KR20180047410A

KR20180047410A - 이중 퍼콜레이션을 이용한 전자기 간섭 차폐용 조성물

Info

Publication number: KR20180047410A
Application number: KR1020160143436A
Authority: KR
Inventors: 황창순; 이경희; 박성훈
Original assignee: 태양쓰리시 주식회사; 숭실대학교산학협력단
Priority date: 2016-10-31
Filing date: 2016-10-31
Publication date: 2018-05-10

Abstract

본 명세서에는, 이중 퍼콜레이션을 이용한 전자기 간섭 차폐용 조성물이 개시된다. 본 발명의 일 측면인 전자기 간섭 차폐용 조성물은, 전도성 충전제 및 비전도성 충전제를 함유하며, 상기 전도성 충전제가 비전도성 충전제 사이에서 이중 퍼콜레이션된 상태로 존재하기 때문에, 전도성 충전제가 형성하는 네트워크가 집중될 수 있어, 향상된 전기 전도성을 가질 수 있다. 또한, 동일한 양의 전도성 충전제를 사용하더라도, 우수한 전자기 간섭 차폐성능을 갖기 때문에, 고가의 전도성 충전제로 인한 생산 비용을 크게 감축할 수 있다는 장점이 있다.

Description

이중 퍼콜레이션을 이용한 전자기 간섭 차폐용 조성물{COMPOSITION FOR ELECTROMAGNETIC INTERFERENCE SHIELDING USING DOUBLE PERCOLATION}

본 명세서에는 이중 퍼콜레이션을 이용한 전자기 간섭 차폐용 조성물이 개시된다.

전자, 통신기기의 급속한 발전 및 대량 보급에 의해 전자기기의 사용이 급증하고 있으며 이에 따른 전자파의 유해성이 제4의 공해로 대두되고 있다. 전기, 전자 제품에서 발생되는 전자파는 전파방해(EMI: Electro Magnetic Interference)라 하여 산업기기 오작동의 원인이 되어 산업재해를 유발할 수도 있으며 인체에 있어서는 바이오리듬의 불균형을 유발하고 뇌종양, 혈액암 등의 원인이 될 수 있다고 보고 되고 있다.

특히, 고분자 기술의 발전과 함께 전자, 전기 및 통신기기의 하우징 재료가 금속에서 우수한 가공성, 경량성, 경제성 등의 장점을 갖는 플라스틱으로 대체되고 있는데 대부분의 플라스틱 재료는 일반적으로 절연체(insulator)로서 전자파를 반사시키거나 흡수하지 못하고 투과하는 특성 때문에 플라스틱 재료의 전자파 차폐 문제가 새로이 부각되고 있다. 일반적으로, 플라스틱 재료의 전자파 차폐를 위해서는 플라스틱 재료에 전기전도성을 부여하여야 하며 이를 위해 적용되는 기술로는 전도성 물질을 용매상에 분산시킨 용액(solution)을 플라스틱에 코팅하거나 니켈, 은, 구리 등의 금속을 플라스틱 표면에 무전해 도금하는 방법, 열가소성수지(thermoplastics) 또는 열경화성 수지에 전기전도성 충전제(conductive filler)를 첨가하여 성형 가공하는 방법, 본질적으로 전기전도성 고분자를 합성하는 방법 등이 있다. 그러나, 상기 방법들은 가공성이 낮고, 열적 안정성이 낮으며, 전자기 차폐능이 우수하지 못할뿐더러, 오랫동안 유지되지 못한다는 한계가 있다.

최근에는 전기 전도성이 우수한 물질인 탄소나노튜브를 이용하여 전자기 차폐용 조성물을 제조하는 방법이 각광받고 있는데, 이러한 방법은 비용이 많이 든다는 한계가 있다. 이에, 최소한의 탄소나노튜브를 이용하면서도 전자기 차폐 효과를 극대화시킬 수 있는 방법에 대한 연구가 필요한 실정이다.

KR

10-0529775

B1

일 측면에서, 본 발명의 목적은, 물리적, 화학적 안정성을 구비한 전자기 차폐용 조성물을 제공하는 것이다.

다른 측면에서, 본 발명의 목적은, 탄소나노튜브의 함량을 최소화하면서, 전자기 차폐 효과를 극대화한 전자기 차폐용 조성물을 제공하는 것이다.

본 발명은 일 측면에서, 전자기 간섭 차폐용 조성물을 제공하며, 상기 조성물은, 조성물 총 중량을 기준으로, 0.1~20 중량%의 전도성 충전제; 0.1~80 중량%의 비전도성 충전제; 및 1~95 중량%의 고분자 폴리머 함유 수지를 포함하고, 상기 전도성 충전제는, 비전도성 충전제에 이중 퍼콜레이션된 상태인, 전자기 간섭 차폐용 조성물을 제공한다.

또한, 본 발명은 상기와 같은 측면에서, 조성물을 대상에 도포하는 단계를 포함하는, 전자기 간섭 차폐 방법을 제공한다.

본 발명의 일 측면인 전자기 간섭 차폐용 조성물은, 전도성 충전제 및 비전도성 충전제를 함유하며, 상기 전도성 충전제가 비전도성 충전제 사이에서 이중 퍼콜레이션된 상태로 존재하기 때문에, 전도성 충전제가 형성하는 네트워크가 집중될 수 있어, 향상된 전기 전도성을 가질 수 있다. 또한, 동일한 양의 전도성 충전제를 사용하더라도, 우수한 전자기 간섭 차폐성능을 갖기 때문에, 고가의 전도성 충전제로 인한 생산 비용을 크게 감축할 수 있다는 장점이 있다.

도 1은, 종래의 탄소나노튜브 함유 조성물을 보이는 도이다.
도 2는, 본 발명의 일 구현예에 따른 비전도성 충전제를 함유한 조성물의 구조를 보이는 도이다.
도 3는, 본 발명의 일 구현예에 따른, 조성물의 전자현미경(SEM) 이미지를 보이는 도이다.
도 4는, 1%의 탄소나노튜브를 함유한 조성물의 실리카 함량에 따른 전기 전도성을 확인한 도이다.
도 5은, 조성물 내 함유되는 실리카의 크기가 나노 사이즈일 때 전기 전도성을 확인한 도이다.

이하, 본 발명을 상세히 설명한다.

본 발명은, 일 측면에서, 전자기 간섭 차폐용 조성물로서, 상기 조성물은, 조성물 총 중량을 기준으로, 0.1~20 중량%의 전도성 충전제; 0.1~80 중량%의 비전도성 충전제; 및 1~95 중량%의 고분자 폴리머 함유 수지를 포함하고, 상기 전도성 충전제는, 비전도성 충전제에 이중 퍼콜레이션된 상태인, 전자기 간섭 차폐용 조성물이다.

일 구현예에서, 상기 조성물은, 전도성 충전제 외에 비전도성 충전제를 포함할 수 있는데, 상기 조성물 내에서, 상기 전도성 충전제와, 비전도성 충전제는, 이중 퍼콜레이션(double percolation) 상태가 되어, 전기 전도성이 우수하다.

이중 퍼콜레이션 구조는, 일반적으로, 두 종류의 고분자를 블렌드하고 거기에 전도성 충전제를 첨가하였을 경우에 첨가한 전도성 충전제가 두 고분자 중에서 어느 한 고분자에 선택적으로 분산되는 특성을 나타낼 때 구현될 수 있다. 구체적으로, 하나의 고분자에 전도성 충전제를 첨가하게 되면 그 고분자 내에서 전도성 충전제가 어느 특정 함량에서 퍼코레이션 구조를 나타내게 된다. 이때 다른 종류의고분자와 블렌드를 하고 전도성 충전제가 오직 한 고분자에만 주로 분산이 될 경우 고분자 블렌드 구조가 상호연속상한 구조를 형성한다면 퍼코레이션 구조 안에서 또 하나의 퍼코레이션 구조가 형성되는 효과가 생기기 때문에, 보다 낮은 전도성 충전제의 함량에서 보다 효율적인 전기적 통로를 형성할 수 있다. 따라서, 전도성 충전제를 포함하는 복합체에서 이중 퍼콜레이션 구조를 구현할 수 있다면 소량의 충전제함량으로도 우수한 전기적 특성을 유도할 수 있다.

일 구현예에서, 상기 조성물은, 조성물 총 중량을 기준으로, 0.1 내지 10 중량%의 커플링제를 더 포함할 수 있다. 상기 커플링제는 실란계 커플링제를 포함할 수 있다. 상기 실란계 커플링제는, 실란 커플링제로서는 γ-클로로프로필 트리메톡시실란, 비닐트리메톡시실란, 비닐트리클로로실란, 비닐트리에톡시실란, 비닐프로필 트리메톡시실란, 비닐-트리스(β-메톡시에톡시)실란, γ-메타크릴록시프로필 트리메톡시실란, γ-아크릴록시프로필 트리메톡시실란, β-(3,4-에폭시시클로헥실)에틸트리메톡시실란, γ-글리시독시프로필 트리메톡시실란, γ-메르캅토프로필 트리메톡시실란, γ-아미노프로필 트리에톡시실란, N-β-(아미노에틸)-γ-아미노프로필 트리메톡시실란, N-β-(아미노에틸)-γ-아미노프로필메틸 디메톡시실란, γ-유레이도프로필 트리에톡시실란, 히드록시에틸(메타)아크릴레이트 인산 에스테르, (메타)아크릴록시옥시에틸애시드포스페이트, 또는 (메타)아크릴록시옥시에틸애시드포스페이트 모노에틸아민하프솔트를 포함할 수 있다.

일 구현예에서, 상기 전도성 충전제는, 직경이 0.1~100nm일 수 있다. 본 명세서에서, "직경"은, 예컨대, 구체 또는 섬유형태의 물질의 횡단면에서, 가장 긴 축의 길이와 가장 짧은 축의 길이를 제외하고, 임의의 두 지점에서 측정한 길이의 평균값을 의미할 수 있다.

일 구현예에서, 상기 비전도성 충전제는, 직경이 1~10㎛일 수 있다.

상기 전도성 충전제와, 비전도성 충전제의 직경이, 상기 범위를 충족시킬 때, 적은 함량의 충전제를 사용하면서도 우수한 전기 전도성을 얻을 수 있다.

또한, 상기 전도성 충전제는, 섬유형태의 충전제, 카본블랙, 그래핀, 전도성 폴리머 및 금속 입자로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상을 포함할 수 있다.

또한, 상기 비전도성 충전제는, 티타늄 디옥사이드, 황산바륨, 탄산칼슘, 실리카, 알루미늄 하이드록사이드, 알루미늄 옥사이드, 카본 나이트라이드, 또는 폴리스타이렌으로 구성된 군으로부터 선택된 하나 이상을 포함할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.

상기와 같은 측면에서, 상기 수지는 열경화성 수지 또는 열가소성 수지를 포함할 수 있다.

상기 열가소성 수지는, 폴리염화비닐 수지, 폴리에틸렌 수지, 폴리프로필렌 수지, 폴리스티렌 수지, 폴리아미드 수지, 아크릴로니트릴-부타디엔-스티렌 수지, 폴리에틸렌 테레프탈레이트 수지 및 이들 중 하나 이상의 혼합물을 포함할 수 있고, 상기 열경화성 수지는, 페놀 수지, 우레아 수지, 에폭시 수지, 및 이들 중 하나 이상의 혼합물을 포함할 수 있다.

일 구현예에서, 상기 섬유 형태의 충전제는, 직경 대비 길이의 비율이 1: 1~5000일 수 있다. 상기 비율이 상기 범위일 때, 전기 전도성이 우수할 수 있다.

또한, 일 구현예에서, 상기 섬유 형태의 충전제는 탄소나노튜브 또는 금속 코팅된 유리 섬유, 금속 나노 와이어를 포함할 수 있다. 예컨대, 상기 금속 나노 와이어는 은 나노 와이어일 수 있다.

상기 충전제가 탄소나노튜브일 때, 전기 전도성이 향상될 뿐만 아니라, 기계적 물성도 향상될 수 있다.

또한, 일 구현예에서, 상기 전도성 폴리머는, 폴리아세틸렌, 폴리피롤, 폴리티오펜, 폴리(3,4-에틸렌 디옥시티오펜) 및 폴리아닐린으로 이루어진 군으로부터 선택되는 하나 이상을 포함할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.

상기 전도성 충전제인 금속 입자의 금속은, 은, 금, 백금, 마그네슘, 알루미늄, 아연, 철, 구리, 니켈 및 주석으로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상을 포함할 수 있다.

또한, 상기 탄소나노튜브는, 단일벽 나노뉴브, 이중벽 나노튜브 및 다중벽 나노튜브 중 하나 이상을 포함할 수 있다.

또한, 상기 금속 코팅된 유리섬유에서, 상기 금속은, 백금, 마그네슘, 알루미늄, 아연, 철, 구리, 니켈 및 주석으로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상을 포함할 수 있다.

일 구현예에서, 상기 조성물은, 분산액을 더 포함할 수 있다. 예컨대, 상기 분산액은, 에탄올, 메탄올, 프로판올, 아세톤, 메틸 에틸 케톤, n-헥산, N,N-디메틸포름아마이드(N,N-Dimethylformamide), N- 메틸피롤리돈(Methylpyrrolidone, NMP) 또는 이들 중 하나 이상의 혼합물일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.

본 발명은 일 측면에서, 상기 조성물을 대상에 도포하는 단계를 포함하는, 전자기 간섭 차폐 방법이다.

이하, 실시예 및 시험예를 들어 본 발명의 구성 및 효과를 보다 구체적으로 설명한다. 그러나 이들 실시예 및 시험예는 본 발명에 대한 이해를 돕기 위해 예시의 목적으로만 제공된 것일 뿐 본 발명의 범주 및 범위가 하기 예에 의해 제한되는 것은 아니다.

[실시예 1] 조성물의 제조

폴리디메틸실록산(Sylgard 184 SILICONE ELASTOMER BASE, 다우 코닝, 한국)과, 직경이 10nm이고, 길이가 5㎛인 다중 벽 탄소나노튜브(Nanocyl) 및 3~7㎛ 크기의 실리카(quarzwerke)를 페이스트 믹서(DAEHWA TECH, PDM-lk)와 3 roll milling 장비(three roll mill, Torrey Hills Technologies)를 사용하여 분산시켜 조성물을 제조하였다. 페이스트 믹서 2000 rpm에서 2분간 혼합하며 3 roll milling를 10분간 작동하여 분산시켰다. 이때, CNT 함량에 따라서 분산제를 사용한다. 상대 비교를 위해서 탄소나노튜브의 함량은 1%으로 고정하였다.

[실험예 1] 조성물 내 실리카 함량에 따른 전기 전도성 확인

실시예 1에서 제조한 조성물을 hot press (Carver M)를 이용하여, 120, 2톤의 압력으로 30분간 처리하여, 약 1mm 두께의 판으로 제조하고, 기구(Keithley 487 picoammeter)를 이용하여, 그 구조를 확인하고(도 4), 전도성을 측정하였다. 그 결과, 실리카의 함량이 높아질수록 전기 전도성도 높아짐을 확인할 수 있었다(도 5).

[비교예 1] 실리카의 크기에 따른 전기 전도성 확인

나노 사이즈의 실리카(입자크기: 10~20 nm)를 사용하는 점만 제외하고, 실시예 1과 동일한 방법으로, 조성물을 제조하고, 실험예 1과 동일한 방법으로 전기 전도성을 확인하였다. 그 결과, 실험예 1과 달리, 실리카의 함량이 증가할 수록, 전기 전도성이 저하됨을 알 수 있었다(도 6).

1: 탄소 나노튜브
2: 비전도성 충전제

Claims

전자기 간섭 차폐용 조성물로서,
상기 조성물은, 조성물 총 중량을 기준으로,
0.1~20 중량%의 전도성 충전제;
1~80 중량%의 비전도성 충전제; 및
1~95 중량%의 고분자 폴리머 함유 수지를 포함하고,
상기 전도성 충전제는, 비전도성 충전제에 이중 퍼콜레이션된 상태인, 전자기 간섭 차폐용 조성물.
제1항에 있어서,
상기 조성물은,
조성물 총 중량을 기준으로 0.1 내지 10 중량%의 커플링제를 더 포함하는, 전자기 간섭 차폐용 조성물.
제1항에 있어서,
상기 전도성 충전제는, 직경이 0.1~100nm인, 전자기 간섭 차폐용 조성물.
제1항에 있어서,
상기 비전도성 충전제는 직경이 1~10㎛인, 전자기 간섭 차폐용 조성물.
제1항에 있어서,
상기 전도성 충전제는,
섬유형태의 충전제, 카본블랙, 그래핀, 전도성 폴리머 및 금속 입자로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상을 포함하는, 전자기 간섭 차폐용 조성물.
제1항에 있어서,
상기 비전도성 충전제는, 티타늄 디옥사이드, 황산바륨, 탄산칼슘, 알루미늄 옥사이드, 알루미늄 하이드록사이드, 실리카, 카본 나이트라이드, 및 폴리스타이렌으로 구성된 군으로부터 선택된 하나 이상을 포함하는, 전자기 간섭 차폐용 조성물.
제1항에 있어서,
상기 수지는, 열가소성 수지, 열경화성 수지 또는 이들의 혼합물을 포함하는, 전자기 간섭 차폐용 조성물.
제7항에 있어서,
상기 열가소성 수지는, 폴리염화비닐 수지, 폴리에틸렌 수지, 폴리프로필렌 수지, 폴리스티렌 수지, 폴리아미드 수지, 아크릴로니트릴-부타디엔-스티렌 수지, 폴리에틸렌 테레프탈레이트 수지 및 이들 중 하나 이상의 혼합물을 포함하고,
상기 열경화성 수지는, 페놀 수지, 우레아 수지, 에폭시 수지, 및 이들 중 하나 이상의 혼합물을 포함하는, 전자기 간섭 차폐용 조성물.
제5항에 있어서,
상기 섬유 형태의 충전제는,
직경 대비 길이의 비율이 1: 1~5000인, 전자기 간섭 차폐용 조성물.
제5항에 있어서,
상기 섬유 형태의 충전제는,
탄소나노튜브 또는 금속 코팅된 유리 섬유를 포함하는, 전자기 간섭 차폐용 조성물.
제5항에 있어서,
상기 전도성 폴리머는, 폴리아세틸렌, 폴리피롤, 폴리티오펜, 폴리(3,4-에틸렌 디옥시티오펜) 및 폴리아닐린으로 이루어진 군으로부터 선택되는 하나 이상을 포함하는, 전자기 간섭 차폐용 조성물.
제5항에 있어서,
상기 금속은, 은, 금, 백금, 마그네슘, 알루미늄, 아연, 철, 구리, 니켈 및 주석으로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상을 포함하는, 전자기 간섭 차폐용 조성물.
제10항에 있어서,
상기 탄소나노튜브는,
단일벽 나노뉴브, 이중벽 나노튜브 및 다중벽 나노튜브 중 하나 이상을 포함하고,
상기 금속은, 백금, 마그네슘, 알루미늄, 아연, 철, 구리, 니켈 및 주석으로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상을 포함하는 전자기 간섭 차폐용 조성물.
제2항에 있어서,
상기 커플링제는, 실란계 커플링제를 포함하는, 전자기 간섭 차폐용 조성물.
제1항 내지 제14항 중 어느 한 항의 조성물을, 대상에 도포하는 단계를 포함하는, 전자기 간섭 차폐 방법.