KR20220087757A - 강판 및 그 제조 방법 - Google Patents

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KR20220087757A KR1020200178121A KR20200178121A KR20220087757A KR 20220087757 A KR20220087757 A KR 20220087757A KR 1020200178121 A KR1020200178121 A KR 1020200178121A KR 20200178121 A KR20200178121 A KR 20200178121A KR 20220087757 A KR20220087757 A KR 20220087757A
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Abstract

본 발명은 별도의 바인더 수지 없이 강판과 그래핀 사이의 밀착력이 우수하고, 그래핀의 배리어 특성과 배향성이 향상되고, 방열성, 전기전도성 등의 그래핀 고유의 특성을 극대화한 강판 및 그 제조 방법에 대하여 개시한다.
본 발명에 따른 강판은 강판 기재; 상기 강판 기재 상에 배치되는 그래핀층; 및 상기 강판 기재와 그래핀층 사이에 배치되는 접착층;을 포함하고, 상기 접착층은 하기 화학식 1로 표시되는 화합물을 포함한다.
[화학식 1]
Figure pat00007

R1은 -H 또는 -OH 이고,
R2는 -OH, -NH2 또는 -NHCH3 이고,
R3은 -H 또는 -OH 이고,
n은 1 내지 1000의 정수이다.

Description

강판 및 그 제조 방법{STEEL SHEET AND METHOD FOR MANUFACTURING THE SAME}
본 발명은 그래핀의 배리어(barrier) 특성이 우수한 강판 및 그 제조 방법에 관한 것이다.
그래핀은 탄소 원자층이 육각형의 격자점 평면에 꽉 들어찬 2차원 탄소 원자면 구조를 가진다. 그래핀의 인장강도는 강철의 인장강도 보다 약 311배 더 강하고, 그래핀의 전자 이동도는 실리콘의 전자 이동도 보다 약 1,000배 더 빠르다.
또한 그래핀의 열전도도는 구리의 열전도도 보다 약 10배 이상 우수하고, 빛의 98%를 통과시킬 정도로 투명하며, 휘거나 늘려도 특성이 유지되는 성질을 가지고 있다.
이러한 특성으로 인해 그래핀은 나노소재, 잉크, 배리어 소재, 방열소재, 초경량 소재, 에너지 전극 소재, 차세대 반도체, 투명전극 등에 활용될 수 있다.
한편, 그래핀을 강판에 코팅하게 되면, 강판의 표면에 내식성, 방열성, 전도성, 밀착성, 강도, 가공성 등을 확보하여 다양한 분야로 강판을 활용할 수 있을 것으로 기대된다.
기재에 그래핀을 대면적으로 코팅하기 위해 용액공정이 널리 이용되고 있다.
용액공정은 기재와의 밀착력 확보를 위해 별도의 고분자 바인더가 필수적이다.
용액공정에서 고분자 바인더를 사용할 경우, 그래핀, 분산제, 고분자 바인더 등을 단순 혼합하여 사용하는 경우가 일반적이다.
그러나 이러한 종래의 방법을 이용할 경우, 단순히 고분자 바인더와 그래핀을 혼합하므로 그래핀의 분산 안정성에 문제가 있을 수 있다.
따라서, 그래핀이 잘 분산되면서 충분한 결합력을 가지는 고분자 바인더를 선정하는 것이 중요하다. 또한 그래핀의 충분한 분산 효과를 얻고 코팅 용액의 물성에는 악영향을 끼치지 않는 분산제를 선택하는 것이 중요하다.
이와 관련하여, 그래핀이 고분자 바인더에 잘 분산되도록 하기 위해 그래핀에 작용기를 붙여 산화그래핀을 만드는 경우도 있다. 하지만, 산화그래핀을 제조하기 위해서는 분산 용액을 만들고 강판을 코팅한 이후에 다시 고온에서의 환원 공정을 거쳐야 한다. 또한 환원 공정 중 바인더로 인해, 매우 열위한 환원 효율과 그래핀이 강판 표면에 균일하게 배향되지 못하는 단점이 있다.
뿐만 아니라, 그래핀과 바인더를 단순 혼합할 경우에는 바인더와 그래핀이 특별한 방향성 없이 배치되기 때문에, 강판 표면에 코팅하고 난 이후에도 그래핀 층보다는 바인더 층이 코팅층의 외곽에 위치하게 된다.
이에 따라 강판 표면에서 그래핀을 특성을 충분히 발휘하지 못하는 문제점 등이 발생한다.
본 발명의 목적은 별도의 바인더 수지 없이 강판과 그래핀 사이의 밀착력이 우수한 강판을 제공하는 것이다.
또한 본 발명의 목적은 그래핀의 배리어 특성과 배향성을 향상시키고 방열성, 전기전도성 등의 그래핀 고유의 특성을 극대화한 강판을 제공하는 것이다.
또한 본 발명의 목적은 대면적 코팅이 용이한 강판의 제조 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 목적들은 이상에서 언급한 목적으로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 본 발명의 다른 목적 및 장점들은 하기의 설명에 의해서 이해될 수 있고, 본 발명의 실시예에 의해 보다 분명하게 이해될 것이다. 또한, 본 발명의 목적 및 장점들은 특허 청구 범위에 나타낸 수단 및 그 조합에 의해 실현될 수 있음을 쉽게 알 수 있을 것이다.
본 발명에 따른 강판은 강판 기재; 상기 강판 기재 상에 배치되는 그래핀층; 및 상기 강판 기재와 그래핀층 사이에 배치되는 접착층;을 포함하고, 상기 접착층은 하기 화학식 1로 표시되는 화합물을 포함한다.
[화학식 1]
Figure pat00001
R1은 -H 또는 -OH 이고,
R2는 -OH, -NH2 또는 -NHCH3 이고,
R3은 -H 또는 -OH 이고,
n은 1 내지 1000의 정수이다.
본 발명에 따른 강판의 제조 방법은 (a) 하기 화학식 1로 표시되는 화합물과 그래핀을 포함하는 분산액을 마련하는 단계; (b) 강판 기재의 표면에 분산액을 도포하여, 하기 화학식 1로 표시되는 화합물을 포함하는 접착층 및 상기 접착층 상에 그래핀층을 형성하는 단계; 및 (c) 상기 접착층과 그래핀층이 형성된 강판 기재를 열처리하는 단계;를 포함한다.
[화학식 1]
Figure pat00002
R1은 -H 또는 -OH 이고,
R2는 -OH, -NH2 또는 -NHCH3 이고,
R3은 -H 또는 -OH 이고,
n은 1 내지 1000의 정수이다.
본 발명에 따른 강판은 별도의 바인더 수지 없이 강판과 그래핀 사이의 밀착력이 우수하다.
또한 본 발명에 따른 강판은 그래핀의 배리어 특성과 배향성이 향상되고, 방열성, 전기전도성 등의 그래핀 고유의 특성을 극대화한 효과를 제공한다.
또한 본 발명의 강판 제조 방법은 대면적 코팅이 용이한 효과가 있다.
상술한 효과와 더불어 본 발명의 구체적인 효과는 이하 발명을 실시하기 위한 구체적인 사항을 설명하면서 함께 기술한다.
도 1은 본 발명에 따른 접착층에 포함되는 폴리도파민의 합성 과정을 나타낸다.
도 2는 기판 상에 그래핀의 조립 상태를 보여주는 단면도이다.
도 3은 본 발명에 따른 접착층에 포함되는 폴리도파민이 강판 표면에 접착되는 메커니즘이다.
도 4는 코팅 전 강판과 폴리도파민으로 코팅된 강판(a), 상기 코팅 전/후 강판의 SEM 이미지(b), 상기 코팅 전/후 강판의 접촉각 데이터이다.
도 5는 본 발명의 폴리도파민과 그래핀으로 코팅된 강판(A), 폴리에스테르 수지와 그래핀으로 코팅된 강판(B) 및 코팅 전 강판(C)의 시간에 따른 온도변화를 보여주는 방열특성 그래프이다.
도 6은 본 발명의 폴리도파민과 그래핀으로 코팅된 강판의 밀착성 및 벤딩 특성을 보여주는 결과이다.
전술한 목적, 특징 및 장점은 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 후술되며, 이에 따라 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있을 것이다. 본 발명을 설명함에 있어서 본 발명과 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 상세한 설명을 생략한다. 이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 도면에서 동일한 참조부호는 동일 또는 유사한 구성요소를 가리키는 것으로 사용된다.
이하에서 구성요소의 "상부 (또는 하부)" 또는 구성요소의 "상 (또는 하)"에 임의의 구성이 배치된다는 것은, 임의의 구성이 상기 구성요소의 상면 (또는 하면)에 접하여 배치되는 것뿐만 아니라, 상기 구성요소와 상기 구성요소 상에 (또는 하에) 배치된 임의의 구성 사이에 다른 구성이 개재될 수 있음을 의미할 수 있다.
또한 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결", "결합" 또는 "접속"된다고 기재된 경우, 상기 구성요소들은 서로 직접적으로 연결되거나 또는 접속될 수 있지만, 각 구성요소 사이에 다른 구성요소가 "개재"되거나, 각 구성요소가 다른 구성요소를 통해 "연결", "결합" 또는 "접속"될 수도 있는 것으로 이해되어야 할 것이다.
이하에서는, 본 발명의 몇몇 실시예에 따른 강판 및 그 제조 방법을 설명하도록 한다.
본 발명의 강판의 제조 방법은 다음과 같다.
본 발명의 강판의 제조 방법은 하기 화학식 1로 표시되는 화합물과 그래핀을 포함하는 분산액을 마련하는 단계(S110), 강판 기재의 표면에 분산액을 도포하여, 하기 화학식 1로 표시되는 화합물을 포함하는 접착층 및 상기 접착층 상에 그래핀층을 형성하는 단계(S120) 및 상기 접착층과 그래핀층이 형성된 강판 기재를 열처리하는 단계(S130)를 포함한다.
본 발명에서는 강판에 그래핀 코팅층을 형성하기 위해, 하기 화학식 1로 표시되는 화합물과 그래핀을 포함하는 분산액을 마련한다.
[화학식 1]
Figure pat00003
R1은 -H 또는 -OH 이고,
R2는 -OH, -NH2 또는 -NHCH3 이고,
R3은 -H 또는 -OH 이고,
n은 1 내지 1000의 정수이다.
상기 화학식 1로 표시되는 화합물은 폴리도파민(Polydopamine), 폴리노레피네프린(Polynorepinephrine) 및 폴리에피네프린(Polyepinephrine) 중 1종 이상을 포함할 수 있다.
바람직하게는, 상기 화합물은 폴리도파민을 포함할 수 있다.
구체적으로, 화학식 1로 표시되는 화합물과 그래핀을 포함하는 분산액을 마련하는 단계는 (a1) 완충액과 유기용매를 혼합하여 제1용액을 마련하는 단계, (a2) 상기 제1용액에 화합물 전구체를 첨가하여 제2용액을 마련하는 단계, 및 (a3) 상기 제2용액에 그래핀을 첨가하여 분산액을 마련하는 단계를 포함한다.
완충액은 후술할 화합물 전구체를 중합시키기 위해 pH 7~10 의 약염기성을 가진다.
화합물 전구체는 염기성 조건에서 수소원자를 배출하면서 산화 및 중합이 이루어지므로, 완충액을 염기성을 갖도록 조절하는 것이 바람직하다.
완충액의 산도가 pH 7 미만인 경우 제1용액이 산성을 띄어 화합물 전구체의 수소가 배출되지 않아 중합이 일어나지 않을 수 있다. 반대로 완충액의 산도가 pH 10을 초과하는 경우 화합물 전구체의 중합속도와 중합도가 너무 높아지면서 그래핀과의 분산성이 저하되고 코팅 효과가 저하될 수 있다.
완충액은 트리스 완충액(tris-buffer) 등을 사용할 수 있다. 예를 들어, 트리스-염산과 트리스-베이스를 혼합하여 완충액을 마련할 수 있다.
유기용매는 용액의 점도 조절 및 희석 용도로 포함되며, 메탄올, 에탄올, 에테르 등의 공지된 종류라면 제한없이 사용될 수 있다.
이어서, 상기 완충액과 유기용매를 포함하는 제1용액에 화합물 전구체를 첨가하여 제2용액을 마련한다.
상기 화합물 전구체는 도파민, 노레피네프린, 에피네프린(아드레날린) 중 1종 이상을 포함할 수 있다.
상기 화합물 전구체는 제1용액 100중량부에 대하여, 10~100중량부로 첨가될 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
상기 제1용액에 화합물 전구체를 첨가하면, 도 1에 도시된 바와 같이, 화합물 전구체가 수소원자를 배출하면서 산화 및 중합이 이루어지고, 단량체를 포함하는 중합체를 형성하게 된다.
상기 중합체는 폴리도파민, 폴리노레피네프린 및 폴리에피네프린 중 1종 이상을 포함할 수 있다.
이어서, 화학식 1로 표시되는 화합물을 포함하는 제2용액에 그래핀을 첨가하여 분산액을 마련한다.
상기 그래핀은 제2용액 100중량부에 대하여, 10~100중량부로 첨가될 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
추가로, 상기 분산액은 그래핀의 분산성 향상을 위해 양친매성 분산제를 더 포함할 수 있다.
상기 분산제는 부틸렌글라이콜디카프릴레이트/디카프레이트(butylene glycol dicaprylate/dicaprate), 피이지-60 하이드로제네이티드캐스터오일(PEG-60 hydrogenated castor oil), 피이지-10 디메티콘(PEG-10 dimethicone), 비스-에톡시디글라이콜사이클로헥산1,4-디카복실레이트(bis-ethoxydiglycolcyclohexane 1,4-dicarboxylate) 및 이소스테아릭애씨드(isostearic acid) 중 1종 이상을 포함할 수 있다.
상기 분산제는 제2용액 100중량부에 대하여, 0.1~10중량부로 첨가될 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
이어서, 강판 기재의 표면에 상기 분산액을 도포하여, 화학식 1로 표시되는 화합물을 포함하는 접착층 및 상기 접착층 상에 그래핀층을 순차적으로 형성한다.
화학식 1로 표시되는 화합물에 포함되는 카테콜(catechol) 구조는 기판, 강판과의 접착 능력에 큰 영향을 미친다.
화학식 1로 표시되는 화합물을 이용하여 강판 상에 그래핀을 코팅하면, 카테콜 구조에 의해 강판과 그래핀 사이의 밀착력 확보가 용이한 효과가 있다.
또한 별도의 바인더 수지 없이, 화학식 1로 표시되는 화합물이 단층막(monolayer)을 형성하기 때문에, 그래핀을 단독으로 코팅하여 그래핀 고유의 특성을 극대화할 수 있다.
본 발명에서 그래핀은 강판 기재 상에 코팅되어, 그래핀의 배리어 특성과 배향성을 향상시킴과 동시에 방열성, 전기전도성 등의 그래핀 고유의 특성을 극대화하기 위한 목적으로 첨가된다.
그래핀은 평면상의 구조를 가지고 있기 때문에 수평 방향으로의 특성은 매우 우수하다. 반면 그래핀은 수직방향으로의 물성이 수평방향에 비해 떨어지는 비등방성을 가진다.
특히, 그래핀을 기체방지막, 산화방지막으로 적용하기 위해서는 기체를 막고자 하는 재료에 그래핀을 수평방향으로 배열하여 재료에 빈틈없이 그래핀을 부착하는 것이 매우 중요하다.
한편, 그래핀 분산액을 이용하여 기체방지막, 산화방지막에 적용하기 위해서는 한 장의 그래핀만으로는 조각의 크기(수백 nm ~ 수 ㎛)가 너무 작아 불가능하다.
실제로 적용하기 위해서는 그래핀 분산액 내 그래핀 조각들을 조립한 다층의 그래핀 필름을 형성하여 기체방지막, 산화방지막에 적용하게 된다.
그러나 이러한 그래핀 분산액을 코팅하는 방법이나 조건에 따라 그래핀이 조립되는 정도가 다르게 형성되며, 그래핀의 조립이 잘 되지 않는다.
도 2의 왼쪽에 도시된 바와 같이, 그래핀 조각의 배향성 없이 그래핀 필름이 형성된다면 기체가 그래핀 사이로 투과해 높은 기체방지 특성을 가지지 못하게 된다.
따라서, 도 2의 오른쪽에 도시된 바와 같이, 그래핀을 단일 배향성으로 배열하고 그래핀 간의 거리를 효과적으로 감소시켜 높은 배리어 특성을 갖도록 함으로써 실제 내부식성 뿐만 아니라 그래핀 고유의 전기전도성, 방열성 등의 특성을 극대화하는 것이 바람직하다.
이와 관련하여, 본 발명에서는 그래핀 고유의 특성을 극대화하기 위해, 별도의 바인더 수지 없이 화학식 1로 표시되는 화합물을 이용하였다.
화학식 1로 표시되는 화합물에 포함되는 카테콜(catechol) 구조가 강판과 그래핀 사이의 강한 밀착력을 유도하고, 상기 화합물이 단층막으로 형성되어 접착층의 두께를 최소화함으로써, 그래핀 고유의 특성을 강판 표면에 그대로 나타나게 할 수 있다.
또한 화학식 1로 표시되는 화합물을 이용함에 따라, 접착층과 그래핀층 사이의 계면은 친수성을 나타낸다. 이는 강판 기재의 표면이 친수성으로 표면 처리됨에 따라, 그래핀층의 밀착력을 확보하기에 유리하다는 것을 의미한다.
친수성은 임의의 부위가 물 분자와 쉽게 결합될 때 상기 부위를 친수성이라 하고, 소수성은 임의의 부위가 물 분자와 쉽게 결합되지 못할 때 상기 부위를 소수성이라 한다.
친수성 판단은 접촉각을 통해 확인할 수 있는데, 접촉각이란 액체가 고체 표면 위에서 열역학적으로 평형을 이룰 때 이루는 각도이다. 즉, 고체 표면과 액체가 접촉하는 지점에서부터 액체의 표면까지 접선을 이었을 때, 이 접선과 고체의 표면이 이루는 각도로 정의된다. 이는 고체 표면의 젖음성을 나타내는 척도로 대부분 고착된 물방울에 의해 측정될 수 있다.
화학식 1로 표시되는 화합물을 강판 상에 코팅한 후 접촉각을 측정하면, 약 60° 이하의 접촉각을 나타낼 수 있다.
그래핀 분산액을 이용하여 효과적인 배리어 특성, 전기전도성, 방열성 등을 갖는 강판을 제조하기 위해, 분산된 그래핀 조각들을 배향성 있게 배열하고 그래핀 간의 거리를 효과적으로 줄일 수 있어야 한다.
그래핀 코팅층을 형성하는 방법으로 딥코팅, 바코팅, 롤코팅이 있다.
예를 들어, 그래핀 코팅층은 바코팅으로 수행될 수 있다.
이와 같은 코팅법을 이용하면 강판과 같은 대면적에 코팅이 용이하고, 상대적으로 큰 크기의 그래핀을 적용할 수 있어 그래핀 고유의 특성을 보다 효율적으로 나타낼 수 있다.
딥코팅 방법은 재료가 녹아있는 용액에 기판을 담궈, 기판에 재료가 흡착되도록 코팅하는 방법이다.
딥코팅 방법을 그래핀에 적용하면 그래핀을 매우 손쉽게 코팅할 수 있다. 다만, 그래핀이 기판에 흡착되는 힘이 한정적이어서 많은 용액이 사용되기 때문에 대면적의 그래핀을 코팅하기에 어려운 단점이 있다.
바코팅 방법은 도포하고자 하는 소량의 용액을 기판의 일부분에 떨어뜨린 후 바를 이용하여 이 용액을 전면적에 도포하는 방법이다.
바코팅을 그래핀에 적용하면 소량의 용액을 사용하여 대면적의 필름을 만들 수 있다. 그리고 전단력을 가하여 코팅하기 때문에 그래핀이 단일 방향으로 배향된 코팅층을 형성할 수 있다. 또한, 그래핀 분산액 내 강판과 밀착성을 확보할 수 있는 물질이 포함되어 있다면 단일 배향성을 갖는 그래핀 코팅층을 형성할 수 있다.
롤코팅 방법은 롤러를 이용하여 재료를 도포하는 방법이다.
이어서, 상기 접착층과 그래핀층이 형성된 강판 기재를 열처리하여 강판을 제조한다.
열처리는 800~900℃에서 수행될 수 있다. 800~900℃에서 강판의 안정상은 오스테나이트로서 탄소의 고용도가 증가하게 된다. 이때 강판의 표면에 도포된 그래핀의 일부가 강중으로 고용되는데 열처리가 끝나면 고용도의 감소로 고용된 탄소가 표층으로 나오면서 그래핀과의 결합력이 더 증가하게 된다.
도 3은 본 발명에 따른 접착층에 포함되는 폴리도파민이 강판 표면에 접착되는 메커니즘이다.
화학식 1로 표시되는 화합물이 폴리도파민이라고 가정하면, 폴리도파민의 카테콜 구조가 강판과의 강한 접착력을 가지면서, 상기 화학식 1의 R1은 강판 기재(10)와 결합되는 구조를 보인다.
강한 접착력을 갖는 카테콜 구조가 우선적으로 강판 쪽으로 배열되어 결합되고, 그래핀은 자연적으로 강판의 상부(외곽)로 배치될 가능성이 높아진다.
도 3을 참조하면, 원자간 결합 길이(bond length)는 약 0.29nm를 보인다. 수소 원자간 결합 길이는 산소 원자간 결합 길이보다 큰 값을 보이나, 접착력에 의해 산소 원자간 결합 길이와 비슷한 값을 보이는 것으로 예상할 수 있다.
본 발명에서는 강판 코팅 시 그래핀이 접착층 보다 상부에 위치하도록 함으로써, 강판과 그래핀과의 강한 접착력 확보와 함께 그래핀의 배리어 특성을 효율적으로 나타내는 효과가 있다.
상기 그래핀이 접착층 보다 상부에 위치하는 것은 접착층 및 그래핀층의 두께 방향으로 상부 80% 이내, 바람직하게는 상부 50% 이내에 위치하는 것을 의미한다.
본 발명에 따른 강판은 강판 기재(10), 상기 강판 기재(10) 상에 배치되는 그래핀층(30) 및 상기 강판 기재(10)와 그래핀층(30) 사이에 배치되는 접착층(20)을 포함한다.
상기 접착층(20)은 하기 화학식 1로 표시되는 화합물을 포함한다.
[화학식 1]
Figure pat00004
R1은 -H 또는 -OH 이고,
R2는 -OH, -NH2 또는 -NHCH3 이고,
R3은 -H 또는 -OH 이고,
n은 1 내지 1000의 정수이다.
제조 방법에서 전술한 바와 같이, 상기 화학식 1의 R1은 강판 기재와 결합된다.
그리고 화학식 1로 표시되는 화합물은 폴리도파민, 폴리노레피네프린 및 폴리에피네프린 중 1종 이상을 포함할 수 있다.
또한, 접착층(20)은 단층막이고, 접착층과 그래핀층 사이의 계면은 친수성이며, 그래핀층에 포함되는 그래핀은 그래핀층에 대하여 수평이 되도록 단일 배향성을 갖는다. 이에 대한 사항은 전술한 바와 동일하므로, 생략하기로 한다.
사용 가능한 강판 기재로서, 냉연강판; 아연도금강판; 아연계 전기도금강판; 용융아연도금강판; 알루미늄도금강판; 도금층에 코발트, 몰리브덴, 텅스텐, 니켈, 티탄, 알루미늄, 망간, 철 마그네슘, 주석, 동 또는 이들의 혼합물인 불순물 또는 이종금속을 함유한 도금강판; 실리콘, 동 마그네슘, 철, 망간, 티탄, 아연 또는 이들의 혼합물을 첨가한 알루미늄 합금판; 인산염이 도포된 아연도금강판; 냉연강판; 또는 열연강판 등을 사용할 수 있으나, 이에 특별히 제한하는 것은 아니다.
이와 같이 강판 및 그 제조 방법에 대하여 그 구체적인 실시예를 살펴보면 다음과 같다.
1. 강판의 제조
실시예
Tris-HCl과 Tris-base를 혼합하여 pH 8.5로 만든 후 메탄올을 첨가하여 제1용액을 제조하였다.
상기 제1용액 100중량부에 대하여, 도파민 전구체(도파민 염산염) 80중량부를 넣어 제2용액을 제조하였다.
상기 제2용액 100중량부에 대하여, 그래핀 80중량부를 첨가 및 분산하여 분산액을 제조하였다.
상기 분산액에는 별도의 바인더 수지가 포함되지 않았으며, 제2용액 100중량부에 대하여 양친매성 분산제인 부틸렌글라이콜디카프릴레이트/디카프레이트 1중량부를 더 첨가하였다.
바코팅을 이용하여, 강판 기재 상에 분산액을 도포하고, 800℃에서 열처리하여 그래핀으로 코팅된 강판을 제조하였다.
2. 물성 평가 방법 및 그 결과
도 4의 폴리도파민으로 코팅된 강판은 상시 실시예 조건의 제2용액으로 바코팅된 시편을 가리킨다. 도 5 및 도 6의 폴리도파민과 그래핀으로 코팅된 강판은 실시예 조건의 시편을 가리킨다.
도 4는 코팅 전 강판과 폴리도파민으로 코팅된 강판(a), 상기 코팅 전/후 강판의 SEM 이미지(b), 상기 코팅 전/후 강판의 접촉각 데이터이다.
도 4의 (a)를 참조하면, 폴리도파민으로 강판을 코팅하면 코팅된 부분의 색이 변한 것을 알 수 있다.
이를 자세히 관찰하기 위해, SEM 을 측정하여 강판 표면을 도 4(b)에 나타내었다.
폴리도파민이 강판에 코팅되면서 강판의 표면 거칠기가 감소한 것을 보여준다.
도 4의 (c)를 참조하면, 기본 코팅 전 강판의 접촉각은 106°로 매우 소수성을 나타낸다.
반면, 폴리도파민으로 코팅된 강판의 접촉각은 48°로 측정되었다.
이는 폴리도파민이 강판 상에 코팅이 잘 되어 친수성을 나타낸 것으로 생각된다.
도 5는 본 발명의 폴리도파민과 그래핀으로 코팅된 강판(A), 폴리에스테르 수지와 그래핀으로 코팅된 강판(B) 및 코팅 전 강판(C)의 시간에 따른 온도변화를 보여주는 방열특성 그래프이다.
도 5를 참조하면, 방열 효과의 경우 본 발명의 폴리도파민과 그래핀으로 코팅된 강판(A)의 방열 효과가 가장 큰 것을 확인할 수 있다.
도 6은 본 발명의 폴리도파민과 그래핀으로 코팅된 강판의 밀착성 및 벤딩 특성을 보여주는 결과이다.
밀착성은 평판과 에릭슨 두 가지에 대해 모두 평가하였다. 코팅된 강판의 표면에 크로스컷 가이드(Cross cut guide)를 이용하여, 날카로운 칼로 가로 세로의 격자 형태로 100개의 칸을 1mm 간격으로 긋고, 격자로 그어진 부분을 에릭슨 측정기를 이용하여 6mm 높이로 밀어 올리고, 밀어 올린 부위에 스카치테이프(Ichiban사 NB-1)를 부착한 후 떼어내어 떨어진 면의 상태를 관찰하여 평가하였다.
또한, 평판은 가로 세로의 격자 형태로 100개의 칸을 1mm 간격으로 긋고 바로 스카치테이프(Ichiban사 NB-1)를 부착한 후 떼어내어 떨어진 면의 상태를 관찰하여 평가하였다.
평가결과는 "붙어있는 개수/100"으로 표시하였다. 즉, 표면에서 떨어진 부분이 없는 경우 "100/100"으로, 10개의 박리가 발생한 경우 "90/100"으로 표시하였다.
벤딩(bending)은 코팅된 시편의 표면을 180° 구부린 다음, 바이스에 넣어서 평면이 될 때까지 조였다(0T-Bending 실시). 구부러진 부분에서 도막의 박리 및 크랙의 발생 상태를 평가하였다.
도 6을 참조하면, 본 발명의 실시예 조건에 따라 제조된 강판은 밀착성과 벤딩 특성이 모두 양호하였다. 밀착력의 경우 태핑(tapping) 후에도 그래핀층이 박리되지 않았다. 또한 벤딩 부위에서는 그래핀층이 벗겨지거나 크랙이 발생하지 않았다.
반면, 폴리에스테르 수지와 그래핀으로 코팅된 강판은 그래핀층이 박리되거나, 크랙이 발생할 것으로 예상된다.
이상과 같이 본 발명에 대해서 예시한 도면을 참조로 하여 설명하였으나, 본 명세서에 개시된 실시 예와 도면에 의해 본 발명이 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 기술사상의 범위 내에서 통상의 기술자에 의해 다양한 변형이 이루어질 수 있음은 자명하다. 아울러 앞서 본 발명의 실시 예를 설명하면서 본 발명의 구성에 따른 작용 효과를 명시적으로 기재하여 설명하지 않았을 지라도, 해당 구성에 의해 예측 가능한 효과 또한 인정되어야 함은 당연하다.
1 : 기판
10 : 강판 기재
20 : 접착층
30 : 그래핀층
33 : 그래핀

Claims (10)

  1. 강판 기재;
    상기 강판 기재 상에 배치되는 그래핀층; 및
    상기 강판 기재와 그래핀층 사이에 배치되는 접착층;을 포함하고,
    상기 접착층은 하기 화학식 1로 표시되는 화합물을 포함하는 강판.
    [화학식 1]
    Figure pat00005

    R1은 -H 또는 -OH 이고,
    R2는 -OH, -NH2 또는 -NHCH3 이고,
    R3은 -H 또는 -OH 이고,
    n은 1 내지 1000의 정수이다.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 화학식 1의 R1은 강판 기재와 결합되는 강판.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 화학식 1로 표시되는 화합물은 폴리도파민(Polydopamine), 폴리노레피네프린(Polynorepinephrine) 및 폴리에피네프린(Polyepinephrine) 중 1종 이상을 포함하는 강판.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 접착층은 단층막(monolayer)인 강판.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 접착층과 그래핀층 사이의 계면은 친수성인 강판.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 그래핀층에 포함되는 그래핀은 단일 배향성을 갖는 강판.
  7. (a) 하기 화학식 1로 표시되는 화합물과 그래핀을 포함하는 분산액을 마련하는 단계;
    (b) 강판 기재의 표면에 분산액을 도포하여, 하기 화학식 1로 표시되는 화합물을 포함하는 접착층 및 상기 접착층 상에 그래핀층을 형성하는 단계; 및
    (c) 상기 접착층과 그래핀층이 형성된 강판 기재를 열처리하는 단계;를 포함하는 강판의 제조 방법.
    [화학식 1]
    Figure pat00006

    R1은 -H 또는 -OH 이고,
    R2는 -OH, -NH2 또는 -NHCH3 이고,
    R3은 -H 또는 -OH 이고,
    n은 1 내지 1000의 정수이다.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 (a) 단계에서, 하기 화학식 1로 표시되는 화합물과 그래핀을 포함하는 분산액을 마련하는 단계는
    (a1) 완충액과 유기용매를 혼합하여 제1용액을 마련하는 단계;
    (a2) 상기 제1용액에 화합물 전구체를 첨가하여 제2용액을 마련하는 단계; 및
    (a3) 상기 제2용액에 그래핀을 첨가하여 분산액을 마련하는 단계;를 포함하는 강판의 제조 방법.
  9. 제7항에 있어서,
    상기 분산액은 분산제를 더 포함하는 강판의 제조 방법.
  10. 제7항에 있어서,
    상기 (b) 단계에서 분산액 도포는 바코팅으로 수행되는 강판의 제조 방법.
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