KR20230156181A - 3d 프린터용 복합체 전도성 필라멘트 및 그 제조 방법 - Google Patents

3d 프린터용 복합체 전도성 필라멘트 및 그 제조 방법 Download PDF

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김한솔
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한상우
신승철
유호진
전종호
한상준
이현승
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Abstract

본 발명은 3D 프린터용 복합체 전도성 필라멘트에 관한 것으로서, 열가소성 물질의 펠렛 및 CNT(Carbon nanotube)를 포함하되, 상기 펠렛이 용융된 상태에서 상기 CNT가 혼합되어 있다.
본 발명에 의하면, 3D 프린터용 복합체 전도성 필라멘트 조성물 및 그 제조방법을 제공함으로써, 폴리머/금속 분말 대비 우수한 전기전도도 특성을 나타낸다는 효과가 있다.

Description

3D 프린터용 복합체 전도성 필라멘트 및 그 제조 방법 {Composite conductive filament for 3D printer and manufacturing method thereof}
본 발명은 3D 프린터용 복합체 전도성 필라멘트 및 그 제조 방법에 관한 것이다.
3D 프린팅 기술은 설계된 3차원 형상을 적층하여 제작하는 기술로서, 산업, 가정, 교육 등 다양한 분야에서 적극적으로 활용되고 있으며, 기술적인 한계로 인해 완제품보다는 개발 단계의 시제품 제작에 주로 이용되고 있다.
3D 프린팅 기술의 기술적 한계로서 단일 재료를 사용하는 문제가 있었으나, 최근 다중 재료를 사용하는 다중 재료 3D프린팅 기술이 급부상하고 있다.
3D 프린팅 기술 중 FDM(Fused Deposition Modeling) 적층 기술은 필라멘트 형태의 열가소성 플라스틱을 녹여 3차원 형상을 성형하는 기술로서, 다중 재료 3D 프린팅 기술에서 가장 적합하다고 인식되어 가장 잘 발달되어 온 기술이다.
실용적으로 다중 재료 3D 프린팅 기술을 통한 3차원 전자회로는 외부 형상과 PCB의 절연체 역할을 동시에 수행하는 구조물을 제작하여, 단일 공정으로 내부에 회로 소재를 3차원으로 배열함으로써 설계 자유도가 높은 전자제품을 제작할 수 있다. 그러나 기존에는 FDM이 아닌 광경화 방식, 직접주사 기술 등 구조물 내부에 회로 소자 및 도선 형성을 위해 액체 상태의 재료를 사용하기 때문에 세척 공정이 반드시 필요하여 제작 공정이 복잡한 단점이 있다. 따라서 3차원 회로 제작 공정 효율 향상을 도모하기 위해 전도성 고체 재료 개발이 요구되고 이를 FDM 기술에 적용할 수 있도록 필라멘트 형태로 제작되어야 한다. 나아가 스마트 기기 또는 기능성 기기 회로에 적용될 필라멘트는 전도성뿐만 아니라 다양한 움직임 부하에 따른 유연성과 내구성 확보가 중요하다.
일반적으로 3D 프린터에 사용되는 필라멘트 소재로 ABS, PLA, PET 등이 있는데, 대부분 경도가 높으며 유연성이 부족하며 전기전도도, 열전도도 등의 특성을 가지지 않아서 3차원 회로 적층에 사용하기에는 부적합하다. 따라서 3D 프린팅의 응용분야를 확장시키기 위해서는 다양한 필라멘트 소재 개발이 매우 중요하다. 그중 전도성을 부여하기 위한 금속 성질을 갖는 필라멘트가 개발되어 왔지만, 고융점, 고밀도, 낮은 내식성, 고강성, 유연성 부족 등 여러가지 문제가 발생하였다. 이러한 문제점을 개선하기 위해 저융점의 금속 또는 금속의 합금 분말을 포함한 고강도 및 전도성 저융점 금속 필라멘트가 제작되기도 하였다. 그러나 실용적으로 고성능/다기능 기기를 위해 가볍고, 전도성 및 유연성의 성질을 만족하는 필라멘트 소재는 없었다.
종래 금속선을 대체하기 위한 전도성이 높고 가벼운 도선의 역할을 할 수 있는 폴리머/탄소나노튜브/금속 합금 복합체가 개발되어 있다. 그러나 제작 방법에 있어서 용융-냉각-건조 등 복잡한 제작 공정이 필요하고, 공정 변수가 많아 공정 효율이 낮다는 문제가 있다. 또한 전기, 전자, 부품, 바이오 등과 같은 분야에 적합하지 않아 전기전도도에 관한 사항이 미흡하며 열전도율만 측정하는데 그친다는 단점이 있다.
등록특허 10-1878298
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 유연하며 성형이 쉽고 친환경적인 특성을 가지고 있는 폴리머 계열의 TPU(Thermoplastic Polyurethane)와 우수한 기계적, 전기적, 열적 특성을 가진 탄소나노튜브(Carbon nanotube, CNT)의 복합체인 3D 프린터용 복합체 전도성 필라멘트 조성 및 그 제조 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명의 목적은 이상에서 언급한 목적으로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 목적들은 아래의 기재로부터 통상의 기술자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
이와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은 3D 프린터용 복합체 전도성 필라멘트에 관한 것으로서, 열가소성 물질의 펠렛 및 CNT(Carbon nanotube)를 포함하되, 상기 펠렛이 용융된 상태에서 상기 CNT가 혼합되어 있다.
상기 펠렛은 TPU(Thermoplastic Polyurethane) 펠렛일 수 있다.
상기 CNT가 TPU 펠렛 기질에 분포되도록, 반복하여 CNT 분산을 실시할 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에서 3D 프린터용 복합체 전도성 필라멘트는 열가소성 물질의 펠렛, CNT(Carbon nanotube) 및 금속 분말을 포함하되, 상기 펠렛이 용융된 상태에서 상기 CNT 및 상기 금속 분말이 혼합되어 있다.
상기 펠렛은 TPU(Thermoplastic Polyurethane) 펠렛일 수 있다.
상기 금속 분말은 구리일 수 있다.
상기 CNT가 TPU 펠렛 기질에 분포되도록, 반복하여 CNT 분산을 실시할 수 있다.
본 발명의 3D 프린터용 복합체 전도성 필라멘트 제조 방법은 제어부가 사용자에 의해 미리 설정된 온도 범위에 따라 이송부와 접해 있는 가열부를 구동시키는 1단계, 상기 제어부가 상기 이송부의 온도를 측정하여 현재 온도가 상기 온도 범위 이내이면 상기 이송부의 이송 동작을 위한 구동부를 구동시키는 2단계, 공급부를 통해 필라멘트 제조를 위한 필라멘트 조성물이 공급되면, 상기 이송부는 상기 필라멘트 조성물을 압출부로 이동시키는 3단계, 상기 압출부는 노즐을 통해 상기 가열부에 의해 가열되어 부분적으로 용융된 조성물을 압출 성형하는 4단계 및 상기 압출부를 통해 나온 소정 크기의 필라멘트에 대해 미리 정해진 횟수만큼 상기 3단계 내지 상기 4단계를 반복하여 수행하는 5단계를 포함한다.
상기 필라멘트 조성물은, 열가소성 물질의 펠렛 및 CNT(Carbon nanotube)를 포함하여 이루어질 수 있다.
상기 펠렛은 TPU(Thermoplastic Polyurethane) 펠렛일 수 있다.
상기 필라멘트 조성물은, 열가소성 물질의 펠렛, CNT(Carbon nanotube) 및 금속 분말을 포함하여 이루어질 수 있다.
상기 금속 분말은 구리일 수 있다.
본 발명에 의하면, 3D 프린터용 복합체 전도성 필라멘트 조성물 및 그 제조방법을 제공함으로써, 폴리머/금속 분말 대비 우수한 전기전도도 특성을 나타낸다는 효과가 있다.
또한, 본 발명에 의하면, 비틀림, 굽힘에도 유연성 및 내구성이 유지되고, 낮은 밀도 특성과 경량화가 가능하다는 효과가 있다.
또한, 본 발명에 의하면, 단순한 제작 공정의 반복으로 탄소나노튜브 등의 사용으로 인한 재료적 한계를 보완할 수 있으며, 다중 재료 적층 시스템 단일 공정으로 인해 효율을 개선할 수 있다.
또한, 본 발명의 3D 프린터용 복합체 전도성 필라멘트 조성물은 유연한 전자기기 회로 적층 재료로서 활용성이 높고, 특히, 웨어러블, 스마트 기기, 센서 등 다양한 분야로 확대 적용할 수 있을 것으로 기대된다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 3D 프린터용 복합체 전도성 필라멘트 제조 장치의 구조를 도시한 것이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 3D 프린터용 복합체 전도성 필라멘트 제조 장치의 내부 구성을 도시한 블록도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 3D 프린터용 복합체 전도성 필라멘트 제조 장치의 내부 회로를 간략하게 도시한 회로도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 3D 프린터용 복합체 전도성 필라멘트 제조 방법을 보여주는 흐름도이다.
도 5는 본 발명에서 열-전단 분산에 따른 실제 필라멘트 형상을 도시한 것이다.
도 6은 본 발명에서 네 번 분산된 TPU/CNT 전도성 필라멘트를 도시한 것이다.
도 7은 본 발명에서 CNT 함유에 따른 저항 편차를 도시한 그래프이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따라 제작된 전도성 필라멘트의 전기전도도 특성을 정리한 도표이다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따라 제작된 전도성 필라멘트의 전기전도도 특성을 도시한 그래프이다.
도 10은 본 발명에서 제작된 TPU/CNT/Cu 복합체 필라멘트의 전기전도도 특성을 정리한 도표이다.
도 11은 본 발명에서 제작된 전도성 필라멘트를 이용한 포토다이오드 회로 구성을 예시한 것이다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시 예를 가질 수 있는 바, 특정 실시 예들을 도면에 예시하고 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서 상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 갖고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 갖는 의미와 일치하는 의미를 갖는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
또한, 첨부 도면을 참조하여 설명함에 있어, 도면 부호에 관계없이 동일한 구성 요소는 동일한 참조 부호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다. 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.
본 발명에서는 유연하며 성형이 쉽고 친환경적인 특성을 가지고 있는 폴리머 계열의 TPU(Thermoplastic Polyurethane)와 우수한 기계적, 전기적, 열적 특성을 가진 탄소나노튜브(Carbon nanotube, CNT)의 복합체를 제작한다. 그 제작 공정을 위하여 코일히터의 열과 스크류의 전단력을 이용하여 간단하게 구성하고, 제작된 전도성 필라멘트는 가볍고 유연성과 내구성을 확보하고 우수한 전도성을 가진다. 특히, 기존 TPU/CNT 복합체는 고농도(약 10%)의 CNT를 혼합할 시 경도가 높으며 유연한 폴리머의 기계적 특성을 저하시키지만 본 발명에서는 최대 23%까지 유연성을 확보한 TPU/CNT 복합체를 제작할 수 있다. 또한, TPU/CNT에 Cu 분말을 혼합하여 보다 개선된 전기전도도를 갖는 필라멘트 조성물을 제작할 수 있다.
본 발명은 3D 프린터용 복합체 전도성 필라멘트에 관한 것으로서, 열가소성 물질의 펠렛 및 CNT(Carbon nanotube)를 포함하되, 상기 펠렛이 용융된 상태에서 상기 CNT가 혼합되어 있다. 상기 펠렛은 TPU(Thermoplastic Polyurethane) 펠렛일 수 있다. 상기 CNT가 TPU 펠렛 기질에 분포되도록, 반복하여 CNT 분산을 실시할 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에서 3D 프린터용 복합체 전도성 필라멘트는 열가소성 물질의 펠렛, CNT(Carbon nanotube) 및 금속 분말을 포함하되, 상기 펠렛이 용융된 상태에서 상기 CNT 및 상기 금속 분말이 혼합되어 있다. 상기 펠렛은 TPU(Thermoplastic Polyurethane) 펠렛일 수 있다. 상기 금속 분말은 구리일 수 있다. 상기 CNT가 TPU 펠렛 기질에 분포되도록, 반복하여 CNT 분산을 실시할 수 있다.
본 발명의 3D 프린터용 복합체 전도성 필라멘트 제조 방법은 제어부가 사용자에 의해 미리 설정된 온도 범위에 따라 이송부와 접해 있는 가열부를 구동시키는 1단계, 상기 제어부가 상기 이송부의 온도를 측정하여 현재 온도가 상기 온도 범위 이내이면 상기 이송부의 이송 동작을 위한 구동부를 구동시키는 2단계, 공급부를 통해 필라멘트 제조를 위한 필라멘트 조성물이 공급되면, 상기 이송부는 상기 필라멘트 조성물을 압출부로 이동시키는 3단계, 상기 압출부는 노즐을 통해 상기 가열부에 의해 가열되어 부분적으로 용융된 조성물을 압출 성형하는 4단계 및 상기 압출부를 통해 나온 소정 크기의 필라멘트에 대해 미리 정해진 횟수만큼 상기 3단계 내지 상기 4단계를 반복하여 수행하는 5단계를 포함한다. 상기 필라멘트 조성물은, 열가소성 물질의 펠렛 및 CNT(Carbon nanotube)를 포함하여 이루어질 수 있다. 상기 필라멘트 조성물은, 열가소성 물질의 펠렛, CNT(Carbon nanotube) 및 금속 분말을 포함하여 이루어질 수 있다. 상기 펠렛은 TPU(Thermoplastic Polyurethane) 펠렛일 수 있다. 상기 금속 분말은 구리일 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 3D 프린터용 복합체 전도성 필라멘트 제조 장치의 구조를 도시한 것이고, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 3D 프린터용 복합체 전도성 필라멘트 제조 장치의 내부 구성을 도시한 블록도이고, 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 3D 프린터용 복합체 전도성 필라멘트 제조 장치의 내부 회로를 간략하게 도시한 회로도이다.
도 1 내지 도 3을 참조하면, 본 발명의 3D 프린터용 복합체 전도성 필라멘트 제조 장치는 공급부(110), 이송부(120), 가열부(130), 압출부(140), 제어부(150), 구동부(160), 냉각부(170)를 포함한다.
공급부(110)는 호퍼를 통해 필라멘트 제조를 위한 펠렛(pellet) 또는 분말을 공급하는 역할을 한다.
이송부(120)는 공급부(110)를 통해 공급된 펠렛 또는 분말을 가열부로 이동시키는 역할을 한다. 이송부(120)는 스크류가 구비된 실린더 형태로 구현될 수 있다.
가열부(130)는 이송부(120)로부터 이동된 펠렛 또는 분말을 가열하고, 가열에 의해 용융된 펠렛 또는 분말을 압출부(140)로 가압 이송하는 역할을 한다. 본 발명의 일 실시예에서 가열부(130)는 코일 히터로 구현될 수 있다.
압출부(140)는 노즐을 통해 용융된 펠렛 또는 분말을 압출하는 방식으로 필라멘트를 성형하는 역할을 한다.
구동부(160)는 이송부(120)를 구동시키는 역할을 한다. 본 발명의 일 실시예에서 구동부(160)는 모터로 구현될 수 있으며, 모터를 통해 이송부(120)의 스크류를 구동시킬 수 있다.
냉각부(170)는 이송부(120)와 가열부(130)를 냉각시키는 역할을 한다. 본 발명의 일 실시예에서 냉각부(170)는 쿨링 팬으로 구현될 수 있다.
이송부(120)는 실리더로 구현되고, 이 실린더에 코일 히터가 연결되어 가열되는 방식이고, 제어부(150)는 온도 센서(310)를 통해 측정된 실린더의 온도값을 수신한다. 제어부(150)는 이송부(실린더)(120)의 온도가 사용자에 의해 미리 설정된 온도에 도달할 때 까지 코일 히터가 가열되도록 하며, 실린더에서 측정된 온도가 설정된 온도보다 높으면 코일 히터의 작동을 멈추고, 가열부(130) 하단에 구비된 쿨링팬을 가동하여 이송부(120)를 냉각시킨다. 그리고, 제어부(150)는 이송부(120)의 온도가 설정된 온도 범위 이하로 내려가면, 다시 코일 히터를 구동시켜서 사용자의 의해 설정된 온도 범위에 수렴하도록 지속적으로 피드백하여 제어한다. 본 발명의 일 실시예에서 쿨링팬을 상시 구동될 수 있고, 이를 통해 이송부(120)와 가열부(130)의 과열을 방지할 수 있다.
본 발명에서 코일 히터에서 코일 권선의 단면을 사각형으로 하여 실린더의 접촉면적을 넓힘으로써, 열전달 효율을 향상시킬 수 있다.
본 발명의 일 실시예에서 모터(160)는 감속기와 연결되어 최대 24rpm까지 제어가 가능하고, 플렉시블 타입 모터 커플러를 이용하여 감속기의 샤프트와 스크류의 축 정렬 불량(misalignment)이 보정된 상태로 연결될 수 있다.
그리고, 실린더 외경에 접촉한 코일 히터 권선의 단면은 사각형으로서, 접촉면적을 넓혀 열 전달 효율을 높인다.
이송부(120)에서 스크류의 루트(Root) 직경은 압출부(140)로 갈수록 커지는 형태로서, 실린더 내 이송되는 펠렛에 가해지는 압력을 증가시킨다.
본 발명에서 가열부(130)인 히터의 열과 펠렛의 전단 작용으로 펠렛이 용융되고, 용융 펠렛 기질에 금속 분말(예를 들어, Ag 파우더, Cu 파우더) 등의 전도성 재료 또는 CNT, 카본블랙, 풀러렌 등이 섞인 채 노즐을 통해 1차 압출된다.
1차 압출된 필라멘트는 펠렛화 과정을 거쳐 다시 공급부(110)의 호퍼로 공급되고, 열-전단 분산 과정을 반복하면서 기질 내 입자들이 고르게 분산될 수 있다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 3D 프린터용 복합체 전도성 필라멘트 제조 방법을 보여주는 흐름도이다. 도 4에서 3D 프린터용 복합체 전도성 필라멘트 제조 방법의 각 단계를 수행하는 주체는 제어부(150)일 수 있다.
도 4를 참조하면, 사용자에 의해 미리 설정된 온도 범위에 따라 가열부(130)를 구동시킨다(S401). 예를 들어, 사용자에 의해 미리 설정된 온도가 250 ℃이고, 이에 따라 열원인 코일 히터를 예열시킨다.
다음, 이송부(120)의 온도를 측정하여 현재 온도가 설정된 온도 범위 이내이면(S403), 모터 스위치(320)를 연결하여 구동부(160)의 모터를 구동시킨다(S405). 예를 들어, 코일 히터가 예열되어 이송부의 온도가 설정된 온도 범위 이내로 들어오면, 구동부(160)를 통해 이송부(120)의 스크류를 작동시킨다. 예를 들어, 제어부(150)는 15 RPM의 속도로 스크류를 작동시킬 수 있다.
그리고, 공급부(110)를 통해 필라멘트 제조를 위한 조성물을 공급한다(S407). 본 발명의 일 실시예에서 호퍼를 통해 TPU(Thermoplastic Polyurethane) 펠렛과 CNT가 순차적으로 공급될 수 있다. 또는 본 발명의 다른 실시예에서 호퍼를 통해 TPU 펠렛, CNT 및 금속 분말이 순차적으로 공급될 수 있다. 여기서, 금속 분말은 구리(Cu)일 수 있다. 각 구성요소의 구체적인 조성비에 관해서는 후술하기로 한다.
다음, 이송부(120)는 공급부(110)를 통해 공급된 조성물을 압출부(140)로 이동시킨다(S409). 이때, 가열부(130)는 압출부(140)의 이동하는 조성물을 가열한다.
압출부(140)는 가열부(130)에 의해 부분적으로 용융된 조성물을 필라멘트 형태로 압출 성형한다(S411). 예를 들어, 압출부(140)는 노즐을 통해 조성물을 압출 성형할 수 있다.
그리고, 압출부(140)를 통해 나온 소정 크기의 필라멘트에 대해 미리 정해진 횟수(N회)만큼 S407 내지 S413 단계를 반복한다(S413, S415). 예를 들어, 압출부(140)를 통해 나온 필라멘트를 소정 크기로 절단하여 S407 내지 S413 단계를 네 번 반복할 수 있다.
이처럼 본 발명에서 반복적인 열-전단 분산을 하는 이유는 TPU 기질 내에 CNT가 용이하게 분포할 수 있도록 하기 위함이다. 즉, CNT% 농도가 높아질수록 점성이 높아지기 때문에 반복적인 분산이 요구된다.
도 5는 본 발명에서 열-전단 분산에 따른 실제 필라멘트 형상을 도시한 것이다.
도 5에서 (a)는 두 번 분산한 실시예이고, (b)는 네 번 분산한 실시예이다.
도 5에서 보는 바와 같이, 4회 이상부터 표면 조도가 양호하고 필라멘트 형태로서 강성이 유지될 수 있는 것을 확인할 수 있다. 따라서, 본 발명의 실시예에서 최소 분산 횟수는 4회 이상이다.
이처럼 반복적인 열-전단은 TPU 기질 내 CNT 침투성 상승 효과로 분산 정도가 증가하여 필라멘트 강성 및 표면 조도 개선 결과로 나타났다.
도 6은 본 발명에서 네 번 분산된 TPU/CNT 전도성 필라멘트를 도시한 것이다.
도 6에서 CNT가 11.7%, 15%, 20%, 23.3%, 25%d인 경우의 전도성 필라멘트가 예시되어 있다.
도 6을 참조하여 조성비를 살펴보면, TPU가 77%이고, CNT가 23% 까지 유연성 및 내구성이 우수하였으며 비틀림, 굽힘, 인장 부하에도 유지가 가능하였다. 그러나 CNT가 25% 이상부터는 유연성이 저하되고 경도가 높아지는 것을 확인할 수 있다.
도 7은 본 발명에서 CNT 함유에 따른 저항 편차를 도시한 그래프로서, 4회 실시한 분산 결과를 도시한 그래프이다.
도 7을 참조하면, 네 번 분산 결과 제작된 전체 길이 5 m 의 필라멘트에 대한 저항 측정 결과, CNT 함유가 높아질수록 저항 편차가 낮아지는 것을 확인할 수 있다. 이러한 결과를 통해 반복된 분산을 통해 TPU 내에 고농도 CNT는 입자가 쉽게 분포할 수 있는 개연성이 있다는 것을 확인할 수 있다. 즉 낮은 분산에서도 균질한 성질을 확보할 수 있으나, 전술한 결과를 통해 고농도 CNT의 경우 4회 이상 분산을 실시해야 필라멘트 강성을 유지할 수 있다는 것을 알 수 있다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따라 제작된 전도성 필라멘트의 전기전도도 특성을 정리한 도표로서, TPU와 CNT의 조성비에 따른 전기전도도 수치가 나타나 있다.
도 8을 참조하면, TPU가 76.7 %, CNT가 23.3 % 인 경우에 전기전도도가 8.08로 가장 높은 것을 확인할 수 있다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따라 제작된 전도성 필라멘트의 전기전도도 특성을 도시한 그래프이다.
도 9를 참조하면, CNT 함유량이 증가할수록 전기전도도 특성이 우수한 것을 확인할 수 있다. 특히 CNT 함유량이 23%에서 유연성도 유지하며, 8.08 S/cm 수준의 우수한 전기전도도를 확보한 것을 확인할 수 있다. 고농도 CNT 일수록 약간의 온도만 가해도 쉽게 응집하여 점성이 증가하기 때문에 분산시키기 위한 더 높은 열-전단 또는 반복적인 분산이 요구된다.
본 발명의 다른 실시예에서 3D 프린터용 복합체 전도성 필라멘트 조성물로서 TPU, CNT 및 금속 분말 복합체를 제안한다. 여기서 금속 분말은 구리(Cu)일 수 있다.
도 10은 본 발명에서 제작된 TPU/CNT/Cu 복합체 필라멘트의 전기전도도 특성을 정리한 도표로서, TPU와 CNT에서 Cu 분말을 혼합한 결과이다.
도 10을 참조하면, Cu 분말 함유로 인해 TPU/CNT 조성물 대비 저항 감소 효과가 관찰되므로, 폴리머 기질 내에 금속 분말은 전자들이 이동할 수 있는 도전 경로를 형성하기에 유용하다. 따라서 Cu 분말의 함유는 TPU/CNT 대비 개선된 전기전도도를 얻을 수 있는 것을 확인할 수 있다.
도 10에서 CNT 20%의 경우, Cu 16.6% 분말을 혼합하면, CU 분말을 혼합하지 않은 것보다 약 2배의 전기전도도를 개선시킬 수 있다.
도 11은 본 발명에서 제작된 전도성 필라멘트를 이용한 포토다이오드 회로 구성을 예시한 것이다.
도 11에서 보는 바와 같이, 본 발명에서 제안하는 방식으로 제작된 전도성 필라멘트를 이용하여, 폐회로를 구성하는 고체 전도성 재료로 활용할 수 있다.
기존 3D 프린팅용 전도성 필라멘트는 금속 분말에 의해 경도가 높으며 전기전도도가 낮아 전기/전자 부품, 바이오센서, 회로 등 분야에 적합하지 않았다. 그러나 본 발명에서 제안하는 전도성 필라멘트는 TPU의 유연성과 내구성이 유지함과 동시에 우수한 전기전도도를 확보하였다. 또한 적층 기술을 위해 개발된 필라멘트 형태이므로 최근 급부상한 다중 재료의 적층 시스템의 단일 공정에 유연한 회로 소자 등의 기능성 재료로서 활용이 가능하다.
이외에도 본 발명에서 제안하는 전도성 필라멘트는 기존 고성능/다기능 전자 기기의 유연한 회로를 적층 시 발생하는 재료적 한계를 보완하여 공정 효율을 개선시킬 수 있다. 즉, 다중 재료 적층 시스템에서 두 개 이상의 적층 기술이 병합될 필요가 없으며, 다중 재료 단일 공정으로 구현 가능하다. 따라서 한 번의 공정으로 구조물 내부에 도선을 적층할 수 있으므로 전기/전자 기기 설계 자유도가 높아진다.
이상 본 발명을 몇 가지 바람직한 실시 예를 사용하여 설명하였으나, 이들 실시 예는 예시적인 것이며 한정적인 것이 아니다. 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 지닌 자라면 본 발명의 사상과 첨부된 특허청구범위에 제시된 권리범위에서 벗어나지 않으면서 다양한 변화와 수정을 가할 수 있음을 이해할 것이다.
110 공급부 120 이송부
130 가열부 140 압출부
150 제어부 160 구동부
170 냉각부 310 온도 센서
320 구동 스위치

Claims (12)

  1. 열가소성 물질의 펠렛; 및
    CNT(Carbon nanotube)를 포함하되,
    상기 펠렛이 용융된 상태에서 상기 CNT가 혼합되어 있는 것을 특징으로 하는 3D 프린터용 복합체 전도성 필라멘트.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 펠렛은 TPU(Thermoplastic Polyurethane) 펠렛인 것을 특징으로 하는 3D 프린터용 복합체 전도성 필라멘트.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 CNT가 TPU 펠렛 기질에 분포되도록, 반복하여 CNT 분산을 실시하는 것을 특징으로 하는 3D 프린터용 복합체 전도성 필라멘트.
  4. 열가소성 물질의 펠렛;
    CNT(Carbon nanotube); 및
    금속 분말
    을 포함하되,
    상기 펠렛이 용융된 상태에서 상기 CNT 및 상기 금속 분말이 혼합되어 있는 것을 특징으로 하는 3D 프린터용 복합체 전도성 필라멘트.
  5. 청구항 4에 있어서,
    상기 펠렛은 TPU(Thermoplastic Polyurethane) 펠렛인 것을 특징으로 하는 3D 프린터용 복합체 전도성 필라멘트.
  6. 청구항 5에 있어서,
    상기 금속 분말은 구리인 것을 특징으로 하는 3D 프린터용 복합체 전도성 필라멘트.
  7. 청구항 2에 있어서,
    상기 CNT가 TPU 펠렛 기질에 분포되도록, 반복하여 CNT 분산을 실시하는 것을 특징으로 하는 3D 프린터용 복합체 전도성 필라멘트.
  8. 제어부가 사용자에 의해 미리 설정된 온도 범위에 따라 이송부와 접해 있는 가열부를 구동시키는 1단계;
    상기 제어부가 상기 이송부의 온도를 측정하여 현재 온도가 상기 온도 범위 이내이면 상기 이송부의 이송 동작을 위한 구동부를 구동시키는 2단계;
    공급부를 통해 필라멘트 제조를 위한 필라멘트 조성물이 공급되면, 상기 이송부는 상기 필라멘트 조성물을 압출부로 이동시키는 3단계;
    상기 압출부는 노즐을 통해 상기 가열부에 의해 가열되어 부분적으로 용융된 조성물을 압출 성형하는 4단계; 및
    상기 압출부를 통해 나온 소정 크기의 필라멘트에 대해 미리 정해진 횟수만큼 상기 3단계 내지 상기 4단계를 반복하여 수행하는 5단계
    를 포함하는 3D 프린터용 복합체 전도성 필라멘트 제조 방법.
  9. 청구항 8에 있어서,
    상기 필라멘트 조성물은,
    열가소성 물질의 펠렛; 및
    CNT(Carbon nanotube)를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 3D 프린터용 복합체 전도성 필라멘트 제조 방법.
  10. 청구항 8에 있어서,
    상기 필라멘트 조성물은,
    열가소성 물질의 펠렛;
    CNT(Carbon nanotube); 및
    금속 분말을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 3D 프린터용 복합체 전도성 필라멘트 제조 방법.
  11. 청구항 9 또는 청구항 10에 있어서,
    상기 펠렛은 TPU(Thermoplastic Polyurethane) 펠렛인 것을 특징으로 하는 3D 프린터용 복합체 전도성 필라멘트 제조 방법.
  12. 청구항 10에 있어서,
    상기 금속 분말은 구리인 것을 특징으로 하는 3D 프린터용 복합체 전도성 필라멘트 제조 방법.
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