KR20210153849A

KR20210153849A - 탄소나노튜브-고분자 나노복합재료 및 그의 제조방법

Info

Publication number: KR20210153849A
Application number: KR1020200070706A
Authority: KR
Inventors: 박광석
Original assignee: 효성화학 주식회사
Priority date: 2020-06-11
Filing date: 2020-06-11
Publication date: 2021-12-20

Abstract

본 발명은 탄소나노튜브 분산액에서 분산매를 제거하고, 여기에 용매와 비용매의 혼합액을 혼합하는 단계; 전단계에서 수득된 탄소나노튜브 혼합액과 고분자 또는 고분자 용액을 혼합하여 탄소나노튜브와 고분자의 혼합액을 제조하는 단계; 상기 탄소나노튜브와 고분자의 혼합액으로부터 탄소나노튜브-고분자 침전물을 형성하고, 상기 침전물을 분리 추출하여 농축 칩을 제조하는 단계; 및 상기 농축 칩을 고분자 재료와 혼합하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브/ 고분자 나노복합재료의 제조방법 및 그에 의해 제조되는 탄소나노튜브-고분자 나노복합재료에 관한 것으로, 본 발명에 의하면 탄소나노튜브의 고분자 기지로의 고분산상을 유도하여 고기능성의 고분자 나노복합재료의 제조가 가능해진다.

Description

탄소나노튜브-고분자 나노복합재료 및 그의 제조방법 {Carbonnanotube-polymer nanocompOSITES AND PREPARATION METHOD THEREOF}

본 발명은 탄소나노튜브-고분자 나노복합재료 및 그의 제조방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 탄소나노튜브의 고분자 기지로의 고분산상을 유도하여 고기능성을 실현하는 탄소나노튜브-고분자 나노복합재료 및 그의 제조방법에 관한 것이다.

탄소나노튜브(Carbon Nanotubes, CNT)는 도체, 반도체, 뛰어난 화학적 안정성, 물리적 강도, 저중량 물질 특성 등의 특성을 지닌다. 최근에는 우수한 열적, 기계적, 전기적 특성으로 인해 나노 보강 소재로 각광받는 탄소나노튜브를 사용한 고분자 나노복합재료에 대한 연구가 활발히 진행 중이다.

기존의 탄소나노튜브를 이용한 고분자복합재료는 기본적으로 탄소나노튜브의 분산 공정과 이를 고분자 재료와 혼합하는 복합화 공정에 의해서 제조된다. 그러나 탄소나노튜브의 뛰어난 특성에도 불구하고 탄소나노튜브의 단점인 응집현상으로 인한 분산성 문제가 고분자 복합재료의 특성 향상을 저하시키는 문제점이 있다. 이러한 탄소나노튜브의 응집은 크게 두 가지로 분자간의 힘인 반데르발스 힘에 의한 화학적 응집과 제조 공정상에서 물리적으로 엉켜있는 물리적 응집으로 이루어진다. 이에 탄소나노튜브의 분산성 문제를 해결하는 것은 고분자 나노복합재료 분야에 있어서 가장 시급한 문제이며 큰 의미를 가진다.

탄소나노튜브-고분자 나노복합재료의 제조방법으로는 탄소나노튜브를 고분자 모노머와 혼합한 다음 중합시키는 인시츄(in-situ) 중합법(국내 특허 공개 제2006-0077993호), 고분자를 용제에 용해시켜 탄소나노튜브와 혼합하는 용액혼합법(국내 특허 공개 제2007-0071960호) 및 고전단력 하에서 고분자를 용융시키면서 탄소나노튜브와 혼합하는 용융혼합법(국내 특허 공개 제2006-0007723호) 등이 있다.

상기 인-시츄 중합법과 용액혼합법은 탄소나노튜브를 초음파에 의해 용제에 분산시키는 과정이 반드시 필요한데, 그 분산에 시간이 많이 소요되며, 분산 시 사용하는 반응조의 규모를 크게 할 수 없어서 생산성이 대폭 떨어지는 문제점과 비용이 많이 드는 문제점이 있다.

용액혼합방법에서는 고분자가 완전히 용해된 상태에서 탄소나노튜브와 혼합되어서 고분자와 탄소나노튜브가 균일하게 혼합되어 있으나, 복합재료 형성을 위한 건조과정에서 탄소나노튜브가 다시 응집되는 현상이 발생되는 문제점이 발생한다. 또한, 기계적 혼합 방법에서는 고분자가 완전히 용해된 상태로 탄소나노튜브와 혼합되는 것이 아니라 고분자 파우더 상태로 혼합이 되기 때문에 마이크로 크기 또는 나노 크기 영역에서의 혼합에 있어 균일성이 떨어지는 문제점이 있다.

탄소나노튜브의 효율적 분산에 관해 종래의 기술은 크게 2가지 방향으로 진행되어 왔다. 첫째는 탄소나노튜브를 개별적으로 개질하여 분산시키는 방법이고, 둘째는 고분자 재료에 탄소나노튜브를 투입하여 가공하는 방법에 의한 분산이라고 할 수 있다.

그러나 종래 방식의 문제점은 단순히 기계적인 힘을 통해 CNT를 효율적으로 개별 CNT(Individual CNT)화하기 어렵다는 점으로, 결국 고분자 기지에 고르게 분산된 CNT 상을 얻을 수 없으며, 가공방식에 의한 분산방법 또한 CNT 자체의 엉킴을 완벽히 제거하지 못해 CNT의 고른 분산을 유도하지 못 하며 따라서 기능성이 우수한 고분자 나노복합재료 제조에 성공하지 못하고 있다.

대한민국 공개특허 제 10-2010-0113823호. 대한민국 공개특허 제10-2012-0079597호

본 발명은 상술한 종래 기술의 문제를 해소하기 위한 것으로, 본 발명의 하나의 목적은 탄소나노튜브를 이용한 고분자 나노복합재료의 제조과정 상에서, 탄소나노튜브가 고분자 기지 내에서 응집되지 않고 균일하게 분산된 고분산(Fine dispersion) 상태를 만들 수 있는 탄소나노튜브-고분자 나노복합재료의 제조방법을 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 탄소나노튜브가 응집되지 않고 균일하게 분산된 상태로 고분자에 혼합되어 기계적 강도 및 전기적 특성이 향상된 탄소나노튜브-고분자 나노복합재료를 제공하는 것이다.

상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 하나의 양상은,

` 탄소나노튜브 분산액에서 분산매를 제거하고, 여기에 용매와 비용매의 혼합액을 혼합하는 단계;

전단계에서 수득된 탄소나노튜브 혼합액과 고분자 또는 고분자 용액을 혼합하여 탄소나노튜브와 고분자의 혼합액을 제조하는 단계; 및

상기 탄소나노튜브와 고분자의 혼합액으로부터 탄소나노튜브-고분자 침전물을 형성하고, 상기 침전물을 분리 추출하여 농축 칩을 제조하는 단계; 및

상기 농축 칩을 고분자 재료와 혼합하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브-고분자 나노복합재료의 제조방법에 관한 것이다.

상기 탄소나노튜브 분산액은,

용매에 탄소나노튜브를 분산시켜서 탄소나노튜브 분산액을 제조한 후에 탄소나노튜브 분산액에 초음파를 처리하여 분산시킬 수 있다.

상기 분산매 제거 과정은, 용매를 증발시키거나 또는 침전법에 의해 용매의 최초 사용량의 70% 내지 90%의 분산매를 제거하는 단계이다.

상기 침전물 형성 단계는, 탄소나노튜브, 분산매, 용매, 및 비용매를 포함하는 혼합액에 고분자의 비율이 낮은 상태에서 출발하여 고분자의 양을 서서히 늘려 가면서 고분자를 추가로 투입하여 침전을 형성시키는 단계일 수 있다.

대안으로 상기 침전물 형성 단계는, 침전 형성되기 시작하면 비용매를 추가로 투입하여 침전을 형성시키는 단계일 수 있다.

본 발명의 방법에서 농축 칩을 고분자 재료와 혼합하는 단계는, 용매가 제거되기 이전 상태의 침전물을 기재의 표면에 도포하여 고화(Solidification)시켜 칩 형태로 만들거나 또는 침전물 상태 그대로 직접 고분자 재료와 기계적인 방법으로 혼합하는 단계일 수 있다.

본 발명의 방법은, 농축 칩과 고분자 재료를 혼합한 후에, 압출 또는 롤밀 가공을 이용하여 탄소나노튜브를 고분자 재료에 고분산시키는 단계를 추가로 포함할 수 있다.

결국 본 발명은 용액공정을 통해 탄소나노튜브가 잘 분산된 탄소나노튜브-고분자 나노복합재료를 만들고, 이를 그대로 직접 이용하거나, 또는 대량의 제품을 만들기 위해 여기에 추가적으로 고분자재료를 투입/가공하여 제조되는, 탄소나노튜브-고분자 나노복합재료에 관한 것이다.

본 발명의 다양한 실시예에 의하면 탄소나노튜브의 고분자 기지(matrix)로의 고분산상을 유도하여 고기능성의 고분자 나노복합재료의 제조가 가능해진다.

본 발명의 탄소나노튜브가 균일하게 고분산된 탄소나노튜브-고분자 나노복합재료는 인장 강도를 높여 기계적 특성이 우수하고 표면 저항을 감소시켜 전기적 특성이 크게 향상된 이점을 제공할 수 있다.

도 1은 종래의 탄소나노튜브-고분자 나노복합재료의 제조 과정을 설명하기 위한 개략적인 흐름도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 탄소나노튜브-고분자 나노복합재료의 제조 과정을 설명하기 위한 흐름도이다.
도 3은 실시예에 의하여 제조된 탄소나노튜브-고분자 나노복합재료의 주사전자현미경 사진(SEM)이다.
도 4는 비교예에 의하여 제조된 탄소나노튜브-고분자 나노복합재료의 주사전자현미경 사진(SEM)이다.

이하에서 본 발명에 대해서 더욱 상세하게 설명한다. 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 모호하게 하는 경우에는 관련 설명을 생략한다.

본 명세서에서 사용될 때, 용어 "포함하다," 또는 "포함하는" 이라는 용어는 언급된 특징부, 구성요소, 단계 또는 성분의 존재를 명시하고, 하나 이상의 다른 특징부, 구성요소, 단계, 성분의 존재 또는 부가를 배제하는 것으로 의도되는 것은 아니다.

본 발명의 하나의 양상은 탄소나노튜브 분산액에서 분산매를 제거하고, 여기에 용매와 비용매의 혼합액을 혼합하는 단계;

본 발명에 따른 탄소나노튜브는 단일벽 탄소나노튜브(single-walled carbon nanotube), 이중벽 탄소나노튜브(double-walled carbon nanotube), 다중벽 탄소나노튜브(multi-walled carbon nanotube), 다발형 탄소나노튜브(rope carbon nanotube)를 포함하고 바람직하게는 다중벽 탄소나노튜브를 사용한다. 가격도 비싸고 불순물 함량이 상대적으로 높은 단일벽 탄소나노튜브에 비하여 비교적 저렴하면서 순도도 높은 다중벽 탄소나노튜브를 사용하는 것이 상업적으로 유리하다.

탄소나노튜브는 보통 탈이온수(증류수), 에탄올, 아세톤 등 다양한 분산매에 분산된 상태로 준비되며, 초음파 처리, 계면활성제 투입, 롤밀 또는 볼밀을 이용한 밀링 등을 통해 최적 분산 상태를 유도할 수 있다. 본 발명은 탄소나노튜브의 어떤 분산 상태라 하더라도 적용이 가능하다.

본 발명에서 사용가능한 용매의 비제한적인 예로는, 염화메틸렌, 아세톤, 이소프로필알콜, 사염화탄소, 헥산, 크실렌 등을 들 수 있다. 이 중, 2 이상을 사용할 수도 있다. 상기 용매의 함량은 탄소나노튜브-고분자 나노복합재료의 용도 등을 고려하여 통상의 기술자가 적절히 선택할 수 있다.

본 발명에서 "비용매(non-solvent)"로는 용매와는 혼합되지만 고분자와는 혼합되지 않는 임의의 물질을 이용할 수 있는데, 예를 들면 물, 메탄올, 에탄올 및 이소프로판올과 같은 알코올이 이용될 수 있다. 비용매는 용매에 대해서 적절히 선택될 수 있다.

본 발명에서 폴리카보네이트의 경우, 용매로서 염화메틸렌 (Methylene Chloride)이 사용될 수 있고, 염화메틸렌 에 녹아있는 폴리카보네이트를 응결시켜 침전물을 형성하기 위해 에탄올이 사용될 수 있다. 또한 ABS(Acrylonitrile Butadiene Styrene) 수지의 경우는 아세톤(Acetone)에 용해되며, 마찬가지로 석출을 위한 비용매로는 에탄올이 사용될 수 있다. 이와 같이, 본 발명에서 사용가능한 용매는 사용하려는 고분자 수지가 잘 용해될 수 있는 일반적으로 잘 알려진 용매를 사용하면 되며, 용매가 잘 알려져 있지 않은 경우는, 용해도 지수(Solubility Parameter, SP)를 이용하면 된다. 고분자와 용매의 용해도 지수가 비슷한 값을 가질 경우, 용매로 사용가능하며, 용해도 지수 차이가 커지면 비용매로 작용하게 된다. 예를 들어, PE인 경우 용해도 지수가 8.1이므로, 이 값에 제일 가까운 사이클로 헥산(SP=8.2)을 용매로 사용할 수 있다. 비용매는 용해도 지수 차이가 큰 다른 어떤 용매를 사용해도 무방하나, 사용과정에서의 위험성이나 폐기 시의 부담 등이 없는 것을 선정하여 사용하는 것이 바람직하다.

이어서 분산된 탄소나노튜브 콜로이드 용액의 분산매를 제거하는 공정이 진행된다. 이때 분산매는 다양한 방법, 즉 가열 등을 통한 증발, 탄소나노튜브의 침전에 의한 분리 등을 통해 용매는 최대한 제거된다. 다만 분산매를 완전히 제거할 경우 탄소나노튜브의 응집현상이 발생되므로 용매를 완전히 제거해서는 안 되고, 바람직하게 용매의 최초 사용량의 70~80%를 제거하는 것이 바람직하다.

다음으로 분산매가 제거된 탄소나노튜브에 매트릭스로 이용하고자 하는 고분자를 용해시킬 수 있는 용매와 비용매의 혼합액을 혼합한다. 이때 용매에 대한 비용매의 혼합 비율은, 10~90% 정도까지 가능하다. 바람직하게는 비용매의 비율을 일정 수준까지 높임으로써 용매의 끓는점을 높여서 궁극적으로 용매에 대한 고분자의 용해도를 높일 수 있다.

상기 탄소나노튜브와 고분자의 혼합액으로부터 탄소나노튜브-고분자 침전물을 형성하고, 상기 침전물을 분리 추출하여 농축 칩을 제조한다. 즉, (탄소나노튜브+분산매+용매+비용매)의 혼합액은 비용매의 비율에 따라 특정한 끓는점을 갖게 되는데, 상기 혼합액을 끓는점에 도달할 때까지 가열한다. 가열된 용액에 탄소나노튜브를 분산시키고자 하는 고분자 재료를 직접 투입하거나, 투입된 용매와 같은 용매에 녹인 후 그 용액을 혼합한다.

이때 중요한 것은 투입되는 고분자의 비율이 매우 낮은 상태에서부터 출발해야 하는 것이다. 이렇게 용액 내로 투입된 고분자의 개별 사슬(Chain)들은 탄소나노튜브의 사이 사이로 파고들게 되며, 결국 계면활성제와 비슷한 효과를 가지게 된다. 이후 투입 고분자의 양을 서서히 늘려가게 되면, 결국 용매에 대한 고분자의 용해도를 초과하게 되므로, 일정 양에서부터는 침전이 형성된다.

침전이 형성되는 시점에서부터는 2가지 방법을 적용할 수 있다. 하나의 방법은 계속해서 고분자를 추가로 투입함으로써 다량의 침전을 유도하는 방법이고, 다른 하나의 방법은 침전 형성 시점으로부터 고분자의 추가투입 없이 비용매를 추가로 투입하여 침전을 형성하는 방법이다. 이와 같은 두 가지 방법을 통해서 탄소나노튜브가 함침된 고분자-탄소나노튜브 침전물이 형성된다. 이렇게 형성된 침전물을 분리 추출해 내고, 이 침전물을 다양한 방법으로 가공처리하여 농축 칩을 얻을 수 있다. 침전물의 분리 방법은 특별히 제한되지 않는데, 예를 들어, 초고속원심분리(ultracentrifugation)에 의해 상청액(supernatant)과 침전물(precipitate)을 분리할 수 있다.

본 발명에서 고분자 재료는 폴리아미드계 고분자; 폴리에스터계 고분자; 폴리카보네이트계 고분자; 폴리아세탈계 고분자; 폴리페닐렌에테르 함유 고분자; 폴리페닐렌설파이드 함유 고분자; 폴리우레탄계 고분자; 에폭시계 고분자; 폴리옥시알킬렌계 고분자; 폴리올레핀계 고분자; 스티렌계 고분자; 할로겐 함유 고분자; 아크릴계 고분자; 비닐아세테이트 함유 고분자; 비닐피롤리딘 함유 고분자; 또는 폴리비닐알콜의 그룹으로부터 선택된 1종 이상의 고분자를 사용할 수 있으나, 반드시 이들로 제한되는 것은 아니다.

상기 고분자 재료는 각종 기능성 고분자를 포함할 수 있는데, 예를 들면, 폴리페닐렌설파이드, 폴리술폰, 폴리벤즈이미다졸, 폴리포스파젠 또는 폴리티아질 등과 같은 내열성 고분자; 폴리티오펜, 폴리아세틸렌, 폴리피롤, 폴리페닐렌, 폴리티에닐 비닐리덴, 폴리페닐렌 설파이드, 폴리아닐린, 폴리파라페닐렌비닐렌, 폴리파라페닐렌, 폴리플루로렌 또는 폴리티오펜비닐렌 등과 같은 전도성 고분자; 폴리비닐리덴 플루오라이드 등과 같은 압전성 고분자; 폴리비닐신나메이트 또는 아크릴계 고분자와 같은 감광성 고분자 등을 포함할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 이들 중 2 이상의 혼합물을 동시에 사용할 수 있음은 물론이다.

상기 고분자의 비제한적인 예로는 폴리에틸렌, 폴리비닐플루오라이드, 폴리염화비닐, 폴리비닐리덴플루오라이드, 폴리염화비닐리덴, 폴리클로로트리 플루오로에틸렌, 폴리테트타플루오로에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리(1-부텐), 폴리(4-메틸펜텐), 폴리스티렌, 폴리비닐피리딘, 폴리부타디엔, 폴리이소프렌, 폴리클로로프렌, 스티렌-아크릴로니트릴 공중합체, 아크릴로니트릴-부타디엔-스티렌 삼중합체, 에틸렌-메타크릴산 공중합체, 스티렌-부타디엔 고무, 니트릴 고무, 테트라플루오로에틸렌 공중합체, 폴리아크릴레이트, 폴리메타크릴레이트, 폴리아크릴아마이드, 폴리초산비닐, 폴리비닐알콜, 폴리비닐부티랄, 폴리비닐 에테르, 폴리비닐피롤리돈, 폴리비닐카바졸, 폴리우레탄, 폴리아세탈, 폴리에틸렌글리콜, 폴리프로필렌글리콜, 에폭시 수지, 폴리페닐렌 옥사이드, 폴리에틸렌테레프탈레이트, 폴리부틸렌테레프탈레이트, 폴리디히드록시메틸 사이클로헥실 테레프탈레이트, 셀룰로오스 에스테르, 폴리카보네이트, 폴리아미드, 폴리이미드 등이 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.

상기 탄소나노튜브-고분자 나노복합재료 혼합 조건은 선택된 혼합 방법에 따라 상이할 것이나, 200℃ 내지 400℃의 온도 범위 및 10분 내지 24시간의 시간 범위에서 선택될 수 있으나, 통상의 기술자는 상기 범위에 관계없이 사용된 고분자, 혼합 방법 등을 고려하여, 적합한 혼합 조건을 선택할 수 있다.

상기 탄소나노튜브와 고분자 재료의 혼합비는 통상의 기술자가 탄소나노튜브-고분자 나노복합재료의 용도 및 경우에 따라 적절히 비율로 선택하여 포함시킬 수 있으나, 바람직하게는 약 0.1 내지 90 중량%의 범위로 포함될 수 있다. 만약 상기 범위보다 적거나 많은 양을 포함하면, 효율적인 기계물성 및 전도도 유지 및 분산성이 나빠지는 문제점이 있을 수 있다.

침전물을 다양한 방법으로 가공처리하여 농축 칩을 얻을 수 있다. 예를 들어, 하나의 방법은 탄소나노튜브와 고분자를 포함하는 탄소나노튜브-고분자 나노복합재료 혼합액을 기계적인 방법으로 혼합하고 고화(solidification)시켜 탄소나노튜브-고분자 나노복합재료를 수득하는 것이다.

상기의 기계적인 방법은, 조성물을 고화시킬 수 있는 당업계에서 공지된 모든 기계적인 방법들을 포함하며, 특별히 이에 제한되는 것은 아니나, 구체적인 예를 들면, 압출법, 사출법, 캐스팅법 등을 이용할 수 있다. 그 중에서도 압출기를 이용하여 펠렛 형태로 제조하는 압출법, 또는 원하는 금형을 이용하여 다양한 형태로 사출할 수 있는 사출법이 바람직하며, 나아가 이러한 압출 또는 사출을 진행하기에 앞서 믹서기 또는 초음파 처리 등을 통해 상기 조성물 내의 입자들을 잘 분산 내지 혼합시키는 것이 바람직하다. 한편 본 단계는 선택되는 기계적 방법에 따라 통상의 조건에서 처리될 수 있으며, 예를 들면, 압출법의 경우 200 내지 400℃, 바람직하게는 250 내지 350℃의 범위에서 진행될 수 있다.

예로서, 탄소나노튜브와 고분자를 포함하는 탄소나노튜브-고분자 나노복합재료 혼합액을 기재(예컨대, 평판)의 표면에 도포하고 경화시켜 탄소나노튜브-고분자 나노복합재료를 제조할 수 있다. 이때, 상기 기재의 재질은 본 발명의 목적을 저해하지 않는 한 특별히 제한되지 않으며, 유리 기재, 실리콘 웨이퍼, 또는 플라스틱 기재 등을 용도에 따라 선택하여 사용할 수 있다. 조성물을 도포하는 방법으로는 스핀 코팅, 딥 코팅, 분무 코팅, 흐름 코팅, 스크린 프린팅, 임프린팅, 롤 프린팅, 잉크젯 프린팅, 딥펜 프린팅, 컨택 프린팅 등 통상의 코팅 또는 프린팅 방법을 사용할 수 있으나, 반드시 이에 제한되는 것은 아니다. 편의성, 균일성 및 대면적화 등의 측면에서, 프린팅, 스크린 프린팅 또는 스핀 코팅 등의 방법이 보다 바람직하며, 스핀 코팅을 행하는 경우, 스핀 속도는 500 내지 3500 rpm의 범위 내에서 조절되는 것이 바람직하다.

상기 경화처리는 당업계에서 공지된 통상의 조건에 따라 수행될 수 있으며, 예를 들면, 조성물이 도포된 기재를 65 내지 200℃의 고온에서 10분 내지 10시간 동안 열처리함으로써 처리될 수 있다.

농축 칩을 얻은 경우에는 이를 대상 고분자재료와 혼합한 후, 압출이나 롤밀 가공 등 기존 고분자 나노복합재료의 공정들을 이용하여 최종적으로 탄소나노튜브가 고분산된 고분자 나노복합재료를 수득한다.

본 발명의 다른 양상은 이상에서 설명한 복합재료의 제조방법에 의하여 제조된 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브-고분자 나노복합재료에 관한 것이다.

본 발명의 탄소나노튜브-고분자 나노복합재료는 탄소나노튜브가 균일하게 고분산되어 기계적 특성이 우수하고 전기적 특성이 크게 향상된 이점을 제공할 수 있다.

본 발명의 탄소나노튜브-고분자 나노복합재료는 필름, 시트, 펠릿, 패턴 등의 형태로 가공되어, 각종 전자 제품, 생활 용품, 주택 설비 기기, 장난감, 자동차, 건축 자재 등과 같은 물품에 사용될 수 있다. 예를 들면, 유기 발광 소자, 플라즈마 디스플레이, 전자 방출 소자, 박막 트랜지스터, 광기전성 소자, 집적 회로, 압력 센서, 화학센서, 바이오 센서, 태양광 소자, 조명용 소자, 세탁기, 청소기, 냉장고, 에어컨, 식기세척기, 식기건조기, 전기포트, 공기청정기, 밥솥, 전화기, 휴대폰, 컴퓨터, 면도기, 노트북, TV, 오디오, DVD, 스피커, 노트북, 가습기, 전자레인지 등과 같은 전자 제품; 칫솔, 고데기, 신발 깔창, 액서서리 등과 같은 생활 용품; 비데, 정수기 등과 같은 주택설비기기; 모형자동차, 모형 비행기 등과 같은 장난감; 스티어링, 손잡이, 차량용 내장재 등과 같은 자동차; 바닥재, 벽지, 타일, 도장재 등과 같은 건축자재; 등을 들 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니며, 각종 플라스틱재가 사용되는 다양한 용도로 사용될 수 있다.

이하에서 실시예를 들어 본 발명에 대하여 더욱 상세하게 설명한다. 다만 하기의 실시예는 본 발명의 예시를 위한 것이고, 첨부된 특허청구범위에 의하여 한정되는 보호범위를 제한하고자 하는 것은 아니다.

실시예

실시예 1

탄소나노튜브(CNT)를 적당한 용기에 담아 증류수와 혼합하였다. 혼합된 CNT 혼합액을 교반기를 사용하여 교반하여 CNT 분산액을 제조하였다. ABS 수지 적정량을 아세톤에 녹인 고분자 용액에 앞서 제조한 전단계에서 수득된 탄소나노튜브 혼합액을 혼합하여 탄소나노튜브와 고분자의 혼합액을 제조하였다. 이때 ABS에 대하여 CNT를 1.0 중량% 함량으로 첨가하였다. 비용매로 에탄올을 탄소나노튜브와 고분자의 혼합액(ABS + CNT + 증류수 + 아세톤)에 투입하여 CNT를 함유한 ABS가 고상으로 응집시킨 후, 탄소나노튜브-고분자 침전물(ABS+CNT Premix)을 고액분리기로 분리시켰다. 분리된 탄소나노튜브와 고분자의 프리믹스(ABS+CNT Premix)를 오븐을 사용하여 건조하여 농축 칩을 제조하였다. 건조된 칩은 이후 작은 알갱이로 분쇄하여 사용하였다. 수득된 나노복합재료의 주사전자현미경 사진(SEM)을 도 3에 나타내었다.

비교예 1

1 mg(1.0 중량%)의 탄소나노튜브를 2 g의 ABS 내에 클로로포름을 이용해서 분산시켜서 ABS/CNT 복합재료를 제조한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일하게 실시하여 나노복합재료를 제조하고, 수득된 나노복합재료의 주사전자현미경 사진(SEM)을 도 4에 나타내었다.

실험예

도 3은 실시예 1에서 제조된 ABS/CNT 복합재료의 주사전자현미경 사진(SEM)을 나타낸 것이고, 도 4는 비교예 1에 의해서 제조된 ABS/CNT 복합재료의 주사전자현미경 사진(SEM)을 각각 나타낸 것이다. 도 3에서 ABS 매트릭스에 균일하게 분산되어 있는 CNT(밝은 점)를 관찰할 수 있다. 반면에 도 4에서는 ABS 매트릭스 내에서 CNT가 응집되어 있는 것을 관찰할 수 있다. 이와 같이 본 발명의 방법에 의하면 탄소나노튜브의 고분자 기지로의 고분산상을 유도하여 고기능성의 고분자 나노복합재료를 제조할 수 있다.

이상에서 본 발명의 바람직한 구현예를 예로 들어 상세하게 설명하였으나, 이러한 설명은 단순히 본 발명의 예시적인 실시예를 설명 및 개시하는 것이다. 통상의 기술자는 본 발명의 범위 및 정신으로부터 벗어남이 없이 상기 설명 및 첨부 도면으로부터 다양한 변경, 수정 및 변형예가 가능함을 용이하게 인식할 것이다. 따라서 본 발명의 이러한 변형이나 변경은 본 발명의 특허청구범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

Claims

탄소나노튜브 분산액에서 분산매를 제거하고, 여기에 용매와 비용매의 혼합액을 혼합하는 단계;
전단계에서 수득된 탄소나노튜브 혼합액과 고분자 또는 고분자 용액을 혼합하여 탄소나노튜브와 고분자의 혼합액을 제조하는 단계; 및
상기 탄소나노튜브와 고분자의 혼합액으로부터 탄소나노튜브-고분자 침전물을 형성하고, 상기 침전물을 분리 추출하여 농축 칩을 제조하는 단계; 및
상기 농축 칩을 고분자 재료와 혼합하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브-고분자 나노복합재료의 제조방법.
제 1항에 있어서, 상기 탄소나노튜브 분산액은,
용매에 탄소나노튜브를 분산시켜서 탄소나노튜브 분산액을 제조한 후에 탄소나노튜브 분산액에 초음파를 처리하여 분산시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브-고분자 나노복합재료의 제조방법.
제 1항에 있어서, 상기 분산매 제거 과정은, 용매를 증발 또는 침전법에 의해 최초 사용량의 70% 내지 80%의 분산매를 제거하는 단계임을 특징으로 하는 탄소나노튜브-고분자 나노복합재료의 제조방법.
제1항에 있어서, 상기 침전물 형성 단계는, 탄소나노튜브, 분산매, 용매, 및 비용매를 포함하는 혼합액에 고분자의 비율이 낮은 상태에서 출발하여 고분자의 양을 서서히 늘려 가면서 고분자를 추가로 투입하여 침전을 형성시키는 단계임을 특징으로 하는 탄소나노튜브-고분자 나노복합재료의 제조방법.
제1항에 있어서, 상기 침전물 형성 단계는, 침전 형성되기 시작하면 비용매를 추가로 투입하여 침전을 형성시키는 단계임을 특징으로 하는 탄소나노튜브-고분자 나노복합재료의 제조방법.
제1항에 있어서, 상기 방법은, 농축 칩을 고분자 재료와 혼합하는 단계는, 용매가 제거되지 이전 상태의 침전물을 기재의 표면에 도포하여 경화시켜 칩 형태로 절단하거나 직접 고분자 재료와 기계적인 방법으로 혼합하고 경화하는 단계임을 특징으로 하는 탄소나노튜브-고분자 나노복합재료의 제조방법.
제1항에 있어서, 상기 방법은, 농축 칩과 고분자 재료를 혼합한 후에, 압출 또는 롤밀 가공을 이용하여 탄소나노튜브를 고분자 재료에 고분산시키는 단계를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브-고분자 나노복합재료의 제조방법.
제1항에 있어서, 용매로는 염화메틸렌, 아세톤, 이소프로필 알코올, 사염화탄소, 헥산, 또는 크실렌을 사용하는 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브-고분자 나노복합재료의 제조방법.
제 1항에 있어서, 상기 고분자 재료는 폴리아미드계 고분자; 폴리에스터계 고분자; 폴리카보네이트계 고분자; 폴리아세탈계 고분자; 폴리페닐렌에테르 함유 고분자; 폴리페닐렌설파이드 함유 고분자; 폴리우레탄계 고분자; 에폭시계 고분자; 폴리옥시알킬렌계 고분자; 폴리올레핀계 고분자; 스티렌계 고분자; 할로겐 함유 고분자; 아크릴계 고분자; 비닐아세테이트 함유 고분자; 비닐피롤리딘 함유 고분자; 또는 폴리비닐알콜의 그룹으로부터 선택된 1종 이상의 고분자인 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브-고분자 나노복합재료의 제조방법.
제 1항에 있어서, 상기 탄소나노튜브는 단일벽 탄소나노튜브, 이중벽 탄소나노튜브, 다중벽 탄소나노튜브 또는 다발형 탄소나노튜브인 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브-고분자 나노복합재료의 제조방법.
제1항 내지 제10항 가운데 어느 항의 제조방법에 의하여 제조된 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브-고분자 나노복합재료.