KR20230066959A - 유해식물 넝쿨줄기 비표백펄프와 카본 나노튜브를 이용한 탄소 종이의 제조 방법과 이를 이용한 전자파 차폐시트 - Google Patents

Abstract

본 발명은 환경유해 식물의 줄기에서 셀룰로오스, 리그닌, 헤미셀룰로오스를 따로 분리하지 않고, 줄기 전체를 섬유화하여 비표백 펄프를 얻은 후 카본 나노튜브와 섞어 종이를 제조한 다음 탄화하여 탄소 종이를 제조하는 방법에 관한 것이다. 또한, 본 발명은 이와 같은 방법에 의해서 획득된 탄소종이를 이용하여 전자파 차폐효과, 유연성과 전기전도도가 향상된 전자파 차폐 재료를 제조하는 것이다.

Description

유해식물 넝쿨줄기 비표백펄프와 카본 나노튜브를 이용한 탄소 종이의 제조 방법과 이를 이용한 전자파 차폐시트{A METHOD FOR MANUFACTURING CARBON PAPER FROM HARMFUL CREEPER PULP AND CARBON NANOTUBE MIXTURE AND }

본 발명은 환경유해 식물인 넝쿨식물의 줄기를 이용하되, 셀룰로오스, 리그닌, 헤미셀룰로오스를 따로 분리하지 않고, 줄기 전체를 섬유화하여 비표백 펄프를 얻은 후 카본 나노튜브와 섞어 종이를 제조한 다음 탄화하여 탄소 종이를 제조하는 방법에 관한 것이다.

또한, 본 발명은 이와 같은 방법에 의해서 획득된 탄소종이를 이용하여 전자파 차폐효과, 유연성과 전기전도도가 향상된 전자파 차폐 재료를 제조하는 것이다.

환경유해 식물들은 대체로 국외에서 국내로 유입되어 자연에 토착화된 식물로서 일부 교란식물들은 생물 다양성 감소 및 사회 경제적인 피해를 입히기도 한다. 생태계 교란식물들은 번식 능력이 뛰어나고, 환경 내성 범위가 넓어 단기간에 광범위하게 퍼져 나가기도 하는데, 특히, 환경 유해 식물들 중 넝쿨 식물들은 나무나 토종 식물을 덮어 광합성을 방해하여 식물을 고사시켜 생태계 먹이 사슬 혼란을 일으키고, 알레르기를 유발하는 등 다양한 피해를 일으키고 있다.

따라서, 생태계에 유해한 식물들의 이용가치가 높여 활용성이 좋은 효율적인 재료로 대체하여 자원 및 에너지 문제에 대처하여 저탄소 녹색성장에 기여할 연구가 반드시 필요하다.

전자파는 전자기기 사용으로부터 발생되는 전파로 장기간 노출시 인체에 유해하고 전자기기의 오작동 및 신호 품질 저하, 환경에 다양한 문제를 야기할 수 있다. 최근, 대중들의 스마트폰이나 인터넷의 사용 증가, 자동차의 시장의 성장은 전자파 차폐재료에 대한 수요를 크게 요구하고 있다.

또한, 전자파를 차폐하기 위해서 알루미늄이나 구리와 같은 금속 소재를 사용하지만, 이는 부식성이 용이하고 분산성이 떨어지며 금속 자체의 단단함에 의해서 다양하게 전자파 차폐 물질로서 응용하기에는 한계가 있다.

이에, 본 발명의 발명자는 생태계 교란 식물인 넝쿨 식물들의 줄기를 섬유화한 후 카본나노튜브 (carbonanotube, CNT)와 섞은 후 종이로 제조하고 이를 탄화하여 탄소 종이를 얻은 다음, 이를 이용하여 전자파 차폐재를 제조할 수 있게 하였다.

선행문헌 : 대한민국 특허등록 제10-0801470호 (2008.01.30. 등록)

본 발명은 환경유해식물인 넝쿨줄기를 자원화하되, 부가가치가 높은 탄소종이를 제조할 수 있는 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명은 상기 탄소 종이를 이용하여 유연성과 전기전도성이 우수한 전자파 차폐 재료를 제조하는 것을 목적으로 한다.

상기와 같은 기술적 과제를 해결하기 위한 본 발명의 탄소종이 제조방법은,

환경 유해식물중의 하나인 넝쿨줄기를 건조 후 갈아서 비표백 펄프화하는 단계(단계 1);

상기 비표백 펄프와 카본 나노튜브를 소정비율에 따라 물에서 섞고 가교제 또는 바인더를 첨가하여 비표백 펄프와 카본나노튜브의 혼합 용액을 얻는 단계(단계 2);

상기 혼합 용액을 필터링이나 종이를 뜬 후 건조 압축하여 종이를 획득하는 단계(단계 3);

상기 종이를 탄화하여 탄소종이를 얻는 단계(단계 4);를 포함하는 것으로, 유해식물 넝쿨줄기 비표백 펄프와 카본 나노튜브를 통해서 탄소 종이를 제조한다.

본 발명은 환경에 유해되는 넝쿨식물의 넝쿨줄기를 비표백 펄프화한 후 카본 나노튜브와 섞어 종이를 제조하고 이를 탄화하여 탄소 종이를 얻기 때문에 폐기될 수 밖에 없는 무익하거나 유해한 식물의 가치를 현저하게 높일 수 있는 것이다.

본 발명의 탄소종이를 이용한 전자파 차폐재는 기존의 전자파 차폐재와 달리, 알루미늄이나 구리와 같은 금속물질을 첨가하지 않고도 전기전도도와 유연성(flexiblity)이 우수한 전자파 차폐 재료를 제공한다.

본 발명은 넝쿨줄기로부터 셀룰로오스, 리그닌, 헤미셀룰로오스와 같은 성분을 분리하지 않고 바로 건조하여 펄프화한 비표백 펄프로서, 화학처리에 의한 수질, 토양, 대기 오염과 같은 환경문제가 생기지 않을 뿐만 아니라, 폐기처리시에도 환경문제가 생기지 않는다.

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 넝쿨줄기 비표백 펄프와 카본나노튜브를 이용한 탄소종이 제조방법에 대한 개략도이다.
도 2는 본 발명에 따른 탄소종이가 가지는 표면 전기전도도 값에 대한 측정값이다.
도 3은 넝쿨줄기 비표백 펄프와 카본나노튜브를 이용한 탄소 종이의 전자파 차폐 효율 (Electromagnetic interference shielding effectiveness, EMI SE)에 대한 측정값이다.

상기와 같은 해결수단을 가진 본 발명은,

유해 넝쿨식물의 넝쿨줄기를 건조한 후에 갈아서 비표백 넝쿨줄기 펄프를 획득하는 단계(단계 1);

상기 넝쿨줄기펄프와 카본나노튜브를 소정의 비율에 따라 물과 함께 섞고 가교제 또는 바인더를 첨가하는 단계(단계 2);

상기 단계 1에서 얻어진 넝쿨줄기펄프와 카본나노튜브의 수용액을 필터링을 통해 종이를 뜬 후 건조하고 압축하여 종이를 획득하는 단계(단계 3);

상기 단계 3에서 획득된 종이를 탄화하여 넝쿨줄기와 카본나노튜브를 포함하는 탄소종이를 제조하는 단계(단계 4);를 포함하는 제조방법에 의해서 무익한 넝쿨식물의 줄기를 이용하여 탄소 종이를 제조하는 방법을 제공한다.

이하 본 발명을 실시예를 통해서 더욱 상세하게 설명한다.

본 발명에 따른 제조 방법에 있어서

단계 1은 환경유해 식물 중 하나인 칡 넝쿨줄기를 건조한 후 물리적으로 그라인딩하여 비표백펄프를 얻는다.

단계 2는 상기 단계 1의 넝쿨줄기 비표백펄프(50~100 중량%)와 탄소나노튜브(5~50 중량%)을 물에서 해리하여 혼합용액을 제조하는 단계이다. 다만, 여기에 바인더나 접착제를 부가하여 응집성을 향상시킬 수 있다.

단계 3은 상기 단계 2에서 얻어진 혼합용액을 필터링하거나 종이를 뜨고, 열압착을 통하여 다양한 두께의 종이를 제조하는 단계이다.

단계 4는 상기 단계 3에서 얻어진 종이를 탄화하는 단계이다. 탄화를 위한 열처리는 승온 속도를 분당 1~10 ℃로 하여 700~1500 ℃에서 1~30분 동안 수행할 수 있으며, 상기 열처리가 700 ℃미만에서 수행되는 경우 펄프의 탄화에 의한 그라파이트화의 성장이 미비하여 전기전도도를 거의 나타나지 않고 1500 ℃를 초과할 경우 탄소 섬유가 부서지기 쉬운 상태가 되어 불필요한 에너지가 소비되는 문제가 있다.

따라서, 본 발명에 따른 넝쿨줄기 비표백 펄프와 카본나노튜브로부터 얻은 탄소 종이는 종이의 원료인 넝쿨식물 중의 하나인 칡 넝쿨줄기를 그라인딩하여 얻은 비표백 펄프에 카본 나노튜브를 첨가하여 획득된 종이는 전기전도도를 높혀 EMI SE 값을 상승시키되, 상기 종이를 탄화시킴으로서 전기전도도를 더욱 상승시키는데 중요한 역할을 한다.

이하, 본 발명의 실시예를 통해 더욱 상세히 설명한다. 단 하기 실시예는 본 발명을 예시하는 것일 뿐, 본 발명의 내용이 하기 실시예에 의해 한정되는 것은 아니다.

<실시예 1> 환경 유해 식물 펄프/카본 나노 튜브 종이 제조

- 단계 1 : 환경 유해식물 중 하나인 칡 넝쿨의 줄기를 이용하여 비표백 펄프를 획득하는 단계

- 단계 2: 상기 비표백 펄프와 카본 나노튜브를 물에 용해한 혼합용액을 제조하는 단계 (단계 2);

1000 mL 물에 건조된 상기 넝쿨줄기 비표백 펄프와 카본 나노튜브를 95:5, 90:10, 85:15, 80:20 비율로 하여 각각 물에 분산시키고 바인더로서 1 중량% Polyarcylamide (PAM)을 넣어 다시 믹서기로 섞었다.

단계 3: 상기 넝쿨줄기 비표백 펄프와 카본 나노튜브 용액을 필터링 또는 종이를 뜨고 건조 및 압축에 의해서 종이를 획득하는 단계 (단계 3);

비표백 펄프와 카본 나노튜브의 혼합용액을 기계적 필터링이나 한지 뜨는 방식으로 뜬 다음 60 ℃의 온도에서 건조하고, 다시 60 ℃의 열프레스를 사용하여 합축함으로써 종이를 획득한다.

단계 4: 상기 획득된 종이를 탄화하는 단계 (단계 4);

상기 단계 4의 탄화 단계는 1000 ℃에서 탄화하여 탄소 종이를 제조하였다.

<분석>

1. 전기전도도 측정

카본 나노튜브의 온도가 증가함에 따라 전기 전도도가 증가하였고, 탄화후 얻은 탄소 종이의 전기 전도도가 탄화 전 종이보다 증가하였다. 이는 펄프에 탄화하는 과정을 통해서 펄프가 그라파이트되고 이로써 전기전도도가 상승된 것으로 보인다. (도 2)

2. 전자파 차폐 효과

전자파 차폐 효과는 탄소나노튜브의 농도가 증가할수록 탄화 후 전기전도도 값이 증가하면서 차폐효과가 증가함을 볼 수 있었다. 카본 나노튜브 20 중량%를 함유한 셀환경 유해 식물 펄프/카본 나노 튜브 탄소 섬유는 1000 ℃에서 탄화했을 경우 1.6 KHz에서 60 dB 이상의 값을 나타내었다. 이는 99.999% 이상을 차폐함을 볼 수 있다 (도 3).

이상과 같이 본 발명의 제조방법에 의해서 제조된 탄소종이는 전자파 차폐효과가 뛰어난 것으로 확인되었으며, 상기 탄소종이는 전자파 차폐시트로 이용될 수 있다. 탄소종이를 이용하여 전자파 차폐시트를 만드는 것은 통상적인 공지된 방법으로 제조되는 것이므로, 구체적인 설명을 생략한다.

Claims (6)

1. 환경 유해 식물중의 하나인 넝쿨 줄기를 건조한 후 물리적으로 그라인딩하여 비표백 펄프화하는 단계 (단계 1);
   상기 비표백 펄프를 카본 나노튜브와 함께 소정의 비율로 물에서 섞고 가교제나 바인더를 첨가하는 단계 (단계 2);
   상기 비표백 펄프와 카본 나노튜브 용액을 필터링이나 종이를 뜬 후 건조하여 압축함으로써 종이를 획득하는 단계 (단계 3);
   상기 종이를 탄화하여 탄소 종이를 만드는 단계 (단계 4)를 포함하는 것을 특징으로 하는 넝쿨줄기 비표백 펄프와 카본 나노튜브를 이용한 탄소 종이의 제조 방법.
   
2. 제1항에 있어서,
   상기 넝쿨줄기식물은 가시박, 단풍잎돼지풀, 양미역취, 서양금혼초, 털물참새피, 영국갯끈풀, 칡, 담쟁이 넝쿨, 댕댕이 넝쿨 중에서 하나 이상 선택된 것을 되는 것을 특징으로 하는 넝쿨줄기 비표백펄프와 카본 나노튜브를 이용한 탄소 종이의 제조 방법.
   
3. 제1항에 있어서,
   카본 나노튜브는 싱글월(Single-walled), 더블월(Double-walled), 멀티월(Multi-walled) 중 선택되는 어느 하나인 것을 특징으로 하는 넝쿨줄기 비표백펄프와 카본 나노튜브를 이용한 탄소 종이의 제조 방법.
   
4. 제 1항에 있어서,
   상기 단계 2의 바인더 또는 접착제는,
   폴리아크릴아마이드, 이미드계 풀, 소디움 카르복실메틸셀룰로오스, 녹말계 천연 풀 중에서 선택된 어느 하나인 것을 특징으로 하는 넝쿨줄기 비표백펄프와 카본 나노튜브를 이용한 탄소 종이의 제조 방법.
   
5. 제1항에 있어서,
   상기 단계 4의 탄화 열처리 온도는 700~1500 ℃에서 1~30분간 진행되는 것을 특징으로 하는 넝쿨줄기 비표백펄프와 카본 나노튜브를 이용한 탄소 종이의 제조 방법.
   
6. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항의 제조방법에 의해 제조되는 탄소 종이를 용한 전자파 차폐시트.
   

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