KR20080102888A

KR20080102888A - 압전 복합 소재

Info

Publication number: KR20080102888A
Application number: KR1020070049921A
Authority: KR
Inventors: 오상근; 송경화; 박준기; 정다정
Original assignee: (주)탑나노시스
Priority date: 2007-05-22
Filing date: 2007-05-22
Publication date: 2008-11-26
Also published as: KR101285415B1

Abstract

본 발명은 압전 복합 소재를 제공한다. 본 발명의 실시예에 따른 압전 복합 소재는: 압전 특성을 가진 물질로 이루어진 압전 물질층과; 상기 압전 물질층의 적어도 일면에 형성되며, 탄소나노튜브와 전도성 폴리머가 혼합되어 이루어진 전도층;을 구비한다.

Description

압전 복합 소재{Piezoelectric composite material}

도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 압전 복합 소재의 일단면을 도시한 단면도이다.

도 2는 도 1의 압전 복합 소재의 전도층 제조 방법을 도시한 개념도이다.

도 3은 본 발명의 제2 실시예에 따른 압전 복합 소재의 일단면을 도시한 단면도이다.

도 4는 본 발명의 제3 실시예에 따른 압전 복합 소재의 일단면을 도시한 단면도이다.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 *

100, 200, 300: 압전 복합 소재 110: 압전 물질층

120: 전도층 220, 330: 탄소나노튜브층

230, 320: 전도성 폴리머층

본 발명은 압전 복합 소재에 관한 것으로, 보다 상세하게는 내수성 및 내화학성 향상되고, 전기적 특성이 우수한 압전 복합 소재를 제공함을 목적으로 한다.

압전 복합 소재란 압전 특성을 가진 물질과 함께 전도성 물질을 구비하는 소재로서, 전도성 물질에 전압 등의 전기적 신호가 인가되면 압전 특성을 가진 물질이 기계적 변형을 일으키는 소재 및/또는 상기 압전 특성을 가진 물질이 기계적 변형을 일으키면 전도성 물질에 전기적 신호가 인가되는 소재를 의미한다.

따라서, 압전 특성을 가진 물질이란, 압력이나 길이 변화등의 기계적 변형이 가해지면 전기적 신호(전하량)를 발생시키고 반대로 전기적 신호(전압)를 가하면 기계적 변형을 일으키는 물질을 일컫는다. 이러한 압전 특성을 가진 물질은 통상 얇은 필름 형상으로 제조되어 통상적으로 압전 필름으로 불리워진다. 상기 압전 필름은 화학적, 열적 안정성, 전기적 절연성등으로 인하여 적외선 센서, 액츄에이터(actuator), 초음파 트렌듀서, 비휘발성 기억소자, 및 멤브레인 등의 소재로 많이 사용된다.

상기 압전 필름의 대표적인 예가 폴리비닐리덴 플루오라이드(PVDF, PolyVinyliDene Fluoride) 필름이다. 상기 PVDF 필름은 최근 음향 변화기로서 새로운 가능성을 제시하고 있고, 최근에는 PVDF 필름을 이용한 필름스피커가 상용화 되고 있다.

PVDF 필름이 필름형 스피커에 적용되기 위해서, 종래에는 상기 PVDF 필름 표면에 전도성 물질을 코팅하여 사용하였다.

현재 필름 스피커에 적용되는 압전 복합 소재는, PVDF 필름 상에 전도성 물질로 전도성 고분자 필름이 코팅되어 사용된다. 그러나 전도성 고분자 필름은 코팅 시 전도성 고분자가 PVDF 필름 상에 고르게 도포 되지 않아 불균일한 고분자 전 도체 막이 형성된다. 이에 따라서 필름형 스피커의 출력이 일정하지 않으며, 일정한 수준의 음질이 보장되지 않는다.

또한, 전도성 고분자 필름의 코팅되는 두께가 수 마이크로미터 이상으로 두꺼워 진동판에 하중을 주는 결과를 가져온다. 이와 더불어 고분자 물질의 변형 및 진동으로 인한 고분자 전도체 막의 깨짐 현상이 문제가 발생된다. 또한 폴리머의 특성상 내수성이나 화학적인 내구성이 떨어진다.

한편, 상기 압전 필름 상에 전도성 물질로 ITO(Indium Tin Oxide)를 코팅하는 방법을 생각할 수 있다. 그러나 ITO는 고온의 생산 공정이 필요하여 생산비가 증가하고, 압전 필름의 진동에 의해 크랙 등의 손상이 생겨서 수명이 짧아지는 단점이 있다.

본 발명은 상술한 종래 기술의 문제점을 포함한 여러 문제점을 극복하기 위한 것으로, 압전 필름 표면의 안정성이 높고, 내수성, 내화학성이 우수한 압전 복합 소재를 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명의 다른 목적은 음질이 우수한 압전 복합 소재를 제공하는 것이다.

따라서 본 발명의 실시예에 따른 압전 복합 소재는: 압전 특성을 가진 물질로 이루어진 압전 물질층과; 상기 압전 물질층의 적어도 일면에 형성되며, 탄소나노튜브와 전도성 폴리머가 혼합되어 이루어진 전도층;을 구비한다.

본 발명의 다른 실시예에 따른 압전 복합 소재는: 압전 특성을 가진 물질로 이루어진 압전 물질층과; 상기 압전 물질층의 적어도 일면에 형성된 탄소나노튜브들로 이루어진 탄소나노튜브층과; 상기 탄소나노튜브 상에 형성된 것으로, 전도성 폴리머로 이루어진 전도성 폴리머층;을 구비한다.

본 발명의 또 다른 실시예에 따른 압전 복합 소재는: 압전 특성을 가진 물질로 이루어진 압전 물질층과; 상기 압전 물질층의 적어도 일면에 형성된 전도성 폴리머들로 이루어진 전도성 폴리머층과; 상기 전도성 폴리머층 상에 형성된 것으로, 탄소나노튜브들로 이루어진 탄소나노튜브층;을 구비한다.

이어서 도면을 참조하여 본 발명에 대하여 상세히 설명한다.

도 1은 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 압전 복합 소재(100)를 도시한 단면도이다. 도 1에 도시된 바와 같이, 압전 복합 소재(100)는 압전 물질층(110)과, 전도층(120)을 구비한다.

압전 물질층(110)은 압전 특성을 가진 물질로 이루어진다. 이 경우 압전 특성을 가진 물질은, 압력이나 길이 변화 등의 기계적 변형이 가해지면 전기적 신호(전하량)를 발생시키고 반대로 전기적 신호(전압)를 가하면 기계적 변형을 일으키는 물질을 일컫는다. 이러한 압전 물질층(110)은 얇은 필름 형상으로 제조될 수도 있으며, 이 경우 압전 필름으로 불릴 수 있다.

전도층(120)은 상기 압전 물질층(110)의 적어도 일면에 형성되며, 탄소나노튜브(121)들과 전도성 폴리머(123)가 혼합되어 이루어진다.

전도성 폴리머(123)는 열 경화적인 특성이 우수하다. 전도성 폴리머(123)는 압전 물질층(110)과 탄소나노튜브(121) 사이가 단단히 고정될 수 있도록 한다.

또한, 탄소나노튜브(121)는 ITO보다 투명성 및 유연성이 우수하고, 전도성 폴리머(123)보다 전도성이 우수하다. 또한, 탄소나노튜브(121)는 압전 물질층의 양면에 코팅되어 음향기기용 필름으로 제작할 때 기존 전도성 폴리머(123)에 비해 저주파수 영역에서도 상대적으로 높은 음압을 나타내고 고주파수 영역에서는 고른 음압을 나타내어 음향 기기 소재로 우수한 성능을 가진다.

따라서, 상기 전도성 폴리머(123) 및 탄소나노튜브(121)를 상기 압전 필름 상에 코팅 등의 방법으로 형성시킴으로써, 대면적 코팅이 균일하게 이루어질 수 있다.

전도성 폴리머(123) 및 탄소나노튜브(121)의 혼합은 각각의 물질이 가지고 있는 장점을 유지하면서 코팅 공정을 단순화시킬 수 있다. 따라서, 탄소나노튜브층(220)을 코팅시 두께와 탄소나노튜브 용액의 농도를 조절하게 되면 다양한 저항값을 갖도록 형성될 수 있다. 예컨대, 전도층(120)은 50Ω/□ ∼ 2000Ω/□의 저항값 범위에서 어느 한 값을 갖도록 형성될 수 있다. 만일, 400Hz 이하의 저주파 영역에서 특히 우수한 출력 특성을 얻고자 한다면, 전도층(120)이 50Ω/□ ∼ 200Ω/□의 저항값 범위에서 어느 한 값을 갖도록 형성될 수 있다.

이 경우, 전도성 폴리머(123) 및 탄소나노튜브(121)가 혼합된 코팅 용액을 제조시에, 탄소나노튜브(121)와 전도성 폴리머(123)의 상태를 조절함으로써 여러 특성을 갖는 코팅 층을 제조할 수 있다. 한 예로서 탄소나노튜브(121)의 혼합 비율을 높이면 전도성 필름의 투과성을 높일 수 있으며, 특정 기능기(친용매성 기능 기)를 가진 전도성 폴리머(123)는 탄소나노튜브(121)의 분산제로 사용될 수 있기 때문에 분산제의 첨가반응 없이 탄소나노튜브(121) 분산 코팅 용액을 제조할 수 있다.

상기 전도층(120)에는, 예로 들어 전도성 향상과 같은 기능 향상을 위하여, 금, 은, 구리, 니켈, 크롬, 아연등 금속나노입자를 첨가하거나 다른 폴리머 등을 첨가할 수 있다.

본 발명에서 사용되는 압전 물질층(110)은 이소불화비닐(PVDF, polyvinylidenfluoride) 필름일 수 있다. 이 경우, 이소불화비닐 필름은 표면의 기능성 향상을 위해 플라즈마, 코로나, 오존 등의 표면처리가 될 수 있다. 이와 더불어 이소불화비닐 필름은 베타형의 결정구조를 가질 수 있다.

본 발명에서 사용되는 탄소나노튜브(121)는 단일벽 탄소나노튜브, 이중벽 탄소나노튜브, 다중벽 탄소나노튜브 및 다발형 탄소나노튜브 및 이들의 조합으로부터 선택될 수 있으나 반드시 이들로 제한되는 것은 아니다.

본 발명에서 사용되는 전도성 폴리머(123)는 폴리아세틸렌, 폴리피롤, 폴리아닐린, 폴리티오펜 및 이들의 유도체로 이루어진 것 중에 선택된 1종 이상인 것이 바람직하다.

한편, 상기 전도층(120)은 압전 물질층(110)의 양면에 형성될 수 있으며, 이 경우 상기 압전 복합 소재(100)는 필름 스피커 등 음향 재료로 사용될 수 있다. 즉, 압전 복합 소재(100)는, 교류 전압이 인가됨에 따라 기계적인 진동을 하는 압전 필름과, 압전 필름의 양면에 형성된 전도층(120), 및 전도성 고분자막들에 외부 전원으로부터 공급받은 교류 전압을 전달하는 전극들을 포함하여 구성될 수 있다. 이에 따라서 전극에 음향 신호에 상응하는 교류 전압을 인가하게 되면, 압전 필름 양면에 배치된 전도층(120) 사이에 전압 차이가 발생하게 되며, 그에 따라 압전 필름이 진동하면서 음향을 재생할 수 있는 것이다.

상기 전도층(120)을 형성시키기 위하여 코팅 방법을 사용할 수 있다. 즉, 도 2에 도시된 바와 같이, 전도층(120) 형성을 위하여, 탄소나노튜브(121)와, 전도성 폴리머(123)와, 용매를 혼합하여 코팅 용액을 제조한 뒤에, 상기 코팅 용액을 압전 물질층(110) 상에 코팅함으로써 이루어질 수 있다.

이 경우, 상기 코팅 용액의 성분비는, 탄소나노튜브(121)를 무게비로 0.01~ 20로, 용매를 무게비로60~ 99로, 전도성 폴리머(123)를 무게비로 0.001~ 20로 선택되는 것이 바람직하다.

이 경우, 용매로는 물, 메탄올, 에탄올등의 알코올류, 케톤류, 에테르류 등이 바람직하게 사용될 수 있으나 반드시 이들로 제한되는 것은 아니며, 전도성 폴리머(123)와 탄소나노튜브(121)가 분산될 수 있는 일반적인 용매 중에 하나 혹인 그 이상을 선택할 수 있다.

본 발명의 압전 복합 소재(100)의 코팅 용액 제조를 위해 탄소나노튜브(121), 전도성 폴리머(123) 및 용매를 혼합할 때, 초음파 균질기, 나선형 믹서, 유성형 믹서, 디스퍼서(disperser), 혼성믹서 등의 교반 장치를 이용하여 제조할 수 있다.

본 발명에서 코팅 방법은 스프레이 코팅, 바코팅, 딥코팅, 롤코팅, 스핀코 팅, 전기영동 증착, 캐스팅, 잉크젯 프린팅, 실크스크린, 그라비어 코팅, 오프셋 프린팅의 간편한 코팅 방법을 사용할 수 있다.

도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 압전 복합 소재(200)를 도시한 단면도이다. 도 3에 도시된 바와 같이, 압전 복합 소재(200)는 압전 물질층(110)과, 탄소나노튜브층(220)과, 전도성 폴리머층(230)을 구비한다.

압전 물질층(110)은 압전 특성을 가진 물질로 이루어진다. 탄소나노튜브층(220)은, 상기 압전 물질층(110)의 적어도 일면에 형성된 탄소나노튜브들로 이루어진다. 전도성 폴리머층(230)은 탄소나노튜브층(220) 상에 형성된 것으로, 전도성 폴리머로 이루어진다.

이 경우 압전 물질층(110)과, 전도성 폴리머는 본 발명의 제1실시예에 기재된 압전 물질층(110) 등과 그 소재 및 그 소재 특성이 동일하다.

탄소나노튜브는 ITO보다 투명성 및 유연성이 우수하고, 전도성 폴리머보다 전도성이 우수하다. 또한, 탄소나노튜브는 압전 필름의 양면에 코팅되어 음향기기용 필름으로 제작할 때 기존 전도성 폴리머에 비해 저주파수 영역에서도 상대적으로 높은 음압을 나타내고 고주파수 영역에서는 고른 음압을 나타내어 음향 기기 소재로 우수한 성능을 가진다.

이 경우, 상기 탄소나노튜브층(220)은 압전 물질층(110)의 양면에 형성될 수 있으며, 이 경우 상기 압전 복합 소재(100)는 필름 스피커 등 음향 재료로 사용될 수 있다.

또한, 상기 탄소나노튜브층(220)은 탄소나노튜브 용액에 의해 다양한 방법으 로 압전 물질층(110) 상에 코팅될 수 있다. 따라서, 탄소나노튜브층(220)을 코팅시 두께와 탄소나노튜브 용액의 농도를 조절하게 되면 다양한 저항값을 갖도록 형성될 수 있다. 예컨대, 탄소나노튜브층(220)은 50Ω/□ ∼ 2000Ω/□의 저항값 범위에서 어느 한 값을 갖도록 형성될 수 있다. 만일, 400Hz 이하의 저주파 영역에서 특히 우수한 출력 특성을 얻고자 한다면, 탄소나노튜브층(220)이 50Ω/□ ∼ 200Ω/□의 저항값 범위에서 어느 한 값을 갖도록 형성될 수 있다.

그리고, 탄소나노튜브층(220)은 전술한 바와 같이 형성됨에 따라, 코팅이 용이할 뿐 아니라 두께를 나노미터 크기로 조절할 수 있으므로, 일정한 두께로 형성될 수 있다. 따라서, 상기 탄소나노튜브층(220)에 의해서는 압전 물질층(110) 전체에 걸쳐 전압이 고르게 공급될 수 있다. 그 결과, 음압이 고르게 될 수 있으므로, 음질이 일정 수준 이상으로 보장될 수 있다.

또한, 탄소나노튜브층(220)을 구성하는 탄소나노튜브는 전도성 고분자에 비해 내화학성, 내습성이 우수한 특성이 있는바, 탄소나노튜브층(220)은 반영구적인 수명을 지닐 수 있다. 뿐만 아니라, 탄소나노튜브층(220)은 ITO 막에 비해 휨 특성도 우수한 것으로 알려져 있으므로, 휘거나 구부러지더라도 균열 등이 발생하지 않는바, 플렉시블 전자기기에 채용될 수 있다. 게다가, 탄소나노튜브층(220)은 전도성 고분자막에 비해 전도성이 우수한 특성이 있는바, 전도성 고분자막과 대비하여 동일한 전압에서 높은 음압을 얻을 수 있을 뿐 아니라, 동일한 음압을 내기 위한 구동 전압이 낮아서 전력 소모가 적을 수 있다.

그러나, 탄소나노튜브층(220)만을 압전 물질층(110) 상에 형성되도록 하면, 탄소나노튜브층(220)의 코팅 두께가 두꺼워지면서 탄소나노튜브층(220)과 압전 물질층(110) 간의 접촉확률이 적어지고 이는 표면에 존재하는 탄소나노튜브가 안정하게 압전 물질층에 접착되어 있지 못하고 떨어지는 현상을 발생시킬 수 있다. 따라서, 상기 탄소나노튜브층(220) 상에 전도성 폴리머층(230)이 형성된다.

상기 전도성 폴리머층(230)은, 전도성 폴리머를 탄소나노튜브층(220) 위에 코팅한 후 표면을 열처리하여 이루어질 수 있다. 이에 따라서 전도성 폴리머의 경화현상으로 인해 탄소나노튜브의 바깥층이 보호되면서 탄소나노튜브가 외부로 떨어지는 문제점을 해결할 수 있다.

특히 탄소나노튜브 표면에 금속 나노입자를 도입하여 전도성을 증가시키는 방법에서 가장 문제점으로 제시되는 금속의 탈착 현상도 이와 같은 전도성 폴리머층(230)의 형성으로 방지할 수 있다. 이때 사용되는 전도성 폴리머는 전도성을 가지기 때문에 필름의 전도성을 변화시키지 않으면서 안정한 탄소나노튜브 코팅 압전필름을 제조할 수 있게 된다.

이 경우, 상기 탄소나노튜브층(220) 및 전도성 폴리머층(230)은 각각 압전 물질층(110) 및 탄소나노튜브층(220) 상에 코팅함으로써 이루어질 수 있다.

이 경우, 용매로는 물, 메탄올, 에탄올등의 알코올류, 케톤류, 에테르류등이 바람직하게 사용될 수 있으나 반드시 이들로 제한되는 것은 아니며 전도성 폴리머와 탄소나노튜브가 분산될 수 있는 일반적인 용매 중에 하나 혹인 그 이상을 선택할 수 있다.

본 발명의 압전 복합 소재(200)의 코팅 용액 제조를 위해 탄소나노튜브, 전 도성 폴리머 및 용매를 혼합할 때, 초음파 균질기, 나선형 믹서, 유성형 믹서, 디스퍼서(disperser), 혼성믹서 등의 교반 장치를 이용하여 제조할 수 있다.

본 발명에서 코팅 방법은 스프레이 코팅, 바코팅, 딥코팅, 롤코팅, 스핀코팅, 전기영동 증착, 캐스팅, 잉크젯 프린팅, 실크스크린, 그라비어 코팅, 오프셋 프린팅의 간편한 코팅 방법을 사용할 수 있다.

한편, 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 압전 복합 소재(300)는, 압전 물질층(110)과, 전도성 폴리머층(320)과, 탄소나노튜브층(330)을 구비한다. 압전 물질층(110)은 압전 특성을 가진 물질로 이루어진다. 전도성 폴리머층(320)은, 상기 압전 물질층(110)의 적어도 일면에 형성된 전도성 폴리머들로 이루어진다. 탄소나노튜브층(330)은 상기 전도성 폴리머층(320) 상에 형성된 것으로, 탄소나노튜브들로 이루어진다. 이 경우 압전 물질층(110)과, 탄소나노튜브와, 전도성 폴리머는 본 발명의 제1실시예에 기재된 압전 물질층(110) 등과 그 소재 및 그 소재 특성이 동일하므로 이에 대한 상세한 설명은 생략한다.

이에 따라면, 압전 물질층(110) 상에 전도성 폴리머층(320)이 형성되고, 상기 전도성 폴리머층(320) 상에 탄소나노튜브층(330)이 형성된다. 이에 따라서 외부로 노출된 최상층이 탄소나노튜브가 된다.

전도성 폴리머층(320)을 이루는 전도성 폴리머는 통상 PEDOT/PSS poly (3,4-ethylenedioxidethiophene) / poly (4-styrenesulfonate) 이거나 이들의 유도체이다. 이 전도성 폴리머는 현재 시판되는 전도성 폴리머 중 가장 전도성이 높으며 여러 종류의 바인더, 용매와 잘 섞여 다양한 코팅 방법으로 기질에 코팅되는 장점을 가지고 있다. 하지만 상기 전도성 폴리머들은 물이나 화학약품에 대한 안정성이 낮아 폴리머가 코팅된 필름이 물이나 유기용매 등에 닿으면 코팅부분이 벗겨져 전극으로 사용 시 전도도가 낮아지게 된다.

따라서, 압전 물질층(110) 상에 전도성 폴리머층(320)을 먼저 코팅 등의 방법으로 코팅시키고, 탄소나노튜브층(330)을 상기 전도성 폴리머층(320) 위에 코팅시킨다면, 전도성 폴리머가 압전 물질층(110)과 탄소나노튜브를 접착시키는 가교의 역할을 하게 되며 이로 인해 탄소나노튜브가 압전 물질층(110)에 안정하게 접착할 수 있게 된다. 또한 외부로 노출된 최상층에는 탄소나노튜브가 배치됨으로써, 외부에 노출되지 않는 전도성 필름은 수분과 유기용매에 안정하게 된다. 탄소나노튜브와 전도성 폴리머 층의 코팅순서 변화에 따른 필름의 전도성에 대한 영향은 두 물질 모두 도전성을 가지고 있기 때문에 큰 변화가 없다.

이 경우, 상기 전도성 폴리머층(320) 및 탄소나노튜브층(330)은 각각 압전 물질층(110) 및 전도성 폴리머층(320) 상에 코팅함으로써 이루어질 수 있다.

본 발명의 압전 복합 소재(300)의 코팅 용액 제조를 위해 탄소나노튜브, 전도성 폴리머 및 용매를 혼합할 때, 초음파 균질기, 나선형 믹서, 유성형 믹서, 디스퍼서(disperser), 혼성믹서 등의 교반 장치를 이용하여 제조할 수 있다.

이하에서 본 발명의 바람직한 실시 예를 들어 본 발명에 관하여 더욱 상세하게 설명할 것이다.

실시예 1

본 발명의 실시예 1에 따른 압전 복합 소재(100)는, 도 1에 도시된 바와 같이, PVDF 압전 물질층(110)의 양면에 탄소나노튜브 및 전도성 폴리머가 혼합된 전도층(120)을 코팅하여 제조되었다.

이 경우 전도층(120)을 제조하는 방법은, 먼저 단일벽 탄소나노튜브(SWNT) 3.0mg과 분산제 1.5mg을 증류수 200ml에 잘 섞이도록 저어준다. 초음파 분산기(bath sonicator Branson5510 40kHz 135W)를 이용하여 1시간 동안 분산시켜 탄소나노튜브 분산 용액을 제조한다.

전도성 폴리머는 Baytron P(polyethylene dioxythiophene polystyrene sulphonate (PEDT/PSS))를 사용하였다. 탄소나노튜브 분산 용액에 Baytron P 2ml를 넣어 회전시켜서(stirring) 섞어서 전도층(120)용 혼합 물질을 제조한다.

그 후에, 전도층(120)용 혼합 물질을 분무 방식을 이용하여 압전 물질층(110) 상에 코팅하여 압전 복합 소재(100)를 제조하였다.

실시예 1의 투과도(NIPPON DENSHOKU NDH2000)와 면저항 값(ASTM D257 방법에 의한 4-point probe사용 Loresta-EP MCP-T360)을 측정하였으며, 그 결과를 표 1에 기재한 바와 같이, 압전 물질층 상에 전도성 폴리머층이 단독으로 형성된 비교예 1과 비교하였다.

	비교예 1	실시예 1
면저항(Ω/sq)	986 Ω/sq	512Ω/sq
투과도(%)	70%	70%

표 1에 기재된 바와 같이, 압전 물질층 상에 전도성 폴리머층이 단독으로 형성된 비교예 1 보다 실시예 1의 경우가 면저항값이 낮으며, 이에 따라서 전도성이 우수하다는 것을 알 수 있다.

실시예 2

도 3 에 도시된 바와 같이, PVDF 압전 물질층(110)의 양면에 탄소나노튜브층(220) 및 전도성 폴리머층(230)을 적층형태로 코팅하였다. 이를 위하여 먼저 탄소나노튜브 분산 용액을 제조하였다. 즉, 먼저 단일벽 탄소나노튜브(SWNT) 3.0mg과 분산제 1.5mg을 증류수 200ml에 잘 섞이도록 저어주었다. 초음파 분산기(bath sonicator Branson5510 40kHz 135W)를 이용하여 1시간 동안 분산시켰다. 전도성 폴리머는 상품으로 시판되는 Baytron P (polyethylene dioxythiophene polystyrene sulphonate (PEDT/PSS))를 사용하였다.

상기 탄소나노튜브 분산 용액을 분무 방식을 이용하여 압전 물질층인 PVDF 필름 위에서 골고루 균일하게 도포하여 탄소나노튜브층(220)을 형성하였다.

그 후에 탄소나노튜브층(220)을 형성한 뒤 Baytron P를 2ml정도 취한 고분자 폴리머 용액을 탄소나노튜브층(220) 위에 분무방식으로 코팅하였다.

상기 방법으로 제조된 압전 복합 소재(200)의 전도성 막의 투과도(NIPPON DENSHOKU NDH2000)와 면저항 값(ASTM D257 방법에 의한 4-point probe사용 Loresta-EP MCP-T360)을 측정하였다.

또한, 상기 방법으로 제조된 압전 복합 소재(200)의 필름의 표면 안정성을 확인하기 위하여 테이프 테스트(tape test)를 하였다. 즉, 제조완료된 압전 복합 소재(200)에 매직 테이프(3M #810)를 붙이고 떼어내서 동일한 위치에서 면 저항 값의 차이를 비교하여 표면 안정성을 확인하였다.

이에 대한 결과를 압전 물질층(110) 상에 전도성 폴리머층(220)이 단독으로 형성된 비교예 1과, 탄소나노튜브층(220) 단독으로 형성된 비교예 2와 비교하였다. 이에 대한 결과를 표 2에 도시하였다.

	비교예 1	비교예 2	실시예 2
면저항(Ω/sq)	986	510	507
투과도(%)	70	70	70
필름 표면 안정성 Tape Test (3M tape#810)	안정	벗겨짐	안정

표 2에 도시된 바와 같이, 실시예 2는 비교예 1보다 투과도 대비 낮은 면저항값을 가져서 압전 복합 소재(200)의 전도성을 향상시킨다.

또한, 실시예 2는 비교예 2와 비교시에 필름 표면이 벗겨지지 않음으로써, 표면 안정성적인 측면에서 우수하다는 것을 알 수 있다.

실시예 3

도 4에 도시된 바와 같이, PVDF 압전필름에 전도성 폴리머층(320)과 탄소나노튜브층(330)을 적층형태로 코팅하여 압전 복합 소재(300)를 제조하였다. 이 경우, 탄소나노튜브층(330)을 이루는 탄소나노튜브 코팅 용액은 단일벽 탄소나노튜브(SWNT) 3.0mg과 분산제 1.5mg을 증류수 200ml에 잘 섞이도록 저어준다. 초음파 분산기(bath sonicator Branson5510 40kHz 135W)를 이용하여 1시간 동안 분산시켜줌으로써 이루어진다.

전도성 폴리머층(320)을 이루는 전도성 폴리머는 상품으로 시판되는 Baytron P(polyethylene dioxythiophene polystyrene sulphonate (PEDT/PSS))를 사용한다.

코팅 용액을 사용한 압전 복합 소재(300) 제조 방법은 다음과 같다. 먼저, 압전물질층인 PVDF을 놓고 Baytron P 2ml을 취하여 골고루 균일하게 도포한다. 그 후에 전도성 폴리머 층을 형성한 뒤 상기 탄소나노튜브 코팅용액을 전도성 폴리머층(320)을 위에 분무 방식으로 코팅한다.

전도성 막의 투과도(NIPPON DENSHOKU NDH2000)와 면저항 값(ASTM D257 방법에 의한 4-point probe사용 Loresta-EP MCP-T360)을 측정한다. 실시예 2의 물에 대한 안정성과 화학약품에 대한 안정성을 전도성 폴리머만 코팅한 비교예 1과 비교하여 측정하였으며, 그 결과를 표 3에 도시하였다.

표 3에 기재된 바와 같이, 끓는 물 및 아세톤에 10분 동안 담가놓았을 경우, 실시예 3은 벗겨짐의 정도가 각각 10% 및 3% 이하로 발생하나, 비교예 1의 경우 벗겨짐이 발생하는 것을 알 수 있다. 또한, 이소프로판올 및 에테르에 대하여 면저항 변화율도 실시예 3이 비교예 1에 비하여 현저하게 우수한 것을 알 수 있다.

이를 통하여 실시예 3은 비교예 1보다 내수성 및 내화학성이 우수함을 알 수 있다.

	비교예 1	실시예 3
면저항(Ω/sq)	986Ω/sq	508Ω/sq
투과도(%)	70%	70%
끓는물(Boiling Water) 에 대한 안정성 (10min)	벗겨짐	< 10%
아세톤(Acetone) 에 대한 안정성 (10min, room temp)	벗겨짐	< 3%
이소프로판올(Isopropanol) 에 대한 면저항 변화률 % (10min, room temp)	~ 50 %	< 3%
에테르(Ether)에 대한 면저항 변화률 % (10min, room temp)	~ 50%	< 3%

본 발명에 의하면, 기존의 전도성 폴리머만을 압전필름에 코팅하는 방법에 비해 전도성과 투명성이 우수하면서 코팅표면의 접착 안정성과 화학적 안정성을 추구할 수 있다. 또한 혼합용액으로 코팅 시 탄소나노튜브와 전도성 폴리머의 혼합 방법에 따라 다양한 특성을 가진 전도성 막을 제조할 수 있다.

본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 발명이 속하는 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 이로부터 다양한 변형 및 균등한 다른 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의하여 정해져야 할 것이다.

Claims

압전 특성을 가진 물질로 이루어진 압전 물질층; 및

상기 압전 물질층의 적어도 일면에 형성되며, 탄소나노튜브와 전도성 폴리머가 혼합되어 이루어진 전도층;

을 구비하는 압전 복합 소재.
제 1항에 있어서,

상기 전도층은 금속나노입자 및 기능성 폴리머 중 적어도 하나를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 압전 복합 소재.
압전 특성을 가진 물질로 이루어진 압전 물질층;

상기 압전 물질층의 적어도 일면에 형성된 탄소나노튜브들로 이루어진 탄소나노튜브층; 및

상기 탄소나노튜브 상에 형성된 것으로, 전도성 폴리머로 이루어진 전도성 폴리머층;

을 구비하는 압전 복합 소재.
제3항에 있어서,

상기 탄소나노튜브층은 금속나노입자 및 기능성 폴리머 중 적어도 하나를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 압전 복합 소재.
압전 특성을 가진 물질로 이루어진 압전 물질층;

상기 압전 물질층의 적어도 일면에 형성된 전도성 폴리머들로 이루어진 전도성 폴리머층; 및

상기 전도성 폴리머층 상에 형성된 것으로, 탄소나노튜브들로 이루어진 탄소나노튜브층;

을 구비하는 압전 복합 소재.
제1항 내지 제5항 중 어느 하나의 항에 있어서,

상기 탄소나노튜브는 단일벽 탄소나노튜브, 이중벽 탄소나노튜브, 다중벽 탄소나노튜브 및 다발형 탄소나노튜브에서 선택된 적어도 하나로 이루어진 것을 특징으로 하는 압전 복합 소재.
제1항 내지 제5항 중 어느 하나의 항에 있어서,

상기 전도성 폴리머는 폴리아세틸렌, 폴리피롤, 폴리아닐린, 폴리티오펜 및 이들의 유도체로 이루어진 군 중에서 선택된 적어도 어느 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 압전 복합 소재.
제1항 내지 제5항 중 어느 하나의 항에 있어서,

상기 압전 물질층은 이소불화비닐(PVDF, polyvinylidenfluoride) 및 이들의 유도체로 이루어진 것 중에서 선택된 하나 이상인 것을 특징으로 하는 압전 복합 소재.