KR20130075414A - 에너지 절감효과 및 전자파 차폐성이 우수한 바닥재의 제조방법 및 이 방법에 의해 제조된 바닥재 - Google Patents

에너지 절감효과 및 전자파 차폐성이 우수한 바닥재의 제조방법 및 이 방법에 의해 제조된 바닥재 Download PDF

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Abstract

본 발명은 전도성 소재를 고분자 바인더 수지 합성과정 중에 투입하여 전도성 소재의 공극 사이에서 단량체가 고분자화된 전도성 고분자 복합체를 이용하여 바닥재를 제조함으로써, 전도성 소재의 분산성이 우수하여 에너지 절감효과 및 전자파 차폐성의 특성이 우수한 것을 특징으로 하는 바닥재의 제조방법 및 이 방법에 의해 제조된 바닥재에 관한 것이다.
특히 전도성 고분자 복합체의 제조시 고분자 수지의 합성과정에서 전도성 소재를 분산시킴으로써 전도성 소재의 판상과 판상 사이에서 고분자가 삽입(intercalation)되고, 고분자 메트릭스에 잘 분산되어, 섬유에 함침 또는 코팅을 할 경우 도전성 섬유의 물리적 특성이 우수하고, 전기전도성, 방열 특성이 우수한 효과를 얻을 수 있다. 또한 전도성 기능의 향상을 위하여 탄소나노튜브(CNT)를 고분자 합성 공정 중 팽창 흑연과 같이 투입함으로써, 탄소나노튜브(CNT)의 섬유구조가 팽창 흑연의 공극의 연결하는 역할하여 전도성 특성을 향상시킬 수 있다.
따라서, 상기 방법으로 바닥재를 제조할 경우 전기전도성 및 발열성, 전자파 차폐성능이 우수하여 최종 소비자가 전기장판, 전기이불, 전기매트, 마루 바닥재 등의 바닥재로 사용할 경우 에너지 절감 효과 및 전자파 차폐성능이 우수한 것이 장점이다.

Description

에너지 절감효과 및 전자파 차폐성이 우수한 바닥재의 제조방법 및 이 방법에 의해 제조된 바닥재{Manufacturing method for floor material for energy saving and electromagnetic shielding and floor material prepared by using the same}
본 발명은 에너지 절감효과 및 전자파 차폐성이 우수한 바닥재의 제조방법 및 이 방법에 의해 제조된 바닥재에 관한 것으로서, 구체적으로는 전도성 소재를 고분자 바인더 수지 합성과정 중에 투입하여 전도성 소재의 공극 사이에서 단량체가 고분자화된 전도성 고분자 복합체를 제조하고, 이 고분자 복합체를 이용하여 제조한 전도성 섬유로 바닥재를 제조함으로써, 전도성 소재의 분산성이 우수하여 에너지 절감효과 및 전자파 차폐성의 특성이 우수한 것을 특징으로 하는 바닥재의 제조방법 및 이 방법에 의해 제조된 바닥재에 관한 것이다.
전도성 고분자 복합체는 전기적 특성, 발열성, 전자 차폐성, 유연성, 기계적 강도, 내수성, 마모강도, 가공성 및 경제적 측면에서 전자재료의 코팅, 의류 산업 및 산업 전 분야에서 널리 사용되고 있다. 전도성 고분자 복합체는 고분자 수지에 전도성 효과를 부여하기 위한 방법으로 도전성 카본블랙, 탄소나노튜브, 흑연, 팽창 흑연과 같은 전도성 탄소소재 또는 구리, 알루미늄, 은, 금, 주석 등과 같은 금속 파우더, 산화아연 등과 같은 전도성 필러(filler)를 적용하는 방법이 있으며, 전도성 필러(filler)가 고분자 매트릭스 수지에 분산되는 정도에 따라서 전기적 특성을 크게 달라지게 된다. 최근까지의 연구동향을 살펴보면 탄소나노튜브(CNT) 및 그래핀(Graphene)과 같은 전도성 소재의 분산을 위한 연구가 주류를 이루고 있다.
탄소나노튜브(CNT)는 탄소 원자가 3개의 다른 탄소 원자와 결합하여 육각형의 벌집 무늬 형태를 이루고 있는 2차원의 흑연 판이 감기는 각도와 감긴 직경에 따라서 도체 또는 반도체의 특성을 발현한다. 특히 합성 방법과 조건에 따라 2차원의 탄소판막(grapheme sheet)을 실린더 모양으로 둥글게 봉한 모양으로 속이 빈 원통 구조를 갖는 단일 벽(single-walled) 탄소나노튜브(SWNT)와 이러한 단일 벽이 여러 개의 겹으로 서로 겹쳐져 있는 다중 벽(multi-walled) 탄소나노튜브(MWNT)로 구분된다. 이러한 탄소나노튜브는 그것의 준 1차원적인 양자구조로 인하여 특이한 양자현상들이 관측되었고, 지름에 비해 대략 1000 배 정도의 긴 길이로 인해 다른 물질보다 강한 전기장을 갖는 전계방출(field emission)효과와 금속에 준하는 높은 전기전도도를 갖는다.
특히 최근에는 TV 모니터 화면 또는 노트북, 모바일기기의 디스플레이판 등으로 열의 발생이 많은 LCD, PDP, LED 등을 사용함에 따라 방열 소재의 개발이 KS 절실히 요구되고 있다. 이들 제품은 다양한 종류의 방열기기를 사용하고 있지만 방열성능에 한계가 있어 새로운 타입의 전도성 소재로서 적층구조를 갖는 흑연흑연(Graphite), 그래핀(Graphene), 팽창흑연(Expanded Graphite) 등을 적용한 방열수단들이 사용되고 있다.
흑연(graphite)은 육각판상의 결정구조를 가지는 육방정계에 속하는 광물로 석묵이라고 하며, 다른 물질에 비하여 내열성, 내열충격성, 내식성이 강하고 열팽창 계수는 매우 작으며 열전도도 및 전기 전도도가 우수한 것이 가장 큰 특징이며, 결정구조와 미세구조에 따라 형태, 색상, 광택, 경도, 비중, 열 및 전기 전도성 등 여러 가지 물성이 달라진다. 따라서, 흑연은 층상구조를 이용한 유연성 흑연 시트가 제작되어 전기와 열의 양도체로서 많이 적용되어 각광을 받고 있다. 흑연은 주로 천연흑연을 분쇄하고 특수처리를 한 후에 팽창시켜 중첩된 탄소 층간을 개방한 것을 사용하고 있다.
천연 흑연은 탄소로 이루어진 광물로 육방정계의 육각판상 결정이다. 구조는 비늘모양의 층상 물질 층을 이루는 면내에는 강한 공유결합(sp2혼성)으로 탄소가 결합되어 있지만 층과 층 사이는(면간),약한 반데르발츠 힘으로 결합되어 있다.이러한 이유로 완전한 벽개면을 갖는 층상 구조이며 전자 상태는 반금속(半金屬)의 특성을 갖고 있어 금속과 반도체의 양쪽의 성질을 갖고 있다.
육각판상 한 층의 높이는 3.40Å이고, 육각형 고리 내에 가장 인접한 탄소간의 거리는 1.42Å이다. 판상체의 상하층간의 거리는 탄소원자 두 개의 중심거리 보다 휠씬 크다. 이러한 이유로 육각판상에서 위쪽이나 아래쪽에 있는 전자는 자유롭게 움직일 수 있으므로, 흑연은 좋은 전기전도도를 갖는다. 흑연과 동질이상인 다이아몬드는 전자 4개가 모두 강한 공유결합(sp3혼성)을 하고 있으므로 완벽한 전기적 절연체가 된다.
팽창 흑연(expanded graphite)은 결정질 인상흑연을 진한 황산과 과산화 수소 용액으로 산화시키고 수세한 후, 고온으로 유지된 팽창로에 투입하면 흑연의 층 과 층사이 즉 흑연 결정의 c축 방향으로 팽창하여, 초기 부피에 비해 100% ~ 700%로 팽창되어진 것을 말한다. 이러한 팽창 흑연은 그동안 주로 내화재의 용도로 사용하였지만 최근에는 전자기기의 방열재료, 열전도 시트, 난연제, 전도성 필러(filler), 반도체 부품, 디스플레이(LED) 등의 부품 및 전계방출소재로 활발히 이용되고 있는 추세이다. 흑연(graphite)과 비슷한 계열의 카본나노튜브(CNT)의 경우 합성 후 정제를 거치는 경우 수율이 매우 낮기 때문에 값싼 재료를 이용하여 합성을 할지라도 최종 제품의 가격이 비싼 반면, 흑연은 매우 싸다는 장점이 있으며, 단일 벽 카본나노튜브(SWNT)의 경우 단일 벽 카본나노튜브의 키랄성 및 직경에 따라 금속, 반도체 특성이 달라질 뿐만이 아니라, 동일한 반도체 특성이 있더라도 밴드갭이 모두 다르다는 특징을 가지므로, 주어진 단일 벽 카본나노튜브(SWNT)로부터 특정 반도체 성질 또는 금속성 성질을 이용하기 위해서는 각 단일 벽 카본나노튜브를 모두 분리해야 할 필요가 있으며, 상기의 과정은 매우 어려운 것으로 알려져 있다.
특히 최근에는 그래핀(graphene)을 이용한 폴리머 나노복합체(nocomposite) 개발이 활발히 이루어지고 있다. 그래핀(graphene)을 이용한 폴리머 나노복합체는 강하면서 내구성도 좋고 다양한 기능을 하도록 만들 수 있어서 그 가능성이 매우 크다. 이와 관련하여 비특허문헌 1에 미국과 아랍의 연구팀이 공동으로 수행한 고분자 나노복합체용 기능성 그래핀 시트[T. Ramanathan. et al. Functionalized graphene sheets for polymer nanocomposite, Nature Nanotechnology 3, 327 - 331 (2008)]가 소개되었고, 프랑스 국립과학연구센터(CNRS)와 공조한 조지아 기술연구소(Georgia Institue of Technology)에서 흑연의 박(薄)층인 그래핀(graphene)을 이용하여 원리검증적 트랜지스터, 환상(loop) 장치 및 회로를 제조하였다고 보고되고 있고, 미국화학회(American Chemical Society) 저널인 나노레터(Nano letter)에 게재된 논문에 따르면, 물리학 및 천문학부와 컴퓨터과학부의 코스차 노브셀로프(Kostya Novoselov)박사와 연구진은 전자광학 장치의 투명 전도성 코팅제로서 그래핀의 사용을 발표하였다. 또 독일의 막스플랑크 연구소의 연구진은 최근 나노레터에서 그래핀 기반 필름을 이용해 태양전지의 투명전극을 개발했다고 발표하였다.
한편, 그래핀(graphene)을 적용시킨 특허로는 특허문헌 1에 단결정 그라펜 시트 및 그의 제조방법, 특허문헌 2에 그라핀 하이브리드 물질 및 그 제조 방법, 특허문헌 3에 그라펜 시트를 함유하는 투명 전극, 이를 채용한 표시소자 및 태양전지, 특허문헌 4에 작용성 그라핀-고무 나노복합물 등과 같이 다양한 산업분야에 그래핀(graphene)이 적용되고 있다.
또한, 탄소나노튜브 또는 흑연을 이용한 특허로서, 특허문헌 5에 탄소나노튜브를 이용한 산업용 영구 대전방지 코팅제 및그 제조방법과 코팅제를 이용한 코팅방법 및 그 코팅소재, 특허문헌 6에 흑색 감광성 수지 조성물, 블랙 매트릭스의 형성방법, 컬러필터의 제조방법 및 컬러필터, 특허문헌 7에 흑연을 함유하는 합성섬유, 특허문헌 8에 흑연 미세 섬유용의 적용에 대하여 기술하고 있고, 또한 특허문헌 9에 섬유용 기능성 조성물에 관하여 기술하고 있다.
다라서, 본 발명은 상기에서 상술한 바와 같은 전도성 소재를 사용하여 에너지 절감효과 및 전자파 차폐성이 우수한 바닥재를 제조함으로써, 본 발명을 완성하게 되었다.
특허문헌 1 : 국내 공개특허공보 제10-2009-0065206호(2009. 06. 22 공개) 단결정 그라펜 시트 및 그의 제조방법 특허문헌 2 : 국내 공개특허공보 제10-2009-0017454호(2009. 02. 18 공개) 그라핀 하이브리드 물질 및 그 제조 방법 특허문헌 3 : 국내 공개특허공보 제10-2009-0028007호(2009. 03. 18 공개) 그라펜 시트를 함유하는 투명 전극, 이를 채용한 표시소자 및 태양전지 특허문헌 4 : 국내 공개특허공보 제10-2009-0086536호(2009. 08. 13 공개) 작용성 그라핀-고무 나노복합물 특허문헌 5 : 국내 등록특허공보 제10-0853127호(2008. 08. 13 등록) 탄소나노튜브를 이용한 산업용 영구 대전방지 코팅제 및그 제조방법과 코팅제를 이용한 코팅방법 및 그 코팅소재 특허문헌 6 : 국내 공개특허공보 제10-2009-0027257호(2009. 03. 16 공개) 흑색 감광성 수지 조성물, 블랙 매트릭스의 형성방법, 컬러필터의 제조방법 및 컬러필터 특허문헌 7 : 국내 공개특허공보 제10-2007-0025756호(2007. 03. 08 공개) 흑연을 함유하는 합성섬유 특허문헌 8 : WO공개특허공보 제WO 90/10296호(1990. 09. 07 공개) 흑연 미세 섬유용의 적용 특허문헌 9 : 국내 공개특허공보 제10-2007-0079688호(2007. 08. 08 공개) 섬유용 기능성 조성물
비특허문헌 1 : 고분자 나노복합체용 기능성 그래핀 시트[T. Ramanathan. et al. Functionalized graphene sheets for polymer nanocomposite, Nature Nanotechnology 3, 327 - 331 (2008)]
본 발명은 탄소나노튜브(CNT) 및 천연흑연을 팽창시킨 팽창 흑연과 흑연, 전도성 카본 등을 고분자 합성시 혼합하여 전도성 고분자 복합체를 제조하고, 이 전도성 고분자 복합체를 사용하여 제조한 전도성 섬유로 바닥재를 제조함으로써, 에너지 절감효과 및 전자파 차폐성이 우수한 바닥재의 제조방법 및 이 방법에 의해 제조된 바닥재를 제공함을 과제로 한다.
그리고 본 발명은 높은 전기 전도성, 발열성을 가지며 물리적 특성이 우수한 바닥재를 제조하기 위한 전도성 섬유를 제조함에 있어서, 기존의 전도성 원사 및 금속사를 이용하여 제직한 전도성 섬유가 섬유방사와 같은 공정을 거치는 것과는 달리, 본 발명은 섬유방사와 같은 공정을 거치지 않고 함침 가공 및 코팅가공을 하여 전도성 섬유를 제조함으로써, 종래의 방법에 비해 전도성 섬유의 제조공정이 간단하고, 제조비용이 저렴하여 경제적 효과가 있는 것을 특징으로 하는 에너지 절감효과 및 전자파 차폐성이 우수한 바닥재의 제조방법 및 이 방법에 의해 제조된 바닥재를 제공함을 다른 과제로 한다.
따라서, 본 발명은 기존의 전도성 원사 및 금속사를 이용하여 제직한 전도성 섬유보다 제조비용이 저렴하면서 공정이 간단하여 경제적인 측면이 고려되고, 전도성 탄소소재의 적용으로 전도성 섬유 제품보다 전기적 특성이 우수하면서, 제조공정이 간단한 발열성 및 전자차폐 성능이 우수한 전도성 섬유의 제조방법 및 이 방법에 의해 제조된 바닥재를 제공하는 것이 특징이다.
상기의 과제를 달성하기 위한 본 발명은 1) 전도성 소재를 합성수지 모노머에 혼합한 후, 반응시켜 합성하는 전도성 고분자 복합체 합성 공정과,
2) 상기 전도성 고분자 복합체를 직포 또는 부직포에 함침 가공 또는 코팅 가공하는 전도성 섬유 제조 공정 및;
3) 상기 전도성 섬유의 일면 또는 양면에 보호필름을 라미네이팅하는 바닥재 제조공정;
을 포함하는 것을 특징으로 하는 에너지 절감효과 및 전자파 차폐성이 우수한 바닥재의 제조방법을 과제 해결 수단으로 한다.
그리고 본 발명은 상기의 방법에 의해 제조된 것을 특징으로 하는 에너지 절감효과 및 전자파 차폐성이 우수한 바닥재를 다른 과제 해결 수단으로 한다.
또한 상기 전도성 고분자 복합체 합성 공정은
a) 전도성 소재를 폴리올에 첨가하고, 디올과 촉매를 혼합하여 전도성 혼합물을 제조하는 단계;
b) 상기 전도성 혼합물에 디이소시아네이트를 투입하고 교반하여 프리폴리머를 합성하는 단계;
c) 상기 프리폴리머에 쇄연장제를 투입하여 전도성 합성수지 복합체를 제조하는 단계;
를 거쳐 전도성 고분자 복합체가 합성된다.
그리고 상기 전도성 소재는 도전성 탄소소재인 도전성 카본블랙, 탄소나노튜브, 그래핀, 흑연, 팽창 흑연, 인조흑연, 구상흑연, 흑연섬유 중에서 1종 또는 그 이상을 선택하여 사용하고,
상기 전도성 합성수지는 폴리우레탄 수지, 수분산 폴리우레탄 수지이며,
상기 직포 또는 부직포는 합성수지 소재로서, 합성수지 소재로서, 폴리에스터, 나일론, 에폭시, 폴리우레탄, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌 중에서 1종을 선택하고, 상기 보호필름은 PVC 시트, TPU 시트 또는 올레핀 시트인 것을 특징으로 한다.
본 발명은 전도성 소재를 이용하여 제조한 전도성 섬유로 바닥재를 제조함으로써, 전도성 소재의 분산성이 우수하여 에너지 절감효과 및 전자파 차폐성의 특성이 우수한 것이 특징이다.
특히 전도성 고분자 복합체의 제조시 고분자 수지의 합성과정에서 전도성 소재를 분산시킴으로써 전도성 소재의 판상과 판상 사이에서 고분자가 삽입(intercalation)되고, 고분자 메트릭스에 잘 분산되어, 섬유에 함침 또는 코팅을 할 경우 도전성 섬유의 물리적 특성이 우수하고, 전기전도성, 방열 특성이 우수한 효과를 얻을 수 있다. 또한 전도성 기능의 향상을 위하여 탄소나노튜브(CNT)를 고분자 합성 공정 중 팽창 흑연과 같이 투입함으로써, 탄소나노튜브(CNT)의 섬유구조가 팽창 흑연의 공극의 연결하는 역할하여 전도성 특성을 향상시킬 수 있다.
따라서, 상기 방법으로 바닥재를 제조할 경우 전기전도성 및 발열성, 전자파 차폐성능이 우수하여 최종 소비자가 전기장판, 전기이불, 전기매트, 마루 바닥재 등의 바닥재로 사용할 경우 에너지 절감 효과 및 전자파 차폐성능이 우수한 것이 장점이다.
도 1은 본 발명에 따른 바닥재를 적용하는 면상발열체의 분리도이고,
도 2는 본 발명에 적용시킨 전도성 소재인 팽창흑연을 찍은 SEM(10,000배 확대) 사진이며,
도 3은 본 발명에 따른 실시예 및 비교예를 적용시킨 함침원단 및 코팅원단을 찍은 SEM(5000배 확대) 사진에 관한 것이다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시 예를 첨부한 상세히 설명하며, 일반적인 바닥재의 제조분야의 종사자들이 용이하게 알 수 있는 구성 및 작용에 대해서는 언급을 간략히 하거나 생략하였다.
본 발명에 따른 에너지 절감효과 및 전자파 차폐성이 우수한 바닥재의 제조방법(이하, ' 바닥재의 제조방법'이라 한다)은 아래의 내용과 같이,
1) 전도성 소재를 합성수지 모노머에 혼합한 후, 반응시켜 합성하는 전도성 고분자 복합체 합성 공정과,
2) 상기 전도성 고분자 복합체를 직포 또는 부직포에 함침 가공 또는 코팅 가공하는 전도성 섬유 제조 공정 및;
3) 상기 전도성 섬유의 일면 또는 양면에 보호필름을 라미네이팅하는 바닥재 제조공정;
을 포함하는 것을 특징으로 한다.
이하, 본 발명에 따른 제조공정을 각 공정별로 상세히 설명하면 아래 내용과 같다.
상기 1) 공정은 전도성 소재를 합성수지 모노머에 혼합한 후, 반응시켜 합성하는 전도성 고분자 복합체 합성 공정으로 아래의 내용과 같이,
a) 전도성 소재를 폴리올에 첨가하고, 디올과 촉매를 혼합하는 전도성 혼합물을 제조하는 단계;
b) 상기 전도성 혼합물에 디이소시아네이트를 투입하여 프리폴리머를 합성하는 단계;
c) 상기 프리폴리머에 쇄연장제를 투입하여 전도성 합성수지 복합체를 제조하는 단계;
를 거쳐 전도성 고분자 복합체가 합성된다.
상기 a)단계는 폴리올에 전도성 소재를 첨가한 후, 롤밀 가공을 통하여 일차적으로 물리적 분산을 시킨 다음, 여기에 디올 화합물과 촉매를 혼합하여 75~85℃에서 20~40분간 혼합하여 전도성 혼합물을 제조하는 단계이다. 상기 혼합 온도 및 혼합시간은 상기에서 한정한 혼합조건의 미만이 될 경우에는 전도성 혼합물 내에 전도성 소재 및 촉매 등이 균일하게 혼합되지 않을 우려가 있고, 상기에서 한정한 혼합조건을 초과할 경우 열화현상에 의해 물성이 저하할 우려가 있다.
상기 전도성 소재는 도전성 탄소소재인 도전성 카본블랙, 탄소나노튜브, 그래핀, 흑연, 팽창 흑연, 인조흑연, 구상흑연, 흑연섬유 중에서 1종 또는 그 이상을 선택하여 사용하는 것이 바람직하다. 상기에서 팽창흑연 등과 같은 판상형 탄소소재는 전도성 고분자 100 중량부에 대하여 1~3 중량부를 첨가하는 것이 바람직하다. 판상형 탄소소재의 첨가량이 상기에서 한정한 첨가량 미만일 경우에는 전기전도성 및 전자차폐성 특성이 저하할 우려가 있고, 상기에서 한정한 첨가량을 초과할 경우에는 점도가 상승하고 분산이 잘 되지않을 우려가 있다.
또한 상기 판상형 탄소소재와 함께 튜브형 탄소소재인 탄소나노튜브(CNT)는 0.1~0.3 중량부를 첨가하는 것이 바람직하다. 튜브형 탄소소재가 상기에서 한정한 첨가량 미만일 경우에는 튜브형 탄소소재의 첨가량 부족으로 판상형 탄소소재의 공극을 연결하기 위한 튜브형 탄소소재의 부족으로 전도성 특성이 저하할 우려가 있고, 튜브형 탄소소재가 상기에서 한정한 첨가량을 초과할 경우에는 점도가 상승하고 분산이 잘 되지않을 우려가 있다.
그리고 상기 b) 단계는 전도성 혼합물에 디이소시아네이트를 투입하고, 75~85℃에서 3~5시간 교반시켜 프리폴리머 합성 단계로서, 이 단계에서 전도성 소재 및 폴리우레탄 수지 혼합 분산액이 축합중합을 통하여 프리폴리머 형성하게 되는데 이때 점도가 상승하게 되며, 점도가 상승할 때 DMF 용액을 투입하여 점도를 조절하면서 분자량을 상승시킨다. 투입된 전도성 소재의 판상 혹은 섬유 구조 내부에서 우레탄 그룹이 일차적으로 생성되게 되며, 계속적인 축합중합 반응을 통하여 전도성 소재의 판상 혹은 섬유 구조 사이에 전도성 고분자 폴리우레탄의 삽입(intercalation), 또는 삽입된 폴리우레탄 프리폴리머는 쇄연장 반응을 통하여 고분자화 되며 이때 전도성 소재인 흑연 판상은 완전히 박리(exfoliation)된다.
상기 단계에서는 프리폴리머의 점도가 상승하게 되므로 프리폴리머의 점도조절을 위해 DMF 용제를 3~8회 분할하여 투입한다. 이때 교반온도 및 교반시간이 상기에서 한정한 교반 조건 미만이 될 경우에는 프리폴리머가 충분히 합성되지 않을 우려가 있고, 상기에서 한정한 교반 조건을 초과할 경우에는 반응을 제어할 수 없어 겔이 발생할 우려가 있다.
그리고 c) 단계는 상기 프리폴리머에 쇄연장제를 투입하여 전도성 합성수지 복합체를 제조하는 단계로서, 이 단계에서는 도전성 탄소소재인 도전성 카본블랙, 탄소나노튜브, 그래핀, 흑연, 팽창 흑연, 인조흑연, 구상흑연, 흑연섬유와 같은 도전성 소재의 격층 또는 미세기공 내에 침투한 단량체가 고분자화하면서 도전성 소재의 격층이 분리되거나 또는 미세기공이 벌어지게 되면서 도전성 소재의 분산성이 향상되므로 도전성 소재인 흑연 또는 탄소나노튜브(CNT)의 응집(aggregation)을 현상을 방지할 수 있는 기술이며, 나노사이즈에서 흑연 및 탄소나노튜브(CNT) 박막이 폴리우레탄 수지에 분산되어 최종제품의 전기 전도성, 발열성, 전자차폐 성능을 우수하게 하며, 폴리우레탄 전도성 코팅액의 저장 안정성도 유지할 수 있다.
또한 본 발명에서 전도성 합성수지는 폴리우레탄 수지, 수분산 폴리우레탄 수지이다.
상기 전도성 합성수지를 합성하기 위한 단량체는 폴리우레탄을 합성하기 위한 통상적인 화합물로서, 폴리올과 디올 화합물 및 디이소시아네트를 사용한다.
폴리올은 폴리에스터 폴리올(polyester polyol), 폴리카보네이트 디올(polycarbonate diol), 폴리프로피렌 글리콜(polypropylene glycol), 폴리에티렌 글리콜(polyethylene glycol), 폴리(테트라메틸렌)글리콜(polypoly(tetramethyle ether)glycol, 폴리카프로락톤 글리콜(polycarprolactone glycol) 중에서 1종 또는 그 이상을 선택하여 사용할 수 있다. 디올로서는 1,4-부탄디올(butanediol), 에틸렌글리콜(ethylene glycol), 디에틸렌글리콜(diethylene glycol), 1,6-헥산디올(hexanediol) 중에서 1종 또는 그 이상을 선택하여 사용하며, 쇄연장제로서 에틸렌디아민(ethylene di-amine), 에틸렌트리아민(ethylene tri-amine), 1,4-부탄디올(butanediol), 에틸렌글리콜(ethylene glycol), 디에틸렌글리콜(diethylene glycol), 1,6-헥산디올(hexanediol) 중에서 1종 또는 그 이상을 선택하여 사용할 수 있다.
그리고 본 발명에서 상기 디이소시아네이트는 아리파틱 이소시아네이트(aliphatic isocyanate) 또는 아로마틱 이소시아네이트(aromatic isocyaante) 중 어느 것을 사용하여도 무방하며, 구체적인 예로는 MDI(Methylene Diphenyl Diisocyanate), HDI(hexamethylene diisocyanate), IPDI(isophoron diisocyanate), H12MDI(4,4'-dihexyl methane diisocyanate) 중에서 1종을 선택하여 사용하는 것이 바람직하다.
그리고 본 발명에서 폴리올과 디이소시아네이트의 NCO/OH 비가 1.0~1.2인 것이 바람직하다. 상기에서 NCO/OH 비가 1.0 미만이 될 경우에는 폴리우레탄이 충분히 합성되지 않을 우려가 있고, NCO/OH 비가 1.2를 초과할 경우에는 반응에 참여하지 않은 과량의 디이소시아네이트는 공기 중 수분과 반응하여 쉽게 경화할 우려가 있다.
또한 DMF 용제의 투입량은 폴리올과 디올의 혼합물 100 중량부에 대하여 DMF 용제 250~350 중량부를 투입하는 것이 바람직하다. DMF 용제의 투입량이 250 중량부 미만이 될 경우에는 점도가 높아져 반응을 제어하기가 어렵고, DMF 용제의 투입량이 350 중량부를 초과할 경우에는 점도가 낮아지고 고분자량으로 합성되기가 어렵다.
또한 본 발명에서 촉매는 폴리올과 디올의 혼합물 100 중량부에 대하여, 0.001~0.003 중량부를 첨가하는 것이 바람직하다. 촉매의 첨가량이 0.001 중량부 미만이 될 경우에는 상기 디올 화합물의 혼합물과 디이소시아네이트가 제대로 반응되지 않을 우려가 있고, 촉매의 첨가량이 0.003 중량부를 초과할 경우에는 합성반응에 특별한 영향을 미치지 않지만 제품의 장기보관 시부가반응을 일으킬 수 있다. 본 발명에서 사용하는 촉매는 디부틸틴디라우레이트(DBTDL)인 것이 바람직하다.
그리고 상기 2) 공정은 상기 1) 공정에 의해 제조한 전도성 고분자 복합체를 직포 또는 부직포에 함침가공 혹은 코팅가공하여 전도성 섬유를 제조하는 공정으로, 본 발명에서 사용하는 직포 또는 부직포는 합성수지 소재로서, 특별히 합성수지의 종류는 한정하지 않지만, 합성수지 소재로서, 폴리에스터, 나일론, 에폭시, 폴리우레탄, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌 중에서 1종을 선택 사용하는 것이 바람직하다. 상기 함침가공 또는 나이프 코팅(Knife coating) 또는 롤코팅(Roll coating) 등과 같은 코팅가공은 통상적인 가공방법에 의해 실시한다.
그리고 상기 3) 공정은 상기 2) 공정에 의해 제조한 전도성 섬유의 일면 또는 양면에 보호필름을 라미네이팅하여 바닥재를 제조하는 공정으로, 이 공정에서 사용하는 보호필름은 합성수지 소재로서 그 종류를 특별히 한정하지는 않지만, 예를 들면 PVC 시트, TPU 시트 또는 올레핀 시트를 사용하는 것이 바람직하다. 본 공정에서 라미네이팅은 통상적인 압착 롤러법 등에 의해 실시한다.
상술한 바와 같이 1) 내지 3)의 공정을 거쳐 제조된 바닥재는 도 1에 도시된 바와 같이, 도전성 고분자 복합체를 함침 또는 코팅처리한 도전성 섬유(10)의 일면 또는 양면을 보호필름(20)으로 라미네이팅하여 제조함으로써, 구리선(30)으로부터 발열되는 열의 전달 효율이 높아 에너지 절감효과 및 전자파 차폐성이 우수한 것이 특징이다.
이하 본 발명에 따른 바닥재의 제조방법을 아래의 실시 예를 통해 구체적으로 설명하면 다음과 같으며, 본 발명은 아래의 실시 예에 의해서만 반드시 한정되는 것이 아니다.
1. 전도성 폴리우레탄 복합체의 제조
아래 [표 1]의 조성비에 따라 팽창 흑연 및 CNT(multi wall carbon nanotube)를 폴리에스테르 폴리올, 폴리카보네이트 디올과 혼합한 후 롤밀 가공을 통하여 일차적으로 물리적 분산을 시킨 전도성 혼합물을 제조한 다음, 이 혼합물에 1,4-부탄디올 및 촉매인 디부틸틴디라우레이트(DBTDL)을 혼합하여 80℃에서 30분 혼합한 다음 디이소시아네이트를 투입하여 80℃에서 3~5시간 프리폴리머 합성하였다. 이때 프리폴리머의 합성시 상승하는 점도를 조절하기 위하여 DMF 분산액을 3~8회 분할하여 투입하였다. 합성된 프리폴리머의 -NCO 말단 확인 후 쇄연장제인 디에틸렌글리콜을 투입하여 전도성 폴리우레탄 복합체를 제조하였다. 참고로, 본 발명에 첨부된 도면인 도 2는 본 실시예에 적용시킨 전도성 소재인 팽창흑연을 찍은 SEM(10,000배 확대) 사진이며, 본 실시예에 사용된 팽창흑연은 고팽창으로 얇은 엽편형을 갖고 있으며 그 겉보기 비중이 350㎖/g이상으로 팽창 흑연을 이용한 각종 용도에 적용 시 물리 화학적으로 우수한 성능을 제공할 수 있다.
(단위 :g)
구분 실시예 비교예
1 2 3 1 2
폴
리올
/
모노머		 폴리에스테르 폴리올
(분자량 2,000)		 100 100 100 100 100
폴리카보네이트 디올
(분자량 2,000)		 100 100 100 100 100
디이소시아네이트
(MDI)		 83.4 83.4 83.4 83.4 83.4
1,4-butanediol 12 12 12 12 12
Diethylene glycol 10.6 10.6 10.6 10.6 10.6
DMF 694 694 694 694 694
합계 1000 1000 1000 1000 1000
촉매((DBTDL) 0.001 0.001 0.001 0.001 0.001
팽창흑연 10 20 30 5 5
CNT 0.1 0.2 0.3 - 0.1
2. 전도성 폴리우레탄 복합체의 평가
가. 표면저항 측정
팽창 흑연/CNT/폴리우레탄 복합체를 부직포 원단에 함침(디핑(dipping) 후 투 롤(two roll)에 통과시켜 충진량을 조절하고 80℃에서 건조)과 코팅(30~100mm 두께로 코팅 후 80℃에서 건조)한 후 전기저항 측정기로 전기저항을 측정하였다. 표면저항은 함침된 원단 혹은 코팅 원단 표면의 전자들이 자유롭게 이동하는데 방해를 얼마나 받는가를 저항치로 나타낸 것으로, 대전방지특성, 전기전도성 및 방열성에 영향을 미친다. 본 발명에 의해 제조된 팽창 흑연/CNT/폴리우레탄 혼합 분산액의 표면저항 측정결과 팽창 흑연, CNT의 함량이 증가할수록 표면저항이 감소하는 특성을 보였다.
구분 실시예 비교예
1 2 3 1 2
전기저항(Ω) 1.3 × 107 1.3 × 104 1.3 × 102 1.3 × 1011 1.3 × 1010
나. 열전도도 측정
팽창 흑연/CNT/폴리우레탄 복합체를 이형지(release paper)에 30~100mm 두께로 코팅하여 필름으로 제조하여 열전도도를 측정하였다. 열전도도는 함침된 원단 혹은 코팅 원단의 발열성에 영향을 미친다. 본 발명에 의해 제조된 팽창 흑연/CNT/폴리우레탄 복합체의 열전도도 측정결과 팽창 흑연, CNT의 함량이 증가할수록 열전도가 증가하는 특성을 보였다.
구분 실시예 비교예
1 2 3 1 2
열전도도(W/m·k) 2.4 3.7 4.2 1.4 1.8
다. 전자차폐성 측정
팽창 흑연/CNT/폴리우레탄 복합체를 부직포 원단에 함침(디핑(dipping) 후 투 롤(two roll)에 통과시켜 충진량을 조절하고 80℃에서 건조)과 코팅(30~100mm 두께로 코팅 후 80℃에서 건조)한 후 전자차폐 성능을 측정하였다. 본 발명에 의해 제조된 팽창 흑연/CNT/폴리우레탄 혼합 분산액의 열전도도 측정결과 팽창 흑연, CNT의 함량이 증가할수록 전자차폐 성능이 증가하는 특성을 보였다.
구분 실시예 비교예
1 2 3 1 2
전자파 차폐효과(dB) 16 (1GHz) 23 (1GHz) 32 (1GHz) 9 (1GHz) 11 (1GHz)
라. 모폴로지(morphology) 분석
팽창 흑연/CNT/폴리우레탄 복합체를 부직포 원단에 함침(디핑(dipping) 후 투 롤(two roll)에 통과시켜 충진량을 조절하고 80℃에서 건조)과 코팅(30~100mm 두께로 코팅 후 80℃에서 건조)한 후 도 3에 도시된 바와 같이, SEM으로 형상을 분석하였다. 실시예 1 내지 3 및 비교예 1, 2는 함침된 원단 혹은 코팅 원단에서의 팽창 흑연이 섬유 구조에 잘 분산되어 있음을 확인할 수 있었다.
그러나 비교예 1, 2의 경우에는 표면저항, 열전도도, 전자차폐성의 특성이 실시예 1 내지 3에 비해 낮아 면상발열체를 제조하기 위한 바닥재로 사용에는 부적합한 것으로 판단되었다.
상술한 바와 같은, 본 발명에 따른 에너지 절감효과 및 전자파 차폐성이 우수한 바닥재의 제조방법 및 이 방법에 의해 제조된 바닥재를 상기에서 상세히 설명하였지만, 이는 예를 들어 설명한 것에 불과하며 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 변화 및 변경이 가능하다는 것을 이 분야의 통상적인 기술자들은 잘 이해할 수 있을 것이다.
10 : 도전성 섬유 20 : 보호필름
30 : 구리선

Claims (7)

1) 전도성 소재를 합성수지 모노머에 혼합한 후, 반응시켜 합성하는 전도성 고분자 복합체 합성 공정과,
2) 상기 전도성 고분자 복합체를 직포 또는 부직포에 함침 가공 또는 코팅 가공하는 전도성 섬유 제조 공정 및;
3) 상기 전도성 섬유의 일면 또는 양면에 보호필름을 라미네이팅하는 바닥재 제조공정;
을 포함하는 것을 특징으로 하는 에너지 절감효과 및 전자파 차폐성이 우수한 바닥재의 제조방법.
제1항에 있어서,
상기 전도성 고분자 복합체 합성 공정은
a) 전도성 소재를 폴리올에 첨가하고, 디올과 촉매를 혼합하여 전도성 혼합물을 제조하는 단계;
b) 상기 전도성 혼합물에 디이소시아네이트를 투입하고 교반하여 프리폴리머를 합성하는 단계;
c) 상기 프리폴리머에 쇄연장제를 투입하여 전도성 합성수지 복합체를 제조하는 단계;
를 거쳐 전도성 고분자 복합체가 합성되는 것을 특징으로 하는 에너지 절감효과 및 전자파 차폐성이 우수한 바닥재의 제조방법.
제1항 또는 제2항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 전도성 소재는 도전성 탄소소재인 도전성 카본블랙, 탄소나노튜브, 그래핀, 흑연, 팽창 흑연, 인조흑연, 구상흑연, 흑연섬유 중에서 1종 또는 그 이상을 선택하여 사용하는 것을 특징으로 하는 에너지 절감효과 및 전자파 차폐성이 우수한 바닥재의 제조방법.
제1항 또는 제2항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 전도성 합성수지는 폴리우레탄 수지, 수분산 폴리우레탄 수지인 것을 특징으로 하는 에너지 절감효과 및 전자파 차폐성이 우수한 바닥재의 제조방법.
제1항에 있어서
상기 직포 또는 부직포는 합성수지 소재로서, 폴리에스터, 나일론, 에폭시, 폴리우레탄, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌 중에서 1종을 선택하는 것을 특징으로 하는 에너지 절감효과 및 전자파 차폐성이 우수한 바닥재의 제조방법.
제1항에 있어서
상기 보호필름은 PVC 시트, TPU 시트 또는 올레핀 시트인 것을 특징으로 하는 에너지 절감효과 및 전자파 차폐성이 우수한 바닥재의 제조방법.
청구항 1 내지 청구항 7의 방법 중 어느 한 항의 방법에 의해 제조된 것을 특징으로 하는 에너지 절감효과 및 전자파 차폐성이 우수한 바닥재.
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