KR100726965B1 - 하이브리드 충진제, 이를 이용한 고유전 고분자 복합체, 및 그 제조방법 - Google Patents

하이브리드 충진제, 이를 이용한 고유전 고분자 복합체, 및 그 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 강유전체 세라믹 물질에 전도성 물질을 물리적 처리를 통하여 흡착 시킨 하이브리드 충진제 및 이를 이용한 고분자 복합체에 관한 것으로, 본 발명에 따르면, 고분자 복합체의 유전상수를 높일 수 있고 유전손실을 낮출 수 있어, 내장형 커패시터 등에 효과적으로 적용할 수 있다.
탄소나노튜브(Carbon nanotube), 고유전율 복합재료, 티탄산바륨, 하이브리드 충진제, 유전체, 내장형 캐패시터, 유전 상수

Description

하이브리드 충진제, 이를 이용한 고유전 고분자 복합체, 및 그 제조방법{HYBRID FILLER, HIGH DIELECTRIC POLYMER COMPOSITE USING THE SAME AND MANUFACTURING METHOD THEREOF}
도 1은 물리적 처리로 탄소나노튜브가 티탄산바륨에 흡착되어있는 미세 구조를 보인 전자현미경(SEM) 사진.
도 2는 다양한 처리방법 및 물리적 처리시간에 따른 탄소나노튜브의 구조변화를 분석한 라만(Raman) 그래프.
도 3은 고분자/티탄산바륨 복합체의 유전상수 및 유전손실 변화를 나타낸 그래프.
도 4a 및 도 4b는 본 발명의 고분자/하이브리드 충진제 복합체의 유전상수 및 유전손실 변화를 나타낸 그래프.
본 발명은 물리적 처리로 탄소계 전도성 물질을 세라믹 물질에 흡착시킨 하이브리드 충진제와 이를 이용한 고유전율 고분자 복합체에 관한 것이다.
최근 전자제품의 경박단소화와 전기적 고성능화를 위하여 내장형 수동소자 (integral passive device 또는 embedded passive device)에 대한 관심이 증가하고 있다. 수동소자들 중에서도 40%이상을 차지하는 캐패시터(capacitor)에 대한 관심이 크며, 캐패시터는 회로 사이에서 디커플링(decoupling)이나 바이패스(by-pass) 등의 중요한 역할을 한다.
고분자의 우수한 가공성과 고유전 충진제의 높은 유전 상수라는 장점을 동시에 이용할 수 있는 고분자 복합체는 공정온도가 낮고 제조 비용이 적게 들며, 균일한 유전특성과 가공성, 상온 보관성 등이 우수하여 내장형 캐패시터 재료로서의 가능성이 매우 높다.
현재 고유전 충진제로서는 SrTiO3(STO), (Ba, Sr)TiO3 (Barium Strontium Titanate), (Pb, La)TiO3 (PLT)등을 사용하는데, 고유전율을 얻기 위해서는 고유전 충진제를 다량으로 배합해야 하나, 고분자에 대한 무기계 충진제의 함량을 높이는 것은 한계가 있으며, 함량이 높아질수록 기계적 강도, 내충격성, 접착특성의 감소를 초래한다.
탄소계 전도성 물질의 하나인 탄소나노튜브는 일반적으로 수 nm 내지 수십 nm의 직경과 수 ㎛에서 수백 ㎛의 길이를 갖는, 즉 종횡비가 수십에서 수천에 달하는 극히 미세한 원통형 탄소 재료로서, 내열 특성이 우수하고 다이아몬드의 2배에 가까운 열전도도 및 구리와 비교하여 1,000 배 가량 높은 전류 이송 능력 등의 잠재적 물성을 가지는 반면, 높은 유전손실 (Tan δ)로 인하여 고유전 충진제로의 사용은 제한되고 있다.
특히 탄소나노튜브를 고유전 충진제로 이용하기 위해서는 나노 수준의 분산을 위하여 별도의 절단(cutting) 공정을 거쳐야 하는 문제점이 있다.
본 발명의 목적은 탄소나노튜브 등의 탄소계 전도성 물질을 고분자 복합체의 충진제로 이용할 수 있도록 기능화시키는 방법을 제공하는 것이다.
또한, 본 발명의 다른 목적은 유전성 세라믹과 탄소계 전도성 물질로 구성되는 하이브리드 충진제 및 이를 이용한 고유전율의 고분자/세라믹-탄소계 전도성 물질 복합체를 제공하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 강유전성 세라믹 물질에 물리적 처리를 통하여 탄소계 전도성 물질이 흡착되어 있는 것을 특징으로 하는 하이브리드 충진제를 제공한다.
본 발명의 실시예에서 상기 탄소계 전도성 물질은 탄소나노튜브를 사용하며, 상기 강유전성 세라믹 물질은 유전율 10 이상의 물질로서, 티탄산바륨을 사용하여 설명한다. 그러나 상기 탄소계 전도성 물질에는 탄소나노튜브 이외에 카본블랙, 흑연 등이 포함될 수 있으며, 상기 강유전성 세라믹 물질은 PMN-PT가 사용될 수 있다.
또한, 본 발명은 탄소계 전도성 물질을 세라믹 물질에 흡착시킨 하이브리드 충진제와, 열가소성 수지 또는 열경화성 수지 중에서 선택되는 고분자 물질을 포함하는 고분자 복합체를 제공한다.
상기 충진제는 상기 고분자 물질의 수지 대비 0.5 ~ 3 PHR의 탄소계 전도성 물질을 포함하는 것이 바람직하다.
또한, 본 발명은 탄소계 전도성 물질을 세라믹 물질에 물리적 처리를 통하여 흡착시키는 단계와; 열가소성 수지 또는 열경화성 수지 중에서 선택되는 고분자 물질에 상기 탄소계 전도성 물질이 흡착된 세라믹 물질 균일하게 충진시키는 단계를 포함하는 고분자 복합체 제조 방법을 제공한다.
상기 탄소계 전도성 물질의 흡착은 바이브레이션 밀(Vibration mill), 볼밀 (Ball milling), 메카노 퓨전 (Mechanofusion) 등의 물리적 처리를 통하여 수행하는 것이 바람직하며, 이 밖에도 습식 처리를 병행하여 수행할 수 있다.
본 발명에서는 탄소나노튜브 등의 탄소계 전도성 물질을 물리적 처리(또는 물리적 처리와 습식처리를 병행한 기계화학적 처리)를 통해 구조를 제어함으로써 유전손실을 줄일 수 있으며, 동시에 기계적인 방법으로 절단 효과를 가져와 균일한 분산성을 확보할 수 있다.
본 발명의 일실시예에 따른 티탄산바륨-탄소나노튜브 하이브리드 충진제를 이용하여 제조된 고분자/하이브리드 충진제 복합체는 강유전체인 세라믹 충진제만을 사용했을 때 보다 높은 유전율을 보임으로써, 적은 충진제 양으로도 높은 유전율을 구현할 수 있으며, 탄소나노튜브의 구조 제어를 통해 세라믹 충진제만을 사용했을 때보다 작은 유전손실을 갖는다. 또한 충진제의 충진량을 줄일 수 있어 고충전시 발생할 수 있는 복합체의 기계적 물리적 특성 감소를 줄일 수 있다.
티탄산바륨-탄소나노튜브의 복합화
티탄산바륨 분말에 탄소나노튜브를 넣고 물리적 처리를 수행하였다. 이 물리적 처리 과정을 통하여 탄소나노튜브보다 강한 구조를 지닌 세라믹 분말 표면에 탄소나노튜브가 코팅되며, 별도의 절단 공정없이 탄소나노튜브가 균일하게 분산 및 흡착되었다. 도 1은 이와 같이 물리적인 방법으로 처리된 하이브리드 충진제의 전자현미경(SEM) 이미지이며, 티탄산바륨 표면에 탄소나노튜브가 흡착된 것을 확인 할 수 있다.
도 2는 물리적 처리 및 습식처리(산처리), 그리고 물리적 처리와 습식처리를 병행한 경우에 탄소나노튜브(SWNT : single wall nanotube)의 구조 변화를 분석한 라만 그래프로서, 다양한 처리방법 및 처리시간에 따른 의 구조 변화를 확인한 결과 기계화학적 처리에 따른 탄소나노튜브의 구조적 완전성의 척도인 품질지수(quality index (IG/ID) : 1600cm-1의 peak와 1400cm-1의 peak의 강도의 비) 감소(즉, 결함의 증가)가 기존의 습식방법인 산처리에 비하여 크며, 짧은 가공 시간으로 탄소나노튜브의 결함을 증가시켜 탄소나노튜브의 전기적 특성이 제어됨을 알 수 있다.
고분자/티탄산바륨-탄소나노튜브 복합체
고분자로는 열경화성수지와 열가소성수지 모두 사용될 수 있다. 열경화성수지는 에폭시 및 변성 에폭시를 사용하였으며, 열가소성수지는 폴리메틸메타아크릴레이트(poly(methyl methacrylate))를 사용하였다.
티탄산바륨-탄소나노튜브/에폭시 복합체의 제조 방법은 에폭시에 경화제와 탄소나노튜브가 흡착된 티탄산바륨과 점도 조절을 위하여 솔벤트인 아세톤(acetone)과 메틸에틸케톤(methyl ethyl ketone)을 첨가하여 혼합한 후, 초음파 처리와 볼밀링(ball milling)을 통하여 충진제를 균일하게 분산 시켰다. 그 다음, 혼합액을 필름 캐스팅하고 경화시켜 티탄산바륨-탄소나노튜브/에폭시 복합체를 제조하였다.
도 3을 참고하여, 티탄산바륨/에폭시 복합체의 유전상수 변화를 살펴보면, 티탄산바륨의 함량이 70 vol%까지 변화하는 동안 티탄산바륨의 함량에 따라 유전상수(K)는 약 5 ~ 61 정도를 얻을 수 있음을 알 수 있다. 반면, 유전손실(Tan δ)은 티탄산바륨의 함량에 따라 크게 변화하지 않는 것을 알 수 있다.
이에 반하여 본 발명에 따른 하이브리드 충진제를 이용한 고분자 복합체의 유전 특성을 도 4a 및 4b에 도시하였다.
도 4a는 탄소나노튜브가 흡착된 티탄산바륨을 충진제로 사용한 에폭시 복합체의 유전상수(K)를 나타낸 그래프로서, 탄소나노튜브의 함량은 에폭시 수지 대비 0.5 ~ 3 PHR(part per hundred resin)을 사용하였다. 티탄산바륨만을 50 vol% 충진한 에폭시 복합체의 유전상수는 44이며, 동일한 t량의 티탄산바륨-탄소나노튜브 (에폭시 대비 2PHR의 탄소나노튜브 첨가) 하이브리드 충진제를 사용한 복합체의 유전상수는 54로 티탄산바륨만을 충진했을 때 보다 30%정도 높은 유전율을 가지는 것을 알 수 있다. 도 4b는 충진제의 함량에 따른 유전손실 변화를 나타낸 것으로 충진제가 2PHR이 될 때까지는 유전손실(Tan δ)이 매우 낮은 것을 알 수 있다. 그러 나, 충진제의 함량이 4PHR인 경우 유전손실이 급격히 증가한 것을 볼 수 있는데, 그 이유는 하이브리드 충진제의 함량이 3PHR을 초과 하게 되면 퍼콜레이션(percolation) 현상에 의해 유전율이 크게 증가 하지만 유전손실 또한 증가하기 때문이다.
이와 같은 실시예로부터, 탄소나노튜브를 흡착시킨 유전성 세라믹 분말을 이용하여 충진제로 이용할 경우 고분자 복합체의 유전율 증가 효과 및 유전손실 감소 효과를 얻을 수 있음을 확인하였다.
이상과 같이 본 발명의 실시예를 설명하였으나, 본 발명은 상기 실시예에 한정 된 것이 아니라 다양한 변형과 응용이 가능할 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 이해 할 수 있을 것이다. 따라서, 이상에서 기술한 실시예들은 예시적인 것일 뿐, 한정적이 아님을 이해해야 할 것이다.
이상에서 살펴본 바와 같이, 본 발명에 따르면, 탄소나노튜브를 흡착시킨 강유전성 세라믹분말을 충진제로 사용하여 고분자 복합체를 구성함으로써 이 복합체의 유전율을 더욱 증가시킬 뿐만 아니라 유전손실 감소에 매우 효과적이다. 또한, 부가적으로 물리적 처리를 통해 탄소나노튜브의 절단 효과를 얻을 수 있으며 고분자에 균일하게 분산시키는데 효과적이다.

Claims (9)

  1. 삭제
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 탄소계 전도성 물질을 세라믹 물질에 흡착시킨 하이브리드 충진제와,
    열가소성 수지 또는 열경화성 수지 중에서 선택되는 고분자 물질을 포함하며,
    상기 충진제는 상기 고분자 물질의 수지 대비 0.5 ~ 3 PHR의 탄소계 전도성 물질을 세라믹 물질에 흡착시킨 것을 특징으로 하는
    고분자 복합체.
  6. 삭제
  7. 탄소계 전도성 물질을 세라믹 물질에 기계적 분쇄를 통하여 흡착시키는 단계와;
    열가소성 수지 또는 열경화성 수지 중에서 선택되는 고분자 물질에 상기 탄소계 전도성 물질이 상기 고분자 물질의 수지 대비 0.5 ~ 3 PHR만큼 흡착된 세라믹 물질을 균일하게 충진시키는 단계를 포함하는
    고분자 복합체 제조 방법.
  8. 제7항에 있어서, 상기 탄소계 전도성 물질의 흡착은 바이브레이션 밀(Vibration mill), 볼밀 (Ball milling), 또는 메카노 퓨전 (Mechanofusion) 방법을 통하여 수행하는 것을 특징으로 하는 고분자 복합체 제조 방법.
  9. 제8항에 있어서, 상기 탄소계 전도성 물질의 흡착은 습식 처리를 병행하여 수행하는 것을 특징으로 하는 고분자 복합체 제조 방법.
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