KR20150006913A - 탄소나노튜브를 이용한 용접용 접착제 조성물 - Google Patents

Abstract

본 발명은 탄소나노튜브를 이용한 용접용 접착제 조성물에 관한 것으로, 탄소나노튜브(CNT)에 나피온 (nafion), 용제 및 열 경화성 수지가 혼합된 접착제이다.
따라서, 본 발명에 의하면 각 구성물을 조절하여 열분산, 전자파 차폐, 점착력을 향상시킬 수 있는 접착제를 제조할 수 있다.

Description

탄소나노튜브를 이용한 용접용 접착제 조성물 {Welding Adhesive Composition using CNT}

본 발명은 탄소나노튜브를 이용한 용접용 접착제 조성물에 관한 것으로, 각 구성물을 조절하여 열분산, 전자파 차폐, 점착력을 향상시킬 수 있는 접착제에 관한 것이다.

용접용 접착제로써 납이 주로 사용되고 있다. 그러나 상기 납은 인체에 해로우며, 전기 전도성도 상대적으로 작고, 또한 비용이 비싸며 접착성이 부족하다.

본 발명에서 사용되는 접착제는 점착제 또는/및 접합제를 모두 포함하는 의미로 사용된다.

본 발명은 상대적으로 인체에 해롭지 않고, 전기 전도성도 크고, 또한 비용이 값싸며 접착성이 우수한 용접용 접착제를 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명은 탄소나노튜브(CNT)에 나피온 (nafion) 용제 및 열 경화성 수지가 혼합된 CNT를 이용한 용접용 접착제 조성물을 제공하고자 한다.

본 발명에 따른 CNT를 이용한 용접용 접착제 조성물은, 탄소나노튜브(CNT)에 나피온 (nafion), 용제 및 열 경화성 수지가 혼합되어 이루어지는 것을 특징으로 하는 CNT를 이용한 용접용 접착제 조성물이다.

본 발명의 실시 예에서, 상기 용제는 물과 프로판울(propanol)이 혼합되어 이루어진다.

본 발명의 실시예에서, 상기 용제는 물과 프로판올이 80:20 내지 60:40의 중량비로 혼합되어 이루어진다.

본 발명의 실시 예에서,상기 용제는 물과 프로판올이 80:20의 중량비로 혼합되어 이루어진다.

본 발명에 따르면, 탄소나노튜브량 또는/및 탄소나노튜브 도포량을 조절하여 전자파 차폐효과가 우수한 CNT를 이용한 용접용 접착제를 제공할 수 있다.

본 발명에 따르면, 사용 용도에 따라 탄소나노튜브(CNT)의 함유량을 조절하여 열분산 성능효과, 전자파차폐효과, 전기적 전도특성 등을 조절할 수 있다.

본 발명에 따르면, 납의 점착강도를 유지하면서 상대적으로 인체에 해롭지 아니한 접착제가 가능하다.

도 1은 D2O와 1-propanol의 혼합 비율에 따른 UV-vis-NIR 흡광도(Absorbance)를 나타낸 도면
도 2는 특정파장에서의 에너지 흡수강도 및 spectral 피크 (567 및 978 nm)를 나타낸 도면
도 3은 Nafion에 대한 용매(용제)의 혼합비에 따른 접촉각 측정을 나타낸 도면
도 4는 Nafion 분산제를 적용시 분산 메커니즘을 나타낸 도면
도 5는 Nafion 과 상용 계면활성제와의 분산도 비교 결과를 나타낸 도면
도 6은 CNT의 용제중 함량에 따른 Nafion (80:20)과 상용 계면활성제 (NaDDBS)와의 분산비율 (상대비율)을 나타낸 도면
도 7은 CNT를 이용한 전자파 차폐실험 결과를 나타낸 도면

이하, 본 발명의 일부 실시 예들을 예시적인 도면을 통해 상세하게 설명한다. 각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 또한, 본 발명의 실시 예를 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명은 생략한다.

또한 어떤 구성 요소가 다른 구성요소에 "연결", "결합" 또는 "접속"된다고 기재된 경우, 그 구성 요소는 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되거나 접속될 수 있지만, 각 구성 요소 사이에 또 다른 구성 요소가 "연결", "결합" 또는 "접속"될 수도 있다고 이해되어야 할 것이다.

또한, 본 발명에서 기재된 "포함하다", "구성하다" 또는 "구비하다" 등의 용어는, 특별히 반대되는 기재가 없는 한, 해당 구성 요소가 내재할 수 있음을 의미하는 것이므로, 다른 구성 요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있는 것으로 해석되어야 한다.

본 발명에서의 접착제는 점착제 또는/및 접합제를 모두 포함하는 의미로 해석된다.

이하 각 실험데이터 및 도면을 인용하여 본 발명의 실시 예를 설명한다.

먼저, 탄소나노튜브(CNT) 접착제의 특징은 다음과 같다.

납에 비해 인체에 해롭지 않을 뿐 아니라 땜납이 가지고 있는 기능을 한층 업그레이드 하며, 부과적인 장점을 가지고 있다. 즉, CNT는 우수한 전기적, 열적, 화학적, 기계적, 구조적 특성을 모두 보유하고 있어 다기능성의 나노복합재료에 이상적인 충진재료로 활용될 수 있다.

* CNT 접착제의 장점

- 납에 비해 신체의 안정성이 크다. 즉 납에 비해 인체에 나쁘지 않다.

- 인체에 해로운 전자파 차폐를 차폐하는 성능을 가진다.

- 우수한 전기전도성/ 열 전도성 : 일반적인 땜납에 비해 우수한 전기전도성을 가진다.

- 비용 절감 : 주변기기가 필요하지 않으므로 설비가 따로 필요하지 않고, 땜납과 다르게 용융점이 필요하지 않아 직접 분사 또는 도포하는 방식을 사용하여 전기를 사용하지 않는다.

- 다양한 형태 : 고온 및 저온용 등의 특성에 따른 여러 가지 종류의 제작이 가능하다.

- 휴대성 및 다양한 이용 : 튜브와 같은 형태로 제작이 가능하기 때문에 휴대성이 편리하고 땜납과는 다르게 동판이나 일정한 지점에만 접합이 되는 것이 아니라 나무나 플라스틱 등의 일반적이 소재에도 접합이 가능하다.

본 발명에서는 Nafion이 높은 분산성을 보이는 것을 실험으로 확인하여 Nafion을 중심으로 실시 예를 설명하고자 하나, 이에 한정되고 아니하고 같은 성질을 가지는 다른 구성물로 대체 가능하다.

또한 상기 고분자계 분산제를 사용하기 위한 용매(용제)선정을 위한 D2O(중수, 물의 일종) 및 프로판올(propanol)의 혼합용액을 선정하여 혼합비에 따른 최적(임계치)농도를 구하여 적용하였다.

본 발명은 CNT를 이용한 용접용 접착제 조성물에 관한 것으로, 하나의 실시 예로써 다음과 같은 구성물과 각 구성물간의 중량비 또는 중량 퍼센트에 의거 제조될 수 있다.

탄소나노튜브(CNT)에 나피온 (nafion), 용제 및 에폭시등 열 경화성 수지가 혼합되어 이루어지는 CNT를 이용한 용접용 접착제 조성물에 관한 것이다.

상기 용제는 D2O를 포함하는 물과 프로판울(propanol)이 혼합되어 이루어지며, 상기 용제는 물과 프로판올이 80:20 내지 60:40의 중량비로 혼합되어 이루어지며, 특히 상기 용제는 물과 프로판올이 80:20의 중량비로 혼합되어 이루어지는 것을 특징으로 한다.

상기와 같은 결합(혼합) 조건들이 임계치를 가지고 있음을 나타내고자 각 도면을 통해 설명하고자 한다.

도 1은 D2O와 1-propanol의 혼합 비율에 따른 UV-vis-NIR 흡광도(Absorbance)를 나타낸 도면이다.

도 1에 나타난 바와 같이, 적합한 용제의 확정을 위해 미리 정한 일정량의 CNT와 nafion을 고정변수로 하고, 물(D2O)과 propanol의 혼합비를 변경하여 UV-vis-NIR 흡광도를 분석한 결과 혼합비가 60:40일 때 가장 높은 흡광도, 80:20일 때 차선의 흡광도를 보임을 확인하였다.

도 2는 특정파장에서의 에너지 흡수강도 및 spectral 피크 (567 및 978 nm)를 나타낸 도면이다.

도 2에 나타난 바와 같이, 60:40보다 80:20에서 보다 안정적인 에너지 흡수가 일어남을 확인할 수 있다.

상기 도 1의 UV-vis-NIR 결과에서 60:40과 80:20은 근소한 차이로 60:40이 높은 흡광도를 보였으나 spectral 피크의 시프팅 현상까지 고려했을 때 본 발명의 실시 예에서의 가장 적합한 용매의 구성은 D2O:1-propanol = 80:20으로 정하였다.

도 3은 Nafion에 대한 용매(용제)의 혼합비에 따른 접촉각 측정을 나타낸 도면이다.

도 3은 Nafion과 용매화의 친화도를 평가하기 위해 세실드랍 방식을 이용하여 접촉각을 측정하였으며, 고분자계 Nafion의 경우 기본적으로 소수성을 가지기 때문에 친수성 용제와의 친화도가 떨어지면 CNT의 분산에 치명적일 수밖에 없다.

도 3에 나타난 바와 같이, 측정결과 혼합비에 따라 3구간으로 분류되는 결과를 얻었으며, 이 중 A 구간은 친화도가 너무 낮아서 적정하지 않으며, 80:20~40:60구간에서는 안정적인 접촉각 결과가 나오는 것을 확인하였고, C구간이 가장 좋은 접촉각을 나타냈으나, 도 1,2의 흡광도 등의 결과를 볼 때 적용에 어려움이 있다고 판단하였다.

도 4는 Nafion 분산제를 적용시 분산 메커니즘을 나타낸 도면이다

도 4에 나타난 바와 같이, Nafion을 분산제로 사용하였을 때 발생할 수 있는 분산 메커니즘을 나타낸 것으로 Nafion과 propanol 및 물이 각각 3중 계면을 형성하면서 분산되는 현상을 보여주며, 특히 나피온을 중심으로 CNT를 코팅하듯이 계면이 형성되며, nafion의 SO3 그룹이 propanol과의 높은 interaction을 형성하여 안정적인 분산을 유도하였다.

도 5는 Nafion 과 상용 계면활성제와의 분산도 비교 결과를 나타낸 도면이다.

도 5는 Nafion을 분산제로 사용한 것과 상용 계면활성제를 분산도로 사용한 것과의 흡광도를 비교 한 것으로, 100% 물로 이루어진 용제에서는 약간 우세하게 Nafion의 분산도가 높았지만, 상기 실시 예에서 제시한 바와 같이, 80:20의 water:propanol 비율의 용제를 사용하였을 경우에 Nafion의 분산효율이 높아졌다.

따라서 Nafion이 고분자계 계면활성제로서의 가능성을 확인하였다.

도 6은 CNT의 용제중 함량에 따른 Nafion (80:20)과 상용 계면활성제 (NaDDBS)와의 분산비율 (상대비율)을 나타낸 도면이다.

도 6에 나타난 바와 같이, Nafion을 사용하였을 경우와 상용 NaBBDS를 사용하였을 경우 흡광도의 인텐서티 값의 비를 나타내는 것으로 용액중 CNT의 함량에 따른 상대비의 결과값이다.

CNT가 약 0.1 mg/ml의 농도일 경우 Nafion이 약 2배 정도 높은 흡광도를 보였으며, 약 30 mg/ml의 고농도일수록 8배 이상의 높은 흡광도를 보이는 것이 관찰되었다. 따라서 높은 함량의 CNT를 포함하는 용액 구성에서 Nafion은 더 높은 분산효율을 보이는 것을 확인하였으며, 이는 일정 파과점에 이르기까지 Nafion의 CNT 코팅 현상이 배가되는 것이 확인할 수 있었다.

분산 안정성을 평가하기 위해 Nafion 분산제와 상용 계면활성제를 이용하여 CNT를 농도에 따라 분산시킨 뒤 일주일간 방치후 분산정도를 판단한 결과, 상용 계면활성제에 비해 Nafion 고분자 분산제가 탁월한 분산 안정성을 가지는 것이 관찰되었으며, 이에 따라 Nafion에서 분산제 적용 가능성 확인할 수 있었다.

Nafion에 적합한 용제를 확인하기 위해 D2O 및 1-propanol을 혼합비를 달리하여 Nafion과의 친화력 및 흡광도 (CNT 포함) 평가 결과 80:20의 혼합비가 가장 적합비 용제로 확인하였으며, 80:20의 용제비율에서 Nafion을 적용한 CNT 분산과 100% 수용액중에 상용 계면활성제 (NaDDBS)를 적용한 결과 약 4배 정도 높은 비율로 Nafion 분산제가 탁월한 분산능을 보여주었다.

CNT의 농도에 따라 분산효율을 다시 평가결과 30 mg/ml의 고농도에서 상용분산제 보다 8배 이상 높은 흡광도를 나타냄으로서 그 분산제 성능을 증명할 수 있었다.

본 발명의 실시 예에서의 탄소나노튜브와 에폭시 수지 중합관련, 필러는 그라파이트, 카본블랙, CNT를 사용하였으며 기지재로 사용한 에폭시 수지는 이관 능성 에폭시 올리고머인 Diglycidylether of bisphenol-A (DGEBA)계 YD-128(e.e.w.:184~190 g/eq, 점도:11500~13500cps)을 사용하였다.

경화제는 4,4-diaminodiphenylmethane(DDM)을 사용하였으며 YD-128의 고점도를 낮추기 위해 methylethylketone(MEK)을 희석제로 사용하였다.

에폭시 수지와 경화제 DDM을 당량비 1:1로 혼합하여 섭씨 70에서 녹이고 MEK를 에폭시 수지와 무게비 1:1로 첨가하여 희석시켰다.

중합된 CNT 방열 수지의 주요 재료 성분비는 CNT 2%, 그라파이트 25%, 카본블랙 50%, 에폭시 23%로 합성하였다.

본 발명의 실시 예에서, 상기 나피온은 상기 탄소나노튜브 중량에 대해 10-100배로 혼합하였으며, 상기 열 경화성 수지는 상기 탄소나노튜브 중량에 대해 하나의 실시 예로써 8-15배로 혼합하였다.

도 7은 CNT를 이용한 전자파 차폐실험 결과를 나타낸 도면이다.

도 7에 나타난 바와 같이, CNT는 두께의 영향을 받기는 하지만 0.01mm로 약 10dB이상의 차폐성능을 얻을 수 있는 것을 확인할 수 있었으며, 전자기기에 많이 사용 되는 1.8GHz에서 17dB정도의 차폐성능을 보이는 것을 확인하였다. 여기에서 0.1mm는 PE 필름의 두께이며, CNT는 0.004mm, 0.008mm, 0.013mm가 도포된 것을 측정한 결과이다.

상기 도포량 0.013nm이 전자파 차폐효과 15dB(99.9%) 있는 것으로 확인되었다.

본 발명의 실시 예에서, 상기 탄소나노튜브의 함유량을 2-5 중량%로 하여 열 분산을 조절하였으며, 상기 탄소나노튜브의 함유량을 2-5 중량%로 조절하고, 상기 탄소나노튜브 도포량이 커짐에 따라 전자파 차폐효과가 증대될 수 있다.

상기한 바와 같이, 본 발명은 탄소나노튜브(CNT)에 나피온 (nafion) 용제 및 열 경화성 수지가 혼합된 CNT를 이용한 용접용 접착제 조성물을 제공할 수 있다.

이상에서, 본 발명의 실시 예를 구성하는 모든 구성 요소들이 하나로 결합하거나 결합하여 동작하는 것으로 설명되었다고 해서, 본 발명이 반드시 이러한 실시예에 한정되는 것은 아니다. 즉, 본 발명의 목적 범위 안에서라면, 그 모든 구성 요소들이 하나 이상으로 선택적으로 결합하여 동작할 수도 있다. 또한, 이상에서 기재된 "포함하다", "구성하다" 또는 "가지다" 등의 용어는, 특별히 반대되는 기재가 없는 한, 해당 구성 요소가 내재할 수 있음을 의미하는 것이므로, 다른 구성 요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있는 것으로 해석되어야 한다. 기술적이거나 과학적인 용어를 포함한 모든 용어들은, 다르게 정의되지 않는 한, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미가 있다. 사전에 정의된 용어와 같이 일반적으로 사용되는 용어들은 관련 기술의 문맥상의 의미와 일치하는 것으로 해석되어야 하며, 본 발명에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.

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 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 발명에 개시된 실시 예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 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 (6)

1. 탄소나노튜브(CNT)에 나피온 (nafion), 용제 및 열 경화성 수지가 혼합되어 이루어지는 것을 특징으로 하는 CNT를 이용한 용접용 접착제 조성물.
2. 제 1항에 있어서, 상기 용제는 물과 프로판울(propanol)이 혼합되어 이루어지는 것을 특징으로 하는 CNT를 이용한 용접용 접착제 조성물.
3. 제 2항에 있어서, 상기 용제는 물과 프로판올이 80:20 내지 60:40의 중량비로 혼합되어 이루어지는 것을 특징으로 하는 CNT를 이용한 용접용 접착제 조성물.
4. 제 3항에 있어서, 상기 용제는 물과 프로판올이 80:20의 중량비로 혼합되어 이루어지는 것을 특징으로 하는 CNT를 이용한 용접용 접착제 조성물.
5. 제 1항에 있어서, 상기 나피온은 상기 탄소나노튜브 중량에 대해 10-100배로 혼합되는 것을 특징으로 하는 CNT를 이용한 용접용 접착제 조성물.
6. 제 1항에 있어서, 상기 탄소나노튜브의 함유량을 2-5 중량%로 조절하고, 상기 탄소나노튜브 도포량에 비례하여 전자파 차폐효과가 증대되는 것을 특징으로 하는 CNT를 이용한 용접용 접착제 조성물.

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