KR20200046235A - 전자파 차폐 기능을 갖는 복합소재 조성물 및 이를 포함하는 성형체 - Google Patents

전자파 차폐 기능을 갖는 복합소재 조성물 및 이를 포함하는 성형체 Download PDF

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Abstract

본 발명은 전자파 차폐 기능을 갖는 복합소재 조성물에 관한 것으로, 본 발명은 열가소성 플라스틱 67.2 내지 75.2 중량% 및 전도성 필러(conductive filler) 24.0 내지 32.0 중량% 를 포함할 수 있다. 본 발명에 따르면 전도성 필러 함량의 증가 없이 전자파 차폐 기능이 우수한 조성물을 제공할 수 있으며, 전자파 차폐 기능이 우수하면서 동시에 기계적 물성, 흐름성, 성형성이 우수한 조성물을 제공할 수 있다.

Description

전자파 차폐 기능을 갖는 복합소재 조성물 및 이를 포함하는 성형체{A COMPOSITE MATERIAL COMPOSITION HAVING ELECTROMAGNETIC WAVE SHIELDING FUNCTION AND A SHAPED PRODUCT COMPRISING THE SAME}
본 발명은 전자파 차폐 기능을 갖는 복합소재 조성물에 관한 것으로, 보다 상세하게는 열가소성 플라스틱 및 전도성 필러(conductive filler)를 포함하는 조성물에 관한 것이다.
인터넷 및 통신기술의 발달로 인하여 모바일(mobile) 제품 시장이 급격하게 커지고 이에 따라 각종 전자제품 및 전자부품의 급속한 소형화, 경량화, 고집적화, 고성능화 등이 이루어지고 있다. 이러한 전자제품 및 전자부품의 작동성, 안정성, 신뢰성 등을 결정하는 가장 중요한 요인 중 하나는 전자파 간섭(EMI; Electromagnetic interference)이다.
전자파 간섭으로 인하여 예측 불가능한 전자제품 등의 오작동 문제가 업계에 대두되고 있으며, 또한 전자파가 인체에 부정적인 영향을 미친다는 다수의 연구가 발표되어 한국을 비롯한 세계 각국에서는 전자파 수준에 대한 규제를 강화하고 있다. 이에 따라 전자기기 간 전자파 간섭을 방지하거나 전자파가 인체에 이르지 못하게 하기 위한 전자파 차폐 기능의 필요성이 산업계에 크게 증가하고 있다.
특히 자동차 산업에서도 자동차 부품의 전장화 및 친환경 자동차의 증가로 인하여 전자파 차폐 기능의 중요성이 대두되고 있다. 종래에는 전자파 차폐를 위하여 금속 소재가 주로 사용되었다. 금속은 다른 소재에 비하여 높은 전기전도도를 가지고 있어 전자파 반사 특성이 뛰어나므로 다양한 분야에서 전자파 차폐 소재로 사용되었다.
그러나 금속은 비싸고 비중이 높아 무거우며 복잡한 형상은 가공이 어려워 생산성 및 생산단가 측면에서 불리하다. 특히 최근 자동차 산업에서 중요한 이슈인 경량화 요구로 인하여 무거운 금속을 대체할 수 있는 소재가 절실하게 요구되고 있다.
대한민국 등록특허공보 제10-1579522호는 열가소성 플라스틱에 카본파이버, 세미그래핀(semigraphene)과 같은 전도성 필러를 첨가하는 전자파 차폐 기능을 갖는 복합소재 조성물이 개시되어 있다(특허문헌 1).
일반적으로 비금속인 열가소성 플라스틱에 첨가되는 전도성 필러 함량 수치와 복합소재 조성물의 전자파 차폐 기능 수치는 서로 비례하므로, 높은 수준의 전자파 차폐 기능을 달성하기 위해서는 고함량의 전도성 필러가 첨가되어야 한다. 그러나 이러한 경우 복합소재 조성물의 비중이 증가하고, 인장강도 등 기계적 물성이 저하되며, 흐름성이 낮아지고, 압출 또는 사출 가공시 제품의 성형성이 저하되는 문제가 발생한다.
특허문헌 1에서 개시된 바와 같이, 복합소재 조성물 내 세미그래핀 함량을 10, 20, 30 중량% 로 증가시킨 결과 전자파 차폐 효과는 18, 19, 22 dB 로 증가한 반면 인장강도는 166, 116, 84 MPa 로 급격하게 낮아지는 것을 알 수 있다. 굴곡강도 역시 203, 163, 139 MPa 로 급격하게 낮아지므로 조성물의 흐름성, 제품의 성형성 역시 유의적으로 저하될 것으로 예상된다(실시예 1 내지 3).
특허문헌 1: 대한민국 등록특허공보 제10-1579522호
본 발명은 전도성 필러 함량의 증가 없이 전자파 차폐 기능이 우수한 조성물을 제공하는 것을 일 목적으로 한다.
본 발명은 전자파 차폐 기능이 우수하면서 동시에 기계적 물성, 흐름성, 성형성이 우수한 조성물을 제공하는 것을 다른 목적으로 한다.
본 발명은 자동차 전장부품, 전기전자 부품용 하우징 등에 사용할 수 있으며 특히 LDM(LED Driving Module) 하우징에 효과적으로 사용할 수 있는 전자파 차폐 기능이 우수한 조성물을 제공하는 것을 다른 목적으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 열가소성 플라스틱 67.2 내지 75.2 중량% 및 전도성 필러(conductive filler) 24.0 내지 32.0 중량% 를 포함할 수 있다.
바람직하게는, 전도성 필러는 카본파이버 20.0 내지 25.0 중량% 를 포함할 수 있다.
바람직하게는, 전도성 필러는 카본파이버 25.0 중량% 를 포함할 수 있다.
바람직하게는, 전도성 필러는 COOH 관능화된 그래핀나노플레이트(GNP) 3.0 내지 6.0 중량% 를 포함할 수 있다.
바람직하게는, 전도성 필러는 COOH 관능화된 그래핀나노플레이트(GNP) 6.0 중량% 를 포함할 수 있다.
바람직하게는, 열가소성 플라스틱은 폴리부틸렌테레프탈레이트(PBT), 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET), 아크릴로니트릴부타디엔스티렌(ABS), 폴리아미드(PA), 폴리카보네이트(PC), 변성폴리페닐렌옥사이드(MPPO), 폴리페닐렌설파이드(PPS), 또는 이들의 혼합물로 이루어진 군으로부터 선택될 수 있다.
바람직하게는, 전도성 필러는 카본파이버, 카본블랙, 그래핀나노플레이트(GNP), COOH 관능화된 그래핀나노플레이트(GNP), 또는 이들의 혼합물로 이루어진 군으로부터 선택될 수 있다.
본 발명은 전자파 차폐 기능을 갖는 복합소재 조성물을 포함하여 제조되는 성형체를 포함할 수 있다.
본 발명은 전도성 필러 함량의 증가 없이 전자파 차폐 기능이 우수한 조성물을 제공할 수 있다.
본 발명은 전자파 차폐 기능이 우수하면서 동시에 기계적 물성, 흐름성, 성형성이 우수한 조성물을 제공할 수 있다.
본 발명은 자동차 전장부품, 전기전자 부품용 하우징 등에 사용할 수 있으며 특히 LDM(LED Driving Module) 하우징에 효과적으로 사용할 수 있는 전자파 차폐 기능이 우수한 조성물을 제공할 수 있다.
도 1은 그래핀나노플레이트(GNP)에 카르복실산(R-COOH)을 반응시켜 COOH 관능화된 GNP를 생성하는 모식도이다.
도 2는 본 발명의 실시예 1 내지 4의 결과로 나타난 전자파 차폐 효과를 비교한 그래프이다(가로축 주파수 단위: GHz, 세로축 전자파 차폐 효과 단위: dB).
첨부된 도면에 기재된 내용을 참조하여 이하 본 발명을 상세히 설명하며, 본 발명의 목적 및 효과는 하기 설명에 의하여 자연스럽게 이해되거나 보다 분명해질 수 있으나 하기 설명만으로 본 발명의 목적 및 효과가 제한되는 것은 아니다. 한편 본 발명을 설명함에 있어서 본 발명과 관련된 공지기술에 대한 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 구체적인 설명을 생략한다.
본 발명에서 사용하는 "성형체"는 전자파 차폐 기능이 우수하거나, 전자파 차폐 기능이 우수하면서 동시에 기계적 물성, 흐름성, 성형성이 우수한 조성물을 포함하여 제조되는 것으로서 펠렛(pellet), 필름(film), 시트(sheet) 형태 등 다양한 성형(가공) 형태를 포함할 수 있다.
특허문헌 1에 개시된 최상의 실시예(실시예 7)를 통하여 구성된 복합소재 조성물은, 열가소성 플라스틱에 전도성 필러를 45 중량% 첨가한 것으로서 전자파 차폐 효과는 55 dB 을 달성하였다. 그러나 높은 전도성 필러 함량으로 인하여 인장강도가 82 MPa 에 불과하는 등 불량한 기계적 물성, 흐름성, 성형성을 가지므로 다양한 산업에 적용하기 어려우며 특히 높은 수준의 기계적 물성이 요구되는 자동차 산업에 적용하기는 무리가 있다. 한편 전도성 필러 함량을 40 중량% 로 상대적으로 낮춘 실시예(실시예 1)에서는 인장강도가 166 MPa 로 우수하지만 전자파 차폐 효과는 18 dB 로서 불량하므로 여전히 시장성이 낮다. 즉, 금속을 대체할 수 있으면서 다양한 산업에 적용가능한 전자파 차폐 목적의 복합소재 조성물을 개발하는데 가장 어려운 점은 전도성 필러의 함량을 최대한 낮추면서 (즉, 열가소성 플라스틱의 함량을 낮추지 않으면서) 우수한 수준의 전자파 차폐 효과를 갖게 하는 것이다.
본 발명은 이러한 난점을 해결하기 위하여 전도성 필러에 포함되는 카본계열 소재를 특정 및 선택하는데 연구를 집중하였으며, 특히 저함량의 사용에도 열가소성 플라스틱 내에서 높은 분산성을 얻을 수 있는 COOH 관능화된 그래핀나노플레이트(GNP)를 특정 및 선택하는데 연구를 집중하였다. 이하에서 상세히 설명한다.
본 발명의 조성물을 구성하는 열가소성 플라스틱은 폴리부틸렌테레프탈레이트(PBT), 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET), 아크릴로니트릴부타디엔스티렌(ABS), 폴리아미드(PA), 폴리카보네이트(PC), 변성폴리페닐렌옥사이드(MPPO), 폴리페닐렌설파이드(PPS), 또는 이들의 혼합물로 이루어진 군으로부터 선택될 수 있다.
폴리부틸렌테레프탈레이트(PBT)는 고분자 주쇄에 에스테르 결합을 함유한 것으로서, 강성, 인성, 내마모성, 내약품성, 내유성, 및 성형성이 우수하여 자동차 부품에 많이 사용되고 있으며, 특히 내열성 및 비흡습성이 뛰어나 자동차 램프류 주변 부품에 많이 사용된다. PBT는 평균분자량이 10,000 내지 200,000 g/mol, 바람직하게는 15,000 내지 35,000 g/mol 인 것을 사용할 수 있다. 상기 범위 내에서 기계적 물성, 흐름성, 성형성 모두 우수한 장점이 있다.
본 발명의 조성물을 구성하는 전도성 필러는 카본파이버, 카본블랙, 그래핀나노플레이트(GNP), COOH 관능화된 그래핀나노플레이트(GNP), 또는 이들의 혼합물로 이루어진 군으로부터 선택될 수 있다.
카본파이버는 피치, 레이온, 또는 폴리아크릴로니트릴(PAN) 계로 제조된 것을 사용할 수 있다. 카본파이버는 탄소 함량이 90 중량% 이상이고 평균 길이가 5 내지 7 mm 인 것이 바람직한데, 평균 길이가 5 mm 미만인 경우 기계적 물성이 크게 저하되고, 7 mm 초과인 경우 소재 간 분산이 불리해져 제품 성형성이 저하된다. 본 발명은 특히 카본파이버 표면에 에폭시 수지, 폴리우레탄 수지 또는 폴리아미드 수지로 코팅된 촙 카본파이버(chopped Carbon Fiber)를 사용할 수 있는데, 다른 고분자 수지로 코팅되면 카본파이버와 수지 간의 접착력이 떨어져 카본파이버의 고른 분산을 유도하지 못하므로 복합소재 조성물의 물성을 저하시키는 요인이 될 수 있다. 카본파이버는 20 내지 25 중량% 일 수 있으며, 상기 범위 내에서 우수한 전자파 차폐 기능, 기계적 물성, 흐름성, 및 제품 성형성을 동시에 얻을 수 있다.
카본블랙은 구형입자로 된 것으로 특별히 한정할 필요는 없고 퍼니스 블랙, 아세틸렌 블랙, 케첸 블랙 등 일반적으로 상업화된 제품이라면 어느 것이든 사용할 수 있다. 카본블랙은 전기전도도를 가지므로 일반적으로 전자파 차폐 기능을 부여하기 위해 열가소성 플라스틱에 첨가되는데, 비표면적이 커서 열가소성 플라스틱과의 결합 면적이 높은 제품을 선택하는 것이 바람직하다.
그래핀(Graphene)은 탄소 기반의 흑연(Graphite)을 원료로 한 물질로서 금속을 대체할 수 있는 꿈의 신소재로 각광받고 있는데 그래핀에 존재하는 sp2 혼성 오비탈이 이웃한 세 원자의 sp2 오비탈과 강력한 시그마 결합을 형성하여 이를 통해 전자의 자유로운 이동이 가능하기 때문이다. 그래핀나노플레이트(GNP; Graphene Nano Plate)는 그래핀이 5겹 이내로 결합되어 있는 형태로서 순수한 그래핀과 유사한 특성을 가지고 있어 전기전도적 및 열전도적 특성이 매우 우수하다. 그러나 GNP는 GNP 끼리 반데르발스힘(Van der walls force)이 작용하기 때문에 응집현상이 쉽게 일어나고, 그 자체로 매우 안정된 화학적 구조로서 다른 물질과 결합이 쉽지 않아 열가소성 플라스틱 내에서 분산이 어렵다. 이러한 불균일한 분산으로 인하여 복합소재 조성물의 기계적 물성 뿐만 아니라 흐름성, 성형성 또한 저하시킨다.
COOH 관능화된 그래핀나노플레이트(GNP)는 일반적인 GNP에 카르복실기(-COOH)를 화학적으로 결합시킨 것으로, GNP의 카르복실기가 극성을 띄어 역시 극성을 가지는 열가소성 플라스틱과 결합하기 용이하므로 열가소성 플라스틱 내에서 GNP가 고르게 분산될 수 있도록 유도한다. 따라서, COOH 관능화된 GNP는 일반적인 GNP 대비 복합소재 조성물 내 고른 분산으로 인하여 전기전도도 뿐만 아니라 기계적 물성, 흐름성, 성형성 또한 향상시킨다. COOH 관능화된 GNP는 3 내지 6 중량% 일 수 있고, 3 중량% 미만이면 첨가에 따른 전자파 차폐 기능 개선 효과가 미미하고, 6 중량% 초과하면 복합소재 조성물 내 전도성 필러의 분산성이 저하되어 기계적 물성, 흐름성, 성형성이 저하된다.
본 발명의 조성물은 다양한 첨가제, 예컨대 산화방지제, 윤활제, 상용화제, 착색제, 이형제, 난연제, 가소제, 산화방지제 등을 더 포함할 수 있으며 이들은 단독 또는 2종 이상 혼합하여 사용할 수 있다. 첨가제의 사용량은 원하는 최종 용도 및 특성에 따라 적절하게 조정할 수 있다. 본 발명의 실시예는 사출공정 또는 압출공정 과정에서 복합소재 조성물의 고온에 의한 열노화 방지 및 장기내열성을 확보하기 위하여 산화방지제를 포함하였고, 혼화성을 높이기 위하여 윤활제를 포함하였다.
본 발명의 실시예의 원재료는 다음의 것들을 사용하였다.
1) PBT: BLUESTAR 사의 PBT 1100
2) 카본파이버: Mitsubishi Rayon 사의 TR06Q (에폭시 수지로 사이징된 길이 6 mm 촙 카본파이버)
3) 카본블랙: Unipetrol 사의 Chezacarb AC-80 (평균입경: 40 nm, 질소흡착비표면적 800 m2/g)
4) COOH 관능화된 GNP: AD Nano Technologies 사의 ADG-COOH (두께: 2 내지 5 nm, 표면적: 250 m2/g 이하)
5) GNP: AD Nano Technologies 사의 AD-GNP (두께: 2 내지 5 nm, 표면적: 250 m2/g 이하)
6) 산화방지제: CIBA chemical 사의 IRGANOX1010
7) 윤활제: 신원화학 사의 Hi-Lube
본 발명의 실시예의 결과 데이터는 다음을 기준으로 평가 및 기록하였다.
1) 밀도: ASTM D792에 의해 평가하였으며, 단위는 g/cm2 이다.
2) 인장강도: ASTM D638에 의해 평가하였으며(5 mm/min 조건), 단위는 MPa 이다.
3) 전자파 차폐 효과: ASTM D4935에 의해 평가하였으며(주파수 1 GHz 조건), 단위는 dB 이다.
4) 용융지수: ASTM D1238에 의해 평가하였으며(275℃/5kg 조건), 단위는 g/10min 이다.
5) 성형성: 압출 또는 사출 제품의 성형 또는 미성형 여부로 정성적으로 평가하였다.
본 발명의 조성물의 개선된 효과를 평가하기 위하여 다음을 검토하였다.
PBT, 카본파이버, 카본블랙, COOH 관능화된 GNP, 산화방지제, 및 윤활제를 하기 각각의 함량으로 혼합하였다. 구체적으로 이축 압출기(L/D=44, Φ=32mm)를 260℃로 가열하였다. 이후에 압출기의 앞단에 위치하는 1차 원료 투입구에 PBT 75.2 중량%, 산화방지제 0.5 중량%, 윤활제 0.3 중량% 를 투입하였다. 이후에 이축 압출기 중간에 위치하는 2차 투입구에 카본블랙 1.0 중량%, COOH 관능화된 GNP 3.0 중량% 를 사이드 피더를 통해 투입하였다. 이후에 이축 압출기 끝단에 위치하는 3차 투입구에 카본파이버 20.0 중량% 를 사이드 피더를 통해 투입하였다. 상기 공정 전반에 걸쳐 투입된 소재를 열용융 혼련시켜 복합소재 조성물을 제조하였다. 이를 열풍 건조기에서 90℃, 4시간 동안 건조하였다. 건조된 펠렛 형태의 조성물을 110t 사출기를 이용하여 사출온도 280℃에서 측정 및 평가를 위한 시편을 제조하였다. 이 시편을 23℃, 상대습도 50% 조건에서 48시간 방치한 후 상기 방법으로 평가 및 기록하였으며, 그 결과는 표 1에 나타내었다.
상기 1차 원료 투입구에 PBT 72.2 중량%, 산화방지제 0.5 중량%, 윤활제 0.3 중량% 를, 상기 2차 투입구에 카본블랙 1.0 중량%, COOH 관능화된 GNP 6.0 중량% 를, 상기 3차 투입구에 카본파이버 20.0 중량% 를 투입한 것을 제외하고는 모두 동일한 과정으로 시험, 평가, 및 기록하였다.
상기 1차 원료 투입구에 PBT 70.2 중량%, 산화방지제 0.5 중량%, 윤활제 0.3 중량% 를, 상기 2차 투입구에 카본블랙 1.0 중량%, COOH 관능화된 GNP 3.0 중량% 를, 상기 3차 투입구에 카본파이버 25.0 중량% 를 투입한 것을 제외하고는 모두 동일한 과정으로 시험, 평가, 및 기록하였다.
상기 1차 원료 투입구에 PBT 67.2 중량%, 산화방지제 0.5 중량%, 윤활제 0.3 중량% 를, 상기 2차 투입구에 카본블랙 1.0 중량%, COOH 관능화된 GNP 6.0 중량% 를, 상기 3차 투입구에 카본파이버 25.0 중량% 를 투입한 것을 제외하고는 모두 동일한 과정으로 시험, 평가, 및 기록하였다.
한편 본 발명의 조성물의 개선된 효과를 비교하기 위하여 다음을 검토하였다.
[ 비교예 1 내지 8]
PBT, 카본파이버, 카본블랙, COOH 관능화된 GNP, 산화방지제, 및 윤활제를 하기 표 2 및 3에 나타난 각각의 함량으로 혼합하였다. 구체적으로 이축 압출기(L/D=44, Φ=32mm)를 260℃로 가열하였다. 이후에 압출기의 앞단에 위치하는 1차 원료 투입구에 PBT 62.2 내지 80.2 중량%, 산화방지제 0.5 중량%, 윤활제 0.3 중량% 를 투입하였다. 이후에 이축 압출기 중간에 위치하는 2차 투입구에 카본블랙 1.0 중량%, COOH 관능화된 GNP 0.0 내지 9.0 중량% 를 사이드 피더를 통해 투입하였다. 이후에 이축 압출기 끝단에 위치하는 3차 투입구에 카본파이버 15 내지 30.0 중량% 를 사이드 피더를 통해 투입하였다. 상기 공정 전반에 걸쳐 투입된 소재를 열용융 혼련시켜 복합소재 조성물을 제조하였다. 이를 열풍 건조기에서 90℃, 4시간 동안 건조하였다. 건조된 펠렛 형태의 조성물을 110t 사출기를 이용하여 사출온도 280℃에서 측정 및 평가를 위한 시편을 제조하였다. 이 시편을 23℃, 상대습도 50% 조건에서 48시간 방치한 후 상기 방법으로 평가 및 기록하였으며, 그 결과는 표 2 및 3에 나타내었다.
이는 실시예 1 내지 4와 비교하여, PBT, COOH 관능화된 GNP, 카본파이버의 함량을 각각 변화시킨 경우를 비교 평가하기 위함이다.
[ 비교예 9]
상기 1차 원료 투입구에 PBT 75.2 중량%, 산화방지제 0.5 중량%, 윤활제 0.3 중량% 를, 상기 2차 투입구에 카본블랙 1.0 중량%, GNP 3.0 중량% 를, 상기 3차 투입구에 카본파이버 20.0 중량% 를 투입한 것을 제외하고는 모두 동일한 과정으로 시험, 평가, 및 기록하였으며, 그 결과는 표 4에 나타내었다.
이는 실시예 1과 비교하여, COOH 관능화된 GNP 대신 동일한 함량의 일반적인 GNP를 투입한 경우를 평가하기 위함이다.
상기 실시예 및 비교예의 결과 데이터를 다음 표 1 내지 4에 나타내었다.
성분비(중량%) 실시예 1 실시예 2 실시예 3 실시예 4
1. PBT 75.2 72.2 70.2 67.2
2. 카본파이버 20.0 20.0 25.0 25.0
3. 카본블랙 1.0 1.0 1.0 1.0
4. COOH-GNP 3.0 6.0 3.0 6.0
5. 산화방지제 0.5 0.5 0.5 0.5
6. 윤활제 0.3 0.3 0.3 0.3
결과 데이터 실시예 1 실시예 2 실시예 3 실시예 4
1. 밀도 1.36 1.37 1.38 1.40
2. 인장강도 144 141 159 154
3. 전자파차폐율 41 47 46 54
4. 용융지수 30 19 20 11
5. 성형성 양호 양호 양호 양호
성분비(중량%) 비교예 1 비교예 2 비교예 3 비교예 4
1. PBT 78.2 69.2 73.2 64.2
2. 카본파이버 20.0 20.0 25.0 25.0
3. 카본블랙 1.0 1.0 1.0 1.0
4. COOH-GNP 0.0 9.0 0.0 9.0
5. 산화방지제 0.5 0.5 0.5 0.5
6. 윤활제 0.3 0.3 0.3 0.3
결과 데이터 비교예 1 비교예 2 비교예 3 비교예 4
1. 밀도 1.34 1.39 1.37 1.41
2. 인장강도 148 135 163 150
3. 전자파차폐율 32 56 35 60
4. 용융지수 40 7 31 2
5. 성형성 양호 불량 양호 불량
성분비(중량%) 비교예 5 비교예 6 비교예 7 비교예 8
1. PBT 80.2 65.2 77.2 62.2
2. 카본파이버 15.0 30.0 15.0 30.0
3. 카본블랙 1.0 1.0 1.0 1.0
4. COOH-GNP 3.0 3.0 6.0 6.0
5. 산화방지제 0.5 0.5 0.5 0.5
6. 윤활제 0.3 0.3 0.3 0.3
결과 데이터 비교예 5 비교예 6 비교예 7 비교예 8
1. 밀도 1.33 1.41 1.35 1.42
2. 인장강도 125 177 126 171
3. 전자파차폐율 37 52 43 58
4. 용융지수 37 8 26 4
5. 성형성 양호 불량 양호 불량
성분비(중량%) 비교예 9
1. PBT 75.2
2. 카본파이버 20.0
3. 카본블랙 1.0
4. GNP 3.0
5. 산화방지제 0.5
6. 윤활제 0.3
결과 데이터 비교예 9
1. 밀도 1.36
2. 인장강도 135
3. 전자파차폐율 37
4. 용융지수 19
5. 성형성 양호
본 발명의 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 조성물은 ASTM D792에 의해 밀도 1.4 g/cm2 이하이고, ASTM D638에 의해 인장강도 140 MPa 이상이고, ASTM D4935에 의해 전자파차폐 효율 40dB 이상이고, ASTM D1238에 의해 용융지수 10 g/10min 이상이고, 이에 따라 압출 또는 사출 성형성이 양호할 수 있다.
표 1의 결과 데이터를 살펴보면, 본 발명의 실시예 1 내지 4의 복합소재 조성물은 상기 요건을 모두 만족함을 알 수 있다. 즉, 본 발명의 실시예 1 내지 4의 복합소재 조성물은 금속보다 밀도가 낮아 경량화할 수 있고, 금속 수준의 높은 전자파 차폐 효과를 얻을 수 있으며, 동시에 인장강도(기계적 물성)가 우수하고 용융지수 또한 양호하여 다양한 형태의 압출 또는 사출 성형이 가능하여 금속보다 가공성이 높을 수 있다. 이러한 결과는 오직 전자파 차폐 효과를 높이는 것에만 집중한 특허문헌 1 뿐만 아니라 기존의 금속 대체용 전자파 차폐 목적 복합소재와는 그 목적, 구성, 효과가 현저하게 다른 것이다.
구체적으로 살펴본다. 본 발명의 실시예 4 는 열가소성 플라스틱에 첨가된 전도성 필러의 함량이 32 중량% 로서 특허문헌 1의 최상의 실시예로 개시된 45 중량% 보다 무려 13 중량% 낮지만, 전자파 차폐 효과는 54 dB 로서 55 dB 와 거의 동일한 수준이다. 그러나 인장강도는 154 MPa 로서 82 MPa 의 거의 2배가 높고, (특허문헌 1에서의 낮은 굴곡강도를 감안하면) 흐름성 및 성형성 역시 유의하게 높을 것이 예상되므로 결국 본 발명의 실시예는 특허문헌 1의 실시예보다 매우 높은 시장성을 가지고 있음을 알 수 있다. 또한 본 발명의 비교예 4 는 전도성 필러 함량을 35 중량% 로 높여 첨가하면 (여전히 특허문헌 1에 비해 무려 10 중량% 낮음에도 불구하고) 전자파 차폐 효과가 60 dB 에 이르러 이 수치만 보면 특허문헌 1을 오히려 능가하는 것을 알 수 있다.
본 발명의 실시예 1 내지 4에서 열가소성 플라스틱에 첨가된 전도성 필러 함량은 24.0 내지 32.0 중량% 이다. 그리고 본 발명의 비교예 1 내지 9에서 첨가된 전도성 필러 함량은 19.0 내지 37.0 중량% 이다. 구체적으로 전도성 필러 중 카본파이버 또는 COOH 관능화된 GNP 함량을 적절히 변화시켜 본 발명에 적합한 복합소재 조성물의 요건을 만족하는지 검토하였다.
먼저 본 발명의 복합소재 조성물 중 카본파이버의 함량이 30.0 중량% 이상이면 전자파 차폐 효과는 50 dB 이상으로 매우 높은 반면, 용융지수가 10 g/10min 미만으로 성형성이 불량하여 시장성이 낮다. 한편 카본파이버의 함량이 15.0 중량% 이하이면 용융지수가 높아 성형성이 양호한 반면, 전자파 차폐 효과 및 인장강도 수준은 높지 않음을 알 수 있다(비교예 5 내지 8). 따라서 본 발명의 복합소재 조성물 중 카본파이버의 함량의 적절한 범위는 20.0 내지 25.0 중량% 임을 도출할 수 있다.
다음으로 본 발명의 복합소재 조성물 중 COOH 관능화된 GNP의 함량이 9.0 중량% 이상이면 전자파 차폐 효과는 50 dB 이상으로 매우 높은 반면, 용융지수가 10 g/10min 미만으로 성형성이 불량하여 역시 시장성이 낮다. 한편 COOH 관능화된 GNP의 함량이 0.0 중량% 이면 용융지수가 높아 성형성이 양호한 반면, 전자파 차폐 효과 수준은 높지 않음을 알 수 있다(비교예 1 내지 4). 따라서 본 발명의 복합소재 조성물 중 COOH 관능화된 GNP의 함량의 적절한 범위는 3.0 내지 6.0 중량% 임을 도출할 수 있다.
또한 본 발명의 복합소재 조성물 중 COOH 관능화된 GNP 대신 일반적인 GNP를 동일한 함량으로 첨가하는 경우 인장강도, 전자파 차폐 효과, 용융지수 모두 낮아진 것을 알 수 있다(비교예 9). 그 이유는 일반적인 GNP를 사용하는 경우 이들 사이에 작용하는 반데르발스힘 및 안정된 구조 때문에 열가소성 플라스틱 내에서 분산시키기가 쉽지 않은데, COOH 관능화된 GNP를 사용하면 극성을 띄는 카르복실기가 열가소성 플라스틱 내 결합하여 고른 분산을 유도하기 때문이다. 따라서 본 발명의 목적을 달성하기 위해서는 일반적인 GNP 대비 높은 기계적 물성(인장강도), 전자파 차폐 효과, 흐름성 및 성형성(용융지수)을 달성할 수 있는 COOH 관능화된 GNP를 사용하는 것이 바람직하다.
본 발명은 열가소성 플라스틱 내 첨가되는 전도성 필러의 전자파 차폐 기능을 극대화하여 보다 적은 함량으로 여타 소재 대비 동등 이상의 효과를 달성하기 위하여 특히 COOH 관능화된 GNP를 사용하였다. 본 발명은 특허문헌 1 대비 적은 양의 전도성 필러를 첨가하여 동등한 전자파 차폐 효과를 구현함으로써 기계적 물성 저하는 최소화하고 제품 제조시 흐름성 및 성형성을 향상시켰다. 또한 본 발명은 특허문헌 1에 개시된 최상의 복합소재 조성물보다 더 높은 전자파 차폐 기능을 갖는 조성물을 개시하고 있고, 이 조성물은 여전히 특허문헌 1 대비 적은 양의 전도성 필러를 첨가한 것으로서 특허문헌 1과 동일한 함량의 전도성 필러를 적용 했을 때에는 그보다 훨씬 높은 전자파 차폐 기능을 달성할 수 있다는 것도 보여준다.
이상에서 대표적인 실시예를 통하여 본 발명을 상세하게 설명하였으나, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 상기 실시예에 대하여 본 발명의 범주에서 벗어나지 않는 한도 내에서 다양한 변형이 가능함을 이해할 것이다. 그러므로 본 발명의 권리범위는 상기 실시예에 한정하여 정해져서는 안 되며, 후술하는 특허청구범위, 특허청구범위와 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태에 의하여 정해져야 한다.

Claims (6)

  1. 열가소성 플라스틱 67.2 내지 75.2 중량% 및 전도성 필러(conductive filler) 24.0 내지 32.0 중량% 를 포함하는 전자파 차폐 기능을 갖는 복합소재 조성물.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 전도성 필러는 카본파이버 20.0 내지 25.0 중량% 를 포함하는 것인 전자파 차폐 기능을 갖는 복합소재 조성물.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 전도성 필러는 COOH 관능화된 그래핀나노플레이트(GNP) 3.0 내지 6.0 중량% 를 포함하는 것인 전자파 차폐 기능을 갖는 복합소재 조성물.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 열가소성 플라스틱은 폴리부틸렌테레프탈레이트(PBT), 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET), 아크릴로니트릴부타디엔스티렌(ABS), 폴리아미드(PA), 폴리카보네이트(PC), 변성폴리페닐렌옥사이드(MPPO), 폴리페닐렌설파이드(PPS), 또는 이들의 혼합물로 이루어진 군으로부터 선택되는 것인 전자파 차폐 기능을 갖는 복합소재 조성물.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 전도성 필러는 카본파이버, 카본블랙, 그래핀나노플레이트(GNP), COOH 관능화된 그래핀나노플레이트(GNP), 또는 이들의 혼합물로 이루어진 군으로부터 선택되는 것인 전자파 차폐 기능을 갖는 복합소재 조성물.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항의 전자파 차폐 기능을 갖는 복합소재 조성물을 포함하여 제조되는 성형체.
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