있다. 더욱이, 본 발명의 섬유 복합 재료는 섬유 집합체 내의 공극 부분에 추가적인 재료를 충전시킴으로써 형성된 섬유 복합 재료보다 더 적은 비중을 갖는다. 그러므로 중량이 더 감소될 수 있다.
본 발명에서 섬유 집합체로 생분해성(biodegradable) 셀룰로오즈 섬유가 사용될 경우, 상기 섬유 복합 재료는 폐기시 코팅층의 처리 방법에 따라서 처리될 수 있으므로 폐기 처리 및 재활용 목적을 위해 유용하다. 상기 코팅층은 섬유 집합체의 표면으로부터 간단히 제거될 수 있기 때문에 제거가 용이하다.
본 발명의 섬유 복합 재료는 높은 투명성, 낮은 열팽창성 및 높은 유연성을 갖기 때문에 배선 회로 형성용 투명 기판으로 바람직하게 사용될 수 있다.
도 1은 제조예 1의 펄프 시트, 제조예 2의 코튼 시트 및 제조예 3의 고공극율 펄프 시트의 50㎛-두께 환산에 있어서의 광투과율을 나타내는 그래프이다.
도 2는 제조예 1의 펄프 시트의 SEM 사진, (a) 광범위 영역, (b) 확대 영역의 한 쌍이다.
도 3은 제조예 2의 코튼 시트의 SEM 사진, (a) 광범위 영역, (b) 확대 영역의 한 쌍이다.
도 4는 실시예 1의 셀로판 테잎 시트로 라미네이트된 펄프 시트, 제조예 1의 펄프 시트 및 셀로판 테잎 시트 단독의 50㎛-두께 환산에 있어서의 광투과율을 나타내는 그래프이다.
도 5는 실시예 2의 아크릴 수지 A를 스핀-코팅한 코튼 시트, 비교예 1의 아크릴 수지 A를 함침한 코튼 시트 및 아크릴 수지 A 단독의 50㎛-두께 환산에 있어서의 광투과율을 나타내는 그래프이다.
도 6은 실시예 3의 아크릴 수지 B를 스핀-코팅한 코튼 시트, 비교예 2의 아크릴 수지 B를 함침한 코튼 시트 및 아크릴 수지 B 단독의 50㎛-두께 환산에 있어서의 광투과율을 나타내는 그래프이다.
도 7은 실시예 4의 SiN 층을 형성하고, 상기 SiN 층을 아크릴 수지 A로 스핀-코팅하여 제조한 코튼 시트의 50㎛-두께 환산에 있어서의 광투과율을 나타내는 그래프이다.
도 8은 제조예 1의 펄프 시트의 절반을 아크릴 수지 A로 코팅하여 제조한 시트의 디지털 사진이다.
이하, 제조예, 실시예 및 비교예를 들어 본 발명을 보다 상세히 설명하지만, 본 발명의 요점이 변하지 않는 한, 본 발명이 하기 실시예에 제한되지는 않는다. 상기 섬유 복합 재료의 다양한 특성을 측정하는 방법을 아래에 기재한다.
[50㎛-두께 가시광 투과율]
<측정 장치>
"UV-4100 스펙트로포토미터(spectrophotometer)"(고체 시료 측정 시스템, Hitachi High-Technologies Corporation 제품)을 이용하였다.
<측정 조건>
- 6mmx6mm의 광원 마스크를 이용하였다.
- 테스트 시료를 적분구(integrating sphere)의 개구로부터 22cm 떨어진 위치에 위치시켜 광도 측정(photometry)을 실시하였다. 시료를 상기 위치에 위치시킴으로써 확산 투과광이 제거되고 선투과광이 단독으로 적분구 내부의 광 검출부에 도달한다.
- 기준 시료 없음. 기준 시료(시료와 공기 사이의 굴절율 차이에 의해 유발되는 반사. 프레스넬(Fresnel) 반사가 발생하는 경우, 선 투과율이 100%가 될 수 없다.)가 이용되지 않기 때문에 프레스넬 반사에 의한 투과율의 손실이 발생한다.
- 주사 속도: 300nm/min.
- 광원: 텅스텐 램프, 중수소 램프.
- 광원 스위칭: 340nm.
<계산 방법>
50㎛-두께 가시광 투과율은 파장 400~700nm에서 50㎛-두께 환산에 있어서 광투과율의 평균값으로부터 구하였다.
[주사 전자 현미경 사진(SEM 사진)의 획득]
<시료 제조 및 측정 조건>
각 시료에 금을 증착하고(증착 두께: 수 나노미터(nm)), 하기 조건 하에서 전자 현미경을 이용하여 각 시료를 관찰하였다.
측정 장치: JEOL 6700F(JEOL Ltd. 제품).
가속 전압: 1.5kV.
확대: 10,000배.
작업 거리: 8mm.
콘트라스트 조절: 자동.
[평균 섬유 직경]
각각의 셀룰로오즈 섬유의 평균 섬유 직경은 각 시료의 SEM 사진으로부터 측정하였다.
[공극율]
20℃에서 시료의 단위 부피당 질량을 측정하여 밀도를 결정하고, 하기 식을 이용하여 공극율을 계산하였다. 실시예에서는 셀룰로오즈를 섬유로 사용하였고, 섬유의 밀도는 1.5g/cm3이었다.
공극율(%) = (1-(시료의 밀도/섬유의 밀도)) x 100.
[선 열팽창 계수의 측정]
선 열팽창 계수는 "TMA/SS6100"(Seiko Instrument Inc. 제품)을 이용하여 ASTM D696에 명시된 방법에 따라 하기 측정 조건 하에서 측정하였다.
<측정 조건>
온도 상승 속도: 5℃/min.
대기: N2.
가열 온도: 20~150℃.
하중(load): 3g.
측정 횟수: 3.
시료의 길이: 4x15mm.
시료의 두께: 시료간의 차이.
모드: 인장(tensile) 모드.
[표면 거칠기 Ra(중심선 표면 거칠기)]
<측정 장치 및 조건>
각 시료를 하기 조건 하에서 원자간력 현미경(AFM)을 이용하여 측정하였다.
측정 장치: SPA-400(SII nanotechnology Inc. 제품).
측정 영역: 5㎛x5㎛.
[제조예 1] 펄프 시트의 제조
펄프로부터 유래된 마이크로피브릴화 셀룰로오즈[고압 호모게나이저를 이용한 침엽수 표백 크래프트 펄프(Nadelholz bleached kraft pulp: NBKP)의 마이크로피브릴화에 의해 얻어지고, 1㎛의 평균 섬유 직경을 갖는 셀룰로오즈: MFC]를 원료로 사용하고 물에 충분히 교반하여 1중량% 수용성 현탁액 7kg을 제조하였다. 서로 거의 접촉하는 디스크를 1,200rpm에서 회전시키면서 제조된 수용성 현탁액을 그라인더("퓨어 파인 밀 KMG1-10", Kurita Machinery Mfg. Co., Ltd 제품)의 디스크 사이를 중앙으로부터 외부로 통과하도록 하고, 이러한 작업을 10회 반복하였다.
그라인더 처리에 의해 얻은 펄프 나노 섬유(평균 섬유 직경: 60nm)를 물에 첨가하여 0.2중량%의 수용성 현탁액을 제조하였다. 그 후, 상기 수용성 현탁액을 유리 필터로 여과하여 시트를 형성하였다. 형성된 시트를 55℃에서 건조시켜 두께 40㎛, 밀도 1.3g/cm3 및 공극률 13%의 펄프 시트를 획득하였다.
[제조예 2] 코튼 시트의 제조
코튼(흡수성 코튼)을 원료로 사용하는 것을 제외하고, 상기 제조예 1과 동일한 방법을 반복하여 두께 40~45㎛, 밀도 1.4g/cm3 및 공극율 7%의 코튼 시트를 획득하였다.
[제조예 3] 고-공극율 펄프 시트의 제조
상기 제조예 1과 동일한 방법에 의해 펄프 시트를 제조하였고, 상기에서 제조된 함수 펄프 시트를 t-부틸 알코올에 함침시켜 과량의 물을 대체하였다. 그 후, 펄프 시트를 냉동 건조기(FDU-2100, DRC-1000, EYELA 제품)에서 냉동 건조하여 완전히 탈수시켰다. 건조된 펄프 시트를 가압하여 두께 50㎛, 밀도 0.9g/cm3 및 공극율 40%의 고-공극율 펄프 시트를 얻었다.
[실시예 1]
제조예 1에서 얻은 펄프 시트의 양면에 셀로판 테잎 시트(굴절율: 1.5)를 붙여서 라미네이트를 형성하였다.
[실시예 2]
제조예 2에서 얻은 코튼 시트의 양면에 아크릴 수지 A(에톡실화 비스페놀 A 디아크릴레이트, 굴절율: 1.54)를 스핀-코팅하고 수지를 경화시켰다. 스핀 코팅은 1000rpm에서 10초, 2000rpm에서 3초, 5000rpm에서 45초의 조건하에서 수행하였다. 스핀 코터(1H-D7, MIKASA CO.,LTD. 제품)를 사용하였다. 벨트 컨베이어-타입 UV 조사 장치(퓨전 F300, LCB 벤츠탑 컨베이어, 퓨젼 시스템 코포레이션 제품)를 이용하여 20J/cm2의 자외선을 수지에 조사하여 경화시켰다.
[실시예 3]
아크릴 수지 B(트리사이클로데칸 디메타크릴레이트(TCDDMA), 굴절율: 1.53)가 아크릴 수지로 사용되는 것을 제외하고, 상기 실시예 2와 동일한 방법을 반복하였다. 구체적으로, 코튼 시트의 양면에 아크릴 수지 B를 스핀 코팅하고 수지를 경화시켰다.
[실시예 4]
제조예 2에서 얻은 코튼 시트의 양면에 300nm의 두께를 갖는 각각의 SiN 층(굴절율: 1.92)을 플라즈마 CVD 장치를 이용하여 증착시켰다. 그 후, 상기 코튼 시트의 양면을 실시예 2와 동일한 방법을 이용하여 SiN층 위에 아크릴 수지 A를 스핀-코팅하고 수지를 경화시켰다.
[실시예 5]
상기 제조예 1에서 얻은 펄프 시트를 시트로 사용하는 것을 제외하고, 상기 실시예 2와 동일한 방법을 반복하였다. 구체적으로, 시트의 양면에 아크릴 수지 A를 스핀 코팅하고 수지를 경화시켰다.
[비교예 1]
제조예 2에서 얻은 코튼 시트를 아크릴 수지 A에 감압하(0.08MPa)에서 12시 간 동안 함침시켜 시트를 수지로 함침시켰다. 그 후, 상기 시트를 취하고 실시예 2에서 사용된 것과 동일한 벨트 컨베이어-타입 UV 조사 장치를 이용하여 20J/cm2의 자외선을 조사하여 수지를 경화시켰다.
[비교예 2]
아크릴 수지 B를 아크릴 수지로 사용하는 것을 제외하고, 비교예 1과 동일한 방법을 반복하였다. 구체적으로, 코튼 시트를 아크릴 수지 B에 함침하고 수지를 경화시켰다.
[비교예 3]
실시예 2와 동일한 방법을 사용하여 제조예 3에서 얻은 펄프 시트의 양면에 아크릴 수지 A를 스핀-코팅하고 수지를 경화시켰다.
[비교예 4]
제조예 3에서 얻은 펄프 시트의 양면에 셀로판 테잎 시트를 붙여서 라미네이트를 형성하였다.
[비교예 5]
제조예 1에서 얻은 펄프 시트를 시트로 사용하는 것을 제외하고, 비교예 1과 동일한 방법을 반복하였다. 구체적으로, 상기 시트를 아크릴 수지 A에 함침하고 수지를 경화시켰다.
이하, 상기 제조예, 실시예 및 비교예의 시료를 다른 관점에서 평가하였다.
도 1은 광투과율의 그래프이고, 제조예 1의 펄프 시트(실선), 제조예 2의 코튼 시트(파선) 및 제조예 3의 고-공극율 펄프 시트(점선)의 파장에 대한 50㎛-두께 환산에 있어서의 광투과율을 측정한 결과를 나타내었다. 도 1에서 알 수 있는 바와 같이, 제조예 1의 펄프 시트 및 제조예 2의 코튼 시트의 광투과율이 거의 동일하고 가시 영역에서 약 10~30%이었다. 제조예 3의 고-공극율 펄프 시트에서, 광투과율은 약 0%이고 대부분의 광이 시트를 통과하지 못하였다.
제조예 1~3에서 얻은 시트의 두께, 밀도, 공극율 및 50㎛-두께 가시광 투과율을 표 1에 나타내었다. 50㎛-두께 가시광 투과율은 400 내지 700nm의 파장에서 50㎛-두께 환산에 있어서의 광투과율을 평균내어 결정하였다(이하 동일).
| 시료 | 두께(㎛) | 밀도(g/cm3) | 공극율(%) | 50㎛-두께 가시광 투과율(%) |
|
| 제조예 1 | 펄프 시트 | 40 | 1.3 | 13 | 21.1 |
| 제조예 2 | 코튼 시트 | 40~45 | 1.4 | 7 | 20.6 |
| 제조예 3 | 고 공극율 펄프 시트 | 50 | 0.9 | 40 | 0 |
표 1에서 볼 수 있듯이, 제조예 1의 펄프 시트 및 제조예 2의 코튼 시트에서는 공극율이 각각 13%, 7%로 낮았다. 하지만, 제조예 3의 고-공극율 펄프 시트에서는 공극율이 40%로 높았다. 광투과율의 결과를 고려할 때, 공극율이 감소할수록 광투과율은 증가하는 경향이 있음을 알 수 있었다. 따라서, 공극율이 낮을 경우, 시트 내부로 들어가는 빛이 공극 부분에서 산란을 적게 일으키면서 통과하기 때문에 비교적 높은 광투과율이 얻어진다.
제조예 1의 펄프 시트 및 제조예 2의 코튼 시트의 SEM 사진을 도 2 및 3에 각각 나타내었다. 각 도면의 광범위 사진 (a)로부터 알 수 있는 바와 같이, 섬유들은 각 시트의 표면에 치밀하게 형성되었고, 공극의 크기 및 갯수가 적다. 각 도면의 확대 영역 사진 (b)로부터 알 수 있는 바와 같이, 평균 섬유 직경이 짧고 약 4 내지 약 200nm의 범위 내에 있다.
이하, 실시예 및 비교예의 각 시료에서 50㎛-두께 환산 광투과율은 다른 파장에서 측정되었다. 얻어진 그래프는 도 4~7에 나타내었다. 더욱이, 평활화 전후의 두께, 코팅층의 두께(한쪽면) 및 50㎛-두께 가시광 투과율을 표 2에 정리하였다. 코팅층의 두께(한쪽면)는 평활화 전후 두께의 차이를 2로 나눠 구하였다(이하 동일).
| 시료 | 시트 두께(㎛) 평활화 전/후 |
코팅층 두께 (한쪽면)(㎛) |
50㎛-두께 가시광투과율(%) | |
| 실시예 1 | 펄프시트+셀로판 테잎 시트 (양면 라미네이트) |
40/140 | 50 | 75.4 |
| 실시예 2 | 코튼시트+아크릴 수지A (양면 스핀 코팅) |
40/80 | 20 | 78.6 |
| 실시예 3 | 코튼시트+아크릴 수지B (양면 스핀 코팅) |
45/70 | 12.5 | 71.9 |
| 실시예 4 | 코튼시트+SiN층+아크릴 수지A (양면 스핀 코팅) |
50/100 | 25 | 72.8 |
| 비교예 1 | 코튼시트+아크릴 수지A(함침) | - | - | 77.2 |
| 비교예 2 | 코튼시트+아크릴 수지B(함침) | - | - | 73.2 |
| 비교예 3 | 고 공극율 펄프 시트+아크릴 수지A (양면 스핀 코팅) | 50/70 | 10 | 0 |
| 비교예 4 | 고 공극율 펄프 시트+셀로판 테잎 시트 (양면 라미네이트) | 50/150 | 50 | 0 |
도 4는 실시예 1의 셀로판 테잎 시트를 라미네이트한 펄프 시트(실선), 제조예 1에서 얻은 라미네이트되지 않은 펄프 시트(파선) 및 두 개의 셀로판 테잎 시트 단독의 라미네이트(두께:100㎛, 점선)의 파장에 대한 50㎛-두께 환산에 있어서의 광투과율을 측정한 결과를 나타내는 그래프이다. 도 4에서 알 수 있는 바와 같이, 셀로판 테잎 시트로 라미네이트된 펄프 시트의 광투과율은 라미네이트되지 않은 펄프 시트보다 높고 가시 영역에서 60% 이상이었다. 이는 펄프 시트를 셀로판 테잎 시트로 라미네이트함으로써 펄프 시트의 표면을 평활화했기 때문에 표면에서의 광 산란 및 반사가 억제되고 광투과율이 증가한다.
셀로판 테잎 시트 단독의 광투과율은 600nm 파장에서 약 85%이고, 이는 셀로판 테잎 시트 자체의 투명성 및 표면 거칠기에서 기인한 값이다. 셀로판 테잎 시트로 라미네이트된 시트의 광투과율은 600nm 파장에서 약 80%이고, 셀로판 테잎 시트 단독보다 약 5% 낮았다. 그러므로 라미네이트된 시트의 광투과율은 셀로판 테잎 시트의 광투과율에 따라 결정된다. 따라서, 투명성이 높고 표면이 매끄러운 수지 등을 코팅층으로 이용함으로써 라미네이트된 시트의 투명성이 더 향상될 수 있다.
도 5는 실시예 2의 아크릴 수지A로 스핀 코팅한 코튼 시트(실선), 비교예 1의 아크릴 수지A로 함침한 코튼 시트(파선) 및 100㎛의 두께를 갖는 아크릴 수지A 단독(점선)의 파장에 대한 50㎛-두께 환산에 있어서의 광투과율을 측정한 결과를 나타내는 그래프이다. 알 수 있듯이, 코튼 시트 단독의 광투과율이 가시 영역에서 약 10~30%임에도 불구하고(도 1), 아크릴 수지A로 스핀 코팅된 코튼 시트의 광투과율은 가시 영역에서 60% 이상이었다(도 5). 이는 코튼 시트의 표면이 아크릴 수지 A에 의해 평활화되었기 때문이다. 스핀 코팅된 시트의 광투과율은 함침된 시트보다 약간 더 높았다. 그러므로 스핀 코팅에 의한 표면 평활화는 함침법에 의해 얻은 것과 실질적으로 동일한 투명성을 제공할 수 있다. 더욱이, 상기 실시예 1에서와 같이 코팅 수지 등의 투명성 향상 및 표면 평활화에 의해 스핀 코팅된 시트의 투명성이 더 향상될 수 있다.
도 6은 실시예 3의 아크릴 수지B로 스핀 코팅한 코튼 시트(실선), 비교예 2의 아크릴 수지B로 함침한 코튼 시트(파선) 및 100㎛의 두께를 갖는 아크릴 수지B 단독의 파장에 대한 50㎛-두께 환산에 있어서의 광투과율을 측정한 결과를 나타내는 그래프이다. 상기에서 알 수 있듯이, 코튼 시트 단독의 광투과율이 가시 영역에서 약 10 내지 약 30%임에도 불구하고(도 1), 아크릴 수지B로 스핀 코팅된 코튼 시트의 광투과율이 가시 영역에서 60% 이상이었다(도 6). 이는 코튼 시트의 표면이 아크릴 수지B로 평활화되었기 때문이다. 스핀 코팅된 시트의 광투과율은 함침된 시트와 거의 동일하였다. 그러므로 스핀 코팅에 의한 표면 평활화는 함침법에 의해 얻은 것과 동일한 정도의 투명성을 제공할 수 있다. 더욱이, 상기 실시예 1에서와 같이, 코팅 수지 등의 투명성 향상 및 표면 평활화에 의해 스핀 코팅된 시트의 투명성이 더 향상될 수 있다.
도 7은 실시예 4의 SiN 층을 증착한 후에 아크릴 수지A를 스핀 코팅한 코튼 시트의 파장에 대한 50㎛-두께 환산에 있어서의 광투과율을 측정한 결과를 나타내는 그래프이다. 도 7로부터 알 수 있듯이, 실시예 4의 시트의 광투과율은 가시 영역에서 60% 이상이었다. 그러므로 무기 재료로 구성된 층, 예를 들어 SiN층으로 이루어진 층이 형성되는 경우에도 시트의 투명성이 높을 수 있음을 알 수 있었다. 이 실시예에서, SiN 층은 코튼 시트와 코팅층 사이에 존재한다. 따라서, 코팅층의 수지 성분이 시트 내부로 침투하지 않을 경우에도 고 투명성 시트를 획득할 수 있음을 알 수 있었다.
비교예 3의 아크릴 수지A로 스핀 코팅된 고-공극율 펄프 시트 및 비교예 4의 셀로판 테잎 시트로 라미네이트된 고-공극율 펄프 시트 각각에서, 측정된 50㎛-두께 환산 광투과율은 400 내지 1,000nm의 파장 영역에서 약 0%이고, 표 2에서 보여지는 것과 같이 50㎛-두께 가시광 투과율이 0%이었다. 도 1에서 보여지듯이, 비교예 3 및 4 각각에 사용된 고-공극율 펄프 시트의 광투과율은 약 0%이고, 대부분의 광은 이를 통과되지 못하였다. 그러므로 기본 시트의 광투과율이 낮을 경우에는 시트의 표면을 평활화하더라도 충분한 투명도가 얻어질 수 없음을 알 수 있었다. 이는 시트 내부의 공극으로 인해 고-공극율 펄프 시트 내부의 투명성이 낮기 때문에, 시트의 표면을 평활화할 경우에도 시트의 내부가 불투명하여 투명성이 얻어질 수 없다.
이하, 실시예 5 및 비교예 5 각각에서 얻은 시트의 굽휨 강도, 굽휨 탄성율(bending modulus) 및 선 열팽창 계수를 계산하고, 그 결과를 표 3에 나타내었다.
| 시료 | 굽휨 강도 (MPa) |
굽휨 탄성율 (GPa) |
선열팽창계수 (10-6/K) |
|
| 실시예 5 | 펄프시트+아크릴 수지A(양면 스핀 코팅) | 208 | 13 | 10 |
| 비교예 5 | 펄프시트+아크릴 수지A(함침) | 271 | 15 | 14 |
표 3에서 보여지는 바와 같이, 실시예 5의 아크릴 수지A로 스핀 코팅된 펄프 시트는 굽휨 강도가 208MPa이고 굽휨 탄성율이 13GPa이었다. 이 시트의 선 열팽창 계수는 아크릴 수지 자체(약 1.2x10-4/K)의 선 열팽창 계수보다 충분히 낮은 10x10-6/K이기 때문에 상기 시트는 저 열팽창성 시트이다. 한편, 비교예 5의 아크릴 수지A로 함침된 펄프 시트는 굽휨 강도가 271MPa이고 굽휨 탄성율이 15GPa이며 선 열팽창 계수는 14x10-6/K이었다. 상기 결과로부터 알 수 있듯이, 코팅법으로는 합침법에 의해 얻은 시트보다 높은 유연성 및 낮은 열팽창성을 갖는 시트를 획득할 수 있다. 이는 시트의 양에 비해 사용된 아크릴 수지의 양이 적어서 시트의 특성이 유지될 수 있기 때문이다. 펄프 시트의 경우에서와 같이 코튼 시트에서도 시트의 특성이 유지될 수 있다. 또한, 도 5~7에서 볼 수 있듯이, 수지로 코팅된 시트는 수지로 함침된 시트와 유사한 투명성을 갖는다. 특히, 코팅법을 사용하여 시트의 표면 요철 형상을 수지로 채워 표면을 평활화함으로써 고 투명성이 얻어질 수 있고, 높은 유연성 및 낮은 열팽창성을 갖는 시트가 획득될 수 있다. 따라서, 실시예의 시트는 디스플레이용 필터, 프로젝션 텔레비젼용 스크린, 배선기판, 자동차 및 전차와 같은 이동체용 프레임 구성 재료를 포함하는 대형 투명판과 같은 치수 안정성이 요구되는 적용 분야 또는 주위 온도의 변화에 의해 휨 및 뒤틀림 문제를 초래하는 대형 광학 부품과 같은 적용 분야에 효과적으로 사용될 수 있다. 더욱이, 함침법에서는 아크릴 수지의 사용량을 줄이기 어렵다. 하지만 스핀 코팅법에서 표면을 평활화하는 한 코팅층의 두께를 감소시킴으로써 아크릴 수지의 사용량을 줄일 수 있다. 그러므로 선 열팽창 계수를 더 적은 값으로 조절할 수 있다.
수지로 코팅함으로써 투명성을 향상시킬 수 있음을 확인하기 위해서, 제조예 1의 펄프 시트의 절반만을 아크릴 수지 A로 코팅하여 실험을 수행하였다. 상기 시트의 디지털 사진을 도 8에 나타내었다. 도 8에서 알 수 있듯이, 아크릴 수지 A로 코팅된 부분(시트의 상부)의 투명성이 높기 때문에 배경이 시트를 통해 분명하게 관찰되었다. 하지만, 아크릴 수지 A로 코팅되지 않은 부분(시트의 하부)의 투명성이 낮기 때문에 배경이 시트를 통해 관찰되지 않았다. 또한, 코팅법을 사용하여 시트 표면의 요철 형상을 수지로 채움으로써 표면을 평활화하여 고 투명성 시트가 얻어질 수 있음이 명백하였다.
이하, 실시예 2에서 얻은 코튼 시트의 평활화 전후의 표면 거칠기 Ra(중심선 표면 거칠기)를 표 4에 나타내었다.
| 시료 | 표면 거칠기 Ra(nm) |
| 코튼 시트(평활화 전) | 6.9 |
| 코튼 시트+아크릴 수지A(양면 스핀 코팅) | 0.92 |
표 4에서 알 수 있듯이, 평활화 전 코튼 시트의 표면 거칠기 Ra는 6.9nm이고, 아크릴 수지 A로 스핀 코팅된 코튼 시트의 표면 거칠기 Ra는 0.92nm이었다. 따라서, 코팅층으로 표면이 평활화되었다. 상기와 같이, 코튼 시트의 표면에 아크릴 수지 A를 코팅하여 표면을 평활화함으로써 광 산란이 억제될 수 있고, 이로 인해 고 투명성 시트가 획득될 수 있었다.
본 발명은 특정 구현예를 참고로 기재되지만, 본 발명의 범위에서 벗어나지 않는 한 당업계에 공지된 지식을 갖는 자에 의해 다양하게 변형할 수 있음이 명백하다. 따라서, 본 발명의 기술 영역은 상기 구현예에 의해 제한되지 않지만, 특허청구범위 및 이와 동등한 것에 의해 정의되어야 한다.
Claims (18)
- 평균 섬유 직경이 4~200nm이고 50㎛-두께 가시광 투과율이 3% 이상인 섬유 집합체; 및 상기 섬유 집합체의 표면을 코팅하여 평활화하는 코팅층;을 포함하고, 50㎛-두께 가시광 투과율이 60% 이상인 것을 특징으로 하는 섬유 복합 재료.
- 제 1항에 있어서, 상기 섬유 집합체의 공극율이 35% 이하인 것을 특징으로 하는 섬유 복합 재료.
- 제 1항에 있어서, 상기 섬유 집합체가 셀룰로오즈 섬유로 구성되는 것을 특징으로 하는 섬유 복합 재료.
- 제 3항에 있어서, 상기 셀룰로오즈 섬유가 식물 섬유로부터 분리된 섬유인 것을 특징으로 하는 섬유 복합 재료.
- 제 4항에 있어서, 상기 셀룰로오즈 섬유가 상기 식물 섬유로부터 분리된 섬유를 섬유화 처리하여 얻어지는 것을 특징으로 하는 섬유 복합 재료.
- 제 5항에 있어서, 상기 섬유화 처리가 마쇄 처리를 포함하는 것을 특징으로 하는 섬유 복합 재료.
- 제 3항에 있어서, 상기 셀룰로오즈 섬유가 화학 변형 또는 물리 변형되는 것을 특징으로 하는 섬유 복합 재료.
- 제 1항에 있어서, 상기 코팅층이 유기 폴리머 재료, 무기 폴리머 재료 및 유기 폴리머와 무기 폴리머의 하이브리드 폴리머 재료로 이루어진 군에서 선택된 1종 또는 2종 이상의 조합인 것을 특징으로 하는 섬유 복합 재료.
- 제 8항에 있어서, 상기 코팅층은 결정화도가 10% 이하이고, 유리 전이 온도가 110℃ 이상인 합성 폴리머 재료인 것을 특징으로 하는 섬유 복합 재료.
- 제 8항에 있어서, 상기 코팅층이 무기 재료를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 섬유 복합 재료.
- 제 1항에 있어서, 상기 코팅층의 굴절율이 1.4~1.7인 것을 특징으로 하는 섬유 복합 재료.
- 제 1항에 있어서, 상기 코팅층의 50㎛-두께 가시광 투과율이 60% 이상인 것을 특징으로 하는 섬유 복합 재료.
- 제 1항에 있어서, 상기 섬유 집합체 표면의 전체면이 상기 코팅층으로 코팅되는 것을 특징으로 하는 섬유 복합 재료.
- 제 1항에 있어서, 상기 섬유 집합체의 표면은 상기 코팅층으로 코팅되지 않는 비코팅 부분을 포함하고, 비코팅 부분을 피복재로 피복하는 것을 특징으로 하는 섬유 복합 재료.
- 제 1항에 있어서, 상기 섬유 복합 재료의 선 열팽창 계수가 0.05×10-5 내지 5×10-5K-1인 것을 특징으로 하는 섬유 복합 재료.
- 제 1항 내지 제 15항 중 어느 한 항에 따른 섬유 복합 재료의 제조방법으로서, 상기 코팅층을 형성할 수 있는 코팅용 액상물을 상기 섬유 집합체의 표면에 도포하는 단계; 및 상기 코팅용 액상물을 경화하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 섬유 복합 재료의 제조방법.
- 제 16항에 있어서, 상기 코팅용 액상물이 유동성 코팅 재료, 유동성 코팅 재료용 원료, 코팅 재료를 유동화하여 제조된 유동화물, 코팅 재료용 원료를 유동화하여 제조된 유동화물, 코팅 재료 용액 및 코팅 재료용 원료 용액으로 이루어진 군 에서 선택된 1종 또는 2종 이상의 조합인 것을 특징으로 하는 섬유 복합 재료의 제조방법.
- 제 1항 내지 제 15항 중 어느 한 항에 따른 섬유 복합 재료의 제조방법으로서, 상기 코팅층을 형성할 수 있는 코팅용 라미네이트 재료를 상기 섬유 집합체의 표면에 붙이는 것을 특징으로 하는 섬유 복합 재료의 제조방법.
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