KR101900725B1 - 전도성 와이어 및 그 제조방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 일 실시예는 평균 외경이 8~50㎚이고, 평균 내경이 상기 평균 외경의 40% 이상인 복수의 탄소나노튜브를 포함하는 다발형 탄소나노튜브; 상용화제; 및 열가소성 수지를 포함하는 전도성 와이어 및 그 제조방법을 제공한다.

Description

전도성 와이어 및 그 제조방법{A CONDUCTIVE WIRE AND A METHOD FOR MANUFACTURING THE SAME}
본 발명은 전도성 와이어 및 그 제조방법에 관한 것이다.
열가소성 수지는 가열하면 연화하여 가소성을 나타내고, 냉각하면 고화되는 수지를 지칭한다. 이러한 열가소성 수지는 가공성 및 성형성이 우수하여 각종 생활용품, 사무자동화 기기, 전기/전자제품, 차량용 부품 등에 광범위하게 적용되고 있으며, 제품의 종류 및 특성에 따라, 특수한 성질을 부여하여 고부가가치 소재로 사용하고자 하는 시도가 지속적으로 이루어지고 있다.
특히, 열가소성 수지를 전도성 비금속 성분과 혼합한 후 이를 와이어 형태로 성형한 전도성 와이어에 대한 관심이 고조되고 있다. 전도성 비금속 성분으로는 카본블랙, 흑연, 탄소섬유, 그래핀 등이 사용되어 왔다.
그러나, 유의미한 전도성을 얻기 위해서는 열가소성 수지 대비 약 20중량% 이상의 전도성 필러를 첨가해야 하며, 이 경우 열가소성 수지의 기계적 물성이 저하될 수 있다. 예를 들어, 그래핀은 소량 첨가 시 투명 전극, 정전기 방지, 전자파 차폐, 세라믹 코팅 등으로 적용될 수 있는 반면에, 대량 첨가시 제품의 표면에 묻어 나거나 경도가 약하여 다양한 제품에 적용되기 어려운 문제가 있다.
또한, 종래 탄소계 전도성 와이어는, 전도성 탄소소재로 이루어진 내관과 외관을 감싸고 있는 절연관으로 이루어지며, 통전 시 간접 가열 방식으로 열을 발생하기 때문에 열 효율이 낮고 외관 소재에 따라 전도성, 발열성 등이 달라져 응용에 한계가 있다. 또한, 와이어가 일체형으로 구성되지 않아 생산성이 낮다.
한편, 탄소나노튜브의 응용 분야 중 전자파 차폐재 분야에서는, 차폐 성능을 발현하기 위해 종래에는 금속 소재를 사용하고 있었으나, 최근 성형성 및 경제성 등에 이점이 있는 고분자 소재와 관련된 관심이 급증하고 있는 추세이다. 그러나, 이러한 고분자 소재는 낮은 결정성으로 인해 전자파가 내부로 흡수되거나 반사되지 못하고 투과되므로 금속 소재에 비해 전자파 차폐 효율이 미흡한 단점이 있다. 이에 따라, 전자파 차폐 효율을 향상시키는 방안으로 고분자 매트릭스 내에 전도성 필러를 분산시킨 복합재에 관한 연구가 활발하게 진행되고 있다.
관련하여, 현재까지 이러한 복합재를 제조하기 위해 폴리우레탄, 폴리카보네이트, 에폭시 등의 수지 내에 은, 구리, 그라파이트, 탄소나노튜브 등의 전도성 필러를 첨가하는 연구가 진행된 바 있으나, 전도성 필러의 함량을 증가시키면 복합재의 성형성이나 기계적 물성이 저하되는 문제가 있다.
이러한 문제를 해결하기 위해, 최근에는 전도성 필러로 탄소나노튜브를 사용하여 와이어의 기계적 물성과 전도성을 동시에 구현하는 방안이 제안되고 있다. 다만, 와이어에 전도성을 부여하기 위해 탄소나노튜브를 첨가하는 경우, 타 소재를 사용하는 경우에 비해 충분한 전도성이 구현되지 않고, 첨가량 또한 과량이 요구되므로 이에 대한 해결방안이 필요하다.
본 발명은 전술한 종래기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 본 발명의 목적은 전도성, 유연성, 생산성 및 기계적 물성이 우수한 비금속 전도성 와이어를 제공하는 것이다.
본 발명의 일 측면은, 평균 외경이 8~50㎚이고, 평균 내경이 상기 평균 외경의 40% 이상인 복수의 탄소나노튜브를 포함하는 다발형 탄소나노튜브; 상용화제; 및 열가소성 수지를 포함하는 전도성 와이어를 제공한다.
일 실시예에 있어서, 상기 탄소나노튜브의 라만 분광 강도비(IG/ID)가 1.0 이상일 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 탄소나노튜브의 탄소 순도가 95% 이상일 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 다발형 탄소나노튜브의 평균 다발 직경(bundle diameter)이 1~10㎛일 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 다발형 탄소나노튜브의 평균 다발 길이가 30~100㎛일 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 다발형 탄소나노튜브의 산소 함량이 상기 다발형 탄소나노튜브의 총 중량을 기준으로 0.5중량% 이하일 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 다발형 탄소나노튜브의 함량이 상기 전도성 와이어의 총 중량을 기준으로 15~30중량%일 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 열가소성 수지가 고밀도 폴리에틸렌, 저밀도 폴리에틸렌, 선형 저밀도 폴리에틸렌, 폴리에틸렌 공중합체, 폴리프로필렌 및 이들 중 2 이상의 혼합물로 이루어진 군에서 선택된 하나일 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 상용화제의 함량이 상기 전도성 와이어의 총 중량을 기준으로 5~20중량%일 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 상용화제가 폴리스티렌, 폴리우레탄, 스티렌-에틸렌-부틸렌-스티렌 공중합체, 말레산무수물 그라프트된 스티렌-에틸렌-부틸렌-스티렌 공중합체, 스티렌-부타디엔-스티렌 공중합체, 스티렌-에틸렌-프로필렌-스티렌 공중합체, 스티렌-이소프렌-스티렌 공중합체, 스티렌-에틸렌 공중합체, 스티렌-에틸렌-부타디엔-스티렌 공중합체, 말레산무수물 그라프트된 스티렌-에틸렌-부타디엔-스티렌 공중합체, 에틸렌-아세트산비닐 공중합체, 에틸렌-메틸아크릴레이트 공중합체, 에틸렌-에틸아크릴레이트 공중합체, 에틸렌-부틸아크릴레이트 공중합체, 말레산무수물 그라프트된 폴리프로필렌, 말레산무수물 그라프트된 선형 저밀도 폴리에틸렌, 말레산무수물 그라프트된 저밀도 폴리에틸렌 및 이들 중 2 이상의 혼합물로 이루어진 군에서 선택된 하나일 수 있다.
또한, 본 발명의 다른 일 측면은, (a) 평균 외경이 8~50㎚이고, 평균 내경이 상기 평균 외경의 40% 이상인 복수의 탄소나노튜브를 포함하는 다발형 탄소나노튜브 분말을 가압하여 겉보기밀도가 0.05~0.15g/mL인 탄소나노튜브 펠렛을 제조하는 단계; 및 (b) 상기 탄소나노튜브 펠렛, 상용화제 및 열가소성 수지를 혼합 및 압출하는 단계;를 포함하는 전도성 와이어의 제조방법을 제공한다.
일 실시예에 있어서, 상기 (a) 단계에서 상기 다발형 탄소나노튜브 분말을 로타리 타정기를 이용하여 가압할 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 (a) 단계에서 상기 다발형 탄소나노튜브 분말을 100~700kg/cm2의 압력으로 가압할 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 탄소나노튜브 펠렛의 직경이 1~10mm이고, 두께가 1~10mm일 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 (b) 단계에서 상기 탄소나노튜브 펠렛 15~30중량%, 상용화제 5~20중량% 및 잔량의 열가소성 수지를 혼합 및 압출할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 열가소성 수지에 직경, 길이, 결정성, 순도 등이 일정 범위로 조절된 탄소나노튜브를 첨가하여 전도성, 유연성, 기계적 물성이 우수한 비금속 전도성 와이어를 제조할 수 있다. 상기 전도성 와이어는 부피가 작고, 전도성, 내열성, 유연성이 뛰어나 다양한 제품에 적용될 수 있고, 종래 면상 발열체와 달리 저전력으로 고온의 열을 안정적으로 얻을 수 있고, 종래 전자파 차폐재에 비해 전자파 차폐효율이 우수하다.
또한, 상기 전도성 와이어는 수지 조성물을 압출하는 방식으로 간편하게 제조될 수 있고, 압출 시 공정 조건과 공정 변수를 조절하는 것만으로도 와이어의 길이, 직경, 및 그에 따른 최대 발열 온도를 용이하게 조절할 수 있기 때문에, 종래 금속 와이어, 면상 발열체, 전자파 차폐재에 비해 생산성, 경제성 측면에서 현저히 유리하다.
본 발명의 효과는 상기한 효과로 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 상세한 설명 또는 청구범위에 기재된 발명의 구성으로부터 추론 가능한 모든 효과를 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 탄소나노튜브의 투과전자현미경(TEM) 이미지이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 다발형 탄소나노튜브의 다발 길이를 나타낸 주사전자현미경(SEM) 이미지이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 다발형 탄소나노튜브의 다발 직경을 나타낸 주사전자현미경(SEM) 이미지이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 전도성 와이어이다.
이하에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명을 설명하기로 한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며, 따라서 여기에서 설명하는 실시예로 한정되는 것은 아니다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 "연결"되어 있다고 할 때, 이는 "직접적으로 연결"되어 있는 경우뿐 아니라, 그 중간에 다른 부재를 사이에 두고 "간접적으로 연결"되어 있는 경우도 포함한다. 또한 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 구비할 수 있다는 것을 의미한다.
전도성 와이어
본 발명의 일 측면은, 평균 외경이 8~50㎚이고, 평균 내경이 상기 평균 외경의 40% 이상인 복수의 탄소나노튜브를 포함하는 다발형 탄소나노튜브; 상용화제; 및 열가소성 수지를 포함하는 전도성 와이어를 제공한다.
상기 탄소나노튜브는 부도체인 열가소성 수지에 전기 및 열 전도성(이하, '전도성'으로 통칭함)을 부여하기 위한 물질로, 상기 탄소나노튜브가 혼련된 수지 조성물을 성형하여 제조된 플라스틱 기재의 표면저항을 현저히 감소시켜 전도성을 향상시킬 수 있다.
상기 탄소나노튜브는 벽의 개수에 따라 단일벽 탄소나노튜브(Single wall carbon nanotube), 이중벽 탄소나노튜브(Double wall carbon nanotube), 다중벽 탄소나노튜브(Multi wall carbon nanotube), 절두된 원뿔형의 그래핀(truncated graphene)이 다수 적층된 중공관 형태의 탄소나노섬유(cup-stacked carbon nanofiber), 및 이들 중 2 이상의 혼합물로 이루어진 군으로부터 선택되는 하나일 수 있고, 바람직하게는, 제조의 용이성 및 경제성이 우수한 다중벽 탄소나노튜브일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 탄소나노튜브의 투과전자현미경(TEM) 이미지이다. 도 1을 참고하면, 상기 다발형 탄소나노튜브는 평균 외경이 8~50㎚이고, 평균 내경이 상기 평균 외경의 40% 이상, 바람직하게는, 40~90%인 복수의 단일가닥 다중벽 탄소나노튜브가 상호 응집되어 다발(bundle) 형태로 존재할 수 있다. 상기 외경은 탄소나노튜브의 벽을 이루는 그래파이트 층이 포함된 탄소나노튜브 횡단면의 직경을 의미하고, 상기 내경은 그래파이트 층이 제외된 중공 횡단면의 직경을 의미한다.
이 때, 상기 탄소나노튜브 단일 가닥의 평균 외경이 8㎚ 미만이거나 50㎚ 초과이면 이들이 응집되어 형성된 다발형 탄소나노튜브의 평균 다발 직경이 후술할 범위로 조절되지 않으므로, 상기와 같은 외경의 범위를 가지는 탄소나노튜브를 사용하는 것이 바람직할 수 있다. 본 명세서에서 사용된 용어, "다발(bundle)"은 복수의 탄소나노튜브가 나란하게 배열되거나 상호 엉킨 상태의 번들 혹은 로프 형태를 지칭하는 것으로, 이와 달리 복수의 탄소나노튜브가 일정한 형상을 이루지 않고 존재하는 경우 "비번들형"이라 지칭하기도 한다.
상기 다발형 탄소나노튜브는 기본적으로 복수의 탄소나노튜브, 바람직하게는, 복수의 다중벽 탄소나노튜브가 상호 응집된 형태로 존재할 수 있다. 각각의 탄소나노튜브 및 그 다발은 직선형, 곡선형, 또는 이들이 혼합된 형태일 수 있다.
또한, 상기 탄소나노튜브 단일 가닥, 즉, 다중벽 탄소나노튜브의 평균 내경이 상기 평균 외경의 40% 미만이면 탄소나노튜브의 내부 용적이 감소하여 전도성이 저하될 수 있으므로, 상기 탄소나노튜브의 평균 내경이 상기 평균 외경의 40% 이상일 수 있다.
본 명세서에서 사용된 용어, "라만 분광법"은 레이저 광과 같은 단색의 여기 광을 쬐었을 때, 분자의 진동수만큼의 차이가 있는 산란광이 생기는 현상인 라만 효과(Raman effect)에서 분자의 진동수를 구하는 분광법을 의미하는 것으로, 이러한 라만 분광법을 통해 탄소나노튜브의 결정성을 수치화하여 측정할 수 있다.
상기 탄소나노튜브의 라만 스펙트럼 중 파수 1580±50㎝-1 영역에 존재하는 피크를 G 밴드라고 하며, 이는 탄소나노튜브의 sp2 결합을 나타내는 피크로서, 구조적 결함이 없는 탄소 결정을 나타내는 것이다. 또한, 파수 1360±50㎝-1 영역에 존재하는 피크를 D 밴드라고 하며, 이는 탄소나노튜브의 sp3 결합을 나타내는 피크로서, 구조적 결함을 가지는 탄소를 나타내는 것이다.
나아가, 상기 G 밴드 및 D 밴드의 피크 값을 각각 IG 및 ID라고 하며, 양자 간 비율인 라만 분광 강도비(IG/ID)를 통해 탄소나노튜브의 결정성을 수치화하여 측정할 수 있다. 즉, 라만 분광 강도비가 높은 값을 나타낼수록 탄소나노튜브의 구조적 결함이 적은 것을 의미하므로, 상기 라만 분광 강도비가 높은 값을 나타내는 탄소나노튜브를 사용하는 경우, 보다 우수한 전도성을 구현할 수 있다.
구체적으로, 상기 탄소나노튜브의 라만 분광 강도비(IG/ID)가 1.0 이상일 수 있다. 상기 탄소나노튜브의 IG/ID 값이 1.0 미만이면 비정질 탄소가 다량 함유되어 탄소나노튜브의 결정성이 불량하고, 이에 따라 열가소성 수지와 혼련 시 전도성 향상 효과가 미약할 수 있다.
또한, 탄소나노튜브는 탄소 함량이 높을수록 촉매와 같은 불순물이 적어 우수한 전도성을 구현할 수 있으므로, 상기 탄소나노튜브 중 탄소의 함량, 즉, 탄소 순도가 95% 이상, 바람직하게는, 95~98%, 더 바람직하게는, 96.5~97.5%일 수 있다.
상기 탄소나노튜브의 탄소 순도가 95% 미만이면 탄소나노튜브의 구조적 결함이 유발되어 결정성이 저하될 수 있고, 탄소나노튜브가 외부 자극에 의해 쉽게 절단, 파괴될 수 있다.
도 2 및 도 3은 각각 본 발명의 일 실시예에 따른 다발형 탄소나노튜브의 다발 길이 및 다발 직경을 나타낸 주사전자현미경(SEM) 이미지이다.
도 2 및 도 3을 참고하면, 상기와 같은 단일 가닥 탄소나노튜브가 다발 형태로 응집되어 형성된 다발형 탄소나노튜브의 평균 다발 직경이 1~10㎛, 바람직하게는, 3~5㎛, 더 바람직하게는, 3.5~4.5㎛일 수 있고, 평균 다발 길이가 30~100㎛, 바람직하게는, 40~60㎛, 더 바람직하게는, 45~55㎛일 수 있다.
상기 다발형 탄소나노튜브는 열가소성 수지 내에 분산되어 3차원 네트워크 구조를 형성할 수 있고, 이러한 네트워크 구조가 견고하게 형성될수록 전도성이 향상될 수 있다. 특히, 상기 다발형 탄소나노튜브의 평균 다발 직경과 평균 다발 길이를 일정 범위로 조절함으로써 상기 네트워크 구조를 견고하게 형성할 수 있다.
이 때, 상기 다발형 탄소나노튜브의 평균 다발 직경이 1㎛ 미만이거나 평균 다발 길이가 100㎛ 초과이면 분산성이 저하되어 상기 전도성 와이어의 부위별 전도성이 불균일해질 수 있고, 평균 다발 직경이 10㎛ 초과이거나 평균 다발 길이가 30㎛ 미만이면 네트워크 구조가 불안정해지면서 전도성이 저하될 수 있다.
또한, 상기 다발형 탄소나노튜브에 포함된 산소 함량이 높을수록 전도성은 낮아지기 때문에, 산소 함량이 낮은 탄소나노튜브를 사용할 수 있다. 구체적으로, 상기 다발형 탄소나노튜브의 산소 함량이 상기 다발형 탄소나노튜브의 총 중량을 기준으로 0.5중량% 이하, 바람직하게는, 0.1~0.5중량%일 수 있다.
상기 다발형 탄소나노튜브의 함량은 상기 전도성 와이어의 총 중량을 기준으로 15~30중량%일 수 있다. 상기 다발형 탄소나노튜브의 함량이 15중량% 미만이면 와이어의 전도성이 저하될 수 있고, 30중량% 초과이면 열가소성 수지의 가공성 및 그로부터 제조된 와이어의 기계적 물성이 저하될 수 있다.
한편, 상기 열가소성 수지는 타 소재에 비해 상대적으로 넓은 온도 범위에서 물성 변화가 적고, 성형성, 내후성, 내화학성이 우수한 올레핀계 고분자 수지일 수 있다.
예를 들어, 상기 올레핀계 고분자 수지가 고밀도 폴리에틸렌, 저밀도 폴리에틸렌, 선형 저밀도 폴리에틸렌, 폴리에틸렌 공중합체, 폴리프로필렌 및 이들 중 2이상의 혼합물로 이루어진 군에서 선택된 하나일 수 있고, 바람직하게는, 폴리에틸렌계 또는 폴리프로필렌, 더 바람직하게는, 폴리프로필렌일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
한편, 상기 전도성 와이어는 그 사용 목적에 따라 난연제, 충격보강제, 난연보조제, 활제, 가소제, 열안정제, 적하방지제, 산화방지제, 광안정제, 안료, 염료, 무기물 첨가제 및 드립방지제로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상의 첨가제를 더 포함할 수 있다.
상기 첨가제의 함량은 상기 전도성 와이어의 총 중량을 기준으로 0.1~10중량%일 수 있다. 상기 첨가제의 함량이 0.1중량% 미만이면 사용 목적에 적합한 효과를 구현할 수 없고, 10중량% 초과이면 열가소성 수지 고유의 물성을 저하시킬 수 있다.
상기 상용화제는 열가소성 수지와 탄소나노튜브가 상호 균일하게 혼합, 분산되도록 하며, 경우에 따라 충격 보강제의 역할도 수행할 수 있다. 예를 들어, 상기 상용화제는 열가소성 수지 및/또는 탄소나노튜브에 친화성(affinity)을 가진 부분을 포함할 수 있으므로, 열가소성 수지와 탄소나노튜브의 상용성을 개선할 수 있고, 그에 따라 이들을 포함하는 혼합물의 가공성, 유연성, 난연성, 내마모성, 내열성, 내전압성, 전도성 및 내화학성을 향상시킬 수 있다. 상기 상용화제의 함량은 상기 전도성 와이어의 총 중량을 기준으로 10~50중량%일 수 있다.
상기 상용화제가 폴리스티렌, 폴리우레탄, 스티렌-에틸렌-부틸렌-스티렌 공중합체, 말레산무수물 그라프트된 스티렌-에틸렌-부틸렌-스티렌 공중합체, 스티렌-부타디엔-스티렌 공중합체, 스티렌-에틸렌-프로필렌-스티렌 공중합체, 스티렌-이소프렌-스티렌 공중합체, 스티렌-에틸렌 공중합체, 스티렌-에틸렌-부타디엔-스티렌 공중합체, 말레산무수물 그라프트된 스티렌-에틸렌-부타디엔-스티렌 공중합체, 에틸렌-아세트산비닐 공중합체, 에틸렌-메틸아크릴레이트 공중합체, 에틸렌-에틸아크릴레이트 공중합체, 에틸렌-부틸아크릴레이트 공중합체, 말레산무수물 그라프트된 폴리프로필렌, 말레산무수물 그라프트된 선형 저밀도 폴리에틸렌, 말레산무수물 그라프트된 저밀도 폴리에틸렌 및 이들 중 2 이상의 혼합물로 이루어진 군에서 선택된 하나일 수 있고, 바람직하게는, 폴리우레탄 또는 스티렌-에틸렌-부틸렌-스티렌 공중합체일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 전도성 와이어는 실질적으로 금속 성분을 포함하지 않으며, 그 외 종래 금속 와이어를 절연하기 위한 기타의 코팅층, 피복층을 포함하지 않으므로 작업성, 경제성 측면에서 유리하다.
구체적으로, 상기 전도성 와이어에 포함된 탄소나노튜브는 금속 촉매 상에 성장된 것이므로 미량의 금속 성분을 포함할 수 있으나, 그 함량은 탄소나노튜브의 총 중량을 기준으로 5중량% 미만이고, 상기 열가소성 수지 및 상용화제와 혼합, 희석된 경우 1~2중량% 미만으로 감량되어 상기 전도성 와이어는 실질적으로 금속 성분을 포함하지 않게 된다. 또한, 종래 면상 발열체는 필름, 코팅 및 건조에 이르는 복잡한 공정을 통해 제조되는 반면에, 상기 전도성 와이어는 수지 압출에 의해 간편하게 제조될 수 있다.
상기와 같이, 상기 전도성 와이어는 실질적으로 금속 성분을 포함하지 않음에도 불구하고 1Ω/sq 이하의 낮은 표면저항을 가지고, 전자파를 차폐, 흡수할 수 있어 습한 환경에서도 산화되지 않으며, 복사열이 우수하여 금속 와이어의 단점인 국부 발열을 보완할 수 있기 때문에, 고성능 전기전도체 또는 발열체에 적용될 수 있다. 종래 금속 와이어, 면상 발열체, 및 상기 전도성 와이어의 물성은 하기 표 1과 같다.
구분 금속 와이어 면상 발열체 전도성 와이어
소재 Cu, Al 등 Cu, Al, CNT, 그래핀 등 코팅 CNT 포함
열가소성 수지
전원 AC220V/110V AC220V/110V
USB 충전
DC5V~48V		 USB 충전
DC5V~48V
표면저항 - 5~10Ω/sq 0.1~1Ω/sq
감전/화재위험 높음 보통 없음
전자파특성 발생 발생 차폐 및 흡수
소비전력 높음 보통 낮음
꺾임 시 단선유무 있음 있음 없음
습기 및 수중실험 산화 산화/박리 산화/박리 없음
생산성 낮음 낮음 높음
세정 불가 불가 가능
전도성 와이어의 제조방법
본 발명의 다른 일 측면은, (a) 평균 외경이 8~50㎚이고, 평균 내경이 상기 평균 외경의 40% 이상인 복수의 탄소나노튜브를 포함하는 다발형 탄소나노튜브 분말을 가압하여 겉보기밀도가 0.05~0.15g/mL인 탄소나노튜브 펠렛을 제조하는 단계; 및 (b) 상기 탄소나노튜브 펠렛, 상용화제 및 열가소성 수지를 혼합 및 압출하는 단계;를 포함하는 전도성 와이어의 제조방법을 제공한다.
상기 탄소나노튜브 펠렛은 상기 다발형 탄소나노튜브 분말을 로타리 타정기를 이용하여 펠렛 형태로 성형하는 방법으로 제조될 수 있다. 특히, 본 발명에서는 용매나 첨가제를 혼합하지 않고 탄소나노튜브 분말을 로타리 타정기에 주입하고 가압하여 펠렛 형태로 성형한다.
상기 탄소나노튜브 및 다발형 탄소나노튜브의 형상, 구조 등에 관해서는 전술한 것과 같으며, 상기 탄소나노튜브의 순도, 라만 분광 강도비, 상기 다발형 탄소나노튜브의 평균 다발 길이, 평균 다발 직경 등이 상기 범위를 벗어나면 펠렛이 성형되지 않거나 펠렛을 제조하는 과정에서 불량이 발생할 수 있다.
상기 로타리 타정기는 의약품 또는 식품 등의 타블렛(tablet) 등의 제조에 사용되는 통상의 것일 수 있다.
상기 (a) 단계에서 상기 다발형 탄소나노튜브 분말을 100~700kg/cm2, 바람직하게는, 300~500kg/cm2의 압력으로 가압할 수 있다. 상기 압력이 100kg/cm2 미만이면 제조된 펠렛이 쉽게 부서질 수 있고, 700kg/cm2 초과이면 열가소성 수지와 혼합 시 탄소나노튜브 본연의 기능, 역할이 저하될 수 있다.
또한, 상기 (a) 단계에서 용매나 첨가제를 혼합하지 않고 로타리 타정기의 펀치 크기와 턴테이블의 회전속도를 적절하게 선택하여 특정 크기와 겉보기밀도를 가지는 펠렛을 제조할 수 있다. 예를 들어, 상기 로타리 타정기의 펀치 크기는 0.5~12mm, 바람직하게는, 1~10mm일 수 있고, 턴테이블의 회전속도는 10~60rpm, 바람직하게는, 20~50rpm일 수 있다.
상기 펠렛은 구형, 타원구형, 타원기둥형, 각기둥형, 사면체 등 다양한 형상으로 제조될 수 있다. 예를 들어, 상기 펠렛은 직경 1~10mm, 두께 1~10mm, 겉보기밀도 0.05~0.15g/mL의 원통 형상으로 제조될 수 있다. 상기 펠렛의 직경이 10mm 초과이면 탄소나노튜브 펠렛과 열가소성 수지 펠렛의 크기 차이에 의해 층분리가 발생할 수 있고, 1mm 미만이면 펠렛 제조 시 성형성이 저하되고 펠렛이 쉽게 부서질 수 있다.
상기 탄소나노튜브 펠렛의 겉보기밀도는 전도성 와이어의 전도성에 영향을 미칠 수 있다. 구체적으로, 상기 전도성 와이어의 전도성, 발열성은 그에 포함된 탄소나노튜브의 함량에 비례하므로, 다량의 탄소나노튜브를 혼입하기 위해 상기 다발형 탄소나노튜브 분말을 가압하여 겉보기밀도를 0.05~0.15g/mL로 조절한 펠렛을 사용할 수 있다.
한편, 상기 (b) 단계에서는 상기 탄소나노튜브 펠렛 15~30중량%, 상용화제 5~20중량% 및 잔량의 열가소성 수지를 혼합 및 압출하여 전도성 와이어를 제조할 수 있다. 도 4를 참고하면, 상기 압출 시 공정 조건과 공정 변수를 조절하는 것만으로도 와이어의 길이, 직경, 및 그에 따른 표면 저항과 발열 온도를 용이하게 조절할 수 있기 때문에, 종래 금속 와이어 또는 면상 발열체에 비해 생산성, 호환성 측면에서 현저히 유리하다. 예를 들어, 상기 (b) 단계에 의해 상기 전도성 와이어의 직경을 0.5~5mm의 범위로 조절할 수 있다.
이하, 본 발명의 실시예에 관하여 상세히 설명하기로 한다.
실시예 및 비교예
열가소성 수지, 탄소나노튜브 펠릿(CNT, 다중벽 탄소나노튜브 다발, 탄소 순도 98%, 평균 다발 직경 3.5~4.5㎛, 평균 다발 길이 45~55㎛, 평균 외경 40㎚, 평균 내경 18㎚), 스티렌-에틸렌-부틸렌-스티렌 공중합체(SEBS), 실리콘 오일을 혼합 및 압출하여 지름이 3.78mm인 와이어 시편을 제조하였다. 각각의 시편에서 열가소성 수지로 폴리프로필렌(PP), 폴리스티렌(PS), 또는 폴리카보네이트(PC)를 사용하였다. 각 성분의 종류와 함량, 및 와이어 시편의 규격을 하기 표 2에 나타내었다.
구분 열가소성 수지 열가소성 수지
(wt%)		 CNT
(wt%)		 SEBS
(wt%)		 실리콘 오일
(wt%)		 직경
(mm)		 길이
(mm)
실시예 1 PP 79 15 5 1 3.78 1000
실시예 2 PP 74 20 5 1 3.78 1000
실시예 3 PP 74 20 5 1 3.78 500
실시예 4 PP 69 25 5 1 3.78 1000
실시예 5 PP 64 30 5 1 3.78 1000
비교예 1 PP 94 0 5 1 3.78 1000
비교예 2 PP 92 2 5 1 3.78 1000
비교예 3 PP 90 4 5 1 3.78 1000
비교예 4 PP 93 2 5 0 3.78 1000
비교예 5 PP 91 4 5 0 3.78 1000
비교예 6 PP 84 10 5 1 3.78 1000
비교예 7 PP 81 13 5 1 3.78 1000
비교예 8 PP 62 32 5 1 3.78 1000
비교예 9 PC 74 20 5 1 3.78 1000
비교예 10 PS 74 20 5 1 3.78 1000
실험예 1
실시예 및 비교예에서 제조된 와이어 시편의 충격강도, 연신율, 및 표면저항을 측정하였고, 그 결과를 하기 표 3에 나타내었다.
구분 충격강도(kgf·cm/cm) 연신율 (%, 50mm/min) 표면저항 (Ω/sq.)
실시예 1 41.7 45 0.47
실시예 2 42.1 48 0.41
실시예 3 - - -
실시예 4 43.3 49 0.25
실시예 5 45.8 51 0.19
비교예 1 3.6 11 -
비교예 2 9 17.4 13.5
비교예 3 9.4 11.7 5.36
비교예 4 1.7 12.4 -
비교예 5 2.3 11.9 -
비교예 6 8.8 14.1 2.7
비교예 7 7.5 17 1.2
비교예 8 25.5 19 0.15
비교예 9 21.2 20 3.9
비교예 10 19.7 35 8.7
상기 표 3을 참고하면, 와이어 시편이 폴리프로필렌 수지, 탄소나노튜브 펠릿, SEBS 및 실리콘 오일을 모두 포함하고, 탄소나노튜브 펠릿의 함량이 15~30중량%의 범위에서 증가할수록 충격강도와 연신율이 향상되었고, 표면저항이 0.1~1.0Ω/sq.의 범위로 감소하여 전도성이 향상되었음을 알 수 있다.
실험예 2
실시예 2, 3에서 제조된 와이어 시편에 대해, 전압 및 시간에 대한 발열 성능을 평가하였고, 그 결과를 하기 표 4에 나타내었다.
구분 인가전압
(V)		 인가시간
(0분)		 인가시간
(1분)		 인가시간
(3분)		 인가시간
(7분)
실시예 2 12 20℃ 24℃ 37℃ 44℃
실시예 2 24 20℃ 48℃ 74℃ 88.6℃
실시예 3 12 20℃ 48.6℃ 67.8℃ 75.6℃
상기 표 4를 참고하면, 실시예 2, 3의 와이어 시편에서 인가전압에 따라 발열량에 차이가 있고, 고온으로 상승하더라도 와이어의 단사 또는 표면박리 현상이 발생하지 않았다.
실험예 3
실시예 2에서 제조된 와이어 시편에 대해, ASTM D 4935에 의거하여 1.5GHz에서의 전자파 차폐 성능을 평가하였고, 그 결과 50~60dB의 우수한 전자파 차폐 성능을 가짐을 실험적으로 확인하였다.
전술한 본 발명의 설명은 예시를 위한 것이며, 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 예를 들어, 단일형으로 설명되어 있는 각 구성 요소는 분산되어 실시될 수도 있으며, 마찬가지로 분산된 것으로 설명되어 있는 구성 요소들도 결합된 형태로 실시될 수 있다.
본 발명의 범위는 후술하는 청구범위에 의하여 나타내어지며, 청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

Claims (15)

  1. 평균 외경이 8~50㎚이고, 평균 내경이 상기 평균 외경의 40% 이상인 복수의 탄소나노튜브를 포함하는 다발형 탄소나노튜브 25~30중량%;
    상용화제 5~20중량%; 및
    잔량의 열가소성 수지를 포함하고,
    표면저항이 0.1~1Ω/sq.인, 전도성 와이어.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 탄소나노튜브의 라만 분광 강도비(IG/ID)가 1.0 이상인, 전도성 와이어.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 탄소나노튜브의 탄소 순도가 95% 이상인, 전도성 와이어.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 다발형 탄소나노튜브의 평균 다발 직경(bundle diameter)이 1~10㎛인, 전도성 와이어.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 다발형 탄소나노튜브의 평균 다발 길이가 30~100㎛인, 전도성 와이어.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 다발형 탄소나노튜브의 산소 함량이 상기 다발형 탄소나노튜브의 총 중량을 기준으로 0.5중량% 이하인, 전도성 와이어.
  7. 삭제
  8. 제1항에 있어서,
    상기 열가소성 수지가 고밀도 폴리에틸렌, 저밀도 폴리에틸렌, 선형 저밀도 폴리에틸렌, 폴리에틸렌 공중합체, 폴리프로필렌 및 이들 중 2 이상의 혼합물로 이루어진 군에서 선택된 하나인, 전도성 와이어.
  9. 삭제
  10. 제1항에 있어서,
    상기 상용화제가 폴리스티렌, 폴리우레탄, 스티렌-에틸렌-부틸렌-스티렌 공중합체, 말레산무수물 그라프트된 스티렌-에틸렌-부틸렌-스티렌 공중합체, 스티렌-부타디엔-스티렌 공중합체, 스티렌-에틸렌-프로필렌-스티렌 공중합체, 스티렌-이소프렌-스티렌 공중합체, 스티렌-에틸렌 공중합체, 스티렌-에틸렌-부타디엔-스티렌 공중합체, 말레산무수물 그라프트된 스티렌-에틸렌-부타디엔-스티렌 공중합체, 에틸렌-아세트산비닐 공중합체, 에틸렌-메틸아크릴레이트 공중합체, 에틸렌-에틸아크릴레이트 공중합체, 에틸렌-부틸아크릴레이트 공중합체, 말레산무수물 그라프트된 폴리프로필렌, 말레산무수물 그라프트된 선형 저밀도 폴리에틸렌, 말레산무수물 그라프트된 저밀도 폴리에틸렌 및 이들 중 2 이상의 혼합물로 이루어진 군에서 선택된 하나인, 전도성 와이어.
  11. (a) 평균 외경이 8~50㎚이고, 평균 내경이 상기 평균 외경의 40% 이상인 복수의 탄소나노튜브를 포함하는 다발형 탄소나노튜브 분말을 가압하여 겉보기밀도가 0.05~0.15g/mL인 탄소나노튜브 펠렛을 제조하는 단계; 및
    (b) 상기 탄소나노튜브 펠렛 25~30중량%, 상용화제 5~20중량% 및 잔량의 열가소성 수지를 혼합 및 압출하여 와이어를 제조하는 단계;를 포함하고,
    상기 와이어의 표면저항이 0.1~1Ω/sq.인, 전도성 와이어의 제조방법.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 (a) 단계에서 상기 다발형 탄소나노튜브 분말을 로타리 타정기를 이용하여 가압하는, 전도성 와이어의 제조방법.
  13. 제11항에 있어서,
    상기 (a) 단계에서 상기 다발형 탄소나노튜브 분말을 100~700kg/cm2의 압력으로 가압하는, 전도성 와이어의 제조방법.
  14. 제11항에 있어서,
    상기 탄소나노튜브 펠렛의 직경이 1~10mm이고, 두께가 1~10mm인, 전도성 와이어의 제조방법.
  15. 삭제
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