PAN계 탄소섬유 강화 종이의 물리적 특성 및 전기전도도
장 준 · 이창호 · 박관호 · 유승곤† 충남대학교화학공학과
305-764 대전시유성구궁동 220 (2006년 6월 15일접수, 2006년 8월 11일채택)
Physical Properties and Electrical Conductivity of PAN-based Carbon Fiber Reinforced Paper
Joon Jang, Chang-Ho Lee, Kwan-Ho Park and Seung-Kon Ryu†
Department of Chemical Engineering, Chungnam National University, 220, Gung-dong, Yuseong-gu, Daejeon 305-764, Korea (Received 15 June 2006; accepted 11 August 2006)
요 약
폴리아크릴로니트릴(PAN)계탄소섬유와목재펄프를이용하여탄소섬유의길이와함량및강화종이의평량을달리 하여각각탄소섬유강화종이를제조한후탄소섬유와펄프섬유와의접착특성및강화종이의물리적특성과전기전 도도를조사하였다. 탄소섬유강화종이의형성은탄소섬유와펄프섬유의계면에서의화학적결합이라기보다는물리 적인얽힘과접착이었으며, 탄소섬유의첨가량을증가시키면강화종이의두께와인열강도는증가하는반면인장강도 와파열강도는감소하였다. 탄소섬유의길이가짧을수록강화종이내에서섬유의분산성이양호하였으나가장우수 한전기전도도는탄소섬유의길이가 10 mm일때였다. 강화종이의전기전도도는탄소섬유의함량이 2 wt％일때부터 급격히증가하다가 8 wt％이상이되면서서히증가하는 S자형곡선을보였으며, 강화종이의평량증가에따라선형 적으로비례하여향상되었다. 따라서, 전기전도도와물리적특성이우수한강화종이를얻기위해서는탄소섬유의함 량을증가시킴과동시에평량을증가시키는것이바람직하다.
Abstract −Carbon fiber (CF) reinforced papers using polyacrylonitrile (PAN) based CF and wood pulp were pre- pared by varying the lengths and the concentrations of CF, and the basis weight of paper to investigate adhesive state between CF and pulp, and physical properties and electrical conductivity of the paper. The reinforcement was caused by physical entanglement and adhesion at the interface of the different fibers rather than by chemical bonds. The tear strength and the thickness of the paper increased as increasing the concentration of CF, while the tensile and the burst strength of the paper decreased. The improved dispersion of CF in the paper was obtained from mixing shorter CF, but the maximum electrical conductivity of the paper was gained from mixing 10 mm chopped CF. The electrical conduc- tivity of the paper increased sharply from 2 wt％ to 8 wt％ of CF showing S-curve, and increased linearly as increasing the basis weight of the paper. Therefore, in order to improve the electrical conductivity and the physical property of the paper, the increase of basis weight of the paper is also important as the increase of CF content in the paper.
Key words: PAN-based Carbon Fiber, Reinforced Paper, Physical Property, Electrical Conductivity
1. 서 론
탄소섬유는내열성, 화학적안정성, 전기전도성, 전자파차폐성,
생체친화성, 유연성등다양하게우수한특징을갖고있어여러산 업분야에폭넓은응용이가능하다. 특히, 우수한전기전도성은면 상발열체및전자파흡수재료분야의새로운응용성을제시하고있 다. 탄소섬유를첨가한탄소섬유강화복합체는사용목적에따라결 합재를달리하며, 제조방법에따라다양한전기전도도를갖는신소
재를제조할수있다. 탄소섬유강화복합체에서결합재로가장많 이사용된것은플라스틱[1, 2]이나, 고무[3, 4], 시멘트[5, 6]도그사
용량이증가하고있으며근래에는펄프[7-10]를결합재로응용하는
연구가활발해지고있다. 펄프를이용한탄소섬유강화복합체는면 상발열체, 대전방지재, 전자파차폐재, 센서재료, 전자재료및기기 의포장재등으로사용이가능하다. 탄소섬유강화종이는사용목 적에따라제조조건과방법이다르며그에따른물리적특성과전 기전도도가달라진다. 그러나탄소섬유강화종이는손쉽게공업제 품으로응용되는장점에비하여제조조건에따른물리적특성이거
의보고되고있지않다. 본연구팀은이전의연구[9]에서 5 mm 길
†To whom correspondence should be addressed.
E-mail: [email protected]
2-1. 재료
본 실험에서 보강재로사용한탄소섬유는 PAN계 탄소섬유
(taekwang industrial Co., Korea)이며물성은 Table 1과같다. 탄소 섬유는실험에사용하기전에일정길이로절단하고전기로에서 2oC/
min 속도로 300oC까지승온시켜 3 h 동안유지하여먼지등의불 순물을제거한후상온에서냉각시키고증류수로세척, 건조하여사 용하였다. 결합재로사용한목재펄프는침엽수표백크라프트펄프
(nadelholz bleached kraft pulp, NBKP, Stora-Enso Co., Finland- Sweden)이며물성은 Table 2에제시한바와같다. 본실험에서는탄 소섬유와목재펄프만으로종이를제조하여제조조건에따른특성을 고찰하기위한것으로, 종이의지력증강이나물성을향상시키기위 한충전제, 사이징제, 첨가제등은사용하지않았다.
2-2.방법
탄소섬유강화종이의제조공정은이전의시험방법[9]과같다. 목 재펄프를물속에서 2 h 침지시킨후고해기(PEI Mill, Sweden)를 이용하여고해도가 60o SR이될때까지고해하였다. 고해과정을거 친목재펄프의무게를정량한후일정한길이로절단한탄소섬유의 중량을달리하여첨가하고교반기에서 1,200 rpm으로 30 min간교 반하였다. 교반된지료로수초지(handsheet machine, TMI Co.)를만 들고, 카우칭, 제1프레싱, 제2프레싱한후, 105oC에서 30 min간건 조하여제조하였다. 이렇게제조된종이의면적(m2) 당무게(g)를
평량(basis weight, BW)이라하며본실험에서는강화종이의평량
이각각 60, 70, 80, 90 g/m2이되도록제조하였다.
2-3.분석
탄소섬유와목재펄프의접착특성은주사전자현미경(S-3200N,
Hitachi Co., Japan)을사용하여관찰하였으며, 탄소섬유가첨가된
N10.25, Zwick Co.), 인열강도시험기(thwing albert instrument Co.),
파열강도시험기(L&W Co.)를사용하여측정하였으며아래의식들
을이용하여계산하였다. Tensile index (N·m/g)
= × 653.8 (1)
Tear index (mN·m2/g) = ×9.807
(2)
Burst index (kPa·m2/g) = (3)
전기전도성종이의전기저항이나전도도를측정하는표준방법이 아직소개되어있지않으므로본연구에서는이전의[9] 실험방법과 같이 120×15mm의시편을만들고, 양끝에 10mm 폭으로 silver paste (P-255, Okenshoji Co., Japan)를코팅한후항온항습실(23±3oC, RH
55±5％)에서정밀전기저항테스터(HP 4338A, USA)로전기저항을
측정하였으며, 전기전도도는아래의식을이용하여계산하였다. (4)
여기서 s는단자간의거리(cm), t와 w는각각시편의두께(cm)와 폭(cm), R은전기저항(Ω)을나타낸다.
3. 결과 및 고찰 3-1. 탄소섬유와펄프섬유의접착특성
Fig. 1과 Fig. 2는탄소섬유강화종이내에서탄소섬유와펄프섬
유간접착상태를관찰하기위한 SEM 사진이다. 표면이매끈하고 지름이균일한섬유가탄소섬유이고, 표면이거칠고납작한형태의 섬유가펄프이다. 종이제조과정중탄소섬유는형태가변하지않 았으나목재펄프는고해과정을거치는동안표면에무수한미세섬 유가발달하여있음을관찰할수있다. 탄소섬유강화종이가우수 한물리적특성을갖게하기위해서는탄소섬유와펄프섬유간응력 을전달하기에충분한강도로상호접착이잘되어야한다. 그러나,
탄화나흑연화공정을거친탄소섬유의표면은방향족육각평면으 로덮여있기때문에펄프섬유와의접착성이부족하다[12]. 목재펄프 는접착제가없어도펄프자체가가지고있는수산기가많아펄프 섬유사이에비교적강한수소결합을하는것으로알려져있다[13, 14].
물론탄소섬유의표면에도약간의수산기, 카르복실기와카르보닐
Tensile break load (kg on a 15 mm strip) Mass per unit area (g/m2)
Force to tear a single sheet (g) Mass per unit area (g/m2) Bursting strength (kPa) Mass per unit area (g/m2)
σ(S cm⁄ ) s wt--- 1R----×
=
Table 1. Characteristics of carbon fiber (CF)
Type Diameter
(µm) Specific density
(g/cm3) Electrical conductivity (S/cm)
PAN based CF* 6.8 1.78 588
*T300 supplied by Taekwang Industrial Co.
Table 2. Characteristics of pulp Pulp Specific gravity(g/cm3) Brightness
(％) Ether extractives
(％) Ash contents (％)
NBKP 0.55 90.2 0.50 0.21
기등이있으나[15], 펄프섬유가가지고있는것보다훨씬적다. 따 라서, 탄소섬유와펄프섬유의계면에서는수소결합등의화학적결 합보다는접착즉탄소섬유에펄프섬유가단순히얽힌물리적결합 에따른이종섬유간계면에서의교차접착(Fig. 1의 a)과강화종이 를제조할때습윤상태의펄프섬유가건조과정을거치면서펄프섬 유의수축에의하여이종섬유간의계면층에응력이잔류되어형성 된응력접착(Fig. 1의 b와 Fig. 2)이라고판단된다.
Fig. 3은탄소섬유를첨가하지않은종이와탄소섬유를 10 wt％
첨가한강화종이의질소분위기에서의열분석결과이며, 30 wt％ 강화종이에대한자료는이전의결과를인용한것이다. 각각의시 료에서강화종이의열분해가시작되는온도는탄소섬유함량이증 가함에따라상승함을알수있다. 그러나펄프가완전히열분해되 는온도는약 350oC로서서로일치하였다. 한편, 본격적인열분해
가발생하기이전의온도즉 50~300oC에서의중량감소는탄소섬
유의함량에비례함을알수있다. 탄소섬유는약 1000oC의탄화 공정을거쳐생산되었으므로 350oC 이후에서도거의중량변화를 보이지않는다. 그러므로 350oC 이전의중량감소는펄프의열분해 즉탈수, 탈중합, 분해, 축합(이차중합) 등에의하여발생하지만탄 소섬유의첨가에의하여더큰중량변화를보이는것은탄소섬유가 펄프섬유간의수소결합부위를감소시키며또한탄소섬유의열전달 가속이열분해를촉진시켰기때문으로판단된다. 이전[9]의연구에 서도탄소섬유를많이첨가할수록 350oC 이전에서더큰중량감소 를나타내었다. 350oC 이후는열에안정한물질이잔류하는데첨 가된탄소섬유량보다많은것은펄프로부터의잔류량이추가되었 기때문이다.
Fig. 4는탄소섬유함량에따라강화종이가치밀하게형성된정
도를알아보기위하여기공도를측정한결과이다. 종이의기공도는 공기를종이의단위면적에일정유량으로유입시켜일정시간동안 빠져나가는공기의양을측정한것이다. 탄소섬유를함유하지않는
종이의기공도는약 1000 ml/min이었으며, 탄소섬유의함량이증가
함에따라기공도가선형적으로증가하였다. 이러한증가의원인은
Fig. 1. SEM micrograph of carbon fiber reinforced paper (CF : 10 wt％, Basis weight :80 g/m2) :(a)cross-adhesion, (b)the adhesion of residual stress.
Fig. 2. SEM micrograph of carbon fiber reinforced paper.
Fig. 3. TG curves of carbon fiber reinforced paper.
*previous work data [9].
Fig. 4. Porosity of carbon fiber reinforced papers with respect to carbon fiber content (CF length :10 mm, Basis weight : 80 g/m2).
다음과같다. 즉, 탄소섬유강화종이내에서펄프섬유는강도가약 하므로압착에의하여다양하게변형되며탄소섬유와접착하나탄 소섬유는원형을그대로유지하고있다. 따라서, 강화종이내탄소 섬유의함량이증가함에따라펄프섬유간수소결합은감소하고
Table 3에제시된바와같이종이의두께가증가하였다. 동일평량
에서두께의증가는밀도의감소로공극이넓어져결국탄소섬유 강화종이의기공도가증가하였다.
3-2.탄소섬유 강화종이의물리적특성
인장강도는종이의가장기본적인물리적특성으로서종이의다 른여러가지물리적성질을이해하는데도움이된다. 파열강도는 많이측정됨에도불구하고종이의여러가지복합적인물리적성질 의표현이므로그유용성이매우제한되나, 포장재등으로이용에 있어터짐에대한물리적강도를파악하는데특히유용하다. 인열 강도는섬유장, 밀도및종이의평량에따라달라지며섬유의길이 가증가할수록함께증가하는특성이있다[16].
Fig. 5는강화종이내에서탄소섬유의길이에따른물리적강도
를측정한것이다. 탄소섬유의길이가길수록인열강도와파열강도 는감소하였으나인장강도는탄소섬유의길이가 10 mm 일때최
대치를보이다가다시감소하였다. Fig. 6은탄소섬유강화종이내 에서탄소섬유의길이변화에따른분산성을조사한것으로스캐너 로종이의이면에빛을비추어스캔한것이다. 펄프섬유는광을일 정부분투과시키고탄소섬유는광을차단하므로그림에서검게나 타나는부분이탄소섬유이다. 탄소섬유의길이가짧을수록강화종 이내에서탄소섬유는고르게분산하였으나(Fig. 6의 (a)와 (b)), 탄 소섬유의길이가길어짐에따라일부분탄소섬유끼리서로엉켜서 뭉쳐있는것을확인할수있다(Fig. 6의 (c)와 (d)). 펄프섬유의길이
는 0.5~5.0 mm 정도로탄소섬유와의길이차이가커질수록탄소섬
유와의분산성이나빠지게된다. 따라서, 탄소섬유의길이가길어짐 에따라분산성이나빠져서대체적으로물리적인특성또한나빠지 는것으로판단된다. 그러나, 탄소섬유의길이가 10 mm일때강화 종이의인장강도가가장큰값을보인것은비교적양호한분산성 과이종섬유간의접착이양호하게형성되었기때문으로판단된다.
Fig. 7은탄소섬유의길이를 10 mm로고정하고함량을달리한종
이를스캔한것이다. 탄소섬유의함량이증가함에도불구하고비교 적균일한분산성을나타냄을볼수있다.
Fig. 8은탄소섬유강화종이내에서탄소섬유의함량에따른물
리적강도를측정한것으로탄소섬유의함량이증가할수록인장강 도와파열강도는감소한반면인열강도는증가하였다. 탄소섬유의 함량이증가하면펄프섬유의함량이상대적으로감소하므로펄프섬 유간의비교적강한수소결합부위가적어져서인장강도및파열강 도가낮아진것으로판단된다. 인열강도는종이가찢어지는데저항 하는정도를나타내는강도로섬유간마찰과섬유가끊어지면서나 타나게되는데이들두가지경우중섬유간마찰이더큰영향을 미치며섬유의길이가길수록인열강도는증가한다[16]. 따라서, 강
화종이내에서 10 mm 길이의탄소섬유함량이증가함에따라복
10"
"
"
5"
"
"
6070 8090
225235 246272
Fig. 5. Physical properties of carbon fiber reinforced paper with respect to carbon fiber length (CF : 5 wt％, Basis weight : 80 g/m2).
Fig. 6. Distribution of carbon fiber reinforced paper in different carbon fiber length (CF:5 wt％, Basis weight:80g/m2):(a)5 mm, (b)10 mm, (c)15 mm, (d)20 mm.
합체의평균섬유길이가길어져섬유간마찰을증가시킨결과로판
단된다. 한편, Clark [17]은종이의밀도가증가함에따라인장강도
및파열강도는증가하고, 반면인열강도는감소한다고보고한바있
다. Fig. 4에서검토한바와같이탄소섬유의함량이증가하면탄소
섬유강화종이의밀도는감소함을알수있었다. 즉, 본연구도
Clark의보고내용과같은결과를얻었으며, 탄소섬유강화종이의
물리적특성은밀도와도연관이있음을알수있다.
Fig. 9는탄소섬유강화종이의평량에따른물리적강도를측정
한것이다. 평량이증가함에따라모든강도가선형적으로증가하 였다. 탄소섬유함량및길이가동등한조건에서평량의증가는탄 소섬유와펄프섬유의양의증가이므로모든강도가증가됨을알수 있다.
3-3.탄소섬유강화종이의전기전도도
전도체를첨가한복합체의전자수송에관하여몇가지물리적인
이론이제시되어있으며그중가장일반적인이론은 “the theory of
conductive paths”이다[18]. 이이론은섬유상이나입자상으로된전 도체간에전기전도수송통로가존재하게되면복합체의전기전도 가이루어지고전도성섬유나입자의함량이증가함에따라섬유나 입자간의전기전도수송통로가증가하고평균거리가더욱가까워지 므로, 복합체의전기전도도는증가하게된다고제시한것이다.
Fig. 10은탄소섬유강화종이내탄소섬유의길이변화에따른전
기전도도를나타낸것이다. 그림으로부터탄소섬유의길이가 5 mm
인경우 0.962 S/cm의전기전도도를나타내었으며 10 mm일경우
가장높은 1.936 S/cm를보인후 15 mm, 20 mm에서는오히려더 낮은전기전도도를나타내었다. 이는 Fig. 6에서살펴본바와같이
5 mm와 10 mm에서는비교적좋은분산성을나타내었으나그이
상의길이에서는탄소섬유가일부분서로뭉치므로분산성이나빠 져전도체간의접촉이감소되어오히려전기전도도가낮아진것으 로판단된다. 한편, 탄소섬유의길이가 5 mm일때보다 10 mm일
Fig. 7. Distribution of carbon fiber in the carbon fiber reinforced paper in different carbon fiber content (CF length:10 mm, Basis weight:
80 g/m2) :(a) 3 wt％, (b) 5 wt％, (c) 7 wt％, (d) 10 wt％.
Fig. 8. Physical properties of carbon fiber reinforced paper with respect to carbon fiber content (CF length:10 mm, Basis weight :80g/m2).
Fig. 9. Physical properties of carbon fiber reinforced paper with respect to basis weight (CF length : 10 mm, CF : 5 wt％).
Fig. 10. Electrical conductivity of carbon fiber reinforced paper with respect to carbon fiber length (CF:5 wt％, Basis weight:80g/m2).
때가더높았다. 복합체의전도성은충진제입자의형태, 접촉수, 접
촉저항, tunnel 전도성, 열전자복사성등전도체상호의다양한인
자에의하여영향을받지만, 무엇보다도복합체내에서접촉이많
아야한다[19]. 그러므로탄소섬유의길이가 10 mm일경우강화종
이내에서탄소섬유간접촉및전하수송이용이하게이루어지지만
5 mm일때는분산성을좋으나접촉이부족하기때문으로판단된다.
본실험의경우 10 mm 길이의탄소섬유를보강재로사용하는것
이강화종이의전기전도에최적조건이었다.
Fig. 11은탄소섬유함량변화에따른전기전도도를나타낸것이
다. 탄소섬유함량이증가할수록전기전도도는 S자곡선형으로증 가하였다. 즉, 탄소섬유강화종이내에서탄소섬유의함량이높을 수록전도체인탄소섬유간의접촉이많아지므로전기전도도는향상 되었다. 그림으로부터탄소섬유함량이 2 wt％부터전기전도성을나 타냈는데이는이함량부터전기전도네트워크가형성되었기때문
으로판단된다. 또한, 5 wt％까지전기전도도가급격한상승을보이
다가 5 wt％이상에서부터상승률이둔화되었다. 일반적으로전도
성보강재가함량별로충진된복합체에전류를각각통과시키면낮 은함량에서는임계함량까지전기전도도가서서히증가하다가임계
함량이후에는급격히증가하는임계치즉침투문턱(percolation
threshold)을보인다고보고되고있다[20, 21]. 따라서, 이러한결과 는침투문턱에대한보고와같은결과를나타내었다. 실험결과로부 터 PAN계탄소섬유를첨가한종이의침투문턱은 2 wt％전후로나
타났다. 한편, 5 wt％이상의함량에서는전기전도도의증가가둔화
되었는데이는 Table 3에서보는바와같이탄소섬유함량의증가
와함께탄소섬유강화종이의두께가증가되었기때문으로, 두께 의증가는실험시편의단위단면적당전기전도도를나타내는 (4)식의 결과에따라전기전도도의증가폭을둔화시킨주요요인으로판단 된다.
Fig. 12는탄소섬유를 5 wt％첨가한탄소섬유강화종이의평량
변화에따른전기전도도를나타낸것이다. 전기전도도는평량이증 가하더라도탄소섬유의함량이동일하기때문에같아야할것이나,
평량이증가함에따라전기전도도가선형적으로증가하였다. 종이
의밀도는펄프섬유의치밀도, 분산계수, 상대적결합면적및종이
제조시배수의용이성등에의하여변하므로[22], 종이의평량이 2배
증가하더라도두께가 2배로증가하지않고약간증가하므로상대적
으로밀도는증가한다. Table 3에서보는바와같이탄소섬유강화
종이의평량증가율에비하여두께의증가율이더적다. 따라서, 평 량의증가에대한단위단면적의감소는탄소섬유를밀집시켜전기 전도도를증가시킨것이다. 즉, 평량의증가는탄소섬유와펄프섬유 의양을함께증가시키고밀도가증가하므로탄소섬유강화종이 내에서 3차원전기전도네트워크가더욱긴밀히이루어져전기전도 도가증가된것이다. Fig. 12로부터 60 g/m2의전기전도도는 0.926 S/cm를, 90 g/m2의전기전도도는 2.228 S/cm를나타내어평량 50％의 증가로전기전도도가 250％향상되었다. 이러한결과로부터전기전 도도가높은전도성종이를얻기위하여탄소섬유함량을증가시키 는방법이있으나물리적강도(인장강도, 파열강도)가떨어지므로 탄소섬유강화종이의평량을증가시킴으로써전기전도도와물리적 강도가우수한전도성종이의제조가가능함을제시할수있다.
4. 결 론
PAN계탄소섬유의길이와함량, 그리고강화종이의평량을달 리하여탄소섬유강화종이를각각제조한후탄소섬유와목재펄프 와의접착특성및강화종이의물리적특성과전기전도도를고찰한 결과다음과같은결론을얻었다.
(1) 탄소섬유강화종이의형성은탄소섬유와펄프섬유계면에서 의화학적결합이라기보다는물리적인얽힘과계면에서의접착으 로형성된다.
(2) 탄소섬유의첨가량을증가시키면강화종이의두께와인열강 도가증가하는반면인장강도와파열강도는감소하였다. 탄소섬유 의길이가짧을수록강화종이내에서탄소섬유의분산성은양호하 였으나전기전도도를향상시키기위한최적탄소섬유의길이는 10 mm
였다. Fig. 11. Electrical conductivity of carbon fiber reinforced papers with
respect to carbon fiber content(CF length:10 mm, Basis weight:
80 g/m2).
Fig. 12. Electrical conductivity of carbon fiber reinforced papers with respect to basis weight (CF length : 10 mm, CF : 5 wt％).
(3) 탄소섬유함량및강화종이의평량이증가함에따라전기전 도도는향상한다. 전기전도도가높은전도성종이를얻기위하여탄 소섬유함량을증가시키는방법이있으나인장강도와파열강도가 떨어지므로탄소섬유강화종이의평량을증가시킴으로써높은전 기전도도와물리적강도가우수한전도성종이를제조할수있다.
감 사
본논문은한국산업기술재단지역혁신인력양성사업으로수행되 었으며이에감사드립니다.
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