KR20110130806A - 고분자/탄소나노튜브 복합체 제조 방법, 이를 이용한 고분자/탄소나노튜브 복합체 박막 제조 방법, 고분자/탄소나노튜브 복합체 및 고분자/탄소나노튜브 복합체 박막 - Google Patents
고분자/탄소나노튜브 복합체 제조 방법, 이를 이용한 고분자/탄소나노튜브 복합체 박막 제조 방법, 고분자/탄소나노튜브 복합체 및 고분자/탄소나노튜브 복합체 박막 Download PDFInfo
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Abstract
개시된 고분자/탄소나노튜브 복합체 제조 방법에 따르면, 고분자와 탄소나노튜브가 균일하게 혼합된 혼합용액을 제조하고, 제조된 혼합용액을 항온수조에 넣어주거나 분무기를 이용하여 미세액적 형태로 분무하고 건조한다. 이에 용해도(solubility) 차이에 의하여 항온수조에서 용해되지 않는 고분자/탄소나노튜브 복합체를 항온수조로부터 석출하거나, 건조 과정에서 혼합용액으로부터 고분자/탄소나노튜브 복합체를 포집하여 고분자/탄소나노튜브 복합체를 획득할 수 있다. 나아가, 획득한 고분자/탄소나노튜브 복합체를 가압하고 냉각하여 고분자/탄소나노튜브 복합체 박막을 제조할 수 있다. 따라서 고분자와 탄소나노튜브의 혼합용액에서 고분자/탄소나노튜브 복합체를 제조하기 위한 장시간의 건조 과정을 용해도 차이를 이용한 급속의 고체화 과정 또는 미세액적 형태의 혼합용액의 급속한 건조 과정을 통하여 탄소나노튜브가 응집되지 않고 균일하게 분산된 상태로 고분자에 보강될 수 있다.
Description
본 발명은 고분자/탄소나노튜브 복합체 제조 방법, 이를 이용한 고분자/탄소나노튜브 복합체 박막 제조 방법, 고분자/탄소나노튜브 복합체 및 고분자/탄소나노튜브 복합체 박막에 관한 것으로, 보다 상세하게는 탄소나노튜브가 응집되지 않고 균일하게 분산된 상태로 보강된 고분자/탄소나노튜브 복합체 및 박막을 제조하기 위한 고분자/탄소나노튜브 복합체 제조 방법, 이를 이용한 고분자/탄소나노튜브 복합체 박막 제조 방법, 고분자/탄소나노튜브 복합체 및 고분자/탄소나노튜브 복합체 박막에 관한 것이다.
최근에는 열적, 기계적, 전기적으로 우수한 특성으로 인해 나노 보강 소재로 각광받는 탄소나노튜브(Carbon Nanotubes, CNTs)를 사용한 고분자 복합재료에 대한 연구가 활발히 진행 중이다.
그러나 탄소나노튜브의 뛰어난 특성에도 불구하고 탄소나노튜브의 단점인 응집현상으로 인한 분산성 문제가 복합재료의 특성 향상을 저하시키는 문제점이 있다. 이러한 탄소나노튜브의 응집은 크게 두 가지로 분자간의 힘인 반데르발스 힘에 의한 화학적 응집과 제조 공정상에서 물리적으로 엉켜있는 물리적 응집으로 이루어진다.
이에 탄소나노튜브의 분산성 문제를 해결하는 것은 고분자 복합재료 분야에 있어서 가장 시급한 문제이며 큰 의미를 가진다.
도 1을 참조하면, 용액(Solution) 혼합 방법에서는 고분자가 완전히 용해된 상태에서 탄소나노튜브와 혼합되어서 고분자와 보강재(탄소나노튜브)가 균일하게 혼합되어 있으나(1), 복합체 형성을 위한 건조과정(2)이 오랜 시간을 필요로 하기 때문에 탄소나노튜브가 다시 응집되는 현상(3)이 발생되는 문제점이 발생한다. 이에 건조 과정에서 탄소나노튜브가 재응집되어 최종 결과물인 고분자 복합재료 또는 박막이 균열된 상태(4)임을 확인할 수 있다.
또한, 기계적 혼합 방법에서는 고분자가 완전히 용해된 상태로 탄소나노튜브와 혼합되는 것이 아니라 고분자 파우더(powder) 상태로 혼합이 되기 때문에 마이크로 크기 또는 나노 크기 영역에서의 혼합에 있어 균일성이 떨어지는 문제점이 있다.
본 발명은 이와 같은 문제점을 감안한 것으로서, 본 발명은 탄소나노튜브가 응집되지 않고 균일하게 분산된 상태로 고분자에 혼합되어 기게적 강도 및 전기적 특성이 향상된 고분자/탄소나노튜브 복합체 박막을 제조하기 위한 고분자/탄소나노튜브 복합체 제조 방법 및 고분자/탄소나노튜브 복합체 박막 제조 방법을 제공하는 것이다.
본 발명은 상기 제조 방법에 의하여 제조된 고분자/탄소나노튜브 복합체 및 고분자/탄소나노튜브 복합체박막을 제공하는 것이다.
본 발명의 실시예들에 따른 고분자/탄소나노튜브 복합체의 제조 방법에 따르면, 고분자와 탄소나노튜브가 균일하게 혼합된 혼합용액을 제조하고, 상기 제조된 혼합용액을 항온수조(water bath)에 넣어주며, 용해도(solubility) 차이에 의하여 상기 항온수조에서 용해되지 않는 고분자/탄소나노튜브 복합체를 상기 항온수조로부터 석출한다.
본 발명의 실시예들에 있어서, 상기 고분자와 탄소나노튜브가 균일하게 혼합된 혼합용액을 제조하기 위하여, 상기 고분자를 유기 용매에 용해시키고, 상기 고분자가 용해된 용매에 상기 탄소나노튜브를 혼입시키며, 상기 용매에 혼입된 탄소나노튜브를 초음파 처리한다. 여기서, 상기 초음파 처리는 20,000㎐ 내지 60,000㎐의 주파수 범위에서 3시간 내지 8시간 동안 진행할 수 있다.
본 발명의 실시예들에 있어서, 상기 고분자/탄소나노튜브 복합체를 상기 항온수조로부터 석출하기 위하여, 상기 고분자/탄소나노튜브 복합체가 상기 항온수조에서 녹지 않아 고체화 되는 경우에, 메쉬(mesh) 망, 체, 거름망(filter) 등을 이용하여 상기 고체화된 고분자/탄소나노튜브 복합체를 상기 항온수조로부터 건져낸다.
본 발명의 다른 실시예들에 따른 고분자/탄소나노튜브 복합체의 제조 방법에 따르면, 고분자와 탄소나노튜브가 균일하게 혼합된 혼합용액을 제조하고, 상기 제조된 혼합용액을 미세액적 형태로 분무한다. 그리고 상기 분무된 미세액적 형태의 혼합용액을 건조하고, 상기 건조 과정에서 상기 혼합용액으로부터 고분자/탄소나노튜브 복합체를 포집한다.
본 발명의 실시예들에 있어서, 초음파 분무기를 이용하여 상기 혼합용액을 미세액적 형태로 분무할 수 있다.
본 발명의 실시예들에 있어서, 실리카겔(silica-gel) 건조기를 이용하여 상기 분무된 미세액적 형태의 혼합용액을 건조할 수 있다.
본 발명의 실시예들에 있어서, 상기 건조 과정에서 용매로부터 석출된 상기 고분자/탄소나노튜브 복합체를 멤브레인(membrane) 필터를 이용하여 포집할 수 있다.
본 발명의 실시예들에 따른 고분자/탄소나노튜브 복합체 박막의 제조 방법에 따르면, 고분자와 탄소나노튜브가 균일하게 혼합된 혼합용액을 제조하고, 상기 제조된 혼합용액을 항온수조(water bath)에 넣어준다. 그리고 용해도(solubility) 차이에 의하여 상기 항온수조에서 용해되지 않는 고분자/탄소나노튜브 복합체를 상기 항온수조로부터 석출한다. 이어서, 상기 석출된 고분자/탄소나노튜브 복합체를 건조하며, 상기 건조된 고분자/탄소나노튜브 복합체에 압력을 가하고, 상기 가압된 고분자/탄소나노튜브 복합체를 냉각한다.
본 발명의 다른 실시예들에 따른 고분자/탄소나노튜브 복합체 박막의 제조 방법에 따르면, 고분자와 탄소나노튜브가 균일하게 혼합된 혼합용액을 제조하고, 상기 제조된 혼합용액을 미세액적 형태로 분무한다. 그리고 상기 분무된 미세액적 형태의 혼합용액을 건조하고, 상기 건조 과정에서 상기 혼합용액으로부터 고분자/탄소나노튜브 복합체를 포집한다. 이어서, 상기 포집된 고분자/탄소나노튜브 복합체에 압력을 가하고, 상기 가압된 고분자/탄소나노튜브 복합체를 냉각한다.
본 발명의 실시예들에 있어서, 마운트 핫 프레스(mount hot press)를 이용하여 140 도 내지 160도의 온도 및 40 bar 내지 60 bar의 압력의 조건으로 6분 내지 10분 동안 상기 고분자/탄소나노튜브 복합체에 압력을 가한다.
이상에서 설명한 바와 같은 고분자/탄소나노튜브 복합체 제조 방법, 이를 이용한 고분자/탄소나노튜브 복합체 박막 제조 방법, 고분자/탄소나노튜브 복합체 및 고분자/탄소나노튜브 복합체 박막에 따르면 다음과 같은 효과가 있다.
첫째, 고분자와 탄소나노튜브의 혼합용액에 초음파 처리를 함으로써, 탄소나노튜브를 혼합용액 내에서 균일하게 분산시킬 수 있다.
둘째, 고분자와 탄소나노튜브의 혼합용액을 급속 건조함으로써 탄소나노튜브가 응집 되는 것을 방지할 수 있다.
셋째, 고분자와 탄소나노튜브의 혼합용액을 항온수조에 넣어줌으로써, 용해도 차이에 의하여 급속하게 고분자와 탄소나노튜브를 고체화시켜 고분자/탄소나노튜브 복합체를 획득할 수 있다.
넷째, 고분자와 탄소나노튜브의 혼합용액을 초음파 분무기를 이용하여 미세액적 형태로 분무하여 건조함으로써, 탄소나노튜브가 응집 되지 않은 상태의 고분자/탄소나노튜브 복합체를 획득할 수 있다.
다섯째, 탄소나노튜브가 균일하게 분산된 고분자/탄소나노튜브 복합체를 획득함으로써, 인장 강도를 높여 기계적 특성을 크게 향상시킬 수 있다.
여섯째, 탄소나노튜브가 균일하게 분산된 고분자/탄소나노튜브 복합체를 획득함으로써, 표면 저항을 감소시켜 전기적 특성을 크게 향상시킬 수 있다.
[도 1] 종래의 고분자/탄소나노튜브 복합체의 제조 과정을 설명하기 위한 개요도
[도 2] 본 발명의 실시예들에 따른 고분자/탄소나노튜브 복합체의 제조 과정을 설명하기 위한 개요도
[도 3] 본 발명의 다른 실시예들에 따른 고분자/탄소나노튜브 복합체의 제조 과정을 설명하기 위한 개요도
[도 4] 본 발명의 실시예들에 따른 고분자/탄소나노튜브 복합체의 제조 방법을 설명하기 위한 순서도
[도 5] 본 발명의 다른 실시예들에 따른 고분자/탄소나노튜브 복합체의 제조 방법을 설명하기 위한 순서도
[도 6] 도 5의 제조 방법에 사용되는 고분자/탄소나노튜브 복합체의 제조 장치를 설명하기 위한 구성도
[도 7] 본 발명의 실시예들에 따른 고분자/탄소나노튜브 복합체 박막의 제조 방법을 설명하기 위한 순서도
[도 8] 본 발명의 다른 실시예들에 따른 고분자/탄소나노튜브 복합체 박막의 제조 방법을 설명하기 위한 순서도
[도 9] 도 4의 제조 방법에 의하여 제조된 고분자/탄소나노튜브 복합체의 주사전자현미경 사진(SEM)
[도 10] 도 5의 제조 방법에 의하여 제조된 고분자/탄소나노튜브 복합체의 주사전자현미경 사진(SEM)과 투과전자현미경 사진(TEM)
[도 11] 본 발명의 실시예들에 의하여 제조된 고분자/탄소나노튜브 복합체의 인장 강도를 측정한 그래프
[도 12] 본 발명의 실시예들에 의하여 제조된 고분자/탄소나노튜브 복합체의 전기적 표면 저항을 측정한 그래프
[도 2] 본 발명의 실시예들에 따른 고분자/탄소나노튜브 복합체의 제조 과정을 설명하기 위한 개요도
[도 3] 본 발명의 다른 실시예들에 따른 고분자/탄소나노튜브 복합체의 제조 과정을 설명하기 위한 개요도
[도 4] 본 발명의 실시예들에 따른 고분자/탄소나노튜브 복합체의 제조 방법을 설명하기 위한 순서도
[도 5] 본 발명의 다른 실시예들에 따른 고분자/탄소나노튜브 복합체의 제조 방법을 설명하기 위한 순서도
[도 6] 도 5의 제조 방법에 사용되는 고분자/탄소나노튜브 복합체의 제조 장치를 설명하기 위한 구성도
[도 7] 본 발명의 실시예들에 따른 고분자/탄소나노튜브 복합체 박막의 제조 방법을 설명하기 위한 순서도
[도 8] 본 발명의 다른 실시예들에 따른 고분자/탄소나노튜브 복합체 박막의 제조 방법을 설명하기 위한 순서도
[도 9] 도 4의 제조 방법에 의하여 제조된 고분자/탄소나노튜브 복합체의 주사전자현미경 사진(SEM)
[도 10] 도 5의 제조 방법에 의하여 제조된 고분자/탄소나노튜브 복합체의 주사전자현미경 사진(SEM)과 투과전자현미경 사진(TEM)
[도 11] 본 발명의 실시예들에 의하여 제조된 고분자/탄소나노튜브 복합체의 인장 강도를 측정한 그래프
[도 12] 본 발명의 실시예들에 의하여 제조된 고분자/탄소나노튜브 복합체의 전기적 표면 저항을 측정한 그래프
첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들에 따른 고분자/탄소나노튜브 복합체 제조 방법, 이를 이용한 고분자/탄소나노튜브 복합체 박막 제조 방법, 고분자/탄소나노튜브 복합체 및 고분자/탄소나노튜브 복합체 박막에 대하여 상세히 설명한다. 본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있는바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 본문에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명을 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용하였다. 첨부된 도면에 있어서, 구조물들의 치수는 본 발명의 명확성을 기하기 위하여 실제보다 확대하거나, 개략적인 구성을 이해하기 위하여 실제보다 축소하여 도시한 것이다.
또한, 제1 및 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다. 한편, 다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
도 2 및 도 3은 본 발명의 실시예들에 따른 고분자/탄소나노튜브 복합체의 제조 과정을 설명하기 위한 개요도들이다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 실시예들에 따른 고분자/탄소나노튜브 복합체의 제조 방법은 용해도(solubility)의 차이를 이용하여 고분자와 탄소나노튜브를 고체화를 유도하는 상전이법(Wet Phase Inversion)이다.
상기 상전이법에 따르면, 고분자에 대한 용해도(Solubility)가 큰 유기 용매에 고분자를 용해시킨 상태에서, 유기 용매를 비가용성(non-soluble) 용액으로 변환시켜 줌으로써, 용해도의 차이로 인하여 고분자를 석출하는 방법이다. 상기 상전이법은 비가용성 용액에서 액체상으로 존재할 수 없는 물질의 특성으로 인해 유기 용매에 용해된 고분자의 고체화를 유도한다. 따라서 유기 용매 속에 균일하게 분산되어 있던 탄소나노튜브가 응집할 시간을 주지 않고 고체화된 고분자속에 존재하게 된다.
이와 같이, 상기 상전이법에 따라 탄소나노튜브가 균일하게 분산된 형태의 고분자/탄소나노튜브 복합체를 제조할 수 있다.
도 3을 참조하면, 본 발명의 다른 실시예들에 따른 고분자/탄소나노튜브 복합체의 제조 방법은 분무기를 이용하여 고분자/탄소나노튜브가 용해된 미세액적을 발생시키고, 상기 발생된 미세액적을 급속하게 건조시켜 탄소나노튜브가 잘 분산된 나노 입자를 제조하는 에어로졸 분무 건조법(Aerosol Spray Drying)이다.
상기 에어로졸 분무 건조법에 따르면, 고분자에 대한 용해도(Solubility)가 큰 유기 용매에 고분자를 용해시킨 후, 초음파 분무기를 통하여 미세액적을 발생시킨다. 이 때, 초음파 분무기 내에서 초음파 에너지에 의해 지속적으로 교란되는 탄소나노튜브가 고분자 용액 내에서 분산성을 유지한 상태에서 고분자/탄소나노튜브가 미세액적 상태로 분무된다. 그리고 이어지는 급속한 건조 과정을 통하여 탄소나노튜브가 응집되지 않고 높은 분산성을 유지하면서 고분자 속에 존재하게 된다.
이와 같이, 상기 에어로졸 분무 건조법에 따라 탄소나노튜브가 균일하게 분산된 형태의 고분자/탄소나노튜브 복합체를 제조할 수 있다.
도 4는 본 발명의 실시예들에 따른 고분자/탄소나노튜브 복합체의 제조 방법을 설명하기 위한 순서도이다.
도 4를 참조하면, 상전이법을 이용하여 고분자/탄소나노튜브 복합체를 제조하기 위하여, 먼저 고분자와 탄소나노튜브가 용해된 혼합용액을 제조한다(S41). 본 발명의 실시예들에 있어서, 고분자를 유기 용매에 용해시키고, 상기 고분자가 용해된 용매에 상기 탄소나노튜브를 혼입시킨다. 그리고 상기 용매에 혼입된 탄소나노튜브를 초음파 처리하여 탄소나노튜브가 균일하게 혼합된 고분자/탄소나노튜브 혼합용액을 제조한다.
일 예로, 디메틸포름아미드(Dimethylformamide, DMF) 유기 용매에 ABS(acrylonitrile butadiene styrene) 고분자 5 중량(wt)%를 약 50 도 에서 약 5시간 동안 교반시켜 완전히 용해 시켜 용액을 제조한 후 약 10 ㎚ 내지 40 ㎚의 직경, 약 5 ㎛ 내지 20 ㎛의 길이를 갖는 탄소나노튜브를 1, 3, 5 중량% 혼합하여 약 20분간 초음파 처리(sonication)하여 고분자/탄소나노튜브가 균일하게 혼합된 용액을 제조한다. 이 때, 상기 초음파 처리는 20,000 ㎐ 내지 60,000 ㎐의 주파수 범위에서 3시간 내지 8시간 동안 진행할 수 있다.
이어서, 고분자/탄소나노튜브 혼합용액과 물을 혼합한다(S42). 예를 들어, 제조된 고분자/탄소나노튜브 혼합용액을 항온 수조(water bath)에 넣어준다.
이에 물에 녹지 않는 소수성인 ABS 고분자가 급격한 속도로 고체화되기 시작하고, 급격한 석출이 일어날 때 용해된 ABS 고분자들 사이에 초음파 처리로 인하여 균일하게 분산된 탄소나노튜브가 분산된 상태 고분자와 함께 석출될 수 있다(S43). 이 때, 고분자/탄소나노튜브 복합체가 상기 항온수조에서 고체화 되는 경우, 메쉬(mesh) 망, 체, 거름망(filter) 등을 이용하여 상기 고체화된 고분자/탄소나노튜브 복합체를 상기 항온수조로부터 건져낸다.
이와 같이, 용해도(solubility)의 차이를 이용하여 고분자와 탄소나노튜브의 급속한 고체화를 유도하여, 탄소나노튜브가 균일하게 분산된 형태의 고분자/탄소나노튜브 복합체를 획득할 수 있다.
도 5는 본 발명의 다른 실시예들에 따른 고분자/탄소나노튜브 복합체의 제조 방법을 설명하기 위한 순서도이다. 도 6은 도 5의 제조 방법에 사용되는 고분자/탄소나노튜브 복합체의 제조 장치를 설명하기 위한 구성도이다.
도 5를 참조하면, 에어로졸 분무 건조법을 이용하여 고분자/탄소나노튜브 복합체를 제조하기 위하여, 먼저 고분자와 탄소나노튜브가 용해된 혼합용액을 제조한다(S51). 에어로졸 분무 건조법에서 제조되는 혼합용액은 상전이법에서의 혼합용액과 실질적으로 동일하므로, 구체적인 설명은 생략하기로 한다.
이어서, 제조된 혼합용액을 미세액적의 형태로 분무한다(S52). 본 발명의 실시예들에 있어서, 제조된 혼합용액을 초음파 분무기를 이용하여 분무한다.
그리고 상기 분무된 미세액적 형태의 혼합용액을 건조한다(S53). 본 발명의 실시예들에 있어서, 상기 미세액적을 실리카겔(silica-gel) 건조기와 약 150 도로 가열된 전기로(electric furnace)를 통과시켜 기체상에서 급속도로 건조시킨다.
그리고 상기 건조 과정을 통하여 혼합용액으로부터 석출되는 고분자/탄소나노튜브 복합체를 포집한다(S54). 본 발명의 실시예들에 있어서, 상기 건조 과정에서 유기 용매만 제거되고 상기 유기 용매로부터 석출되는 상기 고분자/탄소나노튜브 복합체를 멤브레인(membrane) 필터를 이용하여 포집한다.
이와 같이, 고분자/탄소나노튜브 혼합용액을 분무기를 통하여 미세액적 형태로 분무시키고, 이를 급속하게 건조시켜 포집함으로써, 탄소나노튜브가 균일하게 분산된 형태의 고분자/탄소나노튜브 복합체를 획득할 수 있다.
도 6은 도 5의 제조 방법에 사용되는 고분자/탄소나노튜브 복합체의 제조 장치를 설명하기 위한 구성도이다.
도 6을 참조하면, 에어로졸 분무 건조법을 이용하여 고분자/탄소나노튜브 복합체를 제조하기 위하여, 고분자/탄소나노튜브 복합체의 제조 장치는 초음파 분무기(100), 실리카겔 건조기(200), 전기로(300) 및 멤브레인 필터(400)를 포함한다.
초음파 분무기(100)는 탄소나노튜브가 균일하게 분산된 초기의 혼합용액을 내부에 저장한다. 그리고 초음파 분무기(100)는 초음파 에너지에 의해 지속적으로 교란되는 탄소나노튜브가 고분자 용액 내에서 분산성을 유지한 상태에서 고분자/탄소나노튜브 혼합용액을 미세액적 상태로 분무한다. 이에 고분자/탄소나노튜브 미세액적이 발생된다.
실리카겔 건조기(200)는 분무된 고분자/탄소나노튜브 미세액적을 건조시킨다. 이에 실리카겔 건조기(200) 내에서 고분자/탄소나노튜브 복합체 액적이 고체화 과정을 통하여 고분자/탄소나노튜브 고체 입자가 생성된다.
전기로(300)는 생성된 고분자/탄소나노튜브 고체 입자를 가열한다. 예를 들어, 전기로(300)는 그 내부가 약 150 도로 유지되는 튜브형 고온로(Tube Furnace)가 될 수 있다. 이에 생성된 고분자/탄소나노튜브 고체 입자가 전기로(300)를 통과하여 탄소나노튜브가 고정화되고, 고분자 매질 내에서 나노 구조로 생성된다. 이에 고분자/탄소나노튜브 복합체가 생성된다.
멤브레인 필터(400)는 생성된 고분자/탄소나노튜브를 포집한다. 한편, 생성된 고분자/탄소나노튜브를 포집하기 위하여, 멤브레인 필터(400) 이외에 다양한 필터가 사용될 수 있다.
도 7은 본 발명의 실시예들에 따른 고분자/탄소나노튜브 복합체 박막의 제조 방법을 설명하기 위한 순서도이다.
도 7을 참조하면, 본 발명의 실시예들에 따른 고분자/탄소나노튜브 복합체 박막을 제조하기 위한 과정(S71, S72, S73)은 도 4를 참조하여 상술한 상전이법을 이용하여 고분자/탄소나노튜브 복합체를 제조하는 과정(S41, S42, S43)과 실질적으로 동일하므로 구체적인 설명은 생략하기로 한다.
이어서, 고분자/탄소나노튜브 복합체 박막을 제조하기 위하여, 제조된 고분자/탄소나노튜브 복합체를 건조시킨다(S74). 예를 들어, 석출된 고분자/탄소나노튜브 복합체를 약 120 도의 온도로 유지되는 건조로에서 약 3시간 정도 건조시킨다.
그리고 건조된 고분자/탄소나노튜브 복합체에 압력을 가한다(S75). 예를 들어, 마운트 핫 프레스(mount hot press)를 이용하여 140 도 내지 160도의 온도 및 40 bar 내지 60 bar의 압력의 조건으로 6분 내지 10분 동안 상기 고분자/탄소나노튜브 복합체에 압력을 가한다.
그리고 가압된 고분자/탄소나노튜브 복합체를 냉각시킨다(S76). 예를 들어, 약 8분 동안의 냉각 과정을 수행하여 최종적으로 하이브리드 고분자/탄소나노튜브 복합체 박막을 획득한다.
한편, 고분자/탄소나노튜브 복합체를 이용한 박막을 제조하는 방법만을 상술하였지만, 상기 고분자/탄소나노튜브 복합체는 수많은 기술 분야의 다양한 적용례 및 실시예들로 사용될 수 있을 것이다.
도 8은 본 발명의 다른 실시예들에 따른 고분자/탄소나노튜브 복합체 박막의 제조 방법을 설명하기 위한 순서도이다.
도 8을 참조하면, 본 발명의 실시예들에 따른 고분자/탄소나노튜브 복합체 박막을 제조하기 위한 과정(S81, S82, S83, S84)은 도 5를 참조하여 상술한 에어로졸 분무 건조법을 이용하여 고분자/탄소나노튜브 복합체를 제조하는 과정(S51, S52, S53, S54)과 실질적으로 동일하므로 구체적인 설명은 생략하기로 한다.
또한 본 발명의 실시예들에 따른 고분자/탄소나노튜브 복합체 박막을 제조하기 위한 과정(S85, S86)은 도 7을 참조하여 상술한 고분자/탄소나노튜브 복합체 박막을 제조하는 과정(75, 76)과 실질적으로 동일하므로 구체적인 설명은 생략하기로 한다.
도 9는 도 4의 제조 방법에 의하여 제조된 고분자/탄소나노튜브 복합체의 주사전자현미경 사진(SEM)이고, 도 10은 도 5의 제조 방법에 의하여 제조된 고분자/탄소나노튜브 복합체의 주사전자현미경 사진(SEM)과 투과전자현미경 사진(TEM)이다.
도 2 및 도 3을 참조하면, 상전이법과 에어로졸 분무 건조법을 통하여 제조된 하이브리드 고분자/탄소나노튜브 복합체 박막(40)을 육안으로 관찰하면, 도 1의 고분자/탄소나노튜브 복합체 박막(4)과 비교하여 탄소나노튜브가 균일하게 분산된 형태임을 확인할 수 있다.
한편, 전자주사현미경(Scanning Electron Microscope, SEM)을 통하여 탄소나노튜브의 분산정도를 보다 명확하게 관찰한 결과, 도 9 및 도 10에서 보는 바와 같이 탄소나노튜브가 응집되어 있는 형태는 발견되지 않으며, 탄소나노튜브가 고분자 매질(matrix) 내에서 균일하게 분포하여 존재하고 있음을 확인할 수 있다.
도 11은 본 발명의 실시예들에 의하여 제조된 고분자/탄소나노튜브 복합체의 인장 강도를 측정한 그래프이다.
도 11을 참조하면, 고분자 매질 내에 탄소나노튜브가 분산되어 생성된 하이브리드 고분자/탄소나노튜브 복합체 박막의 기계적 특성 변화를 확인하기 위하여, 기계적 인장테스트기(Universal Testing Machine, UTM)를 이용하여 고분자/탄소나노튜브 복합체 박막의 인장 강도를 측정하였다.
이에 순수한 ABS 고분자만으로 제조된 박막의 경우 평균적으로 약 6.8 ㎫의 인장 강도(tensile strength)를 가지고 있는데 반하여, 탄소나노튜브의 함유량이 늘어날수록 인장강도가 늘어남을 볼 수 있다. 특히, AMS 고분자에 탄소나노튜브의 함유량을 1 중량%, 3 중량%, 5 중량%로 증가시킨 경우, 순수한 ABS 고분자만으로 제조된 박막의 인장강도에 비해서 약 200%, 280%, 300%의 이상 증가하는 결과를 관찰할 수 있다.
탄소나노튜브 보강재에 의해 순수한 ABS 고분자 박막이 강화된 인장강도를 가짐으로써, 비교적 적은 양으로 고분자내에서 균일하게 분산된 탄소나노튜브가 하이브리드 복합체 박막의 기계적 특성 향상에 큰 기여를 하고 있음을 알 수 있다.
또한, 하이브리드 복합체의 연신율(Percentage Strain)도 탄소나노튜브의 함유량이 증가함에 따라 점점 증가하는 결과를 확인할 수 있다. 이는 탄소나노튜브가 고분자 매질 내에서 균일하게 분산되어 있으면서 하이브리드 복합체 박막 시편의 인장 시에 인가된 인장력이 효과적으로 지지체인 탄소나노튜브 전반에 전달되어져 복합체가 인장될 때 가교 역할을 하여 시편이 쉽게 파손되지 않고 늘어난 것으로 볼 수 있다.
도 12는 본 발명의 실시예들에 의하여 제조된 고분자/탄소나노튜브 복합체의 전기적 표면 저항을 측정한 그래프이다.
도 12를 참조하면, 하이브리드 고분자/탄소나노튜브 복합체에서 탄소나노튜브의 함유량에 따라 전기적 특성의 변화를 확인하기 위하여 표면 저항을 측정하였다.
이에 5.0ㅧ1012[Ω]의 표면 저항을 가지던 순수한 ABS 고분자 박막은 탄소나노튜브의 함유량이 증가하면서 점차적으로 표면 저항이 감소하는 것을 확인하였다. 특히, 고분자 매질 속에 5 중량%의 탄소나노튜브가 균일혼합된 경우, 표면 저항이 1.1ㅧ108[Ω]으로 현격하게 감소함을 확인하였다. 이는 고분자 매질 속에 탄소나노튜브가 균일하게 혼합됨으로써, 하이브리드 고분자/탄소나노튜브 복합체의 전기적 특성(즉, 복합체 박막 표면 전기적 저항성)이 크게 향상된 것을 확인할 수 있다.
이와 같이, 고분자와 탄소나노튜브의 혼합용액을 항온수조에 넣어줌으로써, 용해도 차이에 의하여 급속하게 고분자와 탄소나노튜브를 고체화시켜 고분자/탄소나노튜브 복합체를 획득하거나, 고분자와 탄소나노튜브의 혼합용액을 초음파 분무기를 이용하여 미세액적 형태로 분무하여 건조함으로써, 탄소나노튜브가 응집 되지 않은 상태의 고분자/탄소나노튜브 복합체를 획득할 수 있다. 이에 위 제조 방법을 통하여 탄소나노튜브가 균일하게 충진된 고분자 재료는 그 기계적 특성 및 전기적 특성이 크게 향상될 수 있다.
앞서 설명한 본 발명의 상세한 설명에서는 본 발명의 바람직한 실시예들을 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자 또는 해당 기술 분야에 통상의 지식을 갖는 자라면 후술될 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 기술 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
10, 50 : 고분자와 탄소나노튜브의 혼합용액
30, 70 : 고분자/탄소나노튜브 복합체 박막
30, 70 : 고분자/탄소나노튜브 복합체 박막
Claims (13)
- 고분자와 탄소나노튜브가 균일하게 혼합된 혼합용액을 제조하는 단계;
상기 제조된 혼합용액을 항온수조(water bath)에 넣어주는 단계; 및
용해도(solubility) 차이에 의하여 상기 항온수조에서 용해되지 않는 고분자/탄소나노튜브 복합체를 상기 항온수조로부터 석출하는 단계를 포함하는 고분자/탄소나노튜브 복합체 제조 방법. - 제1항에 있어서, 상기 고분자/탄소나노튜브 복합체를 상기 항온수조로부터 석출하는 단계에서,
상기 고분자/탄소나노튜브 복합체가 상기 항온수조에서 고체화 되는 경우, 메쉬(mesh) 망, 체, 거름망(filter) 중 적어도 하나를 이용하여 상기 고체화된 고분자/탄소나노튜브 복합체를 상기 항온수조로부터 건져내는 것을 특징으로 하는 고분자/탄소나노튜브 복합체 제조 방법. - 고분자와 탄소나노튜브가 균일하게 혼합된 혼합용액을 제조하는 단계;
상기 제조된 혼합용액을 미세액적 형태로 분무하는 단계;
상기 분무된 미세액적 형태의 혼합용액을 건조하는 단계; 및
상기 건조 과정에서 상기 혼합용액으로부터 고분자/탄소나노튜브 복합체를 포집하는 단계를 포함하는 고분자/탄소나노튜브 복합체 제조 방법. - 제3항에 있어서, 상기 혼합용액을 미세액적 형태로 분무하는 단계에서,
초음파 분무기를 이용하여 상기 혼합용액을 분무하는 것을 특징으로 하는 고분자/탄소나노튜브 복합체 제조 방법. - 제3항에 있어서, 상기 분무된 미세액적 형태의 혼합용액을 건조하는 단계에서,
실리카겔(silica-gel) 건조기를 이용하여 상기 혼합용액을 건조하는 것을 특징으로 하는 고분자/탄소나노튜브 복합체 제조 방법. - 제3항에 있어서, 상기 건조 과정에서 상기 혼합용액으로부터 고분자/탄소나노튜브 복합체를 포집하는 단계에서,
상기 건조 과정에서 용매로부터 석출된 상기 고분자/탄소나노튜브 복합체를 멤브레인(membrane) 필터를 이용하여 포집하는 것을 특징으로 하는 고분자/탄소나노튜브 복합체 제조 방법. - 제1항 또는 제3항에 있어서, 상기 고분자와 탄소나노튜브가 균일하게 혼합된 혼합용액을 제조하는 단계는
상기 고분자를 유기 용매에 용해시키는 단계;
상기 고분자가 용해된 용매에 상기 탄소나노튜브를 혼입하는 단계; 및
상기 용매에 혼입된 탄소나노튜브를 초음파 처리하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 고분자/탄소나노튜브 복합체 제조 방법. - 제7항에 있어서, 상기 용매에 혼입된 탄소나노튜브를 초음파 처리하는 단계에서,
상기 초음파 처리는 20,000㎐ 내지 60,000㎐의 주파수 범위에서 3시간 내지 8시간 동안 진행되는 것을 특징으로 하는 고분자/탄소나노튜브 복합체 제조 방법. - 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항의 제조 방법에 의해서 제조된 고분자/탄소나노튜브 복합체.
- 고분자와 탄소나노튜브가 균일하게 혼합된 혼합용액을 제조하는 단계;
상기 제조된 혼합용액을 항온수조(water bath)에 넣어주는 단계;
용해도(solubility) 차이에 의하여 상기 항온수조에서 용해되지 않는 고분자/탄소나노튜브 복합체를 상기 항온수조로부터 석출하는 단계;
상기 석출된 고분자/탄소나노튜브 복합체를 건조하는 단계;
상기 건조된 고분자/탄소나노튜브 복합체에 압력을 가하는 단계; 및
상기 가압된 고분자/탄소나노튜브 복합체를 냉각하는 단계를 포함하는 고분자/탄소나노튜브 복합체 박막 제조 방법. - 고분자와 탄소나노튜브가 균일하게 혼합된 혼합용액을 제조하는 단계;
상기 제조된 혼합용액을 미세액적 형태로 분무하는 단계;
상기 분무된 미세액적 형태의 혼합용액을 건조하는 단계;
상기 건조 과정에서 상기 혼합용액으로부터 고분자/탄소나노튜브 복합체를 포집하는 단계;
상기 포집된 고분자/탄소나노튜브 복합체에 압력을 가하는 단계; 및
상기 가압된 고분자/탄소나노튜브 복합체를 냉각하는 단계를 포함하는 고분자/탄소나노튜브 복합체 박막 제조 방법. - 제10항 또는 제11항에 있어서, 상기 고분자/탄소나노튜브 복합체에 압력을 가하는 단계에서,
마운트 핫 프레스(mount hot press)를 이용하여 140 도 내지 160도의 온도 및 40 bar 내지 60 bar의 압력의 조건으로 6분 내지 10분 동안 상기 고분자/탄소나노튜브 복합체에 압력을 가하는 것을 특징으로 하는 고분자/탄소나노튜브 복합체 박막 제조 방법. - 제10항 내지 제12항 중 어느 한 항의 제조 방법에 의해서 제조된 고분자/탄소나노튜브 복합체 박막.
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