KR101134508B1 - 탄소나노튜브를 이용한 스텔스 기능 직물 및 그 제조방법 - Google Patents

탄소나노튜브를 이용한 스텔스 기능 직물 및 그 제조방법 Download PDF

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Abstract

탄소나노튜브를 이용한 스텔스 기능 직물 및 그 제조방법을 제공한다. 본 발명에 따른 스텔스 기능 직물은 파일 직물 표면에 탄소나노튜브가 결합되어 있으며, 상기 파일 직물의 섬유를 따라 상기 탄소나노튜브가 상기 파일 직물 표면에 수직으로 세워져 있다. 본 발명에 의하면 간단한 공정으로 스텔스 기능 직물을 제조할 수 있으며, 본 발명에 의한 스텔스 기능을 가진 직물은 모든 파장의 빛을 흡수하고 방사하는 흑체(black body)의 특징을 가진 탄소나노튜브를 이용하여 레이더나 적외선을 흡수, 은폐할 수 있는 스텔스 용도로서 군사용에 적용할 수 있으며 전기전도도 또한 부여되어 전자파 차폐는 물론 초고용량 커패시터, 스마트 의류, 연료전지 전극 등의 응용 분야에 사용할 수 있다.

Description

탄소나노튜브를 이용한 스텔스 기능 직물 및 그 제조방법{Fabric of stealth function using carbon nanotubes and method for manufacturing the same}
본 발명은 적으로부터 은폐할 수 있는 기술인 스텔스(stealth) 기능의 직물 및 그 제조방법에 관한 것이다.
모든 파장대의 빛을 반사 또는 투과 없이 모두 흡수하는 특징을 가진 흑체 성질은 상대의 레이더를 흡수함으로서 적으로부터 은폐하는 스텔스 기능에 적용할 수 있다. 흑체 거동을 하는 물체를 제조하는 데에는 공정과 물질을 달리한 다양한 연구들이 진행되고 있는데, 화학적 처리, 도금, 페인팅(painting) 등의 방법이 있다. 구체적으로, 니켈과 인의 합금을 기판 위에 코팅하기 위해 산으로 에칭(acid etching)을 하여 도금 및 스프레이 코팅(spray-coating)을 하는 방법이 있으며 이것은 에칭 조건과 처리 시간, 니켈과 인의 조성 등에 따라 다른 결과를 보인다. 또 탄소(carbon)를 기반으로 하는 페인트나 골드블랙(gold-black), 실버블랙(silver-black)을 사용하기도 하는데 이 역시 스핀코팅(spin coating)이나 증착법을 이용하여 기판에 올림으로써 구현된다.
선행 기술문헌(Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America (PNAS), v.106 no.15, 2009, pp.6044-6047)에 의하면, 기판 위에 화학기상증착법(CVD : Chemical Vapor Deposition) 방식으로 탄소나노튜브를 수직으로 성장시킨 숲(forest) 구조를 제작하여 이에 대해 방사율(emissivity), 투과율 등을 분석해 본 결과, 흑체 거동을 하는 다른 물질들에 비해 탄소나노튜브가 우수한 흑체 성질을 가지고 있으며 탄소나노튜브가 수직으로 서 있는 구조적인 특징이 이런 성질을 구현하는 데에 큰 영향을 미친다고 한다.
도 1은 상기 문헌에서 발췌한 것으로, 여러 방법들을 통해 만든 흑체 거동 물체의 비교자료이다. 도 1을 참조하면, 페인팅 방법(두꺼운 실선), 코팅 방법(점선), 마이크로스케일의 바늘 모양의 구조로 만들어진 니켈 인 합금을 이용해 만든 것(파선), 그리고 탄소나노튜브를 숲 구조로 하여 만든 것(얇은 실선)의 방사율 측정 결과를 알 수 있다. 방사율이 1에 가까울수록 이상적인 흑체로 기능하는 것을 의미하며, 탄소나노튜브를 사용하였을 때의 방사율이 0.98~0.99로 매우 높게 나온다.
이와 같이 탄소나노튜브는 가장 이상적인 스텔스 기능의 재료이다. 이러한 탄소나노튜브를 기판 위에 올리는 방법에는 여러 가지 방법이 있으며 대표적으로는 스프레이 코팅으로 기판 위에 올리는 방법과 계면활성제로 분산시킨 탄소나노튜브 용액을 여과(filtration)하여 탄소나노튜브 시트(bucky paper)를 제조하는 기술 등이 있다. 상기 문헌에서는 실리콘 기판 위에 촉매 등을 이용하여 CVD법으로 탄소나노튜브를 수직으로 성장시켜 숲 구조로 만드는 기술로 구현하였다.
도 2는 상기 문헌에서 발췌한 것으로, 탄소나노튜브의 배치 상태에 따른 방사율을 비교한 자료이다. 도 2를 참조하면, 프레스 방법(두꺼운 실선), 탄소나노튜브 시트로 제조하는 방법(점선), 스프레이 코팅 방법(파선), CVD법으로 탄소나노튜브를 숲 구조로 하여 만든 것(얇은 실선)의 방사율 측정 결과를 볼 수 있다. 탄소나노튜브가 수직으로 서있는 형태인 숲 구조가 가장 방사율이 높음을 알 수 있다.
상기 문헌에서는 탄소나노튜브가 세워져 있을 때 5~12㎛의 파장범위에서 방사율 0.98~0.99를 보이는 것으로 보고하였으며, 이는 거의 흑체와 흡사한 거동이다. 이 문헌에서 탄소나노튜브를 실리콘 기판 위에 합성시킨 방식은 750℃의 높은 온도로 가열된 로(furnace)에 에틸렌(ethylene)과 물(water)을 흘려 넣어 줌으로써 탄소나노튜브를 수직으로 성장시키는 것이다. 그런데 이러한 방식은 직물과 같은 유연하고 높은 온도에 견디지 못하는 기판 위에 직접적으로 탄소나노튜브를 성장시킬 수가 없다. CVD법의 공정이 매우 복잡하고 연속적이지 못하며 기판의 크기가 한정되어 있으며, 특히 기판이 석영과 같은 고온에 견딜 수 있는 딱딱한 판이어서 그대로 사용할 수 없는 것도 한계이다. 또한 실리콘 기판으로부터 탄소나노튜브를 분리하면 숲 구조가 무너져 스텔스 기능이 저하되는 단점이 있다.
본 발명이 해결하려는 과제는 탄소나노튜브를 이용한 스텔스 기능 직물을 제공하는 것이다.
본 발명이 해결하려는 다른 과제는 이미 제조된 탄소나노튜브를 이용하여 유연한 직물 위에 수직으로 세우는 방식을 이용해 스텔스 기능 직물을 제조하는 방법을 제공하는 것이다.
상기의 과제를 해결하기 위한 본 발명에 따른 스텔스 기능 직물은 파일 직물 표면에 탄소나노튜브가 결합되어 있으며, 상기 파일 직물의 섬유를 따라 상기 탄소나노튜브가 상기 파일 직물 표면에 수직으로 세워져 있다.
상기의 다른 과제를 해결하기 위한 본 발명에 따른 스텔스 기능 직물 제조방법에서는 파일 직물의 표면을 이온화시키고, 탄소나노튜브를 상기 파일 직물과 반대되는 극성을 띠게 한 다음, 상기 파일 직물 표면에 상기 탄소나노튜브를 정전기적 결합시킨다.
본 발명에 의해 제조된 스텔스 기능을 가진 직물은 탄소나노튜브의 흑체 성질을 발현하여 레이더나 적외선을 흡수, 은폐할 수 있는 스텔스 용도로서 군사용에 적용할 수 있으며 전기전도도 또한 부여되어 전자파 차폐는 물론 초고용량 커패시터, 스마트 의류, 연료전지 전극 등의 응용 분야에 사용할 수 있다. 또한 유연한 직물 성질을 가지므로 위장 및 전자파차폐 기능이 필요한 물체 등에 활용시 원하는 용도에 따라 적용하기 편리한 장점이 있다.
본 발명에 따른 스텔스 기능 직물의 제조방법은 기존에 딱딱한 기판 위에 고온의 CVD법으로 탄소나노튜브를 성장시키는 방식과는 달리 유연하면서도 고온에 견디지 못하는 직물 위에 탄소나노튜브를 저온에서 쉽게 수직으로 배열시킴으로써, 흑체 성질이 잘 발현할 수 있도록 한다.
도 1은 여러 방법들을 통해 만든 흑체 거동 물체의 방사율 비교자료이다.
도 2는 탄소나노튜브의 배치 상태에 따른 방사율을 비교한 자료이다.
도 3은 본 발명에 따른 스텔스 기능 직물 제조방법의 순서도이다.
도 4는 본 발명에 따른 스텔스 기능 직물 제조방법의 공정도이다.
도 5는 본 발명에 따른 스텔스 기능 직물의 사진이다.
이하에서 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명에 따른 스텔스 기능 직물 및 그 제조방법의 바람직한 실시예에 대해 상세하게 설명한다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예는 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이다.
도 3은 본 발명에 따른 스텔스 기능 직물 제조방법의 순서도이고, 도 4는 본 발명에 따른 스텔스 기능 직물 제조방법의 공정도이다.
도 3 및 도 4를 참조하면, 스텔스 기능 직물의 제조는 먼저 파일 직물(도 4의 10)의 표면을 양이온화(또는 음이온화)하는 것이다(도 3의 단계 s1).
본 발명에서는 탄소나노튜브를 수직으로 세워져 있는 구조를 만들기 위하여 섬유가 수직으로 서 있는 구조를 가진 파일 직물을 이용하며, 용도에 따라 직물을 구성하는 섬유의 종류를 다양하게 할 수 있다. 파일 직물이란 모피와 같이 일측에 털이 나 있는 형태의 섬유를 일컬어 말하는 것으로, 직물 표면을 덮고 있는 부드러운 입모(섬유가 수직으로 서 있는 형태)나 고리(loop)가 있는 직물이다. 파일 직물의 종류에는 융단, 모켓, 타월 등이 있으며 대표적인 파일 직물로는 벨벳(velvet)이 있다. 직물을 구성하는 섬유로는 면(cotton), 견(silk), 아세테이트(acetate), 나일론(nylon), 폴리에스테르(polyester) 등 직물을 만드는 것이 가능한 모든 섬유가 가능하다.
도 4의 (a)로 도시한 것처럼, 파일 직물(10)을 양이온화시키려면 양이온화제를 수용액(20)으로 제조한 후 이 수용액(20)에 파일 직물(10)을 침지(dipping)하거나 분무(spray), 도포(coat), 적하(drop) 등의 방법을 이용한다. 침지 방법이 대량생산에 적합하다. 침지 후 건조 과정이 올 수 있고, 침지와 건조는 여러 번 반복하여 파일 직물(10)에 균일한 이온화를 도모할 수도 있다.
다음, 탄소나노튜브(30)와 계면활성제를 분산시켜 탄소나노튜브 용액(40)을 제조한다(도 3의 단계 s2).
파일 직물(10)을 양이온화시킨 경우에는 음이온 계면활성제를 이용하여 탄소나노튜브(30)를 음이온화한다. 반대로 파일 직물(10)을 음이온화시킨 경우에는 양이온 계면활성제를 이용하여 탄소나노튜브(30)를 양이온화한다. 이렇게 하는 이유는 파일 직물(10)과 탄소나노튜브(30)를 반대 극성을 띠게 하여 정전기적인 힘으로 결합시키고자 하기 위함이다. 사용 가능한 양이온 계면활성제로서 CTAC(Cetyltrimethyl Ammonium Chloride), DTAB(Dodecyl-trimethyl Ammonium Bromide), polysaccharide(Dextrin) 등이 있으며, 음이온 계면활성제로는 SDS(Sodium Dodecyl Sulfate), DOC(Sodium deoxycholate), PSS(Poly-styrenesulfonic acid) 등이 있다. 탄소나노튜브(30)는 단일 벽면(single-wall) 탄소 나노튜브이거나, 이중 벽면(double-wall) 탄소 나노튜브 또는 다중 벽면(multi-wall) 탄소 나노튜브일 수 있으며 이들의 조합도 물론 가능하다.
경우에 따라서는 계면활성제 대신에 탄소나노튜브를 산 처리하여 극성을 부여하여 사용할 수도 있다. 탄소나노튜브를 산으로 처리하면 표면에 불순물을 제거함과 동시에 카르복실기(-COOH)를 형성하여 다른 물질이 결합할 수 있게 된다.
계속하여, 파일 직물(10) 표면에 탄소나노튜브 용액(40)을 가하여, 탄소나노튜브(30)가 파일 직물(10) 표면에 균일하게 정전기적 인력으로 결합되도록 한다(도 3의 단계 s3).
이 때 도 4의 (b)로 도시한 것처럼, 파일 직물(10)을 탄소나노튜브 용액(40)에 침지하거나 탄소나노튜브 용액(40)을 파일 직물(10)에 분무, 도포, 적하 등의 방법을 이용할 수 있다. 침지 방법이 대량생산에 적합하다.
경우에 따른 후 가공 처리를 실시한다(도 3의 단계 s4). 예컨대 건조가 될 수 있으며 필요한 경우 단계 s3을 더 수행한 후 건조하는 과정을 실시할 수 있다.
이와 같이, 파일 직물의 표면에 양이온(또는 음이온)을 띄게 하고, 음이온(또는 양이온)을 띄는 계면활성제를 이용하여 탄소나노튜브의 표면을 계면활성제가 충분히 코팅되게 한 후, 이 둘 사이의 정전기적 결합으로 탄소나노튜브가 파일 직물 표면에 잘 흡착될 수 있도록 하여 제조한다. 정전기적인 인력은 파일 직물(10)의 섬유 하나하나에 탄소나노튜브(30)가 잘 흡착될 수 있게 한다.
도 4의 (c)에 최종 결과물을 도시하였다. 본 발명에 따른 스텔스 기능 직물(100)은 파일 직물(10) 표면에 탄소나노튜브(30)가 결합되어 있으며, 특히 파일 직물(10)의 섬유, 예컨대 입모(15)를 따라 탄소나노튜브(30)의 대부분은 파일 직물(10) 표면에 수직으로 세워져 있는 구조를 취하게 된다.
탄소나노튜브(30)는 카본블랙, 니켈, 알루미늄보다 전기전도도, 열적 성질, 역학적 성질이 뛰어나며 현재까지 흑체의 성질에 가장 근접한 물질이다. 파일 직물(10) 상에 전자기파를 흡수하는 탄소나노튜브(30)를 직접 배치시킴에 따라 탄소나노튜브(30)가 표면에 드러나 스텔스 기능이 더욱 효과적으로 발휘된다. 본 발명에서는 탄소나노튜브(30)를 수직으로 섬유가 세워져있는 파일 직물(10)을 기판으로 이용함으로서, 직물 기판이 가지고 있는 유연성으로 인하여 넓은 응용범위를 부여할 수 있다.
기존 문헌의 방법에서는 기판의 크기가 제한을 받을 뿐만 아니라, 탄소나노튜브를 합성하는 조건이 고온이어서 직물과 같은 유기물 위에는 탄소나노튜브를 성장시킬 수가 없다. 그러나 본 발명에 따르면, 현재 대량생산이 가능한 방식으로 이미 제조된 탄소나노튜브를 사용하여 저온에서 파일 직물 위에 세워져있는 섬유에 탄소나노튜브를 흡착시켜 숲 구조를 가지도록 할 수 있다. 수직으로 섬유가 서있는 구조를 가진 파일 직물을 이용하여 직물이 가지는 장점을 결합함으로써, 간단한 공정으로 위장을 필요로 하는 다양한 형태에 쉽게 적용할 수 있다.
이는 기존 문헌의 CVD법보다 훨씬 간단하고 연속적인 공정이며 스텔스 기능을 비롯하여, 스마트 의류, 태양전지, 연료전지전극, 초고용량 커패시터 전극, 전자파 차단제 등으로도 응용가능하다.
이하 구체적인 실험예를 통하여 본 발명에 대하여 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 실험예의 범주에만 국한되는 것이 아님을 알려두고자 하며, 예를 들어 기판을 면섬유로 만들어진 벨벳 직물을 중심으로 기술하였지만 이는 앞에서도 설명하였듯이 용도 등에 따라 견, 폴리에스터 등으로 구성된 직물도 사용 가능하며 이에 따른 양이온화(또는 음이온화) 처리 방법이나 쓰이는 계면활성제의 종류도 다양하게 적용될 수 있다.
[실험예 1]
양이온화제로서 폴리아미노아미드(polyaminoamide) 수지를 3 ~ 10wt% 농도의 수용액으로 제조한 후, 이 용액에 면 벨벳 직물을 넣는다. 이 용액을 약 15 ~ 20분에 걸쳐 30 ~ 60℃의 온도로 승온한 후에 이 온도를 20 ~ 30분 유지시킨 후 차가운 물로 충분히 세척한다. 이로써 면 벨벳 직물의 표면을 양이온화할 수 있다.
용해되면 음이온을 띄는 계면활성제, 즉 음이온 계면활성제, 예컨대 SDS나 PSS를 0.1 ~ 4wt% 수용액으로 만든 후 탄소나노튜브 0.05 ~ 1wt%를 첨가하여 10 ~ 20분간 초음파 처리함으로써 탄소나노튜브 용액을 제조한다.
양이온화제로 처리된 면 벨벳 직물을 이 탄소나노튜브 용액에 충분한 시간(약 10 ~ 30분)동안 침지하여 둘 사이에 정전기적 결합이 일어나도록 한다. 침지와 건조를 2 ~ 3회 반복한다.
[실험예 2]
양이온화제인 PDDA(poly(diallydimethylammonium chloride))를 0.1 ~ 1wt%의 수용액으로 만든 후, 폴리에스테르 파일 직물을 10 ~ 30분 동안 이용액에 침지한 후 세척하여 건조시킨다. 탄소나노튜브 용액은 실험예 1과 같으며, 양이온화제로 처리된 폴리에스테르 파일 직물을 탄소나노튜브 용액에 약 10 ~ 30분 동안 침지하여 둘 사이에 정전기적 결합이 일어나도록 한다. 필요에 따라 이 과정을 2 ~ 3회 반복한다. 폴리에스테르 직물의 경우 이온화 처리 전에 자외선 조사, 코로나 처리 또는 플라즈마 처리 등의 전처리를 하면 극성이 도입되어 반응성과 견뢰도를 향상시킬 수 있다.
자외선 조사, 코로나 처리 또는 플라즈마 처리 등의 전처리는 파일 직물 표면에 각각 자외선, 코로나 방전, 플라즈마를 조사시키는 것으로, 파일 직물의 표면을 개질시키는 것이다. 자외선 램프 밑, 코로나 방전, 플라즈마 하에서 파일 직물을 통과시켜 이러한 전처리를 할 수 있다. 이러한 전처리는 방전에 의한 물리적인 표면 개질과 더불어 고에너지의 전자나 이온이 충돌하여 표면에 래디컬이나 이온이 생성되고, 이들 주위의 오존, 산소, 질소, 수분 등이 반응하여, 카르보닐기, 카르복실기, 히드록실기, 시아노기 등의 극성관능기가 도입되는 화학적 표면 개질의 효과도 가져올 수 있다. 이러한 전처리에 의해 젖음성이 향상될 수 있으므로 이후 이온화제가 용해된 수용액에 침지하는 과정에서 파일 직물과 이온화제가 용해된 수용액의 접착이 좋아지고 균일해진다.
도 5는 본 발명에 따른 스텔스 기능 직물의 사진이다. 도 5를 참조하면, 파일 직물 상에 세워져있는 섬유 표면에 탄소나노튜브가 흡착되어 있는 모습을 볼 수 있다.
이상에서 본 발명의 바람직한 실시예에 대해 도시하고 설명하였으나, 본 발명은 상술한 특정의 바람직한 실시예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형 실시가 가능한 것은 물론이고, 그와 같은 변경은 청구범위 기재의 범위 내에 있게 된다.

Claims (8)

  1. 파일 직물 표면에 탄소나노튜브가 결합되어 있으며, 상기 파일 직물의 섬유를 따라 상기 탄소나노튜브가 상기 파일 직물 표면에 수직으로 세워져 있는 것을 특징으로 하는 스텔스 기능 직물.
  2. 제1항에 있어서, 상기 파일 직물과 상기 탄소나노튜브가 정전기적 인력으로 결합되어 있는 것을 특징으로 하는 스텔스 기능 직물.
  3. 파일 직물의 표면을 이온화시키는 단계;
    탄소나노튜브를 상기 파일 직물과 반대되는 극성을 띠게 하는 단계; 및
    상기 파일 직물 표면에 상기 탄소나노튜브를 정전기적 결합시키는 단계를 포함하는 스텔스 기능 직물 제조방법.
  4. 제3항에 있어서, 상기 파일 직물의 표면을 이온화시키기 위하여, 이온화제가 용해된 수용액에 상기 파일 직물을 침지하는 것을 특징으로 하는 스텔스 기능 직물 제조방법.
  5. 제4항에 있어서, 상기 탄소나노튜브를 극성을 띠게 하기 위하여, 이온성 계면활성제가 용해된 수용액에 탄소나노튜브를 혼합해 탄소나노튜브 용액을 제조하는 것을 특징으로 하는 스텔스 기능 직물 제조방법.
  6. 제5항에 있어서, 상기 파일 직물 표면에 상기 탄소나노튜브를 정전기적 결합시키기 위하여, 상기 탄소나노튜브 용액에 상기 파일 직물을 침지하는 것을 특징으로 하는 스텔스 기능 직물 제조방법.
  7. 제4항에 있어서, 상기 탄소나노튜브를 극성을 띠게 하기 위하여, 탄소나노튜브를 산 처리하는 것을 특징으로 하는 스텔스 기능 직물 제조방법.
  8. 제3항에 있어서, 상기 파일 직물의 표면을 이온화시키기 전에 자외선 조사, 코로나 처리 또는 플라즈마 처리를 실시하는 것을 특징으로 하는 스텔스 기능 직물 제조방법.
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