KR101707743B1 - 흑연 및 탄소나노튜브가 코팅된 섬유베일 제조방법 - Google Patents

흑연 및 탄소나노튜브가 코팅된 섬유베일 제조방법 Download PDF

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Abstract

탄소섬유 베일의 일면에 보호필름을 접착시키는 단계; 흑연 및 탄소나노튜브를 포함하는 코팅액을 상기 탄소섬유 베일의 타면에 코팅하는 단계; 상기 탄소섬유 베일의 타면에 코팅된 코팅액을 건조시켜, 흑연 및 탄소나노튜브가 코팅된 탄소섬유 베일을 제조하는 단계; 및 상기 제조된 탄소섬유 베일을 압축시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는, 흑연 및 탄소나노튜브가 코팅된 섬유베일 제조방법이 제공된다.

Description

흑연 및 탄소나노튜브가 코팅된 섬유베일 제조방법{Method for manufacturing textile veil coated graphite and carbon nanotube}
본 발명은 흑연 및 탄소나노튜브가 코팅된 섬유베일 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 탄소섬유 베일에 흑연 및 탄소나노튜브 분산액을 균일하게 코팅시킬 수 있는, 흑연 및 탄소나노튜브가 코팅된 섬유베일 제조방법에 관한 것이다.
방열소재 중 방열시트 분야의 세계시장은 LED TV, 스마트폰 및 LED 조명시장의 성장과 함께 급속도로 성장하고 있다. 방열시트 소재로서 기존의 금속소재의 한계를 극복하기 위하여 탄소소재를 이용하려는 기술이 개발되고 있다.
이러한 탄소기반 방열소재 특허로서 대한민국 등록특허 10-1206413호는 열전도성 카본 잉크조성물을 이용한 발열시트를 개시하고 있다. 또한, 대한민국 등록특허 10-097178호는 비정질 탄소 미립자를 포함하는 흑연 방열재 및 그의 제조방법을 개시하고 있다.
하지만, 필수적으로 다공특성을 갖는 섬유 베일에 2종류 이상의 탄소물질을 효과적으로 분산시키는 기술은 아직까지 개시되지 못한 상황이다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 흑연과 탄소나노튜브가 분산된 코팅액을 섬유베일에 코팅시킬 수 있는 코팅 방법을 제공하는 것이다.
본 발명은 탄소섬유 베일의 일면에 보호필름을 접착시키는 단계; 흑연 및 탄소나노튜브를 포함하는 코팅액을 상기 탄소섬유 베일의 타면에 코팅하는 단계; 상기 탄소섬유 베일의 타면에 코팅된 코팅액을 건조시켜, 흑연 및 탄소나노튜브가 코팅된 탄소섬유 베일을 제조하는 단계; 및 상기 제조된 탄소섬유 베일을 압축시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는, 흑연 및 탄소나노튜브가 코팅된 섬유베일 제조방법을 제공한다.
본 발명에 따르면, 유연한 탄소섬유 베일에 흑연과 탄소나노튜브을 동시에 코팅시킨다. 이로써 탄소가 가지는 유연성과 높은 열전도를 효과적으로 활용할 수 있으며, 탄소나노튜브와 흑연간 균일 분산을 통하여 열의 효과적인 전도가 가능하다. 더 나아가, 코팅 시 보호필름을 이용하여 코팅액이 투과되는 탄소섬유 베일의 아래쪽으로 토출되는 코팅액이 흐르지 않으며, 장력 조절과 압축을 통하여 흑연/탄소나노튜브 코팅 탄소섬유 베일의 특성을 향상시켰다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 탄소섬유 베일의 코팅방법의 단계도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 장치의 단계별 모식도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 코팅 장치의 단면도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 코팅방법을 설명한다. 이하의 실시예는 본 발명의 이해를 돕기 위한 상세한 설명이며, 본 발명의 권리 범위를 제한하는 것이 아님은 당연할 것이다. 따라서, 본 발명과 동일한 기능을 수행하는 균등한 발명 역시 본 발명의 권리 범위에 속할 것이다.
또한 각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.
또한, 본 발명의 구성 요소를 설명하는 데 있어서, 제 1, 제 2, A, B, (a), (b) 등의 용어를 사용할 수 있다. 이러한 용어는 그 구성 요소를 다른 구성 요소와 구별하기 위한 것일 뿐, 그 용어에 의해 해당 구성 요소의 본질이나 차례 또는 순서 등이 한정되지 않는다. 어떤 구성 요소가 다른 구성요소에 "연결", "결합" 또는 "접속"된다고 기재된 경우, 그 구성 요소는 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되거나 또는 접속될 수 있지만, 각 구성 요소 사이에 다른 구성 요소가 "연결", "결합" 또는 "접속"될 수도 있다고 이해되어야 할 것이다.
본 발명은 상술한 과제를 해결하기 위하여, 흑연과 탄소나노튜브의 혼합액을 탄소섬유로 이루어진 섬유베일에 코팅하는 방법을 제공한다. 본 발명은 특히 탄소섬유 베일이 가지는 유연성과, 상기 탄소섬유에 균일하게 코팅된 탄소나노튜브 및 흑연의 열전도 특성을 동시에 활용한다.
이 경우, 열전도도는 탄소섬유 코어와 코팅 물질 사이에 공극이 최소화되어야 하므로 탄소섬유 내 함침을 위해서는 점도가 낮아야 하지만, 반대로 공극최소화를 위해서는 점도가 높여야 하는 문제가 있다. 따라서, 본 발명은 이러한 문제를 해결할 수 있는 새로운 탄소섬유 베일의 코팅방법을 제공한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 탄소섬유 베일의 코팅방법의 단계도이다.
도 1을 참조하면, 먼저 탄소섬유 베일의 일면에 보호필름을 접착시킨다. 본 발명의 일 실시예에서는 롤 압착 방식으로 두 개의 시트를 접착시킬 수 있는 장치인 ΠΝΓ(Πιμου Νφμυι Γοαυεσ)를 개발, 활용하였다. 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 장치의 단계별 모식도이다.
본 발명에서 상기 보호필름은 본질적으로 공극을 가지며 코팅액이 투과되는 탄소섬유 베일의 아래쪽으로 토출되는 코팅액이 흐르지 않게 하는 필름으로, 본 발명의 일 실시예에서는 PET 필름이 사용되었으나, 적어도 코팅액이 투과되지 않는 특성을 갖는 한 이는 모두 본 발명의 범위에 속한다.
이후, 흑연 및 탄소나노튜브를 포함하는 코팅액이 상기 탄소섬유 베일의 타면에 코팅된다. 본 발명의 일 실시예에서 상기 코팅액에 분산된 흑연 및 탄소나노튜브는 10 내지 40 중량%이며, 상기 흑연 및 탄소나노튜브 중량비는 3:7 내지 7:3이다.
더 나아가, 상기 코팅액은 분산제를 더 포함하며, 상기 분산제는 폴리디메틸실록산, 폴리카르복실산 및 폴리아마이드로 이루어진 군으로부터 선택된 어느 하나 이상이며, 상기 분산제는 상기 코팅액의 0.5 내지 10 중량%일 수 있다.
이후, 상기 탄소섬유 베일의 타면에 코팅된 코팅액을 건조시켜, 흑연 및 탄소나노튜브가 코팅된 탄소섬유 베일을 제조하는데, 본 발명의 일 실시에에서는 열풍건조 방식을 채용하였느나, 상기 코팅액의 액상 성분을 증발시킬 수 있는 한 다양한 방식의 건조 공정이 채용될 수 있으며, 이는 본 발명의 범위에 속한다.
건조 후에도 여전히 탄소섬유 베일에 흑연/탄소나노튜브 코팅물질이 충분히 코팅되어 있지 않으므로, 상기 제조된 탄소섬유 베일을 압축시킨다. 특히 이러한 δ압축율(초기 두께 대비 압축 후 두께)이 표면 특성과 접착 특성에 매우 큰 영향을 미치는데, 본 발명의 일 실시예에서는 60 내지 80%로 압축을 시켰다.
만약 상기 범위 미만인 경우, 과도하게 흑연/탄소나노튜브가 섬유 베일의 공극 내로 압착되어, 표면에서의 열 전도 개선 효과를 기대하기 어렵다. 반대로 상기 범위 초과인 경우, 코팅물질의 접착성이 떨어지고, 아울러 과도하게 두께운 표면 거칠기로 인하여 열원과의 접촉시 접촉면적 감소로 인하여 열 전도 효과가 떨어지는 문제가 있다.
본 발명의 일 실시예에서 상기 흑연 및 탄소나노튜브 코팅액의 점도는 500 내지 16,000γπτ이다. 만약 상기 범위보다 낮은 점도인 경우 건조 후 공극사이의 최소화가 어렵고, 반대로 상기 범위보다 높은 점도인 경우, 함침 자체가 어려워지는 문제가 있다.
본 발명의 일 실시예에서, 상기 탄소섬유 베일의 두께는 50 내지 80 ㎛이고, 인장강도는 1 내지 10Mpa이다.
본 발명의 일 실시예에서, 상기 코팅된 표면의 표면 거칠기는 1.27 내지 1.5 ㎛가 바람직한데, 만약 표면거칠기가 상기 범위보다 큰 경우, 열원과의 접촉면적이 낮아지는 문제가 있고, 반대로 상기 범위보다 적은 경우, 과도한 생산 비용이 발생하는 문제가 있다.
본 발명의 일 실시예에서, 코팅 시 상기 코팅액의 온도 변화는 섭씨 ±1도 이내로 조절하는 것이 바람직한데, 만약 상기 범위를 초과하는 경우 코팅액의 점도 변화가 발생하기 때문이다.
본 발명의 일 실시예에서 상기 코팅액의 유기 용매는 임의의 모든 용매가 사용될 수 있다. 예를 특허 물, 알코올과 같은 친수성 용매와, DMF, MEK, THF, 톨루엔 및 자일렌 등과 같은 유기용매가 사용될 수 있다. 하지만, 상기 용매의 종류는 상기 탄소나노튜브와 흑연의 농도는 상기 점도 조건을 만족하는 한 자유로이 선택될 수 있다. 즉, 본 발명은 점도 조건이 유기용매 내 탄소나노튜브 및 흑연의 농도에 따라 결정되므로, 상기 점도 조건을 만족하는 한 농도범위는 자유로이 선택될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에서, 상기 탄소섬유 베일과 보호필름의 접착시 장력은 매우 중요한데, 왜냐하면 보호필름과 탄소섬유 베일의 장력이 불일치하는 경우, 골 주름이 발생할 수 있고, 더 나아가, 상대적으로 인장강도가 약한 탄소섬유 베일이 끊어질 수 있기 때문이다.
하기 표는 장력에 따른 운전 조건을 정리한 것으로, 본 발명에서는 도 2에 ㄷ도시된 바와 같은 언와인더(Unwinder)를 이용하였는데, 이는 당업계에서 널리 사용되 코어에 원단을 고정한 후, 회전하면 원단을 공급할 수 있는 장치이다.
Figure 112015083711033-pat00001
상기 표를 참조하면, 보호필름은 4 내지 5 kg 수준의 장력이, 이에 대응하는 탄소섬유 베일은 0.1 내지 0.5 kg이 바람직하다. 만약 보호필름과 탄소섬유 베일 간 장력비가 상기 범위가 아닌 경우, 합지시 골 주름이 발생할 수 있다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 코팅 장치의 단면도이다.
도 3을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 코팅 장치는 코팅액(coating agent flow)을 립(lip)을 통하여 일정양 분사하는 구성을 따른다. 특히 백업롭(back up roll)상에 있는 섬유베일(보호필름이 일면에 합지)에 상기 립을 통하여 코팅액을 토출하여 도포하는데, 일정한 토출량을 유지하기 위해서 정량펌프를 사용하며, 립과 백업 롤 간의 간격 조정에 의해 두께가 균일한 그라파이트 시트를 제조할 수 있다. 또한 코팅액이 코팅되기 전 까지 공기 중에 노출되어 있지 않기 때문에 표면건조, 공기 내의 수분과의 반응 촉진으로 인한 경화 반응 등을 지연할 수 있다.
하기 표는 펌프 토출량에 따른 코팅 두께 결과이다.
Figure 112015083711033-pat00002
상기 표 결과를 참조하면, 20% 씩 상승함에 따라서, 코팅 두께는 정량적으로 상승하였는데, 본 실시예에서 코팅 용액의 건조 조건은 열풍온도 150℃, NIR의 조사 조건은 80% 이었다.
이제까지 본 발명에 대하여 그 바람직한 실시예들을 중심으로 살펴보았다. 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 변형된 형태로 구현될 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 개시된 실시예들을 한정적인 관점이 아니라 설명적인 관점에서 있으며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 차이점은 본 발명에 포함된 것으로 해석되어야 한다.

Claims (7)

  1. 탄소섬유 베일의 일면에 보호필름을 접착시키는 단계;
    흑연 및 탄소나노튜브를 포함하는 코팅액을 상기 탄소섬유 베일의 타면에 코팅하는 단계;
    상기 탄소섬유 베일의 타면에 코팅된 코팅액을 건조시켜, 흑연 및 탄소나노튜브가 코팅된 탄소섬유 베일을 제조하는 단계; 및
    상기 제조된 탄소섬유 베일을 압축시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는, 흑연 및 탄소나노튜브가 코팅된 섬유베일 제조방법.
  2. 삭제
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 코팅액은 분산제를 더 포함하며, 상기 분산제는 폴리디메틸실록산, 폴리카르복실산 및 폴리아마이드로 이루어진 군으로부터 선택된 어느 하나 이상이며, 상기 분산제는 상기 코팅액의 0.5 내지 10 중량%인 것을 특징으로 하는, 흑연 및 탄소나노튜브가 코팅된 섬유베일 제조방법.
  4. 삭제
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 보호필름은 상기 탄소섬유 베일과 롤 압착기에 동시에 투입되어 상기 탄소섬유 베일의 일면과 접착하는 것을 특징으로 하는, 흑연 및 탄소나노튜브가 코팅된 섬유베일 제조방법.
  6. 제 1항에 있어서,
    상기 코팅액은 상기 탄소섬유 베일에 코팅되기 전까지 공기에 노출되지 않는 것을 특징으로 하는, 흑연 및 탄소나노튜브가 코팅된 섬유베일 제조방법.
  7. 제 1항에 있어서,
    상기 압축시키는 단계에서, 상기 섬유베일 두께는 초기 대비 60 내지 80% 범위로 압축되는 단계인 것을 특징으로 하는, 흑연 및 탄소나노튜브가 코팅된 섬유베일 제조방법.
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