KR20090095766A - 전도성이 향상된 탄소나노튜브-고분자 나노복합체 및 그제조방법 - Google Patents

전도성이 향상된 탄소나노튜브-고분자 나노복합체 및 그제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 전도성이 향상된 탄소나노튜브-고분자 나노복합체 및 그 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 올레핀계 고분자 0.1 내지 10 중량%, 탄소나노튜브 3 내지 10 중량% 및 폴리카보네이트 87 내지 96.9 중량%가 용융혼련된 탄소나노튜브-고분자 나노복합체로서, 상기 올레핀계 고분자와 탄소나노튜브로 이루어진 마스터 배치(master batch)를 상기 폴리카보네이트와 용융혼련하여 제조됨을 특징으로 하는 전도성이 향상된 탄소나노튜브-고분자 나노복합체 및 그 제조방법에 관한 것이다.
본 발명에 따르면 소정량의 폴리카보네이트 수지와 탄소나노튜브-올레핀계 고분자 마스터 배치를 압출기에 투입하고 소정의 혼련 온도 및 속도로 용융혼련함으로써, 재료의 효율성, 특히 표면저항이 낮아 전기적 특성이 우수하고, 공정제어가 용이하며, 용융혼련시 전단력이 감소하고, 고분자 자체의 우수한 열적 성질을 그대로 유지하는 전도성이 향상된 탄소나노튜브-고분자 나노복합체 및 그 제조방법을 제공하는 효과가 있다.
탄소나노튜브, 나노복합체, 마스터 배치, 표면저항, 공정제어, 용융혼련, 올레핀계 고분자

Description

전도성이 향상된 탄소나노튜브-고분자 나노복합체 및 그 제조방법{Carbon Nanotube-polymer Nanocomposite Improved In Electrical Conductivity And Preparation Method Thereof}
본 발명은 전도성이 향상된 탄소나노튜브-고분자 나노복합체 및 그 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 소정 함량의 폴리카보네이트 수지와 탄소나노튜브-올레핀계 고분자 마스터 배치를 압출기에 투입하고 소정의 혼련 온도 및 속도로 용융혼련함으로써, 재료의 효율성, 특히 표면저항이 낮아 전기적 특성이 우수하고, 공정제어가 용이하며, 용융혼련시 전단력이 감소하고, 고분자 자체의 우수한 열적 성질을 그대로 유지하는 전도성이 향상된 탄소나노튜브-고분자 나노복합체 및 그 제조방법에 관한 것이다.
탄소나노튜브는 1991년 일본의 NEC의 Iijima 박사에 의해 그 구조가 처음 발견된 이후 현재까지 탄소나노튜브의 합성, 물성 그리고 응용에 대한 연구가 활발히 지속적으로 진행되고 있다. 이와 같은 탄소나노튜브의 연구 개발은 여러 방면에 걸쳐 진행되고 있으며, 전계방출 디스플레이(FED), 복합수지, 전지의 전극 재료 등 다양한 응용이 실현되고 있다. 또한, 양산 기술도 다중벽 나노튜브에서는 상업 플랜트를 목표로 한 실험 플랜트가 가동되는 등 새로운 전개가 시작되고 있다.
탄소나노튜브는 크게 나눠, 단일벽 탄소나노튜브(SWNT, Single-walled Carbon Nanotubes, 원통형의 흑연구조 시트가 1층이고 직경이 1nm 정도의 것)와 다중벽 탄소나노튜브(MWNT, Multiwalled Carbon Nanotubes)의 두 종류가 있다.
다중벽 탄소나노튜브는 전기적 물성이 흑연과 흡사해, 화학적 안정성, 기계적 강도 등에서 단일벽 탄소나노튜브 보다 훨씬 우수하여 그 독특한 형상과 맞물려 전자방출재료, 기계적 재료로 산업상 커다란 가능성을 갖고 있다. 이 다중벽 탄소나노튜브의 실용화를 추진하면서 최대의 과제는 저가로 대량 공급이 가능한 합성기술을 확립하는 것이다.
탄소나노튜브는 나노크기의 흑연면이 실린더 구조로 둥글게 말린 형태를 가지고 있으며, 직격, 길이, 키랄러티(Chirality) 등에 따라 다양한 물리적 성질을 가지는 거대분자이다.
1998년 Frank는 SPM(Scanning Probing Microscopy)을 이용하여 탄소나노섬유를 수은 액체상에 담지하여 전도성을 측정하였고, 그 결과로 탄소나노튜브가 양자거동을 보이면서 획기적인 전도성을 가진다는 것이 알려지기 시작하였다. 1999년에 Sanvito 등은 스캐터링(scattering) 기법을 이용하여 다중벽 탄소나노튜브의 전도성을 측정하여 Frank의 상기 결과를 재확인하였고, 다중벽 탄소나노튜브 내의 양자전도성 채널이 중간벽(interwall) 반응에 의해 감소되고, 이 반응에 의해 각 탄 소나노튜브의 전자흐름이 재배치됨을 관찰하였다.
탄소나노튜브의 열전도도는 온도와 포논(Phonon)의 평균 자유경로에 의존한다. Hone 등은 1999년에 탄소나노튜브의 열전도도가 온도에 일차적인 관계식을 가진다는 것을 발표하였고, 1999년에는 Goddard 등이 탄소나노튜브의 열전도도가 인가 전류의 증가에 따라 2,980 W/mK에 접근함을 수치적으로 계산하였다. 2000년에 Tomanek 등은 상온에서 전도도가 6,600 W/mK가 되는 탄소나노튜브를 확인하였고, 더불어 이 값이 포논(Phonon)의 평균 자유경로가 아주 큰 것에 기인한다는 것을 이론적으로 입증하였다.
단일벽 탄소나노튜브의 탄성은 최근 나노튜브 분야에서 활발하게 연구가 진행되고 있는 분야인데, 전반적으로 단일벽 탄소나노튜브는 강철보다 10~100배 견고하고 물리적인 충격에 강하며, 팁(Tip)에 힘을 가하면 손상없이 구부러지며, 힘을 제거하면 원래 상태로 돌아가는 성질이 있다. 단일벽 탄소나노튜브의 탄성 모듈러스(Elastic Modulus)는 직경 및 구조에 크게 의존하는 반면, 1999년 Forro 등의 원자현미경(AFM)을 이용한 보고에 의하면, 다중벽 탄소나노튜브의 모듈러스는 지름에 크게 의존하지 않고, 나노튜브 내의 결함 등의 구조적인 면에 크게 의존한다.
탄소나노튜브는 우수한 물성과 다양한 응용가능성으로 인하여 차세대 전자정보 산업분야뿐만 아니라 다양한 산업분야에서 폭넓게 이용될 것으로 기대되는데, 미국을 위시하여 일본, 독일, 프랑스, 영국 등은 21세기 첨단 전자정보 산업분야의 경쟁력 확보와 고기능성 복합소재의 경쟁력 확보차원에서 국가적인 지원 아래 탄소 나노튜브의 합성 및 응용에 대한 연구를 추진하고 있으며, 특히 전자 에미터 및 디 스플레이 응용, 2차 전지 및 연료전지, 나노디바이스 시스템, 메카트로닉스 분야, 고기능 복합체 등에 관한 연구가 앞으로 더욱 활발하게 진행될 것으로 기대된다.
탄소나노튜브를 이용하는 기술은 기존의 탄소섬유를 탄소나노튜브로 대체하는 방법과 탄소나노튜브의 성질을 최대한 활용하여 요구되는 특성에 적합한 재료를 개발하는 형태로 전개되고 있다. 탄소나노튜브의 기계적 특성을 이용한 복합재료는 고분자를 기재로 하는 복합재료가 주축을 이루고 있으며, 그 밖에 탄소-탄소 복합재료, 탄소-세라믹 복합재료에 대한 시도도 이루어지고 있다. 또한, 탄소나노튜브의 기계적 특성 이외의 특성을 활용한 도전성 박막과 같은 기능성 재료로의 개발도 시도하고 있다. 일례로, 탄소나노튜브가 EMI(Electromagnetic Interference) 차단 재료로 활용된 특허가 개시된 바 있다.
일본 Toray사는 탄소섬유 및 탄소나노튜브를 함유한 열가소성 수지(JP2002-097375, JP2003-238816), 탄소나노튜브를 함유한 고분자 복합재료의 제조방법(JP2003-286350) 및 열가소성 수지 중 폴리아마이드(Polyamide)를 기본으로 탄소나노튜브를 함유한 조성물(JP2004-067952)에 대한 기술을 개시하였으며, 이후 Rice 대학은 중합 중에 탄소나노튜브를 첨가하는 방법에 대한 기술을 개시하였다(US20050074390). 이러한 탄소나노튜브를 함유한 고분자 복합재료에 대한 기초 기술들이 공개된 후 고분자의 종류별로 탄소나노튜브를 함유한 복합재료들에 대한 많은 기술들이 공개되었다.
㈜나노택은 폴리이미드(Polyimide), 폴리설폰(Polysulfone) 등의 내열성 수지를 기본으로 하는 탄소나노튜브를 함유한 복합재료에 대한 기술(KR2002-007233) 을 개시하였고, 이후 일본의 Kanekafuchi 화학(JP2003-246927, JP2004-123867) 및 Aerospace Laboratory사 (JP2004-250646) 등이 폴리이미드를 기본으로, 그리고 일본의 Toyobo사가 폴리벤즈아졸(Polybenzazole)을 기본으로 하는 탄소나노튜브를 함유한 나노복합재료에 대하여 개시하였다.
상기 내열성 수지 이외에 고려대학교에서는 탄소나노튜브를 함유한 초고분자량 폴리에틸렌(KR2003-005710)을, Geogia Tech Research사에서는 아크릴로니트릴을 기본으로 탄소나노튜브를 함유한 복합재료(US685410)를, 그리고 타이어 회사를 중심으로 고무를 기본으로 한 탄소나노튜브를 함유한 복합재료(KR2005-0027415, JP2004-123770 등)를 개시하였는데, 점차 기술의 적용 범위가 확대되고 있다.
카본블랙이나 탄소섬유가 고분자 지지체에 전도성 매체로 사용되는 것처럼, 탄소나노튜브의 높은 전기 전도성을 이용한 광전자공학(Opto-electronics)에 적용될 수 있는 나노복합체의 연구도 진행되고 있다.
미국의 하이페리온(Hyperion)사는 PVDF(Polyvinylidene fluoride)를 기본으로 탄소나노튜브를 함유한 나노복합재료에 대한 기술(US678702, US6746627, US20040217336)을 개시하였는데, 주요 내용은 탄소나노튜브의 전기 전도성 및 표면 윤할 특성을 습동 부품의 원료에 적용하는 기술에 관한 것이다.
그 밖의 특허들로는 탄소나노튜브의 전기전도 특성을 이용하는 전기 전도성 복합체(지멘스, 제너럴일렉트릭사 등에서 개시), EMI 차폐 재료, 안테나, 의료용 기기 부품 등에 관한 기술이 있다.
종래 고분자 수지의 전기적 물성을 개선할 목적으로 카본블랙(Carbon Black), 카본섬유(Carbon Fiber), 스틸섬유(Steel Fiber), 은박편(Silver Flake) 등의 충진제 첨가를 통한 연구가 많이 진행되었으나, 개선에 고가의 충진제가 너무 많이 요구되고, 수지와 함께 가공하는데도 많은 문제점을 가지고 있다.
이에 기존의 충진제 대신 탄소나노튜브를 소량 첨가하거나 기존 충진제 양을 줄이고 탄소나노튜브를 함께 첨가하여 전기적 물성을 향상시키는 탄소나노튜브-고분자 나노복합체에 관한 연구가 진행되고 있는데, 그 제조방법으로는 탄소나노튜브를 고분자 모노머와 혼합한 다음 중합시키는 인시츄(in-situ) 중합법(KR2006-0077993), 고분자를 용제에 용해시켜 탄소나노튜브와 혼합하는 용액혼합법(KR2007-0071960) 및 고전단력 하에서 고분자를 용융시키면서 탄소나노튜브와 혼합하는 용융혼합법(KR2006-0007723) 등이 있다.
상기 인-시츄 중합법과 용액혼합법은 탄소나노튜브를 초음파에 의해 용제에 분산시키는 과정이 반드시 필요한데, 그 분산에 시간이 많이 소요되며, 분산시 사용하는 반응조의 규모를 크게 할 수 없어서 생산성이 대폭 떨어지는 문제점과 비용이 많이 드는 문제점이 있다.
또한, 탄소나노튜브는 벌크밀도(Bulk Density)가 매우 낮아서 단위 부피당 차지하는 무게가 작기 때문에 다른 첨가제와는 달리 다루기가 힘들고, 매우 고가라는 문제점이 있다.
나노복합체의 기본 고분자 수지로 폴리카보네이트는 산업적으로 매우 중요한 엔지니어링 플라스틱 중의 하나로, 우수한 내충격성과 내열성으로 TFT-LCD와 같은 전기/전자제품의 부품 소재, 팩스 및 복사기의 부품 소재 등 기타 산업용으로 널리 활용되고 있다. 일반적으로 폴리카보네이트와 아크릴로니트릴-부타디엔-스티렌 공중합체(ABS)의 블렌드가 많이 사용되나, 폴리카보네이트를 단독으로 사용하는 것에 비해 내열성이 떨어지는 문제점이 있다.
따라서, 기계적 강도와 내열성이 우수하고, 그 제조시 공정제어가 용이하며, 적은 양의 탄소나노튜브를 사용하면서도 충분한 전기전도성이 발현된 고분자-탄소나노튜브 나노복합체 등에 대한 개발이 절실한 실정이다.
상기와 같은 종래기술의 문제점을 해결하고자, 본 발명은 소정량의 폴리카보네이트 수지와 탄소나노튜브-올레핀계 고분자 마스터 배치를 압출기에 투입하고 소정의 혼련 온도 및 속도로 용융혼련함으로써, 재료의 효율성, 전기적 특성, 특히 표면저항 성능이 우수하고, 공정제어가 용이하며, 용융혼련시 전단력이 감소하고, 고분자 자체의 우수한 열적 성질을 그대로 유지하는 전도성이 향상된 탄소나노튜브-고분자 나노복합체 및 그 제조방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 상기 목적 및 기타 목적들은 하기 설명된 본 발명에 의하여 모두 달성될 수 있다.
상기의 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 올레핀계 고분자 0.1 내지 10 중량%, 탄소나노튜브 3 내지 10 중량% 및 폴리카보네이트 87 내지 96.9 중량%가 용융혼련된 탄소나노튜브-고분자 나노복합체로서, 상기 올레핀계 고분자와 탄소나노튜브로 이루어진 마스터 배치(master batch)를 상기 폴리카보네이트와 용융혼련하여 제조됨을 특징으로 하는 전도성이 향상된 탄소나노튜브-고분자 나노복합체 및 그 제조방법을 제공한다.
상기에서 살펴본 바와 같이, 본 발명에 따르면 소정량의 폴리카보네이트 수지와 탄소나노튜브-올레핀계 고분자 마스터 배치를 압출기에 투입하고 소정의 혼련 온도 및 속도로 용융혼련함으로써, 재료의 효율성, 전기적 특성, 특히 표면저항 성능이 우수하고, 공정제어가 용이하며, 용융혼련시 전단력이 감소하고, 고분자 자체의 우수한 열적 성질을 그대로 유지하는 전도성이 향상된 탄소나노튜브-고분자 나노복합체 및 그 제조방법을 제공하는 효과가 있다.
이하 본 발명을 상세하게 설명한다.
본 발명의 전도성이 향상된 탄소나노튜브-고분자 나노복합체의 제조방법은 ⅰ) 올레핀계 고분자 10 내지 90 중량% 및 탄소나노튜브 10 내지 90 중량%를 용융혼련하여 마스터 배치(master batch)를 제조하는 단계; ⅱ) 상기 마스터 배치와 폴리카보네이트를 용융혼련하여 탄소나노튜브가 3 내지 10 중량%로 포함된 폴리카보네이트 수지 조성물을 제조하는 단계; 및 ⅲ) 상기 폴리카보네이트 수지 조성물을 재용융혼련하는 단계;를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.
상기 올레핀계 고분자는 고밀도 폴리에틸렌, 저밀도 폴리에틸렌, 선형 저밀도 폴리에틸렌, 중밀도 폴리에틸렌, 열가소성 엘라스토머, 염소화 폴리에틸렌, 폴리프로필렌 및 에틸렌-비닐아세테이트 공중합체로 이루어지는 군으로부터 선택된 1종 이상인 것이 바람직하다.
상기 올레핀계 고분자는 상기 나노복합체 총 함량을 기준으로 0.1 내지 10 중량%로 포함되는 것이 바람직한데, 그 함량이 0.1 중량% 미만인 경우 상기 나노복합체의 높은 표면저항 값으로 전기전도성이 열악한 문제가 있고, 10 중량%를 초과하는 경우 상기 나노복합체의 내열도가 감소하고, 성형물에서 박리가 일어나는 문제가 있다.
상기 탄소나노튜브는 특별히 제한되지 않으나, 다중벽 탄소나노튜브인 것이 바람직한데, 이를 사용하는 경우 단일벽 탄소나노튜브 보다 제조 비용이 매우 저렴하여 경제성 및 상업화 측면에서 우수한 효과가 있다.
상기 탄소나노튜브는 상기 나노복합체 총 함량에 대하여 3 내지 10 중량%로 포함되는 것이 바람직한데, 3 중량% 미만인 경우 제조되는 나노복합체의 표면저항 값이 높아 전기적 성질이 열악하고, 10 중량%를 초과하는 경우 제조되는 나노복합체의 충격 강도가 낮은 문제점이 있다.
상기 마스터 배치(master batch)는 탄소나노튜브를 고농도로 함유한 올레핀계 고분자로서, 올레핀계 고분자 10 내지 90 중량% 및 탄소나노튜브 10 내지 90 중량%를 200 내지 260 ℃ 및 100 내지 200 rpm 하에서 용융혼련하여 제조하는 것이 바람직하다.
상기 마스터 배치를 사용하여 탄소나노튜브-고분자 복합체를 제조하는 경우, 벌크밀도(Bulk Density)가 너무 낮아서 다루기 힘든 탄소나노튜브의 제어가 용이하여 대량생산이 가능하고, 고가의 탄소나노튜브를 적은 양 사용하고도 우수한 전기적 특성을 나타내므로 재료의 효율성이 높으며, 복합체 내의 탄소나노튜브 농도를 마음대로 조절할 수 있고, 분산도가 향상되어 전기전도성이 개선되는 효과가 있다.
상기 나노복합체에 사용되는 고분자로는 특별히 제한되지 않으나, 내열 안정성을 위해 폴리카보네이트를 사용하는 것이 바람직한데, 상기 나노복합체 총 함량에 대하여 87 중량% 미만인 경우 제조되는 나노복합체의 충격강도가 낮은 문제가 있다.
상기 폴리카보네이트는 용융지수가 0.5 내지 100 g/min인 것이 바람직하고, 보다 바람직하게는 1.0 내지 80 g/min인데, 용융지수가 0.5 g/min 미만인 경우 고전단력이 필요하여 용융혼련이 어렵고, 폴리카보네이트 내에 탄소나노튜브의 분산이 잘 안되며, 용융지수가 100 g/min을 초과하는 경우 성형물의 충격강도가 심각하게 저하된다.
상기 폴리카보네이트 수지 조성물은 상기 마스터 배치와 폴리카보네이트를 220 내지 330 ℃ 및 180 내지 300 rpm 하에서 재용융혼련하여 제조하는 것이 바람직하다.
상기 재용융혼련은 탄소나노튜브-고분자 나노복합체 내 탄소나노튜브의 분산도를 향상시키고, 마스터 배치를 사용함으로써 벌크밀도가 높은 탄소나노튜브를 용이하게 다룰 수 있으므로 대용량으로 제조하는데 매우 우수한 효과가 있다.
상기 재용융혼련은 가공온도 220 내지 330 ℃ 하에서 실시될 수 있으나, 바람직하게는 230 내지 300 ℃ 하에서 실시되는 것이고, 보다 바람직하게는 230 내지 280 ℃ 하에서 실시되는 것이다. 상기 가공온도가 220 ℃ 미만인 경우 폴리카보네이트 수지가 충분히 용융되지 않아 과도한 전단력이 가해지므로 가공이 힘들고 탄소나노튜브의 분산이 용이하지 않아 전기전도성이 열악한 문제점이 있으며, 가공온 도가 330 ℃를 초과하는 경우 수지가 열화하여 제품으로서 사용하기 어려운 문제점이 있다.
상기 재용융혼련은 30 내지 70 rpm의 조건에서 실시되는 것이 바람직한데, rpm이 너무 높은 경우 수지에 토크(부하)가 많이 걸려서 생산이 용이하지 않은 단점이 있고, rpm이 너무 낮은 경우 충분히 용융혼련이 되지 않아 탄소나노튜브의 분산도를 떨어뜨려 표면저항 값이 균일하지 못한 단점이 있다.
상기 올레핀계 고분자, 폴리카보네이트 및 탄소나노튜브는 용융혼합법(Melt Compounding)에 의하여 상기 나노복합체로 제조되는데, 압출기 등을 이용하여 높은 온도와 고전단력 하에서 탄소나노튜브를 고분자 기질 내로 고르게 분산시켜 나노복합체를 제조함으로써, 인시츄 중합법(In-situ Polymerization) 및 용액혼합법(Solution Mixing)에 비하여 대용량화가 가능하고 제조단가를 낮추는 효과가 있다.
상기 용융혼합법에 사용되는 압출기 또는 믹서로는 통상적으로 이 기술분야에서 사용될 수 있는 것이면 특별히 제한되지 않는다.
본 발명의 전도성이 향상된 탄소나노튜브-고분자 나노복합체는 상기 나노복합체의 제조방법에 의하여 제조되는 것을 특징으로 한다.
전도성 첨가제인 탄소나노튜브를 함유하는 복합재료는 여과시작점(Percolation Threshold)이라 불리는 탄소나노튜브의 특정 함유량 이상에서 비전 도성에서 전도성으로 전이가 일어난다. 이러한 전기전도성에 대한 여과시작점은 종횡비, 분산도 및 배향도 등과 같은 탄소나노튜브의 다양한 특성에 영향을 받는데, 본 발명에서는 탄소나노튜브-고분자 나노복합체의 여과시작점을 낮추기 위해 다른 조건을 바꾸는 것 없이 마스터 배치를 사용하고 가공온도 등을 조절하여 수 차수만큼의 변화를 이루어냈다.
상기 탄소나노튜브-고분자 나노복합체는 표면저항(ohm/sq)이 1011 내지 104인 것이 바람직하다.
본 발명에 따른 탄소나노튜브-고분자 나노복합체는 고가의 탄소나노튜브를 소량 사용하면서도 우수한 전기적 특성을 보이는 탁월한 고분자소재로, 전기적 특성을 요구하는 전기/전자/통신 기기의 기본 물질로 유용하게 사용될 수 있고, 특히 전자파 차폐나 정전기 분산 등이 필요한 제품에 효과적으로 적용될 수 있다.
이하, 본 발명의 이해를 돕기 위하여 바람직한 실시예를 제시하나, 하기 실시예는 본 발명을 예시하는 것일 뿐 본 발명의 범주 및 기술사상 범위 내에서 다양한 변경 및 수정이 가능함은 당업자에게 있어서 명백한 것이며, 이러한 변형 및 수정이 첨부된 특허청구범위에 속하는 것도 당연한 것이다.
[실시예]
제조예 1
<마스터 배치의 제조>
다중벽 탄소나노튜브(MJ5, 제이오사 제조)를 트윈스크류 압출기의 사이트피더(Side Feeder)에 투입하고, 폴리프로필렌(H5300, LG화학)을 및 이에 대한 산화방지제를 메인호퍼(Main Hopper)에 투입하고, 혼련속도 200 rpm 및 가공온도 250 ℃ 하에서 용융혼련하여 탄소나노튜브가 30 중량%로 함유된 폴리프로필렌-탄소나노튜브 마스터 배치를 제조하였다.
<탄소나노튜브가 포함된 폴리카보네이트 수지 조성물>
제조된 폴리프로필렌-탄소나노튜브 마스터 배치와 LGDOW에서 제조한 용융지수가 10g/10min인 폴리카보네이트를 트윈스크류 압출기에 투입하고, 혼련속도 200 rpm 및 가공온도 280 ℃ 하에서 용융혼련하여 탄소나노튜브가 3 중량%로 함유된 폴리카보네이트 수지 조성물을 얻었다.
제조예 2
<마스터 배치의 제조>
다중벽 탄소나노튜브(MJ5, 제이오사 제조)를 트윈스크류 압출기의 사이드피더(Side Feeder)에 투입하고, LGDOW에서 제조한 용융지수가 10g/10min인 폴리카보네이트 및 이에 대한 산화방지제를 메인호퍼(Main Hopper)에 투입하고, 혼련속도 280 rpm 및 가공온도 250 ℃ 하에서 용융혼련하여 탄소나노튜브가 10 중량%로 함유된 폴리카보네이트-탄소나노튜브 마스터 배치를 제조하였다.
<탄소나노튜브가 포함된 폴리카보네이트 수지 조성물>
제조된 폴리카보네이트-탄소나노튜브 마스터 배치와 LGDOW에서 제조한 용융지수가 10g/10min인 폴리카보네이트를 트윈스크류 압출기에 투입하고, 혼련속도 200 rpm 및 가공온도 280 ℃ 하에서 용융혼련하여 탄소나노튜브가 3 중량%로 함유된 폴리카보네이트 수지 조성물을 얻었다.
실시예 1
제조예 1에서 얻은 폴리카보네이트 수지 조성물을 가로 150 mm 및 세로 1.2 mm의 T-다이가 장착된 Haake사의 미니압출기를 이용하여 가공온도(믹서온도) 230 ℃ 및 혼련속도 20 rpm(이때 수지 조성물에 걸린 토크는 15 Nm) 하에서 용융혼련 및 압출하여 탄소나노튜브-고분자 나노복합체 시트를 제조하였다.
실시예 2
상기 실시예 1에서 혼련속도 40 rpm(토크: 20 Nm) 하에서 용융혼련한 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 실시하였다.
실시예 3
상기 실시예 1에서 혼련속도 60 rpm(토크: 25 Nm) 하에서 용융혼련한 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 실시하였다.
실시예 4
상기 실시예 1에서 혼련속도 80 rpm(토크: 30 Nm) 하에서 용융혼련한 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 실시하였다.
실시예 5
상기 실시예 1에서 혼련속도 100 rpm(토크: 33 Nm) 하에서 용융혼련한 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 실시하였다.
실시예 6
상기 실시예 1에서 혼련속도 150 rpm(토크: 40 Nm) 하에서 용융혼련한 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 실시하였다.
비교예 1
상기 실시예 1에서 제조예 2에서 얻은 폴리카보네이트 수지 조성물을 사용(토크: 110 Nm)하고 혼련속도 50 rpm(토크: 100 Nm) 하에서 용융혼련한 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 실시하였다.
비교예 2
상기 실시예 1에서 제조예 2에서 얻은 폴리카보네이트 수지 조성물을 사용하고, 가공온도 240 ℃ 및 혼련속도 50 rpm(토크: 75 Nm) 하에서 용융혼련한 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 실시하였다.
비교예 3
상기 실시예 1에서 제조예 2에서 얻은 폴리카보네이트 수지 조성물을 사용하고, 가공온도 250 ℃ 및 혼련속도 50 rpm(토크: 50 Nm) 하에서 용융혼련한 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 실시하였다.
상기 실시예 1 내지 6 및 비교예 1 내지 3에서 제조된 탄소나노튜브-고분자 나노복합체 시트의 표면저항값(Ohm/sq)을 Pinion사의 표면저항 측정기 SRM-110(측정범위 104 내지 1012.5 ohm/sq)로 측정하고, 그 결과를 하기의 표 1에 나타내었다.
구분 CNT농도 (%) 가공온도 (℃) 혼련속도 (rpm) 표면저항 (ohm/sq) 토크 (Nm)
실시예 1 3 230 20 1.0 x 106 15
2 230 40 5.4 x 107 20
3 230 60 2.5 x 108 25
4 230 80 1.5 x 109 30
5 230 100 2.9 x 1010 33
6 230 150 2.5 x 1011 40
비교예 1 3 230 50 1012.5 이상 100
2 240 50 1012.5 이상 75
3 250 50 109 50
상기 표 1에 나타낸 바와 같이, 본 발명에 따라 올레핀계 고분자를 함유한 탄소나노튜브-고분자 나노복합체(실시예 1 내지 6)는 낮은 가공온도 및 혼련속도 하에서 제조되는 경우에도 낮은 표면저항 값으로 전기전도성이 우수하고, 낮은 전단력(토크)으로 열화 및 변형이 적음을 확인할 수 있었으나, 올레핀계 고분자를 함유하지 않는 탄소나노튜브-고분자 나노복합체(비교예 1 내지 3)는 낮은 가공온도 및 혼련속도 하에서 제조되는 경우 높은 표면저항 값으로 전기전도성이 열악한 것을 확인할 수 있었다.

Claims (9)

  1. ⅰ) 올레핀계 고분자 10 내지 90 중량% 및 탄소나노튜브 10 내지 90 중량%를 용융혼련하여 마스터 배치(master batch)를 제조하는 단계;
    ⅱ) 상기 마스터 배치와 폴리카보네이트를 용융혼련하여 탄소나노튜브가 3 내지 10 중량%로 포함된 폴리카보네이트 수지 조성물을 제조하는 단계; 및
    ⅲ) 상기 폴리카보네이트 수지 조성물을 재용융혼련하는 단계;를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는
    전도성이 향상된 탄소나노튜브-고분자 나노복합체의 제조방법.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 ⅰ)단계의 용융혼련은 200 내지 260 ℃ 및 100 내지 200 rpm의 조건에서 실시되고, 상기 ⅱ)단계의 용융혼련은 220 내지 330 ℃ 및 180 내지 300 rpm의 조건에서 실시되며, 상기 ⅲ)단계의 재용융혼련은 230 내지 300 ℃ 및 30 내지 70 rpm의 조건에서 실시됨을 특징으로 하는
    전도성이 향상된 탄소나노튜브-고분자 나노복합체의 제조방법.
  3. 제 2항에 있어서,
    상기 ⅲ)단계의 재용융혼련은 230 내지 280 ℃의 조건에서 실시됨을 특징으로 하는
    전도성이 향상된 탄소나노튜브-고분자 나노복합체의 제조방법.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 올레핀계 중합체는, 고밀도 폴리에틸렌, 저밀도 폴리에틸렌, 선형 저밀도 폴리에틸렌, 중밀도 폴리에틸렌, 열가소성 엘라스토머, 염소화 폴리에틸렌, 폴리프로필렌 및 에틸렌-비닐아세테이트 공중합체로 이루어지는 군으로부터 선택된 1종 이상인 것을 특징으로 하는
    전도성이 향상된 탄소나노튜브-고분자 나노복합체의 제조방법.
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 올레핀계 중합체는, 상기 폴리카보네이트 수지 조성물 총 함량에 대하여 0.1 내지 10 중량%로 포함되는 것을 특징으로 하는
    전도성이 향상된 탄소나노튜브-고분자 나노복합체의 제조방법.
  6. 제 1항에 있어서,
    상기 폴리카보네이트는, 용융지수가 0.5 내지 100 g/min인 것을 특징으로 하는
    전도성이 향상된 탄소나노튜브-고분자 나노복합체의 제조방법.
  7. 제 1항 내지 제 6항 중 어느 한 항에 의한 제조방법에 의하여 제조됨을 특징으로 하는
    전도성이 향상된 탄소나노튜브-고분자 나노복합체.
  8. 제 7항에 있어서,
    상기 탄소나노튜브-고분자 나노복합체는, 표면저항(ohm/sq)이 1011 내지 104인 것을 특징으로 하는
    전도성이 향상된 탄소나노튜브-고분자 나노복합체.
  9. 올레핀계 고분자 0.1 내지 10 중량%, 탄소나노튜브 3 내지 10 중량% 및 폴리카보네이트 87 내지 96.9 중량%가 용융혼련된 탄소나노튜브-고분자 나노복합체로서, 상기 올레핀계 고분자와 탄소나노튜브로 이루어진 마스터 배치(master batch) 를 상기 폴리카보네이트와 용융혼련하여 제조됨을 특징으로 하는
    전도성이 향상된 탄소나노튜브-고분자 나노복합체.
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