KR101413237B1 - 고유전 탄성중합체 및 그 제조방법 - Google Patents

고유전 탄성중합체 및 그 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 이온성 액체를 사용하여 분산된 전도성 필러를 사용하여 유전특성이 향상된 탄성중합체-전도성 필러 복합체 및 그 제조방법에 관한 것으로, 이온성 액체를 분산제로 사용하여 전도성 필러의 분산효과를 높임으로써 전도성 필러의 물성을 저하시키지 않으면서 높은 유전상수와 낮은 유전손실을 갖는 것을 특징으로 한다. 사용된 이온성 액체를 통하여 공정단계를 간소화할 수 있으며, 낮은 농도의 전도성 필러에 의해 탄성중합체의 물성저하를 최소화할 수 있다.

Description

고유전 탄성중합체 및 그 제조방법{Elastomer with high dielectric properties and fabrication method therof}
본 발명은 이온성 액체 (ionic liquids)에 의해 분산이 향상된 전도성 필러를 사용하여 유전특성이 향상된 탄성중합체 (elastomer) 및 그 제조방법에 관한 것이다.
고분자는 타 소재에 비하여 우수한 공정성, 기계적 강도, 전기절연성, 광학적 투명성, 대량생산성 등이 뛰어나며, 반도체, 전기전자산업, 우주항공, 방위산업, 디스플레이, 대체에너지 등 첨단산업 분야에서 중요한 신소재로 사용하고 있다. 유전재료로서의 고분자소재는 분자설계에 의해 다양한 물성을 얻을 수 있고, 성형이 우수하다는 장점이 있지만, 유전특성이 취약할 뿐만 아니라 무기재료에 비해 열적, 기계적 특성이 취약하여 신소재로의 적용에 많은 제약을 받고 있다.
현재 고분자의 유전특성은 플렉시블 전자소재를 위한 고유전 박막 게이트 (high-k gate dielectric), 에너지 저장을 위한 캐패시터 (capacitor), 그리고 유전체 엘라스토머 액츄에이터 (dielectric elastomer actuator, DEA) 들로의 활용을 목적으로 연구가 진행되고 있다.
고유전 상수를 갖는 고분자재료들은 단일상이 되면 다상계 재료의 분산으로 인한 문제점에서 자유롭기 때문에 내장형 캐패시터로 사용하기에 이상적인 재료이다. 최근 펜실베니아 대학연구팀은 PVDF 공중합체 막에 대하여 먼저 라디에이션(radiation)을 처리한 후 전기장을 걸어 폴링(polling)하는 방법으로 유전상수 100을 갖는 PVDF 전기활성 공중합체를 제조방법을 보고하였으며, 일본의 시즈오카 대학에서는 극성의 시아노기를 가지는 고분자를 이용하여 유전상수 20 이상을 개발하였고, 독일 플라스틱 협회 (German Plastic Institute) 및 영국의 웨일즈 대학에서는 PVDF와 관련 공중합체를 이용하여 유전상수 8 이상의 고분자 유전체를 제조한 바 있다. 하지만, 이러한 방법은 높은 단가, 낮은 수율 및 다음 공정과의 적합성 문제로 대면적의 내장형 캐패시터 제조에 적용하는데 한계가 있다.
또한, 유전체 엘라스토머 액츄에이터는 전기활성 고분자 (electroactive polymers, EAP)를 기반으로 한 응용 부분으로써, 인간의 근육 움직임을 모방할 수 있다는 특징을 가지고 인공근육 제조 분야에 적용을 목적으로 연구가 활발히 진행되고 있다.
전기활성 고분자 즉, 탄성중합체는 전압 또는 힘을 가하면 이에 대응하여 변형을 일으키는 물질을 뜻한다. 이러한 전기적 힘 (electrical force)을 기계적인 변형 (mechanical strain)으로 바꿀 수 있는 특징을 가지고 유전체 엘라스토머 엑츄에이터로의 응용이 가능하다. 하지만 탄성중합체는 유전상수 (dielectric constant)가 상대적으로 낮은 물질로써 액츄에이션 거동을 위하여 높은 동작전압 인가가 불가피하다. 따라서 탄성중합체의 유전상수를 높여서 이러한 높은 동작전압을 낮추는 시도는, 탄성중합체를 이용한 유전체 엘라스토머 액츄에이터의 상업적 활용 가능성을 높이고 높은 전압인가에 따라 동반되는 위험성을 줄이기 위하여 필요하다.
최근, 이러한 문제점을 해결하기 위한 방안으로 고유전성 필러 (high-k filler)를 탄성중합체와 복합화하여 탄성중합체의 유전상수를 높이는 연구가 진행되어 왔다. 일본특허공개 2008-239929호 및 일본특허공개 2005-177003호에서는 열가소성탄성체에 리튬을 포함한 세라믹 필러를 첨가하여 저가의 비용으로 유전상수를 증가시켜 전기역학 변환효율을 향상시켰으며, 국제특허공개공보 WO98/04045에서는 탄성 엘라스토머에 카본 블랙, 그래파이트, 금속입자와 같은 전도성 필러를 첨가한 복합체를 사용한 액츄에이터를 개시하고 있고, 그외에도 탄소나노튜브 (carbon nanotube)와 같이 일차원의 큰 종횡비 (aspect ratio)를 가지는 전도성 필러를 탄성중합체 내에 분산하여 탄성중합체의 높은 유전상수를 확보하는 연구가 여러 그룹에 의해 진행 중이다. 하지만 이러한 절연체/도전체 복합체에서는 일반적으로 도전체의 충전량이 증가함에 따라 유전상수의 증가와 함께 유전손실 (dielectric loss)의 증가 또한 함께 나타나게 된다. 복합체의 유전손실 증가는 탄성중합체의 절연 강도 (dielectric strength)를 떨어뜨리는데, 이러한 현상은 낮은 전압에서도 탄성중합체 내의 절연 파괴 (dielectric breakdown)를 초래하여 실질적인 응용에 제한을 가지게 된다. 따라서 이러한 문제를 해결하기 위하여, 탄소나노튜브 표면을 화학적 또는 물리적인 방법으로 개조하여 유전손실을 낮추는 연구가 병행되고 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 첫 번째 과제는 이온성 액체를 분산제로 사용하여 전도성 필러의 분산효과를 높임으로써 높은 유전상수와 상대적으로 낮은 유전손실을 가지는 탄성중합체-전도성 필러 복합체를 제공하는 것이다.
본 발명이 해결하고자 하는 두 번째 과제는 상기 탄성중합체-전도성 필러 복합체의 제조방법을 제공하는 것이다.
본 발명은 상기 첫 번째 과제를 달성하기 위하여,
탄성중합체 매트릭스; 상기 탄성중합체 매트릭스내에 분산된 전도성 필러; 및 상기 전도성 필러를 분산시키는 이온성 액체를 포함하는 탄성중합체-전도성 필러 복합제를 제공한다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 탄성중합체 매트릭스는 실리콘, 우레탄, 이소프렌, 플루오로엘라스토머, 스티렌 부타디엔, 네오프렌, 아크릴로니트릴공중합체 및 아크릴레이트고무로 이루어진 군 중에서 선택될 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따르면, 상기 전도성 필러는 단일벽 탄소나노튜브, 다중벽 탄소나노튜브, 그래핀, 그래파이트, 카본블랙, 카본파이버 및 플러렌으로 이루어진 군 중에서 선택될 수 있다.
본 발명의 또 다른 실시예에 따르면, 상기 이온성 액체는 양이온으로 이미다졸리움 양이온을, 음이온으로 NO3 -, BF4 -, PF6 -, AlCl4 -, Al2Cl7 -, AcO-, TfO-, Tf2N- 및 CH3CH(OH)CO2 -로 이루어진 군 중에서 선택된 어느 하나 이상의 음이온을 포함할 수 있다.
본 발명의 또 다른 실시예에 따르면, 상기 전도성 필러의 함량은 상기 탄성중합체 매트릭스 100 중량부를 기준으로 0.00001 내지 5 중량부로 함유될 수 있다.
본 발명의 또 다른 실시예에 의하면, 상기 전도성 필러의 함량은 상기 탄성중합체-전도성 필러 복합체가 1.0 × e+3Ωcm 이상의 저항값을 가지도록 하는 함량일 수 있다.
본 발명의 또 다른 실시예에 따르면, 상기 이온성 액체의 함량은 상기 전도성 필러 1 중량부를 기준으로 0.1 내지 10 중량부로 함유될 수 있다.
본 발명은 상기 두 번째 과제를 달성하기 위하여,
(a) 탄소소재의 전도성 필러와 이온성 액체를 혼합하는 단계;
(b) 상기 혼합물을 용매에 분산시켜 필러 분산액을 수득하는 단계;
(c) 상기 필러 분산액과 탄성중합체 매트릭스를 혼합하는 단계; 및
(d) 상기 (c)단계의 혼합액에서 용매를 제거하는 단계;를 포함하는 탄성중합체-전도성 필러 복합체의 제조방법을 제공한다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 (b)단계의 용매는 N,N-디메틸포름아미드 (DMF), N-메틸피롤리돈 (NMP), 디메틸아세트아미드 (DMAc), 톨루엔, 에탄올, 메탄올, 클로로포름, 디클로로메탄으로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상의 용매일 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따르면, 상기 (d)단계는 상기 용매가 제거된 혼합액에 경화제가 추가로 포함될 수도 있다.
본 발명에 따라 제조된 탄성중합체-전도성 필러 복합체는 이온성 액체에 의해 분산된 전도성 필러를 탄성중합체 매트릭스에 혼합함으로써, 전도성 필러의 물성을 저하시키지 않으면서도 높은 유전상수와 낮은 유전손실을 갖는 것을 특징으로 하며, 낮은 농도의 전도성 필러로 인하여 탄성중합체의 물성저하를 최소화할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 이온성 액체에 의해 분산되는 전도성 필러에 대한 모식도이다.
도 2a는 본 발명의 일 비교예에 따른 이온성 액체와 혼합하지 않은 단일벽 탄소나노튜브 전도성 필러의 TEM 이미지이며, 도 2b는 본 발명의 일 실시예에 따른 이온성 액체와 전도성 필러를 혼합하여 1 시간 동안 초음파처리하고 얻은 분산된 단일벽 탄소나노튜브 전도성 필러의 TEM 이미지이고, 도 2c 상단은 이온성 액체와 전도성 필러를 혼합하여 1 시간 동안 초음파처리하고 얻은 분산된 단일벽 탄소나노튜브 전도성 필러의 EDS 원소분석이며, 도 2c 하단은 이온성 액체와 혼합하지 않은 단일벽 탄소나노튜브 전도성 필러의 EDS 원소분석이다.
도 3a 및 3c는 본 발명의 비교예에 따라 제조된 이온성 액체에 분산시키지 않은 전도성 필러를 이용한 탄성중합체-전도성 필러 복합체 필름의 단면을 절단한 SEM 및 TEM 이미지이며 (3a : SEM 이미지, 3c : TEM 이미지), 도 3b 및 3d는 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 이온성 액체에 분산시킨 전도성 필러를 이용한 탄성중합체-전도성 필러 복합체 필름의 단면을 절단한 SEM 및 TEM 이미지이다 (3b : SEM 이미지, 3d : TEM 이미지).
도 4a 및 4b는 본 발명의 일 실시예에 따른 전도성 필러의 함량이 일정할 때 이온성 액체의 질량에 따른 유전특성을 평가한 것이다 (4a: 유전상수, 4b: 유전손실 값).
도 5a 내지 5d는 본 발명에 따라 제조된 탄성중합체-전도성 필러 복합체 필름의 주파수 영역과 전도성 필러 함량에 따른 유전특성을 평가한 것이다 (SWNT-P: 이온성 액체에 분산시키지 않은 전도성 필러를 이용한 탄성중합체-전도성 필러 복합체, SWNT-ILs : 이온성 액체에 분산시킨 전도성 필러를 이용한 탄성중합체-전도성 필러 복합체, 5a : 주파수 100 Hz에서의 유전상수, 5b : 주파수 1000 Hz에서의 유전상수, 5c : 주파수 100 Hz에서의 유전손실 값, 5d : 주파수 1000 Hz에서의 유전손실 값).
도 6a 및 6b는 본 발명의 비교예 및 실시예에 따라 제조된 탄성 중합체 (PMSD), 이온성 액체를 사용하지 않고 제조된 탄성중합체-전도성 필러 복합체 (p-SWNT/PDMS), 이온성 액체를 포함한 탄성중합체 (IL/PDMS) 및 본 발명에 따라 제조된 이온성 액체에 분산시킨 전도성 필러를 이용한 탄성중합체-전도성 필러 복합체 (IL-SWNT/PDMS)의 기계적 특성을 평가한 것이다 (6a: 탄성률을 나타내는 Strees-Strain 커브, 6b: 실제 이미지).
이하, 본 발명을 더욱 상세하게 설명한다.
본 발명은 이온성 액체를 사용하여 분산시킨 전도성 필러를 사용한 탄성중합체-전도성 필러 복합체에 관한 것으로, 낮은 농도의 탄소소재의 전도성 필러를 이온성 액체와 혼합함으로써 탄소소재의 물성을 저하시키지 않으면서도 높은 유전상수와 낮은 유전손실을 갖고, 이온성 액체를 사용하여 공정단계를 간소화 시켰으며, 탄성중합체의 물성저하를 최소화할 수 있는 탄성중합체-전도성 필러 복합체를 제공한다.
전술한 바와 같이, 종래 기술에 따른 절연체-도전체 복합체는 일차원의 큰 종횡비 (aspect ratio)를 가지는 전도성 필러를 탄성중합체 내에 분산시킨 것으로, 필러의 분산상이 마이크로미터 수준의 분산상 크기로 형성되며 필러들의 응집체의 형성에 따른 필러들에 의한 전도 패스가 형성되어 유전 손실이 발생하게 되므로 전기역학 변환 효율 향상에 한계가 있다. 이러한 한계는 전도성 필러가 첨가됨에 따라 유전상수가 증가하지만, 유전손실 (dielectric loss) 및 누설전류 (leakage current)가 증가하며, 탄성중합체 내의 절연파괴 (breakdown strength) 특성이 악화되는 단점을 초래한다. 이에 본 발명자들은 이온성 액체를 사용하여 탄소소재의 전도성 필러 표면을 화학적 또는 물리적인 방법으로 개조하여 분산시킨 결과 유전손실을 낮출 수 있다는 것을 발견하고, 이에 기초하여 본 발명을 완성하게 되었다.
본 발명은 유전체 (dielectric) 내에서 발생하는 공간전하분극 (space charge polarization)에 의해 이해될 수 있는데, 이러한 공간전하분극 현상은 104 Hz 이하의 저 주파수 영역에서 발생하게 되며, 공간전하분극의 상승은 유전체의 유전상수 증가를 이끌게 된다.
즉, 저 주파수 영역에서 유전체의 유전특성을 향상시키기 위하여 가장 중요한 요인은 공간전하분극이고, 본 발명에서 탄성중합체의 유전상수의 증가는 탄성중합체 내의 전도성 필러에 의한 공간전하분극의 상승으로써 이해될 수 있다. 이때, 탄성중합체의 유전상수가 증가되는 중요한 요인을 전도성 필러들이 형성하는 개별적인 마이크로캐패시터 (microcapacitor)의 유전상수의 증가로 설명할 수 있고, 이에 따른 공간전하분극의 상승은 전체 탄성중합체의 유전상수 증가를 이끌게 된다. 본 발명에서는 전도성 필러에 의한 공간전하분극의 증가를 이루어 유전상수의 향상을 도모하는 동시에, 분산효과를 극대화하여 유전손실을 낮추고자 하였으며, 이온성 액체에 의해 얇게 박리된 전도성 필러의 개별적인 마이크로캐패시터 (microcapacitor) 개수의 증가를 도 1에 제시하였다. 이때 얇게 형성된 전도성 필러는 누설전류 (leakage current)를 억제하는 기능을 하게 된다.
하기 실시예의 결과로부터도 알 수 있는 바와 같이, 본 발명에 따른 탄성중합체-전도성 필러 복합체는 전도성 필러의 물성을 저하시키지 않으면서도 높은 유전상수와 낮은 유전손실을 나타낸다.
본 발명은 탄성중합체 매트릭스; 상기 탄성중합체 매트릭스내에 분산된 탄소소재의 전도성 필러; 및 상기 탄소소재를 분산시키는 이온성 액체(ionic liquid)를 포함하는 탄성중합체-전도성 필러 복합제를 제공한다.
본 발명에 따른 탄성중합체-전도성 필러 복합체에 있어서, 상기 탄성중합체 매트릭스는 실리콘, 우레탄, 이소프렌, 플루오로엘라스토머, 스티렌 부타디엔, 네오프렌, 아크릴로니트릴공중합체 및 아크릴레이트러버로 이루어진 군 중에서 선택될 수 있으며, 특히 실리콘을 사용하면 다른 탄성중합체에 비해 낮은 점탄성, 적당한 액츄에이션 변형률, 넓은 범위의 온도에서 동작할 수 있는 장점을 가진다.
본 발명에 따른 탄성중합체-전도성 필러 복합체에 있어서, 상기 전도성 필러는 단일벽 탄소나노튜브, 다중벽 탄소나노튜브, 그래핀, 그래파이트, 카본블랙, 카본파이버머 및 플러렌으로 이루어진 군 중에서 선택될 수 있으며, 특히 단일벽 탄소나노튜브를 사용하면 액츄에이션 거동을 위해 필요한 저주파수 영역에서 유전상수가 높게 나타난다.
본 발명에 따른 탄성중합체-전도성 필러 복합체에 있어서, 상기 이온성 액체는 양이온으로 이미다졸리움 양이온을, 음이온으로 NO3 -, BF4 -, PF6 -, AlCl4 -, Al2Cl7 -, AcO-, TfO-, Tf2N- 및 CH3CH(OH)CO2 - 로 이루어진 군 중에서 선택된 어느 하나 이상의 음이온 포함할 수 있으며, 특히 BF4 -, PF6 -, Tf2N을 사용하는 것이 본 발명이 목적하는 효과를 극대화하는데 있어서 좀 더 바람직하다.
본 발명에 따른 탄성중합체-전도성 필러 복합체에 있어서, 상기 전도성 필러의 함량은 상기 탄성중합체 매트릭스 100 중량부를 기준으로 0.00001 내지 5 중량부로 함유될 수 있으며, 탄성중합체 매트릭스의 100 중량부를 기준으로 1-2 중량부로 포함되는 것이 유전상수 대비 유전손실이 가장 낮은 함량 범위를 나타냄으로 좀더 바람직하다. 상기 전도성 필러의 함량이 0.00001 중량부 미만인 경우에는 유전상수의 증가가 거의 이루어지지 않는 문제점이 있고, 5 중량부를 초과하는 경우에는 유전손실이 급격히 증가하며, 복합체가 전도성 패스 (Conducting path)를 형성하는 문제점이 발생할 수 있다.
상기 탄성중합체-전도성 필러 복합체에 있어서, 상기 전도성 필러의 함량은 유전상수 퍼콜레이션(percolation) 함량 이상, 전도성 퍼콜레이션 함량 미만일 수 있다.
상기 "전도성 필러의 함량은 유전상수 퍼콜레이션 함량 이상이다"라는 의미는 "본 발명에 따른 탄성중합체-전도성 필러 복합체의 전도성 필러의 함량이 실질적으로 유전상수를 크게 증가시킬 때의 함량" 이라는 의미이고, 본 발명에 있어서, "실질적으로 유전상수를 크게 증가시킬 때의 함량" 이라는 의미는 물질의 특성상 탄성중합체 고유의 유전상수와 비교하여 판단되어야 한다. 예를 들어, 탄성중합체로서 실리콘을 사용하는 경우, 고유의 유전상수는 100 Hz 일때, 2.65 이지만, 본 발명에 따른 탄성중합체-전도성 필러 복합체에 있어서는 상기 전도성 필러의 함량이 1.6 중량부 내지 1.8 중량부일 때, 유전상수 값이 100 Hz에서 3500까지 증가된다. 하지만, 전도성필러-폴리머 복합체 시스템에서 필러의 전기전도도 또는 분산상태 등의 성능에 따라 달라질 수 있으므로 절대적인 수치로 나타내기 힘들며, 따라서 각각의 시스템에서 최대 유전 상수를 보이는 수치 정도의 함량을 의미하고, 고유의 유전상수 값에 비해서 급격히 증가한 유전상수 값을 갖게 될 때 "실질적으로 유전상수를 크게 증가시킬 때의 함량"이라 말할 수 있다.
또한, 상기 "전도성 필러의 함량은 전도성 퍼콜레이션 함량 미만이다"라는 의미는 "본 발명에 따른 탄성중합체-전도성 필러 복합체가 실질적으로 전도성이 발현되지 않는 전도성 필러 함량" 또는 "본 발명에 따른 탄성중합체-전도성 필러 복합체에 전도성 필러를 첨가하는 경우 실질적으로 비전도성인 저항값을 가지는 함량" 이라는 의미이고, 상기 "실질적으로 전도성이 발현되지 않는 범위" 또는 "실질적으로 비전도성인 저항값"은 1.0 × e+3Ωcm 이상, 바람직하게는 1.0 × e+5Ωcm 이상의 저항값을 가지는 경우이다.
본 발명에 따른 탄성중합체-전도성 필러 복합체에 있어서, 상기 이온성 액체의 함량은 상기 전도성 필러 1 중량부를 기준으로 0.1 내지 10 중량부로 함유될 수 있으며, 이온성 액체의 함량이 전도성 필러의 함량 1 중량부에 대해 5 중량부로 사용하는 것이 본 발명의 일 실시예 따른 함량범위에서, 유전상수가 가장 높고 유전손실이 가장 낮은 특성을 나타내어 바람직하다. 상기 이온성 액체의 함량이 0.1 중량부 미만인 경우에는 전도성 필러의 분산을 향상시키기에 부족한 양이며, 10 중량부를 초과하는 경우에는 전도성 필러 고유의 수치보다는 좋지만, 5 중량부의 이온성 액체를 사용한 경우보다 유전상수는 낮아지고 유전손실은 증가하는 문제점이 있다.
본 발명에 따른 탄성중합체-전도성 필러 복합체에 있어서, 상기 복합체는 100 Hz의 저 주파수 영역에서 유전특성의 향상이 극대화되며, 유전상수의 퍼콜레이션이 일어나는 함량에서 유전손실의 증가가 억제될 수 있다.
또한, 본 발명에서는 본 발명에 따른 두 번째 과제를 달성하기 위하여, (a) 탄소소재의 전도성 필러와 이온성 액체를 혼합하는 단계; (b) 상기 혼합물을 용매에 분산시켜 필러 분산액을 수득하는 단계; (c) 상기 필러 분산액과 탄성중합체 매트릭스를 혼합하는 단계; 및 (d) 상기 (c)단계의 혼합액에서 용매를 제거하는 단계;를 포함하는 탄성중합체-전도성 필러 복합체의 제조방법을 제공한다.
본 발명에 따른 방법에 있어서, 전도성 필러, 이온성액체 및 탄성중합체 매트릭스 관련 사항들은 모두 전술한 바와 동일하다. 더불어 상기 (b)단계의 용매는 N,N-디메틸포름아미드 (DMF), N-메틸피롤리돈 (NMP), 디메틸아세트아미드 (DMAc), 톨루엔, 에탄올, 메탄올, 클로로포름, 디클로로메탄으로 이루어진 군 중에서선택된 하나 이상의 용매일 수 있으며, 상기 (d)단계는 상기 용매가 제거된 혼합액에 경화제가 추가로 포함될 수도 있다.
이하, 본 발명의 이해를 돕기 위하여 바람직한 실시예를 제시한다. 그러나, 이들 실시예는 본 발명을 보다 구체적으로 설명하기 위한 것으로, 본 발명의 범위가 이에 의하여 제한되지 않고, 본 발명의 범주 및 기술사상 범위 내에서 다양한 변경 및 수정이 가능함은 당업계의 통상의 지식을 가진 자에게 자명할 것이다.
< 실시예 >
실시예 1.
우선 전도성 필러와 이온성 액체 (ionic liquid)를 혼합하여 얇게 박리된 전도성 필러를 얻기 위한 실험을 진행하였다. 본 발명에 사용된 전도성 필러는 전도성이 뛰어난 단일벽 탄소나노튜브 (SWNT)를 사용하였다. 단일벽 탄소나노튜브는 이온성 액체, 1-부틸-3-메틸이미다졸리늄 비스(트리플루오로메탄설포닐)이미드 (BMIMTFSI)와 혼합하여 젤 (gel)형태의 혼합물을 제조하였다. 이어서 단일벽 탄소나노튜브-이온성 액체 혼합물은 탄성중합체인 실리콘 (silicone)과의 혼합을 위하여 톨루엔 (toluene)에 1 시간 동안 초음파처리를 통하여 분산되었다. 단일벽 탄소나노튜브는 1 - 2.5 중량부를 사용하였고 이온성 액체는 단일벽 탄소나노튜브 대비 5 중량부를 사용하였다. 다음으로 톨루엔에 분산된 탄소나노튜 브-이온성 액체 혼합물에 실리콘 주재를 첨가하여 6 시간 동안 상온에서 스터링으로 혼합해주었다. 얻어진 혼합액은 진공상태에서 48 시간 동안 용매를 제거하였다. 이어서 실리콘 주재 대비 10 중량부의 경화제를 첨가하여 페이스트 믹서를 이용하여 혼합하였다. 혼합된 실리콘/단일벽 나노튜브-이온성 액체 복합체를 닥터 블레이드 (doctor blade) 방법을 활용하여 약 100 ㎛두께의 필름을 제조하였다. 상기 제조된 필름은 125 ℃에서 20분 동안 경화시켜주었다. 유전특성을 측정하기 위하여, Au로 상부 전극을 약 10 ㎚의 두께로 코팅시켜 주었다.
비교예 1.
단일벽 탄소나노튜브와 이온성 액체의 혼합물을 제조하지 않고 단일벽 탄소나노튜브만을 사용한 것을 제외하고는, 실시예 1에 준하는 방법으로 실험을 진행하였다.
비교예 2.
단일벽 탄소나노튜브와 이온성 액체의 혼합물 제조 시에 이온성 액체의 중량을 단일벽 탄소나노튜브에 대비하여 1 중량부, 10 중량부로 사용한 것을 제외하고는, 실시예 1에 준하는 방법으로 실험을 진행하였다.
시험예 1: 분산상태 관찰
상기 실시예 1 및 비교예 1에 의하여 제조된 전도성 필러의 미세구조를 확인 하기 위하여 TEM (transmission electron microscopy) 및 SEM (scanning electron microscope)으로 측정하였다.
도 2는 상기 실시예 1 및 비교예 1에 의하여 제조된 전도성 필러의 미세구조의 TEM 이미지이다. 도 2a는 본 발명의 비교예에 따른 이온성 액체와 혼합하지 않은 단일벽 탄소나노튜브 전도성 필러의 TEM 이미지이며, 도 2b는 본 발명의 실시예에 따른 이온성 액체와 전도성 필러를 혼합하여 1 시간 동안 초음파처리하고 얻은 분산된 단일벽 탄소나노튜브 전도성 필러의 TEM 이미지이다. 도 2a에서 확인할 수 있듯이, 비교예 1에서 제조된 단일벽 탄소나노튜브는 많은 부분이 뭉쳐서 존재하였으나, 도 2b에서 확인할 수 있듯이, 이온성 액체와 전도성 필러를 혼합하여 분산시킨 단일벽 탄소나노튜브-이온성 액체 혼합물 (SWNT-IL)에 대한 TEM 확인 결과 단일벽 탄소나노튜브가 비교적 가늘어진 것을 확인할 수 있다. 또한, 도 2c 상단은 이온성 액체와 전도성 필러를 혼합하여 1 시간 동안 초음파처리하고 얻은 분산된 단일벽 탄소나노튜브 전도성 필러의 EDS 원소분석이며, 도 2c 하단은 이온성 액체와 혼합하지 않은 단일벽 탄소나노튜브 전도성 필러의 EDS 원소분석으로, SWNT-IL에서 이온성 액체의 존재를 확인할 수 있다.
도 3은 상기 실시예 1 및 비교예 1에 의하여 제조된 실리콘/SWNT 및 실리콘/SWNT-IL 복합체 내부의 단일벽 탄소나노튜브의 분산상태를 확인하기 위하여 측정한 SEM 및 TEM 이미지이다. 도 3a 및 3c는 본 발명의 비교예에 따라 제조된 이온성 액체에 분산시키지 않은 전도성 필러를 이용한 탄성중합체-전도성 필러 복합체 필름의 단면을 절단한 SEM 및 TEM 이미지이며 (3a : SEM 이미지, 3c : TEM 이미지), 도 3b 및 3d는 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 이온성 액체에 분산시킨 전도성 필러를 이용한 탄성중합체-전도성 필러 복합체 필름의 단면을 절단한 SEM 및 TEM 이미지 (3b : SEM 이미지, 3d : TEM 이미지)이다. 시편은 복합체 내부를 절단하여 제조하였으며, 실시예 1에 의하여 제조된 복합체 (도 3b, 3d)의 경우 비교예 1에 의하여 제조된 복합체 (도 3a, 3c)에 비하여 같은 비율에서 더 많은 양이 존재함을 확인할 수 있었고, 굵기 또한 가늘어 진 것을 확인할 수 있다.
시험예 2: 유전특성 관찰
상기 실시예 1, 비교예 1 및 비교예 2에 의하여 제조된 실리콘/SWNT 및 실리콘/SWNT-IL 복합체가 어떠한 유전특성을 띠는지 확인하기 위하여 LCR 미터를 사용하여 캐패시턴스 (capacitance)를 측정하고 공식을 통하여 유전상수 (dielectric constant)와 유전손실 (dielectric loss)을 계산하였다.
도 4a 내지 4b는 본 발명의 일 실시예에 따른 전도성 필러의 함량이 일정할 때 이온성 액체의 질량에 따른 유전특성을 평가한 것이다 (4a: 유전상수, 4b: 유전손실 값). 도 4a 내지 4b에 나타난 바와 같이, 단일벽 탄소나노튜브의 중량부가 1.6이고 주파수 100 Hz 일때, 비교예 1에 의하여 제조된 복합체의 경우, 유전상수는 657 정도의 값을 보여주었으며 (도 4a), 유전손실 값은 보유하고 있는 장비의 최대치를 넘거나 또는 같은 10이었으나 (도 4b), 실시예 1에 의하여 제조된 복합체의 경우, 유전상수는 1153 정도로 비교예 1에 의하여 제조된 복합체에 비하여 약 2 배 높은 값을 보여주었으며 (도 4a) 유전손실 값은 1.8 정도의 낮은 수준을 보여주었다 (도 4b). 또한 비교예 2에 의해 제조된 복합체의 경우, 이온성 액체의 중량부가 단일벽 탄소나노튜브에 대비하여 1 중량부일 때 유전상수는 1022, 유전손실은 2.4 정도였으며, 10 중량부일때 유전상수는 805, 유전손실은 2.2 정도의 값을 보여주었다 (도 4a, 4b). 이온성 액체의 첨가 유무에 따라 유전상수는 증가하였으며, 특히 유전손실은 크게 감소함을 확인할 수 있었다. 또한 이온성 액체의 함량이 단일벽 탄소나노튜브에 대비하여 5 중량부일 때 가장 높은 유전상수 및 가장 낮은 유전손실 값을 얻을 수 있음을 확인하였다.
도 5는 상기 실시예 1 및 비교예 1에 의하여 제조된 실리콘/SWNT 및 실리콘/SWNT-IL 복합체들에서, 전도성 필러의 다양한 함량 범위와 주파수 100 및 1000 Hz 영역에서의 유전특성을 관찰한 것이다. 도 5a 내지 5d는 본 발명에 따라 제조된 탄성중합체-전도성 필러 복합체 필름의 주파수 영역과 전도성 필러 함량에 따른 유전특성을 평가한 것이다 (SWNT-P: 이온성 액체에 분산시키지 않은 전도성 필러를 이용한 탄성중합체-전도성 필러 복합체, SWNT-ILs : 이온성 액체에 분산시킨 전도성 필러를 이용한 탄성중합체-전도성 필러 복합체, 5a : 주파수 100 Hz에서의 유전상수, 5b : 주파수 1000 Hz에서의 유전상수, 5c : 주파수 100 Hz에서의 유전손실 값, 5d : 주파수 1000 Hz에서의 유전손실 값). 전도성 필러의 함량증가와 함께 유전상수의 증가를 확인할 수 있었으며, 특히 주파수 100 Hz 영역에서 실리콘/SWNT-IL 복합체의 유전상수가 대체로 실리콘/SWNT 복합체보다 높았고 (도 5a), 유전손실은 낮았다 (도 5c). 또한, 주파수 1000 Hz 영역에서는 유전상수의 상승폭이 감소하였고 (도 5b) 유전손실은 비슷한 수준으로 떨어졌는데 (도 5d), 따라서 전도성 필러를 이용한 유전특성의 향상은 저주파수 영역에서 극대화함을 확인할 수 있었다.
도 6은 본 발명의 비교예 및 실시예에 따라 제조된 탄성중합체 (PMSD), 이온성 액체를 사용하지 않고 제조된 탄성중합체-전도성 필러 복합체) (p-SWNT/PDMS), 이온성 액체를 포함한 탄성중합체 (IL/PDMS) 및 본 발명에 따라 제조된 이온성 액체에 분산시킨 전도성 필러를 이용한 탄성중합체-전도성 필러 복합체 (IL-SWNT/PDMS)의 기계적 특성을 평가한 것이다. 도 6a는 탄성률을 나타내는 Strees-Strain 커브로 탄성중합체 (PMSD)만 사용한 경우, 변형력은 크게 소요되는 반면 매우 낮은 strain률을 보였으며, 이온성 액체를 사용하지 않고 제조된 탄성중합체-전도성 필러 복합체 (p-SWNT/PDMS)의 경우, 탄성중합체 (PMSD)와 동일한 힘을 제공하였을 때 탄성률은 약 2배 증가되었으나, 200 %이상의 탄성률은 나타내지 않았다. 반면, 이온성 액체를 사용한 경우, 이온성 액체를 포함한 탄성중합체 (IL/PDMS) 및 이온성 액체에 분산시킨 전도성 필러를 이용한 탄성중합체-전도성 필러 복합체 (IL-SWNT/PDMS) 높은 strain률을 보였으며, 특히 본 발명에 따라 제조된 IL-SWNT/PDMS의 경우 최대 350 %의 탄성률을 보였다. 도 6b는 본 발명에 따라 제조된 복합체의 탄성력을 평가한 실제이미지로, PDMS는 2 cm에서 3.8 cm로 약 2 배 가량 늘어났으며, p-SWNT/PDMS는 2 cm에서 5.3 cm로 2.65 배 가량 늘어났다. 이에 반해 IL-SWNT/PDMS의 경우는 2 cm에서 6 cm로 약 4.5 배 가량 늘어난 것을 확인할 수 있으며, 이온성 액체를 사용하면 복합체의 탄성이 좋아짐을 알 수 있다.

Claims (10)

  1. 탄성중합체 매트릭스; 상기 탄성중합체 매트릭스내에 분산된 전도성 필러; 및 상기 전도성 필러를 분산시키는 이온성 액체를 포함하는 탄성중합체-전도성 필러 복합제로서,
    상기 탄성중합체 매트릭스는 실리콘, 우레탄, 이소프렌, 플루오로엘라스토머, 스티렌 부타디엔, 네오프렌, 아크릴로니트릴공중합체 및 아크릴레이트고무로 이루어진 군 중에서 선택되며,
    상기 전도성 필러는 단일벽 탄소나노튜브, 다중벽 탄소나노튜브, 그래핀, 그래파이트, 카본블랙, 카본파이버 및 플러렌으로 이루어진 군 중에서 선택되고,
    상기 이온성 액체는 양이온으로 이미다졸리움 양이온을, 음이온으로 NO3 -, BF4 -, PF6 -, AlCl4 -, Al2Cl7 -, AcO-, TfO-, Tf2N- 및 CH3CH(OH)CO2 - 로 이루어진 군 중에서 선택된 하나 이상의 음이온을 포함하는 것을 특징으로 하는 탄성중합체-전도성 필러 복합체.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 전도성 필러의 함량은 상기 탄성중합체 매트릭스 100 중량부를 기준으로 0.00001 내지 5 중량부로 함유되는 것을 특징으로 하는 탄성중합체-전도성 필러 복합체.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 전도성 필러의 함량은 상기 복합체가 1.0 × e+3Ωcm 이상의 저항값을 가지도록 하는 함량인 것을 특징으로 하는 탄성중합체-전도성 필러 복합체.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 이온성 액체의 함량은 상기 전도성 필러 1 중량부를 기준으로 0.1 내지 10 중량부로 함유되는 것을 특징으로 하는 탄성중합체-전도성 필러 복합체.
  8. (a) 탄소소재의 전도성 필러와 이온성 액체를 혼합하는 단계;
    (b) 상기 혼합물을 용매에 분산시켜 필러 분산액을 수득하는 단계;
    (c) 상기 필러 분산액과 탄성중합체 매트릭스를 혼합하는 단계; 및
    (d) 상기 (c)단계의 혼합액에서 용매를 제거하는 단계;를 포함하는 탄성중합체-전도성 필러 복합체의 제조방법으로서,
    상기 탄성중합체 매트릭스는 실리콘, 우레탄, 이소프렌, 플루오로엘라스토머, 스티렌 부타디엔, 네오프렌, 아크릴로니트릴공중합체 및 아크릴레이트고무로 이루어진 군 중에서 선택되며,
    상기 전도성 필러는 단일벽 탄소나노튜브, 다중벽 탄소나노튜브, 그래핀, 그래파이트, 카본블랙, 카본파이버 및 플러렌으로 이루어진 군 중에서 선택되고,
    상기 이온성 액체는 양이온으로 이미다졸리움 양이온을, 음이온으로 NO3 -, BF4 -, PF6 -, AlCl4 -, Al2Cl7 -, AcO-, TfO-, Tf2N- 및 CH3CH(OH)CO2 - 로 이루어진 군 중에서 선택된 하나 이상의 음이온을 포함하는 것을 특징으로 하는 탄성중합체-전도성 필러 복합체의 제조방법.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 (b)단계의 용매는 N,N-디메틸포름아미드 (DMF), N-메틸피롤리돈 (NMP), 디메틸아세트아미드 (DMAc), 톨루엔, 에탄올, 메탄올, 클로로포름 및 디클로로메탄으로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상의 용매인 것을 특징으로 하는 탄성중합-전도성 필러 복합체의 제조방법.
  10. 제 8 항에 있어서,
    상기 (d)단계는 상기 용매가 제거된 혼합액에 경화제가 추가로 포함되는 것을 특징으로 하는 탄성중합체-전도성 필러 복합체의 제조방법.
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