KR101800845B1 - 전기전도성 수지 조성물 및 그 성형품 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 일 실시예는 열가소성 고분자 수지 100중량부; 평균 외경이 8~50㎚이고 평균 내경이 상기 평균 외경의 40% 이상인 복수의 탄소나노튜브로 이루어진 탄소나노튜브 집합체 1~5중량부; 및 카본블랙5~20중량부;를 포함하는 전기전도성 수지 조성물 및 그 성형품을 제공한다.

Description

전기전도성 수지 조성물 및 그 성형품{ELECTROCONDUCTIVE RESIN COMPOSITION AND MOLDED PRODUCT THEREOF}
본 발명은 전기전도성 수지 조성물 및 그 성형품에 관한 것이다.
탄소나노튜브는 수 내지 수십 나노미터의 직경과 높은 종횡비의 기하학적 특징을 가지고, 탄소 원자 간 sp2 결합만으로 이루어져 우수한 기계적 강도, 전기전도성, 및 열전도성을 나타내는 소재로, 이에 관한 연구개발이 활발히 진행되고 있다.
탄소나노튜브의 응용 분야로는 크게 강도/경량화 분야, 전기전도성/열전도성 응용 분야, 환경/에너지 분야로 구분될 수 있다. 이 중, 강도/경량화 분야로는 자동차 부품, 풍력 발전기 날개, 알루미늄 휠, 비행기 부품 등을 예시할 수 있고, 전기전도성/열전도성 응용 분야로는 반도체 트레이, 전도성 도료, 투명전극, 전자회로, 방열부품, 면상발열체, 테이프 릴, 전자파 차폐재, 타이어 등을 예시할 수 있다.
한편, 전기전도성 수지로는 주수지와 탄소나노튜브 및/또는 카본블랙으로 이루어진 복합 수지가 사용되고 있다. 전기전도성 수지에 적합한 표면저항의 범위는 104~106Ω/sq로, 이를 충족하기 위해서는 탄소나노튜브 및/또는 카본블랙을 과량, 구체적으로, 25중량% 이상 사용해야 하고, 이 때, 수지로 성형된 성형품의 기계적 물성이 저하되고 마모 시 탄소 분진(carbon dust)으로 인해 성형품의 표면에 오염이 발생하는 문제가 있다.
따라서, 복합 수지 중 탄소나노튜브 및/또는 카본블랙의 함량을 줄이기 위해 일반 카본블랙 대신 전기전도성 카본블랙을 사용하는 방안이 제안되었으나, 전기전도성 카본블랙은 일반 카본블랙에 비해 고가이므로 성형품의 가격이 높아지는 문제가 있다.
관련하여, 대한민국공개특허 제10-2011-0078205호는 폴리카보네이트, 스티렌계 공중합체 수지, 탄소나노튜브 및 카본블랙으로 이루어진 전기전도성 수지 조성물을 개시하고 있다. 상기 수지 조성물은 카본블랙 중 일부를 탄소나노튜브로 대체하여 성형품의 표면 오염을 방지하고 가격 경쟁력을 높이고자 하였으나, 주수지로 사용된 폴리카보네이트에 의해 수지 조성물의 비중이 증가하여 성형품의 생산성을 저하시키는 문제가 있다.
본 발명은 전술한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 본 발명의 목적은 성형품의 표면 특성, 기계적 물성, 및 전기전도성이 우수하고, 조성물의 비중을 낮추어 생산성이 향상된 전기전도성 수지 조성물을 제공하는 것이다.
본 발명의 일 측면은 열가소성 고분자 수지 100중량부; 평균 외경이 8~50㎚이고 평균 내경이 상기 평균 외경의 40% 이상인 복수의 탄소나노튜브로 이루어진 탄소나노튜브 집합체 0.5~5중량부; 및 카본블랙5~15중량부;를 포함하는 전기전도성 수지 조성물을 제공한다.
일 실시예에 있어서, 상기 탄소나노튜브의 라만 분광 강도비(IG/ID)가 1.0 이상일 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 탄소나노튜브의 탄소 순도가 95% 이상일 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 탄소나노튜브 집합체의 평균 다발 직경(bundle diameter)이 1~10㎛일 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 탄소나노튜브 집합체의 평균 다발 길이(bundle diameter)가 10~100㎛일 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 열가소성 고분자 수지가 평균 입경이 1~5㎛인 제1 스티렌-부타디엔 공중합체를 포함할 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 열가소성 고분자 수지가 평균 입경이 0.1~1㎛인 제2 스티렌-부타디엔 공중합체를 더 포함할 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 제2 스티렌-부타디엔 공중합체의 함량이 상기 열가소성 고분자 수지의 전체 중량을 기준으로 10~50중량%일 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 전기전도성 수지 조성물이 고무 성분 1~15중량부를 더 포함할 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 고무 성분이 부타디엔 고무, 이소프렌 고무, 스티렌-부타디엔-스티렌 고무, 스티렌-이소프렌-스티렌 고무, 아크릴로니트릴-부타디엔 고무, 스티렌-부타디엔 고무, 및 에틸렌-프로필렌 고무로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상일 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 열가소성 고분자 수지가 폴리스티렌을 더 포함할 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 폴리스티렌의 함량이 상기 열가소성 고분자 수지의 전체 중량을 기준으로 5~20중량%일 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 폴리스티렌의 인장강도가 400~600kgf/cm2일 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 폴리스티렌의 굴곡강도가 800~1,000kgf/cm2일 수 있다.
본 발명의 다른 일 측면은 상기 전기전도성 수지 조성물을 이용하여 제조된 성형품을 제공한다.
일 실시예에 있어서, 상기 성형품의 표면저항이 104~108Ω/sq일 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 성형품의 비중이 1.0~1.1일 수 있다.
본 발명의 일 측면에 따른 전기전도성 수지 조성물은 직경, 길이, 결정성, 형태가 일정 범위로 조절된 탄소나노튜브 집합체와 카본블랙을 포함하여 조성물의 성형성, 기계적 물성뿐만 아니라 전기전도성을 향상시킬 수 있다.
또한, 상기 전기전도성 수지 조성물은 일정 량의 폴리스티렌을 포함하여 조성물의 비중을 낮추고 흐름성을 높임으로써 생산성을 향상시킬 수 있다.
본 발명의 효과는 상기한 효과로 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 상세한 설명 또는 청구범위에 기재된 발명의 구성으로부터 추론 가능한 모든 효과를 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
도 1은 본 발명의 실시예와 비교예에 따른 전기전도성 수지 조성물의 비중과 표면저항을 측정한 결과를 도식화한 것이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 성형품(테이프 릴)의 복원 특성을 시각적으로 비교한 결과를 도식화한 것이다.
이하에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명을 설명하기로 한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며, 따라서 여기에서 설명하는 실시예로 한정되는 것은 아니다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 "연결"되어 있다고 할 때, 이는 "직접적으로 연결"되어 있는 경우뿐 아니라, 그 중간에 다른 부재를 사이에 두고 "간접적으로 연결"되어 있는 경우도 포함한다. 또한 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 구비할 수 있다는 것을 의미한다.
본 발명의 일 측면은 열가소성 고분자 수지 100중량부; 평균 외경이 8~50㎚이고 평균 내경이 상기 평균 외경의 40% 이상인 복수의 탄소나노튜브로 이루어진 탄소나노튜브 집합체 0.5~5중량부; 및 카본블랙5~15중량부;를 포함하는 전기전도성 수지 조성물을 제공한다.
상기 열가소성 고분자 수지는 상기 전기전도성 수지 조성물의 주제부를 이루는 물질로서, 평균 입경이 1~5㎛인 제1 스티렌-부타디엔 공중합체를 포함할 수 있다. 본 명세서에 사용된 용어, "스티렌-부타디엔 공중합체"는 통상의 HIPS(High Impact Polystryene)를 지칭하는 것으로, 고무 강화 스티렌계 공중합체로도 해석될 수 있다.
상기 제1 스티렌-부타디엔 공중합체의 평균 입경은 1~5㎛이고, 고무 성분인 부타디엔의 함량은 공중합체의 전체 중량을 기준으로 7.5~9중량%일 수 있다. 상기 제1 스티렌-부타디엔 공중합체는 평균 입경이 상대적으로 크고, 필요에 따라 과량의 미네랄 오일(약 3~5중량%)을 첨가하여 혼합물 형태로 사용될 수 있으므로, 고유동성을 가질 수 있다.
또한, 상기 열가소성 고분자 수지는 평균 입경이 0.1~1㎛인 제2 스티렌-부타디엔 공중합체를 더 포함할 수 있다. 상기 제2 스티렌-부타디엔 공중합체의 고무 성분인 부타디엔의 함량은 공중합체의 전체 중량을 기준으로 7.5~8.5중량%일 수 있다. 상기 제2 스티렌-부타디엔 공중합체는 평균 입경이 상기 제1 스티렌-부타디엔 공중합체에 비해 상대적으로 작고, 필요에 따라 소량의 미네랄 오일(약 0.5~3중량%)을 첨가하여 혼합물 형태로 사용될 수 있으므로, 고광택, 고충격 특성을 가질 수 있다.
상기 제2 스티렌-부타디엔 공중합체의 함량은 상기 열가소성 고분자 수지의 전체 중량을 기준으로 10~50중량%, 바람직하게는 20~40중량%일 수 있다. 상기 제2 스티렌-부타디엔 공중합체의 함량이 10중량% 미만이면 성형품의 표면 특성과 기계적 물성이 저하될 수 있고, 50중량% 초과이면 조성물의 유동성이 낮아져 성형성이 저하될 수 있다.
또한, 상기 열가소성 고분자 수지가 폴리스티렌을 더 포함할 수 있다. 본 명세서에 사용된 용어 "폴리스티렌"은 스티렌 모노머가 단독 중합된 중합체를 지칭한다. 즉, 상기 폴리스티렌은 스티렌 모노머 외에 고무 성분을 이루는 모노머를 포함하지 않으므로, 상기 열가소성 고분자 수지와 그 성형품에 강성, 복원력, 및 내열성을 부여할 수 있다.
특히, 상기 열가소성 고분자 수지로 이루어진 성형품이 일정한 형태로 성형된 제1 성형품을 적층하거나 이를 상호 용접하여 제조된 것, 예를 들어, 테이프 릴(tape reel)인 경우, 테이프를 고정하는 사이드부의 평행 배치가 지속적으로 유지되어야 한다. 상기 사이드부의 평행 배치가 유지되지 않고 임의로 변형되어 불필요한 기울기가 발생하면 디스크(제1 성형품)의 적층 불량 또는 용접 불량이 발생할 수 있으므로, 상기 열가소성 고분자 수지에 일정 량의 상기 폴리스티렌을 추가로 혼합하여 상기 테이프 릴에 필요한 강성과 복원력을 부여할 수 있다.
상기 폴리스티렌의 함량은 상기 열가소성 고분자 수지의 전체 중량을 기준으로 5~20중량%일 수 있다. 상기 폴리스티렌의 함량이 5중량% 미만이면 상기 열가소성 고분자 수지와 그 성형품에 필요한 강성과 내열성을 부여할 수 없고, 20중량% 초과이면 상기 수지 조성물 중 고무 성분의 함량이 상대적으로 감소하여 신율, 충격강도가 저하될 수 있다.
상기 폴리스티렌의 인장강도와 굴곡강도는 각각 400~600kgf/cm2, 800~1,000kgf/cm2로서 상기 제1 및 제2 스티렌-부타디엔 공중합체에 비해 상대적으로 크다. 상기 폴리스티렌의 인장강도와 굴곡강도가 상기 범위를 벗어나면, 상기 열가소성 고분자 수지와 그 성형품에 필요한 강성과 복원력을 부여할 수 없다.
상기 탄소나노튜브는 전기전도성이 미약한 열가소성 고분자 수지에 전기전도성을 부여하기 위한 물질로, 상기 탄소나노튜브가 첨가된 수지 조성물을 성형하여 제조된 제품의 표면저항을 감소시킴으로써 전기전도성 및 그에 따른 대전방지 특성을 향상시킬 수 있다.
구체적으로, 상기 탄소나노튜브 집합체가 열가소성 고분자 수지와 혼합되면, 개개의 탄소나노튜브가 열가소성 고분자 수지 내에서 분산되고, 상호 연결됨으로써 연속적인 3차원 네트워크 구조를 형성할 수 있고, 이에 따라 우수한 전기전도성을 나타낼 수 있다.
상기 탄소나노튜브를 합성하는 방법은 전기방전법(Arc-discharge), 열분해법(Pyrolysis), 레이저 증착법(Laser vaporization), 플라즈마 화학기상증착법(Plasma chemical vapor deposition), 열화학 기상증착법(Thermal chemical vapor deposition) 등이 있으나, 합성 방법에 제한 없이 제조된 모든 탄소나노튜브를 사용할 수 있다.
또한, 상기 탄소나노튜브는 벽의 개수에 따라 단일벽 탄소나노튜브(Single wall carbon nanotube), 이중벽 탄소나노튜브(Double wall carbon nanotube), 다중벽 탄소나노튜브(Multi wall carbon nanotube), 절두된 원뿔형의 그래핀(truncated graphene)이 다수 적층된 중공관 형태의 탄소나노섬유(cup-stacked carbon nanofiber), 및 이들 중 2 이상의 혼합물로 이루어진 군으로부터 선택되는 하나일 수 있고, 바람직하게는, 제조의 용이성 및 경제성이 우수한 다중벽 탄소나노튜브일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 탄소나노튜브는 평균 외경이 8~50㎚이고, 평균 내경이 상기 평균 외경의 40% 이상, 바람직하게는 40~90%일 수 있다. 상기 외경은 탄소나노튜브의 벽을 이루는 그래파이트 층이 포함된 탄소나노튜브 횡단면의 직경을 의미하고, 상기 내경은 그래파이트 층이 제외된 중공 횡단면의 직경을 의미한다.
이 때, 상기 탄소나노튜브 단일 가닥의 평균 외경이 8㎚ 미만이거나 50㎚ 초과이면 이들이 응집되어 형성된 탄소나노튜브 집합체의 평균 다발 직경이 후술할 범위로 조절되지 않으므로, 상기와 같은 외경의 범위를 가지는 탄소나노튜브를 사용하는 것이 바람직할 수 있다. 본 명세서에서 사용된 용어 "다발(bundle)"은, 복수의 탄소나노튜브가 나란하게 배열되거나 상호 엉킨 상태의 번들 혹은 로프 형태를 지칭하는 것으로, 이와 달리 복수의 탄소나노튜브가 일정한 형상을 이루지 않고 존재하는 경우 "비번들형"이라 지칭하기도 한다.
상기 다발 형태의 탄소나노튜브 집합체는 기본적으로 복수의 탄소나노튜브, 바람직하게는 복수의 다중벽 탄소나노튜브가 상호 응집된 형태로 존재할 수 있다. 각각의 탄소나노튜브 및 그 집합체는 직선형, 곡선형, 또는 이들이 혼합된 형태일 수 있다.
또한, 상기 탄소나노튜브 단일 가닥, 즉 다중벽 탄소나노튜브의 평균 내경이 상기 평균 외경의 40% 미만이면 탄소나노튜브의 벽(wall) 수가 증가하여 동일 투입량에서 전기전도성이 저하될 수 있으므로, 상기 탄소나노튜브의 평균 내경이 상기 평균 외경의 40% 이상일 수 있다.
상기 탄소나노튜브 집합체는 분말 상의 것을 기계적, 물리적으로 타정하여 펠릿 형태로 가공한 것일 수 있다. 펠릿 형태로 가공된 탄소나노튜브 집합체는 작업 간 분말이 비산되는 것을 방지하여 작업 환경을 개선할 수 있다.
한편, 상기 탄소나노튜브의 구조를 분석하기 위한 방법 중, 탄소나노튜브의 표면 상태를 분석하는 라만 분광법(Raman Spectroscopy)이 유용하게 사용될 수 있다. 본 명세서에서 사용된 용어 "라만 분광법"은, 레이저 광과 같은 단색의 여기 광을 쬐었을 때, 분자의 진동수만큼의 차이가 있는 산란광이 생기는 현상인 라만 효과(Raman effect)에서 분자의 진동수를 구하는 분광법을 의미하는 것으로, 이러한 라만 분광법을 통해 탄소나노튜브의 결정성을 수치화하여 측정할 수 있다.
상기 탄소나노튜브의 라만 스펙트럼 중 파수 1580±50㎝-1 영역에 존재하는 피크를 G 밴드라고 하며, 이는 탄소나노튜브의 sp2 결합을 나타내는 피크로서, 구조적 결함이 없는 탄소 결정을 나타내는 것이다. 또한, 파수 1360±50㎝-1 영역에 존재하는 피크를 D 밴드라고 하며, 이는 탄소나노튜브의 sp3 결합을 나타내는 피크로서, 구조적 결함을 함유하는 탄소를 나타내는 것이다.
나아가, 상기 G 밴드 및 D 밴드의 피크 값을 각각 IG 및 ID라고 하며, 양자 간 비율인 라만 분광 강도비(IG/ID)를 통해 탄소나노튜브의 결정성을 수치화하여 측정할 수 있다. 즉, 라만 분광 강도비가 높은 값을 나타낼수록 탄소나노튜브의 구조적 결함이 적은 것을 의미하므로, 상기 라만 분광 강도비가 높은 값을 나타내는 탄소나노튜브를 사용하는 경우, 보다 우수한 전기전도성을 구현할 수 있다.
구체적으로, 상기 탄소나노튜브의 라만 분광 강도비(IG /ID)가 1.0 이상일 수 있다. 상기 탄소나노튜브의 IG /ID 값이 1.0 미만이면 비정질 탄소가 다량 함유되어 탄소나노튜브의 결정성이 불량하고, 이에 따라 열가소성 고분자 수지와 혼합 시 전기전도성 향상 효과가 미약할 수 있다.
또한, 탄소나노튜브는 탄소 함량이 높을수록 촉매와 같은 불순물이 적어 우수한 전기전도성을 구현할 수 있으므로, 상기 탄소나노튜브의 탄소 순도가 95% 이상, 바람직하게는 95~98%, 더 바람직하게는 95~97%일 수 있다.
상기 탄소나노튜브의 탄소 순도가 95% 미만이면 탄소나노튜브의 구조적 결함이 유발되어 결정성이 저하될 수 있고, 탄소나노튜브가 외부 자극에 의해 쉽게 절단, 파괴될 수 있다.
한편, 상기와 같은 단일 가닥 탄소나노튜브가 다발 형태로 응집되어 형성된 탄소나노튜브 집합체의 평균 다발 직경이 1~10㎛, 바람직하게는 1~5㎛, 더 바람직하게는 2~4㎛일 수 있고, 평균 다발 길이가 10~100㎛, 바람직하게는 20~60㎛, 더 바람직하게는 25~55㎛일 수 있다.
상기 탄소나노튜브 집합체의 평균 다발 직경이 1㎛ 미만이거나 평균 다발 길이가 100㎛ 초과이면 분산성이 저하되어 상기 전기전도성 수지 조성물의 부위 별 전기전도성이 불균일해질 수 있고, 평균 다발 직경이 10㎛ 초과이거나 평균 다발 길이가 10㎛ 미만이면 네트워크 구조가 불안정해지면서 전기전도성이 저하될 수 있다.
상기 전기전도성 수지 조성물 중 상기 탄소나노튜브 집합체의 함량이 상기 열가소성 고분자 수지 100중량부를 기준으로 0.5~5중량부일 수 있다. 상기 탄소나노튜브 집합체의 함량이 0.5중량부 미만이면 수지 조성물에 충분한 전기전도성을 부여할 수 없고, 5중량부 초과이면 수지 조성물의 성형성이 저하될 수 있다.
상기 카본블랙은 상기 전기전도성 수지 조성물에 전기전도성을 부여함과 동시에 상기 열가소성 고분자 수지와 결합하여 상기 전기전도성 수지 조성물과 그 성형품의 기계적 물성을 보강할 수 있다.
상기 전기전도성 수지 조성물 중 상기 카본블랙의 함량이 상기 열가소성 고분자 수지 100중량부를 기준으로 5~15중량부일 수 있다. 상기 카본블랙의 함량이 5중량부 미만이면 전술한 효과를 구현하기 어렵고, 15중량부 초과이면 성형품의 기계적 물성이 저하되고 마모 시 탄소 분진(carbon dust)으로 인해 성형품의 표면에 오염이 발생할 수 있으며 수지 조성물의 비중이 증가하여 성형품의 생산성이 저하될 수 있다.
상기 전기전도성 수지 조성물이 고무 성분 1~15중량부를 더 포함할 수 있다. 상기 고무 성분은 상기 열가소성 고분자 수지의 경질 특성을 보완하여 상기 전기전도성 수지 조성물과 그 성형품의 신율, 충격강도를 향상시킬 수 있다.
상기 고무 성분은 부타디엔 고무, 이소프렌 고무, 스티렌-부타디엔-스티렌 고무, 스티렌-이소프렌-스티렌 고무, 아크릴로니트릴-부타디엔 고무, 스티렌-부타디엔 고무, 및 에틸렌-프로필렌 고무로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상일 수 있고, 바람직하게는, 스티렌-부타디엔-스티렌 고무일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
이와 같이, 상기 전기전도성 수지 조성물의 열가소성 수지 조성물(제1 및 제2 스티렌-부타디엔 공중합체, 폴리스티렌), 고무 성분은 각각 상이한 성질과 기능을 가지나, 이들이 상호 유기적으로 결합된 경우 상기 전기전도성 수지 조성물의 성형성과 기계적 물성을 동시에 향상시키는 상승적 효과를 구현할 수 있다.
특히, 상기 전기전도성 수지 조성물의 경우, 고강성 폴리스티렌을 일정량 포함함에도 불구하고 용융지수와 신율, 인장강도가 통상의 HIPS(High Impact Polystryene)인 상기 제1 및 제2 스티렌-부타디엔 공중합체와 유사하여 유연하고 성형성이 우수하다.
또한, 상기 전기전도성 수지 조성물은 전기전도성을 부여하기 위해 카본블랙만 사용한 경우에 비해 수지 조성물의 비중을 1.0~1.1의 범위로 낮추어 동일한 조건에서 성형품을 제조할 때 성형품을 경량화할 수 있고 생산성을 향상시킬 수 있다.
한편, 상기 전기전도성 수지 조성물을 이용하여 제조된 성형품의 표면저항은 104~108Ω/sq일 수 있다. 상기 성형품의 표면저항이 상기 범위를 가지는 경우, 반도체 트레이, 전도성 도료, 투명전극, 전자회로, 방열부품, 면상발열체, 테이프 릴, 전자파 차폐재 등 다양한 분야에 적용될 수 있다. 특히, 상기 전기전도성 수지 조성물은 성형성, 기계적 물성과 함께 일정 수준 이상의 강성과 경량화가 요구되는, 두께가 얇은 성형품, 예를 들어, 테이프 릴의 사이드부에 적용될 때 그 효과를 극대화할 수 있다.
이하, 본 발명의 실시예에 관하여 상세히 설명하기로 한다.
실시예 및 비교예
하기 표 1에 기재된 조성비에 따라 믹서기에서 10분 간 배합하고, 이축 압출기를 이용하여 압출한 후, 사출기를 이용하여 물성 측정을 위한 시편을 제조하였다.
구분 P1 P2 P3 R CNT1 CNT2 CB 첨가제
비교예1 100.0 - - - - - 30.0 1.9
비교예2 100.0 - - - - 1.2 10.0 1.9
실시예1 100.0 - - - 1.2 - 10.0 1.9
실시예2 100.0 - - 5.0 1.2 - 10.0 1.9
실시예3 60.0 40.0 - 5.0 1.2 - 10.0 1.9
실시예4 60.0 40.0 - 6.5 1.2 - 10.0 2.4
실시예5 60.0 40.0 - 6.5 1.2 - 14.0 2.4
실시예6 60.0 30.0 10.0 6.5 1.4 - 14.0 1.5
(단위: 중량부)
사용된 열가소성 고분자 수지와 기타 원료 물질의 제원은 다음과 같다.
구분 P1 P2 P3
주수지 스티렌-부타디엔
공중합체		 스티렌-부타디엔
공중합체		 폴리스티렌
평균 입경
(㎛)		 3~4 0.5~1.0 -
고무
(중량%)		 8.3 8.0 -
미네랄오일
(중량%)		 4.3 1.0 -
인장강도
(kgf/cm2, 6mm)		 260 370 540
신율
(%, 6mm)		 40 55 3.5
충격강도
(kg·cm/cm, 3.2mm)		 9 12 1.5
용융지수
(g/10min, 200℃, 5kg)		 9 4 3
굴곡강도
(kgf/cm2, 2.8mm)		 300 500 890
-R: 스티렌-부타디엔-스티렌(SBS) 고무
-CNT1: 평균 외경과 평균 내경이 각각 16.4㎚, 8.0㎚이고, 라만 분광 강도비가 1.25이며, 탄소 순도가 96.5%인 복수의 다중벽 탄소나노튜브(MWCNT)가 응집되어 평균 다발 직경이 3.4㎛, 및 평균 다발 길이가 50㎛인 다발형 MWCNT 분말을 타정하여 펠릿형으로 가공한 것
-CNT2: 평균 외경과 평균 내경이 각각 12.9㎚, 5.1㎚이고, 라만 분광 강도비가 0.8이며, 탄소 순도가 95%인 복수의 다중벽 탄소나노튜브(MWCNT)가 응집되어 평균 다발 직경이 2.8㎛, 및 평균 다발 길이가 26㎛인 다발형 MWCNT 분말을 타정하여 펠릿형으로 가공한 것
-CB: 카본블랙(CCK 7067, 콜럼비안 케미컬즈 코리아 社)
실험예 : 전기전도성 수지 조성물에 대한 물성 측정
상기 실시예 및 비교예에 따라 제조된 각각의 시편에 대한 기계적, 물리적, 기계적 특성을 측정하였고, 그 결과를 하기 표 3과 도 1, 2에 나타내었다.
구분 비교예
1		 비교예
2		 실시예
1		 실시예
2		 실시예
3		 실시예
4		 실시예
5		 실시예
6
인장강도
(kgf/cm2, 6mm)		 270 216 226 212 226 226 241 262
신율
(%, 6mm)		 7 14 13 19 17 20 33 31
충격강도
(kg·cm/cm, 3.2mm)		 10 2.7 2.2 3.6 5.1 6.6 5.9 5.0
용융지수
(g/10min, 200℃, 5kg)		 - 6.8 5.5 4.9 3.7 3.9 3.4 2.4
비중 1.15 1.08 1.08 1.07 1.08 1.08 1.09 1.09
표면저항
(Ω/sq, log, 1.6mm)		 5.5~
5.6		 11~12 8~9 7.5~
8.5		 8~9 7~8 6~6.5 5.4~
5.5
표면저항
(Ω/sq, log, 3.2mm)		 4.9~
5.2		 9.2~
9.5		 6.4~
6.5		 5.5~
5.6		 5.8~
5.9		 5.5~
5.6		 5.2 4.6~
4.7
상기 표 2 및 표 3을 참고하면, 실시예 1~6이 비교예 1~2에 비해 기계적 물성, 표면저항, 및 비중을 균형적으로 구현하였다. 특히, 실시예 6의 경우, 인장강도, 신율, 용융지수가 원료 물질 중 하나인 P1(HIPS)과 유사하게 나타나, 유연성, 강도, 성형성, 및 성형품의 외관 특성이 우수함을 알 수 있다. 또한, 실시예 1~6과 비교예 1의 비중을 비교해보면, 실시예 1~6의 비중이 상대적으로 낮기 때문에 성형품을 경량화함과 동시에 생산성을 향상시킬 수 있다.
한편, 실시예 1~6과 비교예 2의 표면저항을 비교해보면, 비교예 2의 경우 9.2~12Ω/sq(log)인 반면에, 실시예 1~6의 경우 약 4.6~9Ω/sq(log)로 낮아져 전기전도성 수지 조성물 또는 그 성형품, 예를 들어, 테이프 릴에 필요한 전기전도성과 그에 따른 대전방지 특성을 충분히 부여할 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예와 비교예에 따른 전기전도성 수지 조성물의 비중과 표면저항을 측정한 결과를 도식화한 것이다. 도 1을 참고하면, 비교예 1은 실시예 6과 유사한 표면저항을 가지나 그에 비해 비중이 약 5.5% 높아 생산성이 낮을 것으로 예상된다. 또한, 비교예 2는 실시예 6과 유사한 비중을 가지나 표면저항이 전기전도성 수지 조성물에 요구되는 범위를 벗어나 성형품, 예를 들어, 테이프 릴에 요구되는 전기전도성을 부여할 수 없다.
즉, 실시예 6은 표면저항이 4.6 내지 5.5Ω/sq(log)로 성형품에 충분한 전기전도성을 부여할 수 있고, 비중이 약 1.09로 비교예에 비해 낮기 때문에 동일한 조건에서 성형품을 사출할 때 생산량을 늘릴 수 있으며 성형품을 경량화할 수 있다.
도 2는 실시예 5와 실시예 6에 따른 성형품(테이프 릴)의 복원 특성을 시각적으로 비교한 결과를 도식화한 것이다. 도 2(a)를 참고하면, 실시예 5의 조성물로 제조된 테이프 릴은 사이드부(200)의 복원력이 약하여 중심부(100)를 기준으로 한 사이드부(200) 양단의 폭(w1, w2)이 상이한 반면에, 도 2(b)를 참고하면, 실시예 6의 조성물로 제조된 테이프 릴은 중심부(100)를 기준으로 한 사이드부(200) 양단의 폭(w1, w2)이 동일하게 유지되었다. 실시예 5에서와 같이 사이드부(200) 양단의 폭(w1, w2)이 상이한 경우, 테이프 릴 제조 시 적층 불량이 발생할 수 있다.
이와 같이, 상기 전기전도성 수지 조성물이 일정 량의 폴리스티렌을 포함하면 비중과 표면저항 간의 트레이드오프(tradeoff)를 해소함과 동시에 테이프 릴의 사이드부(200)에 적절한 복원력을 부여하여 적층 불량을 방지하고 성형품에 대한 신뢰성을 향상시킬 수 있다.
전술한 본 발명의 설명은 예시를 위한 것이며, 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 예를 들어, 단일형으로 설명되어 있는 각 구성 요소는 분산되어 실시될 수도 있으며, 마찬가지로 분산된 것으로 설명되어 있는 구성 요소들도 결합된 형태로 실시될 수 있다.
본 발명의 범위는 후술하는 청구범위에 의하여 나타내어지며, 청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

Claims (17)

  1. 열가소성 고분자 수지 100중량부;
    평균 외경이 8~50㎚이고 평균 내경이 상기 평균 외경의 40% 이상인 복수의 다중벽 탄소나노튜브로 이루어진 탄소나노튜브 집합체 0.5~5중량부; 및
    카본블랙 5~15중량부;를 포함하고,
    상기 열가소성 고분자 수지가 폴리스티렌 5~20중량%를 포함하는 전기전도성 수지 조성물.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 탄소나노튜브의 라만 분광 강도비(IG/ID)가 1.0 이상인 것을 특징으로 하는 전기전도성 수지 조성물.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 탄소나노튜브의 탄소 순도가 95% 이상인 것을 특징으로 하는 전기전도성 수지 조성물.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 탄소나노튜브 집합체의 평균 다발 직경(bundle diameter)이 1~10㎛인 것을 특징으로 하는 전기전도성 수지 조성물.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 탄소나노튜브 집합체의 평균 다발 길이(bundle diameter)가 10~100㎛인 것을 특징으로 하는 전기전도성 수지 조성물.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 열가소성 고분자 수지가 평균 입경이 1~5㎛인 제1 스티렌-부타디엔 공중합체를 포함하는 것을 특징으로 하는 전기전도성 수지 조성물.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 열가소성 고분자 수지가 평균 입경이 0.1~1㎛인 제2 스티렌-부타디엔 공중합체를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전기전도성 수지 조성물.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 제2 스티렌-부타디엔 공중합체의 함량이 상기 열가소성 고분자 수지의 전체 중량을 기준으로 10~50중량%인 것을 특징으로 하는 전기전도성 수지 조성물.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 전기전도성 수지 조성물이 고무 성분 1~15중량부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전기전도성 수지 조성물.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 고무 성분이 부타디엔 고무, 이소프렌 고무, 스티렌-부타디엔-스티렌 고무, 스티렌-이소프렌-스티렌 고무, 아크릴로니트릴-부타디엔 고무, 스티렌-부타디엔 고무, 및 에틸렌-프로필렌 고무로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상인 것을 특징으로 하는 전기전도성 수지 조성물.
  11. 삭제
  12. 삭제
  13. 제1항에 있어서,
    상기 폴리스티렌의 인장강도가 400~600kgf/cm2인 것을 특징으로 하는 전기전도성 수지 조성물.
  14. 제1항에 있어서,
    상기 폴리스티렌의 굴곡강도가 800~1,000kgf/cm2인 것을 특징으로 하는 전기전도성 수지 조성물.
  15. 제1항 내지 제10항, 제13항 및 제14항 중 어느 한 항에 따른 전기전도성 수지 조성물을 이용하여 제조된 것을 특징으로 하는 성형품.
  16. 제15항에 있어서,
    상기 성형품의 표면저항이 104~108Ω/sq인 것을 특징으로 하는 성형품.
  17. 제15항에 있어서,
    상기 성형품의 비중이 1.0~1.1인 것을 특징으로 하는 성형품.
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