KR101848057B1 - 질화붕소나노튜브를 이용한 방사능 차폐재 - Google Patents

Abstract

본 발명은 질화붕소나노튜브를 이용한 방사능 차폐재에 관한 것으로서, 특히, 탄소나노튜브와 질화붕소나노튜브를 포함하여 높은 강도를 유지하면서도 경량이고 특히, 방사능 차폐 기능을 가진 안전성 높은 고기능성 차폐재를 제공하기 위한 것으로서, 폴리메틸메타크릴레이트(PMMA ; poly(methyl methacrylate))와 디메틸폼아미드(DMF ; dimethylformamid)를 각각 준비하여 교반하는 교반단계(S10)와; 탄소나노튜브(CNT ; carbon nano tube)와 질화붕소나노튜브(BNNT ; Boron-nitride nano tube)를 각각 준비하여 혼합하는 혼합단계(S20)와; 상기 교반단계(S10)에서 교반된 교반액에 상기 혼합단계(S20)에서 혼합된 혼합물을 투입하여 분산시키는 분산단계(S30)와; 프리프레그를 준비하여 상기 분산단계(S30)에서 분산된 방사액을 상기 프리프레그 상에 전기방사 하는 전기방사단계(S40)와; 상기 전기방사단계(S40)에서 전기방사된 프리프레그를 다수 적층시키는 적층단계(S50)와; 상기 적층단계(S50)에서 적층시킨 프리프레그를 진공 상태로 감싸고 오토클레이브에서 가열 및 가압하여 경화시키는 성형단계(S60)를 포함하는 방법으로 제조되어, 차폐재를 최적의 조건에서 대량으로 양산할 수 있어, 우주항공산업, 군수산업, 원자력 설비, 의료산업, 비파괴검사 등의 다양한 분야에 활용하여 제품의 상품성 및 시장 경쟁력을 극대화시킬 수 있도록 하는 것이다.

Description

질화붕소나노튜브를 이용한 방사능 차폐재{Radiation shielding material with boron-nitride nano tube}

본 발명은 질화붕소나노튜브를 이용한 방사능 차폐재에 관한 것으로서 특히, 탄소나노튜브와 질화붕소나노튜브를 포함하여 높은 강도를 유지하면서도 경량이고 특히, 방사능 차폐 기능을 가진 안전성 높은 고기능성 차폐재를 제공하기 위한 것으로써, 차폐재를 최적의 조건에서 대량으로 양산할 수 있어, 우주항공산업, 군수산업, 원자력 설비, 의료산업, 비파괴검사 등의 다양한 분야에 활용하여 제품의 상품성 및 시장 경쟁력을 극대화시킬 수 있는 것이다.

일반적으로 위성시스템은 소형화, 탑재체 수용증대, 발사비용절감, 탐사임무 효율화 등의 요구로 인하여 설계에 있어 경량화 및 고강도화는 최우선 과제이다.

이러한 결과로, 위성체 프레임이나 전개형 안테나, 광학구조물 등에 경량이면서 고강도의 다양한 복합재료를 적용하고 있는 것은 보편화되어 있다.

하지만 이러한 위성시스템의 경우, 우주 환경 방사능의 영향을 지속적으로 받게 되며, 이는 위성시스템의 전자 부품에 중대한 영향을 끼치게 된다.

예를 들어, 위성시스템의 전체 수명 기간을 통하여 계속적으로 축척되는 저준위 에너지 입자의 영향에 의한 전자소자나 태양 전지판 전지 셀의 성능저하는 위성시스템의 수명을 단축시키거나 오작동의 원인이 되며, 태양의 활동에 의하여 방출되는 고에너지 입자(SEP : Solar Enfergetic Particle)나 태양계 외부에서 전달되는 고에너지 입자(GCR : galactic cosmic ray)는 위성시스템의 운용을 일시적으로 교란시키는 경우가 있고, 때에 따라서는 영원히 복구할 수 없는 상태에 이르는 원인이 된다.

따라서, 이러한 방사능 입자들은 위성시스템의 전자소자에 계속적으로 축척되어 전자소자의 이온화 현상을 진행시키고, 결국에는 전자소자의 특성을 변화시키거나 파손시키는 주요 인자가 되고 있는 실정이다.

그 결과, 위성시스템에는 방사능 차폐 능력을 가지고 있는 소재로 알루미늄을 널리 사용하고 있으나, 알루미늄은 탄소섬유강화수지(CFRP ; carbon fiber reinforced plastic) 복합재에 비해 무게가 무겁고 강도가 약하다는 단점을 가지고 있다.

반면에, 탄소섬유강화수지 복합재는 알루미늄에 비해 무게가 가볍고 강도도 우수하다는 장점을 가지고 있으나, 방사능 차폐 특성이 알루미늄에 비해 크게 떨어져 위성시스템에 적용하는 데에는 한계가 있었다.

위에서는 우주항공산업을 일예로 들어 설명하였지만, 이에 국한되는 것은 아니며, 예를 들면, 핵 공격이나 중성자탄에 대비하기 위한 군수산업, 원자력 발전소 등과 같은 방사능 차폐를 위한 원자력 설비, 방사선 촬영을 위한 의료산업, 비파괴검사 등의 다양한 분야에 있어서도 이러한 요구가 지속되고 있다.

따라서, 방사능 차폐 특성을 갖는 동시에 경량이면서 고강도를 갖는 고기능성 소재가 다양한 산업 분야에서 요구되고 있지만, 종래에는 이러한 요구를 만족하는 소재의 개발이 미약하고, 소재가 개발되었다 하더라도 대량으로 양산하는 데에는 제조 방법이나 높은 제조 원가 등의 이유로 널리 적용되지 못하고 있다는 기술상의 문제점이 있었다.

국내 등록특허공보 제10-1752349호

본 발명은 상기의 문제점을 해소하기 위한 것으로, 탄소나노튜브와 질화붕소나노튜브를 포함하여 높은 강도를 유지하면서도 경량이고 특히, 방사능 차폐 기능을 가진 안전성 높은 고기능성 차폐재를 최적의 조건에서 대량으로 양산할 수 있어, 우주항공산업, 군수산업, 원자력 설비, 의료산업, 비파괴검사 등의 다양한 분야에 활용하여 제품의 상품성 및 시장 경쟁력을 극대화시킬 수 있도록 하는 질화붕소나노튜브를 이용한 방사능 차폐재를 제공하고자 한다.

이러한 본 발명은 폴리메틸메타크릴레이트(PMMA ; poly(methyl methacrylate))와 디메틸폼아미드(DMF ; dimethylformamid)를 각각 준비하여 교반하는 교반단계와; 탄소나노튜브(CNT ; carbon nano tube)와 질화붕소나노튜브(BNNT ; Boron-nitride nano tube)를 각각 준비하여 혼합하는 혼합단계와; 상기 교반단계에서 교반된 교반액에 상기 혼합단계에서 혼합된 혼합물을 투입하여 분산시키는 분산단계와; 프리프레그를 준비하여 상기 분산단계에서 분산된 방사액을 상기 프리프레그 상에 전기방사 하는 전기방사단계와; 상기 전기방사단계에서 전기방사된 프리프레그를 다수 적층시키는 적층단계와; 상기 적층단계에서 적층시킨 프리프레그를 진공 상태로 감싸고 오토클레이브에서 가열 및 가압하여 경화시키는 성형단계를 포함하는 방법으로 제조됨으로써 달성된다.

이때, 상기 교반단계의 상기 폴리메틸메타크릴레이트는 상기 디메틸폼아미드의 중량에 대해 8~12중량%이고, 교반속도 1800~2000rpm의 페이스트 믹서로 점도 1000cP를 초과하지 않도록 교반하는 방법으로 제조되는 것이 좋다.

이와 함께, 상기 혼합단계의 상기 탄소나노튜브는 상기 폴리메틸메타크릴레이트의 중량에 대해 0.8~1.2중량%의 다중벽 탄소나노튜브 분말이며, 상기 질화붕소나노튜브는 상기 폴리메틸메타크릴레이트의 중량에 대해 0.8~1.2중량%의 질화붕소나노튜브 분말인 방법으로 제조되는 것이 양호하다.

게다가, 상기 분산단계는 50~280㎛ 진폭의 초음파를 프루브의 팁에서 발진시키는 울트라 소니케이터에서 행해지며, 상기 울트라 소니케이터는 가동시간:휴지시간이 1:1의 비율로 휴지기를 포함하여 점도 800~1100cP로 분산을 실시하는 방법으로 제조되는 것이 좋을 것이다.

또한, 상기 전기방사단계의 상기 프리프레그는 탄소섬유강화수지재로서 500~2500rpm으로 회전하는 드럼 콜렉터에서 방사속도 0.1~1.0㎖/hr, 방사거리 1.0~2.0㎝로 설정하여 전기방사 되는 방법으로 제조되는 것이 바람직하다.

그리고, 상기 적층단계에서는, 상기 전기방사된 프리프레그를 사각형으로 절단하여 플라이 수에 따라 적층시킨 후, 상하에 각각 릴리즈 필름과 카울 플레이트가 위치하도록 적층시키는 방법으로 제조되는 것이 양호할 것이다.

마지막으로, 상기 성형단계에서는, 진공펌프로 공기를 빼낼 때 공기의 통로가 되는 브리더 패브릭을 상기 적층시킨 프리프레그에 놓은 후, 내열성을 지닌 진공백으로 진공 포장하고, 진공 여부를 확인하여 예열된 오토클레이브에 넣어 성형하는 방법으로 제조되는 것이 가장 바람직할 것이다.

이상과 같은 본 발명은 탄소나노튜브와 질화붕소나노튜브를 포함하여 높은 강도를 유지하면서도 경량이고 특히, 방사능 차폐 기능을 가진 안전성 높은 고기능성 차폐재를 최적의 조건에서 대량으로 양산할 수 있어, 우주항공산업, 군수산업, 원자력 설비, 의료산업, 비파괴검사 등의 다양한 분야에 활용하여 제품의 상품성 및 시장 경쟁력을 극대화시킬 수 있는 발명인 것이다.

도 1은 본 발명에 따른 질화붕소나노튜브를 이용한 방사능 차폐재를 제조하는 방법을 도시하는 순서도.

도 1은 본 발명에 따른 질화붕소나노튜브를 이용한 방사능 차폐재를 제조하는 방법을 도시하는 순서도이다.

본 발명의 실시예에서 제시되는 특정한 구조 내지 기능적 설명들은 단지 본 발명의 개념에 따른 실시예를 설명하기 위한 목적으로 예시된 것으로, 본 발명의 개념에 따른 실시예들은 다양한 형태로 실시될 수 있다. 또한 본 명세서에 설명된 실시예들에 한정되는 것으로 해석되어서는 아니 되며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경물, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.

한편, 본 발명에서 제1 및/또는 제2 등의 용어는 다양한 구성 요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성 요소들은 상기 용어들에 한정되지는 않는다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소들과 구별하는 목적으로만, 예컨대 본 발명의 개념에 따른 권리 범위로부터 벗어나지 않는 범위 내에서, 제1구성요소는 제2구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2구성요소는 제1구성요소로도 명명될 수 있다.

어떠한 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떠한 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 또는 "직접 접촉되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다. 구성요소들 간의 관계를 설명하기 위한 다른 표현들, 즉 "~사이에"와 "바로 ~사이에" 또는 "~에 인접하는"과 "~에 직접 인접하는" 등의 표현도 마찬가지로 해석되어야 한다.

본 명세서에서 사용하는 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로서, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서 "포함한다" 또는 "가지다" 등의 용어는 실시된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성 요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징이나 숫자, 단계, 동작, 구성 요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.

본 발명의 질화붕소나노튜브를 이용한 방사능 차폐재는, 탄소나노튜브와 질화붕소나노튜브를 포함하여 높은 강도를 유지하면서도 경량이고 특히, 방사능 차폐 기능을 가진 안전성 높은 고기능성 차폐재를 최적의 조건에서 대량으로 양산할 수 있어, 우주항공산업, 군수산업, 원자력 설비, 의료산업, 비파괴검사 등의 다양한 분야에 활용하여 제품의 상품성 및 시장 경쟁력을 극대화시킬 수 있는 것을 그 기술상의 기본 특징으로 한다.

본 발명의 실시예를 첨부 도면을 참조하여 상세히 설명하면 다음과 같다.

본 발명에 따른 질화붕소나노튜브를 이용한 방사능 차폐재는 도 1에 도시한 바와 같이, 폴리메틸메타크릴레이트와 디메틸폼아미드를 각각 준비하여 교반하는 교반단계(S10)와; 탄소나노튜브와 질화붕소나노튜브를 각각 준비하여 혼합하는 혼합단계(S20)와; 상기 교반단계(S10)에서 교반된 교반액에 상기 혼합단계(S20)에서 혼합된 혼합물을 투입하여 분산시키는 분산단계(S30)와; 프리프레그를 준비하여 상기 분산단계(S30)에서 분산된 방사액을 상기 프리프레그 상에 전기방사 하는 전기방사단계(S40)와; 상기 전기방사단계(S40)에서 전기방사된 프리프레그를 다수 적층시키는 적층단계(S50)와; 상기 적층단계(S50)에서 적층시킨 프리프레그를 진공 상태로 감싸고 오토클레이브에서 가열 및 가압하여 경화시키는 성형단계(S60)를 포함하는 방법으로 제조되는 것이 바람직할 것이다.

즉, 본 발명의 질화붕소나노튜브를 이용한 방사능 차폐재를 제조하는 방법은, 크게 교반단계(S10), 혼합단계(S20), 분산단계(S30), 전기방사단계(S40), 적층단계(S50), 그리고 성형단계(S60)의 6개 단계를 포함할 수 있다.

우선, 교반단계(S10)는 고분자물질인 폴리메틸메타크릴레이트와 용매인 디메틸폼아미드를 각각 준비하여 이들을 교반한다.

여기에서 폴리메틸메타크릴레이트(PMMA)는 메타크릴산 메틸을 중합하여 얻어지는 고분자 물질로, 투명성과 내광성이 우수하며, 특히 기계적 강도와 성형성이 좋다.

그리고, 디메틸폼아미드(DMF)는 극성 유기용매의 하나로 각종 화학반응의 용매로 이용될 수 있는 것으로, 특히 폴리아크릴로나이트릴(PAN ; polyacrylonitrile)의 뛰어난 용제로 널리 사용되고 있으며, 본 발명에 있어서는 전기방사를 위한 방사액의 용매로 사용될 것이다.

특히, 상기 교반단계(S10)의 상기 폴리메틸메타크릴레이트는 상기 디메틸폼아미드의 중량에 대해 8~12중량%이고, 교반속도 1800~2000rpm의 페이스트 믹서로 점도 1000cP를 초과하지 않도록 교반하는 것이 바람직할 것이다.

예를 들어, 상기 디메틸폼아미드를 40g 준비하였을 때, 상기 폴리메틸메타크릴레이트는 상기 디메틸폼아미드의 중량에 대해 8~12중량%인 3.2~4.8g을 준비한 후, 준비된 폴리메틸메타크릴레이트와 디메틸폼아미드를 교반하게 되는 것이다.

이때, 상기 폴리메틸메타크릴레이트와 상기 디메틸폼아미드의 교반은 페이스트 믹서(paste mixer)에서 교반속도 1800~2000rpm으로 교반액의 점도가 1000cP를 초과하지 않도록 하여 교반시간은 대략 120분간 행해졌다.

교반시간이 대략 90분 미만의 교반액에서는 폴리메틸메타크릴레이트 덩어리가 존재하는 것을 확인하였다.

여기에서, 페이스트 믹서는 교반 장치와 탈포 장치가 융합된 믹서로서, 재료가 들어 있는 용기를 공전 및 자전을 동시에 실시하며, 교반봉이나 날개, 진공장치 등을 사용치 않아도 짧은 시간 내에 교반과 탈포를 동시에 수행할 수 있는 것이다.

다음으로, 혼합단계(S20)에서는 탄소나노튜브와 질화붕소나노튜브를 각각 준비하여 혼합하게 된다.

여기에서, 탄소나노튜브(CNT)는, 6각형으로 배열된 탄소원자들이 튜브 형상의 모양을 하고 있는 탄소동소체 중의 하나로서, 탄소 원자 철망의 시트가 실린더 형으로 말려있는 형상을 하고 있다.

특히, 탄소나노튜브는 탄소를 90% 이상 포함하고 있는 1㎛ 굵기의 섬유상 물질을 지칭하며 형상과 미세구조에 따라 그 응용 분야가 다르며, 탄소원소가 재료를 형성하면 sp, sp², sp³의 혼성에 의한 결합을 하기 때문에 다이아몬드와 같은 높은 강도, 흑연과 같은 우수한 전기기전도성 및 열전도성, 화학적으로 안정하고 생체친화적인 특성을 나타내며, 양성자에 대한 차폐 능력이 우수하다.

이와 같은 탄소나노튜브는 튜브를 구성하는 층의 수에 따라, 단일벽 나노튜브(single-walled carbon nano tube), 다중벽 나노튜브(multi-walled carbon nano tube), 이중벽 나노튜브(double-walled carbon nano tube), 얇은 벽 나노튜브(thin-walled carbon nano tube) 등으로 구분된다.

그리고, 질화붕소나노튜브(BNNT)는 질화붕소의 다형체이며 구조적으로는 탄소나노튜브와 유사한 튜브형태를 지니고 탄소 원자 대신 질소와 붕소 원자에 의하여 번갈아 대체되어 튜브형태를 유지하고 있다.

따라서, 현재 반도체, 자동차 산업 등에서 다양하게 사용되고 있는 탄소나노튜브와 유사한 직경과 길이를 갖고 있으나, 탄소나노튜브 보다 더 좋은 열전도 및 기계적 특성을 갖고 있으며, 900℃ 이상의 고온에서도 화학적 안전성과 열중성자 흡수력 등이 뛰어나며, 특히, 중성자에 대한 차폐 능력이 우수하다.

이와 함께, 탄소나노튜브가 전기적으로는 전도성 탄소나노튜브와 반도체 탄소나노튜브가 혼합되어 존재하고 ~400℃ 정도에서 산화되는데 비해, 질화붕소나노튜브는 전기적으로 절연성(band gap ~5 eV)을 가지고 있으며, ~900℃ 이상에서도 화학적 안정성을 갖고 있는 장점이 있고, 열중성자 흡수 능력이 매우 뛰어나다는 등의 다양한 특징을 가지고 있다.

특히, 본 발명에 있어서, 상기 혼합단계(S20)의 상기 탄소나노튜브는 상기 폴리메틸메타크릴레이트의 중량에 대해 0.8~1.2중량%의 다중벽 탄소나노튜브 분말이며, 상기 질화붕소나노튜브는 상기 폴리메틸메타크릴레이트의 중량에 대해 0.8~1.2중량%의 질화붕소나노튜브 분말인 것이 바람직할 것이다.

예를 들어, 상기 디메틸폼아미드를 40g 준비하여 상기 폴리메틸메타크릴레이트를 4g 준비하였다면, 상기 탄소나노튜브와 상기 질화붕소나노튜브는 각각 상기 폴리메틸메타크릴레이트의 중량에 대해 0.8~1.2중량%인 0.032~0.048g이 바람직할 것이다.

이와 함께, 상기 탄소나노튜브는 위에서 살펴본 바와 같이 다양한 종류의 탄소나노튜브 가운데 다중벽 탄소나노튜브이고, 상기 탄소나노튜브와 상기 질화붕소나노튜브 둘 모두는 분말 형태가 혼합에 양호한 것으로 확인되었다.

다음으로, 분산단계(S30)에서는 상기 교반단계(S10)에서 교반된 상기 폴리메틸메타크릴레이트와 상기 디메틸폼아미드의 교반액에 상기 혼합단계(S20)에서 혼합된 상기 탄소나노튜브와 상기 질화붕소나노튜브의 혼합물을 투입하여 분산시키게 된다.

특히, 본 발명에 있어서 상기 분산단계(S30)는 50~280㎛ 진폭의 초음파를 프루브의 팁에서 발진시키는 울트라 소니케이터(ultrasonicator)에서 행해지며, 상기 울트라 소니케이터는 가동시간:휴지시간이 1:1의 비율로 휴지기를 포함하여 점도 800~1100cP로 분산을 실시하는 것이 바람직할 것이다.

여기에서, 상기 울트라 소니케이터는 직립 설치되는 것으로, 그 하단에 프루브의 팁이 위치하고, 이 팁에서 초음파를 발진시키게 된다.

따라서, 상기 탄소나노튜브와 상기 질화붕소나노튜브의 혼합물을 투입한 상기 폴리메틸메타크릴레이트와 상기 디메틸폼아미드의 교반액에 상기 울트라 소니케이터의 팁이 잠기게 위치시킨 후, 초음파를 발진시켜 분산을 실시하였다.

이때, 상기 울트라 소니케이터에 마련되는 프루브의 팁은 서로 다른 진폭의 초음파를 발진시킬 수 있으며, 그 초음파 진폭의 범위는 50~280㎛에 이르는 것이다.

그리고, 상기 울트라 소니케이터는 각각 발진될 수 있는 초음파의 출력값을 0~100%까지 조절할 수 있는 것으로 그 출력값은 대략 60~80%에서 가장 효과적인 분산이 행해지는 것을 확인하였다.

상기 울트라 소니케이터의 출력값은 높을수록 더 양호한 분산을 보여주었으나, 80%를 초과하면 액이 튀는 등의 문제가 발생할 우려가 높았다.

여기에서, 상기 울트라 소니케이터에 의한 분산은 상술한 바와 같이 상기 디메틸폼아미드를 40g으로 하였을 때에 대하여 대략 40~80분이 바람직하다.

본 출원인은 상기 울트라 소니케이터에 의한 분산시간 증가에 따른 점도 변화를 확인해 본 결과, 80분 이내에서는 분산시간에 따라 점도가 선형적으로 증가하는 추세를 나타내었지만, 80분 후에는 점도가 비선형적으로 급격히 증가하는 경향을 나타냈다.

이는 분자간 결합력이 증대되기 때문에 점도가 급격히 증가하거나, 혹은 물리적으로 초음파가 작동하게 되면 열이 발생되므로 디메틸폼아미드가 증발되면서 액위가 점차적으로 낮아져 초음파의 영향이 커지는 것으로 추측되었으며, 이러한 이유로 분산시간은 대략 40~80분으로 한정하는 것이 양호할 것이다.

특히, 본 출원인은 분산단계(S30)에 있어서 상기 울트라 소니케이터에 의한 분산을 지속적으로 실시하는 것보다 가동시간 사이에 휴지시간이 존재하는 휴지기를 갖는 것이 더 양호한 분산에 유리하다는 것을 알 수 있었다.

예를 들어, 가동시간과 휴지기간을 2초와 8초, 2초와 4초, 2초와 2초, 그리고 휴지시간 없이 가동시간만을 갖는 것으로 시험해 본 결과, 가동시간:휴지시간의 비율에 따라 분산 상태가 서로 다르게 나타났다.

즉, 분산 상태를 보기 위해 현미경 관찰 결과, 휴지시간이 줄어들수록 분산상태가 좋아지다가, 오히려 휴지시간이 없을 경우 분산 상태가 악화되는 것을 확인 할 수 있었다.

이는, 울트라 소니케이터의 가동시간이 증가할수록 분산 상태는 좋아지지만, 휴지시간 없이 가동시간만 주어지는 것보다는 가동시간과 동일한 휴지시간을 주는 것이 분산에 더 효과적인 것을 확인하였다.

즉, 본 발명에 있어서 울트라 소니케이터의 가동시간:휴지시간의 비율은 1:1이고, 가동시간과 휴지시간은 모두 2초인 것이 가장 바람직한 것으로 확인되었다.

이와 같은 분산은 상기 울트라 소니케이터의 작동에 따른 디메틸폼아미드의 증발량을 증가시키며, 그 결과 대략 점도 800~1100cP로 분산을 실시하는 것이 이후의 전기방사에 바람직한 점도인 것을 확인하였다.

본 출원인은 상술한 바와 같이 교반 및 혼합 이후 분산을 실시하는 순서를 확립하기 전, 이들 순서를 달리하여 탄소나노튜브와 질화붕소나노튜브를 우선 혼합하여 디메틸폼아미드에 분산시킨 후, 폴리메틸메타크릴레이트를 교반해 보았으나, 교반이 완료된 용액의 상태를 현미경으로 관찰해 보았을 때, 탄소나노튜브와 질화붕소나노튜브가 서로 뭉쳐 일부 덩어리가 보이는 것이 관찰되었다.

즉, 본 발명에 있어서는 폴리메틸메타크릴레이트 및 디메틸폼아미드의 교반과 탄소나노튜브 및 질화붕소나노튜브의 혼합을 각각 실시한 후, 폴리메틸메타크릴레이트 및 디메틸폼아미드의 교반액에 탄소나노튜브 및 질화붕소나노튜브의 혼합물을 투입하고 분산시켰을 때에는 현미경 상 덩어리가 보이지 않았다.

따라서, 본 발명에 따라 교반 및 혼합 이후 분산을 실시하는 것이 가장 바람직한 것을 확인하였다.

다음으로, 전기방사단계(S40)에서는 프리프레그를 준비하여 상기 분산단계(S30)에서 분산된 방사액을 상기 프리프레그 상에 전기방사 한다.

전기방사는 비교적 간단한 구조와 저가의 장비를 이용한다는 장점을 가지고 있으나, 분자 수준의 이해와 공정 및 기술적 인자들을 고려해야 하기 때문에 종래에 있어서는 방사액의 준비에 어려움이 많았다.

게다가, 고분자 용액의 점도가 방사액의 개발에 가장 결정적인 변수로 작용하며, 용액의 농도가 높으면 굵은 섬유를 얻을 수 있으며, 일반적으로 섬유의 직경은 고분자 용액 농도의 제곱에 비례하게 된다.

또한, 방사액의 준비는 성분비율, 순서, 시간, 혼합속도, 온도 등의 다양한 인자에 영향을 받게 되므로, 본 발명에 있어서 상술한 교반단계(S10), 혼합단계(S20), 그리고 분산단계(S30)의 순서로 진행하여 전기방사에 가장 바람직한 방사액을 준비할 수 있게 된다.

전기방사란 액체의 낙하 시 정전기력이 표면장력을 극복할 수 있다는 수학적 계산을 토대로 한 것으로, 용매에 용융 및 혼합이 가능한 모든 고분자 재료를 사용할 수 있고, 전기장을 이용하여 마이크로미터에서 나노미터 직경의 섬유를 손쉽게 제조할 수 있는 기술이다.

보다 구체적으로 전기방사란, 고분자를 용매에 완전히 녹인 후 일정속도로 실린지를 통해 밀어내게 되면 바늘 끝에 액적이 생기게 되며, 이 액적은 일정 표면장력을 가지고 매달리게 된다.

이때 고전압을 바늘 끝에 걸어 주면 액적 중에 양전하 밀도가 높아져 전하반발이 생기고, 이들 반발에 의해 젯(jet)이 생겨 그라운드(ground) 상태인 콜렉터(collector) 쪽으로 이동하게 되는데 콜렉터에 가까워지면서 젯은 단계적으로 분리되어 최종적으로 나노 스케일의 섬유들이 적층되어 부직포를 형성하게 되는 것이다.

여기에서 프리프레그(prepreg)는 pre-impregnated material의 약자로 결합재를 강화섬유(reinforced fiber)에 미리 함침 시킨 시트 형태의 제품으로 복합재료 제품의 중간 재료이다.

이때, 강화섬유로는 주로 탄소섬유, 유리섬유, 아라미드섬유 등이 이용되고 있으며, 결합재로는 에폭시수지, 열가소성수지 등이 사용될 수 있을 것이다.

프리프레그는 섬유의 종류, 섬유의 배열 형태, 사용된 결합재의 종류에 따라 다양한 제품군을 형성하며, 프리프레그를 이용하여 생산된 복합재료는 타 재료에 비해 강도, 강성도, 내식성, 피로수명, 내마모성, 내충격성, 경량화 등의 다양한 특성을 개선할 수 있어 다양한 분야에서 널리 이용되고 있다.

특히, 본 발명에 있어서, 상기 전기방사단계(S40)의 상기 프리프레그는 탄소섬유강화수지재로서 500~2500rpm으로 회전하는 드럼 콜렉터에서 방사속도 0.1~1.0㎖/hr, 방사거리 1.0~2.0㎝로 설정하여 전기방사 되는 것이 양호할 것이다.

이러한 전기방사단계(S40)에 있어서 본 발명에서의 상기 프리프레그는 강화섬유로 탄소섬유를 사용한 탄소섬유강화수지(CFRP)재가 경량화 및 강도 면에서 바람직한 결과를 보여주었다.

즉, 방향성을 가진 섬유를 얻기 위하여 회전하는 드럼 콜렉터와 25G 사이즈의 노즐을 이용하였으며, 노즐의 직경이 작아도 방사액의 점도가 1100cP 이하이므로 방사속도를 0.1~1.0㎖/hr로 하여도 소망하는 전기방사를 실시할 수 있었다.

본 출원인은 방사거리를 2cm를 초과하도록 설정하여 전기방사를 수행하였으나 노즐 끝에서 섬유가 뽑아진 뒤 드럼 콜렉터 쪽으로 향하면서 굴곡 불안정성을 나타내었기에, 방사거리를 1.0~2.0㎝로 설정하여 전기방사를 수행한 결과 노즐 끝에서 한 가닥의 섬유가 뽑아져 나와 상기 드럼 콜렉터에 정확하게 도달하는 것을 확인하였다.

상기 드럼 콜렉터의 회전속도를 다양하게 변화시키면서 전기방사를 실시한 결과, 대략 500~2500rpm으로 회전할 때 소망하는 전기방사가 이루어졌으며, 회전속도가 빠를수록 방향성을 가진 섬유가 곧게 나타나고, 직경도 줄어드는 경향을 확인하였으며, 특히 회전속도가 빨라짐에 따라 섬유의 노출 빈도가 늘어나는 경향도 확인 할 수 있었다.

이와 같은 전기방사단계(S40)를 통해 탄소나노튜브 및 질화붕소나노튜브가 전기방사된 탄소섬유강화수지재의 프리프레그를 제작하는 것이 가능해진다.

다음으로, 적층단계(S50)에서는 상기 전기방사단계(S40)에서 전기방사된 프리프레그를 다수 적층시키게 된다.

이와 같은 프리프레그의 적층은 이후에 오토클레이브 내에서 최종적인 성형을 실시하기 위함이다.

특히, 본 발명에 있어서 상기 적층단계(S50)에서는, 상기 전기방사된 프리프레그를 사각형으로 절단하여 플라이 수에 따라 적층시킨 후, 상하에 각각 릴리즈 필름과 카울 플레이트가 위치하도록 적층시키는 것이 바람직할 것이다.

예를 들어, 상기 전기방사단계(S40)에서 전기방사된 프리프레그를 가로×세로를 30㎝×30㎝로 잘라 플라이(ply) 수만큼 준비한다.

이후, 절단한 전기방사된 프리프레그를 플라이 수만큼 적층하고, 알루미늄 소재의 툴 베이스(tool base) 상에 릴리즈 필름(release film)을 놓으며, 여기에서 릴리즈 필름은 프리프레그에서 나오는 수지가 금형에 붙는 것을 방지하게 된다.

이후, 적층된 프리프레그를 카울 플레이트(caul plate) 상에 놓고, 댐을 쌓은 후, 테이프로 릴리즈 필름을 상기 카울 플레이트에 붙인 뒤, 다시 필 플라이(peel ply)와 릴리즈 필름을 올려 놓는다.

여기에서, 상기 카울 플레이트는 알루미늄 소재로 제작된 것으로 복합재료 표면을 평평하게 하는 한편, 복합재료 윗면의 온도 분포를 균일하게 하는 역할을 하게 된다.

마지막으로, 성형단계(S60)에서는 상기 적층단계(S50)에서 적층시킨 프리프레그를 진공 상태로 감싸고 오토클레이브에서 가열 및 가압하여 경화시키는 것이다.

특히, 본 발명에 있어서 상기 성형단계(S60)에서는, 진공펌프로 공기를 빼낼 때 공기의 통로가 되는 브리더 패브릭을 상기 적층시킨 프리프레그에 놓은 후, 내열성을 지닌 진공백으로 진공 포장하고, 진공 여부를 확인하여 예열된 오토클레이브에 넣어 성형하는 것이 가장 바람직할 것이다.

즉, 진공펌프로 공기를 빼낼 때 공기의 통로 역할을 하게 되는 브리더 패브릭(breather fabric)을 상기 적층단계(S50)에서 적층시킨 프리프레그 상에 올려 놓고, 오토클레이브의 경화 온도에서 견딜 수 있는 정도의 내열성을 지닌 진공백(vacuum bag)을 이용하여 덮은 후, 진공 실란트를 이용하여 진공 포장하게 된다.

진공 포장된 진공백을 오토클레이브 밖에서 진공펌프를 이용하여 진공이 잘 되었는지 확인한 후, 예열이 된 오토클레이브 내에 넣고 정해진 경화 사이클로 온도와 압력을 가하여 성형을 완료하게 된다.

성형이 완료된 제품으로부터 카울 플레이트 및 릴리즈 필름을 제거한 후, 최종적으로 결함이 발생하지 않았는지 검수를 실시하게 된다.

이에 따라, 탄소나노튜브(CNT)+질화붕소나노튜브(BNNT)+폴리메틸메타크릴레이트(PMMA)+탄소섬유강화수지(CFRP)의 프리프레그로 이루어진 복합재인 본 발명의 질화붕소나노튜브를 이용한 방사능 차폐재를 제조할 수 있는 것이다.

본 출원인은 상술한 방법에 따라 제작된 본 발명의 질화붕소나노튜브를 이용한 방사능 차폐재의 인장 및 압축 강도와 방사능 차폐 성능을 확인하기 위하여 시험편을 제작하여 인장 및 압축시험과 방사능 차폐 성능시험을 실시하였다.

인장시험편은 ASTM D-3039 규격에 따라 제작되었으며, 압축시험편은 ASTM D-695 규격에 따라 제작되었고, 이때, 인장시험편의 탭 재료는 E-유리섬유이며 탭 베벨각도는 7~10ㅀ이고, 압축시험편의 탭 재료는 E-유리섬유이며 탭 베벨각도는 90ㅀ이었다.

제조된 본 발명의 질화붕소나노튜브를 이용한 방사능 차폐재의 인장 시험 및 압축 시험 결과, 소망하는 높은 인장 강도 및 압축 강도를 지닌 것을 확인할 수 있었다.

다음으로, 방사능 차폐 성능 시험결과, 탄소나노튜브나 특히 질화붕소나노튜브의 함량이 높을수록 방사능 차폐 성능이 우수한 것을 확인하였으나, 복합재에서 탄소나노튜브나 질화붕소나노튜브의 함량을 증가시킬 경우 교반 및 분산이 원활하지 않고 전기방사 횟수를 늘릴 경우 강도가 저하될 우려가 있었다.

본 발명의 질화붕소나노튜브를 이용한 방사능 차폐재는 현재 방사능 차폐재로 널리 사용되고 있는 알루미늄 재료에 비해 동일한 방사능 차폐 능력을 가지면서도 무게가 대략 15% 감소되는 것으로 최종 확인되었다.

따라서, 본 발명에 따른 질화붕소나노튜브를 이용한 방사능 차폐재는, 양성자 차폐능이 우수한 탄소나노튜브와 중성자 차폐능이 우수한 질화붕소나노튜브를 포함하여 높은 강도를 유지하면서도 경량이고 특히, 방사능 차폐 기능을 가진 안전성 높은 고기능성 차폐재를 최적의 조건에서 대량으로 양산할 수 있어, 우주항공산업, 군수산업, 원자력 설비, 의료산업, 비파괴검사 등의 다양한 분야에 활용하여 제품의 상품성 및 시장 경쟁력을 극대화시킬 수 있다는 탁월한 이점을 지닌 발명인 것이다.

상기 실시예는 본 발명의 기술적 사상을 구체적으로 설명하기 위한 일례로서, 본 발명의 범위는 상기의 도면이나 실시예에 한정되지 않는다.

S10 : 교반단계 S20 : 혼합단계
S30 : 분산단계 S40 : 전기방사단계
S50 : 적층단계 S60 : 성형단계

Claims (7)

1. 삭제
2. 삭제
3. 삭제
4. 삭제
5. 폴리메틸메타크릴레이트(PMMA ; poly(methyl methacrylate))와 디메틸폼아미드(DMF ; dimethylformamid)를 각각 준비하여 교반하는 교반단계와;
   탄소나노튜브(CNT ; carbon nano tube)와 질화붕소나노튜브(BNNT ; Boron-nitride nano tube)를 각각 준비하여 혼합하는 혼합단계와;
   상기 교반단계에서 교반된 교반액에 상기 혼합단계에서 혼합된 혼합물을 투입하여 분산시키는 분산단계와;
   프리프레그를 준비하여 상기 분산단계에서 분산된 방사액을 상기 프리프레그 상에 전기방사 하는 전기방사단계와;
   상기 전기방사단계에서 전기방사된 프리프레그를 다수 적층시키는 적층단계와;
   상기 적층단계에서 적층시킨 프리프레그를 진공 상태로 감싸고 오토클레이브에서 가열 및 가압하여 경화시키는 성형단계를 포함하는 방법으로 제조되는 질화붕소나노튜브를 이용한 방사능 차폐재에 있어서
   상기 교반단계의 상기 폴리메틸메타크릴레이트는 상기 디메틸폼아미드의 중량에 대해 8~12중량%이고, 교반속도 1800~2000rpm의 페이스트 믹서로 점도 1000cP를 초과하지 않도록 교반하는 방법으로 제조되며;
   상기 혼합단계의 상기 탄소나노튜브는 상기 폴리메틸메타크릴레이트의 중량에 대해 0.8~1.2중량%의 다중벽 탄소나노튜브 분말이며, 상기 질화붕소나노튜브는 상기 폴리메틸메타크릴레이트의 중량에 대해 0.8~1.2중량%의 질화붕소나노튜브 분말인 방법으로 제조되고;
   상기 분산단계는 50~280㎛ 진폭의 초음파를 프루브의 팁에서 발진시키는 울트라 소니케이터에서 행해지며, 상기 울트라 소니케이터는 가동시간:휴지시간이 1:1의 비율로 휴지기를 포함하여 점도 800~1100cP로 분산을 실시하는 방법으로 제조되며;
   상기 전기방사단계의 상기 프리프레그는 탄소섬유강화수지(CFRP ; carbon fiber reinforced plastic)재로서 500~2500rpm으로 회전하는 드럼 콜렉터에서 방사속도 0.1~1.0㎖/hr, 방사거리 1.0~2.0㎝로 설정하여 전기방사 되는 방법으로 제조되는 것을 특징으로 하는 질화붕소나노튜브를 이용한 방사능 차폐재.
6. 제5항에 있어서, 상기 적층단계에서는, 상기 전기방사된 프리프레그를 사각형으로 절단하여 플라이 수에 따라 적층시킨 후, 상하에 각각 릴리즈 필름과 카울 플레이트가 위치하도록 적층시키는 방법으로 제조되는 것을 특징으로 하는 질화붕소나노튜브를 이용한 방사능 차폐재.
7. 제6항에 있어서, 상기 성형단계에서는, 진공펌프로 공기를 빼낼 때 공기의 통로가 되는 브리더 패브릭을 상기 적층시킨 프리프레그에 놓은 후, 내열성을 지닌 진공백으로 진공 포장하고, 진공 여부를 확인하여 예열된 오토클레이브에 넣어 성형하는 방법으로 제조되는 것을 특징으로 하는 질화붕소나노튜브를 이용한 방사능 차폐재.

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