KR102065651B1 - 유전특성이 개선된 탄소복합소재 및 이의 유전율 제어 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 탄소복합소재에 관한 것으로서, 고분자 수지 및 특정 조건의 탄소소재를 포함함으로써, 유전율을 제어하는 것을 특징으로 한다. 본 발명에 따른 탄소복합소재 및 이를 이용한 유전율 제어 방법은, 탄소소재의 비표면적과 탄소복합소재 간의 유전 특성 상관 관계를 확립하여, 회로 및 전자 소재 등에 다양하게 적용할 수 있다.

Description

유전특성이 개선된 탄소복합소재 및 이의 유전율 제어 방법{CARBON COMPOSITE MATERIAL HAVING IMPROVED PERMITTIVITY AND METHOD FOR CONTROLLING DIELECTRIC CONSTANT THEROF}
본 발명은 탄소복합소재 및 이의 유전율 제어 방법에 관한 것으로, 구체적으로는 고분자 수지와 함께 탄소소재를 포함하는 탄소복합소재의 유전 특성을 향상시키고 제어할 수 있는 방법에 관한 것이다.
최근에는 전자제품 기술의 발달로 전자제품의 소형화와 고집적화, 고성능화가 이루어지고 있으며, 이에 따라 유전 특성을 제어하기 위한 연구가 계속되고 있다.
종래에는 유전 특성을 제어하기 위하여, 고분자 소재 및 탄소소재를 포함하는 복합 소재의 사용 시, 첨가제의 함량을 변화시키거나 첨가제의 표면 개질 등에 따라 유전율을 변화시키는 방법이 제시되고 있다.
종래의 유전 특성 제어에 대한 일례로, 혼합되는 2종의 각 탄소소재 함량을 조절하는 방법 또는 탄소나노튜브 및 열가소성 수지를 포함하는 복합체에 있어서, 상기 열가소성 수지를 발포시키거나, 탄소나노튜브의 농도를 변화시켜 유전율을 제어하는 방법 등을 들 수 있다.
상기와 같은 종래의 기술에 대하여, 효율성 및 경제성 등을 개선하여, 일정 수준 이상의 유전 특성을 가지는 복합소재를 제공하기 위한 소재 및 방법에 대한 연구가 요구된다.
본 발명의 목적은 유전 특성이 향상된 탄소복합소재를 제공하는 것이다.
또한, 상기 탄소복합소재를 포함하는 성형품을 제공하는 것이다.
또한, 본 발명의 다른 목적은 탄소복합소재의 유전율을 제어할 수 있는 방법을 제공하는 것이다.
상기 과제를 해결하기 위하여, 본 발명은
고분자 수지 및 비표면적이 180 내지 700m2/g 인 탄소소재를 포함하는 탄소복합소재로서,
상기 탄소소재의 비표면적을 조절함으로써 상기 탄소복합소재의 복소 유전율이 제어된 것인 탄소복합소재를 제공한다.
일구현예에 따르면, 상기 탄소소재의 비표면적은 200 내지 600m2/g일 수 있다.
일구현예에 따르면, 상기 탄소복합소재 유전율의 실수부가 15 내지 50이고, 허수부가 3 내지 20일 수 있다.
일구현예에 따르면, 상기 탄소소재의 직경은 0.1 내지 100nm일 수 있다.
또한, 상기 탄소소재의 최대 직경은 1000nm일 수 있다.
또한, 상기 탄소소재의 평균 길이는 0.1 내지 100um일 수 있다.
또한, 상기 탄소소재의 최대 길이는 1000um일 수 있다.
일구현예에 따르면, 상기 탄소소재의 입자 형태는 구형, 판상 및 침상으로 이루어지는 군에서 선택되는 하나 이상일 수 있다.
또한, 상기 탄소소재는 탄소나노튜브, 탄소섬유, 그래핀으로 이루어지는 군에서 선택되는 하나 이상일 수 있다.
또한, 상기 탄소섬유는 강직한 랜덤코일 형태의 탄소나노튜브로 이루어질 수 있다.
또한, 상기 탄소섬유는 레이온계, 피치계 및 폴리아크릴로니트릴계를 포함하는 군으로부터 선택되는 하나 이상일 수 있다.
또한, 상기 탄소소재의 함량은 상기 고분자 수지 100중량부를 기준으로 1 내지 50중량부일 수 있다.
일구현예에 따르면, 상기 탄소소재와 상기 고분자 수지의 함량비는 1:1 내지 50일 수 있다.
일구현예에 따르면, 상기 고분자 수지는 열가소성 수지일 수 있다.
또한, 상기 고분자 수지는 나일론 수지, 폴리에틸렌 수지, 폴리아미드 수지, 폴리에스테르 수지, 폴리카보네이트 수지, 폴리아릴레이트 수지 및 시클로폴리올레핀 수지로 이루어진 군으로부터 선택되는 하나 이상일 수 있다.
일구현예에 따르면, 상기 탄소복합소재는 항균제, 이형제, 열안정제, 산화방지제, 광안정제, 상용화제, 염료, 무기물 첨가제, 계면활성제, 핵제, 커플링제, 충전제, 가소제, 충격보강제, 혼화제, 착색제, 활제, 정전기방지제, 안료, 방염제 및 이들의 하나 이상의 혼합물로 이루어진 군으로부터 선택된 첨가제로부터 선택되는 하나 이상을 더 포함할 수 있다.
또한, 본 발명에 따르면, 상기와 같은 탄소복합소재를 포함하는 성형품을 제공할 수 있다.
또한, 본 발명의 다른 특징에 따르면,
고분자 수지와 탄소소재를 혼합하여 탄소복합소재를 제조함에 있어서,
탄소소재의 비표면적을 180 내지 700m2/g 범위로 조절하여 탄소복합소재의 유전율을 제어하는 방법이 제공된다.
기타 본 발명의 구현예들의 구체적인 사항은 이하의 상세한 설명에 포함되어 있다.
본 발명에 따른 탄소복합소재 및 이를 함유하는 성형품에 의하면, 탄소 소재의 비표면적과 탄소복합소재의 유전특성 상관 관계를 제공함으로써, 탄소 소재의 비표면적을 제어하여 특정 유전율의 구현이 가능한 복합 소재를 제공할 수 있다.
또한, 특정 조건의 탄소복합소재를 사용함으로써, 최종 제품에서 요구하는 유전 특성의 제어가 가능하므로, PCB 회로의 캐패시터, 전자기파 흡수 등의 분야에 다양하게 활용할 수 있다.
도 1은 탄소 소재의 비표면적과 유전특성의 관계를 나타낸 그래프이다.
본 발명은 다양한 변환을 가할 수 있고 여러가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예를 도면에 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변환, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.
본 명세서에 사용된 "복합소재"의 용어는 본 명세서 내에서 "복합체"와 함께 혼용하여 기재될 수 있으며, 두 가지 이상의 소재가 모여서 형성된 소재를 의미하는 것으로 이해될 수 있다.
또한, "성형"이라는 용어는 본 명세서 내에서 "가공"과 함께 혼용하여 기재될 수 있으며, 열이나 압력 등을 가하여 목적으로 하는 형태를 형성하는 것으로 이해될 수 있다.
이하, 본 발명의 구현예에 따른 탄소복합소재 및 이의 유전율 제어방법에 대하여 보다 상세하게 설명한다.
유전 특성은 물질의 고유한 전기전도 특성을 의미하며, 유전율(Permittivity:ε)은 유전체(Dielectric Material), 즉 부도체의 전기적인 특성을 나타내는 특성 값이다. 외부 전자계의 변화에 대하여, 물질 내부의 모멘트(moment)가 얼마나 민감하게 반응하여 움직이는지 그 정도를 수치화한 것을 유전율이라고 표현할 수 있다.
유전율은 아래와 같은 수식으로 나타낸다.
Figure 112015108672712-pat00001
상기 식에서, ε는 유전율, ε'는 실수, ε"는 허수, ε0는 진공 유전율, 비유전율 εr = ε/ε0이다.
유전율의 실수부는 전자파의 파장과 관련이 있으며, 허수부는 매질에 의한 에너지 흡수 속도와 연관된다. 실제로는 유전율 전체 값을 사용하기 보다는 일정한 ε0 를 제외한 값, 즉 비유전율 εr을 특성 값으로 사용한다. 여기에서, 허수부 j 앞의 -값은 특별한 수학적 의미는 없으며, 공학계에서는 -j를 허수 구분자로, 물리학계에서는 +i를 허수 구분자로 사용하는 것에 기인한다.
그러므로, 이하 본 명세서에서 사용하는 용어 "유전율"은 실제적으로, 유전율과 진공 유전율의 비를 나타내는 "비유전율"을 의미하는 것으로 해석될 수 있다.
상기 유전율은 높을수록 투과되는 신호의 유효파장은 짧아지며, 제품의 특성에 따라 유전율을 제어하기 위하여 첨가제를 부가하거나 표면을 개질시키는 등의 방법을 사용할 수 있다.
본 발명에 따른 탄소복합소재는
고분자 수지 및 비표면적이 180 내지 700m2/g 인 탄소소재를 포함하는 탄소복합소재로서,
상기 탄소소재의 비표면적을 조절함으로써 상기 탄소복합소재의 복소 유전율이 제어되는 것을 특징으로 한다.
상기와 같은 탄소복합소재는 탄소소재의 비표면적 범위를 180 내지 700m2/g으로 함으로써, 복합소재의 유전율을 향상시킬 수 있으며, 예를 들어, 200 내지 600m2/g 범위에서 유전 특성이 매우 향상될 수 있다. 상기 탄소소재의 비표면적 범위보다 낮거나 높을 경우, 유전율의 효과적인 제어가 용이하지 않을 수 있다.
일구현예에 따르면, 상기와 같은 탄소소재의 비표면적 범위에서 우수한 유전 특성을 나타낼 수 있으며, 구체적으로, 상기 탄소복합소재 유전율의 실수부가 15 내지 50이고, 허수부가 3 내지 20일 수 있고, 예를 들어, 실수부가 20 내지 45, 허수부가 2 내지 5일 수 있다. 상기 유전특성이, 실수부 15 및 허수부 3 미만인 경우, 전자기파를 흡수하는 효과가 저하될 수 있다.
상기 유전율은 LCR 계측기를 사용하는 정전 용량법(capacitance method), 회로망 분석기(network analyzer)를 사용하는 반사도 법(reflection coefficient method), 공진 주파수 법(resonant frequency method) 등으로 측정할 수 있으나, 이에 한정된 것은 아니다.
일구현예에 따르면, 상기 탄소소재의 평균 직경은 0.1 내지 100nm일 수 있다. 상기 탄소소재의 평균 직경 범위가 0.1nm 미만인 경우, 열전도도의 증가율이 높아질 수 있고, 100nm를 초과하는 경우, 분산성이 저하될 수 있다.
또한, 상기 탄소소재의 최대 직경은 1000nm일 수 있으며, 최대 직경을 가지는 탄소소재를 포함하는 경우에는, 탄소소재 총 중량을 기준으로 10중량부를 초과하여 포함하지 않을 수 있으며, 예를 들어, 5중량부 이하로 포함할 수 있다.
일구현예에 따르면, 상기 탄소소재의 평균 길이는 0.1 내지 100um일 수 있으며, 상기 탄소소재 평균 길이 범위가 0.1um 미만인 경우, 성형성 등이 저하될 수 있고, 100um를 초과하는 경우, 열전도도가 증가할 수 있다.
또한, 상기 탄소소재의 최대 길이는 1000um일 수 있으며, 최대 길이를 가지는 탄소소재를 포함하는 경우에는, 탄소소재 총 중량을 기준으로 20중량부를 초과하지 않을 수 있으며, 예를 들어, 10중량부 이하로 포함할 수 있다.
일구현예에 따르면, 상기 탄소소재의 입자 형태는 구형, 판상 및 침상으로 이루어지는 군에서 선택되는 하나 이상을 포함할 수 있다.
상기 구형 입자는 카본 블랙 및 흑연으로 이루어지는 군에서 선택되는 하나 이상을 포함할 수 있다. 상기 판상 입자는 길이와 직경의 비(L/D ratio)가 200 이상인 탄소섬유를 의미할 수 있다. 상기 침상 입자는 탄소나노튜브 및 탄소나노섬유로 이루어지는 군에서 선택되는 하나 이상을 포함할 수 있다.
본 발명의 탄소복합소재 내에서 상기 구형 입자, 판상 입자 및 침상 입자는 그 함량비를 예를 들어, 10:30:1 정도로 포함할 수 있다.
상기 탄소소재의 종류로는 예를 들어, 탄소나노튜브, 탄소섬유, 그래핀, 카본블랙 등을 포함할 수 있으며, 구체적으로, 탄소나노튜브, 탄소섬유 또는 이들의 혼합을 포함할 수 있다. 상기와 같은 탄소소재를 사용함으로써, 유전특성 향상을 통한 전자기파 흡수 효과를 증대시킬 수 있다.
상기 탄소섬유는 예를 들어, 강직한 랜덤코일 형태의 탄소나노튜브로 이루어질 수 있다. 상기 강직한 랜덤코일 형태의 탄소나노튜브는 이펙티브 벤딩 모듈러스(effective bending modulus)가 열에너지(kT, 여기에서 k는 볼쯔만 상수이고, T는 절대온도임)보다 커서 사용하는 입자의 펼친 길이 이내에서 열에너지로 인한 탄성변형이 일어나지 않고, 입자의 전체크기(말단간 거리)가 겉보기 분자량의 제곱근 에 선형적으로 비례하는 탄소나노튜브로 정의될 수 있다.
상기 탄소섬유는 전구체가 되는 물질에 따라 구분될 수 있으며 예를 들어, 레이온(Rayon)계, 피치(Pitch)계 및 팬(Polyacrylonitrile)계 탄소섬유를 포함할 수 있고, 더욱 구체적인 예로는, 피치계로부터 제조되는 고탄성률 탄소섬유(HM-CF, High-modulus Carbon Fiber)와 PAN계로부터 제조되는 고강도 탄소섬유(HS-CF, High -strength Carbon Fiber)를 포함할 수 있다.
상기 레이온계 탄소섬유는 결함이 적은 특수 등급의 비스코스레이온(Viscose Rayon)을 포함할 수 있고, 상기 피치계 탄소섬유의 제조에 사용되는 피치에는 석유피치 및 석탄피치 등이 포함될 수 있다.
상기 팬계 탄소섬유는 탄소섬유는 PAN 전구체 섬유의 제조 및 전구체 섬유의 안정화, 탄화 및 흑연화 등에 의해 제조될 수 있으며, 선형고분자인 PAN을 출발 물질로 하여 적절한 온도 및 시간에 따른 안정화 단계를 거치면, 전구체 물질이 사슬절단, 가교, 탈수소반응과 고리화 반응 등에 의해 탄화공정을 견딜 수 있도록 열적으로 안정한 사다리구조(Ladder Structure)를 가지게 되며, 탄화수율을 향상시킬 수 있다.
아울러, 탄소섬유의 인장 탄성계수 등의 물성은 공정 진행 시 열처리 온도 등의 조건으로부터 영향을 받을 수 있으므로, 탄소섬유 제조 공정에 소요되는 온도 및 시간을 줄이기 위하여 붕소화합물 등과 같은 촉매를 사용할 수 있다.
일구현예에 따르면, 상기 탄소소재의 함량은 상기 고분자 수지 100중량부를 기준으로 1 내지 50중량부 포함할 수 있으며, 예를 들어 5 내지 40중량부, 예를 들어 10 내지 30중량부 포함할 수 있다. 상기 탄소소재 함량의 범위가 상기 고분자 수지 100중량부를 기준으로 1중량부 미만인 경우, 유전 특성의 제어가 용이하지 않을 수 있으며, 50중량부를 초과하는 경우, 성형성이 용이하지 않을 수 있다.
일구현예에 따르면, 상기 고분자 수지는 예를 들어, 열경화성 수지, 열가소성 수지 또는 광경화성 수지 등을 포함할 수 있으며, 구체적인 예로는 열가소성 수지를 포함할 수 있다.
상기 열경화성 수지로서는 예를 들면, 폴리아미드, 폴리에테르, 폴리이미드, 폴리술폰, 에폭시 수지, 불포화 폴리에스테르 수지, 페놀 수지 등을 사용할 수 있고, 광경화성 수지로서는 예를 들면, 라디칼 경화계 수지(아크릴계 모노머나 폴리에스테르아크릴레이트, 우레탄아크릴레이트, 에폭시아크릴레이트 등의 아크릴계 올리고머, 불포화 폴리에스테르, 엔티올계의 중합체), 양이온 경화계 수지(에폭시 수지, 옥세탄 수지, 비닐에테르계 수지) 등을 사용할 수 있고, 열가소성 수지로서는 예를 들면, 나일론 수지, 폴리에틸렌 수지, 폴리아미드 수지, 폴리에스테르 수지, 폴리카보네이트 수지, 폴리아릴레이트 수지, 시클로폴리올레핀 수지 등을 사용할 수 있다.
특히, 상기 열가소성 수지로서는 당업계에서 사용되는 것이라면 제한 없이 사용될 수 있으나, 예를 들어 폴리카보네이트 수지, 폴리프로필렌 수지, 폴리아미드 수지, 아라미드수지, 방향족 폴리에스테르 수지, 폴리올레핀 수지, 폴리에스테르카보네이트 수지, 폴리페닐렌에테르 수지, 폴리페닐렌설피드 수지, 폴리설폰 수지, 폴리에테르설폰 수지, 폴리아릴렌 수지, 시클로올레핀계 수지, 폴리에테르이미드 수지, 폴리아세탈 수지, 폴리비닐아세탈 수지, 폴리케톤 수지, 폴리에테르케톤 수지, 폴리에테르에테르케톤 수지, 폴리아릴케톤 수지, 폴리에테르니트릴 수지, 액정 수지, 폴리벤즈이미다졸 수지, 폴리파라반산 수지, 방향족 알케닐화합물, 메타크릴산에스테르, 아크릴산에스테르, 및 시안화비닐 화합물로 이루어지는 군에서 선택되는 1종 이상의 비닐 단량체를, 중합 혹은 공중합시켜서 얻어지는 비닐계 중합체 혹은 공중합체 수지, 디엔-방향족 알케닐 화합물 공중합체 수지, 시안화비닐-디엔-방향족 알케닐 화합물 공중합체 수지, 방향족 알케닐 화합물-디엔-시안화비닐-N-페닐말레이미드 공중합체 수지, 시안화비닐-(에틸렌-디엔-프로필렌(EPDM))-방향족 알케닐 화합물 공중합체 수지, 폴리올레핀, 염화비닐 수지, 염소화 염화비닐 수지로 이루어진 군으로부터 선택되는 적어도 하나 이상을 사용할 수 있다. 이들 수지의 구체적인 종류는 당업계에 잘 알려져 있으며, 해당 업계의 당업자들에 의해 적절히 선택될 수 있다.
상기 폴리올레핀 수지로서는, 예를 들어 폴리프로필렌, 폴리에틸렌, 폴리부틸렌, 및 폴리(4-메틸-1-펜텐), 및 이들의 조합물이 될 수 있으나 이들에 한정되는 것은 아니다. 일구현예에서, 상기 폴리올레핀으로서는 폴리프로필렌 동종 중합체(예를 들어, 혼성배열(atactic) 폴리프로필렌, 동일배열(isotactic) 폴리프로필렌, 및 규칙배열(syndiotactic) 폴리프로필렌), 폴리프로필렌 공중합체(예를 들어, 폴리프로필렌 랜덤 공중합체), 및 이들의 혼합물로 이루어진 군으로부터 선택된다. 적절한 폴리프로필렌 공중합체는, 이에 한정되지는 않지만, 에틸렌, 부트-1-엔(즉, 1-부텐), 및 헥스-1-엔(즉, 1-헥센)으로 이루어진 군으로부터 선택된 공단량체의 존재하에서 프로필렌의 중합으로부터 제조된 랜덤 공중합체를 포함한다. 이러한 폴리프로필렌 랜덤 공중합체에서, 공단량체는 임의의 적정한 양으로 존재할 수 있지만, 전형적으로 약 10wt% 이하(예를 들어, 약 1 내지 약 7wt%, 또는 약 1 내지 약 4.5wt%)의 양으로 존재할 수 있다.
상기 폴리에스테르 수지로서는, 디카르복실산 성분 골격과 디올 성분 골격의 중축합체인 호모 폴리에스테르나 공중합 폴리에스테르를 말한다. 여기서 호모 폴리에스테르로서는, 예를 들면 폴리에틸렌테레프탈레이트, 폴리프로필렌테레프탈레이트, 폴리부틸렌테레프탈레이트, 폴리에틸렌-2,6-나프탈레이트, 폴리-1,4-시클로헥산디메틸렌테레프탈레이트, 폴리에틸렌디페닐레이트 등이 대표적인 것이다. 특히, 폴리에틸렌테레프탈레이트는 저렴하므로 매우 다방면에 걸치는 용도로 사용할 수 있어 바람직하다. 또한, 상기 공중합 폴리에스테르란 다음에 예시하는 디카르복실산 골격을 갖는 성분과 디올 골격을 갖는 성분으로부터 선택되는 적어도 3개 이상의 성분으로 이루어지는 중축합체로 정의된다. 디카르복실산 골격을 갖는 성분으로서는 테레프탈산, 이소프탈산, 프탈산, 1,4-나프탈렌디카르복실산, 1,5-나프탈렌디카르복실산, 2,6-나프탈렌디카르복실산, 4,4'-디페닐디카르복실산, 4,4'-디페닐술폰디카르복실산, 아디핀산, 세바신산, 다이머산, 시클로헥산디카르복실산과 그들의 에스테르 유도체 등을 들 수 있다. 글리콜 골격을 갖는 성분으로서는 에틸렌글리콜, 1,2-프로판디올, 1,3-부탄디올, 1,4-부탄디올, 1,5-펜타디올, 디에틸렌글리콜, 폴리알킬렌글리콜, 2,2-비스(4'-β-히드록시에톡시페닐)프로판, 이소소르베이트, 1,4-시클로헥산디메탄올, 스피로글리콜 등을 들 수 있다.
상기 폴리아미드 수지로서는, 나일론 수지, 나일론 공중합체 수지 및 이들의 혼합물을 사용할 수 있다. 나일론 수지로는 통상적으로 알려진 ε-카프로락탐, ω-도데카락탐 등의 락탐을 개환 중합하여 얻어진 폴리아미드-6(나일론 6); 아미노카프론산, 11-아미노운데칸산, 12-아미노도데칸산 등의 아미노산에서 얻을 수 있는 나일론 중합물; 에틸렌디아민, 테트라메틸렌디아민, 헥사메틸렌디아민, 운데카메틸렌디아민, 도데카메틸렌디아민, 2,2,4-트리메틸헥사메틸렌디아민, 2,4,4-트리메틸헥사메틸렌디아민, 5-메틸노나헥사메틸렌디아민, 메타크실렌디아민, 파라크실렌디아민, 1,3-비스아미노메틸시클로헥산, 1,4-비스아미노메틸시클로헥산, 1-아미노-3-아미노메틸-3,5,5-트리메틸시클로헥산, 비스(4-아미노시클로헥산)메탄, 비스(4-메틸-4-아미노시클로헥실)메탄, 2,2-비스(4-아미노시클로헥실)프로판, 비스(아미노프로필)피페라진, 아미노에틸피페리딘 등의 지방족, 지환족 또는 방향족 디아민과 아디프산, 세바킨산(sebacic acid), 아젤란산(azelaic acid), 테레프탈산, 2-클로로테레프탈산, 2-메틸테레프탈산 등의 지방족, 지환족 또는 방향족 디카르복시산 등의 중합으로부터 얻을 수 있는 나일론 중합체; 이들의 공중합체 또는 혼합물을 사용할 수 있다. 나일론 공중합체로는 폴리카프로락탐(나일론 6)과 폴리헥사메틸렌세바카미드(나일론 6,10)의 공중합체, 폴리카프로락탐(나일론 6)과 폴리헥사메틸렌아디프아미드(나일론 66)의 공중합체, 폴리카프로락탐(나일론 6)과 폴리라우릴락탐(나일론 12)의 공중합체 등이 있다.
상기 폴리카보네이트 수지는 디페놀류와 포스겐, 할로겐 포르메이트, 탄산에스테르 또는 이들의 조합과 반응시켜 제조될 수 있다. 상기 디페놀류의 구체적인 예로는, 히드로퀴논, 레조시놀, 4,4'-디히드록시디페닐, 2,2-비스(4-히드록시페닐) 프로판('비스페놀-A'라고도 함), 2,4-비스(4-히드록시페닐)-2-메틸부탄, 비스(4-히드록시페닐)메탄, 1,1-비스(4-히드록시페닐)사이클로헥산, 2,2-비스(3-클로로-4-히드록시페닐)프로판, 2,2-비스(3,5-디메틸-4-히드록시페닐)프로판, 2,2-비스(3,5-디클로로-4-히드록시페닐)프로판, 2,2-비스(3,5-디브로모-4-히드록시페닐)프로판, 비스(4-히드록시페닐)술폭사이드, 비스(4-히드록시페닐)케톤, 비스(4-히드록시페닐)에테르 등을 들 수 있다. 　이들 중에서 좋게는 2,2-비스(4-히드록시페닐)프로판, 2,2-비스(3,5-디클로로-4-히드록시페닐)프로판 또는 1,1-비스(4-히드록시페닐)사이클로헥산을 사용할 수 있으며, 더 좋게는 2,2-비스(4-히드록시페닐)프로판을 사용할 수 있다.
상기 폴리카보네이트 수지는 2종 이상의 디페놀류로부터 제조된 공중합체의 혼합물일 수도 있다. 또한, 상기 폴리카보네이트 수지는 선형 폴리카보네이트 수지, 분지형(branched) 폴리카보네이트 수지, 폴리에스테르카보네이트 공중합체 수지 등을 사용할 수 있다.
상기 선형 폴리카보네이트 수지로는 비스페놀-A계 폴리카보네이트 수지 등을 들 수 있다. 상기 분지형 폴리카보네이트 수지로는 트리멜리틱 무수물, 트리멜리틱산 등과 같은 다관능성 방향족 화합물을 디페놀류 및 카보네이트와 반응시켜 제조한 것을 들 수 있다. 상기 다관능성 방향족 화합물은 분지형 폴리카보네이트수지 총량에 대하여 0.05 내지 2몰%로 포함될 수 있다. 상기 폴리에스테르카보네이트 공중합체 수지로는 이관능성 카르복실산을 디페놀류 및 카보네이트와 반응시켜 제조한 것을 들 수 있다. 　이때 상기 카보네이트로는 디페닐카보네이트 등과 같은 디아릴카보네이트, 에틸렌 카보네이트 등을 사용할 수 있다.
상기 시클로올레핀계 폴리머로서는, 노르보르넨계 중합체, 단고리의 고리형 올레핀계 중합체, 고리형 공액 디엔계 중합체, 비닐 지환식 탄화수소 중합체 및 이들의 수소화물을 들 수 있다. 그 구체예로서는, 아펠 (미츠이 화학사 제조의 에틸렌-시클로올레핀 공중합체), 아톤 (JSR 사 제조의 노르보르넨계 중합체), 제오노아 (닛폰 제온사 제조의 노르보르넨계 중합체) 등을 들 수 있다.
일구현예에 따르면, 상기 고분자 수지 중 폴리카보네이트, 폴리아크릴로나이트릴-부타디엔-스타이렌, 폴리에스테르카보네이트, 폴리프로필렌 및 폴리올레핀 등을 1종 이상 사용할 수 있으며, 예를 들어, 폴리에틸렌 수지, 폴리아미드 수지, 폴리에스테르 수지, 폴리카보네이트 수지, 폴리아릴레이트 수지 및 시클로폴리올레핀 수지로 이루어진 군으로부터 선택되는 하나 이상을 포함할 수 있다.
일구현예에 따르면, 상기 탄소소재와 상기 고분자 수지의 중량비를 1:1 내지 50, 예를 들어 1:1 내지 30으로 하여 유전특성을 효과적으로 제어할 수 있다.
일구현예에 따르면, 본 발명에 따른 탄소복합소재는 항균제, 이형제, 열안정제, 산화방지제, 광안정제, 상용화제, 염료, 무기물 첨가제, 계면활성제, 핵제, 커플링제, 충전제, 가소제, 충격보강제, 혼화제, 착색제, 활제, 정전기방지제, 안료, 방염제 및 이들의 하나 이상의 혼합물로 이루어진 군으로부터 선택된 첨가제를 더 포함할 수 있다. 이와 같은 첨가물은 본 발명에 따른 복합체 및 성형품의 충격 강도 및 전자기파 차폐 성능 등의 물성에 영향을 주지 않는 범위 내에서 포함될 수 있으며, 상기 고분자 수지 100중량부를 기준으로 0.1 내지 5중량부, 예를 들어 0.1 내지 3중량부의 함량으로 포함될 수 있다.
본 발명의 탄소복합소재는 압출, 사출 또는 압출 및 사출하여 성형함으로써 성형품을 형성하여, 충격 강도가 요구되는 전자기파 차폐 제품에 적용될 수 있으나, 상기 성형품의 제조 방법은 당 업계에 사용되는 통상의 방법이면 적절하게 사용될 수 있으며, 상기 기재에 한정되지는 않는다.
본 발명에 따르면, 고분자 수지 및 비표면적이 180 내지 700m2/g인 탄소소재를 포함하는 혼합물을 제조하는 단계; 상기 혼합물로부터 펠렛을 제조하는 단계; 및 상기 펠렛을 성형하는 단계를 포함하며, 상기 탄소소재의 비표면적의 범위에서 유전 특성을 제어하는 방법으로, 최종 제품에서 요구하는 유전 특성 값을 제어할 수 있다.
이하, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명의 실시예에 대하여 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.
실시예 1 내지 3 및 비교예 1 내지 3 : 탄소복합소재의 제조
하기 표 1에 따른 조건의 탄소소재를 혼합하여, 각각의 탄소복합소재를 제조하였다.
열가소성수지로서 폴리카보네이트(LUPOT 1030 30)를 95중량부 사용하였고, 탄소소재로서 탄소섬유 및 탄소나노튜브를 5중량부 사용하였다.
구분 비표면적
(m2/g)		 직경
(nm)		 길이
(um)		 순도
(%)
실시예 1 200 내지 210 10 내지 15 10 내지 30 90
실시예 2 250 내지 300 10 내지 15 10 내지 20 90
실시예 3 550 내지 600 5 내지 10 10 내지 20 95
비교예 1 150 내지 180 10 내지 15 10 내지 20 90
비교예 2 10 내지 20 150 10 내지 30 95
비교예 3 700 내지 750 7500 6000 95
비교예 4 1100 내지 1150 7500 6000 95
제조예 1 : 성형품 시편 제작
상기 표 1에 따른 각 탄소복합소재를 사용하여, 온도 프로파일을 280℃까지 올리면서 이축 압출기 (L/D=42, Φ=40mm)에서 압출하여 0.2mm X 0.3mm X 0.4mm의 크기를 갖는 펠렛을 제조하였다.
제조된 펠렛을 사출기에서 사출온도 280℃의 플랫 프로파일의 조건으로 사출하여 두께 2mm, 지름 10mm 및 디스크(disc) 형태의 시편을 제조하였다.
실험예 1 : 유전율 측정
상기 제조예 1에 따른 각 시편에 대하여, ASTM D 150법을 사용하여 1GHz에서 유전율을 측정하여 하기 표 2에 나타내었다.
구분 유전율 실수부 유전율 허수부
실시예 1 20 3
실시예 2 39 12
실시예 3 42 14
비교예 1 14 3
비교예 2 2.5 0.7
비교예 3 12 2.1
비교얘 4 8.9 1.2
상기 표 2에 나타난 바와 같이, 탄소소재의 직경 및 길이가 같은, 실시예 1 내지 3과 비교예 1을 비교하여 보면, 실시예에 따른 탄소복합소재 유전율 실수부가 비교예보다 높은 것을 확인할 수 있다.
이상으로 본 발명 내용의 특정한 부분을 상세히 기술한 바, 당업계의 통상의 지식을 가진 자에게 있어서, 이러한 구체적 기술은 단지 바람직한 실시 양태일 뿐이며, 이에 의해 본 발명의 범위가 제한되는 것이 아닌 점은 명백할 것이다. 따라서 본 발명의 실질적인 범위는 첨부된 청구항들과 그것들의 등가물에 의하여 정의된다고 할 것이다.

Claims (18)

  1. 고분자 수지 및 비표면적이 180 내지 700m2/g 인 탄소소재를 포함하는 탄소복합소재로서,
    상기 탄소소재의 비표면적을 조절함으로써 상기 탄소복합소재의 복소 유전율이 제어되고,
    상기 탄소복합소재 유전율의 실수부가 15 내지 50이고, 허수부가 3 내지 20이며,
    상기 고분자 수지는 폴리카보네이트 수지인 탄소복합소재.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 탄소소재의 비표면적이 200 내지 600m2/g 인 것인 탄소복합소재.
  3. 삭제
  4. 제1항에 있어서,
    상기 탄소소재의 평균 직경이 0.1 내지 100nm인 것인 탄소복합소재.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 탄소소재의 최대 직경이 1000nm인 것인 탄소복합소재.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 탄소소재의 평균 길이가 0.1 내지 100um인 것인 탄소복합소재.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 탄소소재의 최대 길이가 1000um인 것인 탄소복합소재.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 탄소소재의 입자 형태가 구형, 판상 및 침상으로 이루어지는 군에서 선택되는 하나 이상인 것인 탄소복합소재.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 탄소소재가 탄소나노튜브, 탄소섬유, 그래핀으로 이루어지는 군에서 선택되는 하나 이상인 것인 탄소복합소재.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 탄소섬유가 강직한 랜덤코일 형태의 탄소나노튜브로 이루어진 것인 탄소복합소재.
  11. 제9항에 있어서,
    상기 탄소섬유가 레이온계, 피치계 및 폴리아크릴로니트릴계를 포함하는 군으로부터 선택되는 하나 이상인 것인 탄소복합소재.
  12. 제1항에 있어서,
    상기 탄소소재의 함량이 상기 고분자 수지 100중량부를 기준으로 1 내지 50중량부인 것인 탄소복합소재.
  13. 삭제
  14. 제1항에 있어서,
    상기 탄소소재와 상기 고분자 수지의 함량비가 1:1 내지 50인 것인 탄소복합소재.
  15. 삭제
  16. 제1항에 있어서,
    항균제, 이형제, 열안정제, 산화방지제, 광안정제, 상용화제, 염료, 무기물 첨가제, 계면활성제, 핵제, 커플링제, 충전제, 가소제, 충격보강제, 혼화제, 착색제, 활제, 정전기방지제, 안료, 방염제 및 이들의 하나 이상의 혼합물로 이루어진 군으로부터 선택된 첨가제로부터 선택되는 하나 이상을 더 포함하는 것인 탄소복합소재.
  17. 제1항, 제2항 및 제4항 내지 제12항, 제14항 및 제16항 중 어느 한 항의 탄소복합소재를 포함하는 성형품.
  18. 고분자 수지와 탄소소재를 혼합하여 탄소복합소재를 제조함에 있어서,
    상기 탄소소재의 비표면적을 180 내지 700m2/g 범위로 조절하고,
    상기 탄소복합소재 유전율의 실수부가 15 내지 50이고, 허수부가 3 내지 20이며, 상기 고분자 수지는 폴리카보네이트 수지인 탄소복합소재의 유전율을 제어하는 방법.
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