김태형
(Tae Hyoung Kim)
1iD
서동주
(Dong Ju Seo)
2
윤창호
(Chang Ho Yun)
3
박종건
(Jong Gun Park)
4†iD
송기창
(Ki Chang Song)
5iD
허광희
(Gwang Hee Heo)
6iD
-
건양대학교 의료신소재학과 박사과정
(Konyang University·20856503@Konyang.ac.kr)
-
정회원·건양대학교 재난안전공학과 박사과정
(Konyang University·ws9500@naver.com)
-
건양대학교 재난안전공학과 박사과정
(Konyang University·forchyun99@korea.kr)
-
정회원·교신저자·건양대학교 공공안전연구소 전임연구원, 공학박사
(Corresponding Author․Konyang University·park2630@konyang.ac.kr)
-
건양대학교 의료신소재학과 교수, 공학박사
(Konyang University·songkc@konyang.ac.kr)
-
종신회원·건양대학교 해외건설플랜트학과 교수, 공학박사
(Konyang University·heo@konyang.ac.kr)
Copyright © 2021 by the Korean Society of Civil Engineers
키워드
다중벽 탄소나노튜브, 전도성 코팅 필름, 자가 발열, 전기적 특성, 표면 코팅
Key words
Multi-walled carbon nanotubes, Conductive coating film, Self-heating, Electrical property, Surface coating
1. 서 론
콘크리트 구조물은 시멘트 계 및 유기 재료들을 물, 모래, 자갈 등과 사용하여 수화 반응을 통해 제조되며, 우수한 강도 및 내구성, 내화성, 내수성의
특성으로 인하여 교량, 도로, 건축물 등 다양한 건설 공사에 사용되고 있다(Zang et al., 2024; Ahn, 2024). 이때, 겨울철 도로에 쌓인 눈이나 블랙아이스(도로 살얼음)에 의한 교통사고는 물론 콘크리트 구조물에 심각한 피해가 유발할 수 있다(Lee and Lee, 2003). 이러한 문제를 해결하기 위해 시멘트 복합체에 MWCNT와 같은 탄소나노재료를 사용하여 발열 성능을 확보하려는 연구가 활발히 진행 중이다.
MWCNT는 높은 열전도도와 전기전도도를 가지고 있으며, 시멘트 복합체에 적용 시 역학적 강도, 전기전도도 및 발열 성능을 향상시킬 수 있다. 특히
구리에 비해 열전도도는 약 7.5배, 전기전도도는 약 100배 정도 높다고 평가되며, 건설재료 분야에서 혁신적인 소재로 주목받고 있다. Choi et al.(2024)는 마이크로 강섬유와 MWCNT를 시멘트와 혼합하여 별열 효과가 나타내었음을 확인하였다. Seo et al.(2023)은 마이크로 탄소와 강섬유가 혼합된 시멘트 복합체를 제조하였으며, 탄소섬유의 첨가량이 증가함에 따라 발열 효과가 증가함을 확인하였다. 시멘트 복합체의
발열 특성을 향상하기 위해 니켈이나 철크롬선과 같은 열선을 사용하는 경우 전기저항으로 인해 특정 부위에서 국부적으로 열이 발생하는 반면, MWCNT
전도성 코팅 필름은 면 전체에서 균일하게 열을 발생시키는 면상 발열체로서의 장점을 제공한다.
따라서 본 연구에서는 다중벽 탄소나노튜브(MWCNT)가 PET 필름의 표면 전면에 도포하는 바코팅 방식을 이용하여 전도성이 있는 MWCNT/PET
복합 코팅 필름을 제조하였으며, MWCNT의 혼합 비율에 따른 코팅 필름의 투과도, 표면 현상, 전기적 및 자가 발열 특성에 미치는 영향을 분석하였다.
2. 재료 및 실험 방법
2.1 재료
본 연구에 사용된 코팅 기재는 두께 약 100 ㎛의 Polyethylene terephthalate (PET) 필름을 사용하였다. 아울러, 코팅 표면에
전도성을 부여하기 위한 전도성 재료인 2 % 농도의 MWCNT 분산액은 국내의 전문 생산 업체인 D사로부터 구매하였다. 안정적인 코팅을 진행하기 위해
A사의 수분산 폴리우레탄 용액(Polyurethane dispersion, PUD, solid 40 %, particle size〈 200 ㎚, pH
8.0)을 사용하였다.
2.2 MWCNT 코팅 용액 및 필름 제조
2 wt % MWCNT 수용액을 일정 비율로 수분산 폴리우레탄 용액이 들어있는 바이알에 첨가하여 10분간 500 rpm으로 혼합하여 MWCNT 코팅
용액을 제조하였다. 코팅을 진행하기 위해 직사각형 크기의 PET 필름(6×20×1 ㎝)의 표면을 에탄올로 세척하고 건조시켰다. 그런 다음, 표면을
친수성으로 개질하기 위해 플라즈마 처리기(CUTE, Femto Science, Korea) 내의 챔버에 필름을 위치시키고, 진공 펌프를 이용하여 5×10-1
torr로 진공 상태를 조성한 뒤, 산소를 30 sccm으로 흘려주면서 플라즈마 처리의 설정값은 장비의 기본 셋팅에 맞춰 10분간 표면 처리를 진행하였다.
표면이 개질된 PET 필름 표면에 2 mL의 MWCNT 코팅 용액을 바 코터(No.24, RDS, USA)를 사용하여 용액을 필름 표면에 고르게 도포시킨
후 상온에서 하루 동안 건조시켜 코팅 도막을 형성시켰다. 코팅 용액의 조성 비율은 Table 1과 같으며, MWCNT 코팅 용액 및 전도성 필름 제조 과정은 Fig. 1을 통하여 도식화하였다.
Fig. 1. Schematic Diagram of the Preparation of MWCNT Conductive Coating Film
Table 1. Composition of MWCNT Coating Solutions Prepared according to Different Mixing
Ratios of MWCNT and PUD
|
Samples ID
|
Mixing ratios (wt%)
|
|
MWCNT
|
PUD
|
|
M00
|
0
|
100
|
|
M91
|
91
|
9
|
|
M93
|
93
|
7
|
|
M95
|
95
|
5
|
|
M97
|
97
|
3
|
|
M99
|
99
|
1
|
|
M100
|
100
|
0
|
2.3 실험 방법
2.3.1 투과도
다양한 혼합 비율로 제조된 MWCNT 전도성 코팅 필름 투과도는 200~800 nm 파장 범위에서 UV-visible spectrometer (UV-2450,
Shimadzu)를 사용하여 분석하였다.
2.3.2 표면 분석
코팅 필름 표면의 형상 및 MWCNT 분포를 관찰하기 위해 FE-SEM (MIRA3-LMH, Tescan)을 사용하였다. 먼저 시료를 백금으로 코팅한
뒤, 가속 전압을 10 kV으로 설정하여 10만 배율에서 표면 분석을 진행하였다.
2.3.3 자가 발열
MWCNT의 다양한 혼합 비율에 따른 전도성 코팅 필름의 자가 발열 특성을 확인하기 위해 40 ㎜, 120 ㎜ 간격으로 설치된 구리 메쉬 전극에 클램프를
연결한 뒤, 전원공급장치(DC power supply, AK 3005)를 이용하여 인가전압을 10 V, 20 V, 30 V, 40 V, 50 V,
60 V로 다양하게 설정하여 공급하였다. 그런 다음, 초기 측정 시작 온도를 30℃를 일정한 상태에서 적외선 열화상 카메라(Infrared thermal
camera, T630sc, FLIR)를 이용하여 1분간 공급된 인가전압에 따른 필름 표면온도를 측정하였다.
2.3.4 전기적 특성
MWCNT 전도성 코팅 필름의 전기저항 특성을 확인하기 위해 디지털 멀티미터(digital multimeter, Keithley 6220)를 이용하였으며,
Fig. 2와 같이 코팅 필름 표면에 전극을 구리 테이프를 이용하여 40 ㎜와 120 ㎜ 간격으로 설치하였다. 디지털 멀티미터를 2개의 프루브를 통해 필름의
전극을 연결한 뒤, 전류를 흘러주면서 필름에 의해 발생하는 전기 저항값을 측정하였다.
Fig. 2. Scheme Illustration for Electrical Resistance of MWCNT Conductive Coating
Film
3. 실험 결과 및 분석
3.1 MWCNT 코팅 용액 및 전도성 필름 사진
Fig. 3은 MWCNT의 혼합 비율을 0 %, 91 %, 93 %, 95 %, 97 %, 99 %, 100 %으로 달리하여 수분산 폴리우레탄과 혼합시킨 용액의
사진이다. MWCNT가 첨가되지 않은 코팅 용액(M00)은 흰색의 불투명한 색상을 나타낸 반면, MWCNT가 첨가된 코팅 용액은 모두 검은 색상을
나타낸다. 아울러, 용액이 전체적으로 고르게 검은색을 나타난 것을 통해 MWCNT가 폴리우레탄과 고르게 혼합되어 전도성 MWCNT 코팅 필름 용액으로
적용이 가능함을 알 수 있다.
Fig. 4는 MWCNT의 혼합 비율을 달리하여 제조된 코팅 용액으로 제조된 MWCNT 전도성 코팅 필름의 표면 사진이다. MWCNT가 첨가되지 않은 코팅 필름(M00)은
투명한 상태를 확인할 수 있었다. 반면, MWCNT가 첨가된 코팅 필름은 모두 검은 색상을 나타냈다. 이를 통해서 MWCNT가 PET 필름 전면에
고르게 코팅되었음을 의미한다. 아울러, M99 시료와 M100 시료의 코팅 필름에서 부분적으로 MWCNT가 응집되는 현상이 나타나는 것을 확인되어
MWCNT의 혼합비율이 97 % 이하로 첨가할 필요가 있다고 판단된다.
Fig. 3. MWCNT Coating Solutions Prepared with Different Mixing Ratios of MWCNT and
PUD
Fig. 4. MWCNT Conductive Coating Film Prepared with Different Mixing Ratios of MWCNT
3.2 MWCNT 전도성 코팅 필름의 투과도
MWCNT 전도성 코팅 필름의 투과도 측정은 PET 필름 표면에 MWCNT 코팅층이 고르게 형성되었는지 확인하기 위함이다. 따라서 Fig. 5는 다양한 혼합 비율의 MWCNT로 제조된 MWCNT 전도성 코팅 필름의 투과도를 나타낸 사진이다. 코팅되지 않은 PET 필름과 우레탄만 코팅된 M00
시료에서는 가시광선 영역에서 86 %의 투과도를 보인 반면, MWCNT가 코팅된 전도성 필름은 모두 가시광선 영역에서 0 %의 투과도를 나타냈다.
이는 MWCNT가 PET 필름 표면에 MWCNT 코팅층이 고르게 형성되어 있음을 알 수 있다.
Fig. 5. Transmittance of MWCNT Conductive Coating Films Prepared with Different Mixing
Ratios of MWCNT
3.3 MWCNT 전도성 코팅 필름의 표면 형상 특성
Fig. 6은 MWCNT의 다양한 혼합 비율로 제조된 MWCNT 전도성 코팅 필름의 표면을 FE-SEM을 통하여 관찰한 사진이다. MWCNT가 첨가된 전도성
코팅 필름의 표면에 20~30 ㎚ 두께의 MWCNT가 고르게 분산되어 코팅층이 형성된 것을 알 수 있다. 아울러, MWCNT의 혼합 비율이 낮을 때는
우레탄이 MWCNT 사이에 채워져 전도성 네트워크의 형성을 차단하고 있으나, MWCNT의 혼합 비율이 증가할수록 MWCNT 사이에 직접 혹은 간접적으로
네트워크가 형성되어 있음을 알 수 있다.
Fig. 6. SEM Images of MWCNT Conductive Coating Films Prepared with Different Mixing
Ratios of MWCNT
3.4 MWCNT 전도성 코팅 필름의 자가 발열 특성
Fig. 7은 다양한 인가전압(10 V, 20 V, 30 V, 40 V, 50 V, 60 V)에서 자가 발열 특성을 측정한 결과를 나타낸 그래프이다. 실험은
일정한 기준과 재현성을 유지하기 위해 1분간 전압을 가하여 코팅 필름에서 발생한 발열 효과를 전극 간격(40 ㎜, 120 ㎜)별로 분석하였다. Fig. 7(a)에서 나타난 바와 같이 전극 간격 40 ㎜의 조건에서 M99 시료 및 M100 시료에서 30 V의 낮은 전압에서 최대 100℃의 온도에 도달하였으며,
M97 시료에서는 40 V의 인가전압에서 100℃에 도달하는 것을 확인하였다. 이때, 고전압(30 V 이상)을 인가할 경우 PET 필름이 손상될 우려가
있으므로 촤대 100℃를 초과하지 않토록 주의가 요구된다. 아울러, 동일한 조건에서 전극의 간격을 120 ㎜로 증가한 경우 Fig. 7(b)에서와 같이 M99 시료 및 M100 시료에서만 인가전압이 60 V일 때 최대 100℃의 온도에 도달하여 우수한 발열 효과를 나타내므로 제설용 도로에
발열체로 적용하기에 적합할 것으로 판단된다. 그러나 M00 시료, M91 시료, M93 시료에서는 인가전압 60 V에서 최대 온도가 32~34℃이므로
발열 효과를 나타내지 않아 제설용 도로에 적용하기 위한 발열체로 적합하지 않은 것으로 판단된다.
Fig. 7. Self-Heating of MWCNT Conductive Coating Films Prepared with Different Mixing
Ratios of MWCNT Equipped with 40 mm (a) and 120 mm (b) Electrodes Spacing
3.5 MWCNT 전도성 코팅 필름의 전기적 특성
Fig. 8은 다양한 혼합 비율의 MWCNT로 제조된 MWCNT 전도성 코팅 필름에 대하여 전극 간격(40 ㎜, 120 ㎜)별로 전기저항을 측정한 사진이다.
MWCNT의 혼합 비율이 증가할수록 전기저항은 감소하였다. 특히, 전극 간격이 40 ㎜일 때, M100 시료에서 전기저항 값이 400Ω으로 가장 낮게
나타났다. 이는 Fig. 6에서 나타난 바와 같이 MWCNT의 함량이 증가함에 따라 MWCNT 사이에 집적 또는 간접적으로 서로 네트워크를 형성하여 빠르게 전자가 이동할 수
있기 때문으로 판단된다(Jee et al., 2013; Oytun and Ozkose, 2019). 아울러, 동일한 조건에서 전극 간격이 120 ㎜로 증가시켰을 때 전기저항 값은 전극 간격이 40 ㎜일 때보다 전체적으로 다소 증가하였다. 이는
전기저항은 아래의 Eq. (1)에 따라 전류가 흐르는 거리에 비례하여 증가하기 때문이다.
Eq. (1)에서 R은 전기저항, ρ은 재료의 고유 저항, L과 A는 각각 도체의 길이 및 단면적을 나타낸다. 그러므로 MWCNT의 혼합 비율을 높이고, 전극
간격을 좁힐수록 전기저항이 감소하여 우수한 전도성을 갖는 코팅 필름 표면을 형성할 수 있다.
Fig. 8. Electrical Resistance of MWCNT Conductive Coating Films Prepared with Different
Mixing Ratios of MWCNT
4. 결 론
본 연구에서는 MWCNT를 다양한 혼합 비율로 PET 필름에 코팅하여 MWCNT 전도성 코팅 필름을 제조하였다. MWCNT 혼합 비율의 변화에 따른
투과도, 표면 특성, 자가 발열 및 전기적 특성에 미치는 영향을 분석하였으며, 다음과 같은 결론을 도출하였다.
(1) MWCNT의 혼합 비율이 99 % 이상에서는 필름 표면에서 응집 현상이 나타났다. 이에 따라 MWCNT의 적정한 혼합 비율은 97 % 이하로
첨가하여 제조할 필요가 있다고 판단된다.
(2) FE-SEM 분석 결과, MWCNT 전도성 코팅 필름의 표면에 나노미터 크기의 MWCNT가 PET 필름 전면에 고르게 분산되어 있으며, MWCNT의
첨가량이 증가할수록 MWCNT 간의 직접 또는 간접적으로 전도성 네트워크의 형성을 통해 전자가 효과적으로 MWCNT 사이에 전달되어 우수한 전도성을
가질 수 있을 것으로 판단된다.
(3) 자가 발열 특성은 MWCNT의 농도 및 인가전압이 증가할수록 향상되었다. 특히, 전극 간격이 40 ㎜일 때 M99 시료 및 M100 시료는
인가전압 30 V에서 100℃에 도달하였으며, M97 시료에서는 인가전압 40 V에서 100℃ 수준에 도달하여 전도성 코팅 필름으로 적용하기에 적합한
것으로 평가된다.
(4) 전기 저항은 MWCNT의 혼합 비율이 증가할수록 감소하였으며, 전극 간격이 40 ㎜일 때, M100 시료에서 전기 저항값이 400Ω으로 가장
낮게 나타났다. 전기 저항은 전극 간격이 가깝고 MWCNT 혼합 비율이 증가할수록 낮게 나타났다.
Acknowledgement
This research was funded by the Basic Science Research Program through the National
Research Foundation of Korea (NRF) of the Ministry of Education, Republic of Korea
(Grant no. NRF-2018R1A6A1A03025542).
This paper has been written by modifying and supplementing the KSCE 2024 CONVENTION
paper.
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