KR102670621B1 - GnP/탄소섬유/TPU 복합 전자파 차폐 필름 및 이를 제조하는 방법 - Google Patents

GnP/탄소섬유/TPU 복합 전자파 차폐 필름 및 이를 제조하는 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명인 GnP/탄소섬유/TPU 복합 전자파 차폐 필름은, 구리, 강, 알루미늄 대신에, 그래핀 나노플레이트를 차폐물질로 사용하므로 가볍다.
또한, 그래핀 나노플레이트의 우수한 전도성으로 인해, 60dB 이상의 우수한 차폐 효과를 가진다. 또한, 5~100nm의 얇은 두께를 가진 그래핀 나노플레이트로 인해, 유연하다.
이러한 특징을 가진 GnP/탄소섬유/TPU 복합 전자파 차폐 필름을 신호선에 감아서 차폐케이블을 제조할 경우, 가볍고, 차폐성능이 우수하고, 유연한 차폐케이블을 제조할 수 있다.

Description

GnP/탄소섬유/TPU 복합 전자파 차폐 필름 및 이를 제조하는 방법{GnP/carbon fiber/TPU composite electromagnetic wave shielding film and method for manufacturing the same}
본 발명은 GnP/탄소섬유/TPU 복합 전자파 차폐 필름 및 이를 제조하는 방법에 관한 것이다.
차폐란, 차폐케이블의 신호선을 알루미늄(구리)으로 감싸, 외부에서 유입되는 노이즈와 내부 발생 노이즈를 억제하여, 데이터를 빠르고 안정적으로 내보내기 위한 방법이다.
차폐는, 주로 편조 차폐 (Braided Shield), 스파이럴 차폐 (Spiral Shield), 알루미늄 랩(테이프) 차폐 (Aluminum Shield) 3가지 방식으로 이루어진다.
편조 차폐 (Braided Shield)는 구리나 강선을 그물망 형태로 촘촘하게 엮어 차폐하는 방식이다.
스파이럴 차폐 (Spiral Shield)는 편조 차폐와 비슷하지만, 격자가 아닌 한쪽 방향으로 다수의 얇은 구리를 감아 차폐하는 방식이다.
알루미늄 랩(테이프) 차폐 (Aluminum Shield)는 신호선 주위에 알루미늄 테이프를 감아 차폐하는 방식이다.
이러한 금속재를 사용하는 차폐 방식은, 차폐효과는 우수하나, 차폐케이블의 무게를 증가시키고, 차폐케이블의 유연성을 떨어뜨린다.
한국등록특허(10-1503283)
본 발명의 목적은, 상술한 문제점을 해결할 수 있는 GnP/탄소섬유/TPU 복합 전자파 차폐 필름 및 이를 제조하는 방법을 제공하는 데 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 GnP/탄소섬유/TPU 복합 전자파 차폐 필름은,
열가소성 폴리우레탄 기지;
상기 열가소성 폴리우레탄 기지에 일 방향으로 배치된 탄소섬유들; 및
상기 탄소섬유들의 상측과 하측과 사이사이에 균일하게 분포된 상태로, 상기 열가소성 폴리우레탄 기지에 부착된 그래핀 나노플레이트 분말을 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 목적은,
길이 방향으로 탄소섬유들을 공급하는 제1단계;
상기 탄소섬유들을 폭 방향으로 펼치는 제2단계;
펼쳐진 상기 탄소섬유들의 위쪽에서 열가소성 폴리우레탄 용액을 토출하여, 펼쳐진 상기 탄소섬유들의 상면과 사이사이에 분산시키는 제3단계;
상기 열가소성 폴리우레탄 용액이 상면과 사이사이에 분산된 탄소섬유들을 가열하여, 반 건조된 열가소성 폴리우레탄 수지를 기지로 하는 탄소섬유/TPU 복합재를 제조하는 제4단계;
그래핀 나노플레이트 분말이 담긴 통 안으로 상기 탄소섬유/TPU 복합재를, 상기 그래핀 나노플레이트 분말 속을 지나가게 통과시켜, 상기 그래핀 나노플레이트가 상기 탄소섬유/TPU 복합재의 상하면에 균일하게 부착된 GnP/탄소섬유/TPU 복합재를 제조하는 제5단계; 및
상기 통 밖으로 나온, 상기 GnP/탄소섬유/TPU 복합재를 가압한 후 회수하는 제6단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 GnP/탄소섬유/TPU 복합 전자파 차폐 필름을 제조 방법에 의해 달성된다.
본 발명인 GnP/탄소섬유/TPU 복합 전자파 차폐 필름은, 구리, 강, 알루미늄 대신에, 그래핀 나노플레이트를 차폐물질로 사용하므로 가볍다.
또한, 그래핀 나노플레이트의 우수한 전도성으로 인해, 60dB 이상의 우수한 차폐 효과를 가진다.
또한, 5~100nm의 얇은 두께를 가진 그래핀 나노플레이트로 인해, 유연하다.
이러한 특징을 가진 GnP/탄소섬유/TPU 복합 전자파 차폐 필름을 신호선에 감아서 차폐케이블을 제조할 경우, 가볍고, 차폐성능이 우수하고, 유연한 차폐케이블을 제조할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 GnP/탄소섬유/TPU 복합 전자파 차폐 필름을 나타낸 도면이다.
도 2는 도 1에 도시된 GnP/탄소섬유/TPU 복합 전자파 차폐 필름을 제조하는 방법을 나타낸 순서도다.
도 3은 도 1에 도시된 GnP/탄소섬유/TPU 복합 전자파 차폐 필름을 제조하는 장치를 나타낸 도면이다.
도 4는 통 안에서 그래핀 나노플레이트 분말이 가진되고 가압되는 상태를 나타낸 도면으로, 도 4(b)는 그래핀 나노플레이트 분말이 줄어듦에 따라, 에어실린더가 가압판을 하강시켜 그래핀 나노플레이트 분말을 눌러주는 상태를 나타낸다.
이하, 본 발명의 일 실시예에 따른 GnP/탄소섬유/TPU 복합 전자파 차폐 필름을 자세히 설명한다.
도 1에 도시된 바와 같이, GnP/탄소섬유/TPU 복합 전자파 차폐 필름(FL)은, 열가소성 폴리우레탄 기지(TM), 탄소섬유(CF)들, 그래핀 나노플레이트 (graphene nanoplatelet, GnP) 분말로 구성된다.
열가소성 폴리우레탄 기지(TM)는 열가소성 폴리우레탄으로 형성된다.
탄소섬유(CF)는 열가소성 폴리우레탄 기지(TM)에 일 방향으로 배치된다.
그래핀 나노플레이트(GnP) 분말은, 탄소섬유(CF)들의 상측과 하측과 사이사이에 균일하게 분포된다. 그래핀 나노플레이트(GnP) 분말은 그래핀 나노플레이트(GnP)의 집합체다. 그래핀 나노플레이트(GnP)는 두께 5~100nm 및 크기 최대 50 um 정도의 2차원 벌집형 격자 구조의 그래핀 시트를 짧게 쌓아 올려서 제조된다.
이렇게 제조된 그래핀 나노플레이트(GnP)는 판 형상을 가진다. 그래핀 나노플레이트(GnP)는 판 형상을 가지므로, 판 형상을 가진 열가소성 폴리우레탄 기지(TM)에 납작하게 빈틈없이 부착될 수 있다. 그래핀 나노플레이트(GnP)는 기계적 강도, 전기전도도 및 열전도도가 매우 우수하다.
GnP/탄소섬유/TPU 복합 전자파 차폐 필름(FL)은, 구리, 강, 알루미늄 대신에, 그래핀 나노플레이트(GnP)를 차폐물질로 사용하므로 가볍다.
또한, 그래핀 나노플레이트(GnP)의 우수한 전도성으로 인해, 60dB 이상의 우수한 차폐 효과를 가진다.
또한, 5~100nm의 얇은 두께를 가진 그래핀 나노플레이트(GnP)로 인해, 유연하다.
이하, 본 발명의 일 실시예에 따른 GnP/탄소섬유/TPU 복합 전자파 차폐 필름을 제조하는 방법을 자세히 설명한다. 도 3은 GnP/탄소섬유/TPU 복합 전자파 차폐 필름을 제조 장치(1)를 나타낸 도면으로, GnP/탄소섬유/TPU 복합 전자파 차폐 필름을 제조하는 방법의 설명시 함께 설명한다.
도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 GnP/탄소섬유/TPU 복합 전자파 차폐 필름을 제조하는 방법은,
길이 방향으로 탄소섬유들을 공급하는 제1단계(S11);
상기 탄소섬유들을 폭 방향으로 펼치는 제2단계(S12);
펼쳐진 상기 탄소섬유들의 위쪽에서 열가소성 폴리우레탄 용액을 토출하여, 펼쳐진 상기 탄소섬유들의 상면과 사이사이에 분산시키는 제3단계(S13);
상기 열가소성 폴리우레탄 용액이 상면과 사이사이에 분산된 탄소섬유들을 가열하여, 반 건조된 열가소성 폴리우레탄 수지를 기지로 하는 탄소섬유/TPU 복합재를 제조하는 제4단계(S14);
그래핀 나노플레이트 분말이 담긴 통 안으로 상기 탄소섬유/TPU 복합재를, 상기 그래핀 나노플레이트 분말 속을 지나가게 통과시켜, 상기 그래핀 나노플레이트가 상기 탄소섬유/TPU 복합재의 상하면에 균일하게 부착된 GnP/탄소섬유/TPU 복합재를 제조하는 제5단계(S15);
상기 통 밖으로 나온, 상기 GnP/탄소섬유/TPU 복합재를 가압한 후 회수하는 제6단계(S16)로 구성된다.
도 3에 도시된 바와 같이, GnP/탄소섬유/TPU 복합 전자파 차폐 필름을 제조하는 장치(1)는 공급유닛(10), 스프레딩유닛(20), 분산유닛(30), 가열유닛(40), 부착유닛(50), 가압유닛(60), 회수유닛(70)으로 구성된다. 이하, 도 3을 기본적으로 참조한다.
이하, 제1단계(S11)를 설명한다.
공급유닛(10)은, 길이방향으로 탄소섬유(CF)들을 공급한다. 탄소섬유(CF)들은 토우(tow) 형태로 공급된다. 공급유닛(10)은 탄소섬유(CF)들이 감기는 롤러(11)와, 롤러(11)를 회전시키는 구동부(11a)와, 가이드롤러(11b)들로 구성된다. 구동부(11a)는 공지기술로 구현 가능하므로 자세한 설명을 생략한다.
이하, 제2단계(S12)를 설명한다.
스프레딩유닛(20)은 공급유닛(10)으로부터 공급받은 탄소섬유(CF)들을 폭 방향으로 10~15mm 정도 펼친다. 스프레딩유닛(20)은, 차례대로 배치된 가열기(21), 진공흡입기(22)로 구성된다. 가열기(21)는 탄소섬유(CF) 표면의 사이징제를 연화시켜, 탄소섬유(CF)들이 서로 잘 떨어져 탄소섬유(CF)들이 잘 펼쳐지게 만든다. 다만, 사이징제가 이미 제거된 탄소섬유(CF)를 사용할 경우에는 가열기(21)는 작동하지 않는다. 진공흡입기(22)는 공기를 아래로 흡입하여 탄소섬유(CF)들 사이 간격을 넓힌다.
이하, 제3단계(S13)를 설명한다.
분산유닛(30)은 펼쳐진 탄소섬유(CF)들의 위쪽에서 열가소성 폴리우레탄 용액(TS)을 토출하여, 펼쳐진 탄소섬유(CF)들의 상면과 사이사이에 분산시킨다. 분산유닛(30)은 저장용기(31), 분사노즐(32), 회수용기(33), 회수펌프(34), 회수튜브(35)로 구성된다.
저장용기(31)에 열가소성 폴리우레탄 용액(TS)이 담긴다. 열가소성 폴리우레탄 용액(TS)은 열가소성 폴리우레탄(TPU)을 메틸에틸케톤(MEK)에 용해 시켜 만든다. 열가소성 폴리우레탄(TPU)과 메틸에틸케톤(MEK)의 혼합비는 5:5다.
분사노즐(32)은 전자식 노즐로, 열가소성 폴리우레탄 용액(TS)의 분사량, 분사속도, 분사시간, 분사횟수를 조절한다.
회수용기(33)는 탄소섬유(CF)들 상면과 사이사이에 분산되고 남은 열가소성 폴리우레탄 용액(TS)을 회수한다.
한편, 회수용기(33)에 흡입장치(미도시)를 더 두어, 열가소성 폴리우레탄 용액(TS)을 적극적으로 빨아들여 회수할 수 있다. 이때, 흡입장치의 흡입력을 조절하면, 탄소섬유(CF)들 상면과 사이사이에 남게 되는 열가소성 폴리우레탄 용액(TS)의 양을 조절할 수 있다. 즉, 흡입력이 셀수록 탄소섬유(CF)들 사이에 열가소성 폴리우레탄 용액(TS)이 더 많이 남게 되고, 흡입력이 약할수록 탄소섬유(CF) 상면에 열가소성 폴리우레탄 용액(TS)이 더 많이 남게 된다.
회수펌프(34)는 회수된 열가소성 폴리우레탄 용액(TS)을 회수튜브(35)를 통해 저장용기(31)로 보낸다. 이로 인해, 열가소성 폴리우레탄 용액(TS)의 낭비를 줄일 수 있다.
이하, 제4단계(S14)를 설명한다.
가열유닛(40)은 열가소성 폴리우레탄 용액(TS)이 상면과 사이사이에 분산된 탄소섬유(CF)들을 가열하여, 반 건조된 열가소성 폴리우레탄 수지를 기지로 하는 탄소섬유/TPU 복합재를 제조한다. 이를 위해, 가열유닛(40)은 탄소섬유(CF)들의 상측과 하측에 배치된 가열기(41,42)로 구성된다. 가열기(41,42)는 40~50℃ 정도의 열을 내어, 메틸에틸케톤(MEK)을 증발시키고 열가소성 폴리우레탄 수지를 탄소섬유(CF)들 상면과 사이사이에 남긴다.
40~50℃읜 가열 온도에서 열가소성 폴리우레탄 수지는 끈적끈적한 상태가 된다.
이하, 제5단계(S15)를 설명한다.
부착유닛(50)은 그래핀 나노플레이트(GnP) 분말이 담긴 통 안으로, 탄소섬유/TPU 복합재를, 그래핀 나노플레이트(GnP) 분말 속을 지나가게 통과시킨다. 그러면, 그래핀 나노플레이트(GnP) 분말이 탄소섬유/TPU 복합재의 상하면에 균일하게 부착된 GnP/탄소섬유/TPU 복합재를 제조된다.
탄소섬유/TPU 복합재에서 열가소성 폴리우레탄 수지가 반건조 상태로 끈적하므로, 열가소성 폴리우레탄 수지에 그래핀 나노플레이트(GnP) 분말이 쉽게 부착될 수 있다.
또한, 탄소섬유/TPU 복합재가 그래핀 나노플레이트(GnP) 분말 속을 통과하면서 부착되므로, 탄소섬유/TPU 복합재의 상하면 전체에 골고루 그래핀 나노플레이트(GnP) 분말이 접촉되어 빈틈없이 부착될 수 있다.
부착유닛(50)은 통(51), 가압기(52), 가진기(53), 닥터블레이드(54a,54b)로 구성된다.
통(51) 안에는 그래핀 나노플레이트(GnP) 분말이 담긴다.
가압기(52)는 그래핀 나노플레이트(GnP) 분말을 가압한다. 이를 위해, 가압기(52)는 에어실린더(51a)와 가압판(52b)으로 구성된다. 에어실린더(51a)는 가압판(52b)을 단계적으로 하강시킨다. 물론, 에어실린더(51a) 대신에 모터와 볼스크류 등을 사용하여 가압판(52b)을 보다 세밀하게 하강시킬 수 있을 것이다. 이 밖에 다양한 공지기술로 가압기(52)를 구성할 수도 있다.
한편, 탄소섬유/TPU 복합재가 통(51) 안을 통과하면 탄소섬유/TPU 복합재에 그래핀 나노플레이트(GnP) 분말이 부착되어, 통(51) 안에 있는 그래핀 나노플레이트(GnP) 분말의 양이, 시간이 지날수록 줄어들게 된다. 그러면, 그래핀 나노플레이트(GnP) 분말 속을 지나는 탄소섬유/TPU 복합재를 누르는 힘(자중)이 작아져, 탄소섬유/TPU 복합재에 그래핀 나노플레이트(GnP) 분말이 부착되는 힘 역시 작아진다. 이로 인해, 나중에 생산된 GnP/탄소섬유/TPU 복합 전자파 차폐 필름일수록 그 차폐성능이 떨어지게 된다.
도 4(a) 및 도 4(b)를 참조하면, 이러한 문제를 해결하기 위하여, 통(51) 안에 있는 그래핀 나노플레이트(GnP) 분말의 양이 줄어들 때, 에어실린더(51a)가 가압판(52b)을 하강시켜 그래핀 나노플레이트(GnP) 분말의 상면 전체에 압력을 가한다. 여기서 압력의 크기는, 그래핀 나노플레이트(GnP) 분말의 양이 점차 줄어들어 작아진 그래핀 나노플레이트 분말 무게(자중)로 인한 압력과 같다.
이러한 방법에 의해, 통(41) 안에 그래핀 나노플레이트(GnP) 분말이 가득 있을 때나 그렇지 않을 때나, 탄소섬유/TPU 복합재에 그래핀 나노플레이트(GnP) 분말이 부착되는 힘은 같아져, GnP/탄소섬유/TPU 복합 전자파 차폐 필름의 생산시간과 상관없이, 항상 동일한 차폐성능을 가진 GnP/탄소섬유/TPU 복합 전자파 차폐 필름을 생산할 수 있다.
가진기(53)는 그래핀 나노플레이트(GnP) 분말을 가진시켜, 그래핀 나노플레이트(GnP) 분말이 서로 뭉치지 않게 만든다. 이로 인해, 그래핀 나노플레이트(GnP) 분말이 뭉치지 않고 분산된 상태에서, 탄소섬유/TPU 복합재가 그래핀 나노플레이트(GnP) 분말 속을 지나게 되므로, 탄소섬유/TPU 복합재의 상하면에 그래핀 나노플레이트(GnP) 분말이 어느 한쪽으로 뭉치지 않고 균일하게 부착될 수 있다. 가진기(53)는 초음파 진동자로 구성된다.
닥터블레이드(54)는 통(51)의 입구와 출구에 각각 설치된다. 입구에 설치된 닥터블레이드(54a)는 탄소섬유/TPU 복합재에서 잉여 열가소성 폴리우레탄 수지를 제거한다. 출구에 설치된 닥터블레이드(54b)는 GnP/탄소섬유/TPU 복합재에서 잉여 그래핀 나노플레이트(GnP) 분말을 제거한다.
이하, 제6단계(S16)를 설명한다.
가압유닛(60)은 통(51) 밖으로 나온, GnP/탄소섬유/TPU 복합재를 가압하여, 그래핀 나노플레이트(GnP) 분말을 탄소섬유/TPU 복합재에 단단하게 부착시킨다. 또한, 그래핀 나노플레이트(GnP) 분말을 탄소섬유(CF)들 사이사이까지 침투시킨다. 또한, GnP/탄소섬유/TPU 복합재의 두께를 최종 조절한다.
이러한 가압유닛(60)은 GnP/탄소섬유/TPU 복합재의 상하측에 배치된 가압롤러(61)와 가압롤러(61)를 상하로 이동시키는 구동부(62)로 구성된다. 구동부(62)는 가압롤러(61)를 상하로 이동시켜 그래핀 나노플레이트 분말을 탄소섬유/TPU 복합재에 단단하게 부착시키고, GnP/탄소섬유/TPU 복합재의 두께를 최종 조절한다. 그러면, 최종 제품인 GnP/탄소섬유/TPU 복합 전자파 차폐 필름이 만들어진다.
회수유닛(70)은 GnP/탄소섬유/TPU 복합 전자파 차폐 필름을 감아서 보관한다. 이러한 회수유닛(70)은 GnP/탄소섬유/TPU 복합 전자파 차폐 필름이 감기는 회수롤러(71)와, 회수롤러(71)를 회전시키는 구동부(72)로 구성된다. 구동부(72)는 공지기술로 구현 가능하므로 자세한 설명을 생략한다.
1: GnP/탄소섬유/TPU 복합 전자파 차폐 필름을 제조 장치
10: 공급유닛 20: 스프레딩유닛
30: 분산유닛 40: 가열유닛
50: 부착유닛 60: 가압유닛
70: 회수유닛
FL: GnP/탄소섬유/TPU 복합 전자파 차폐 필름
TM: 열가소성 폴리우레탄 기지
CF: 탄소섬유
GnP: 그래핀 나노플레이트

Claims (4)

  1. 삭제
  2. 길이방향으로 탄소섬유들을 공급하는 공급유닛;
    상기 공급유닛으로부터 공급받은 상기 탄소섬유들을 폭 방향으로 펼치는 스프레딩유닛;
    펼쳐진 상기 탄소섬유들의 위쪽에서 열가소성 폴리우레탄 용액을 토출하여, 펼쳐진 상기 탄소섬유들의 상면과 사이사이에 분산하는 분산유닛;
    상기 열가소성 폴리우레탄 용액이 상면과 사이사이에 분산된 상기 탄소섬유들을 가열하여, 반 건조된 열가소성 폴리우레탄 수지를 기지로 하는 탄소섬유/TPU 복합재를 제조하는 가열유닛;
    그래핀 나노플레이트 분말이 담긴 통 안으로, 상기 탄소섬유/TPU 복합재를, 상기 그래핀 나노플레이트 분말 속을 지나가게 통과시켜, 상기 그래핀 나노플레이트 분말이 상기 탄소섬유/TPU 복합재의 상하면에 균일하게 부착된 GnP/탄소섬유/TPU 복합재를 제조하는 부착유닛;
    상기 통 밖으로 나온 상기 GnP/탄소섬유/TPU 복합재를 가압하여, 상기 그래핀 나노플레이트 분말을 상기 탄소섬유/TPU 복합재에 부착시키는 가압유닛;
    상기 GnP/탄소섬유/TPU 복합 전자파 차폐 필름을 감아서 보관하는 회수유닛을 포함하며,
    상기 부착유닛은, 가압기, 가진기, 닥터블레이드로 구성되며,
    상기 가압기는 에어실린더와 가압판으로 구성되며, 상기 통 안에 있는 상기 그래핀 나노플레이트 분말의 양이 줄어들 때, 상기 에어실린더로 상기 가압판을 하강시켜 상기 그래핀 나노플레이트 분말의 상면 전체에 압력을 가하되, 압력의 크기는, 상기 그래핀 나노플레이트 분말의 양이 점차 줄어들어 작아진 상기 그래핀 나노플레이트 분말 무게(자중)로 인한 압력과 같으며,
    상기 가진기는 상기 탄소섬유/TPU 복합재가 상기 그래핀 나노플레이트 분말 속을 지나갈 때, 상기 통 안에 있는 상기 그래핀 나노플레이트 분말이 분산된 상태로 있게 가진시켜며,
    상기 닥터블레이드는 상기 통의 입구와 출구에 각각 설치되며, 입구에 설치된 상기 닥터블레이드는 상기 탄소섬유/TPU 복합재에서 잉여 상기 열가소성 폴리우레탄 수지를 제거하고, 출구에 설치된 상기 닥터블레이드는 상기 GnP/탄소섬유/TPU 복합재에서 잉여 상기 그래핀 나노플레이트 분말을 제거하는 것을 특징으로 하는 GnP/탄소섬유/TPU 복합 전자파 차폐 필름 제조 장치.
  3. 제2항의 GnP/탄소섬유/TPU 복합 전자파 차폐 필름 제조 장치에 의해 제조된
    열가소성 폴리우레탄 기지;
    상기 열가소성 폴리우레탄 기지에 일 방향으로 배치된 탄소섬유들; 및
    상기 탄소섬유들의 상측과 하측과 사이사이에 균일하게 분포된 상태로, 상기 열가소성 폴리우레탄 기지에 부착된 그래핀 나노플레이트 분말을 포함하는 것을 특징으로 하는 GnP/탄소섬유/TPU 복합 전자파 차폐 필름.
  4. 삭제
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