KR102672857B1 - 질화붕소나노튜브를 이용한 중성자차폐 유연시트 제조방법 - Google Patents

질화붕소나노튜브를 이용한 중성자차폐 유연시트 제조방법 Download PDF

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Abstract

절연 기판 표면의 전도성 제어를 통한 전기방사공정의 수율을 향상시킬 수 있는 전기방사시트 및 그의 제조방법이 제안된다. 본 발명에 따른 전기방사시트 제조방법은 집전체시트 상에 대상기판을 위치시키는 단계; 대상기판 상에 전도성코팅층을 형성하는 단계; 및 전도성코팅층 상에 전기방사법으로 나노섬유층을 형성하는 단계;를 포함한다.

Description

질화붕소나노튜브를 이용한 중성자차폐 유연시트 제조방법{Manufacturing Method of neutron shielding flexible sheet using boron nitride nanotubes}
본 발명은 전기방사시트 및 그의 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 절연 기판 표면의 전도성 제어를 통한 전기방사공정의 수율을 향상시킬 수 있는 전기방사시트 및 그의 제조방법에 관한 것이다.
최근 유연 고분자 시트와 같은 절연성 기판에 대한 전기방사 기술이 산업적으로 많이 응용되고 있다. 전기방사 시스템에서 나노섬유를 포집하는 기판(collector)은 음전하를 접촉시키며 전도도가 우수한 금속이 주로 사용된다.
기판은 도선을 이용하여 접지가 되어있는 형태로 주로 사용되며, DC generator를 통하여 공급된 고전압의 전기에너지를 통해 형성된 전기장을 받아주는 역할을 하게 되어 나노 섬유가 효과적으로 모아질 수 있게 한다. 기판이 전도성인 Al foil인 경우 전도성 기판 위에 DC 전압 인가 시 기판의 전하가 제거되어 하전되지 않은 섬유를 부분적으로 생성한다. 반면, 기판이 비전도성인 절연기판인 경우 기판 표면에 전하가 축적되어 대전된 제트의 형성을 방해하는 반발력이 발생하고 인가된 전기장을 변형시킨다. 이로 인해, 전기방사 코팅 시 불연속적인 섬유가 형성되거나 불량이 발생할 수 있다.
일반적으로 절연기판에 대한 전기방사는 높은 전기장을 유지할 수 있을 정도로 기판의 두께가 얇아야만 가능하다(100㎛ 이하). 교류 고전압을 이용하면, 절연기판에의 전기방사법 적용도 기판 두께 관계없이 가능하나. 복잡한 교류 전계 시스템이 필요한 문제가 있다. 특히, 절연기판에 코팅해야할 물질이 전하를 띄기 어려운 산화물인 경우, 정전스프레이 효과가 떨어진다.
이를 개선한 기판에 친수성 코팅을 실시한 뒤 액체 전해질로 코팅하거나 고습도 환경에 배치하는 산소 플라즈마 처리 공정의 경우, 직경이 크고 특정 배향을 갖는 섬유만 형성할 수 있다는 제약이 있다. 또한 일반적인 전기방사보다 높은 Feed Rate 조건을 가진다. 따라서, 복잡한 플라즈마 처리나 교류 전계 시스템 없이 절연 기판의 전기방사 수율을 향상시키는 기술의 개발이 요청된다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은, 절연 기판 표면의 전도성 제어를 통한 전기방사공정의 수율을 향상시킬 수 있는 전기방사시트 및 그의 제조방법을 제공함에 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 전기방사시트 제조방법은 집전체시트 상에 대상기판을 위치시키는 단계; 대상기판 상에 전도성코팅층을 형성하는 단계; 및 전도성코팅층 상에 전기방사법으로 나노섬유층을 형성하는 단계;를 포함한다.
대상기판은 절연기판일 수 있다. 또는, 대상기판은, 폴리에틸렌테레프탈레이트(polyethyleneterephthalate, PET), 폴리메틸메타크릴레이트(poly(methyl methacrylate), PMMA), 폴리에틸렌나프탈레이트(polyethylenenaphthalate, PEN), 폴리카보네이트(polycarbonate, PC) 및 폴리이미드(polyimide, PI) 중 어느 하나를 포함할 수 있다.
전도성코팅층은 대상기판의 전도성보다 높은 전도성을 가질 수 있다.
나노섬유층은 절연입자가 전기방사되어 형성된 것일 수 있다.
나노섬유층은 산화물입자 또는 질화물입자가 전기방사되어 형성된 것일 수 있다.
나노섬유층은 나노튜브형 입자가 전기방사되어 형성된 것일 수 있다. 나노튜브형 입자는 질화붕소나노튜브(Boron Nitride Nanotubes, BNNT) 입자일 수 있다.
전기방사시트는 중성자차폐시트일 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 따르면, 집전체시트 상에 대상기판을 위치시키는 단계; 대상기판 상에 전도성코팅층을 형성하는 단계; 및 전도성코팅층 상에 전기방사법으로 나노섬유층을 형성하는 단계;를 포함하는 전기방사시트 제조방법에 따라 제조된 전기방사시트가 제공된다.
본 발명의 또다른 측면에 따르면, 전기방사법에 따라 나노섬유층이 형성될 대상기판이 위치하는 집전체시트; 대상기판 상에 전도성 물질을 코팅하여 전도성코팅층을 형성하는 전도성코팅형성부; 및 전도성코팅층이 형성된 대상기판 상에 나노섬유층을 형성하는 전기방사부;를 포함하는 전기방사장치가 제공된다.
본 발명의 또다른 측면에 따르면, 알루미늄 집전체시트 상에 폴리에틸렌테레프탈레이트 기판을 위치시키는 단계; 폴리에틸렌테레프탈레이트 기판 상에 전도성코팅층을 형성하는 단계; 및 전도성코팅층 상에 전기방사법으로 질화붕소나노튜브 나노섬유층을 형성하는 단계;를 포함하는 질화붕소나노튜브를 이용한 중성자차폐유연시트 제조방법이 제공된다.
본 발명에 따르면, 절연기판에 전기방사법을 이용하여 나노섬유층을 형성할 때, 복잡한 플라즈마 처리나 교류 전계 시스템 없이 저비용의 간단한 공정으로 절연기판 표면의 전도성을 제어하여 전기방사공정의 수율을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명에 따르면, PET 기판과 같은 절연 기판에 질화붕소나노튜브를 이용하여 나노섬유층을 형성하여 중성자차폐 유연시트를 제조함에 있어서, 불균일 코팅을 억제하여 중성자차폐성능을 최대화시킬 수 있는 효과가 있다.
도 1 내지 도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 전기방사시트 제조방법의 설명에 제공되는 도면이다.
도 5는 대상기판인 PET 기판의 표면이미지이고, 도 6은 전도성코팅층이 형성된 PET 기판의 표면이미지이며, 도 7은 전도성코팅층이 형성된 PET 기판에 BNNT 나노섬유층이 형성된 표면이미지이다.
도 8은 대상기판인 PET 기판 표면의 광학현미경 이미지 및 주사전자현미경 이미지이고, 도 9는 전도성코팅층이 형성된 PET 기판 표면의 광학현미경 이미지 및 주사전자현미경 이미지이며, 도 10은 전도성코팅층이 형성된 PET 기판에 BNNT 나노섬유층이 형성된 표면의 광학현미경 이미지 및 주사전자현미경 이미지이다.
도 11은 전도성코팅층이 형성되지 않은 PET 기판에 BNNT 나노섬유층이 형성된 표면이미지이고, 도 12는 광학현미경 이미지 및 주사전자현미경 이미지이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시형태를 설명한다. 그러나, 본 발명의 실시형태는 여러가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 이하 설명하는 실시형태로 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 실시형태는 당업계에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위해서 제공되는 것이다. 첨부된 도면에서 특정 패턴을 갖도록 도시되거나 소정두께를 갖는 구성요소가 있을 수 있으나, 이는 설명 또는 구별의 편의를 위한 것이므로 특정패턴 및 소정두께를 갖는다고 하여도 본 발명이 도시된 구성요소에 대한 특징만으로 한정되는 것은 아니다.
도 1 내지 도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 전기방사시트 제조방법의 설명에 제공되는 도면이다. 본 실시예에 따른 전기방사시트 제조방법은 집전체시트 상에 대상기판을 위치시키는 단계; 대상기판 상에 전도성코팅층을 형성하는 단계; 및 전도성코팅층 상에 전기방사법으로 나노섬유층을 형성하는 단계;를 포함한다.
본 발명의 전기방사시트 제조방법은 전기방사법을 이용하여 대상기판에 나노섬유층을 형성하여 전기방사시트를 제조하는 방법이다. 전기방사법은 다양한 종류의 고분자 물질을 액적화하고, 액적에 고전압의 전기에너지를 인가해주는 방법을 통하여 나노 섬유를 형성하는 방법이다. 따라서, 전기방사법은 다양한 종류의 물질들을 나노 섬유화할 수 있으며, 나노 단위의 섬유 물질을 매우 간단히 얻을 수 있다는 장점을 보유하기 때문에, 최근 가장 많은 관심을 받고 있다.
전기방사를 이용한 나노섬유생성의 기본적인 형성 원리는 다음의 단계를 포함하게 된다. 먼저, 고분자 물질이 용해되어 점도를 가지는 유동성 액상 물질을 주사 바늘을 통해 주입하여 그 끝에 액적을 형성한다. 주사 바늘 끝에서 형성되는 액적은 액상 물질이 가지는 표면장력에 의하여 일정 지름 이하의 구형 액적을 형성하고, 중력에 의하여 낙하하기 이전까지는 그 형태를 유지할 수 있다.
이 때, 이 고분자 액적에 고전압의 전기 에너지를 인가하여 주는 경우, 전기장의 형성에 의하여 액적의 표면에 표면 전하가 축적되고, 액적은 점차 축적되는 표면 전하를 해소하기 위하여 Taylor cone의 형태로 변화하게 된다. 이러한 고분자 용액 액적의 Taylor cone 형태로의 변화는 고분자 나노 섬유 형성에 가장 중요한 역할을 한다고 할 수 있다. 그 이유는 Taylor cone의 끝으로부터 나노 섬유상의 형성이 시작되기 때문이다.
Taylor cone의 형성은 인가되는 고전압의 전기에너지와 고분자 액적이 가지는 표면 장력의 균형에 의하여 발생한다. 외부로부터 인가되는 고전압의 전기 에너지는 고분자 액적이 가지는 전기 전도성에 따라, 액적의 표면에 전하가 축적되는 전하 분리(charge sepaation)현상을 유도하는데, 이를 통하여 고분자 액적의 표면에 다량의 표면 전하가 축적되게 된다.
이 때, 고분자 액적은 액적의 비표면적과 비례하여, 최대로 보유할 수 있는 최대 표면 전하의 제한(Rayleigh limitation)이 영향을 받게 된다. 따라서, 계속된 고전압 전기 에너지의 인가로 액적의 표면 전하가 축적되는 과정에서, 액적의 표면이 가질 수 있는 최대 표면 전하 제한을 넘어서는 순간, 고분자 액적은 더 이상 구형을 유지하지 않고, 보유할 수 있는 최대 표면 전하 수를 증가하여, Talyor cone의 형태로 변화하여 콘의 끝에서 용액젯을 발사한다.
Taylor cone 형성 이후 발산된 액상 젯은 집전체(collector)를 향해 발사되며, 발사 과정 이후의 고분자 액상 젯은 용액의 신장 과정(elongation) 및 고형화 과정(solidification)을 거쳐 매우 작은 지름을 가지는 나노 섬유의 형태로 포집되며, 이를 통하여 부직포 형태의 나노 섬유 매트를 형성할 수 있다.
한편, 집전체를 향하여 이동하는 고분자 용액젯은 초기 과정엔 집전체를 향해 직각으로 향하는 움직임을 가지지만, Taylor cone과의 거리가 멀어짐에 따라 점차 무작위적인 경로로 움직이며 집전체로 향하게 된다. 이러한 현상은 용액젯에 인가되는 몇 가지 경로의 불안정성에 기인한다. 고전압의 전기에너지 인가에 따라 고분자 용액젯의 표면에 축적되는 표면 전하 차이에 척력이 유도되게 되면, 단일 고분자 나노 섬유 내에서도 척력이 발생하게 된다.
또한, 인가되는 전기장의 영향으로 집전체를 향하는 고분자 용액젯은, 용액젯의 신장 과정에서 그 지름이 점차 감소하게 되는데, 이러한 과정을 통하여 용액젯의 기계적인 물성이 감소하여 유동성이 생성되게 된다. 그 결과, 주변 환경에 의한 작은 용액젯의 움직임에도, 표면 전하 간의 척력과 용액젯의 낮은 기계적 물성에 의하여 매우 다양한 불안정성 모드를 형성하게 되며, 이를 통해 매우 불규칙한 배열을 가지는 부직포형 나노 섬유(nonwoven nanofiber web) 구조를 헝성할 수 있게 된다.
도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 전기방사시트 제조방법에서는 먼저, 집전체시트(110) 상에 대상기판(120)을 위치시킨다.
전기방사에서 집전체(Collector)는 일반적으로 알루미늄 호일과 같이 전기를 잘 통하게 하는 전도성 물질에 도선을 이용하여 접지되어 있는 형태로 주로 사용되며, DC Generator를 통하여 공급된 고전압의 전기에너지를 통해 형성된 전기장을 받아주는 역할을 하여 나노 섬유가 효과적으로 모아질 수 있게 한다.
대상기판(120)은 나노섬유층이 형성될 대상이 되는 기판이다. 대상기판(120)은 절연기판일 수 있는데, 예를 들어 대상기판은, 폴리에틸렌테레프탈레이트(polyethyleneterephthalate, PET), 폴리메틸메타크릴레이트(poly(methyl methacrylate), PMMA), 폴리에틸렌나프탈레이트(polyethylenenaphthalate, PEN), 폴리카보네이트(polycarbonate, PC) 및 폴리이미드(polyimide, PI) 중 어느 하나를 포함할 수 있다. 이러한 플라스틱 기판들은 절연기판이면서 유연성을 나타낸다.
전기방사시트 제조방법에서는 전기방사법을 이용하므로, 절연기판 상에 전기방사에 의한 나노섬유층 형성이 용이하지 않다. 본 발명에서는 대상기판(120) 상에 전도성코팅층(130)을 형성하여(도 2) 대상기판(120)에의 전기방사수율을 향상시킨다.
전도성코팅층(130)은 대상기판(120)의 전도성보다 높은 전도성을 가지는 것이 바람직하다. 전도성코팅층(130)은 전도성있는 물질이라면 제한없이 사용될 수 있다.
전도성코팅층(130)이 대상기판(120) 상에 형성되면, 전기방사법으로 나노섬유층(140)이 형성된다(도 3). 이후, 집전체시트(110) 및 집전체시트(110) 상에 형성된 나노섬유층(140)이 제거되어 전기방사시트(100)를 얻을 수 있다.
대상기판(120)이 절연기판인 경우에도 전기방사법의 수율이 낮을 수 있는데, 대상기판(120) 상에 형성되는 나노섬유층(140)에 포함되는 입자가 절연입자인 경우 전기방사법의 수율은 더욱 낮아질 수 있다. 따라서, 대상기판(120) 상에 전도성코팅층(130)이 위치하여 전기방사법의 수율을 높여 나노섬유층(140)에 절연입자인 경우에도 우수한 품질의 나노섬유층(140)을 형성하여 고품질의 전기방사시트(100)를 얻을 수 있다.
나노섬유층(140)은 산화물입자 또는 질화물입자와 같은 절연입자를 포함할 수 있다. 또는, 나노섬유층(140)은 나노튜브형 입자가 전기방사되어 형성된 것일 수 있는데, 예를 들어, 나노튜브형 입자는 질화붕소나노튜브(Boron Nitride Nanotubes, BNNT) 입자일 수 있다.
본 발명의 전기방사시트 제조방법에 따라, 질화붕소나노튜브입자가 전기방사법으로 나노섬유층을 형성되어 제조된 전기방사시트(100)는 중성자차폐시트일 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 따르면, 집전체시트 상에 대상기판을 위치시키는 단계; 대상기판 상에 전도성코팅층을 형성하는 단계; 및 전도성코팅층 상에 전기방사법으로 나노섬유층을 형성하는 단계;를 포함하는 전기방사시트 제조방법에 따라 제조된 전기방사시트가 제공된다.
본 발명의 또다른 측면에 따르면, 전기방사법에 따라 나노섬유층이 형성될 대상기판이 위치하는 집전체시트; 대상기판 상에 전도성 물질을 코팅하여 전도성코팅층을 형성하는 전도성코팅형성부; 및 전도성코팅층이 형성된 대상기판 상에 나노섬유층을 형성하는 전기방사부;를 포함하는 전기방사장치가 제공된다.
본 발명의 또다른 측면에 따르면, 알루미늄 집전체시트 상에 폴리에틸렌테레프탈레이트 기판을 위치시키는 단계; 폴리에틸렌테레프탈레이트 기판 상에 전도성코팅층을 형성하는 단계; 및 전도성코팅층 상에 전기방사법으로 질화붕소나노튜브 나노섬유층을 형성하는 단계;를 포함하는 질화붕소나노튜브를 이용한 중성자차폐유연시트 제조방법이 제공된다.
도 5는 대상기판인 PET 기판의 표면이미지이고, 도 6은 전도성코팅층이 형성된 PET 기판의 표면이미지이며, 도 7은 전도성코팅층이 형성된 PET 기판에 BNNT 나노섬유층이 형성된 표면이미지이다.
본 발명에 따라, 대상기판인 PET 기판에 하이브리드 복합 표면 처리 장치를 이용하여 전도성 코팅을 실시하였다. 전도성 코팅은 DCT Material 사의 대전방지코팅제(AS3401)를 이용하였다. 이후, 전도성 코팅이 형성된 PET 기판을 Furnace에서 120℃에서 1분간 건조시킨 뒤 BNNT입자로 전기방사를 실시하였다.
도 5에서는 전도성 코팅을 형성하지 않은 PET 기판이 투명(투과율 100%)함을 알 수 있고, 전도성 코팅이 형성된 PET 기판은 도 6과 같이 투명도가 낮아졌으며(투과율 97.19%), 도 7에서는 투과율이 매우 낮아져(투과율 26.88%), 전도성코팅층 상에 BNNT 나노섬유층이 높은 수율로 형성되었음을 알 수 있다.
도 8은 대상기판인 PET 기판 표면의 광학현미경 이미지 및 주사전자현미경 이미지이고, 도 9는 전도성코팅층이 형성된 PET 기판 표면의 광학현미경 이미지 및 주사전자현미경 이미지이며, 도 10은 전도성코팅층이 형성된 PET 기판에 BNNT 나노섬유층이 형성된 표면의 광학현미경 이미지 및 주사전자현미경 이미지이다.
도 8과 같은 PET 기판에 전도성코팅층이 형성되면, 도 9와 같은 표면이미지를 나타내고 전도성코팅층으로 인하여 절연기판인 PET 기판 상에 BNNT 나노섬유층이 우수한 수율로 형성되었음을 확인할 수 있다(도 10).
도 11은 전도성코팅층이 형성되지 않은 PET 기판에 BNNT 나노섬유층이 형성된 표면이미지이고, 도 12는 광학현미경 이미지 및 주사전자현미경 이미지이다.
도 11의 전도성코팅층이 형성되지 않은 PET 기판 표면은 기판이 투명함을 알 수 있었는데(투과율 97.37%), 이로부터 전도성코팅층이 형성되지 않은 PET 기판 표면에는 전기방사가 거의 이루어지지 않았음을 확인할 수 있다. 또한, 도 12의 광학현미경 이미지 및 주사전자현미경 이미지로부터 전도성코팅층이 형성되지 않은 PET 기판에는 BNNT 나노섬유층이 형성되긴 하였으나, 도 10에서의 전도성코팅층이 형성된 PET 기판에 형성된 BNNT 나노섬유층과 달리 입자가 드문드문 있는 것으로 보아 전기방사가 잘 이루어지지 않았음을 확인할 수 있다.
이상, 본 발명의 실시예들에 대하여 설명하였으나, 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서, 구성 요소의 부가, 변경, 삭제 또는 추가 등에 의해 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있을 것이며, 이 또한 본 발명의 권리범위 내에 포함된다고 할 것이다.
100: 전기방사시트
110: 집전체시트
120: 대상기판
130: 전도성코팅층
140: 나노섬유층

Claims (12)

  1. 집전체시트 상에 대상기판을 위치시키는 단계;
    대상기판 상에 전도성코팅층을 형성하는 단계; 및
    전도성코팅층 상에 전기방사법으로 나노섬유층을 형성하는 단계;를 포함하는 대상기판, 전도성코팅층 및 나노섬유층을 포함하는 전기방사시트를 제조하는 전기방사시트 제조방법.
  2. 청구항 1에 있어서,
    대상기판은 절연기판인 것을 특징으로 하는 전기방사시트 제조방법.
  3. 청구항 1에 있어서,
    대상기판은, 폴리에틸렌테레프탈레이트(polyethyleneterephthalate, PET), 폴리메틸메타크릴레이트(poly(methyl methacrylate), PMMA), 폴리에틸렌나프탈레이트(polyethylenenaphthalate, PEN), 폴리카보네이트(polycarbonate, PC) 및 폴리이미드(polyimide, PI) 중 어느 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 전기방사시트 제조방법.
  4. 청구항 1에 있어서,
    전도성코팅층은 대상기판의 전도성보다 높은 전도성을 갖는 것을 특징으로 하는 전기방사시트 제조방법.
  5. 청구항 1에 있어서,
    나노섬유층은 절연입자가 전기방사되어 형성된 것을 특징으로 하는 전기방사시트 제조방법.
  6. 청구항 1에 있어서,
    나노섬유층은 산화물입자 또는 질화물입자가 전기방사되어 형성된 것을 특징으로 하는 전기방사시트 제조방법.
  7. 청구항 1에 있어서,
    나노섬유층은 나노튜브형 입자가 전기방사되어 형성된 것을 특징으로 하는 전기방사시트 제조방법.
  8. 청구항 7에 있어서,
    나노튜브형 입자는 질화붕소나노튜브(Boron Nitride Nanotubes, BNNT) 입자인 것을 특징으로 하는 전기방사시트 제조방법.
  9. 청구항 1에 있어서,
    전기방사시트는 중성자차폐시트인 것을 특징으로 하는 전기방사시트 제조방법.
  10. 청구항 1의 전기방사시트 제조방법에 따라 제조된 전기방사시트.
  11. 전기방사법에 따라 나노섬유층이 형성될 대상기판이 위치하는 집전체시트;
    대상기판 상에 전도성 물질을 코팅하여 전도성코팅층을 형성하는 전도성코팅형성부; 및
    전도성코팅층이 형성된 대상기판 상에 나노섬유층을 형성하는 전기방사부;를 포함하는 대상기판, 전도성코팅층 및 나노섬유층을 포함하는 전기방사시트를 제조할 수 있는 전기방사장치.
  12. 알루미늄 집전체시트 상에 폴리에틸렌테레프탈레이트 기판을 위치시키는 단계;
    폴리에틸렌테레프탈레이트 기판 상에 전도성코팅층을 형성하는 단계; 및
    전도성코팅층 상에 전기방사법으로 질화붕소나노튜브 나노섬유층을 형성하는 단계;를 포함하는 폴리에틸렌테레프탈레이트 기판, 전도성코팅층 및 질화붕소나노튜브 나노섬유층을 포함하는 중성자차폐유연시트를 제조할 수 있는 질화붕소나노튜브를 이용한 중성자차폐유연시트 제조방법.
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