KR20240104329A - 그래핀-폴리머 복합 신소재 제조 방법과 장치, 및 그 방법에 의해 제조된 그래핀-폴리머 복합 신소재 - Google Patents

그래핀-폴리머 복합 신소재 제조 방법과 장치, 및 그 방법에 의해 제조된 그래핀-폴리머 복합 신소재 Download PDF

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Abstract

본 발명은 그래핀-폴리머 복합 신소재 제조방법에 관한 것으로, 전도성 및 대전성이 높은 원료와 폴리머 원료를 압출기 내에서 용융 혼합하면서 나노물질화하여 혼합시킴으로써, 폴리머 원료와 전기전도성 원료가 균질 분산 혼합될 수 있도록 이루어져 전도성 및 대전성이 높은 그래핀-폴리머 복합 신소재를 제조할 수 있다.

Description

그래핀-폴리머 복합 신소재 제조 방법과 장치, 및 그 방법에 의해 제조된 그래핀-폴리머 복합 신소재{METHOD AND APPARATUS FOR MANUFACTURING A NEW GRAPHENE-POLYMER COMPOSITE MATERIAL BY HOMOGENEOUSLY DISPERSING A CONDUCTIVE MATERIAL MADE OF NANOPARTICLES IN A POLYMER, AND A NEW GRAPHENE-POLYMER COMPOSITE MATERIAL MADE BY THE METHOD AND THE APPARATUS}
본 발명은 나노입자로 이루어진 도전성 물질을 폴리머에 균질 분산시켜 새로운 그래핀-폴리머 복합 신소재를 제조하는 방법과 그 방법에 의하여 제조된 그래핀-폴리머 복합 신소재에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 전도성 및 대전성이 있는 나노입자의 물질을 폴리머 원료와 함께 압출기 내에서 용융 혼합시켜 나노입자가 폴리머 내에 균질 분산됨으로써 결과적으로 도전성 및 대전성을 갖는 새로운 복합 신소재를 제조하는 방법과 장치 그 방법에 의해 제조된 복합 신소재에 관한 것이다.
최근 들어 전자-통신 기기의 접목을 통한 전자화 추세로 인해 전기 및 전자기기의 보급량이 급속하게 증가하고 있다.
이러한 전자부품으로 인해 발생하는 노이즈(noise)가 주변기기에 영향을 미치는 전자파 장해, 정전기에 의한 오작동 등이 증가하는 추세이며, 이를 예방하기 위한 다양한 소재적 접근이 이루어지고 있다.
다양한 소재적 접근의 예로, 절연체인 플라스틱에 전기적 특성을 부여하기 위해 전기전도성 충전제를 배합하고, 소재의 밀도를 약 1.5~2g/㎝3 정도로 유지함으로써, 금속이 주로 사용되던 전기 및 전자부품의 소재로 대체된 복합소재가 활용되고 있다. 다시 말해, 전도성 및 대전성이 높은 물질을 폴리머에 혼합하여 복합소재를 제조하였다.
그러나 종래에는 이러한 전도성 및 대전성이 높은 물질을 폴리머에 혼합할 때 균질 분산되지 않아 만들어진 복합소재의 성능이 떨어져서 원하는 성능을 발휘할 수 있는 복합소재의 생산이 매우 어려웠다.
대한민국 공개 특허공보 제10-2021-0113973호(2021. 09. 17. 공개)
본 발명은 전술한 문제점을 해결하고자 안출된 것으로, 전도성 및 대전성이 높은 원료와 폴리머 원료를 압출기 내에서 용융 혼합하면서 나노물질화하여 혼합시켜 폴리머 원료와 전기전도성 원료가 균질 분산 혼합될 수 있도록 함으로써 전도성 및 대전성이 높은 그래핀-폴리머 복합 신소재를 제조하는 방법과 장치, 및 그 방법에 의해 제조된 그래핀-폴리머 복합 신소재를 제공하는 것을 그 목적으로 한다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위해 본 발명에 따른 그래핀-폴리머 복합 신소재 방법은, 그래핀(graphene, GR), 카본블랙(carbon black, CB), 탄소섬유(carbon Fiber, CF), 탄소나노튜브(carbon nano tube, CNT) 중 적어도 어느 하나 이상의 전기전도성 원료를 준비하는 단계; 폴리아미드(polyamide; PA), 폴리에틸렌 테레프타레이트(polyethylene terephthalate; PET), 폴리카보네이트(polycarbonate; PC), 폴리부틸렌 테레프탈레이트(polybutylene terephthalate; PBT), ABS(아크릴로나이트릴(acrylonitrile), 뷰타다이엔(butadiene), 스타이렌(styrene), 폴리옥시메틸렌(polyoxymethylene; POM)중 적어도 어느 하나 이상의 폴리머 원료를 준비하는 단계; 상기 전기전도성 원료와 상기 폴리머 원료를 제습 건조하는 단계; 상기 전기전도성 원료와 상기 폴리머 원료를 첨가제 성분과 함께 믹싱하여 복합 신소재 원료를 생성하고, 그 복합 신소재 원료를 압출기에 정량 공급하는 복합 신소재 원료 공급단계; 상기 압출기에서 투입된 복합 신소재 원료를 기설정한 압력과 온도로 용융시킨 후 펌핑하는 용융 펌핑단계; 어댑터(adapter)를 이용하여 상기 압출기의 토출부분에 설치되어 펌핑되는 복합 신소재 원료를 여과한 후 상기 어댑터의 노즐부를 통해서 토출하고 일정한 두께와 길이로 절단하여 다량의 펠렛형 복합 신소재를 생산하는 복합 신소재 생산단계; 및 상기 펠렛형 복합 신소재를 개량 포장하는 포장 단계; 포함하여 구성된 것을 기술적 특징으로 한다.
또한, 상기 복합 신소재 생산단계에서, 상기 압출기의 토출부분에서 펌핑되는 복합 신소재 원료를 상기 어댑터 안에 설치된 복수의 필터 스크린의 분사홀을 거치면서 균질 분산시킨 후 노즐부를 통해서 배출함과 동시에 냉각시켜서 펠렛형 복합 신소재를 생산하도록 한다.
또한, 상기 필터 스크린(filter screen)은, 상대적으로 전체 사이즈가 크고 직경이 큰 분사홀을 구비하는 제1 필터 스크린; 및 상대적으로 전체 사이즈가 작고 직경이 작은 분사홀을 구비하는 제2 필터 스크린; 을 구비하되, 상기 압출기의 토출부분에서 펌핑되는 복합 신소재 원료를 상기 제1 필터 스크린의 분사홀을 거치면서 1차 분사하고, 상기 제2 필터 스크린의 분사홀을 거치면서 2차 분사하며, 상기 노즐부를 거치면서 3차 분사하여 상기 복합 신소재 원료를 균질 분산하도록 구성된다.
한편, 본 발명에 따른 그래핀-폴리머 복합 신소재 제조 장치는 전기전도성 원료와 폴리머 원료를 제습 건조하는 제습 건조기; 상기 전기전도성 원료와 상기 폴리머 원료를 첨가제 성분과 함께 믹싱하여 복합 신소재 원료를 준비한 후, 그 복합 신소재 원료를 공급받아서 기설정한 압력과 온도로 용융시킨 후 펌핑하는 압출기; 및 상기 압출기의 토출부분에 설치되어 펌핑되는 복합 신소재 원료를 여과한 후 노즐부를 통해서 압출(토출)함과 동시에 냉각하고 일정한 두께와 길이로 절단하여 다량의 펠렛형 복합 신소재를 생산하는 어댑터(adapter); 를 포함하여 구성되는 기술적 특징이 있다.
또한, 상기 압출기는 복합 신소재 원료를 투입하기 위한 호퍼를 구비하는 베럴(barrel); 상기 베럴 안에 회전 가능하게 설치되며 상기 호퍼로부터 공급되는 복합 신소재 원료를 기설정한 압력과 온도로 용융시킨 후 펌핑(압출)하는 스크루(screw); 상기 스크루를 회전시키기 위하여 상기 베럴의 일측에 설치되는 구동부(motor module); 및 상기 베럴을 가열하기 위하여 상기 베럴에 설치되는 가열기(heater); 를 포함하여 구성될 수 있다.
한편, 본 발명에 따른 그래핀-폴리머 복합 신소재는 상기 그래핀-폴리머 복합 신소재 제조 방법 및 장치를 이용하여 제조된 기술적 특징이 있다.
이와 같이 본 발명에 따른 그래핀-폴리머 복합 신소재 제조방법 및 장치는 전도성 및 대전성이 높은 원료와 폴리머 원료를 압출기 내에서 용융 혼합하면서 나노물질화하여 혼합하여서 폴리머 원료와 전기전도성 원료가 균질 분산 혼합될 수 있도록 함으로써 전도성 및 대전성이 높은 그래핀-폴리머 복합 신소재를 제조할 수 있는 효과를 가진다.
도 1은 본 발명에 따른 그래핀-폴리머 복합 신소재 제조 방법을 설명하는 흐름도
도 2는 본 발명에 따른 그래핀-폴리머 복합 신소재 제조 장치를 도시한 블록도
도 3 및 도 4는 본 발명에 따른 그래핀-폴리머 복합 신소재 제조 장치에서, 압출기와 어댑터와 필터 스크린을 도시한 도면
도 5는 본 발명에 따른 그래핀-폴리머 복합 신소재 제조 장치에서, 필터 스크린을 도시한 사시도
도 6은 본 발명에 따른 그래핀-폴리머 복합 신소재 제조 장치에서, 필터 스크린을 도시한 평면도
이하에는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명에 따른 그래핀-폴리머 복합 신소재 제조방법의 바람직한 실시 예에 대해 상세하게 설명한다.
본 발명을 설명함에 있어 관련된 공지기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명은 본 발명의 요지를 모호하지 않게 하기 위하여 생략하기로 한다.
또한, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
본 발명에 따른 그래핀-폴리머 복합 신소재 제조방법은 전기전도성이 높은 플라스틱 소재를 만들기 위한 것으로, 특히 전기전도성이 높인 원료와 폴리머 원료를 압출기 내에서 용융 혼합하면서 나노물질화하여 혼합함으로써, 폴리머 원료와 전기전도성 원료가 균질 분산되도록 하는 것을 가장 큰 기술적 특징으로 한다.
도 1은 본 발명에 따른 그래핀-폴리머 복합 신소재 제조 방법을 설명하는 흐름도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 그래핀-폴리머 복합 신소재 제조방법은 전기전도성 원료를 준비하는 단계(S10); 폴리머 원료를 준비하는 단계(S20); 상기 전기전도성 원료와 상기 폴리머 원료를 제습 건조하는 단계(S30); 상기 전기전도성 원료와 상기 폴리머 원료를 첨가제 성분과 함께 믹싱하여 복합 신소재 원료를 준비한 후, 그 복합 신소재 원료를 압출기에 정량 공급하는 복합 신소재 원료 공급단계(S40); 상기 압출기에 투입된 복합 신소재 원료를 기설정한 압력과 온도로 용융시킨 후 펌핑(압출)하는 용융 펌핑단계(S50); 어댑터(adapter)를 이용하여 상기 압출기의 토출부분에 설치되어 펌핑되는 복합 신소재 원료를 여과한 후, 상기 어댑터의 노즐부(nozzle)를 통해서 압출함과 동시에 냉각하고 일정한 두께와 길이로 절단하여 다량의 펠렛형 복합 신소재를 생산하는 복합 신소재 생산단계(S60); 및 생산한 다량의 펠렛형 복합 신소재를 계량 및 포장하여 출하하는 포장 단계(S70); 를 포함하여 구성된다.
이하, 본 발명에 따른 그래핀-폴리머 복합 신소재 제조방법에 대하여 구체적으로 살펴보면 다음과 같다.
먼저, 본 발명에 따른 그래핀-폴리머 복합 신소재 제조방법은 전기전도성 원료를 준비하는 단계(S10)를 가진다.
상기 전기전도성 원료를 준비하는 단계(S10)에서는, 그래핀(graphene, GR), 카본블랙(carbon black, CB), 탄소섬유(carbon fiber, CF), 탄소나노튜브(carbon nano tube, CNT) 중 적어도 어느 하나 이상의 전기전도성 원료를 준비한다.
그래핀(graphene, GR), 카본블랙(carbon black, CB)은 흑색의 미세한 탄소분말로, 흑연과 비슷하여 탄소입자는 1~500㎚을 가진다.
그래핀- 카본블랙은 색깔, 착색도 또는 기타 기능상 목적으로 열경화 및 열가소성 플라스틱에 혼합될 수 있으며, 입자 크기, 응집 체크기(구조), 표면화학적 특성을 조합해 수많은 품종을 생산할 수 있다.
그래핀(graphene, GR), 탄소섬유(carbon fiber, CF)는 강철보다 가벼우면서도 강도는 10배 이상 뛰어난 소재이다.
그래핀- 탄소섬유는 철이 사용되는 대부분 산업에서 대체 소재로 쓰일 수 있으며, 특히 고압을 견뎌야 하는 수소연료 탱크 제작에 활용된다.
그래핀(graphene, GR), 탄소나노튜브(carbon nano tube, CNT)는 탄소 6개로 이루어진 육각형들이 서로 연결되어 관 모양을 이루는 원통 형태의 신소재이다. 강도와 탄성계수, 내마모성이 우수하고 전기전도율과 열전도율이 뛰어난 소재로 어떤 각도로 말려 있는지 또는 튜브 지름이 어느 정도인가에 따라 전기적으로 도체가 되기도 하고 반도체가 되기도 하는 물질이다.
그래핀- 탄소나노튜브는 물리적 특성이 우수하고 화학적으로 안전성을 지녀 강한 전기전도성 플라스틱을 만들 수 있다. 아주 적은 양으로도 우수한 전도성을 발현할 수 있으므로 항공기, 자동차 내마모 소재, 경량화 소재, 우주항공, 스포츠 레저 용품까지 광범위하게 사용되며, 꿈의 소재, 플라스틱의 미래를 이끄는 소재로 각광받고 있다.
이어서, 본 발명에 따른 그래핀-폴리머 복합 신소재 제조방법은 폴리머 원료를 준비하는 단계(S20)를 가진다.
상기 폴리머 원료를 준비하는 단계(S20)에서는, 폴리아미드(polyamide; PA), 폴리에틸렌 테레프타레이트(polyethylene terephthalate; PET), 폴리카보네이트(polycarbonate; PC), 폴리부틸렌 테레프탈레이트(polybutylene terephthalate; PBT), ABS(아크릴로나이트릴(acrylonitrile), 뷰타다이엔(butadiene), 스타이렌(styrene), 폴리옥시메틸렌(polyoxymethylene; POM)중 적어도 어느 하나 이상의 폴리머 원료를 준비한다. 폴리머 원료에는 재활용되는 플라스틱을 포함할 수 있다.
이어서, 본 발명에 따른 그래핀-폴리머 복합 신소재 제조방법은 준비된 전기전도성 원료와 폴리머 원료를 제습 건조하는 단계(S30)를 가진다.
전기전도성 원료와 폴리머 원료를 제습 건조하는 단계(S30)에서, 제습 건조온도는 약 60~170℃의 온도로 가열하여 원료내 수분을 제거한다.
이어서, 본 발명에 따른 그래핀-폴리머 복합 신소재 제조방법은 전기전도성 원료와 폴리머 원료를 첨가제 성분과 함께 믹싱하여 복합 신소재 원료를 준비한 후, 그 복합 신소재 원료를 압출기에 정량 공급하는 복합 신소재 원료 공급단계(S40)를 가진다.
전기전도성 원료와 폴리머 원료와 첨가제 성분의 혼합비(중량비)는 그 복합 신소재 원료를 사용하는 제품에 따라 변경될 수 있는데, 예를 들어 1:1:0.1로 설정할 수도 있다.
첨가제 성분은 일정량의 그래핀(graphene, GR), 탄소나노튜브(carbon nano tube, CNT)을 포함하고, 더 나아가 결합제를 포함할 수도 있다.
예를 들어, 결합제는 주원료를 결합시켜 일체화하기 위해서 사용하는 무기 혹은 유기 재료를 포함하며, 가장 널리 사용되는 결합제는 점토인데 용도에 따라 규산염, 인산염 석회유, 레진 등을 이용할 수도 있다. 또한, 주원료의 특성상이나 건조 강도가 필요할 경우에는 전분, 메틸셀룰로우즈, 폴리비닐알콜 등의 유기 재료가 사용될 수 있다.
상기 복합 신소재 원료 공급단계(S40)에서, 믹싱은 바람직하게 5 ~ 30시간의 작업 시간을 가진다. 필요에 따라 기설정한 첨가제를 함께 투입하여 혼합할 수 있으며, 이러한 첨가제는 투입되는 원료에 따라 바뀔 수 있음은 물론이다.
이어서, 본 발명에 따른 그래핀-폴리머 복합 신소재 제조방법은 압출기에 투입된 복합 신소재 원료를 기설정한 압력과 온도로 용융시킨 후 펌핑(압출)하는 용융 펌핑단계(S50)를 가진다.
상기 용융 펌핑단계(S50)에서는 압출기를 거치면서 전기전도성 원료와 폴리머 원료가 기설정한 압력과 온도로 용융된 후 균질 분산 혼합된다.
이어서, 본 발명에 따른 그래핀-폴리머 복합 신소재 제조방법은 복합 신소재 생산단계(S60)를 가진다.
상기 복합 신소재 생산단계(S60)에서는 어댑터를 이용하여 상기 압출기의 토출부분에 설치되어 펌핑되는 복합 신소재 원료를 여과한 후, 어댑터의 노즐부를 통해서 압출함과 동시에 냉각하고 일정한 두께와 길이로 절단하여 다량의 펠렛형 복합 신소재를 생산한다.
어댑터를 이용하여 상기 압출기의 토출부분에 설치되어 펌핑되는 복합 신소재 원료를 여과한 후, 상기 어댑터의 노즐부를 통해서 압출(토출)함과 동시에 냉각하고 일정한 두께와 길이로 절단하여 다량의 펠렛형 복합 신소재를 생산한다. 어댑터를 거치면서 전기전도성 원료와 폴리머 원료는 분산 및 확장됨에 따라 나노화하여 혼합되며 결국 폴리머와 전기전도성 원료는 더욱 균질 분산 혼합된다.
압출 온도는 170∼280℃의 온도를 가지며, 나노분산은 두께 0.23㎚(NANO)를 가진다. 제품용도에 따라 입자크기는 달라질 수 있으며 두께 2∼3㎜, 길이 3∼4㎜로 절단 생산할 수 있다.
그리고 본 발명에 따른 그래핀-폴리머 복합 신소재 제조방법은 펠렛형 복합 신소재를 개량 포장하는 포장 단계(S70)를 더 가진다.
상기 포장 단계(S70)에서는 생산한 다량의 펠렛형 복합 신소재를 계량 및 포장하여 출하한다.
한편, 도 2는 본 발명에 따른 그래핀-폴리머 복합 신소재 제조 장치를 도시한 블록도이고, 도 3 및 도 4는 본 발명에 따른 그래핀-폴리머 복합 신소재 제조 장치에서, 압출기와 어댑터와 필터 스크린을 도시한 도면이다.
도 5는 본 발명에 따른 그래핀-폴리머 복합 신소재 제조 장치에서, 필터 스크린을 도시한 사시도이고, 도 6은 본 발명에 따른 그래핀-폴리머 복합 신소재 제조 장치에서, 필터 스크린을 도시한 평면도이다.
우선, 도 2 내지 도 4를 참조하여 본 발명에 따른 그래핀-폴리머 복합 신소재 제조 장치에 대하여 설명한다.
도 2 내지 도 4에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 그래핀-폴리머 복합 신소재 제조 장치(100)는 전기전도성 원료와 폴리머 원료를 제습 건조하는 제습 건조기(110); 상기 전기전도성 원료와 상기 폴리머 원료를 첨가제 성분과 함께 믹싱하여 복합 신소재 원료를 준비한 후, 그 복합 신소재 원료를 공급받아서 기설정한 압력과 온도로 용융시킨 후 펌핑하는 압출기(120); 및 상기 압출기(120)의 토출부분에 설치되어 펌핑되는 복합 신소재 원료를 여과한 후 노즐부(131)를 통해서 토출(압출)함과 동시에 냉각하고 일정한 두께와 길이로 절단하여 다량의 펠렛형 복합 신소재를 생산하는 어댑터(130); 를 포함하여 구성된다.
제습 건조기(110)는 전기전도성 원료와 폴리머 원료를 제습 건조한다. 제습 건조 온도는 약 60~170℃의 온도로 가열하여 원료내 수분을 제거한다.
상기 압출기(120)는 복합 신소재 원료를 투입하기 위한 호퍼(121a)를 구비하는 베럴(121); 상기 베럴(121) 안에 회전 가능하게 설치되며 상기 호퍼(121a)로부터 공급되는 복합 신소재 원료를 기설정한 압력과 온도로 용융시킨 후 펌핑(토출)하는 스크루(122); 상기 스크루(122)를 회전시키기 위하여 상기 베럴(121)의 일측에 설치되는 구동부(123); 및 상기 베럴(121)을 가열하기 위하여 상기 베럴(121)에 설치되는 가열기(124); 를 포함하여 구성된다.
상기 압출기(120)는 공급영역(feed section)과, 멜팅영역(melting section)과, 멜팅 및 펌핑영역(melt-pumping section)으로 구분될 수 있다(도 3 참조).
상기 압출기(120)는 가열기(124)에 의해서 상기 베럴(121)의 온도를 높일 수 있으며, 이때 온도를 감지하도록 베럴(121)에 온도 센서(121b)가 설치될 수 있다.
상기 베럴(121)에는 냉각채널(121c)이 형성되어 그 냉각채널(121c) 안으로 냉각수가 순환되도록 하여 베럴(121)의 온도를 적절히 조절할 수 있다.
상기 구동부(123)는 스크루(122)와 연결되는 감속기(123a)와 그 감속기(123a)와 연결되는 구동모터(123b)로 구성될 수 있다.
상기 스크루(122)는 몸체(122a)의 외주면에 나선형의 베럴 라이너(122b)가 형성되며, 그 몸체(122a)의 단부는 베어링(122c)에 의해 지지된다.
또한, 상기 어댑터(130)는 압출기(120)의 토출부분에 설치되어 펌핑되는 복합 신소재 원료를 여과한 후 노즐부(131)를 통해서 토출함과 동시에 냉각하고 일정한 두께와 길이로 절단하여 다량의 펠렛형 복합 신소재(10)를 생산하도록 구성된다.
냉각을 위해서 냉각수(cooling water)를 순환하는 냉각수 순환부(132)와 절단(cutting)을 위하여 커터(133)가 구비될 수 있다.
미설명 부호 S는 복합 신소재 원료의 멜팅 온도를 감지하는 센서를 도시한 것이다.
상기 어댑터(130) 안에는 복합 신소재 원료를 여과하기 위하여 복수의 필터 스크린(140)이 설치될 수 있다.
예를 들어, 도 5 및 도 6에 도시된 바와 같이, 상기 필터 스크린(140)은 상대적으로 전체 사이즈가 크고 직경이 큰 분사홀(141a)을 구비하는 제1 필터 스크린(141); 및 상대적으로 전체 사이즈가 작고 직경이 작은 분사홀(142a)을 구비하는 제2 필터 스크린(142); 을 구비할 수 있다.
상기 제1 필터 스크린(141) 및 제2 필터 스크린(142)은 위치, 사이즈, 및 설치 개수 등은 설계 조건에 따라 변경될 수 있으며, 필요시에 새것으로 교체 가능하게 설치된다.
상기 제1 필터 스크린(141) 및 제2 필터 스크린(142)의 교체 방식은 수동 교체는 물론 자동 교체 방식 모두를 포함한다.
상기 압출기(120)의 토출부분에서 펌핑되는 복합 신소재 원료를 상기 제1 필터 스크린(141)의 분사홀(141a)을 거치면서 1차 분사하고, 상기 제2 필터 스크린(142)의 분사홀(142a)을 거치면서 2차 분사하며, 상기 노즐부(131)를 거치면서 3차 분사하여 복합 신소재 원료를 균질 분산하도록 한다.
상기 분사홀(141a) 및 분사홀(142a)은 직선형으로 형성될 수도 있지만, 나선형으로 형성되어 그 나선형 구조에 의해서 복합 신소재 원료가 분사홀(141a) 및 분사홀(142a)을 통과할 때에 선회하면서 압출되므로 더욱 균질 분산하도록 하는 효과가 있다.
이와 같이 본 발명에 따른 그래핀-폴리머 복합 신소재 제조방법 및 장치는 전도성 및 대전성이 높은 원료와 폴리머 원료를 압출기 내에서 용융 혼합하면서 나노물질화하여 혼합함으로써, 폴리머 원료와 전기전도성 원료가 균질 분산 혼합될 수 있도록 이루어져 전도성 및 대전성이 높은 그래핀-폴리머 복합 신소재를 제조할 수 있는 효과를 가진다.
한편, 본 발명의 제조방법 및 장치에 따라 제조된 그래핀-폴리머 복합 신소재의 원료 물리적 특성은 아래 [표 1]과 같이 정리될 수 있다.
구분 특성 그래핀-폴리머 비교



전기적 성질		 전하 이동도(㎠/v·sec) 200,000 Si의 100배, Cu의 150배
최대허용 전류밀도(A/㎠) ~5.0 ×108 Cu의 100배

면저항(Ω/sq)		 < 50 Cu의 35% 미만
-기존 CNT필름: 4~500
-기존 TSP : 50
벤드켑(eV) 0~0.3 Si : 1.11

기계적 성질		 강도(Gpa) 1,100 강철의 100배
다이아몬드의 2배
유연성,신축성 원면적의 20% ITO : 1.0% 미만
열적 성질 열전도율(W/mk) 5,000 다이아몬드의 2-3배
CNT의 1.5배
광학적 성질 투명도 98% ITO의 80% 이상
상기 표 1에서 보인 바와 같이, 본 발명의 그래핀-폴리머 복합 신소재는 높은 경도, 강성 및 강도 그리고 우수한 슬라이딩 특성과 내마모성의 특성을 가지고 있어 보다 치수 정밀도 및 표면 품질이 까다로운 분야에 매우 적합하다.
또한, 본 발명의 그래핀-폴리머 복합 신소재는 원적외선, 자외선차단, 항균성, 소취성, 보온성, 내마모성이 우수하다. 우수한 강도와 높은 탄성률, 높은 연화점 및 내열성, 높은 인장 및 압축 강도, 마찰계수가 적으며 표면이 매끄러우며, 재활용이 가능할 것이다.
전기가 잘 통하는 금속들이 많긴 하지만 금속은 디자인의 한계, 높은 가공비 등의 문제가 발생하면서 사용 한계가 있다. 그러나 본 발명의 전도성을 갖는 복합 신소재를 이용할 경우 전자제품의 경량화는 물론 가격 경쟁력까지 가질 수 있다.
본 발명의 제조방법 및 장치에 따라 제조된 그래핀-폴리머 복합 신소재는 자동차, 스마트폰을 비롯한 전자기기, 전축 등 산업분야부터 인공위성이나 항공산업 등 첨단 미래 산업, 스포츠 레저 등의 소비재 분야까지 종래의 철이 사용되는 모든 제품과 산업에 사용될 수 있을 정도로 활용도가 높다. 이는, 높은 부가가치를 지녀 산업 발전으로 인한 경제 활성화 효과 또한 높을 것으로 기대된다.
본 발명의 그래핀-폴리머 복합 신소재는 컴퓨터 스크린 보호기나 반도체성 고분자인 발광다이오드(LED) 등에 적용할 수 있으며, 플렉서블 디스플레이, 투명 전자제품, 가벼운 전자파 차단장치 등의 개발을 위한 연구에 활용될 수 있을 것이다.
이상에서 설명한 본 발명은 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 있어 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환 변형 및 변경이 가능하므로 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 한정되는 것은 아니다.
10: 펠렛형 복합 신소재
100: 그래핀-폴리머 복합 신소재 제조 장치
110: 제습 건조기
120: 압출기(extrusion apparatus)
121: 베럴(barrel)
121a: 호퍼(hopper)
121b: 온도 센서
121c: 냉각채널(cooling channel)
122: 스크루(screw)
122a: 몸체(body)
122b: 나선형의 베럴 라이너(barrel liner)
122c: 베어링(bearing)
123: 구동부
123a: 감속기
123b: 구동모터
124: 가열기
130: 어댑터(adapter)
131: 노즐부(nozzle)
140: 필터 스크린(filter screen)
141: 제1 필터 스크린
141a: 직경이 큰 분사홀
142: 제2 필터 스크린
142a: 직경이 작은 분사홀

Claims (7)

  1. 그래핀(graphene, GR), 카본블랙(carbon black, CB), 탄소섬유(carbon Fiber, CF), 탄소나노튜브(carbon nano tube, CNT) 중 적어도 어느 하나 이상의 전기전도성 원료를 준비하는 단계(S10);
    폴리아미드(polyamide; PA), 폴리에틸렌 테레프타레이트(polyethylene terephthalate; PET), 폴리카보네이트(polycarbonate; PC), 폴리부틸렌 테레프탈레이트(polybutylene terephthalate; PBT), ABS(아크릴로나이트릴(acrylonitrile), 뷰타다이엔(butadiene), 스타이렌(styrene), 폴리옥시메틸렌(polyoxymethylene; POM)중 적어도 어느 하나 이상의 폴리머 원료를 준비하는 단계(S20);
    상기 전기전도성 원료와 상기 폴리머 원료를 제습 건조하는 단계(S30);
    상기 전기전도성 원료와 상기 폴리머 원료를 첨가제 성분과 함께 믹싱하여 복합 신소재 원료를 준비한 후, 그 복합 신소재 원료를 압출기에 정량 공급하는 복합 신소재 원료 공급단계(S40);
    상기 압출기(120)에 투입된 복합 신소재 원료를 기설정한 압력과 온도로 용융시킨 후 펌핑(토출)하는 용융 펌핑단계(S50); 및
    어댑터(130)를 이용하여 상기 압출기(120)의 토출부분에 설치되어 펌핑되는 복합 신소재 원료를 여과한 후, 상기 어댑터(130)의 노즐부(131)를 통해서 토출함과 동시에 냉각하고 일정한 두께와 길이로 절단하여 다량의 펠렛형 복합 신소재(10)를 생산하는 복합 신소재 생산단계(S60); 를 포함하여 구성되는 그래핀-폴리머 복합 신소재 제조 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 펠렛형 복합 신소재를 개량 포장하는 포장 단계(S70); 를 더 포함하여 구성되는 그래핀-폴리머 복합 신소재 제조 방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 복합 신소재 생산단계(S60)에서,
    상기 압출기(120)의 토출부분에서 펌핑되는 복합 신소재 원료를 상기 어댑터(130) 안에 설치된 복수의 필터 스크린(140:141,142)을 거치면서 균질 분산시킨 후 상기 노즐부(131)를 통해서 배출함과 동시에 냉각시켜서 펠렛형 복합 신소재를 생산하는 것을 특징으로 하는 그래핀-폴리머 복합 신소재 제조 방법.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 필터 스크린(140)은,
    상대적으로 전체 사이즈가 크고 직경이 큰 분사홀(141a)을 구비하는 제1 필터 스크린(141); 및
    상대적으로 전체 사이즈가 작고 직경이 작은 분사홀(142a)을 구비하는 제2 필터 스크린(142); 을 구비하되,
    상기 압출기(120)의 토출부분에서 펌핑되는 복합 신소재 원료를 상기 제1 필터 스크린(141)의 분사홀(141a)을 거치면서 1차 분사하고, 상기 제2 필터 스크린(142)의 분사홀(142a)을 거치면서 2차 분사하며, 상기 노즐부(131)를 거치면서 3차 분사하여 상기 복합 신소재 원료를 균질 분산하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 그래핀-폴리머 복합 신소재 제조 방법.
  5. 전기전도성 원료와 폴리머 원료를 제습 건조하는 제습 건조기(110);
    상기 전기전도성 원료와 상기 폴리머 원료를 첨가제 성분과 함께 믹싱하여 복합 신소재 원료를 준비한 후, 그 복합 신소재 원료를 공급받아서 기설정한 압력과 온도로 용융시킨 후 펌핑하는 압출기(120); 및
    상기 압출기(120)의 토출부분에 설치되어 펌핑되는 복합 신소재 원료를 여과한 후 노즐부(131)를 통해서 압출함과 동시에 냉각하고 일정한 두께와 길이로 절단하여 다량의 펠렛형 복합 신소재(10)를 생산하는 어댑터(130); 를 포함하여 구성되는 그래핀-폴리머 복합 신소재 제조 장치.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 압출기(120)는,
    복합 신소재 원료를 투입하기 위한 호퍼를 구비하는 베럴(121);
    상기 베럴(121) 안에 회전 가능하게 설치되며 상기 호퍼(121a)로부터 공급되는 복합 신소재 원료를 기설정한 압력과 온도로 용융시킨 후 펌핑(압출)하는 스크루(122);
    상기 스크루(122)를 회전시키기 위하여 상기 베럴(121)의 일측에 설치되는 구동부(123); 및
    상기 베럴(121)을 가열하기 위하여 상기 베럴(121)에 설치되는 가열기(124);를 포함하는 그래핀-폴리머 복합 신소재 제조 장치.
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 기재된 그래핀-폴리머 복합 신소재 제조 방법 및 장치를 이용하여 제조된 그래핀-폴리머 복합 신소재.
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