KR102047410B1 - 접착제 및 하나 또는 그 이상의 나노섬유 시트를 포함하는 다중층 복합재 - Google Patents

접착제 및 하나 또는 그 이상의 나노섬유 시트를 포함하는 다중층 복합재 Download PDF

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KR102047410B1
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린텍 오브 아메리카, 인크.
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Abstract

접착성 나노섬유 복합재의 다중층 복합재를 제조하기 위한 기술이 개시되어 있다. 구체적으로, 고도로 나란히 정렬된 나노섬유들의 하나 또는 그 이상의 시트들은 접착제에 부분적으로 포매되어, 나노섬유 시트의 적어도 일부분은 접착제가 없게되고 인접한 전기적 특징부들과 전류를 전도시킬 수 있다. 일부 예시 구체예들에서, 접착성 나노섬유 복합재는 전도성 금속으로 금속화되고 이러한 그리고 기타 구체예들에서 접착성 나노섬유 복합재는 또한 연신가능할 수 있다.

Description

접착제 및 하나 또는 그 이상의 나노섬유 시트를 포함하는 다중층 복합재
본 출원은 선택적으로 금속화될 수 있는 하나 또는 그 이상의 나노섬유 시트 및 접착제를 포함하는 다중층 복합재에 관한 것이다.
점착제 및 기타 유형들의 접착제들은 일반적으로 높은 전기 비저항을 가지므로 전기 전도체로서 특히 유용하지 않다. 전형적으로, 전기적으로 전도성인 특징들을 가지는 전기 및 기타 장치들에서, 전기 접촉은 접착제가 사용되는 구역들에서 끊어지거나 적어도 감소된다.
한 양상에서, 적어도 하나의 나노섬유 시트 및 이러한 적어도 하나의 나노섬유 시트 상에 접착제를 포함하는 중합체층을 포함하는, 접착성 나노섬유 복합재가 제공되는데, 여기서 접착성 나노섬유 복합재는 10 Ω/평방 미만의 전기 저항을 가진다. 상기 복합재의 접착제는 감압성(pressure sensitive) 접착제일 수 있거나 또는 아크릴, 폴리우레탄, 라텍스, 부틸 고무, 천연 고무, 스티렌 블록 공중합체, 폴리에스터, 실리콘, 폴리비닐 에스터 및 이의 조합으로 구성된 그룹에서 선택될 수 있다. 상기 복합재의 접착제는 스테인레스 강 기판 스테인레스 강 기판 상에서 2-30 N/25 mm 의 접착 강도를 가질 수 있다. 하나의 나노섬유 시트 또는 적어도 2개의 나노섬유 시트가 접착성 나노섬유 복합재에 포함될 수 있다. 상기 복합재는 적어도 하나의 나노섬유 시트 상에 증착된 금속을 추가로 포함할 수 있다. 금속은 금, 은, 구리, 알루미늄 및 이의 조합으로 구성된 그룹에서 선택될 수 있다. 상기 복합재는 적어도 하나의 나노섬유 시트와, 존재하는 경우, 금속 사이에 완충층을 추가로 포함할 수 있다. 이러한 완충층은 카바이드-형성 금속, 가령, 티타늄을 포함할 수 있다. 존재하는 경우, 완충층은 30nm 미만의 코팅 두께를 가질 수 있다. 상기 복합재는 또한 중합체층 상에 기판을 포함할 수 있다. 이러한 기판은 연신가능하고 및/또는 변형가능할 수 있거나, 연신가능 또는 변형가능하지 않을 수 있다. 상기 복합재는 연신가능하거나 연신가능하지 않을 수 있다. 상기 복합재는, 일부 구체예들에서, 5 마이크론 미만의 총 두께를 가진다. 복합재 내 나노섬유 시트는 10 nm 미만의 두께를 가질 수 있다. 나노섬유 시트는 탄소 나노튜브를 포함할 수 있다.
또 다른 양상에서, 탄소 나노튜브를 포함하는 적어도 하나의 나노섬유 시트, 적어도 하나의 나노섬유 시트 상에 금속층 및적어도 하나의 나노섬유 시트 상에 접착제를 포함하는 금속화된 접착성 나노섬유 복합재가 제공되는데, 여기서 금속층은 나노섬유 시트의 탄소 나노튜브와 전기적 접촉된다. 상기 복합재의 접착제는 아크릴, 폴리우레탄, 부틸 고무, 천연 고무, 스티렌 블록 공중합체, 폴리에스터, 실리콘, 폴리비닐 에스터 및 이의 조합으로 구성된 그룹에서 선택될 수 있다. 상기 복합재의 금속은 금, 은, 구리, 백금, 니켈, 주석, 아연, 리튬, 텅스텐, 알루미늄, 팔라듐 및 이의 조합으로 구성된 그룹에서 선택될 수 있다. 상기 복합재는 또한 적어도 하나의 나노섬유 시트와 금속 사이에 완충층을 포함할 수 있다. 이러한 완충층은 카바이드-형성 재료, 가령, 티타늄을 포함할 수 있다.
또 다른 양상에서, 접착성 나노섬유 복합재의 형성 방법이 제공되는데, 이 방법은 적어도 하나의 나노섬유 시트를 제공하는 단계, 나노섬유 시트를 용매를 포함하는 접착제 용액으로 침투시키는 단계 및 나노섬유 시트로부터 용매를 제거하여 접착성 나노섬유 복합재를 형성하는 단계를 포함한다. 이 방법은 또한 적어도 하나의 나노섬유 시트를 금속화하는 단계를 포함할 수 있다. 이 방법은 또한 금속화 단계 이전에 나노섬유 시트 상에 완충층을 형성하는 단계를 포함할 수 있다. 이 방법에서, 용매를 제거하는 단계는 증발에 의해 일어날 수 있다. 나노섬유 시트는 용매제거 전 두께 및 용매제거 후 두께를 가질 수 있으며 용매제거 후 두께는 용매제거 전 두께의 적어도 50% 미만이다. 이러한 나노섬유 시트는 적어도 0.015 g/cm3의 밀도를 가질 수 있다.
도 1은 일부 예시 구체예들에 따라, 기판 상의 나노섬유 숲의 한 예시를 보여준다.
도 2는 일부 구체예들에 따라, 나노섬유를 성장시키기 위한 반응기의 한 개략도이다.
도 3은 일부 예시 구체예들에 따라, 시트의 상대적 크기를 나타내며 시트 표면에 대해 평행한 한 평면에서 끝에서 끝까지 나란히 정렬되어 있는 시트 내부의 나노섬유들을 도식적으로 보여주는, 나노섬유 시트의 한 예시이다.
도 4는 일부 예시 구체예들에 따라, 나노섬유 숲으로부터 측면으로 인발된 나노섬유 시트의 이미지이다.
도 5는 한 예시 구체예에 따른 접착성 나노섬유 복합재의 한 예를 보여준다.
도 6A-6D는 한 예시 구체예에 따라 티타늄 완충층이 상부에 침착되어 있는 탄소 나노섬유들을 보여주는 투과 전자 현미경 (TEM) 이미지이다.
도 7A-7D는 한 예시 구체예에 따라 티타늄 완충층 및 구리 금속층이 상부에 침착되어 있는 탄소 나노섬유들을 보여주는 TEM 이미지이다.
도 8은 정합성 구리층이 상부에 침착되어 있는 탄소 나노섬유들을 보여주는 TEM 이미지인데, 탄소 나노섬유와 정합성 구리층 사이에 카바이드-형성 금속의 완충층은 없다.
도 9A-9C는 일부 예시 구체예들에 따른 접착성 나노섬유 복합재의 예시를 보여준다.
도 10A 및 10B는 일부 한 예시 구체예에 따라, 나노섬유 시트가 좌굴된 표면을 가지는, 탄성 기판 상에 배치된 금속화된 접착성 나노섬유 복합재를 보여주는 횡단면 SEM 이미지이다.
도 11은 일부 예시 구체예들에 따른, 접착성 나노섬유 복합재 제작 방법의 한 예를 보여주는 방법 흐름도이다.
개요
하나 또는 그 이상의 나노섬유 시트 및 접착제를 포함하는 다중층 복합재가 본 출원에 개시된다. 개시된 "접착성 나노섬유 복합재"는, 일부 구체예들에서, 매우 전도성이며 또한 금속화될 수 있다. 개시된 복합재에 존재하는 접착제는 나노섬유 시트(들)의 모든 부분들을 완전히 피복할 필요는 없으며, 시트(들) 중 전도성인 일부분을 남겨둘 수 있어 다른 전도성 특징부에 접촉할 수 있다. 일부 예시 구체예들에서, 접착성 나노섬유 복합재는 또한 원하는 구조에 따라 연신가능할 수 있다.
본 출원에 개시된 접착성 나노섬유 복합재는 수많은 응용에 사용될 수 있다. 예를 들면, 일부 경우들에서, 접착성 나노섬유 복합재는 전도성 테이프 (예컨대, 구리 테이프)와 함께 사용되어 전도성 테이프로부터 기저 기판까지 전도성 경로를 제공할 수 있으며, 테이프는 접착성 나노섬유 복합재를 통해 기저 기판에 부착된다. 일부 구체예들에서, 개시된 접착성 나노섬유 복합재는 접지 재료로서 사용될 수 있다. 예를 들면, 접착성 나노섬유 복합재는 컴퓨터 부품들을 접지시키기 위하여 사용될 수 있다. 그 가요성 구조로 인해, 접착성 나노섬유 복합재는 낮은 접촉 저항 및 가요성 모두를 제공할 수 있다. 추가적으로, 일부 구체예들에서, 개시된 접착성 나노섬유 복합재는 전자기 차폐를 목적으로 사용될 수 있다. 예를 들면, 본 출원에 따른 접착성 나노섬유 복합재들은, 일부 경우들에서, 2개의 차폐 금속 성분들 사이에 EMI 차폐 밀봉재로서 사용될 수 있다. 일부 특정 구체예들에서, 접착성 나노섬유 복합재는 내부에 보관된 전자제품으로부터의 전자기 방사선을 차단하는데 사용되는 용기의 연결부위들을 밀봉하기 위한 테이프로서 사용될 수 있다. 이러한 구조는 새어나간 전자기 방사선이 용기의 연결부들을 통해 빠져나가는 것을 방지할 수 있다. 선택 구체예들에서, 개시된 접착성 나노섬유 복합재들은 열 전도성 재료로서 사용될 수 있다. 이러한 그리고 기타 구체예들에서, 개시된 접착성 나노섬유 복합재는, 예를 들면, 상기 재료에 걸쳐 전압을 처리하거나 나노섬유들에 의해 흡수가능한 파장에서 조사함에 의해, 가열기로서 사용될 수 있다. 일부 이러한 구체예들에서, 전극들이 접착성 나노섬유 복합재에 직접 부착될 수 있다. 개시된 접착성 나노섬유 복합재들은 일부 구체예들에서 완전히 제작된 장치에 직접 처리되는 테이프로서 사용될 수 있으며, 기타 구체예들에서, 개시된 접착성 나노섬유 복합재들은 제작중인 장치로 포함될 수 있다.
탄소 나노섬유 및 탄소 나노섬유 시트의 성질
본 출원에서 사용되는 용어 "나노섬유"는 1μm 미만의 직경을 가지는 섬유를 의미한다. 본 출원의 구체예들에는 주로 탄소 나노튜브들로부터 제작되는 것으로 설명되어 있으나, 그래핀, 마이크론 또는 나노-규모의 그래파이트 섬유 및/또는 평판(plates)인 기타 탄소 동소체, 그리고 심지어 기타 나노-규모의 섬유 조성물들, 가령, 질화 붕소도 하기 설명되어 있는 기술들을 이용하여 나노섬유 시트를 제작하기 위해 사용될 수 있음이 이해될 것이다. 본 출원에서 사용되는 용어 "나노섬유" 및 "탄소 나노튜브"는 탄소 원자들이 함께 연결되어 원통형 구조를 형성하고 있는 단일벽 탄소 나노튜브 및/또는 다중-벽 탄소 나노튜브 모두를 포괄한다. 다중-벽 나노튜브는 둘 또는 그 이상의 벽을 가진다. 일부 구체예들에서, 본 출원에서 언급되는 탄소 나노튜브는 4 내지 10개 벽들을 가진다. 본 출원에서 사용되는, "나노섬유 시트" 또는 간단히 "시트"는 인발 공정 (PCT 국제 공재 출원 제 WO 2007/015710에 기재, 이는 본 출원에 참고문헌으로 온전히 포함됨)을 통해, 시트의 나노섬유의 세로축이 시트의 주 표면에 수직으로(즉, 증착시 시트 형태에서, 종종 "숲"으로 언급됨)가 아니라, 시트의 주 표면에 평행하도록 나란히 정렬되어 있는 나노섬유들의 시트를 의미한다.
탄소 나노튜브들의 크기들은 사용되는 제조 방법들에 따라 상당히 달라질 수 있다. 예를 들면, 탄소 나노튜브의 직경은 0.4 nm 내지 100 nm일 수 있고 일부 경우에서는 1 nm 내지 80 nm, 10 내지 70 nm, 또는 20 내지 50 nm 일 수 있다. 일부 구체예들에서, 탄소 나노튜브의 길이는 10 μm 내지 55.5 cm 초과의 범위일 수 있고 일부 구체예에서는 20 μm 내지 50 cm 일 수 있다. 탄소 나노튜브들은 또한 매우 높은 형상비 (직경에 대한 길이의 비율)를 가질 수 있으며 일부는 132,000,000:1 또는 그 이상만큼 높다. 광범위한 크기가 가능함을 고려할 때, 탄소 나노튜브들의 성질은 상당히 조절가능하거나 조정가능하다. 탄소 나노튜브들의 많은 흥미로운 성질들이 확인된 바 있으나, 실제 응용에서 탄소 나노튜브들의 성질을 활용하는 것은 탄소 나노튜브의 특징들을 유지 또는 향상시킬 수 있는 확장가능하고 제어가능한 제조방법들을 필요로 한다.
그 독특한 구조로 인해, 탄소 나노튜브는 특정 응용에 매우-적합하게 하는 특정한 기계적, 전기적, 화학적, 열적 및 광학적 성질들을 보유한다. 특히, 탄소 나노튜브는 보다 우수한 보다 우수한 전기 전도성, 높은 기계적 강도, 우수한 열적 안정성을 나타내며 또한 소수성을 띤다. 이러한 성질들 이외에도, 탄소 나노튜브는 또한 유용한 광학적 성질들을 나타낼 수 있다. 예를 들면, 탄소 나노튜브는 좁게 선택된 파장에서 광을 방출 또는 검출하는 발광 다이오드 (LED) 및 광-검출장치에서 사용될 수 있다. 탄소 나노튜브는 또한 광자 운반 및/또는 포논(phonon) 운반에 유용함이 입증될 수 있다.
탄소 나노튜브들의 많은 흥미로운 성질들이 확인된 바 있으나, 실제 응용에서 탄소 나노튜브들의 성질을 활용하는 것은 탄소 나노튜브의 특징들을 유지 또는 향상시킬 수 있는 확장가능하고 제어가능한 제조방법들을 필요로 한다. 다양한 구조로 제어된 탄소 나노튜브 조립체(assembly)를 제공하는 방법들 및 장치들이 본 출원에서 개시된다. 예를 들면, 나란히 정렬된 탄소 나노튜브들을 기판 상에서 또는 자립 형태로 조립하는 방법들이 개시되어 있다. 기타 특징들 이외에도, 본 출원에 기재된 방법들은 정렬을 무너뜨리지 않고 탄소 나노튜브를 성공적으로 이동시킬 수 있고, 탄소 나노튜브 구조 밀도를 제어하게 할 수 있으며 광학적 조정 기회를 제공한다.
나노섬유 숲
본 출원의 다양한 구체예들에 따르면, 나노섬유들 (탄소 나노튜브를 포함하나 이에 제한되지 않음)은 본 출원에서 "숲"으로 언급되는 구조를 비롯한 다양한 구조들로 배열될 수 있다. 본 출원에서 사용되는, 나노섬유들 또는 탄소 나노튜브들의 "숲"은 기판에 대해 서로간에 실질적으로 평행하게 배열되어 있는 대략 균등한 크기를 가지는 나노섬유들의 배열을 의미한다. 도 1은 기판 상의 나노섬유 숲의 한 예를 보여준다. 기판은 임의의 형상일 수 있으나 일부 구체예들에서 기판은 평면 표면을 가지며 그 위에 나노섬유 숲이 조립되며, 일부 구체예들에서 평면 표면은 가요성일 수 있다. 도 1에서 볼 수 있는 바와 같이, 숲의 나노섬유들은 높이 및/또는 직경에 있어 대략 동일할 수 있다.
일부 구체예들에서, 숲의 나노섬유들은 각각 대략 동일한 각도로 기판을 향해 배향될 수 있다. 예를 들면, 숲의 나노섬유들은 기판에 관하여 45° 내지 135°의 각도를 가질 수 있다. 특정 구체예들에서, 숲의 나노섬유들은 기판로부터 75° 내지 105°로 배향될 수 있으며 선택된 구체예들에서 나노섬유들은 기판로부터 대략 90°로 배향될 수 있다. 나노섬유들이 종종 곧지 않기 때문에, 기판에 대한 나노섬유의 각도는 기판 평면과 나노섬유의 전단부 및 후단부를 연결하는 직선 사이의 각도를 측정함으로서 결정된다.
본 출원에 개시된 나노섬유 숲은 비교적 치밀할 수 있다. 구체적으로, 개시된 나노섬유 숲들은 적어도 10억 나노섬유/cm2의 밀도를 가질 수 있다. 일부 특정 구체예들에서, 본 출원에 기재된 나노섬유 숲은 100억/cm2 내지 300억/cm2 의 밀도를 가질 수 있다. 기타 예들에서, 본 출원에 기재된 나노섬유 숲은 900억 나노섬유/cm2 범위의 밀도를 가질 수 있다. 일부 특정 구체예들에서, 본 출원에 기재된 나노섬유 숲은 109 나노섬유/cm2초과, 1010 나노섬유/cm2 초과, 2x1010 나노섬유/cm2 초과 또는 3 x 1010 나노섬유/cm2 초과의 밀도를 가질 수 있다. 기타 구체예들에서, 나노섬유/cm2 단위의 나노섬유 숲 밀도는 109 내지 3x1010 나노섬유/cm2, 1010 나노섬유/cm2 내지 3x1010 나노섬유/cm2, 또는 1010 내지 5x1010 나노섬유/cm2 일 수 있다. 이러한 나노섬유 숲은 고밀도 또는 저밀도인 구역들을 포함할 수 있으며 특정 구역들은 나노섬유들이 없을 수 있다. 숲 내부의 나노섬유들은 또한 섬유-간 접속성을 나타낼 수 있다. 예를 들면, 나노섬유 숲 내부에서 이웃하는 나노섬유들은 반데르발스 힘에 의해 서로에 끌릴 수 있다.
예시적인 나노섬유 숲 제조 방법
본 출원에 따른 나노섬유 숲을 제조하기 위하여 다양한 방법들이 사용될 수 있다. 예를 들면, 일부 구체예들에서 나노섬유들을 고온의 로에서 성장시킬 수 있다. 일부 이러한 구체예들에서, 반응기 안에 놓아둔 기판 상에 촉매가 침착될 수 있고, 그 후 반응기에 공급되는 연료 화합물에 노출될 수 있다. 기판들은 800°C 내지 1000°C 보다 큰 온도를 견딜 수 있으며 불활성 재료일 수 있다. 기판은 기저 실리콘 (Si) 웨이퍼 위에 배치된 스테인레스 강 또는 알루미늄을 포함할 수 있으나, 기타 세라믹 기판들이 Si 웨이퍼 대신에 사용될 수 있다(예컨대, 알루미나, 지르코니아, SiO2 및 유리 세라믹). 상기 나노섬유숲의 나노섬유들이 탄소 나노튜브인 예들에서, 지방족 탄화수소, 가령, 아세틸렌, 메탄 및 에탄을 비롯한 탄소-계 화합물들이 탄소 원자의 공급원으로서 사용될 수 있다. 반응기에 도입된 후, 탄소 공급원(들)은 이후 분해되고 생성된 탄소 원자들은 촉매 위에 축적되어 기판로부터 위쪽을 향해 성장함으로써 나노튜브들을 조립하기 시작하여 나노섬유들의 숲을 형성할 수 있다.
나노섬유 성장을 위한 한 예시 반응기의 그림이 도 2에 도시되어 있다. 도 2에서 볼 수 있는 바와 같이, 반응기는 가열 영역을 포함할 수 있으며, 나노섬유 숲 성장을 촉진시키기 위해 기판이 여기에 배치될 수 있다. 반응기는 또한 연료 화합물(들) 및 운반체 기체(들)를 반응기에 공급할 수 있는 기체 유입구 그리고 팽창된 기체들을 반응기로부터 방출시킬 수 있는 기체 배출구를 포함할 수 있다. 운반체 기체들의 예들에는 질소, 수소, 아르곤 및/또는 헬륨이 포함된다. 추가적으로, 나노섬유들에 혼입되는 도펀트들은 기체 흐름에 추가될 수 있다. 예시 도펀트들에는 질소 및 붕소가 포함되나 이에 제한되는 것은 아니다. 나노섬유 숲이 침착되는 동안 도펀트를 추가하는 예시적인 방법들은 미국 특허 제 8,926,933호의 287 단락에 기재되어 있으며, 이 문헌은 본 출원에 온전히 참고문헌으로 포함된다. 상기 숲에 첨가제를 도핑 또는 제공하는 다른 예시적인 방법들에는 표면 코팅, 도펀트 주입, 또는 기타 증착 및/또는 현장(in situ) 반응 (예컨대, 플라즈마-유도 반응, 기체상 반응, 스퍼터링, 화학적 증기 증착)이 포함된다. 예시적인 첨가제에는, 그 중에서도, 중합체 (예컨대, 폴리(비닐 알콜), 폴리(페닐렌 테트라프탈아미드) 형 수지, 폴리(p-페닐렌 벤조비스옥사졸), 폴리아크릴로니트릴, 폴리(스티렌), 폴리(에터 에터케톤) 및 폴리(비닐 피롤리돈, 또는 이의 유도체 및 이의 조합), 원소 또는 화합물의 기체 (예컨대, 불소), 다이아몬드, 팔라듐 및 팔라듐 합금이 포함된다.
나노섬유가 성장하는 동안 반응 조건을 변화시켜 생성되는 나노섬유 숲의 성질을 조절할 수 있다. 예를 들면, 원하는 사양을 가지는 나노섬유 숲을 제조함에 있어 필요에 따라 촉매의 입경, 반응 온도, 기체 유속 및/또는 반응 시간을 조절할 수 있다. 일부 구체예들에서, 기판 상에서 촉매의 위치는 원하는 패턴화(patterning)를 보유한 나노섬유 숲을 형성하기 위해 제어된다. 예를 들면, 일부 구체예들에서 촉매는 기판 위에 일정 패턴으로 증착되고, 이렇게 패턴화된 촉매로부터 성장하여 생성된 숲은 유사하게 패턴화된다. 예시적인 촉매들에는 이산화 규소 (SiO2) 또는 산화 알루미늄 (예컨대, Al2O3) 완충층 위에 철을 포함한다. 촉매는 화학적 증기 증착 (CVD), 레이저-보조 CVD, 플라즈마-강화 CVD, 전자 빔 (eBeam) 증착, 스퍼터링, 열 증착, 전기화학적 방법, 또는 원자층 증착 (ALD)을 비롯한, 임의의 적합한 방법을 이용하여 기판 위에 증착될 수 있다. 패턴을 형성하기 위하여, 일부 구체예들에서, 촉매는 패턴의 형태로 증착될 수 있고, 기타 구체예들에서 촉매는 특정 구역들에서 제거되거나 피독되어 일정한 나노튜브 섬유들의 패턴을 생성할 수 있다. 완충층들은 또한 일정 패턴으로 기판에 처리될 수 있으며, 예를 들면, 코팅, 롤링, 함침(dipping), 잉크젯 프린팅, 패드 프린팅을 통해 또는 상기 기재된 물리적 또는 화학적 증착 방법들을 사용하여 처리될 수 있다.
형성 후, 나노섬유 숲은 선택적으로 개질될 수 있다. 예를 들면, 일부 구체예들에서, 나노섬유 숲은 처리제, 가령, 산화 또는 환원제에 노출될 수 있다. 일부 구체예들에서, 숲의 나노섬유들은 선택적으로 처리제에 의해 화학적으로 작용화될 수 있다. 처리제는 물리적 증착, 원자 증착, 화학적 증기 증착 (CVD) 및/또는 액체 또는 기체 침투를 비롯한 임의의 적합한 방법에 의해 나노섬유 숲에 도입될 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 일부 구체예들에서, 나노섬유 숲은 패턴화된 숲을 형성하기 위해 변형될 수 있다. 숲의 패턴화는, 예를 들면, 숲으로부터 나노섬유들을 선택적으로 제거함으로써 이루어질 수 있다. 이러한 제거는 화학적 또는 물리적 수단들, 가령, 레이저 삭마(laser ablation)를 통해 구현될 수 있다.
나노섬유 시트
숲 구조로의 배열 이외에도, 본 출원의 나노섬유들은 또한 시트 구조로 배열될 수 있다. 본 출원에서 사용되는 용어 "나노섬유 시트," "나노튜브 시트," 또는 간단히 "시트"는 나노섬유들이 한 평면에서 실질적으로 끝에서 끝까지 (end to end) 나란히 정렬되어 있는 나노섬유들의 배열을 의미한다. 일부 구체예들에서, 나노섬유 시트는 시트 두께 보다 100배 이상 큰 길이 및/또는 폭을 가진다. 일부 구체예들에서, 나노섬유 정렬 방향은 전체 나노섬유 시트에 걸쳐 연속적일 수 있다. 일부 구체예들에서, 길이, 폭 또는 이 두가지 모두는 평균 시트 두께 보다 103, 106 또는 109 배 이상 크다. 나노섬유 시트는, 예를 들면, 대략 5 nm 내지 20 μm, 10 nm 내지 10 μm, 20 nm 내지 100 nm, 30 nm 내지 80 nm, 또는 40 nm 내지 60 nm의 두께를 가질 수 있다. 나노섬유 시트는, 의도한 용도에 적합한 임의의 길이 및 폭을 가질 수 있다. 일부 구체예들에서, 나노섬유 시트는 1 cm 내지 10 미터의 길이 및 1 cm 내지 1 미터의 폭을 가질 수 있다. 이러한 길이들은 단순히 예시로 제시된다. 이러한 나노섬유 시트의 길이 및 폭은 나노튜브, 숲, 또는 나노섬유 시트의 물리적 또는 화학적 성질들에 의해서가 아니라, 제조 설비의 구조에 의해 제약을 받는다. 예를 들면, 연속 공정들은 임의의 길이의 시트들을 제조할 수 있다. 이러한 시트들은 제조시 롤 상에 권취될 수 있으며, 일부 구체예들에서, 이형 시트(release sheet)는 나노섬유 시트들과 함께 압연될 수 있다.
한 예시 나노섬유 시트의 도해가 상대적인 크기 설명과 함께 도 3에 도시되어 있다. 도 3에서 볼 수 있는 바와 같이, 나노섬유들이 끝에서 끝까지 나란히 정렬되어 있는 축을 나노섬유 정렬 방향으로 언급한다. 일부 구체예들에서, 나노섬유 정렬 방향은 전체 나노섬유 시트에 걸쳐 연속적일 수 있다. 나노섬유들은 반드시 서로에 대해 완전하게 평행일 필요는 없으며 나노섬유 정렬 방향은 나노섬유들의 정렬 방향에 관한 평균 또는 일반적인 측정치이다.
형성 후, 나노섬유 시트는 선택적으로 물리적 또는 화학적으로 변형될 수 있다. 예를 들면, 일부 구체예들에서, 나노섬유 시트는 처리제, 가령, 산화 또는 환원제에 노출될 수 있다. 추가 구체예들에서, 시트의 나노섬유들은 선택적으로 처리제에 의해 화학적으로 작용화될 수 있다. 처리제는 흡착 또는 화학적 결합, 가령, 공유 결합에 의해 나노섬유들과 상호작용할 수 있다.
나노섬유 시트는 서로의 상부에 적재되어 다중층 시트를 형성할 수 있다. 나노섬유 시트는 공통의 나노섬유 정렬방향을 가지도록 또는 상이한 나노섬유 정렬방향을 가지도록 적재될 수 있다. 임의의 수의 나노섬유 시트가 서로의 상부에 적재되어 다중층 나노섬유 시트를 형성할 수 있다. 예를 들면, 일부 구체예들에서, 나노섬유 시트는 2, 3, 4, 5, 10, 또는 그 이상의 개개의 나노섬유 시트를 포함할 수 있다. 인접한 시트에서 나노섬유 정렬방향은 1˚ 미만, 5˚ 미만 또는 10˚ 미만으로 상이할 수 있다.다른 구체예들에서, 인접한 시트에서 나노섬유 정렬방향은 40˚ 초과, 45˚ 초과, 60˚ 초과, 80˚ 초과, 또는 85˚ 초과만큼 상이할 수 있다. 특정 구체예들에서, 인접한 시트에서 나노섬유 정렬방향은 90˚일 수 있다. 개개 시트들을 상이한 각도로 적재하는 것은 성질, 가령, 인장 강도 및/또는 전기 전도성을 변화시킬 수 있다.
나노섬유 시트는 시트를 제조할 수 있는 임의의 적합한 유형의 공정을 이용하여 조립될 수 있다. 일부 예시적인 구체예들에서, 나노섬유 시트는 나노섬유 숲으로부터 인발될 수 있다. 나노섬유 숲으로부터 인발된 나노섬유 시트의 한 예가 도 4에 도시되어 있다. 도 4에서 볼 수 있는 바와 같이, 나노섬유들은 측면으로 인발된 다음, 끝에서 끝까지 나란히 정렬되어 나노섬유 시트를 형성할 수 있다. 나노섬유 시트가 나노섬유 숲으로부터 인발되는 구체예들에서, 숲의 크기는 특정 크기를 가지는 나노섬유 시트를 형성하도록 제어될 수 있다. 예를 들면, 나노섬유 시트의 폭은 시트를 인발시킨 나노섬유 숲의 폭과 대략 동일할 수 있다. 추가적으로, 시트의 길이는, 예를 들면, 원하는 시트 길이가 구현되었을 때 인발 공정을 종결시킴으로써 제어될 수 있다. 탄소 나노섬유 시트는 보관 및 출하를 위해 롤 상에 권취될 수 있다. 일부 경우들에서, CNT 시트들은 시트에 손상을 주지 않고 5 mm 미만의 반경으로 권취될 수 있다. 그 후 필요시 시트들을 롤에서 풀 수 있다.
형성 후, 나노섬유 시트는 하나 또는 그 이상의 후-처리 공정들을 거칠 수 있다. 예를 들면, 일부 구체예들에서, 나노섬유 시트는 선택적으로 치밀화될 수 있다. 나노섬유 시트를 치밀화하기 위하여, 나노섬유 시트를 액체에 노출시키고 후속하여 그 액체를 대부분 또는 모두 제거(예컨대, 증발에 의해)하는 것을 포함하는 임의의 적절한 치밀화 방법이 사용될 수 있으나 이에 제한되는 것은 아니다. 액체는, 예를 들면, 액체를 흡수, 액체의 에어로졸에 시트를 노출, 기상 응축, 코팅, 모세관 흡수 또는 이를 조합한 것을 비롯하여 다양한 방식으로 나노섬유 시트에 도입될 수 있다. 액체는 수성 또는 비-수성일 수 있으며 양성자성 또는 비양성자성 용매일 수 있다. 둘, 셋 또는 그 이상의 액체들의 혼합물이 사용될 수도 있다. 치밀화는 시트의 두께에 영향을 줄 수 있다. 일부 특정 예들에서, 나노섬유 시트는 치밀화 이전 10 내지 20μm의 두께를 가질 수 있으며 치밀화 이후 10 내지 50nm의 두께를 가질 수 있다. 나노섬유 시트의 체적 밀도는 치밀화 이전 대략 .0015 g/cm3 일 수 있고 치밀화 이후 360배 만큼 증가할 수 있다.
치밀화 기술을 사용하여, 다양한 탄소 나노튜브 시트 구체예들의 체적 밀도는 10X, 20X, 50X, 100X, 500X 또는 1000X 초과만큼 증가될 수 있다. 체적 밀도 증가는 일부 구체예들에서 클 수 있으나, 이에 수반되는 구역 밀도 증가는 0 또는 0에 근접할 수 있음에 주목하라. 이는 치밀화된 시트가 치밀화 처리되는 원래의 시트와 본질적으로 동일한 길이 및 폭을 가질 수 있음을 의미한다. 다양한 구체예들에서, 치밀화는 10% 미만, 5% 미만 또는 1% 미만의 구역 수축을 생성할 수 있다.
나노섬유 시트는 다양한 용도로 이용될 수 있는 많은 성질들을 가진다. 예를 들면, 나노섬유 시트는 조정가능한 혼탁도, 높은 기계적 강도 및 가요성, 열 및 전기 전도성을 가질 수 있으며, 소수성 또한 나타낼 수 있다. 시트 내에서 고도의 나노섬유 정렬이 이루어진다면, 나노섬유 시트는 극히 얇아서, 거의 2차원이 될 수 있다. 일부 예들에서, 나노섬유 시트는 10 내지 200 nm 두께이다 (통상의 측정 허용한계 내에서 측정). 이러한 두께는 390 내지 750 nm 파장 범위의 가시광선에 대해 완전히 투명할 수 있다. 이러한 시트는 또한 기타 많은 전자기 방사선 파장에 대해서도 투명할 수 있다. 본 출원에서 사용되는 바와 같이, 제조물이 상기 파장의 입사 방사선의 95% 이상을 투과시키는 경우 제조물은 일정 파장 또는 파장 범위에 대해 투명하다. 일부 구체예들에서, 나노섬유 시트의 포함은 하나의 구성요소 또는 표면에 대해 최소한의 추가 구역 및/또는 체적만을 추가할 수 있다. 본 출원에 개시된 나노섬유 시트는 또한 높은 순도를 가질 수 있는데, 이 때 일부 경우에서, 나노섬유 시트 중량 백분율의 90% 초과, 95% 초과 또는 99% 초과가 나노섬유들로 인한 것이다. 유사하게, 나노섬유 시트는 중량으로 90% 초과, 95% 초과, 99% 초과 또는 99.9% 초과의 탄소를 포함할 수 있다. 나노섬유들 및 시트는 지방족 탄소가 없을 수 있고, 전적으로, 단일 및/또는 2, 3, 4, 5 또는 5개 이상의 벽을 포함하는 것들을 포함한, 단일 및/또는 다중-벽 튜브를 형성하는 아릴 구조일 수 있다. 나노튜브들은, 다양한 구체예들에서, 의자형(armchair), 지그-재그 및/또는 키랄 구조를 포함할 수 있다. 일부 구체예들에서, 나노섬유 시트는 650 내지 1200 옴/평방의 전기 저항을 가질 수 있고, 기타 구체예들에서, 금속 (예컨대, 금, 백금, 구리 또는 약 3.5 eV가 넘는 일함수를 가지는 그 외 높은 일함수 금속)으로 금속화된 나노섬유 시트는 100옴/평방만큼 낮은 또는 100옴/평방 미만의 시트 저항을 가질 수 있다.
접착성 나노섬유 복합재
본 출원에 개시된 접착성 나노섬유 복합재는 하나 또는 그 이상의 나노섬유 시트 및 중합체로 형성될 수 있다. 일부 구체예들에서, 중합체는 접착제를 포함하거나 접착제이다. 하나의 나노섬유 시트 (102)를 포함하는 한 예시 접착성 나노섬유 복합재(100)의 상부 투시도가 도 5에 도시되어 있다. 도 5는 하나의 나노섬유 시트를 포함하고 있으나, 임의의 수, 가령, 하나, 하나 이상, 5개 이상, 10개 이상, 15개 이상, 또는 20개 이상의 나노섬유 시트가 접착성 나노섬유 복합재 (100)에 포함될 수 있다. 일부 구체예들에서, 접착성 나노섬유 복합재는 1 내지 20개 또는 5 내지 25개의 나노섬유 시트를 포함한다. 다수의 나노섬유 시트 (102)가 서로 나란히 정렬될 수 있거나 상이한 정렬 방향들을 가질 수 있다. 예를 들면, 일부 구체예들에서, 나노섬유 시트 (102)는 나노섬유들의 정렬 방향에 평행하도록 배치될 수 있다. 그러나, 기타 구체예들에서, 나노섬유 시트 (102)는 일정 각도로 배향된 나노섬유들의 정렬 방향으로 배치될 수 있다. 예를 들면, 인접한 나노섬유 시트는 서로간에 적어도 1°, 적어도 5°, 적어도 10°, 적어도 15°, 적어도 20°, 적어도 25°, 적어도 45°, 적어도 60° 또는 적어도 85° 각도의 나노섬유 정렬 방향으로 배치될 수 있다.
도 5에 도시된 예시 접착성 나노섬유 복합재는 또한 제거가능한 기판(106) 상에 중합체 (104), 완충층 (110) 및 금속 (108)을 포함한다. 완충층 (110)은, 예를 들면, 나노섬유들에 대한 금속층(108)의 보다 큰 접착을 제공하는 카바이드-형성 금속, 가령, 티타늄일 수 있다. 도 5에서 볼 수 있는 바와 같이, 중합체 (104)는 나노섬유 시트 (102)에 직접적으로 인접할 수 있다. 도 5에서 별개의 층으로 도시되어 있으나, 중합체 (104)는 나노섬유 시트 (102)의 적어도 일부분에 침투하여 나노섬유들 사이의 공극들을 채울 수 있다. 예를 들면, 일부 구체예들에서, 나노섬유 시트 (102)는 다공성이고 중합체 (104)는 나노섬유 시트 (102)의 나노섬유들 사이의 공극들로 확대된다. 중합체는 또한 치밀화제로서 기능할 수 있다. 이러한 그리고 기타 구체예들에서, 나노섬유 시트 (102)이 일 부분은 중합체 (104)에 의해 완전히 절연되지 않으며 적어도 나노섬유 층 부분들은 전도성 재료에 노출됨으로써, 접착성 나노섬유 복합재가 전도성이 되게 할 수 있다.
접착 성질을 보유하는 임의의 유형의 중합체 또는 비-중합체 재료가 본 출원에 개시된 접착성 나노섬유 복합재들의 중합체 (104)를 형성하기 위해 사용될 수 있다. 예를 들면, 일부 구체예들에서, ASTM D903 및/또는 JISZ0237n에 따라 스테인레스 강에서 측정시 1 내지 50N/25 mm의 접착 강도를 가지는 접착제가 접착성 나노섬유 복합재를 형성하기 위해 사용될 수 있다. 일부 특정 구체예들에서, 1 내지 30N/25 mm 또는 1 내지 20 N/25 mm의 접착 강도를 가지는 접착제가 접착성 나노섬유 복합재를 형성하기 위해 사용된다. 일부 구체예들에서, 비-반응성 접착제 또는 반응성 접착제가 사용될 수 있다. 사용될 수 있는 비-반응성 접착제들의 예에는, 건식 접착제 (예컨대, 용매-계 또는 유탁액 접착제), 감압형(pressure-sensitive) 접착제, 접촉형 접착제, 및/또는 감열형(heat-sensitive) 접착제가 포함되나 이에 제한되는 것은 아니다. 사용될 수 있는 반응성 접착제의 예에는, 일성분(one-part) 접착제 및 다성분(multi-part) 접착제들이 포함된다. 일부 특정 구체예들에서, 의료 등급의 접착제가 사용될 수 있다. 사용될 수 있는 접착제들의 예에는, 고무, 에폭시, 폴리이미드, 아크릴, 실리콘, 폴리에스터, 폴리비닐 에스터, 폴리비닐 아세테이트, 폴리우레탄, 폴리비닐 에터, 및/또는 스티렌 중합체가 포함된다. 예를 들면, 일부 특정 구체예들에서, 에틸렌-비닐 아세테이트, 폴리비닐 에스터, 부틸 고무, 천연 고무, 폴리클로로프렌, 스티렌 블록 공-중합체 및/또는 폴리에스터가 접착제로서 사용될 수 있다. 일부 구체예들에서, 하나 또는 그 이상의 표면들에 다회 접착이 가능한 접착제가 사용될 수 있다. 점착성이 없어지지 않고 적어도 2, 3, 4, 또는 5회 접착이 가능한 접착제가 사용될 수 있다.
도 5에 도시된 바와 같이, 접착성 나노섬유 복합재 (100)은 제거가능한 기판 (106)을 포함할 수 있다. 제거가능한 기판 (106)은 강성 및 비-강성 재료들 모두를 포함한 임의의 적합한 재료로 형성될 수 있다. 예를 들면, 제거가능한 기판 (106)은 천연 및 합성 고무, 라텍스, 폴리프로필렌, 폴리에틸렌, 및/또는 실리콘을 비롯한 중합체 재료로 형성될 수 있다. 일부 특정 구체예들에서, 제거가능한 기판 (106)은 연신가능할 수 있다. 특정 유형들의 중합체 (104) 및 제거가능한 기판 (106)은, 일부 구체예들에서, 원하는 접착 강도를 보유하도록 선택될 수 있다. 예를 들면, 중합체 (104) 및 기판 (106)은 복합재에 손상을 주지 않고 및/또는 기판 상에 접착제 잔부를 남기지 않고 서로로부터 제거가능하도록 선택될 수 있다.
접착성 나노섬유 복합재 (100)의 중합체 (104)는 또한 일부 구체예들에서 하나 또는 그 이상의 첨가제를 포함할 수 있다. 예를 들면, 중합체 (104)는 또한 가교제, 유동 개질제, 세라믹, 충전제, 염료, 및/또는 안료를 포함할 수 있다. 사용될 수 있는 가교제의 예에는 에폭시, 이소시아네이트, 아지리딘 및/또는 금속 킬레이트가 포함된다. 일부 경우들에서, 전기 또는 열 전도성 개선제들, 가령, 카본 블랙, 그래핀, 다이아몬드, 탄소 나노튜브, 풀러렌 및 비정질 탄소를 포함하는 탄소 화학종들, 금속 산화물, 및/또는 금속 입자들이 첨가될 수 있다. 일부 특정 구체예들에서, 이산화 티타늄, 리튬 이온 인산염 및/또는 이붕화 마그네슘이 첨가될 수 있다. 발향(Odor emitting) 및/또는 흡향(odor absorbing) 첨가제 또한 필요에 따라 사용될 수 있다.
일부 구체예들에서, 접착성 나노섬유 복합재 (100)은 도 5에 도시된 바와 같이 금속화될 수 있다. 금속화된 접착성 나노섬유 복합재에서, 도 5에 도시된 바와 같이, 금속 (108)은 나노섬유 시트(들) (102)의 나노섬유들 외부 표면을 정합적으로 코팅할 수 있다. 다양한 유형의 금속, 가령, 은, 금, 구리, 니켈, 팔라듐, 백금, 알루미늄, 철, 주석, 아연, 티타늄, 지르코늄, 하프늄, 바나듐, 니오븀, 탄탈륨, 크롬, 리튬, 텅스텐, 또는 기타 전도성 금속들이 나노섬유 시트 (102)에 처리될 수 있다. 접착성 나노섬유 복합재 (100)이 금속화되는 구체예들에서, 금속 (108)은 접착성 나노섬유 복합재 (100)에 포함된 각 나노섬유 시트 (102)에 개별적으로 처리될 수 있거나 이러한 금속은 적재된 나노섬유 시트의 배열에 처리될 수 있다. 도 9A-9C에서 상세히 논의한 바와 같이, 금속이 적재된 배열 중 하나의 바깥쪽 나노섬유 시트 또는 나노섬유 시트들에 배치되는 일부 구체예들에서, 금속은 적어도 하나의 나노섬유 시트를 통해 침투하여, 기저 나노섬유 시트(들)에 있는 나노섬유들을 적어도 부분적으로 코팅한다. 존재하는 경우, 금속층 (108)은, 일부 구체예들에서, 2nm 내지 300nm의 두께를 가질 수 있다. 일부 특정 구체예들에서, 금속층은, 존재하는 경우, 50 내지 250nm의 코팅 두께를 가질 수 있다. 금속층은 나노섬유들 사이에 그리고 나노섬유 시트와 외부 접촉, 가령, 전극, 전원 또는 접지 사이에 전기적 연속성을 제공할 수 있다.
접착성 나노섬유 복합재 (100)이 금속화되는 일부 구체예들에서, 완충층은 또한 나노섬유 시트와 금속 사이에 제공될 수 있다. 완충층 (110)을 포함하는 금속화된 접착성 나노섬유 복합재 (100c)의 한 예가 도 5에 도시되어 있다. 존재하는 경우, 완충층 (110)은 임의의 적합한 두께일 수 있으며 일부 구체예들에서 30nm 미만, 20nm 미만, 10nm 미만, 2nm 내지 8nm의 두께를 가질 수 있으며, 및/또는 일부 구체예들에서 대략 5nm의 두께를 가질 수 있다. 완충층 (110)은 나노섬유 시트 (102)와 금속 (108) 사이의 접착을 향상시킬 수 있고 나노섬유 시트 (102)와 금속 (108) 사이의 전기 전도성을 개선할 수 있다. 완충층 (110)은 임의의 적절한 재료로 형성될 수 있으며 탄소에 대한 친화도를 가질 수 있다. 재료, 가령, 카바이드-형성 금속들은 완충층으로서 잘 기능하는 것으로 밝혀졌다. 예를 들어, 일부 구체예들에서 티타늄 금속 박층이 금속층 (108)의 처리 전에 처리될 수 있고 금속층 (108)은 완충층 (110)에 접착하는 반면 이러한 완충층은 나노섬유들 그 자체에 대해서는 직접 접착할 수 없다. 이 완충층은 금속층을 처리하는데 사용된 기술과 동일하거나 유사한 기술들을 사용하여 처리될 수 있다.
도 6A-6D는 티타늄 완충층이 상부에 배치된 탄소 나노튜브를 보여주는 투과 전자 현미경 (TEM)을 사용하여 캡쳐한 이미지이다. 도시된 예시들에서, 티타늄 완충층은 전자빔(eBeam) 증착을 사용하여 나노튜브 상에 증착되었으며 티타늄 완충층은 대략 3 nm 두께이다.
한 특정 예시 구체예에서, 금속은 캘리포니아주 프레몬트, CHA Industries사의 전자 빔 증발 시스템 ("CHA Mark 50" 모델)을 사용하여 나노섬유 시트 상에 증착되었다. 증착은 대략 10-6 내지 대략 10-7 torr (측정 판별, 정확도 및 정밀도로 인해 일반적인 측정 허용오차만큼 근사됨)의 진공에서 대략 10 kW (측정 판별, 정확도 및 정밀도로 인해 일반적인 측정 허용오차만큼 근사됨)의 가동 전압에서 수행되었다. 전자빔 증착 시스템에는 증착 금속들 사이의 변화를 자동적으로 가능하게 하는 터렛이 장착되어 있었다. 샘플 전반에 걸쳐 금속층의 균일성이 확보되도록 샘플들을 돔의 만곡을 따라 돔-형상의 샘플 홀더(holder)에 부착시켰다. 티타늄, 그 후 은의 증착 속도는 증착 제어장치에 의해 각각 0.5 Å/s 및 10 Å/s 근방의 수준으로 일정하게 유지되었다. 증착된 티타늄 박막은 두께가 3 내지 20 nm였으며 은 금속은 두께가 400 nm 내지 500 nm 였다.
상기 기재된 실험예와 별도의 한 예시에서, 도 7A-7D는 전자빔 증착을 사용하여 증착된 티타늄 완충층 위에 배치된 대략 60 nm 두께 (일반적인 공정 차이로 인한 근사치)의 구리 금속층에 관한 TEM 이미지를 보여준다. 이들 도면에 도시된 예시에서 구체화된 바와 같이 티타늄 완충층 및 구리 금속층의 조합은, 대략 5 옴/평방 (일반 측정 허용오차 이내)의 저항을 가지는 나노섬유 시트를 제조하였다.
도 7A-7D의 예시들의 형태(morphology)는 카바이드-형성 금속의 완충층이 존재하지 않는 기타 예시들의 형태와 대조적이다. 도 8의 TEM 이미지에서 볼 수 있는 바와 같이, 대략 60 nm 두께의 구리층은 기저 카바이드-형성 완충층 없이 전자빔 증착을 사용하여 나노섬유들 상에 정합 증착되었다. 도시된 바와 같이, 비-카바이드-형성 구리 정합성 금속층은 많은 불연속면을 가진다. 이 형태는 전기적 성질에도 영향을 주었다. 특히, 도 8에 도시된 구체예의 저항은 1790 옴/평방인 것으로 측정되었는데, 이는 도 7A-7D에 도시된 구체예에서 측정된 저항보다 거의 600배 더 크다.
도 9A-9C는 각각 하나 이상의 나노섬유 시트 (102)를 포함하는 접착성 나노섬유 복합재 (100a) 및 (100c)의 예를 보여준다. 구체적으로, 도 9A-9C에 도시된 접착성 나노섬유 복합재들의 예시는 각각 3개의 나노섬유 시트 (102a), (102b) 및 (102c)를 포함한다. 본 출원을 일관성있고 용이하게 이해하기 위하여, 접착성 나노섬유 복합재 (100a)-(100c)를 이하에서는, 별도로 언급된 경우를 제외하고, 일반적으로 접착성 나노섬유 복합재 (100)으로 집합적으로 언급할 수 있다.
도 9A는 금속화되지 않은 접착성 나노섬유 복합재 (100a)의 한 예를 보여준다. 금속화된 접착성 나노섬유 복합재 (100b)의 한 예가 도 9B에 도시되어 있다. 나노섬유 시트 (102)가 다공도를 보유할 수 있으므로, 적재 배열된 나노섬유 시트 상에 금속이 증착될 경우, 금속은 최상부의 나노섬유 시트 (예컨대, 도 9B에 도시된 구체예에서 나노섬유 시트 (102c)) 상에 그리고 기저 나노섬유 시트 (예컨대, 도 9B에 도시된 구체예에서 나노섬유 시트 (102b) 및 (102a) ) 상에 모두 축적될 수 있다. 이러한 일부 구체예들에서, 최상부 나노섬유 시트 내 금속의 두께는 임의의 기저 나노섬유 시트 내 금속의 두께보다 클 수 있다. 본 출원의 내용에 비추어 알 수 있는 바와 같이, 기저 나노섬유 시트에 대한 금속 침투 정도는, 일부 경우들에서, 사용되는 금속 증착 기술의 유형에 따라 달라질 수 있다. 도 9C는 금속화된 그리고 완충층 (110)을 포함하는 접착성 나노섬유 복합재 (100c)의 한 예를 보여준다. 도 9C에서 볼 수 있는 바와 같이, 존재하는 경우, 완충층 (110)은 바깥쪽 외부 나노섬유 시트, 예를 들면, 나노섬유 시트 (102c) 및, 존재하는 경우, 기저 나노섬유 시트(들) 상에 형성될 수 있다. 수많은 구조들 및 대안들이 본 출원의 내용에 비추어 명확해질 것이다.
일부 구체예들에서, 접착성 나노섬유 복합재는 연신가능할 수 있다. 예를 들면, 일부 구체예들에서, 접착성 나노섬유 복합재는 탄성 또는 그밖의 연신가능한 기판 상에 형성될 수 있다. 이러한 일부 구체예들에서, 하나 또는 그 이상의 나노섬유 시트가 하나 또는 하나 이상의 방향으로 (예컨대, 마치 확장하는 구 상에서처럼 등방성으로) 동시에 압축되어 있는 기판 상에 배치될 수 있다. 일부 구체예들에서, 변형가능한 기판은 나노섬유 시트(들)이 기판 상에 배치되기 전 적어도 50%, 적어도 75%, 적어도 100%, 적어도 150%, 적어도 200%, 적어도 250%, 적어도 300%, 적어도 400%, 적어도 500%, 적어도 600%, 적어도 700%, 적어도 800%, 적어도 900%, 또는 적어도 1000% 연신될 수 있다. 변형가능한 기판은 하나 또는 하나 이상의 방향으로 연신될 수 있다. 예를 들면, 이러한 기판은 나노섬유 시트(들)이 기판 상에 배치될 때 적어도 2개 방향으로 연신될 수 있다.
탄성 기판의 압축 또는 연신은, 하기 설명되는 추가 공정 후 탄성 기판에 대한 압축이 완화될 때 (즉, 기판이 탄성적으로 압축된 또는 "확장된” 상태로부터 "이완될" 때 또는 "수축된 상태"와 대조적인 상태가 될 때) 나노섬유 시트 또는 나노섬유 시트를 포함하는 복합재가 "좌굴(buckle)"될 수 있게 한다. 나노섬유 복합재의 좌굴은 나노섬유 시트의 추가 표면적을 "확보(store)"하게 하여, 나노섬유 시트에 손상을 주지 않고, 탄성 기판 및 탄성 기판 상에 베치된 나노섬유 시트 모두에 대해 후속되는 반복적 탄성 연장을 용이하게 한다. 그러므로, 이러한 복합재는 나노섬유 그 자체의 임의의 탄성도로 인한 것이 아니라 시트의 구조로 인해 연신될 수 있다. 일부 구체예들에서, 복합재는 접착성 나노섬유 복합재의 한 평면에서 하나의 방향을 따라 이동하는 물결형 구조로서 형성될 수 있다.　 구체적으로, 예를 들면, 하나 또는 그 이상의 나노섬유 시트는 복합재 표면 (시트 두께 방향에 대해 직교하는 평면)을 따라 물결 이동 방향을 하나의 방향으로 배향되게 하기 위한 물결형 구조를 형성하도록 폴딩될(folded) 수 있다.　 물결형 구조를 형성하는 접착성 나노섬유 복합재는 또한 본 출원에서 "물결형 탄소 나노튜브 집합체"로도 언급될 수 있다. 본 출원에서 사용되는 표현 "탄소 나노튜브 집합체가 물결형 구조를 형성한다"는 접착성 나노섬유 복합재 내의 나노섬유 시트가 상이하거나 동일한 규모의 마루와 골들이 불규칙적으로 또는 주기적으로 나타나는 파형 형태를 나타냄을 의미한다.
도 10A 및 10B는 주사 전자 현미경 (SEM)을 사용하여 캡쳐한 연신가능한 접착성 나노섬유 복합재의 한 예에 관한 횡단면도이다. 도 10A 및 10B는 좌굴된 또는 연신되지 않은 배치의, 금속화된 접착성 나노섬유 복합재의 나노섬유 시트를 보여준다. 보이는 바와 같이, 나노섬유 시트와 기저 탄성 기판 사이의 접착은 좌굴된 (연신되지 않은) 형태에서 조차도 나노섬유 시트와 탄성 기판 사이의 접촉을 유지시키기에 충분하다. 일부 구체예들에서, 탄성 기판은 접착제이다. 다양한 구체예들에서, 나노섬유 복합재는 그 처음 길이 및 또는 폭의 수배만큼 연신가능 할 수 있다. 예를 들면, 일부 특정 구체예들에서, 나노섬유 복합재는 하나 또는 그 이상의 방향으로 적어도 50%, 적어도 75%, 적어도 100%, 적어도 150%, 적어도 200%, 적어도 250%, 적어도 300%, 적어도 400%, 적어도 500%, 적어도 600%, 적어도 700%, 적어도 800%, 적어도 900%, 또는 적어도 1000% 만큼 파열되지 않고 연신될 수 있다. 일부 구체예들에서, 이러한 동일한 시트들은 연신시키는 힘이 완화된 후 그 원래 길이로 되돌아갈 것이다.
일부 구체예들에서, 접착성 나노섬유 복합재는 또한 하나 또는 그 이상의 추가 층들을 포함할 수 있다. 예를 들면, 일부 구체예들에서 추가 중합체층은 접착성 나노섬유 복합재 내에 포함될 수 있다. 존재하는 경우, 추가 중합체층은 접착제를 포함할 수 있으며 나노섬유 시트(들)의 반대면에 중합체 (104)로서 배치될 수 있다. 수많은 구조들 및 변형들이 본 출원의 내용에 비추어 명확해질 것이다.
개시된 나노섬유 복합재는 다양한 특징 및 성질을 보유할 수 있다. 예를 들면, 접착성 나노섬유 복합재는, 일부 구체예들에서 낮은 전기 저항을 가질 수 있다. 구체적으로, 일부 구체예들에서, 한 예시적 접착성 나노섬유 복합재의 전기 저항은 1 Ω/평방 미만일 수 있으며 일부 경우에서는 0.9 Ω/평방 미만, 0.8 Ω/평방 미만, 0.7 Ω/평방 미만, 0.6 Ω/평방 미만, 0.5 Ω/평방, 또는 0.1 Ω/평방 미만일 수 있다. 개시된 나노섬유 복합재는 임의의 원하는 두께를 가질 수 있다. 예를 들면, 일부 구체예들에서, 개시된 나노섬유 복합재는 다음의 두께를 가질 수 있다: 1 마이크론 미만, 0.5 마이크론 미만, 0.2 마이크론 미만, 0.1 마이크론 미만, 50 nm 미만, 40 nm 미만, 또는 30 nm 미만. 접착제에 대한 나노섬유 시트의 비율은 체적으로, 1:5 미만, 1:10 미만, 1:100 미만 또는 1:1000 미만일 수 있다. 접착제에 대한 나노섬유 시트의 비율은, 질량으로, 1:5 미만, 1:10 미만, 1:100 미만, 1:1,000 미만 또는 1:10,000 미만일 수 있다.
접착성 나노섬유 복합재의 제조 방법 예시
접착성 나노섬유 복합재 (100)은 본 출원에 기재된 기술들을 비롯한 임의의 적합한 기술들에 의해 제조될 수 있다. 도 11은 접착성 나노섬유 복합재 (100)을 형성하기 위하여 사용될 수 있는 방법의 한 예 (200)를 설명한다. 도 11에서 볼 수 있는 바와 같이, 방법 (200)은 나노섬유 시트(들)을 제공하는 단계 (202) 및 나노섬유 시트(들)의 선택적 금속화 단계 (204)를 포함한다. 나노섬유 시트는 화학적 증기 증착 (CVD), 압력 보조 화학적 증기 증착 (PCVD), 전자 빔 (eBeam) 증착, 스퍼터링, 원자층 증착 (ALD), 및/또는 전기도금을 비롯한 임의의 공지된 기술에 의해 금속화될 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 나노섬유 시트는 개별적으로 금속화되거나, 일부 구체예들에서, 적재 배열된 하나 이상의 나노섬유 시트가 금속화될 수 있다. 적재 배열된 나노섬유 시트가 금속화되는 이러한 일부 구체예들에서, 금속은 최상부 나노섬유 시트 상에서뿐만 아니라 하나 또는 그 이상의 기저 나노섬유 시트 상에도 증착될 수 있다. 일부 구체예들에서, 하나 이상의 금속층이 나노섬유 시트(들) 상에 증착될 수 있다. 접착성 나노섬유 복합재가 금속화되는 구체예들에서, 완충층은 금속 증착 이전에 나노섬유 시트(들) 상에 증착될 수 있다. 일부 이러한 구체예들에서, 완충층은 나노섬유 시트를 금속화하는데 사용되는, CVD, PCVD, 전자빔 (eBeam) 증착, 스퍼터링, ALD 및/또는 전기도금을 비롯한 임의의 기술을 사용하여 증착될 수 있다. 다양한 구체예들에서, 완충층은 접착성, 마모성, 전기 전도성 및/또는 반사율을 개선시킬 수 있다. 완충층 (110)과 관련하여 본 출원에 기재된 임의의 재료가 완충층을 형성하기 위해 사용될 수 있다.
방법 (200)은 선택적으로 기판 상에 나노섬유 시트(들)을 배치하는 단계 (206)가 이어진다. 일부 구체예들에서, 본 출원에서 상기 설명한 바와 같이 나노섬유 시트(들)은 변형가능 및/또는 연신가능한 기판 상에 놓일 수 있다. 변형가능 또는 연신가능한 기판이 사용되는 구체예들에서, 나노섬유 시트(들)은 기판이 변형되거나 연신될 때 기판 상에 배치될 수 있다. 나노섬유 복합재가 연신가능 또는 변형가능한 기판 상에 형성되는 구체예들에서, 생성되는 나노섬유 복합재는 연신가능할 수 있다. 일부 특정 구체예들에서, 연신된 기판 상에 형성된 나노섬유 복합재는 대략, 복합재가 형성되는 동안 기판이 연신되었던 만큼 연신될 수 있다. 예를 들면, 일부 구체예들에서 기판은 대략 700% 연신될 수 있고 나노섬유 복합재는 이러한 연신된 기판 상에 형성되며, 생성된 나노섬유 복합재는 파열되지 않고 대략 700% 연신될 수 있다.
일부 구체예들에서, 기판은 실질적으로 평면형일 수 있으나 기타 구체예들에서 기판은 비-평면형 일 수 있다. 예를 들면, 일부 구체예들에서 기판은 골(ridges) 및/또는 홈(indentations)을 포함할 수 있다. 이러한 그리고 기타 구체예들에서, 기판은 곡선형, 원뿔형, 구형 또는 원통형일 수 있다. 일부 구체예들에서 접착성 나노섬유 복합재는 기저 기판 형상에 순응될 수 있음이 본 출원 내용에 비추어 이해될 것이다. 예를 들면, 접착성 나노섬유 복합재가 구형 기판 상에 형성될 때, 일부 구체예들에서, 생성되는 접착성 나노섬유 복합재는 구형일 수 있다.
방법 (200)은 나노섬유 시트(들)을 하나 또는 그 이상의 접착제들에 노출시키는 단계 (208)로 이어진다. 일부 구체예들에서, 접착제는 나노섬유 시트(들)에 고형 접착제 필름으로서 처리되고, 기타 구체예들에서 접착제는 나노섬유 시트(들)에 접착제 용액 또는 분산액으로서 처리될 수 있다. 고형 접착제 필름이 나노섬유 시트(들)에 처리되는 구체예들에서, 고형 접착제 필름은 나노섬유 시트에 대해 직접 접착될 수 있다. 일부 구체예들에서, 하나 이상의 접착제 필름이 사용될 수 있다. 이러한 일부 구체예들에서, 제 1 접착제 필름은 인접한 나노섬유 시트들 사이에 배치될 수 있고 제 2 접착제 필름은 이들 나노섬유 시트들 중 하나의 바깥쪽 표면에 접착될 수 있거나 별도의 나노섬유 시트에 접착될 수 있다. 일부 선택 구체예들에서, 접착제 나노섬유 필름들은 나노섬유 복합재의 각 나노섬유 시트 사이에 배치된다. 사용될 수 있는 접착제 필름들의 예는 아크릴, 폴리우레탄, 부틸 고무, 천연 고무, 스티렌 블록 공중합체, 폴리에스터, 실리콘, 폴리비닐 에스터, 및 이의 조합을 포함하는 필름들을 포함하나 이에 제한되는 것은 아니다. 접착제 필름(들)은 접촉시 나노섬유 시트(들)에 접착할 수 있거나 접착시키는 또는 접착을 향상시키는 처리를 거칠 수 있다. 예를 들면, 일부 구체예들에서, 나노섬유 시트(들) 및 접착제 필름(들)은 접착을 촉진시키기 위하여 함께 가압되거나 및/또는 가열될 수 있다.
접착제가 나노섬유 시트(들)에 접착제 용액 또는 분산액으로서 처리되는 구체예들에서, 접착제 용액 또는 분산액은 하나 또는 그 이상의 중합체, 가교제, 용매, 및/또는 첨가제를 비롯한 다양한 성분들을 포함할 수 있다. 사용될 수 있는 가교제의 예에는 에폭시, 이소시아네이트, 아지리딘 및/또는 금속 킬레이트가 포함되나 이에 제한되는 것은 아니다. 적합한 임의의 유형의 용매, 가령, 일부 구체예들에서, 톨루엔, 에틸 아세테이트, 메틸-에틸 케톤, 부틸 아세테이트, 메틸 이소부틸 케톤, 헥산, 및/또는 이소프로필 알콜이 접착제 용액 또는 분산액에 사용될 수 있다. 일부 구체예들에서, 접착제 용액 또는 분산액은 용매에 대하여 10:1 내지 1:10의 중량비로 중합체를 포함한다. 일부 특정 구체예들에서, 접착제 용액 또는 분산액에서 용매에 대한 중합체의 중량비는 5:1 내지 1:5이고 일부 구체예들에서는 1:1 내지 1:4이다. 접착제 용액 또는 분산액은 또한 0.1 내지 10 퍼센트 중량비의 가교제를 및/또는 0.1 내지 50 퍼센트 중량 범위의 첨가제를 포함할 수 있다. 일부 구체예들에서, 하나 이상의 접착제가 접착제 용액에서 사용될 수 있다. 예를 들면, 일부 구체예들에서, 적어도 2개의 상이한 또는 적어도 3개의 상이한 접착제들이 접착제 용액 또는 분산액에 포함될 수 있다. 일부 구체예들에서, 접착제 용액의 성질은 나노섬유 시트 내 나노섬유들 또는, 존재하는 경우, 금속에 대하여 증가된 친화도를 제공하도록 조절될 수 있다. 예를 들면, 일부 구체예들에서, 접착제 용액은 증가되거나 감소된 친수성을 가지도록 배합되고, 이로써 금속에 대한 보다 많은 또는 보다 적은 친화도를 가지는 용액을 제공할 수 있다.
접착제 용액 또는 분산액은 적어도 2가지 방식으로 나노섬유 시트(들)에 도입될 수 있다. 일부 구체예들에서, 예를 들면, 접착제 용액 또는 분산액은 기판 상에 처리될 수 있고 그 다음 나노섬유 시트(들)이 접착제 용액 또는 분산액 상에 배치될 수 있다. 기타 구체예들에서, 나노섬유 시트(들)은 먼저 기판 상에 배치될 수 있고 그 다음 접착제 용액 또는 분산액은 나노섬유 시트(들)이 기판 상에 배치되는 동안 나노섬유 시트(들)에 처리될 수 있다. 접착제 용액 또는 분산액은 나노섬유 시트들이 적어도 약간 다공성일 때 존재하는 나노섬유 시트에 침투될 수 있다. 접착제 용액 또는 분산액은 배치(batch)식 공정 또는 연속식 공정으로 나노섬유 시트에 처리될 수 있다.
방법 (200)은 접착제 용액이 사용되는 경우 선택적으로 접착제 용액으로부터 용매를 제거하는 단계 (210)으로 이어진다. 용매는 임의의 기술에 의해 접착제 용액으로부터 제거될 수 있다. 예를 들면, 용매는 추가 처리없이 접착제 용액으로부터 증발될 수 있다. 기타 구체예들에서, 복합재는 용매를 제거하기 위하여 가열되거나 진공에 노출될 수 있다. 용매 제거는, 일부 경우들에서, 나노섬유 시트(들)을 치밀화할 수 있다. 예를 들면, 용매가 제거된 후 나노섬유 시트(들)의 총 두께는 적어도 10%, 적어도 20%, 적어도 30%, 적어도 40%, 적어도 50%, 적어도 60% 적어도 70% 또는 적어도 80% 만큼 감소될 수 있다. 일부 구체예들에서, 치밀화 수준은 접착제 용액으로부터 제거되는 용매의 양에 비례할 수 있다. 예를 들면, 용매에 대한 1:2의 중합체 중량비의 접착제 용액에 노출된 나노섬유 시트는 용매 제거시 용매에 대한 1:1의 중합체 중량비의 접착제 용액에 노출된 나노섬유 시트 보다 더 치밀화될 수 있다.
형성 후, 접착성 나노섬유 복합재는 임의의 원하는 방식으로 포장될 수 있다. 예를 들면, 접착성 나노섬유 복합재는 여전히 기판 상에 있는 상태로 포장되거나 롤 상에 권취될 수 있다. 대안적으로, 접착성 나노섬유 복합재는 기판에서 제거된 후 포장될 수 있다. 예를 들면, 일부 특정 구체예들에서, 기판은 접착성 나노섬유 복합재에서 제거될 수 있으며 이러한 복합재는 그 자체로 권취되어 롤을 형성할 수 있다. 일부 구체예들에서, 접착성 나노섬유 복합재의 노출된 표면 상에 이형 라이너(release liner)가 배치될 수 있다. 예를 들면, 일부 구체예들에서, 이형 라이너는 기판의 반대쪽 접착성 나노섬유 복합재 표면 상에 배치될 수 있다. 이러한 그리고 기타 구체예들에서, 기판은 접착성 나노섬유 복합재로부터 제거될 수 있으며 이형 라이너로 대체될 수 있다. 일부 구체예들에서, 이형 라이너는 가공하는 동안 그 크기 및 형상을 유지하기에 충분한 기계적 완전성을 가지므로, 나노섬유 시트에 대한 손상 가능성을 최소화시킨다. 이형 라이너는 나노섬유 시트와 충분한 접착성을 가지므로 나노섬유 시트들은 단단히, 하지만 제거가능하게 이형 라이너에 결합된다. 이형 라이너와 복합재 사이의 접착성은 나노섬유 시트들이 복합재를 손상시키지 않고 이형 라이너로부터 탈착될 수 없을 정도로 그리 강하지는 않다. 이형 라이너들의 예에는 플라스틱 필름들 (폴리에스터, 가령, 실리콘, 폴리에틸렌 테레프탈레이트 (PET), 폴리부틸렌 테레프탈레이트, 및 폴리에틸렌 나프탈레이트 (PEN), 폴리에틸렌 필름들, 폴리프로필렌 필름들, 셀로판, 디아세틸 셀룰로오스 필름들, 트리아세틸 셀룰로오스 필름들, 아세틸 셀룰로오스 부티레이트 필름들, 폴리비닐 클로라이드 필름들, 폴리비닐리덴 클로라이드 필름들, 폴리비닐 알콜 필름들, 에틸렌-비닐 아세테이트 공중합체 필름들, 폴리스티렌 필름들, 폴리카보네이트 필름들, 폴리메틸펜텐 필름들, 폴리설폰 필름들, 폴리에터 에터 케톤 필름들, 폴리에터설폰 필름들, 폴리에터이미드 필름들, 폴리이미드 필름들, 불소 수지 필름들, 폴리아미드 필름들, 아크릴 수지 필름들, 노르보르넨 수지 필름들, 및 시클로올레핀 수지 필름을 포함하나 이에 제한되는 것은 아님), 종이, 실리콘 코팅 종이, 금속 포일, 및/또는 유리 필름이 포함된다. 수많은 구조들이 본 출원의 내용에 비추어 명확해질 것이다.
방법들의 예시
본 출원에 따른 접착성 나노섬유 복합재를 제조하기 위하여 수많은 방법들이 사용될 수 있다. 일부 특정 예시들이 본 출원에 상세히 기재되어 있다.
첫번째 예시 공정에서, 나노섬유 시트는 나노섬유 숲으로부터 인발되고 선택적으로 금속화된다. 인발 후, 나노섬유 시트는 이어서 기판 상에 배치되고 접착제 용액으로 코팅된다. 일부 구체예들에서, 추가 나노섬유 시트들이 (제 1) 나노섬유 시트 상에 배치되어 나노섬유 시트 스택(stack)을 형성할 수 있다. 존재하는 경우, 추가 나노섬유 시트들은 제 1 나노섬유 시트 상에 코팅된 접착제 용액과 동일하거나 상이할 수 있는 접착제 용액으로 코팅된다. 이후 접착제 용액은 존재하는 나노섬유 시트에 침투한다. 이후 접착제 용액에 존재하는 용매는 추가 가공으로 또는 추가 가공없이 증발되고, 이로써 나노섬유 시트를 치밀화한다.
두번째 예시 공정에서, 제 1 나노섬유 시트는 나노섬유 숲으로부터 인발되고, 선택적으로 금속화되어 기판 상에 배치된다. 하나 또는 그 이상의 추가 나노섬유 시트들은 이후 제 1 나노섬유 시트 상에 배치되어, 나노섬유 시트 스택을 형성한다. 접착제 용액은 적재된 나노섬유 시트에 처리된다. 시트에 침투한 후, 접착제 용액의 용매는 증발하여 치밀화된 나노섬유 시트를 생성한다.
세번째 예시 공정에서, 예시 공정 1 또는 2가 수행될 수 있으며, 나노섬유 시트와 접착제 용액이 처리되고 용매가 증발되는 동안 기판은 하나 또는 그 이상의 방향으로 연신된다.
네번째 예시 공정에서, 임의의 예시 공정 1-3이 수행될 수 있으며 기판은 평면형, 비-평면형, 곡선형, 원뿔형, 원통형 또는 구형일 수 있다.
다섯번째 예시 공정에서, 임의의 예시 공정 1-4가 수행될 수 있으며 하나 또는 그 이상의 첨가제가 하나 또는 그 이상의 나노섬유 시트들에 첨가된다. 예를 들면, 일부 구체예들에서, 하나 또는 그 이상의 of: 금속, 와이어, 나노입자, 나노섬유, 연속 박막 시트, 금속 산화물, 중합체, 세라믹, 안료, 염료, 탄소 재료, 발향(odor emitting) 화합물, 및/또는 흡향(odor absorbing) 화합물들 중 하나 또는 그 이상이 나노섬유 시트(들)에 첨가될 수 있다. 일부 특정 구체예들에서, 이붕화 마그네슘, 이산화 티타늄, 다이아몬드, 탄소 나노튜브, 풀러렌, 그래핀, 카본 블랙, 비정질 탄소, 및/또는 리튬 이온 인산염이 나노섬유 시트(들)에 첨가될 수 있다.
여섯번째 예시 공정에서, 임의의 예시 공정 1-5가 수행될 수 있으며 하나 또는 그 이상의 첨가제가 나노섬유 숲, 나노섬유 시트 및/또는 기판 상에 선택적으로 패턴화되어, 나노섬유 숲, 나노섬유 시트 및/또는 기판 중 일부 구역들은 첨가제(들)이 없고 기타 구역들은 첨가제(들)로 코팅되거나 침투된다.
일곱번째 예시 공정에서, 임의의 예시 공정 1-6이 수행될 수 있으며 나노섬유 시트가 기판 상에 배치되기 전 또는 후에 하나 또는 그 이상의 첨가제가 나노섬유 시트에 처리된다.
여덟번째 예시 공정에서, 임의의 예시 공정 1-7이 수행될 수 있으며 하나 이상의 유형의 접착제가 나노섬유 시트(들)에 첨가된다. 예를 들면, 일부 구체예들에서, 제 1 유형의 접착제 용액은 복합재의 제 1 나노섬유 시트에 처리될 수 있고 제 2 유형의 접착제 용액은 복합재의 제 2 나노섬유 시트에 처리될 수 있다. 일부 특정 구체예들에서, 감압성 접착제, 열 활성화 접착제, 수지, 및/또는 UV-활성화 접착제가 접착성 나노섬유 복합재의 나노섬유 시트(들)에 처리될 수 있다.
아홉번째 예시 공정에서, 임의의 예시 공정 1-8이 수행될 수 있으며 기판은 중합체, 가소성, 열경화성, 열가소성, 열-수축성, 고온-용융성, 경화 수지, 비경화 수지, 천연 고무, 합성 고무, 실리콘 고무, 탄성중합체, 텍스타일, 전기방사 막, 금속, 복합재, 목재, 및/또는 필름으로 형성될 수 있다. 일부 특정 구체예들에서, 기판은 가요성이고 기타 구체예들에서 기판은 비가요성이다.
열번째 예시 공정에서, 임의의 예시 공정 1-9가 수행될 수 있으며 적재된 나노섬유 시트는 나노섬유 정렬에 평행한 방향으로 배향된다. 기타 예들에서, 적재된 나노섬유 시트 내 나노섬유들은 서로에 대해 평행하지 않다.
실험예들
20개의 나노섬유 시트, 폴리아크릴레이트-계 접착제 및 은 금속층을 포함하고 대략 150 nm 두께를 가지는 한 예시적 접착성 나노섬유 복합재가 형성되었다. 이러한 예시적 접착성 나노섬유 복합재는 0.7 Ω/평방의 측정 전기 저항을 가졌다.
본 출원의 구체예들에 관한 전술한 설명은 설명을 위하여 제공되었으며; 이는 개시된 정확한 형태들이 빠짐없이 철저한 것이라거나 청구범위를 이러한 정확한 형태들로 한정하고자 하는 것이 아니다. 관련 기술 분야의 숙련된 기술자들은 상기 설명에 비추어 많은 변형들 및 변화들이 이루어질 수 있음을 이해할 것이다.
본 명세서에서 사용되는 용어는 가독성 및 지시를 목적으로 주로 선택되었으며, 본 발명의 주제를 상세히 기술하거나 제한하기 위해 선택된 것은 아닐 수 있다. 그러므로 본 출원의 범위는 본 상세한 설명에 의해 제한되지 않으며, 그보다는 본 상세한 설명에 기초하여 출원시 공개되는 청구범위에 의하여 제한된다. 따라서, 상기 구체예들에 관한 개시내용은 설명을 위한 것이며, 하기 청구범위에 제시된 본 발명의 범위를 제한하고자 하는 것이 아니다.

Claims (29)

  1. 접착성 나노섬유 복합재(adhesive nanofiber composite)로서,
    탄소 나노튜브를 포함하는 적어도 하나의 나노섬유 시트;
    상기 나노섬유 시트의 상기 탄소 나노튜브 상에 정합적으로 배치된 제1 금속층 - 상기 제1 금속층은 카바이드-형성 금속(carbide-forming metal)을 포함함 -;
    상기 제1 금속층 상의 제2 금속층;
    상기 적어도 하나의 나노섬유 시트 상의 접착제; 및
    상기 적어도 하나의 나노섬유 시트를 대향하여 상기 접착제에 부착된 제거가능한 기판
    을 포함하고,
    상기 접착제 및 상기 적어도 하나의 나노섬유 시트는 0.1 Ω/평방보다 크고 10 Ω/평방보다 작은 전기 저항을 가지는 접착성 나노섬유 복합재를 형성하는 것인, 접착성 나노섬유 복합재.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 접착제는 감압성 접착제(pressure sensitive adhesive)인 것인, 접착성 나노섬유 복합재.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 접착제는 아크릴(acrylics), 폴리우레탄(polyurethanes), 라텍스(latexes), 부틸 고무(butyl rubbers), 천연 고무(natural rubbers), 스티렌 블록 공중합체(styrene block copolymer), 폴리에스터(polyester), 실리콘(silicone), 폴리비닐 에스터(polyvinyl ester) 및 이의 조합으로 구성된 그룹에서 선택되는 것인, 접착성 나노섬유 복합재.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 접착제는 스테인레스 강 기판 상에서 2-30 N/25 mm 사이의 접착 강도를 가지는 것인, 접착성 나노섬유 복합재.
  5. 청구항 1에 있어서,
    적어도 2개의 나노섬유 시트가 상기 접착성 나노섬유 복합재에 포함되는 것인, 접착성 나노섬유 복합재.
  6. 삭제
  7. 청구항 1에 있어서,
    상기 제2 금속층의 금속은 금, 은, 구리, 및 알루미늄 중 적어도 하나를 포함하는 것인, 접착성 나노섬유 복합재.
  8. 삭제
  9. 삭제
  10. 청구항 1에 있어서,
    상기 카바이드-형성 금속은 티타늄인 것인, 접착성 나노섬유 복합재.
  11. 청구항 1에 있어서,
    상기 제1 금속층은 30nm 미만의 코팅 두께를 가지는 것인, 접착성 나노섬유 복합재.
  12. 청구항 1에 있어서,
    상기 제거가능한 기판은 변형가능한 것인, 접착성 나노섬유 복합재.
  13. 청구항 1에 있어서,
    상기 접착성 나노섬유 복합재는 연신가능(stretchable)한 것인, 접착성 나노섬유 복합재.
  14. 청구항 1에 있어서,
    상기 접착성 나노섬유 복합재는 5 마이크론 미만의 총 두께를 가지는 것인, 접착성 나노섬유 복합재.
  15. 청구항 1에 있어서,
    상기 적어도 하나의 나노섬유 시트는 10nm 미만의 두께를 가지는 것인, 접착성 나노섬유 복합재.
  16. 금속화된 접착성 나노섬유 복합재로서,
    탄소 나노튜브를 포함하는 적어도 하나의 나노섬유 시트;
    상기 적어도 하나의 나노섬유 시트의 상기 탄소 나노튜브 상에 정합적으로 배치된 제1 금속층 - 상기 제1 금속층은 카바이드-형성 금속을 포함함 -;
    상기 제1 금속층 상에서 상기 적어도 하나의 나노섬유 시트의 상기 탄소 나노튜브와 전기적으로 접촉하는 제2 금속층; 및
    상기 적어도 하나의 나노섬유 시트 상의 접착제
    를 포함하는 금속화된 접착성 나노섬유 복합재.
  17. 청구항 16에 있어서,
    상기 접착제는 아크릴, 폴리우레탄, 부틸 고무, 천연 고무, 스티렌 블록 공중합체, 폴리에스터, 실리콘, 폴리비닐 에스터 및 이의 조합으로 구성된 그룹에서 선택되는 것인, 금속화된 접착성 나노섬유 복합재.
  18. 청구항 16에 있어서,
    상기 제2 금속층의 금속은 금, 은, 구리, 백금, 니켈, 주석, 아연, 리튬, 텅스텐, 알루미늄 및 팔라듐 중 적어도 하나를 포함하는 것인, 금속화된 접착성 나노섬유 복합재.
  19. 삭제
  20. 청구항 16에 있어서,
    상기 제1 금속층은 티타늄을 포함하는 것인, 금속화된 접착성 나노섬유 복합재.
  21. 삭제
  22. 삭제
  23. 삭제
  24. 삭제
  25. 삭제
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  28. 삭제
  29. 삭제
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