KR101982282B1 - 신축 전도성 복합사, 그 제조방법 및 이를 포함하는 신축 전도성 복합 방적사 - Google Patents

신축 전도성 복합사, 그 제조방법 및 이를 포함하는 신축 전도성 복합 방적사 Download PDF

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Abstract

신축성 필라멘트사; 및 전도성 고분자 및 신축성 고분자 중 적어도 1종에 고정화된 전도성 나노 입자를 포함하는 신축 전도성 나노섬유;를 포함하는 신축 전도성 복합사가 제공된다.

Description

신축 전도성 복합사, 그 제조방법 및 이를 포함하는 신축 전도성 복합 방적사{Stretchable and conductive composite fiber yarn, manufacturing method thereof, and stretchable and conductive composite spun yarn including the same}
신축 전도성 복합사, 그 제조방법 및 이를 포함하는 신축 전도성 복합 방적사에 관한 것으로서, 상세하게는 내구성이 우수하고 표면의 절연 효과가 우수하여 전자 소자에 이용가능한 신축 전도성 복합사 및 이를 포함하는 신축 전도성 복합 방적사에 관한 것이다.
본 발명은 삼성전자가 교육과학기술부의 국가연구개발사업인 '글로벌 프론티어 연구개발 사업'의 '나노기반 소프트 일렉트로닉스 연구'의 일환으로 수행한 결과로부터 도출된 것이다:
과제고유번호: 2011-0031659
부처명: 교육과학기술부
연구사업명: 글로벌 프론티어 연구개발 사업
연구과제명: 나노기반 소프트 일렉트로닉스 연구
주관기관: 삼성전자
연구기간: 2011년 8월 1일 ~ 2012년 7월 31일.
기여율: 100%
연구관리전문기관: 삼성전자
섬유(fiber)를 기반으로 하는 전자 소자는 아직 개념적인 단계이지만, 섬유의 연신과 직조 가능성, 넓은 표면적, 표면처리의 다양성, 복합재료 구성의 용이성과 같은 다양한 장점으로 인하여 많은 전자 소자 시장을 대체할 가능성이 높다.
대부분의 섬유를 구성하고 있는 고분자 물질은 대개 낮은 전기 전도도를 가지는 물질이어서 통상적으로 섬유는 전기적 절연체로 이용되고 전도성 재료로 사용되기에는 부적합한 면이 있기 때문에, 섬유를 구성하고 있는 고분자 물질에 전기 전도성 충전재 등을 첨가하는 방식으로 전기 전도성을 지닌 섬유를 제조하는 방식이 널리 사용되고 있다.
그러나, 이렇게 제조된 전도성 섬유나 직물은 뛰어난 전도성에도 불구하고, 유연성이 매우 떨어져서, 섬유나 직물을 전자 소자에 직접 이용하거나 전자 기기 상호 간을 연결하는 데 사용하기에 여전히 불편함이 있다.
유연성이 풍부하고 전기적 특성이 우수하여 전자 소자에 이용가능한 복합사를 제공하고자 한다.
신축성 필라멘트사와 신축 전도성 나노섬유를 사용하여 신축 전도성 복합사를 제조하는 방법을 제공하고자 한다.
내구성이 우수하고 표면의 절연 효과가 우수하여 전자 소자에 이용가능한 신축 전도성 복합 방적사를 제공하고자 한다.
한 측면에 따라, 신축성 필라멘트사; 및 전도성 고분자 및 신축성 고분자 중 적어도 1종에 고정화된 전도성 나노 입자를 포함하는 신축 전도성 나노섬유;를 포함하는 신축 전도성 복합사가 제공된다.
상기 신축성 필라멘트사는 상기 신축 전도성 나노섬유에 의해 커버링될 수 있다.
상기 전도성 고분자는 폴리아세틸렌, 폴리피롤, 폴리티오펜, 폴리에틸렌디옥시티오펜, 폴리페닐렌비닐렌, 폴리페닐렌, 폴리실란, 폴리플루오렌, 폴리아닐린 및 폴리 설퍼나이트라이드 중 적어도 1종을 포함할 수 있다.
상기 신축성 고분자는 폴리부타디엔, 폴리(스티렌-부타디엔, 폴리(스티렌-부타디엔-스티렌), 폴리(스티렌-에틸렌-부틸렌-스티렌), 에틸렌 프로필렌 디엔 고무(EPDM), 아크릴 고무, 폴리클로로프렌 고무(CR), 폴리우레탄(PU), 불소 고무, 부틸 고무 및 폴리이소프렌 중 적어도 1종을 포함할 수 있다.
상기 전도성 나노 입자는 탄소 나노 튜브, 그래핀 및 금속 와이어 중 적어도 1종을 포함할 수 있다.
상기 탄소 나노 튜브는 3,4-디히드록시-L-페닐알라닌으로 표면 수식된 탄소 나노 튜브(CNT-DOPA), 아크릴로 표면 수식된 탄소 나노 튜브(CNT-Acryl) 및 에폭시로 표면 수식된 탄소 나노 튜브(CNT-Epoxy) 중 적어도 1종을 포함할 수 있다.
상기 전도성 고분자 및 상기 신축성 고분자는 시스를 형성하고 상기 전도성 나노 입자는 코어를 형성할 수 있다.
상기 전도성 고분자 및 상기 신축성 고분자는 해 부분(sea part)를 형성하고 상기 전도성 나노 입자가 도 부분(island part)를 형성할 수 있다.
상기 전도성 고분자 및 상기 신축성 고분자의 중량비는 1~50:10~50일 수 있다.
상기 전도성 나노 입자의 함량은 상기 신축 전도성 나노섬유의 총중량 대비 0.2 내지 20중량%일 수 있다.
상기 신축 전도성 나노섬유가 금속 나노 입자를 더 포함할 수 있다.
다른 한 측면에 따라, 신축성 필라멘트사를 일방향으로 드래프트(draft)시켜 소용돌이 튜브 영역으로 안내하는 단계; 전도성 고분자 및 신축성 고분자 중 적어도 1종에 고정화된 전도성 나노 입자를 포함하는 신축 전도성 나노섬유를 형성하여 상기 소용돌이 튜브 영역에 공급하는 단계; 및 상기 소용돌이 튜브 영역에서 상기 신축 전도성 나노섬유로 상기 신축성 필라멘트사를 커버링하는 단계;를 포함하는 신축 전도성 복합사의 제조방법이 제공된다.
상기 신축 전도성 나노섬유는 상기 전도성 고분자, 상기 신축성 고분자 및 상기 전도성 나노 입자를 포함하는 조성물을 전기방사하여 형성될 수 있다.
상기 신축 전도성 나노섬유는 상기 소용돌이 튜브 영역 내에서 상기 신축성 필라멘트와 예각으로 만나도록 공급될 수 있다.
상기 커버링은 공기의 소용돌이를 이용하여 꼬임을 주는 것일 수 있다.
상기 신축 전도성 복합사; 및 스테이플 섬유;를 포함하는 신축 전도성 복합 방적사가 제공된다.
상기 스테이플 섬유는 면, 모, 마, 실크, 폴리에스테르, 나일론 및 레이온 중 적어도 1종을 포함할 수 있다.
상기 신축 전도성 복합사는 코어를 형성하고 상기 스테이플 섬유는 시스를 형성할 수 있다.
상기 신축 전도성 복합 방적사를 포함하는 직물로서, 전기적 신호들을 발생 또는 전달하는 직물이 제공된다.
한 측면에 따른 신축 전도성 복합사는 우수한 유연성과 전도성을 가져 전기적 특성이 요구되는 전자 소자 분야에 유용하게 적용될 수 있다.
상기 신축 전도성 복합사는 복합사를 구성하는 신축성 필라멘트사와 신축 전도성 나노섬유가 안정한 계면을 형성하여 강한 접착력을 유지할 수 있다.
상기 신축 전도성 복합사는 신축성 필라멘트사를 신축 전도성 나노섬유로 커버링함으로써 효과적으로 제조될 수 있다.
다른 한 측면에 따른 신축 전도성 복합 방적사는 우수한 내구성과 표면 절연성을가져 전기적 특성이 요구되는 전자 소자 분야에 안정적으로 적용될 수 있다.
도 1은 일 구현예에 따른 신축 전도성 복합사의 단면도이다.
도 2는 일 구현예에 따른 신축 전도성 복합사를 구성하는 시스-코어형 신축 전도성 나노섬유의 측면도이다.
도 3은 일 구현예에 따른 신축 전도성 복합사를 구성하는 해도형 신축 전도성 나노섬유의 단면도이다.
도 4는 일 구현예에 따른 신축 전도성 복합사를 구성하는 신축 전도성 나노섬유에 대해 DOPA로 표면 수식된 탄소 나노 튜브와 금속 나노 입자의 양수소 결합을 개략적으로 나타낸 모식도이다.
도 5는 일 구현예에 따른 신축 전도성 복합사를 구성하는 신축 전도성 나노섬유의 제조에 사용되는 전기 방사 장치를 개략적으로 나타낸 모식도이다.
도 6은 일 구현예에 따른 신축 전도성 복합사를 구성하는 신축 전도성 나노섬유를 전자 현미경으로 촬영한 사진이다.
도 7은 일 구현예에 따른 신축 전도성 복합사의 제조방법을 나타낸 모식도이다.
도 8은 다른 일 구현예에 따른 신축 전도성 복합 방적사의 단면도이다.
도 9는 실시예 2에 따른 신축 전도성 복합 방적사의 단면을 전자 현미경으로 촬영한 사진이다.
도 10은 실시예 2에 따른 신축 전도성 복합 방적사의 측면을 전자 현미경으로 촬영한 사진이다.
이하 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 구체적인 실시형태에 대해 더욱 상세하게 설명한다. 본 발명을 명확하게 설명하기 위한 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 도면에서 나타난 각 구성의 크기 등은 설명의 편의를 위해 임의로 나타낸 것으로서, 본 발명이 반드시 도시된 바에 한정되지 않는다. 또한, 본 발명은 여기서 설명되는 구체적인 실시형태에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수 있다. 여기서 소개되는 실시예들은 개시된 내용이 철저하고 완전해질 수 있도록 그리고 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 제공되는 것이다.
도 1은 일 구현예에 따른 신축 전도성 복합사(100)의 단면도이다.
일 구현예에 따른 신축 전도성 복합사(100)는 신축성 필라멘트사(110); 및 전도성 고분자 및 신축성 고분자 중 적어도 1종에 고정화된 전도성 나노 입자를 포함하는 신축 전도성 나노섬유(120);를 포함한다.
신축성 필라멘트사(110)는 탄성을 가져 인장 및 이완시 신축성을 나타내는 섬유로서 그 형태가 필라멘트 형태인 섬유를 의미한다.
신축 전도성 나노섬유(120)는 전도성 고분자, 신축성 고분자 및 전도성 나노 입자를 포함하는 나노 사이즈의 섬유로서 이러한 구성 성분들에 의해 탄성을 가져 인장 및 이완시 유연성을 나타내고 도전성을 가지는 섬유를 의미한다.
전도성 고분자는 전기를 통할 수 있는 도전성 고분자로서 그 중에서도 섬유 구조를 형성할 수 있는 분자를 가리킨다. 전도성 고분자는 도전성이 있으면서 섬유 제조가 가능한 분자로서, 예를 들면 용매에 용해시킨 후 전기 방사(electrospinning), 습식 방사(wet spinning), 복합 방사(conjugate spinning), 멜트 블로운 방사(melt blown spinning) 또는 플래쉬 방사(flash spinning) 등을 포함하는 통상의 방사 방법으로 방사하였을 때 섬유를 제조할 수 있는 분자를 의미한다. 전도성 고분자는 섬유의 구조를 형성할 수 있는 지지체가 되며, 신축성 고분자에 대해 친화성을 가져 함께 섬유의 구조를 형성할 수 있다.
신축성 고분자는 탄성을 가져 인장 및 이완시 신축성을 나타내는 고분자로서 그 중에서도 섬유 구조를 형성할 수 있는 분자를 가리킨다. 신축성 고분자는 섬유 제조가 가능한 분자로서, 예를 들면 용매에 용해시킨 후 전기 방사, 습식 방사, 복합 방사, 멜트 블로운 방사 또는 플래쉬 방사 등을 포함하는 통상의 방사 방법으로 방사하였을 때 섬유를 제조할 수 있는 분자를 의미한다. 신축성 고분자는 섬유의 구조를 형성할 수 있는 지지체가 되며, 전도성 고분자에 대해 친화성을 가져 함께 섬유의 구조를 형성할 수 있다.
전도성 나노 입자는 전도성을 띠는 나노 사이즈의 입자로서 상기 전도성 고분자 및 상기 신축성 고분자 중 적어도 1종에 비공유 결합이나 물리적인 힘에 의해 고정될 수 있는 입자 형태의 물질을 가리킨다.
신축 전도성 나노섬유(120)는 나노 사이즈의 직경을 가지며 그 직경은 약 1㎚ 내지 500㎚일 수 있다. 신축 전도성 나노섬유(120)의 직경이 상기 범위를 만족할 경우, 나노 사이즈에서 기인하는 우수한 도전성을 가진다.
신축 전도성 복합사(100)는 이러한 신축성 필라멘트사(110)와 신축 전도성 나노섬유(120)를 포함하여 우수한 유연성과 전도성을 가지며, 특히 전기적 특성이 요구되는 전자 소자 분야에 유용하게 사용될 수 있다.
신축 전도성 복합사(100)는 신축성 필라멘트사(110)를 신축 전도성 나노섬유(120)로 커버링하여 형성될 수 있다. 구체적으로 신축 전도성 복합사(100)는 신축성 필라멘트사(110)가 심사가 되고 신축 전도성 나노섬유(120)가 효과사가 되는 구조일 수 있다.
이러한 신축 전도성 복합사(100)는 심사가 되는 신축성 필라멘트사(110)가 신축성을 갖기 때문에 외부에서 인장이 가해졌을 때에 복합사의 길이 방향으로 신장이 일어나고 인장이 완화되었을 때에는 복합사의 길이 방향으로 수축이 일어남으로써 외력에 의해 능동적으로 신축할 수 있고, 한편으로는 효과사가 되는 신축 전도성 나노섬유(120)가 도전성을 가져 외부에 전기적 신호를 전달할 수 있다. 또한, 신축 전도성 나노섬유(120)가 신축성 필라멘트사(110)를 커버링함으로써 계면이 생성되는데, 신축 전도성 나노섬유(120)와 신축성 필라멘트사(110)의 표면이 둘다 신축성을 갖는 물질로서 서로 이질적인 성격을 가지지 않으므로 매우 안정한 계면을 형성하고 그 결과 강한 접착력이 유지될 수 있다.
신축성 필라멘트사(110)의 예로서는 스판덱스 필라멘트사 또는 신축성 폴리에스테르 필라멘트사를 들 수 있다. 신축성 폴리에스테르 필라멘트사(110)는 폴리에스테르 성분에 탄성을 부여하는 성분을 공중합하거나 첨가하여 제조된 폴리에스테르 계통의 필라멘트사일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
신축 전도성 나노섬유(120)를 구성하는 전도성 고분자는 폴리아세틸렌, 폴리피롤, 폴리티오펜, 폴리에틸렌디옥시티오펜, 폴리페닐렌비닐렌, 폴리페닐렌, 폴리실란, 폴리플루오렌, 폴리아닐린 및 폴리 설퍼나이트라이드 중 적어도 1종일 수 있다.
신축 전도성 나노섬유(120)를 구성하는 신축성 고분자로는 천연 고무, 합성 고무 또는 탄성 중합체(elastomer) 등이 있으며, 구체적으로 천연 고무, 발포 고무, 아크릴로니트릴 부타디엔 고무, 불소 고무, 실리콘 고무, 에틸렌 프로필렌 고무, 우레탄 고무, 클로로프렌 고무, 스티렌 부타디엔 고무, 클로로술폰화된 폴리에틸렌 고무, 폴리술피드 고무, 아크릴레이트 고무, 에피클로로히드린 고무, 아크릴로니트릴 에틸렌 고무, 우레탄 고무, 폴리스티렌계 탄성 고분자, 폴리올레핀계 탄성 고분자, 폴리염화비닐계 탄성 고분자, 폴리우레탄계 탄성 고분자, 폴리에스테르계 탄성 고분자 또는 폴리아미드계 탄성 고분자 등이 있다. 신축성 고분자는 예컨대 폴리부타디엔, 폴리(스티렌-부타디엔, 폴리(스티렌-부타디엔-스티렌), 폴리(스티렌-에틸렌-부틸렌-스티렌), 에틸렌 프로필렌 디엔 고무(EPDM), 아크릴 고무, 폴리클로로프렌 고무(CR), 폴리우레탄(PU), 불소 고무, 부틸 고무 및 폴리이소프렌 중 적어도 1종일 수 있다.
신축 전도성 나노섬유(120)를 구성하는 전도성 나노 입자는 탄소 나노 튜브, 그래핀, 금속 와이어 및 액상 금속 중 적어도 1종일 수 있다. 탄소 나노 튜브, 그래핀 또는 금속 와이어는 전도성 전극을 형성할 수 있는 입자로서 섬유 형성능력이 있는 전도성 고분자 및 신축성 고분자 중 적어도 1종에 고정됨으로써 섬유에 뛰어난 도전성을 부여한다.
탄소 나노 튜브는 단일벽 탄소 나노 튜브(single walled carbon nanotube) 또는 다중벽 탄소 나노 튜브(multi walled carbon nanotube)를 포함할 수 있다. 탄소 나노 튜브는 표면 수식된 탄소 나노 튜브, 표면 수식 되지 않은 탄소 나노 튜브 또는 이들의 혼합물을 포함할 수 있다. 예를 들면, 탄소 나노 튜브는 표면 수식된 탄소 나노 튜브와 표면 수식되지 않은 탄소 나노 튜브의 혼합물일 수 있다.
표면 수식된 탄소 나노 튜브는 혼화성이 좋은 물질로 표면 수식된 탄소 나노 튜브를 포함할 수 있다. 예를 들면, 표면 수식된 탄소 나노 튜브는 요소계, 멜라민계, 페놀계, 불포화 폴리에스테르계, 에폭시계, 레졸시놀계, 초산 비닐계, 폴리비닐알코올계, 염화비닐계, 폴리비닐아세탈계, 아크릴계, 포화 폴리에스테르계, 폴리아미드계, 폴리에틸렌계, 부타디엔 고무계, 니트릴 고무계, 부틸 고무계, 실리콘 고무계, 클로로프렌 고무계, 비닐계, 페놀-클로로프렌 고무계, 폴리아미드계 및 니트릴 고무-에폭시계 중 적어도 1종을 포함하는 혼화성이 좋은 물질로 표면 수식된 탄소 나노 튜브를 포함할 수 있다.
탄소 나노 튜브는 예컨대 3,4-디히드록시-L-페닐알라닌으로 표면 수식된 탄소 나노 튜브(CNT-DOPA), 아크릴로 표면 수식된 탄소 나노 튜브(CNT-Acryl) 및 에폭시로 표면 수식된 탄소 나노 튜브(CNT-Epoxy) 중 적어도 1종을 포함할 수 있다.
도 2는 일 구현예에 따른 신축 전도성 복합사를 구성하는 시스-코어형 신축 전도성 나노섬유(220)의 측면도이다.
도 2를 참조하면, 신축 전도성 나노섬유(220)는 코어와 시스의 이중층을 가질 수 있으며 전도성 고분자 및 신축성 고분자(221)가 시스를 형성하고 전도성 나노 입자(223)가 코어를 형성할 수 있다. 시스-코어 구조의 섬유는 방사 노즐의 형태를 안쪽 노즐과 바깥쪽 노즐의 이중 노즐로 사용하여 섬유 제조용 조성물을 방사함으로써 얻을 수 있다. 전도성 나노 입자(223)로 구성되는 코어는 신축 전도성 나노섬유(220)에 도전성을 부여하고 전도성 고분자 및 신축성 고분자(221)로 구성되는 시스는 신축 전도성 나노섬유(220) 도전성과 함께 유연성을 부여한다.
도 3은 일 구현예에 따른 신축 전도성 복합사를 구성하는 해도형 신축 전도성 나노섬유(320)의 측면도이다.
도 3을 참조하면, 신축 전도성 나노섬유(320)는 마치 바다에 섬이 위치하는 형태와 같은 해도형 단면을 가질 수 있으며 전도성 고분자 및 신축성 고분자(321)가 해 부분(sea part)을 형성하고 전도성 나노 입자(323)가 도 부분(island part)을 형성할 수 있다. 해도형 구조의 섬유도 마찬가지로 해도형 단면 형태를 갖도록 적절하게 설계된 방사 노즐을 사용하여 섬유 제조용 조성물을 방사함으로써 얻을 수 있다. 전도성 나노 입자(323)로 구성되는 도 부분은 신축 전도성 나노섬유(320)에 도전성을 부여하고 전도성 고분자 및 신축성 고분자(321)로 구성되는 해 부분은 신축 전도성 나노섬유(320) 도전성과 함께 유연성을 부여한다.
신축 전도성 나노섬유를 구성하는 전도성 고분자 및 신축성 고분자의 중량비는 1~50:10~50일 수 있다. 전도성 고분자 및 신축성 고분자의 중량비가 상기 범위를 만족하는 경우, 신축 전도성 나노섬유의 단면이 찌그러짐 없이 만족스러운 형태로 형성될 수 있다.
전도성 나노 입자의 함량은 신축 전도성 나노섬유의 총중량 대비 0.2 내지 20중량%일 수 있다. 전도성 나노 입자의 함량이 상기 범위를 만족하는 경우, 신축 전도성 나노섬유의 방사가 적절히 이루어지면서 만족스러운 수준의 도전성이 부여될 수 있다.
신축 전도성 나노섬유는 금속 나노 입자를 더 포함할 수 있다.
금속 나노 입자는 신축 전도성 나노섬유의 표면에 배치되어 있거나 또는 상기 섬유 안에 배치될 수 있다. 예를 들면, 금속 나노 입자는 상기 섬유 안에 배치될 수 있다.
도 4는 일 구현예에 따른 신축 전도성 복합사를 구성하는 신축 전도성 나노섬유에 대해 DOPA로 표면 수식된 탄소 나노 튜브(425)와 금속 나노 입자(427)의 양수소 결합을 개략적으로 나타낸 모식도이다.
도 4를 참조하면, 신축 전도성 나노섬유에서 금속 나노 입자(427)는 표면 수식된 탄소 나노 튜브 또는 표면 수식되지 않은 탄소 나노 튜브와 양수소 결합에 의해 연결되어 배치될 수 있다.
금속 나노 입자(427)는 은, 구리, 니켈, 금, 주석, 아연, 백금, 텅스텐, 몰리브덴, 산화 마그네슘, 산화 베릴륨, 산화 크롬, 산화 티탄, 산화 아연, 티탄산 바륨, 다이아몬드, 흑연, 탄소 나노 입자, 규소 나노 입자, 질화 붕소, 질화 알루미늄, 탄화 붕소, 탄화 티탄, 탄화 규소 및 탄화 텅스텐 중 적어도 1종을 포함할 수 있다.
금속 나노 입자(427)는 예컨대 약 100-300㎚ 범위의 직경을 가질 수 있다. 금속 나노 입자(427)의 직경이 상기 범위를 만족할 경우, 금속 나노 입자(427)는 탄소 나노 튜브(425)와 적절하게 양수소 결합을 형성할 수 있다.
금속 나노 와이어는 은, 니켈, 백금, 금 나노와이어 중 적어도 1종을 포함할 수 있다.
또한, 액상 형태의 금속이 신축 전도성 나노섬유의 표면에 배치되어 있거나 또는 상기 섬유 안에 배치될 수 있다. 예를 들면, 금속 나노 입자는 상기 섬유 안에 배치될 수 있다.
도 5는 일 구현예에 따른 신축 전도성 복합사를 구성하는 신축 전도성 나노섬유의 제조에 사용되는 전기 방사 장치를 개략적으로 나타낸 모식도이다.
신축 전도성 나노섬유는 전도성 고분자, 신축성 고분자 및 전도성 나노 입자를 포함하는 방사용 조성물을 전기 방사, 습식 방사, 복합 방사, 멜트 블로운 방사 또는 플래쉬 방사하여 섬유를 제조할 수 있다.
신축 전도성 나노섬유를 전기 방사하는 방법으로 제조하는 경우, 방사용 조성물을 주사기(511)에 넣고 주사기 펌프(512)를 이용하여 일정한 속도로 노즐(513) 밖으로 밀어낸다. 노즐(513) 밖에서 방사용 조성물로부터 기인한 액적이 형성될 때, 전원 공급기(515)로 노즐에 10-20Kv의 고전압을 인가하여 콜렉터(517)에 방사용 조성물을 전기 방사한다. 주사기(511)의 펌프 속도, 노즐(513)의 직경, 노즐(513)에 적용되는 전압의 크기, 방사 속도 및 노즐(513)과 콜렉터(517) 간의 거리 등을 제어하여 신축 전도성 나노섬유의 직경 등의 물성을 용이하게 변경시킬 수 있다.
전기 방사 장치의 노즐(513)로서 이중 노즐을 사용하여 시스-코어형 또는 해도형 구조의 신축 전도성 나노섬유를 제조할 수 있다. 예컨대, 안쪽 노즐에는 전도성 나노 입자 또는 전도성 나노 입자와 금속 나노 입자가 포함된 조성물을 사용하고 바깥쪽 노즐에는 전도성 고분자와 신축성 고분자를 포함하는 조성물을 사용함으로써, 시스-코어형 또는 해도형 구조의 신축 전도성 나노섬유를 제조할 수 있다.
선택적으로는, 상기 방사용 조성물을 전기장이 걸려 있는 전극 위에 방사하여 특정 방향으로 배열된 신축 전도성 나노섬유를 제조할 수 있다.
상기 방법은 방사에 의해 제조된 신축 전도성 나노섬유를 경화 처리하는 단계를 추가로 포함할 수 있다. 경화 처리하는 단계는 예를 들면 열이나 UV 처리하는 과정을 포함할 수 있다.
도 6은 일 구현예에 따른 신축 전도성 복합사를 구성하는 신축 전도성 나노섬유를 전자 현미경으로 촬영한 사진이다. 도 6을 참조하면, 신축 전도성 나노섬유는 균일한 형상을 가지고 있는 것이 나타난다.
도 7은 일 구현예에 따른 신축 전도성 복합사(700)의 제조방법을 나타낸 모식도이다.
다른 일 구현예에 따른 신축 전도성 복합사(700)의 제조방법은, 신축성 필라멘트사(710)를 일방향으로 드래프트(draft)시켜 소용돌이 튜브 영역(719)으로 안내하는 단계; 전도성 고분자 및 신축성 고분자 중 적어도 1종에 고정화된 전도성 나노 입자를 포함하는 신축 전도성 나노섬유(720)를 형성하여 상기 소용돌이 튜브 영역(719)에 공급하는 단계; 및 상기 소용돌이 튜브 영역(719)에서 상기 신축 전도성 나노섬유(720)로 상기 신축성 필라멘트사(710)를 커버링하는 단계;를 포함한다.
이러한 신축 전도성 복합사(700)는 필라멘트사(710)를 심사로 사용하고 신축 전도성 나노섬유(720)를 효과사로 사용하여 제조되기 때문에 복합사에 가해지는 외력에 대해서는 심사에 의해 신축성을 발휘하고 외부에서 가해지는 전기적 신호에 대해서는 효과사에 의해 전기적 신호를 전달한다. 또한, 유사한 성질을 갖는 필라멘트사(710)와 전도성 나노섬유(720)를 사용하기 때문에 이들 간의 계면이 화학적으로 안정하여 심사와 효과사가 단단하게 집속될 수 있다.
먼저, 커버링이 일어나는 소용돌이 튜브 영역(729)에 심사를 제공하기 위해, 신축성 필라멘트사(710)를 일방향으로 드래프트시켜 소용돌이 튜브 영역(719)으로 안내한다.
마찬가지로, 커버링이 일어나는 소용돌이 튜브 영역(729)에 효과사를 제공하기 위해, 전도성 고분자 및 신축성 고분자 중 적어도 1종에 고정화된 전도성 나노 입자를 포함하는 신축 전도성 나노섬유(720)를 형성하여 상기 소용돌이 튜브 영역(719)에 공급한다. 신축 전도성 나노섬유(720)는 상기 설명한 바와 같이 전도성 고분자, 신축성 고분자 및 전도성 나노 입자를 포함하는 조성물을 노즐(713)을 통해 콜렉터(717)에 전기 방사함으로써 형성될 수 있다. 따라서, 이 단계는 신축 전도성 나노섬유(720)를 전기 방사함과 동시에 소용돌이 튜브 영역(719)에 공급하는 것일 수 있다.
마지막으로, 소용돌이 튜브 영역(719)에서 신축 전도성 나노섬유(720)로 신축성 필라멘트사(710)를 커버링한다.
신축 전도성 나노섬유(720)는 소용돌이 튜브 영역(719) 내에서 신축성 필라멘트(710)와 예각으로 만나도록 공급될 수 있다. 이렇게 예각으로 만남으로써 소용돌이에 의한 커버링이 보다 효과적으로 이루어질 수 있다.
신축 전도성 나노섬유(720)로 신축성 필라멘트사(710)를 커버링하는 것은 공기의 소용돌이를 이용하여 꼬임을 주는 방식으로 이루어질 수 있다.
도 8은 다른 일 구현예에 따른 신축 전도성 복합 방적사(1000)의 단면도이다.
다른 일 구현예에 따른 신축 전도성 복합 방적사(1000)는 상기 설명한 신축 전도성 복합사(800); 및 스테이플 섬유(900);를 포함한다.
신축 전도성 복합 방적사(1000)는 스테이플 섬유(900)에 의해 신축 전도성 복합사(800)가 감싸져 있기 때문에 신축 전도성 복합사(800)가 보호되어 신축성이 오래 지속될 수 있다.
신축 전도성 복합 방적사는 통상적으로 사용되는 링 정방기를 사용하여 신축 전도성 복합사(800)를 코어로 하고 스테이플 섬유(900)를 시스로 하여 형성될 수 있다.
신축 전도성 복합 방적사(1000)는 코어가 되는 신축 전도성 복합사(800)에 의해 우수한 신축성과 전기적 특성을 갖고 시스가 되는 스테이플 섬유(900)에 의해 신축 전도성 복합사(800)의 표면이 비도전성 재료로 감싸져 우수한 절연성을 갖는다. 그리하여, 신축 전도성 복합 방적사(1000)는 반복되는 신축성에 대해 내구성을 기지며 전도성 표면을 보호하는 절연효과도 가진다.
특히, 신축 전도성 복합 방적사(1000)는 코어가 되는 신축 전도성 복합사(800)와 시스가 되는 스테이플 섬유(900)의 표면 노출 비율을 조절함으로써 보다 다양한 특성을 가질 수 있다.
상기 스테이플 섬유로는 천연 섬유 또는 합성 섬유를 사용할 수 있으며, 예컨대 면, 모, 마, 실크, 폴리에스테르, 나일론 및 레이온 중 적어도 1종을 사용할 수 있다.
다른 일 구현예에 따른 직물은 상기 설명한 신축 전도성 복합 방적사를 포함하여, 전기적 신호들을 발생 또는 전달한다.
신축 전도성 복합 방적사를 포함한 직물은 예를 들면 생체 정보를 획득하기 위한 생체 정보 획득 센서의 전극으로 사용될 수 있다. 또한, 신축 전도성 복합 방적사를 포함한 직물은 섬유 기반의 전자소자로서 텍스타일 태양 전지, 연신가능 트랜지스터, 연신가능 디스플레이, 외부자극형 약물 전달, 바이오센서 및 가스센서, 광조절 기능성 텍스타일, 기능성 의류, 방위산업용 기능성 제품 등에 사용될 수 있다.
이하에서, 실시예를 들어 일 구현예에 따른 유기 발광 디스플레이 장치에 대하여 보다 구체적으로 설명한다. 그러나, 본 발명이 하기의 실시예로 한정되는 것은 아니다.
실시예 1
DOPA 로 표면 수식된 탄소 나노 튜브의 제조
탄소 나노 튜브(ILJIN CNT AP-Grade, 일진 나노텍, 한국) 0.03g을 20ml의 아세톤에 첨가하고 1시간 동안 초음파 처리에 의해 입자를 골고루 분산시켰다. 얻은 용액에 도파민 10ml와 EDC(1-(3-디메틸아미노프로필0-3-에틸카르보디이미드 히드로클로라이드) 10ml를 첨가하였고, 4시간 동안 교반하여 DOPA로 표면 수식된 탄소 나노 튜브를 얻었다.
신축 전도성 나노섬유의 제조
하기 표 1에 나타낸 조성에 따라 성분들을 혼합하고 소니케이션(sonication) 하에서 균일하게 혼합하여 방사용 조성물을 제조하였다. 상기 조성물을 주사기에 넣은 후 주사기 펌프를 사용하여 일정한 속도(0.3 ml/h)로 노즐 밖으로 밀어내었다. 주사기 노즐 밖으로 방사용 조성물의 액적이 형성되었을 때, 전원 공급기를 통하여 15 kv의 전압을 인가하여 수십-수백 nm의 직경을 갖는 섬유를 콜렉터 위에 전기 방사하여, 신축 전도성 나노섬유를 제조하였다.
성분 실시예 1
폴리(3-헥실티오펜)(P3HT) (g) 1
SBS (g) 1
CNT (g) 0.2
CNT-DOPA (g) 0.1
1,3-디메틸이미다졸리윰 테트라플루오로보레이트 (g) 0.1
금 나노 입자 (g) 0.1
DMF (g) 3
신축 전도성 복합사의 제조
스판덱스 필라멘트사를 일방향으로 드래프트시켜 소용돌이 튜브 영역으로 안내하고 상기 신축 전도성 나노섬유를 전기 방사하는 즉시 소용돌이 튜브 영역으로 공급하면서, 소용돌이 튜브 영역에서는 공기에 의한 소용돌이로 상기 신축 전도성 나노섬유가 스판덱스를 커버링하게 함으로써, 신축 전도성 복합사를 제조하였다.
비교예 1
상기 실시예 1에서 CNT와 CNT-DOPA 및 금 나노 입자를 포함하지 않는 것을 제외하고는 동일한 방법을 사용하여 복합사를 제조하였다.
평가예
(1) 신축 전도성 복합사의 전도도 측정
복합사의 전기 전도도는 통상의 사선 탐침법(four line probe method)으로 상온에서 상대 습도 50% 조건에서 측정하였다. 금선 전극의 접촉시 부식 방지를 위하여 카본 페이스트(carbon paste)를 사용하고 일반적으로 두께 1-100㎛의 필름형 시편(두께 t, 폭 w)으로부터 전류(i), 전압(V), 2개의 바깥 전극과 2개의 안쪽 전극 간의 거리(l)에 대한 전도도를 키슬리(Keithley) 전도도 측정 장치를 이용하여 측정하였다.
전도도는 하기 식을 이용하여 계산하였으며, 전도도의 단위는 Siemens/cm 또는 S/㎝으로 하였다. 시편의 전도도 균일성 여부를 확인하기 위하여, 표준 4 프로브(standard four point probe)인 반데르포우(Van der Pauw) 방법으로 측정하였다.
전도도 = (l.i)/(w.t.v)
(2) 신축 전도성 복합사의 내부 응력 측정
복합사의 내부 응력(동적 탄성률)을 측정할 수 있는 방법으로 Rotor type(Oscillating Disc Rheometer, ASTM D 2084-95) 또는 Rotorless type(Curastometer ASTM D5289)을 사용 할 수 있고, 본 실험예에서는 초기 길이 대비 1kg/m2의 힘으로 당겼을 때 늘어나는 길이로 섬유가 끊어지지 않는 최대 길이에 대한 비로 내부 응력을 측정하였다.
시료 1(실시예 1) 시료 2(비교예 1)에 측정한 전도도와 내부 신축 응력을 하기 표 2에 나타내었다.
구분 전기 전도도(S/㎝) 내부 신축 응력(%)
실시예 1 35 130
비교예 1 1 20
상기 표 2에서 살핀 바와 같이, 실시예 1에 따른 신축 전도성 복합사는 비교예 1의 복합사에 비해 전기 전도도와 내부 신축 응력이 증가되었음을 확인할 수 있다.
실시예 2
신축 전도성 복합 방적사의 제조
통상적으로 사용되는 링 정방기를 사용하여 상기 신축 전도성 복합사를 코어로 하고 폴리에스테르 섬유를 시스로 하여 신축 전도성 복합 방적사를 제조하였다.
도 9는 이렇게 얻은 신축 전도성 복합 방적사의 단면을 전자 현미경으로 촬영한 사진이다. 신축 전도성 복합사가 스테이플 섬유에 의해 감싸져 외부로부터 잘 보호될 수 있다는 것을 확인할 수 있다.
도 10은 상기 신축 전도성 복합 방적사의 측면을 전자 현미경으로 촬영한 사진이다. 신축 전도성 복합 방적사가 균일한 형상을 가지고 있음을 확인할 수 있다.
본 발명에 대하여 상기 실시예를 참조하여 설명하였으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 발명에 속하는 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사항에 의하여 정해져야 할 것이다.
100, 700, 800: 신축 전도성 복합사
110, 710: 신축성 필라멘트사
120, 220, 320, 720: 신축 전도성 나노섬유
221, 321: 전도성 고분자와 신축성 고분자
223, 323: 전도성 나노 입자
425: 탄소 나노 튜브
427: 금속 나노 입자
511: 주사기
512: 주사기 펌프
513, 713: 노즐
515: 전원 공급기
517, 717: 콜렉터
719: 소용돌이 튜브 영역
900: 스테이플
1000: 신축 전도성 복합 방적사

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  13. 신축성 필라멘트사를 일방향으로 드래프트(draft)시켜 소용돌이 튜브 영역으로 안내하는 단계;
    전도성 고분자 및 신축성 고분자에 고정화된 전도성 나노 입자를 포함하는 신축 전도성 나노섬유를 형성하여 상기 소용돌이 튜브 영역에 공급하는 단계; 및
    상기 소용돌이 튜브 영역에서 상기 신축 전도성 나노섬유로 상기 신축성 필라멘트사를 커버링하는 단계;
    를 포함하는 신축 전도성 복합사의 제조방법.
  14. 제13항에 있어서, 상기 신축 전도성 나노섬유는 상기 전도성 고분자, 상기 신축성 고분자 및 상기 전도성 나노 입자를 포함하는 조성물을 전기방사하여 형성되는 신축 전도성 복합사의 제조방법.
  15. 제13항에 있어서, 상기 신축 전도성 나노섬유는 상기 소용돌이 튜브 영역 내에서 상기 신축성 필라멘트와 예각으로 만나도록 공급되는 신축 전도성 복합사의 제조방법.
  16. 제13항에 있어서, 상기 커버링은 공기의 소용돌이를 이용하여 꼬임을 주는 것인 신축 전도성 복합사의 제조방법.
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