KR101436500B1 - 탄소 나노 튜브/산화 그래핀 복합체가 코팅된 탄소 섬유를 포함하는 탄소 섬유 복합재 및 이의 제조방법 - Google Patents

탄소 나노 튜브/산화 그래핀 복합체가 코팅된 탄소 섬유를 포함하는 탄소 섬유 복합재 및 이의 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 고분자 기지; 및 상기 고분자 기지 내로 구비되는 탄소 섬유를 포함하고, 상기 탄소 섬유는 그 표면에 탄소 나노 튜브/산화 그래핀 복합체(Carbon nanotube/Graphene oxide hybrid)가 코팅된 것을 특징으로 하는 탄소 섬유 복합재를 제공한다. 본 발명에 따른 탄소 섬유 복합재는 탄소 나노 튜브의 구조 변경이나 물성 저하 없이 산화 그래핀과 복합체를 제조하고, 이를 코팅한 탄소 섬유를 포함하는 탄소 섬유 복합재로써, 탄소 나노 튜브의 우월한 전기전도도를 가지는 효과가 있다. 또한, 탄소 섬유에 코팅된 탄소 나노 튜브의 튜브형 구조가 산화 그래핀만 탄소 섬유에 코팅되었을 때와 달리 Z 축의 보강 효과를 가지고 있기 때문에, 탄소 섬유 복합재의 균열(Crack)을 방지할 수 있는 효과가 있다.

Description

탄소 나노 튜브/산화 그래핀 복합체가 코팅된 탄소 섬유를 포함하는 탄소 섬유 복합재 및 이의 제조방법{Carbon fiber composites comprising carbon fiber coated carbon nanotube/graphene oxide hybrid and the manufacturing method thereof}
본 발명은 탄소 나노 튜브/산화 그래핀 복합체가 코팅된 탄소 섬유를 포함하는 탄소 섬유 복합재 및 이의 제조방법에 관한 것이다.
탄소 나노 튜브(Carbon nanotube)는 6 각형 고리로 연결된 탄소들이 긴 대롱 모양을 이루는 지름 1 nm 크기의 미세한 분자이다. 탄소 원자가 3 개씩 결합하여 벌집 모양의 구조를 갖게 된 탄소 평면이 도르르 말려서 튜브 모양이 됐다고 해서 붙여진 이름이다. 인장력이 강철보다 100 배 강하고 유연성이 뛰어난 미래형 신소재이다. 속이 비어있어 가벼우며, 전기도 구리만큼 잘 통하며, 열전도도 다이아몬드 만큼이나 좋은 것으로 알려져 있다. 게다가 탄소 나노 튜브는 그 튜브의 지름이 얼마나 되느냐에 따라 도체가 되기도 하고 반도체가 되는 성질이 있음이 밝혀지면서 차세대 반도체 물질로도 각광을 받고 있다.
한편, 그래핀(graphene)은 2007 년부터 전 세계적으로 주목받기 시작한 탄소계 신소재로서, 흑연(graphite)의 층상 구조에서 고립된 단일층 또는 10 층 미만의 층으로, 3 개의 전자가 sp2 결합을 하고, 1개의 전자는 2 차원적 평면의 상·하면에 π-결합을 한 평면 벌집 모양의 구조를 갖는다. 이러한 구조를 갖는 그래핀은 2 차원 평면에서 전자들의 움직임이 탄도성(Ballistic)을 갖게 되어, 길이에 상관없는 전기전도성을 나타내므로 허용전류밀도가 109 A/cm2으로서 구리 및 은 등과 같은 금속의 1,000 배 이상의 전류밀도를 나타내며, 탄소 나노 튜브(Carbon nanotube)보다 전기전도도가 더 좋은 것으로 평가되고 있다. 그래핀의 이러한 특성에 기인하여, 도전재료, 전자파 차폐재료, 태양전지, 고분자 복합재료 등에 응용되고 있다.
이러한 그래핀의 여러 형태 가운데, 산화 그래핀(Graphene oxide, GO)은 많은 친수성 산소 작용기(Oxygen-functional group)를 가지고 있으며, 이러한 산소 작용기는 복합 재료를 보강할 수 있는 높은 가공성을 부여할 수 있다.
한편, 탄소 섬유 복합재는 비강도, 비탄성, 내열성과 같은 물성이 다른 종류의 섬유에 비해 월등히 우수하고, 경량이면서 고강도, 고탄성 복합체를 만들 수 있는 장점이 있는 물질이다. 탄소 섬유 복합재에 있어서, 탄소 섬유를 포함하는 매트릭스가 플라스틱인 것을 탄소 섬유 강화 플라스틱이라 하고, 금속인 것을 탄소 섬유 강화 금속, 탄소인 것을 탄소 복합 재료라고 한다.
상기 탄소 섬유 복합재는 1950 년대에서 시작되어 오늘날에 이르기까지 여러 분야에서 사용이 점차 증가하고 있다. 특히, 탄소 섬유 복합재의 발달은 소재 고유의 특성인 비강성, 내식성, 내마모성, 고강도, 우수한 감쇠 특성으로 현재 항공산업에 가장 많이 사용되고 있으며, 스포츠용품, 기계구조물, 자동차 등 많은 분야에서 사용이 점차 증가하고 있다.
그중, 직물 복합재는 취급이 용이하고 유연성이 높기 때문에 복잡한 형상을 가지는 금형에 적용하기가 수월하여 열성형(Thermoforming)이나 RTM(Resin Transfer Moulding) 및 여러 가지 드레이핑(Draping) 재료로 많이 사용되고 있다.
이러한 탄소 섬유 복합재는 적층형 제조 공정으로 인해 두께 방향의 성능이 떨어져 층간 분리 현상 등의 내부 결함이 발생할 수 있다. 이를 해결하기 위한 방법으로는 섬유와 수지 간의 계면 결합력을 향상시키는 방법이 있으며, 이를 위해 플라즈마 처리를 하거나 복합재 내부에 탄소 나노 입자 등을 첨가하여 기계적 강도를 향상시키는 연구가 활발히 진행되고 있다.
상기와 같이, 탄소 섬유 복합재를 제조하는 종래 기술에 따르면, 대한민국 등록특허 제10-1073998호에서는 기계적 및 전기적 특성이 향상된 전도성 고분자 복합재료가 기재된 바 있다. 상세하게는, 고분자 수지 내에 탄소 나노 튜브(CNT)와 그래핀을 동시에 분산시켜 제조하되, 상기 탄소 나노 튜브는 다중벽 탄소 나노 튜브를 200 ~ 500 ℃의 온도에서 산소분위기로 열처리한 것을 질산 원액에 침적시켜 금속성 촉매 물질을 완전히 제거한 다음 증류수로 세척한 후 n-헥산(Hexane)에 침적 처리한 것을 건조하여 사용하는 것을 특징으로 하는 전도성 고분자 복합재료의 제조방법을 제공한다. 그러나, 상기 복합재는 탄소 나노 튜브를 산 처리함으로써 물성 및 전기전도도 등의 특성이 떨어지는 문제가 있다.
또한, 대한민국 공개특허 제10-2013-0060859호에서는 그래핀-탄소나노튜브 복합 재료의 제조 방법이 기재된 바 있다. 상세하게는, 복합 재료의 제조 방법으로서, 그래핀 및 탄소나노튜브 원료를 준비하는 과정; 용매를 마련하는 과정; 및 상기 용매에 상기 그래핀 및 탄소나노튜브 원료를 용해시켜 분산액을 형성하는 과정;을 포함하며, 상기 용매는 실란을 함유하는 용액을 포함하는 복합 재료의 제조 방법을 제공한다. 그러나, 상기 복합재는 탄소 나노 튜브가 분산되기 어려운 조건이며, 이에 따라 제조되는 복합재의 물성이 부족한 문제가 있다.
이에, 본 발명자들은 기계적 강도와 전기전도도가 우수한 탄소 섬유 복합재를 연구하던 중, 탄소 나노 튜브/산화 그래핀 복합체가 코팅된 탄소 섬유를 포함하는 탄소 섬유 복합재를 개발하였으며, 상기 탄소 섬유 복합재는 극미량의 산화 그래핀을 포함하여, 탄소 나노 튜브의 분산성을 높일 수 있으며, 탄소 나노 튜브의 어떠한 처리도 하지 않음으로써 기계적 강도와 전기전도도가 우수한 것을 발견하고, 본 발명을 완성하였다.
본 발명의 목적은 탄소 나노 튜브/산화 그래핀 복합체가 코팅된 탄소 섬유를 포함하는 탄소 섬유 복합재 및 이의 제조방법을 제공하는 데 있다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은
고분자 기지; 및
상기 고분자 기지 내로 구비되는 탄소 섬유를 포함하고,
상기 탄소 섬유는 그 표면에 탄소 나노 튜브/산화 그래핀 복합체(Carbon nanotube/Graphene oxide hybrid)가 코팅된 것을 특징으로 하는 탄소 섬유 복합재를 제공한다.
또한, 본 발명은
탄소 섬유에 탄소 나노 튜브/산화 그래핀 복합체(Carbon nanotube/Graphene oxide hybrid)를 코팅하는 단계(단계 1); 및
상기 단계 1에서 탄소 나노 튜브/산화 그래핀 복합체가 코팅된 탄소 섬유 복수개를 적층하고, 적층재로 고분자기지를 부가하여 탄소 섬유 복합재를 제조하는 단계(단계 2);를 포함하는 탄소 섬유 복합재의 제조방법을 제공한다.
나아가, 본 발명은
상기의 탄소 섬유 복합재를 포함하는 항공기 재료를 제공한다.
또한, 본 발명은
상기의 탄소 섬유 복합재를 포함하는 전자파 차폐재를 제공한다.
본 발명에 따른 탄소 섬유 복합재는 탄소 나노 튜브의 구조 변경이나 물성 저하 없이 산화 그래핀과 복합체를 제조하고, 이를 코팅한 탄소 섬유를 포함하는 탄소 섬유 복합재로써, 탄소 나노 튜브의 우월한 전기전도도를 가지는 효과가 있다. 또한, 탄소 섬유에 코팅된 탄소 나노 튜브의 튜브형 구조가 산화 그래핀만 탄소 섬유에 코팅되었을 때와 달리 Z 축의 보강 효과를 가지고 있기 때문에, 탄소 섬유 복합재의 균열(Crack)을 방지할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 산화 그래핀을 코팅하는 방법인 전기영동법을 나타낸 모식도이고;
도 2는 본 발명에 따른 실시예 1 및 비교예 1에서 제조된 탄소 나노 튜브들과 대조군 1인 탄소 나노 튜브의 주사 전자 현미경(Scanning electron microscope) 사진이고;
도 3은 본 발명에 따른 실시예 2 및 비교예 2에서 제조된 탄소 나노 튜브들과 대조군 2인 탄소 나노 튜브의 주사 전자 현미경(Scanning electron microscope) 사진이고;
도 4는 본 발명에 따른 실시예 3 내지 실시예 6에서 제조된 탄소 섬유들과 대조군 3인 탄소 섬유의 주사 전자 현미경(Scanning electron microscope) 사진이고;
도 5는 본 발명에 따른 실시예 7 내지 실시예 10 및 비교예 3에서 제조된 탄소 섬유 복합재들의 층간 전단 응력을 나타낸 그래프이고;
도 6은 본 발명에 따른 실시예 7 에서 제조된 탄소 섬유 복합재의 단보 전단 시험(Short-beam shear test) 후, 주사 전자 현미경(Scanning electron microscope) 사진이고;
도 7은 본 발명에 따른 실시예 7 내지 실시예 10 및 비교예 3에서 제조된 탄소 섬유 복합재들의 전기전도도를 나타낸 그래프이다.
본 발명은
고분자 기지; 및
상기 고분자 기지 내로 구비되는 탄소 섬유를 포함하고,
상기 탄소 섬유는 그 표면에 탄소 나노 튜브/산화 그래핀 복합체(Carbon nanotube/Graphene oxide hybrid)가 코팅된 것을 특징으로 하는 탄소 섬유 복합재를 제공한다.
이하, 본 발명의 탄소 섬유 복합재에 대하여 상세히 설명한다.
표면이 처리되지 않은 탄소 나노 튜브(Carbon nanotube)는 물에 대한 분산성이 없기 때문에 분산 시 탄소 나노 튜브끼리 응집되어 존재하고 복합화(Hybrid)하기 어려운 문제가 있다.
이러한 문제점으로 인해, 일반적으로 탄소 나노 튜브를 복합화하는 방법으로는 강한 산 등을 도입하여 강한 sp2 구조를 깨고 다른 물질을 합성할 수 있는 작용기를 붙이는 방법이 있다. 하지만, 상기 방법은 탄소 나노 튜브 고유의 구조를 변형시키는 것이기 때문에 본래 가지고 있던 물성이 저하될 수밖에 없다는 문제가 있다.
한편, 산화 그래핀(Graphene oxide)은 많은 친수성 산소 작용기(Oxygen-functional group)를 가지고 있다. 이러한 산화 그래핀의 산소 작용기는 탄소 섬유와 고분자 기지와의 젖음성 향상뿐만 아니라, 탄소 나노 튜브의 분산성을 향상시키는데 우수한 효과를 가지고 있다.
이에, 분산도가 낮은 탄소 나노 튜브에 산화 그래핀을 분산 시킨 용액을 사용하면, 산화 그래핀과 탄소 나노 튜브의 파이-파이 상호 작용(π-π interaction)에 의해 쉽게 결합하고 산화 그래핀에 붙어 있는 다양한 산소 작용기에 의해 탄소 나노 튜브의 물 속에서의 분산성을 크게 향상시킬 수 있다. 또한, 탄소 나노 튜브를 사용하여 강한 산 처리에 의한 표면 활성 방법을 사용하지 않고 표면에 (-) 전하를 가지고 있는 산화 그래핀을 부착시킴으로써, 탄소 나노 튜브의 구조 변경이나 물성 저하 없이 쉽게 복합화할 수 있는 효과가 있다.
따라서, 본 발명에 따른 탄소 섬유 복합재는 탄소 나노 튜브의 우월한 전기전도도를 가진다. 또한, 탄소 섬유에 코팅된 탄소 나노 튜브의 튜브형 구조가 산화 그래핀만 탄소 섬유에 코팅되었을 때와 달리 Z 축의 보강 효과를 가지고 있기 때문에, 탄소 섬유 복합재의 균열(Crack)을 방지할 수 있으며, 산화 그래핀만 코팅되어있을 때보다 13 배 이상의 전기전도도 향상을 기대할 수 있다.
본 발명에 따른 탄소 섬유 복합재에 있어서, 상기 고분자 기지는 에폭시 수지, 페놀 수지, 비닐에스터 수지, 불포화 폴리에스테르 수지 등의 열경화성 수지와 폴리에스테르 수지, 폴리에틸렌 수지, 폴리이미드 수지, 폴리올레핀 수지, 폴리에테르에테르케톤 수지, 폴리에테르설폰 수지 및 폴리염화비닐 수지 등의 열가소성 수지를 사용할 수 있으나, 통상적인 탄소 섬유 복합재에 사용되는 고분자 기지라면 사용할 수 있으며, 이에 특별히 제한되는 것은 아니다.
본 발명에 따른 탄소 섬유 복합재에 있어서, 상기 탄소 나노 튜브/산화 그래핀 복합체(Carbon nanotube/Graphene oxide hybrid)가 코팅된 탄소 섬유는 전체 중량 기준으로 0.01 내지 1.0 중량%의 탄소 나노 튜브/산화 그래핀 복합체를 포함할 수 있다. 바람직하게는, 0.04 내지 0.8 중량%를 포함할 수 있으며, 더욱 바람직하게는 0.44 내지 0.77 중량%를 포함할 수 있다. 만약, 상기 탄소 섬유에 탄소 나노 튜브/산화 그래핀 복합체가 0.01 중량% 미만으로 코팅되어 있는 경우에는 탄소 나노 튜브/산화 그래핀 복합체의 코팅에 따른 효과가 미미한 문제가 있으며, 1.0 중량%를 초과하여 코팅되어 있는 경우에는 전기전도도는 향상되지만, 기계적 강도가 감소하는 문제가 있다.
본 발명에 따른 탄소 섬유 복합재에 있어서, 상기 탄소 섬유는 전체 탄소 섬유 복합재에 대하여 40 내지 80 중량%를 포함할 수 있다. 만약, 상기 탄소 섬유가 전체 탄소 섬유 복합재에 대하여 40 중량% 미만이 포함되는 경우에는 탄소 섬유 복합재의 기계적 강도가 부족한 문제가 있으며, 80 중량%를 초과하는 경우에는 탄소 섬유가 과량 사용되어 경제적이지 못한 문제가 있다.
또한, 본 발명은
탄소 섬유에 탄소 나노 튜브/산화 그래핀 복합체(Carbon nanotube/Graphene oxide hybrid)를 코팅하는 단계(단계 1); 및
상기 단계 1에서 탄소 나노 튜브/산화 그래핀 복합체가 코팅된 탄소 섬유 복수개를 적층하고, 적층재로 고분자기지를 부가하여 탄소 섬유 복합재를 제조하는 단계(단계 2);를 포함하는 탄소 섬유 복합재의 제조방법을 제공한다.
이하, 본 발명에 따른 탄소 섬유 복합재의 제조방법을 각 단계별로 상세히 설명한다.
본 발명에 따른 탄소 섬유 복합재의 제조방법에 있어서, 상기 단계 1은 탄소 섬유에 탄소 나노 튜브/산화 그래핀 복합체(Carbon nanotube/Graphene oxide hybrid)를 코팅하는 단계이다.
이때, 상기 단계 1의 코팅은 탄소 섬유에 탄소 나노 튜브/산화 그래핀 복합체를 코팅할 수 있는 방법이면 제한 없이 사용할 수 있지만, 일례로서,
탄소 나노 튜브 및 계면활성제를 극성 용매에 첨가하여 탄소 나노 튜브를 분산시킨 후, 상기 탄소 나노 튜브가 분산된 용액에 산화 그래핀을 첨가하여 분산액을 제조하는 단계(단계 a);
상기 단계 a에서 제조된 분산액에 탄소 섬유 및 스테인레스 스틸 전극을 투입하고 전압을 가하여 탄소 나노 튜브/산화 그래핀 복합체를 증착시키는 단계(단계 b);를 포함하는 전기영동법(Electrophoretic deposition)을 통해 수행될 수 있다.
먼저, 상기 단계 a는 탄소 나노 튜브 및 계면 활성제를 물에 첨가하여 탄소 나노 튜브를 분산시킨 후, 상기 탄소 나노 튜브가 분산된 용액에 산화 그래핀을 첨가하여 분산액을 제조하는 단계이다.
구체적으로, 상기 단계 a는 탄소 나노 튜브에 계면 활성제를 사용하여 다발로 이루어진 탄소 나노 튜브를 다수의 가닥으로 분산시킨 후, 산화 그래핀을 사용하여 더욱 분산시킨 분산 용액을 제조하는 단계이다.
일반적으로 탄소 나노 튜브의 분산을 위해 수행하는 강한 산처리는 탄소 나노 튜브 자체의 구조 파괴에 의하여 특성 저하를 초래하므로 상용화되어 있는 계면 활성제를 사용하여 1 차적을 탄소 나노 튜브를 분산시킨다. 계면활성제는 한 분자 내에 친수성기와 친유성기가 함께 존재하여 탄소 나노 튜브 입자에 비극성 부분이 흡착되고 밖으로 향해 있는 극성 부분에 의해 물과 같은 극성 용매에 분산이 가능하다.
또한, 상기와 같이 계면 활성제로 탄소 나노 튜브를 분산시킨 후, 산화 그래핀을 사용하면, 산화 그래핀에 존재하는 다양한 산소 작용기(Oxygen-functional group)와 탄소 나노 튜브의 파이-파이 상호 작용(π-π interaction)에 의해 물 속에서의 분산성을 크게 향상시킬 수 있다.
이때, 상기 단계 a의 계면 활성제는 탄소 나노 튜브를 용매에 분산시킬 수 있는 계면 활성제면 제한 없이 사용할 수 있으며, 바람직하게는 비이온성 계면 활성제, 음이온계 계면 활성제, 양이온계 계면 활성제 및 양성 계면 활성제 등의 계면 활성제를 사용할 수 있다. 더욱 바람직하게는, 비이온성 계면 활성제의 일례로서 플루로닉(Pluronic)을 사용하거나, 음이온성 계면 활성제의 일례로서 소듐도데실설페이트(Sodium dodecyl sulfate, SDS)를 사용할 수 있다.
또한, 상기 단계 a의 분산액에서 계면 활성제의 함량은 0.01 내지 0.05 중량%인 것이 바람직하다. 만약, 상기 단계 a의 분산액에서 계면 활성제의 함량이 0.01 중량% 미만일 경우에는 탄소 나노 튜브를 충분히 분산시키지 못하는 문제가 있으며, 0.05 중량%를 초과하는 경우에는 과량의 계면 활성제가 존재하여 산화 그래핀과의 복합화를 방해하는 문제가 있다.
상기 단계 a의 분산액에서 탄소 나노 튜브의 함량은 0.01 내지 0.1 중량%인 것이 바람직하다. 만약, 상기 단계 a의 분산액에서 탄소 나노 튜브의 함량이 0.01 중량% 미만일 경우에는 제조되는 탄소 섬유 복합재의 전기전도도가 부족한 문제가 있으며, 0.1 중량%를 초과하는 경우에는 계면활성제에 의한 분산에 한계가 있으며 잘 분산되지 않은 상태에서 전기영동공정을 진행하였을 때, 탄소섬유 표면에 부착되는 탄소나노튜브와 그래핀 하이브리드가 균일성이 크게 저하되어 섬유 표면에 탄소나노튜브가 일부 응집되어 부착이 될 수 있어, 제조되는 탄소 섬유 복합재의 전기전도도는 향상하지만, 기계적 강도가 떨어지는 문제가 있다.
또한, 상기 단계 a의 산화 그래핀은 화학적 합성법에 의하여 제조될 수 있다. 예를 들어, 그라파이트 분말을 과망간산칼륨, 오산화인이 포함된 황산용액에 투입한 후, 이를 걸러내고 탈이온수로 세척하여 건조하면 산처리된 그라파이트 분말을 얻게 된다. 상기 산처리된 그라피트 분말에 과망산칼륨과 과산화수소를 첨가하고 이를 여과한 후, 미반응된 그라파이트를 제거한다. 또한 상기 반응시 존재한 망간을 제거하기 위하여 염산과 물, 알코올이 혼합된 용액에 세척한 후, 이를 중성이 될 때까지 원심분리기를 통하여 세척을 하면 화학적으로 합성된 산화 그래핀을 얻을 수 있다.
이때, 상기 단계 a의 분산액에서 산화 그래핀의 함량은 0.0003 내지 0.03 중량%인 것이 바람직하다. 만약, 상기 단계 a의 분산액에서 산화 그래핀의 함량이 0.0003 중량% 미만일 경우에는 산화 그래핀의 함량이 적어 증착 효과가 미미할 뿐만 아니라, 탄소 나노 튜브를 분산시킬 수 없는 문제가 있으며, 0.03 중량%를 초과하는 경우에는 산화 그래핀이 탄소 섬유에 과량 코팅되어 탄소 섬유 표면에 막을 형성하여 복합재 제조 시, 수지 함침을 막기 때문에 접착력이 감소하여 기계적 강도가 떨어지는 문제가 있다.
또한, 상기 단계 a의 극성 용매는 탄소 나노 튜브 및 산화 그래핀을 분산시킬 수 있으며, 전기영동에 적합한 용매라면 제한 없이 선택하여 사용할 수 있다. 바람직하게는, 물, 염기성 수용액, 극성 비양자성 용매 및 알콜계 유기용매를 사용할 수 있으며, 더욱 바람직하게는 염기성 수용액의 일례로서 수산화칼륨(KOH) 수용액을 사용하거나, 극성 비양자성 용매의 일례로서 디메틸포름아마이드(DMF)를 사용하거나, 알콜계 유기용매의 일례로서 에탄올(Ethanol)을 사용할 수 있다. 가장 바람직하게는 물을 사용할 수 있다.
다음으로, 상기 단계 b는 상기 단계 a에서 제조된 분산액에 탄소 섬유 및 스테인레스 스틸 전극을 투입하고 전압을 가하여 탄소 나노 튜브/산화 그래핀 복합체를 증착시키는 단계이다.
구체적으로, 상기 단계 b의 탄소 나노 튜브/산화 그래핀 복합체의 증착은 도 1에 나타낸 바와 같이 증착될 기판으로 탄소 섬유를 상대 전극으로 스테인리스 스틸을 (+), (-) 전극에 설치하고 전압을 가함으로써 전기영동에 의해 수행된다. 탄소 나노 튜브/산화 그래핀 복합체는 산화 그래핀의 표면에 존재하는 카르복실기에 의해 표면에 (-) 전하를 가지게 되는데 이 표면의 (-) 전하에 의해 전원 공급장치에 의해 (+) 전압이 가해진 탄소 섬유 표면에 증착이 가능하다. 이때, 도 1에 나타낸 바와 같이, 스테인리스 스틸과 탄소 섬유를 번갈아 위치시킴으로써, 탄소 섬유 양면에 균일하게 탄소 나노 튜브/산화 그래핀 복합체를 증착시킬 수 있으며, 여러 장의 탄소 섬유에 탄소 나노 튜브/산화 그래핀 복합체를 동시에 증착시킬 수 있다.
또한, 상기 단계 b에서 탄소 나노 튜브/산화 그래핀 복합체를 증착하기 위하여 전기영동법을 수행할 때, 상기 탄소 섬유 및 스테인레스 스틸 전극 사이의 간격은 5 내지 20 mm인 것이 바람직하며, 5 mm인 것이 가장 바람직하다. 만약, 상기 단계 b에서 탄소 섬유 및 스테인레스 스틸 전극 사이의 간격이 5 mm 미만인 경우에는 서로 반대 전하를 나타내는 전극의 간격이 너무 가까워 증착을 위한 (+) 전압이 인가된 탄소 섬유로의 탄소 나노 튜브/산화 그래핀 복합체 입자의 이동을 저해하는 문제가 있으며, 20 mm를 초과하는 경우에는 전극과 입자의 표면 전하 간의 상호작용이 떨어져 탄소 섬유에 탄소 나노 튜브/산화 그래핀 복합체를 증착하기 어려운 문제가 있다.
나아가, 상기 단계 b에서 탄소 나노 튜브/산화 그래핀 복합체를 증착하기 위하여 전기영동법을 수행할 때, 가해지는 전압은 3 내지 20 V인 것이 바람직하며, 가장 바람직하게는 5 V의 전압을 인가할 수 있다. 만약, 상기 단계 b에서 3 V 미만의 전압을 인가하는 경우에는 낮은 전압에서 증착이 되기 때문에 에너지효율이 높다는 장점이 있지만 증착이 일어나는 힘이 너무 작아 증착 자체가 되지 않을 수 있는 문제가 있으며, 20 V를 초과하는 전압을 인가하는 경우에는 단시간에 너무 두꺼운 탄소 나노 튜브/산화 그래핀 복합체 층이 증착되거나 수계 분산액을 사용하기 때문에 스파크로 인한 사고의 위험이 있는 문제가 있다.
또한, 상기 단계 b에서 탄소 나노 튜브/산화 그래핀 복합체를 증착하기 위하여 전기영동법을 수행할 때, 0.5 내지 10 분 동안 수행되는 것이 바람직하며, 1 분 동안 수행하는 것이 가장 바람직하다. 만약, 상기 단계 b에서 전기영동법이 0.5 분 미만으로 수행될 경우에는 탄소 섬유에 탄소 나노 튜브/산화 그래핀 복합체가 충분히 증착되지 못하는 문제가 있으며, 10 분을 초과하는 경우에는 용액 내에 있는 탄소 나노 섬유/산화 그래핀 복합체가 탄소 섬유에 충분히 증착되어 있으므로, 경제적이지 못한 문제가 있다.
다음으로, 본 발명에 따른 탄소 섬유 복합재의 제조방법에 있어서, 단계 2는 상기 단계 1에서 탄소 나노 튜브/산화 그래핀 복합체가 코팅된 탄소 섬유 복수개를 적층하고, 적층재로 고분자기지를 부가하여 탄소 섬유 복합재를 제조하는 단계이다.
구체적으로, 상기 단계 2의 고분자 기지는 에폭시 수지, 페놀 수지, 비닐에스터 수지, 불포화 폴리에스테르 수지 등의 열경화성 수지와 폴리에스테르 수지, 폴리에틸렌 수지, 폴리이미드 수지, 폴리올레핀 수지, 폴리에테르에테르케톤 수지, 폴리에테르설폰 수지 및 폴리염화비닐 수지 등의 열가소성 수지를 사용할 수 있으나, 통상적인 탄소 섬유 복합재에 사용되는 고분자 기지라면 사용할 수 있으며, 이에 특별히 제한되는 것은 아니다.
또한, 상기 단계 3의 탄소 섬유 복합재의 제조는 진공성형(VARTM, Vacuum assisted resin transfer molding), 압축 성형, 진공백 성형 및 오토클레이브 성형 등의 방법을 통해 수행할 수 있다. 바람직하게는, 진공성형 방법을 통해 수행할 수 있다.
이때, 상기 진공성형(VARTM, Vacuum assisted resin transfer molding)은 진공의 힘을 이용하여 고분자 수지가 주입되면서 금형 내부의 기포를 배출시키며 대기압만큼의 힘으로 진공백 면을 통하여 수직의 압력이 가해져 제품 내부의 기공을 줄여주고 섬유 체적율을 높여줄 수 있는 가공방법이다. 본 발명에 따른 탄소섬유강화플라스틱 복합재는 상기 진공성형을 통해 가공됨으로써 기공 등이 포함되어 균열이 발생할 가능성을 낮추고, 섬유 체적율을 높일 수 있다.
또한, 본 발명은
상기의 탄소 섬유 복합재를 포함하는 항공기 재료를 제공한다.
항공기 재료는 가벼워야 할 뿐만 아니라 비행하중을 지지할 수 있는 충분한 강도 및 강성이 요구되므로 날개 설계에 탄소 섬유 복합재가 사용된다.
본 발명에 따른 탄소 섬유 복합재는 탄소 섬유에 탄소 나노 튜브/산화 그래핀 복합체가 코팅되어 섬유와 섬유 사이에서 고분자 기지와의 계면 결합력을 향상시킬 수 있다. 또한, 탄소 나노 튜브는 튜브형의 구조가 Z 축의 보강효과도 가지고 있기 때문에 탄소 섬유 복합재의 균열 방지에 효과적이다.
나아가, 본 발명은
상기의 탄소 섬유 복합재를 포함하는 전자파 차폐재를 제공한다.
전기/전자 제품의 다기능, 소형화 및 정보통신기기의 발전으로 전자파 사용대역이 점점 고주파 대역으로 이동하는 등 일상생활에서 전자기파 공해가 꾸준히 증가하는 추세이다. 이로 인한 폐해로서, 발출된 전자기파가 주변 기기의 오작동이나 시스템 오류를 유발할 수 있는 문제가 있으며, 인체에 발열을 유발하는 등의 직접적인 피해를 주는 문제가 있다. 따라서, 이를 방지하는 효과적인 전자기파 차폐 기술의 개발은 그 중요성을 더해가고 있다.
이에, 본 발명에 따른 탄소 섬유 복합재를 포함하는 전자파 차폐재는 탄소 나노 튜브/산화 그래핀 복합체가 코팅된 탄소 섬유를 포함함으로써, 높은 전기전도도와 높은 기계적 강도를 가지고 있다. 또한, 탄소 나노 튜브와 산화 그래핀을 복합화하여 도입함으로써 충분한 기계적 강도 및 매우 높은 전기전도도를 가지고 있으며, 복합 수지를 사출하는 공정만으로 제품화가 가능하기 때문에 생산가격 및 생산성 측면에서 이점을 가진다.
이하, 본 발명을 하기의 실시예 및 실험예에 의해 보다 상세하게 설명한다.
단, 하기 실시예 및 실험예는 본 발명의 내용을 예시하는 것일 뿐 발명의 범위가 실시예 및 실험예에 의해 한정되는 것은 아니다.
<제조예 1> 산화 그래핀의 합성
산화 그래핀의 제조는 변형된 Hummers 방법을 이용하였다.
단계 1: 그라파이트 분말(Graphite, Aldrich) 10 g을 황산(Sulphuric acid, Aldrich) 50 mL에 투입한 후, 과황화칼륨(Potassium persulfate, Aldrich) 10 g과 오산화인(Phosphorus pentoxide, Aldrich) 10 g을 혼합하여 80 ℃의 온도에서 4 시간 동안 반응시킨다. 그 후, 상기 용액에 증류수 2 L를 첨가하여 희석시킨 후, 12 시간 동안 교반시킨다.
또한, 상기 교반시킨 용액을 에스터 셀룰로오스 멤브레인 필터(Millipore, 0.2 ㎛)를 사용하여 여과시킨 후, 전처리된 그라파이트 분말을 증류수로 세척하여 진공 오븐에서 건조시킨다.
단계 2: 80 mL의 증류수, 62 g의 오산화인(Aldrich) 및 480 mL의 황산(Aldrich)가 혼합된 용액을 0 ℃의 얼음 욕조에 넣어 용액의 온도를 0 ℃로 유지한 후, 상기 단계 1에서 전처리된 그라파이트 분말 4 g과 과망간산칼륨(Potassium permanganat, Aldrich) 24 g을 혼합하여 12 시간 동안 교반시킨다. 그 후, 소니케이터(Power Sonic 410, Hwashin Instrument)를 사용하여 상기 용액을 1 시간 동안 초음파 처리를 수행하였다.
그 후, 상기 초음파 처리된 용액에 600 mL의 물을 첨가하고, 이어 과산화수소(Hydrogen peroxide, Aldrich) 8.0 mL를 첨가하였다. 상기 용액을 일주일동안 하루에 2 시간씩 추가 교반과 초음파 처리를 수행하였다.
단계 3: 상기 단계 2의 추가 교반과 초음파 처리가 수행된 용액의 반응하지 않은 과망간산칼륨 입자를 녹이기 위하여, 염산(Hydrochloric acid, Aldrich) 300 mL와 에탄올(Ethanol, Aldrich) 300 mL를 첨가하였다.
상기 혼합물을 1 시간 동안 7,500 RPM의 속도로 원심분리를 수행하였다. 분리된 상층액이 중화될 때까지 메탄올/에테르(3:2) 용액으로 세척하고, 반복하여 원심분리를 수행한다.
이후, 퇴적되는 산화 그래핀 분말을 회수하여 12 시간 동안 실온에서 진공 건조하였다.
<실시예 1> 탄소 나노 튜브/산화 그래핀 복합체의 제조 1
단계 1: 탄소 나노 튜브(Chopped CNT, ACN, C-CNT) 0.01 g과 플루로닉(Pluronic) 0.5 g을 물 100 mL에 첨가하였다. 그 후, 초음파 세척기(Branson 5510)를 사용하여 6 시간 동안 초음파 처리함으로써 탄소 나노 튜브를 분산시켰다.
단계 2: 제조예 1에서 합성한 산화 그래핀 0.003 g을 1,000 mL의 증류수에 분산시켜 분산 용액을 제조하여, 상기 단계 1의 탄소 나노 튜브가 분산된 용액에 산화 그래핀을 분산시킨 분산 용액을 첨가하였다. 그 후, 초음파 세척기(Branson 5510)를 사용하여 30 분 동안 초음파 처리함으로써 탄소 나노 튜브/산화 그래핀 복합체를 제조하였다.
<실시예 2> 탄소 나노 튜브/산화 그래핀 복합체의 제조 2
단계 1: 탄소 나노 튜브(Multiwall CNT, 한화나노텍, CM-95) 0.01 g 과 소듐도데실설페이트(Sodium dodecyl sulfate) 0.01 g을 물 100 mL에 첨가하였다. 그 후, 초음파 세척기(Branson 5510)를 사용하여 6 시간 동안 초음파 처리함으로써 탄소 나노 튜브를 분산시켰다.
단계 2: 제조예 1에서 합성한 산화 그래핀 0.003 g을 1,000 mL의 증류수에 분산시켜 분산 용액을 제조하여, 상기 단계 1의 탄소 나노 튜브가 분산된 용액에 산화 그래핀을 분산시킨 분산 용액을 첨가하였다. 그 후, 초음파 세척기(Branson 5510)를 사용하여 30 분 동안 초음파 처리함으로써 탄소 나노 튜브/산화 그래핀 복합체를 제조하였다.
<실시예 3> 탄소 나노 튜브/산화 그래핀 복합체가 코팅된 탄소 섬유의 제조 1
상기 실시예 1에서 제조된 탄소 나노 튜브/산화 그래핀 복합체가 분산된 분산액을 반응 용기에 담고, 탄소 섬유 직물(80 × 110 mm, 면밀도=22 mg/cm2, TR30, Mitsubishi)과 0.2 mm 두께의 스테인리스 스틸 기판을 각각 (+), (-)전압을 가해 줄 수 있도록 전압 공급 장치(6035A System DC Power Supply, Agilent Technologies)로 연결을 한다.
두 전극간의 간격은 5 mm로 고정하고, 증착을 위한 전압은 5 V, 전압을 인가하는 시간은 2 분간 상온에서 수행하여 탄소 섬유 직물에 탄소 나노 섬유/산화 그래핀 복합체를 코팅하였다.
<실시예 3> 탄소 나노 튜브/산화 그래핀 복합체가 코팅된 탄소 섬유의 제조 2
상기 실시예 1에서 제조된 탄소 나노 튜브/산화 그래핀 복합체가 분산된 분산액을 반응 용기에 담고, 탄소 섬유 직물(80 × 110 mm, 면밀도=22 mg/cm2, TR30, Mitsubishi)과 0.2 mm 두께의 스테인리스 스틸 기판을 각각 (+), (-)전압을 가해 줄 수 있도록 전압 공급 장치(6035A System DC Power Supply, Agilent Technologies)로 연결을 한다.
두 전극간의 간격은 5 mm로 고정하고, 증착을 위한 전압은 10 V, 전압을 인가하는 시간은 1 분간 상온에서 수행하여 탄소 섬유 직물에 탄소 나노 섬유/산화 그래핀 복합체를 코팅하였다.
<실시예 5> 탄소 나노 튜브/산화 그래핀 복합체가 코팅된 탄소 섬유의 제조 3
상기 실시예 3에서 실시예 2에서 제조된 탄소 나노 튜브/산화 그래핀 복합체가 분산된 분산액을 사용한 것을 제외하고는 상기 실시예 3과 동일하게 수행하여 탄소 섬유 복합재를 제조하였다.
<실시예 6> 탄소 나노 튜브/산화 그래핀 복합체가 코팅된 탄소 섬유의 제조 4
상기 실시예 4에서 실시예 2에서 제조된 탄소 나노 튜브/산화 그래핀 복합체가 분산된 분산액을 사용한 것을 제외하고는 상기 실시예 4와 동일하게 수행하여 탄소 섬유 복합재를 제조하였다.
<실시예 7> 탄소 섬유 복합재의 제조 1
단계 1: 실시예 3에서 제조된 탄소 나노 튜브/산화 그래핀 복합체가 코팅된 탄소 섬유를 14 장 적층하였다.
단계 2: 상기 단계 1에서 적층된 탄소 섬유에 진공성형(VARTM, Vacuum assisted resin transfer molding) 공정으로 에폭시 수지(YD-128, Kukdo Chemicals)와 경화제(KBH-1089, Kukdo Chemicals)를 주입한 후, 120 ℃의 고온가압기에서 2 시간 동안 경화하여 탄소 섬유 복합재를 제조하였다.
<실시예 8> 탄소 섬유 복합재의 제조 2
상기 실시예 7의 단계 1에서 실시예 2에서 제조된 부분적으로 환원된 산화 그래핀이 코팅된 탄소 섬유를 적층한 것을 제외하고는 상기 실시예 7과 동일하게 수행하여 탄소 섬유 복합재를 제조하였다.
<실시예 9> 탄소 섬유 복합재의 제조 3
상기 실시예 7의 단계 1에서 실시예 3에서 제조된 부분적으로 환원된 산화 그래핀이 코팅된 탄소 섬유를 적층한 것을 제외하고는 상기 실시예 7과 동일하게 수행하여 탄소 섬유 복합재를 제조하였다.
<실시예 10> 탄소 섬유 복합재의 제조 4
상기 실시예 7의 단계 1에서 실시예 4에서 제조된 부분적으로 환원된 산화 그래핀이 코팅된 탄소 섬유를 적층한 것을 제외하고는 상기 실시예 7과 동일하게 수행하여 탄소 섬유 복합재를 제조하였다.
대조군 1
탄소 나노 튜브(Chopped CNT, ACN, C-CNT)를 대조군으로 비교하였다.
대조군 2
탄소 나노 튜브(Multiwall CNT, 한화나노텍, CM-95)를 대조군으로 비교하였다.
대조군 3
탄소 섬유 직물(80 × 110 mm, 면밀도=22 mg/cm2, TR30, Mitsubishi)을 대조군으로 비교하였다.
<비교예 1>
탄소 나노 튜브(Chopped CNT, ACN, C-CNT) 0.1 g과 플루로닉(Pluronic f68, Aldrich) 0.5 g을 물 100 mL에 첨가하였다. 그 후, 초음파 세척기(Branson-5510)를 사용하여 6 시간 동안 초음파 처리함으로써 탄소 나노 튜브를 분산시켰다.
<비교예 2>
탄소 나노 튜브(Multiwall CNT, 한화나노텍, CM-95) 0.1 g과 소듐도데실설페이트(Sodium dodecyl sulfate, Aldrich) 0.1 g을 물 100 mL에 첨가하였다. 그 후, 초음파 세척기(Branson-5510)를 사용하여 6 시간 동안 초음파 처리함으로써 탄소 나노 튜브를 분산시켰다.
<비교예 3>
상기 실시예 7의 단계 1에서 대조군인 탄소 섬유를 적층한 것을 제외하고는 상기 실시예 7과 동일하게 수행하여 탄소 섬유 복합재를 제조하였다.
<실험예 1> 탄소 나노 튜브/산화 그래핀 복합체의 분산성 분석
본 발명에 따른 탄소 나노 튜브/산화 그래핀 복합체의 우수한 분산 효과를 확인하기 위하여, 상기 실시예 1, 실시예 2, 비교예 1 및 비교예 2에서 분산된 탄소 나노 튜브들과 대조군 1 및 대조군 2의 탄소 나노 튜브들을 투과 전자 현미경(Transmission electron microscopy, JEOL, JEM-1010)을 사용하여 분석하였고, 이를 도 2 및 도 3에 나타내었다.
도 2(e) 및 도 3(e)에 나타낸 바와 같이, 대조군 1 및 대조군 2의 탄소 나노 튜브를 살펴보면, 모두 뭉쳐서 한 다발의 탄소 나노 튜브로 이루어진 것을 확인할 수 있다.
반면, 도 2(c), 도 2(d), 도 3(c) 및 도 3(d)를 살펴보면, 비교예 1 및 비교예 2에서 계면 활성제를 사용하여 탄소 나노 튜브를 분산시킨 경우에는 탄소 나노 튜브들을 다수의 다발로 분산시킨 것을 확인할 수 있다.
또한, 도 2(a), 도 2(b), 도 3(a) 및 도 3(b)를 살펴보면, 실시예 1 및 실시예 2에서 계면 활성제를 사용하여 탄소 나노 튜브를 분산시킨 후, 산화 그래핀을 사용하여 더욱 분산시킨 경우에는 탄소 나노 튜브들이 가닥 가닥으로 흩어져 높은 분산성을 나타내는 것을 확인할 수 있다.
이에, 산화 그래핀의 다양한 관능기에 의해 탄소 나노 튜브의 분산성이 더욱 향상되는 것을 확인할 수 있었다.
<실험예 2> 탄소 나노 튜브/산화 그래핀 복합체가 코팅된 탄소 섬유의 표면 분석
본 발명에 따른 탄소 나노 튜브/산화 그래핀 복합체가 코팅된 탄소 섬유에서, 탄소 섬유에 탄소 나노 튜브/산화 그래핀 복합체가 코팅되었는지 확인하기 위하여, 상기 대조군 3과 실시예 3 내지 실시예 6에서 제조된 탄소 섬유들을 주사 전자 현미경(Scanning electron microscopy, JEOL, JSM-5800)을 사용하여 분석하였고, 이를 도 4에 나타내었다.
도 4에 나타낸 바와 같이, 실시예 3 내지 실시예 6에서 제조된 탄소 나노 튜브/산화 그래핀 복합체가 코팅된 탄소 섬유들의 표면을 살펴보면, 탄소 나노 튜브/산화 그래핀 복합체가 섬유와 섬유 사이에 고르게 코팅되어 있는 모습을 확인할 수 있었다. 또한, 10 V의 전압을 가하여 1 분의 짧은 시간 동안 전기영동을 수행한 실시예 4 및 실시예 6에서 제조된 탄소 섬유에 코팅된 탄소 나노 튜브/산화 그래핀 복합체의 양이 5 V의 전압을 가하여 2 분의 시간 동안 전기영동을 수행한 실시예 3 및 실시예 5에서 제조된 탄소 섬유에 코팅된 탄소 나노 튜브/산화 그래핀 복합체의 양보다 더 많은 것을 확인할 수 있었다.
<실험예 3> 탄소 섬유 복합재의 기계적 강도 분석
본 발명에 따른 탄소 나노 튜브/산화 그래핀 복합체가 코팅된 탄소 섬유를 포함하는 탄소 섬유 복합재의 기계적 강도를 확인하기 위하여, 상기 실시예 7 내지 실시예 10 및 비교예 3에서 제조된 탄소 섬유 복합재들을 단보 전단 시험(Short-beam shear test, ASTM D2344)을 통해 층간 전단 강도(Interlaminar shear strength, ILSS)를 측정하였으며, 이를 도 5에 나타내었다.
도 5에 나타낸 바와 같이, 순수한 탄소 섬유와 고분자 기지를 사용하여 제조된 비교예 3의 탄소 섬유 복합재는 62 MPa의 층간 전단 강도를 보여준다. 반면, 본 발명에 따른 탄소 나노 튜브/산화 그래핀 복합체가 코팅된 탄소 섬유를 포함하는 탄소 섬유 복합재인 실시예 7 내지 실시예 10의 경우에는 최소 64 MPa에서 최대 68 MPa까지 상승한 층간 전단 강도를 보여준다.
이에, 본 발명에 따른 탄소 나노 튜브/산화 그래핀 복합체가 코팅된 탄소 섬유를 포함하는 탄소 섬유 복합재는 기계적 강도가 향상한다는 것을 확인할 수 있었다.
<실험에 4> 탄소 섬유 복합재의 균열 형상 분석
본 발명에 따른 탄소 나노 튜브/산화 그래핀 복합체가 코팅된 탄소 섬유를 포함하는 탄소 섬유 복합재의 균열 형상을 확인하기 위하여, 상기 실시예 7에서 제조된 탄소 섬유 복합재들을 단보 전단 시험(Short-beam shear test, ASTM D2344)을 수행하고 난 후, 주사 전자 현미경(Scanning electron microscopy, JEOL, JSM-5800)을 사용하여 분석하였으며, 이를 도 6에 나타내었다.
도 6에 나타낸 바와 같이, 탄소 나노 튜브/산화 그래핀 복합체가 코팅된 탄소 섬유를 포함하는 실시예 7의 탄소 섬유 복합재는 탄소 섬유에 코팅되어 있는 탄소 나노 튜브/산화 그래핀 복합체가 탄소 섬유와 에폭시 수지 계면에서 균열이 전파되는 것을 효과적으로 지연시키며 방지하는 것을 확인할 수 있었다.
또한, 계면을 따라 전파되는 균열을 억제함으로써, 발생하는 하중을 탄소 섬유에 효과적으로 전파하여 탄소 섬유가 파손되는 것이 아닌, 에폭시 수지가 파손되는 현상이 발생하였다.
나아가, 실시예 7의 탄소 섬유 표면에는 여전히 에폭시 수지가 다량 존재함으로써 탄소 섬유와 에폭시 수지 사이의 강한 결합을 확인할 수 있었다.
따라서, 본 발명에 따른 탄소 섬유 복합재는 탄소 나노 튜브/산화 그래핀 복합체가 코팅된 탄소 섬유를 포함함으로써, 탄소 섬유와의 접착성을 향상시킬 수 있어 계면 특성을 향상시킬 수 있다.
<실험예 5> 탄소 섬유 복합재의 전기전도도 분석
본 발명에 따른 탄소 나노 튜브/산화 그래핀 복합체가 코팅된 탄소 섬유를 포함하는 탄소 섬유 복합재의 전기전도도를 확인하기 위하여, 상기 실시예 7 내지 실시예 10 및 비교예 3에서 제조된 탄소 섬유 복합재들을 15.0 × 15.0 × 3.0 mm(너비 × 길이 × 두께)의 크기로 제조하고, 멀티미터(Keithley 2100)를 사용하여 분석하였으며, 이를 도 7에 나타내었다.
도 7에 나타낸 바와 같이, 실시예 7 내지 실시예 10 및 비교예 3에서 제조된 탄소 섬유 복합재들은 평면 방향(In-plane)으로 측정된 전기전도도가 두께 방향(Throug-the-thickness)으로 측정된 전기전도도보다 훨씬 더 높은 것을 확인할 수 있었다. 이는 적층 구조(Laminated structure) 때문에 발생하는 것으로서, 연속적으로 탄소 섬유가 평면 방향으로 배열되는 동안 높은 저항을 가진 에폭시 수지가 탄소 섬유와 직렬로 배치되기 때문이다.
이때, 탄소 나노 튜브/산화 그래핀 복합체가 코팅된 탄소 섬유를 포함하는 실시예 7 내지 실시예 10의 탄소 섬유 복합재들은 평면 방향 및 두께 방향에서의 전기전도도 모두 향상되는 것을 확인할 수 있다.
이러한 전기전도도 향상은 탄소 섬유 사이에 코팅되어 있는 탄소 나노 튜브/산화 그래핀 복합체가 전도성(electrically conductive) 네트워크를 형성하기 때문이다.
이에 따라, 탄소 나노 튜브/산화 그래핀 복합체가 코팅된 탄소 섬유를 포함하는 탄소 섬유 복합재는 높은 전기전도도를 가지는 것을 확인할 수 있었다.

Claims (14)

  1. 고분자 기지; 및
    상기 고분자 기지 내로 구비되는 탄소 섬유를 포함하고,
    상기 탄소 섬유는 그 표면에 탄소 나노 튜브/산화 그래핀 복합체(Carbon nanotube/Graphene oxide hybrid)가 코팅된 것을 특징으로 하는 탄소 섬유 복합재.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 고분지 기지는 에폭시 수지, 페놀 수지, 비닐에스터 수지, 불포화 폴리에스테르 수지, 폴리에스테르 수지, 폴리에틸렌 수지, 폴리이미드 수지, 폴리올레핀 수지, 폴리에테르에테르케톤 수지, 폴리에테르설폰 수지 및 폴리염화비닐 수지로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상인 것을 특징으로 하는 탄소 섬유 복합재.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 탄소 나노 튜브/산화 그래핀 복합체(Carbon nanotube/Graphene oxide hybrid)가 코팅된 탄소 섬유는 전체 중량 기준으로 0.01 내지 1.0 중량%의 탄소 나노 튜브/산화 그래핀 복합체를 포함하는 것을 특징으로 하는 탄소 섬유 복합재.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 탄소 섬유는 전체 탄소 섬유 복합재에 대하여 40 내지 80 중량%를 포함하는 것을 특징으로 하는 탄소 섬유 복합재.
  5. 탄소 섬유에 탄소 나노 튜브/산화 그래핀 복합체(Carbon nanotube/Graphene oxide hybrid)를 코팅하는 단계(단계 1); 및
    상기 단계 1에서 탄소 나노 튜브/산화 그래핀 복합체가 코팅된 탄소 섬유 복수개를 적층하고, 적층재로 고분자기지를 부가하여 탄소 섬유 복합재를 제조하는 단계(단계 2);를 포함하는 탄소 섬유 복합재의 제조방법.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 단계 1의 코팅은,
    탄소 나노 튜브 및 계면활성제를 극성 용매에 첨가하여 탄소 나노 튜브를 분산시킨 후, 상기 탄소 나노 튜브가 분산된 용액에 산화 그래핀을 첨가하여 분산액을 제조하는 단계(단계 a); 및
    상기 단계 a에서 제조된 분산액에 탄소 섬유 및 스테인레스 스틸 전극을 투입하고 전압을 가하여 탄소 나노 튜브/산화 그래핀 복합체를 증착시키는 단계(단계 b);를 포함하는 전기영동법(Electrophoretic deposition)을 통해 수행되는 것을 특징으로 하는 탄소 섬유 복합재의 제조방법.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 단계 a의 계면활성제는 비이온성 계면활성제, 음이온계 계면활성제, 양이온계 계면활성제 및 양성 계면활성제로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1 종 이상의 계면활성제인 것을 특징으로 하는 탄소 섬유 복합재의 제조방법.
  8. 제6항에 있어서,
    상기 단계 a의 분산액에서 탄소 나노 튜브의 함량은 0.01 내지 0.1 중량%인 것을 특징으로 하는 탄소 섬유 복합재의 제조방법.
  9. 제6항에 있어서,
    상기 단계 a의 분산액에서 산화 그래핀의 함량은 0.0003 내지 0.03 중량%인 것을 특징으로 하는 탄소 섬유 복합재의 제조방법.
  10. 제6항에 있어서,
    상기 단계 b의 증착은 3 내지 20 V의 전압을 인가하여 0.5 내지 10 분 동안 수행하는 것을 특징으로 하는 탄소 섬유 복합재의 제조방법.
  11. 제5항에 있어서,
    상기 단계 3의 고분자 기지는 에폭시 수지, 페놀 수지, 비닐에스터 수지, 불포화 폴리에스테르 수지, 폴리에스테르 수지, 폴리에틸렌 수지, 폴리이미드 수지, 폴리올레핀 수지, 폴리에테르에테르케톤 수지, 폴리에테르설폰 수지 및 폴리염화비닐 수지로 이루어진 군으로부터 선택되는 1 종 이상인 것을 특징으로 하는 탄소 섬유 복합재의 제조방법.
  12. 제5항에 있어서,
    상기 단계 3의 탄소 섬유 복합재의 제조는 진공성형(VARTM, Vacuum assisted resin transfer molding), 압축 성형, 진공백 성형 및 오토클레이브 성형으로 이루어진 군으로부터 선택되는 1 종의 방법을 통해 수행되는 것을 특징으로 하는 탄소 섬유 복합재의 제조방법.
  13. 제1항의 탄소 섬유 복합재를 포함하는 항공기 재료.
  14. 제1항의 탄소 섬유 복합재를 포함하는 전자파 차폐재.
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