KR20150033867A - 탄소나노튜브-그래핀 하이브리드를 함유하는 신축성 전도체 및 이의 제조 방법 - Google Patents

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오재영
진성환
박준용
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한국과학기술원
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Abstract

본원은 탄소나노튜브-그래핀 하이브리드를 함유하는 신축성 전도체 및 상기 신축성 전도체의 제조 방법에 관한 것으로서, 구체적으로는 1 차원의 탄소나노튜브와 2 차원의 그래핀이 탄성 중합체 내에 균질 분산된 형태의 탄소나노튜브-그래핀 하이브리드를 함유하는 신축성 전도체 및 이의 제조 방법에 관한 것이다.

Description

탄소나노튜브-그래핀 하이브리드를 함유하는 신축성 전도체 및 이의 제조 방법 {A STRETCHABLE CONDUCTOR CONTAINING CARBON NANOTUBE-GRAPHENE HYBRID AND MANUFACTURING METHOD OF THE SAME}
본원은 탄소나노튜브-그래핀 하이브리드를 함유하는 신축성 전도체 및 상기 신축성 전도체의 제조 방법에 관한 것으로서, 구체적으로는 1 차원의 탄소나노튜브와 2 차원의 그래핀이 탄성 중합체 기지 (matrix) 내에 균질 분산된 형태의 신축성 전도체 및 이의 제조 방법에 관한 것이다.
인공피부, 인공관절, 인공눈과 같은 신개념 생체응용소재 개발과 더불어 신축성 발광 다이오드 (LED), 태양전지, 차세대 응용소자 개발에 대한 산업적 기대에 따라 다양한 신축성 소재의 원천기술 개발 및 신축성 소자 개발에 대한 산학연의 관심이 높아지고 있다. 현재까지 알려진 신축성 전도체를 제조하는 방법은 크게 두 가지로 나눌 수 있다. 신축성 전도체를 제조하기 위한 한 가지 방법은, 전도성 물질에 신축성을 부여하는 것으로서, 금속과 같이 높은 전도성을 가지는 물질을 얇게 만들어 연성을 부여하고 이를 wavy 또는 buckle 구조 등의 특수한 구조를 만들어 신축성을 부여하는 방법이다. 대한민국 등록특허 제10-0751806호의 신축성을 구비한 전선 케이블은 신축작용을 용이하게 하기 위해 연선 또는 에나멜 연선 전도체를 코일형태로 감아 형성된 전도체부를 포함하고 있다. 그러나, 이러한 신축성 전도체 제조 방법은 높은 전기 전도도를 기대할 수 있으나, 제조 공정이 복잡하고, 구조적으로 신축성을 부여하기 때문에 방향에 따라 신축성이 달라질 수 있다는 단점이 있다.
반면, 신축성 전도체를 제조하기 위한 다른 방법은, 신축성 물질에 전기 전도 특성을 부여하는 것으로서, 전도성 첨가제를 신축성이 있는 탄성 중합체 기지에 분산시켜 전기 전도도를 향상시키는 방법이다. 이 방법은 앞서 기재한 방법과 달리 제조 공정이 비교적 단순하고, 기지 자체가 신축성을 가지고 있기 때문에 모든 방향으로 동일한 신축성을 가질 수 있다는 장점이 있어, 보다 넓은 분야에 응용될 수 있다.
그러나, 일반적으로 탄성 중합체 안에 전도성 첨가제를 첨가하여 신축성 전도체를 제조하는 경우, 필러의 양이 증가할수록 복합체의 전기 전도도는 증가하나, 신축성은 감소하는 경향을 보인다. 따라서 이러한 딜레마를 극복하기 위해서는 전도성 첨가제의 양을 최소화하면서도, 복합체의 전기 전도도를 향상시킬 수 있는 방법의 개발이 필요하다.
최근 신축성 전도체의 전도성 필러로서, 탄소나노튜브, 그래핀과 같은 나노 물질들이 각광을 받고 있다. 탄소나노튜브와 그래핀은 우수한 전기 전도도를 가지며, 높은 비표면적과 종횡비로 인해 기지 내에서 적은 양만으로 전기적 네트워크를 형성할 수 있다는 장점이 있다.
이에, 본원은 탄소나노튜브-그래핀 하이브리드를 함유하는 신축성 전도체 및 상기 신축성 전도체의 제조 방법을 제공하고자 한다.
그러나, 본원이 해결하고자 하는 과제는 이상에서 언급한 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본원의 제 1 측면은, 탄소나노튜브와 그래핀이 균질 분산된 탄성 중합체를 포함하는, 탄소나노튜브-그래핀 하이브리드를 함유하는 신축성 전도체를 제공한다.
본원의 제 2 측면은, 탄소나노튜브와 그래핀이 혼합된 분산액을 탄성 중합체 기지 (matrix)와 혼합하여 탄소나노튜브-그래핀/탄성 중합체 혼합물을 제조하는 단계, 열 및 진공분위기 하에서 상기 혼합물로부터 용매 및 기공을 제거하는 단계, 및 상기 용매 및 기공이 제거된 혼합물에 경화제를 투입하여, 경화공정을 통해 신축성 전도체를 형성하는 단계를 포함하는, 신축성 전도체의 제조 방법을 제공한다.
본원에 의하면, 탄소나노튜브와 그래핀을 적절한 비율로 혼합하여 탄성 중합체 기지 (matrix) 내부에 균질 분산된 복합체를 제조함으로써, 우수한 전기 전도도를 갖는 신축성 전도체를 제조할 수 있다. 구체적으로, 본원에 의한 탄소나노튜브-그래핀 하이브리드는 탄소나노튜브와 그래핀이 각각 서로에 대해 스페이서 및 입체장애로서 작용하여 탄소나노튜브-그래핀 하이브리드의 분산성을 향상시킬 수 있다. 아울러, 탄성 중합체 기지 내부에서 1 차원 구조의 탄소나노튜브와 2 차원 구조의 그래핀이 서로 간의 전자이동을 위한 브릿지 역할을 수행하여, 동일한 양의 탄소나노튜브 또는 그래핀만을 첨가제로 사용한 경우에 비해 더 우수한 전기 전도도를 갖는 신축성 전도체를 제조할 수 있다.
도 1은, 본원의 일 구현예에 따른 탄소나노튜브-그래핀 하이브리드가 탄성 중합체 기지 내에 균질 분산된 탄소나노튜브-그래핀 하이브리드를 함유하는 신축성 전도체의 개념도이다.
도 2는, 본원의 일 구현예에 따른 탄소나노튜브-그래핀 하이브리드를 함유하는 신축성 전도체의 제조 방법을 설명하는 흐름도이다.
도 3은, 본원의 일 실시예에 따른 탄소나노튜브-그래핀 하이브리드의 표면을 나타내는 주사전자현미경 이미지이다.
도 4는, 본원의 일 실시예에 따른 탄소나노튜브-그래핀 하이브리드를 나타내는 투과전자현미경 이미지이다.
도 5는, 본원의 일 실시예에 따라 제조된 탄소나노튜브-그래핀 하이브리드를 함유하는 신축성 전도체의 사진이다.
도 6은, 본원의 일 실시예에 따라 제조된 탄소나노튜브-그래핀 하이브리드를 함유하는 신축성 전도체의 탄소나노튜브와 그래핀의 분율에 따른 전기 전도도의 변화를 나타내는 그래프이다.
도 7은, 본원의 일 실시예에 따라 제조된 탄소나노튜브-그래핀 하이브리드를 함유하는 신축성 전도체의 신축 시 변형률에 따른 전기 전도도를 나타낸 그래프이며, 삽입된 사진들은 각 변형율에 따른 상기 신축성 전도체의 형태 변화를 나타낸다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본원이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본원의 실시예를 상세히 설명한다. 그러나 본원은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본원을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.
본원 명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 "연결"되어 있다고 할 때, 이는 "직접적으로 연결"되어 있는 경우뿐 아니라, 그 중간에 다른 소자를 사이에 두고 "전기적으로 연결"되어 있는 경우도 포함한다.
본원 명세서 전체에서, 어떤 부재가 다른 부재 "상에" 위치하고 있다고 할 때, 이는 어떤 부재가 다른 부재에 접해 있는 경우뿐 아니라 두 부재 사이에 또 다른 부재가 존재하는 경우도 포함한다.
본원 명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성 요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성 요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
본원 명세서 전체에서 사용되는 정도의 용어 "약", "실질적으로" 등은 언급된 의미에 고유한 제조 및 물질 허용오차가 제시될 때 그 수치에서 또는 그 수치에 근접한 의미로 사용되고, 본원의 이해를 돕기 위해 정확하거나 절대적인 수치가 언급된 개시 내용을 비양심적인 침해자가 부당하게 이용하는 것을 방지하기 위해 사용된다.
본원 명세서 전체에서 사용되는 정도의 용어 "~(하는) 단계" 또는 "~의 단계"는 "~를 위한 단계"를 의미하지 않는다.
본원 명세서 전체에서, 마쿠시 형식의 표현에 포함된 "이들의 조합(들)"의 용어는 마쿠시 형식의 표현에 기재된 구성 요소들로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상의 혼합 또는 조합을 의미하는 것으로서, 상기 구성 요소들로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상을 포함하는 것을 의미한다.
본원 명세서 전체에서, "A 및/또는 B"의 기재는, "A 또는 B, 또는 A 및 B"를 의미한다.
본원 명세서 전체에서, "그래핀"이라는 용어는 복수개의 탄소 원자들이 서로 공유 결합으로 연결되어 폴리사이클릭 방향족 분자를 형성한 것을 의미하는 것으로서, 상기 공유 결합으로 연결된 탄소 원자들은 기본 반복 단위로서 6 원환을 형성하나, 5 원환 및/또는 7 원환을 더 포함하는 것도 가능하다. 따라서, 상기 그래핀이 형성하는 시트는 서로 공유 결합된 탄소 원자들의 단일층으로서 보일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다. 상기 그래핀이 형성하는 시트는 다양한 구조를 가질 수 있으며, 이와 같은 구조는 그래핀 내에 포함될 수 있는 5 원환 및/또는 7 원환의 함량에 따라 달라질 수 있다. 또한, 상기 그래핀이 형성하는 시트가 단일층으로 이루어진 경우, 이들이 서로 적층되어 복수층을 형성할 수 있으며, 상기 그래핀 시트의 측면 말단부는 수소 원자로 포화될 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다.
본원 명세서 전체에서, 용어 "탄성 중합체"는, 엘라스토머 (elastomer)라고도 불리우며, 상온 부근에서 고무 탄성을 나타내는 고분자 물질을 의미한다. 탄성 중합체의 비제한적 예로서는, 천연고무, 및 부타다이엔 중합체, 부타다이엔 중합체와 스타이렌 또는 아크릴로나이트릴의 공중합체, 부틸고무, 실리콘고무, 플루오르고무 등의 합성고무를 가교한 것이 있고, 스타이렌-부타다이엔-스타이렌 블록 공중합체, 열가소성 폴리우레탄 등이 있으며, 이들은 힘을 가하면 이에 대응하여, 원래 길이의 수백%까지 신장하고, 힘을 제거하면 단시간에 거의 원래 길이로 회복하는 특징을 가지는 물질들이다.
이하, 본원의 도면을 참조하여 구현예를 상세히 설명하였으나, 본원이 이에 제한되지 않을 수 있다.
본원의 제 1 측면은, 탄소나노튜브와 그래핀이 균질 분산된 탄성 중합체를 포함하는, 탄소나노튜브-그래핀 하이브리드를 함유하는 신축성 전도체를 제공한다.
이와 관련하여, 도 1은 본원의 일 구현예에 따른 탄소나노튜브-그래핀 하이브리드가 탄성 중합체 기지 (matrix) 내에 균질 분산된 탄소나노튜브-그래핀 하이브리드를 함유하는 신축성 전도체의 개념도이다.
도 1에 나타난 바와 같이, 본원에 따른 탄소나노튜브-그래핀 하이브리드를 함유하는 신축성 전도체는, 탄성 중합체의 기지 내에 탄소나노튜브와 그래핀이 3 차원 네트워크 형태로 분산된 구조를 갖는다. 본원에 따른 신축성 전도체는 상기 탄성 중합체 기지와 상기 탄소나노튜브 및 상기 그래핀이 균질 분산되도록 혼합되어 형성된 탄소나노튜브-그래핀/탄성 중합체 복합체를 포함하는 것일 수 있다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 탄소나노튜브가 다중벽 탄소나노튜브 또는 단일벽 탄소나노튜브를 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다. 상기 탄소나노튜브 (CNT)는, 예를 들어, 단일벽 탄소나노튜브 (Single-Walled CNT), 이중벽 탄소나노튜브 (Double-Walled CNT), 다중벽 탄소나노튜브 (Multi-Walled CNT), 또는 얇은 다중벽 탄소나노튜브 (Thin Multi-Walled CNT)를 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다. 상기 단일벽 탄소나노튜브는 HiPco 공정 (high pressure carbon monoxide disproportionation process), 아크-방전 공정 (Arc-discharge process) 또는 기타 방법을 통해 제조된 단일벽 탄소나노튜브일 수 있고, 상기 다중벽 탄소나노튜브는 화학기상증착 (CVD) 공정 또는 기타 방법을 통해 제조된 다중벽 탄소나노튜브일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 그래핀이 단층 또는 다층 구조를 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다. 예를 들어, 상기 그래핀은 약 1 층 내지 약 100 층, 약 1 층 내지 약 80 층, 약 1 층 내지 약 60 층, 약 1 층 내지 약 40 층, 약 1 층 내지 약 20 층, 약 1 층 내지 약 10 층, 약 1 층 내지 약 5 층, 약 2 층 내지 약 100 층, 약 5 층 내지 약 100 층, 약 10 층 내지 약 100 층, 약 20 층 내지 약 100 층, 약 50 층 내지 약 100 층, 또는 약 70 층 내지 약 100 층 구조의 그래핀을 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 탄소나노튜브와 상기 그래핀의 함량이 상기 탄성 중합체 약 100 중량부에 대하여 약 0.2 중량부 내지 약 100 중량부일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다. 상기 탄소나노튜브-그래핀/탄성 중합체 복합체 중 상기 탄소나노튜브와 상기 그래핀의 함량은, 상기 탄성 중합체 약 100 중량부에 대하여 약 0.2 중량부 내지 약 100 중량부, 약 0.2 중량부 내지 약 2 중량부, 약 0.5 중량부 내지 약 5 중량부, 약 2 중량부 내지 약 10 중량부, 약 5 중량부 내지 약 20 중량부, 약 10 중량부 내지 약 30 중량부, 약 20 중량부 내지 약 40 중량부, 약 30 중량부 내지 약 50 중량부, 약 40 중량부 내지 약 60 중량부, 약 50 중량부 내지 약 70 중량부, 약 60 중량부 내지 약 80 중량부, 약 70 중량부 내지 약 90 중량부, 약 80 중량부 내지 약 100 중량부, 또는 약 90 중량부 내지 약 100 중량부일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 그래핀과 상기 탄소나노튜브의 총량을 약 100 중량부라고 할 때, 상기 그래핀과 상기 탄소나노튜브의 혼합 비율은 상기 탄소나노튜브가 a 중량부 및 상기 그래핀이 100-a 중량부이고, 여기서 a 는 0 < a < 100 의 값일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다. 예를 들어, 상기 a는 약 0.1 내지 약 99.9, 약 0.1 내지 약 1, 약 0.5 내지 약 10, 약 5 내지 약 20, 약 10 내지 약 30, 약 20 내지 약 40, 약 30 내지 약 50, 약 40 내지 약 60, 약 50 내지 약 70, 약 60 내지 약 80, 약 70 내지 약 90, 약 80 내지 약 99.9, 또는 약 90 내지 약 99.9일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 탄성 중합체는 폴리실록산계 고무, 일액형 실리콘 고무, 부타다이엔계 고무, 아크릴계 고무, 및 이들의 조합들로 이루어진 군으로부터 선택되는 것을 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다. 예를 들어, 상기 탄성 중합체는 폴리오가노실록산 (polyorganosiloxane), 아크릴에스테르의 중합체, 에틸아크릴레이트와 클로로에틸비닐에테르의 공중합체, 에틸 또는 부틸아크릴레이트와 아크릴로나이트릴의 공중합체, 부타다이엔-아크릴로나이트릴-아크릴산에스테르 공중합체 등을 포함할 수 있다. 상기 일액형 실리콘 고무 (one part silicone rubber)는 별도의 경화제 없이도 공기 중의 습기와 반응하여 실온에서 자연 경화되는 고무탄성체로서, 경화와 동시에 대부분의 재질과 잘 접착한다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 신축성 전도체는 약 300% 이하의 변형률을 보이는 것 일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다. 예를 들어, 상기 신축성 전도체의 변형률은 약 1% 내지 약 300%, 약 1% 내지 약 15%, 약 1% 내지 약 30%, 약 15% 내지 약 45%, 약 30% 내지 약 60%, 약 45% 내지 약 75%, 약 60% 내지 약 90%, 약 75% 내지 약 105%, 약 90% 내지 약 120%, 약 105% 내지 약 135%, 약 120% 내지 약 150%, 약 135% 내지 약 165%, 약 150% 내지 약 180%, 약 165% 내지 약 195%, 약 180% 내지 약 210%, 약 195% 내지 약 225%, 약 210% 내지 약 240%, 약 225% 내지 약 255%, 약 240% 내지 약 270%, 약 255% 내지 약 285%, 약 270% 내지 약 300%, 또는 약 285% 내지 약 300%일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 신축성 전도체는 약 1 × 10-7 S/cm 내지 약 5 × 106 S/cm 의 전기 전도도를 가지는 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다. 예를 들어, 상기 전기 전도도는 약 1 × 10-7 S/cm 내지 약 5 × 106 S/cm, 약 1 × 10-7 S/cm 내지 약 1 × 106 S/cm, 약 1 × 10-7 S/cm 내지 약 1 × 105 S/cm, 약 1 × 10-7 S/cm 내지 약 1 × 104 S/cm, 약 1 × 10-7 S/cm 내지 약 1 × 103 S/cm, 약 1 × 10-7 S/cm 내지 약 1 × 102 S/cm, 약 1 × 10-7 S/cm 내지 약 1 × 101 S/cm, 약 1 × 10-7 S/cm 내지 약 1 × 100 S/cm, 약 1 × 10-7 S/cm 내지 약 1 × 10-1 S/cm, 약 1 × 10-7 S/cm 내지 약 1 × 10-2 S/cm, 약 1 × 10-7 S/cm 내지 약 1 × 10-3 S/cm, 약 1 × 10-7 S/cm 내지 약 1 × 10-4 S/cm, 약 1 × 10-7 S/cm 내지 약 1 × 10-5 S/cm, 약 1 × 10-7 S/cm 내지 약 1 × 10-6 S/cm, 약 1 × 10-6 S/cm 내지 약 1 × 106 S/cm, 약 1 × 10-5 S/cm 내지 약 1 × 106 S/cm, 약 1 × 10-4 S/cm 내지 약 1 × 106 S/cm, 약 1 × 10-3 S/cm 내지 약 1 × 106 S/cm, 약 1 × 10-2 S/cm 내지 약 1 × 106 S/cm, 약 1 × 10-1 S/cm 내지 약 1 × 106 S/cm, 약 1 × 100 S/cm 내지 약 1 × 106 S/cm, 약 1 × 101 S/cm 내지 약 1 × 106 S/cm, 약 1 × 102 S/cm 내지 약 1 × 106 S/cm, 약 1 × 103 S/cm 내지 약 1 × 106 S/cm, 약 1 × 104 S/cm 내지 약 1 × 106 S/cm, 약 1 × 105 S/cm 내지 약 1 × 106 S/cm, 약 1 × 10-1 S/cm 내지 약 1 × 101 S/ cm, 또는 약 5 × 10-1 S/cm 내지 약 5 × 100 S/ cm일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다.
본원의 제 2 측면은, 탄소나노튜브와 그래핀이 혼합된 분산액을 탄성 중합체 기지 (matrix)와 혼합하여 탄소나노튜브-그래핀/탄성 중합체 혼합물을 제조하는 단계, 열 및 진공분위기 하에서 상기 혼합물로부터 용매 및 기공을 제거하는 단계, 및 상기 용매 및 기공이 제거된 혼합물에 경화제를 투입하여, 경화공정을 통해 신축성 전도체를 형성하는 단계를 포함하는, 탄소나노튜브-그래핀 하이브리드를 함유하는 신축성 전도체의 제조 방법을 제공한다.
이와 관련하여, 도 2는, 본원의 일 구현예에 따른 탄소나노튜브-그래핀 하이브리드를 함유하는 신축성 전도체의 제조 방법을 설명하는 흐름도이다.
도 2에 나타난 바와 같이, 본원에 따른 탄소나노튜브-그래핀 하이브리드를 함유하는 신축성 전도체를 제조하기 위해서는 우선, 탄소나노튜브와 그래핀이 혼합된 분산액을 탄성 중합체와 혼합하여 탄소나노튜브-그래핀/탄성 중합체 혼합물을 제조하는 단계를 거쳐야 한다. 상기 탄소나노튜브-그래핀/탄성 중합체 혼합물을 제조하는 것은 탄소나노튜브와 그래핀이 적절한 비율로 혼합된 분산액과 탄성 중합체를 혼합함으로써 수행될 수 있다. 상기 탄소나노튜브 및 상기 그래핀이 균질 분산되도록 혼합한 뒤, 이 혼합물에 상기 탄성 중합체를 추가 혼합하여 탄소나노튜브-그래핀/탄성 중합체 복합체를 형성할 수 있다. 이때, 상기 탄성 중합체는 기지로서 작용한다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 탄소나노튜브와 상기 그래핀의 함량이 상기 탄성 중합체 약 100 중량부에 대하여 약 0.2 중량부 내지 약 100 중량부일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다. 상기 탄소나노튜브-그래핀/탄성 중합체 복합체 중 상기 탄소나노튜브와 상기 그래핀의 함량은, 상기 탄성 중합체 약 100 중량부에 대하여 약 0.2 중량부 내지 약 100 중량부, 약 0.2 중량부 내지 약 2 중량부, 약 0.5 중량부 내지 약 5 중량부, 약 2 중량부 내지 약 10 중량부, 약 5 중량부 내지 약 20 중량부, 약 10 중량부 내지 약 30 중량부, 약 20 중량부 내지 약 40 중량부, 약 30 중량부 내지 약 50 중량부, 약 40 중량부 내지 약 60 중량부, 약 50 중량부 내지 약 70 중량부, 약 60 중량부 내지 약 80 중량부, 약 70 중량부 내지 약 90 중량부, 약 80 중량부 내지 약 100 중량부, 또는 약 90 중량부 내지 약 100 중량부일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 그래핀과 상기 탄소나노튜브의 총량을 약 100 중량부라고 할 때, 상기 그래핀과 상기 탄소나노튜브의 혼합 비율은 상기 탄소나노튜브가 a 중량부 및 상기 그래핀이 100-a 중량부이고, 여기서 a 는 0 < a < 100 의 값일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다. 예를 들어, 상기 a의 값은 약 0.1 내지 약 99.9, 약 0.1 내지 약 1, 약 0.5 내지 약 10, 약 5 내지 약 20, 약 10 내지 약 30, 약 20 내지 약 40, 약 30 내지 약 50, 약 40 내지 약 60, 약 50 내지 약 70, 약 60 내지 약 80, 약 70 내지 약 90, 약 80 내지 약 99.9, 또는 약 90 내지 약 99.9일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 탄소나노튜브는 다중벽 탄소나노튜브 또는 단일벽 탄소나노튜브를 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다. 상기 탄소나노튜브는, 예를 들어, 단일벽 탄소나노튜브 (Single-Walled CNT), 이중벽 탄소나노튜브 (Double-Walled CNT), 다중벽 탄소나노튜브 (Multi-Walled CNT), 또는 얇은 다중벽 탄소나노튜브 (Thin Multi-Walled CNT)를 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다. 상기 단일벽 탄소나노튜브는 HiPco 공정 (high pressure carbon monoxide disproportionation process), 아크-방전 공정 (Arc-discharge process) 또는 기타 방법을 통해 제조된 단일벽 탄소나노튜브일 수 있고, 상기 다중벽 탄소나노튜브는 CVD 공정 또는 기타 방법을 통해 제조된 다중벽 탄소나노튜브일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 그래핀이 단층 또는 다층 구조를 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다. 예를 들어, 상기 그래핀은 약 1 층 내지 약 100 층, 약 1 층 내지 약 80 층, 약 1 층 내지 약 60 층, 약 1 층 내지 약 40 층, 약 1 층 내지 약 20 층, 약 1 층 내지 약 10 층, 약 1 층 내지 약 5 층, 약 2 층 내지 약 100 층, 약 5 층 내지 약 100 층, 약 10 층 내지 약 100 층, 약 20 층 내지 약 100 층, 약 50 층 내지 약 100 층, 또는 약 70 층 내지 약 100 층 구조의 그래핀을 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 탄성 중합체는 폴리실록산계 고무, 일액형 실리콘 고무, 부타다이엔계 고무, 아크릴계 고무, 및 이들의 조합들로 이루어진 군으로부터 선택되는 것을 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다. 예를 들어, 상기 탄성 중합체는 폴리오가노실록산 (polyorganosiloxane), 아크릴에스테르의 중합체, 에틸아크릴레이트와 클로로에틸비닐에테르의 공중합체, 에틸 또는 부틸아크릴레이트와 아크릴로나이트릴의 공중합체, 부타다이엔-아크릴로나이트릴-아크릴산에스테르 공중합체 등을 포함할 수 있다.
본원에 따른 탄소나노튜브-그래핀 하이브리드를 함유하는 신축성 전도체를 제조하기 위해서는 탄소나노튜브-그래핀/탄성 중합체 혼합물을 제조한 다음, 이어서, 열 및 진공분위기 하에서 상기 혼합물로부터 용매 및 기공을 제거하는 단계를 거쳐야 한다. 상기 용매 및 기공을 제거하는 것은 열을 가하고, 진공상태를 만들어 수행되는 통상의 방법을 이용하여 수행될 수 있다. 여기서, 상기 기공은 혼합물 제조 과정에서 상기 혼합물 내에 트랩된 기포 및/또는 용매 제조 단계에서 상기 용매가 증발하면서 생긴 빈자리 등을 의미한다.
상기와 같이, 용매 및 기공을 제거한 다음, 이어서, 상기 탄소나노튜브-그래핀/탄성 중합체 혼합물에 경화제를 투입한 후, 경화공정을 통해 신축성 전도체를 제조하는 단계를 거쳐 탄소나노튜브-그래핀 하이브리드를 함유하는 신축성 전도체를 제조할 수 있다. 이때, 상기 탄성 중합체가 일액형 실리콘 고무인 경우 경화제 투입 없이도 공기 중의 수분이 경화제로서 작용하게 된다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 경화제는, 황, 유기과산화물, 아민계 화합물, 실리콘 수지, 산무수물, 및 이들의 조합들로 이루어진 군으로부터 선택되는 것을 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다. 상기 유기과산화물은, 예를 들어, 디벤조일 퍼옥사이드, t-부틸 퍼옥시벤조에이트, 디-(2,4-디클로로벤조일)-퍼옥사이드, 1,1-디-(t-부틸퍼옥시)-3,3,5-트리메틸사이클로헥산, 디큐밀 퍼옥사이드, 디-(2-t-부틸 퍼옥시이소프로필)벤젠, t-부틸큐밀 퍼옥사이드, 2,5-디메틸-2,5-디-(t-부틸퍼옥시)-헥산, 디-t-부틸 퍼옥사이드 등을 포함할 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다. 상기 아민계 화합물은, 예를 들어, 메타-페닐렌디아민 (m-phenylenediamine; MPDA), 4,4'-디아미노 디페닐 술폰 (4,4'-diamino diphenyl sulfone; DDS), 디페닐 디아미노 메탄 (diphenyl diamino methane; DDM), 디에틸렌트리아민 (diethylenetriamine; DETA), 트리에틸렌테트라민 (triethylenetetramine; TETA), BF3-모노에틸아민 (BF3-monoethylamine; BF3-MEA), 벤졸디메틸아민 (benzole dimethylamine; BDMA), 디시안 디아민 (dicyandiamine; DICY), 페닐이미다졸 (phenylimidazole) 등을 포함할 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다. 상기 실리콘 수지는, 예를 들어, 옥타메틸사이클로테트라실록산 (octamethylcyclotetrasiloxane), 헥사메틸사이클로트리실록산 (hexamethylcyclotrisiloxane), 데카메틸사이클로펜타실록산 (decamethylcyclopentasiloxane), 도데카메틸사이클로헥사실록산 (dodecamethylcyclohexasiloxane), 테트라데카메틸사이클로헵타실록산 (tetradecamethylcycloheptasiloxane), 헥사데카메틸사이클로옥타실록산 (hexadecamethylcyclooctasiloxane) 등을 포함할 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다. 상기 산무수물은, 예를 들어, 무수 메틸메타아크릴레이트 (methylmethacrylate; MMA) 또는 클로렌딕 무수물 (chlorendic anhydride = HET 무수물)일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다. 상기 경화공정은 상기 탄소나노튜브-그래핀/탄성 중합체 혼합물과 상기 경화제를 혼합한 후, 자연 경화, 열경화 또는 광경화를 이용하여 수행될 수 있고, 상기 광경화는 UV (ultraviolet)를 조사하여 수행되는 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다.
이하, 본원에 대하여 실시예를 이용하여 좀더 구체적으로 설명하지만, 하기 실시예는 본원의 이해를 돕기 위하여 예시하는 것일 뿐, 본원의 내용이 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다.
[실시예]
제조예: 그래핀의 제조
Bay Carbon사의 그라파이트를 Hummers method를 이용해 그래핀 옥사이드 분말을 제조한 후, 상기 분말을 열을 이용하여 환원함으로써 그래핀을 수득하였다.
실시예: 신축성 전도체의 제조
클로르포름 200 mL에, 다중벽 탄소나노튜브 (주식회사 카본나노텍) 90 mg, 상기 제조예에서 수득된 그래핀 10 mg을 첨가하여 혼합하고, 소니케이터 (branson 2210, bransonic사)를 이용하여 2 시간 동안 균질 분산시켜 탄소나노튜브-그래핀 하이브리드를 제조하였다. 상기 제조된 탄소나노튜브-그래핀 하이브리드의 표면을 주사전자현미경 및 투과전자현미경을 이용하여 확인하였으며, 그 결과를 도 3 및 도 4에 나타내었다. 도 3 및 도 4에 나타난 바와 같이, 탄소나노튜브와 그래핀이 서로 접촉되어 있음을 알 수 있었다.
상기 제조된 탄소나노튜브-그래핀 하이브리드를, PDMS (polydimethylsiloxane, dow corning사의 sylgard 184) 1 g을 클로로포름 10 mL에 분산시킨 용액과 혼합하고 200 rpm으로 교반하면서 60℃의 온도에서 용매를 증발시켜 탄소나노튜브-그래핀/PDMS 혼합물을 수득하였다. 잔류 용매 제거 및 기공 제거를 위해서 진공오븐에 상기 탄소나노튜브-그래핀/PDMS 혼합물을 넣고 90℃로 가열하였다. 다음으로 상기 용매 및 기공이 제거된 혼합물에 옥타메틸사이클로테트라실록산 (octamethylcyclotetrasiloxane, 100 mg)을 투입하여 혼합시키고 이를 말편자 모양의 주형에 부었다. 진공오븐을 이용해 말편자 주형에 담긴 혼합물의 기공을 제거하고 가압 후 열경화 공정을 진행하여 경화시킴으로써, 탄소나노튜브-그래핀 하이브리드를 함유하는 신축성 전도체를 수득하였다. 수득한 말편자 모양의 신축성 전도체를 도 5에 나타내었다.
도 5는 본 실시예에 따라 제조된 탄소나노튜브-그래핀 하이브리드를 함유하는 신축성 전도체의 사진이다. 본 실시예에 따른 신축성 전도체의 인장특성을 정확히 측정하기 위해 도 5의 사진과 같이 시편을 말편자 모양으로 제조하였다.
실험예 1: 전기 전도도
상기 실시예에서 수득된 신축성 전도체의 전기 전도도를 측정하기 위해 4 point probe (Loresta-GP MCP-T610) 장비를 사용하여 전기 전도도 실험을 수행하였다. 그 결과는 도 6에 나타내었다.
도 6은, 본 실시예에 따라 제조된 탄소나노튜브-그래핀 하이브리드를 함유하는 신축성 전도체의 탄소나노튜브와 그래핀의 분율에 따른 전기 전도도의 변화를 나타내는 그래프이다. 탄소나노튜브의 전기 전도도는 약 10 S/cm 이고, 그래핀의 전기 전도도는 약 5 S/cm이다. 도 6에 나타난 바와 같이, 그래핀만을 함유하는 신축성 전도체에 비교하여 전기 전도도가 우수한 탄소나노튜브 (CNT)의 첨가량이 증가할수록 본원에 따른 탄소나노튜브-그래핀 하이브리드를 함유하는 신축성 전도체의 전기 전도도가 상승하는 경향을 보임을 알 수 있었다. 그러나 탄소나노튜브가 100% 포함될 경우보다, 탄소나노튜브 : 그래핀의 혼합비가 9 : 1일 때, 전기 전도도가 약 11% 향상됨을 알 수 있다. 이는 탄성 중합체 기지 내부에서 탄소나노튜브와 그래핀이 각각 서로에 대해 스페이서 및 입체장애로서 작용하여 탄소나노튜브와 그래핀의 분산성을 향상시키는 한편, 탄성 중합체 기지 내부에서 1 차원 구조의 탄소나노튜브와 2 차원 구조의 그래핀이 서로 간의 전자이동을 위한 브릿지 역할을 수행하여, 동일한 양의 탄소나노튜브 또는 그래핀만을 첨가제로 사용한 경우와 비교하여 더 우수한 전기 전도도를 갖는 것을 알 수 있다.
실험예 2: 신축성
상기 실시예에서 수득된 신축성 전도체의 신축 특성을 확인하기 위해 마이크로 인장 장비 (instron8848)를 사용하여 신축 실험을 수행하였다. 아울러, 신축 실험과 함께 신축 시의 전기 전도도 실험을 상기 실험예 1과 동일한 방법으로 수행하였으며, 그 결과는 도 7에 나타내었다.
도 7은, 본 실시예에 따라 제조된 탄소나노튜브-그래핀 하이브리드를 함유하는 신축성 전도체의 신축 시 변형률에 따른 전기 전도도를 나타낸 그래프이며, 삽입된 사진들은 각 변형율에 따른 상기 신축성 전도체의 형태 변화를 나타낸다. 본 실시예에 따른 탄소나노튜브-그래핀 하이브리드를 함유하는 신축성 전도체의 전기 전도도는, 약 140% 이상의 변형율에서 시편이 절단되기 전까지, 신축에 따라 큰 변화를 보이지 않는 것을 확인할 수 있었다. 따라서, 본원에 따른 탄소나노튜브-그래핀 하이브리드를 함유하는 신축성 전도체는 신축성을 보유하면서도 신축 시 전기 전도도가 감소되지 않는 특성을 갖는다.
전술한 본원의 설명은 예시를 위한 것이며, 본원이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본원의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 예를 들어, 단일형으로 설명되어 있는 각 구성 요소는 분산되어 실시될 수도 있으며, 마찬가지로 분산된 것으로 설명되어 있는 구성 요소들도 결합된 형태로 실시될 수도 있다.
본원의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위, 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본원의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

Claims (15)

  1. 탄소나노튜브와 그래핀이 균질 분산된 탄성 중합체를 포함하는, 탄소나노튜브-그래핀 하이브리드를 함유하는 신축성 전도체.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 신축성 전도체는 300% 이하의 변형률을 보이는 것인, 탄소나노튜브-그래핀 하이브리드를 함유하는 신축성 전도체.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 신축성 전도체는 1 x 10-7 S/cm 내지 5 x 106 S/cm 의 전기 전도도를 가지는 것인, 탄소나노튜브-그래핀 하이브리드를 함유하는 신축성 전도체.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 탄소나노튜브가 다중벽 탄소나노튜브 또는 단일벽 탄소나노튜브를 포함하는 것인, 탄소나노튜브-그래핀 하이브리드를 함유하는 신축성 전도체.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 그래핀이 단층 또는 다층 구조를 포함하는 것인, 탄소나노튜브-그래핀 하이브리드를 함유하는 신축성 전도체.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 탄소나노튜브와 상기 그래핀의 함량이 상기 탄성 중합체 100 중량부에 대하여 0.2 중량부 내지 100 중량부인, 탄소나노튜브-그래핀 하이브리드를 함유하는 신축성 전도체.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 그래핀과 상기 탄소나노튜브의 총량을 100 중량부라고 할 때, 상기 그래핀과 상기 탄소나노튜브의 혼합 비율은 상기 탄소나노튜브가 a 중량부 및 상기 그래핀이 100-a 중량부이고, 여기서 a 는 0 < a < 100 의 값인, 탄소나노튜브-그래핀 하이브리드를 함유하는 신축성 전도체.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 탄성 중합체는 폴리실록산계 고무, 일액형 실리콘 고무, 부타다이엔계 고무, 아크릴계 고무, 및 이들의 조합들로 이루어진 군으로부터 선택되는 것을 포함하는 것인, 탄소나노튜브-그래핀 하이브리드를 함유하는 신축성 전도체.
  9. 탄소나노튜브와 그래핀이 혼합된 분산액을 탄성 중합체 기지 (matrix)와 혼합하여 탄소나노튜브-그래핀/탄성 중합체 혼합물을 제조하는 단계;
    열 및 진공분위기 하에서 상기 혼합물로부터 용매 및 기공을 제거하는 단계; 및,
    상기 용매 및 기공이 제거된 혼합물에 경화제를 투입하여, 경화공정을 통해 신축성 전도체를 형성하는 단계
    를 포함하는,
    탄소나노튜브-그래핀 하이브리드를 함유하는 신축성 전도체의 제조 방법.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 탄소나노튜브와 상기 그래핀의 함량이 상기 탄성 중합체 100 중량부에 대하여 0.2 중량부 내지 100 중량부인, 탄소나노튜브-그래핀 하이브리드를 함유하는 신축성 전도체의 제조 방법.
  11. 제 9 항에 있어서,
    상기 그래핀과 상기 탄소나노튜브의 총량을 100 중량부라고 할 때, 상기 그래핀과 상기 탄소나노튜브의 혼합 비율은 상기 탄소나노튜브가 a 중량부 및 상기 그래핀이 100-a 중량부이고, 여기서 a 는 0 < a < 100의 값인, 탄소나노튜브-그래핀 하이브리드를 함유하는 신축성 전도체의 제조 방법.
  12. 제 9 항에 있어서,
    상기 탄소나노튜브가 다중벽 탄소나노튜브 또는 단일벽 탄소나노튜브를 포함하는 것인, 탄소나노튜브-그래핀 하이브리드를 함유하는 신축성 전도체의 제조 방법.
  13. 제 9 항에 있어서,
    상기 그래핀이 단층 또는 다층 구조를 포함하는 것인, 탄소나노튜브-그래핀 하이브리드를 함유하는 신축성 전도체의 제조 방법.
  14. 제 9 항에 있어서,
    상기 탄성 중합체는 폴리실록산계 고무, 일액형 실리콘 고무, 부타다이엔계 고무, 아크릴계 고무, 및 이들의 조합들로 이루어진 군으로부터 선택되는 것을 포함하는 것인, 탄소나노튜브-그래핀 하이브리드를 함유하는 신축성 전도체의 제조 방법.
  15. 제 9 항에 있어서,
    상기 경화제는, 황, 유기과산화물, 아민계 화합물, 실리콘 수지, 산무수물, 및 이들의 조합들로 이루어진 군으로부터 선택되는 것을 포함하는 것인, 탄소나노튜브-그래핀 하이브리드를 함유하는 신축성 전도체의 제조 방법.
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