KR102420931B1

KR102420931B1 - 반투명성 고분자 복합소재의 제조방법 및 이에 따라 제조된 반투명성 고분자 복합소재

Info

Publication number: KR102420931B1
Application number: KR1020210047512A
Authority: KR
Inventors: 이민욱; 황지영; 김희진; 박상유; 양철민; 강승범
Original assignee: 재단법인 한국탄소산업진흥원; 한국과학기술연구원
Priority date: 2021-04-13
Filing date: 2021-04-13
Publication date: 2022-07-18
Also published as: WO2022220340A1

Abstract

본 발명은 반투명성, 고전도성 및 발열 특성을 갖는 반투명성 전도성 고분자 복합소재의 제조방법 및 이에 따라 제조된 반투명성 전도성 고분자 복합소재에 관한 것으로, 본 발명의 반투명성 전도성 고분자 복합소재의 제조방법에 따라 제조된 반투명성 전도성 고분자 복합소재는 탄소계 필러(특히, 탄소나노튜브) 및 브로모부틸고무(BIIR) 두가지 물질의 우수한 특성인 높은 전도성 및 발열성을 가지며, 균일한 구멍을 형성하여 높은 전도성과 발열 특성을 그대로 갖는 반투명한 복합소재를 제조함으로써 종래 탄소복합소재의 투명성의 한계점을 해결할 수 있다.

Description

반투명성 고분자 복합소재의 제조방법 및 이에 따라 제조된 반투명성 고분자 복합소재{Method for manufacturing semi-transparent polymer composite and semi-transparent polymer composite prepared thereby}

본 발명은 반투명성, 고전도성 및 발열 특성을 갖는 반투명성 전도성 고분자 복합소재의 제조방법 및 이에 따라 제조된 반투명성 전도성 고분자 복합소재에 관한 것이다.

탄소나노튜브(CNT)는 1991년 일본인 과학자에 의해서 발견되어 특성이 구리보다 높은 전기적 특성과 다이아몬드보다 높은 열적특성, 강철의 수 천 배되는 기계적 특성을 가지는 물질을 양산하고 적용하기 위한 기간이 20년 이상이 되었으며 이물질은 다양한 물질의 첨가제로 응용되고 있다.

탄소나노튜브는 주로 탄소나노튜브를 함유하는 재료를 이용해, 인장강도, 대전 방지성, 도전성, 열전도성, 원적외선 방출 및 전자파 차폐 등의 기능을 가지는 재료의 개발이 활발히 행해지고 있다. 예를 들면, 폴리아미드, 폴리에스테르, 폴리에테르 또는 폴리이미드, 실리콘, 고무 등의 폴리머, 혹은 유리나 세라믹 재료 등의 무기 재료 등을 매트릭스로서 이용해, 이들의 매트릭스 중 탄소나노튜브를 분산시키는 것에 의해서, 대전 방지, 도전성, 열전도성 및 전자파 차폐 등의 기능을 가지는 복합재 및 이 복합재를 적층한 적층체에 관하는 검토가 많이 행해지고 있다.

특히, 최근에는 발열체의 소재로 탄소계 재료가 많이 사용되고 있으나, 탄소계 소재는 불투명한 소재로서 주택이나 자동차의 창호나 디스플레이나 터치패널 소자의 투명성을 요구하는 부분에서 적용이 어려운 단점이 있으며, 기존의 탄소계 복합소재는 불투명하며 투명성을 갖게 되면 특성이 달라지는 문제가 있다.

또한, 고무계 폴리머 중 하나로서 Bromobutyl rubber(BIIR)는 높은 인장강도, 진동의 감소, 낮은 투과성, 노화 및 풍화에 대한 높은 저항성 등의 특성을 가지고 있어서 산업분야에 폭넓게 사용되고 있는 고분자 물질로, 탄소나노튜브를 고분자 매트릭스 내에 안정적으로 분산하는 기술과 적용방법의 개발이 부족하여, 좀 더 다방면에 적용하지 못하고 있는 것이 현실이다.

이에 따라, 탄소나노튜브를 고분자 내에 균일하고 안정된 상태로 분산시켜 보다 높은 전도성, 발열 특성 및 기계적 특성을 가지면서도 반투명성을 가지는 복합소재에 대한 개발이 절실히 요구되고 있다.

대한민국공개특허 제10-2019-0083551호

본 발명은 종래 탄소소재의 투명성의 한계점을 해결하고자, 레이저를 이용하여 균일한 구멍을 형성하여 반투명성을 갖는 고전도성 및 발열성이 우수한 반투명성 전도성 고분자 복합소재의 제조방법 및 이에 따라 제조된 반투명성 전도성 고분자 복합소재를 제공하고자 한다.

상기 과제를 해결하기 위하여,

본 발명은 일실시예에서, (A) 브로모부틸고무(BIIR)와 헥산을 혼합하는 단계; (B) 탄소계 필러와 이소프로필알코올을 혼합한 후, 디메틸 실리콘 오일(MEP) 용액을 첨가하여 초음파 처리하는 단계; (C) 상기 (B)단계에서 혼합된 혼합물에 상기 (A)단계에서 혼합된 혼합물을 첨가하여 교반하는 단계; (D) 상기 (C)단계에서 혼합된 혼합물을 핫프레스에 주입하여 경화하는 단계; 및, (E) 상기 경화 후 레이저를 이용하여 다수의 구멍을 형성하는 단계를 포함하는 반투명성 전도성 고분자 복합소재의 제조방법을 제공한다.

상기 (A)단계에서 브로모부틸고무(BIIR)는 1 내지 10 w/v% 조성비로 혼합되는 것일 수 있다.

상기 (B)단계에서 탄소계 필러와 이소프로필알코올은 1:50 내지 1:500의 중량비로 혼합되는 것일 수 있다.

상기 (B)단계의 탄소계 필러의 함량은 1 내지 35 wt%인 것일 수 있다.

상기 (C)단계에서 혼합된 혼합물에 헥산과 이소프로필알코올의 부피비가 5:1 내지 1:1이 되도록 헥산을 추가적으로 첨가하는 단계를 더 포함하는 것일 수 있다.

상기 (D)단계에서 구멍은 나란한 배열 또는 엇갈림의 배열로 균일하게 형성하는 것일 수 있다.

상기 탄소계 필러는 탄소나노튜브(CNT), 그래핀, 인조흑연, 활성탄소, 카본블랙, 탄소섬유로 이루어진 군에서 선택된 1종인 것일 수 있다.

또한, 본 발명은 일실시예에서, 상기 반투명성 전도성 고분자 복합소재의 제조방법에 따라 제조된 반투명성 전도성 고분자 복합소재를 제공한다.

본 발명의 반투명성 전도성 고분자 복합소재의 제조방법에 따라 제조된 반투명성 전도성 고분자 복합소재는 탄소계 필러(특히, 탄소나노튜브) 및 브로모부틸고무(BIIR) 두 가지 물질의 우수한 특성인 높은 전도성 및 발열성을 가지며, 균일한 구멍을 형성하여 높은 전도성과 발열 특성을 그대로 갖는 반투명한 복합소재를 제조함으로써 종래 탄소소재의 투명성의 한계점을 해결할 수 있다.

또한, 본 발명에 따른 반투명성 전도성 고분자 복합소재는 부착하거나 커튼으로 사용할 수 있으며, 이는 외부의 풍경을 볼 수 있는 가시성이 있고, 외부에서 안이 안보이는 시선차단이 가능하며, 겨울에는 면상발열체로서 방한 목적으로 사용이 가능하다.

도 1은 본 발명에 따른 반투명성 전도성 고분자 복합소재의 제조방법을 나타내는 순서도이다.
도 2는 본 발명에 따른 반투명성 전도성 고분자 복합소재의 구멍의 배열을 나타낸 모식도이다.
도 3은 본 발명에 따른 실시예 1 및 실시예 5에 따른 구멍 배열에 따른 인장 강도(Tensile strength), 인장 변형률(Tensile strain) 및 인장 응력(Tensile stress) 측정 결과(a 내지 c)와 Tensile 시험 후 시편의 사진(d)을 나타낸 것이다.
도 4는 실시예 1 내지 실시예 8의 변형률에 따른 인장 응력(Tensile stress)을 나타낸 그래프이다.
도 5는 본 발명에 있어서, 비교예 1 및 실시예 1에 따라 제조된 시편의 사진(a 및 b) 및 발열 특성(c 및 d)을 나타낸 이미지이다.
도 6은 본 발명에 있어서, 비교예 1 및 실시예 1에 따라 제조된 시편의 발열 온도 및 발열 사이클 특성을 나타낸 그래프이다[(a)비교예 1, (b)실시예 1, (c)비교예 1 vs 실시예 1].
도 7은 본 발명에 있어서, 비교예 1 및 실시예 1에 따라 제조된 시편의 40W에서 발열 속도 및 발열 사이클을 나타낸 그래프이다[(a)비교예 1, (b)실시예 1, (c)비교예 1 vs 실시예 1].
도 8은 본 발명에 따른 반투명성 전도성 고분자 복합소재를 창문에 설치하여 초점에 따라 촬영한 사진이다.

본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 구체적으로 설명하고자 한다.

그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.

본 발명에서, "포함한다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.

이하, 본 발명에 대하여 구체적으로 설명하기로 한다.

종래 고전도성 및 발열 특성을 갖는 탄소계 복합소재는 불투명하며, 투명성을 갖게 될 경우 특성이 달라지는 문제가 있어다. 이러한 문제를 해결하기 위해, 본 발명은 탄소계 고무 복합소재에 구멍을 형성하여 높은 전도성과 발열 특성을 그대로 갖는 반투명한 복합소재의 제조방법 및 이에 따라 제조된 반투명성 전도성 고분자 복합소재에 관한 것이다.

본 발명은 (A) 브로모부틸고무(BIIR)와 헥산을 혼합하는 단계; (B) 탄소계 필러와 이소프로필알코올을 혼합한 후, 디메틸 실리콘 오일(MEP) 용액을 첨가하여 초음파 처리하는 단계; (C) 상기 (B)단계에서 혼합된 혼합물에 상기 (A)단계에서 혼합된 혼합물을 첨가하여 교반하는 단계; (D) 상기 (C)단계에서 혼합된 혼합물을 핫프레스에 주입하여 경화하는 단계; 및, (E) 상기 경화 후 레이저를 이용하여 다수의 구멍을 형성하는 단계를 포함하는 반투명성 전도성 고분자 복합소재의 제조방법을 제공한다.

본 발명에서 브로모부틸고무(BIIR), 헥산, 탄소나노튜브(CNT), 카본블랙, 금속 섬유, 이소프로필알코올 및 디메틸 실리콘 오일(MEP)은 이 기술분야에서 널리 사용되는 것이므로 자세한 설명은 생략한다.

이하, 본 발명을 도 1을 참조하여 상세하게 설명한다.

도 1은 본 발명에 따른 반투명성 전도성 고분자 복합소재의 제조방법을 나타내는 모식도이다.

도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 반투명성 전도성 고분자 복합소재의 제조방법은 (A) 브로모부틸고무(BIIR)와 헥산을 혼합하는 단계; (B) 탄소계 필러와 이소프로필알코올을 혼합한 후, 디메틸 실리콘 오일(MEP) 용액을 첨가하여 초음파 처리하는 단계; (C) 상기 (B)단계에서 혼합된 혼합물에 상기 (A)단계에서 혼합된 혼합물을 첨가하여 교반하는 단계; (D) 상기 (C)단계에서 혼합된 혼합물을 핫프레스에 주입하여 경화하는 단계; 및, (E) 상기 경화 후 레이저를 이용하여 다수의 구멍을 형성하는 단계를 포함할 수 있다.

먼저, 상기 (A)단계에서는 헥산에 브로모부틸고무(BIIR)를 첨가한 후, 휘저어 혼합한다.

상기 브로모부틸고무(BIIR)는 유연성, 신축성, 화학적 안정성 및 가용성이 우수한 고분자 중 하나로서, 특히 자가치유성이 우수하여 타이어나 선박의 균열이나 비정형 구멍 등을 메우기 위한 물질로서 사용된다.

상기 헥산은 비극성 용매 중 하나로서, 상기 브로모부틸고무(BIIR)를 균일하게 분산시키기 위한 용매로 사용된다.

상기 (A)단계에서 브로모부틸고무(BIIR)는 1 내지 10 w/v% 조성비로 혼합될 수 있고, 바람직하게는 4 w/v% 조성비로 혼합될 수 있다. 상기 4 w/v% 조성비에서 헥산 내 브로모부틸고무(BIIR)의 분산도가 높고 핸들링이 용이하여 보다 효과적으로 브로모부틸고무(BIIR)을 균일하게 분산시킬 수 있다.

다음으로, 상기 (B)단계에서는 탄소계 필러와 이소프로필알코올을 혼합하여 초음파 처리한 후, 디메틸 실리콘 오일(MEP)을 첨가하여 혼합할 수 있다.

상기 탄소계 필러와 이소프로필알코올을 혼합한 후 초음파로 10 내지 60분 동안 처리하며, 바람직하게는 30분 동안 처리될 수 있다.

상기 탄소계 필러로는 상기 탄소계 필러는 탄소나노튜브(CNT), 그래핀, 인조흑연, 활성탄소, 카본블랙, 탄소섬유로 이루어진 군에서 선택된 1종인 것일 수 있다. 상기 건조된 탄소계 필러는 강하게 응집하려고 하는 경향이 있으며, 이는 반데르발스 힘(van der Waals force)에 의해 탄소계 필러가 다발을 형성하고 응집되어, 용매에 계면 접촉을 최소화함으로써 표면 에너지를 최소화하기 위한 작용이다.

본 발명에서는 상기 응집된 탄소계 필러를 분산시키기 위하여 응집된 탄소계 필러를 이소프로필알코올과 혼합한 후 이를 초음파 처리하여 탄소계 필러를 분산시킨다.

상기 탄소계 필러와 혼합되는 용매는 추후 용매의 증발 시 우수한 전도성을 위하여 공기를 남기지 말고 증발되어야 하므로 이소프로필알코올을 사용하는 것이 바람직하다. 구체적으로, 상기 이소프로필알코올은 3개의 탄소와 1개의 산소로 구성된 안정한 구조를 가지고 있어서 소수성 파트 또는 친수성 파트를 갖는 물질이 탄소계 필러의 표면에 접촉하기에 용이하다.

또한, 부분적으로 이소프로필알코올에 용해된 탄소계 필러는 초음파를 통해 완전하게 혼합된다.

상기 초음파 처리는 물리적인 힘이 가해짐으로써 응집되어 있는 탄소계 필러 뭉치(bundle)의 서로 간 표면 사이의 반 데르 발스 힘을 파괴하고 탄소계 필러를 단일 탄소계 필러로 분리한다. 본 발명에서 초음파 처리 방법은 욕조 초음파 법으로 10 내지 60분의 시간 내에 실온 이하, 바람직하게는 10 내지 23 ℃를 유지하면서 초음파 처리를 수행해야 탄소계 필러의 손상을 최소화할 뿐만 아니라 분산을 안정화시킬 수 있다.

상기 초음파는 주파수 약 40 내지 5,000 kHz 범위에서 강도(spatial peak pulse average intensity: ISPPA)가 약 50 내지 1,000 mW 사이를 변하는 초음파를 사용함으로써 탄소계 필러가 골고루 분산된 안정한 분산액을 얻을 수 있다.

또한, 상기 용매로 이소프로필알코올 및 초음파 방법이 아닌 다른 용매 및 다른 물리적인 방법을 사용하는 경우에는 탄소계 필러를 완전히 분리하여 용매에 안정하게 분산시킬 수 없으므로, 이소프로필알코올과 초음파 처리를 함께 수행하는 것이 바람직하다.

상기 탄소계 필러와 이소프로필알코올은 1:50 내지 1:500의 중량비, 바람직하게는 1:95 내지 1:450의 중량비로 혼합된다. 탄소계 필러를 기준으로 이소프로필알코올의 중량비가 상기 범위를 벗어나는 경우에는 응집된 탄소계 필러가 분리되지 않을 뿐만 아니라 분리된 탄소계 필러도 이소프로필알코올에 안정하게 분산되지 못할 수 있다.

또한, 상기 탄소계 필러가 탄소나노튜브(CNT)인 경우, 혼합물 내 탄소나노튜브(CNT)의 함량은 1 내지 35wt% 이며, 바람직하게는 5 내지 20wt% 일 수 있다. 상기 범위 내에서 탄소나노튜브(CNT)가 균일하게 분산되며, 탄소나노튜브(CNT)의 우수한 전기전도도, 열전도도 및 탄성 등의 특성을 유지하는 자가치유성 전도성 고무 복합소재를 제조할 수 있다.

상기 혼합된 혼합물에 디메틸 실리콘 오일(MEP) 용액을 첨가한 후, 초음파 처리한다.

상기 초음파 처리는 상기 탄소계 필러와 이소프로필알코올에서 수행한 초음파 처리와 동일한 조건으로 수행하되 5 내지 20분, 바람직하게는 10 내지 15분 동안 수행한다. 초음파 처리시간이 상기 하한치 미만인 경우에는 디메틸 실리콘 오일(MEP)이 탄소계 필러를 감쌀 수 없으며, 상기 상한치 초과인 경우에는 오히려 디메틸 실리콘 오일(MEP)이 탄소계 필러를 감싸는 것을 방해할 수 있으며, 향후 브로모부틸고무(BIIR)와 섞일 수 없다.

상기 디메틸 실리콘 오일(MEP)은 이소프로필알코올의 소수성 파트와 접촉하게 되고, 초음파 처리에 의해 상기 분산된 탄소계 필러를 감싼다.

상기 디메틸 실리콘 오일(MEP)의 점도는 70 내지 200 cSt, 바람직하게는 100 내지 150 cSt로서, 점도가 상기 하한치 미만인 경우에는 탄소계 필러를 감쌀 수 없으며, 상기 상한치 초과인 경우에는 탄소계 필러를 용액 내에 분산시키기 어려울 수 있다.

상기 디메틸 실리콘 오일(MEP) 용액은 농도가 0.1 내지 1%, 바람직하게는 0.2 내지 0.5%인 디메틸 실리콘 오일(MEP) 용액이다. 디메틸 실리콘 오일(MEP) 용액의 농도가 상기 하한치 미만인 경우에는 탄소계 필러를 감쌀 수 없으며, 상기 상한치 초과인 경우에는 더욱 안정된 분산액을 얻을 수 없다.

다음으로, 상기 (C)단계에서는 상기 (B)단계에서 혼합된 혼합물에 상기 (A)단계에서 혼합된 혼합물을 첨가하여 교반한다.

상기 (C)단계에서 혼합된 혼합물을 500 내지 1,500 rpm에서 30 분 동안 스터링(stirring)하여 과량의 헥산과 이소프로필알코올이 먼저 섞이게 하고 브로모부틸고무(BIIR)가 탄소계 필러 용액에 완전히 용해되도록 하는 것일 수 있다.

다음으로, 상기 (C)단계에서 혼합된 혼합물을 핫프레스에 주입한 후 경화시킬 수 있다. 구체적으로, 상기 (C)단계에서 혼합된 혼합물을 성형틀인 핫프레스에 주입한 후 120℃, 4,000 psi에서 10 분 동안 경화시킬 수 있다.

또한, 상기 (D)단계에서 혼합된 혼합물을 면상 발명체 필름 또는 창문의 형태로 제조하여 함으로써, 본 발명에 따른 반투명성 전도성 고분자 복합소재를 창문에 부착하거나 커튼으로 사용할 수 있으며, 겨울에는 면상발열체로서 방한 목적으로 사용할 수 있다.

상기 (C)단계 전에, 상기 (B)단계에서 혼합된 혼합물에 존재하는 용매를 증발시키는 단계를 추가 포함할 수 있다.

마지막으로, (E)단계에서는 상기 경화된 복합소재에 레이저를 이용하여 다수의 구멍을 형성하는 것일 수 있다. 상기 구멍을 형성함으로써 반투명성 전도성 고분자 복합소재를 제조할 수 있다.

상기 레이저는 CO₂ 레이저 커팅 시스템을 사용하는 것일 수 있다.

상기 구멍의 크기(직경)는 0.5 내지 2 mm, 바람직하게는 1 mm일 수 있으며, 구멍간의 간격은 0.5 내지 2 mm, 바람직하게는 1 mm일 수 있다.

상기 구멍은 나란한 배열 또는 엇갈림의 배열로 균일하게 형성하는 것일 수 있다.

도 2는 상기 반투명성 전도성 고분자 복합소재의 구멍의 배열을 나타낸 모식도이다.

도 2를 참조하면, 나란한 배열은 모든 행이 같은 열에 구멍이 형성되는 것이며, 엇갈림 배열은 행끼리 구멍이 엇갈려서 형성되는 것이 규칙적으로 반복되는 것일 수 있다.

상기 구멍은 나란한 배열 또는 엇갈림 배열에 따라 인장 강도는 유사할 수 있으나, 엇갈림 배열일 경우 나란한 배열의 복합소재에 비해 인장 변형률(Tensile strain)이 더 클 수 있다.

상기 반투명성 전도성 고분자 복합소재는 용액(solution) 방식으로 제조가 진행되므로 핸들링이 용이하며, 챔버 내에서 진공 조건에서 제조되던 진공 방식과 달리 고가의 진공 장비가 필요하지 아니하여, 공정이 단순하고 공정 단가가 저렴한 효과가 있다.

본 발명의 반투명성 전도성 고분자 복합소재의 제조방법에 따라 제조된 반투명성 전도성 고분자 복합소재는 탄소계 필러(특히, 탄소나노튜브) 및 브로모부틸고무(BIIR) 두가지 물질의 우수한 특성인 높은 전도성 및 발열성을 가지며, 균일한 구멍을 형성하여 높은 전도성과 발열 특성을 그대로 갖는 반투명한 복합소재를 제조함으로써 종래 탄소소재의 투명성의 한계점을 해결할 수 있다.

본 발명에 따른 반투명성 전도성 고분자 복합소재는 부착하거나 커튼으로 사용할 수 있으며, 이는 외부의 풍경을 볼 수 있는 가시성이 있고, 외부에서 안이 안보이는 시선차단이 가능하며, 겨울에는 면상발열체로서 방한 목적으로 사용이 가능하다.

이하 본 발명에 따르는 실시예 등을 통해 본 발명을 보다 상세히 설명하나, 본 발명의 범위가 하기 제시된 실시예에 의해 제한되는 것은 아니다.

[실시예]

실시예 1. CNT 5 중량%를 포함하는 반투명성 전도성 고분자 복합소재의 제조(엇갈림 배열로 구멍 형성)

헥산에 4% (w/v)의 브로모부틸고무(BIIR) 용액을 제조하였다. 이후, 5% (w/w)의 탄소나노튜브(CNT)를 이소프로필알코올에 첨가하여 분산시키고 상기 탄소나노튜브(CNT) 용액에 4% (w/w)의 디메틸 실리콘 오일(MEP) 용액을 첨가하고 초음파 처리하였다. 이어서, 상기 브로모부틸고무(BIIR) 용액에 상기 탄소나노튜브(CNT) 용액에 천천히 첨가한 후 30분 동안 최대 속도로 혼합하였다. 이후, 용매로 사용된 이소프로필알코올과 헥산을 증발시키고 탄소나노튜브(CNT)-브로모부틸고무(BIIR) 복합소재를 핫프레스에 주입하고 0.5 마이크론의 두께 게이지를 이용하여 120℃, 4000 psi에서 10분간 경화시켰다. 상기 경화된 복합재를 레이저(CO₂ 레이저 커팅 시스템, 구멍 지름 1mm, 간격 1mm)를 이용하여 엇갈림의 배열로 다수의 구멍을 형성하여 반투명성 전도성 고분자 복합소재를 제조하였다.

실시예 2. CNT 10 중량%를 포함하는 반투명성 전도성 고분자 복합소재의 제조(엇갈림 배열로 구멍 형성)

상기 실시예 1과 동일하게 실시하되, 10% (w/w)의 탄소나노튜브(CNT)를 사용하여 반투명성 전도성 고분자 복합소재를 제조하였다.

실시예 3. CNT 15 중량%를 포함하는 반투명성 전도성 고분자 복합소재의 제조(엇갈림 배열로 구멍 형성)

상기 실시예 1과 동일하게 실시하되, 15% (w/w)의 탄소나노튜브(CNT)를 사용하여 반투명성 전도성 고분자 복합소재를 제조하였다.

실시예 4. CNT 20 중량%를 포함하는 반투명성 전도성 고분자 복합소재의 제조(엇갈림 배열로 구멍 형성)

상기 실시예 1과 동일하게 실시하되, 20% (w/w)의 탄소나노튜브(CNT)를 사용하여 반투명성 전도성 고분자 복합소재를 제조하였다.

실시예 5. CNT 5 중량%를 포함하는 반투명성 전도성 고분자 복합소재의 제조(나란한 배열로 구멍 형성)

상기 실시예 1과 동일하게 실시하되, 상기 경화된 복합재를 레이저를 이용하여 나란한 배열로 다수의 구멍을 형성하여 반투명성 전도성 고분자 복합소재를 제조하였다.

실시예 6. CNT 10 중량%를 포함하는 반투명성 전도성 고분자 복합소재의 제조(나란한 배열로 구멍 형성)

상기 실시예 5와 동일하게 실시하되, 10% (w/w)의 탄소나노튜브(CNT)를 사용하여 반투명성 전도성 고분자 복합소재를 제조하였다.

실시예 7. CNT 15 중량%를 포함하는 반투명성 전도성 고분자 복합소재의 제조(나란한 배열로 구멍 형성)

상기 실시예 5와 동일하게 실시하되, 15% (w/w)의 탄소나노튜브(CNT)를 사용하여 반투명성 전도성 고분자 복합소재를 제조하였다.

실시예 8. CNT 20 중량%를 포함하는 반투명성 전도성 고분자 복합소재의 제조(나란한 배열로 구멍 형성)

상기 실시예 5와 동일하게 실시하되, 20% (w/w)의 탄소나노튜브(CNT)를 사용하여 반투명성 전도성 고분자 복합소재를 제조하였다.

비교예 1: CNT 5 중량%를 포함하는 구멍이 없는 전도성 고분자 복합소재의 제조

상기 실시예 1과 동일하게 실시하되, 구멍을 형성하는 단계 없이 경화 단계까지만 수행하여 제조하였다.

비교예 2: CNT 10 중량%를 포함하는 구멍이 없는 전도성 고분자 복합소재의 제조

상기 비교예 1과 동일하게 실시하되, 10% (w/w)의 탄소나노튜브(CNT)를 사용하여 수행하여 제조하였다.

비교예 3: CNT 15 중량%를 포함하는 구멍이 없는 전도성 고분자 복합소재의 제조

상기 비교예 1과 동일하게 실시하되, 15% (w/w)의 탄소나노튜브(CNT)를 사용하여 수행하여 제조하였다.

비교예 4: CNT 20 중량%를 포함하는 구멍이 없는 전도성 고분자 복합소재의 제조

상기 비교예 1과 동일하게 실시하되, 20% (w/w)의 탄소나노튜브(CNT)를 사용하여 수행하여 제조하였다.

실험예 1: 표면 저항 및 전기전도도 측정

하기 표 1은 각각 비교예 1 내지 4에 따라 제조된 카본계 전도성 고분자 복합소재의 표면 저항 및 전기전도도를 나타내는 표이다(실시예의 경우, 구멍으로 인하여 표면저항의 측정이 어려움).

표 1을 참조하면, 탄소나노튜브(CNT)의 함량이 증가함에 따라 표면 저항은 45.40±9.83에서 1.88±2.24 Ω/sq로 감소하였으며, 전기전도도는 0.56±0.06에서 3.76±0.42 S/cm로 증가하였다. 이를 통해, 브로모부틸고무(BIIR) 매트릭스에 균일하게 분산된 탄소나노튜브(CNT)는 전기전도성 엘라스토머 복합 필름에 효율적인 전기적 특성을 제공하여 튜브 사이의 균일한 연결을 유지하고 전도성 탄소나노튜브(CNT) 네트워크를 효과적으로 여과시킴을 확인하였다.

실험예 2: 인장(Tensile) 분석

상기 실시예 1 내지 실시예 5에 따른 시편을 크기 20×50 mm, head speed 500 mm/min 로 실험하였다.

도 3은 실시예 1 및 실시예 5에 따른 구멍 배열에 따른 인장 강도(Tensile strength) 및 인장 변형률(Tensile strain) 측정 결과와 tensile 시험 후 시편의 사진을 나타낸 것이다.

도 3을 참조하면, 구멍의 위치에 따라 인장 강도는 유사하나, 인장 변형률은 엇갈림 배열에서 더 큰 것을 확인할 수 있었다.

도 4는 실시예 1 내지 실시예 8의 변형률에 따른 인장 응력(Tensile stress)을 나타낸 그래프이다.

도 4를 참조하면, 탄소나노튜브에 함량에 따라서는 구멍의 배열 마다 유사한 인장 응력을 나타내고, 구멍의 배열에 따라서는 엇갈린 배열이 나란한 배열보다 높은 것으로 나타났다.

실험예 3: 면상발열 특성 분석

발열 조건: 비교예 1 및 실시예 1을 150×210 mm² 의 크기로 절단하고 전도성 구리 테이프를 양쪽 끝에 붙여 연결한 후, DC 전원 공급 장치로 전압 20~58V 및 전류 0.34~0.91A 를 공급하여 전력 10~50W에서 발열시켰다.

온도 변화 측정: FLIR IR 카메라를 사용하여 적외선 열 이미지를 촬영하여 온도 변화를 측정하였다.

발열 속도 측정: 비교예 1 및 실시예 1의 발열 속도는 DC 전원 공급 장치로 전압 평균 50V 및 전류 평균 0.8A 를 공급하여 평균 40W에서 측정하였고, 측정 환경은 평균 25℃, 42~48% 상대습도에서 측정하였다.

발열 사이클 측정: 비교예 1 및 실시예 1의 발열 사이클 측정은 상기의 발열 속도 측정과 같은 조건에서 측정하였고, 발열에 대한 안전성 및 연속성을 확인하기 위하여 전력 40W에서 5분 발열하고 5분 쿨링하면서 10번의 발열 사이클을 측정하였다.

도 5는 비교예 1 및 실시예 1에 따라 제조된 시편의 사진 및 발열 특성을 나타낸 이미지이다. 구멍이 없는 비교예 1과 대비하여 균일한 엇갈림 구멍이 있는 실시예 1에서 반투명성을 나타내는 것을 알 수 있었으며, 최고 발열온도가 더 높고 발열 균일도 또한 더 좋은 것을 확인할 수 있었다.

도 6은 비교예 1 및 실시예 1에 따라 제조된 시편을 각각 10~50W로 발열하면서 발열 속도를 비교한 그래프이다[control은 비교예 1, ST(semi transparency)는 실시예 1이며, 이때 표시한 발열 온도는 150×150 mm 박스 내의평균 발열 온도임]. 구멍이 없는 복합소재 대비 구멍이 형성된 반투명성 전도성 고분자 복합소재의 경우, 최고 발열 온도가 더 높고 균일한 구멍의 균일한 배열에 의한 열의 균일한 전달로 인하여 발열 속도 및 쿨링 속도가 더 빠른 특성을 확인할 수 있었다. 이는 발열체로서 이상적인 형태임을 알 수 있었다.

도 7은 비교예 1 및 실시예 1에 따라 제조된 시편의 40W에서 발열 속도 및 발열 사이클을 나타낸 그래프이다[(a)비교예 1, (b)실시예 1, (c)비교예 1 vs 실시예 1(control은 비교예 1, ST(semi transparency)는 실시예 1), 이때 표시한 발열 온도는 150×150 mm 박스 내의평균 발열 온도임]. 이는 40W의 저전력에서도 높은 발열 효과를 나타내며, 발열 사이클에 따른 발열 안전성은 두 샘플 모두 동일하게 나타났다.

도 5 내지 도 7을 참조하면, 구멍이 없는 복합소재 대비 구멍이 형성된 반투명성 전도성 고분자 복합소재의 발열 특성이 더 좋은 것을 알 수 있었다.

실험예 4: 반투명성 분석

상기 실시예 1에서 제조된 반투명성 전도성 고분자 복합소재를 창문에 설치하여 반투명성을 확인하였다.

도 8에 창문에 설치된 반투명성 전도성 고분자 복합소재의 초점에 따른 사진을 나타내었다.

도 8을 참조하면, 초점을 복합소재에 맞춰서 촬영한 사진과 초점을 풍경에 맞춰서 촬영한 사진에서 본 발명에 따른 반투명성 전도성 고분자 복합소재는 반투명성을 갖는 것을 확인할 수 있었다.

Claims

반투명성 전도성 고분자 복합소재의 제조방법으로서,
(A) 브로모부틸고무(BIIR)와 헥산을 혼합하는 단계;
(B) 탄소계 필러와 이소프로필알코올을 혼합한 후, 디메틸 실리콘 오일(MEP) 용액을 첨가하여 초음파 처리하는 단계;
(C) 상기 (B)단계에서 혼합된 혼합물에 상기 (A)단계에서 혼합된 혼합물을 첨가하여 교반하는 단계;
(D) 상기 (C)단계에서 혼합된 혼합물을 핫프레스에 주입하여 경화하는 단계; 및,
(E) 상기 경화 후 레이저를 이용하여 다수의 구멍을 형성하는 단계를 포함하고,
상기 (D)단계에서 구멍은 나란한 배열 또는 엇갈림의 배열로 균일하게 형성하는 것이고,
상기 반투명성 전도성 고분자 복합소재는 두께가 0.5 마이크로미터이며,
상기 구멍의 크기는 0.5 내지 2 mm이고, 상기 구멍간의 간격은 0.5 내지 2 mm이고,
상기 반투명성 전도성 고분자 복합소재를 150×210 mm² 의 크기로 절단하고 전도성 구리 테이프를 양쪽 끝에 붙여 연결한 후, DC 전원 공급 장치로 전압 20~58V 및 전류 0.34~0.91A 를 공급하여 전력 10~50W에서 발열시, 최고 발열 온도 및 발열 균일도가 향상되고, 균일한 구멍의 균일한 배열에 의한 열의 균일한 전달로 인하여 발열 속도 및 쿨링 속도가 향상되는 것을 특징으로 하는 반투명성 전도성 고분자 복합소재의 제조방법.
제 1 항에 있어서,
상기 (A)단계에서 브로모부틸고무(BIIR)는 1 내지 10 w/v% 조성비로 혼합되는 것을 특징으로 하는 반투명성 전도성 고분자 복합소재의 제조방법.
제 1 항에 있어서,
상기 (B)단계에서 탄소계 필러와 이소프로필알코올은 1:50 내지 1:500의 중량비로 혼합되는 것을 특징으로 하는 반투명성 전도성 고분자 복합소재의 제조방법.
제 1 항에 있어서,
상기 (B)단계의 탄소계 필러의 함량은 1 내지 35 wt%인 것을 특징으로 하는 반투명성 전도성 고분자 복합소재의 제조방법.
삭제
제 1 항에 있어서,
상기 탄소계 필러는 탄소나노튜브(CNT), 그래핀, 인조흑연, 활성탄소, 카본블랙, 탄소섬유로 이루어진 군에서 선택된 1종인 것을 특징으로 하는 반투명성 전도성 고분자 복합소재의 제조방법.
제 1 항 내지 제 4 항 및 제 6 항 중 어느 한 항의 제조방법에 따라 제조된 반투명성 전도성 고분자 복합소재.