KR101449096B1 - 생분해성 고분자와 탄소나노소재를 함유한 생분해성 전자파차폐용 복합재 및 그 제조방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 생분해성 고분자와 탄소나노소재를 함유한 생분해성 전자파차폐용 복합재 및 그 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 폴리락틱산(PLA) 또는 폴리부틸렌숙시네이트(PBS)와 같은 생분해성 고분자와 금속 대신 탄소나노소재를 이용하여 제조된 생분해성 전자파차폐용 복합재를 차량에 적용함으로써 전자파차폐 뿐만 아니라 환경오염 저감, 차량 경량화 및 연비상승 효과가 있으며, 자연친화적 폐기가 가능한 생분해성 복합재의 다양한 응용분야로 확장시키는 촉매제 역할을 할 수 있는 생분해성 고분자와 탄소나노소재를 함유한 생분해성 전자파차폐용 복합재 및 그 제조방법에 관한 것이다.

Description

생분해성 고분자와 탄소나노소재를 함유한 생분해성 전자파차폐용 복합재 및 그 제조방법 {Biodegradable composites for shielding of electromagnetic wave containing carbon nanomaterials and biodegradable polymer and a fabrication process thereof}
본 발명은 생분해성 고분자와 탄소나노소재를 함유한 생분해성 전자파차폐용 복합재 및 그 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 폴리락틱산(PLA) 또는 폴리부틸렌숙시네이트(PBS)와 같은 생분해성 고분자와 금속 대신 탄소나노소재를 이용하여 제조된 생분해성 전자파차폐용 복합재를 차량에 적용함으로써 전자파차폐 뿐만 아니라 환경오염 저감, 차량 경량화 및 연비상승 효과가 있으며, 자연친화적 폐기가 가능한 생분해성 복합재의 다양한 응용분야로 확장시키는 촉매제 역할을 할 수 있는 생분해성 고분자와 탄소나노소재를 함유한 생분해성 전자파차폐용 복합재 및 그 제조방법에 관한 것이다.
일반적으로 산업용 고분자 재료는 석유화학공정을 통해 제조되고 이는 넘쳐나는 플라스틱 제품으로 형상화되고, 인간의 편리성에 의해 버려지고 있다. 최근 세계적인 흐름에 자동차 산업의 트랜드로써 연비향상 및 이산화탄소 감소가 이슈화되면서 많은 금속들이 고분자 소재로 대체되고 있다. 이에 차량범퍼, 도어, 후드 심지어 유리창까지 고분자재료로 대체하려는 노력들이 상당히 활발히 진행되고 있다.
종래 이러한 고분자 재료를 포함한 복합재에 관해 한국등록특허 제 10-1066609 호에는 변성 폴리올레핀 사슬이 도입된 탄소나노튜브가 폴리올레핀 수지에 균일하게 분산되어 있는 전기전도성이 우수한 탄소나노튜브-폴리올레핀 혼합 조성물에 관해 개시되어 있으나, 폴리올레핀은 자연친화적인 폐기가 가능한 생분해성 고분자가 아니기 때문에 차량의 폐기시 환경오염을 유발할 수 있다.
또한 한국공개특허 제 10-2011-0056037 호에는 아크릴로나이트릴-부타디엔-스티렌 공중합체 수지와 생분해성 고분자 수지를 함유하는 고분자 혼합 수지 및 폴리카프로락톤을 포함하는 충격강도가 우수한 생분해성 ABS 복합재에 관한 제안되어 있으나, 이는 전자파차폐 효과를 기대할 수 없다.
이와 같이 환경문제를 고려한 전자파차폐 복합재로써 생분해성 고분자를 이용하여 적용한 사례가 없으며 이는 전자파차폐 복합재 뿐만 아니라, 고분자로 대체하려는 모든 부품 또는 파트에서 폐기시 환경오염에 대한 문제를 고려하지 않고 있다. 또한 기능화에 집중하는 고분자 재료는 기능성 물질 또는 첨가제가 다량 포함되어 있기 때문에 결국 차량의 폐기시 재활용 및 재사용이 어려운 단점이 있다. 이러한 문제는 고분자 복합재가 적용시점에 초점을 맞추어 개발되기 때문에 그 이후에 발생할 수 있는 자원의 재활용 및 환경오염 최소화를 전혀 고려하지 않았다.
이에 생분해성 바이오 고분자 재료들이 개발됨에 따라 많은 산업분야에 적용되고 있지만 기존의 고분자가 가진 특성을 만족하기란 어려운 실정이며, 이러한 문제는 또다시 첨가제를 사용하게 되는 환경오염을 일으키는 악순환이 계속된다. 더불어 생분해성 고분자를 이용한 제품들은 아직까지 1회용품을 대체하는 정도에 그치고 있으며 태양광 및 열적 안정성에도 많이 미흡한 특성을 보인다. 생분해성 고분자의 장점인 분해능에 있어서도 1회용품 이외의 제품군을 선정하여 가능한 많은 시도를 진행하고 있으나 습윤성 및 파열강도 등에 있어서 기존의 고분자 복합재와 많은 물성차이를 보여 쉽게 적용하기 어렵기 때문에 생분해능에 대해 햇빛, 물 및 퇴비 접촉 등과 같은 선택적 분해성을 극대화할 수 있는 노력이 필요하다.
따라서 기능화에 집중하는 고분자 재료 대신 자연보호, 이산화탄소 발생 저감, 자원의 재활용과 같은 환경오염을 최소화할 수 있는 친환경적인 신소재로의 전환이 급속히 이뤄지면서 자연친화적인 생분해성 소재를 이용하여 전자파를 차폐할 수 있는 복합재의 개발이 필요한 실정이다.
본 발명의 목적은 생분해성 고분자와 탄소나노소재가 함유된 생분해성 전자파차폐용 복합재를 제공하는데 있다.
본 발명의 또 다른 목적은 자연친화적인 폐기 및 전자파차폐 특성을 동시에 만족하는 생분해성 전자파차폐용 복합재를 제공하는데 있다.
본 발명은 생분해성 고분자 60 ~ 90 중량%와 탄소나노소재 10 ~ 40 중량%로 혼합된 것을 특징으로 하는 생분해성 전자파차폐용 복합재를 제공한다.
또한 본 발명은 생분해성 전자파차폐용 복합재를 제조하는 방법으로써,
탄소나노소재와 생분해성 고분자를 건조로에서 건조시키는 단계;
상기 건조된 탄소나노소재와 생분해성 고분자를 용융시켜 압출기를 이용하여 복합재를 제조하는 단계; 및
상기 단계에서 제조된 복합재는 압축성형기에 넣어 생분해성 전자파차폐용 복합재 시편을 제조하는 단계;
를 포함하는 생분해성 전자파차폐용 복합재의 제조방법을 제공한다.
본 발명에 따르면, 탄소나노소재와 생분해성 고분자를 이용하여 자연친화적인 생분해성 전자파차폐용 복합재를 차량에 적용함으로써 전자파차폐 뿐만 아니라 환경오염 저감, 차량 경량화 및 연비상승 효과가 있으며, 자연친화적 폐기가 가능한 생분해성 복합재의 다양한 응용분야로 확장시키는 촉매제 역할을 할 수 있다.
또한 전자파차폐 특성이 필요한 전장부품 및 전기자동차의 전자구동 부품, 모바일폰 및 디스플레이 하우징 등 다양한 분야에 적용될 수 있다.
도 1은 생분해성 전자파차폐용 복합재 단면 FE-SEM 사진을 나타낸 것이다.
도 2는 실시예에 의해 제조된 생분해성 전자파차폐용 복합재의 전자파차폐 성능시험결과를 나타낸 것이다.
이하에서는 본 발명을 하나의 구현예로써 더욱 자세하게 설명하겠다.
본 발명은 생분해성 고분자 60 ~ 90 중량%와 탄소나노소재 10 ~ 40 중량%로 혼합된 것을 특징으로 하는 생분해성 전자파차폐용 복합재를 특징으로 한다. 가장 바람직하기로는 상기 생분해성 고분자 80 ~ 90 중량%와 탄소나노소재 10 ~ 20 중량%로 혼합하는 것이 좋다. 이는 생분해성 고분자가 탄소나노소재에 비해 양이 적으면 가공 시 작업성이 떨어지고 제조가 어려운 반면 생분해성 고분자가 탄소나노소재에 비해 양이 많으면 기계적 물성은 우수하나 전자파차폐 효과가 저하될 수 있다.
보편적으로 생분해성 고분자라 함은 땅에 매립되었을 경우 스스로 분해가 진행되어 환경적인 오염원을 발생시키지 않는 재료를 의미하며, 상기 생분해성 고분자는 폴리락틱산(PLA) 또는 폴리부틸렌숙시네이트(PBS) 중에서 선택되는 어느 하나 또는 그 이상의 혼합물을 사용하는 것이 바람직하다. 이때 옥수수 전분을 이용한 폴리락틱산(PLA, poly lactic acid)는 일반적으로 가장 잘 알려진 바이오 고분자이다. 상기 폴리락틱산(PLA)는 D 또는 L 형 모두 사용될 수 있으나, 용도에 맞게 소량의 아크릴첨가제를 포함하여 투명성을 부여시킬 수 있다.
본 발명에 따르면 탄소나노소재는 탄소나노튜브, 탄소섬유, 그래핀 또는 그래파이트 중에서 선택되는 어느 하나 또는 그 이상의 혼합물인 것을 사용하는 것이 바람직한데, 카본블랙과 같이 종횡비(aspect ritio)가 100 보다 낮은 소재는 기계적 강도를 향상시키기 어려우므로 제외된다. 또한 상기 탄소나노소재의 탄소함량은 금속촉매 및 불순물이 제거된 총 중량비로 98 중량% 이상인 것을 사용하는 것이 바람직하다. 이는 금속촉매의 생분해가 불가능하므로 본 발명에 쓰이는 탄소나노소재는 고순도 탄소나노소재를 사용하는 것이 바람직하다. 이때 상기 탄소나노튜브는 단일벽 탄소나노튜브(SWNT), 이중벽 탄소나노튜브(DWNT) 또는 다중벽 탄소나노튜브(MWNT) 중에서 선택되는 어느 하나 이상인 것을 사용할 수 있다.
한편 본 발명은 탄소나노소재와 생분해성 고분자를 건조로에서 건조시키는 단계;
상기 건조된 탄소나노소재와 생분해성 고분자를 용융시켜 압출기를 이용하여 복합재를 제조하는 단계; 및
상기 단계에서 제조된 복합재는 압축성형기에 넣어 생분해성 전자파차폐용 복합재 시편을 제조하는 단계;
를 포함하는 방법으로 생분해성 전자파차폐용 복합재를 제조할 수 있다.
이때 상기 생분해성 고분자 60 ~ 90 중량%와 탄소나노소재 10 ~ 40 중량%로 혼합하는 것이 바람직하다.
상기 복합재의 제조단계 시 생분해성 고분자의 용융온도는 160 ~ 200 ℃인 것이 바람직하다. 이는 용융온도가 160 ℃ 보다 낮으면 생분해성 고분자가 용융되지 않아 복합재를 가공할 수 없으며, 용융온도가 200 ℃ 보다 높으면 생분해성 고분자의 에스테르 수지가 분해되어 쓸모가 없어진다.
또한 상기 압출기는 일축 또는 이축 압출기를 이용하여 복합재를 제조할 수 있으나, 탄소나노소재를 혼합할 경우 고른 분산을 위해 사이드피더(side feeder)를 이용하는 것이 바람직하다. 이때 상기 압출기의 L/D(길이대지름비)는 28 ~ 40 인 것을 사용할 수 있는데, L/D가 28 보다 낮으면 탄소나노소재가 고분자 복합재 내에서 분산이 진행되는 과정 중에 있으며, L/D가 40 보다 높으면 탄소나노소재가 고분자복합재 내에 빨리 분산되므로 고른 분산을 유지할 수 없다.
상기 방법에 의해 제조된 탄소나노소재를 함유한 생분성 고분자 복합재는 생분해능이 짧게는 1년, 길게는 30년 이상 지속될 수 있지만 가능한 생분해성이 짧은 생분해성 고분자를 선택하여 사용하는 것이 바람직하다.
따라서 생분해성 전자파차폐용 복합재를 제조함에 있어서 친환경적인 요소인 생분해성 고분자를 복합화 재료로 첨가하고 탄소나노소재를 함께 혼합하여 기계적 물성의 향상과 주로 차량 내부에 장착되어 외부의 환경적 요인으로 발생할 수 있는 전자파차폐능 저하를 억제할 수 있다.
이하 본 발명을 실시예에 의거하여 더욱 상세히 설명하겠는바, 본 발명이 다음 실시예에 의해 한정되는 것은 아니다.
실시예 : 생분해성 전자파차폐용 복합재의 제조
생분해성 고분자인 폴리락틱산 L 형(PLA L type)과 다중벽 탄소나노튜브(MWNT)을 100 ℃ 건조로에서 24 시간 건조시켰다. 그런 다음 종횡비가 1000 이상인 다중벽 탄소나노튜브(MWNT) 100 g과 폴리락틱산 L 형 900 g을 190 ℃에서 용융시켜 이축압출기를 이용하여 복합재를 제조하였다. 상기 제조된 복합재는 200 ℃로 예열된 압축성형기에 100 g을 넣어 1x100x100 mm3 의 생분해성 전자파차폐용 복합재 시편을 제조한 후 서서히 상온까지 식혀 급냉에 의한 변형을 최소화 하였다.[도 1 참조]
실험예 : 생분해성 전자파차폐용 복합재의 전자파차폐 성능시험 결과
도 2는 실시예에 의해 제조된 생분해성 전자파차폐용 복합재의 전자파차폐 성능시험결과를 나타낸 것이다. 전자파차폐 시험장비로 Agilent 사의 E8362B 장비를 사용하여 0.5 ~ 2 GHz에서 투과되지 않는 전자파의 양을 측정하였다. 그 결과, 0.5 ~ 2 GHz 의 범위 내에서 15 dB이상의 전자파의 차폐가 가능함을 확인할 수 있다.

Claims (9)

  1. 삭제
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 삭제
  7. 탄소나노튜브, 탄소섬유, 그래핀 또는 그래파이트 중에서 선택되는 어느 하나 또는 그 이상의 혼합물인 탄소나노소재 10 ~ 40 중량%와 폴리락틱산(PLA) 또는 폴리부틸렌숙시네이트(PBS) 중에서 선택되는 어느 하나 또는 그 이상의 혼합물인 생분해성 고분자 60 ~ 90 중량%를 건조로에서 건조시키는 단계;
    상기 건조된 탄소나노소재와 생분해성 고분자를 용융시켜 압출기를 이용하여 복합재를 제조하는 단계; 및
    상기 단계에서 제조된 복합재는 압축성형기에 넣어 생분해성 전자파차폐용 복합재 시편을 제조하는 단계;
    를 포함하는 생분해성 전자파차폐용 복합재의 제조방법.
  8. 제 7 항에 있어서, 상기 복합재 제조단계 시 생분해성 고분자의 용융온도는 160 ~ 200 ℃인 것을 특징으로 하는 생분해성 전자파차폐용 복합재의 제조방법.
  9. 제 7 항에 있어서, 상기 압출기의 L/D(길이대지름비)는 28 ~ 40 인 것을 특징으로 하는 생분해성 전자파차폐용 복합재의 제조방법.
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