KR101768153B1 - 전도성 고분자 복합재료 - Google Patents

전도성 고분자 복합재료 Download PDF

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KR101768153B1
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polydimethylsiloxane
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고려대학교 산학협력단
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Abstract

본 발명은 전도성 고분자 복합재료에 관한 것으로 구체적으로 폴리디메틸실록산(PDMS) 및 저점도의 메틸 엔디드 폴리디메틸실록산(MEP)을 포함하는 고분자 혼합물의 내부에 전도성 필러가 분산됨으로써, 전도성, 유연성 및 생체적합성이 우수한 전도성 고분자 복합재료를 제조할 수 있다.

Description

전도성 고분자 복합재료{Conductive polymer composite}
본 발명은 전도성, 유연성 및 생체적합성이 우수한 전도성 고분자 복합재료에 관한 것이다.
실리콘 폴리머 중의 하나인 PDMS(폴리디메틸실록산, Polydimethylsiloxane)는 생체의 공기에 대한 투과성이 우수하고, 생체조직과 유사한 정도의 유연성을 가진 중합체이며, 투명한 소프트 리소그라피(soft lithography) 공정에 의해 제작이 용이하여 생체의 세포와 직접 연결되는 전극을 PDMS에 형성하여 신호를 추출하는 미세 전자기계 시스템(Micro Electro Mechanical System: MEMS)을 구현함으로써, 생체의 반응 신호를 모니터링하거나 전기적 자극을 가하는 등의 용도로 유용하게 사용되고 있다.
이를 위한 대표적인 기술을 대한민국 등록특허 제864536호(이하 '특허문헌 1'이라 함) 및 대한민국 등록특허 제875711호(이하 '특허문헌 2'라 함)에 의하여 살펴 볼 수 있다.
상기 특허문헌 1은 폴리디메틸실록산의 프리폴리머와 경화제를 20:1 내지 5:1의 질량비로 혼합한 블렌드를 실리콘 웨이퍼 상에 스핀 코팅하여 폴리디메틸실록산 기판을 형성하는 단계, 상기 폴리디메틸실록산 기판을 표면 전처리하는 단계, 상기 표면 전처리된 폴리디메폴틸실록산 기판의 상부에 티타늄 레이어 및 금 레이어를 순차적으로 증착한 후 미세전극을 패터닝하는 단계, 상기 패터닝된 미세전극의 상부에 포토레지스트를 형성하고, 상기 포토레지스트가 형성되지 않은 폴리디메틸실록산 기판의 상부에 폴리디메틸실록산을 스핀코팅하는 단계, 및 상기 패터닝 된 미세전극의 상부에 형성된 포토레지스트를 제거한 후 상기 패터닝된 금 레이어의 상부에 금 전기도금을 수행하여 미세전극을 패키징 하는 단계를 포함한다.
이러한 특허문헌 1에 의하면 포토리소그라피 공정 및 전극 부분의 도금을 통한 폴리디메틸실록산 미세전극의 패키징 방법을 제공함으로써 비교적 간단한 공정으로 인하여 비용을 절감시키고, 실패율을 감소시키며, 폴리디메틸실록산 기판의 전처리 및 증착 조건을 최적화시킴으로써 금속 미세패턴의 부착력을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.
아울러, 특허문헌 2는 심전도 작성이나 신체의 상태 측정을 위하여 사용되는 전극에 관한 것으로 특히, 인체에 무자극인 PDMS(polydimethylsiloxane)를 활용한 PDMS 레이어를 이용한 심전도용 전극에 관한 것이다.
이러한 특허문헌 2는 신체의 해당 부위 피부가 돌출된 전극에 의하여 밀착되어 접촉됨에도 불구하고 피부에 일체의 부작용을 일으키지 않게 되므로, 별도의 도전 젤리를 사용할 필요가 없게 되어 심전도 작업이 간편하게 되고, 전극을 장시간 착용하더라도 피부의 가려움증이나 염증 반응을 유발하지 않으므로 민감성 피부를 가진 환자나 전극을 장시간 착용하여야 하는 중환자를 포함한 각종 환자들에게 안심하고 사용할 수 있게 되는 유용한 효과가 있으며, 전극 착용 상태에서 정상적으로 활동을 하면서 장시간 모니터링 하는 등의 용도로 활용할 수 있게 되는 효과가 있다.
반면에 이러한 특허문헌 1, 2는 PDMS 레이어에 전극이 형성된 후 PDMS에 접착되도록 되어 있어, 이들 모두 PDMS 위에 전극이 직접 형성되어 있다. 이에 따라, PDMS의 전극이 생체 조직에 접촉되었을 때 생체의 공기가 PDMS를 투과하게 되므로, 금속인 전극과 PDMS간의 분자 결합이 약화되어 얼마간 사용하다 보면 쉽게 유리되어 사용이 어렵게 되는 문제점이 노출되었다.
대한민국 등록특허 제864536호 대한민국 등록특허 제875711호 대한민국 공개특허 제2013-0020429호 대한민국 공개특허 제2014-0057736호 미국 공개특허 제2012/0037854호 일본 공개특허 제2012-102209호
본 발명의 목적은 전도성, 유연성 및 생체적합성이 우수한 전도성 고분자 복합재료를 제공하는데 있다.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 전도성 고분자 복합재료는 폴리디메틸실록산(PDMS) 및 저점도의 메틸 엔디드 폴리디메틸실록산(MEP)을 포함하는 고분자 혼합물의 내부에 전도성 필러가 분산된 것일 수 있다.
상기 전도성 고분자 복합재료는 폴리디메틸실록산(PDMS) 100 중량부에 대하여 저점도의 메틸 엔디드 폴리디메틸실록산(MEP) 5 내지 40 중량부 및 전도성 필러 0.5 내지 20 중량부로 포함될 수 있다.
상기 전도성 필러와 저점도의 메틸 엔디드 폴리디메틸실록산(MEP)은 1 : 1 내지 40의 중량비로 혼합될 수 있다.
상기 전도성 필러는 탄소나노튜브, 카본블랙, 금속 섬유, 전도성 고분자 및 그래핀으로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상일 수 있다.
상기 메틸 엔디드 폴리디메틸실록산(MEP)의 점도는 50 내지 1000 cSt일 수 있으며, 상기 폴리디메틸실록산(PDMS)의 점도는 3000 내지 7000 cSt일 수 있다.
상기 전도성 고분자 복합재료는 전도성이 100 Ω/sq 이하이며, 인장강도가 1 내지 5 MPa이고, 접촉각이 100 내지 130°일 수 있다.
상기 분산은 이소프로필알코올 하에서 초음파 처리로 수행될 수 있다.
상기 전도성 고분자 복합재료에는 금속촉매 및 경화제를 함유한 폴리디메틸실록산이 더 포함될 수 있으며, 상기 금속촉매 및 경화제를 함유한 폴리디메틸실록산과 폴리디메틸실록산(PDMS)은 1 : 2-20의 중량비로 혼합될 수 있다.
본 발명의 전도성 고분자 복합재료는 높은 전도성, 유연성 및 우수한 생체 적합성을 통하여 피부에 접촉하는 전극(생체신호 측정전극 또는 전기 자극전극), 생체물질 센서로 사용될 수 있을 뿐만 아니라 플렉서블한 장치의 전기 회로내의 금속기판의 역할을 대신하는 도전체로의 사용이 가능하다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따라 전도성 고분자 복합재료를 제조하는 과정을 나타낸 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따라 각 물질들을 순차적으로 혼합한 후 초음파 처리 전과 후의 반응물을 분산도 측정기로 측정한 그래프 및 사진(각 물질들을 조건에 따라 분산하고 2개월 이후의 사진)이다.
도 3은 본 발명의 실시예 및 비교예에 따라 제조된 전도성 고분자 복합재료의 세포 생존능을 측정한 그래프이다.
도 4는 본 발명의 본 발명의 실시예 및 비교예에 따라 제조된 전도성 고분자 복합재료의 세포 독성율을 측정한 그래프이다.
도 5는 본 발명의 실시예 1을 이용하에 제조된 전자회로에 전자부품을 설치하는 과정을 나타낸 흐름도이다.
도 6은 상기 도 5에서 제조된 장치를 휘어지게 한 후 전류를 공급하여 확인한 사진이다.
본 발명은 전도성, 유연성 및 생체적합성이 우수한 전도성 고분자 복합재료에 관한 것이다.
이하, 본 발명을 상세하게 설명한다.
본 발명의 전도성 고분자 복합재료는 전도성 필러가 폴리디메틸실록산(PDMS) 및 저점도의 메틸 엔디드 폴리디메틸실록산(MEP)을 포함하는 고분자 혼합물의 내부에 뭉치지 않고 고르게 분산된 것이다. 구체적으로, 상기 저점도의 메틸 엔디드 폴리디메틸실록산(MEP)이 전도성 필러의 일부 또는 전체를 감싸도록 형성되며, 상기 폴리디메틸실록산(PDMS)이 상기 전도성 필러를 감싸고 있는 저점도의 메틸 엔디드 폴리디메틸실록산(MEP)과 접촉하여 분산시킴으로써 결론적으로 전도성 필러가 고분자 혼합물에 고르게 분산된다.
상기 전도성 필러는 고분자 복합재료에 전도성을 부여하기 위하여 사용되는 물질로서, 구체적으로 탄소나노튜브, 카본블랙, 금속 섬유, 전도성 고분자 및 그래핀으로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상을 들 수 있다. 상기 금속 섬유로는 은 나노와이어(silver nanowires), 구리 나노와이어(cupper nanowires), 은 나노입자(silver nanoparticles), 은 플레이크(silver flakes) 등을 들 수 있으며, 상기 전도성 고분자로는 폴리에틸렌옥사이드(PEO), 폴리파이롤(PPy), 폴리아닐린(PANI), 폴리(3,4-에틸렌 다이옥사이다이오핀)(PEDOT) 등을 들 수 있으며, 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 전도성 필러는 강하게 응집하려고 하는 경향이 있는데, 이는 반 데르 발스 힘(van der Waals force)에 의해 전도성 필러가 다발을 형성하고 응집되어 용매에 계면 접촉을 최소화함으로써 표면 에너지를 최소화하기 위한 작용이다.
본 발명에서는 상기 응집된 전도성 필러를 분산시키기 위하여 저점도의 메틸 엔디드 폴리디메틸실록산(MEP)을 이용하여 전도성 필러의 일부 또는 전체를 감싸도록 한다.
상기 전도성 필러의 함량은 전체 폴리디메틸실록산(PDMS) 100 중량부에 대하여 0.5 내지 20 중량부, 바람직하게는 4 내지 12 중량부이다. 전도성 필러의 함량이 상기 하한치 미만인 경우에는 원하는 전도성을 얻지 못할 수 있으며, 상기 상한치 초과인 경우에는 분산되지 못하고 응집된 전도성 필러의 양이 많아져 전도성이 향상되지 못할 수 있으며 고분자의 경화반응이 이루어지지 않아 원하는 형태를 만들지 못할 수 있다.
또한, 상기 저점도의 메틸 엔디드 폴리디메틸실록산(MEP)은 전도성 필러의 일부 또는 전체 표면을 둘러싸도록 형성되어 전도성 필러의 분산도를 높이는 물질로서, 점도가 50 내지 1000 cSt, 바람직하게는 100 내지 350 cSt이다. 저점도의 메틸 엔디드 폴리디메틸실록산(MEP)의 점도가 상기 하한치 미만인 경우에는 전도성 필러의 표면을 감쌀 수 없으며 전도성 필러는 분산시키기 어려울 수 있다. 상기 상한치 초과인 경우에는 폴리디메틸실록산(PDMS)과의 접촉에 의해 전도성 필러는 분산시키기 어려울 수 있다.
상기 저점도의 메틸 엔디드 폴리디메틸실록산(MEP)의 함량은 전체 폴리디메틸실록산(PDMS) 100 중량부에 대하여 5 내지 40 중량부, 바람직하게는 10 내지 20 중량부이다. 저점도의 메틸 엔디드 폴리디메틸실록산(MEP)의 함량이 상기 하한치 미만인 경우에는 전도성 필러를 감쌀 수 없고 전도성 필러를 폴리디메틸실록산(PDMS)내로 완전히 분산시키기 어려울 수 있으며, 상기 상한치 초과인 경우에는 폴리디메틸실록산(PDMS)의 구성 성분비가 변화하고 경화를 방해하여 형태가 고정된 물질이 아니라 점성이 있는 진흙과 같은 형태로 제조될 수 있다.
상기 전도성 필러와 저점도의 메틸 엔디드 폴리디메틸실록산(MEP)은 1 : 1 내지 40의 중량비, 바람직하게는 1 : 2 내지 5의 중량비로 혼합된다. 전도성 필러를 기준으로 저점도의 메틸 엔디드 폴리디메틸실록산(MEP)의 함량이 상기 하한치 미만인 경우에는 모든 전도성 필러를 감쌀 수 없으며, 상기 상한치 초과인 경우에는 오히려 전도성 필러의 분산도 및 전도성을 방해할 수 있다.
또한, 상기 폴리디메틸실록산(PDMS)은 중점도 폴리디메틸실록산(PDMS-A)으로서, 전도성 필러를 감싸고 있는 상기 저점도의 메틸 엔디드 폴리디메틸실록산(MEP)과 접촉하여 전도성 필러를 폴리디메틸실록산(PDMS-A) 내로 골고루 분산시킨다. 상기 저점도의 메틸 엔디드 폴리디메틸실록산(MEP)을 사용하지 않고 바로 폴리디메틸실록산(PDMS-A)을 사용하는 경우에는 전도성 필러의 분산성이 저하되어 전도성이 낮아진다.
상기 폴리디메틸실록산(PDMS-A)의 점도는 3000 내지 7000 cSt, 바람직하게는 3500 내지 5500 cSt이다. 폴리디메틸실록산(PDMS-A)의 점도가 상기 하한치 미만인 경우에는 저점도의 메틸 엔디드 폴리디메틸실록산(MEP)과 접촉되기 어려울 수 있으며, 상기 상한치 초과인 경우에는 단단하게 경화되어 플렉서블한 전도성 고분자 복합재료를 얻을 수 없다.
본 발명의 전도성 고분자 복합재료는 전도성이 100 Ω/sq 이하의 표면저항, 바람직하게는 1 내지 30 Ω/sq의 표면저항이므로 전도성이 우수하며; 구체적으로 전도성 필러의 함량이 10 중량부 이상인 경우에 전도성이 1 Ω/sq 이하이다. 상기 표면저항 값은 전도성 물질에 대한 저항을 측정한 값으로서, 표면저항의 값이 낮을수록 전도성이 우수한 것을 의미한다.
또한, 본 발명의 전도성 고분자 복합재료는 인장강도가 1 내지 5 MPa이므로 쉽게 변형되지 않고; 접촉각이 100 내지 130°이며, 생체적합성이 우수하다.
또한, 높은 강도를 제공하면서 보다 플렉서블한 복합재료를 얻기 위하여 금속촉매 및 경화제를 함유한 폴리디메틸실록산(PDMS-B)을 더 첨가할 수 있다.
또한, 본 발명은 도 1을 참조하여 전도성 고분자 복합재료를 제조하는 방법을 제공한다.
본 발명의 전도성 고분자 복합재료를 제조하는 방법은 (A) 전도성 필러와 이소프로필알코올을 혼합하여 초음파 처리하는 단계; (B) 상기 혼합된 혼합물에 저점도의 메틸 엔디드 폴리디메틸실록산(MEP)을 첨가하여 초음파 처리하는 단계; (C) 상기 저점도의 메틸 엔디드 폴리디메틸실록산(MEP)이 첨가된 혼합물에 중점도 폴리디메틸실록산(PDMS-A)을 첨가하여 초음파 처리하는 단계; (D) 상기 초음파 처리된 혼합물의 용매를 증발시킨 후 금속 촉매 및 경화 화합물이 함유된 폴리디메틸실록산(PDMS-B)을 첨가하여 혼합하는 단계; 및 (E) 상기 (D)단계에서 혼합된 혼합물을 성형하는 단계;를 포함할 수 있다.
먼저, 상기 (A)단계에서는 전도성 필러와 이소프로필알코올을 혼합하여 초음파로 10 내지 60분 동안 처리한다(도 1a 내지 도 1c).
상기 응집된 전도성 필러를 분산시키기 위하여 응집된 전도성 필러를 이소프로필알코올과 혼합한 후 이를 초음파 처리하여 전도성 필러를 분산시킨다.
상기 전도성 필러와 혼합되는 용매는 추후 용매를 증발 시 우수한 전도성을 위하여 공기가 남지 않고 증발되어야 하므로 고순도(99.9% 이상) 이소프로필알코올을 사용하는 것이 바람직하다. 구체적으로, 상기 이소프로필알코올은 3개의 탄소와 1개의 산소로 구성된 안정한 구조를 가지고 있어서 소수성 파트가 전도성 필러의 표면에 접촉하기에 용이하며, 친수성 파트는 하이드록실 그룹(hydroxyl group) 등이 있는 친수성 파트의 PDMS와 접촉하기에도 용이하다. 또한, 부분적으로 이소프로필알코올에 각각 분산 및 용해된 전도성 필러 및 PDMS는 초음파를 통해 전도성 필러가 PDMS 내에 골고루 분산된다.
상기 이소프로필알코올 대신 헥산 또는 클로로포름을 사용하는 경우에는 끓는점이 낮고 휘발성이 높아 많은 양의 공기를 고분자에 남기면서 증발하므로 전도성 필러 사이에 빈 공간이 형성되어, 전도도를 저하시키는 요인이 된다. 또한, 메틸알코올 또는 에틸알코올을 사용하는 경우에는 소수성 파트를 적게 가지고 있어서 전도성 필러의 분산도가 낮아지며 폴리디메틸실록산 및 저점도의 메틸 엔디드 폴리디메틸실록산에 대한 용해도가 낮아 초음파 처리를 하더라도 전도성 필러가 골고루 분산되지 못한다.
상기 초음파 처리는 물리적인 힘이 가해짐으로써 응집되어 있는 전도성 필러 뭉치(bundle)의 서로 간 표면 사이의 반 데르 발스 힘을 파괴하고 전도성 필러를 단일 전도성 필러로 분리한다. 본 발명에서 초음파 처리 방법은 욕조 초음파 법으로 10 내지 60분의 시간 내에 실온 이하, 바람직하게는 10 내지 28 ℃를 유지하면서 초음파 처리를 수행해야 전도성 필러의 손상을 최소화할 뿐만 아니라 분산을 안정화시킬 수 있다.
상기 초음파는 주파수 약 40 ~ 5,000 kHz 범위에서 강도(spatial peak pulse average intensity: ISPPA)가 약 50 ~ 1,000 mW/㎠ 사이를 변하는 초음파를 사용함으로써 전도성 필러가 고루 분산된 안정한 분산액을 얻을 수 있다.
또한, 상기 용매로 이소프로필알코올이 아닌 다른 용매 및 물리적인 방법으로 초음파 방법이 아닌 다른 방법을 사용하는 경우에는 전도성 필러를 완전히 분리하여 용매에 안정하게 분산시킬 수 없으므로, 이소프로필알코올과 초음파 처리를 함께 수행하는 것이 바람직하다.
상기 전도성 필러와 이소프로필알코올은 1 : 30 내지 1000의 중량비, 바람직하게는 1 : 40 내지 500의 중량비로 혼합된다. 전도성 필러를 기준으로 이소프로필알코올의 중량비가 상기 범위를 벗어나는 경우에는 응집된 전도성 필러가 분리되지 않을 뿐만 아니라 분리된 전도성 필러도 이소프로필알코올에 안정하게 분산되지 못할 수 있다.
다음으로, 상기 (B)단계에서는 상기 (A)단계에서 혼합된 혼합물에 저점도의 메틸 엔디드 폴리디메틸실록산(MEP)을 첨가한 후 초음파 처리한다(도 1d).
상기 저점도의 메틸 엔디드 폴리디메틸실록산(MEP)은 이소프로필알코올의 소수성 부분과 접촉하게 되고, 초음파 처리에 의해 상기 분산된 전도성 필러를 감싼다.
상기 (B)단계에서 수행되는 초음파 처리는 상기 (A)단계와 동일한 조건으로 수행하되 5 내지 20분, 바람직하게는 10 내지 15분 동안 수행한다. 초음파 처리시간이 상기 하한치 미만인 경우에는 저점도의 메틸 엔디드 폴리디메틸실록산(MEP)이 전도성 필러를 감쌀 수 없으며, 상기 상한치 초과인 경우에는 오히려 메틸 엔디드 폴리디메틸실록산(MEP)이 전도성 필러를 감싸는 것을 방해할 수 있다.
다음으로, 상기 (C)단계에서는 상기 (B)단계에서 제조된 혼합물에 중점도 폴리디메틸실록산(PDMS-A)을 첨가하여 초음파 처리한다(도 1e).
상기 중점도 폴리디메틸실록산(PDMS-A)은 이소프로필알코올과 초음파 처리로 인하여 전도성 필러를 감싸고 있는 저점도의 메틸 엔디드 폴리디메틸실록산(MEP)과 접촉하여 전도성 필러를 용액에 골고루 분산시킴으로써 더욱 안정한 분산액을 얻을 수 있다.
상기 (C)단계에서 수행되는 초음파 처리는 상기 (A)단계와 동일한 조건으로 수행하되 5 내지 20분, 바람직하게는 10 내지 15분 동안 수행한다. 초음파 처리시간이 상기 하한치 미만인 경우에는 저점도의 메틸 엔디드 폴리디메틸실록산(MEP)과 접촉하기 어려울 수 있으며, 상기 상한치 초과인 경우에는 전도성 필러를 손상시킬 수 있다.
다음으로, 상기 (D)단계에서는 상기 (C)단계에서 제조된 혼합물에 함유된 이소프로필알코올을 증발시킨 후 금속촉매 및 경화제를 함유한 폴리디메틸실록산(PDMS-B)을 첨가하여 혼합한다(도 1f 및 도 1g).
상기 이소프로필알코올을 증발시키는 온도는 전도성 필러와 고분자(PDMS 및 MEP) 사이에 빈공간이 형성되지 않도록 50 내지 70 ℃, 바람직하게는 50 내지 60 ℃이며, 상기 온도 하에서 3 내지 12(overnight)시간 동안 수행된다. 상기 온도하에서 증발을 수행해야 상기 이소프로필알코올이 증발하면서 그 자리에 고분자가 채워질 수 있다.
증발온도 및 증발시간이 상기 하한치 미만인 경우에는 이소프로필알코올이 완전하게 증발되지 않을 수 있으며, 상기 상한치 초과인 경우에는 전도성 필러와 고분자 사이에 빈공간이 존재하여 물성이 저하될 수 있다.
상기 이소프로필알코올이 증발되면 플렉서블해지는데, 이때 금속촉매 및 경화제를 함유한 폴리디메틸실록산(PDMS-B)을 첨가하여 혼합하면 강도가 우수해지면서 더욱 플렉서블한 복합재료를 얻을 수 있다.
금속촉매 및 경화제를 함유한 폴리디메틸실록산(PDMS-B)의 금속은 백금일 수 있는데, 금 또는 은과 같은 다른 금속이 사용되는 경우에는 경화용 촉매로 사용될 수 없다. 바람직하게는 상기 금속촉매 및 경화제를 함유한 폴리디메틸실록산(PDMS-B)에 SiH화합물이 함유된 폴리디메틸실록산(SiH-PDMS)을 더 첨가할 수 있는데, 이때 비닐기를 함유하는 폴리실록산과 Si-H결합을 갖는 폴리실록산을 부가 반응시킴에 따라 실록산을 가교 시키는 방식을 이용한 것으로 촉매로 사용되는 백금화합물에 의하여 부산물이 발생되지 않는다.
상기 금속촉매 및 경화제를 함유한 폴리디메틸실록산(PDMS-B)은 상기 금속촉매 및 경화제를 함유한 폴리디메틸실록산(PDMS-B)과 폴리디메틸실록산(PDMS-A)이 1 : 2-20의 중량비로 혼합된다. 금속촉매 및 경화제를 함유한 폴리디메틸실록산(PDMS-B)을 기준으로 폴리디메틸실록산(PDMS-A)의 함량이 상기 하한치 미만인 경우에는 경화반응이 진행되지 않을 것이며, 상기 상한치 초과인 경우에는 단단하게 경화하여 복합재료를 플렉서블하게 제조할 수 없을 것이다.
다음으로, 상기 (E)단계에서는 상기 (D)단계에서 혼합된 혼합물을 성형틀에 주입한 후 70 내지 100 ℃에서 1 내지 12시간 동안 경화시켜 전도성 고분자 복합재료를 제조한다.
이하, 본 발명의 이해를 돕기 위하여 바람직한 실시예를 제시하나, 하기 실시예는 본 발명을 예시하는 것일 뿐 본 발명의 범주 및 기술사상 범위 내에서 다양한 변경 및 수정이 가능함은 당업자에게 있어서 명백한 것이며, 이러한 변형 및 수정이 첨부된 특허청구범위에 속하는 것도 당연한 것이다.
실시예 1. CNT 4 중량부
0.18 g의 다중벽탄소나노튜브를 25 g의 이소프로필알코올(iso-propyl alcohol, 99.9%)과 혼합하여 균질용액이 될 때까지 30분 동안 초음파 처리한 후 저점도의 메틸 엔디드 폴리디메틸실록산 용액(MEP, Dow Corning 사, 100 cSt, 전체 PDMS(PDMS-A+PDMS-B) 대비 10% 농도의 MEP 용액) 0.5 g을 혼합한 다음 10분간 초음파 처리한다. 그 후 중점도 폴리디메틸실록산 용액(PDMS-A, Sylgard 184 A, Dow Corning 사, 3500 cSt, 전체 PDMS 대비 90% PDMS-A 용액) 4.5 g의 혼합물을 첨가한 다음 반응혼합물이 균질용액이 될 때까지 약 10분 정도 반응혼합물을 초음파 처리하고 상기 반응혼합물의 용매를 약 55 ℃에서 6시간 동안 증발시킨다. 그 후 0.5 g의 백금 촉매가 함유된 폴리디메틸실록산 용액(PDMA-B, Sylgard 184 B, Dow Corning 사, 100 cst, 1 : 10 중량비(PDMA-B:전체 PDMS))을 상기 반응혼합물에 추가하고 고루 섞어준 다음 준비된 몰드에 채워넣고 100 ℃에서 1시간 동안 열경화시켜 성형한 전도성 고분자 복합재료를 제조하였다.
비교예 1. CNT 생략
상기 실시예 1과 동일하게 실시하되, 탄소나노튜브를 사용하지 않고 고분자 복합재료를 제조하였다.
비교예 2. PDMS 만 사용
중점도 폴리디메틸실록산(Dow Corning 사 Sylgard 184 base, PDMS-A) 5 g 을 25 g의 이소프로필알코올과 혼합하여 균질용액이 될 때까지 약 10분 정도 반응혼합물을 초음파 처리하고 상기 반응혼합물의 용매를 약 55 ℃에서 6시간 동안 증발시킨다. 그 후 0.5 g의 백금 화합물이 함유된 폴리디메틸실록산 용액(Dow Corning 사 Sylgard 184 curing agent, PDMS-B)을 상기 반응혼합물에 추가하고 고루 섞어준 다음 준비된 몰드에 채워넣고 100 ℃에서 1시간 동안 열경화시켜 성형하여 전도성 고분자 복합재료를 제조하였다.
<시험예>
시험예 1. 접촉각 , 인장강도 및 전도성 측정
1-1. 접촉각(°) 측정: 물과 같은 액체방울을 샘플 표면위에 떨어뜨린 후, 정지된 액체방울과 표면이 이루는 각도를 측정한 값을 말한다(정적 접촉각). 통상적으로 물방울을 떨어뜨려 시험을 하며 고체 표면의 표면장력이 높을수록 물에 대한 젖음성(Wettability)이 좋아지고 접촉각은 작아지며, 접촉각이 작다는 것은 친수성이 크고 젖음성이 좋고 접착성이 좋아짐을 의미한다(ASTM D 5946).
1-2. 인장강도(MPa) 측정: 시험 재료를 규정에 맞는 시험편으로 절삭한 다음 시험편의 양끝을 시험기에 고정시키고, 시험편의 축 방향으로 천천히 잡아당겨 끊어질 때까지의 변형과 이에 대응하는 하중을 측정하여 시험 재료의 변형에 대한 인장 강도를 측정하였다(ASTM D412 테스트).
1-3. 전도성(Ω/sq) 측정: Current source에서 시료에 전류를 인가하고 발생하는 전위차를 Nanovoltmeter를 사용하여 측정하며, 4-탐침법으로 두 개의 탐침은 전류를 흘려주기 위하여 사용되며 다른 두 개의 탐침은 전위차를 재는데 사용된다. 인가해준 전류와 측정되어진 전압의 값으로 V(전압)/I(전류) = ohm 값을 구하고, 표면저항 단위인 ohm/sq로 계산하기 위해 보정계수(Correctioin Factor)를 적용한다. Ohm X C.F = ohm/sq
구분 실시예 1 비교예 1 비교예 2
접촉각(°) 108.2±4.13 98.60±3.29 102.20±1.32
인장강도
(MPa)		 2.90±0.08 1.80±0.05 1.71±0.17
전도성(Ω/sq) 23.67±1.07 >1012 >1014
위 표 1에 나타낸 바와 같이, 본 발명의 실시예 1에 따라 제조된 전도성 고분자 복합재료는 비교예 1 및 2에 비해서 접촉각, 인장강도 및 전도성이 모두 우수한 것을 확인하였다. 특히, 비교예 1 및 2는 전도성이 측정되지 않았다.
시험예 2. 분산 안정성 측정
도 2는 실시예 1에 따라 각 물질들을 순차적으로 혼합한 후 초음파 처리 전과 후의 반응물을 일주일 동안 실온에 방치한 다음 분산도 측정기로 측정한 그래프 및 사진이다.
도 2에 도시된 바와 같이, 초음파 처리 전 반응물과 초음파 처리 후 반응물은 완전히 다른 상태의 분산액이며, 초음파 처리 이후에 분산액이 안정해짐을 확인하였다.
시험예 3. 세포 생존능 측정
도 3은 본 발명의 실시예 및 비교예에 따라 제조된 전도성 고분자 복합재료의 세포 생존능을 측정한 그래프이다.
실시예 1, 비교예 1 및 비교예 2의 전도성 고분자 복합재료를 이용하여 제작한 5 mm 원형 시편 위에 인간 각질세포(human primary keratinocyte, Thermo Fisher 사) HaCaT 세포(사용된 96웰 당 5,000개의 세포)를 60시간동안 배양하였다. 이러한 조건에 노출된 HaCaT 세포의 세포 생존능을 Cell Counting Kit-8 (CCK-8, Dojindo 사)에 의해 측정하였다.
각 재료에 대한 세포 생존능은 통계적인 값의 변화없이 유사하게 나타났으며, 도 3에 도시된 바와 같이 생체적합성이 우수하다고 보고된 PDMS(비교예 2)와 유사하게 실시예 1의 전도성 고분자 복합재료 역시 세포적합성이 우수한 것을 확인하였다.
시험예 4. 세포 독성 측정
도 4는 본 발명의 본 발명의 실시예 및 비교예에 따라 제조된 전도성 고분자 복합재료의 세포 독성율을 측정한 그래프이다.
실시예 1, 비교예 1 및 비교예 2의 전도성 고분자 복합재료를 이용하여 제작한 5 mm 원형 시편의 유출물을 10% FBS(fetal bovine serum), 100 U/ml 페니실린과 100 mg/ml 스트렙토마이신이 함유된 DMEM(Dulbeccos modified Eagles medium) 배지에서 80% 습한 조건(5% CO2 atmosphere)의 37 ℃에서 3일 동안 배양하여 수집하였다. 상기 용액을 인간 각질세포(human primary keratinocyte, Thermo Fisher 사) HaCaT 세포(사용된 96웰 당 5,000개의 세포)에 넣어 60시간동안 배양하고, Cell Counting Kit-8로 유출물에 의한 세포 독성율을 측정하였다.
각 재료의 유출물에 의한 세포 독성율은 통계적인 값의 변화없이 유사하게 나타났으며, 도 4에 도시된 바와 같이 생체적합성이 우수하다고 보고된 PDMS(비교예 2)와 유사하게 실시예 1의 전도성 고분자 복합재료 역시 세포독성이 나타나지 않음을 확인하였다.
시험예 5. 전류 흐름성 측정
도 5는 본 발명의 실시예 1을 이용하여 제조된 전자회로에 전자부품을 설치하는 과정을 나타낸 흐름도이며, 도 6은 상기 도 5에서 제조된 장치를 휘어지게 한 후(밴딩 테스트, bending test) 전류를 공급하여 확인한 사진이다.
도 6에 도시된 바와 같이, 실시예 1을 이용하여 제조된 장치를 휘어지게 한 후 전류를 흘려보낸 결과, `7`이라는 숫자에 불이 들어오므로 복합재료를 사용하여 제작된 전자회로는 늘리거나 접거나 휘어지게 하더라도 전기가 통하는 것을 확인하였다.
또한, 한 방향이 아닌 모든 방향에서 전기가 통하는 것을 확인하였다.
상기 도 5를 참조하여 상기 실시예 1을 이용하여 제조된 전자회로에 전자부품을 설치하여 제조된 장치의 제조과정을 설명한다.
먼저, 실리콘 웨이퍼 상에 SU-8을 부어 전기회로를 디자인한 후 UV를 조사하여 전기회로 모양이 돌출된 형태의 몰드를 형성시킨 다음 상기 몰드에 PDMS를 부어서 경화시킴으로써 약 5x10 cm의 크기(두께 1 내지 2 mm)의 움푹 파여진 형태의 전기회로를 형성하였다.
다음으로, 상기 형성된 전기회로에 실시예 1의 전도성 고분자 복합재료를 채운 후 적합한 전자소자를 끼워넣은 후 60 °에서 경화시켜 실시예 1을 이용하여 제조된 전자회로에 전자부품을 설치하여 제조된 장치를 제조하였다.

Claims (10)

  1. 폴리디메틸실록산(PDMS) 및 저점도의 메틸 엔디드 폴리디메틸실록산(MEP)을 포함하는 고분자 혼합물의 내부에 전도성 필러가 분산되며,
    상기 저점도의 메틸 엔디드 폴리디메틸실록산(MEP)의 점도는 50 내지 1000 cSt인 것을 특징으로 하는 전도성 고분자 복합재료.
  2. 제1항에 있어서, 상기 전도성 고분자 복합재료는 폴리디메틸실록산(PDMS) 100 중량부에 대하여 저점도의 메틸 엔디드 폴리디메틸실록산(MEP) 5 내지 40 중량부 및 전도성 필러 0.5 내지 20 중량부를 포함하는 것을 특징으로 하는 전도성 고분자 복합재료.
  3. 제1항에 있어서, 상기 전도성 필러와 저점도의 메틸 엔디드 폴리디메틸실록산(MEP)은 1 : 1 내지 40의 중량비로 혼합되는 것을 특징으로 하는 전도성 고분자 복합재료.
  4. 제1항에 있어서, 상기 전도성 필러는 탄소나노튜브, 카본블랙, 금속 섬유, 전도성 고분자 및 그래핀으로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상인 것을 특징으로 하는 전도성 고분자 복합재료.
  5. 삭제
  6. 제1항에 있어서, 상기 폴리디메틸실록산(PDMS)의 점도는 3000 내지 7000 cSt인 것을 특징으로 하는 전도성 고분자 복합재료.
  7. 제1항에 있어서, 상기 전도성 고분자 복합재료의 전도성은 100 Ω/sq 이하의 표면저항인 것을 특징으로 하는 전도성 고분자 복합재료.
  8. 제1항에 있어서, 상기 전도성 고분자 복합재료는 인장강도가 1 내지 5 MPa이고, 접촉각이 100 내지 130°인 것을 특징으로 하는 전도성 고분자 복합재료.
  9. 제1항에 있어서, 상기 분산은 이소프로필알코올 하에서 초음파 처리로 수행되는 것을 특징으로 하는 전도성 고분자 복합재료.
  10. 제1항에 있어서, 상기 전도성 고분자 복합재료는 금속촉매 및 경화제를 함유한 폴리디메틸실록산을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전도성 고분자 복합재료.
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