KR101629139B1

KR101629139B1 - 전도성 압전 고무 조성물 및 제조방법

Info

Publication number: KR101629139B1
Application number: KR1020150023463A
Authority: KR
Inventors: 김동현; 김정훈; 김형식; 박정화; 김희광; 박병권
Original assignee: 호서대학교 산학협력단; 김정훈
Priority date: 2015-02-16
Filing date: 2015-02-16
Publication date: 2016-06-09

Abstract

본 발명은 상기와 같은 문제점을 감안하여 안출된 것으로, 폐 고무를 재생하여, 내전도성이 강한 압전 조성물을 사용하여 진동감지 센서에 적용이 가능한 전도성 압전 고무 조성물 및 그 제조방법에 관한 것으로, 전도성을 가진 압전 고무를 제작해 원가 절감형 고감도 센서 소재 개발하여 저가의 전도성 고무 소재를 제조할 수 있다.

Description

전도성 압전 고무 조성물 및 제조방법{Piezoelectric conductive rubber composition and production method}

본 발명은 진동감지 센서에 적용 가능한 압전 고무 조성물에 관한 것으로, 더욱 자세하게는 폐 고무를 재생하여 높은 압전특성을 가지는 전도성 압전 고무 조성물 및 그 제조방법에 관한 것이다.

전 세계적으로 지구 온난화 환경문제 및 자원고갈 문제로 인해 산업폐기물을 줄이는 방안으로 폐기물 재활용에 대한 관심이 높아지고 있다,

대부분의 재활용 폐기물은 발생처가 다양하고 산란성이 높아 수거회수 단계에서의 어려움이 있는 반면, 폐 타이어의 경우에는 주로 폐차장, 타이어 판매소 및 정비업소에서 집중적으로 발생되어 상대적으로 회수가 용이하며 재생가치가 높다.

폐 타이어를 가공하여, PCR소재를 만들기도 한다.

이런 PCR 소재는 단순히 압력을 이용한 On/Off 식 스위치, 안전 차단기 등 한정적인 범위로 사용되고 있으며, 압력과 진동을 동시에 감지할 수 있는 진동 감지용 PCR 소재의 개발은 미흡하다.

최근에는 이동통신 단말기, 디지털 카메라 등의 전자제품이 소형화되는 추세로, 이에 따라 전자제품에 사용되는 전자부품도 초소형화되는 추세이다.

이러한 상기 전자부품의 초소형화에 발맞추기 위해, 후막공정 방법을 이용하여 초소형 경량화의 적층형 칩소자를 제조하는 것이 최근 부품개발의 동향이다.

이때 상기 적층소자 제작시 내부전극으로는 고가의 귀금속인 Ag-Pd합금을 사용하는데 부품의 단가가 높다는 단점이 있다.

이러한 고가의 귀금속인 Ag-Pd합금의 대체로 비금속인 Ni를 사용함으로써, 가격을 낮추고 전기저항도 낮출 수 있지만, Ag-Pd합금을 사용할 경우 소결시 쉽게 산화가 된다는 단점이 있다.

한편 현재 주로 사용되고 있는 압전재료는 (Pb,Zr)TiO3(이하 PZT)계이다.

그러나 PZT는 [0005] Pb가 약 65%(중량비) 이상 함유되어 있어 환경 규제 대상 재료이다.

그 일례로 유럽 연합의 위험물질 사용에 관한 지침(RoHS)에의하면, 2006년 7월부터 전기 전자 제품에 Pb를 포함한 중금속 물질 사용을 금지한다고 발표하였다. 현재는 대체 물질이 개발될 때까지 이 지침이 유보된 상태이다.

이러한 이유로 현재 무연 압전 재료에 대해 활발히 연구 중이다.

상기 무연 압전 재료로는 비교적 높은 전기-기계 결합계수를 가지며, 높은 상전이 온도(420), 높은 잔류 분극등의 특성을 가지고 있는 (K,Na)NbO3(이하 KNN)계이다.

하지만 무연 압전 재료는 현재 요구하는 기대치 만큼의 전기-기계 결합계수 및 기계적 품질계수를 얻을 수없어, 좀 더 향상된 압전 고무를 얻을 수 없었다.

대한민국등록특허 제 1322838호

본 발명은 상기와 같은 문제점을 감안하여 안출된 것으로, 폐 고무를 재생하여, 내전도성이 강한 압전 조성물을 사용하여 진동감지 센서에 적용이 가능한 전도성 압전 고무 조성물 및 그 제조방법을 제공하는데 있는 것이다.

또한, 본 발명의 다른 목적은 단순 혼합 공정으로 인한 제조 공정의 효율성 및 경제성을 높일 수 있는 진동감지 센서에 적용 가능한 전도성 압전 고무 조성물 및 그 제조방법을 제공하는데 있다.

이와 같은 목적을 달성하기 위해 본 발명의 전도성 압전 고무 조성물은, 폐 고무 10~20중량부, 결합제(Binder) 60~80중량부 및 금속분말 10~20중량부를 혼합하여 제조된다.

이때, 금속분말은 블랙카본 및 니켈 또는 블랙카본 및 구리로 구성될 수 있다.

한편, 본 발명의 전도성 압전 고무 조성물을 제조하는 방법은 폐 고무, 블랙카본 및 니켈 또는 폐 고무, 블랙카본 및 구리를 1~250마이크로미터로 분쇄하는 분쇄단계; 분쇄단계에서 분쇄된 분쇄물을 50~80℃에서 36~60시간동안 건조하는 건조단계; 건조단계에서 건조된 분쇄물을 결합제(Binder)와 혼합하여 10~30분동안 회전수 200~500rpm으로 교반하는 교반단계; 교반단계에서 교반된 혼합물을 몰딩하는 몰딩단계; 그리고 몰딩단계에서 몰딩된 혼합물을 12~48시간 건조하여 제품을 생산하는 가공단계; 를 포함한다.

본 발명의 실시예에 따른 전도성 압전 고무 조성물 및 그 제조방법은 폐 고무를 이용하여 전도성을 띄는 압전 고무를 제작해 원가절감형 고감도 센서 소재 개발함으로써, 저가의 가압 도전성 고무 소재를 적용한 압력, 진동 감지용 센서를 개발할 수있다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 전도성 압전 고무의 제조방법을 보인 순서도.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면들을 참조하여 상세히 설명한다. 우선 각 도면의 구성 요소들에 참조 부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성 요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다. 또한, 이하에서 본 발명의 바람직한 실시예를 설명할 것이나, 본 발명의 기술적 사상은 이에 한정하거나 제한되지 않고 당업자에 의해 변형되어 다양하게 실시될 수 있음은 물론이다.

도 1은 전도성 압전 고무의 제조방법을 나타낸 순서도이다.

도시한 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 전도성 압전고무 조성물은 폐 고무 10~20중량부, 결합제(Binder) 60~80중량부 및 금속분말 10~20중량부를 혼합하여 제조된다.
결합제는 일반적으로 제약, 촉매 등의 분야에서 분말을 성형할 때 시료에 탄력성과 점착성을 부여하여 제품의 강도를 증가하기 위해 첨가하는 물질로 본 발명에서는 폐고무 분말과 금속분말의 혼합을 용이하게 하는 폴리우레탄을 사용하는 것이 바람직하다.

이와 같이 구성된 전도성 압전 고무 조성물은 아래의 제조방법에 따라 제조된다.

실시예 1 : 분쇄단계

폐 고무, 블랙카본 및 니켈 또는 폐 고무, 블랙카본 및 구리를 1~250마이크로미터로 분쇄한다.

이때, 폐 고무는 폐 타이어를 사용할 수 있다.

금속분말은 전도성을 부여하기 위해 블랙카본 및 니켈 또는 블랙카본 및 구리를 혼합하여 사용한다.

블랙카본을 고정 첨가제로 사용한 것은 블랙카본이 구리나 니켈보다 상대적으로 저렴하기 때문에 그로 인한 경제적 효과를 기대할 수 있기 때문이다.

블랙카본은 낮은 열팽창률과 높은 열전도율로 내열의 충격성이 높고 전도성이 우수하며, 니켈은 내식성과 내열성 강도가 우수하다.

구리는 상온에서 안전된 전도성을 갖는 금속이다.

이는 작은 압력이나 진동에 민감한 고감도 센서와 일전 압력이나 진동에 반응 해야 하기 때문에 전도성이 높은 충진제와 전도성이 낮은 충진제를 다양하게 적용해 혼합해야 하기 때문이다.

또한, 분쇄단계에서는 동일한 입자크기가 미립자로 분급 될때까지 분쇄한다.

실시예 2 : 건조단계

분쇄된 분쇄물을 50~80℃에서 36~60시간동안 건조한다.

분쇄된 분쇄물을 건조기에 각각 50~80℃의 온도로 36~60시간 이상 건조시킨다.

이때, 미립자로 분쇄된 분말이 혼합되면 화학적 반응을 일으켜 제대로 구성된 전도성 압전 고무 조성물을 이룰 수 없기에 완전 건조를 해야 한다.

실시예 3 : 교반단계

건조된 분쇄물을 결합제(Binder)와 혼합하여 10~30분동안 회전수 200~500rpm으로 교반한다.

폐 고무 분말과 전도성 충진제의 혼합은 결합제(Binder)를 첨가하여 혼합한다.

이때, 사용되는 분산제는 점도를 낮추기 위해 변성 폴리우레탄으로 구성된 것을 사용한다.

재료 혼합 시 선정된 첨가비율에 의거하여 교반기를 통해 약 15분동안 300rpm에서 교반한다.

실시예 4 : 몰딩단계

교반된 혼합물을 몰딩한다.

통상의 기술자가 하는 일반적인 몰딩방법을 사용한다.

실시예 5 : 가공단계

몰딩된 혼합물을 12~48시간 건조하여 제품을 생산한다.

건조된 혼합물을 성형틀에 넣고 건조하여 제품을 생산 및 가공한다.

시제품 조성비

시제품	S-1	S-2	S-3	S-4	S-5	S-6	S-7	S-8	S-9
폐 고무	18	17	16	15	18	17	16	15	19
결합제(Binder)	72	68	64	60	72	68	64	60	76
카본블랙	4	4	4	4	4	4	4	4	4
분산제	1	1	1	1	1	1	1	1	1
니켈	5	10	15	20	-	-	-	-	-
구리	-	-	-	-	5	10	15	20	-
Total	100	100	100	100	100	100	100	100	100

표 1은 압전 고무에 대한 전도성 충진제의 비율을 높여 시제품 9가지 조성비를 나타낸 것이다.

각 조성비를 통해 생산된 시제품으로 표면 저항 값과 이격 거리별 저항 값을 실험하였다.

시제품 표면 저항 값 측정

구분

1회

2회

3회

4회

5회

Min.

Max.

Aver.

앞

뒤

앞

뒤

앞

뒤

앞

뒤

앞

뒤

S-1

10¹²

10¹⁰

10¹²

10¹⁰

10¹¹

10¹⁰

10¹²

10¹¹

S-2

10¹⁰

10⁹

10¹⁰

10⁹

10¹⁰

S-3

10⁷

10⁸

10⁷

10⁸

10⁷

10⁸

10⁷

S-4

10⁶

10⁷

10⁶

10⁷

10⁶

10⁷

10⁶

S-5

10⁹

10⁸

10⁹

10¹⁰

10⁸

10¹⁰

10⁹

S-6

10⁶

10⁷

10⁶

10⁷

10⁶

S-7

10⁵

10⁶

10⁵

10⁶

10⁵

10⁶

10⁵

10⁶

10⁵

S-8

10⁵

S-9

10¹⁰

10¹¹

10¹²

10¹⁰

10¹²

10¹⁰

10¹²

10¹¹

10¹⁰

10¹²

10¹¹

표 2는 카본 블랙을 제외한 도전성 충진제를 첨가하지 않은 시제품 9의 경우 10¹²의 표변저항 값을 가지며,구리의 함량이 20%인 경우 저항 값이 10⁵이로 가장 낮은 표면 저항 값을 나타내었다.

이것은 전도성 충진제인 니켈과 구리의 함량이 높아 질수록 표면 저항 값이 점차 낮아지는 것을 확인할 수 있다.

이격 거리별 저항 측정값

거리 (mm)	횟수	S-1	S-2	S-3	S-4	S-5	S-6	S-7	S-8	S-9
10	1	234.5	152.4	110.8	10.22	516	291.3	126	15.59	691
	2	198.6	160.8	148.6	9.46	451	551	117.8	33.47	321.4
	3	212.5	182.5	104.8	5.8	445.5	215	103.7	51.5	681
	4	227.2	176.1	143.4	5.34	594.8	455	225.7	50.2	515
	5	190.3	168.9	115.9	6.46	514	441	72.5	54.7	652
	Aver.	212.62	168.14	124.7	7.456	504.26	390.66	129.14	41.092	572.08
20	1	369.4	302.4	124.2	4.121	514.4	375	82	31.24	744
	2	384.6	248.9	155.7	4.28	561.8	437	161.3	64.6	425
	3	401.2	264.1	142.9	12.31	582	410	112.5	80.3	754
	4	376.5	224.5	160.8	9.86	311.3	513	251.9	82.3	926
	5	398.7	300.4	174.8	8.47	642	621	136.2	85.4	893
	Aver.	386.08	268.06	151.68	7.8082	522.3	471.2	148.78	68.768	748.4
30	1	553.2	512.4	409.1	9.46	951	809	134.3	18.04	1770
	2	586.2	498.6	417.4	9.841	846	820	239.8	81.4	527
	3	561.9	488.1	395.2	17.87	895	603	151.4	82.4	925
	4	579.8	524	407.3	13.42	910	966	446.3	94.6	1322
	5	594.2	509.6	382.3	12.66	932	867	255.4	80.2	1554
	Aver.	575.06	506.54	402.26	12.65	906.8	813	245.44	71.33	1219.6
40	1	776	715	552.4	7.76	1215	1140	127.8	52.3	2109
	2	761	654	601	8.651	1320	855	291.9	95.3	780
	3	788	642	693	16.58	987	716	227.6	70.5	1410
	4	813	594.8	611	18.48	1052	1054	510.8	108.23	2117
	5	786	685	455.3	8.16	1134	1032	433	125.4	3800
	Aver.	784.8	658.16	582.54	11.92	1141.6	959.4	318.22	90.35	2043.2
50	1	921	822	722	6.31	1320	1950	140.4	78	1620
	2	937	794	734	9.814	1248	1316	266.5	101.5	1891
	3	908	832	756	25.18	1684	837	249.1	75.2	1567
	4	894	816	754	11.53	1432	1164	714	158.4	2876
	5	996	795	812	10.3	1542	1540	492	175.1	2690
	Aver.	931.2	811.8	755.6	12.62	1445.2	1361.4	372.4	117.64	2128.8

표 3은 이격거리별 저항 값 측정 결과로 표면 저항 값과 비슷한 결과를 나타내며, 이격거리가 증가함에 따라 저항 값이 상승하는 것을 알 수 있다.

구리가 첨가된 시제품을 살펴보면 5%가 첨가된 S-5의 경우 저항 값이 다소 높으나, 20%의 비율이 첨가된 S-8은 저항 값이 가장 낮은 것으로 나타난다.

표면저항 값과는 상이하게 접촉 저항 값 측정 결과에서는 니켈 함량이 가장 높은 S-4(20%)의 저항이 가장 낮다.

표면 저항과 이격 거리별 저항 값 측정결과 전도성 충진제의 첨가량이 높아 집에 따라 저항 값이 감소함을 알 수 있듯이, 유연하며, 가볍고, 전도성이 좋은 압전 고무를 제조하게 된다.

이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 수정, 변경 및 치환이 가능할 것이다. 따라서, 본 발명에 개시된 실시예 및 첨부된 도면들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예 및 첨부된 도면에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

Claims

폐 고무 10~20중량부;
결합제(Binder) 60~80중량부; 및
금속분말 10~20중량부를 혼합하여 제조하는 전도성 압전 고무 조성물.
제 1항에 있어서,
상기 금속분말은 블랙카본 및 니켈 또는 블랙카본 및 구리로 구성된 전도성 압전 고무 조성물.
폐 고무, 블랙카본 및 니켈 또는 폐 고무, 블랙카본 및 구리를 1~250마이크로미터로 분쇄하는 분쇄단계;
상기 분쇄단계에서 분쇄된 분쇄물을 50~80℃에서 36~60시간동안 건조하는 건조단계;
상기 건조단계에서 건조된 분쇄물을 결합제(Binder)와 혼합하여 10~30분동안 회전수 200~500rpm으로 교반하는 교반단계;
상기 교반단계에서 교반된 혼합물을 몰딩하는 몰딩단계; 그리고
상기 몰딩단계에서 몰딩된 혼합물을 12~48시간 건조하여 제품을 생산하는 가공단계; 를 포함하는 전도성 압전 고무의 제조방법.