KR101949164B1 - 전도성 복합 섬유 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 일 실시예는 평균 외경이 5~50㎚이고 평균 내경이 상기 평균 외경의 40% 이상인 복수의 탄소나노튜브로 이루어진 다발형 탄소나노튜브 및 제1 열가소성 수지를 포함하는 제1 영역을 포함하는 전도성 복합 섬유를 제공한다.

Description

전도성 복합 섬유{CONDUCTIVE COMPOSITE FIBER}
본 발명은 전도성 복합 섬유에 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. 스마트웨어란, 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 등이 내장되는 고기능성 섬유 소재의 의복을 들 수 있다.
섬유산업의 고도화, 고부가가치화를 위해 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 기술이 필요하다.
이와 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, 정전기나 기타 다른 영향들에 의해서 훼손되지 않게 하면서 디지털 기기 또는 그 구성요소들을 연결시키는 전도성 섬유를 들 수가 있다.
관련하여, 전기가 용이하게 흐르는 전도성 섬유에 대한 연구개발이 활발하게 진행되고 있다. 예를 들어, 한국공개특허 제2008-0034824호는 섬유 형성성 폴리머 중에 도전성 성분으로서 카본블랙을 사용하는 도전성 섬유 및 브러시를 개시하고, 한국공개특허 제2001-0050879호는 카본블랙을 함유하는 도전성 폴리머층 및 상기 도전성 폴리머층을 보호하는 보호 폴리머층으로 이루어진 도전성 복합 섬유가 개시한다. 다만, 전도성 재료로서 카본블랙을 사용하여 구성되는 섬유는 전도성이나 기타 전기적 특성이 매우 부족하므로, 이러한 전도성 섬유를 사용하여 디지털 장치/기능이 통합되어 디지털화된 의류제품을 도출하는 것이 극히 곤란하다는 문제가 있다.
또한, 한국공개특허 제2010-0033600호는 합성섬유 재질의 심재와 그 외부에 폴리아미드 및 탄소나노튜브를 포함하는 외피로 이루어진 전도성 복합 섬유를 개시한다. 다만, 이 경우 섬유의 연신성이 저하되어 섬유 제조 시 단선 빈도가 증가하여 작업성과 공정 효율이 저하되는 문제가 있다.
본 발명은 전술한 종래기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 본 발명의 목적은 전도성과 연신성이 우수한 전도성 복합 섬유를 제공하는 것이다.
본 발명의 일 측면은 평균 외경이 5~50㎚이고 평균 내경이 상기 평균 외경의 40% 이상인 복수의 탄소나노튜브로 이루어진 다발형 탄소나노튜브 및 제1 열가소성 수지를 포함하는 제1 영역을 포함하는, 전도성 복합 섬유를 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 다발형 탄소나노튜브의 평균 다발 직경(bundle diameter)이 1~10㎛일 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 다발형 탄소나노튜브의 평균 다발 길이(bundle diameter)가 10~100㎛일 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 전도성 복합 섬유가 제2 열가소성 수지를 포함하는 제2 영역을 더 포함할 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 전도성 복합 섬유의 단면에 대한 상기 제2 영역의 단면의 비가 0.01~0.9일 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 제1 및 제2 영역이 각각 외피 및 심재일 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 제1 열가소성 수지가 폴리아미드, 폴리이미드, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리에틸렌 공중합체, 폴리에스테르, 폴리아크릴로니트릴, 폴리스티렌, 폴리카보네이트, 아라미드, 폴리에틸렌테레프탈레이트, 폴리우레탄, 스티렌-에틸렌 공중합체, 스티렌-에틸렌-부타디엔-스티렌 공중합체, 스티렌-에틸렌-프로필렌-스티렌 공중합체, 스티렌-부타디엔-스티렌 공중합체, 스티렌-이소프렌-스티렌 공중합체, 에틸렌-프로필렌-디엔 공중합체(EPDM), 에틸렌-아세트산비닐 공중합체, 에틸렌-메틸아크릴레이트 공중합체, 에틸렌-에틸아크릴레이트 공중합체, 에틸렌-부틸아크릴레이트 공중합체, 말레산무수물 그라프트된 폴리프로필렌, 말레산무수물 그라프트된 선형 저밀도 폴리에틸렌, 말레산무수물 그라프트된 저밀도 폴리에틸렌, 말레산무수물 그라프트된 스티렌-에틸렌-부틸렌-스티렌 공중합체, 말레산무수물 그라프트된 스티렌-에틸렌-부타디엔-스티렌 공중합체, 폴리부틸렌테레프탈레이트, 폴리트리메틸렌테레프탈레이트, 및 폴리락트산으로 이루어진 군에서 선택된 1 이상의 성분을 포함할 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 제2 열가소성 수지가 폴리아미드, 폴리이미드, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리에틸렌 공중합체, 폴리에스테르, 폴리아크릴로니트릴, 폴리스티렌, 폴리카보네이트, 아라미드, 폴리에틸렌테레프탈레이트, 폴리우레탄, 스티렌-에틸렌 공중합체, 스티렌-에틸렌-부타디엔-스티렌 공중합체, 스티렌-에틸렌-프로필렌-스티렌 공중합체, 스티렌-부타디엔-스티렌 공중합체, 스티렌-이소프렌-스티렌 공중합체, 에틸렌-프로필렌-디엔 공중합체(EPDM), 에틸렌-아세트산비닐 공중합체, 에틸렌-메틸아크릴레이트 공중합체, 에틸렌-에틸아크릴레이트 공중합체, 에틸렌-부틸아크릴레이트 공중합체, 말레산무수물 그라프트된 폴리프로필렌, 말레산무수물 그라프트된 선형 저밀도 폴리에틸렌, 말레산무수물 그라프트된 저밀도 폴리에틸렌, 말레산무수물 그라프트된 스티렌-에틸렌-부틸렌-스티렌 공중합체, 말레산무수물 그라프트된 스티렌-에틸렌-부타디엔-스티렌 공중합체, 폴리부틸렌테레프탈레이트, 폴리트리메틸렌테레프탈레이트, 및 폴리락트산으로 이루어진 군에서 선택된 1 이상의 성분을 포함할 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 제1 열가소성 수지가 폴리우레탄이고, 상기 제2 열가소성 수지가 폴리아미드일 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 제1 영역이 풀러렌, 그래핀, 그라파이트, 탄소섬유, 카본블랙 및 이들 중 2 이상의 혼합물로 이루어진 군에서 선택된 하나의 전도성 필러를 더 포함할 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 다발형 탄소나노튜브 100중량부에 대해 상기 전도성 필러 10~1,000중량부를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 열가소성 수지에 직경, 길이, 결정성, 순도 등이 일정 범위로 조절된 탄소나노튜브를 첨가하여 복합 섬유의 전도성을 향상시킬 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 열가소성 수지가 2 이상의 이종 성분을 포함하여 복합 섬유의 연신성을 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 일 실시예에 따른 탄소나노튜브의 투과전자현미경(TEM) 이미지이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 다발형 탄소나노튜브의 다발 길이를 나타낸 주사전자현미경(SEM) 이미지이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 다발형 탄소나노튜브의 다발 직경을 나타낸 주사전자현미경(SEM) 이미지이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 전도성 복합 섬유의 단면도이다.
도 5는 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 전도성 복합 섬유의 단면도이다.
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 평균 외경이 5~50㎚이고 평균 내경이 상기 평균 외경의 40% 이상인 복수의 탄소나노튜브로 이루어진 다발형 탄소나노튜브 및 제1 열가소성 수지를 포함하는 제1 영역을 포함하는, 전도성 복합 섬유를 제공한다.
상기 탄소나노튜브는 부도체인 열가소성 수지에 전기 및 열 전도성(이하, '전도성'으로 통칭함)을 부여하기 위한 물질로, 상기 탄소나노튜브가 혼련된 수지 조성물을 성형하여 제조된 플라스틱 기재의 표면저항을 현저히 감소시켜 전도성을 향상시킬 수 있다.
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.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 탄소나노튜브의 투과전자현미경(TEM) 이미지이다. 도 1을 참고하면, 상기 다발형 탄소나노튜브는 평균 외경이 5~50㎚이고, 평균 내경이 상기 평균 외경의 40% 이상, 바람직하게는, 40~90%인 복수의 단일가닥 다중벽 탄소나노튜브가 상호 응집되어 다발(bundle) 형태로 존재할 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 다발형 탄소나노튜브의 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 다발형 탄소나노튜브는 기본적으로 복수의 탄소나노튜브, 바람직하게는, 복수의 다중벽 탄소나노튜브가 상호 응집된 형태로 존재할 수 있다. 각각의 탄소나노튜브 및 그 다발은 직선형, 곡선형, 또는 이들이 혼합된 형태일 수 있다.
또한, 상기 탄소나노튜브 단일 가닥, 즉, 다중벽 탄소나노튜브의 평균 내경이 상기 평균 외경의 40% 미만이면 탄소나노튜브의 내부 용적이 감소하여 전도성이 저하될 수 있으므로, 상기 탄소나노튜브의 평균 내경이 상기 평균 외경의 40% 이상일 수 있다.
상기 다발형 탄소나노튜브는 분말 상의 것을 기계적, 물리적으로 타정하여 펠릿 형태로 가공한 것일 수 있다. 펠릿 형태로 가공된 다발형 탄소나노튜브는 작업 간 분말이 비산되는 것을 방지하여 작업 환경을 개선할 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 가지는 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 전도성을 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 수지와 혼련 시 전도성 향상 효과가 미약할 수 있다.
또한, 탄소나노튜브는 탄소 함량이 높을수록 촉매와 같은 불순물이 적어 우수한 전도성을 구현할 수 있으므로, 상기 탄소나노튜브의 탄소 순도가 95% 이상, 바람직하게는, 95~98%, 더 바람직하게는, 96.5~97.5%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.
도 2 및 도 3은 각각 본 발명의 일 실시예에 따른 다발형 탄소나노튜브의 다발 길이 및 다발 직경을 나타낸 주사전자현미경(SEM) 이미지이다.
도 2 및 도 3을 참고하면, 상기와 같은 단일 가닥 탄소나노튜브가 다발 형태로 응집되어 형성된 다발형 탄소나노튜브의 평균 다발 직경이 1~10㎛, 바람직하게는, 3~5㎛, 더 바람직하게는, 3.5~4.5㎛일 수 있고, 평균 다발 길이가 10~100㎛, 바람직하게는, 30~60㎛, 더 바람직하게는, 45~55㎛일 수 있다.
상기 다발형 탄소나노튜브는 열가소성 수지 내에 분산되어 3차원 네트워크 구조를 형성할 수 있고, 이러한 네트워크 구조가 견고하게 형성될수록 전도성이 향상될 수 있다. 특히, 상기 다발형 탄소나노튜브의 평균 다발 직경과 평균 다발 길이를 일정 범위로 조절함으로써 상기 네트워크 구조를 견고하게 형성할 수 있다.
이 때, 상기 다발형 탄소나노튜브의 평균 다발 직경이 1㎛ 미만이거나 평균 다발 길이가 100㎛ 초과이면 분산성이 저하되어 상기 전도성 와이어의 부위별 전도성이 불균일해질 수 있고, 평균 다발 직경이 10㎛ 초과이거나 평균 다발 길이가 10㎛ 미만이면 네트워크 구조가 불안정해지면서 전도성이 저하될 수 있다.
상기 다발형 탄소나노튜브에 포함된 산소 함량이 높을수록 전도성은 낮아지기 때문에, 산소 함량이 낮은 탄소나노튜브를 사용할 수 있다. 구체적으로, 상기 다발형 탄소나노튜브의 산소 함량이 상기 다발형 탄소나노튜브의 총 중량을 기준으로 0.5중량% 이하, 바람직하게는, 0.1~0.5중량%일 수 있다.
한편, 상기 다발형 탄소나노튜브의 함량은 상기 제1 영역의 총 중량을 기준으로 0.1~20중량%, 바람직하게는, 0.1~10중량%, 더 바람직하게는, 3~5중량%일 수 있다. 상기 다발형 탄소나노튜브의 함량이 0.1중량% 미만이면 복합 섬유에 충분한 전도성을 부여할 수 없고, 20중량% 초과이면 복합 섬유의 성형성, 작업성, 연신성이 저하될 수 있다.
상기 전도성 복합 섬유가 제2 열가소성 수지를 포함하는 제2 영역을 더 포함할 수 있다. 상기 제2 영역은 상기 전도성 복합 섬유에 전도성을 부여하는 상기 제1 영역을 지지하여 복합 섬유의 기계적 물성을 향상시킬 수 있다.
상기 전도성 복합 섬유의 단면에 대한 상기 제2 영역의 단면의 비가 0.01~0.9, 바람직하게는, 0.1~0.8, 더 바람직하게는, 0.4~0.7일 수 있다. 상기 제2 영역의 비율이 0.01 미만이면 상기 제1 영역을 충분히 지지하지 못하므로 복합 섬유의 기계적 물성이 저하될 수 있고, 0.9 초과이면 복합 섬유 중 상기 제1 영역의 비율이 감소하여 복합 섬유의 전도성이 저하될 수 있다.
도 4 및 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 전도성 복합 섬유의 단면도이다. 도 4는 상기 제1 및 제2 영역이 각각 외피 및 심재인, 즉, 내-외의 위치에 있는 복합 섬유의 단면도이고, 도 5는 상기 제1 및 제2 영역이 각각 상-하 또는 좌-우의 위치에 있는 복합 섬유의 단면도이다.
도 4를 참고하면, 상기 제1 및 제2 영역이 각각 외피 및 심재일 수 있다.
상기 제1 열가소성 수지가 폴리아미드, 폴리이미드, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리에틸렌 공중합체, 폴리에스테르, 폴리아크릴로니트릴, 폴리스티렌, 폴리카보네이트, 아라미드, 폴리에틸렌테레프탈레이트, 폴리우레탄, 스티렌-에틸렌 공중합체, 스티렌-에틸렌-부타디엔-스티렌 공중합체, 스티렌-에틸렌-프로필렌-스티렌 공중합체, 스티렌-부타디엔-스티렌 공중합체, 스티렌-이소프렌-스티렌 공중합체, 에틸렌-프로필렌-디엔 공중합체(EPDM), 에틸렌-아세트산비닐 공중합체, 에틸렌-메틸아크릴레이트 공중합체, 에틸렌-에틸아크릴레이트 공중합체, 에틸렌-부틸아크릴레이트 공중합체, 말레산무수물 그라프트된 폴리프로필렌, 말레산무수물 그라프트된 선형 저밀도 폴리에틸렌, 말레산무수물 그라프트된 저밀도 폴리에틸렌, 말레산무수물 그라프트된 스티렌-에틸렌-부틸렌-스티렌 공중합체 및 말레산무수물 그라프트된 스티렌-에틸렌-부타디엔-스티렌 공중합체로 이루어진 군에서 선택된 1 이상의 성분을 포함할 수 있고, 바람직하게는, 폴리우레탄일 수 있고, 더 바람직하게는, 열가소성 폴리우레탄일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
열가소성 폴리우레탄(thermoplastic polyurethane, TPU)은 상기 제1 열가소성 수지와 그 성형품인 복합 섬유의 연신성, 충격강도를 향상시킬 수 있다. 또한, 열가소성 폴리우레탄은 복합 섬유의 연신성을 향상시키면서도 탄소나노튜브의 분산을 저해하지 않으므로, 복합 섬유의 영역별 전도성 편차를 최소화할 수 있다.
또한, 상기 제2 열가소성 수지가 폴리아미드, 폴리이미드, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리에틸렌 공중합체, 폴리에스테르, 폴리아크릴로니트릴, 폴리스티렌, 폴리카보네이트, 아라미드, 폴리에틸렌테레프탈레이트, 폴리우레탄, 스티렌-에틸렌 공중합체, 스티렌-에틸렌-부타디엔-스티렌 공중합체, 스티렌-에틸렌-프로필렌-스티렌 공중합체, 스티렌-부타디엔-스티렌 공중합체, 스티렌-이소프렌-스티렌 공중합체, 에틸렌-프로필렌-디엔 공중합체(EPDM), 에틸렌-아세트산비닐 공중합체, 에틸렌-메틸아크릴레이트 공중합체, 에틸렌-에틸아크릴레이트 공중합체, 에틸렌-부틸아크릴레이트 공중합체, 말레산무수물 그라프트된 폴리프로필렌, 말레산무수물 그라프트된 선형 저밀도 폴리에틸렌, 말레산무수물 그라프트된 저밀도 폴리에틸렌, 말레산무수물 그라프트된 스티렌-에틸렌-부틸렌-스티렌 공중합체 및 말레산무수물 그라프트된 스티렌-에틸렌-부타디엔-스티렌 공중합체로 이루어진 군에서 선택된 1 이상의 성분을 포함할 수 있고, 바람직하게는, 폴리아미드일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 폴리아미드는 상기 폴리우레탄의 인장강도가 낮은 문제를 보완하여 복합 섬유의 기계적 물성을 향상시킬 수 있다.
상기 제1 영역이 풀러렌, 그래핀, 그라파이트, 탄소섬유, 카본블랙 및 이들 중 2 이상의 혼합물로 이루어진 군에서 선택된 하나의 전도성 필러, 바람직하게는, 카본블랙을 더 포함할 수 있고, 상기 전도성 필러의 함량은 상기 다발형 탄소나노튜브 100중량부에 대해 10~1,000중량부일 수 있다.
카본블랙은 전도성 및 강성은 우수하지만 긁힘 또는 마찰에 의해 탄소 입자가 쉽게 이탈되는 특성을 갖기 때문에, 전도성 필러로서 카본블랙을 단독으로 사용하거나 과량으로 사용하면 열가소성 수지 조성물의 성형성이 저하될 수 있다.
따라서, 카본블랙을 탄소나노튜브와 함께 사용하면 카본블랙의 함량을 낮출 수 있어 열가소성 수지의 성형성이 저하되는 것을 방지하는 동시에, 탄소나노튜브에 의해 열가소성 수지 내에 형성된 네트워크 구조 내부로 카본블랙이 삽입되어 고정됨에 따라 최종적으로 제품화된 복합 섬유가 균일한 전도성을 가질 수 있다.
이하, 본 발명의 실시예에 관해 상세히 설명하기로 한다.
실시예 1
탄소나노튜브 3.5중량% 및 잔량의 열가소성 폴리우레탄을 혼합한 후 압출하여 칩을 제조한 후, 265℃로 용융하고 방사하여 단면이 원형인 전도성 복합 섬유를 제조하였다.
실시예 2
탄소나노튜브 5.0중량% 및 잔량의 열가소성 폴리우레탄을 혼합한 후 압출하여 칩을 제조한 후, 265℃로 용융하고 방사하여 단면이 원형인 전도성 복합 섬유를 제조하였다.
실시예 3
탄소나노튜브 5.0중량% 및 잔량의 열가소성 폴리우레탄을 혼합한 후 압출하여 칩을 제조하였다.
상기 칩과 단면이 원형인 심재를 형성하기 위한 폴리아미드 칩을 265℃로 용융하고 방사하여, 단면이 원형인 심재 및 상기 심재의 외면 상에 형성된 외피의 단면비가 각각 7 : 3인 전도성 복합 섬유를 제조하였다.
실시예 4
탄소나노튜브 5.0중량% 및 잔량의 열가소성 폴리우레탄을 혼합한 후 압출하여 칩을 제조하였다.
상기 칩과 단면이 원형인 심재를 형성하기 위한 폴리아미드 칩을 265℃로 용융하고 방사하여, 단면이 원형인 심재 및 상기 심재의 외면 상에 형성된 외피의 단면비가 각각 5 : 5인 전도성 복합 섬유를 제조하였다.
비교예 1
칩 제조 시 열가소성 폴리우레탄 대신 폴리아미드를 사용한 것을 제외하면, 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 전도성 복합 섬유를 제조하였다.
비교예 2
탄소나노튜브 3.5중량% 및 잔량의 폴리아미드를 혼합한 후 압출하여 칩을 제조하였다.
상기 칩과 단면이 원형인 심재를 형성하기 위한 폴리아미드 칩을 265℃로 용융하고 방사하여, 단면이 원형인 심재 및 상기 심재의 외면 상에 형성된 외피의 단면비가 각각 7 : 3인 전도성 복합 섬유를 제조하였다.
실시예 1~4 및 비교예 1~2에 따른 원료의 조성비와 그에 따른 전도성, 연신성 평가 결과를 하기 표 1에 나타내었으며, 사용된 각각의 원료는 다음과 같다.
-CNT: 평균 외경과 평균 내경이 각각 16.4㎚, 8.0㎚이고, 라만 분광 강도비가 1.0이며, 탄소 순도가 95%인 복수의 다중벽 탄소나노튜브(MWCNT)가 응집되어 평균 다발 직경이 2.4㎛, 및 평균 다발 길이가 30㎛인 다발형 MWCNT 분말을 타정하여 펠릿형으로 가공한 것 (펠릿의 겉보기밀도: 0.025g/mL)
-TPU: 열가소성 폴리우레탄
-PA6: 폴리아미드-6
구분 실시예 1 실시예 2 실시예 3 실시예 4 비교예 1 비교예 2
단면비
(외피/심재)		 10/0
(TPU)		 10/0
(TPU)		 3/7
(TPU/PA6)		 5/5
(TPU/PA6)		 10/0
(PA6)		 3/7
(PA6/PA6)
전도성 필러
(CNT, 중량%)		 3.5 5.0 5.0 5.0 3.5 3.5
표면저항
(ohm/sq.,
@섬유단면 직경 300㎛)		 10^8 10^6 10^8 10^7 10^8 10^8.5
표면저항
(ohm/sq.,
@섬유단면 직경 500㎛)		 10^3 10^2 10^3 10^2 10^3 10^3
연신성 ◎ ◎ ○ ◎ X X
인장강도 △ △ ◎ ○ ◎ ◎
(◎: 우수, ○: 양호, △: 보통, X: 불량)
상기 표 1을 참고하면, 실시예 1, 2에서 탄소나노튜브의 함량이 증가함에 따라 전도성이 개선되고, 연신성, 인장강도가 유지되었다. 또한, 실시예 2, 3, 4를 참고하면, 섬유가 열가소성 폴리우레탄 및 탄소나노튜브를 포함하는 조성물을 포함하는 심재로만 이루어진 실시예 2에 비해, 폴리아미드 및 상기 조성물을 각각 심재 및 외피로 적용한 실시예 3, 4의 인장강도가 현저히 개선되었다.
한편, 실시예 1 및 비교예 1을 참고하면, 섬유가 폴리아미드 및 탄소나노튜브를 포함하는 조성물을 포함하는 심재로만 이루어진 비교예 1의 경우, 실시예 1에 비해 연신성이 현저히 저하되었다. 특히, 비교예 1의 구조를 변경하여 폴리아미드 및 상기 조성물을 각각 심재 및 외피로 적용한 비교예 2의 경우에도 연신성이 개선되지 않았다.
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.
10, 20 : 전도성 복합 섬유
11, 21 : 제1 영역
12, 22 : 제2 영역

Claims (13)

  1. 평균 외경이 5~50㎚이고 평균 내경이 상기 평균 외경의 40% 이상인 복수의 탄소나노튜브로 이루어진 다발형 탄소나노튜브 및 열가소성 폴리우레탄(thermoplastic polyurethane, TPU)을 포함하는 제1 영역; 및
    폴리아미드를 포함하는 제2 영역;을 포함하는, 전도성 복합 섬유.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 탄소나노튜브의 라만 분광 강도비(IG/ID)가 1.0 이상인, 전도성 복합 섬유.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 탄소나노튜브의 탄소 순도가 95% 이상인, 전도성 복합 섬유.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 다발형 탄소나노튜브의 평균 다발 직경(bundle diameter)이 1~10㎛인, 전도성 복합 섬유.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 다발형 탄소나노튜브의 평균 다발 길이(bundle diameter)가 10~100㎛인, 전도성 복합 섬유.
  6. 삭제
  7. 제1항에 있어서,
    상기 전도성 복합 섬유의 단면에 대한 상기 제2 영역의 단면의 비가 0.01~0.9인, 전도성 복합 섬유.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 영역이 각각 외피 및 심재인, 전도성 복합 섬유.
  9. 삭제
  10. 삭제
  11. 삭제
  12. 제1항에 있어서,
    상기 제1 영역이 풀러렌, 그래핀, 그라파이트, 탄소섬유, 카본블랙 및 이들 중 2 이상의 혼합물로 이루어진 군에서 선택된 하나의 전도성 필러를 더 포함하는, 전도성 복합 섬유.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 다발형 탄소나노튜브 100중량부에 대해 상기 전도성 필러 10~1,000중량부를 포함하는, 전도성 복합 섬유.
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