KR102025020B1 - 탄소나노튜브가 코팅된 필라멘트 및 탄소나노튜브 연속 코팅장치 - Google Patents

탄소나노튜브가 코팅된 필라멘트 및 탄소나노튜브 연속 코팅장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 탄소나노튜브의 불균일한 혼합을 방지하고, 연속적으로 탄소나노튜브가 코팅된 필라멘트의 제조가 가능하며, 또한 탄소나노튜브의 코팅 공정이 단순하며, 코팅액의 절감이 가능하고, 특히 필라멘트의 표면에 코팅되는 탄소나노튜브 코팅층의 두께 조절이 가능한 탄소나노튜브 연속 코팅장치(100)를 제공하고자 한다.

Description

탄소나노튜브가 코팅된 필라멘트 및 탄소나노튜브 연속 코팅장치 { A carbon nano tube coated filaments and continuous carbon nano tube coating apparatus }
본 발명은 탄소나노튜브가 코팅된 필라멘트 및 탄소나노튜브를 필라멘트에 연속적으로 코팅하기 위한 장치로서, 보다 상세하게는 탄소나노튜브가 코팅된 필라멘트를 제조하기 위한 탄소나노튜브 코팅액의 제조공정과, 상기 탄소나노튜브 코팅액을 이용하여 필라멘트의 연속적인 코팅 공정의 수행이 가능한 탄소나노튜브 연속 코팅장치에 관한 것이다.
탄소나노튜브(Carbon Nano Tube)는 1991년 일본에서 발견된 이래 그 우수한 기계적 특성과 전도성, 대전방지성, 전자파 및 자기 차폐성, 열 안전성 등의 특성을 살린 다양한 용도의 제품들이 개발되고 있다.
상기 탄소나노튜브는 대표적인 나노 소재로 물리화학적으로 매우 안정하고, 기계적, 전기적, 열적 특성이 매우 뛰어나다. 특히, 탄소나노튜브는 화학적으로 불활성인 관계로 각종 화학 약품에 대한 내식성이 우수하며, 대부분의 산과 알카리에 대한 내식성이 매우 우수하다.
또한, 자기 윤활성이 있어 탄소나노튜브는 마찰시 마모를 방지하기 위하여 윤활제가 필요한 금속 등의 소재와 달리 별도의 윤활제가 필요하지 않은 장점이 있어서, 내마모성와 내식성이 요구되는 분야에 적용할 수 있는 소재로 평가받고 있다.
반면에 탄소나노튜브는 소수성으로 응집력 매우 강해 고분자 수지 또는 물, 에탄올, 오일 등과 같은 용액에 분산하기 어렵기 때문에 각종 소재로 개발하기 어려운 문제점이 있다. 즉, 탄소나노튜브는 자체의 반데르발스(van der waals) 힘에 의해 응집이 발생하기 쉽고, 이에 따라 탄소나노튜브가 응집된 번들(bundle) 구조를 형성하기 때문에, 탄소나노튜브 본래의 나노 수준의 크기로부터 기인하는 장점과, 우수한 기계적 특성, 전기 전도율, 열안전성 등을 충분히 살릴 수 없다는 것이 큰 문제점으로 대두되고 있다.
또한 탄소나노튜브의 분산성을 개선하기 위해 상기 탄소나노튜브의 표면을 화학적으로 개질하는 경우에는 내마모성이나 내식성 등의 우수한 물성이 일정 부분 저하되는 단점이 있어 분산성과 물성의 균형은 탄소나노튜브의 용도 개발에 중요한 과제로 인식되고 있다.
상기 탄소나노튜브를 이용한 필라멘트 코팅에 대한 종래기술로서, 대한민국 등록특허공보 제10-1386831호(2014. 04. 17.)에는 표면을 개질한 면사와 탄소나노튜브-Eosin 용액을 이용하여 탄소나노튜브가 코팅된 전도성 전자필라멘트 및 그 제조방법이 제시되어 있다.
또한 대한민국 공개특허공보 제10-2018-0091136호(2018. 08. 16.)에는 탄소나노튜브를 분산시켜 탄소나노튜브 코팅액을 제조하는 단계, 피크를 분쇄하여 피크 파우더로 가공하는 단계, 상기 피크 파우더를 상기 탄소나노튜브 코팅액에 의해 탄소나노튜브로 코팅하는 단계 및 상기 피크 파우더와 상기 탄소나노튜브 코팅액의 혼합물을 건조시키는 단계를 포함하는 탄소나노튜브 코팅 피크 필라멘트의 제조방법이 제시되어 있다.
그러나 종래기술에 따른 탄소나노튜브를 이용한 필라멘트의 코팅방법은 코팅액 제조공정과 필라멘트 제조공정 및 코팅 공정으로 나뉘어 개별적인 프로세스로 진행되어, 다단계로서 복잡하게 수행된다. 또한 필라멘트에 실질적으로 코팅되는 양보다는 더 많은 양의 코팅액을 사용하게 되는 문제가 있으며, 필라멘트의 표면에 코팅되는 탄소나노튜브 코팅층의 두께 조절이 불가능한 단점을 갖는다. 특히 고온에서의 코팅시 고온 노출에 따른 탄소나노튜브의 산화 또는 변형 등에 의한 결함이 발생하는 문제가 있다.
본 발명은 상기와 같은 종래기술의 문제점을 해결하기 위하여 개발된 것으로, 탄소나노튜브의 불균일한 혼합을 방지하며, 카본나노튜브가 코팅된 복수의 연속적인 필라멘트의 제조가 가능한 탄소나노튜브 연속 코팅장치(100) 및 이를 이용한 탄소나노튜브가 코팅된 필라멘트에 관한 것이다. 보다 상세하게는 탄소나노튜브의 코팅 공정이 단순하며, 코팅액의 절감이 가능하고, 필라멘트의 표면에 코팅되는 탄소나노튜브 코팅층의 두께 조절이 가능한 필라멘트의 탄소나노튜브 연속 코팅장치(100) 및 이를 이용한 탄소나노튜브가 코팅된 필라멘트에 관한 것이다. 그러나, 본 발명의 해결하고자 하는 과제는 이상에서 언급한 과제에 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 통상의 기술자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 탄소나노튜브 연속 코팅장치(100)는, 바인더(15)를 공급하는 제 1 바인더 저장탱크(10); 상기 제 1 바인더 저장탱크(10)로부터 공급되는 바인더(15)를 코팅 다이(50)로 정량 공급하는 제 1 기어 펌프(51); 바인더(15)를 공급하는 제 2 바인더 저장탱크(20); 탄소나노튜브 분산액을 공급하는 탄소나노튜브 분산액 저장탱크(30); 상기 제 2 바인더 저장탱크(20) 및 탄소나노튜브 분산액 저장탱크(30)로부터 공급되는 바인더(15) 및 탄소나노튜브 분산액을 스태틱 믹서로 정량 공급하는 제 2 기어펌프(52) 및 제 3 기어펌프(53); 상기 바인더(15)와 탄소나노튜브 분산액을 공급받아 혼합하여 탄소나노튜브 코팅액(12)을 제조하는 스태틱 믹서(40); 상기 스태틱 믹서(40)에서 혼합된 탄소나노튜브 코팅액(12)을 코팅 다이(50)로 정량 공급하는 제 4 기어펌프(54); 상기 제 1 기어펌프(51)에서 공급되는 바인더(15)와, 제 4 기어펌프(54)에서 공급되는 탄소나노튜브 코팅액(12)을 필라멘트(90)에 연속적으로 코팅하는 코팅 다이(50); 상기 코팅 다이(50)에서 코팅된 필라멘트(90)를 건조하기 위한 건조장치(70); 및 건조된 필라멘트를 권취하기 위한 권취롤러(80);를 포함하는 것이 바람직하다.
또한 상기 스태틱 믹서(40)의 믹싱 존(46)은 믹싱 단위체(45)가 복수 개가 직렬로 적층된 복합형 정적 믹서(48)로 구성되는 것이 바람직하며, 상기 복합형 정적 믹서(48)는 상기 믹싱 단위체(45)가 선택적으로 적층되는 것이 바람직하며, 특히 상기 코팅 다이(50)는 2중 코팅 다이(double layer coating die)인 것이 바람직하다.
본 발명에 의한 탄소나노튜브 연속 코팅장치(100)는 종래의 다단계로 이루어진 탄소나노튜브 코팅액(12)의 제조와 상기 탄소나노튜브 코팅액(12)을 이용한 필라멘트 코팅 공정을 일원화함으로써, 다단계인 탄소나노튜브가 코팅된 필라멘트(90)의 제조공정을 단순화할 수 있다. 또한 이에 따라 탄소나노튜브 코팅액(12)의 사용양을 절감할 수 있으며, 탄소나노튜브 코팅액(12)의 제조시 기어펌프에 의해 혼합 비율의 조절이 가능하다. 그리고 탄소나노튜브 코팅 조성물의 제조시 탄소나노튜브 분산액과 바인더(15) 간의 점도차로 인한 불균일 혼합을 방지함으로써 상기 탄소나노튜브의 균일한 분산이 가능하게 된다. 또한 본 발명에 의한 필라멘트(90)의 탄소나노튜브 연속 코팅장치(100)는 코팅 다이(50)에 공급되는 탄소나노튜브 코팅액(12)의 양을 조절함으로써 탄소나노튜브 코팅층(91)의 두께 조절이 가능한 장점을 갖는다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 필라멘트의 탄소나노튜브 연속 코팅장치(100)의 모식도이며,
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 필라멘트의 2중 코팅 다이의 단면도이며,
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 스태틱 믹서(40)의 단면도이며,
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 스태틱 믹서(40)에 적층되는 믹싱 단위체(45)의 사진이며,
도 5는 본 발명에 일실시예에 따라 제조되는 탄소나노튜브가 코팅된 필라멘트(90)의 단면 모식도이며,
도 6은 본 발명에 일실시예에 따라 제조되는 탄소나노튜브가 코팅된 필라멘트(90)의 SEM 확대 사진이다.
본 출원에서 “포함한다”, “가지다” 또는 “구비하다” 등의 용어는 명세서 상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
또한, 다르게 정의되지 않는 한 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
이하, 본 발명의 탄소나노튜브 연속 코팅장치(100)에 대하여 첨부도면을 참조하여 상세히 설명한다. 본 발명에 첨부된 도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 필라멘트의 탄소나노튜브 연속 코팅장치(100)의 모식도이며, 도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 필라멘트의 2중 코팅 다이의 단면도이며, 도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 스태틱 믹서(40)의 단면도이며, 도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 스태틱 믹서(40)에 적층되는 믹싱 단위체(45)의 사진이며, 도 5는 본 발명에 일실시예에 따라 제조되는 탄소나노튜브가 코팅된 필라멘트(90)의 단면 모식도이며, 도 6은 본 발명에 일실시예에 따라 제조되는 탄소나노튜브가 코팅된 필라멘트(90)의 SEM 확대 사진이다.
본 발명의 탄소나노튜브 연속 코팅장치(100)는 탄소나노튜브를 필라멘트(90)에 연속적으로 코팅하기 위한 장치로서, 이를 위하여 본 발명의 탄소나노튜브 연속 코팅장치(100)는 도 1에 도시된 바와 같이 바인더(15)를 공급하는 제 1 바인더 저장탱크(10)와, 상기 제 1 바인더 저장탱크(10)로부터 공급되는 바인더(15)를 코팅 다이(coating die, 50)로 정량 공급하는 제 1 기어 펌프(51); 바인더(15)를 공급하는 제 2 바인더 저장탱크(20); 탄소나노튜브 분산액을 공급하는 탄소나노튜브 분산액 저장탱크(30); 상기 제 2 바인더 저장탱크(20) 및 탄소나노튜브 분산액 저장탱크(30)로부터 공급되는 바인더(15) 및 탄소나노튜브 분산액을 스태틱 믹서(40)로 각각 정량 공급하는 제 2 기어펌프(52) 및 제 3 기어펌프(53); 상기 바인더(15)와 탄소나노튜브 분산액을 공급받아 혼합하여 탄소나노튜브 코팅액(12)을 제조하는 스태틱 믹서(40); 상기 스태틱 믹서(40)에서 혼합된 탄소나노튜브 코팅액(12)을 코팅 다이(50)로 정량 공급하는 제 4 기어펌프(54); 상기 제 1 기어펌프(51)에서 공급되는 바인더(15)와, 제 4 기어펌프(54)에서 공급되는 탄소나노튜브 코팅액(12)을 필라멘트(90)에 연속적으로 코팅하는 코팅 다이(50); 상기 코팅 다이(50)에서 코팅된 필라멘트(90)를 건조하기 위한 건조장치(70); 및 건조된 필라멘트를 권취하기 위한 권취롤러(80);를 포함하는 것이 바람직하다.
본 발명의 탄소나노튜브 연속 코팅장치(100)를 상세하게 살펴보면, 우선 바인더(15)를 공급하는 제 1 바인더 저장탱크(10)와, 상기 제 1 바인더 저장탱크(10)로부터 공급되는 바인더(15)를 코팅 다이(50)로 정량 공급하는 제 1 기어 펌프(51)를 구비하게 된다.
상기 제 1 바인더 저장탱크(10)는 바인더(15)를 저장하는 탱크로서, 상기 상기 제 1 바인더 저장탱크(10)에 저장되는 바인더(15)는 도 1에 도시된 바와 같이, 제 1 기어펌프(51)에 의해 코팅 다이(50)에 정량 공급된다.
상기 제 1 기어 펌프(51)는 2개의 기어를 맞물리게 하여 상기 기어의 이와 이의 공간에 갇힌 유체를 기어의 회전에 의하여 케이싱 내면을 따라 정량적으로 공금하는 펌프로서, 점도가 높은 균질의 액체를 수송하는 데 적합하다. 또한 상기 기어펌프는 각 DC모터와 연결되어 개별적으로 구동되며 각 DC모터의 RPM을 조절함으로써 이송하고자 하는 유체의 토출량을 조절하여 사용이 가능하다. 아래에서 설명하는 제 2 기어펌프(52) 내지 제 4 기어펌프(54)의 경우에도 이와 동일하다.
본 발명에서 사용하는 탄소나노튜브는 단일벽 탄소나노튜브(SWNT), 이중벽 탄소나노튜브(DWNT) 또는 다중벽 탄소나노튜브(MWNT)중에서 선택되는 어느 하나 이상인 것을 사용하는 것이 바람직하다. 이때 상기 탄소나노튜브의 직경은 20 ~ 200 nm 가 바람직하고, 길이는 1 ~ 200 μm인 것이 바람직하다.
이는 탄소나노튜브의 직경이 너무 작고 길이가 길게 되면 구부러진 형태로 분산되어 코팅 후 필라멘트에 길이 형태로 배향이 어렵고, 반대로 탄소나노튜브의 직경이 크면서 길이가 짧으면 종횡비의 값이 작아져 분산성이 떨어지기 때문이다.
본 발명의 일실시예에 따르면 상기 바인더(15)는 탄소나노튜브를 필라멘트(90)의 표면에 바인딩 하기 위한 것으로써, 이를 통해 상기 탄소나노튜브 코팅층(91)의 접착력 및 내구성을 향상시킬 수 있다. 또한 필라멘트(90)의 표면에 코팅된 바인더(15) 성분으로 인하여 면저항의 증가를 최소화할 수 있다.
또한 본 발명의 일실시예에 따르면 상기 바인더(15)는 폴리우레탄 수계 바인더인 것이 바람직하다. 즉, 폴리우레탄(polyurethane)은 디이소시아네이트(diisocyanate)와 디올(diol)의 반응으로 얻어지는 수지로서, 탁월한 특성 때문에 바인더로서 다양하게 사용되고 있다. 최근에는 2 성분 폴리우레탄 수계 바인더가 개발되어 다양한 용도로 사용 중이다. 이러한 2 성분 폴리우레탄 수계 바인더는 혼합비에 따라 그 특성을 용이하게 조절할 수 있다는 장점을 갖고 있다.
종래의 바인더로 사용되는 DMF 등 유기용제에 분산된 폴리우레탄은 사용시 인체에 유해할 뿐만 아니라 환경공해를 유발할 수 있는 휘발성 유기물질을 다량 배출하게 된다. 따라서 본 발명에서 상기 바인더(15)는 용매로서 유기용제 대신에 물을 사용한 환경친화적인 폴리우레탄계 수계 바인더를 사용하는 것이 바람직하다.
또한 본 발명의 탄소나노튜브 연속 코팅장치(100)는 바인더(15)를 공급하는 제 2 바인더 저장탱크(20)와, 탄소나노튜브 분산액을 공급하는 탄소나노튜브 분산액 저장탱크(30)를 추가로 구비한다.
상기 제 2 바인더 저장탱크(20)는 위에서 살핀 바인더(15)를 저장하는 별도의 탱크이며, 상기 탄소나노튜브 분산액 저장탱크(30)는 제조된 탄소나노튜브 분산액을 저장하기 위한 탱크이다.
상기와 같이 탄소나노튜브 분산액과 바인더(15)를 저장하기 위한 저장탱크들은 화학물질과 반응이 없는 스테인리스강 재질의 저장탱크를 사용하는 것이 바람직하다.
상기 제 2바인더 저장탱크(20)와 탄소나노튜브 분산액 저장탱크(30)에 각각 저장된 바인더(15)와 탄소나노튜브 분산액은 제 2 기어펌프(52) 및 제 3 기어펌프(53)에 의하여 정량으로 스태틱 믹서(40)에 공급된다. 즉, 제 2 바인더 저장탱크(20)에 저장된 바인더(15)는 제 2 기어펌프(52)에 의해 스태틱 믹서(40)로 정량 공급되고, 탄소나노튜브 분산액 저장탱크(30)에 저장된 탄소나노튜브 분산액은 제 3 기어펌프(53)에 의하여 스태틱 믹서(40)로 정량 공급되어, 상기 스태틱 믹서(40)의 내부에서 혼합됨으로써 탄소나노튜브 코팅액(12)을 제조하게 된다.
즉, 상기 제 2 바인더 저장탱크(20)와 탄소나노튜브 분산액 저장탱크(30)에 각각 저장된 바인더(15)와 탄소나노튜브 분산액은 탄소나노튜브와 필라멘트(90) 간의 접착력 향상 및 환경신뢰성 확보를 위해 상기 탄소나노튜브 분산액과 바인더(15)를 혼합하여 일액형으로 탄소나노튜브 코팅액(12)을 제조하여 사용하는 것이 바람직하다.
이때 상기 제 2 바인더 저장탱크(20)로부터 공급되는 바인더(15)는 도 1에 도시된 바와 같이, 스태틱 믹서(40)의 측면으로 공급되고, 탄소나노튜브 분산액 저장탱크(30)로부터 공급되는 탄소나노튜브 분산액은 상기 스태틱 믹서(40)의 상부로부터 공급되는 것이 바람직하다. 상기와 같이 스태틱 믹서(40)의 상부로 탄소나노튜브 분산액이 투입되고, 상기 스태틱 믹서(40)의 측면으로 바인더(15)를 투입하게 되면 상기 바인더(15)와 탄소나노튜브 분산액의 혼합이 용이하며, 탄소나노튜브의 분산도가 우수하게 된다.
즉, 도 3을 살펴보면, 본 발명의 스태틱 믹서(40)는 제 1 유체 유입구(41)와 제 2 유체 유입구(42) 및 케이스(47)의 내부의 믹싱 존(47)에 구비되는 복합형 정적 믹서(48)를 구비하게 된다. 상기 복합형 정적 믹서(48)는 도 3에 도시된 바와 같이, 스태틱 믹서(40)로 유입된 바인더(15)와 탄소나노튜브 분산액의 혼합이 이루어지는 믹싱 존(47)에 구비되되, 상기 믹싱 단위체(45)의 복수 개가 적층된 것을 가리킨다.
즉, 상기 제 1, 2 유체 유입구(41, 42)는 혼합하고자 하는 유체 즉, 바인더(15)와 탄소나노튜브 분산액이 스태틱 믹서(40)의 내부로 유입되는 유입구이며, 또한 복합형 정적 믹서(48)는 유입된 유체 즉, 바인더(15)와 탄소나노튜브 분산액를 교반하여 혼합하기 위한 구성을 가리킨다.
이를 좀 더 상세히 살펴보면, 탄소나노튜브 분산액 저장탱크(30)으로부터 공급되는 탄소나노튜브 분산액은 상기 스태틱 믹서(40)의 상부에 구비되는 제 2 유체 유입구(42)로 유입되고, 제 2 바인더 저장탱크(20)으로부터 공급되는 바인더(15)는 상기 스태틱 믹서(40)의 측면에 구비되는 제 1 유체 유입구(41)로 유입된다.
상기와 같이 스태틱 믹서(40)로 유입된 바인더(15)와 탄소나노튜브 분산액은 하부의 믹싱 존(47)으로 유입된다. 상기와 같이 믹싱 존(47)으로 유입된 바인더(15)와 탄소나노튜브 분산액은 중력에 의해 복합형 정적 믹서(48)의 내부로 유입된다.
상기 복합형 정적 믹서(48)의 내부로 유입된 바인더(15)와 탄소나노튜브 분산액은 적층된 믹싱 단위체(45)를 통과하면서 혼합되게 된다.
이때 상기 믹싱 단위체(45)는 도 4에 도시된 바와 같이, 구조 자체에 기공(44)을 구비함으로써, 각각 스태틱 믹서(40)의 내부로 유입된 상기 바인더(15)와 탄소나노튜브 분산액은 중력에 의해 상기 믹싱 존(47)에서 복합형 정적 믹서(48)를 구성하는 믹싱 단위체(45)의 기공(44)을 수직 방향으로 통과하면서 점차적으로 혼합된다.
즉, 상기와 같이 바인더(15)와 탄소나노튜브 분산액이 스태틱 믹서(40)에 공급되면, 상기 스태틱 믹서(40)의 케이스(46) 내부의 믹싱 존(47)에 구비되는 믹싱 단위체(45)의 기공을 통과하면서 유로의 가장자리 부위에서 형성되는 바인더(15)와 탄소나노튜브 분산액의 층류(Laminar flow)의 형성을 억제함으로써 전체적인 바인더(15)와 탄소나노튜브 분산액의 혼합 효율이 향상되게 된다. 이에 따라 탄소나노튜브의 분산도가 우수하게 된다.
위에서 살핀 바와 같이, 바인더(15)와 탄소나노튜브 분산액은 중력에 의해 스태틱 믹서(40)의 하부로 이송되면서, 상기 믹싱 단위체(45)에 형성된 기공(44)을 통과하면서 혼합된다. 따라서 상기 바인더(15)와 탄소나노튜브 분산액의 혼합 공정시 별도의 에너지가 불필요하다.
또한 상기 복합형 정적 믹서(48)을 구성하는 믹싱 단위체(45)는 케이스(46) 내부에서 복수 개가 적층됨으로써 복합형 정적 믹서(48))을 형성하게 된다.
본 발명에서 상기 스태틱 믹서(40)에 구비되는 복합형 정적 믹서(48)는 믹싱 단위체(45)가 복수 개로 적층되어 형성되되, 상기 믹싱 단위체(45)는 복수 개를 직렬 또는 병렬로 연결하여 사용하는 것도 가능하다.
즉, 혼합하고자 하는 유체의 점도 및 혼합도에 따라 상기 상기 믹싱 단위체(45)를 추가하거나 또는 제거함으로써 혼합 대상의 유체에 따라 적절하게 선택하여 사용함으로써, 혼합 대상인 유체의 균일한 혼합 및 분산성을 조절하거나 또는 개선할 수 있게 된다.
상기와 같이 스태틱 믹서(40)의 믹싱 단위체(45)로 구성되는 복합형 정적 믹서(48)에 의하여 균일하게 혼합된 탄소나노튜브 코팅액(12)은 상기 스태틱 믹사(40)를 통과하여 제 4 기어펌프(54)에 의하여 코팅 다이(50)로 공급된다..
상기와 같이 스태틱 믹서(40)에서 탄소나노튜브 분산액과 바인더(15)를 균일하게 혼합 및 분산함으로써 안정된 소정 농도의 탄소나노튜브 코팅액(12)을 제조하게 된다.
본 발명에서 제공하는 상기 탄소나노튜브 분산액의 제조시 분산매는 아세톤, DMF, NMP, 물 중 어느 하나 또는 이들의 혼합물이 사용될 수 있다. 특히 본 발명에서는 탄소나노튜브를 물을 분산매로 하여 분산시킨 분산액이 환경적인 측면에서 바람직하다.
또한 본 발명에 따른 상기 탄소나노튜브 분산액은 탄소나노튜브 10 ~ 50 중량% 및 여분의 물로 구성되는 것이 바람직하다.
상기 탄소나노튜브 분산액의 제조시 상기 탄소나노튜브의 함량이 높아지게 되면 공정의 효율성 측면에서 유리하게 되나, 상기 탄소나노튜브 분산액의 점도가 너무 높아지게 되면 코팅공정이 불가하게 된다. 따라서 본 발명에서 탄소나노튜브 분산액은 상기와 같은 조성으로 제조되는 것이 바람직하다.
본 발명의 다른 실시예에 따르면 상기 탄소나노튜브 분산액에는 상기 탄소나노튜브의 분산성을 개선하기 위하여 계면활성제를 소량 추가할 수 있다. 상기와 같이 탄소나노튜브의 분산성 개선을 위해 투입되는 계면활성제는 용액 속에서 액체와 고체 사이의 경계면에 흡착되어 표면장력을 감소시키는 물질로서, 본 발명에서 상기 계면활성제는 소듐도데실설페이트(SDS; Sodium Dodecyl Sulfate)을 사용하는 것이 바람직하다. 특히 상기 계면활성제를 탄소나노튜브와 물과 혼합한 후 교반하여 분산시키는 것이 바람직하다.
상기와 같이 제조된 탄소나노튜브 코팅액(12)은 제 4 기어펌프(54)를 통해 코팅 다이(50)로 이송된다. 상기 코팅 다이(coating die, 50)는 유동성을 갖는 상기 탄소나노튜브 코팅액(12)과 바인더(15)를 이용하여 필라멘트(90)의 표면에 일정한 양을 균일하게 도포하는 코팅 장치이다. 또한 본 발명에서는 상기 필라멘트(90)에 탄소나노튜브 코팅층(91) 및 바인더층(92)을 2층 구조로 코팅하기 위하여 상기 코팅 다이(50)는 2중 코팅 다이(double layer coating die)인 것이 바람직하다.
즉, 도 2를 참조하면, 상기 2중 코팅 다이는 필라멘트 공급롤러(85)로부터 공급되는 필라멘트(90)의 코팅시 상단 투입구(110)로 공급되는 탄소나노튜브 코팅액(12)을 이용하여 1차로 필라멘트(90)를 코팅한 후, 하단 투입구(120)로 공급되는 바인더(15)를 이용하여 상기 필라멘트(90)를 2차로 코팅하기 위한 구성이다.
도 2에 도시된 바와 같이, 상기 필라멘트 공급롤러(85)로부터 상기 2중 코팅 다이의 중앙부로 필라멘트(90)가 공급되면, 이때 상단 투입구(110)에는 탄소나노튜브 코팅액(12)이 공급되고, 하단 투입구(120)에는 바인더(!5)가 공급된다. 즉, 코팅 대상인 필라멘트(90)를 2중 코팅 다이 내부의 유로를 통과시켜, 상기 유로 내부로 공급되는 탄소나노튜브 코팅액(12) 및 바인더(15)를 순차적으로 접촉함으로써 코팅시키고, 코팅된 필라멘트(90)를 권취함으로써, 탄소나노튜브 코팅액(12)과 바인더(15)가 2층 구조로 코팅된 필라멘트(90)를 제조하게 된다.
이를 상세하게 살펴보기 위하여 도 2를 참조하면, 상기 2중 코팅 다이는 탄소나노튜브 코팅액(12)이 공급되는 상단 투입구(110) 및 바인더(15)가 공급되는 하단 투입구(120)를 구비한다. 상기 상단 투입구(110)로 공급되는 탄소나노튜브 코팅액(12)은 상기 2중 코팅 다이의 내부에 형성되는 제 1 코팅 챔버(55)에 수용되고 이후에 공급되는 필라멘트(90)의 표면에 1차적으로 상기 탄소나노튜브 코팅액(12)을 코팅하게 된다.
또한 상기 하단 투입구(120)로 공급되는 바인더(15)는 상기 제 1 코팅 챔버(55)의 하부에 형성되는 제 2 코팅 챔버(56)에 수용되고, 상부로부터 공급되는 표면이 탄소나노튜브 코팅액(12)으로 코팅된 필라멘트(90)의 상기 탄소나노튜브 코팅층(91)의 상부에 바인더(15)를 연속적으로 코팅하게 된다.
즉, 도 5에 도시된 바와 같이, 필라멘트(90)의 표면에 1차로 탄소나노튜브 코팅액(12)이 코팅되어 탄소나노튜브 코팅층(91)을 형성하고, 이후에 상기 탄소나노튜브 코팅층(91)의 상부에 바인더(15)가 코팅된 바인더층(92)을 형성하게 된다. 상기와 같이 2층 구조로 코팅된 필라멘트(90)는 상기 2중 코팅 다이의 하부에 형성되는 토출구(57)를 통하여 인출된다.
본 발명의 2중 코팅 다이(double layer coating die)를 사용하여 필라멘트(90)를 코팅하면, 상기 2 중 코팅 다이에 공급되는 바인더(15)와 탄소나노튜브 코팅액(12)의 공급양을 제 1 기어펌프(51) 및 제 4 기어펌프(54)에 의해 조절함으로써, 상기 필라멘트(90)에 형성되는 코팅층의 두께를 조절할 수 있게 된다.
따라서 본 발명의 2중 코팅 다이를 이용한 필라멘트(90)의 코팅시, 상기 탄소나노튜브 코팅층(91)의 두께는 10 ~ 50 ㎛로 코팅이 가능하며, 또한 상기 탄소나노튜브 코팅층(91)의 상부에 코팅되는 바인더층(92)의 두께는 30 ~ 100 ㎛로 코팅이 가능하게 된다.
본 발명은 도 6에 도시된 바와 같은 필라멘트(90)의 상부 표면에 탄소나노튜브 코팅층(91)과 상기 탄소나노튜브 코팅층(91)의 상부에 바인더층(92)이 형성된 탄소나노튜브가 코팅된 필라멘트를 제조하기 위한 탄소나노튜브 연속 코팅장치(100)에 관한 것이다.
도 6의 본 발명의 일실시예에 따른 탄소나노튜브가 코팅된 필라멘트(90)의 SEM 확대 사진을 살펴보면, 탄소나노튜브가 필라멘트(90)의 섬유축 방향으로 표면에 균일하게 코팅되어 있음을 확인할 수 있다.
본 발명에서 사용되는 필라멘트(90)는 특별히 제한되지 않으며, 예를 들면 열가소성 또는 열경화성 폴리머를 사용하여 제조된 필라멘트를 사용할 수 있으며, 바람직하게는 폴리우레탄(PU), 폴리아크릴로 니트릴(PAN), 나일론(Nylon 6, 66), 폴리락틱엑시드(PLA), 폴리카보네이트(PC), 폴리비닐리덴 클로라이드(PVDC), 폴리비닐리덴플로라이드(PVdF), 폴리비닐알콜(PVA), 폴리에칠렌 옥사이드(PEO), 폴리스타이렌(PS), 폴리비닐클로라이드(PVC), 폴리비닐피올리딘(PVP), 폴리아미드(Polyamide), 폴리벤질이미다졸(PBI), 폴리에칠렌테레프탈레이트(PET), 및 폴리에스터(Polyester)로 이루어진 군으로부터 선택될 수 있다.
또한 본 발명의 다른 실시예에 따르면, 상기 탄소나노튜브 연속 코팅장치(100)에는 탄소나노튜브 분산액 저장탱크(30) 및 제 2 바인더 저장탱크(20)로부터 제 2, 3 기어펌프(52, 53)를 통해 공급된 탄소나노튜브 분산액과 바인더(15)는 스태틱 믹서(40)로 공급되기 전에 혼합탱크(미도시)를 거칠 수 있다. 상기 혼합탱크는 탄소나노튜브 분산액과 바인더(15)를 스태틱 믹서(40)에 공급하기 전에 미리 혼합하는 구성으로써, 앞에서 살핀 바와 같이 탄소나노튜브는 물에 대한 분산성이 떨어지므로, 스태틱 믹서(40)에서 혼합하기 전에 전처리로서 탄소나노튜브 분산액과 바인더(15)를 혼합하게 되면 상기 탄소나노튜브의 분산성 및 혼합성을 한층 개선할 수 있게 된다.
상기와 같이 코팅된 필라멘트(90)는 건조장치(70)을 통과함으로써, 상기 필라멘트(90)의 표면에 코팅된 바인더층(92) 및 탄소나노튜브 코팅층(91)으로부터 수분을 완전히 제거하게 된다. 본 발명의 건조장치(70)는 비접촉식 건조장치가 바람직하며 내경 5 ~ 30 ㎜의 원통형 사통과로(71)와, 상기 원통형 사통과로(71)의 외면에 형성되고 열매액을 수용하는 열매액 수용부(미도시)로 이루어지는 것이 바람직하다.
상기 원통형 사통과로(71)에서는 코팅된 필라멘트(90)가 통과되면서 건조되는데, 이때 상기 원통형 사통과로(71)의 내경에 상기 필라멘트(90)가 접촉하지 않도록 통과시키는 것이 바람직하다. 또한 상기 원통형 사통과로의 외면에는 열매액 수용부가 구비되는데, 상기 열매액 수용부에는 열매액을 수용하어 비접촉 릴렉스 히터의 온도를 100 ∼ 230 ℃로 유지하도록 한다. 또한 비접촉 건조장치의 길이는 0.5 ∼ 3.0 m 정도가 바람직하다.
상기와 같이 건조장치(70)에서 건조된 탄소나노튜브가 코팅된 필라멘트(90)는 권취롤러(80)에 권취됨으로서, 탄소나노튜브가 코팅된 필라멘트의 제조가 완료되게 된다. 상기와 같이 제조된 탄소나노튜브가 코팅된 필라멘트(90)의 SEM 확대 사진인 도 6를 살펴보면, 필라멘트(90)의 축 방향으로 탄소나노튜브 코팅층(91) 및 바인더층(92)이 형성된 것을 확인 할 수 있다. 또한 상기 탄소나노튜브 코팅층(91)에는 바인더(15)에 의해 탄소나노튜브가 섬유축 방향으로 균일하게 코팅된 것을 확인 할 수 있다.
본 발명은 도면에 도시된 실험예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 다른 실험예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 또한 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 하고, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 청구범위의 기술적 사상에 의하여 정해져야 할 것이다.
50 : 코팅 다이
55 : 제 1 코팅 챔버
56 : 제 2 코팅 챔버
80 : 권취롤러
90 : 필라멘트
91 : 탄소나노튜브 코팅층
92 : 바인더층
12 : 탄소나노튜브 코팅액
15 : 바인더
30 : 탄소나노튜브 분산액 저장탱크
10 : 제 1 바인더 저장탱크
20 : 제 2 바인더 저장탱크
40 : 스태틱 믹서
100 : 탄소나노튜브 연속 코팅장치

Claims (6)

  1. 삭제
  2. 삭제
  3. 바인더(15)를 공급하는 제 1 바인더 저장탱크(10);
    상기 제 1 바인더 저장탱크(10)로부터 공급되는 바인더(15)를 코팅 다이(50)로 정량 공급하는 제 1 기어 펌프(51);
    바인더(15)를 공급하는 제 2 바인더 저장탱크(20);
    탄소나노튜브 분산액을 공급하는 탄소나노튜브 분산액 저장탱크(30);
    상기 제 2 바인더 저장탱크(20) 및 탄소나노튜브 분산액 저장탱크(30)로부터 공급되는 바인더(15) 및 탄소나노튜브 분산액을 스태틱 믹서(40)로 각각 정량 공급하는 제 2 기어펌프(52) 및 제 3 기어펌프(53);
    상기 바인더(15)와 탄소나노튜브 분산액을 공급받아 혼합하여 탄소나노튜브 코팅액(12)을 제조하는 스태틱 믹서(40)
    상기 스태틱 믹서(40)에서 혼합된 탄소나노튜브 코팅액(12)을 코팅 다이(50)로 정량 공급하는 제 4 기어펌프(54);
    상기 제 1 기어펌프(51)에서 공급되는 바인더(15)와, 제 4 기어펌프(54)에서 공급되는 탄소나노튜브 코팅액(12)을 필라멘트(90)에 연속적으로 코팅하는 코팅 다이(50);
    상기 코팅 다이(50)로 필라멘트(90)를 공급하는 필라멘트 공급롤러(85);
    상기 코팅 다이(50)에서 코팅된 필라멘트(90)를 건조하기 위한 건조장치(70); 및
    건조된 필라멘트를 권취하기 위한 권취롤러(80);
    를 포함하는 탄소나노튜브 연속 코팅장치(100).
  4. 청구항 3에 있어서,
    상기 스태틱 믹서(40)의 믹싱 존(46)은 믹싱 단위체(45)가 복수 개가 직렬로 적층된 복합형 정적 믹서(48)로 구성되는 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브 연속 코팅장치(100).
  5. 청구항 4에 있어서,
    상기 복합형 정적 믹서(48)는 상기 믹싱 단위체(45)가 선택적으로 적층되는 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브 연속 코팅장치(100).
  6. 청구항 3에 있어서,
    상기 코팅 다이(50)는 2중 코팅 다이(double layer coating die)인 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브 연속 코팅장치(100).

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