KR102169194B1 - Core-shell filler and method for preparing core-shell filler - Google Patents

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Abstract

이중노즐을 포함하는 전기 방사 방식에 의해, 금속으로 이루어진 코어(core) 및 탄소섬유로 이루어진 쉘(shell)의 이중 구조를 가지는 코어-쉘 필러의 제조방법이 개시된다. 상기 코어-쉘 필러의 제조방법은, (a) 전기 방사용 폴리아크릴로니트릴 용액을 제조하는 단계; (b) 전기 방사용 금속 용액을 제조하는 단계; (c) 상기 전기 방사용 폴리아크릴로니트릴 용액 및 전기 방사용 금속 용액을 전기 방사 장치의 이중 노즐에 투입하는 단계; (d) 전기 방사에 의해 상기 전기 방사용 폴리아크릴로니트릴 용액 및 전기 방사용 금속 용액을 방사하여 코어-쉘 구조의 복합섬유를 제조하는 단계; 및 (e) 상기 코어-쉘 구조의 복합섬유를 파쇄하여 금속/탄소섬유로 이루어진 코어-쉘 필러를 제조하는 단계를 포함한다. Disclosed is a method for manufacturing a core-shell filler having a dual structure of a core made of metal and a shell made of carbon fiber by an electrospinning method including a double nozzle. The method of manufacturing the core-shell filler includes: (a) preparing a polyacrylonitrile solution for electrospinning; (b) preparing a metal solution for electrospinning; (c) introducing the polyacrylonitrile solution for electrospinning and the metal solution for electrospinning into a double nozzle of an electrospinning device; (d) spinning the polyacrylonitrile solution for electrospinning and the metal solution for electrospinning by electrospinning to prepare a core-shell structured composite fiber; And (e) crushing the core-shell structured composite fibers to prepare a core-shell filler made of metal/carbon fibers.

Description

코어-쉘 필러 및 그 제조방법{Core-shell filler and method for preparing core-shell filler}Core-shell filler and method for preparing core-shell filler}

본 발명은 코어-쉘 필러 및 그 제조방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는, 이중노즐을 포함하는 전기 방사 방식에 의해, 금속으로 이루어진 코어(core) 및 탄소섬유로 이루어진 쉘(shell)의 이중 구조를 가지는 코어-쉘 필러 및 그 제조방법에 관한 것이다.
The present invention relates to a core-shell filler and a method for manufacturing the same, and more particularly, a dual structure of a core made of metal and a shell made of carbon fiber by an electrospinning method including a double nozzle It relates to a core-shell filler and a method of manufacturing the same.

최근 들어, 이중 구조를 가지는 필러(filler)와 관련된 다양한 기술들이 개발되고 있다. 그 중, PAN(poly acrylo nitrile) - PC(poly carbonate), PAN - PS(poly stylene), PCL(poly capro lactone) - 젤라틴, PVP(poly vinyl pyrrolidone) - PLA(poly lactic acid) 및 PEO(poly ethylene oxide) - PEG-b-PLA(poly ethylene glycol과 poly lactic acid의 블록공중합체) 등 전도성이 우수한 고분자를 내부(core)에 적용한 이중 구조의 섬유를 개발 중으로, 내부가 비어있는 구조(중공 구조)의 섬유는 약물 전달체계, 연료전지막, 촉매 및 센서에 응용되고 있으나, EMI(electro magnetic interference) 차폐와 관련된 분야로의 적용은, 탄소 소재의 저항 문제로 어려움을 겪고 있다. 탄소섬유만을 EMI 차폐용으로 사용할 시에는, 탄소섬유 표면에 니켈(Ni), 구리(Cu), 은(Ag) 및 탄소나노튜브(CNT) 등을 코팅하여 전도성을 개선할 수는 있다. 또한, 코어-쉘 구조의 산화 방지의 경우, 코어(core) 표면에 쉘(shell)로 산화도가 낮은 금속 또는 PVA(poly vinyl alcohol)나 PVP 등의 고분자로 구조를 형성한다.Recently, various technologies related to a filler having a dual structure have been developed. Among them, PAN (poly acrylo nitrile)-PC (poly carbonate), PAN-PS (poly stylene), PCL (poly capro lactone)-gelatin, PVP (poly vinyl pyrrolidone)-PLA (poly lactic acid) and PEO (poly Ethylene oxide)-PEG-b-PLA (block copolymer of polyethylene glycol and polylactic acid) is developing a double-structured fiber in which a high-conductivity polymer is applied to the core, with a hollow structure (hollow structure). ) Fiber is applied to drug delivery systems, fuel cell membranes, catalysts, and sensors, but its application to fields related to electromagnetic interference (EMI) shielding is experiencing difficulties due to the resistance problem of carbon materials. When only carbon fiber is used for EMI shielding, conductivity can be improved by coating nickel (Ni), copper (Cu), silver (Ag), and carbon nanotubes (CNT) on the surface of the carbon fiber. In addition, in the case of preventing oxidation of the core-shell structure, a structure is formed on the surface of the core with a metal having a low oxidation degree as a shell or a polymer such as poly vinyl alcohol (PVA) or PVP.

통상의 코어-쉘 구조는 전도성 및 신뢰성에 문제가 있는데, 금속 나노입자와 탄소섬유의 혼합 시(blending type)에는, 산화도가 높은(산화성) 금속에, PVP 및 PVA 등의 산화 방지 유기물을 쉘(shell)로 적용하였을 때, 고온의 열처리 공정에 의해 유기물이 쉽게 분해가 된다. 산화도가 높은 구리(Cu), 니켈(Ni), 은나노선(Ag nono wire) 등의 금속 나노입자를 사용할 시 산화로 인해 저항이 증가하며, 상기 산화성 금속에 20% 이상의 금속을 코팅할 시에는 비용 상승 및 코팅이 되지 않거나 적게 된 부분의 산화로 인해 저항이 증가되며, 도전성 잉크로 적용 시, 건조 온도가 200 ℃ 이상일 때 산화 방지에 어려움이 있고, 300 ℃ 이상의 높은 유리전이온도에서의 고분자(EP 수지) 압출 공정 시에도 마찬가지로 산화 방지가 어렵다. 또한, 상기 금속 나노입자와 탄소섬유의 혼합 시(blending type)에는, 전도성 금속 파우더(도전체) 간의 네킹(necking) 부족으로 전도성 및 신뢰성이 저하되는데, 네킹 향상을 위한 나노 파우더 첨가량 증가 시 비표면적 증가로, 크랙이 발생하여 제품의 내구성이 저하된다. 통상의 압사출 공정에서는, 전도성 필러 및 물리적 특성을 높이기 위한 필러(보강재)의 첨가가 이루어진다. 한편, 전도성 확보를 위해 쉘(shell)로 금속 파우더를 사용할 시, 파우더 간의 코팅 방식으로 인해 코팅이 되지 않은 부분이 존재할 시에는 산화도가 높은 코어 부분의 금속이 산화되기 쉬워지며, 상기 금속 파우더가 두껍게 코팅될 시에는 금속 사용량의 증가로 인해 비용이 상승하게 된다. ('전기 방사에 의한 이중구조, 중공구조 및 다공성 나노섬유의 제조 및 응용'- 고분자과학과 기술 제19권1호(2008.02), colloid interface sci.(2007, 311, 417-424.), 특허공개 10-210-006681, 특허등록 10-0830871, 특허등록 10-0781586).
A typical core-shell structure has problems in conductivity and reliability. In the case of mixing metal nanoparticles and carbon fibers (blending type), a metal with a high degree of oxidation (oxidizing property) is mixed with an antioxidant organic material such as PVP and PVA. When applied as a (shell), organic matter is easily decomposed by a high-temperature heat treatment process. Resistance increases due to oxidation when metal nanoparticles such as copper (Cu), nickel (Ni), and silver nanowire (Ag nono wire) are used, and when 20% or more of metal is coated on the oxidizing metal, Resistance increases due to increased cost and oxidation of areas that are not coated or less, and when applied as a conductive ink, it is difficult to prevent oxidation when the drying temperature is 200 ℃ or higher, and polymers at high glass transition temperatures of 300 ℃ or higher ( EP resin) It is also difficult to prevent oxidation during the extrusion process. In addition, when the metal nanoparticles and carbon fibers are mixed (blending type), conductivity and reliability are lowered due to insufficient necking between conductive metal powders (conductors), and when the amount of nanopowder added to improve necking increases, the specific surface area As it increases, cracks occur and the durability of the product decreases. In the usual pressure injection process, addition of a conductive filler and a filler (reinforcing material) for enhancing physical properties is performed. On the other hand, when a metal powder is used as a shell to secure conductivity, when an uncoated part exists due to the coating method between powders, the metal in the core part with high oxidation degree is easily oxidized, and the metal powder is In the case of thick coating, the cost increases due to the increase in the amount of metal used. ('Production and application of double structure, hollow structure and porous nanofibers by electrospinning'-Polymer Science and Technology Vol. 19 No. 1 (2008.02), colloid interface sci. (2007, 311, 417-424.), Patent disclosure 10-210-006681, patent registration 10-0830871, patent registration 10-0781586).

또한, 대한민국 특허공개 10-2012-48944호는 금속간화합물 또는 합금 코어와 탄소나노튜브 쉘로 구성된 이질나노와이어 및 그 합성방법을 개시하고 있으며, 코어는 도전성보다 기능성에 중점을 두고, 쉘은 탄소의 가스를 이용한 것을 특징으로 하는 것으로, 탄소나노튜브를 적용하여 이중와이어를 제조하는 것이다. 또한, 대한민국 특허공개 10-2011-99475호는 동심원성 다중노즐을 이용한 구배 나노섬유 재료의 제조방법 및 상기 방법으로 제조된 구배 나노섬유를 개시하며, 코어로 고분자를 사용하고, 금속 산화물 용액을 분야에 따라 추가할 수 있다. 또한, 미국특허공개 2006-0213829호는 두 유체의 전기 방사 공정에 의한 서브마이크론 직경의 섬유 제조를 개시하며, 고분자 만으로 코어 및 쉘을 구성하는 것을 특징으로 한다.
In addition, Korean Patent Laid-Open No. 10-2012-48944 discloses a heterogeneous nanowire composed of an intermetallic compound or alloy core and a carbon nanotube shell and a method for synthesizing the same.The core focuses on functionality rather than conductivity, and the shell is made of carbon. It is characterized by using a gas, and is to manufacture a double wire by applying carbon nanotubes. In addition, Korean Patent Publication No. 10-2011-99475 discloses a method for preparing a gradient nanofiber material using a concentric multi-nozzle and a gradient nanofiber prepared by the method, and uses a polymer as a core and uses a metal oxide solution. Can be added according to. In addition, U.S. Patent Publication No. 2006-0213829 discloses the production of submicron-diameter fibers by electrospinning two fluids, and is characterized in that a core and a shell are composed of only polymers.

본 발명의 목적은, 전자파의 차폐를 위해 도전성 금속의 산화 방지 및 전도성을 높일 수 있는 코어-쉘 필러 및 그 제조방법을 제공하는 것이다.An object of the present invention is to provide a core-shell filler capable of increasing conductivity and preventing oxidation of a conductive metal for shielding electromagnetic waves, and a method of manufacturing the same.

본 발명의 다른 목적은, 이중 노즐을 포함하는 전기 방사 방식을 이용하는 코어-쉘 필러 및 그 제조방법을 제공하는 것이다.
Another object of the present invention is to provide a core-shell filler using an electrospinning method including a double nozzle and a manufacturing method thereof.

상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은, (a) 전기 방사용 폴리아크릴로니트릴 용액을 제조하는 단계; (b) 전기 방사용 금속 용액을 제조하는 단계; (c) 상기 전기 방사용 폴리아크릴로니트릴 용액 및 전기 방사용 금속 용액을 전기 방사 장치의 이중 노즐에 투입하는 단계; (d) 전기 방사에 의해 상기 전기 방사용 폴리아크릴로니트릴 용액 및 전기 방사용 금속 용액을 방사하여 코어-쉘 구조의 복합섬유를 제조하는 단계; 및 (e) 상기 코어-쉘 구조의 복합섬유를 파쇄하여 금속/탄소섬유로 이루어진 코어-쉘 필러를 제조하는 단계를 포함하는 코어-쉘 필러의 제조방법을 제공한다.
In order to achieve the above object, the present invention, (a) preparing a polyacrylonitrile solution for electrospinning; (b) preparing a metal solution for electrospinning; (c) introducing the polyacrylonitrile solution for electrospinning and the metal solution for electrospinning into a double nozzle of an electrospinning device; (d) spinning the polyacrylonitrile solution for electrospinning and the metal solution for electrospinning by electrospinning to prepare a core-shell structured composite fiber; And (e) crushing the core-shell structured composite fibers to produce a core-shell filler made of metal/carbon fibers.

또한, 본 발명은, 파우더 형태의 금속(metal), 금속산화물(metal oxide) 및 그래핀 옥사이드(graphene oxide)로 이루어진 군으로부터 선택되는 입자로 이루어지며, 길이 방향으로 연장된 원기둥 형태의 코어(core); 및 탄소섬유로 이루어지고, 상기 코어(core)를 감싸는 쉘(shell)을 포함하는 코어-쉘 필러를 제공한다.
In addition, the present invention is made of particles selected from the group consisting of metal in powder form, metal oxide, and graphene oxide, and has a cylindrical core extending in the longitudinal direction. ); And a shell made of carbon fiber and surrounding the core-shell filler.

본 발명에 따른 코어-쉘 필러 및 그 제조방법은, 코어-쉘 구조의 적용으로 산화도가 높은 금속의 산화 방지 및 전도성 유지가 용이하고, 전도성 및 강도를 향상시키는 탄소섬유 및 전도성 금속을 사용하여, 필러 증가로 인한 크랙을 방지하여 제품의 내구성 저하를 막을 수 있다(동일 함량 시). 특히, 그 자체가 고유한 전도성을 가지고, 열, 내습성(0.05 % 이하), 내화학성 및 내약품성이 우수한 탄소섬유를 코어-쉘 구조의 외부인 쉘(shell)에 적용함으로써, 통상의 코어-쉘 구조의 문제점이었던 전도성 감소 문제 및 신뢰성을 개선하였으며, 고온의 압출 공정에도 적용이 가능해졌고, 탄소 소재를 사용함으로 인해 비용을 낮출 수 있다. 또한, 코어-쉘 필러를 10 내지 50 % 첨가할 수 있으며, 쉘(shell) 내부에서 파우더 간의 네킹(necking)도 우수하여, 통상의 압사출 공정에서 문제되었던 점들을 개선할 수 있게 되었다. 또한, 전기 방사 방식을 이용하여 내염화 및 탄소화 공정을 적용한 상기 코어-쉘 필러를 제조할 시, 탄소섬유(shell)의 전도성 개선뿐만 아니라, 금속(core)의 전도성 감소 역시 줄어들게 된다.
The core-shell filler and its manufacturing method according to the present invention use carbon fibers and conductive metals to prevent oxidation and maintain conductivity of metals with high oxidation degree by applying a core-shell structure, and to improve conductivity and strength. , By preventing cracks due to an increase in filler, it can prevent the durability of the product from deteriorating (at the same content). In particular, by applying carbon fibers that have inherent conductivity and are excellent in heat, moisture resistance (0.05% or less), chemical resistance, and chemical resistance to the shell outside of the core-shell structure, a common core-shell The problem of reducing conductivity and reliability, which was a problem of the structure, has been improved, and it can be applied to a high-temperature extrusion process, and the cost can be lowered by using a carbon material. In addition, 10 to 50% of the core-shell filler may be added, and necking between powders within the shell is also excellent, so that problems that were encountered in a conventional pressure injection process can be improved. In addition, when the core-shell filler to which the flameproofing and carbonizing processes are applied using an electrospinning method is manufactured, not only the conductivity of the carbon fiber (shell) is improved, but also the conductivity of the metal (core) is reduced.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른, 코어-쉘 필러의 제조방법을 설명하기 위한 플로우챠트.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른, 코어-쉘 필러의 제조방법을 구현하기 위한 전기 방사 장치의 개략도.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른, 코어-쉘 필러의 모식도.
도 4는 본 발명에 따른, 코어-쉘 필러가 적용된 전자파 차폐 시트 시편의 표면도(2-1 내지 2-4) 및 탄소섬유만 적용된 전자파 차폐 시트 시편의 표면도(2-5 및 2-6).
1 is a flowchart illustrating a method of manufacturing a core-shell filler according to an embodiment of the present invention.
Figure 2 is a schematic diagram of an electrospinning device for implementing a method of manufacturing a core-shell filler according to an embodiment of the present invention.
3 is a schematic diagram of a core-shell filler according to an embodiment of the present invention.
4 is a surface view (2-1 to 2-4) of an electromagnetic wave shielding sheet specimen to which a core-shell filler is applied and a surface view (2-5 and 2-6) of an electromagnetic wave shielding sheet specimen to which only carbon fiber is applied according to the present invention. ).

이하, 본 발명을 상세히 설명한다. Hereinafter, the present invention will be described in detail.

본 발명은 EMI 차폐와 관련된, 필름 잉크, 시트, 전자제품 및 자동차 하우징에 적용될 필러(filler)를 제조하는 것으로, 코어-쉘 구조의 고전도성 나노섬유 제조방법에 의한 것이다. The present invention is to manufacture a filler (filler) to be applied to the film ink, sheet, electronic products and automobile housings related to EMI shielding, and is by a method of manufacturing a highly conductive nanofiber having a core-shell structure.

본 발명에 따른 코어-쉘 필러의 제조방법은, (a) 전기 방사용 폴리아크릴로니트릴 용액을 제조하는 단계, (b) 전기 방사용 금속 용액을 제조하는 단계, (c) 상기 전기 방사용 폴리아크릴로니트릴 용액 및 전기 방사용 금속 용액을 전기 방사 장치의 이중 노즐에 투입하는 단계, (d) 전기 방사에 의해 상기 전기 방사용 폴리아크릴로니트릴 용액 및 전기 방사용 금속 용액을 방사하여 코어-쉘 구조의 복합섬유를 제조하는 단계 및 (e) 상기 코어-쉘 구조의 복합섬유를 파쇄하여 금속/탄소섬유로 이루어진 코어-쉘 필러를 제조하는 단계를 포함하며, 필요에 따라, 상기 (d) 단계에서 제조된 코어-쉘 구조의 복합섬유를 내염화 처리하는 단계 및 상기 내염화 처리된 복합섬유를 탄소화 처리하는 단계를 더욱 포함할 수 있다.
The method of manufacturing a core-shell filler according to the present invention includes: (a) preparing a polyacrylonitrile solution for electrospinning, (b) preparing a metal solution for electrospinning, (c) the polyacrylonitrile for electrospinning Injecting an acrylonitrile solution and a metal solution for electrospinning into the double nozzle of an electrospinning device, (d) spinning the polyacrylonitrile solution for electrospinning and the metal solution for electrospinning by electrospinning to core-shell And (e) crushing the core-shell structured composite fibers to produce a core-shell filler made of metal/carbon fibers, and if necessary, the (d) step It may further include a step of performing a flame-resistant treatment of the composite fiber of the core-shell structure prepared in and carbonization treatment of the flame-resistant composite fiber.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른, 코어-쉘 필러의 제조방법을 설명하기 위한 플로우챠트이다. 도 1을 참조하여, 상기 코어-쉘 필러의 제조방법을 상세히 설명한다. 먼저, 아크릴로니트릴, 아크릴계 공단량체, 개시제, 분산매 및 용매로 제조되는 상기 전기 방사용 폴리아크릴로니트릴 용액을 제조하는 방법을 설명하면, 수산화나트륨으로 정제된 아크릴로니트릴과 메타크릴산 등의 아크릴계 공단량체(comonomer)를 혼합한다(S 10, 공단량체의 예를 들면, methyl acrylate, methyl methacrylate, mathacrylic acid, vinylacetate, itaconic Acid, sodium methallyl sulphonate 등이 있다). 이 때, 상기 아크릴로니트릴 및 아크릴계 공단량체는 각각 75 내지 90 중량% 및 10 내지 25 중량%, 바람직하게는 80 내지 90 중량% 및 10 내지 20 중량%, 더욱 바람직하게는 85 내지 90 중량% 및 10 내지 15 중량%이고, 예를 들면, 상기 아크릴로니트릴 : 아크릴계 공단량체는, 90 : 10, 85 : 15 등의 중량 비율을 가질 수 있다. 상기 아크릴로니트릴 및 아크릴계 공단량체의 혼합물을, 단량체 아크릴로니트릴의 1 내지 3 중량부, 바람직하게는 2 내지 2.5 중량부인 AIBN 등의 개시제와 함께, 디메틸포름아미드(DMF) 및 증류수가 각각 1 내지 40 중량% 및 60 내지 99 중량%, 바람직하게는 1 내지 20 중량% 및 80 내지 99 중량%, 더욱 바람직하게는 10 내지 20 중량% 및 80 내지 90 중량%이고, 예를 들면, 상기 디메틸포름아미드(DMF) : 증류수는, 15 : 85, 20 : 80 등의 중량 비율로 이루어진 분산매에 용해시킨 후(S 12), 질소 기류 하 50 내지 80 ℃, 바람직하게는 60 내지 75 ℃, 더욱 바람직하게는 65 내지 70 ℃에서 1 내지 5 시간, 바람직하게는 2 내지 4 시간, 더욱 바람직하게는 2.5 내지 3.5 시간 동안 상기 혼합물을 중합하여 폴리아크릴로니트릴(PAN)을 제조한다(S 14). 상기 중합은, 전기 방사 공정의 조건을 위해 100,000 내지 500,000, 바람직하게는 110,000 내지 200,000, 더욱 바람직하게는 120,000 내지 160,000의 중량평균 분자량(Mw)으로 조절한다. 다음으로, DMF 등의 용매 온도를 60 내지 90 ℃, 바람직하게는 70 내지 80 ℃로 유지시킨 후, 상기 제조된 폴리아크릴로니트릴(PAN)을 몇 차례에 걸쳐 나누어 첨가하고, 2 내지 4 시간, 바람직하게는 2.5 내지 3.5 시간 동안 용해시켜, 상기 전기 방사용 폴리아크릴로니트릴(PAN) 용액을 제조한다(S 16). 이 때, 상기 DMF 등의 용매 및 폴리아크릴로니트릴(PAN)은 각각 75 내지 95 중량% 및 5 내지 25 중량%, 바람직하게는 85 내지 95 중량% 및 5 내지 15 중량%, 더욱 바람직하게는 88 내지 92 중량% 및 8 내지 12 중량%이고, 예를 들면, 상기 용매 : 폴리아크릴로니트릴(PAN)는, 90 : 10, 85 : 15 등의 중량 비율을 가질 수 있다.
1 is a flowchart illustrating a method of manufacturing a core-shell filler according to an embodiment of the present invention. With reference to FIG. 1, a method of manufacturing the core-shell filler will be described in detail. First, a method of preparing the electrospinning polyacrylonitrile solution prepared with acrylonitrile, acrylic comonomer, initiator, dispersion medium, and solvent will be described. Acrylonitrile and methacrylic acid purified with sodium hydroxide will be described. Mix the comonomer (S 10, for example, the comonomer, methyl acrylate, methyl methacrylate, mathacrylic acid, vinylacetate, itaconic acid, sodium methallyl sulphonate, etc.). At this time, the acrylonitrile and the acrylic comonomer are 75 to 90% by weight and 10 to 25% by weight, preferably 80 to 90% by weight and 10 to 20% by weight, more preferably 85 to 90% by weight and It is 10 to 15% by weight, for example, the acrylonitrile:acrylic comonomer may have a weight ratio of 90:10, 85:15. The mixture of acrylonitrile and acryl-based comonomer is 1 to 3 parts by weight of monomeric acrylonitrile, preferably 2 to 2.5 parts by weight of an initiator such as AIBN, and dimethylformamide (DMF) and distilled water from 1 to 1, respectively. 40% by weight and 60 to 99% by weight, preferably 1 to 20% by weight and 80 to 99% by weight, more preferably 10 to 20% by weight and 80 to 90% by weight, for example, the dimethylformamide (DMF): distilled water, after dissolving in a dispersion medium consisting of a weight ratio of 15:85, 20:80, etc. (S 12), under a nitrogen stream 50 to 80 °C, preferably 60 to 75 °C, more preferably Polyacrylonitrile (PAN) is prepared by polymerizing the mixture at 65 to 70° C. for 1 to 5 hours, preferably 2 to 4 hours, and more preferably 2.5 to 3.5 hours (S 14). The polymerization is controlled to a weight average molecular weight (Mw) of 100,000 to 500,000, preferably 110,000 to 200,000, more preferably 120,000 to 160,000 for the conditions of the electrospinning process. Next, after maintaining the temperature of a solvent such as DMF at 60 to 90° C., preferably 70 to 80° C., the prepared polyacrylonitrile (PAN) was added in portions several times, and 2 to 4 hours, Preferably, it is dissolved for 2.5 to 3.5 hours to prepare a polyacrylonitrile (PAN) solution for electrospinning (S 16). At this time, the solvent such as DMF and polyacrylonitrile (PAN) are respectively 75 to 95% by weight and 5 to 25% by weight, preferably 85 to 95% by weight and 5 to 15% by weight, more preferably 88 To 92% by weight and 8 to 12% by weight, for example, the solvent: polyacrylonitrile (PAN) may have a weight ratio such as 90:10, 85:15.

다음으로, 금속 전구체, 안정제 및 용매로 제조되는 상기 전기 방사용 금속 용액을 제조하는 방법을 설명하면, 1 내지 20 mL, 바람직하게는 5 내지 15 mL인 diethylene glycol(DEG) 등의 용매에, 0.01 내지 0.5 mol, 바람직하게는 0.05 내지 0.2 mol의 금속 전구체(metal precursor) 및 0.1 내지 0.5 mol, 바람직하게는 0.2 내지 0.4 mol의 안정제(stabilizer)를 용해시켜 전기 방사용 금속 용액을 제조한다(S 20). 또한, 상기 전기 방사용 금속 용액에 0.1 내지 0.5 mol, 바람직하게는 0.2 내지 0.4 mol의 환원제를 첨가 및 용해시켜 금속 파우더를 제조할 수 있다(S 22).
Next, a method of preparing the electrospinning metal solution prepared with a metal precursor, a stabilizer and a solvent is described, in a solvent such as diethylene glycol (DEG), which is 1 to 20 mL, preferably 5 to 15 mL, 0.01 A metal solution for electrospinning is prepared by dissolving to 0.5 mol, preferably 0.05 to 0.2 mol of a metal precursor and 0.1 to 0.5 mol, preferably 0.2 to 0.4 mol of a stabilizer (S 20 ). In addition, 0.1 to 0.5 mol, preferably 0.2 to 0.4 mol of a reducing agent may be added and dissolved in the electrospinning metal solution to prepare a metal powder (S 22).

상기 금속 전구체의 예를 들면, CuSO4, CuCl2, Cu(NO3)2, CuSO4, (CH3COO)2Cu, copper(II) acetylacetonate, copper(II) carbonate, copper(II) cyclohexane butyrate, copper(II) stearate, copper(II) perchlorate, copper(II) ethylenediamine, Cu(OH)2, 수산화니켈(Ni(OH)2), 질산은(silver nitrate), 초산은(silver acetate), 과염소산은(silver perchlorate) 및 염화은(silver chloride) 등이 있으며, 상기 안정제는, 폴리비닐피롤리돈(PVP), 폴리비닐알콜, 폴리아크릴아미드, 폴리아크릴산 및 이들의 공중합체에서 하나 이상 선택될 수 있고, 그 중 폴리비닐피롤리돈(PVP)의 사용이 가장 바람직하다. 상기 용매는, 에틸렌글리콜(ethylene glycol), 디에틸렌글리콜(diethylene glycol), 1,2-프로필렌 글리콜(1,2-propylene glycol), 1,3-프로필렌 글리콜(1,3-propylene gylcol), 글리세롤(glycerol) 및 글루코스(glucose) 등을 예시할 수 있다. 또한, 상기 환원제의 예를 들면, 아스코르브산, sodium phosphinate monohydrate, sodium azide, hydrazine hydrate, sodium borohydride, 및 lithium aluminum hydride 등이 있다. 또한, 상기 금속 파우더는, 니켈(Ni), 구리(Cu) 및 은(Ag) 등이 있으며, 입도는 30 내지 1,000 nm, 바람직하게는 40 내지 100 nm, 더욱 바람직하게는 40 내지 60 nm이고, 구(spherical), 정육면체(cube), 판(plate) 및 선(wire) 등의 형태를 띤다.
Examples of the metal precursor, CuSO 4 , CuCl 2 , Cu(NO 3 ) 2 , CuSO 4 , (CH 3 COO) 2 Cu, copper(II) acetylacetonate, copper(II) carbonate, copper(II) cyclohexane butyrate , copper(II) stearate, copper(II) perchlorate, copper(II) ethylenediamine, Cu(OH) 2 , nickel hydroxide (Ni(OH) 2 ), silver nitrate, silver acetate, silver perchlorate ( silver perchlorate) and silver chloride, and the like, and the stabilizer may be selected from one or more of polyvinylpyrrolidone (PVP), polyvinyl alcohol, polyacrylamide, polyacrylic acid, and copolymers thereof. Among them, the use of polyvinylpyrrolidone (PVP) is most preferred. The solvent, ethylene glycol (ethylene glycol), diethylene glycol (diethylene glycol), 1,2-propylene glycol (1,2-propylene glycol), 1,3-propylene glycol (1,3-propylene gylcol), glycerol (glycerol) and glucose, etc. can be illustrated. In addition, examples of the reducing agent include ascorbic acid, sodium phosphinate monohydrate, sodium azide, hydrazine hydrate, sodium borohydride, and lithium aluminum hydride. In addition, the metal powder includes nickel (Ni), copper (Cu) and silver (Ag), and the particle size is 30 to 1,000 nm, preferably 40 to 100 nm, more preferably 40 to 60 nm, It has the shape of a sphere, a cube, a plate, and a wire.

참고로, 상기 전기 방사용 폴리아크릴로니트릴(PAN) 용액의 제조 및 상기 전기 방사용 금속 용액의 제조 순서는 뒤바뀌어도 무관한 것으로, 도면의 순서에 의해 나열한 것일 뿐이다.
For reference, the order of preparation of the polyacrylonitrile (PAN) solution for electrospinning and the preparation of the metal solution for electrospinning is irrelevant even if it is reversed, and is only listed in the order of the drawings.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른, 코어-쉘 필러의 제조방법을 구현하기 위한 전기 방사 장치의 개략도이다. 도 1 및 2를 참조하여 다음 단계를 설명하면, 상기 제조된 전기 방사용 폴리아크릴로니트릴(PAN) 용액(10) 및 전기 방사용 금속 용액(12)을 전기 방사 장치의 이중노즐(20)에 투입한다(S 30). 즉, 상기 이중노즐(20)에서 전기방사 용액이 분사되는 팁과, 섬유가 제조되어 모아지는 섬유 집합부(40)에 각각 양전하와 음전하를 침지시키고, 상기 이중노즐(20)과 튜브(14)로 각각 연결된 실린지 내 용액(상기 전기 방사용 폴리아크릴로니트릴(PAN) 용액(10) 및 전기 방사용 금속 용액(12))을 0.05 내지 3 mL/min, 바람직하게는 0.1 내지 0.25 mL/min의 속도로 상기 이중노즐(20)에 투입한다. 투입과 동시에, 상기 섬유 집합부(40)와 이중노즐(20)의 전위차를 만들기 위해 고전압 직류발생장치(30)로 0.5 내지 40 KV, 바람직하게는 1 내지 36 KV의 전압을 공급한 후, 전기 방사에 의해 상기 전기 방사용 폴리아크릴로니트릴(PAN) 용액(10) 및 전기 방사용 금속 용액(12)을 방사하여, 코어-쉘 구조의 복합섬유를 제조한다(S 32). 상기 이중노즐(20) 내부를 설명하면, 상기 전기 방사용 금속 용액(12)이 상기 이중노즐(20)의 중심부(22)로 흐르고, 상기 전기 방사용 폴리아크릴로니트릴(PAN) 용액(10)은 상기 전기 방사용 금속 용액(12)이 흐르는 상기 이중노즐(20)의 중심부(22)를 감싸며 주변부(24)를 채우게 된다. 이러한 방법을 통해, 도 3에 도시된 바와 같이, 중심에는 금속(metal) 또는 금속산화물(metal oxide) 또는 그래핀 옥사이드(graphene oxide) 등의 코어(70, core)가 있고, 외부에는 탄소섬유로 이루어진 쉘(60, shell)이 배치되는 코어-쉘 구조가 형성되는 것이다. 한편, 상기 섬유가 제조되어 모아지는 섬유 집합부(40, collector)의 회전은 rpm 조절기(50)에 의해 조절된다. 마지막으로, 상기 코어-쉘 구조의 복합섬유를 볼 밀링(ball milling)으로 파쇄하여 금속/탄소섬유로 이루어진 코어-쉘 필러를 제조한다(S 34). 상기 복합섬유의 종횡비는 10 내지 400, 바람직하게는 100 내지 200이고, 상기 볼 밀링(ball milling)에 의한 파쇄 단계를 거친, 코어-쉘 필러를 구성하는 탄소섬유의 길이는 1 내지 3,000 ㎛, 바람직하게는 10 내지 1,000 ㎛, 더욱 바람직하게는 10 내지 500 ㎛이다.
2 is a schematic diagram of an electrospinning device for implementing a method of manufacturing a core-shell filler according to an embodiment of the present invention. Referring to Figures 1 and 2, the following steps will be described, the prepared polyacrylonitrile (PAN) solution 10 for electrospinning and the metal solution 12 for electrospinning to the double nozzle 20 of the electrospinning device. Put it in (S30). That is, positive and negative charges are respectively immersed in the tip to which the electrospinning solution is sprayed from the double nozzle 20 and the fiber assembly portion 40 where fibers are produced and collected, and the double nozzle 20 and the tube 14 0.05 to 3 mL/min, preferably 0.1 to 0.25 mL/min, in a syringe connected to each of the solutions (the electrospinning polyacrylonitrile (PAN) solution 10 and the electrospinning metal solution 12) It is injected into the double nozzle 20 at a speed of. At the same time as the input, after supplying a voltage of 0.5 to 40 KV, preferably 1 to 36 KV to the high voltage direct current generator 30 to make a potential difference between the fiber assembly unit 40 and the double nozzle 20, electricity The electrospinning polyacrylonitrile (PAN) solution 10 and the electrospinning metal solution 12 are spun by spinning to prepare a core-shell composite fiber (S32). When explaining the inside of the double nozzle 20, the electrospinning metal solution 12 flows to the center 22 of the double nozzle 20, and the electrospinning polyacrylonitrile (PAN) solution 10 Surrounds the central portion 22 of the double nozzle 20 through which the electrospinning metal solution 12 flows and fills the peripheral portion 24. Through this method, as shown in FIG. 3, there is a core 70 such as metal or metal oxide or graphene oxide at the center, and carbon fiber is used outside. A core-shell structure in which the made shell 60 is disposed is formed. On the other hand, the rotation of the fiber assembly portion 40 (collector) in which the fibers are manufactured and collected is controlled by the rpm controller 50. Finally, the core-shell structured composite fibers are crushed by ball milling to prepare a core-shell filler made of metal/carbon fibers (S 34). The aspect ratio of the composite fiber is 10 to 400, preferably 100 to 200, and the length of the carbon fiber constituting the core-shell filler after the crushing step by ball milling is 1 to 3,000 ㎛, preferably Preferably, it is 10 to 1,000 μm, more preferably 10 to 500 μm.

한편, 본 발명인 코어-쉘 필러의 제조에 사용되는 전기 방사 방식은, 다양한 길이를 갖는 탄소섬유의 제조가 가능한데, 상기 탄소섬유를 전도성이 우수한 필러, 예를 들어, ESD 잉크용 전도성 필러 또는 EMI 차폐 잉크용 전도성 필러 등에 적용할 시의 길이는 1 내지 3,000 ㎛, 바람직하게는 1 내지 1,000 ㎛, 더욱 바람직하게는 1 내지 500 ㎛ 이고, 상기 탄소섬유를 ESD 및 EMI 차폐 압사출용 제품 전도성 필러와 강도 보강용 필러(압사출 제품에 5 내지 7 ㎛ 크기의 탄소섬유 상용화 중) 등에 적용할 시의 길이는 1 내지 3,000 nm, 바람직하게는 100 내지 3,000 nm, 더욱 바람직하게는 500 내지 3,000 nm 이다. 따라서, 전도성 및 강도의 두 가지 기능으로, 필러의 첨가에 따른 사출품의 크랙(crack) 발생을 억제할 수 있다. 상기 전기 방사(electro spinning) 방식은, 간단한 공정, 용이한 섬유의 직경 제어(40 nm 이하) 및 중공구조, 코어-쉘, 다공성 등 다양한 형태의 나노 섬유 제조가 가능하다.
On the other hand, the electrospinning method used in the manufacture of the core-shell filler of the present invention enables the production of carbon fibers having various lengths, and the carbon fibers are used as a filler having excellent conductivity, for example, a conductive filler for ESD ink or EMI shielding. When applied to a conductive filler for ink, the length is 1 to 3,000 µm, preferably 1 to 1,000 µm, more preferably 1 to 500 µm, and the carbon fiber is used for ESD and EMI shielding pressure injection product conductive filler and strength When applied to a reinforcing filler (commercialization of 5 to 7 µm-sized carbon fibers for extrusion products), the length is 1 to 3,000 nm, preferably 100 to 3,000 nm, more preferably 500 to 3,000 nm. Therefore, with the two functions of conductivity and strength, it is possible to suppress the occurrence of cracks in the injection product due to the addition of the filler. The electro spinning method enables a simple process, easy fiber diameter control (40 nm or less), and various types of nanofibers such as hollow structure, core-shell, and porosity.

필요에 따라 더욱 포함될 수 있는, 상기 (S 32) 단계에서 제조된 코어-쉘 구조의 복합섬유를 내염화 처리하는 단계 및 상기 내염화 처리된 복합섬유를 탄소화 처리하는 단계를 설명하면, 알루미나 튜브형 분위기 제어 열처리로를 사용하여 상기 제조된 코어-쉘 구조의 복합섬유에 공기를 90 내지 110 mL/min, 바람직하게는 95 내지 105 mL/min의 양으로 공급하면서, 상온에서 1 내지 10 ℃/min, 바람직하게는 3 내지 7 ℃/min의 승온속도로 150 내지 250 ℃, 바람직하게는 150 내지 200 ℃의 온도까지 가열하고, 0.5 내지 2 시간, 바람직하게는 0.5 내지 1 시간 동안 유지하여 내염화 처리를 한다. 그 다음, 상기 내염화 처리된 복합섬유에 상기 열처리로를 사용하여 불활성 기체인 아르곤(Ar) 가스를 90 내지 110 mL/min, 바람직하게는 95 내지 105 mL/min의 양으로 공급하면서, 상온에서 1 내지 10 ℃/min, 바람직하게는 3 내지 7 ℃/min의 승온속도로 500 내지 1,500 ℃, 바람직하게는 600 내지 1,000 ℃의 온도까지 가열하고, 0.5 내지 2 시간, 바람직하게는 0.5 내지 1 시간 동안 유지하는 탄소화 처리 공정을 거친다. 상기 내염화 처리는, 탄소섬유로 이루어진 쉘(shell)의 균일성, 구조적 특성 및 기계적 특성(Young's modulus, Tensile Strength)의 향상을 위한 것이며, 상기 탄소화 처리는, 탄소섬유로 이루어진 쉘(shell)의 구조적 특성 및 전기적 특성 향상을 위한 것이다. 이와 같이, 내염화 처리 및 탄소화 처리를 거친 복합섬유는, 파쇄된 후 금속/탄소섬유로 이루어진 코어-쉘 필러가 제조되는 단계(S 34)로 넘어가게 된다.
The step of treating the flame-resistant composite fiber of the core-shell structure prepared in step (S 32), which may be further included as necessary, and the step of carbonizing the flame-resistant composite fiber, will be described, alumina tube type Using an atmosphere controlled heat treatment furnace, while supplying air in an amount of 90 to 110 mL/min, preferably 95 to 105 mL/min, to the prepared core-shell structured composite fiber, 1 to 10 °C/min at room temperature , Preferably heated to a temperature of 150 to 250 °C, preferably 150 to 200 °C at a temperature rising rate of 3 to 7 °C/min, and maintained for 0.5 to 2 hours, preferably 0.5 to 1 hour to prevent flame resistance Do it. Then, argon (Ar) gas, which is an inert gas, is supplied to the chlorinated composite fiber in an amount of 90 to 110 mL/min, preferably 95 to 105 mL/min, using the heat treatment furnace, at room temperature. Heating to a temperature of 500 to 1,500° C., preferably 600 to 1,000° C. at a rate of 1 to 10° C./min, preferably 3 to 7° C./min, and 0.5 to 2 hours, preferably 0.5 to 1 hour It undergoes a carbonization treatment process that is maintained during. The flameproofing treatment is for improving the uniformity, structural properties, and mechanical properties (Young's modulus, Tensile Strength) of a shell made of carbon fiber, and the carbonization treatment is a shell made of carbon fiber. It is to improve the structural and electrical properties of In this way, the composite fiber that has undergone the flame-resistant treatment and carbonization treatment is crushed and then passed to a step (S34) in which a core-shell filler made of metal/carbon fibers is manufactured.

한편, 본 발명에 따른, 코어-쉘 필러의 제조방법으로 다양한 분야에 적용이 가능한 필러를 제조할 수 있다. 예를 들어, 상기한 ESD 잉크용 전도성 필러, EMI 차폐 잉크용 전도성 필러, ESD 및 EMI 차폐 압사출용 제품 전도성 필러, 강도 보강용 필러 외에, 방열 잉크용 필러 및 다기능성 필러 등이 있다.
Meanwhile, a filler applicable to various fields may be manufactured by the method of manufacturing a core-shell filler according to the present invention. For example, in addition to the above-described conductive filler for ESD ink, conductive filler for EMI shielding ink, product conductive filler for ESD and EMI shielding pressure injection, filler for strength reinforcement, a filler for heat dissipation ink and a multifunctional filler.

다음으로, 도 3을 참조하여, 본 발명에 따른 코어-쉘 필러를 설명한다. Next, referring to FIG. 3, a core-shell filler according to the present invention will be described.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른, 코어-쉘 필러의 모식도로서, 도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 코어-쉘 필러는, 파우더 형태의 구리(Cu), 니켈(Ni), 코발트(Co), 은(Ag) 등의 금속(metal) 또는 산화구리(CuO), 산화니켈(NiO), 산화코발트(CoO) 등의 금속산화물(metal oxide) 또는 그래핀 옥사이드(graphene oxide) 등의 입자로 이루어지며, 길이 방향(도 3에 도시된 코어-쉘 필러의 연장 방향)으로 연장된 원기둥 형태의 코어(70, core)와, 탄소섬유로 이루어지고, 상기 코어(70)를 감싸는 쉘(60, shell)을 포함한다. 상기 쉘(60)의 직경이 0.2 내지 2 ㎛, 바람직하게는 0.4 내지 1 ㎛, 더욱 바람직하게는 0.4 내지 0.8 ㎛ 이고, 상기 코어(70)를 구성하는 입자의 직경, 예를 들면, 상기 금속(metal) 입자의 직경은 10 내지 500 nm, 바람직하게는 10 내지 100 nm, 더욱 바람직하게는 10 내지 60 nm이며, 상기 코어(70)의 직경이 상기 쉘(60) 직경의 20 내지 95 %, 바람직하게는 30 내지 95 %, 더욱 바람직하게는 40 내지 90 %를 차지하는 구조로 이루어진다.
3 is a schematic diagram of a core-shell filler according to an embodiment of the present invention. As shown in FIG. 3, the core-shell filler according to the present invention includes powder-type copper (Cu) and nickel (Ni). , Metal oxide such as cobalt (Co), silver (Ag) or copper oxide (CuO), nickel oxide (NiO), cobalt oxide (CoO), or graphene oxide Consisting of particles such as, etc., a cylindrical core 70 (core) extending in the longitudinal direction (the extension direction of the core-shell filler shown in FIG. 3), and made of carbon fiber, and surrounding the core 70 It includes a shell (60, shell). The diameter of the shell 60 is 0.2 to 2 µm, preferably 0.4 to 1 µm, more preferably 0.4 to 0.8 µm, and the diameter of the particles constituting the core 70, for example, the metal ( metal) the diameter of the particles is 10 to 500 nm, preferably 10 to 100 nm, more preferably 10 to 60 nm, and the diameter of the core 70 is 20 to 95% of the diameter of the shell 60, preferably Preferably, it consists of a structure occupying 30 to 95%, more preferably 40 to 90%.

이하, 구체적인 실시예를 통하여 본 발명을 더욱 상세히 설명한다. 하기 실시예는 본 발명을 예시하기 위한 것으로서, 본 발명이 하기 실시예에 의해 한정되는 것은 아니다.
Hereinafter, the present invention will be described in more detail through specific examples. The following examples are intended to illustrate the present invention, and the present invention is not limited by the following examples.

[실시예 1] 전기 방사용 폴리아크릴로니트릴 ( PAN ) 용액의 제조 [Example 1] Preparation of polyacrylonitrile ( PAN ) solution for electrospinning

아크릴로니트릴(Junsei chemical사, 일본) 및 메타크릴산(Junsei chemical사, 일본)을 수산화나트륨(Samchun chemical사, 한국)으로 정제한 후, 90 중량%의 상기 아크릴로니트릴 및 10 중량%의 상기 메타크릴산을 혼합하고, 개시제인 AIBN(아크릴로니트릴의 2.5 중량%, Sigma-Aldrich사, 미국)과 함께 20 중량%의 디메틸포름아미드(DMF) 및 80 중량%의 증류수로 이루어진 분산매에 용해시킨 후, 질소 기류 하 70 ℃에서 3 시간 동안 중합하여 평균분자량이 150,000인(GPC 분석) 폴리아크릴로니트릴(PAN)을 제조하였다. 그 다음, 5구의 원형 플라스크에 90 중량%의 DMF(Samchun chemical사, 한국) 용액의 온도를 80 ℃로 유지시킨 후, 상기 DMF 용액에 상기 제조된 폴리아크릴로니트릴(PAN) 10 중량%를 3회에 나누어 첨가한 후 3 시간 동안 용해시켜 폴리아크릴로니트릴(PAN) 용액을 제조하였다.
After purifying acrylonitrile (Junsei chemical, Japan) and methacrylic acid (Junsei chemical, Japan) with sodium hydroxide (Samchun chemical, Korea), 90% by weight of the acrylonitrile and 10% by weight of the above Methacrylic acid was mixed and dissolved in a dispersion medium consisting of 20% by weight of dimethylformamide (DMF) and 80% by weight of distilled water with an initiator AIBN (2.5% by weight of acrylonitrile, Sigma-Aldrich, USA). Then, polymerization was performed at 70° C. for 3 hours under a nitrogen stream to prepare polyacrylonitrile (PAN) having an average molecular weight of 150,000 (GPC analysis). Then, after maintaining the temperature of a 90% by weight DMF (Samchun Chemical, Korea) solution in a 5-necked circular flask at 80 °C, 10% by weight of the prepared polyacrylonitrile (PAN) was added to the DMF solution. After dividing into ash and dissolving for 3 hours, a polyacrylonitrile (PAN) solution was prepared.

[실시예 1-1a] 전기 방사용 구리 용액의 제조 [Example 1-1a] Preparation of copper solution for electrospinning

상온에서 금속 전구체인 CuSO4(Sigma-Aldrich사, 미국) 0.1 mol과, 안정제인 PVP10(중량평균 분자량(Mw)=10,000, Sigma-Aldrich사, 미국) 0.3 mol을, 용매인 diethylene glycol(DEG, Samchun chemical사, 한국) 13 mL에 용해시킨 후, 상기 CuSO4 및 PVP10이 용해된 상기 DEG 용액에, 환원제인 아스코르브산(Fluka사, 일본) 0.25 mol을 용해시켜 구리 용액을 제조하였다.
At room temperature, 0.1 mol of CuSO 4 (Sigma-Aldrich, USA) as a metal precursor, 0.3 mol of PVP10 (weight average molecular weight (Mw) = 10,000, Sigma-Aldrich, USA) as a stabilizer, and diethylene glycol (DEG, a solvent) Samchun Chemical Co., Korea) After dissolving in 13 mL, 0.25 mol of ascorbic acid (Fluka Co., Japan) as a reducing agent was dissolved in the DEG solution in which CuSO 4 and PVP10 were dissolved to prepare a copper solution.

[실시예 1-1b] 전기 방사용 은 용액의 제조 [Example 1-1b] Preparation of silver solution for electrospinning

상온에서 금속 전구체인 AgNO3 0.1 mol, 안정제인 PVP10(중량평균 분자량(Mw)=10,000, Sigma-Aldrich사, 미국) 0.4 mol, 환원제인 hydrazine(Samchun chemical사, 한국) 0.01 mol을, 용매인 diethylene glycol(DEG, Samchun chemical사, 한국)에 용해시킨 후, 상기 AgNO3, PVP10 및 hydrazine 용해된 상기 DEG 용액 300 ml와 diethylene glycol(DEG) 500 ml를 교반하여 은 용액을 제조하였다.
At room temperature, metal precursor AgNO 3 0.1 mol, stabilizer PVP10 (weight average molecular weight (Mw) = 10,000, Sigma-Aldrich, USA) 0.4 mol, reducing agent hydrazine (Samchun chemical, Korea) 0.01 mol, solvent diethylene After dissolving in glycol (DEG, Samchun Chemical, Korea), 300 ml of the DEG solution in which AgNO 3, PVP10 and hydrazine were dissolved and 500 ml of diethylene glycol (DEG) were stirred to prepare a silver solution.

[실시예 1-2a] 전기 방사에 의해 구리/ 탄소섬유로 이루어진 코어-쉘 구조의 필러 제조 [Example 1-2a] Preparation of a filler having a core-shell structure made of copper/ carbon fibers by electrospinning

이중노즐의 팁과 성형봉에 각각 양전하와 음전하를 침지시키고, 상기 이중노즐과 튜브로 각각 연결된 20 mL 실린지 내 용액(상기 실시예 1 및 1-1a에서 제조된 상기 전기 방사용 폴리아크릴로니트릴(PAN) 용액 및 전기 방사용 구리 용액)을 0.3 mL/min 이내의 속도로 분사하는 동시에, 고전압 직류발생장치로 1 내지 36 KV의 전압을 공급하여 전기 방사함으로써 코어-쉘 구조의 복합섬유를 제조하였다. 상기 제조된 섬유를, 알루미나 튜브형 분위기 제어 열처리로를 사용하여 공기를 100 mL/min의 양으로 공급하면서, 상온에서 5 ℃/min의 속도로 150 ℃까지 가열한 후 1 시간을 유지하여 내염화 처리를 하였다. 다음으로, 상기 내염화 공정을 거친 섬유에 상기 열처리로를 사용하여 99.99 %의 아르곤(Ar) 가스를 100 mL/min의 양으로 공급하면서, 상온에서 5 ℃/min의 속도로 800 ℃까지 가열한 후 1 시간을 유지하는 탄소화 공정을 거친 후, 볼 밀링(ball milling)을 이용하여, 약 100의 복합섬유 종횡비(aspect ratio)로 파쇄함으로써, 구리/탄소섬유로 이루어진 코어-쉘 필러를 제조하였다.
The positive and negative charges are immersed in the tip and the forming rod of the double nozzle, respectively, and the solution in a 20 mL syringe connected by the double nozzle and the tube (the polyacrylonitrile for electrospinning prepared in Examples 1 and 1-1a above) (PAN) solution and copper solution for electrospinning) are sprayed at a rate within 0.3 mL/min, and a high-voltage direct current generator is supplied with a voltage of 1 to 36 KV to produce a core-shell structured composite fiber by electrospinning. I did. The prepared fiber was heated to 150° C. at a rate of 5° C./min at room temperature while supplying air in an amount of 100 mL/min using an alumina tube-type atmosphere controlled heat treatment furnace, and then maintained for 1 hour to be flame resistant. Was done. Next, while supplying 99.99% argon (Ar) gas in an amount of 100 mL/min to the fiber that has undergone the chlorination-resistant process using the heat treatment furnace, heating it to 800 °C at a rate of 5 °C/min at room temperature. After going through a carbonization process maintaining 1 hour, a core-shell filler made of copper/carbon fibers was prepared by crushing with a composite fiber aspect ratio of about 100 using ball milling. .

[실시예 1-2b] 전기 방사에 의해 은 / 탄소섬유로 이루어진 코어-쉘 필러 제조 [Example 1-2b] Silver by electrospinning / Manufacture of core-shell filler made of carbon fiber

상기 전기 방사용 구리 용액 대신, 전기 방사용 은 용액이 사용된 것을 제외하고는, 상기 실시예 1-2a와 동일한 방법으로 은/탄소섬유로 이루어진 코어-쉘 필러를 제조하였다.
A core-shell filler made of silver/carbon fibers was prepared in the same manner as in Example 1-2a, except that a silver solution for electrospinning was used instead of the copper solution for electrospinning.

하기 표 1에, 필러의 제조 시(상기 실시예 1-2a 및 1-2b), 인가 전압의 변화에 따른 필러의 직경 변화를 측정하였다. In Table 1 below, when the filler was manufactured (Examples 1-2a and 1-2b), the change in the diameter of the filler according to the change in the applied voltage was measured.

인가 전압(KV)Applied voltage (KV) 방사 온도(℃)Radiation temperature (℃) 필러의 평균 직경(nm)Average diameter of filler (nm) 88 23±223±2 430430 1212 23±223±2 560560 1515 23±223±2 620620 1818 23±223±2 770770 2020 23±223±2 980980

상기 표 1에 나타낸 바와 같이, 상기 구리/탄소섬유로 이루어진 코어-쉘 필러 및 은/탄소섬유로 이루어진 코어-쉘 필러는, 나노미터 내지 마이크로미터 단위의 치수로 제조할 수 있음을 보여준다. As shown in Table 1, it is shown that the core-shell filler made of copper/carbon fiber and the core-shell filler made of silver/carbon fiber can be manufactured in dimensions of nanometers to micrometers.

[실험예 1a] 전기 방사에 의해 제조된 구리/ 탄소섬유로 이루어진 코어-쉘 필러를 적용한 전도성 잉크의 제조 [Experimental Example 1a] Preparation of a conductive ink to which a core-shell filler made of copper/ carbon fibers manufactured by electrospinning was applied

상기 실시예 1-2a에서 제조된 약 400 nm 크기의 구리/탄소섬유로 이루어진 코어-쉘 필러 70 중량%, PGMEA(propylene glycol monomethyl ether acetate) 21 중량%, polyester resin 8 중량%, polyacrylate계 분산제 1 중량%를 첨가하여, 약 30분간 혼합한 후, 3roll mill로 분산하여 paste를 제조한다. 상기 제조된 paste를 polyimide film에 자동 도공기를 이용하여 약 10 ㎛의 두께로 도포한 후, 열풍식 오븐에 넣어 각각의 온도 별로 30분간 건조시키고, 4 point probe를 이용하여 필름의 면저항을 측정하였다.
The core-shell filler consisting of about 400 nm-sized copper/carbon fibers prepared in Example 1-2a 70 wt%, propylene glycol monomethyl ether acetate (PGMEA) 21 wt%, polyester resin 8 wt%, polyacrylate dispersant 1 After adding wt% and mixing for about 30 minutes, the paste is prepared by dispersing with a 3 roll mill. The prepared paste was applied to a polyimide film to a thickness of about 10 μm using an automatic coating machine, and then put in a hot air oven and dried for 30 minutes at each temperature, and the sheet resistance of the film was measured using a 4 point probe.

[실험예 1b] 전기 방사에 의해 제조된 은/ 탄소섬유로 이루어진 코어-쉘 필러를 적용한 전도성 잉크의 제조 [Experimental Example 1b] Preparation of conductive ink to which a core-shell filler made of silver/ carbon fibers manufactured by electrospinning was applied

상기 구리/탄소섬유로 이루어진 코어-쉘 필러 대신, 은/탄소섬유로 이루어진 코어-쉘 필러를 적용한 것을 제외하고는, 상기 실험예 1a와 동일한 방법으로 실험하였다.
The experiment was performed in the same manner as in Experimental Example 1a, except that the core-shell filler made of silver/carbon fiber was applied instead of the core-shell filler made of copper/carbon fiber.

하기 표 2에, 상기 실험예 1a 및 1b에서 필름의 면저항을 측정한 결과를 각각 나타내었다. Table 2 below shows the results of measuring the sheet resistance of the film in Experimental Examples 1a and 1b, respectively.

건조 온도
(℃)
Drying temperature
(℃)
필름 면저항(Ω/sq, 구리/탄소섬유 필러)Film sheet resistance (Ω/sq, copper/carbon fiber filler) 필름 면저항(Ω/sq, 은/탄소섬유 필러)Film sheet resistance (Ω/sq, silver/carbon fiber filler)
100100 8.1 X 108.1 X 10 5.1 X 10-1 5.1 X 10 -1 150150 1.4 X 101.4 X 10 8.4 X 10-2 8.4 X 10 -2 200200 9 X 10-1 9 X 10 -1 7 X 10-2 7 X 10 -2 250250 5.7 X 10-1 5.7 X 10 -1 6.7 X 10-2 6.7 X 10 -2

상기 표 2에 나타낸 바와 같이, EMI 차폐용 필러를 적용하여 100 내지 250 ℃까지 열처리를 했을 시, 산화 방지의 효과로 인해, 저항의 증가가 없음을 알 수 있다. As shown in Table 2, it can be seen that there is no increase in resistance due to the effect of preventing oxidation when heat treatment is performed up to 100 to 250°C by applying the filler for EMI shielding.

[실험예 2-1 내지 2-6] 전기 방사에 의해 제조된 구리/ 탄소섬유로 이루어진 코어-쉘 필러를 적용한 전자파 차폐 시트의 제조 [Experimental Examples 2-1 to 2-6] Preparation of an electromagnetic wave shielding sheet to which a core-shell filler made of copper/ carbon fibers manufactured by electrospinning is applied

하기 표 3에 나타낸 바와 같이, ABS 수지(acrylonitrile-butadiene-styrene resin) 및 상기 실시예 1-2a에서 제조된 평균직경이 약 1 마이크로미터(㎛)인 구리/탄소섬유로 이루어진 코어-쉘 필러를 85 : 15 내지 60 : 40의 중량 비율로 사전 혼합(premixing)한 후, 배럴의 온도를 250 내지 270 ℃로 유지시킨 2축 압출기에 투여하여, 스크류 회전속도를 200 rpm으로 용융, 혼련 및 냉각 과정을 거친 후, 펠럿타이징(pelletizing)을 통해 마스터 배치(master batch)를 제조하였다. 또한, 건조된 상기 마스터 배치를 사출기의 호퍼(hopper)에 투여하고 실린더 온도 230 내지 255 ℃ 및 노즐 온도 240 ℃로 유지하여, 940 kgf/cm2의 사출압과 20 kgf/cm2의 배압으로 금형에 사출하여, 크기가 80 mm x 15 mm x 3 mm (길이 x 폭 x 두께)인 전자파 차폐체를 제조하여 표면저항을 측정하였으며, 그 결과를 하기 표 3에 함께 나타내었다. 또한, 평균 직경이 약 7 마이크로미터 (㎛)이며, 종횡비가 약 100인 탄소섬유(Toho Tenax사, 일본) 15 내지 20 중량%를 적용하여, 상기 동일한 공정을 통해 동일한 크기의 시편을 제조한 후, 표면저항을 측정하였으며, 하기 표 3에 함께 나타내었다.As shown in Table 3 below, a core-shell filler consisting of an ABS resin (acrylonitrile-butadiene-styrene resin) and copper/carbon fibers having an average diameter of about 1 micrometer (㎛) prepared in Example 1-2a After premixing at a weight ratio of 85: 15 to 60: 40, it was administered to a twin-screw extruder maintaining the temperature of the barrel at 250 to 270 °C, and the screw rotation speed was melted, kneaded and cooled at 200 rpm. After passing through, a master batch was prepared through pelletizing. In addition, the dried master batch was administered to a hopper of an injection machine and maintained at a cylinder temperature of 230 to 255 °C and a nozzle temperature of 240 °C, and the mold with an injection pressure of 940 kgf/cm 2 and a back pressure of 20 kgf/cm 2 Injected into, an electromagnetic wave shield having a size of 80 mm x 15 mm x 3 mm (length x width x thickness) was prepared to measure the surface resistance, and the results are shown in Table 3 below. In addition, by applying 15 to 20% by weight of carbon fiber (Toho Tenax, Japan) having an average diameter of about 7 micrometers (㎛) and an aspect ratio of about 100, a specimen of the same size was prepared through the same process. , The surface resistance was measured, and it is shown together in Table 3 below.

ABS 수지의 함량(중량%)Content of ABS resin (% by weight) 충전제(필러)Filler (filler) 충전제(필러)의 함량(중량%)Content of filler (filler) (% by weight) 표면저항
(Ω/sq)
Surface resistance
(Ω/sq)
차폐시트 두께(mm)Shielding sheet thickness (mm)
실험예 2-1Experimental Example 2-1 8585 코어-쉘 구리/탄소 복합섬유Core-shell copper/carbon composite fiber 1515 5050 33 실험예 2-2Experimental Example 2-2 8080 코어-쉘 구리/탄소 복합섬유Core-shell copper/carbon composite fiber 2020 3434 33 실험예 2-3Experimental Example 2-3 7070 코어-쉘 구리/탄소 복합섬유Core-shell copper/carbon composite fiber 3030 5.35.3 33 실험예 2-4Experimental Example 2-4 6060 코어-쉘 구리/탄소 복합섬유Core-shell copper/carbon composite fiber 4040 3.63.6 33 실험예 2-5Experimental Example 2-5 8585 탄소섬유Carbon fiber 1515 250250 33 실험예 2-6Experimental Example 2-6 8080 탄소섬유Carbon fiber 2020 100100 33

상기 표 3에 나타낸 바와 같이, 상기 실시예 1-2a에서 제조된 구리/탄소섬유로 이루어진 코어-쉘 필러가 함침된 전자파 차폐시트의 경우, 기존의 탄소섬유만을 첨가하여 제조한 시트의 동일함량 대비 20 내지 35 %의 표면저항 값을 가진다. 도 4는 본 발명에 따른, 코어-쉘 필러가 적용된 전자파 차폐 시트 시편의 표면도(2-1 내지 2-4) 및 탄소섬유만 적용된 전자파 차폐 시트 시편의 표면도(2-5 및 2-6)로서, 상기 표 3에 나타난 필러의 함량 증가에 따라 표면저항 값이 감소하고 도 4에 나타난 것과 같이 시편의 색이 진해지는 것을 알 수 있다. 따라서, 본 발명의 금속/탄소섬유로 이루어진 코어-쉘 필러를 이용하여, 도전성 및 전자파 차폐성능이 우수한 제품을 제조할 수 있음을 나타낸다.As shown in Table 3, in the case of the electromagnetic wave shielding sheet impregnated with the core-shell filler made of copper/carbon fiber prepared in Example 1-2a, compared to the same content of the sheet prepared by adding only the existing carbon fiber It has a surface resistance value of 20 to 35%. 4 is a surface view (2-1 to 2-4) of an electromagnetic wave shielding sheet specimen to which a core-shell filler is applied and a surface view (2-5 and 2-6) of an electromagnetic wave shielding sheet specimen to which only carbon fiber is applied according to the present invention. ), as shown in Table 3 above It can be seen that as the filler content increases, the surface resistance value decreases and the color of the specimen becomes darker as shown in FIG. 4. Accordingly, it is shown that a product having excellent conductivity and electromagnetic wave shielding performance can be manufactured by using the core-shell filler made of metal/carbon fiber of the present invention.

Claims (12)

(a) 전기 방사용 폴리아크릴로니트릴 용액을 제조하는 단계;
(b) 금속 전구체; 폴리비닐피롤리돈(PVP), 폴리비닐알콜, 폴리아크릴아미드, 폴리아크릴산 및 이들의 공중합체로 이루어진 군으로부터 하나 이상 선택되는 안정제; 및 용매로 이루어진 전기 방사용 금속 용액을 제조하는 단계;
(c) 상기 전기 방사용 폴리아크릴로니트릴 용액 및 전기 방사용 금속 용액을 전기 방사 장치의 이중 노즐에 투입하는 단계;
(d) 전기 방사에 의해 상기 전기 방사용 폴리아크릴로니트릴 용액 및 전기 방사용 금속 용액을 방사하여 코어-쉘 구조의 복합섬유를 제조하는 단계; 및
(e) 상기 코어-쉘 구조의 복합섬유를 파쇄하여 금속/탄소섬유로 이루어진 코어-쉘 필러를 제조하는 단계를 포함하는 코어-쉘 필러의 제조방법.
(a) preparing a polyacrylonitrile solution for electrospinning;
(b) metal precursors; A stabilizer selected from the group consisting of polyvinylpyrrolidone (PVP), polyvinyl alcohol, polyacrylamide, polyacrylic acid, and copolymers thereof; And preparing a metal solution for electrospinning consisting of a solvent.
(c) introducing the polyacrylonitrile solution for electrospinning and the metal solution for electrospinning into a double nozzle of an electrospinning device;
(d) spinning the polyacrylonitrile solution for electrospinning and the metal solution for electrospinning by electrospinning to prepare a core-shell structured composite fiber; And
(e) manufacturing a core-shell filler made of metal/carbon fibers by crushing the core-shell structured composite fibers.
청구항 1에 있어서, 상기 (d) 단계에서 제조된 코어-쉘 구조의 복합섬유를 내염화 처리하는 단계 및 상기 내염화 처리된 복합섬유를 탄소화 처리하는 단계를 더욱 포함하는 것인 코어-쉘 필러의 제조방법. The core-shell filler according to claim 1, further comprising the step of treating the composite fiber of the core-shell structure prepared in step (d) with a flame resistance and carbonizing the composite fiber having the flame-resistant treatment. Method of manufacturing. 청구항 1에 있어서, 상기 (c) 단계는, 상기 전기 방사용 금속 용액이 상기 이중노즐의 중심부로 흐르고, 상기 전기 방사용 폴리아크릴로니트릴 용액은 상기 전기 방사용 금속 용액이 흐르는 상기 이중노즐의 중심부를 감싸며 주변부를 채우게 되는 것인 코어-쉘 필러의 제조방법. The method according to claim 1, wherein the step (c), the electrospinning metal solution flows to the center of the double nozzle, the electrospinning polyacrylonitrile solution is the center of the double nozzle through which the electrospinning metal solution flows The method of manufacturing a core-shell filler that wraps around and fills the periphery. 청구항 1에 있어서, 상기 전기 방사용 폴리아크릴로니트릴 용액은 아크릴로니트릴, 아크릴계 공단량체, 개시제, 분산매 및 용매로 제조되는 것인 코어-쉘 필러의 제조방법. The method of claim 1, wherein the polyacrylonitrile solution for electrospinning is prepared with acrylonitrile, an acrylic comonomer, an initiator, a dispersion medium, and a solvent. 삭제delete 청구항 1에 있어서, 상기 전기 방사용 금속 용액에 환원제를 첨가하여 금속 파우더가 제조되는 것인 코어-쉘 필러의 제조방법. The method of claim 1, wherein a metal powder is prepared by adding a reducing agent to the metal solution for electrospinning. 청구항 2에 있어서, 상기 내염화 처리는 공기를 공급하면서 상온에서 1 내지 10 ℃/min의 승온속도로 150 내지 250 ℃의 온도까지 가열하고 0.5 내지 2 시간 동안 유지하는 것이며, 상기 탄소화 처리는 불활성 기체를 공급하면서 상온에서 1 내지 10 ℃/min의 승온속도로 500 내지 1,500 ℃의 온도까지 가열하고 0.5 내지 2 시간 동안 유지하는 것인 코어-쉘 필러의 제조방법. The method according to claim 2, wherein the salt-resistant treatment is heated to a temperature of 150 to 250 °C at a temperature rising rate of 1 to 10 °C/min at room temperature while supplying air and maintained for 0.5 to 2 hours, and the carbonization treatment is inert. A method for producing a core-shell filler that is heated to a temperature of 500 to 1,500° C. at a rate of 1 to 10° C./min while supplying gas and maintained for 0.5 to 2 hours. 청구항 1에 있어서, 상기 탄소섬유를 ESD 잉크용 전도성 필러 또는 EMI 차폐 잉크용 전도성 필러에 적용할 시의 길이는 1 내지 3,000 ㎛이고, 상기 탄소섬유를 ESD 및 EMI 차폐 압사출용 제품 전도성 필러와 강도 보강용 필러에 적용할 시의 길이는 1 내지 3,000 nm이며, 상기 코어-쉘 필러를 구성하는 금속 입자의 직경은 10 내지 500 nm인 것인 코어-쉘 필러의 제조방법. The method according to claim 1, wherein when the carbon fiber is applied to a conductive filler for ESD ink or a conductive filler for EMI shielding ink, a length of 1 to 3,000 µm is applied, and the carbon fiber is used as a product conductive filler and strength for ESD and EMI shielding extrusion. The length when applied to the reinforcing filler is 1 to 3,000 nm, and the diameter of the metal particles constituting the core-shell filler is 10 to 500 nm. 파우더 형태의 금속(metal), 금속산화물(metal oxide) 및 그래핀 옥사이드(graphene oxide)로 이루어진 군으로부터 선택되는 입자로 이루어지며, 길이 방향으로 연장된 원기둥 형태의 코어(core); 및
탄소섬유로 이루어지고, 상기 코어(core)를 감싸는 쉘(shell)을 포함하는 ESD 잉크용 또는 EMI 차폐 잉크용 코어-쉘 필러.
A core in the form of a cylinder, which is made of particles selected from the group consisting of powder-type metal, metal oxide, and graphene oxide, and extends in the longitudinal direction; And
A core-shell filler for ESD ink or EMI shielding ink made of carbon fiber and comprising a shell surrounding the core.
청구항 9에 있어서, 상기 쉘(shell)의 직경이 0.2 내지 2 ㎛이고, 상기 코어를 구성하는 입자의 직경은 10 내지 500 nm이며, 상기 코어의 직경이 상기 쉘 직경의 20 내지 95 %를 차지하는 것인 ESD 잉크용 또는 EMI 차폐 잉크용 코어-쉘 필러. The method according to claim 9, wherein the diameter of the shell (shell) is 0.2 to 2 ㎛, the diameter of the particles constituting the core is 10 to 500 nm, the diameter of the core occupies 20 to 95% of the diameter of the shell Core-shell filler for phosphorus ESD inks or EMI shielding inks. 청구항 9에 있어서, 상기 금속(metal)은 구리(Cu), 니켈(Ni), 코발트(Co) 및 은(Ag)으로 이루어진 군으로부터 선택되는 것이고, 상기 금속 산화물(metal oxide)은 산화구리(CuO), 산화니켈(NiO) 및 산화코발트(CoO)로 이루어진 군으로부터 선택되는 것인 ESD 잉크용 또는 EMI 차폐 잉크용 코어-쉘 필러. The method according to claim 9, wherein the metal is selected from the group consisting of copper (Cu), nickel (Ni), cobalt (Co), and silver (Ag), and the metal oxide is copper oxide (CuO ), nickel oxide (NiO) and cobalt oxide (CoO) that is selected from the group consisting of ESD ink or EMI shielding ink for core-shell filler. 청구항 9에 있어서, 상기 금속 파우더는 구(spherical), 정육면체(cube), 판(plate) 및 선(wire)으로 이루어진 군으로부터 선택되는 형태를 띠는 것인 ESD 잉크용 또는 EMI 차폐 잉크용 코어-쉘 필러. The method according to claim 9, wherein the metal powder has a shape selected from the group consisting of a sphere (spherical), a cube (cube), a plate (plate) and a wire (wire) for ESD ink or EMI shielding ink core- Shell filler.
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