KR101896103B1 - 탄소나노튜브와 전도성 고분자 복합체로 혼합 제작되어 활용과 효율이 높은 조성물 - Google Patents

탄소나노튜브와 전도성 고분자 복합체로 혼합 제작되어 활용과 효율이 높은 조성물 Download PDF

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Abstract

본 발명은 탄소나노튜브와 전도성 고분자 복합체와 다양한 물질을 포함한 도전성 조성물에 관한 것으로서 더욱 상세하게는 물리적, 화학적 및 전기적 특성이 우수한 탄소나노튜브와 전도성 고분자 복합체를 세라믹, 실리콘, 에폭시, 우레탄에 주입 분산하고 성형하여 도전체를 제조함으로써 발열체, 전자파 차폐제, 전자파 흡수제, 방열판, 방음제, 흡음제, 음극제 등에 적용할 수 있다. 또한 탄소나노튜브와 전도성 고분자 복합체 투입양으로 저항값을 조절함으로써 사용 목적에 따라 발열체, 전자파 차폐제, 전자파 흡수제, 방열판, 방음제, 흡음제, 음극제 등으로 사용 할수 있는 탄소나노튜브와 전도성 고분자 복합체로 제작되어 활용과 효율이 높은 조성물에 관한 것이다.

Description

탄소나노튜브와 전도성 고분자 복합체로 혼합 제작되어 활용과 효율이 높은 조성물 { Carbon nanotubes and conductive polymer composite material produced is mixed utilization and efficient composition }
본 발명은 탄소나노튜브와 전도성 고분자 복합체와 다양한 물질을 포함한 도전성 조성물에 관한 것으로서 더욱 상세하게는 물리적, 화학적 및 전기적 특성이 우수한 탄소나노튜브와 전도성 고분자 복합체를 세라믹, 실리콘, 에폭시, 우레탄에 주입 분산하고 성형하여 도전체를 제조함으로써 발열체, 전자파 차폐제, 전자파 흡수제, 방열판, 방음제, 흡음제, 음극제 등에 적용할 수 있다. 또한, 탄소나노튜브와 전도성 고분자 복합체 투입양으로 저항값을 조절함으로써 사용 목적에 따라 발열체, 전자파 차폐제, 전자파 흡수제, 방열판, 방음제, 흡음제, 음극제 등으로 사용 할 수 있는 탄소나노튜브와 전도성 고분자 복합체로 제작되어 활용과 효율이 높은 조성물에 관한 것이다.
일반적으로 저항(발열)이란 전기에너지를 열에너지로 바꾸어 그 열을 외부로 복사하여 에너지를 전달하는 물체로서 각종 가전제품 또는 산업 분야 일반에 걸쳐 널리 이용되고 있고, 재질에 따라 금속저항체, 비금속저항체, 기타 저항체로 구분 된다. 최근 에너지 절약과 환경 문제에 대한 새로운 인식으로 인해 많은 국가에서 저항체(발열체)의 제조 및 응용분야에 대한 많은 연구가 이루어지고 있다.
그러나, 금속저항체는 고온에서 변형이적고, 가공성이 좋으며 내산화성이 좋다는 장점이 있으나 고압에서 발열하므로 전류가 흐를 때 발생하는 자기장이 유해하고, 통상적으로 고압의 교류 전원을 사용하므로 전압이 높아서 안전상 위험하다는 문제점이 있으며, 기타 저항체 중의 한 종류인 세라믹에 바륨, 티탄 외 첨가물을 넣어 만든 종래의 저항체는 전류가 흐를 때 발생하는 자장이 인체에 유해한 점과 소모 전력이 높다는 단점이 있다.
한편, 비금속저항체 중에서 탄소 저항체는 가장 많이 실용되고 있으며, 흑연(탄소)저항체는 직접 통전하여 발열하는 저항 발열체, 고주파유도에 의한 발열을 이용하는 다양한 고온용 발열체 등으로서 이용되고 있다. 흑연 발열체는 열 과 전기를 잘 전달하고 열팽창이 작고 내열성과 충격성이 우수하며, 고온에서의 강도가 화학적으로 안정하고 내약품성이 있을 뿐만 아니라 가공성이 좋다는 장점이 있지만, 기계적 강도가 금속보다 낮은 단점이 있다.
흑연 발열체는 여러 가지 우수한 장점을 보유하고 있음에도 불구하고 고형화하는 성형과정에서 고압 또는 고온의 특수한 장비와 기술이 필요하여 경제성이 떨어지고 고형화한 크기가 작으며 원하는 형상으로 제작하려면 공작기계를 사용하여 가공해야 하므로 이차 가공비가 소요된다.
또한, 흑연 분말은 성형된 후에도 미세 분말이 표면 에서 묻어 나는 문제점이 있다.
상기와 같은 문제점들을 개선하기 위하여 흑연을 대신한 탄소나노튜브(CNT, Carbon Nano tube)가 대두 되고 있는데, 탄소나노튜브는 그 단일구조와 우수한 기계적 및 전기적 특성으로 인해 폭넓은 관심을 받고 있다. 탄소나노튜브에 대한 많은 구조 및 그 실제 응용들이 전자디바이스, 이종정합 디바이스, 전자방출기 및 기타 산업 분야 등에서 분야 등에서 제안되어 왔으며, 탄소나노튜브가 포함된 복합체는 정전기방지, 디바이스, 캐패시터, EMI차폐, 전자파 없는 발열체를 포함한 수많은 용도로의 응용될 수 있다.
그러나, 탄소나노튜브가 포함된 복합체는 성형의 어려움과 기계적 강도를 형성하기 어렵고, 내수명성에도 문제점이 있어 현재는 발열체로서 필름형태 의 수지(RESIN) 등에 균일하게 분사 또는 인쇄하여 코팅하는 방법으로만 주로 이용 되고 있다는 한계가 있었다.
국내등록특허 제10-0749886호 국내등록특허 제10-1055631호
본 발명은 상기와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위한 것으로 탄소나노튜브와 전도성 고분자 복합체를 세리믹, 실리콘, 에폭시, 우레탄과 같은 물질에 혼합하여 저항(발열)이 고르게 이루어지도록 하여 발열체로 사용할 수가 있다.
본 발명에 포함되는 탄소나노튜브와 전도성 고분자 복합체의 양으로 저항을 사용 목적에 따라 조절할 수 있다.
본 발명은 또한, 발열체와, 전자파 차폐제, 전자파흡수제, 방열판, 방음제, 흡음제, 음극제 등에 적용 할 수 있다.
본 발명은 또한, 탄소나노튜브와 전도성 고분자 복합체와 세라믹, 실리콘, 에폭시, 우레탄 포함하여 제조함으로써 낮은 가격과 뛰어난 성능의 생산성이 우수한 탄소나노튜브와 전도성 고분자 복합체 조성물을 제공하는데 있다.
상기 과제를 해결하기 위해서,
탄소나노튜브를 다양한 활용과 효율이 높은 저항체로 만들기 위한 전처리 방법으로는 100 ~ 120℃에서 가열하여 열처리를 실시함으로써 탄소나노튜브에 포함된 수분이 제거시키는 단계;
전처리한 탄소나노튜브와 전도성 고분자 복합체의 혼합물은 탄소나노튜브 100중량부에 전도성 고분자 5 ~ 100중량부를 포함하여 탄소나노튜브와 전도성 고분자 복합체의 혼합물을 만드는 단계;
탄소나노튜브와 전도성 고분자 복합체 100 중량부에 대하여 세라믹을 성형 목적에 따라 5~ 60중량부를 포함하여 혼합물을 성형, 제조하는 단계;
상기 탄소나노튜브와 전도성 고분자 복합체의 성형이 가능하도록 포함하는 세라믹은 실리콘, 에폭시, 우레탄 중 선택된 하나로 변경이 가능하며, 상기와 같이 형성된 탄소나노튜브와 전도성 고분자 복합체 조성물은 분산시 발포제를 사용하여 물질의 공기층을 만드는 구조로 성형하는 단계; 를
특징으로 하는 탄소나노튜브와 전도성 고분자 복합체로 제작된 활용과 효율이 높은 저항(발열)체를 제조한다.
기타 실시 예들의 구체적인 사항들은 상세한 설명에 포함되어 있다.
본 발명에 따른 탄소나노튜브와 전도성 고분자 복합체는 세리믹, 실리콘, 에폭시, 우레탄에 탄소나노튜브와 전도성 고분자 복합체 양을 조절하여 분산함으로써 사용목적에 따라 발열체, 전자파 차폐제, 전자파 흡수제, 방열판, 방음제, 흡음제, 음극제 등으로 다양하게 제조할 수 있는 효과가 있다.
또한, 탄소나노튜브, 전도성 고분자, 그 외의 물질에 각각 분산한 저항값 보다, 본 발명과 같이 탄소나노튜브와 전도성고분자 복합체를 만들고 그외 의 물질인 세라믹, 실리콘, 에폭시 우레탄에 분산했을 때 저항값이 수십~수백배 낮은 저항 효과가 있으며, 낮은 가격, 뛰어난 성능, 우수한 생산성 등의 특징을 나타내어 탄소나노튜브와 전도성 고분자 복합체가 더욱 효율적인 효과가 있다.
또한, 점도가 낮아 어떠한 형상으로도 제조가 가능하므로 작업성이 우수하며, 그 공정이 간단하여 상업화가 용이하고, 대량 생산이 가능한 효과가 있다.
또한, 열전도성이 1,800~6,000W/mk로 매우 높은 탄소나노튜브를 이용하여 발열체를 제공하므로 탄소나노튜브의 소량첨가로 인하여 낮은 전압 하에서도 우수한 열전도성과 발열성, 전기전도성을 나타내는 효과가 있다.
도 1은 조성물을 제조하는 모식도이다.
본 발명의 실시예들에 대한 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 내용의 실시예들을 참조하면 명확해 질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하고, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭한다.
본 발명의 실시예들을 설명함에 있어서 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략할 것이다. 그리고 후술되는 용어들은 본 발명의 실시예에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 그 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.
본 발명에 따른 조성물은 탄소나노튜브와 전도성 고분자 복합체를 혼합한 뒤 혼합, 성형이 가능한 물질인 세라믹(Ceramic), 실리콘(Silicon), 에폭시(Epoxy), 우레탄(Urethane) 등에 포함함으로써 물질의 특성과 함께 다양하게 형성될 수 있다.
탄소나노튜브는 기계적 강도 및 성질과 열전도 특성이 우수한 발열물질로서 대체로 수 내지 수십 ㎛이며, 그 길이가 수십 내지 수백 ㎛에 이를 정도로 비등방성의 구조를 갖는 소재이다. 탄소나노튜브에서 하나의 탄소원자는 3개의 다른 탄소원자와 결합되어 있고, 육각형의 벌집 무늬를 이루고 있는 그라핀 시트(graphene sheet)가 튜브 형상으로 감겨있는 구조를 가진다.
이러한 구조적 특성에 따라 역학적으로도 견고하며(철의 100배 정도) 화학적인 안정도도 뛰어날 뿐만 아니라, 전기저항이 10-1~10-4Ω 정도로 반도체(中空)특성으로 일반적인 탄소소재인 흑연이나 탄소섬유 등에 비해 낮은 밀도를 가진다. 또한 직경에 대한 길이비(L/R)가 높아 고분자 수지 내에 분산시 소량의 첨가로 서로 그물망 구조(Network Structure)를 이루어 전기전도 네트웍 형성이 용이하여 뛰어난 전기 전도성을 얻을 수 있다는 장점이 있다.
탄소나노튜브와 전도성 고분자 복합체의 혼합물은 만들기 위해서는 선택된 탄소 나노튜브를 100 ~ 120℃에서 빠르게 가열을 한 뒤, 산성용액상에서 초음파 처리를 하여 분산과정을 거친다. 상기 과정을 거쳐 탄소나노튜브와 전도성 고분자 복합체의 혼합물은 분산성 및 전도성 고분자와의 혼합성을 향상시킬 수 있다.
상기와 같이 준비된 탄소나노튜브 100 중량부는 전도성 고분자 5 ~ 100 중량부를 포함하여 탄소나노튜브와 전도성 고분자 복합체를 만든다. 더욱 바람직하게는 탄소나뉴튜브 100 중량부에 대하여 1 ~ 60 중량부를 포함하여 복합체를 형성하면 더욱 전도성이 높으면서도 경제적으로 더 높은 효율의 복합체 형성이 가능하다. 상기 탄소 나노튜브에 전도성 고분자 복합체양을 조절하여 분산함으로써 사용목적에 따라 발열체, 전자파 차폐제, 전자파 흡수제, 방열판, 방음제, 흡음제, 음극제 등으로 다양하게 제조할 수 있는 효과가 있다. 상기 목적에 따라 배합을 달리하여 중량부를 조절하여 탄소나노튜브와 전도성 고분자 복합체는 세라믹 및 그 외의 물질에 혼합이 용이 하고 더 효율이 높은 조성물 생성이 가능하게 된다.
탄소나노튜브와 전도성 고분자 복합체는 본 발명에 따른 발열체 100 중량부에 대하여, 5 ~ 70 중량부가 포함될 수 있으며 바람직하게는 5 ~ 60 중량부가 포함될 수 있다. 탄소나노튜브와 전도성 고분자 복합체가 5 중량부 미만으로 포함되면 조성물의 전기 전도성이 낮아져 저항이 증가하므로 발열체의 발열 효율이 좋지 못한 문제와 전자파 차폐제, 전자파 흡수제, 방열판, 방음제, 흡음제, 음극제 효과가 떨어질수 있으며, 60 중량부를 초과하면 결합하고자 하는 물질과의 결합력이 낮아져 강도가 저하되어 내구성이 약하고, 성형이 용이하지 못한 단점이 있다.
따라서, 탄소나노튜브와 전도성 고분자 복합제는 5 ~ 60 중량부가 포함되는 경우에 저항체가 충분한 전기전도도 및 열전도성을 가지게 되며, 우수한 가공성 및 성형성과 함께 기계적 강도 또한 저하되지 않는다.
한편, 탄소나노튜브는 튜브의 벽을 이루는 그라핀 시트의 개수에 따라서 단일벽 탄소나노튜브(single-walled carbon nanotube), 다중벽 탄소나노튜브 (multi-walled carbon nanotube)로 구분되고, 여러 개의 탄소나노튜브가 다발 (bundled)의 형태로 존재할 수도 있다.
본 발명에서 탄소나노튜브는 단일벽 탄소나노튜브(single walled carbon nanotube, SWNT), 이중벽 탄소나노튜브(double-walled carbon nanotube, DWNT), 얇은 다중벽 탄소나노튜브(thin multi-walled carbon nanotube) 또는 다중벽 탄소나노튜브(multi-walled carbon nanotube, MWNT) 중에서 선택되는 적어도 하나일 수 있으며 바람직하게는 다중벽 탄소나노튜브를 사용할 수 있다.
또한, 탄소나노튜브는 직경이 1 내지 20nm일 수 있으며, 길이가 1 내지 100㎛ 일 수 있다. 탄소나노튜브의 길이가 1㎛ 미만이면 내구성이 저하 되고 전기 전도성이 낮아져 발열이 충분히 이루어지지 않는 문제점이 있고, 100㎛를 초과 하면 조성물의 표면이 고르지 않은 문제점이 있다.
본 발명에서 세라믹(Ceramic), 실리콘(Silicon), 에폭시(Epoxy), 우레탄 (Urethane) 각각의 물질에 적용한 실시예를 제공한다.
예를 들어, 저항체를 제조하기 위하여 탄소나노튜브와 전도성 고분자 복합체와 세라믹을 일정 비율로 서로 혼합된다. 이때, 탄소나노튜브는 분말형태로 준비되어 분말 상태인 전도성 고분자 복합체와 혼합 분산한 혼합물은 세라믹에 분산될 수 있다.
상기 전도성 고분자물질은 PP(Polypropylene), POM(Polyoxymethylene), ABS(Acrylonitrile-butadiene-styrene resin), 나일론(PA: Polyamide), PC(Polyvinylchloride), PE(Polyethylene), MPPO(Modified Polyphenyleneoxide), PBT(Polybutylen terephthalate), PPS(Polyphenylenesulfide), PTFE(Polytetrafluoroethylene), PPA(Polyphtalamide), PC(Polycarbonate), PS(Polystyrene), UHMW-PE(Ultra-High Molecular Weight Polyethylene) 중 선택되는 어느 하나인 것을 특징으로 한다.
한편, 탄소나노튜브와 전도성 고분자 복합체와 세라믹 혼합체 조성물을 제조하기 위해서 혼합 되기전에 탄소나노튜브는 열처리를 실시한다. 이는 탄소나노튜브에 포함된 수분을 제거하기 위한 것으로 100 ~ 120℃에서 빠르게 가열한다. 빠르게 가열하여 수분을 제거함으로써 전도성 고분자와 다른 물질을 혼합할 때 혼합성과 분산성을 높이고 수분을 제거하여 제조되는 조성물의 성능을 향상시킬 수 있다.
아울러, 탄소나노튜브는 전도성 고분자와 세라믹에 분산되기 전에 별도의 분산 과정을 더 거칠 수 있다. 즉, 탄소나노튜브는 탄소나노튜브 분산과정을 거쳐 분산된 탄소나노튜브로서 전도성 고분자 각각의 물질에 고르게 분산되는 것이다.
탄소나노튜브는 탄소나노튜브간의 반데르발스힘에 의한 응집이 발생하기 쉬워 복수개의 탄소나노튜브로 이루어지는 번들(bundle) 또는 응집체(agglomerate) 구조로 형성되어있는 경우가 많으며, 따라서 이와 같은 탄소나노튜브 응집체를 탄소나노튜브 분산 과정을 거쳐 분산한 후 사용해야 한다.
탄소나노튜브의 분산방법으로는 용액 중에서 탄소나노튜브를 분산시키는 방법으로서, 초음파 처리 등의 물리적 분산 처리 방법이 있다. 예를 들어, 용매에 탄소나노튜브를 넣고, 초음파 처리를 통하여 탄소나노튜브를 용매 중에 분산시키는 방법이 이용될 수 있다. 이때, 초음파 처리에서 계면 활성제 등의 물질을 용매에 부가하여 탄소나노튜브의 친용매성(친수성)을 높이는 것도 가능하다.
본 발명에서 탄소나노튜브는 세리믹에 분산되기 전에 산성용액하에서 초음파 처리될 수 있는데, 산성 용액은 질산, 황산, 염산 또는 이들의 혼합물을 사용할 수 있다. 이때 분산은 10분 내지 120분 동안 진행될 수 있다. 예를 들어 질산 내에서 50내지 60kHz의 초음파 하에 2시간 이하 동안 진행될 수 있다. 이는 2시간 넘게 초음파 처리를 할 경우 오히려 탄소나노튜브의 결정성이 저하되는 문제점이 있다. 또한, 분산시 상기와 같이 산성 용액하에서 탄소나노튜브에 수행하면 탄소나노튜브의 분산성 및 전도성 고분자와 세라믹의 혼합성을 향상시킬 수 있다.
본 명세서에서는 탄소나노튜브를 분산하는 방법으로 탄소나노튜브를 산성 용액하에서 초음파 처리하는 방법을 기술하였지만 이에 한정되지 않고 탄소나노 튜브를 분산하는 방법이면 어떤 방법을 수행하여도 무방함은 물론이다.
탄소나노튜브 분산과정을 거쳐 분산된 탄소나노튜브는 전도성 고분자 복합체와 분산과정을 거친다.
이때는 스쿠류에 의한 회전 분산으로 탄소나노튜브와 전도성 고분자 복합체를 혼합한 후 세라믹에 분산하는데, 분산하는 방법으로는
a. 혼합하려는 물질에 열을 가하여 용융시켜 섞는 방법
b. 혼합하려는 물질을 용매에 녹여 섞는 방법
c. 혼합하려는 모노머에 혼합한 후 중합시키는 방법 등이 이용될 수 있다.
탄소나노튜브와 전도성 고분자 복합체와 세라믹을 일정량 혼합되어 혼합물을 형성하는데, 상기 세라믹에 분산되는 탄소나노튜브와 전도성 고분자 복합체의 양은 전체 100 중량부에 대하여 5 ~ 60 중량부 일 수 있으며, 혼합하고자 하는 그 외의 물질은 모노머 형태일 수 있고, 탄소나노튜브는 분산된 분말 형태일 수 있고 전도성 고분자는 액체, 또는 분말 형태 일수 있다.
분산기를 이용하여 다양한 물질에 분산된 탄소나노튜브와 전도성 고분자 복합체를 분산시키는데, 이때 분산기는 특별히 제한되지 않고 초음파 장비가 구비된 것이면 어느 것이나 사용할 수 있다. 구체적으로는 이중 자켓 플라스크를 이용하여 플라스크 내부 온도를 모노머의 녹는점 이상으로 유지시키면서 모노머에 탄소나노튜브와 전도성 고분자 복합체를 분산 시킨다. 이때 순환장치를 이용하여 이중자켓 안으로 물이 흐르도록 연결하고 물의 온도를 일정하게 유지함으로써 플라스크내 온도를 유지시킨다.
다음으로 탄소나노튜브와 전도성 고분자 복합체 세라믹에 초음파를 조사하고 교반함으로써 세라믹에 탄소나노튜브와 전도성 고분자 복합체를 고르게 분산시킨다. 구체적으로는 초음파 장치를 통해 플라스크에 초음파를 조사하면서 교반장치를 작동 시켜 분산을 진행시킨다. 이때 초음파 조사시간은 5분 ~ 6시간일 수 있다. 초음파 조사 시간이 6시간을 초과하면 탄소나노튜브가 파괴될 수 있다는 문제점이 있고, 5분 미만 이면 분산이 제대로 이루어지지 않는 문제점이 있다.
초음파를 조사하여 탄소나노튜브를 세라믹에 분산하면 혼합물의 점도를 낮춰 발열체 제조의 작업성을 향상시키는 효과가 있으며, 또한 분산 전, 후를 비교하면, 동일한 조성비에서 분산 후의 점도가 분산 전의 점도 보다 1.5 ~ 2 배 가량 낮게 나타나므로 동일한 점도를 구현하기 위해서 탄소나노튜브의 조성비를 1.5 ~ 2배 증가 시킬 수 있다는 장점이 있어 발열체에 포함되는 탄소나노튜브의 양이 증가하여 발열체의 발열효율이 향상된다는 효과가 있다.
또한, 탄소나노튜브와 세라믹의 혼합성을 높여주어 발열체의 표면을 매끈하게 하고, 저항을 낮춰 전기전도성을 높이므로 조성물의 효율을 상승시킬 수 있는 효과가 있다.
한편, 탄소나노튜브와 전도성 고분자 복합체와 세라믹은 혼합스크류에의해 혼합되어 합성을 증가시킬 수 있다. 이때 사용되는 혼합스크류는 나사산에 복수개의 보조 혼합부가 더 형성된 것으로서, 보조 혼합부는 스크류의 나사산에 복수개가 양방향으로 돌출되어 형성된 나사산의 양측에 위치하는 보조 혼합부는 서로 마주보지 않고 어긋나게 배치되어 형성된다. 이때, 보조 혼합부는 경사를 이루도록 돌출형성 될 수 있는데, 이 경우에 스크류의 측면, 즉 스크류 길이 방향에 수직 되는 방향에서 바라보면, 복수개의 보조혼합부는‘∨’형상을 이룰 수 있다.
상기와 같이 나사산에 보조혼합부가 더 형성된 혼합스크류를 이용함으로써 탄소나노튜브와 전도성 고분자 복합체가 세라믹에 고르게 분산되는 것을 용이하게하여 원활한 혼합을 이루는 효과가 있다.
따라서 상기와 같이 탄소나노튜브와 전도성 고분자 복합체가 세라믹에 분산되고 혼합된 혼합물을 사출(압축) 성형하여 조성물을 얻을 수 있으며, 상기 조성물을 발열체로 사용이 가능하다.
이때, 탄소나노튜브의 특성을 고려하여 보다 균일한 분자구조를 형성하기 위하여 압축비를 3.5~5 : 1로 하여 사출(압축)하는 것이 바람직하다.
한편, 탄소나노튜브와 전도성 고분자 복합체가 세리믹에 분산되고 혼합된 혼합물은 열경화성 물질로 제조될 수 있으며, 제조된 마스터배치를 이용하여 조성물을 제조할 수도 있다.
성형된 조성물은 입자 구조와 형태 구조적인 변형을 방지하기 위하여 후처리 과정을 더 거칠 수 있는데, 이는 90 ~ 130℃에서 40 ~ 80분 동안 가열하고 20 ~ 40분 동안 냉각하는 과정으로써 복수회, 바람직하게는 2 ~ 5회 반복 수행될 수 있다.
상기와 같이 제조된 본 발명의 조성물은 원 또는 다각의 판형, 구형, 봉형 등 다양한 형태로 제조될 수 있고, 발포제를 사용하여 내부에 공기층을 만들 수 있어 표면적이 넓어 효율이 좋은 발열체와 방음제, 방열판 등에 적용할 수가 있다.
또한, 항체는 전극을 연결하여 조성물의 전원이 인가될 경우 표면에서 직접 열이 발생되기 때문에 열전달에 의한 열손실을 최소화할 수 있고, 동시에 빠른 온도 상승속도를 얻을 수 있다. 이를 통하여 소비전력을 낮출 수 있는 효과가 있으며, 보온, 단열 또는 난방 등의 용도를 위한 다양한 형태로 제품화될 수 있고, 이 외에도 관련 산업 분야에서 다양한 형태로 이용될 수 있다. 예를 들어, 본 발명에 따른 조성물은 발열시트, 온풍기, 발열보온병 또는 발열 라디에이터 등에 이용될 수 있고, 전자파 차폐, 흡수제로는 휴대폰, TV등 에서 나오는 전자파를 방지할 수 있으며, 방열판은 CPU, 차량용 등으로 사용할 수 있으며, 방음제로는 차량용 내부, 외부와 녹음실, 스피커내부 흡음제 등으로 사용할 수가 있다.
이하, 실시예를 통하여 본 발명에 관하여 보다 구체적으로 설명하고자 하나 이는 단지 설명을 위한 것으로서 본 발명의 범위를 제한하고자 하는 것은 아니다.
<실시예 1>
탄소나노튜브(다중벽, 분말형, 직경 10nm, 길이 50μm), 100℃에서 열처리하여 수분을 제거하였다.
탄소나노튜브에 70% 질산(HNO3)을 처리하고 20분 초음파 처리(40W, 55kHz) 하여 분산하였다. 분산 후 필터링을 통해 중화시킨 후 60℃ 오븐에서 건조하였다
탄소나노튜브 100 중량부에 전도성 고분자 70 중량부를 포함하는 혼합물을 제조하여 탄소나노튜브와 전도성 고분자 복합체를 만들었다.
세라믹 55 중량부에 대하여 탄소나노튜브와 전도성 고분자 복합체 100 중량부를 이중자켓 플라스크에 넣고 혼합물을 교반(25~30℃, 300rpm, 5h)하였다.
혼합물을 분산기를 이용하여 4시간 동안 초음파를 조사(300W, 60kHz)하고 교반(400rpm)함으로써 세라믹에 탄소나노튜브와 전도성 고분자 복합체를 고르게 분산시킨다.
상기의 공정을 거쳐 탄소나노튜브와 전도성 고분자 복합체가 균일하게 분산된 세라믹을 가로 8 cm 및 세로 2cm, 두께 5mm인 직육면체의 저항(발열)체를 제조하였고, 진공상태인 진공로에서 제품을 성형 하였다.
<실시예 2>
탄소나노튜브(다중벽, 분말형, 직경 10nm, 길이 50μm), 100℃에서 열처리하여 수분을 제거하였다.
탄소나노튜브에 70% 질산(HNO3)을 처리하고 20분 초음파 처리(40W, 55kHz) 하여 분산하였다. 분산 후 필터링을 통해 중화시킨 후 60℃ 오븐에서 건조하였다
탄소나노튜브 100 중량부에 전도성 고분자 70 중량부를 포함하는 혼합물을 제조하여 탄소나노튜브와 전도성 고분자 복합체를 만들었다.
실리콘 60 중량부에 대하여 탄소나노튜브와 전도성 고분자 복합체 80 중량부를 이중자켓 플라스크에 넣고 혼합물을 교반(25~30℃, 300rpm, 5h)하였다.
혼합물을 분산기를 이용하여 4시간 동안 초음파를 조사(300W, 60kHz)하고 교반(400rpm)함으로써 실리콘에 탄소나노튜브와 전도성 고분자 복합체를 고르게 분산시킨다.
상기의 공정을 거쳐 탄소나노튜브와 전도성 고분자 복합체가 균일하게 분산된 실리콘을 가로8cm 및 세로 2cm, 두께 5mm인 직육면체의 저항체를 제조하였다.
<실시예 3>
탄소나노튜브(다중벽, 분말형, 직경 10nm, 길이 50μm), 100℃에서 열처리하여 수분을 제거하였다.
탄소나노튜브에 70% 질산(HNO3)을 처리하고 20분 초음파 처리(40W, 55kHz) 하여 분산하였다. 분산 후 필터링을 통해 중화시킨 후 60℃ 오븐에서 건조하였다
탄소나노튜브 100 중량부에 전도성 고분자 80 중량부를 포함하는 혼합물을 제조하여 탄소나노튜브와 전도성 고분자 복합체를 만들었다.
에폭시 10 중량부에 대하여 탄소나노튜브와 전도성 고분자 복합체 95 중량부를 이중자켓 플라스크에 넣고 혼합물을 교반(25~30℃, 300rpm, 5h)하였다.
혼합물을 분산기를 이용하여 4시간 동안 초음파를 조사(300W, 60kHz)하고 교반(400rpm)함으로써 에폭시에 탄소나노튜브와 전도성 고분자 복합체를 고르게 분산시킨다.
상기의 공정을 거쳐 탄소나노튜브 와 전도성 고분자 복합체가 균일하게 분산된 에폭시를 가로 8cm 및 세로 2cm, 두께 5mm인 직육면체의 저항(발열)체를 제조하였다.
<실시예 4>
탄소나노튜브(다중벽, 분말형, 직경 10nm, 길이 50μm), 100℃에서 열처리하여 수분을 제거하였다.
탄소나노튜브에 70% 질산(HNO3)을 처리하고 20분 초음파 처리(40W, 55kHz) 하여 분산하였다. 분산 후 필터링을 통해 중화시킨 후 60℃ 오븐에서 건조하였다
탄소나노튜브 100 중량부에 전도성 고분자 90 중량부를 포함하는 혼합물을 제조하여 탄소나노튜브와 전도성 고분자 복합체를 만들었다.
우레탄 50 중량부에 대하여 탄소나노튜브와 전도성 고분자 복합체 90 중량부를 이중자켓 플라스크에 넣고 혼합물을 교반(25~30℃, 300rpm, 5h)하였다.
혼합물을 분산기를 이용하여 4시간 동안 초음파를 조사(300W, 60kHz)하고 교반(400rpm)함으로써 우레탄에 탄소나노튜브와 전도성 고분자 복합체를 고르게 분산시킨다.
상기의 공정을 거쳐 탄소나노튜브 와 전도성 고분자 복합체가 균일하게 분산된 우레탄을 가로8cm 및 세로 2cm, 두께 5mm인 직육면체의 저항체를 제조하였다.
상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

Claims (5)

  1. 탄소나노튜브의 전처리 방법으로서, 100 ~ 120℃에서 가열하여 열처리를 실시함으로써 탄소나노튜브에 포함된 수분을 제거하고
    질산, 황산, 염산 또는 이들의 혼합물 중 선택된 하나의 산성용액 하에 10분 내지 120분 동안 초음파 처리로 분산하여 번들 또는 응집체 구조가 형성되지 않도록 하여 사용하며,
    용매에 탄소나노튜브를 넣고, 용매 중에 계면 활성제를 부가하여 탄소나노튜브의 친용매성을 높여서 초음파 처리를 통하여 상기 탄소나노튜브의 분산성을 높이고,
    상기 탄소나노튜브에 전도성 고분자인 MPPO(Modified Polyphenyleneoxide) 또는 PPA(Polyphtalamide)를 포함하고, 세라믹을 혼합하여 혼합성과 분산성을 높여 조성물의 성능을 향상시키며,
    상기 전처리를 실시하기 위한 분말 형태의 탄소나노튜브는 직경이 1 내지 20nm이고, 길이가 1 내지 100㎛인 것을 사용하며,
    상기 탄소나노튜브는 단일벽 탄소나노튜브(single walled carbon nanotube, SWNT), 이중벽 탄소나노튜브(double-walled carbon nanotube, DWNT), 얇은 다중벽 탄소나노튜브(thin multi-walled carbon nanotube) 또는 다중벽 탄소나노튜브(multi-walled carbon nanotube, MWNT) 중에서 선택되는 적어도 하나이며,
    분말 형태로 준비된 탄소나노튜브 100중량부에 분말 상태인 MPPO(Modified Polyphenyleneoxide) 또는 PPA(Polyphtalamide) 5~100중량부를 포함하여 탄소나노튜브와 MPPO(Modified Polyphenylenesulfide) 또는 PPA(Polyphtalamide)의 혼합물을 만드는 단계;
    상기 탄소나노튜브와 MPPO(Modified Polyphenyleneoxide) 또는 PPA(Polyphtalamide) 100 중량부에 대하여 성형이 가능하도록 세라믹을 5~60 중량부를 포함하여 형성된 혼합물을 성형하여 조성물을 생성하는 단계;를 특징으로 하며,
    상기 성형이 가능하도록 포함하는 세라믹은 실리콘, 에폭시, 우레탄 중 선택된 하나로 변경하여 사용이 가능하며,
    상기와 같이 형성된 탄소나노튜브와 전도성 고분자 복합체 조성물은 분산시 발포제를 사용하여 물질에 공기층을 만든 구조로 성형할 수 있으며,
    스크류(screw)에 의한 회전분산으로 탄소나노튜브와 MPPO(Modified Polyphenyleneoxide) 또는 PPA(Polyphtalamide)를 혼합한 후, 세라믹에 분산하는 데, 분산하는 방법으로 이중자켓 플라스크를 이용하여 플라스크 내부 온도를 모노머의 녹는점 이상으로 유지시키면서 모노머에 탄소나노튜브와 MPPO(Modified Polyphenyleneoxide) 또는 PPA(Polyphtalamide)를 분산시키고, 순환장치를 이용하여 이중 자켓 안으로 물이 흐르도록 연결하고 물의 온도를 일정하게 유지함으로써 플라스크내 온도를 유지시키고,
    탄소나노튜브와 MPPO(Modified Polyphenyleneoxide) 또는 PPA(Polyphtalamide), 세라믹에 초음파를 조사하고, 교반함으로써 분산을 진행하고,
    상기 탄소나노튜브와 MPPO(Modified Polyphenyleneoxide) 또는 PPA(Polyphtalamide), 세라믹은 혼합스크류에 의해 혼합되어 합성을 증가시킬 수 있으며,
    사용되는 혼합스크류는 나사산에 복수개의 보조 혼합부가 더 형성된 것으로서,
    보조혼합부는 스크류의 나사산에 복수개가 양방향으로 돌출하여 형성된 나사산의 양측에 위치하는 보조 혼합부는 스크류의 나사산에 복수개가 양방향으로 돌출되어 형성된 나사산의 양측에 위치하는 보조 혼합부는 서로 마주 보지 않고 어긋나게 배치되어 형성되어
    탄소나노튜브와 MPPO(Modified Polyphenyleneoxide) 또는 PPA(Polyphtalamide), 세라믹이 고르게 분산되는 것을 용이하게 하여 원활한 혼합을 이루게 하는 것을 특징으로 하는
    탄소나노튜브와 전도성 고분자 복합체로 혼합 제작되어 활용과 효율이 높은 조성물.
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