KR100638393B1 - 전자파 차폐용 페인트 및 그 제조 방법 - Google Patents

Abstract

전자파 차폐용 페인트가 제공된다. 전자파 차폐용 페인트는 10.0~30.0중량부의 바인더 수지, 30.0~80.0중량부의 용매, 0.1~5.0중량부의 분산제, 0.1~5.0중량부의 탄소나노튜브, 및 15.0~40.0중량부의 금속 분말 또는 금속 섬유를 포함하며 상기 탄소나노튜브와 상기 금속 분말 또는 금속 섬유의 전체 함량은 조성물 전체에 대해 20.0~40.0wt% 인 것을 특징으로 한다. 또한, 전자파 차폐용 페인트의 제조방법도 제공된다.

전자파 차폐용 페인트, 탄소나노튜브, 금속 분말, 바인더 수지, 분산제

Description

전자파 차폐용 페인트 및 그 제조 방법{Paint for electromagnetic interference shielding and manufacturing method for the same}

도 1은 본 발명에 의한 전자파 차폐용 페인트의 제조 방법을 설명하기 위한 흐름도이다.

본 발명은 전자파 차폐용 페인트 및 그 제조 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 탄소나노튜브와 금속 분말을 이용한 전자파 차폐용 페인트 및 그 제조 방법에 관한 것이다.

최근 정보통신 기술의 발달 및 전자·통신기기가 대량으로 보급됨에 따라 이들에 영향을 줄 수 있는 전자파 장해(electromagnetic interference)는 중요한 환경 문제로 대두되고 있으며, 이러한 불필요한 전자파 발생에 따른 전파 통신 장애와 기기 상호간의 오작동 등을 최소화하기 위해 전자파 차폐재료의 개발이 필요하게 되었다.

현재 대부분의 전자파 차폐재는 전기·전자 디바이스의 소형화, 경량화 추세와 대량 생산에 의한 저렴한 가격 및 디자인의 용이성 등을 고려해서 제품 표면에 박막의 형태로 증착되거나 유기 바인더 수지에 전도성 충전재로서 금속분말 또는 탄소섬유 등을 혼합하여 사용하고 있다. 그러나, 이러한 전자파 차폐재는 가공성, 안정성, 경제성의 측면에서 문제점이 여전히 남아 있다.

최근, 전도성 페인트 조성물 개발 기술은 1980년대 기술에 비해 상당한 진보가 있었다. 국제적인 전자기 적합성 기준이 표준화된 1980년대에는 니켈(Ni)과 은(Ag)분이 첨가된 형태의 페인트가 코팅용 전자파 차폐재의 유일한 형태였다.

초기의 전도성 코팅 조성물은 고밀도, 고가격, 낮은 내부식성등 물성 저하로 인하여 전기·전자 디바이스의 적용에 어려움이 많았다. 1990년대 중반 처음으로 저가격화를 위해서 순수 은분과 은을 코팅한 구리 분말을 혼합함으로써 하이브리드 전도성 페인트 개념이 등장하기 시작하였다. 그러나, 현재에도 가격이 낮다는 것을 제외하고는 금속, 고분자 및 유기 용매 등으로 구성되는 전자파 차폐를 위한 전도성 페인트 조성물은 고충전으로 인한 응력(stress)이 크고, 내부식성 및 기판과의 밀착력 등이 취약하다는 등의 여러 단점을 여전히 갖고 있는 실정이다.

즉, 종래의 금속, 고분자 및 유기 용매 등으로 구성되는 전자파 차폐를 위한 전도성 페인트 조성물은 폴리프로필렌, 폴리비닐알콜, 나일론, 폴리우레탄 또는 이들의 블렌드(blend) 형태의 고분자를 유기용매에 용해시킨 용액에 전기 전도성이 우수한 금속 분말, 탄소섬유 또는 이들의 혼합로써 하이브리드 분말 등을 40wt% 이상 분산시켜서 얻는 것이 일반적이었다.

금속 분말로는 가장 전기 전도성이 우수한 은분 또는 은을 코팅한 구리 등이 사용되었으며, 이들 은분 또는 은을 코팅한 구리 등을 40wt% 정도가 되게 고분자에 분산시켰을 경우 약 0.01Ω·㎝ 이하의 체적저항, 50dB 이상의 전자기파 차폐효과를 나타낼 수 있었다.

그러나, 더욱 엄격해지고 있는 전자파 장해 규격을 만족하기 위해서는 더욱 낮은 전기 체적 저항과 높은 차폐 효과가 요구되고 있으며, 이를 위해서는 더욱 많은 금속 분말을 고분자에 분산시켜야 한다. 그러나, 많은 금속 분말을 고분자에 분산시켰을 경우, 전기 전도도의 향상으로 인해 전자파 차폐효과를 높일 수는 있으나, 충격강도, 밀착력을 비롯한 기계적 물성이 저하되고 고밀도화 및 고가격화를 초래하여 전자파 차폐재로서의 응용에 많은 제한이 따르게 된다.

이에 최근에 전도성 충전재로서 탄소나노튜브(Carbon Nanotube)를 고분자에 분산시켜 만드는 전자파 차폐재의 개발연구가 활발하게 진행되고 있는데, 하지만 탄소나노튜브를 이용한 전자파 차폐재의 경우 12wt% 이상의 탄소나노튜브를 첨가하고도 10Ω·㎝의 높은 부피 비저항을 나타내며, 또한 40wt%의 탄소나노튜브를 첨가하고도 약 25dB의 낮은 전자파 차폐효율[H. M Kim et al., Current Appl. Phys., (2004)]을 보이기 때문에 전자파 차폐재로서의 응용에 어려움이 있다.

따라서, 낮은 체적 저항을 가지고 높은 전자파 차폐율을 가지면서도 충격강도, 기판과의 밀착력, 열적 안정성 및 대기 안정성이 우수하고 가격이 저렴한 페인트용 전자파 차폐재의 개발이 필요한 실정이다.

본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 탄소나노튜브와 금속 분말을 이용하여 낮은 체적 저항을 나타내고 높은 전자파 차폐율을 가지면서도 충격강도, 기판과 의 밀착력, 열적 안정성 및 대기 안정성이 우수하고 가격이 저렴한 전자파 차폐용 페인트를 제공함에 있다.

본 발명이 이루고자 하는 다른 기술적 과제는 상기의 전자파 차폐용 페인트 의 제조 방법을 제공함에 있다.

본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제들은 이상에서 언급한 기술적 과제들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

상기의 기술적 과제를 해결하기 위한 전자파 차폐용 페인트는 10.0~30.0중량부의 바인더 수지, 30.0~80.0중량부의 용매, 0.1~5.0중량부의 분산제, 0.1~5.0중량부의 탄소나노튜브, 및 15.0~40.0중량부의 금속 분말 또는 금속 섬유를 포함하며 상기 탄소나노튜브와 상기 금속 분말 또는 금속 섬유의 전체 함량은 조성물 전체에 대해 20.0~40.0wt%인 것을 특징으로 한다.

상기의 다른 기술적 과제를 해결하기 위한 전자파 차폐용 페인트의 제조 방법은 탄소나노튜브를 정제 및 표면 개질하는 단계, 바인더 수지와 용매를 혼합하여 고분자 매트릭스 용액을 제조하는 단계, 탄소나노튜브를 용매 및 계면활성제와 혼합하여 제1 혼합물를 제조하는 단계, 제1 혼합물에 금속 분말과 분산제를 혼합한 후 교반하여 제2 혼합물을 제조하는 단계, 및 제2 혼합물과 고분자 매트릭스 용액을 혼합하여 페이스트 형태의 페인트 조성물을 제조하는 단계를 포함한다.

기타 실시예들의 구체적인 사항들은 상세한 설명 및 첨부 도면들에 포함되어 있다.

본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예를 참조하면 명확해질 것이다. 그러나, 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예는 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성요소를 지칭한다.

본 발명에 사용된 바인더 수지는 전도성 충전재인 탄소나노튜브와 금속 분말을 복합화하기 위해 사용되는 것으로서, 탄소나노튜브와 금속 분말을 복합화할 수 있는 것이라면 분자량, 밀도, 분자구조, 관능기의 유무와 관계없이 모두 적용가능하다.

예컨대 물과 친화력이 큰 -OH, -COOH, -CONH₂, -NH₂, -COO^-, -SO3^- , -NR₃ ⁺ 등과 같은 가교 결합이 없어 물에 용해되는 고분자인 폴리비닐알콜, 수분산성 폴리우레탄, 아크릴산계, 무수말레인산계 및 이들의 블렌드가 사용가능하다.

또한, 바인더 수지로는 일반 유기용매에 용해되는 폴리프로필렌, 폴리스티렌, 나일론 수지, 폴리 우레탄, 폴리카보네이트, 폴리비닐리덴플로라이드, 폴리비닐피롤리돈, 폴리아세테이트, 폴리메타크릴산 메틸, ABS(Acrylonitrile-Butadiene-Styrene terpolymer) 및 이들의 블렌드가 사용가능하다.

다만, 바인더 수지는 열적· 기계적 충격 강도를 지닌 전자파 차폐재를 필요로 하는 제품에 있어서는 실리콘 고무나 폴리우레탄과 같이 연신특성과 충격흡수 효과가 우수한 고분자가 사용되며, 특히 수분 함량이 56.0~64.0wt%인 수분산성 폴리우레탄을 사용하는 것이 바람직하다.

바인더 수지의 함량은 10.0~30.0중량부인 것이 바람직하다.

용매는 상기 바인더 수지를 용해시키거나 탄소나노튜브와 금속 분말을 슬러리 형태의 혼합물로 분산시키기 위해 사용된다.

용매로서 사용될 수 있는 물질로는 에탄올, 메틸에틸케톤, 이소프로필알콜, 톨루엔, N-메틸피롤리돈, 에틸아세테이트, 부틸셀루솔브 중 하나 또는 둘 이상을 포함하거나 이들을 물과 혼합한 수용액의 형태로 사용가능하며, 다만 바인더 수지를 용해시키거나 탄소나노튜브와 금속 분말을 분산시키는 용매는 같은것을 사용하거나 각 공정에 따라 다른 용매를 사용할 수도 있다.

용매의 함량은 30.0~80.0중량부인 것이 바람직하다.

예컨대, 바인더 수지로는 유기 용매에 용해가 가능한 것을 사용하고 용매는 비휘발성이면서 무극성인 N-메틸피롤리돈과 탄소계 유기용매의 혼합용액을 사용할 경우, 조성물의 전기적·기계적 특성 및 코팅 특성이 향상되었다.

또한, 수분산성 폴리우레탄을 바인더 수지로 사용하고 에탄올을 용매로 사용했을 경우, 휘발성 유기물이 거의 없는 친환경적인 코팅용 전도성 조성물의 제조가 가능하다.

분산제는 계면활성제, 습윤분산제, 소포제, 계면결합제, 레벨링제 및 증점제를 모두 포함하거나 그 중 하나 또는 둘 이상을 포함할 수도 있다.

계면활성제는 탄소나노튜브를 용매에 분산할때에 보다 분산을 용이하게 하도록 첨가해주는 것으로서, 비이온계, 양이온계, 음이온계 화합물 중 하나 또는 둘 이상을 포함하는 화합물이 사용될 수 있으며, 그 함량은 후에 설명될 탄소나노튜브 함량에 대하여 0.1~2.0중량부로 하는 것이 바람직하다.

습윤분산제, 소포제, 계면결합제, 레벨링제는 금속 분말을 용매 또는 탄소나노튜브가 분산된 슬러리에 분산시 분산을 용이하게 하도록 할 뿐만 아니라 페인트 조성물의 코팅 표면특성 등을 양호하게 하기 위해서 첨가해주는 것으로서, 염소계 화합물, 불소계 화합물, 실리콘계 화합물, 비실리콘계 화합물, 글리콜계 유도체, 에폭시, 카르복실, 아민 말단의 실란계 중 하나 또는 둘 이상을 포함하는 것이 사용될 수 있고, 그 함량은 탄소나노튜브 함량에 대하여 0.1~2.0중량부로 하는 것이 바람직하다.

증점제는 탄소나노튜브와 금속 분말이 바인더 수지, 용매, 분산제에 분산되어 있는 페이스트 형태의 조성물에 일정한 점도를 갖도록 하여 주어 코팅 특성 및 저장 안정성 향상을 목적으로 첨가하는 것으로서 아크릴계, 셀룰로스계, 우레탄계 화합물 중 하나 또는 둘 이상을 포함하고, 그 함량은 탄소나노튜브 함량에 대하여 0.1~2.0wt%로 하는 것이 바람직하다.

탄소나노튜브는 화학 증착법, 아크 방전법, 플라즈마 토치법, 이온 충격법 등 어떤 제조 방법에 의해 제조된 것인가를 불문하고 모두 사용가능하며, 또한 단일벽으로 구성된 탄소나노튜브(single-walled nanotube: SWNT), 다중벽으로 구성된 탄소나노튜브(multi-walled nanotube: MWNT), 이중벽으로 구성된 탄소나노튜브 (double-walled nanotube: DWNT)와 같은 탄소나노튜브의 형상, 직경 및 길이에 관계없이 모든 형태의 탄소나노튜브가 사용가능하다.

본 발명에 사용되는 탄소나노튜브는 고분자 수지 내에서 분산성을 향상시키기 위해 정제되고 표면이 개질된 것을 사용하는 것이 바람직하다.

정제 및 표면 개질방법으로는 산에 의한 개질방법, 불소가스에 의한 개질방법 등 그 방법을 불문하나 정제 및 표면 개질 결과 푸리에 변환 적외선 분광법으로 표면 분석 결과 ①1300㎝^-1과 1100㎝^-1 사이의 페닐-카보닐 C-C 스트레치 결합 특성 피크가 존재하는 탄소나노튜브, ②1300㎝^-1과 1100㎝^-1사이의 페닐-카보닐 C-C 스티레치 결합과 1570㎝^-1과 1430㎝^-1 사이의 카보닉 C-C 스트레치 결합 및 1650㎝^-1 부근의 카르복실릭 그룹의 C=O 스티레칭 바이브레이션 특성 피크가 동시에 존재하는 탄소나노튜브, ③1300㎝^-1과 1100㎝^-1 사이의 페닐-카보닐 C-C 스티레치 결합과 1650㎝ ^-1 부근의 카르복실릭 그룹의 C=O 스티레칭 바이브레이션 및 3550㎝^-1에서의 -OH 결합 특성 피크가 동시에 존재하는 탄소나노튜브, ④1250㎝^-1 부근의 C-F 결합 특성 피크가 동시에 존재하는 탄소나노튜브 중 하나 또는 둘 이상의 탄소나노튜브를 포함하는 탄소나노튜브를 사용하는 것이 바람직하다.

탄소나노튜브 함량은 0.1중량부 미만일 경우에는 금속 분말과 탄소나노튜브와의 상호작용이 좋지 못하여 적정 수준의 전기 전도도를 나타낼 수 없으며, 그 함량이 5.0중량부를 초과할 경우엔 더욱 높은 전기전도도를 나타내어 높은 차폐 효과를 얻을 수는 있으나, 분산이 어렵고 따라서 코팅 표면 특성이 나빠지는 문제가 있다. 따라서, 탄소나노튜브의 함량은 0.1~5.0중량부로 하는 것이 바람직하다.

금속 분말은 탄소나노튜브 외의 전도성 충전재로 사용되는 것으로 금속 분말을 사용하는 것이 바람직하나 금속 섬유를 사용하여도 이와 동일하거나 비슷한 효과를 얻을 수도 있다.

금속 분말은 10⁴ S/cm 이상의 전기전도도를 가진 전도성 금속의 분말이라면 모두 사용가능하나, 은분(silver powder), 은이 코팅된 구리(copper coated by silver)와 같이 현재 가장 많이 상용화된 금속 분말을 사용하는 것이 바람직하다.

상기에서 설명한 바와 같이 전도성 충전재로서 금속 분말을 사용하는 것이 바람직하나 금속 섬유를 사용하여도 무방한데, 사용가능한 금속 섬유로는 스틸 섬유, 구리 섬유, 알루미늄 섬유, 니켈 섬유를 예로 들 수 있다.

금속 분말 또는 금속 섬유의 함량비는 15.0중량부 미만으로 할 경우엔 전기전도도가 낮고 탄소나노튜브와의 효과적인 상호작용에 의해 퍼콜레이션을 형성할 수가 없으며, 40.0중량부를 초과할 경우엔 성형성이 떨어지므로, 15.0~40.0중량부로 하는 것이 바람직하다.

전도성 충전재로 사용되는 탄소나노튜브와 금속분말 또는 금속 섬유의 총 함량은 페인트 조성물 전체에 대하여 20.0~40.0wt%인 것이 바람직한데, 20wt% 이하일 경우에는 충분한 전도도 및 차폐효율을 얻을 수 없기 때문에 차폐용 페인트로써 부 적합한 특성을 나타낼 수 있으며, 40wt% 이상일 경우에는 가격적인 면에 유리하지 못하고 과량의 전도성 충전재 함량에 의해 코팅 표면 특성이 열악해 질 수 있기 때문이다.

상기의 전자파 차폐용 페인트의 형상은 용매의 함량에 따라 점도를 가진 액상을 가진다.

따라서, 본 발명에 의한 전자파 차폐용 페인트는 스크링프린팅용, 테이프 캐스팅용, 스프레이용과 같이 다양한 형태로 사용가능하다.

도 1은 본 발명에 의한 전자파 차폐용 페인트의 제조 방법을 설명하기 위한 흐름도이다.

이하 도 1을 참조하여 본 발명에 의한 전자파 차폐용 페인트의 제조 방법을 설명하기로 한다.

먼저, 정제 및 표면 개질과정을 통해 정제 및 표면 개질된 탄소나노튜브를 준비한다(S100).

탄소나노튜브에 정제 및 표면 개질과정을 거치는 이유는 이를 통해서 아민, 카르복실, 하이드록실 등의 관능화 그룹을 탄소나노튜브의 표면에 도입함으로써 탄소나노튜브간의 분자간 결합을 최소화하여 현탁액 내에서뿐만 아니라 고분자 매트릭스 내부에서의 분산특성을 향상시키기 위함이다.

정제 및 표면 개질을 하는 방법은 산에 의한 개질방법, 불소가스에 의한 개질방법 등 그 방법을 불문하나 정제 및 표면 개질 결과 푸리에 변환 적외선 분광법 으로 표면 분석 결과 ①1300㎝^-1과 1100㎝^-1 사이의 페닐-카보닐 C-C 스트레치 결합 특성 피크가 존재하는 탄소나노튜브, ②1300㎝^-1과 1100㎝^-1사이의 페닐-카보닐 C-C 스티레치 결합과 1570㎝^-1과 1430㎝^-1 사이의 카보닉 C-C 스트레치 결합 및 1650㎝ ^-1 부근의 카르복실릭 그룹의 C=O 스티레칭 바이브레이션 특성 피크가 동시에 존재하는 탄소나노튜브, ③1300㎝^-1과 1100㎝^-1 사이의 페닐-카보닐 C-C 스티레치 결합과 1650㎝^-1 부근의 카르복실릭 그룹의 C=O 스티레칭 바이브레이션 및 3550㎝^-1에서의 -OH 결합 특성 피크가 동시에 존재하는 탄소나노튜브, ④1250㎝^-1 부근의 C-F 결합 특성 피크가 동시에 존재하는 탄소나노튜브로 만들어 주는 것이 바람직하다.

다만, 정제 및 표면이 개질된 탄소나노튜브를 사용하는 경우에는 본 단계는 생략될 수 있다.

다음으로, 바인더 수지와 용매를 혼합하여 고분자 매트릭스 용액을 제조한다(S110).

이는 후에 최종적으로 제조될 전자파 차폐용 페인트 조성물의 점도 및 코팅 표면특성을 좌우하는 것으로서, 수분산성 폴리우레탄 또는 에멜전 형태의 고분자를 사용할 경우엔 본 단계가 생략될 수 있다.

다음으로, 상기 정제 및 표면 개질된 탄소나노튜브를 용매 및 계면활성제와 혼합하여 제1 혼합물을 제조한다(S120).

이때 사용되는 용매는 상기에서 바인더 수지를 용해시킨 용매와 같은 것을 사용하나, 경우에 따라서는 용매의 극성을 낮추기 위해 무극성의 용매를 혼합하거나 다른 제2의 용매 혹은 수분이 함유된 수용액 형태의 것을 사용할 수도 있다.

계면활성제를 첨가하는 이유는 탄소나노튜브의 분산력을 더욱 좋게 해주기 위함이며, 비이온계, 양이온계, 음이온계 화합물 중 하나 또는 둘 이상을 포함할 수 있고, 그 함량은 탄소나노튜브 함량에 대해 0.1~2.0wt%로 하는 것이 바람직하다.

다음으로, 상기 제1 혼합물에 금속 분말(또는 금속섬유)과 분산제를 혼합하여 교반하여 줌으로써 제2 혼합물을 제조한다(S130).

본 단계는 금속 분말의 습윤분산과정으로서 금속 분말은 은분 또는 은이 코팅된 구리분말을 사용하는 것이 바람직하다.

분산제를 첨가하는 이유는 금속 분말의 분산력을 높여주기 위함이며, 사용가능한 분산제로는 염소계 화합물, 불소계 화합물, 실리콘계 화합물, 비실리콘계 화합물, 글리콜계 유도체 중 하나 또는 둘 이상을 포함하는 것이 바람직하며, 그 함량은 금속분말 대비 0.1~2.0wt% 첨가하는 것이 바람직하다.

교반하여 주는 이유는 제1 혼합물과 금속 분말과의 혼합을 용이하게 하여 금속 분말이 보다 잘 분산되도록 해주기 위함이다.

제1 혼합물에 금속 분말과 분산제를 첨가하는 방식이 아니라, 금속 분말과 분산제를 먼저 혼합한 후 제1 혼합물과 혼합하여 주는 방법을 사용하여도 동일한 결과를 얻을 수 있다.

또한, 탄소나노튜브, 금속분말, 계면활성제, 분산제를 동시에 혼합하여도 동일한 결과를 얻을 수 있다.

다음으로, 상기 제2 혼합물과 상기 고분자 매트릭스 용액을 혼합하여 페이스트 형태의 조성물을 제조한다(S140).

제2 혼합물과 고분자 매트릭스 용액은 헨셀믹서나 뢰디게 믹서, 3-roll 또는 호모게나이저 등을 이용하여 혼합하며, 특히 고속 교반에 의한 혼합물의 와류현상과 스크린 현상을 이용하는 교반 과정이 더욱 효과적이며, 일반적인 임펠러 대신 바스켓 형태로된 것이 바스켓 내부에 1㎛~5㎛ 크기의 지르코니아 볼과 임펠러가 함께 존재하고 바스켓 외부가 그물망으로 되어 있어 탄소나노튜브 및 금속 분말의 응집체의 분쇄가 용이하기 때문에 조성물의 전기적, 기계적 특성을 향상시킬 수 있었다.

상기 조성물은 사용되는 용매의 종류 및 함량을 조절함으로써 스크린 인쇄용, 테이프 캐스팅용, 스프레이용으로 모두 제조될 수 있다.

또한, 본 단계에서 제조되는 조성물의 저장안정성 및 흐름특성을 높여 코팅특성을 향상시키기 위해 증점제를 첨가하는 단계를 추가로 포함할 수도 있다(S150).

이때 사용가능한 증점제로는 아크릴계, 우레탄계, 셀룰로스계가 사용가능하며, 그 함량은 탄소나노튜브 대비 0.1~2.0중량부로 하는 것이 바람직하다.

이하에서는 본 발명에 의한 전자파 차폐용 페인트의 전기전도도와 차폐효율이 우수하다는 것을 구체적인 실험예들을 들어 설명한다. 여기에 기재되지 않은 내 용은 이 기술 분야에서 숙련된 자이면 충분히 기술적으로 유추할 수 있는 것이므로 설명을 생략한다.

(단위: 중량부)

표 1은 바인더 수지로 물이 64% 함유된 수분산성 폴리우레탄, 용매로 부틸셀로솔브 수용액, 분산제로 불소계화합물, 글리콜계 화합물, 아크릴계 화합물, 탄소나노튜브는 질산과 황산이 1:3으로 혼합된 25% 수용액에서 40℃의 온도에서 1시간 동안 교반해주는 정제 및 표면개질과정을 거친 것이, 금속 분말은 은분말을 사용한 전자파 차폐용 페인트를 앞에서 설명한 제조 방법에 의해 제조한 후, 에탄올을 첨가하여 희석한 후 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET) 필름에 스프레이건을 이용하여 스프레이 코팅을 실시한 후, 표면비저항과 전자파 차폐효율을 측정한 실험한 결과 를 나타낸 것이다.

표면비저항은 MIL-G-835288에 의거하여 측정하였으며, 측정기구로는 3540 mΩ Hi-tester (Hioki Co.)를 사용하였다. 시편의 크기는 가로 25.4㎜, 세로 35.0㎜로 하였으며, 두께는 5.0~40.0㎛로 하였고 Ω/□의 단위로 비저항을 측정하였다.

전자파 차폐효율은 직경이 133.0㎜인 측정시편을 ASTM D4935-89에 따른 회로망분석기(Agilent 8722ES network analyzer, Agilent, USA) 및 2-port flanged coaxial holder (EM-2107, Electro-Metrics, USA)를 이용하여 50 MHz ~ 6 GHz의 범위에서 측정하였다. 차폐효율은 s-parameter를 측정한 후 S₂₁을, return loss는 S₁₁을 이용하여 계산하였다. S₂₁은 입사된 전자기파의 투과량을 의미하며, 차폐효율을 판단하는 기준이 된다.

표 1에 나타나 있는 것과 같이 본 발명에 의한 전자파 차폐용 페인트를 코팅한 경우 표면 비저항이 모두 0.5 Ω/□이하, 차폐효율은 50dB이상의 값을 얻을 수 있음을 알 수 있다.

특히, 실험예 2와 실험예 5의 경우엔 표면비저항이 0.1~0.15Ω/□, 차폐효율은 80dB이상으로 매우 우수한 성질을 지니고 있음을 알 수 있다.

(단위: 중량부)

표 2는 바인더 수지로 폴리메타메틸아크릴레이트, 용매는 톨루엔과 N-메틸피롤리돈(NMP), 분산제로는 불소계화합물, 글리콜계화합물, 아크릴계화합물, 탄소나노튜브는 앞의 실험예1~5에 사용된 것과 동일한 것을, 금속 분말은 은분말로서 앞의 실험예1~5에 사용된 것과 동일한 것을 사용하였다.

이때, 톨루엔 용매는 바인더 수지를 용해하기 위해 사용된 것이고, NMP는 탄소나노튜브와 은분말을 분산시키기 위해 사용된 것이다.

표면 비저항과 차폐효율은 앞의 실험예 1~5에서 측정한 방법과 동일한 방법을 사용하였다.

표 2에 나타나 있는 바와 같이 바인더 수지를 폴리메타메틸아크릴레이트, 용 매는 톨루엔과 N-메틸피롤리돈(NMP), 분산제로는 불소계화합물, 글리콜계화합물, 아크릴계화합물을 사용한 결과 표면 비저항과 차폐효율이 우수하였으나, 다만 실험예 8에서는 탄소나노튜브와 은분말의 양이 줄어듦에 따라 표면비저항이 2.34x10³Ω/□로 부도체의 성질을 갖는것으로 나오는것으로 보아 일정량 이상의 탄소나노튜브와 금속분말을 추가해야함을 알 수 있었다.

(단위: 중량부)

표 3은 본 발명에 의한 바인더 수지와 용매에 탄소나노튜브 또는 금속 분말 중 하나만을 전도성 충전재로 사용한 경우 탄소나노튜브와 금속 분말을 동시에 전도성 충전재로 사용한 경우와 비교하기 위한 것이다.

표 3에 나타나 있는 바와 같이 비교예 1~3은 금속 분말은 첨가하지 않고 오 직 탄소나노튜브만을 전도성 충전재로 사용한 경우 코팅막의 균일성도 떨어지고 표면비저항도 매우높게 나왔으며, 이로인해 전자파 차폐효율도 매우 낮음을 알 수 있다.

비교예 4는 탄소나노튜브는 첨가하지 않고 오직 은분말만을 전도성 충전재료 44 중량부첨가한 경우인데 막균일성도 비교적 양호하고 표면비저항도 낮으며 차폐효율도 70dB 정도가 됨을 알 수 있다.

그러나, 금속 분말이 다량 첨가될수록 성형성, 내충격성, 경량화, 원가절감효과가 떨어진다는 사실에 의할때, 실험예 1~8에서는 금속 분말을 44중량부 이하로 첨가하고 다만 탄소나노튜브를 소량 첨가하게 되면 표면비저항도 비교예4에 비해 낮고 차폐효율도 더 우수하다는 점에서 금속 분말만을 전도성 충전재로 사용하는 것보다 금속 분말과 탄소나노튜브를 동시에 사용하는 것이 차폐재로서의 성질도 우수할 뿐만 아니라 성형성, 내충격성, 경량화, 원가절감효과 측면에서도 유리하다는 것을 알 수 있다.

이상 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들을 설명하였으나, 본 발명은 상기 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 제조될 수 있으며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다.

상술한 바와 같이 본 발명의 전자파 차폐용 코팅제 및 그 제조 방법에 의하면 다음과 같은 효과가 하나 또는 둘 이상 있다.

첫째, 기존 차폐재의 실용화에 있어서 장애 요소였던 고밀도, 고중량의 단점을 극복할 수 있다.

둘째, 금속 분말의 함량을 낮추고 고분자의 함량을 늘일 수 있어 원가절감과 경량화를 달성할 수 있을 뿐만 아니라 내충격성, 밀착력과 같은 기계적 특성을 증가시킬 수 있다.

셋째, 상대적으로 낮은 함량의 금속 분말과 상대적으로 높은 고분자 수지를 사용하고 있기 때문에 밀도가 낮고 단위 무게당 높은 체적을 나타내며, 따라서 동일한 두께로 코팅하였을 경우, 더욱 많은 면적을 코팅할 수 있는 장점이 있다.

Claims (14)

10.0~30.0중량부의 바인더 수지, 30.0~80.0중량부의 용매, 0.1~5.0중량부의 분산제, 0.1~5.0중량부의 탄소나노튜브, 및 15.0~40.0중량부의 금속 분말 또는 금속 섬유를 포함하며 상기 탄소나노튜브와 상기 금속 분말 또는 금속 섬유의 전체 함량은 조성물 전체에 대해 20.0~40.0wt%인 것을 특징으로 하는 전자파 차폐용 페인트.

제 1 항에 있어서,

상기 바인더 수지는 폴리비닐알콜, 수분산성 폴리우레탄, 아크릴산계, 무수말레인산계, 폴리프로필렌, 폴리스티렌, 나일론 수지, 폴리우레탄, 폴리카보네이트, 폴리비닐리덴플로라이드, 폴리비닐피롤리돈, 폴리아세테이트, 폴리메타크릴산 메틸, ABS 수지, 실리콘 고무, 폴리우레탄 중 하나 또는 둘 이상을 포함하는 전자파 차폐용 페인트.

제 1 항에 있어서,

상기 용매는 에탄올, 메틸에틸케톤, 이소프로필알콜, 톨루엔, N-메틸피롤리돈, 에틸아세테이트, 부틸셀루솔브 중 하나 또는 둘 이상을 포함하거나 이들의 수용액인 전자파 차폐용 페인트.

제 1 항에 있어서,

상기 분산제는 계면 활성제, 습윤 분산제, 소포제, 계면 결합제, 레벨링제, 증점제 중 하나 또는 둘 이상을 포함하는 전자파 차폐용 페인트.

제 1 항에 있어서,

상기 탄소나노튜브는 푸리에 변환 적외선 분광법으로 표면 분석 결과 ①1300㎝^-1과 1100㎝^-1사이의 페닐-카보닐 C-C 스트레치 결합 특성 피크가 존재하는 탄소나노튜브, ②1300㎝^-1과 1100㎝^-1사이의 페닐-카보닐 C-C 스티레치 결합과 1570㎝^-1 과 1430㎝^-1 사이의 카보닉 C-C 스트레치 결합 및 1650㎝^-1 부근의 카르복실릭 그룹의 C=O 스티레칭 바이브레이션 특성 피크가 동시에 존재하는 탄소나노튜브, ③1300㎝^-1과 1100㎝^-1 사이의 페닐-카보닐 C-C 스티레치 결합과 1650㎝^-1 부근의 카르복실릭 그룹의 C=O 스티레칭 바이브레이션 및 3550㎝^-1에서의 -OH 결합 특성 피크가 동시에 존재하는 탄소나노튜브, ④1250㎝^-1 부근의 C-F 결합 특성 피크가 동시에 존재하는 탄소나노튜브 중 하나 또는 둘 이상의 탄소나노튜브를 포함하는 전자파 차폐용 페인트.

제 1 항에 있어서,

상기 금속 분말은 은분말 또는/및 은이 코팅된 구리 분말인 전자파 차폐용 페인트.

제 1 항에 있어서,

상기 금속 섬유는 스틸 섬유, 구리 섬유, 알루미늄 섬유, 니켈 섬유 중 하나 또는 둘 이상을 포함하는 전자파 차폐용 페인트.

제 1 항에 있어서,

상기 바인더 수지는 수분 함량이 56.0~64.0 wt%인 수분산성 폴리우레탄이고, 상기 용매는 에틸아세테이트, 부틸셀로솔브, 부틸셀로솔브 수용액, 에틸아세테이트 중 하나 또는 둘 이상을 포함하는 전자파 차폐용 페인트.

제 4 항에 있어서,

상기 계면 활성제는 비이온계, 양이온계, 음이온계 화합물 중 하나 또는 둘 이상을 포함하고, 그 함량은 탄소나노튜브 함량에 대해 0.1~2.0wt%인 전자파 차폐용 페인트.

제 4 항에 있어서,

상기 습윤분산제, 소포제, 계면결합제, 레벨링제는 염소계 화합물, 불소계 화합물, 실리콘계 화합물, 비실리콘계 화합물, 글리콜계 유도체 에폭시, 카르복실, 아민 말단의 실란계 중 하나 또는 둘 이상을 포함하고, 그 함량은 탄소나노튜브 함 량에 대해 0.1~2.0wt%인 전자파 차폐용 페인트.

제 4 항에 있어서,

상기 증점제는 아크릴계, 셀룰로스계, 우레탄계 중 하나 또는 둘 이상을 포함하고, 그 함량은 탄소나노튜브 함량에 대해 0.1~2.0wt%인 전자파 차폐용 페인트.

(a) 탄소나노튜브를 정제 및 표면 개질하는 단계;

(b) 바인더 수지와 용매를 혼합하여 고분자 매트릭스 용액을 제조하는 단계;

(c) 탄소나노튜브를 용매 및 계면활성제와 혼합하여 제1 혼합물를 제조하는 단계;

(d) 상기 제1 혼합물에 금속 분말과 분산제를 혼합한 후 교반하여 제2 혼합물을 제조하는 단계; 및

(e) 상기 제2 혼합물과 상기 고분자 매트릭스 용액을 혼합하여 페이스트 형태의 조성물을 제조하는 단계를 포함하는 전자파 차폐용 페인트의 제조 방법.

제 12 항에 있어서,

상기 페이스트 형태의 조성물에 아크릴계, 셀룰로스계, 우레탄계의 증점제를 첨가하는 단계를 더 포함하는 전자파 차폐용 페인트의 제조 방법.

제 12 항에 있어서,

상기 제1 혼합물을 제조하기 전에 탄소나노튜브를 정제 및 표면개질하는 단계를 더 포함하는 전자파 차폐용 페인트의 제조 방법.

Images