KR20140136883A - 비전도성 기지의 전기전도성을 향상시킨 나노복합재 제조방법 - Google Patents

비전도성 기지의 전기전도성을 향상시킨 나노복합재 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명에 따르면, 강화섬유(13)가 일방향으로 연장 배치된 비전도성 기지(11)의 타방향으로의 전기전도성을 향상시킨 나노복합재 제조방법에 있어서, 용기 형태로 구비된 베이스부(120)의 수용공간 내에 상부전극(131)과 하부전극(132)을 상하로 대향하도록 배치하는 전극부 배치 단계(S210); 소정의 점도 및 유전율을 갖는 기지(11)와 미립자(12)가 일정비율로 혼합된 미립자유체(10)를 상기 베이스부(120)의 수용공간 내에 주입하고, 주입된 미립자유체(10) 상에 상기 강화섬유(13)를 일방향으로 연장 배치하는 미립자유체 배치 단계(S230); 상기 상부전극(131)과 하부전극(132) 사이에 위치하는 미립자(12)가 상기 기지(11) 내에서 전기장에 의해 상하방향으로 재배열되도록 전극부(130)에 고전압을 인가하는 고전압 인가 단계(S250); 및 상기 전기장에 의해 미립자(12)가 재배열된 상태의 미립자유체(10)를 경화시켜 나노복합재(20)를 형성하는 미립자유체 경화 단계(S270);를 포함하는 나노복합재 제조방법이 개시된다.

Description

비전도성 기지의 전기전도성을 향상시킨 나노복합재 제조방법{Preparing Method For Nanocomposite Improved Electro-Conductivity}
본 발명은 비전도성 기지의 전기전도성을 향상시킨 나노복합재 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 전기장을 이용하여 비전도성 기지내에서 전도성입자를 일정한 방향으로 배열함으로써 강화섬유가 일방향으로 연장 배치된 비전도성 기지의 타방향으로 전기전도성을 향상시킨 나노복합재 제조방법에 관한 것이다.
도 1에는 강화섬유(3)가 기지(11) 내에서 일방향으로 연장 배치된 종래의 섬유강화 복합재(1)의 구성이 도시되어 있다.
도 1을 참고하면, 종래에는 일반적인 섬유강화 복합재(1)의 경우 일반적으로 복합재의 기지(2)로 이용되는 레진은 전기 전도성이 없다. 반면에 기지(2) 내에서 일방향으로 배치된 탄소섬유 재질의 강화섬유(3)의 경우에는 전기 전도성이 우수하다. 따라서, 섬유강화 복합재(1)의 강화섬유(3)가 연장 배치된 방향으로는 전기전도성이 있지만 두께 방향 즉 상기 강화섬유(3)가 연장 배치되지 않은 방향(예를 들면 두께 방향)으로는 전기전도성이 매우 미미하였다.
따라서, 강화섬유(3)가 연장 배치되지 않은 방향으로 전기전도성을 갖게 하려면 성유강화 복합재의 일측에 관통공을 형성하고 구리나 알루미늄 등의 전도성 재질로 이루어진 기둥 형상의 열전도체를 개구된 관통공에 삽입함으로써 원하는 방향으로 전기전도성을 갖도록 할 수 있었다.
그러나, 섬유강화 복합재(1)와 열전도체는 서로 다른 재질로 이루어져 있기 때문에, 강제 끼움결합 또는 솔더링되었더라도 외부 충격 및 마찰에 의해 상호 체결된 부위가 약해지거나 간격이 발생하는 등 강인한 외부 환경에 취약한 문제점이 있었다.
한편, 종래에는 방향성 있는 복합재를 제조하기 위해 회전주조, 유동방향성, 기계적 인장, 일방향 성장방법, UV 조사 및 자기장 운용 등의 방식이 이용되었다. 그러나, 회전주조 및 유동방향성에 의한 구현 방식의 경우 입자들이 랜덤하게 분포하게 되어 국부적으로 물성치를 변화시키는 것이 제한되며, 일방향 성장 방식은 촉매에 의한 오염이 심하며 민감도가 감소되는 문제점이 있었다. 또한, UV 조사 방식의 경우, FGM(Functionally Graded Material)을 제조하는데 효과적으로 적용할 수 있으나 작은 사이즈의 구조체에만 적용이 가능한 단점이 있었다. 또한, UV 조사 방식의 경우, FGM(Functionally Graded Material)을 제조하는데 효과적으로 적용할 수 있으나 작은 사이즈의 구조체에만 적용이 가능한 단점이 있었다.
등록특허공보 제10-1240327호(2013.02.28), 나노와이어-마이크로섬유 하이브리드 구조체로 이루어진 튜브의 합성방법 및 이에 의하여 제조된 튜브 구조체
본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위하여 창출된 것으로, 본 발명의 목적은 전기장을 이용하여 비전도성 기지내에서 전도성입자를 일정한 방향으로 배열함으로써 강화섬유가 일방향으로 연장 배치된 비전도성 기지의 타방향으로 전기전도성을 향상시킨 나노복합재 제조방법을 제공하는 것에 있다.
상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 비전도성 기지의 전기전도성을 향상시킨 나노복합재 제조방법은, 강화섬유(13)가 일방향으로 연장 배치된 비전도성 기지(11)의 타방향으로의 전기전도성을 향상시킨 나노복합재 제조방법에 있어서, 용기 형태로 구비된 베이스부(120)의 수용공간 내에 상부전극(131)과 하부전극(132)을 상하로 대향하도록 배치하는 전극부 배치 단계(S210); 소정의 점도 및 유전율을 갖는 기지(11)와 미립자(12)가 일정비율로 혼합된 미립자유체(10)를 상기 베이스부(120)의 수용공간 내에 주입하고, 주입된 미립자유체(10) 상에 상기 강화섬유(13)를 일방향으로 연장 배치하는 미립자유체 배치 단계(S230); 상기 상부전극(131)과 하부전극(132) 사이에 위치하는 미립자(12)가 상기 기지(11) 내에서 전기장에 의해 상하방향으로 재배열되도록 전극부(130)에 고전압을 인가하는 고전압 인가 단계(S250); 및 상기 전기장에 의해 미립자(12)가 재배열된 상태의 미립자유체(10)를 경화시켜 나노복합재(20)를 형성하는 미립자유체 경화 단계(S270);를 포함한다.
본 발명에 따른 비전도성 기지의 전기전도성을 향상시킨 나노복합재 제조방법에 의하면, 전기장을 이용하여 비전도성 기지내에서 전도성입자를 일정한 방향으로 배열함으로써 강화섬유가 일방향으로 연장 배치된 비전도성 기지의 타방향으로 전기전도성을 향상시킬 수 있음은 물론, 전도성입자가 기지 내에서 경화되어 위치가 고정되면서 기지와 일체화된 상태로 전기전도성의 특성을 나타내는 것이기 때문에 외부 충격 및 마찰에 의해 기지와의 체결상태가 약해지거나 간격이 발생하지 않는 장점이 있다. 즉, 강인한 외부 환경에서 우수한 내구성을 발휘할 수 있는 효과를 제공한다.
도 1은 종래의 섬유강화 복합재에 강화섬유가 기지 내에서 일방향으로 연장 배치된 상태를 나타낸 단면도,
도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 비전도성 기지의 전기전도성을 향상시킨 나노복합재 제조방법의 순서를 나타낸 순서도,
도 3은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 나노복합재 제조장치의 구성을 나타낸 측면도,
도 4는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 전극부 배치 단계를 설명하기 위한 측면도,
도 5는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 미립자유체 배치 단계를 설명하기 위한 측면도,
도 6은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 고전압 공급에 따라 상부전극과 하부전극 사이에 전기장이 형성된 상태를 나타낸 측면도,
도 7은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 상부전극과 하부전극 사이에 위치하는 미립자가 기지 내에서 전기장에 의해 상하방향으로 재배열되는 동작원리를 나타낸 측면도,
도 8은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 미립자가 재배열된 상태의 미립자유체를 경화시켜 나노복합재를 형성한 구성 및 미립자를 통해 타방향으로 전기전도성이 생성된 동작원리를 나타낸 측면도,
도 9는 두 개의 구형태의 미립자가 쌍극자 상호작용을 하며 상대적인 위치와 변위에 영향을 미치는 상태를 나타낸 개략도, 및,
도 10은 초기 랜덤배열과 전기장이 가해져 재배열된 미랍자의 비교도,
도 11은 산화알루미늄(Al2O3) 그라파이트(Graphite) 및 탄소나노튜브(CNT) 입자의 재배열을 SEM(Scanning Electron Microscope)사진 촬영한 도면, 및
도 12는 전기장에 따른 텅스텐 입자의 재배열을 도시한 도면이다.
이하 첨부된 도면을 참조하면서 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여, 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.
따라서, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따른 비전도성 기지의 전기전도성을 향상시킨 나노복합재 제조방법에 대한 실시예를 설명하기에 앞서 비전도성 기지의 전기전도성을 향상시킨 나노복합재(20)를 제조하는데 이용되는 나노복합재 제조장치(100)의 구성 및 기능을 설명하기로 한다.
상기 나노복합재 제조장치(100)는, 도 3에 도시된 바와 같이 베이스부(120), 전극부(130), 고전압 공급부(140), 기밀챔버(110) 및 제어부(150)를 포함하여 구비된다.
먼저, 베이스부(120)는, 상기 미립자유체(10)를 수용하기 위한 수용공간을 제공하는 구성으로서, 소정의 점도를 갖는 유체의 기지(11)가 외부로 흐르지 않도록 도면에서와 같이 테두리에 측벽이 융기된 용기형태로 형성될 수 있으며, 상기 수용공간 내에 배치되는 전극부(130)의 고전압이 외부로 누설되지 않도록 비전도성 재질로 형성되는 것이 바람직하다.
상기 전극부(130)는, 베이스부(120)의 수용공간 내에 배치되고, 인가되는 고전압에 의해 전기장을 형성하며, 제조되는 나노복합재(20) 상에서 전기전도성을 향상시키고자 하는 방향에 부합되는 전극패턴 구조로 이루어져 전기장에 의해 기지(11) 내에서 미립자(12)가 재배열되기 위한 공간을 형성한다.
여기서, 도 3에 도시된 바와 같이 상기 전극부(130)는 상부전극(131)과 하부전극(132)으로 이루어지며, 베이스부(120) 내에서 전기전도성을 향상시키고자 하는 위치에 상부전극(131)과 하부전극(132)이 상하로 대향하도록 배치된 전극패턴 구조로 이루어진다.
또한, 상기 전극부(130)는 고전압 공급부(140)로부터 공급되는 고전압에 의해 상기 상부전극(131)과 하부전극(132) 사이에는 도 6에서와 같이 상부전극(131)에서 하부전극(132)으로 하향하는 전기장이 형성된다.
즉, 상기 상부전극(131)과 하부전극(132) 사이에 공간은 전기장에 의해 기지(11) 내에서 미립자(12)가 재배열되기 위한 재배열 영역이되는 것이며, 이러한 재배열 영역 내에 포함된 미립자(12)는 전기장의 영향을 받아 전기장의 방향과 일치하는 방향으로 재배열되면서 도 7에서와 같이 체인형태로 각 미립자(12)가 연이어 연결되는 형상으로 배열되는 것이다.
상기 고전압 공급부(140)는, 수용공간 내에 배치되는 전극부(130)와 전기적으로 연결되어 상부전극(131)과 하부전극(132) 사이에 위치한 미립자(12)가 전기장에 의해 기지(11) 내에서 재배열되도록 고전압을 공급하는 구성으로서, 도 3에 도시된 바와 같이 가변 주파수를 발진하는 신호발생기(141)와, 설정된 전압의 크기로 인가전압을 증폭하는 고전압 증폭기(142) 및, 상기 전극부(130)에 인가되는 고전압의 파형을 화면상에 표시하는 전압표시부(143)를 포함하여 구비될 수 있다.
상기 제어부(150)는 고전압 공급부(140)와 신호연결되되, 상기 베이스부(120)의 수용공간에 수용되는 미립자유체(10)별로 미립자(12)를 재배열하기 위해 전극부(130)에 인가되는 고전압의 크기 및 인가되는 인가시간에 대한 데이터가 구분되어 저장되며, 사용자 입력신호에 따라 상기 고전압의 크기 및 인가시간이 선택되어 상기 미립자(12)가 전기장에 의해 재배열되도록 고전압 공급을 제어한다.
이러한 나노복합재 제조장치(100)를 이용하여 비전도성 기지의 전기전도성을 향상시킨 나노복합재(20)를 제조하는 단계를 순차적으로 설명한다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따른 비전도성 기지의 전기전도성을 향상시킨 나노복합재 제조방법(이하에서는 '나노복합재 제조방법'이라 명칭함)은, 전기전도성을 향상시키고자 하는 위치에 열전도입자(미립자(12))를 강화섬유(13)가 일방향으로 연장배치된 비전도성 기지(11)의 타방향으로 배열함으로써 전체 또는 특정 국부의 전기전도성이 상대적으로 증대된 전기전도성의 특성을 갖는 나노복합재(20)를 제조할 수 있는 나노복합재 제조방법으로서, 도 2에 도시된 바와 같이 전극부 배치 단계(S210), 미립자유체 배치 단계(S230), 고전압 인가 단계(S250) 및, 미립자유체 경화 단계(S270)를 포함한다.
먼저, 상기 전극부 배치 단계(S210)는, 기지(11) 내에서 미립자(12)가 국부적으로 또는 전체적으로 재배열되는 재배열 영역이 형성되도록 상부전극(131)과 하부전극(132)으로 이루진 전극부(130)를 수용공간 내에 배치하는 단계로서, 용기 형태로 구비된 베이스부(120)의 수용공간 내에서 전체적 또는 국부적 전기전도성의 특성이 요구되는 위치에 상부전극(131)과 하부전극(132)을 상하로 대향하도록 배치한다.
따라서, 상부전극(131)과 하부전극(132) 사이에는 도면에서와 같이 상부전극(131)에서 하부전극(132)으로 하향하는 전기장이 형성된다. 또한, 도시되지 않았으나 상부전극(131)과 하부전극(132)에 인가되는 전압의 극성을 변경하는 경우 상기 하부전극(132)에서 상부전극(131)으로 상향하는 전기장을 형성할 수 있음은 물론이다.
그리고, 상기 상부전극(131)과 하부전극(132)을 상기 수용공간 내에서 상하로 매칭되도록 배치하되, 상부전극(131)과 하부전극(132) 사이에 미립자(12)가 사선방향으로 재배열되도록, 상기 상부전극(131)과 하부전극(132)을 서로 다른 수직라인 상의 상하 위치에 배치할 수도 있다. 이 경우 상부전극(131)과 하부전극(132) 사이에 형성되는 자기장은 사선방향을 향하여 형성된다.
이와 같이 상부전극(131) 및 하부전극(132)을 상하로 대향하도록 배치하되, 각 전극(131,132)의 수직라인 상에서의 배치되는 위치를 조절하여 미립자유체(10)의 재배열되는 경사각을 제어할 수 있다. 즉, 이러한 경사각 제어를 통해 전기전도성이 제공되는 방향을 원하는 방향으로 조절할 수 있는 것이다.
상기 미립자유체 배치 단계(S230)는, 소정의 점도 및 유전율을 갖는 비전도성 재질의 기지(11)와 마이크로 또는 나노 크기를 갖는 전도성 재질의 미립자(12)를 일정비율로 혼합하며, 혼합된 미립자유체(10)를 상기 베이스부(120)의 수용공간 내에 주입하고, 주입된 미립자유체(10) 내에 강화섬유(13)를 일방향으로 연장 배치하는 단계로서, 상기 나노복합재의 기지(11)는 상온경화가 가능한 에폭시를 이용할 수 있으며, 기지(11)가 갖는 점도 및 유전율에 따라 미립자(12)의 재배열되는 시간 및 상태가 상이해지므로 상기 미립자(12)의 종류에 따라 점도 및 유전율을 달라질 수 있다.
예를 들어, 상기 기지(11)로서 (주)제일하이텍의 HTC-665C의 품명을 갖는 에폭시를 사용하는 경우 기지(11)의 점도 3.0Pa·s이며 유전율은 대략 5정도 될 수 있으며, 미립자(12)로는 탄소나노튜브(CNT), 알루미나(Al2O3), 카본(Carbon), 텅스텐(W), 알루미늄(Al), 철(Fe), 납(Pb) 등과 같이 전기전도성이 우수한 재질을 선택적으로 이용할 수 있다. 이러한 재질 이외에 전기장에 의해 기지(11) 내에서 회전하며 재배열할 수 있는 특성을 가진 전도성 재질이면 상기 미립자(12)로 이용할 수 있다.
여기서, 상기 미립자(12)는 이용되는 재질에 따라 수십 나노 내지 수십 마이크로의 크기를 가질 수 있는데, 상기 탄소나노튜브는 10nm, 알루미나는 10㎛, 텅스텐은 40 내지 60㎛의 크기로 이루어질 수 있다. 그리고, 상기 미립자(12)는 형성되는 재질에 따라 구형(Sphere), 판형(Disk) 또는, 원통형(Cylinder) 중 어느 하나의 형상으로 이루어질 수 있다.
또한, 상기 미립자유체(10)를 형성하기 위한 기지(11)와 미립자(12)를 일정비율로 혼합함에 있어서, 상술한 바와 같이 각 미립자(12)는 마이크로 내지 나노의 크기를 가짐에 따라 공기중에 분산되어 사용자의 호흡기로의 흡입되거나 주변 공기가 오염될 수 있으므로, 상기 기지(11)와 미립자(12)를 일정비율로 혼합하는 과정은 상기 베이스부(120) 및 전극부(130)를 둘러싸는 형태로 배치되어 상기 베이스부(120) 및 전극부(130)를 외부로부터 기밀시키는 기밀챔버(110)의 내부에서 이루어지는 것이 바람직하다. 이러한 기밀챔버(110)를 이용함으로써 미립자유체(10)를 혼합시 미립자(12)가 공기중에 분산되는 것을 방지할 수 있음은 물론, 전기장에 의해 미립자(12)를 재배열시키는 과정 또는 미립자유체(10)를 경화시키는 과정에서 미립자유체(10)에 먼지 및 수분 등의 이물질이 유입되거나 외부 전기장으로부터 전기적 영향을 받게 되는 것을 방지할 수 있다.
상기 고전압 인가 단계(S250)는, 전극부(130)와 전기적으로 연결된 고전압 공급부(140)를 통해 상부전극(131)과 하부전극(132) 사이에 위치한 미립자(12)가 전기장에 의해 재배열되도록 전극부(130)에 고전압을 공급하는 단계로서, 도 3에 도시된 바와 같이 가변 주파수를 발진하는 신호발생기(141)와, 설정된 전압의 크기로 인가전압을 증폭하는 고전압 증폭기(142) 및, 상기 전극부(130)에 인가되는 고전압의 파형을 화면상에 표시하는 전압표시부(143)를 포함하는 고전압 공급부(140)를 이용하여 상기 전극부(130)에 설정된 고전압을 공급할 수 있다.
따라서, 상기 신호발생기(141) 및 고전압 증폭기(142)를 이용함에 따라 미립자(12) 및 미립자유체(10)의 종류 및 상태에 따라 인가되는 고전압의 크기를 조절할 수 있으며, 사용자는 상기 전압표시부(143)를 통해 전극부(130)에 인가되고 있는 고전압의 크기를 육안으로 확인하고 적시적절하게 구동조작을 수행할 수 있게 된다. 여기서, 인가되는 고전압에 의해 형성되는 전기장의 세기에 따라 미립자유체(10) 내에서 재배열되는 미립자(12)의 배열속도(회전속도)가 달라질 수 있으므로 상기 미립자(12)의 종류에 따라 전기장의 크기는 적절하게 조절되는 것이 바람직하다.
한편, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 나노복합재 제조방법을 통해 제조되는 나노복합재는 미립자(12)의 종류, 미립자유체(10)의 점도 및 유전율에 따라 전극부(130)에 인가되는 고전압의 크기(전기장의 세기) 및 고전압이 인가되는 시간(미립자(12)가 회전되어 재배열되는 소요시간)이 조절되어 공급되어야 하는데, 상기 고전압 인가 단계(S250)에서는 상기 고전압 공급부(140)와 신호연결되되 베이스부(120)의 수용공간에 수용되는 미립자유체(10)별로 미립자(12)를 재배열하기 위해 전극부(130)에 인가되는 고전압의 크기 및 인가되는 인가시간에 대한 데이터가 구분되어 저장되며, 사용자 입력신호에 따라 설정된 고전압의 크기 및 인가시간이 선택되어 미립자(12)가 전기장에 의해 재배열되도록 고전압 공급을 제어하는 제어부(150)를 통해 고전압 공급부(140)를 제어하여 설정된 고전압이 전극부(130)에 공급되도록 할 수 있다.
여기서, 상기 제어부(150)에는 미립자(12) 및 미립자유체(10)의 종류 및 상태를 선택하기 위한 사용자 입력신호를 출력하는 사용자 입력부(160)가 배치되며, 사용자의 조작에 의해 임의의 사용자 입력신호가 제어부(150)로 출력되면 상기 제어부(150)는 출력된 사용자 입력신호에 따른 고전압이 전극부(130)에 인가되도록 공급 제어한다.
상기 미립자유체 경화 단계(S270)는, 전기장에 의해 전체적 또는 국부적으로 미립자(12)가 재배열된 상태의 미립자유체(10)를 경화시켜 비전도성 기지(11)의 타방향으로 방향성을 갖는 미립자 재배열의 구조로 구비된 나노복합재(20)를 형성하는 단계이다. 이와 같이, 전도성 재질의 미립자(12)가 전기전도성 방향을 향해 일정하게 재배열된 상태로 기지(11) 내에서 경화됨으로써, 도 8에 도시된 바와 같이 강화섬유(13)가 일방향으로 연장 배치된 비전도성 기지(11)의 타방향으로 미립자(12)로 이루어진 구조체를 나노복합재(20)에 일체화된 상태로 형성될 수 있는 것이다.
여기서, 상기 미립자유체(10)에 혼합된 기지(11)가 에폭시와 같이 상온에서 경화되는 재질로 이루어진 경우, 미립자(12)가 재배열된 상태에서 일정시간 상온에서 방치하여 경화시킬 수 있으며, 상온에서 경화되는데 장시간이 소요되거나 상온에서는 경화되지 않는 재질의 기지(11)를 이용한 경우에는 미립자유체(10)를 물리적으로 경화시키기 위해 고온의 환경을 제공하는 경화장치를 이용하여 경화시킬 수도 있다. 여기서, 미립자유체(10)를 상온 또는 고온의 환경에서 경화시키기 위한 구성 및 방식은 본 발명이 속하는 기술분야에서 널리 공지된 기술이므로 미립자유체(10)를 경화시키기 위한 구체적인 설명은 생략하기로 한다.
상술한 전극부 배치 단계(S210), 미립자유체 배치 단계(S230), 고전압 인가 단계(S250) 및, 미립자유체 경화 단계(S270)를 포함하는 본 발명에 따른 비전도성 기지의 전기전도성을 향상시킨 나노복합재 제조방법을 통해 제조된 복합재의 입자들이 재배열된 결과를 보면, 도 10의 우측에 도시된 바와 같이, 알루미나(Al2O3) 미립자(12)는 입자의 사이즈 기지재료 및 기타 여러 요인에 의하여 상대적으로 배열정도가 낮지만, 나머지 그라파이트(Graphite) 탄소나노튜브(CNT), 또는 텅스텐(W) 미립자(12)는 전기장에 의해 원활하게 재배열되어 있음을 알수 있다.
특히, 도 10에 도시된 바와 같이, 상기 탄소나노튜브(CNT)의 경우 매우 미세한 입자들이 아주 규칙적으로 잘 배열되었으며, 그라파이트(Graphite)의 경우 입자들이 덩어리의 형태로 형성하면서 배열되었다.
반면, 도 10의 좌측에 도시된 바와 같이, 전기장이 가해지지 않는 경우 상술한 미립자(12)들이 재배열되어 있지 않고 랜던하게 분포되어 있음을 알 수 있습니다.
참고로, 도 10은 초기 랜덤배열과 전기장이 가해져 재배열된 미랍자의 비교 도이다.
보다 구체적으로, SEM(Scanning Electron Microscope) 사진 촬영을 통해 마이크로 및 나노사이즈의 알루미나(Al2O3), 그라파이트(Graphite) 탄소나노튜브(CNT) 미립자(12)에 대한 입자배열을 확인하면 도 11에 도시된 바와 같다.
먼저, SEM 사진 촬영을 위해 일정사이즈의 시편을 준비하고, SEM 사진의 경우 전자 입자의 반사에 의해서 사진을 촬영하는 것이기 때문에 기지인 레진의 경우 전자 입자가 투과하여 사진촬영이 불가능하고 무엇보다 입자의 명확한 상태를 확인할 수 있도록 Gold 코팅을 한다.
산화알루미늄(Al2O3) 그라파이트(Graphite) 및 탄소나노튜브(CNT) 입자의 재배열을 촬영한 도 11의 사진에 도시된 바와 같이, 1.2kV/mm 세기로 5Hz의 주파수를 가진 정현파 전기장 속에서 재배열이 수행되어, 입자들이 가해진 전기장을 따라서 재배치된 것을 알 수 있다.
참고로, 도 11은 산화알루미늄(Al2O3) 그라파이트(Graphite) 및 탄소나노튜브(CNT) 입자의 재배열을 SEM(Scanning Electron Microscope)사진 촬영한 도면이다.
또한, 본 발명에 따른 전기장을 이용한 기능성 나노복합재 제조방법을 통해 제조된 복합재의 입자들의 강성을 DMA(Dynmic Mechanical Analyzer)로 영율 시험을 통해 측정해 보면, 아래의 [표 1]과 같다.
Volume Fraction(0.15) Young`s Modulus(MPa)
Oriented(Random)
알루미나(Al2O3)/E 2300(2120)
그라파이트(Graphite)/E 1580(1260)
텅스텐(W)/E 1100(820)
탄소나노튜브(CNT)/E 1670(1330)
상기 표에 기재된 바와 같이, 세라믹 계열인 알루미나(Al2O3)가 가장 높았고, 텅스텐(W) 입자를 함유한 에폭시가 가장 낮음을 알수 있는데, 위와 같은 결과는 텅스텐 입자 복합재의 경우 기지인 에폭시의 영향이 크게 작용하기 때문이다.
또한, 본 발명에 따른 전기장을 이용한 기능성 나노복합재 제조방법을 통해 제조된 복합재의 입자 재배열에 의한 나노복합재의 횡방향과 종방향의 열팽창 특성은 아래의 표과 같다.
Particle Volume Fraction(0.3) Direction
Longitudinal(um/m/℃) Transverse(um/m/℃)
알루미나(Al2O3)/E 10.4 45.6
그라파이트(Graphite)/E 23.1 47.2
텅스텐(W)/E 18.5 46.3
탄소나노튜브(CNT)/E 13.9 48.7
입자의 재배열에 의해서 나노 복합재는 재료의 열팽창 특성을 제어할 수 있다. 즉 일반 복합재는 종방향과 횡방향의 열팽창계수가 같은데 비해서 입자 재배열된 나노복합재는 열팽창 특성을 방향에 따라 다르게 할 수 있다.
특히, 고온 고강도용 등 기계적 성질이 우수한 합금에 주로 사용되는 텅스텐은 3410℃의 높은 융점과 높은 열 및 전기 전도성을 가지고 있다.
전기장에 따른 텅스텐 입자의 재배열을 도시한 도 12을 통해 바닥면에 깔린 구리(Gu) 와이어에서 발생하는 전기장의 영향에 의해서 엑폭시 속에 포함된 텅스텐 입자들이 전기장에 의해 한쪽으로 쏠린 것을 알 수 있다.
이와 같이 특수한 성질을 가진 금속 혹은 세라믹 등 비금속 물질의 입자들이 기지속에 포함되어 나노복합재의 구조를 구성할 때 이러한 입자들의 분포, 배열, 밀도 등을 외부에서 가해지는 전기장의 영향에 의해서 제어할 수 있음을 확인할 수 있다.
텅스텐 입자들의 분포 밀도가 높은 쪽은 열전도, 전기전도성이 탁월한 성능을 나타내고, 반대쪽은 그 역효과를 나타낸다.
상술한 바와 같이 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 나노복합재 제조방법에서 미립자유체(10)에 가해지는 전기장에 의해 상부전극(131)과 하부전극(132) 사이에 위치한 미립자(12)가 기지(11) 내에서 재배열(Redistribution)되는 것은 전기영동(Dielectrophoresis)과 토오크에 기인하는 것인데, 이하에서는 상기와 같은 전기영동과 토오크의 영향에 의해 미립자(12)가 재배열되는 동작원리를 구체적으로 설명하기로 한다.
미립자유체(10,유전유체) 속에 놓여있는 미립자(12)에 전기장(E)을 가하면 쌍극자모멘트(Diploe Moment,μ)가 발생하며, 이것은 주변 연속체의 극성을 능가한다. 여기서, 상기 쌍극자모멘트(μ)는 아래의 [수학식 1]을 통해 계산이 가능하다.
[수학식 1]
μ =εoεcβFVE
여기서, 미립자(12)의 극성모멘트(μ)는 미립자(12)의 체적(V), 주변 연속체의 유전율(Dielectric Constant,εc), 자유공간의 유전율(Permittivity,εo=8.8542×10-12 F/m(Farads Per Meter)에 비례한다. 상기 [수학식 1]의 무차원 계수 βF 는 미립자(12)의 주변 연속체 보다 높은 극성효과와 미립자(12)의 형상 효과에 의한 소극(Depolarization) 현상을 결합한 값이다. 어떠한 형태의 미립자(12)에 대해서도, 주변 기지(11)와 미립자(12)의 상대적인 유전율(εc ,εp), 전도율(σc ,σp) 및 무차원 계수βF 의 계산이 가능하다.
[표 1] : β F values for diverse disks, cylinders and sphere
Figure pat00001
대부분의 폴리머 복합재의 경우 주변 에폭시 기지와 입자의 유전율 및 전도율이 광범위한 전기장의 주파수 영역에서 흡사한 경우는 매우 드물다. 따라서 일정한 전기장의 주파수를 결정하면 두 재질간의 유전율 및 전도율 차이의 값을 극대화하여 β F 의 값을 최대화할 수 있다. 상기 [표 1]에 각 미립자(12)의 형태에 따른 β F 값을 계산하는 식을 제시하였다. β F 는 대략 0.1 ~ 3 정도의 값을 가지며 불균일 전기장 ∇E ≠ 0 속에 놓여 있는 유전체 미립자(12)가 받는 전기장적인 힘(F)은 아래의 [수학식 2]와 같이 표현된다.
[수학식 2]
F = (μ .∇) E
대전되지 않은 미립자(12)가 불균일 전기장 속에서 극성효과에 의해서 이동하는 것을 유전영동(Dielectrophoresis)이라 한다. 유전영동의 중요한 현상 중의 하나가 쌍극자간 상호작용(Dipole-Dipole Interaction)이다. 이 현상은 균일한 전기장이 인가된 현탁액 유체(미립자유체(10))속에서도 일어난다. 이 경우 포함된 임의의 미립자(12)의 분극된 전기장이 주변의 다른 첨가 미립자(12)들의 중앙에서 그 전기장을 방해하는 역할을 하며 미립자(12)들 간의 인력이나 반발력을 만든다. 두 구의 쌍극자간 상호 작용력은 Landau와 Lifshitz에 의해서 아래의 [수학식 3]과 같이 주어진다.
[수학식 3]
*
Figure pat00002

여기서 r은 두 구의 중앙을 연결하는 벡터이며 r의 쌍극자 간 인력은 구의 분극화, μ의 제곱에 비례하고, 구의 유전율이 주변 기지(11)의 유전율 보다 크거나 작은 것에 상관없이 독립적이다. 도 9는 두 개의 구형태의 미립자(12)가 쌍극자 상호작용을 하며 상대적인 위치와 변위에 영향을 미치는 것을 나타낸다.
등방성 구 미립자(12)의 쌍극자 모멘트 μ =α E 는 작용된 전기장에 평행하며 이 전기장에 의해서 토오크는 발생하지 않는다. 그러나 미립자(12)의 결정질이 이방성 이거나 혹은 비구형 형상이라면 쌍극자 모멘트 μ 는 전기장 E 에 평행하게 되어야 한다. 이때 전기장 속의 분극된 미립자(12)에 작용하는 토오크(T ( e ))는 아래의 [수학식 4]와 같이 계산되어 진다.
[수학식 4]
T ( e ) = μ × E
두 개의 이웃하는 구형 미립자(12)는 국부적 극성장을 교란할 것이다. 이것은 결과적으로 전기장의 방향과 평행하게 정렬하도록하는 회전 모멘트를 발생시킨다. 비슷한 개념으로 실린더 형상의 파이버는 그 형상 때문에 그 축을 따라서 대부분 분극 된다. 이 현상은 전체 토오크로 계산되며 아래의 [수학식 5]에 의해서 계산될 수 있다.
[수학식 5]
T = μ pr × E or - μ or × E pr
여기서, Epr= E(e)sinθ 이다. 이것을 상기 [수학식 5]에 대입하면, 디스크, 실린더, 구에 각각 작용하는 토오크(T)를 얻을 수 있다.
[수학식 6]
Figure pat00003
여기서, βT 는 디스크와 실린더 형상의 경우, 각각
Figure pat00004
,
Figure pat00005
이다.
그러나, 구형상의 경우는 0이 된다. 유사하게 점성 기지(11)에 놓여있는 작은 미립자(12)에 작용하는 점성 토오크는 Happel 과 Brenner 등에 의해 아래의 [수학식 7]과 같이 제시되었다.
[수학식 7]
Figure pat00006
여기서, v ∞ 는 주변의 교란되지 않은 기지(11) 유체의 속도, Ω는 미립자(12)의 가속도, K T 는 미립자(12)의 형상에 관계된 수치 해석적 계수이다.
상술한 바와 같이 불균일 전기장 내에서의 미립자(12)들의 재배열은 두 가지 영향에 의해서 이루어지며, 유전영동(Dielectrophoresis)과 토오크 때문인데, 점성 미립자유체(10) 속에 포함된 미립자(12)의 동적특성은 전기장에 의해 유기된 힘 F ( e ) 와 점성드래그(Viscous Drag, F ( v) ) 의 균형 F ( e ) + F ( v ) = 0에 의해서 결정된다. 반경 r 의 구형 미립자(12)가 작용된 전기장의 방향과 같은 방향에 놓여있고, 함유 미립자(12)들의 중간점 간의 거리를 l 이라고 가정하면, 그 운동방정식은 매우 단순한 형태로 표현된다.
[수학식 8]
Figure pat00007
만약 상기와 같은 [수학식 8]이 포함된 미립자(12)의 임의의 주어진 형상에 대하여, 전기장 내의 각각의 미립자(12)들이 그 지름과 같은 거리를 이동한다고 가정함으로써 해석적으로 혹은 수치적으로 계산되어질 수 있다면, 이러한 미립자(12)들이 움직여서 형성하는 체인형태로 만드는데 걸리는 시간을 알 수 있다. [수학식 8]로부터 위치변환에 걸리는 시간은 유체의 점성(η (Pa.s) )과 전기장 E(V / m) 에 비례한다.
[수학식 9]
Figure pat00008
상기와 같은 [수학식 9]는 어떤 주어진 시스템에 대해서도 기지(11)에 포함된 미립자(12)들이 체인을 형성하는데 걸리는 시간을 예측하는데 사용될 수 있다. 미립자유체(10)에 함유된 원통형의 미립자(12) 및 판형의 미립자(12)에 작용하는 토오크는 필드에 의한 토오크 T ( e ) 와 기지(11) 유체에 의한 반대방향의 점성 드래그 T ( v ) 이다. 전기장과 점성 토오크의 상대적 균형으로부터 유도장에 의해서 섬유를 회전시키기 위한 시간을 예측할 수 있다.
[수학식 10]
T ( e ) + T ( v ) = 0
[수학식 7]을 활용하여, 관성력을 무시한 미분형 운동방정식은 아래의 [수학식 11]과 같다.
[수학식 11]
Figure pat00009
이 수식은 어떠한 주어진 입자의 형상이나 모양에 대해서도 해석적으로나 수식적으로 풀릴 수 있다. 그러나 함유 입자를 회전시키기 위해서 필요한 시간예측이 정확하게 이루어져야 된다. 먼저 원통형 형태의 미립자(12)를 생각해 보면, 평균적인 회전각도는 π / 4 라디안 정도 수준이다. 그러면 미분방정식의 해는 대략적으로 아래의 [수학식 12]와 같이 근사화 된다.
[수학식 12]
Figure pat00010
비슷한 방법으로 아래의 [수학식 13]과 같이 박판 입자(flake-like)에 대해서도 회전시키는데 필요한 시간을 예측 할 수 있다. 여기서 λ 는 박편의 두께와 직경의 비 이다.
[수학식 13]
Figure pat00011

상술한 바와 같은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 비전도성 기지의 전기전도성을 향상시킨 나노복합재 제조방법의 각 구성 및 기능에 의해, 전기장을 이용하여 비전도성 기지(11)내에서 전도성입자(미립자(12))를 일정한 방향으로 배열함으로써 강화섬유(13)가 일방향으로 연장 배치된 비전도성 기지(11)의 타방향으로 전기전도성을 향상시킬 수 있음은 물론, 전도성입자가 기지(11) 내에서 경화되어 위치가 고정되면서 기지(11)와 일체화된 상태로 전기전도성의 특성을 나타내는 것이기 때문에 외부 충격 및 마찰에 의해 기지와의 체결상태가 약해지거나 간격이 발생하지 않는 장점이 있다. 즉, 강인한 외부 환경에서 우수한 내구성을 발휘할 수 있는 효과를 제공한다.
이상과 같이, 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 이것에 의해 한정되지 않으며 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술 사상과 아래에 기재될 청구범위의 균등 범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능함은 물론이다.
S210...전극부 배치 단계 S230...미립자유체 배치 단계
S250...고전압 인가 단계 S270...미립자유체 경화 단계
10...미립자유체 11...기지
12...미립자 13...강화섬유
100...나노복합재 제조장치 110...기밀챔버
120...베이스부 130...전극부
140...고전압 공급부 150...제어부
160...사용자 입력부

Claims (7)

  1. 강화섬유(13)가 일방향으로 연장 배치된 비전도성 기지(11)의 타방향으로의 전기전도성을 향상시킨 나노복합재 제조방법에 있어서,
    용기 형태로 구비된 베이스부(120)의 수용공간 내에 상부전극(131)과 하부전극(132)을 상하로 대향하도록 배치하는 전극부 배치 단계(S210);
    점도 및 유전율을 갖는 기지(11)와 미립자(12)가 일정비율로 혼합된 미립자유체(10)를 상기 베이스부(120)의 수용공간 내에 주입하고, 주입된 미립자유체(10) 상에 상기 강화섬유(13)를 일방향으로 연장 배치하는 미립자유체 배치 단계(S230);
    상기 상부전극(131)과 하부전극(132) 사이에 위치하는 미립자(12)가 상기 기지(11) 내에서 전기장에 의해 상하방향으로 재배열되도록 전극부(130)에 전압을 인가하는 전압 인가 단계(S250); 및
    상기 전기장에 의해 미립자(12)가 재배열된 상태의 미립자유체(10)를 경화시켜 나노복합재(20)를 형성하는 미립자유체 경화 단계(S270);를 포함하는 나노복합재 제조방법.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 미립자유체 배치 단계(S230)에서,
    상기 미립자유체(10)에 혼합되는 미립자(12)는, 탄소나노튜브(CNT), 알루미나(Al2O3), 카본(Carbon), 텅스텐(W), 알루미늄(Al), 철(Fe), 또는 납(Pb) 중 어느 하나의 재질로 이루어진 미립자를 이용하는 것을 특징으로 하는 나노복합재 제조방법.
  3. 제 2항에 있어서,
    상기 미립자유체 배치 단계(S230)에서,
    상기 미립자유체(10)에 혼합되는 미립자(12)는, 구형(Sphere), 판형(Disk) 또는, 원통형(Cylinder) 중 어느 하나의 형상으로 이루어진 미립자를 이용하는 것을 특징으로 하는 나노복합재 제조방법.
  4. 제 3항에 있어서,
    상기 미립자유체 배치 단계(S230)에서,
    상기 기지(11)와 미립자(12)를 일정비율로 혼합하는 과정은 상기 베이스부(120) 및 전극부(130)를 둘러싸는 형태로 배치되어 상기 베이스부(120) 및 전극부(130)를 외부로부터 기밀시키는 기밀챔버(110)의 내부에서 이루어지는 것을 특징으로 하는 나노복합재 제조방법.
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 전극부 배치 단계(S210)는,
    상기 상부전극(131)과 하부전극(132)을 상기 수용공간 내에서 상하로 매칭되도록 배치하되, 상기 상부전극(131)과 하부전극(132) 사이에 배치된 미립자(12)가 사선방향으로 재배열되도록, 상기 상부전극(131)과 하부전극(132)을 서로 다른 수직라인 상의 상하 위치에 배치하는 것을 특징으로 하는 나노복합재 제조방법.
  6. 제 1항 내지 제 5항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 전압 인가 단계(S250)는,
    가변 주파수를 발진하는 신호발생기(141)와, 설정된 전압의 크기로 인가전압을 증폭하는 전압 증폭기(142) 및, 상기 전극부(130)에 인가되는 전압의 파형을 화면상에 표시하는 전압표시부(143)를 포함하는 전압 공급부(140)을 이용하여 상기 전극부(130)에 설정된 전압을 공급하는 것을 특징으로 하는 나노복합재 제조방법.
  7. 제 6항에 있어서,
    상기 전압 인가 단계(S250)는,
    상기 전압 공급부(140)와 신호연결되되, 상기 베이스부(120)의 수용공간에 수용되는 미립자유체(10)별로 미립자(12)를 재배열하기 위해 전극부(130)에 인가되는 전압의 크기 및 인가되는 인가시간에 대한 데이터가 구분되어 저장되며, 사용자 입력신호에 따라 설정된 전압의 크기 및 인가시간이 선택되어 상기 미립자(12)가 전기장에 의해 재배열되도록 전압 공급을 제어하는 제어부(150)를 통해 상기 전압 공급부(140)를 제어하여 설정된 전압이 전극부(130)에 공급되는 것을 특징으로 하는 나노복합재 제조방법.
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