[논문]전기활성 고분자 전극용 탄소입자 강화고무의 전기적 및 기계적 특성

이준만; 류상렬; 이동주

doi:10.3795/ksme-a.2013.37.12.1465

전기활성 고분자 전극용 탄소입자 강화고무의 전기적 및 기계적 특성
Electrical and Mechanical Properties of Carbon Particle Reinforced Rubber for Electro-Active Polymer Electrode 원문보기

大韓機械學會論文集. Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers. A. A, v.37 no.12, 2013년, pp.1465 - 1471

이준만 (대구경북과학기술원 로봇공학전공) , 류상렬 (영남대학교 기계공학부) , 이동주 (영남대학교 기계공학부)

초록
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다중벽 탄소나노튜브 (CNT), 카본블랙 (CB) 그리고 희석제의 함유량에 따른 상온경화형 실리콘 고무복합재료의 전기적 및 기계적 특성에 대해 연구하였다. 기지 내에 CNT 및 CB의 분산을 향상시키기 위해서 희석제를 사용하였다. CNT 강화 복합재료의 전기적 및 기계적 특성은 같은 함유량의 CB이 강화된 복합재료에 비해 향상되었다. 희석제의 함유량이 80phr일 때, 복합재료의 전기저항은 CNT 함유량 증가에 따라 크게 감소하였고, CNT 2.5phr에서 접촉점 포화현상을 보였다. 희석제 함유량 증가에 따라 전도성 입자들의 분산은 향상되었지만, CB의 무게비 감소로 임계 CB 함유량은 증가하였다. 희석제의 함유량 증가로 많은 CNT와 CB의 혼합이 가능하므로 유연하면서 전기적 특성이 우수한 전극의 제작이 가능하다고 판단된다.

Abstract ▼ AI-Helper

The electrical and mechanical properties of room temperature vulcanized (RTV) silicone rubber composites are investigated as functions of multi-walled carbon nanotube (CNT), carbon black (CB), and thinner content. The thinner is used to improve the CNT and CB dispersion in the matrix. The electrical and mechanical properties of the composite with CNT are improved when compared to the composite with CB at the same content. As the thinner content is 80 phr, the electric resistance of the composite decreases significantly with the CNT content and shows contact point saturation of CNT at 2.5 phr. As the thinner content increases, the dispersion of conductive particles improves; however, the critical CB content increases because of the reduction in the CB weight ratio. It is believed that an electrode that needs good flexibility and excellent electrical properties can be manufactured when the amount of CNT and CB are increased with the thinner content.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 기지에 희석제의 첨가로 CNT 및 CB(carbon black) 입자의 분산성 향상 및 연질의 재료를 만들고자하며, CNT 및 CB 함유량에 따른 실리콘 고무복합재료의 전기적 및 기계적 특성을 평가한다. 향후 유연한 전극이 필요한 전기활성 고분자(electro-active polymers) 작동기(actuator) 등에 적용을 목표로 연구 중이다.

제안 방법

실리콘 고무는 절연체이므로 전도성이 뛰어난 CNT 및 CB 등을 첨가하면 실리콘 고무복합재료의 저항은 감소한다. 이런 도전성 특성을 이용하기 위해서 CNT와 같은 전도성 재료가 고무복합 재료에 첨가될 때, 분산 정도를 판단하기 위하여 전기저항을 측정하여 비교한다.⁽¹³⁾ Fig.
인장탄성률은 ε=0.05~0.2 구간의 응력값을 선형화하여 구하였다.
측정시 KS M ISO 2951, KS M 6773을 참고하였으며 상온에서 시험 편(∅40 × 1t)에 10 V를 가하고 5초 후에 표면 및 체적저항을 측정하였다.

대상 데이터

CNT는 한화나노텍(주) 의 Thermal CVD(chemical vapor deposition) 공법으로 제조된 직경 10∼15 nm의 CM-100이었고, 전도성 CB는 새한 실리캠(주)의 직경 20 nm인 Conductex SC Ultra를 사용하였다.
실험에 사용된 기지는 Table 1과 같이 한국신 에츠실리콘의 상온경화형 실리콘 고무인 KE-12를 사용하였고, 기지의 점도 조절을 위하여 한국 신에츠실리콘의 비휘발성 RTV용 희석제를 사용하였다. 또한 탄소 보강재의 종류로는 다중벽 CNT와 CB를 사용하였다. CNT는 한화나노텍(주) 의 Thermal CVD(chemical vapor deposition) 공법으로 제조된 직경 10∼15 nm의 CM-100이었고, 전도성 CB는 새한 실리캠(주)의 직경 20 nm인 Conductex SC Ultra를 사용하였다.
실험에 사용된 기지는 Table 1과 같이 한국신 에츠실리콘의 상온경화형 실리콘 고무인 KE-12를 사용하였고, 기지의 점도 조절을 위하여 한국 신에츠실리콘의 비휘발성 RTV용 희석제를 사용하였다. 또한 탄소 보강재의 종류로는 다중벽 CNT와 CB를 사용하였다.
시험편은 60×10×5 (㎜)의 아령형으로 절단하였으며, 실온에서 500 ㎜/min의 속도로 시험하였다. 실험의 시료는 4개를 사용하였으며 얻어진 결과는 이들을 산술평균 하였다.
측정시 KS M ISO 2951, KS M 6773을 참고하였으며 상온에서 시험 편(∅40 × 1t)에 10 V를 가하고 5초 후에 표면 및 체적저항을 측정하였다. 인장시험은 KS M 6782 을 참고하였으며 LLOYD사의 LRY Plus 시험기를 사용하였다. 시험편은 60×10×5 (㎜)의 아령형으로 절단하였으며, 실온에서 500 ㎜/min의 속도로 시험하였다.
전기적 특성(표면 및 체적 전기저항) 측정은 초고압 절연 메터(HIOKI, SM-8220)로 평판 시료용 전극(SME-8311)을 사용하였다. 측정시 KS M ISO 2951, KS M 6773을 참고하였으며 상온에서 시험 편(∅40 × 1t)에 10 V를 가하고 5초 후에 표면 및 체적저항을 측정하였다.

성능/효과

(1) 동일한 전도성 입자 함유량에서 CB보다 CNT를 강화한 복합재료의 전기저항은 감소하고 인장특성은 향상되었다.
(2) 기지에 희석제 80 phr을 혼합했을 때, CNT 의 함유량 증가에 따라 저항이 크게 감소하였으며, 2.5 phr 이후는 접촉점의 포화로 체적 저항값이 약 4.8 MΩ-㎝로 유사하였다.
(3) 희석제의 함유량 증가로 전도성 입자의 분산은 향상되지만, 입자의 중량비 감소로 체적저항이 크게 감소하는 임계 CB의 함유량은 희석제 함유량이 40, 80 phr일 때, 각각 5, 10 phr로 증가 하였다.
(4) 희석제의 함유량이 증가할수록 많은 양의 CNT 및 CB의 첨가가 가능하여 유연하면서도 전기저항이 낮은 재료의 제조가 가능하며, 작동기 등의 전극재료로 사용이 가능하다고 판단된다.
11은 실리콘 복합재료의 CB 및 희석제 함유량에 따른 인장강도 및 인장탄성률을 나타냈 다. CB 함유량의 증가에 따라 기계적 특성이 향상되었고, 반대로 희석제 함유량 증가에 따라 기계적 특성은 크게 감소되었다. 또한 희석제 함유량이 40 phr 이후에는 연한 재질이 되면서 값 차이가 크지 않았다.
05 ㎫로 매우 유연한 재질이 되었다. CNT의 분 산성에 민감한 인장강도는 CNT 함유량이 1.5 phr 까지 크게 증가하다가 이후 감소하는 경향을 보였다. 이는 희석제가 80 phr 포함된 기지에 CNT를 분산시켰을 때, 분산을 고려한 적정 CNT의 함유량을 의미한다.
또한 희석제 함유량이 40 phr 이후에는 연한 재질이 되면서 값 차이가 크지 않았다. 따라서 희석제의 함유량이 증가할수록 많은 양의 CNT 및 CB의 첨가가 가능하여 유연한 재료의 제조가 가능하면서도, 앞 절 에서 고찰한 전기적 특성이 우수한 재질의 제작이 가능하다고 판단된다.
3는 실리콘 복합재료의 CB, CNT 및 희석제의 유무에 따른 체적저항 변화를 나타냈다. 희석제 80 phr만 혼합된 경우에 비해 희석제 80 + CB 5 phr를 첨가 시 체적저항은 약간 감소하였지만, 두 경우에 대해 각각 CNT 1.5 phr를 혼합한 경우의 체적저항은 크게 감소하였다. 따라서 희석제 첨가 시 동일한 함유량에서 CNT의 경우가 CB의 경우에 비해 전기전도도가 우수함을 알 수 있다.
10은 실리콘 복합재료의 CB, CNT 및 희석제 유무에 따른 인장강도 및 인장탄성률을 나타냈다. 희석제 80 phr일 때, CB 5 phr의 첨가로 인장강도는 기지에 비해 2.8배, 인장탄성률은 3% 증가하였다. 이것은 Fig.
희석제의 함유량 증가에 따라 저항이 크게 증가하였으며, 희석제 80 phr인 경우 기지 보다 체적저항이 약 10배(5.5E+06 ㏁·㎝) 더 증가하는 것을 볼 수 있다.
6에 나타냈다. 희석제의 함유량 증가에 따라 체적저항이 크게 감소하는 임계 CB의 함유량도 증가하였다. 희 석제 80 phr일 때, CB 10 phr 이상에서 복합재료의 저항은 크게 감소하였고, CB 20 phr인 경우 기지에 비해 약 100만배 더 전류가 잘 흐르게 된다.

후속연구

본 연구에서는 기지에 희석제의 첨가로 CNT 및 CB(carbon black) 입자의 분산성 향상 및 연질의 재료를 만들고자하며, CNT 및 CB 함유량에 따른 실리콘 고무복합재료의 전기적 및 기계적 특성을 평가한다. 향후 유연한 전극이 필요한 전기활성 고분자(electro-active polymers) 작동기(actuator) 등에 적용을 목표로 연구 중이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	CNT 번들형태 또는 엉킴현상 등의 응집특성 해결을 위해 수행되는 방법은?	CNT가 기계적으로나 전기적으로 우수한 특성을 가지고 있음에도 불구하고 CNT 응용에 있어 번들형태 또는 엉킴현상 등의 응집특성이 큰 걸림돌이 되고 있다. (6) 이러한 문제를 해결하기 위하여 CNT의 물리적 분산방법과 분산제 또는 계면활성제 등의 화학적 표면처리 방법이 많이 사용되고 있다. (7,8) 이는 고분자기지 안에서 CNT와 고분자 사이에 결합력을 높여 물성을 증가시키고 복합체의 제조를 용이하게 할 수 있다.
	탄소나노튜브는 누구에 의해 발견되었는가?	탄소 나노 재료들과 고분자 재료의 복합화는 고분자 재료의 저강도 및 절연 특성 등의 단점을 보완할 수 있는 방법으로서 그 응용분야가 점차 확대되고 있다. (1,2) 탄소나노튜브(CNT, carbon nanotube)는 1991년 일본 이지마에 의해 발견된 이후 탄소나노 재료 중 많은 관심을 받고 있다. (3) CNT는 튜브형상을 이루는 벽의 수에 따라 단일벽 탄소나노튜브 (SWCNT, single-walled CNT),다중벽 탄소나노튜브 (MWCNT, multi-walled CNT) 등으로 구분할 수 있으며, MWCNT의 경우 상대적으로 직경이 커서 응 집현상보다는 고분자 사슬의 엉킴현상과 유사한 특성을 보여준다.
	CNT는 어떻게 구분되는가?	(1,2) 탄소나노튜브(CNT, carbon nanotube)는 1991년 일본 이지마에 의해 발견된 이후 탄소나노 재료 중 많은 관심을 받고 있다. (3) CNT는 튜브형상을 이루는 벽의 수에 따라 단일벽 탄소나노튜브 (SWCNT, single-walled CNT),다중벽 탄소나노튜브 (MWCNT, multi-walled CNT) 등으로 구분할 수 있으며, MWCNT의 경우 상대적으로 직경이 커서 응 집현상보다는 고분자 사슬의 엉킴현상과 유사한 특성을 보여준다. CNT는 완벽한 구조와 기계적, 물리적, 전기적 및 열적 특성을 갖고 있으며 전기전자, 정보통신, 에너지, 바이오 등 폭넓은 분야에서 연구가 되고 있다.

참고문헌 (16)

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