KR100378701B1 - 흑연 폐기물을 이용한 성형 조성물의 제조방법 - Google Patents

Abstract

산업용 흑연 가공공정에서 연마 및 밀링 작업으로 발생하는 폐기물을 이용하여 이를 재활용하는 기술로서, 기존의 흑연 가공품의 단점으로 지적되는 원재료의 고단가, 작업시 발생하는 분진, 가공 공정시 발생하는 폐기물 등의 문제를 해소한 성형 조성물의 제조방법이 개시되어 있다. 본 발명에 따르면, 흑연 폐자재 및 상기 흑연 폐자재와 혼합이 용이한 등급의 열경화성 수지를 바인더로 혼합하고, 여기에 경화제, 충진제, 분산제, 소포제, 촉진제, 내부 이형제를 상온에서 일정비율로 혼합한 후, 이때 생성된 혼합물을 금형에 로딩한후 80∼200℃에서 1차 또는 2차에 걸쳐서 150kgf/cm²이하의 압력으로 5∼200분 동안 경화반응을 실시하여 흑연 폐기물을 이용한 성형 조성물을 제조한다. 본 발명에 의해서 제조된 성형 조성물은 산업폐기물을 이용한 신소재의 개발이라는 잇점을 가지며, 실리콘 웨이퍼 절단용으로 사용된다.

Description

흑연 폐기물을 이용한 성형 조성물의 제조방법{Method of producing a molding compound by using graphite waste matters}

본 발명은 흑연 폐기물을 이용한 성형 조성물의 제조에 관한 것이며, 더욱 상세하게는 산업용 흑연 가공공정에서 연마 및 밀링 작업으로 발생하는 폐기물을 이용하여 이를 재활용하는 기술로서, 기존의 흑연 가공품의 단점으로 지적되는 원재료의 고단가, 작업시 발생하는 분진, 가공 공정시 발생하는 폐기물 등의 문제를 해소한 성형 조성물의 제조방법에 관한 것이다.

일반적으로, 흑연 가공품은 반도체, 전자부품, 다이아몬드 공구, 진공 소성로, 금속분야 등에 널리 쓰이고 있다. 이러한 흑연의 가공산업에서 이용되는 원재료는 전량 수입에 의존하고 있고, 수입선의 대부분이 일본에 편중되어 있는 관계로 국내 가공업체에서는 가격 및 공급에 있어서 수시로 문제가 야기되고 있다. 그밖에 가공과정에서 발생하는 손실 분량이 상당히 발생하기 때문에, 이에 대한 금전적인 손실 이외에도 처리문제 및 주의 환경에 대한 피해도 간과할 수 없다.

그리하여, 이에 대한 대체품으로 유리섬유(glass fiber)와 불포화 수지를 이용한 벌크 성형 화합물(Bulk Molding Compound; BMC)가 사용되고 있으나, 응용가공분야에서 작업시 발생하는 유리 분진이 작업자에게 불쾌감을 일으켜서 이로인한 작업능률의 저하를 가져오고 있으며, 분진이외에도 열경화성수지인 고분자물질의 내열성에 대한 한계로 심한 냄새를 야기하고 있다.

또다른 대체품으로는 열경화성 수지를 이용한 소재가 있으나, 이 또한 흑연 원소재에 비해 가공성이 떨어지고 가공작업시 작업여건에 불쾌감을 야기하며 절단이나 연마 가공시 작동기구에 달라붙어 이물질로 작용한다. 그밖에도 이들 제품은 순수한 흑연의 높은 내열성 및 우수한 가공성을 만족시키지 못하기 때문에 흑연의 대체 응용분야에서 상당한 제약을 가지고 있다.

본 발명은 상기와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 본 발명의 목적은, 기존의 흑연 가공품의 단점으로 지적되는 원재료의 고단가, 작업시 발생하는 분진, 가공 공정시 발생하는 폐기물 등의 문제를 해소한 성형 조성물의 제조방법을 제공하는데 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위해서, 본 발명은,

흑연 폐자재 및 상기 흑연 폐자재와 혼합이 용이한 등급의 열경화성 수지를 바인더로 혼합하고, 여기에 경화제, 충진제, 분산제, 소포제, 촉진제, 내부 이형제를 상온에서 일정비율로 혼합한 후, 이때 생성된 혼합물을 금형에 로딩한후 80∼200℃에서 1차 또는 2차에 걸쳐서 150kgf/cm²이하의 압력으로 5∼200분 동안 경화반응을 실시하는 것을 특징으로 성형 조성물의 제조방법을 제공한다.

이상에서 언급한 바와 같이, 본 발명에서는 흑연 폐자재를 활용하고 열경화성 수지를 바인더로 이용하면서 흑연 폐자재에 충진제를 혼합한후 고온고압으로 압축성형하는 것으로, 흑연의 내열성 및 가공성을 최대한 이용하면서 고분자의 성형법을 이용하므로, 대량생산 및 생산공정의 단순화가 가능하여 가격단가를 절감시킬 수 있다.

이하, 본 발명에 따른 흑연 폐기물을 이용한 성형 조성물의 제조방법에 대하여 상세하게 설명한다.

통상적으로, 흑연 가공품의 응용분야로는, 반도체, 전기, 산업용 다이아몬드 기구, 진공소성로, 금속 등의 분야를 들 수 있으며, 특히 반도체산업에서 사용되는 실리콘 웨이퍼의 제조공정중 실리콘 잉고트(Ingot)의 절단시 이를 지탱하고 절단작업을 원할하게 도와주는 지지대로서 사용된다.

이때, 지지대가 갖추어야할 요구조건으로는, 절단시 절삭성이 좋아야하고, 소재의 절삭성, 내부구조의 균일성을 가져야 하며, 내부의 크랙 및 기포가 없어야 한다. 또한, 외부 압력이나 열에 의한 변형이 없어야 한다. 끝으로, 절단작업시 발생하는 슬러지가 다이아몬드 블레이드나 와이어 톱(wire saw)에 달라붙지 말아야 하는 특성을 충분히 만족시킬 수 있어야 한다.

위와 같은 요구조건들을 해소하기 위해서는 순수 흑연의 기준 물성에 접근 해야 하는데, 기준 물성에 대한 일반적 자료는 아래와 같다.

표 1. 흑연의 물성

종래에 개발된 소재는 기계적인 강도를 만족할 수 있었으나 500℃ 이상의 고온에서 견디는 성질이 취약하고 열전도율와 같은 흑연의 고유한 특성을 가질 수 없어서 응용면에서 크게 제약을 받았으며, 현재 응용분야에서도 커다란 성과를 이루지 못하고 있다.

이에, 본 발명에서는 이러한 요구조건을 만족시키면서 흑연의 취약적인 특성을 보완하기 위하여 흑연 폐자재와 고강도 열경화성 수지를 혼합한후 경화하여 제품의 응용성 및 특성을 향상 시키고자 하였다.

이를 위해서, 먼저 흑연 폐자재 및 이와 혼합이 용이한 등급의 열경화성 수지를 바인더로 혼합하고, 여기에 경화제, 충진제, 분산제, 소포제, 촉진제, 내부 이형제를 일정비율로 혼합한다. 이때, 흑연 폐자재의 혼합비율은 50∼93wt%이고, 열경화성 수지의 혼합비율은 5∼50wt%이다. 그리고, 경화제의 혼합비율은 1∼35wt%이고, 충진제는 1∼20wt%이며, 분산제는 상기 열경화성 수지와 상기 경화제의 전체 투입량에 대하여 10∼30wt%에 해당하는 양만큼 혼합된다. 또한, 소포제는 상기 열경화성 수지와 상기 경화제의 전체 투입량에 대하여 0.2∼1.0wt%에 해당하는 양만큼 혼합되고, 촉진제는 상기 열경화성 수지와 상기 경화제의 전체 투입량에 대하여 1∼10wt%에 해당하는 양만큼 혼합되며, 내부 이형제는 상기 열경화성 수지의 전체 투입량에 대하여 3wt%에 해당하는 양만큼 혼합된다.

이때, 열경화성 수지로는 페놀수지, 실리콘 수지, 아미노 수지, 멜라닌 수지, 불포화 폴리에스테르, 디알릴프탈레이트 수지, 에폭시 수지, 폴리이미드 수지, 우레아 및 폴리우레탄 수지 등이 사용된다. 상기 경화제로서 이급 아민, 삼급 아민, 이소시아네이트 및 과산화물류 등이 사용되고, 상기 충진제로서는 산화 마그네슘, 산화 아연, 탄산칼슘 등이 사용된다. 그리고, 상기 내부 이형제로는 스테아린산, 스테아린산의 Ca, Mg, Al염, 스테아르산 아연 등이 사용된다.

이러한 재료들을 상온에서 혼합한 후에는 고온고압의 성형방법을 사용하여 원하는 형태의 제품으로 성형한다. 즉, 상기 재료들의 혼합물을 이미 설계된 금형에 로딩한후 80∼200℃에서 경화반응을 진행하는데, 이때 1차 또는 2차 경화를 시킨다. 이때에 가해지는 압력은 0.01∼150kgf/cm²의 범위에서 진행되며, 경화시간은 5∼200분 동안 실시한다.

고온 고압의 성형시에는 균일한 조직을 구성하며, 흑연 분말과 수지간에 상분리 없이 고른 분포를 이루도록 고안 되었다. 이때, 고분자 사슬간의 결합사이에서 흑연을 침투시켜 전체적인 경화반응을 유도하여야 한다. 즉, 경화반응에서 사슬체인간에 일정거리를 유지하면서 3차원 망상구조를 이루도록 되어 있다.

하기에서는 본 발명의 실시예를 간단히 설명한다.

실시 예

흑연 폐자재 분말 60∼75wt%, 열경화성 수지, 바람직하게는 에폭시 수지 15∼25wt%, 경화제 5∼10wt%, 충진제 5∼15wt%, 상기 열경화성 수지와 상기 경화제의 전체 투입량에 대하여 20wt%에 해당하는 양의 분산제, 상기 열경화성 수지와 상기 경화제의 전체 투입량에 대하여 0.5wt%에 해당하는 양의 소포제, 상기 열경화성 수지와 상기 경화제의 전체 투입량에 대하여 5wt%에 해당하는 양의 촉진제, 그리고 상기 열경화성 수지의 투입량에 대하여 1∼3wt%에 해당하는 양의 내부 이형제를 함께 혼합한다.

이러한 재료들을 상온에서 혼합한 후에는 상기 재료들의 혼합물을 이미 설계된 금형에 로딩한후 80∼200℃에서 1차 또는 2차 경화시킨다. 이때에 가해지는 압력은 0.01∼150kgf/cm²의 범위에서 진행되며, 경화시간은 5∼200분 동안 실시한다.

이상에서 언급한 바와 같이, 본 발명에 따른 흑연 폐기물을 이용한 성형 조성물의 제조방법의 제조방법에서는, 흑연 폐자재를 활용하고 열경화성 수지를 바인더로 이용하면서 흑연 폐자재에 충진제를 혼합한후 고온고압으로 압축성형하는 것으로, 흑연의 내열성 및 가공성을 최대한 이용하면서 고분자의 성형법을 이용하므로, 대량생산 및 생산공정의 단순화가 가능하여 가격단가를 절감시킬 수 있다.

따라서, 본 발명에 따른 흑연 폐기물은, 산업폐기물을 이용하므로 환경 친화적이고 폐기물 처리에 들어가는 비용을 절감할 수 있으며, 원재료의 고단가, 가공조작의 어려움, 생산작업시 분진 발생 문제를 해결하고, 압축성형을 통한 대량생산 및 균일한 제품의 생산을 할 수 있으며, 현 대체품의 응용의 제한을 극복하고 흑연의 응용분야에 대한 폭넓은 이용이 가능하다.

상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

Claims (3)

1. 혼합비율 50~93wt%의 흑연 폐자재와 페놀수지, 실리콘수지, 아미노수지, 멜라닌수지, 불포화 폴리에스테르, 디알릴프탈레이트수지, 에폭시수지, 폴리이미드수지, 우레아 및 폴리우레탄 수지로 이루어지는 그룹에서 선택한 1종 이상의 열경화성 수지를 혼합비율 5~50wt%로하여 바인더로 혼합하고; 여기에 이급아민, 삼급아민, 이소시아네이트 및 과산화물로 이루어진 그룹에서 선택한 1종 이상의 경화제 1~35wt%와, 산화마그네슘, 산화아연 및 탄산칼슘으로 이루어진 그룹에서 선택한 1종 이상의 충진제 1~20wt%와, 상기 열경화성 수지와 상기 경화제의 전체 투입량에 대하여 10~30wt%의 분산제와, 상기 열경화성 수지와 상기 경화제의 전체 투입량에 대하여 0.2~1.0wt%의 소포제와, 상기 열경화성 수지와 상기 경화제의 전체 투입량에 대하여 1~10wt%의 촉진제와, 스테아린산, 스테아린산의 Ca, Mg, Al염 및 스테라인산 아연으로 이루어진 그룹에서 선택한 1종 이상의 내부 이형제를 상기 열경화성 수지의 전체 투입량에 대하여 3wt%를 상온에서 혼합한 후; 상기 혼합물을 금형에 로딩하여 80~200℃에서 0.01~150kgf/㎠의 압력으로 5~200분 동안 경화반응 시킴을 특징으로 하는 흑연 폐기물을 이용한 성형 조성물의 제조방법.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 80~200℃에서 0.01~150kgf/㎠의 압력으로 5~20분 동안의 경화반응은 2번에 걸쳐서 진행됨을 특징으로 하는 흑연 폐기물을 이용한 성형 조성물의 제조방법.
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