KR101493730B1 - 전도성 복합섬유 - Google Patents

Abstract

본 발명은 전도성 재료로서 카본나노튜브(CNT : Carbon Nanotube)가 사용되어 매우 우수한 전도성을 지닌 이중 구조의 복합섬유에 관한 것으로, 보다 상세하게는 합성섬유 재질의 심재(Core) 및 상기 심재의 외부에 코팅되는 폴리아미드, 카본나노튜브로 이루어지는 외피(Sheath)를 포함하며, 전도성이 매우 탁월한 카본나노튜브 및 상기 카본나노튜브와 친화력이 탁월한 폴리아미드로 이루어지는 외피가 구성되어 전기적 특성이 매우 향상되므로 스마트웨어 등과 같은 다양한 첨단제품 용도로 사용할 수 있는 전도성 복합섬유를 제공한다.

복합섬유, 전도성, 카본나노튜브, 폴리아미드, 합성섬유, 공압출

Description

전도성 복합섬유{Conductive composite fiber}

본 발명은 전도성 재료로서 카본나노튜브가 사용되어 매우 우수한 전도성을 지닌 이중 구조의 복합섬유에 관한 것으로, 상세하게는 전도성이 매우 탁월한 카본나노튜브 및 상기 카본나노튜브와 친화력이 탁월한 폴리아미드로 이루어지는 외피가 포함되어 전기적 특성이 매우 향상되므로 스마트웨어 등과 같은 다양한 첨단제품 용도로 사용할 수 있는 전도성 복합섬유에 관한 것이다.

현대 사회에서 전기전도성의 섬유의 경우 그 성능을 향상시켜서 옷 내부에 적용하기 위한 많은 노력을 기울이고 있다. 예를 들어 최근에는 미래의 섬유라고도 이야기되는 것으로 스마트웨어(Smart Wear)라는 용어까지 등장하고 있다. 섬유(직물)나 의복 자체가 외부 자극을 감지하여 스스로 반응하는 기능, 및 종래의 섬유가 보유하지 않은 디지털 특성(Digitalized properties)을 결합한 새로운 개념의 의류를 총칭하는 것으로 IT, NT, BT, ET 등 신기술을 결합하여 전통적 섬유나 의복의 개념을 벗어난 새로운 개념의 미래형 의류를 의미하며, 대표적으로 디지털 센서나 GPS, 초소형 통신기기 및 소형 MP3플레이어 등이 내장되는 고기능성 섬유 소재의 의복을 들 수 있다.

1970년대의 우리의 섬유산업은 한국경제의 고도성장을 주도한 산업으로 2000년 현재 총수출의 12%, 무역수지 137억달러를 기록한 최대 무역산업이었다. 그러나 대만, 중국, 동남아시아 등의 후발국가의 추격으로 성장의 한계에 직면하고 있고. 특히 선진국에 비해 우리나라의 섬유산업은 아직도 중저가의 의류산업에 편중되어 있으며, 성장 가능성이 무한한 산업용 섬유의 비중은 생산비중이 20% 수준에 불과한 실정이다. 이에 따라 섬유산업의 고도화, 고부가가치화를 위하여 현재 소재 성능의 극한화, 극대화를 발현시킬 새로운 섬유 및 스마트웨어의 개발이 절실히 요구되며, 이러한 의류를 실현하기 위해서는 섬유패션 분야의 주도 하에 다른 분야의 기술을 의류 제품용으로 개발 또는 개량되도록 유도하고 통합시키는 체계 기술이 절실하게 요구된다.

스마트웨어의 개발을 위해서는 섬유나 의복에 내장 가능하도록 반도체 칩이나 센서 그리고 디지털 기기들의 초소형화 초경량화하는 것이 필수적인데, 예를 들면 디지털 장치/기능을 의복 내에 통합시키는 의류 또는 디자인 설계 기술, 전도성/절연성 의류용 재료 기술 등을 대표적인 체계 기술로서 열거할 수 있다.

따라서, 섬유패션 분야가 주된 기술로 구성하고, 여기에 기계, 전기, 전자, 컴퓨터, 인지과학 분야 기술을 결합하여 디지털화된 의류제품을 도출하는 것이 가능하다.

상기와 같이 디지털 장치/기능이 통합되어 디지털화된 의류제품을 도출하기 위해서는 다양한 기술이 필요한데, 무엇보다도 중요한 기술이 의류에 통합되는 디지털 기기들이나 또는 반도체 등과 같은 고부가가치 구성요소들을 연결하되, 정전 기나 기타 다른 영향들에 의해서 훼손되지 않게 하면서 디지털 기기 또는 그 구성요소들을 연결시키는 전도성 섬유를 들 수가 있다.

이에 따라, 전기가 용이하게 흐르는 전도성 섬유에 대한 연구개발이 활발하게 진행되고 있다. 예를 들면, 한국 공개특허공보 제2008-34824호(발명의 명칭 : 도전성 섬유 및 브러시)에서는 섬유 형성성 폴리머 중에 주된 도전성 성분으로서 카본블랙을 사용하는 도전성 섬유 및 브러시가 개시되어 있으며, 한국 공개특허공보 제2001-50879호(발명의 명칭 : 도전성 복합섬유)에서는 카본블랙을 함유하는 도전성 폴리머층 및 상기 도전성 폴리머층을 보호하는 보호폴리머층으로 이루어진 도전성 복합섬유가 개시되어 있으며, 한국 공개특허공보 제2002-48410호(발명의 명칭 : 코어-시스 복합형 도전성 섬유)에서는 폴리에스테르 재질의 코어, 폴리에스테르와 카본블랙이 혼합 형성된 시스로 이루어지는 복합형 도전성 섬유가 개시되어 있으며, 한국 공개특허공보 제1999-76032호(발명의 명칭 : 도전성 폴리에스테르 섬유)에서는 폴리트리메틸렌 테레프탈레이트 재질의 제1성분, 폴리트리메틸렌 테레프탈레이트과 카본블랙이 혼합 형성된 제2성분으로 이루어지는 도전성 섬유가 개시되어 있다.

그러나, 상기에서 기술된 바와 같이 전도성 재료로서 카본블랙을 사용하여 구성되는 종래의 전도성 섬유는 전도성이나 기타 전기적 특성이 매우 부족하므로, 이러한 전도성 섬유를 사용하여 디지털 장치/기능이 통합되어 디지털화된 의류제품을 도출하는 것이 극히 곤란하다는 문제점을 지니고 있다.

따라서, 전도성 및 기타 전기적 특성이 우수한 섬유를 개발하여, 의류에 통 합된 디지털 기기 또는 그 구성요소들의 연결에 수반되는 각종 문제점들을 해결하므로써, 미래의 섬유산업에 대처해 나가는 노력이 절실히 요구되는 시점에 있는 것이다.

따라서, 본 발명의 목적은 전도성이 매우 탁월한 카본나노튜브 및 상기 카본나노튜브와의 친화력이 탁월한 폴리아미드로 이루어지는 외피가 포함되어 전기적 특성이 매우 향상되므로 다양한 용도로 사용할 수 있는 전도성 복합섬유를 제공하는데 있다.

상기와 같은 과제를 달성하기 위하여, 본 발명에서는 합성섬유 재질의 심재 및 상기 심재의 외부에 코팅되는 폴리아미드 80∼99 중량%, 카본나노튜브 1∼20 중량%의 외피로 이루어지며, 상기 외피의 단면적 비율이 섬유의 전체 단면적의 5∼90 %가 되도록 구성되는 전도성 복합섬유가 제공된다.

본 발명에 의한 전도성 복합섬유는 전도성이 매우 탁월한 카본나노튜브 및 상기 카본나노튜브와 친화력이 탁월한 폴리아미드로 이루어지는 외피가 포함되어 전기적 특성이 매우 향상되므로 스마트웨어 등과 같은 첨단제품 용도로 다양하게 활용 가능하다는 효과를 지니고 있다.

본 발명은 전도성이 매우 탁월한 카본나노튜브가 함유된 외피를 포함하는 특성을 지니고 있다.

본 발명에서 사용되는 탄소나노튜브는 흑연(graphite)이 직경 1∼100 ㎚의 실린더 형태로 말려진 구조로 이루어지며, 역학적 견고성, 화학적 안정성이 뛰어날 뿐만 아니라, 구조에 따라 반도체, 도체의 성질을 띄고 있으며, 직경이 작고 길이가 길고 속이 비어 있다는 특성 때문에 다양한 분야에 응용되고 있는 물질이다.

탄소나노튜브는 그 말려진 형태에 따라 단일벽 탄소나노튜브(single-walled carbon nanotube), 다중벽 탄소나노튜브(multi-walled carbon nanotube), 다발형 나노튜브(nanotube rope)로 구분되는데, 일반적으로 가장 우수한 성질을 나타내는 것은 단일벽 탄소나노튜브로 알려져 있으나 고가이므로 아직까지는 그다지 많이 사용되지 못하고 있는 실정이다. 또한 탄소나노튜브는 그 형태의 탄소 배열에 따라 지그재그(zigzag, 반도체) 형태, 안락의자(armchair, 전기적 도체) 형태의 대칭구조가 가능하지만, 실제로는 이러한 대칭 구조 대신에 벌집 모양의 육각형의 튜브 축을 따라서 나선형으로 배열된 키랄(chiral) 구조를 가지고 있는 경우도 있다.

마지막으로 탄소나노튜브는 종횡비(aspect ratio)가 크고, 합성 방법에 따라 다양한 구조와 물성을 가지며, 기계적 강도가 높고 표면이 화학적으로 불활성이며, 특히 전기 전도성이 우수하므로 본 발명의 전도성 복합섬유를 구성하는데 사용된다.

탄소나노튜브의 전기전도도는 10^-3-10^-5 Ω/㎝로 기존 탄소계 첨가제보다 높고 입자 크기가 미세하기 때문에, 카본블랙의 1/4-1/5, 탄소섬유의 1/3-1/4 정도의 비교적 소량으로 고전도성 고분자 소재를 설계하는 것이 가능하다.

도면과 실시예를 참조하여 본 발명의 전도성 복합섬유에 대하여 상세하게 설 명한다.

도 1은 본 발명의 전도성 복합섬유의 단면 구조를 도시한 것이다.

도 1을 참조하면, 본 발명의 전도성 복합섬유는 합성섬유 재질의 심재가 포함된다.

전도성 복합섬유에서 전도성이 탁월한 외피를 지지하도록 상기 전도성 복합섬유의 중앙부에 일정한 직경의 심재가 형성된다.

상기와 같이 전도성 복합섬유의 중앙부를 이루는 심재(1)는 일반적인 합성섬유 재질을 사용하여 구성되는데, 예를 들면 폴리에스테르, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리아크릴로니트릴 부타디엔스틸렌, 폴리스틸렌, 폴리카보네이트 및 폴리아미드로 이루어지는 군으로부터 선택되어 단독으로 사용되거나 또는 혼합되어 형성되는 합성섬유를 사용하여 구성된다.

상기에서 기술된 재질의 심재(1)가 전도성을 지닌 외피(2)를 지지하여 전도성 복합섬유에게 기계적 물성을 제공하는 것이다.

또한, 본 발명의 전도성 복합섬유는 상기 심재의 외부에 코팅되는 폴리아미드 80∼99 중량%, 카본나노튜브 1∼20 중량%의 외피가 포함된다.

전도성 복합섬유를 지지하는 일정한 직경인 심재(1)의 외부에, 전도성이 매우 탁월한 카본나노튜브 및 상기 카본나노튜브와의 친화력이 탁월한 폴리아미드가 일정한 함량으로 혼합되어 이루어져서 전도성을 지닌 외피(2)가 형성된다.

즉, 전도성 복합섬유에 전도성을 제공하는 카본나노튜브는 전도성이 매우 탁월하지만 그 대신 분산성이 부족하다는 성질을 지니고 있으며, 이러한 성질을 지닌 카본나노튜브를 용이하게 분산시키기 위하여 카본나노튜브와 친화력이 탁월한 폴리아미드가 일정한 함량으로 혼합되어 외피(2) 제조에 사용되는 매스터배치가 구성되는 것이다.

구체적으로, 심재(1)의 외부에 코팅 형성되는 외피(2)를 제조하기 위하여, 폴리아미드 80∼99 중량%, 카본나노튜브 1∼20 중량%가 혼합되어 매스터배치 칩이 형성되고, 상기 매스터배치 칩이 용융되어 형성된 매스터배치 용융물이 압출 성형되어 외피(2)가 구성된다. 외피(2)를 구성하기 위한 매스터배치 칩에 함유되는 카본나노튜브의 함량이 1 중량% 미만이면 상기 매스터배치 칩에서 성형되는 외피(2)에 전도성이 제공되지 않으며, 매스터배치 칩에 함유되는 카본나노튜브의 함량이 20 중량%를 초과하면 매스터배치 용융물의 흐름 특성이 저하되어 전도성 복합섬유의 제조가 곤란해지고 작업성에 문제가 발생한다.

상기에서 기술된 재질의 합성섬유와 매스터배치가 공압출되어 심재(1)와 외피(2)의 복합구조를 이루는 전도성 복합섬유가 제조된다.

구체적으로 합성수지 칩과 매스터배치 칩이 별도로 용융되어 각각 합성수지 용융물과 매스터배치 용융물이 형성되고, 상기 별도로 용융된 합성수지 용융물과 매스터배치 용융물이 이중 구조의 공압출 노즐에서 공압출되어 합성수지 재질의 심재(1)와 전도성을 지닌 외피(2)의 이중 구조를 이루는 전도성 복합섬유를 제조하되, 상기 외피(2)의 단면적 비율이 복합섬유의 전체 단면적의 5∼90 %가 되도록 구성된다. 전도성을 지닌 외피(2)의 단면적 비율이 복합섬유의 전체 단면적의 5 % 미만이면 상기 복합섬유에서 카본나노튜브의 함량 부족으로 인하여 전도성이 발현되 지 않으며, 외피(2)의 단면적 비율이 복합섬유의 전체 단면적의 90 %를 초과하면 상기 복합섬유의 심재(1)가 외피(2)를 충분히 지지하지 못하므로 기계적 물성이 저하되어 실용화가 곤란하게 되다.

상기와 같이 구성되는 전도성 복합섬유를 사용하여 스마트웨어 등과 같은 첨단의류를 제조한다.

본 발명의 전도성 복합섬유의 제조 및 물성에 대하여 구체적인 실시예를 참조하여 상세하게 설명한다. 단, 다음에 기술되는 실시예들은 본 발명을 구체적으로 예시하기 위한 것일 뿐이며, 본 발명을 제한하는 것은 아니다.

< 실시예 1 >

1. 상대점도 2.47의 폴리아미드 90 중량%, 평균직경 50 ㎚, 종횡비 100의 카본나노튜브 10 중량%를 혼합하고 칩 형태로 성형하여 매스터배치 칩을 구성하였다.

2. 상기 매스터배치 칩과 단면이 원형인 심재를 형성하기 위한 합성섬유인 폴리에스터칩을 265 ℃로 용융하고 공압출하여 심재와 외피로 이루어지는 이중 구조의 전도성 복합섬유를 구성하되, 상기 심재/외피의 단면적 비율이 5/5가 되도록 전도성 복합섬유를 제조하였다.

< 실시예 2 >

상대점도 2.47의 폴리아미드 87.5 중량%, 평균직경 50 ㎚, 종횡비 100의 카본나노튜브 12.5 중량%를 혼합하고 칩 형태로 성형하여 매스터배치 칩을 구성하는 것이외에는 상기 실시예 1과 동일하다.

< 실시예 3 >

상대점도 2.47의 폴리아미드 85 중량%, 평균직경 50 ㎚, 종횡비 100의 카본나노튜브 15 중량%를 혼합하고 칩 형태로 성형하여 매스터배치 칩을 구성하는 것이외에는 상기 실시예 1과 동일하다.

< 실시예 4 >

1. 상대점도 2.47의 폴리아미드 90 중량%, 평균직경 50 ㎚, 종횡비 100의 카본나노튜브 10 중량%를 혼합하고 칩 형태로 성형하여 매스터배치 칩을 구성하였다.

2. 상기 매스터배치 칩과 단면이 원형인 심재를 형성하기 위한 합성섬유인 폴리에스터칩을 265 ℃로 용융하고 공압출하여 심재와 외피로 이루어지는 이중 구조의 전도성 복합섬유를 구성하되, 상기 심재/외피의 단면적 비율이 2/8이 되도록 전도성 복합섬유를 제조하였다.

< 실시예 5 >

상대점도 2.47의 폴리아미드 87.5 중량%, 평균직경 50 ㎚, 종횡비 100의 카본나노튜브 12.5 중량%를 혼합하고 칩 형태로 성형하여 매스터배치 칩을 구성하는 것이외에는 상기 실시예 4와 동일하다.

< 실시예 6 >

상대점도 2.47의 폴리아미드 85 중량%, 평균직경 50 ㎚, 종횡비 100의 카본나노튜브 15 중량%를 혼합하고 칩 형태로 성형하여 매스터배치 칩을 구성하는 것이외에는 상기 실시예 4와 동일하다.

< 비교예 1 >

1. 상대점도 2.47의 폴리아미드 90 중량%, 카본블랙 10 중량%를 혼합하고 칩 형태로 성형하여 매스터배치 칩을 구성하였다.

2. 상기 매스터배치 칩과 심재를 형성하기 위한 합성섬유인 폴리에스터칩을 265 ℃로 용융하고 공압출하여 심재와 외피로 이루어지는 이중 구조의 전도성 복합섬유를 구성하되, 상기 심재/외피의 단면적 비율이 5/5가 되도록 복합섬유를 제조하였다.

< 비교예 2 >

상대점도 2.47의 폴리아미드 87.5 중량%, 카본블랙 12.5 중량%를 혼합하고 칩 형태로 성형하여 매스터배치 칩을 구성하는 것 이외에는 상기 비교예 1과 동일하다.

< 비교예 3 >

1. 상대점도 2.47의 폴리아미드 90 중량%, 카본블랙 10 중량%를 혼합하고 칩 형태로 성형하여 매스터배치 칩을 구성하였다.

2. 상기 매스터배치 칩과 단면이 막대형인 심재를 형성하기 위한 합성섬유인 폴리에스터칩을 265 ℃로 용융하고 공압출하여, 단면이 막대형인 심재 및 상기 심재의 양 측면에 각각 형성되는 단면이 반원형인 외피로 이루어지는 이중 구조의 전도성 복합섬유를 구성하되, 상기 심재/외피의 단면적 비율이 2/8이 되도록 복합섬유를 제조하였다.

상기 실시예 1 내지 6 및 비교예 1 내지 3에 의거하여 제조된 복합섬유의 공정 조건 및 물성을 다음의 표 1에 나타낸다.

< 표 1 >

구 분	단면비(심재/외피)	매스터 배치의 전도재 함량	전도성	제사성
실시예 1	5/5	10	○	◎
실시예 2	5/5	12.5	◎	○
실시예 3	5/5	15	◎	×
실시예 4	2/8	10	◎	○
실시예 5	2/8	12.5	◎	△
실시예 6	2/8	15	◎	×
비교예 1	5/5	10	○	○
비교예 2	5/5	12.5	○	×
비교예 3	2/8	10	○	○

(◎: 우수. ○ : 양호, △: 보통, × : 불량)

상기 표 1에서 본 발명의 실시예에 의한 전도성 복합섬유가, 비교예에 의한 전도성 복합섬유 보다 전도성과 제사성이 탁월하여, 스마트웨어 등과 같은 다양한 첨단제품 용도로 사용할 수 있는 것으로 나타났다.

본 발명은 상술한 특정의 바람직한 실시예에 한정되지 아니하며, 특허청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형 실시가 가능한 것은 물론이고, 그와 같은 변경은 청구범위 기재의 범위 내에 있게 된다.

도 1은 본 발명의 전도성 복합섬유의 단면 구조도

* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명

1 : 심재

2 : 외피

Claims (2)

1. 합성섬유 재질의 심재(Core); 및

   상기 심재의 외부에 코팅되는 폴리아미드 80∼99 중량%, 평균직경 50 ㎚, 종횡비 100의 카본나노튜브(CNT : Carbon Nanotube) 10 내지 15 중량%의 외피(Sheath)로 이루어지며,

   상기 외피의 단면적 비율이 섬유의 전체 단면적의 60∼90%가 되도록 구성되며,

   상기 심재는 폴리아크릴로니트릴 부타디엔스틸렌 및 폴리카보네이트로 이루어지는 군으로부터 선택되어 단독으로 사용되거나 또는 혼합되어 형성되는 합성섬유인 것을 특징으로 하는 전도성 복합섬유.
2. 삭제

Images