KR101136776B1

KR101136776B1 - 나노카본 분산액의 제조방법, 이를 이용한 나노카본 분산액, 나노카본의 평가방법, 나노카본 소재의 제조방법

Info

Publication number: KR101136776B1
Application number: KR1020090088968A
Authority: KR
Inventors: 김상옥
Original assignee: (주)월드튜브
Priority date: 2009-09-21
Filing date: 2009-09-21
Publication date: 2012-04-20
Also published as: KR20110031635A

Abstract

본 발명은 나노카본 분산액의 제조방법, 이를 이용한 나노카본 분산액, 나노카본의 평가방법, 나노카본 소재의 제조방법에 관한 것으로, 제공된 나노카본 내의 회합된 나노카본 번들(bundle)을 평균입도 0.1㎛ 내지 5㎛로 절단하는 나노카본 입도감소단계; 및 절단된 상기 나노카본과, 상기 나노카본 100중량부에 대하여 0.01 내지 200중량부의 분산제, 및 용매를 혼합시켜 분산기로 상기 나노카본을 분산하는 나노카본 분산단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

나노, 카본, CNT, 분산, 입도

Description

나노카본 분산액의 제조방법, 이를 이용한 나노카본 분산액, 나노카본의 평가방법, 나노카본 소재의 제조방법{Manufacturing method of nanocarbon dispersion solution, nanocarbon dispersion solution, evaluation method of nanocarbon, manufacturing method of nanocarbon material using the same using the same}

본 발명은 나노카본에 관한 것으로, 보다 상세하게는 나노카본 분산액, 나노카본 분산액의 제조방법, 이를 이용한 나노카본의 평가방법, 및 이를 이용한 나노카본 소재의 제조방법에 관한 것이다.

본 명세서에서 나노카본은 단일겹의 SWNT와 2-수십겹의 MWNT로된 탄소나노튜브,탄소나노섬유, 탄소나노로프 등을 포함하는 의미로 사용한다.

나노카본은 동종의 카본동소체들보다 높은 전도성과 강도, 비표면적 등으로 많은 주목을 받고 있고 지금도 많은 연구와 제품적용이 시도되어 지고 있다. 나노카본을 제품에 적용하기 위해서는 분산기술의 고급화가 선행되어야 하나, 현재까지 알려진 분산기술인 기계적인 방법을 통한 분산, 용매와 분산제를 이용한 분산, 강 산을 이용한 분산, 표면기능화를 통한 분산, 고분자를 이용한 분산등의 분산방법으로는 분산에 높은 비용이 소요되고, 환경을 오염시키는 문제점이 있고, 고농도의 분산액을 제조할 수 없어서 제품에 본격적으로 적용하는 데 어려움이 있다.

또한, 나노카본을 제품에 적용하기 위해서는 어떠한 나노카본을 채택할 것인지에 대한 평가가 이루어져야 하지만, 현재까지는 나노카본의 품질을 분석할 수 있는 규격화된 정량적 평가방법이 없다.

따라서, 나노카본의 분말특성의 배치(batch)별로 일관성있게 유지하는 데 어려움이 있을 뿐만 아니라, 시장에서는 서로 상이한 분석 방법과 분석 조건하에서 정확하지 않는 나노카본 분석 결과를 고객들에게 제시하고 있는 상황이다.

이에 생산자와 소비자 간에 품질에 대한 불신이 이어지고 있어, 용도에 적합한 나노카본을 찾아 사용하고 싶어 하는 응용업체들의 상용화에 커다란 걸림돌로 작용하고 있으며, 나노카본 관련 산업의 시장 성장 속도를 저하시키고 있는 것이 현실이다.

본 발명은 전술한 문제점을 해결하기 위한 것으로, 낮은 비용이 소모되고, 친환경적이며, 고농도의 나노카본 분산액까지 자유롭게 제조할 수 있는 나노카본 분산액 의 제조방법 및 이를 이용한 나노카본 분산액을 제공하는 데 있다.

또한, 전술한 나노카본 분산액의 제조방법을 이용한 나노카본의 평가방법 및 나노카본 분산액을 이용한 나노카본소재의 제조방법을 제공하는 데 있다.

본 발명의 일측면은,

제공된 나노카본 내의 회합된 나노카본 번들(bundle)을 평균입도 0.1㎛ 내지 5㎛로 절단하는 나노카본 입도감소단계; 및

절단된 상기 나노카본과, 상기 나노카본 100중량부에 대하여 0.01 내지 200중량부의 분산제, 및 용매를 혼합시켜 분산기로 상기 나노카본을 분산하는 나노카본 분산단계를 포함하는 나노카본 분산액의 제조방법을 제공한다.

이 때, 상기 나노카본 입도감소단계에서 상기 절단은 습식방법으로 이루어질 수 있다.

이 때, 상기 습식방법은 초음파분쇄기, 밀류 분쇄기, 플루다이저, 및 나노마이저로 구성되는 군에서 선택되는 적어도 하나의 장치를 사용할 수 있다.

이 때, 상기 습식방법은 나노카본 입도감소단계에서 분산제를 나노카본 100중량부에 대해서 0.01 내지 50중량부로 더 포함시킬 수 있다.

또한, 상기 나노카본 입도감소단계에서 상기 절단은 건식방법으로 이루어질 수 있다. 이 때, 상기 건식방법으로 절단된 나노카본을 메쉬필터를 통과시키는 단계를 더 포함할 수 있다.

이 때, 상기 메쉬필터는 200 내지 500mesh를 이용하는 것이 바람직하다.

이 때, 상기 건식방법은 커터, 볼밀, 제트밀, 및 아트리션밀로 구성되는 군에서 선택되는 하나의 장치를 사용할 수 있다.

이 때, 상기 용매는 물, 알콜계, 셀루솔브계, 케톤계, 아미드계, 에스테르계, 에테르계, 아로마틱계, 하이드로카본계, 및 그 혼합물로 구성되는 군에서 선택되는 적어도 하나 이상의 용매로 구성될 수 있다.

본 발명의 다른 측면에 따르면 전술한 나노카본 분산액의 제조방법에 따라 제조된 나노카본 분산액을 제시한다.

이 때, 상기 나노카본 분산액에 포함된 나노카본은 2중량%를 초과할 수 있다.

이 때, 상기 분산제는 나노카본의 100중량부에 대해서 0.01 내지 200중량부로 포함되는 것이 바람직하다.

본 발명의 또 다른 측면은 전술한 나노카본 분산액을 이용한 나노카본의 평가방법으로서,

상기 나노카본 분산액을 수용성 우레탄(PUD)을 혼합하여 혼합물로 제조하는 믹싱단계;

상기 혼합물을 필름위에 바코터로 도포하여 도막을 형성하는 단계; 및

상기 나노카본이 도포된 필름에 대해서 전기전도성, 투과도, 내스크래치, 및 표면경도로 구성된 군에서 선택되는 적어도 하나의 특성을 측정하는 측정단계를 포 함하는 나노카본 분산액을 이용한 나노카본의 평가방법을 제시한다.

이 때, 상기 수용성 우레탄은 상기 나노카본 100중량부에 대해서 50 내지 1000중량부로 포함되는 것이 바람직하다.

본 발명의 또 다른 측면은 전술한 나노카본 분산액을 이용한 나노카본의 소재의 제조방법으로서,

상기 나노카본 분산액에 포함된 나노카본을 일반소재와 혼합하여 나노카본 소재로 제조하는 나노카본 분산액을 이용한 나노카본의 소재의 제조방법을 제공한다.

이 때, 상기 나노카본 소재는 컴파운드, 마스터배치, 투명전극, ESD/EMI용 코팅제, 잉크, 도료, 고전도 도료, 고방열성 도료, 초고강도ㆍ초고탄성ㆍ고전도의 섬유, 전자방출 에미터, 전자제품용 백라이트, 압출품, 사출품, 블로성형품, 및 압축성형품으로 구성될 수 있다.

또한, 상기 컴파운드 또는 상기 마스터 배치는 매트릭스 수지를 압출하는 중에 상기 나노카본 분산액을 1-50중량%로 액상 피딩하면서 혼합되어 제조될 수 있다.

또한, 상기 투명전극, ESD/EMI용 코팅제, 잉크, 또는 도료는 상기 나노카본 분산액이 그대로 또는 희석하여 혼합될 수 있다.

또한, UV용 코팅제는 상기 나노 카본 분산액중 알콜 또는 MEK Type에 UV 올리고머를 믹싱하여 제조한다.

또한, 상기 고전도 또는 고방열성 도료는 상기 나노카본 분산액을 각각 고전 도 또는 고방열성 재료 및 바인더 수지와 혼합한 후 교반기 또는 분산기로 교반 또는 분산하여 제조될 수 있다.

또한, 상기 초고강도ㆍ초고탄성ㆍ고전도의 섬유는 상기 나노카본 액상 분산액을 섬유용 액상수지 또는 고상수지와 함께 또는 피딩하면서 혼합되어 방사 섬유화하여 제조될 수 있다.

또한, 상기 전자방출 에미터 또는 상기 전자제품용 백라이트는 나노카본 액상 분산액가 전극류, 전자 방출원, 또는 무기충진제에 혼합되어 제조될 수 있다.

또한, 상기 압출품, 상기 사출품, 상기 블로성형품, 또는 상기 압출성형품은 3 내지 50중량%의 나노카본 분산액을 1 내지 50%로 액상 피딩하면서 혼합되어 제조될 수 있다.

본 발명의 일측면에 따른 나노카본 분산액 및 제조방법은 간단하지만 종래에 분산을 위해서 복잡한 단계를 거치된 방법을 벗어나 전혀 예측하지 못했던 방법, 즉 1단계로 나노카본 번들의 크기를 감소시키고, 용매와 분산제를 이용한 분산을 2단계로 적용하여 획기적으로 나노카본 분산액을 제조하는 방법을 제시한다. 이로써 산, 알칼리, 산화제, 환원제로 처리하지 않아서 친환경적이고, In site의 중합 방법과 유기용매의 파이-스택킹도 하지 않아서 저렴하게 대량의 나노카본을 분산 가능하게 하는 효과가 있다.

또한, 본 발명의 다른 측면에 따른 나노카본 분산액을 이용한 나노카본의 평가방법은 나노카본 분산액을 필름에 코팅하여 나노카본 제조업체 별로 나노카본을 평가 할 수 있어 용도에 적합한 나노카본을 사용할 수 있다.

또한, 본 발명의 또 다른 측면에 따른 나노카본 분산액을 이용한 나노카본 소재의 제조방법에 따르면, 나노카본 분산액으로 농축액을 용이하게 만들 수 있고, 만들어진 고농축액을 희석하여 투명 전극, ESD/EMI용 코팅제, 고전기ㆍ 고방열성 나노카본-고분자 점액형 중간재와 도료등을 만들어 반도체-IC팩키징, 디스플레이, 에너지 분야나 자동차, 건축용 유리와 정전기 방지 바닥재, 프린팅을 위한 나노카본 기반 코팅액 혹은 잉크, 연료 전지 등에 사용 할 수 있다.

그리고 고농축액에 금속과 고방열성 소재(CNF, 알루미나, SiC, 나노 다이아몬드, ZnS, Boron Nitride, 자성체,(팽창)흑연), 특수한 용도의 내열성, 내수성, 방염성, 방화성, 방열성, 내마모성, 고유전율성, 소수성을 발현하는 불소류, 실리콘류, 자성체류, 열전도성 필러류, 발포 단열제류 등이 함께 섞인 혼합물를 첨가하여 고전기-열전도성 및 다기능 점액형 중간재를 만들 수 있다.

본 발명의 일측면에 따른 나노카본 분산액의 제조방법은 나노카본 입도감소단계, 및 나노카본 분산단계를 포함한다.

나노카본 입도감소단계는 제공된 나노카본을 절단하는 단계이다. 이 때, 나노카본을 절단한다는 의미는 예컨대, 나노카본의 한 종류인 탄소나노튜브의 길이를 절단한다는 의미가 아니라, 일반적으로 비공유성의 π-π결합과, 반데르 발스의 힘으로 인하여 번들(응집체) 상태로 회합되어 있는 나노카본 번들을 일정한 크기로 절단한다는 의미이다.

이 때, 제공된 나노카본의 순도, 직경, 길이, BET, D/G비, 엉킴정도에 따라서 절단되는 나노카본 번들의 크기가 달라지며, 각 용매와 분산제에 대한 반응성도 다르게 나타나므로 일정한 크기로 절단하는 방법은 제공된 나노카본에 따라 달라질 수 있다.

따라서, 본 발명에서는 종래 전혀 연구되거나 시도되지 않았던 나노카본의 분산에 적합한 나노카본의 번들의 크기를 규명하고 이를 나노카본 분산액 제조에 이용한다. 본 발명에서 나노카본의 분산에 용이한 나노카본 번들의 평균 입도는 0.1㎛ 내지 5㎛임을 확인하였다. 평균입도가 0.1㎛미만인 경우 과도한 절단공정으로 나노카본의 특성을 파괴할 수 있으며 또한 장시간 절단공정은 비경제적이라는 문제점이 있고, 5㎛ 초과인 경우 고농축시 과도한 시간이 걸리거나, 분산되지 못하는 문제점이 있기 때문이다.

나노카본 번들은 회전수 10000-30000의 커터를 이용하거나 볼밀, 제트밀, 아트리션밀을 사용하여 건식방법으로 절단하거나, 초음파, 밀류, 플루다이저, 나노마이저를 이용하나 습식방법으로 전술한 평균 입도로 절단할 수 있다.

즉, 본 발명에서 사용된 나노카본의 절단은 건식 또는 습식 방법을 통한 나노카본 번들의 평균입도를 줄이는 것을 의미한다.

건식방법으로 절단하는 경우에는 전술한 범위내의 나노카본 번들을 만들기 위해서 컷팅된 나노카본을 메쉬필터(200 내지 500mesh)를 통과 시켜 균일한 크기와 모양을 가지게 하는 것이 바람직하다.

한편, 습식방법으로 절단하는 경우에는 후술할 분산단계에서 사용될 분산제를 나노카본 100중량부에 대해서 0.01 내지 50중량부로 용매와 함께 넣어서 절단함으로써 보다 전술한 범위내의 크기와 모양을 가지도록 절단할 수 있다.

나노카본 분산단계는 나노카본 번들 평균입도가 0.1㎛ 내지 5㎛로 절단된 나노카본과, 나노카본 100중량부에 대하여 0.01 내지 200중량부의 분산제, 그리고 만들고자 하는 나노카본 함량에 맞추어 결정된 양의 용매를 혼합시켜 분산기(초음파 분산기등)에 넣고 나노카본을 분산하는 단계이다. 분산제의 중량부가 0.01미만인 경우 너무 적은 분산제로 인하여 실질적으로 분산이 어려워지는 문제점이 있고, 200초과인 경우에는 공정 중 발생하는 기포로 인해 분산이 어려우며, 다른 응용 제품과의 상용시 트러블 요인이 되는 문제점이 있다.

이 때, 분산제로는 계면활성제류(음이온계-SDS, NaDDBS, 양이온계-CTAB, 비이온계-Tween, Triton, 양성계 등)를 사용하는 것이 바람직하다.

또한, 용매로는 물, 알콜류, 셀루솔브류, 케톤류, 아미드류,에스테르류,에테르류,아로마틱류, 하이드로카본류 및 그 혼합물등이 사용될 수 있다.

전술한 분산제와 용매는 실제 시중에서 가장 적은 비용으로 쉽게 구입할 수 있는 나노카본 분산용의 모든 분산제와 용매를 비제한적으로 열거한 것으로서 고가의 다른 분산제도 포함한다.

전술한 나노카본 분산액의 제조방법에 따르면, 나노카본입자가 균일하게 분 산된 나노카본 분산액이 제조될 수 있으며, 특히 나노카본의 농도가 2중량%를 초과하거나, 3중량%, 4중량%, 또는 5중량%를 초과하는 고농도 나노카본 분산액이 용이하게 제조될 수 있다. 이 때, 나노카본 분산액은 나노카본의 100중량부에 대해서 0.01 내지 200중량부를 가지는 분산제, 및 정해진 중량%의 용매를 포함한다. 이 때, 정해진 중량이란 용도에 맞게 정해진 나노카본 분산액 내의 나노카본 농도를 맞추기 위해 정해진 중량%를 말한다.

본 발명의 다른 측면에 따른 나노카본 분산액을 이용한 나노카본의 평가방법은 믹싱단계, 필름도포단계, 및 측정단계를 포함한다.

믹싱단계는 전술한 나노카본 분산액의 나노카본 함량을 0.0001 내지 0.5 중량%로 하고, 수용성 우레탄(PUD)을 상기 나노카본 100중량부 대비 50 내지 1000중량부로 혼합하는 단계이다.

필름도포단계는 전술한 혼합물을 필름위에 바코터로 도포하여 도막을 형성하는 단계이다. 이 때 필름은 투명 PET, 아크릴, 폴리이미드 필름을 사용할 수 있다.

측정단계는 나노카본이 도포된 필름에 대해서 전기전도성, 투과도, 내스크래치, 표면경도, 안정성과 점도등을 측정하는 단계이다.

종래 나노카본의 품질은 단순히 순도를 측정하거나, 분말을 압착하여 전기저향을 평가하는 수준에서 이루어졌으나, 이는 응용제품 제조시에 필요한 분산성을 전혀 고려하지 않은 것이었다.

그러나, 본 발명의 평가방법은 동일한 함량의 나노카본을 분산시킨 분산액을 필름에 도포하여 건조시킨 후 전기전도성, 투과도, 내스크래치, 표면경도, 안정성 과 점도를 손쉽게 측정할 수 있어, 응용제품에 적합한 나노카본의 평가에 용이하다.

본 발명의 또 다른 측면에 따른 나노카본 분산액을 이용한 나노카본 소재의 제조방법은 전술한 나노카본 분산액을 사용하여 나노카본 소재를 제조하는 것이다. 즉, 나노카본 분산액에 포함된 나노카본의 함량을 조절하여 일반 소재와 혼합함으로써 종래보다 간단한 방법으로 나노카본 소재를 제조할 수 있다. 여기서 일반소재란 나노카본이 포함되지 않는 모든 소재를 의미한다.

이로서 제조될 수 있는 나노카본 소재로는 컴파운드, 마스터배치, 투명전극, ESD/EMI용 코팅제, 잉크, 도료, 열경화코팅제, 광경화 코팅제, 고전도ㆍ고열 전도성 도료, 초고강도ㆍ초고탄성ㆍ고전도의 섬유의 제조, 대면적 에미터, 백라이트, 압출품, 각종 사출품, 블로성형품, 압축성형품등이 비제한 적으로 열거될 수 있다.
이 때 고전도성 도료는 나노카본 액상 분산액에 금속(금,은,니켈,구리,합금류) 입자와 바인더 수지를 넣어 진공 탈포하면서 교반기 또는 분산기로 고전도성 도료를 만든다.
이 때, 고발열성 도료는 나노카본 분산액에 고방열성 재료(CNF, CF, 금속, 알루미나, SiC, 나노다이야몬드, ZnS, Boron Nitride, 자성체, (팽창)흑연, 전도성 고분자)와 바인더 수지를 넣어 교반기 또는 분산기로 고방열성 도료를 제조한다.

[실시예]

나노카본 분산액의 제조

[실시예 1]

900중량부의 물과 탄소나노튜브100중량부로 이루어진 혼합물을 초음파 분쇄기에 넣고, 48시간 절단하여 탄소나노튜브 번들의 평균입도가 약0.2㎛가 되도록 절단하였다. 절단된 탄소나노튜브 번들이 포함된 혼합물에 탄소나노튜브 100중량부에 대해 100중량부의 분산제 NADDBS 및 용매를 혼합한 뒤 초음파 분산기에 넣어 1시간 처리하여 2중량% 탄소나노튜브 분산액을 제조하였다.

[실시예 2]

탄소나노튜브를 20000rpm의 카터기에 넣어 커팅하고, 300mesh의 필터를 통과시켜, 평균입도가 약 0.2㎛가 되도록 절단하였다. 절단된 탄소나노튜브 번들을 탄소나노튜브 100중량부에 대해 100중량부의 분산제 PVP와 해당 중량부의 알콜을 혼합한 뒤 초음파 분산기에 넣어 1시간 처리하여 3중량% 탄소나노튜브 분산액을 제조하였다.

[실시예 3]

900중량부의 물과 탄소나노튜브 100중량부로 이루어진 혼합물을 나노마이저에 넣고, 0.5시간 절단하여 탄소나노튜브 번들의 평균입도가 약0.2㎛가 되도록 절단하였다. 절단된 탄소나노튜브 번들이 포함된 혼합물에 탄소나노튜브 100중량부에 대해 100중량부의 분산제 CTAB 및 용매를 혼합한 뒤 초음파 분산기에 넣어 1시간 처리하여 2.5중량% 탄소나노튜브 분산액을 제조하였다.

[실시예 4]

900중량부의 물, 30중량부의 분산제, 그리고 탄소나노튜브 100중량부로 이루어진 혼합물을 나노마이저에 넣고, 0.5시간 절단하여 탄소나노튜브 번들의 평균입도가 약0.2㎛가 되도록 절단하였다. 절단된 탄소나노튜브 번들이 포함된 혼합물에 탄소나노튜브 100중량부에 대해 100중량부의 분산제 블락코폴리머 및 용매를 혼합한 뒤 고분산밀 분산기에 넣어 1시간 처리하여 3중량% 탄소나노튜브 분산액을 제조하였다.

[비교예]

[비교예 1]

탄소나노튜브를 커팅없이 평균입도가 약 700㎛인 상태로 탄소나노튜브 100중량부에 대해 100중량부의 분산제 PVP와 알콜을 혼합한 뒤 초음파 분산기에 넣어 1시간 처리하여 3중량% 탄소나노튜브액을 제조하였다.

[비교예 2]

탄소나노튜브를 커팅하여 평균입도가 약 100㎛인 상태로 탄소나노튜브 100중량부에 대해 100중량부의 분산제 NADDBS와 물을 혼합한 뒤 초음파 분산기에 넣어 1시간 처리하여 2.5중량% 탄소나노튜브액을 제조하였다.

[비교예 3]

탄소나노튜브를 커팅하여 평균입도가 약 10㎛인 상태로 탄소나노튜브 100중량부에 대해 100중량부의 분산제 CTAB와 물을 혼합한 뒤 초음파 분산기에 넣어 1시간 처리하여 2.5중량% 탄소나노튜브액을 제조하였다.

[실시예 5]

컴파운드, 마스터배치의 제조

25중량%의 탄소나노튜브 분산액을 매트릭스 수지를 압출하는 중에 25%로 액상 피딩하면서 다양한 컴파운드, 마스터배치등을 제조하였다 이 때, 탄소나노튜브 분산액과 함께 내열성, 내수성, 방염성, 방열성, 방화성, 내마모성, 고유전율성, 소수성을 발현하는 불소류, 실리콘류, 자성체류, 열전도성필러류, 발포제류, 단열제류등을 함께 섞은 혼합물을 액상 피딩하여 컴파운드, 마스터배치를 제조하였다. 컴파운드의 매트릭스 수지는 열가소성수지, 열경화성수지, 엔프라 수지, 슈퍼 엔프라수지, 얼로이 수지, 식물성-친환경 수지, 액상 수지 또는 혼합한 형태를 사용하였다.

[실시예 6]

투명전극, ESD/EMI용 코팅제, 잉크/코팅제/도료의 제조

탄소나노튜브 분산액을 희석 또는 그대로 투명전극, ESD/EMI, 잉크/코팅제/도료를 제조하였다.

[실시예 7]

고전도성 도료의 제조

탄소나노튜브 25 중량%의 탄소나노튜브 액상 분산액에 은입자 25중량%와 바인더 수지를 넣어 진공 탈포하면서 교반기 또는 분산기로 고전도성 도료를 만든다.

[실시예 8]

고방열성 도료의 제조

탄소나노튜브 25 중량%의 탄소나노튜브 분산액에 금속분말과 바인더 수지를 넣어 교반기 또는 분산기로 고방열성 도료를 제조한다.

[실시예 9]

초고강도, 초고탄성, 초고전도의 섬유의 제조

탄소나노튜브 액상 분산액을 섬유용 액상수지 또는 고상수지와 같이 혹은 피딩하면서 방사-섬유화하여, 방직 또는 방적하여 초고강도, 초고탄성, 초고전도의 섬유를 제조한다.

[실시예 10]

대면적 에미터, 백라이트의 제조

탄소나노튜브 액상 분산액을 전극류, 전자 방출원, 또는 무기충진제에 넣어 대면적 에미터, 백라이트를 제조하였다.

[실시예 11]

압출품, 사출품, 블로성형품, 압축성형품의 제조

25중량%의 탄소나노튜브 분산액을 25%로 액상 피딩하면서 다양한 압출품, 사출품, 블로성형품, 압축성형품을 제조하였다. 이 때, 탄소나노튜브 분산액과 함께 내열성, 내수성, 방염성, 방열성, 방화성, 내마모성, 고유전율성, 소수성을 발현하는 불소류, 실리콘류, 자성체류, 열전도성필러류, 발포제류, 단열제류등을 함께 섞은 혼합물을 액상 피딩하여 압출품(시트, 필름, 파이프, 섬유, 건축-토목재, 자동차부품, 전기-전자부품), 사출품, 블로성형품, 압축성형품을 제조하였다.

[실시예 12]

UV 경화 코팅제의 제조

탄소나노튜브, 알콜 또는 메틸에틸케톤(MEK), 및 분산제로 이루어진 탄소나노튜브 분산액에 용매, UV용 수지(예컨대, Urethane acrylate 50-80, Isobornyl acrylate 1-15, Tripropylene glycol diacrylate 1-15, 1-hydroxy-cyclohexyl-phenyl-ketone 1-10)를 혼합하여 UV용 코팅제 제조하여 필름, 판넬(시트), 섬유, 금속선, 자동차 정전도장용 코팅과 수전해-연료전지 전극 표면 처리(효율증대,부식방지), 입자(세라믹,금속)코팅에 사용하였다.

[실험예]

[실험예1]

실시예 1에서와 같이 900중량부의 물과 탄소나노튜브100중량부로 이루어진 혼합물을 초음파 분쇄기에 넣고, 48시간 절단한 후 탄소나노튜브 번들의 입도를 분석하여 도 1과 같은 결과를 얻었다. 이에 따르면, 습식절단으로 평균입도 0.230㎛의 탄소나노튜브 번들 제조하였다.

[실험예2]

실시예 2에서와 같이 탄소나노튜브를 20000rpm의 카터기에 넣어 10분, 20분, 및 30분 커팅한 경우의 탄소나노튜브 번들의 모양과 크기를 촬영하였다. 도 2 내지 도 4는 각각 10분, 20분, 30분 경과시의 상태를 보이는 사진이다. 실험예1은 탄소나노튜브 번들을 건식 절단으로 평균입도 0.1 내지 5㎛로 절단할 수 있음을 보여준다.

[실험예3]

실시예 3에서와 같이 900중량부의 물과 탄소나노튜브 100중량부로 이루어진 혼합물을 나노마이저에 넣고 절단하였다. 이에 도 5 및 도 6과 같은 결과를 얻었다. 도 5 및 도 6은 각각 나노마이저로 10분 및 30분 처리한 경우의 입도분석 그래프이다. 이에 따르면 습식분쇄로도 탄소나노튜브 번들을 평균입도 0.1 내지 5㎛로 절단할 수 있음을 보여준다.

[실험예4]

실시예 1에서 제조된 2중량% 탄소나노튜브 분산액에 대해 SEM촬영을 하여, 도 7과 같은 결과를 얻었다.

[실험예5]

실시예 1 내지 4와, 비교예 1 및 비교예 2에 대해서, 전기전도도, 점도, 1주일 후 점도를 조사하여 표 1 과 같은 결과를 얻었다.

	실시예 1	실시예 2	실시예 3	실시예 4	비교예1	비교예2	비교예3
전도도(Ω/□)	< 70	< 30	< 500	< 400	분산X	분산X	분산X
점도(cps)	< 200	< 300	< 200	< 300	-	-	-
1주일 후점도	변화없음	변화없음	변화없음	변화없음	-	-	-
도막두께(㎛)	< 5	< 8	< 1	< 2	-	-	-

이에 따르면 비교예들은 실시예와 대비할 때 특성이 좋지 않음을 보여준다.

[실험예6]

탄소나노튜브를 건식으로 20000rpm의 카터기에 넣어 컷팅 시간별로 탄소나노튜브 번들의 평균입도 및 부피 팽윤도를 조사하여 표 2와 같은 결과를 얻었다.

컷팅시간	입도크기	부피팽윤도
컷팅전	500	1(기준부피)
10분	5	3.2배
20분	3	4배
30분	4	4.5배

나노카본의 평가방법

[실험예 7]

6개 회사(A, B, C, D, E, F)의 탄소나노튜브를 준비하여 탄소나노튜브 번들을 절단하고, 분산하여 제조된 탄소나노튜브 0.25중량% 분산액에 수용성 우레탄을 탄소나노튜브 대비 5배 넣고 필름위에 바코터#6으로 도막을 형성하고, 제조업체별 탄소나노튜브의 품질을 평가하였다. 표 3은 6개 회사의 탄소나노튜브 평가표이다.

Sample	Film(BAR coater No.6)
Sample	전기저항	투과도	내스크래치	표면강도
A	5	85	안정	>2H
B	4	84
C	1	80
D	3	82
E	4	83
F	3	81

(전기저항 : 10⁵Ω/□=5,10⁶Ω/□=3,10⁷Ω/□=1 )

[실험예 8]

실시예 7에 따라 탄소나노튜브 2중량%와 실버코팅구리 2중량%가 포함된 고전도성 도료를 제조하고, 샘플 도막을 형성하여 도료에 대한 저항값을 측정하여 표 4와 같은 결과를 얻었다.

측정수	저항값(Ω)
샘플1	2.1
샘플2	2.3
샘플3	2.9
샘플4	2.5
샘플5	3.3
샘플6	2.5
샘플7	2.6
샘플8	3.9
샘플9	3.3
샘플10	2.4

[실험예 9]

실시예 8에 따라 25wt% 탄소나노튜브 분산액에 고방열성 재료인 금속분말 25wt% 및 바인더 수지를 넣어 교반기 또는 분산기로 고열전도성 도료를 제조하고 열충격을 가한 후 사진을 촬영하였다. 도 8은 PET필름에 5um두께로 도막처리한 후 125℃로 15분간 저온가열하고, 65℃로 15분간 저온가열하는 과정을 100회 처리 후의 표면 상태로 온도 변화에 따른 수축-팽창으로 인한 표면의 크랙상태를 시험한 것으로 양호한 상태를 보이고 있다.

[실험예 10]

실시예 12와 같이 제조된 UV경화 코팅제의 표면저항, 표면경도, 투과율을 조사하여 표 5와 같은 결과를 얻었다.

구분	탄소나노튜브 분산액(wt%)	용매 (wt%)	UV용 수지 (wt%)	표면저항(Ω/□)	표면경도	투과율(%)	기타
0.3UV	80	10	10	<10의8	< 5H	< 70
0.6UV				<10의7		< 60
0.9UV				<10의4		< 50

이상에서는 본 발명의 여러 측면에 나노카본 분산액, 나노카본 분산액의 제조방법, 이를 이용한 나노카본의 평가방법, 및 이를 이용한 나노카본 소재의 제조방법에 대해 설명하였으나, 본 발명은 상술한 실시예들에 한정되지 않으며, 본 발명이 속한 분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 개념을 벗어나지 않고 변형이 가능하고 이러한 변형은 본 발명의 범위에 속한다.

전술한 발명에 대한 권리범위는 이하의 청구범위에서 정해지는 것으로서, 명세서 본문의 기재에 구속되지 않으며, 청구범위의 균등범위에 속하는 변형과 변경은 모두 본 발명의 범위에 속할 것이다.

도 1은 본 발명의 제1실험예에 따라 탄소나노튜브 번들의 입도를 분석한 그래프.

도 2 내지 도 4는 본 발명의 제2실험예에 따라 탄소나노튜브 번들을 각각 10분, 20분, 30분 절단한 상태를 보이는 사진.

도 5 및 도 6은 각각 본 발명의 제3실험예에 따라 탄소나노튜브 번들을 각각 10분 및 30분 절단한 상태에서 입도를 분석한 그래프.

도 7은 제4실험예에서 실시예 1에 따라 제조된 2중량% 나노카본 분산액에 대해 SEM촬영하여 얻은 결과 사진.

도 8은 실험예 9에 따라 고열전도성 도료를 제조하고 열충격을 가한 후 촬영한 사진.

도 9는 SWCNT(single wall carbon nano tube)의 투명전극 SEM사진.

Claims

소정의 길이를 가지고 단위체가 서로 회합되어 복수의 나노카본 번들로 존재하는 나노카본을 분산하여 분산액으로 제조하는 방법으로서,

상기 나노카본 번들의 평균입도가 제1평균입도로 이루어지는 상기 나노카본을 제1분산제, 및 제1용매에 분산하는 제1나노카본 분산단계;

상기 나노카본을 분산하여 상기 나노카본 번들(bundle)의 평균입도를 상기 제1평균입도보다 작은 제2평균입도로 줄이는 제2나노카본 분산단계;

상기 나노카본 번들 100중량부에 대하여 0.01 내지 200중량부의 제2분산제, 및 제2용매를 혼합시켜 상기 나노카본 번들을 분산하는 제3나노카본 분산단계를 포함하며,

상기 나노카본 번들의 제2평균입도는 0.1㎛ 내지 5㎛로 이루어지며, 점도는 300cps미만인 나노카본 분산액의 제조방법.
제1항에 있어서,

상기 제2나노카본 분산단계에서 나노마이저 또는 플루다이저로 분산하는 나노카본 분산액의 제조방법.
제2항에 있어서,

상기 제3나노카본 분산단계 후에 나노카본 분산액의 저항은 500(Ω/□) 미만인 나노카본 분산액의 제조방법.
제1항에 있어서,

상기 제1용매 및 제2용매는 물, 알콜계, 셀루솔브계, 케톤계, 아미드계, 에스테르계, 에테르계, 아로마틱계, 하이드로카본계, 및 그 혼합물로 구성되는 군에서 선택되는 적어도 하나 이상의 용매로 구성되는 나노카본 분산액의 제조방법.
제2항에 있어서,

상기 나노카본은 탄소나노튜브, 탄소나노섬유, 및 탄소나노로프로 구성되는 군에서 선택되는 나노카본 분산액의 제조방법.
제1항에 있어서,

상기 제1분산제 및 상기 제2분산제는 계면활성제로 구성되는 나노카본 분산액의 제조방법.
제1항 내지 제6항 중 어느 한 항의 나노카본 분산액의 제조방법에 따라 제조된 나노카본 분산액.
제7항의 나노카본 분산액을 이용한 나노카본의 평가방법으로서,

상기 나노카본 분산액을 수용성 우레탄(PUD)을 혼합하여 혼합물로 제조하는 믹싱단계;

상기 혼합물을 필름위에 바코터로 도포하여 도막을 형성하는 단계; 및

상기 나노카본이 도포된 필름에 대해서 전기전도성, 투과도, 내스크래치, 및 표면경도로 구성된 군에서 선택되는 적어도 하나의 특성을 측정하는 측정단계를 포함하는 나노카본 분산액을 이용한 나노카본의 평가방법.
제7항의 나노카본 분산액을 이용한 나노카본의 소재의 제조방법으로서,

상기 나노카본 분산액에 포함된 나노카본을 일반소재와 혼합하여 나노카본 소재로 제조하는 나노카본 분산액을 이용한 나노카본의 소재의 제조방법.
제9항에 있어서,

상기 나노카본 소재는 컴파운드, 마스터배치, 투명전극, 열경화 코팅제, 광경화코팅제, ESD/EMI용 코팅제, 잉크, 도료, 전도성 도료, 방열성 도료, 섬유, 전자방출 에미터, 전자제품용 백라이트, 압출품, 사출품, 블로성형품, 및 압축성형품으로 구성되는 나노카본 분산액을 이용한 나노카본의 소재의 제조방법.
제10항에 있어서,

상기 컴파운드 또는 상기 마스터 배치는 매트릭스 수지를 압출하는 중에 상기 나노카본 분산액을 1-50중량%로 액상 피딩하면서 혼합되어 제조되는 나노카본 분산액을 이용한 나노카본의 소재의 제조방법.
제10항에 있어서,

상기 투명전극, 열경화 코팅제, 광경화 코팅제, ESD/EMI용 코팅제, 잉크, 도료는 상기 나노카본 분산액이 그대로 또는 희석하여 혼합되는 나노카본 분산액을 이용한 나노카본의 소재의 제조방법.
제10항에 있어서,

상기 전도성 도료 또는 방열성 도료는 상기 나노카본 분산액을 각각 전도성 또는 방열성 재료 및 바인더 수지와 혼합한 후 교반기 또는 분산기로 교반 또는 분산하여 제조되는 나노카본 분산액을 이용한 나노카본의 소재의 제조방법.
제10항에 있어서,

상기 섬유는 상기 나노카본 액상 분산액을 섬유용 액상수지 또는 고상수지와 함께 혼합하거나 또는 피딩(feeding)하면서 혼합하여 방사 섬유화하여 제조되는 나노카본 분산액을 이용한 나노카본의 소재의 제조방법.
제10항에 있어서,

상기 전자방출 에미터 또는 상기 전자제품용 백라이트는 나노카본 액상 분산액과 수지, 무기충진제를 혼합하여 제조되는 나노카본 분산액을 이용한 나노카본의 소재의 제조방법.