KR20180012952A - 탄소복합재 제조방법 및 이를 통해 제조된 탄소복합재 - Google Patents

Abstract

본 발명은 탄소복합재 제조방법 및 이를 통해 제조된 탄소복합재에 관한 것이며, 더욱 상세하게는 표면저항값이 낮아 높은 전기전도도를 갖는 동시에 균일한 표면저항값을 갖는 탄소복합재 제조방법 및 이를 통해 제조된 탄소복합재에 관한 것이다.

Description

탄소복합재 제조방법 및 이를 통해 제조된 탄소복합재{Carbon composite material and method for manufacturing thereof}

본 발명은 탄소복합재 제조방법 및 이를 통해 제조된 탄소복합재에 관한 것이며, 더욱 상세하게는 표면저항값이 낮아 높은 전기전도도를 갖는 동시에 균일한 표면저항값을 갖는 탄소복합재 제조방법 및 이를 통해 제조된 탄소복합재에 관한 것이다.

탄소나노소재는 소재의 모양에 따라 플로렌(Fullerene), 탄소나노튜브(Carbon nanotube: CNT), 그래핀(Graphene), 흑연 나노 플레이트(Graphite Nano Plate) 등이 있다. 이중에서도 탄소나노튜브는 1개의 탄소 원자가 3개의 다른 탄소 원자와 결합한 육각형 벌집 모양의 흑연면이 나노크기의 직경으로 둥글게 말린 형태를 갖고 있으며, 크기나 형태에 따라 독특한 물리적 성질을 갖는 거대 분자이다. 또 속이 비어 있어 가볍고 전기 전도도는 구리만큼 좋으며, 열전도도는 다이아몬드만큼 우수하고 인장력은 철강에 못지않아 다양한 용도로 활용되고 있다. 탄소나노튜브는 말려진 형태에 따라서 단층벽 탄소나노튜브(Single-Walled Carbon Nanotube: SWCNT), 다중벽 탄소나노튜브(Multi-Walled Carbon Nanotube: MWCNT) 다발형 탄소나노튜브(Rope Carbon Nanotube)로 구분되기도 한다. 이러한 탄소나노튜브는 우수한 물리적 특성으로 인해 대전방지용 고분자 복합소재, 전자파 차폐용 고분자 복합소재, 방열 고분자 복합소재 및 고강도 고분자 복합소재 등 여러 가지 고분자 복합소재의 필러로써 가장 각광받고 있다. 특히, 탄소나노튜브를 이용한 고분자 복합소재의 사용화를 위한 많은 연구와 개발이 진행되고 있다.

또한, 그래핀은 탄소 원자로 만들어진 2차원 물질로 벌집 모양의 구조를 가지고 있으며, 단층의 그래핀은 3Å의 두께로 매우 얇은 물질이며 반금속성(Semi-metallic)물질로 알려져 있다. 상기 그래핀은 투명하며 빛의 2.3%만을 흡수해도 상온에서 은보다 열전도성이 높으며, 전자가 마치 질량이 없는 것처럼 움직여 기존 반도체보다 전기의 흐름이 빨라질 수 있어 실리콘 기판을 대체할 수 있는 차세대 재료로 각광받고 있다. 또한, 그래핀은 강도, 열전도율, 전자이동도 등 여러 가지 특징이 현존하는 물질 중 가장 뛰어난 소재로 디스플레이, 이차전지, 태양전지, 자동차 및 조명 등 다양한 분야에 응용되어 관련 산업의 성장을 견인할 전략적 핵심소재로 인정받고 있다.

그러나 많은 연구와 개발에도 불구하고 상술한 것과 같은 탄소소재들을 고분자 복합소재에 사용함에 있어 탄소소재의 낮은 비산문제로 인한 작업자 건강, 작업장 환경의 오염문제가 있고, 고분자 화합물 함께 사출기 등의 성형장치에 투입할 때 탄소소재와 고분자 화합물 간의 밀도 차, 용융된 고분자 화합물과 탄소소재간의 유동도 차이에 따라서 탄소소재의 분산성이 저하되고 복합재의 표면부쪽에는 탄소소재의 함량이 극히 낮아지고 중심부에만 집중되어 표면저항이 현저히 증가하는 문제점이 있다.

특히, 성형장치가 사출성형장치인 경우 호퍼에서 투입된 재료가 스크류를 통과하면서 탄소소재와 고분자 화합물간의 분산 불균일이 심화되고, 탄소소재의 집중에 따라 성형물의 기계적 강도, 전기적특성이 더욱 낮아지는 문제가 있다.

이에 이를 해결하여 성형된 복합재의 내부에 균일하게 분산됨에 따라서 우수한 전기전도성, 기계적강도 등의 물성을 발현할 수 있는 탄소 복합재에 개발이 시급한 실정이다.

등록특허공보 제10-0841275호

본 발명은 상기와 같은 점을 감안하여 안출한 것으로, 복합재의 표면 및 내부에 배치되는 탄소재료의 불균일 분산을 방지하여 우수한 표면 전기특성을 발현하고, 우수한 기계적 특성을 갖는 탄소복합재 제조방법 및 이를 통해 제조된 탄소복합재를 제공하는데 목적이 있다.

상술한 과제를 해결하기 위하여 본 발명은 (1) 다층그래핀, 카본나노튜브 및 탄소섬유를 포함하는 탄소필러를 50 ~ 62중량% 구비하는 고분자펠렛을 제조하는 단계; 및 (2) 상기 고분자펠렛을 용융 및 소정의 형상으로 사출성형 시키는 단계;를 포함하는 탄소복합재 제조방법을 제공한다.

본 발명의 바람직한 일실시예에 의하면, 상기 다층그래핀은 평균입경이 250 ~ 550㎚일 수 있다.

본 발명의 바람직한 다른 일실시예에 의하면, 상기 카본나노튜브는 회전형 교반기가 내장된 볼밍장치에 응집상태인 카본나노튜브 분말을 투입하고, 불활성가스 분위기 하에서 상기 회전형 교반기를 회전하되, 1200 ~ 1400rpm으로 45 ~ 50초, 800 ~ 1000rpm으로 10 ~ 15초간 이루어지는 회전형 교반기의 회전주기를 5 ~ 10회 실시하여 상기 카본나노튜브 분말을 기계적으로 입자분리 시킨 것일 수 있다.

본 발명의 바람직한 또 다른 일실시예에 의하면, 상기 탄소섬유는 평량이 10 ~ 15g/㎡, 폭이 1.5 ~ 3㎜인 슬리팅사일 수 있다. 보다 바람직하게는 상기 슬리팅사 길이가 4 ~ 6㎜일 수 있다.

본 발명의 바람직한 다른 일실시예에 의하면, 상기 탄소필러는 다층그래핀, 카본나노튜브 및 탄소섬유를 1 : 0.6 ~ 0.8 : 1 ~ 1.3 중량비로 포함할 수 있다.

본 발명의 바람직한 또 다른 일실시예에 의하면, 상기 고분자 펠렛은 평균직경이 1 ~ 3㎝이며, 길이는 3 ~ 5㎝일 수 있다.

본 발명의 바람직한 다른 일실시예에 의하면, 카본나노튜브는 평균입경이 250 ~ 450㎚일 수 있다.

본 발명의 바람직한 다른 일실시예에 의하면, 상기 고분자펠렛은 고분자매트릭스 성분으로 폴리아미드계, 폴리에스테르계 및 폴리올레핀계로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상을 포함할 수 있다.

또한, 본 발명은 고분자매트릭스; 및 다층그래핀, 카본나노튜브 및 탄소섬유를 포함하여 상기 고분자매트릭스에 분산되며, 탄소복합재 전체 중량에 대하여 50 ~ 62중량%로 구비되는 탄소필러;를 포함하고, 가로, 세로 및 두께가 각각 150㎜ × 150㎜ × 5㎜인 시편 상면의 서로 다른 임의의 9개 지점에서 측정된 각각의 면저항값 중 상기 9개 지점에서의 평균 면저항값의 ±5% 이내인 지점이 적어도 5개인 탄소복합재를 제공한다.

본 발명의 바람직한 일실시예에 의하면, 상기 탄소필러는 다층그래핀, 카본나노튜브 및 탄소섬유를 1 : 0.6 ~ 0.8 : 1 ~ 1.3 중량비로 포함할 수 있다.

본 발명의 바람직한 다른 일 실시예에 따르면, 상기 9개 지점에서 측정된 각각의 면저항값 중 상기 9개 지점에서의 평균 면저항값의 ±5% 이내인 지점이 적어도 7개일 수 있다.

본 발명의 바람직한 또 다른 일 실시예에 따르면, 상기 9개 지점에서 측정된 각각의 면저항값은 상기 9개 지점에서의 평균 면저항값의 ±5% 이내일 수 있다.

본 발명의 바람직한 다른 일실시예에 의하면, 상기 탄소섬유는 평량이 10 ~ 15g/㎡, 폭이 1.5 ~ 3㎜인 슬리팅사일 수 있다.

본 발명의 바람직한 또 다른 일실시예에 의하면, 상기 시편을 수직이등분 하는 일단면의 정중앙에서 측정된 면저항값은 상기 9개 지점에서의 평균 면저항값의 ±7% 이내일 수 있다.

본 발명에 의하면, 복합재의 표면 및 내부에 배치되는 탄소재료의 분산성이 우수함에 따라서 탄소복합재의 표면 전기특성이 우수하다. 또한, 탄소복합재의 위치에 관계없이 균일한 전기적 특성을 발현할 수 있음에 따라서 이로 구현되는 각종 응용품의 전기적 신뢰도를 담보할 수 있다. 나아가 탄소소재의 균일분산에 따라서 탄소소재의 밀집분포에 따른 성형체의 기계적 강도 저하문제가 방지되어 산업전반에 널리 응용될 수 있다.

이하, 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.

본 발명의 일 실시예에 따른 탄소복합재는 (1) 다층그래핀, 카본나노튜브 및 탄소섬유를 포함하는 탄소필러를 50 ~ 62중량% 구비하는 고분자펠렛을 제조하는 단계; 및 (2) 상기 고분자펠렛을 용융 및 소정의 형상으로 사출성형 시키는 단계;를 포함하여 제조될 수 있다.

먼저, 본 발명에 따른 (1) 단계로써, 다층그래핀, 카본나노튜브 및 탄소섬유를 포함하는 탄소필러를 50 ~ 62중량% 구비하는 고분자펠렛을 제조하는 단계를 수행한다.

상기 (1) 단계는 고분자펠렛을 제조하는 단계로써, 상기 고분자펠렛은 탄소복합재의 기지를 형성할 고분자매트릭스 성분 및 탄소필러를 포함하고, 상기 탄소필러는 고분자 펠렛의 전체 중량 대비 50 ~ 62중량%로 구비된다.

종래에도 탄소필러를 고분자 화합물 내 구비시켜 성형되는 복합재료에 대한 개발이 있었으나 탄소필러와 고분자 화합물 간에 상용성이 현저히 부족하고, 탄소필러가 고분자 화합물 내 투입 시 뭉쳐서 존재하는 특성이 강함에 따라서 특정 부분에만 필러가 밀집하는 문제가 있었다. 특정부분에만 탄소필러가 밀집할 경우 복합재료에 가해지는 외부충격 등의 물리적 자극에 의한 해당 부분의 응력이 현저히 감소함에 따라서 쉽게 부스러지거나 부러지는 문제가 있다. 또한, 복합재료를 성형하기 위한 방법으로써, 후술하는 사출성형의 방법을 이용할 경우 용융된 상태의 고분자화합물에 구비된 탄소필러는 유동도가 고분자화합물 보다 작기 때문에 압출될 때 고분자화합물이 성형물의 표면부에 먼저 도달 및 배치되고, 탄소필러는 성형물의 중앙부 쪽에 배치됨에 따라서 표면부와 중앙부 간의 물성이 불균일한 문제가 있다.

이에 따라서 가해지는 외력에 의해 복합재료의 전 영역에서 일정한 응력을 발현하고, 탄소필러의 균등 분포에 의해 물성이 전 영역에서 고르게 발현되도록 하기 위해서는 1차적으로 사출성형 전 주입되는 고분자화합물과 탄소필러의 분산 정도가 매우 중요하며, 이를 위하여 본 발명은 고분자 화합물 및 탄소필러를 펠렛형상으로 준비하고 이를 이용하여 후술하는 사출성형 단계를 수행한다.

즉, 용융상태의 고분자화합물에 탄소필러를 투입/교반 또는 고분자화합물, 탄소필러를 혼합 후 가열/교반하여 바로 사출할 경우 사출물의 폭과 두께가 넓어질수록 탄소필러의 불균등 분포 우려는 커지며, 사출성형 전에 수행하는 교반에 소요되는 시간이 장기화 될 수 있음에 따라서 상용화에 바람직하지 못할 수 있다. 그러나 본 발명의 (1) 단계와 같이 소정의 직경과 길이를 갖는 펠렛으로 제조할 경우 고분자 펠렛이 후에 용융되었을 때 고분자 화합물과 탄소필러 간의 유동성 차이로 인한 분산성 저하 문제가 현저히 감소하여 제조된 사출성형물 역시 성형물 내에 탄소필러의 높은 분산성을 가지기에 유리할 수 있다. 이를 위해 바람직하게는 상기 고분자펠렛은 직경이 1 ~ 3㎝이며, 길이가 3 ~ 5㎝일 수 있다. 만일 직경이 3㎝를 초과할 경우 고분자화합물과 탄소필러간의 유동성 차이 문제를 해결하기 어려울 수 있고, 만일 직경이 1㎝ 미만일 경우 고분자 펠렛으로 제조가 어려워지며, 쉽게 부스러질 수 있어서 취급성이 저하되고, 고분자화합물 및 탄소필러를 사출성형장치에 각각 투입하는 것에 대비하여 본 발명이 목적하는 효과상 차이를 달성하기 어려울 수 있다. 또한, 길이가 3㎝ 미만일 경우 고분자 펠렛이 길이방향으로 종횡비를 가지기 어렵고, 이 경우 펠렛의 표면부, 중앙부 간의 응력차이로 인한 부서짐의 문제가 더 커질 수 있다. 또한, 길이가 5㎝를 초과하는 경우 펠렛이 길이방향으로 쉽게 부서질 수 있어서 본 발명의 목적을 달성하기에 부적절해질 수 있는 문제가 있다.

상기 탄소필러를 구비한 고분자 펠렛은 공지된 방법을 통하여 제조될 수 있어서 본 발명은 이에 대해서 특별히 한정하지 않는다.

이때, 상기 고분자 펠렛은 탄소필러를 50 ~ 62중량%로 포함하는데, 만일 50중량% 미만으로 구비될 경우 목적하는 전기전도성이나 열전도성을 달성하기에 부적합할 수 있는 문제가 있으며, 62중량%를 초과하여 구비될 경우 성형성이 저하되고 외력에 의해 쉽게 부스러지거나 부러질 수 있다. 바람직하게는 상기 탄소필러는 50 ~ 55중량%로 구비될 수 있으며, 이를 통해 보다 향상된 기계적 강도를 갖는 복합재료를 구현할 수 있다.

상술한 고분자 펠렛에 포함된 탄소필러는 다층그래핀, 카본나노튜브 및 탄소섬유를 포함한다. 이는 탄소복합재 내 탄소필러의 수평, 수직간 물성차이를 현저히 감소시키기 위함과 동시에 균일한 기계적 강도를 달성하기 위한 것으로써, 만일 이들 중 어느 하나를 구비하지 않을 경우 탄소복합재 전 영역에서 균일한 물성 발현이 어려울 수 있다. 다층그래핀은 수평방향으로의 물성이 우수하고, 카본나노튜브의 경우 횡방향으로의 물성이 다층그래핀보다는 우수하며, 탄소섬유는 길이방향으로 연속하여 전기적 또는 열적 특성을 발현함과 동시에 뭉쳐 존재하려는 성향이 다른 탄소필러에 비해 적음에 따라서 우수한 분산성을 얻기에 적합할 수 있고, 복합재에 구비될 때의 정렬의 불규칙성으로 인하여 여러 방향으로 전기적 또는 열적 특성을 고르게 발현시킬 수 있고 복합재의 기계적 강도를 보완해줄 수 있다.

상기 다층그래핀은 평균입경이 250 ~ 550㎚인 것일 수 있으며, 만일 평균입경이 250㎚ 이하일 경우 이를 제조하기 위한 비용이 상승할 수 있고, 제조가 용이하지 않을 수 있으며, 뭉쳐 있으려는 특성이 더욱 강해짐에 따라서 분산성이 저하될 수 있는 문제가 있다. 또한, 평균입경이 550㎚를 초과할 경우 복합재의 열적/전기적 특성이 현저히 저하되는 등 목적하는 물성을 달성하기 어려울 수 있다.

상기 카본나노튜브는 공지된 카본나노튜브를 사용할 수 있음에 따라서 그 종류에 대해 특별히 한정하지 않는다. 다만, 상기 카본나노튜브는 분산성이 좋지 못하고 뭉쳐서 존재함에 따라서 바람직하게는 회전형 교반기가 내장된 볼밍장치에 응집상태인 카본나노튜브 분말을 투입하고, 불활성가스 분위기 하에서 상기 회전형 교반기를 회전하되, 1200 ~ 1400rpm으로 45 ~ 50초, 800 ~ 1000rpm으로 10 ~ 15초간 이루어지는 회전형 교반기의 회전주기를 5 ~ 10회 실시하여 상기 카본나노튜브 분말을 기계적으로 입자분리 시킨 것일 수 있다.

구체적으로 챔버에 회전형 교반기가 내장된 볼밀 장치에서 상기 회전형 교반기의 회전에 의해 상기 챔버 내부의 볼들이 매우 격렬하게 운동하게 되며, 상기와 같이 상호 격렬하게 운동하는 볼과 볼이 충돌하면서 발생하는 운동에너지에 의해 대상물이 분쇄 또는 분리된다. 즉, 챔버에 회전형 교반기가 내장된 볼밀 장치에서는 회전형 교반기의 회전에 의해 상호 격렬하게 운동하는 볼들이 충돌하면서 상기 볼과 볼 사이에서 매우 강력한 충격력이 발생하게 됨에 따라서, 챔버의 내부에 회전형 교반기가 장착된 볼밀 장치에서 카본나노튜브 분말의 기계적, 물리적 입자분리가 보다 용이할 수 있다. 그러나 챔버의 내부에 수직 방향으로 회전형 교반기가 장착된 볼밀 장치는 장입한 볼과 카본나노튜브 등의 분말이 중력의 영향을 받아서 챔버의 수직방향의 하측에 위치하게 되어 불균일한 분리성을 나타내어 대량의 카본나노튜브 분말을 분리시키는 것이 곤란하다. 그러므로, 챔버의 내부에 수평 방향으로 회전형 교반기가 장착된 볼밀 장치에서 카본나노튜브 분말의 기계적, 물리적 분리를 실시하는 것이 바람직하다. 또한, 상기 카본나노튜브 분말의 기계적, 물리적 분리는 불활성가스 분위기 하에서 실시할 수 있다. 만일 대기중에서 카본나노튜브 분말을 기계적으로 분리하게 되면, 상기 카본나노튜브 분말과 카본나노튜브 분말 사이의 반응성이 증가될 뿐만 아니라, 카본나노튜브 분말이 대전하여 정전기가 발생하게 되고 상기 정전기로 인하여 카본나노튜브 분말의 재응집 현상이 발생되는 문제가 있을 수 있다. 이에 따라 카본나노튜브 분말의 기계적 입자분리가 실시되는 볼밀 장치의 챔버에 아르곤, 질소 등의 불활성가스를 공급하여 불활성가스 분위기를 조성하므로써, 상기 챔버에서 기계적, 물리적으로 분리되는 카본나노튜브 분말의 반응성 특히 산화 반응을 대폭 저하시키고 정전기 발생을 방지하여 카본나노튜브 분말의 기계적 입자분리를 촉진하고 재응집 현상을 억제할 수 있다.

또한, 볼밀 장치의 챔버에 내장된 회전형 교반기를 일정한 회전 주기로 회전시켜 카본나노튜브 분말을 분리할 수 있는데, 내부에 카본나노튜브 분말이 투입되고 불활성가스 분위기가 조성된 상태인 볼밀 장치의 챔버에 내장된 회전형 교반기를 회전하되, 1,200 ~ 1,400rpm의 고속으로 45 ~ 50초, 800 ~ 1,000rpm의 저속으로 10 ~ 15초로 이루어지는 회전형 교반기의 회전 주기를 5 ~ 10회 실시하여 카본나노튜브 분말을 기계적으로 분리하는 것이 바람직하다. 만일 챔버에 내장된 회전형 교반기를 연속적으로 고속 회전하게 되면 상기 회전형 교반기와 볼의 충돌로 인하여 챔버가 과열되고, 카본나노튜브 분말 역시 챔버의 과열로 인한 영향을 받게 되어 고유의 특성을 잃어버리게 될 뿐만 아니라, 챔버의 운전이 불안정해져서 볼밀 장치에 악영향을 미치게 된다. 따라서, 회전형 교반기의 고속 회전 및 저속 회전으로 이루어지는 회전 주기를 반복적으로 실시하여 카본나노튜브 분말이 과열되는 것을 방지할 수 있다.

구체적으로, 챔버에 투입된 카본나노튜브 분말을 최대 작업효율로 분리시키기 위해서는 상기 챔버에 내장된 회전형 교반기를 1,400rpm를 초과하는 고속으로 연속 회전시켜야 하지만, 상기와 같은 회전형 교반기의 고속 회전을 50초를 초과하여 연속적으로 실시하게 되면 챔버 내에 같이 투입되는 볼의 마찰로 인하여 챔버의 금속파편 및 볼의 파편인 오염물질이 발생하고 이러한 오염물질로 인하여 카본나노튜브 분말 가공에서의 2차적 오염의 문제가 나타나게 된다. 또한, 챔버에 내장된 회전형 교반기를 1,000rpm 초과 1,200rpm 미만으로 회전시키면 상기 챔버 내의 카본나노튜브 분말의 분리 기능이 저하될 뿐만 아니라 챔버 내에 투입되는 볼의 마찰로 인한 2차적 오염의 문제 역시 여전히 발생하게 된다. 그리고, 회전형 교반기의 1,200 ~ 1,400rpm 회전을 45초 미만으로 실시하면 카본나노튜브 분말의 분리가 충분히 실시되지 않으며, 회전형 교반기의 1,200 ~ 1,400rpm 회전을 50초 초과하여 실시하면 챔버 및 카본나노튜브 분말이 과열될 수 있다. 그러므로 챔버에 내장된 회전형 교반기를 1,200 ~ 1,400rpm로 45 ~ 50초 동안 회전하여 상기 챔버 내의 카본나노튜브 분말을 입자분리 시키는 것이 바람직하다. 만일 챔버에 내장된 회전형 교반기를 1,000rpm 이하의 저속으로 회전하게 되면 상기 챔버 내의 카본나노튜브 분말의 분리 기능이 저하되는 대신 상기 회전형 교반기와 볼의 충돌로 인한 챔버의 과열이 억제되며, 회전형 교반기를 800rpm 미만의 초저속으로 회전하게 되면 챔버 내의 카본나노튜브 분말이 제대로 분리되지 않는 것은 물론 심지어 재응집되는 현상까지 발생할 수 있다. 그러므로 챔버에 내장된 회전형 교반기를 800 ~ 1,000rpm으로 10 ~ 15초 동안 회전하여 상기 챔버의 과열을 억제한다. 회전형 교반기의 800 ~ 1,000rpm 회전을 10초 미만으로 실시하면 챔버의 과열이 억제되지 않으며, 회전형 교반기의 800 ~ 1,000rpm 회전을 15초 초과하여 실시하면 카본나노튜브 분말의 분리에서 작업효율이 저하될 수 있다.

이에 따라서 챔버에 내장된 회전형 교반기를 1,200 ~ 1,400rpm으로 45 ~ 50초, 800 ~ 1,000rpm으로 10 ~ 15초로 회전하는 회전형 교반기의 회전 주기를 구분하고, 상기 회전형 교반기의 회전 주기를 5 ~ 10회 실시하므로써 카본나노튜브 분말을 기계적으로 원활히 입자분리 시킬 수 있다. 만일 상기와 같이 1,200 ~ 1,400rpm으로 45 ~ 50초, 800 ~ 1,000rpm으로 10 ~ 15초로 이루어지는 회전형 교반기의 회전 주기를 5회 미만으로 실시하게 되면 카본나노튜브 분말이 제대로 입자분리되지 않으며, 회전형 교반기의 회전 주기를 10회 초과하여 실시하게 되면 카본나노튜브 분말이 더 이상 입자분리되지 않을 뿐만 아니라 카본나노튜브 분말에서 마찰열이 과도하게 발생하게 된다.

결론적으로, 챔버에 내장된 회전형 교반기를 1,200 ~ 1,400rpm으로 45 ~ 50초, 800 ~ 1,000rpm으로 10 ~ 15초로 회전하는 회전형 교반기의 회전 주기를 구성하고, 상기 회전형 교반기의 회전 주기를 5 ~ 10회 실시하는 경우에만, 카본나노튜브 분말을 유기용매, 첨가제를 사용하지 않고 기계적, 물리적으로 입자분리시킬 수 있으며, 분리에 소요되는 시간과 에너지가 대폭 절감되는 카본나노튜브 분말의 기계적 입자분리 방법을 제공하는 본 발명의 목적을 달성할 수 있으며, 상기에서 기술된 회전형 교반기의 회전 주기를 벗어나는 경우에는 본 발명의 목적을 달성할 수 없으며, 이를 통해 제조된 카본나노튜브는 평균입경이 250 ~ 450㎚일 수 있다.

다음으로, 상기 탄소섬유는 공지된 탄소섬유를 선택할 수 있음에 따라서본 발명은 특별히 한정하지 않는다. 다만, 바람직하게는 상기 탄소섬유는 섬유상 그대로 고분자펠렛에 구비되는 것이 아니라 섬유상의 탄소섬유가 슬리팅사로 제조된 후 구비될 수 있다. 상기 슬리팅사는 탄소섬유가 원단으로 제직되거나 부직포 상으로 제조된 후 일정한 폭으로 절단된 것으로써, 상기 슬리팅사는 바람직하게는 평량이 10 ~ 15g/㎡, 폭이 1.5 ~ 3㎜일 수 있다.

탄소섬유가 섬유상 그대로 고분자 펠렛에 구비될 경우 일정길이로 잘라진 상태로 투입되며, 이 경우 탄소섬유는 종횡비가 있음에 따라서 길이방향으로의 물성은 우수하나, 횡방향으로의 전기적, 열적특성을 발현하기에는 현저히 부족하다. 또한, 고분자 펠렛 형상으로 탄소필러를 투입해도 성형재에서의 탄소필러 분산성을 높이는 것에는 한계가 있음에 따라서 탄소복합재의 전 영역에 걸쳐 고른 물성을 발현하기 매우 어렵다. 이에 따라서 상기 탄소섬유를 소정의 폭을 갖는 슬리팅사로 탄소복합재에 구비시킬 수 있으며, 이를 통해 종래에 비해 현저히 향상된 고른 전기적, 열적, 기계적 물성분포를 얻을 수 있다.

만일 슬리팅사의 평량이 10g/㎡ 미만 및/또는 폭이 1.5㎜ 미만일 경우 탄소복합재 전 영역에서 고른 물성분포를 얻기 어려울 수 있으며, 만일 슬리팅사의 평량이 15g/㎡을 초과 및/또는 폭이 3㎜를 초과할 경우 사출되어 고화 전에 슬리팅사가 사출물의 하부방향 위주로 배치될 수 있어서 전 영역에 걸쳐 고른 물성을 발현하기 어려울 수 있다. 이때, 보다 바람직하게는 상기 슬리팅사 길이가 4 ~ 6㎜일 수 있으며, 이를 통해 성형재의 수직/수평간 물성발현에 보다 유리할 수 있다.

상술한 탄소필러는 다층그래핀, 카본나노튜브 및 탄소섬유를 1 : 0.6 ~ 0.8 : 1 ~ 1.3 중량비로 포함할 수 있다.

만일 다층그래핀에 대해 카본나노튜브를 0.6 중량비 미만 및/또는 탄소섬유를 1 중량비 미만으로 포함하는 경우 목적하는 물성의 정도에 비해 낮은 수준의 물성을 얻을 수 있으며 특히 탄소섬유를 1 중량비 미만으로 구비시에 고른 물성을 얻을 수 없을 수 있다. 또한, 만일 카본 나노튜브가 0.8 중량비를 초과하여 구비될 경우 카본나노튜브의 분산이 어려울 수 있으며, 이에 따라서 영역에 따른 물성의 불균일 문제가 있을 수 있다. 또한, 만일 탄소섬유를 1.3 중량비를 초과해서 포함할 경우 복합재에 구비될 수 있는 탄소필러의 한정된 중량에서 다층그래핀, 카본나노튜브의 함량이 줄어들게 됨에 따라서 목적하는 수준의 물성을 달성하지 못할 수 있다.

또한, 상기 고분자 펠렛은 고분자매트릭스 성분으로 폴리아미드계, 폴리에스테르계 및 폴리올레핀계로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상을 포함할 수 있다. 상기 폴리아미드계 화합물은 나일론6, 나일론66 등 공지된 폴리아미드계 화합물일 수 있다. 또한, 상기 폴리에스테르계 화합물은 폴리에틸렌테레프탈레이트, 폴리부틸렌테레프탈레이트 등 공지된 폴리에스테르계 화합물일 수 있다. 또한, 상기 폴리올레핀계는 폴리에틸렌, 폴리프로필렌 등 공지된 화합물일 수 있음에 따라서 본 발명은 이에 대해 특별히 한정하지 않는다.

다음으로 본 발명에 따른 (2) 단계로써, 상기 고분자펠렛을 용융 및 소정의 형상으로 사출성형 시키는 단계를 수행한다.

상기 고분자펠렛은 사출성형기에 구비 또는 연결된 용융장치에서 용융되어 사출성형기의 내부로 이송되며, 이때 용융온도는 상기 고분자 펠렛을 형성하는 고분자 매트릭스 성분의 종류에 따라 적절히 선택될 수 있음에 따라서 본 발명은 이에 대해 특별히 한정하지 않는다. 상기 사출성형기는 공지된 것을 이용할 수 있고 통상의 사출성형 방법 및 절차를 따를 수 있음에 따라서 본 발명은 이에 대해 구체적인 설명을 생략한다.

상술한 본 발명에 따른 탄소복합재 제조방법을 통해 제조된 탄소복합재는 고분자매트릭스; 및 다층그래핀, 카본나노튜브 및 탄소섬유를 포함하여 상기 고분자매트릭스에 분산되며, 탄소복합재 전체 중량에 대하여 50 ~ 62중량%로 구비되는 탄소필러;를 포함하고, 가로, 세로 및 두께가 각각 150㎜ × 150㎜ × 5㎜인 시편 상면의 서로 다른 임의의 9개 지점에서 측정된 각각의 면저항값 중에서 상기 9개 지점에서의 평균 면저항값의 ±5% 이내를 만족하는 지점이 적어도 5지점이며, 보다 바람직하게는 적어도 7지점, 더욱 바람직하게는 9지점 모두 이를 만족함을 통하여 우수한 열적, 전기적 특성을 발현함과 동시에 복합재의 전 영역에서 고른 물성을 발현할 수 있다. 또한, 더욱 더 바람직하게는 9개 지점의 면저항값 표준편차는 0.0040Ω/squre일 수 있다.

상기 탄소복합재의 고분자매트릭스, 탄소필러 및 이의 함량에 대한 설명은 상술한 제조방법에서의 설명과 동일하여 구체적 설명을 생략한다.

상기 탄소복합재는 전 영역에서 고른 물성을 발현함에 따라서 소정의 크기를 갖는 시편 상면 서로 다른 임의의 9개 지점에서 측정된 각각의 면저항값 중 적어도 5개 지점에서 측정된 면저항 값이 상기 9개 지점에서의 평균 면저항값의 ±5% 이내를 만족하며, 바람직하게는 적어도 7개 지점에서 측정된 면저항값이 상기 9개 지점에서의 평균 면저항값의 ±5% 이내이며, 보다 더 바람직하게는 9개 지점에서 측정된 면저항값이 모두 상기 9개 지점에서의 평균 면저항값의 ±5% 이내일 수 이다. 만일 9개 지점에서 측정된 면저항값 중 5개 미만의 지점에서만 평균 면저항값의 ±5% 이내를 만족하고, 나머지 지점에서 이의 범위를 벗어날 경우 균일한 물성을 발현할 수 없고, 기계적 강도가 고르지 않아서 일부분에 가해지는 외력에 의해 쉽게 부러지거나 부스러질 수 있다.

또한, 시편을 수직이등하는 일단면의 정중앙에서 측정된 면저항값이 상면에서 측정된 9개 지점 평균 면저항값의 ±7%를 만족함에 따라서 복합재의 표면부와 중앙부의 물성이 고르며, 이와 같은 정도의 표면부 및 중앙부의 물성차이는 탄소필러를 포함하는 사출성형물에서 구현하기 매우 어려운 수치로써 사출 성형물 전 영역에서 우수한 물성을 고르게 발현할 수 있다.

하기의 실시예를 통하여 본 발명을 더욱 구체적으로 설명하기로 하지만, 하기 실시예가 본 발명의 범위를 제한하는 것은 아니며, 이는 본 발명의 이해를 돕기 위한 것으로 해석되어야 할 것이다.

<실시예1>

하기 준비예에서 각각 제조된 다층그래핀, 카본나노튜브 및 탄소섬유를 포함하는 슬리팅사를 1 : 0.7 : 1.2의 중량비로 혼합시킨 탄소필러를 평균입경이 1㎜인 폴리에틸렌테레프탈레이트 마스터칩에 52중량%가 되도록 투입 후 290℃에서 혼련 및 압출하여 직경이 2㎝이고 길이가 4㎝인 고분자펠렛을 제조하였다. 제조된 고분자펠렛을 사출성형기에 투입하고, 290℃로 고분자펠렛을 용융 및 사출성형하여 가로 세로 각각 30㎝이고 두께가 5㎜인 하기 표 1과 같은 판상의 탄소복합재를 제조하였다.

<준비예>

* 다층그래핀

큰 챔버 내부에 작은 내부 챔버를 갖고 큰 챔버의 회전 방향과 작은 챔버의 회전 방향이 반대인 볼밀장치의 작은 내부 챔버 내에 팽창 흑연을 장입 후 불활성 가스인 Ar을 챔버 내에 공급하고, 큰 챔버와 작은 챔버를 1,100rpm으로 48초간 회전시킨 후, 700rpm으로 12초간 회전시키는 고속 및 저속회전을 1사이클로 하여, 8사이클 실시하여 평균입경이 430㎚인 다층그래핀을 제조하였다.

* 카본나노튜브

볼밀 장치의 내부에 카본나노튜브 분말을 투입하고, Ar 불활성가스 분위기에서 볼밀 장치를 1200rpm으로 고속 회전하는 동시에, 챔버에 내장된 회전형 교반기를 1,300rpm의 고속으로 46초, 900rpm의 저속으로 12초로 이루어지는 회전형 교반기의 회전 주기 1회로 하고, 총 6회 실시하여 평균입경이 330㎚인 카본나노튜브 분말을 제조하였다.

* 탄소섬유

직경이 6㎛인 모노사가 72개 구비된 PAN유래의 탄소섬유 멀티필라멘트를 위사 및 경사로 투입하여 평량이 12g/㎡인 직물을 제조하였다. 제조된 직물을 폭이 2㎜가 되도록 커팅하여 슬리팅사를 제조하였고, 이를 4㎜로 찹핑하였다.

<실시예2 ~ 7>

실시예 1과 동일하게 실시하여 제조하되, 하기 표 1과 같이 탄소필러의 조성비, 탄소필러의 형상을 변경하여 하기 표 1과 같은 탄소복합재를 제조하였다.

<실시예8>

실시예 1과 동일하게 실시하여 제조하되, 탄소섬유를 슬리팅사로 제조하지 않고, 직경이 6㎛이고 4㎜ 길이를 갖는 모노사를 투입하여 하기 표 1과 같은 탄소복합재를 제조하였다.

<비교예 1>

실시예 1과 동일하게 실시하여 제조하되, 하기 표 1과 같이 탄소필러의 조성을 변경하여 하기 표 1과 같은 탄소복합재를 제조하였다.

<실험예>

실시예 및 비교예에서 제조된 탄소복합재를 가로, 세로 크기가 150㎜ × 150㎜로 절단한 시편으로 컷팅 한 후 시편에 대하여 하기의 물성을 측정하여 표 1에 나타내었다.

1. 전기전도성

탄소복합재의 일꼭지점을 (0,0)으로 가정하여 (가로(㎜), 세로(㎜))가 각각 A(30,10), B(75,10), C(105,10), D(30,75), E(75,75), F(105,75), G(30,140), H(75,140), I(105,140)인 9개 지점에 대하여 면저항측정기(CMT-SR3000, AIT KOREA)를 이용하여 표면저항을 측정하였고, 측정된 9개 값의 측정값 및 평균을 계산하였다.

또한, 탄소복합재 절단단면의 정중앙의 표면저항을 측정하였다.

2. 굴곡강도

커팅된 시편 5개를 선택하여 ASTM D790-10(procedure A)에 의거하여 굴곡강도를 측정하였다. 측정된 굴곡강도에 대해 표준편차를 계산하였다.

표준편차가 클수록 기계적 강도가 복합재에서 고르게 발현되지 않음을 의미한다.

[표 1]

상술한 표 1을 통해 확인할 수 있듯이,

탄소섬유를 구비하지 않은 비교예 1의 경우 실시예들에 비해 표면 9개지점에서 측정된 면저항값이 평균값의 ±5% 를 초과하거나 그 보다 적게 대부분이 측정됨에 따라서 복합재의 전기적물성이 매우 불균일한 것을 확인할 수 있다. 또한, 굴곡강도의 표준편차도 13.1MPa로써, 실시예에 비해 불균일이 현저한 것을 확인할 수 있다.

또한, 실시예 중에서도 탄소섬유를 섬유상 그대로 모노사로 투입한 실시예 8의 경우 슬리팅사 형태로 투입한 다른 실시예들에 비해 물성 불균일이 증가하였고, 특히 표면부의 물성과 단면 중앙부의 물성 간 차이가 현저한 것을 확인할 수 있다.

다만, 슬리팅사 형태로 투입하더라도 실시예 6 및 7에서 확인할 수 있듯이 본 발명에 따른 바람직한 평량 및 폭을 초과한 실시예 6의 경우 단면 중앙부와 일표면부간 면저항값의 차이가 크게 측정되었고, 이는 슬리팅사의 침강에 따른 일표면부와 타표면부간 불균등 배치에 기인한 것으로 예상되며, 이는 일표면부에 슬리팅사가 거의 배치되지 않음으로 인하여 기인한 일표면부의 9개점 면저항값의 표준편차의 현저한 증가를 통해서도 간접적으로 알 수 있다.

또한, 슬리팅사의 바람직한 평량 및 폭 미만의 실시예 7의 경우 실시예1에 대비해서는 표면부와 중앙부간 물성차이가 현저히 증가한 것을 확인할 수 있다.

이상에서 본 발명의 일 실시예에 대하여 설명하였으나, 본 발명의 사상은 본 명세서에 제시되는 실시 예에 제한되지 아니하며, 본 발명의 사상을 이해하는 당업자는 동일한 사상의 범위 내에서, 구성요소의 부가, 변경, 삭제, 추가 등에 의해서 다른 실시 예를 용이하게 제안할 수 있을 것이나, 이 또한 본 발명의 사상범위 내에 든다고 할 것이다.

Claims (13)

1. (1) 다층그래핀, 카본나노튜브 및 탄소섬유를 포함하는 탄소필러를 50 ~ 62중량% 구비하는 고분자펠렛을 제조하는 단계; 및
   (2) 상기 고분자펠렛을 용융 및 소정의 형상으로 사출성형 시키는 단계;를 포함하는 탄소복합재 제조방법.
2. 제1항에 있어서,
   상기 다층그래핀은 평균입경이 250 ~ 550㎚인 탄소복합재 제조방법.
3. 제1항에 있어서, 상기 카본나노튜브는
   회전형 교반기가 내장된 볼밍장치에 응집상태인 카본나노튜브 분말을 투입하고, 불활성가스 분위기 하에서 상기 회전형 교반기를 회전하되, 1200 ~ 1400rpm으로 45 ~ 50초, 800 ~ 1000rpm으로 10 ~ 15초간 이루어지는 회전형 교반기의 회전주기를 5 ~ 10회 실시하여 상기 카본나노튜브 분말을 기계적으로 입자분리 시킨 것인 탄소복합재 제조방법.
4. 제1항에 있어서,
   상기 탄소섬유는 평량이 10 ~ 15g/㎡, 폭이 1.5 ~ 3㎜인 슬리팅사인 탄소복합재의 제조방법.
5. 제1항에 있어서,
   상기 탄소필러는 다층그래핀, 카본나노튜브 및 탄소섬유를 1 : 0.6 ~ 0.8 : 1 ~ 1.3 중량비로 포함하는 탄소복합재의 제조방법.
6. 제1항에 있어서,
   상기 고분자 펠렛은 평균직경이 1 ~ 3㎝이며, 길이는 3 ~ 5㎝인 탄소복합재의 제조방법.
7. 제3항에 있어서,
   카본나노튜브는 평균입경이 250 ~ 450㎚ 인 탄소복합재의 제조방법.
8. 제1항에 있어서,
   상기 고분자펠렛은 고분자매트릭스 성분으로 폴리아미드계, 폴리에스테르계 및 폴리올레핀계로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상을 포함하는 탄소복합재 제조방법.
9. 고분자매트릭스; 및
   다층그래핀, 카본나노튜브 및 탄소섬유를 포함하여 상기 고분자매트릭스에 분산되며, 탄소복합재 전체 중량에 대하여 50 ~ 62중량%로 구비되는 탄소필러;를 포함하고,
   가로, 세로 및 두께가 각각 150㎜ × 150㎜ × 5㎜인 시편 상면의 서로 다른 임의의 9개 지점에서 측정된 각각의 면저항값 중 상기 9개 지점에서의 평균 면저항값의 ±5% 이내인 지점이 적어도 5개 지점인 탄소복합재.
10. 제9항에 있어서,
    상기 9개 지점에서 측정된 각각의 면저항값은 상기 9개 지점에서의 평균 면저항값의 ±5% 이내인 탄소복합재.
11. 제9항에 있어서,
    상기 탄소필러는 다층그래핀, 카본나노튜브 및 탄소섬유를 1 : 0.6 ~ 0.8 : 1 ~ 1.3 중량비로 포함하는 탄소복합재.
12. 제9항에 있어서,
    상기 탄소섬유는 평량이 10 ~ 15g/㎡, 폭이 1.5 ~ 3㎜인 슬리팅사인 탄소복합재.
13. 제9항에 있어서,
    상기 시편을 수직이등분 하는 일단면의 정중앙에서 측정된 면저항값은 상기 9개 지점에서의 평균 면저항값의 ±7% 이내인 탄소복합재.