KR100425630B1 - 금속처리된 탄소나노튜브를 포함하는 전자파차폐 조성물 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 리튬 또는 칼륨 등과 같은 금속으로 금속처리된 탄소나노튜브를 페놀수지 중합체의 원료인 폴리올과 페놀수지 중합체의 원료인 알데히드류 및 탄소수 1 내지 4의 저급알코올, 아세톤 또는 이들 중 2 이상의 혼합물로 이루어지는 그룹 중에서 선택되는 용제들과 혼합하여 전자기기의 표면에의 간단한 도포에 의하여 해당 전자기기로부터 방출되는 전자파를 차폐할 수 있도록 하는 전자파차폐 조성물에 관한 것으로서, 리튬 또는 칼륨 등과 같은 금속으로 금속처리된 탄소나노튜브 10 내지 30중량%, 페놀수지 중합체의 원료인 폴리올 2 내지 10중량%, 페놀수지 중합체의 원료인 알데히드류 3 내지 12중량% 및 잔량으로서 탄소수 1 내지 4의 저급알코올, 아세톤 또는 이들 중 2이상의 혼합물로 이루어진 그룹 중에서 선택되는 용제를 포함하여 이루어짐을 특징으로 한다.
Description
본 발명은 금속처리된 탄소나노튜브를 포함하는 전자파차폐 조성물에 관한 것이다.
보다 상세하게는 본 발명은 리튬 또는 칼륨 등과 같은 금속으로 금속처리된 탄소나노튜브를 페놀수지 중합체의 원료인 폴리올과 페놀수지 중합체의 원료인 알데히드류 및 탄소수 1 내지 4의 저급알코올, 아세톤 또는 이들 중 2 이상의 혼합물로 이루어지는 그룹 중에서 선택되는 용제들과 혼합하여 전자기기의 표면에의 간단한 도포에 의하여 해당 전자기기로부터 방출되는 전자파를 차폐할 수 있도록 하는 전자파차폐 조성물에 관한 것이다.
최근 이동 통신, 정보 통신 등 전자통신 산업의 급속한 발전과 함께 관련 통신전자 장비의 고속화·고밀도화 및 경량화의 요구에 부응하여 다수의 다양한 고성능 기기와 전자기기들의 소형화가 경쟁적으로 진행되면서 카메라 일체형 비디오테이프리코더(VCR ; video tape recorder), 휴대용 퍼스널 컴퓨터, 휴대용 텔레비전, 휴대폰 등 휴대용 전자기기에 있어서 전자파에 대한 문제가 크게 대두되고 있고, 이들의 극소화를 위한 노력이 대대적으로 이루어지고 있다. 그러나, 현재까지 상기 전자기기들의 전자파를 상대적으로 낮추는 기술은 어느 정도 가시화되어 왔으나, 상대적으로 전자파의 크기는 감소하지 않아 이를 해결하기 위해 상당한 노력이 경주되고 있다. 또한 전자파는 보이지도 들리지도 않으면서 인체에 유해한 영향을 미치는 것으로 밝혀지면서 제4의 공해로 부각되고 있다. 국내외에서 생산된 컴퓨터로 실험한 결과, 컴퓨터 본체에 키보드가 연결되어 있을 때를 기준으로 접지가 안된 경우의 전계는 평균 91.4V/m인 반면, 접지가 된 경우는 4.5V/m로 20배 이상의 차이가 나는 것으로 보고되고 있다. 스웨덴이 정하고 있는 컴퓨터 모니터 전면 30cm거리에서의 전자파 규격이 10V/m인 점을 고려하면 접지가 안된 키보드에서 발생하는 전자파의 세기는 상당한 편이다. 그런데 더욱 문제가 되는 것은, 요즘 국민 퍼스널 컴퓨터의 출시로 각 기업들이 가격경쟁에 돌입하면서 전자파 차단을 위한 대책 마련과 투자가 소홀해질 것이라는 염려 때문이다. 컴퓨터 모니터의 전자파를 규제하는 법규가 국제규격에 준해서 조속히 마련돼야 하며, 각 제품마다 사용하는 케이스 및 부분품에 대한 전자파를 최소화할 수 있는 방안이 마련되어져야 하고, 전자파 방출량을 표기하여 사용자가 보호되어야 한다고 할 수 있다.
우리 인체는 기본적으로 전기가 통하고, 인체의 미약한 전기신호체계가 강한 전기장에 유도되면 비정상적인 전기가 흐르게 되며 사람의 체질에 따라 각종 질병을 유발시키는 것으로 알려져 있다.
1998년 프랭크(Frank)는 SPM(Scanning probing microscopy)을 이용하여 탄소나노섬유를 수은 액체상에 담지하여 전도성을 측정하였다. 그 결과 탄소나노튜브가 양자 거동을 보이면서 획기적인 전도성(ballistic conductance)을 가진다고 보고하였다.
다중벽 나노튜브(MWNT ; multi wall nanotube)의 전도성은 각 나노튜브가 수은 액체 상에 첨가될 때마다 1Go만큼 증가하였다. 이때 Go의 값은 1/12.9㏀ -1(?확인필요)이다. 1999년 산비토(Sanvito) 등은 스캐터링(scattering) 기법을 이용하여 다중벽 나노튜브의 전도성을 측정하였으며, 프랭크의 실험결과를 재확인하였다. 또한 이들은 다중벽 나노튜브 내의 양자전도성 채널이 벽과 벽 사이의 반응(interwall reaction)에 의해 감소됨을 관찰하였고, 이 반응에 의해 각 탄소나노튜브의 전자흐름이 재배치됨을 관찰하였다. 테스(Thess) 등은 로프(rope) 형태의 금속성 단일벽 나노튜브(SWNT ; single wall nanotube)의 저항을 4점법을 이용하여, 300K에서 약 10-4Ω·cm 임을 관찰하였으며, 이 값은 현재 알려진 고전도성 탄소나노섬유보다 더 높은 값을 가진 것으로 나타났다. 프랭크 등과 아보리스(Avouris) 등은 각각 107A/㎠ 이상, 1013A/㎠ 이상의 안정된 전류밀도가 나타남을 관찰하였다.
하기 표 1에 각종 일반 탄소재료들의 전기저항값을 나타내었다.
[표 1]
지금까지 서술한 것처럼 전자파의 차폐는 합성 고분자에 금속을 첨가하여 도전성을 증가시켜 전자의 유도경로를 바꾸어 차폐의 효과를 내었다. 뿐만 아니라, 기존의 나노튜브는 제조방법에 있어서 수율이 적기 때문에 기존 제조 방법으로는 이들에 수요를 충족시켜주지 못할 것으로 예상된다. 뿐만 아니라, 나노튜브 역시 다른 탄소와 마찬가지로 망평면을 구성하고 있는 π전자의 거동에 따라 유사한 효과를 보이고 있다.
본 발명의 목적은 단순히 전자기기의 표면에 도포시키는 것으로 전자파차폐효과를 높일 수 있는 금속처리된 탄소나노튜브를 포함하는 전자파차폐 조성물을 제공하는데 있다.
본 발명에 따른 금속처리된 탄소나노튜브를 포함하는 전자파차폐 조성물은, 리튬 또는 칼륨 등과 같은 금속으로 금속처리된 탄소나노튜브 10 내지 30중량%, 페놀수지 중합체의 원료인 폴리올 2 내지 10중량%, 페놀수지 중합체의 원료인 알데히드류 3 내지 12중량% 및 잔량으로서 탄소수 1 내지 4의 저급알코올, 아세톤 또는 이들 중 2이상의 혼합물로 이루어지는 그룹 중에서 선택되는 용제를 포함하여 이루어진다.
이하, 본 발명을 구체적인 실시예를 참조하여 상세히 설명한다.
본 발명에 따른 금속처리된 탄소나노튜브를 포함하는 전자파차폐 조성물은, 리튬 또는 칼륨 등과 같은 금속으로 금속처리된 탄소나노튜브 10 내지 30중량%, 페놀수지 중합체의 원료인 폴리올 2 내지 10중량%, 페놀수지 중합체의 원료인 알데히드류 3 내지 12중량% 및 잔량으로서 탄소수 1 내지 4의 저급알코올, 아세톤 또는 이들 중 2이상의 혼합물로 이루어지는 그룹 중에서 선택되는 용제를 포함하여 이루어짐을 특징으로 한다.
상기에서의 탄소나노튜브는 공지된 것으로서, 탄소나노튜브 자체의 합성은 통상적으로는 다음과 같이 수행되며, 당업자에게는 공지의 것으로 이해된다.
우선, 니켈(Ni)과 구리(Cu)의 산화물, 질화물, 탄화물 등과 같은 금속 촉매를 2성분으로 하여 증류수에 용해시킨다. 그리고, 암모늄 비카보네이트(ammonium bicarbonate)와 같은 침전 조성제를 넣어 침전을 형성시키고, 증류수로 수회 세척, 건조 및 분쇄하여 비산화성 분위기에서 냉각시킨다. 이렇게 수득된 금속 촉매 600mg 정도를 알루미나 보트에 넣고, 튜브형 전기로에서 700 내지 750℃에서 수소/질소/암모니아 혼합가스(흐름속도 25 내지 30㎖/min)로 환원시키면서 2 내지 3시간 반응시켜 탄소나노튜브를 수득한다. 기상의 탄화수소를 원료로 화학증착법에 의해서 탄소나노튜브가 생성될 때 그 구조와 물리·화학적 성질에 영향을 주는 요인으로 금속촉매 외에도 가스의 조성, 반응 온도, 가스 유량(혹은 체류시간), 반응시간 등이 있다.
상기에서 금속처리된 탄소나노튜브는 통상의 탄소나노튜브에 금속을 처리하여 담지시킨 것이다. 탄소나노튜브를 금속으로 처리하여 담지시키므로써 탄소나노튜브의 전기전도성을 보다 증가시킬 수 있다. 탄소나노튜브에의 금속의 담지는 공지된 바와 같이 흑연에 금속을 층간 삽입시킬 때 사용하는 고온 고압법 및 알칼리금속 증기 증착법에 의하여 가능하다. 담지되는 금속물질로는 알칼리금속, 알칼리 토금속, 루이스산 등을 사용할 수 있다. 또한 암모니아와 같은 염기성 화합물도 상기 화합물을 사용하여 두 번째 담지물질로 담지시킬 수 있으며, 이 경우에, 탄소나노튜브에는 두 가지의 담지물질이 담지되게 된다.
이를 구체적으로 기술하면 다음과 같으며, 이 역시 당업자에게는 용이하게 이해될 수 있는 것이다.
리튬의 경우 고온고압법에 의하며, 담지시킬 양의 리튬의 탄소나노튜브에 대한 중량비(10 내지 30중량%)를 칭량하여, 스테인레스 스틸제의 가온가압장치에 투입한다. 이때의 가온가압장치의 온도는 350 내지 400℃로 유지하여 주고, 압력은 약 350kg/㎠ 정도로 유지하면서 5 내지 8시간 반응시키므로써 리튜미 담지된 탄소나노튜브를 수득하게 된다.
한편, 칼륨의 경우 증기증착법에 의하며, 양쪽으로 나뉘어진 변형된 석영제 벌브(bulb) 양측에 각각 소정량의 금속 칼륨과 탄소나노튜브를 투입하고, 칼륨쪽의 온도를 250 내지 450℃, 탄소나노튜브쪽의 온도를 칼륨쪽의 온도보다 약 50℃ 더 높게 유지한다. 이때 반드시 10-5내지 10-3정도의 고진공의 범위에서 실시하여야 한다. 이렇게 가열하면 칼륨이 증기화되어 탄소나노튜브쪽으로 이동한다. 이렇게 하여 칼륨이 담지된 탄소나노튜브 복합체가 형성된다. 칼륨의 탄소나노튜브에의 담지량은 가열온도에 비례하는 칼륨의 휘발량에 따라 결정되며, 대략 탄소나노튜브에 대하여 10중량%의 칼륨을 담지시키기 위하여는 칼륨쪽의 온도를 약 250℃로, 20중량%의 경우 약 300℃로, 그리고 30중량%의 경우 약 350℃로 비례적으로 온도를 증가시켜 그에 따라 칼륨의 증기량을 조절하는 것으로 달성될 수 있다.
금속처리된 탄소나노튜브에서 금속의 담지량은 목적하는 전자파차폐의 대상이 되는 전자기기의 종류 및 담지되는 금속의 종류에 따라 달라질 수 있으나, 바람직하게는 탄소나노튜브에 대하여 25 내지 30중량%가 될 수 있다.
본 발명에 따른 금속처리된 탄소나노튜브를 포함하는 전자파차폐 조성물은, 리튬 또는 칼륨 등과 같은 금속으로 금속처리된 탄소나노튜브 10 내지 30중량%, 페놀수지 중합체의 원료인 폴리올 2 내지 10중량%, 페놀수지 중합체의 원료인 알데히드류 3 내지 12중량%, 안료 1 내지 5중량%, 분산제 7 내지 8중량%, 플로우 개량제 7 내지 8중량%, 소포제 7 내지 8중량%, 경화제 7 내지 8중량% 및 잔량으로서 탄소수 1 내지 4의 저급알코올, 아세톤 또는 이들 중 2이상의 혼합물로 이루어지는 그룹 중에서 선택되는 용제를 포함하여 이루어짐을 특징으로 한다.
상기에서 안료, 분산제, 플로우 개량제, 소포제 및 경화제 등과 같은 첨가제들은 페인트 등의 상용화된 코팅제들에서 상용적으로 사용되는 것들로서 당업자들에게는 용이하게 구입하여 사용할 수 있을 정도로 공지된 것들이다.
이하에서 본 발명의 바람직한 실시예 및 비교예들이 기술되어질 것이다.
이하의 실시예들은 본 발명을 예증하기 위한 것으로서 본 발명의 범위를 국한시키는 것으로 이해되어져서는 안될 것이다.
실험예 1
통상의 방법에 의하여 수득된 탄소나노튜브 90g과 금속 리튬 10g을 칭량하여, 스테인레스 스틸제의 가온가압장치에 투입하였다. 이때의 가온가압장치의 온도는 약 380℃로 유지하였고, 압력은 약 350kg/㎠ 정도로 유지하면서 약 7시간 반응시키므로써 리튬이 10중량% 담지되어 금속처리된 탄소나노튜브를 수득하였다.
실험예 2
탄소나노튜브 80g과 금속 리튬 20g을 사용하는 것을 제외하고는 상기 실험예 1과 동일하게 수행하여 리튬이 20중량% 담지되어 금속처리된 탄소나노튜브를 수득하였다.
실험예 3
탄소나노튜브 70g과 금속 리튬 30g을 사용하는 것을 제외하고는 상기 실험예 1과 동일하게 수행하여 리튬이 30중량% 담지되어 금속처리된 탄소나노튜브를 수득하였다.
실험예 4
양쪽으로 나뉘어진 변형된 석영제 벌브(bulb) 양측에 각각 소정량의 금속 칼륨과 탄소나노튜브를 투입하고, 칼륨쪽의 온도를 약 250℃, 탄소나노튜브쪽의 온도를 약 300℃로 가열하였다. 이때의 진공도는 10-4정도로 유지하였다. 이렇게 5 내지 10분 정도 가열상태를 유지하여 칼륨이 10중량% 담지되어 금속처리된 탄소나노튜브를 수득하였다.
실험예 5
칼륨쪽의 온도를 약 300℃, 탄소나노튜브쪽의 온도를 약 350℃로 가열하는 것을 제외하고는 상기 실험예 4와 동일하게 수행하여 칼륨이 20중량% 담지되어 금속처리된 탄소나노튜브를 수득하였다.
실험예 6
칼륨쪽의 온도를 약 350℃, 탄소나노튜브쪽의 온도를 약 400℃로 가열하는 것을 제외하고는 상기 실험예 4와 동일하게 수행하여 칼륨이 30중량% 담지되어 금속처리된 탄소나노튜브를 수득하였다.
실시예
상기 실시예들에서 수득된 금속처리된 탄소나노튜브를 포함하는 전도성 도포액을 제조하고, 이 도포액에 의하여 형성되는 박막의 특성을 평가하였다.
금속처리된 탄소나노튜브 20중량%를 페놀수지 중합체의 원료인 폴리올 6중량%, 페놀수지 중합체의 원료인 알데히드류 8중량% 및 잔량으로서 메탄올을 혼합하여 본 발명에 따른 전자파차폐 조성물을 제조하였다.
수득된 전자파차폐 조성물에 대하여 도막 물성 및 EMI 차폐효과를 분석하였다. 통상의 도포방법으로 상기 전자파차폐 조성물을 매트릭스로서 페놀수지, 흑연 시이트(sheet), 활성탄섬유 부직포들의 표면에 도포하고, 도막이 형성된 후, 전기전도도와 전자파차폐 효과를 측정하였다. 전자파 차폐의 특성은 미국 소재 휴렛팩커드사의 스펙트럼 분석기(spectrum analyzer)를 사용하여 측정하였고, 그 결과를 하기 표 2에 나타내었다.
[표 2]
상기 표 2에서 나타난 바와 같이, 본 발명에 따른 전자파차폐 조성물의 경우, 그 도막의 물성에서 전도도 및 전자파차폐 효과의 면에서 각 매트릭스들에 대해 탄소나노튜브에 담지되는 금속의 함량이 증가할수록 높아지는 것을 확인할 수 있었다.
결국, 본 발명에 따라 금속처리된 탄소나노튜브를 포함하는 전자파차폐 조성물은 상기 금속처리된 탄소나노튜브에 담지되는 금속의 함량을 적절히 조절하여 적용되는 전자기기의 종류에 따라 충분한 전자파차폐효과를 높일 수 있음을 확인할 수 있었다.
따라서, 본 발명에 의하면 금속처리된 탄소나노튜브를 페놀수지 중합체의 원료인 폴리올과 페놀수지 중합체의 원료인 알데히드류 및 탄소수 1 내지 4의 저급알코올, 아세톤 또는 이들 중 2 이상의 혼합물로 이루어지는 그룹 중에서 선택되는 용제들과 혼합하여 전자기기의 표면에의 간단한 도포에 의하여 해당 전자기기로부터 방출되는 전자파를 차폐할 수 있도록 하는 전자파차폐 조성물을 제공하는 효과가 있으며, 또한 적용되는 전자기기의 종류 및 전자파 방출량에 따라 적절히 조절된 전자파차폐효과를 갖는 전자파차폐 조성물을 제공하는 효과가 있다.
이상에서 본 발명은 기재된 구체예에 대해서만 상세히 설명되었지만 본 발명의 기술사상 범위 내에서 다양한 변형 및 수정이 가능함은 당업자에게 있어서 명백한 것이며, 이러한 변형 및 수정이 첨부된 특허청구범위에 속함은 당연한 것이다.
Claims (2)
- 리튬 또는 칼륨 등과 같은 금속으로 금속처리된 탄소나노튜브 10 내지 30중량%, 페놀수지 중합체의 원료인 폴리올 2 내지 10중량%, 페놀수지 중합체의 원료인 알데히드류 3 내지 12중량% 및 잔량으로서 탄소수 1 내지 4의 저급알코올, 아세톤 또는 이들 중 2이상의 혼합물로 이루어지는 그룹 중에서 선택되는 용제를 포함하여 이루어짐을 특징으로 하는 금속처리된 탄소나노튜브를 포함하는 전자파차폐 조성물.
- 리튬 또는 칼륨 등과 같은 금속처리된 탄소나노튜브 10 내지 30중량%를 페놀수지로 화하는 폴리올 2 내지 10중량%, 알데히드류 3 내지 12중량%, 안료 1 내지 5중량%, 7 내지 8중량%의 분산제, 7 내지 8중량%의 플로우 개량제, 7 내지 8중량%의 소포제, 7 내지 8중량%의 경화제 및 잔량으로서 탄소수 1 내지 4의 저급알코올, 아세톤 또는 이들 중 2 이상의 혼합물들로 이루어진 그룹 중에서 선택되는 용제를 포함하여 이루어짐을 특징으로 하는 금속처리된 탄소나노튜브를 포함하는 전자파차폐 조성물.
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