KR20180093763A - 전도성 장갑 및 그 제조방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 일 실시예는 장갑 및 상기 장갑의 표면 중 적어도 일부에 형성된 코팅층을 포함하고, 상기 코팅층은 라텍스 및 수분산 탄소나노튜브를 포함하는 전도성 수지 조성물로 이루어지고, 상기 수분산 탄소나노튜브는 탄소나노튜브 1~10중량%, 제1 계면활성제 1~10중량%, 및 잔량의 물을 포함하는 전도성 장갑 및 그 제조방법을 제공한다.

Description

전도성 장갑 및 그 제조방법{A SUPPORTED GLOVES HAVING ELECTRIC CONDUCTIVITY AND A METHOD FOR MANUFACTURING THE SAME}
본 발명은 전도성 장갑 및 그 제조방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 표면에 형성된 코팅층에 의해 전도성이 부여된 전도성 장갑 및 그 제조방법에 관한 것이다.
일반적으로 직조된 장갑은 손에 착용하여 보호하는 기능을 하는 반면에, 기름이나 물 등의 액체가 닿는 경우에 내부로 스며드는 단점이 있고, 또한 손바닥의 파지부분의 마모가 쉽고 마찰력이 없다는 단점이 있다.
한편, 근래에 전자 제품 또는 전자 설비의 고기능화 및 다양화에 따라 터치 패널이 설치된 전자 장치들이 점점 많아지고 있다. 이러한 전자 장치를 사용하는 사람들은 손가락 또는 터치 펜과 같은 다른 부재를 이용하여 터치 패널을 접촉함으로써 전자 장치에 정보를 입력할 수 있다. 터치 패널은 예를 들어 저항 압력 방식, 정전용량 방식, 적외선 방식 등으로 작동될 수 있다. 특히, 스마트폰 사용자들이 많이 늘고 있고, 스마트폰에서는 터치 능력이 우수한 정전용량 방식을 많이 사용한다. 정전용량 방식은 전도성이 있는 특정 물체가 터치 패널을 접촉했을 때 발생하는 정전용량의 변화를 감지하는 것이다. 인체도 미세 전류가 통하므로 사용자가 손가락으로 정전용량 방식의 터치 패널을 접촉하였을 때 터치한 부분에서의 정전용량이 변하고, 이 변화를 감지하여 특정의 입력부를 접촉하였음을 검출한다.
이와 같이 정전용량 방식의 터치 패널은 전도성을 가지는 물체 또는 사람이 터치 패널을 접촉하는 경우에 작동할 수 있다. 그런데, 사용자가 일반적인 장갑, 예를 들어 가죽 장갑이나 섬유 원단으로 만든 우븐 장갑, 실로 짠 니트 장갑을 낀 채로 터치 패널을 접촉하는 경우에는 이런 장갑류는 부도체이므로 터치 패널이 작동을 하지 않는다. 따라서, 겨울철에 스마트폰을 사용하고자 할 때에는 장갑을 빼고 사용해야 하는 불편함이 있다. 이러한 불편함은 스마트폰 뿐만 아니라 터치 패널을 구비한 여러 가지 전자 제품을 사용하는 경우에도 발생될 수 있다. 예를 들어, 장갑을 끼고 작업을 해야 하는 직종을 가진 사람들의 경우, 어떤 전자 제품에 터치 패널을 통해 입력을 하고자 할 때 장갑을 벗은 다음 입력을 해야 하므로 불편하고 작업 능률이 저하될 수 있다.
따라서, 장갑의 손바닥부의 외면이 내마모성을 가지고 우수한 마찰력을 발휘할 수 있도록 하여, 거친 작업을 하더라도 작업자의 손에 부상을 입지 않도록 하면서, 장갑을 끼고 작업을 하는 동안에도 어떤 전자 제품에 터치패널을 통해 입력을 하는 것이 가능한 제품의 개발이 요구되고 있다.
관련하여, 대한민국등록특허 제10-1468988호는 장갑 외부에, 전도성 물질을 포함하는 제1 코팅층, 라텍스를 포함하는 제2 코팅층, 및 전도성 물질을 포함하는 제3 코팅층을 포함하는 것을 특징으로 하는 터치 패널용 장갑을 개시하나, 상기 제1 및 제3 코팅층이 수분 100중량부에 대해 전도성 물질 35중량부를 포함하므로, 즉, 코팅액 중 과량의 전도성 물질을 포함하므로 내구성, 성형성이 저하되고, 전도성 물질의 분산성이 낮아져 코팅층의 각 영역에서 전도성이 균일하게 구현되지 않으며, 경제적으로도 불리한 문제가 있다.
본 발명은 전술한 종래기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 본 발명의 목적은 장갑의 코팅층을 형성하는 조성물에서 전도성 물질의 분산성을 향상시켜 내구성과 성형성이 우수하고 코팅층의 각 영역에서 균일한 전도성을 구현하고 경제적으로 유리한 전도성 장갑 및 그 제조방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 일 측면은, 장갑 및 상기 장갑의 표면 중 적어도 일부에 형성된 코팅층을 포함하고, 상기 코팅층은 라텍스 및 수분산 탄소나노튜브를 포함하는 전도성 수지 조성물로 이루어지고, 상기 수분산 탄소나노튜브는 탄소나노튜브 1~10중량%, 제1 계면활성제 1~10중량%, 및 잔량의 물을 포함하는 전도성 장갑을 제공한다.
일 실시예에 있어서, 상기 라텍스는 니트릴 고무, 아크릴로니트릴-부타디엔 고무, 스티렌-부타디엔 고무, 부타디엔 고무, 천연 고무, 수분산 폴리우레탄(polyurethane dispersion) 및 이들 중 2 이상의 혼합물로 이루어진 군에서 선택된 하나일 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 탄소나노튜브는 단일벽 탄소나노튜브, 다중벽 탄소나노튜브 및 이들의 혼합물로 이루어진 군에서 선택된 하나일 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 수분산 탄소나노튜브의 함량은 상기 라텍스 100부피부에 대해 1~20부피부일 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 수분산 탄소나노튜브는 상기 탄소나노튜브 및 상기 제1 계면활성제를 각각 1 : 0.5~1.5의 중량비로 포함할 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 라텍스는 제2 계면활성제를 더 포함할 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 제1 및 제2 계면활성제는 음이온 계면활성제일 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 제1 및 제2 계면활성제가 동일한 것일 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 음이온 계면활성제는 알킬벤젠술포네이트, 알코올설페이트, 알코올에테르술포네이트, 알킬페놀에테르술포네이트, 알파올레핀술포네이트, 파라핀술포네이트, 에스테르술포숙시네이트, 포스페이트에스테르, 소듐도데실벤젠술포네이트 및 이들 중 2 이상의 혼합물로 이루어진 군에서 선택된 하나일 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 코팅층의 표면저항은 103~109Ω/sq일 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 전도성 수지 조성물은 상기 라텍스의 고형분 100부피부에 대해, 상기 수분산 탄소나노튜브의 고형분 0.1~1.0부피부를 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 일 측면은, (a) 탄소나노튜브 1~10중량%, 제1 계면활성제 1~10중량%, 및 잔량의 물을 포함하는 수분산 탄소나노튜브를 제조하는 단계; (b) 상기 수분산 탄소나노튜브, 라텍스, 첨가제를 혼합하여 전도성 수지 조성물을 제조하는 단계; 및 (c) 상기 전도성 수지 조성물에 장갑의 적어도 일부를 딥핑(dipping)한 후 건조하는 단계;를 포함하는 전도성 장갑의 제조방법을 제공한다.
일 실시예에 있어서, 상기 (a) 단계는 비드 밀, 믹서, 균질기, 초음파 분산기 및 이들 중 2 이상의 조합으로 이루어진 군에서 선택된 하나를 이용하여 이루어질 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 (b) 단계에서 상기 혼합이 2~10시간 동안 이루어질 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 라텍스는 제2 계면활성제를 더 포함할 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 제1 및 제2 계면활성제는 음이온 계면활성제일 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 제1 및 제2 계면활성제가 동일한 것일 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 음이온 계면활성제는 알킬벤젠술포네이트, 알코올설페이트, 알코올에테르술포네이트, 알킬페놀에테르술포네이트, 알파올레핀술포네이트, 파라핀술포네이트, 에스테르술포숙시네이트, 포스페이트에스테르, 소듐도데실벤젠술포네이트 및 이들 중 2 이상의 혼합물로 이루어진 군에서 선택된 하나일 수 있다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 계면활성제를 포함하는 수분산 탄소나노튜브 및 라텍스를 포함하는 전도성 수지 조성물로 이루어진 장갑의 코팅층은 내구성(내마모성), 성형성이 우수하고, 전도성 물질인 탄소나노튜브의 분산성이 우수하여 코팅층의 각 영역에서 균일한 전도성을 구현할 수 있다.
본 발명의 효과는 상기한 효과로 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 상세한 설명 또는 청구범위에 기재된 발명의 구성으로부터 추론 가능한 모든 효과를 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 전도성 수지 조성물의 TEM 이미지이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 전도성 장갑의 내마모성 실험결과를 나타낸다.
이하에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명을 설명하기로 한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며, 따라서 여기에서 설명하는 실시예로 한정되는 것은 아니다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 "연결"되어 있다고 할 때, 이는 "직접적으로 연결"되어 있는 경우뿐 아니라, 그 중간에 다른 부재를 사이에 두고 "간접적으로 연결"되어 있는 경우도 포함한다. 또한 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 구비할 수 있다는 것을 의미한다.
전도성 장갑
본 발명의 일 측면은, 장갑 및 상기 장갑의 표면 중 적어도 일부에 형성된 코팅층을 포함하고, 상기 코팅층은 라텍스 및 수분산 탄소나노튜브를 포함하는 전도성 수지 조성물로 이루어지고, 상기 수분산 탄소나노튜브는 탄소나노튜브 1~10중량%, 제1 계면활성제 1~10중량%, 및 잔량의 물을 포함하는 전도성 장갑을 제공한다.
상기 라텍스는 니트릴 고무, 아크릴로니트릴-부타디엔 고무, 스티렌-부타디엔 고무, 부타디엔 고무, 천연 고무, 수분산 폴리우레탄(polyurethane dispersion) 및 이들 중 2 이상의 혼합물로 이루어진 군에서 선택된 하나일 수 있고, 바람직하게는, 아크릴로니트릴-부타디엔 고무일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 라텍스는 중합 매질이 되는 물에 단량체 뿐만 아니라 유화제(계면활성제), 개시제 등의 성분이 함께 첨가되어 수행되므로, 유화중합 후 제조된 상기 라텍스에는 수중에 분산된 고무 입자 및 일정 량의 유화제(계면활성제)가 잔류할 수 있다.
상기 수분산 탄소나노튜브는 탄소나노튜브, 제1 계면활성제 및 잔량의 물을 포함할 수 있다. 일반적으로 탄소나노튜브 자체는 분말 상으로 제공되고, 이러한 분말 상의 탄소나노튜브는 라텍스와 배합 시 상용성이 낮아 라텍스와 균일하게 혼합될 수 없어 분산성이 낮은 문제가 있다. 따라서, 상기 탄소나노튜브를 제1 계면활성제의 존재 하에서 수중에 선(先) 분산시키고, 이러한 수분산 탄소나노튜브와 라텍스를 혼합함으로써 탄소나노튜브와 라텍스의 상용성과 분산성을 향상시킬 수 있다. 상기 제1 계면활성제는 상기 탄소나노튜브의 표면에 1차적으로 결합하여 상기 수분산 탄소나노튜브에서 상기 탄소나노튜브의 분산성을 향상시킬 수 있다.
또한, 상기 전도성 수지 조성물은 일정 량의 고형분을 포함하는 라텍스 및 수분산 탄소나노튜브를 혼합하여 생성된 것으로서, 이들 각각에 포함된 고형분은 수성 매질, 즉, 물을 통해 혼합된다. 다만, 상기 고형분은 본질적으로 소수성이므로 수성 매질과의 상용성이 낮고, 이에 따라 수성 매질에서의 분산성이 낮은 문제가 있다.
상기 라텍스는 일정 량의 유화제, 즉, 제2 계면활성제를 포함할 수 있고, 이 때, 상기 수분산 탄소나노튜브에 포함된 제1 계면활성제와, 상기 라텍스에 포함된 제2 계면활성제를 동일한 성질, 바람직하게는, 동일한 종류의 것으로 선택함으로써, 상기 라텍스와 상기 수분산 탄소나노튜브의 습윤 컴파운딩(wet compounding) 시 이들의 원활한 배합 및 균일한 분산을 유도할 수 있다.
상기 제1 및 제2 계면활성제는 음이온 계면활성제일 수 있고, 상기 제1 및 제2 계면활성제가 동일한 것일 수 있다.
예를 들어, 상기 음이온 계면활성제는 알킬벤젠술포네이트, 알코올설페이트, 알코올에테르술포네이트, 알킬페놀에테르술포네이트, 알파올레핀술포네이트, 파라핀술포네이트, 에스테르술포숙시네이트, 포스페이트에스테르, 소듐도데실벤젠술포네이트 및 이들 중 2 이상의 혼합물로 이루어진 군에서 선택된 하나일 수 있고, 바람직하게는, 소듐도데실벤젠술포네이트일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 수분산 탄소나노튜브 중 상기 탄소나노튜브의 함량이 1중량% 미만이면 코팅층에 충분한 전도성을 부여할 수 없고, 10중량% 초과이면 내구성, 성형성이 저하되고, 탄소나노튜브의 분산성이 낮아져 코팅층의 각 영역에서 전도성이 균일하게 구현되지 않으며, 경제적으로도 불리한 문제가 있다.
또한, 상기 수분산 탄소나노튜브 중 상기 제1 계면활성제의 함량이 1중량% 미만이면 탄소나노튜브의 분산성 및 라텍스와의 상용성이 저하될 수 있고, 10중량% 초과이면 탄소나노튜브 및 라텍스의 상대적인 함량이 적어져 코팅층의 전도성, 내구성이 저하될 수 있다.
상기 탄소나노튜브는 부도체인 라텍스 및/또는 고무에 전기 및 열 전도성(이하, '전도성'으로 통칭함)을 부여하기 위한 물질로, 상기 탄소나노튜브가 혼련된 전도성 수지 조성물로 장갑의 표면을 코팅하여 장갑의 표면에 필요한 전도성을 부여할 수 있다.
상기 탄소나노튜브는 벽의 개수에 따라 단일벽 탄소나노튜브(Single wall carbon nanotube), 이중벽 탄소나노튜브(Double wall carbon nanotube), 다중벽 탄소나노튜브(Multi wall carbon nanotube), 절두된 원뿔형의 그래핀(truncated graphene)이 다수 적층된 중공관 형태의 탄소나노섬유(cup-stacked carbon nanofiber), 및 이들 중 2 이상의 혼합물로 이루어진 군으로부터 선택되는 하나일 수 있고, 바람직하게는, 제조의 용이성 및 경제성이 우수한 다중벽 탄소나노튜브일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 다발형 탄소나노튜브는 평균 외경이 5~50㎚이고, 평균 내경이 상기 평균 외경의 40% 이상, 바람직하게는, 40~90%인 복수의 단일가닥 다중벽 탄소나노튜브가 상호 응집되어 다발(bundle) 형태로 존재할 수 있다. 상기 외경은 탄소나노튜브의 벽을 이루는 그래파이트 층이 포함된 탄소나노튜브 횡단면의 직경을 의미하고, 상기 내경은 그래파이트 층이 제외된 중공 횡단면의 직경을 의미한다.
이 때, 상기 탄소나노튜브 단일 가닥의 평균 외경이 8㎚ 미만이거나 50㎚ 초과이면 이들이 응집되어 형성된 다발형 탄소나노튜브의 평균 다발 직경이 후술할 범위로 조절되지 않으므로, 상기와 같은 외경의 범위를 가지는 탄소나노튜브를 사용하는 것이 바람직할 수 있다. 본 명세서에서 사용된 용어, "다발(bundle)"은 복수의 탄소나노튜브가 나란하게 배열되거나 상호 엉킨 상태의 번들 혹은 로프 형태를 지칭하는 것으로, 이와 달리 복수의 탄소나노튜브가 일정한 형상을 이루지 않고 존재하는 경우 "비번들형"이라 지칭하기도 한다.
상기 다발형 탄소나노튜브는 기본적으로 복수의 탄소나노튜브, 바람직하게는, 복수의 다중벽 탄소나노튜브가 상호 응집된 형태로 존재할 수 있다. 각각의 탄소나노튜브 및 그 다발은 직선형, 곡선형, 또는 이들이 혼합된 형태일 수 있다.
또한, 상기 탄소나노튜브 단일 가닥, 즉, 다중벽 탄소나노튜브의 평균 내경이 상기 평균 외경의 40% 미만이면 탄소나노튜브의 내부 용적이 감소하여 전도성이 저하될 수 있으므로, 상기 탄소나노튜브의 평균 내경이 상기 평균 외경의 40% 이상일 수 있다.
상기 다발형 탄소나노튜브는 분말 상의 것을 기계적, 물리적으로 타정하여 펠릿 형태로 가공한 것일 수 있다. 펠릿 형태로 가공된 다발형 탄소나노튜브는 작업 간 분말이 비산되는 것을 방지하여 작업 환경을 개선할 수 있다.
본 명세서에서 사용된 용어, "라만 분광법"은 레이저 광과 같은 단색의 여기 광을 쬐었을 때, 분자의 진동수만큼의 차이가 있는 산란광이 생기는 현상인 라만 효과(Raman effect)에서 분자의 진동수를 구하는 분광법을 의미하는 것으로, 이러한 라만 분광법을 통해 탄소나노튜브의 결정성을 수치화하여 측정할 수 있다.
상기 탄소나노튜브의 라만 스펙트럼 중 파수 1580±50㎝-1 영역에 존재하는 피크를 G 밴드라고 하며, 이는 탄소나노튜브의 sp2 결합을 나타내는 피크로서, 구조적 결함이 없는 탄소 결정을 나타내는 것이다. 또한, 파수 1360±50㎝-1 영역에 존재하는 피크를 D 밴드라고 하며, 이는 탄소나노튜브의 sp3 결합을 나타내는 피크로서, 구조적 결함을 가지는 탄소를 나타내는 것이다.
나아가, 상기 G 밴드 및 D 밴드의 피크 값을 각각 IG 및 ID라고 하며, 양자 간 비율인 라만 분광 강도비(IG/ID)를 통해 탄소나노튜브의 결정성을 수치화하여 측정할 수 있다. 즉, 라만 분광 강도비가 높은 값을 나타낼수록 탄소나노튜브의 구조적 결함이 적은 것을 의미하므로, 상기 라만 분광 강도비가 높은 값을 나타내는 탄소나노튜브를 사용하는 경우, 보다 우수한 전도성을 구현할 수 있다.
구체적으로, 상기 탄소나노튜브의 라만 분광 강도비(IG/ID)가 1.0 이상일 수 있다. 상기 탄소나노튜브의 IG/ID 값이 1.0 미만이면 비정질 탄소가 다량 함유되어 탄소나노튜브의 결정성이 불량하고, 이에 따라 상기 라텍스와 혼합 시 전도성 향상 효과가 미약할 수 있다.
또한, 탄소나노튜브는 탄소 함량이 높을수록 촉매와 같은 불순물이 적어 우수한 전도성을 구현할 수 있으므로, 상기 탄소나노튜브의 탄소 순도가 95% 이상, 바람직하게는, 95~98%, 더 바람직하게는, 96.5~97.5%일 수 있다.
상기 탄소나노튜브의 탄소 순도가 95% 미만이면 탄소나노튜브의 구조적 결함이 유발되어 결정성이 저하될 수 있고, 탄소나노튜브가 외부 자극에 의해 쉽게 절단, 파괴될 수 있다.
상기와 같은 단일 가닥 탄소나노튜브가 다발 형태로 응집되어 형성된 다발형 탄소나노튜브의 평균 다발 직경이 1~10㎛, 바람직하게는, 3~5㎛, 더 바람직하게는, 3.5~4.5㎛일 수 있고, 평균 다발 길이가 10~100㎛, 바람직하게는, 30~60㎛, 더 바람직하게는, 45~55㎛일 수 있다.
상기 다발형 탄소나노튜브는 전도성 수지 조성물 중에 분산되어 3차원 네트워크 구조를 형성할 수 있고, 이러한 네트워크 구조가 견고하게 형성될수록 전도성이 향상될 수 있다. 특히, 상기 다발형 탄소나노튜브의 평균 다발 직경과 평균 다발 길이를 일정 범위로 조절함으로써 상기 네트워크 구조를 견고하게 형성할 수 있다.
상기 다발형 탄소나노튜브의 평균 다발 직경이 1㎛ 미만이거나 평균 다발 길이가 100㎛ 초과이면 분산성이 저하되어 상기 전도성 장갑에서 코팅층의 부위별 전도성이 불균일해질 수 있고, 평균 다발 직경이 10㎛ 초과이거나 평균 다발 길이가 10㎛ 미만이면 네트워크 구조가 불안정해지면서 전도성이 저하될 수 있다.
상기 다발형 탄소나노튜브에 포함된 산소 함량이 높을수록 전도성은 낮아지기 때문에, 산소 함량이 낮은 탄소나노튜브를 사용할 수 있다. 구체적으로, 상기 다발형 탄소나노튜브의 산소 함량이 상기 다발형 탄소나노튜브의 총 중량을 기준으로 0.5중량% 이하, 바람직하게는, 0.1~0.5중량%일 수 있다.
한편, 상기 전도성 수지 조성물 중 상기 수분산 탄소나노튜브의 함량은 상기 라텍스 100부피부에 대해 1~20부피부, 바람직하게는, 1~10부피부일 수 있고, 상기 전도성 수지 조성물은 상기 라텍스의 고형분 100부피부에 대해, 상기 수분산 탄소나노튜브의 고형분 0.1~1.0부피부를 포함할 수 있다.
상기 수분산 탄소나노튜브의 함량이 라텍스 100부피부에 대해 1부피부 미만이면 코팅층에 충분한 전도성을 부여할 수 없고, 20부피부 초과이면 전도성 수지 조성물의 코팅성, 성형성이 저하될 수 있다.
상기 수분산 탄소나노튜브는 상기 탄소나노튜브 및 상기 제1 계면활성제를 각각 1 : 0.5~1.5의 중량비로 포함할 수 있다. 상기 탄소나노튜브 및 상기 제1 계면활성제의 비율이 상기 범위를 벗어나면 상기 탄소나노튜브의 분산성이 저하되어 상기 전도성 장갑에서 코팅층의 부위별 전도성이 불균일해지고 내마모성이 저하될 수 있다.
또한, 상기 전도성 수지 조성물은 KOH와 같은 안정제, 황, 산화아연, 촉진제(EZ: Zinc Diethyldithiocarbamate), 거품안정제, 응고제, 정포제, 증점제와 같은 성분을 더 포함할 수 있다.
상기 안정제, 예를 들어, KOH는, 상기 라텍스가 니트릴 고무인 경우 10중량%의 농도로 희석되어 사용될 수 있고, 상기 라텍스가 아크릴로니트릴-부타디엔 고무인 경우 라텍스의 임의 응집을 방지하기 위해 5중량%의 농도로 더 희석되어 사용될 수 있다. 상기 거품안정제는 라텍스를 안정화시킴과 동시에 거품의 파괴를 방지하는 역할을 수행할 수 있다.
상기 응고제는 반응 온도가 약 55~80℃인 것을 사용할 수 있다. 상기 정포제, 바람직하게는 실리콘 정포제는 50중량%의 농도로 희석되어 사용될 수 있다.
상기 증점제는 아크릴레이트계 알칼리형 증점제일 수 있고, 바람직하게는 20중량%의 농도로 희석되어 사용될 수 있다.
상기 코팅층의 표면저항은 103~109Ω/sq일 수 있다.
전도성 장갑의 제조방법
본 발명의 다른 일 측면은, (a) 탄소나노튜브 1~10중량%, 제1 계면활성제 1~10중량%, 및 잔량의 물을 포함하는 수분산 탄소나노튜브를 제조하는 단계; (b) 상기 수분산 탄소나노튜브, 라텍스, 첨가제를 혼합하여 전도성 수지 조성물을 제조하는 단계; 및 (c) 상기 전도성 수지 조성물에 장갑의 적어도 일부를 딥핑(dipping)한 후 건조하는 단계;를 포함하는 전도성 장갑의 제조방법을 제공한다.
상기 (a) 단계에서 사용 가능한 분산기로는 다음과 같은 유형을 들 수 있다.
첫 번째 유형은 직접 분쇄 방식을 이용한 비드 밀(Beads Mill) 또는 믹서(Mixer) 등이다. 분쇄 매체(Grinding Media)로 비드(Beads)를 사용하는 설비를 총칭하는 개념인 비드 밀은, 볼 밀(Ball Mill), 어트리션 밀(Attrition Mill), 수직밀(Disk type, Pin type), 수평밀(Disk type, Pin type, High Energy Mill), 페인트 쉐이커(Paint Shaker) 등으로 구분할 수 있다. 이 중 대표적으로 볼 밀은 볼 모양의 분쇄 매체를 사용하는 회전 밀이며, 어트리션 밀은 롤러의 마찰력을 이용하여 분쇄를 수행하는 설비이다. 한편, 믹서로서는 3단 롤밀(Three-roll Mill), 자전 공전식 믹서기(Planetary Mixer), 페이스트 믹서기(Paste Mixer) 등을 예로 들 수 있다. 이러한 직접 분쇄 방법으로는 습식 방법을 많이 이용하나, 이에 한정되는 것은 아니다.
두 번째 유형은 균질기(Homogenizer)이다. 상기 균질기는 유압 펌프에 의해 구동되는 피스톤을 이용하여 입자가 미세 노즐을 통과하도록 하고 미세 노즐을 통과할 때 발생하는 압력의 차이에 의해 입자가 분쇄되도록 하는 유압식과, 균질기 내부에 설치된 고정자와 고속으로 회전하는 회전자 간극에서 발생하는 높은 전단력을 이용하여 입자를 분쇄하고 균질화하는 회전식으로 구분될 수 있다. 바람직하게는, 유압식 균질기, 더 바람직하게는, 고압 균질기(high pressure homogenizer)가 이용될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
세 번째 유형은 초음파 분산기이다. 상기 초음파 분산기는 초음파의 음압 효과와 공동(Cavitation)을 이용하는 장치이다. 주파수가 증가하면서 높은 에너지의 공동이 만들어지는데, 이러한 공동이 형성되는 동안 수많은 미세 기포들이 형성 및 파열하면서 발생하는 에너지와 충격파로 입자들이 분쇄, 분산될 수 있다. 즉, 기포의 형성 및 파열로 인한 진동 에너지가 입자의 분쇄 및 분산에 필요한 힘으로 작용한다.
상기 탄소나노튜브 용액의 제조에 사용되는 분산기로 3가지 유형을 예시하였으나, 3가지 중 하나 이상의 분산기가 선택될 수 있다. 또한, 2가지 이상의 유형이 병용될 때에는 어느 유형의 분산기가 먼저 사용되어도 무방하다. 예를 들어, 균질기만 사용될 수 있으나, 초음파 분산기가 함께 사용될 수도 있고, 그 선후 관계는 상호 역일 수 있다.
상기 (b) 단계는 상기 라텍스와 상기 수분산 탄소나노튜브를 KOH와 같은 안정제, 황, 산화아연, 촉진제(EZ: Zinc Diethyldithiocarbamate), 거품안정제, 응고제, 정포제, 증점제와 같은 성분의 존재 하에서 혼합, 즉, 습윤 컴파운딩(wet compounding)하는 단계로서, 상기 전도성 수지 조성물에서 탄소나노튜브의 분산성을 필요한 수준으로 구현하기 위해서는 상기 혼합이 2시간 이상, 바람직하게는, 2~10시간 동안 이루어질 수 있다. 상기 습윤 컴파운딩 시 추가로 사용되는 안정제, 황, 산화아연, 촉진제(EZ: Zinc Diethyldithiocarbamate), 거품안정제, 응고제, 정포제, 증점제의 종류와 그 작용효과에 대해서는 전술한 것과 같다.
상기 라텍스는 제2 계면활성제를 더 포함할 수 있고, 상기 제1 및 제2 계면활성제는 음이온 계면활성제일 수 있으며, 바람직하게는, 상기 제1 및 제2 계면활성제가 동일한 것일 수 있다.
상기 음이온 계면활성제는, 예를 들어, 알킬벤젠술포네이트, 알코올설페이트, 알코올에테르술포네이트, 알킬페놀에테르술포네이트, 알파올레핀술포네이트, 파라핀술포네이트, 에스테르술포숙시네이트, 포스페이트에스테르, 소듐도데실벤젠술포네이트 및 이들 중 2 이상의 혼합물로 이루어진 군에서 선택된 하나일 수 있고, 바람직하게는, 소듐도데실벤젠술포네이트일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 (a) 내지 (c) 단계에서 사용되는 물질의 종류와 함량(첨가량), 및 그 작용효과에 대해서는 전술한 것과 같다.
이하, 본 발명의 실시예에 관하여 상세히 설명하기로 한다.
실시예 1
DIW 940g에 음이온 계면활성제인 소듐도데실벤젠설포네이트(SDBS) 30g, 다중벽 탄소나노튜브 분말 30g을 첨가하여 혼합액을 제조하였다. 상기 혼합액을 혼 타입의 초음파 분산기를 이용하여 250W의 전력 출력에너지에서 0.5시간 동안 처리하여 다중벽 탄소나노튜브 분말이 균일하게 분산된 현탁액을 제조하였다.
실시예 2
DIW 940g에 음이온 계면활성제인 소듐도데실벤젠설포네이트(SDBS) 30g, 다중벽 탄소나노튜브 분말 30g을 첨가하여 혼합액을 제조하였다. 상기 혼합액을 비드 밀 타입의 분산기로 처리하여 다중벽 탄소나노튜브 분말이 균일하게 분산된 현탁액을 제조하였다. 상기 비드 밀에서 비드는 지르코니아 비드이며, 그 크기는 0.3mm 내지 1.5mm, 평균 크기는 1.0mm이다.
제조예 1
상기 실시예 2에서 제조된 현탁액, NBR 라텍스, 및 그 외 첨가제를 하기 표 1의 조성비로 3시간 동안 혼합하여(wet compounding) 전도성 수지 조성물을 제조하였다. 상기 전도성 수지 조성물 중 상기 현탁액의 함량은 제1 NBR 라텍스 100부피부에 대해 7부피부(다중벽 탄소나노튜브 고형분: 0.47phr)이다. 면 장갑의 하면(손바닥 부분)을 1개 당 상기 전도성 수지 조성물 20~30g에 딥핑(dipping)한 후(제조예 1-1: 20g, 제조예 1-2: 30g), 150℃에서 40분 동안 건조시켜 전도성 장갑을 제조하였다.
성분 함량(부피부) 고형분(%) 고형분(phr) 비고
제1 NBR 라텍스 222.22 45 100.00 점도: 80cps
pH: 8.2
표면장력: 32dyne/cm
현탁액 15.67 3 0.47 실시예 2에서 제조된 현탁액
KOH 10.00 5 0.50 안정제
ZnO 2.00 50 1.00 -
S 1.00 50 0.50 -
EZ 1.00 50 0.50 Zinc Diethyldithiocarbamate
거품안정제 1.00 45 0.45 Dowfax 2A1 (Dow)
응고제 1.00 15 0.15 열 딥핑용 응고제
Coagulant-WS (Lanxess)
정포제 2.00 50 1.00 실리콘 정포제
193C (Dow Corning)
증점제 5.00 20 1.00 아크릴레이트계 알칼리 증점제
HV 9000 (28%)
비교제조예 1
상기 표 1의 성분 중 현탁액을 생략한 것을 제외하면 상기 제조예 1-1과 동일한 방법으로 전도성 장갑을 제조하였다.
실험예 1
도 1은 상기 제조예 1-2에 따른 전도성 수지 조성물의 TEM 이미지이다. 도 1을 참고하면, 각각의 성분이 습윤 상태로 혼합된 전도성 수지 조성물(wet compounding)에서 탄소나노튜브 분말이 균일하게 분산되었고, 이로부터 건조 상태로 혼합된 것에 비해 소량의 탄소나노튜브를 사용하더라도 분산성 및 라텍스와의 상용성이 현저히 향상됨을 알 수 있다.
상기 제조예 1-1, 1-2, 및 비교제조예 1에 따른 (전도성) 장갑의 전기전도성을 SIMCO ST-4로 측정하여 그 결과를 하기 표 2에 나타내었다.
구분(회차) 비교제조예 1 제조예 1-1 제조예 1-2
1 11.5 5.4 5.6
2 11.2 5.4 5.6
3 11.2 5.4 5.5
4 11.0 5.5 5.5
5 11.0 5.4 5.7
평균 11.18 5.42 5.58
(단위: logΩ/sq.)
상기 표 2를 참고하면, 소량의 탄소나노튜브가 첨가된 제조예 1-1, 1-2의 경우 비교제조예 1에 비해 현저히 낮은 표면저항을 나타내었다.
한편, 상기 제조예 1-1, 1-2, 및 비교제조예 1에 따른 (전도성) 장갑의 내마모성을 시험규격 EN 388에 의거하여 평가하였다. 구체적으로, 상기 장갑에서 전도성 수지 조성물이 도포된 부분이 찢어지기까지의 마모횟수(cycle)가 많을수록 고강도로 평가하였고(Class 1: 100회, Class 2: 500회, Class 3: 2,000회, Class 4: 8,000회), 그 결과를 하기 표 3 및 도 2에 나타내었다.
구분 비교제조예 제조예 1 제조예 2
내마모성 (cycle) 1,800~2,000 8,500 10,000
상기 표 3을 참고하면, 비교제조예 1의 경우 Class 2에 해당하여 내마모성이 낮으나, 제조예 1-1, 1-2의 경우 모두 마모횟수가 8,000 이상으로 Class 4에 해당하는 내마모성을 가진다. 따라서, 상기 제조예 1-1, 1-2에 소량 첨가된 탄소나노튜브는 장갑 중 (전도성) 수지 조성물이 도포된 부분에 전도성을 부여할 뿐만 아니라 내마모성에도 기여함을 알 수 있다. 또한, 제조예 1-1에 비해 많은 양의 전도성 수지 조성물이 도포된 제조예 1-2의 경우 도포된 부분의 단위면적 당 두께가 증가함에 따라 내마모성이 가장 우수하였다.
제조예 2-1
상기 실시예 2에서 제조된 현탁액, NBR 라텍스, 및 그 외 첨가제를 하기 표 4의 조성비로 3시간 동안 혼합하여(wet compounding) 전도성 수지 조성물을 제조하였다. 상기 전도성 수지 조성물 중 상기 현탁액의 함량은 제2 NBR 라텍스 100부피부에 대해 5부피부(다중벽 탄소나노튜브 고형분: 0.33phr)이다. 면 장갑의 하면(손바닥 부분)을 1개 당 상기 전도성 수지 조성물 30g에 딥핑(dipping)한 후, 150℃에서 40분 동안 건조시켜 전도성 장갑을 제조하였다.
성분 함량(부피부) 고형분(%) 고형분(phr) 비고
제2 NBR 라텍스 222.22 45 100.00 점도: 60cps
pH: 8.2
표면장력: 33dyne/cm
현탁액 11 3 0.33 실시예 2에서 제조된 현탁액
KOH 10.00 5 0.50 안정제
ZnO 2.00 50 1.00 -
S 1.00 50 0.50 -
EZ 1.00 50 0.50 Zinc Diethyldithiocarbamate
거품안정제 1.00 45 0.45 Dowfax 2A1 (Dow)
응고제 1.00 15 0.15 열 딥핑용 응고제
Coagulant-WS (Lanxess)
정포제 2.00 50 1.00 실리콘 정포제
193C (Dow Corning)
증점제 5.00 20 1.00 아크릴레이트계 알칼리 증점제
HV 9000 (28%)
제조예 2-2
상기 제조예 2-1에서 전도성 수지 조성물 중 상기 현탁액의 함량을 제2 NBR 라텍스 100부피부에 대해 10부피부(다중벽 탄소나노튜브 고형분: 0.67phr)로 변경한 것을 제외하면, 상기 제조예 2-1과 동일한 방법으로 전도성 장갑을 제조하였다.
제조예 2-3
상기 제조예 2-1에서 전도성 수지 조성물 중 상기 현탁액의 함량을 제2 NBR 라텍스 100부피부에 대해 15부피부(다중벽 탄소나노튜브 고형분: 1.0phr)로 변경한 것을 제외하면, 상기 제조예 2-1과 동일한 방법으로 전도성 장갑을 제조하였다.
비교제조예 2
상기 표 4의 성분 중 현탁액을 생략한 것을 제외하면 상기 제조예 2-1과 동일한 방법으로 전도성 장갑을 제조하였다.
실험예 2
상기 제조예 2-1 내지 2-3, 및 비교제조예 2에 따른 (전도성) 장갑의 전기전도성을 SIMCO ST-4로 측정하여 그 결과를 하기 표 5에 나타내었다.
구분(회차) 비교제조예 2 제조예 2-1 제조예 2-2 제조예 2-3
1 11.5 6.2 5.7 5.3
2 11.2 6.3 5.7 5.3
3 11.2 6.3 5.8 5.3
4 11.0 6.2 5.8 5.3
5 11.0 6.3 5.9 5.2
평균 11.18 6.26 5.78 5.28
(단위: logΩ/sq.)
상기 표 5를 참고하면, 소량의 탄소나노튜브가 첨가된 제조예 2-1 내지 2-3의 경우 비교제조예 2에 비해 현저히 낮은 표면저항을 나타내었다.
한편, 상기 제조예 2-1, 2-2, 및 비교제조예 2에 따른 (전도성) 장갑의 내마모성을 시험규격 EN 388에 의거하여 평가하였다. 구체적으로, 상기 장갑에서 전도성 수지 조성물이 도포된 부분이 찢어지기까지의 마모횟수(cycle)가 많을수록 고강도로 평가하였고(Class 1: 100회, Class 2: 500회, Class 3: 2,000회, Class 4: 8,000회), 그 결과를 하기 표 6에 나타내었다.
구분 비교제조예 2 제조예 2-1 제조예 2-2
내마모성 (cycle) 8,000 8,800~9,500 9,500~11,000
상기 표 6을 참고하면, 제조예 2-1, 2-2, 및 비교제조예 2의 (전도성) 장갑은 모두 Class 4에 해당하는 내마모성을 가지는 것으로 나타났다. 다만, 제조예 2-1, 2-2의 전도성 장갑은 비교제조예 2의 장갑에 비해 상대적으로 내마모성이 10%~40% 향상된 것으로 나타나, 제조예 2-1, 2-2에서 코팅층에 소량 포함된 탄소나노튜브가 장갑 중 전도성 수지 조성물이 도포된 부분에 전도성을 부여할 뿐만 아니라 내마모성에도 기여함을 알 수 있다. 또한, 제조예 2-1에 비해 많은 양의 탄소나노튜브를 포함하는 전도성 수지 조성물이 도포된 제조예 2-2의 경우 내마모성이 가장 우수하였다.
전술한 본 발명의 설명은 예시를 위한 것이며, 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 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 수 있다.
본 발명의 범위는 후술하는 청구범위에 의하여 나타내어지며, 청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

Claims (18)

  1. 장갑 및 상기 장갑의 표면 중 적어도 일부에 형성된 코팅층을 포함하고,
    상기 코팅층은 라텍스 및 수분산 탄소나노튜브를 포함하는 전도성 수지 조성물로 이루어지고,
    상기 수분산 탄소나노튜브는 탄소나노튜브 1~10중량%, 제1 계면활성제 1~10중량%, 및 잔량의 물을 포함하는 전도성 장갑.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 라텍스는 니트릴 고무, 아크릴로니트릴-부타디엔 고무, 스티렌-부타디엔 고무, 부타디엔 고무, 천연 고무, 수분산 폴리우레탄(polyurethane dispersion) 및 이들 중 2 이상의 혼합물로 이루어진 군에서 선택된 하나인 전도성 장갑.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 탄소나노튜브는 단일벽 탄소나노튜브, 다중벽 탄소나노튜브 및 이들의 혼합물로 이루어진 군에서 선택된 하나인 전도성 장갑.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 수분산 탄소나노튜브의 함량은 상기 라텍스 100부피부에 대해 1~20부피부인 전도성 장갑.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 수분산 탄소나노튜브는 상기 탄소나노튜브 및 상기 제1 계면활성제를 각각 1 : 0.5~1.5의 중량비로 포함하는 전도성 장갑.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 라텍스는 제2 계면활성제를 더 포함하는 전도성 장갑.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 계면활성제는 음이온 계면활성제인 전도성 장갑.
  8. 제7항에 이어서,
    상기 제1 및 제2 계면활성제가 동일한 것인 전도성 장갑.
  9. 제7항에 있어서,
    상기 음이온 계면활성제는 알킬벤젠술포네이트, 알코올설페이트, 알코올에테르술포네이트, 알킬페놀에테르술포네이트, 알파올레핀술포네이트, 파라핀술포네이트, 에스테르술포숙시네이트, 포스페이트에스테르, 소듐도데실벤젠술포네이트 및 이들 중 2 이상의 혼합물로 이루어진 군에서 선택된 하나인 전도성 장갑.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 코팅층의 표면저항은 103~109Ω/sq인 전도성 장갑.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 전도성 수지 조성물은 상기 라텍스의 고형분 100부피부에 대해,
    상기 수분산 탄소나노튜브의 고형분 0.1~1.0부피부를 포함하는 전도성 장갑.
  12. (a) 탄소나노튜브 1~10중량%, 제1 계면활성제 1~10중량%, 및 잔량의 물을 포함하는 수분산 탄소나노튜브를 제조하는 단계;
    (b) 상기 수분산 탄소나노튜브, 라텍스, 첨가제를 혼합하여 전도성 수지 조성물을 제조하는 단계; 및
    (c) 상기 전도성 수지 조성물에 장갑의 적어도 일부를 딥핑(dipping)한 후 건조하는 단계;를 포함하는 전도성 장갑의 제조방법.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 (a) 단계는 비드 밀, 믹서, 균질기, 초음파 분산기 및 이들 중 2 이상의 조합으로 이루어진 군에서 선택된 하나를 이용하여 이루어지는 전도성 장갑의 제조방법.
  14. 제12항에 있어서,
    상기 (b) 단계에서 상기 혼합이 2~10시간 동안 이루어지는 전도성 장갑의 제조방법.
  15. 제12항에 있어서,
    상기 라텍스는 제2 계면활성제를 더 포함하는 전도성 장갑의 제조방법.
  16. 제15항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 계면활성제는 음이온 계면활성제인 전도성 장갑의 제조방법.
  17. 제16항에 이어서,
    상기 제1 및 제2 계면활성제가 동일한 것인 전도성 장갑의 제조방법.
  18. 제16항에 있어서,
    상기 음이온 계면활성제는 알킬벤젠술포네이트, 알코올설페이트, 알코올에테르술포네이트, 알킬페놀에테르술포네이트, 알파올레핀술포네이트, 파라핀술포네이트, 에스테르술포숙시네이트, 포스페이트에스테르, 소듐도데실벤젠술포네이트 및 이들 중 2 이상의 혼합물로 이루어진 군에서 선택된 하나인 전도성 장갑의 제조방법.
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