KR101976129B1

KR101976129B1 - 탄소 섬유 부직포 및 이에 코팅된 탄소나노튜브를 포함하는 탄소 섬유 복합재, 그 제조 방법 및 용도

Info

Publication number: KR101976129B1
Application number: KR1020170048687A
Authority: KR
Inventors: 채규윤; 문재정; 자야산타; 양기훈
Original assignee: 원광대학교산학협력단
Priority date: 2017-04-14
Filing date: 2017-04-14
Publication date: 2019-05-07
Also published as: KR20180116023A

Abstract

본 발명은 탄소 섬유 부직포에 탄소나노튜브가 코팅된 C/C 복합재, 이의 제조방법 및 용도를 제공한다. 본 발명의 복합재는 수분산액의 농도 및 수분산액으로 부직포를 코팅하는 횟수를 조절함으로써 물성을 조절할 수 있으며, 기존의 탄소 기반 소재와 비교할 때 탄소 기반 소재의 장점을 유지하면서 뛰어난 인장 강도, 전자파 차폐 효과 및 열 전도성을 가져 전자파 차폐재의 재료로 사용할 수 있다.

Description

탄소 섬유 부직포 및 이에 코팅된 탄소나노튜브를 포함하는 탄소 섬유 복합재, 그 제조 방법 및 용도 {Carbon fiber composite comprising unwoven carbon fabric coated with carbon nanotube, method for manufacturing the same and use thereof}

탄소 섬유 부직포 및 이에 코팅된 탄소나노튜브를 포함하는 탄소 섬유 복합재, 그 제조 방법 및 용도에 관한 것이다.

최근의 전자 기기의 빠른 발전으로 인해 전기 기구와 초집적회로가 방출하는 전자파의 양이 많아졌고, 이러한 전자파들은 매우 세밀하고 정확한 전자 장비뿐만 아니라 생체에도 부작용을 미친다. 전자파는 특히 인체에 해롭다. 인간이 전자파에 노출되면, 눈, 정맥과 같은 인체 내부의 섬세한 조직들에서 열축적이 발생한다.

전자파 차폐는 인간과 회로를 보호하기 위해 매우 중요하다. 전자 통신 분야에서는 전자파에 의한 장애에 관한 이슈로 인해 고성능의 전자파 차폐재에 대한 관심이 높아지고 있다. 금속 기반 섬유, 복합재, 복합재를 포함하는 탄소 충진제 등의 많은 유형의 차폐재가 있다. 최근의 차폐재 제작 분야에서는 탄소 재료들이 전기전도성을 가진 고분자 복합재, 섬유 및 직물의 개발에서 많이 사용되고 있다. 이는 탄소 재료의 주로 낮은 비용, 부식 저항성, 유연성, 큰 종횡비(aspect ratio) 등으로 인해 성공적이다. 복합재와 섬유의 전자파 차폐의 효과성은 그들 고유의 전기전도성, 투자율, 그리고 종횡비에 영향을 받는다.

탄소 섬유, 다중벽 탄소나노튜브(MWCNT), 단일벽 탄소나노튜브(SWCNT), 화학적으로 개질된 흑연 및 그래핀(GN)와 같은 탄소 기반의 재료들은 그들의 높은 전기전도성, 가벼운 무게, 유연성 및 큰 종횡비로 인해 복합재용 전도성 충진제나 필름의 기초 재료로 사용되어 왔다. 고분자 복합재는 고분자 매트릭스에 무작위로 분포된 개개의 탄소 나노입자와 이를 둘러싸는 고분자 사슬로 구성된다. 이러한 고분자들의 전기전도성은 분리된 나노 충전제(nanofiller)들 사이에서의 전자 여과에 강하게 의존한다. 실험적으로 7 중량%의 MWCNT를 폴리스티렌에 흘려준 경우, 15 중량%의 SWCNT 또는 15 중량%의 그래핀이 전자파 차폐 효과의 산업적 기준인 20 dB를 만족시키기에 충분한 양임이 확인되었다. 그러나 전도성 충진제의 재료들을 증가시키는 경우 기계적인 물성이 낮아지고, 응집으로 인해 가공성이 줄어드는 결과가 나타난다.

탄소 섬유 부직포의 경우 고분자 기반 복합재와 비교하여 차이가 있으며, 탄소 섬유 강화 매트릭스 복합재(C/C)로 식별될 수 있다. 탄소 섬유 부직포는 리튬-철 배터리에 사용되는 전기전도성 양극, 공기 흡착을 위한 활성 탄소 섬유 및 탄소나노튜브 부직포 섬유에 기반한 글루코스 산화효소 바이오센서 등과 같은 다양한 분야에 응용될 수 있고, 전자파 차폐에 사용되도록 개질될 수 있다.

탄소 섬유 강화 매트릭스 복합재(C/C)는 일반적으로 화학 기상 침착법과 열분해에 의해 제조되는데, 이러한 제조 과정은 탄소 재료의 불가피한 균열을 형성시킬 수 있다. 이러한 균열과 나노공극들은 재료의 밀도를 감소시키고, 열 전기 전도성에 악영향을 주어 전자파 차폐 효과를 감소시킬 수 있다. 탄소나노튜브(CNT)는 좋은 전자파 차폐재이고, 가벼운 마이크로파 흡수재이므로, 고분자 기반의 전자파 차폐 복합재에 널리 사용되어 왔다. 탄소나노튜브 강화 C/C 복합재의 전자파 차폐 효과는 실험으로 증명되었다. 균열이나 나노공극과 같은 C/C 복합재의 문제점을 보완하고, 전자파 차폐 효과를 증가시키기 위해 C/C 복합재의 공극과 환형 틈에 탄소나노튜브를 코팅하는 것이 필요하다.

본 발명의 목적은 탄소 섬유 부직포 및 이에 코팅된 탄소나노튜브를 포함하는 탄소 섬유 복합재를 제공하는 것이다.

또한, 본 발명의 목적은 탄소 섬유 복합재의 제조 방법을 제공하는 것이다.

본 발명은 탄소 섬유 부직포 및 이에 코팅된 탄소나노튜브를 포함하는 탄소 섬유 복합재를 제공한다.

또한 본 발명은 탄소나노튜브가 단일벽 탄소나노튜브 또는 다중벽 탄소나노튜브인 탄소 섬유 복합재를 제공한다.

또한 본 발명은 탄소 섬유 복합재를 포함하는 전자파 차폐재를 제공한다.

또한 본 발명은 탄소나노튜브 산화물의 수분산액을 탄소 섬유 부직포에 코팅하는 단계; 를 포함하는 탄소 섬유 복합재의 제조 방법을 제공한다.

본 발명의 탄소 섬유 복합재는 탄소 섬유의 유연성, 가벼움을 그대로 유지하면서, 강한 인장 강도를 가지고 있다. 또한 탄소나노튜브를 코팅함으로써 전자파 차폐 효과가 뛰어나며 좋은 열 전도성을 가진다.

그러므로 본 발명의 탄소 섬유 복합재는 전자파 차폐재를 비롯한 많은 전자기기에서 사용될 수 있으며, 본 발명이 제공하는 제조 방법의 적절한 변형으로 물성을 변화시켜 다양한 분야에서의 활용이 가능하다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따라 탄소 나노튜브 산화물의 수분산액에 탄소 섬유 부직포를 디핑하여 코팅하는 방법을 도식화한 것이다.
도 2는 니트 탄소 직물 및 본 발명의 실시예에 따라 제조된 C-1, C-5, C-10 C/C 복합재의 SEM 이미지를 나타낸 것이다.
도 3은 다중벽 탄소나노튜브, 탄소 섬유 및 본 발명의 실시예에 따라 제조된 다중벽 탄소나노튜브 산화물, 다중벽 탄소나노튜브 산화물이 코팅된 C/C 복합재의 라만 스펙트럼을 나타낸 것이다.
도 4는 탄소 섬유, 다중벽 탄소나노튜브 및 본 발명의 실시예에 따라 제조된 다중벽 탄소나노튜브 산화물, 다중벽 탄소나노튜브 산화물이 코팅된 C/C 복합재의 XPS 그래프를 나타낸 것이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따라 제조된 1g/L로 코팅된 C/C 복합재와 2g/L로 코팅된 C/C 복합재의 인장 강도 곡선을 나타낸 것이다.
도 6은 니트 탄소 직물과 본 발명의 실시예에 따라 제조된 1g/L로 코팅된 C/C 복합재와 2g/L로 코팅된 C/C 복합재의 전자파 차폐 효과를 측정한 그래프를 나타낸 것이다.
도 7은 니트 탄소 직물 및 본 발명의 실시예에 따라 제조된 다중벽 탄소나노튜브가 코팅된 C/C 복합재의 TGA 및 DSC 곡선을 나타낸 것이다.

본 발명에 있어서, 상기 '탄소 섬유 부직포'는 탄소 섬유가 짜여지지 않은 형태로 뭉쳐져 만들어진 직물 형태를 의미 한다. '니트(neat) 탄소 직물'은 아무런 처리도 되지 않은 탄소 섬유 부직포를 의미한다.

본 발명에 있어서 상기 탄소 섬유 부직포의 평량은 15 내지 25g/㎡, 두께는 100 내지 200μm일 수 있다. 본 발명에서 사용되는 탄소 섬유 부직포는 취급 도중 찢어지지 않을 정도의 강도를 가져야 하며, 이에 상기 범위의 평량과 두께를 갖는 것이 바람직하다.

본 발명에서 사용하는 탄소나노튜브는 다중벽 탄소나노튜브 혹은 단일벽 탄소나노튜브 일 수 있으며, 바람직하게는 다중벽 탄소나노튜브이다. 탄소나노튜브의 직경과 길이는 다양할 수 있으며, 본 발명에서는 상업적으로 구입이 가능하고, 본 발명의 목적을 달성할 수 있는 것이면 어떤 것을 사용해도 무방하다.

본 발명은 탄소 섬유 복합재를 포함하는 전자파 차폐재를 제공한다.

본 발명의 전자파 차폐재는 전자파 차폐재에 일반적으로 사용되는 다른 성분들을 추가적으로 포함할 수 있다.

본 발명은 탄소나노튜브 산화물의 수분산액을 탄소 섬유 부직포에 코팅하는 단계; 를 포함하는 탄소 섬유 복합재의 제조 방법을 제공한다.

상기 탄소 섬유 복합재의 제조 방법에서 탄소나노튜브의 산화물은 탄소나노튜브를 산화하여 얻을 수 있으며, 탄소나노튜브를 산화하기 위해 다양한 방법을 사용할 수 있다. 예컨대, 산을 사용할 수 있다. 사용 될 수 있는 산으로는 진한 황산, 질산, 염산을 사용할 수 있다. 다만 강산을 사용하는 경우 취급상의 위험성과 수득량에 비해 많은 양을 사용하여야 하는 문제점이 있다. 산 이외에도 과망간산 칼륨과 같은 무기 화합물이 사용가능하며, 수산화암모늄과 과산화수소를 사용할 수도 있다.

또한 탄소나노튜브의 산화물은 상업적으로 구입하여 사용할 수도 있다.

상기 탄소 섬유 복합재의 제조 방법에서 탄소나노튜브 산화물의 수분산액의 탄소나노튜브 산화물 농도는 1 내지 2g/L가 될 수 있으나, 이에 한정되지 않고 통상의 기술자는 필요한 물성을 얻기 위해 수분산액의 농도를 조절할 수 있다.

상기 탄소 섬유 복합재의 제조 방법에서 탄소나노튜브 산화물의 수분산액은 계면활성제를 포함할 수 있다. 계면활성제의 예로는 도데실황산나트륨(SDS), 도데실벤젠황산나트륨(SDBS), 세트리모늄브로마이드(CTAB) 등을 들 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니며, 탄소나노튜브 산화물을 물에 분산시킬 수 있는 어떤 계면활성제라도 사용할 수 있다.

상기 탄소 섬유 복합재의 제조 방법에서 수분산액은 추가적으로 바인더를 포함할 수 있다. 바인더는 탄소나노튜브와 상호 작용할 수 있고, 탄소나노튜브를 다른 물질과 결합시킬 수 있는 모든 바인더 물질을 사용할 수 있다. 이러한 바인더의 종류로는 플루오르화 폴리비닐리덴(PVDF), 폴리비닐알콜(PVA), 폴리메틸메타아크릴레이트(PMMA), 폴리에틸렌글리콜(PEG), 4-페닐-2-프로피온아미도테트랄린(PDOT), 폴리에틸렌다이옥시싸이오펜(EDOT) 및 폴리아크릴로니트릴(PAN)이 바람직하고, PVDF를 사용하는 것이 더욱 바람직하다.

상기 탄소 섬유 복합재의 제조 방법에서 탄소나노튜브 산화물 수분산액으로 탄소 섬유 부직포를 코팅하여 탄소 섬유 복합재를 제조할 수 있다. 코팅 방법으로는 디핑(dipping) 방법, 스프레이 분사 코팅 방법(spray), 회전 방식 공정 코팅(spin coating)등을 이용할 수 있으나, 이에 한정되지 않는다. 통상의 기술자는 필요한 발명의 물성 값에 따라 수분산액에 탄소 섬유 부직포를 디핑하는 횟수를 조절 할 수 있다.

실시예

이하, 본 발명의 이해를 돕기 위하여 바람직한 실시예 및 실험예를 제시한다. 그러나 하기의 실시예 및 실험예는 본 발명을 보다 쉽게 이해하기 위하여 제공되는 것일 뿐, 실시예 및 실험예에 의해 본 발명의 내용이 한정되는 것은 아니다.

재료

하기 본 발명의 실시예에서는 본 발명의 탄소 섬유 부직포로는 평량 20.2g/㎡, 두께 190 μm인 것과, 평량 19.2g/㎡, 두께 150μm인 것(Clean & Science Co. Ltd., South Korea)을 사용했다. 다중벽 탄소나노튜브는 90 중량% 를 갖고, 직경 20nm, 길이 100μm 인 것(CM-90, Applied Carbon Technology Co. Ltd.)을 사용했다.

실시예 1. 1g/L의 다중벽 탄소나노튜브 산화물 수분산액으로 코팅한 탄소 섬유 복합재의 제조

1-1. 다중벽 탄소나노튜브의 산화

1.0g의 다중벽 탄소나노튜브를 응축기가 있는 250ml 둥근 바닥 플라스크에 넣고 수산화암모늄(28 중량%)와 과산화수소(34.6 중량%)를 1:1로 섞은 용액 80ml에 상온에서 15분 동안 분산시켰다. 분산액을 80℃까지 가열하고, 5시간 동안 유지하였다. 얻어진 분산액을 물로 희석하고 여과하였다. 얻어진 고체(다중벽 탄소나노튜브 산화물)을 탈이온수로 중성의 pH를 가질 때 까지 세척하고, 시료를 40℃에서 밤새 진공 건조시켰다. 결과물로 다중벽 탄소나노튜브 산화물(CNTO)을 얻었다.

1-2. 다중벽 탄소나노튜브 산화물의 수분산액 제조

0.25g의 다중벽 탄소나노튜브 산화물과 0.25g의 도데실황산나트륨(Sodium dodecyl Sulfate, SDS, 98 중량%)를 15분간 초음파처리(UIL MINI Ultrasonic, 980 W, 40 ㅁ 4 kHz, UIL Ultrasonic Co., Ltd.)하여 250ml의 물에서 분산시켰다. 그 후 수분산액을 190℃에서 5시간동안 환류하였다. 환류된 수분산액은 플라스크로 보내져서 또 다시 3시간 동안 음파처리하였고, 1g/L의 다중벽 탄소나노튜브 산화물 용액을 얻었다.

1-3. 탄소나노튜브가 코팅된 C/C 복합재 제조

도 1에서 나타나는 연속적인 과정을 통해 C/C 복합재를 제조하였다. 니트 탄소 직물(19.5g/㎡)를 먼저 제조된 수분산액에 상온에서 디핑하여 꺼내고, 그 후 100℃ 이상에서 5분간 건조하였다. 디핑 과정은 수 차례 반복될 수 있으며 x번 반복한 시편의 경우 C-x라고 명명하였다.

실시예 2. 2g/L의 다중벽 탄소나노튜브 산화물 분산액으로 코팅한 탄소 섬유 복합재의 제조

실시예 2에서는 2g/L의 다중벽 탄소나노튜브 산화물 용액을 얻기 위해 0.5g의 다중벽 탄소나노튜브 산화물과 0.5g의 도데실황산트륨을 사용한 것을

제외하고는 실시예 1에서와 동일한 방법으로 C/C 복합재를 제조하였다. 본 과정을 통해 얻어진 시편을 디핑 횟수에 따라 x번 반복한 시편의 경우 C-x라고 명명하였다.

특성 분석

실험예 1. 구조적 특성 분석

1-1. SEM 이미지를 통한 형태 분석 (Scan electron microscopic analysis of morphology)

서로 상이하게 코팅된 C/C 복합재들 및 니트 탄소 직물의 형태 구조적 특성을 도 2에 나타낸 SEM(S-4800, Hitachi) 이미지를 통해 분석하였다. 도 2.A에는 니트 탄소 직물, 도 2.B에는 C/C 복합재의 이미지가 나타난다. 니트 탄소 직물의 경우에 표면에 균열과 환형 갭이 있음을 확인하였고, 도 2.B에서는 이러한 균열과 환형 갭이 탄소나노튜브로 코팅됨을 확인 할 수 있었다. 도 2.B에서 C-5 다중벽 탄소나노튜브 코팅 C/C 복합재도 니트 탄소 직물과 유사한 공극 구조를 가지고 있었으나, 표면은 균일하게 탄소나노튜브로 코팅되었다. 코팅 횟수가 늘어날수록 코팅의 두께는 두꺼워졌고, C-10 C/C 복합재에서는 공극 성질이 감소하고, 탄소 섬유가 탄소나노튜브와 상호 연결되어 있음을 확인했다. 또한 1회의 코팅으로는 표면 전부를 코팅할 수 없다는 것이 확인되었다.

1-2. 탄소 기반 소재의 라만 스펙트럼 구조 분석 (Raman spectroscopic analysis for structure of carbon based material)

라만 분광분석법을 이용하여 구조적 특성을 분석하였다. 다중벽 탄소나노튜브, 다중벽 탄소나노튜브 산화물, 니트 탄소 직물, C/C 복합재가 고해상도 라만 스펙트럼 분석기에 의해 분석되었다(Renishaw, RM 1000 inVia, excitation wavelength: 532 nm, laser spot size: 5 μm, exposure time: 30 s). 라만 분광분석기는 탄소 물질의 구조를 연구하기에 적합하다. 도 3에 분석결과를 도시하였다. 다중벽 탄소나노튜브의 라만 스펙트럼은 여러개의 피크를 보였으며, 1299-1393/cm 에서 명확한 D-밴드를 보였고, 1500-1648/cm에서 G-밴드를 보였다. 다중벽 탄소나노튜브의 산화물도 거의 비슷한 피크를 보였다. 두 스펙트럼 모두 D-밴드의 어깨 부근에서 D'-밴드를 보였으며, 이러한 D-밴드는 라만 산란 과정에서 생기는 이중 공명과 관련된 무질서(disorder)이다. 다중벽 탄소나노튜브 산화물이 코팅된 C/C 복합재의 경우 다중벽 탄소나노튜브 산화물과 탄소 섬유 직물의 특징을 모두 보였고, 2540-2740/cm의 피크는 G'-밴드와 관계가 있다. 니트 탄소 직물의 경우 D-밴드로 알려진 1348-1374/cm의 피크를 보였으며, 이는 탄소 섬유의 흑연 결정 경계와 관계가 있다. 니트 탄소 직물의 1503-1634/cm의 G-밴드는 재료의 2D 구조와 관계가 있다.

1-3. XPS 분석 (X-ray photoelectron analysis)

XPS 분석(K-Alpha, Anode: Al, E_max: 100 W, Spot size: 30-400μm)을 통해 형태 구조를 분석하였다. 원소의 비율과 탄소 재료의 화학적 환경이 분석되었다. XPS 데이터는 가우시안-로렌치안 함수를 사용하여 피팅되었다. 그 결과는 도 4 및 표 1에 나타난다. 표 1에서 보이듯이, 직물 및 다중벽 탄소나노튜브는 다른 함량으로 여러 원소를 갖고 있으며, 탄소를 높은 함량으로 가지고 있다. 그 후 산화로 인해 다중벽 탄소나노튜브 산화물에서는 산소의 함량 및 C-O 결합이 많아진다. 그러나 C=O 결합의 증가는 뚜렷하지 않으며, 이는 온화한 산화(mild oxidation)가 일어났기 때문이다. C/C 복합재에서는 286.5eV 및 286.8eV에 속하는 피크를 보였으며, 이는 코팅된 탄소나노튜브 산화물에 의한 것이다.

	MWCNT	CNTO	섬유	C5	C10	C15	C20
원소	원자 비율
C1s	97.38	91.3	84.23	84.49	84.08	89.53	86.28
O1s	2.19	5.91	8.8	11.72	11.54	7.55	8.89
S2p	0.43	1.59		2.16	2.5	1.52	1.97
Na1s				1.63	1.88	1.4	1.75
N1s		1.2	1.16				1.1
Si2p			0.51

실험예 2. 다중벽 탄소나노튜브가 코팅된 C/C 복합재의 인장 강도 실험

인장 강도 실험은 100mm * 50mm의 직물 샘플을 사용하여 측정되었고, 신장계(Instron 556A-AVE 2, 2000 N, 1.3 mm/ min)를 사용하였다. 인장 강도는 전자파 차폐재에 있어서 중요한 요소이다. 본 발명의 다중벽 탄소나노튜브가 코팅된 C/C 복합재는 니트 탄소 직물과 비교하여 인장 강도가 크게 상승하였다. 이는 표 2에 나타난다. 1g/L로 코팅한 경우 최소 1.5배 인장강도가 사용하였으며, 2g/L로 코팅한 경우 3배가 넘는 인장강도의 상승이 나타났다. 이는 다중벽 탄소나노튜브로 코팅하는 것이 SEM 이미지에서 관측한 것처럼 탄소 섬유를 서로 연결하기 때문이다. 도 5에서는 인장 강도 곡선이 나타난다. 도 5에서 나타나는 곡선에서 직선 영역(탄성 영역)은 매우 짧고 이는 니트 탄소 직물의 낮은 인장력 때문이다. 니트 탄소 직물의 경우 불규칙적으로 탄소 섬유가 구성되기 때문에, 작은 외력에도 쉽게 붕괴된다. 또한 인장 강도 곡선에서 의미 있는 탄성 영역도 나타내지 않았다. 그러나 코팅은 인장 강도를 상승시키고, 탄성 영역을 길게 나타나게 한다.

(인장력의 단위는 kgf/㎠)

실험예 3. 다중벽 탄소나노튜브가 코팅된 C/C 복합재의 전자파 차폐 효과 실험

코팅된 샘플들의 전기적 특성은 직경 30mm의 직물 원판(FPR-RS8, Dansol Eng)을 사용하여 측정하였다. 전자파 차페 효과는 상온에서 차폐 효과 측정 시스템(ASTM-D4935-10)을 사용하여 측정하였고, 전자파 차폐 천막 내에서 진행하였다(전자파 영역 : 10 kHz - 3 GHz, accuracy ㅁ 1 ppm). 도 6에서 알 수 있듯이, 1g/L로 코팅한 경우에는 코팅 횟수에 따라 규칙적으로 전자파 차폐 효과가 증가하였으나, 2g/L로 코팅한 경우에는 그렇지 않았다. 그러므로 1g/L가 코팅에는 유용할 수 있을 것이다. 다만 도 6.B에서 볼 수 있듯이 2g/L로 1회 코팅한 경우에는 1g/L로 코팅한 경우에 비해 전자파 차폐 효과가 상승했다. 복합재는 2500-2500MHz 주파수 영역에서 눈에 띄는 전자파 차폐 효과 상승을 보였다. 와이파이나 모바일 기기에 사용되는 라디오 신호들은 이 영역의 주파수이므로, 이러한 주파수를 차단하는 것에 탄소나노튜브 산화물이 코팅된 C/C 복합재는 유용할 것이다. 2겹의 직물이 1겹보다 더욱 효과적이었고, 1겹의 경우 150μm, 2겹의 경우 300-350μm의 두께를 가졌다. 관측된 가장 강력한 차페효과는 840MHz, 2295MHz, 2700MHz 및 2850MHz에서 나타났으며 52dB, 55.9dB, 68.3dB 및 61.5dB의 값을 각각 가졌다. 2g/L에서 1회 코팅한 경우에는 거의 29dB 이상의 효과를 가졌으며, 가장 높은 값은 38dB이었다.

실험예 4. 다중벽 탄소나노튜브가 코팅된 C/C 복합재의 열적 특성 분석

열 확산성의 경우에는 5mm * 30mm의 샘플을 이용하여 측정하였고, 열 확산성 측정 기계(Laser PIT, ULVAC-RIKO; wavelength 690nm, 30mW; 0.01Pa)를 이용하였다. 비열 용량은 측정 기계(DSC 200 F3 Maia; NETZSCH)를 사용하여 측정하였고, 열 중량 데이터 분석(TGA)은 열 분석기(DSC TMA Q400, TA Instruments Ltd., USA)를 이용하여 측정하였다. 열 전도도는 열 전도도와 열 확산도와의 관계식을 이용하여 계산하였다.

열 전도성은 기기의 열을 방출하기 위해 중요한 특성이다. 열 전도성을 측정한 결과는 표 3에 나타난다. 탄소나노튜브를 충진제 재료로 포함하는 고분자 복합재들은 탄소나노튜브의 1500 내지 5000W/mK 정도의 열 전도성 때문에 사용된다. 보고된 복합재들의 열 전도성은 그래핀 충진제를 사용하는 경우에는 0.54W/mK였으며, 탄소 섬유 강화 복합재의 경우엔 1.9W/mK였다. 다중벽 탄소나노튜브 에폭시 복합재의 경우 0.28W/mK의 열 전도성을 가짐이 보고되었다. 본 발명에서는 2g/L로 1회 및 15회 코팅한 경우 각각 0.538, 0.625W/mK의 열 전도성을 가짐을 확인했다.

나노 복합재의 열 안정성은 DSC와 넓은 온도 영역에서의 TGA를 사용하여 측정하였다. 구체적인 복합재 분해 메커니즘을 규명하기 위해 질소 대기 하에서 10℃/분의 속도로 온도를 상승시켜가며 상온에서부터 1000℃ 까지의 TGA에서의 질량 손실과 엔탈피 변화를 측정하였다. 산소가 없는 대기에서의 열 분해의 경우 284℃에 이르러서는 제한되었다. 반면 300 내지 400℃에서는 복합재의 분해가 빠르게 발생했으며 1000℃에 이르기까지 모든 복합재는 10% 중량보다 적은 질량 손실을 보였다.

니트 탄소 직물의 DSC 곡선(도 7)에서, 흡열 피크는 탄소 섬유 복합재가 열 분해되는 것과 연관이 있는 356℃ 부근에서 나타났다. 이러한 피크는 다중벽 탄소나노튜브가 코팅된 C/C 복합재의 경우에 223-228℃로 옮겨졌으며, 피크의 강도는 극적으로 상승했다. 도 7에서 알 수 있듯이 다중벽 탄소나노튜브가 코팅된 C/C 복합재의 경우 고온에서 안정성을 보였다.

이상과 같이 실시예를 통하여 본 발명을 설명하였다. 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 기술자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 상술한 실시예들은 모든 면에 예시적인 것이며 한정적인 것이 아닌 것으로서 이해되어야 한다. 본 발명의 범위는 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 등가 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

Claims

탄소 섬유 부직포 및 이에 코팅된 탄소나노튜브로 이루어지고, 두께가 100 내지 200μm인 탄소 섬유 복합재.
제1항에 있어서, 상기 탄소 섬유 부직포의 평량은 15 내지 25g/㎡인 탄소 섬유 복합재.
삭제
제1항에 있어서,
탄소나노튜브는 단일벽 탄소나노튜브 또는 다중벽 탄소나노튜브인 탄소 섬유 복합재.
제4항에 있어서,
탄소나노튜브는 다중벽 탄소나노튜브인 탄소 섬유 복합재.
제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 따른 탄소 섬유 복합재를 포함하는 전자파 차폐재.
탄소나노튜브 산화물의 수분산액을 탄소 섬유 부직포에 디핑 코팅 방법으로 코팅하고 건조하는 것을 1회 내지 20회 반복하는 단계를 포함하는 제1항에 따른 탄소 섬유 복합재의 제조 방법.
제7항에 있어서,
탄소나노튜브 산화물의 수분산액의 탄소나노튜브 산화물 농도는 1 내지 2g/L인 것인 탄소 섬유 복합재의 제조 방법.
삭제
삭제
제7항에 있어서,
탄소나노튜브 산화물의 수분산액은 계면활성제를 포함하는 것인 탄소 섬유 복합재의 제조 방법.
제11항에 있어서,
상기 계면활성제는 도데실황산나트륨(SDS), 도데실벤젠황산나트륨(SDBS) 및 세트리모늄브로마이드(CTAB)에서 선택되는 것인 탄소 섬유 복합재의 제조 방법.