KR101935344B1 - 3d 프린터용 cnt 코팅 피크 조성물, 그 제조방법 및 cnt 코팅 피크 필라멘트 - Google Patents

3d 프린터용 cnt 코팅 피크 조성물, 그 제조방법 및 cnt 코팅 피크 필라멘트 Download PDF

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Abstract

본 발명은 3D 프린터용 CNT 코팅 피크 조성물, 그 제조방법 및 CNT 코팅 피크 필라멘트에 관한 것이다. 본 발명에 따른 3D 프린터용 CNT 코팅 피크 조성물의 제조방법은 CNT를 분산시켜 CNT 코팅액을 제조하는 단계, 피크를 분쇄하여 피크 파우더로 가공하는 단계, 상기 피크 파우더를 상기 CNT 코팅액에 의해 CNT로 코팅하는 단계 및 상기 피크 파우더와 상기 CNT 코팅액의 혼합물을 건조시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

3D 프린터용 CNT 코팅 피크 조성물, 그 제조방법 및 CNT 코팅 피크 필라멘트 {CNT coating peek composite, manufacturing method thereof and CNT coating peek filament for 3D printer}
본 발명은 3D 프린터에 용이하고 저렴하게 적용할 수 있으면서도 제품의 기계적 물성을 향상시킬 수 있는 3D 프린터용 CNT 코팅 피크 조성물, 그 제조방법 및 CNT 코팅 피크 필라멘트에 대한 것이다.
최근 들어 개발이 활발한 3D(3-Dimension, 3차원) 프린터는 특수한 소재의 잉크를 순차적으로 분사하여 미세한 두께로 층층이 쌓아 올리면서 입체적인 형상물을 제작하는 장비이다. 3D 프린터를 이용한 기술은 다양한 분야에서 사용이 확산되고 있다. 다수의 부품으로 구성된 자동차 분야 외에도 의료용 인체모형이나 칫솔이나 면도기와 같은 가정용 제품 등의 다양한 모형을 만들기 위한 용도로 많은 제조 업체에서 사용하고 있다.
현재 3D 프린터에 가장 많이 사용되는 소재는 빛을 받으면 굳는 광경화성 고분자 물질 '포토폴리머(photopolymer)'이며, 그 다음으로는 용융 및 경화가 자유로운 고체 형태의 열가소성 플라스틱에 해당한다. 추후에는 금속 분말도 점차 성장세를 높여갈 것으로 예상된다.
전술한 소재 중에 열가소성 플라스틱 소재의 형태는 필라멘트(filament), 입자 또는 분말가루 형태를 가질 수 있다. 필라멘트 타입(filament type)의 3D 프린터용 소재는 3D 프린팅을 하는 경우에 속도면에서 다른 소재보다 빠르게 프린팅이 가능하여 생산성이 높은 장점을 가진다.
한편, 3D 프린터용 필라멘트 소재의 녹는점이 너무 높을 경우 필라멘트를 녹이는 데 전력의 소모가 많고 프린터 내의 부품들이 고열에 견딜 수 있는 재질로 만들어져야 하는 등 불필요한 원가 상승 요인이 된다.
따라서, 필라멘트 소재의 녹는점이 적당한 경우 프린팅 후 경화에 걸리는 시간이 줄어들어 프린팅 속도를 빠르게 해도 변형이 되지 않고 치수 및 형태 안정성이 좋게 된다. 또한, 필라멘트 제조 시에 압출이 용이하고 생산효율이 높다.
상기의 각종 조건들에 맞는 3D 프린터용 필라멘트 소재는 폴리락트산(polylactic acid, PLA), ABS(acrylonitrile butadiene styrene), HDPE(high density polyethylene), 폴리카보네이트(polycarbonate, PC) 등을 들 수 있다.
하지만, 열가소성 플라스틱 소재로 3D 프리팅을 하는 경우 제품의 기계적 물성을 일정 수준 이상으로 개선하기 어렵다는 문제가 있다. 이에 따라, 3D 프린터에 용이하고 저렴하게 적용할 수 있으면서도 제품의 기계적 물성을 향상시킬 수 있는 필라멘트 조성물의 개발이 필요한 실정이다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여, 3D 프린터를 사용하는 경우에 제품의 기계적 물성을 일정 수준 이상으로 향상시킬 수 있는 3D 프린터용 CNT 코팅 피크 조성물, 그 제조방법 및 CNT 코팅 피크 필라멘트를 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기와 같은 본 발명의 목적은 CNT를 분산시켜 CNT 코팅액을 제조하는 단계, 피크를 분쇄하여 피크 파우더로 가공하는 단계, 상기 피크 파우더를 상기 CNT 코팅액에 의해 CNT로 코팅하는 단계 및 상기 피크 파우더와 상기 CNT 코팅액의 혼합물을 건조시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 3D 프린터용 CNT 코팅 피크 조성물의 제조방법에 의해 달성된다.
여기서, 상기 CNT를 물에 분산시키는 단계에서 상기 CNT는 0.1 내지 1 중량%의 범위에서 혼합될 수 있다.
또한, 상기 CNT 코팅액을 제조하는 단계에서 결합제는 1 내지 10 중량%의 범위에서 혼합될 수 있다.
나아가, 상기 피크 파우더를 가공하는 단계에서 상기 피크 파우더의 직경은 1 내지 50 ㎛로 가공될 수 있다.
한편, 상기 피크 파우더를 상기 CNT로 코팅하는 단계에서 초음파를 이용하여 코팅할 수 있다.
또한, 상기 피크 파우더와 상기 CNT 코팅액의 혼합물을 건조시키는 단계에서 상기 혼합물을 건조시키는 온도는 100도씨 이상으로 결정될 수 있다.
상기와 같은 본 발명의 목적은 전술한 3D 프린터용 CNT 코팅 피크 조성물의 제조방법을 이용하여 제조된 3D 프린터용 CNT 코팅 피크 조성물에 의해 달성된다.
또한, 상기와 같은 본 발명의 목적은 전술한 3D 프린터용 CNT 코팅 피크 조성물을 이용하여 제조된 3D 프린터용 CNT 코팅 피크 필라멘트에 의해 달성된다.
전술한 구성을 가지는 본 발명에 따르면, 3D 프린터를 사용하는 경우에 3D 프린터에 용이하고 저렴하게 적용할 수 있으면서도 제품의 기계적 물성을 일정 수준 이상으로 향상시킬 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 전술한 3D 프린터용 CNT 코팅 피크 조성물의 제조방법을 순차적으로 도시한 순서도,
도 2는 전술한 과정을 거쳐 가공된 피크 파우더를 도시한 사진,
도 3은 건조 과정을 마친 상기 CNT 코팅 피크 조성물을 전자 현미경으로 촬영한 사진,
도 4는 상기 보빈에 권취된 3D 프린터용 CNT 코팅 피크 필라멘트를 도시한 도면이다.
이하, 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 3D 프린터용 CNT 코팅 피크 조성물, 그 제조방법 및 CNT 코팅 피크 필라멘트에 대해서 상세하게 살펴보도록 한다.
본 실시예에 따른 3D 프린터용 CNT 코팅 피크 조성물 및 CNT 코팅 피크 필라멘트의 경우 폴리에테르 에테르 케톤(피크, Peek, Polyether ether ketone)(이하, '피크'라 함)에 탄소나노튜브(CNT : carbon nanotube)(이하, 'CNT'라 함)를 코팅하여 3D 프린터용 필라멘트를 제공하게 된다.
상기 피크 소재는 제품으로 구현되는 경우 상대적으로 넓은 온도 범위, 예를 들어 대략 영하 50℃ 에서 영상 250℃에서 사용할 수 있으며, 상대적으로 높은 온도에서도 우수한 기계적강도(stinffness)를 유지할 수 있다. 따라서, 250℃이상의 수증기 또는 높은 수압에서도 다른 물성치의 변화없이 사용될 수 있다. 나아가, 상기 피크 소재는 내화학성 및 내가수분해성이 뛰어나며, 치수안정성, 내마모성, 내마찰성이 뛰어난 성질을 갖는다. 또한, 상기 피크 소재는 사출성형, 압축성형 및 파우더 코팅이 가능하며 대량제품은 물론 다품종 소량 제품생산에도 매우 유리하다.
한편, 상기 CNT는 높은 강도 및 높은 탄성계수 등 우수한 기계적 특성을 가지며, 나아가 전기 전도도가 구리와 비슷하고 열 전도율은 다이아몬드와 유사하다.
따라서, 전술한 성질을 가지는 상기 피크 소재에 CNT를 코팅한 조성물에 의해 3D 프린팅을 통해 제품을 제공하는 경우 상대적으로 높은 온도에서도 우수한 기계적 물성치를 유지할 수 있으며, 내화학성, 내마모성 및 내마찰성이 우수한 성질을 제공할 수 있다. 또한, 치수안정성이 뛰어나 3D 프린팅을 하는 경우에 정확한 치수를 구현하는 것이 가능해진다. 이하, 전술한 3D 프린터용 CNT 코팅 피크 조성물의 제조방법에 대해서 살펴보기로 한다.
도 1은 본 발명에 따른 전술한 3D 프린터용 CNT 코팅 피크 조성물의 제조방법을 순차적으로 도시한 순서도이다.
도 1을 참조하면, 상기 3D 프린터용 CNT 코팅 피크 조성물의 제조방법은 CNT를 분산시켜 CNT 코팅액을 제조하는 단계(S110)와, 피크를 분쇄하여 피크 파우더로 가공하는 단계(S130)와, 상기 피크 파우더를 상기 CNT 코팅액에 의해 CNT로 코팅하는 단계(S150) 및 상기 피크 파우더와 상기 CNT 코팅액의 혼합물을 건조시키는 단계(S170)를 포함한다.
상기 CNT를 분산시켜 CNT 코팅액을 제조하는 단계(S110)는 먼저 CNT를 물에 분산시키게 된다.
이와 같이 상기 CNT를 물에 분산시키는 단계에서 상기 CNT는 0.1 내지 1 중량%의 범위에서 혼합될 수 있다. 구체적으로 상기 CNT를 균질기(homogenizer)를 통해 전처리를 한 후, 초음파 분산기를 통해 대략 1시간 동안 분산시키게 된다.
이때 전술한 물은 탈이온수(DIW : Deionized water)를 사용할 수 있으나, 이에 한정되지는 않는다.
또한, 상기 CNT는 단일벽 CNT, 이중벽 CNT, 얇은 다중벽 CNT, 다중벽 CNT, 다발형 CNT, 그래핀(graphene) 또는 이들의 혼합물로 구성될 수 있다.
이어서, 상기 CNT 코팅액을 제조하는 단계에서 우레탄, 에폭시 등을 비롯한 결합제(binder)를 첨가하여 균질기(homogenizer)를 통해 CNT 코팅액을 제조하게 된다.
상기 CNT 코팅액을 제조하는 단계에서 결합제는 1 내지 10 중량%의 범위에서 혼합될 수 있다. .
상기 결합제가 1중량% 이하로 첨가되는 경우에 후술하는 피크 파우더에 CNT 코팅을 하는 경우에 증착이 원활하게 이루어지지 않으며, 반대로 상기 결합제가 10중량% 이상 첨가되는 경우에 최종 제품의 기계적 물성치가 떨어지게 된다.
한편, 상기 피크를 분쇄하여 피크 파우더로 가공하는 단계(S130)는 고분자 피크 펠릿(peek pellet)을 마이크로 분쇄기 또는 액화질소 분쇄기를 이용하여 초미립자(마이크로) 단위의 파우더로 가공한다. 도 2는 전술한 과정을 거쳐 가공된 피크 파우더를 도시한다.
상기 피크 파우더를 가공하는 단계에서 상기 피크 파우더의 직경은 1 내지 50 ㎛로 가공될 수 있다. 상기 피크 파우더의 직경이 1 ㎛ 이하인 경우에 상기 피크 파우더의 직경이 너무 작아 CNT 코팅이 적절히 이루어지지 않으며, 반면에 상기 피크 파우더의 직경이 50 ㎛ 이상인 경우에 상기 피크 파우더의 직경이 너무 커지게 되어 필라멘트로 제작하는 경우에 공극 등이 많이 발생하게 된다.
전술한 CNT를 분산시켜 CNT 코팅액을 제조하는 단계(S110)와 상기 피크를 분쇄하여 피크 파우더로 가공하는 단계(S130)는 동시에 수행될 수도 있으며, 상기 피크를 분쇄하여 피크 파우더로 가공하는 단계(S130)가 먼저 수행될 수도 있다.
이어서, 상기 피크 파우더를 상기 CNT 코팅액에 의해 CNT로 코팅(S150)하게 된다. 구체적으로, 회전 농축기와 초음파 등을 이용하여 상기 피크 파우더에 상기 CNT 코팅액을 이용하여 CNT 코팅을 수행하게 된다.
이 경우, 상기 회전 농축기는 대략 1 내지 60 회/분을 동작시킬 수 있으며, 상기 초음파를 제공하는 경우에 대략 3시간에 걸쳐 20KHZ의 초음파를 제공할 수 있다.
이어서 상기 피크 파우더와 상기 CNT 코팅액의 혼합물을 건조(S170)시켜 3D 프린터용 CNT 코팅 피크 조성물을 제작하게 된다.
이 경우, 증발기(evaporator)를 통해 건조작업을 진행하게 된다. 예를 들어 오일 수조(oil bath) 또는 워터 수조(water bath)에서 대략 150℃에서 진공 처리를 통해 건조시키게 된다. 이때, 상기 피크 파우더와 상기 CNT 코팅액의 혼합물을 건조시키는 단계에서 상기 혼합물을 대략 100 ℃ 이상의 온도에서 1시간 이상으로 건조하게 된다. 도 3은 건조 과정을 마친 상기 CNT 코팅 피크 조성물을 전자 현미경으로 촬영한 사진을 도시하며, 상기 피크 파우더의 입자에 CNT가 코팅된 것을 확인할 수 있다.
한편, 전술한 과정을 거쳐 제작된 CNT 코팅 피크 조성물을 이용하여 3D 프린터용 필라멘트를 제작할 수 있다.
이 경우, CNT 코팅 피트 조성물을 고온 노즐이 장착된 필라멘트 가공기를 통해 두께 1.75 mm의 필라멘트로 뽑아낼 수 있다. 이때 상기 필라멘트를 뽑아내는 경우에 상기 노즐의 온도는 대략 180 ℃ 내지 380 ℃ 범위에 해당한다.
이후 필라멘트 보빈에 전술한 3D 프린터용 CNT 코팅 피크 필라멘트를 권취한 후 대략 60 ℃ 내지 100 ℃의 온도에서 1시간 이상 건조 작업을 한다. 도 4는 상기 보빈에 권취된 3D 프린터용 CNT 코팅 피크 필라멘트를 도시한다.
상기 건조 이후 진공 포장을 하여 대기 노출을 막아 내기 수분과 반응을 방지한다.
상기에서는 본 발명의 바람직한 실시 예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술분야의 당업자는 이하에서 서술하는 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경 실시할 수 있을 것이다. 그러므로 변형된 실시가 기본적으로 본 발명의 특허청구범위의 구성요소를 포함한다면 모두 본 발명의 기술적 범주에 포함된다고 보아야 한다.
S110..CNT 코팅액 제조 단계
S130..피크 파우더 가공 단계
S150..피크 파우더를 CNT로 코팅하는 단계
S170..건조 단계

Claims (8)

  1. CNT를 물에 분산시켜 CNT 코팅액을 제조하는 단계;
    피크(Peek, Polyether ether ketone)를 분쇄하여 피크 파우더로 가공하는 단계;
    상기 피크 파우더를 상기 CNT 코팅액에 의해 CNT로 코팅하는 단계; 및
    상기 피크 파우더와 상기 CNT 코팅액의 혼합물을 건조시키는 단계;를 포함하고,
    상기 CNT를 물에 분산시키는 단계에서 상기 CNT는 0.1 내지 1 중량%의 범위에서 혼합되고, 상기 CNT 코팅액을 제조하는 단계에서 결합제는 1 내지 10 중량%의 범위에서 혼합되고, 상기 피크 파우더를 가공하는 단계에서 상기 피크 파우더의 직경은 1 내지 50 ㎛로 가공하는 것을 특징으로 하는 3D 프린터용 CNT 코팅 피크 조성물의 제조방법.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 제1항에 있어서,
    상기 피크 파우더를 상기 CNT로 코팅하는 단계에서 초음파를 이용하여 코팅하는 것을 특징으로 하는 3D 프린터용 CNT 코팅 피크 조성물의 제조방법.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 피크 파우더와 상기 CNT 코팅액의 혼합물을 건조시키는 단계에서 상기 혼합물을 건조시키는 온도는 100도씨 이상인 것을 특징으로 하는 3D 프린터용 CNT 코팅 피크 조성물의 제조방법.
  7. 제1항, 또는 제5항 내지 제6항 중에 선택된 어느 한 항에 따른 3D 프린터용 CNT 코팅 피크 조성물의 제조방법을 이용하여 제조된 3D 프린터용 CNT 코팅 피크 조성물.
  8. 제1항, 또는 제5항 내지 제6항 중에 선택된 어느 한 항에 따른 3D 프린터용 CNT 코팅 피크 조성물을 이용하여 제조된 3D 프린터용 CNT 코팅 피크 필라멘트.



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