KR101007621B1 - 미크론 사이즈 및 나노 사이즈의 탄소섬유를 모두 함유하는금속기 복합재료 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 열팽창율 및 열전도율이 개선되고, 경량화된 금속기 탄소섬유 복합재료를 제공하는 것을 목적으로 한다. 본 발명의 금속기 탄소섬유 복합재료는, 금속과, 미크론 탄소섬유 및 나노화이버를 포함하는 탄소섬유로 이루어지며, 이 재료는 제1 표면을 가지고, 상기 미크론 탄소섬유는 상기 복합재료의 상기 제1 표면에 대하여 평행한 일방향을 향하여 배향되며, 일단으로부터 타단까지 연속되어 있고, 나노화이버는 그 80%가 상기 제1 표면에 대하여 30° 이내로 배향되어 있으며, 상기 제1 표면과 평행한 면 내에서는 임의로 배향되어 있다. 이 금속기 탄소섬유 복합재료는, 표면영역에는, 미크론 탄소섬유가 다른 영역보다 적거나 또는 전혀 존재하지 않고, 나노화이버가 복합재료의 표면에 평행한 배향을 가지고 있어도 된다. 본 발명은 이 복합재료들의 제조방법을 제공한다.
금속기 탄소섬유, 열팽창율, 열전도율

Description

미크론 사이즈 및 나노 사이즈의 탄소섬유를 모두 함유하는 금속기 복합재료{METAL-BASED COMPOSITE MATERIAL CONTAINING BOTH MICRON-SIZE CARBON FIBER AND NANO-SIZE CARBON FIBER}
본 발명은 금속기 탄소섬유 복합재료에 관한 것이다. 보다 구체적으로는, 미크론 사이즈 및 나노 사이즈의 탄소섬유를 모두 함유하는 금속기 복합재료 및 그 제조방법에 관한 것이다.
근래, 반도체 장치를 비롯한 전자기기의 발열량이 계속해서 증대되고 있다. PC용 CPU를 예로 들면, 과거 5년 동안 2배의 페이스로 소비전력량이 증가하고 있으며(후루가와덴코사 시보 제106호, http://www.furukawa.co.jp/jiho/fj106/fj106_ 01.pdf), 이와 함께 발열량도 증대되고 있다.
이와 같은 전자기기의 방열대책으로는, 히트싱크 등의 방열장치를 이용하는 방법이 일반적이다. 방열장치를 이용하여 냉각을 하는 경우, 이 방열장치용 재료의 열물성(熱物性)이 냉각성능에 크게 영향을 미친다.
주목해야 할 첫번째 열물성은 열전도율로서, 이것은 높은 것이 바람직하다. 열전도율이 높으면, 방열장치 전체에 열을 골고루 미칠 수 있어, 열을 효율적으로 대기로 방산할 수 있게 된다.
이어서, 주목해야 할 두번째 열물성은 열팽창율로서, 이것은 냉각할 발열부의 재료와 동등한 것이 바람직하다. 발열부의 열은 접촉에 의해 방열장치로 전달되는데, 양자의 열팽창율이 맞지 않으면, 이상적인 접촉상태가 유지되지 않고 정상적인 열전달이 방해된다.
방열장치의 재료는 상기 조건을 만족할 필요가 있다.
종래부터 이용되고 있는 방열장치의 재료는 주로 알루미늄과 동(銅)이다. 이들의 열전도율은 각각 약 200W/(mK) 및 약 400W/(mK)로, 일반적인 재료(철: 84W/(mK), 스테인레스 14W/(mK), 글라스 1W/(mK), 수지 1W/(mK) 이하)와 비교하여 높고, 저가이며 가공성이 뛰어나다. 일부 절연성 또는 더 높은 열전도성이 요구되는 부분에는 질화 알루미늄(열전도율 250W/(mK) 이하)이나 다이아몬드(열전도율 800~2000W/(mK))와 같은 재료도 이용되고 있는데, 고가이기 때문에 일반적이지 않다.
또한, 알루미늄 및 동은 열팽창율이 높다(각각 23ppm/K 및 17ppm/K(모두 실온(RT)~100℃)) 한편, 반도체 재료인 실리콘은 열팽창율이 낮다(2.6ppm/K(RT~100℃)). 이 때문에, 양자를 접촉시켜 방열시키는 경우, 양자 사이의 열팽창율에 부정합을 일으킨다. 이 때문에, 이 재료들을 방열장치에 이용하는 경우에는, 접촉부에 그리스(grease) 등을 이용하여 이들의 접촉이 유지되도록 하는데, 그리스의 열전도율은 수지와 같은 1W/(mK) 정도이기 때문에, 열저항이 크다.
또한, 근래 주목받고 있는 비교적 저가이며 열전도성이 뛰어난 재료로서, 금속기 탄소섬유 복합재료가 있다. 이 재료는 탄소섬유방향의 열전도율은 높지 만(500W/(mK) 이상), 탄소섬유와 직교하는 방향의 열전도율은 40W/(mK) 이하로 낮고, 열팽창율에 이방성도 발생한다(섬유방향 0ppm/K, 섬유직교방향 14ppm/K).
탄소섬유와 금속의 복합재료는 일본특허공개 2004-165665호 공보나 일본특허공개 2004-22828호 공보에 개시되어 있다. 여기에 개시된 금속기 탄소섬유 복합재료의 제조방법은, 미리 성형한 탄소섬유의 틈에 용융금속을 압입하는 방법(용탕함침법)으로 생각할 수 있다. 특히, 일본특허공개 2004-165665호 공보나 일본특허공개 2004-22828호 공보는 모두 매트릭스에 나노화이버를 함유하고 있지 않아, 이것들에 개시된 방법에서는 금속안에 나노화이버를 분산시키기 어렵다(나노화이버와, 용융 알루미늄 및 용융 마그네슘이 반응하여 버려, 용융 동과 나노화이버는 습윤성이 나쁘고 섞이지 않는다). 또한, WO2005/059194호 팜플렛에는, 금속 탄화물의 생성을 억제하면서, 경량이며 고열전도율을 가지고, 또한 열류의 방향제어를 가능하게 하는 금속기 탄소섬유 복합재료의 제조방법이 개시되어 있다. 이 제조방법은, 탄소섬유와 금속 분말을 물리적으로 혼합하여 금속섬유 혼합물을 얻는 공정과, 금속섬유 혼합물을 배열시키면서 지그 안에 충전하는 공정과, 지그를 대기중, 진공중 또는 불활성 분위기 중에 설치하고, 가압하면서 직접 펄스전류를 통전시켜, 이에 의한 발열로 소결을 하는 공정을 포함한다. WO2005/059194호 팜플렛에서는, 금속섬유 혼합물은 일방향으로 배열되어 있으며, 열팽창율 등의 열특성에 관한 개시는 없다.
상기와 같은 금속기 탄소섬유 복합재료 특히, 일방향의 탄소섬유(미크론 사이즈)를 포함하는 고열전도 재료는, 열팽창율 및 탄소섬유와 직교하는 방향의 열전도율에 관하여 더욱 개량할 필요가 있다. 또한, 전자기기의 소형경량화에 따라, 방열부재의 소형경량화도 요구되고 있다.
본 발명은 이와 같은 문제를 해결하는 것을 목적으로 하여 이루어진 것이다.
따라서, 본 발명은, 열팽창율 및 탄소섬유와 직교방향의 열전도율이 개선되고, 경량화된 금속기 탄소섬유 복합재료를 제공하는 것을 목적으로 한다. 또한, 본 발명은, 이와 같은 금속기 탄소섬유 복합재료의 제조방법을 제공한다.
본 발명은 방열장치 등의 재료로서 사용할 수 있는 금속기 탄소섬유 복합재료에 관한 것이다. 본 발명의 복합재료는, 직경이 수 미크론에서 수십 미크론인 탄소섬유(미크론 사이즈의 탄소섬유 또는 미크론 탄소섬유라고도 함)와, 직경이 수 나노미터에서 수백 나노미터인 나노 사이즈의 탄소섬유(나노화이버라고도 함)를 금속에 복합첨가한 것이다. 본 발명은, 이 복합재료에 있어서, 각각의 탄소섬유재료의 배향성을 억제함으로써, 높은 열전도율과 임의의 열팽창율을 양립시킬 수 있게 한다. 또한, 본 발명은 이 금속기 탄소섬유 복합재료의 제조방법에 관한 것이다.
구체적으로는, 본 발명의 제1 실시예에 따른 금속기 탄소섬유 복합재료는, 금속과, 미크론 사이즈의 탄소섬유 및 나노 사이즈의 탄소섬유를 포함하는 탄소섬유로 이루어지는 금속기 탄소섬유 복합재료이다. 이 복합재료는 제1 표면을 가지고, 미크론 사이즈의 탄소섬유는 복합재료의 제1 표면에 대하여 평행한 일방향을 향하여 배향되어 충전되어 있으며, 상기 제1 표면의 일단으로부터 대향하는 타단까지 그 적어도 50%가 연속되어 있고, 나노 사이즈의 탄소섬유는 그 80%가 제1 표면에 대하여 30° 이내로 배향되어 있으며, 제1 표면과 평행한 면 내에서는 임의로 배향되어 있는 것을 특징으로 한다. 본 발명의 금속기 탄소섬유 복합재료의 다른 실시예는, 상기 제1 실시예에 따른 금속기 탄소섬유 복합재료가 복수개의 층을 가지고, 각 층의 재료의 조성 중 적어도 일부가 서로 다른 것을 특징으로 한다. 본 발명의 금속기 탄소섬유 복합재료의 다른 실시예는, 상기 제1 실시예에 따른 금속기 탄소섬유 복합재료에 있어서, 제1 표면으로부터 일정 거리의 내부영역이, 다른 영역보다 적은 양의 미크론 사이즈의 탄소섬유를 포함하거나 혹은 미크론 사이즈의 탄소섬유를 전혀 포함하지 않고, 또한 나노 사이즈의 탄소섬유가 상기 복합재료의 제1 표면에 평행한 배향을 가지는 것을 특징으로 한다. 이 실시예에서는, 다른 영역이 복수 층으로 이루어지고, 각 층 재료의 조성 중 적어도 일부가 서로 달라도 된다. 이 제1 표면의 일정거리는 표면으로부터 10㎛~5mm인 것이 바람직하다. 또한, 상기 미크론 사이즈의 탄소섬유는 상기 복합재료 안에 20~80 체적% 함유되고, 상기 나노 사이즈의 탄소섬유는 상기 복합재료 안에 1~50 체적% 함유되는 것이 바람직하다.
본 발명의 일실시예에 따른 금속기 탄소섬유 복합재료의 제조방법은, 아래의 공정을 포함한다. (a) 금속분말과 나노 사이즈의 탄소섬유을 혼합하여, 금속분말-나노 사이즈 탄소섬유 혼합물을 조제하는 공정, (b) 상기 금속분말-나노 사이즈 탄소섬유 혼합물을 미크론 사이즈의 탄소섬유에 부착하여, 금속분말-나노 사이즈 탄소섬유 부착섬유를 조제하는 공정, (c) 상기 금속분말-나노 사이즈 탄소섬유 부착섬유를 배열시키면서 지그안에 충전하는 공정, 및 (d) 상기 지그를 가열하여 충전물을 가열소결하는 공정.
본 발명의 다른 실시예에 따른 금속기 탄소섬유 복합재료의 제조방법은, 2층 이상의 층구조를 가지는 금속기 탄소섬유 복합재료의 제조방법으로, 아래의 공정을 포함한다. (A) 금속분말과 나노 사이즈의 탄소섬유을 혼합하여, 금속분말-나노 사이즈 탄소섬유 혼합물을 조제하는 공정, (B) 상기 금속분말-나노 사이즈 탄소섬유 혼합물을 미크론 사이즈의 탄소섬유에 부착하여, 금속분말-나노 사이즈 탄소섬유 부착섬유를 조제하는 공정, (C) 금속분말-나노 사이즈 탄소섬유 혼합물 또는 상기 금속분말-나노 사이즈 탄소섬유 부착섬유를 배열시키면서 지그안에 충전하고, 상기 지그를 가열하여 충전물을 가열소결하여, 금속-나노 사이즈 탄소섬유 혼합물 소결물 또는 금속-나노 사이즈 탄소섬유 부착섬유 소결물을 얻는 공정, (D) 상기 금속분말-나노 사이즈 탄소섬유 혼합물, 상기 금속분말-나노 사이즈 탄소섬유 부착섬유, 상기 금속-나노 사이즈 탄소섬유 혼합물 소결물, 또는 상기 금속-나노 사이즈 탄소섬유 부착섬유 소결물로부터 선택된 2종 이상의 재료를 단계적으로 지그 안에 충전하고, 복수 층으로 이루어지는 충전물을 얻는 공정, 및 (E) 상기 지그를 가열하여 충전물을 가열소결하는 공정.
이 실시예에서는, 특히 공정 (D)에 있어서, 상기 금속분말-나노 사이즈 탄소섬유 혼합물 또는 상기 금속-나노 사이즈 탄소섬유 혼합물 소결물과, 상기 금속분말-나노 사이즈 탄소섬유 부착섬유 또는 상기 금속-나노 사이즈 탄소섬유 부착섬유 소결물의 2종의 재료를 단계적으로 지그 안에 충전함으로써, 상기 금속기 탄소섬유 복합재료의 표면으로부터 일정 영역에, 다른 영역보다 적은 양의 미크론 사이즈의 탄소섬유를 포함하거나 혹은 미크론 사이즈의 탄소섬유를 전혀 포함하지 않고, 나노 사이즈의 탄소섬유가 상기 복합재료의 상기 표면에 평행한 배향을 가지며, 상기 일정 영역이 상기 표면으로부터 10㎛~5mm인 금속기 탄소섬유 복합재료를 제조할 수 있다.
본 발명에서 미크론 사이즈의 탄소섬유는, 피치계 탄소섬유, PAN계 탄소섬유 또는 기상성장 탄소섬유로부터 선택되고, 나노 사이즈의 탄소섬유는, 기상성장 탄소섬유, 다층 카본나노튜브 또는 단층 카본나노튜브로부터 선택되는 것이 바람직하다. 또한, 금속은, 동, 알루미늄, 마그네슘 및 이것들을 기로 하는 합금으로 이루어지는 군에서 선택되는 것이 바람직하다.
본 발명에 따르면, 종래의 금속기 탄소섬유 복합재료 특히, 일방향의 탄소섬유(미크론 사이즈)를 포함하는 고열전도 재료의 결점이었던 미크론 사이즈의 탄소섬유와 직교방향에서의 열전도율, 열팽창율 등을 개선할 수 있다. 또한, 본 발명의 복합재료는 경량화를 도모할 수 있다.
도 1a는 본 발명의 금속기 탄소섬유 복합재료의 구조를 나타내는 개략사시도이다.
도 1b는 도 1a에 나타내는 Z축방향에서 본 경우의 본 발명의 금속기 탄소섬유 복합재료의 구조를 나타내는 개략도이다.
도 1c는 도 1a에 나타내는 X축방향에서 본 경우의 본 발명의 금속기 탄소섬유 복합재료의 구조를 나타내는 개략도이다.
도 2a는 본 발명의 다른 실시예에 따른 금속기 탄소섬유 복합재료의 구조를 나타내는 개략도이다.
도 2b는 도 1a의 복합재료를 발열체에 적용한 예를 나타내는 개략도이다.
도 3은 본 발명에서 사용하는 금속분말-나노 사이즈 탄소섬유 부착섬유를 제조하는 공정을 설명하기 위한 도면이다.
도 4a는 본 발명의 금속기 탄소섬유 복합재료의 제조에 사용하는 장치의 일례를 나타내는 도면이다.
도 4b는 다이, 하부펀치 및 상부펀치 부분의 확대개략도이다.
도 5는 펄스통전 소결법에 의해 작성한 Al-15wt% VGCF 복합재료의 전자현미경 사진을 나타낸다.
도 6a는 본 발명의 금속기 탄소섬유 복합재료를 제조할 때의 금속분말-나노 사이즈 탄소섬유 혼합물 등의 충전방법을 설명하는 도면이다.
도 6b는 본 발명의 금속기 탄소섬유 복합재료를 제조할 때의 금속분말-나노 사이즈 탄소섬유 혼합물 등의 충전방법을 설명하는 도면이다.
도 6c는 본 발명의 금속기 탄소섬유 복합재료를 제조할 때의 금속분말-나노 사이즈 탄소섬유 혼합물 등의 충전방법을 설명하는 도면이다.
도 6d는 본 발명의 금속기 탄소섬유 복합재료를 제조할 때의 금속분말-나노 사이즈 탄소섬유 혼합물 등의 충전방법을 설명하는 도면이다.
도 7은 실시예에서 작성한 알루미늄-기상성장 탄소섬유 나노화이버-피치계 탄소섬유 복합재료의 전자현미경 사진이다.
도 8a는 실시예 2에서 작성한 본 발명의 탄소섬유 복합재료의 전자현미경 사진으로, 나노 사이즈 섬유의 복합재료 표면에 대한 배향을 나타내는 도면이다.
도 8b는 실시예 1에서 작성한 본 발명의 탄소섬유 복합재료의 전자현미경 사진으로, 나노 사이즈 섬유의 복합재료 표면에 대한 배향을 나타내는 도면이다.
**부호의 설명**
100: 금속기 탄소섬유 복합재료 102: 미크론 사이즈의 탄소섬유
104: 나노 사이즈의 탄소섬유 106: 금속
110: 면 112: 면
114: 면 200: 금속기 탄소섬유 복합재료
202: 표면영역 204: 다른 영역
206: 표면 302: 권출보빈
304: 섬유다발 306: 교반장치
308: 용기 310: 금속분말 현탁액
312: 나노 사이즈 탄소섬유 부착섬유 314: 권취보빈
400: 가압소결용기 402: 다이
404: 하부펀치 406: 상부펀치
408: 플래튼 410: 플런저
412: 재료 414: 전원
602: 소결물 604: 소결물
본 발명은 금속과 탄소섬유로 이루어지는 금속기 탄소섬유 복합재료에 관한 것이다. 본 발명에서 탄소섬유는 미크론 사이즈의 탄소섬유와 나노 사이즈의 탄소섬유를 포함한다.
이하, 제1 실시예의 예시로서, 도 1a 내지 도 1c를 참조하여 본 발명의 금속기 탄소섬유 복합재료를 설명한다. 도 1a는 본 발명의 금속기 탄소섬유 복합재료의 사시도(개략적인 내부구조도를 도시함)이고, 도 1b는 도 1a에 나타내는 X-Y-Z축의 Z축방향에서 복합재료를 본 경우의 도면이며, 도 1c는 X-Y-Z축의 X축방향에서 복합재료를 본 경우의 도면이다. 한편, 아래에서는 도 1a에 나타내는 좌표축을 이용하여 설명하였는데, 이것들은 편의상 방향을 나타내기 위한 것이다.
본 발명의 금속기 탄소섬유 복합재료(100)는, 미크론 사이즈의 탄소섬유(102), 나노 사이즈의 탄소섬유(104) 및 금속(106)이 복합화된 복합재료이다. 특히, 본 발명의 금속기 탄소섬유 복합재료(100)는, 금속 매트릭스 안에서 X축방향으로 배향된 미크론 사이즈의 탄소섬유(102)와, 금속 매트릭스 안에 분산되어 존재하는 나노 사이즈의 탄소섬유(104)를 포함한다.
미크론 사이즈의 탄소섬유(102)는, 복합재료의 일단(도 1a의 Y-Z면에 평행한 110로 나타내는 면)으로부터 타단(도 1a의 Y-Z면에 평행한 112로 나타내는 면)까지 연속하여 있는데, 그 정도는 미크론 사이즈의 탄소섬유의 전체 양에 대하여 50% 이상인 것이 바람직하다.
나노 사이즈의 탄소섬유(104)는, 도 1b에 나타내는 바와 같이 Z축에 수직한 면안에 관하여 임의의 방향으로 배열되어 있는데, 도 1c에 나타내는 바와 같이 나 노 사이즈의 탄소섬유(104)의 적어도 80%는 이 Z축으로 수직한 면(도 1a의 X-Y면)에 대하여 30° 이내, 바람직하게는 10° 이내로 배향되어 있는 것을 특징으로 한다.
이와 같이, 본 발명의 복합재료는 제1 표면(예를 들어, 도 1a의 X-Y 평면에 평행한 면(114))을 가지며, 미크론 사이즈의 탄소섬유는 복합재료의 제1 표면에 대하여 평행한 일방향(예를 들어, 도 1a의 X축방향)을 향하여 배향되어 충전되어 있고, 나노 사이즈의 탄소섬유는 그 적어도 80%가 제1 표면에 대하여 30° 이내, 바람직하게는 10° 이내로 배향되어 있으며, 제1 표면과 평행한 면 안에서는 임의로 배향되어 있는 것을 특징으로 한다. 본 발명은 도 1a 내지 도 1c에 나타낸 태양에 더하여, 이 복합재료가 복수 층을 가지는 경우도 포함한다. 이 경우, 각 층의 구성재료인 금속, 미크론 사이즈의 탄소섬유 또는 나노 사이즈의 탄소섬유의 조성은 서로 다르다.
미크론 사이즈의 탄소섬유는 복합재료 안에 20~80 체적% 함유되고, 나노 사이즈의 탄소섬유는 복합재료 안에 1~50 체적% 함유되는 것이 바람직하다.
이어서, 제2 실시예에 따른 본 발명의 금속기 탄소섬유 복합재료에 대하여 도 2a 및 도 2b를 참조하여 설명한다. 도 2a는 제2 실시예에 따른 본 발명의 금속기 탄소섬유 복합재료의 구조를 나타내는 개략도로서, 도 1a 내지 도 1c와 같은 좌표축을 형성하였을 경우, X면에서 본 경우의 도면이다. 도 2b는 이 금속기 탄소섬유 복합재료를 발열체에 장착한 경우의 도면이다.
도 2a에 나타내는 바와 같이, 제2 실시예에 따른 금속기 탄소섬유 복합재 료(200)는, 그 표면영역(202)에 다른 영역(204)보다 적은 양의 미크론 사이즈의 탄소섬유(102)를 포함하거나 혹은 미크론 사이즈의 탄소섬유를 전혀 포함하지 않고, 나노 사이즈의 탄소섬유(104)가 복합재료의 표면(206)에 평행한 배향을 가지는 것을 특징으로 한다. 한편, 도 2a는 표면영역이 미크론 사이즈의 탄소섬유를 전혀 포함하지 않는 경우를 예시하고 있다.
이와 같이, 제2 실시예에 따른 복합재료는, 제1 표면(예를 들어, 도 2a의 X-Y 평면에 평행한 면(206))으로부터 일정 거리의 내부영역이, 다른 영역보다 적은 양의 미크론 사이즈의 탄소섬유를 포함하거나, 혹은 미크론 사이즈의 탄소섬유를 전혀 포함하지 않고, 나노 사이즈의 탄소섬유가 상기 복합재료의 제1 표면에 거의 평행한 배향을 가지는 것을 특징으로 한다. 제1 표면으로부터 일정 거리의 내부영역에 있는 나노 사이즈의 탄소섬유는, 그 적어도 90%가 제1 표면에 거의 평행한 배향을 가지는 것이 바람직하다.
본 발명에서 이 제1 표면으로부터의 일정 거리는, 제1 표면(예를 들어, 도 2a의 X-Y 평면에 평행한 면(206))으로부터 10㎛~5mm인 것이 바람직하다.
본 발명의 제2 실시예에 따른 복합재료는, 표면영역(202)에 있어서 미크론 사이즈의 탄소섬유의 배합량이 적거나 혹은 전혀 포함하지 않고, 또한 나노 사이즈의 탄소섬유가 표면(206)에 따른 배향을 가지는 구조로 함으로써, 면 내에 등방적인 열팽창율을 가질 수 있다. 미크론 사이즈의 탄소섬유의 배향방향은, 열팽창 억제가 크기 때문에, 제2 실시예에 따른 복합재료와 같은 구조로 함으로써, 복합재료의 표면을 발열부의 열팽창율에 맞추어 조절할 수 있다. 즉, 표면영역의 탄소섬유 의 배합을 적절히 선택함으로써, 복합재료의 표면을 발열부의 열팽창율에 맞추어 조절할 수 있다.
한편, 본 발명의 제2 실시예에 따른 복합재료는, 상술한 바와 같이 2층만이 아니라, 다층구조로 하는 것도 가능하다. 예를 들어, 다른 영역(204)을 복수 층으로 구성할 수도 있다. 이 경우, 각층의 구성재료인 금속, 미크론 사이즈의 탄소섬유 또는 나노 사이즈의 탄소섬유의 조성은, 표면영역(202)을 포함하여 서로 다르다. 이와 같이 함으로써, 열전도율 및 열팽창율을 더욱 개선할 수 있다.
본 발명의 금속기 탄소섬유 복합재료는, 열전도율에 대하여, 미크론 사이즈의 탄소섬유의 배향방향(예를 들어, 도 1a에서는 X축)(일방향)으로 300~1000W/(mK)(와트/미터-켈빈)을 가진다. 또한, 나노 사이즈의 탄소섬유의 열전도율에 대한 기여에 의해, 미크론 사이즈의 탄소섬유와 직각(예를 들어, 도 1a에서는 Z축) 방향으로 50~200W/(mK)의 열전도율을 가진다. 열팽창율에 대해서는, 미크론 사이즈의 탄소섬유, 및 미크론 사이즈의 탄소섬유에 직각인 면 내(상기 도 1a의 X-Y방향)에 임의로 배향한 나노 사이즈의 탄소섬유의 효과에 의해 -1~20ppm/K를 가진다. 이 값들은, 미크론 사이즈의 탄소섬유의 배향율, 나노 사이즈의 탄소섬유의 배향율, 및 이들의 배향방향을 적절하게 선택함으로써 제어할 수 있다.
이어서, 본 발명의 금속기 탄소섬유 복합재료의 각 성분에 대하여 설명한다.
1. 탄소섬유
본 발명에 사용되는 미크론 사이즈의 탄소섬유로서, 피치계 탄소섬유, PAN계 탄소섬유, 기상성장 탄소섬유를 들 수 있다. 이 탄소섬유들은 1㎛~50㎛의 직경을 가지는 섬유가 적당하다. 또한, 이 탄소섬유들은 원하는 복합재료의 치수에도 의존하는데, 1mm 이상의 길이를 가지는 것이 바람직하고, 원하는 복합재료의 일단으로부터 타단까지의 길이를 가지는 것이 특히 바람직하다. 본 발명에서 미크론 사이즈의 탄소섬유는 복합재료 안에서 1방향으로 배열시키고, 그 전체 양의 적어도 50%가 복합재료에 있어서 배향방향의 일단으로부터 타단까지 연속되어 있는 것이 바람직하다.
나노 사이즈의 탄소섬유로서는, 기상성장 탄소섬유, 다층 카본나노튜브(MWCNT) 또는 단층 카본나노튜브(SWCNT)를 들 수 있다. 이 탄소섬유 및 카본나노튜브는 1㎛(1000nm) 이하의 섬유길이를 가지는 것이 바람직하다. 나노 사이즈의 탄소섬유는 어스팩트비(길이/직경)가 적어도 10 이상인 것이 바람직하다.
2. 금속
본 발명에 사용되는 금속은 높은 열전도성을 가지는 금속이며, 알루미늄, 알루미늄의 합금, 동, 동의 합금, 마그네슘 또는 마그네슘의 합금을 포함한다. 예를 들어, 열전도성을 높이는 것이 일의적 목적인 경우, 동 또는 그 합금을 사용할 수 있다. 또한, 예를 들어, 경량인 것이 일의적 목적인 경우, 보다 작은 밀도를 가지는 알루미늄, 알루미늄의 합금, 마그네슘 또는 마그네슘의 합금을 사용할 수 있다. 금속의 밀도는 알루미늄(2.7g/cm3), 마그네슘(1.8g/cm3), 동(8.9g/cm3)과 이것들을 주로 하는 합금인 것이 바람직하다. 이와 같은 재료를 사용함으로써, 본 발명의 복합재료를 저밀도(경량)로 할 수 있다.
금속은 평균입경 10nm~50㎛의 분말인 것이 바람직하다.
금속과 2종류의 탄소섬유를 복합화함으로써, 알루미늄기 탄소섬유 복합재료(2.6g/cm3 이하), 마그네슘기 탄소섬유 복합재료(2.2g/cm3 이하) 또는 동기 탄소섬유 복합재료(7.6g/cm3 이하)를 얻을 수 있다. 이와 같은 복합재료에서 미크론 사이즈의 탄소섬유와 나노 사이즈의 탄소섬유를 총합한 탄소분의 총량은, 복합재료의 20~80 체적%인 것이 바람직하다.
대표적인 탄소섬유 및 금속의 열물성을 아래의 표 1에 나타낸다.
재료 열전도율
(W/(mK))		 열팽창율
(ppm/K)		 밀도
(g/cm3)
그래파이트 c축
a축
알루미늄
마그네슘
동		 1950
20 이하
238
156
398		 -15
2.8
23
26
17		 2.2

2.7
1.8
8.9
본 발명의 금속기 탄소섬유 복합재료는 예를 들어, 반도체를 사용한 전자장치 또는 파워모듈의 방열부재(기판, 히트싱크, 히트 스프레더(Heat Spreader) 등)로서 유용하다. 반도체를 사용한 전자장치는 예를 들어, 중앙처리장치(CPU), 기억소자(메모리), 각종 장치의 컨트롤 IC, 플랫 패널 디스플레이 장치, 화상처리장치, 통신장치(무선 및 유선), 광전 하이브리드 회로 등 해당기술에서 알려져 있는 임의의 것이어도 된다. 파워모듈은 사이리스터(thyristor), GTO, IGBT, IEGT 등의 소자를 이용한 컨버터, 인버터 등을 포함한다. 본 발명의 금속기 탄소섬유 복합재료를 히트싱크 또는 히트 스프레더와 같은 방열부재로서 이용하는 경우, 이 재료는 적당한 형상으로 가공되어, 이 장치들에서 발생하는 열을 중간적 내지 최종적인 냉매로 수송하도록 설치된다. 특히, 도 2a에 나타낸 바와 같은 다층의 금속기 탄소섬유 복합재료의 경우에는, 발열체측에 상술한 표면영역(202) 측을 접촉시키도록 하는 것이 바람직하다(도 2b 참조).
또한, 금속기 탄소섬유 복합재료와 발열체를 접촉시킬 때, 본 발명의 복합재료 및 이 장치들의 접합부에 있어서, 각 표면의 요철(凹凸)을 충전하기 위한 유연한 전열매체(예를 들어, 은 등의 고열전도성 입자를 분산시켜도 되는 실리콘 그리스, 열전도 시트 등)를 이용하여, 장치로부터 복합재료로의 균일한 열전도를 달성하여도 된다.
이어서, 본 발명의 금속기 탄소섬유 복합재료의 제조방법에 대하여 설명한다.
본 발명의 제조방법의 일실시예는, (a) 금속분말과 나노 사이즈의 탄소섬유을 혼합하여, 금속분말-나노 사이즈 탄소섬유 혼합물을 조제하는 공정과, (b) 상기 금속분말-나노 사이즈 탄소섬유 혼합물을 미크론 사이즈의 탄소섬유에 부착하여, 금속분말-나노 사이즈 탄소섬유 부착섬유를 조제하는 공정과, (c) 상기 금속분말-나노 사이즈 탄소섬유 부착섬유를 배열시키면서 지그안에 충전하는 공정과, (d) 상기 지그를 가열하여 충전물을 가열소결하는 공정을 포함한다.
다른 실시예에서는, (A) 금속분말과 나노 사이즈의 탄소섬유을 혼합하여, 금속분말-나노 사이즈 탄소섬유 혼합물을 조제하는 공정과, (B) 상기 금속분말-나노 사이즈 탄소섬유 혼합물을 미크론 사이즈의 탄소섬유에 부착하여, 금속분말-나노 사이즈 탄소섬유 부착섬유를 조제하는 공정과, (C) 금속분말-나노 사이즈 탄소섬유 혼합물 또는 상기 금속분말-나노 사이즈 탄소섬유 부착섬유를 배열시키면서 지그안에 충전하고, 상기 지그를 가열하여 충전물을 가열소결하여, 금속-나노 사이즈 탄소섬유 혼합물 소결물 또는 금속-나노 사이즈 탄소섬유 부착섬유 소결물을 얻는 공정과, (D) 상기 금속분말-나노 사이즈 탄소섬유 혼합물, 상기 금속분말-나노 사이즈 탄소섬유 부착섬유, 상기 금속-나노 사이즈 탄소섬유 혼합물 소결물, 또는 상기 금속-나노 사이즈 탄소섬유 부착섬유 소결물로부터 선택된 2종 이상의 재료를 단계적으로 지그 안에 충전하고, 복수 층으로 이루어지는 충전물을 얻는 공정과, (E) 상기 지그를 가열하여 충전물을 가열소결하는 공정을 포함한다.
이하, 도면을 참조하면서 본 발명의 제조방법을 상세히 설명한다.
본 발명의 제조방법의 제1 공정은, 금속분말과 나노 사이즈의 탄소섬유를 혼합하여, 금속분말-나노 사이즈 탄소섬유 혼합물을 형성하는 공정이다.
금속 분말과 나노 사이즈의 탄소섬유를 혼합한다. 혼합법은, 나노 사이즈의 탄소섬유, 금속가루 모두 응집하기 쉽기 때문에, 습식이 바람직하다. 혼합액의 용매에는, 알루미늄, 마그네슘 및 이것들을 기로 하는 합금을 이용하는 경우, 유기용매를 이용할 수 있다. 한편, 동 및 동을 기로 하는 합금을 이용하는 경우에는, 물을 용매로서 사용하는 것도 가능하다. 유기용매는 특별히 한정되지 않지만, 알코올(메탄올, 에탄올, 프로판올 등), 탄화수소 용매(예를 들어, 헥산, 벤젠, 크실렌, 톨루엔 등), 케톤(아세톤 등), 에테르(디메틸에테르, 디에틸에테르, 에틸메틸에테르 등), 할로겐화 탄화수소(클로로포름 등), 미네랄 스프리트(mineral spirit) 등으로부터 선택할 수 있다. 필요에 따라, 용매기준으로 0.1~2 중량%의 분산제를 더하는 것이 바람직하다. 분산제로는 폴리에틸렌글리콜, 플로닉계 분산제(플로닉(일본등록상표) F68) 등을 들 수 있다.
용매는 고형성분(금속분말과 나노 사이즈의 탄소섬유)의 50~90 체적% 정도로 더해진다. 용매, 금속 및 나노 사이즈의 탄소섬유는, 스터러(stirrer), 초음파 혼합, 볼밀 혼합 중 어느 하나 또는 이것들을 조합하여 사용함으로써 혼합된다. 예를 들어, 스터러에 의한 혼합과 초음파에 의한 혼합은 동시에 실시할 수 있다. 이들의 혼합조건은 재료에 따라 적절히 선택하면 되고, 조건은 당업자가 용이하게 선택할 수 있다.
제2 공정은, 상기 금속분말-나노 사이즈 탄소섬유 혼합물을 미크론 사이즈의 탄소섬유에 부착하여, 금속분말-나노 사이즈 탄소섬유 부착섬유를 조제하는 공정이다.
제1 공정에서 조제된 금속분말-나노 사이즈 탄소섬유 혼합물의 현탁액을 미크론 사이즈의 탄소섬유에 부착시킨다. 부착방법은 현탁액으로의 침지에 의한 것이다. 시판되는 미크론 탄소섬유는 2000~20000개의 다발이 보빈(bobbin)에 감긴 상태이기 때문에, 도 3에 나타내는 바와 같이, 롤러를 통한 현탁액으로의 침지에 의해 연속적으로 부착이 가능하다. 침지속도는 예를 들어, 10~200mm/s로 할 수 있다. 한편, 이 공정은 자동침지이어도 수작업에 의한 침지이어도 된다.
도 3의 장치에서는, 권출(卷出)보빈(302)으로부터 섬유다발(304)이 풀려, 교반장치(306)에 의해 교반되는 용기(308) 안의 금속분말-나노 사이즈 탄소섬유 혼합물(금속분말 현탁액)(310) 안에 침지되고, 금속분말-나노 사이즈 탄소섬유 부착섬유(금속분말이 부착한 섬유다발)(312)가 권취(卷取)보빈(314)에 감긴다.
이어서, 금속분말-나노 사이즈 탄소섬유 부착섬유를 건조시킨다. 권취보빈(314)에 감기기 전 또는 후에, 자연건조, 온(열)풍 건조기에 의한 건조, 로터리펌프에 의한 상온감압건조 등의 방법을 적용할 수 있다. 이 건조조건들은 재료에 따라 적절히 선택하면 되고, 조건은 당업자가 쉽게 선택할 수 있다.
금속분말-나노 사이즈 탄소섬유 혼합물은 촘촘하기 때문에, 건조후에도 자연적으로 발생하는 정전력에 의해 탈리(脫離)가 거의 발생하지 않는다. 탈리가 문제되는 경우에는, 금속분말 현탁액 용매안에 파라핀 왁스 등의 바인더를 0.1~2 중량% 혼합하여, 금속분말-나노 사이즈 탄소섬유 혼합물을 미크론 사이즈의 탄소섬유에 보유시킨다. 한편, 이 경우에는 500℃ 이상의 온도로 불활성 분위기 중에서 탈왁스를 하는 공정이 필요하기 때문에, 융점이 낮은 알루미늄, 마그네슘 등의 금속을 이용하는 경우에는 별도의 방법(예를 들어, 후술하는 바와 같은 방법)이 필요하게 된다.
이어서, 본 발명의 제3 공정은, 상기 금속분말-나노 사이즈 탄소섬유 부착섬유를 배열시키면서 지그안에 충전하는 공정이다. 또한, 본 발명의 제4 공정은, 제3 공정에서 충전한 충전물을 가열소결하는 공정이다. 본 발명에서는 일축가압 소결법을 이용할 수 있다. 생산성이 높은 방법으로는 펄스통전 소결법을 들 수 있다. 그 외에, 핫프레스법도 적용할 수 있다. 이하, 제3 공정과 제4 공정을 합하여 설명한다.
본 발명에서 사용할 수 있는 가압소결장치를 도 4a 및 도 4b에 나타낸다. 도 4a는 장치의 전체 구성을 나타내는 개략도이며, 도 4b는 다이(die), 하부펀치 및 상부펀치의 부분(지그부분) 확대도이다. 도 4a의 가압소결장치는, 가압소결용기(400)와, 관통구멍을 가지는 다이(402), 그리고 이 관통구멍에 끼워맞추는 하부펀치(404) 및 상부펀치(406)로 구성되는 지그와, 하부펀치(404)와 상부펀치(406)에 대하여 압력을 가하는 플래튼(platen; 408) 및 플런저(plunger; 410)와, 하부펀치(404)와 상부펀치(406)에 접속되어 재료(412)에 전류를 흘리기 위한 전원(414)을 구비한다.
먼저, 금속분말-나노 사이즈 탄소섬유 부착섬유를 소정의 길이로 절단하고, 상기 가압소결장치의 지그 안에 충전한다.
도 4b에 나타내는 바와 같이, 다이(402)에 하부펀치(404)를 끼워맞추어 형성되는 오목부에 섬유를 배열시키면서 재료(412)를 충전한다. 예를 들어, 상술한 현탁액 침지법에 의해 얻어지는 금속분말-나노 사이즈 탄소섬유 부착섬유를 이용하는 경우, 권취보빈으로부터 풀린 이 탄소섬유를 적당한 길이로 절단하고, 절단한 금속분말-나노 사이즈 탄소섬유 부착섬유를 다이(402) 및 하부펀치(404)로 형성되는 오목부에 배열시키면서 충전할 수 있다. 또한, 금속분말 현탁액 안에 분산제를 사용한 경우에는, 상부펀치(406)를 올려놓기 전 혹은 상부펀치(406)를 올려놓은 후 1~10MPa의 저가압상태에서, 진공중 또는 불활성 분위기(질소, 아르곤, 헬륨 등) 하에서, 충전한 금속분말-나노 사이즈 탄소섬유 부착섬유를 200~400℃의 온도로 가열하여 분산제를 제거하고, 금속분말 및 탄소섬유로 이루어지는 금속분말-나노 사이즈 탄소섬유 부착섬유를 형성하는 것이 바람직하다. 분산제의 가열제거공정은, 가열수단을 더 구비한 펄스통전 소결장치 안에서 이루어져도 되고, 혹은 별도의 가열장치 안에서 이루어져도 된다. 한편, 금속분말로서 동 분말을 이용하는 경우에는, 분산제의 가열제거공정이 산화성 분위기(공기, 산소부화공기 또는 순산소 등)에서 이루어져도 된다.
이어서, 충전된 재료(금속분말-나노 사이즈 탄소섬유 부착섬유)(412) 위에 상부펀치(406)를 올려놓고 조합된 지그를, 가열소결용기(400) 안의 프레스기의 플래튼(408) 및 플런저(410) 사이에 배치하고, 소결공정을 실시한다. 소결공정은 대기중, 진공중 또는 불활성 분위기 중에서 실시하는 것이 바람직하다. 가압소결용기(400) 안을 진공으로 하기 위하여, 가압소결용기(400)는 적절한 진공배기계와 접속되는 배기구(도시하지 않음)를 가지고 있어도 된다. 진공중에서 소결공정을 하는 경우, 용기안의 압력을 0~20Pa, 바람직하게는 0~5Pa로 하는 것이 바람직하다. 혹은, 또한 가압소결용기(400)가 불활성 가스 도입구 및 가스 배출구(모두 도시하지 않음)를 가지고, 가압소결용기(400)를 불활성 가스(질소, 아르곤, 헬륨 등)로 정화(purge)하여 불활성 분위기를 실현하여도 된다.
이어서, 상부펀치(406)를 플런저로 눌러 재료(금속분말-나노 사이즈 탄소섬유 부착섬유)(412)에 압력을 인가한다. 인가되는 압력은 예를 들어, 5~300MPa가 바람직하다. 소결온도는 금속종류에 따라 다르지만, 금속종류가 순알루미늄, 순마그네슘인 경우, 예를 들어 500~650℃, 순동인 경우에는 700~1050℃ 정도이다. 소결 분위기는 50Pa 이하의 진공 혹은 0.1 MPa(1기압) 이하의 질소, 아르곤 등의 불활성 분위기인 것이 바람직하다.
그리고, 하부펀치(404) 및 상부펀치(406)에 접속되는 전원(414)을 이용하여, 펄스형상의 전류를 재료(412)에 통전하여 소결을 실시한다. 이 때 사용되는 전류의 펄스폭은 0.005~0.02초, 바람직하게는 0.005~0.01초이며, 전류밀도(다이(402)의 관통구멍의 단면적을 기준으로 함)는 5×105~2×107A/m2, 바람직하게는 5×106~1×107A/m2인 것이 바람직하다. 이와 같은 전류밀도를 달성하기 위한 전압은, 재료(412)를 포함한 도전경로의 저항값에 의존하는데, 통상 2~8V의 범위내이다. 펄스형상 전류의 통전은 원하는 소결이 완료될 때까지 계속되며, 그 계속시간은 복합재료의 치수, 전류밀도, 탄소섬유의 혼합비 등에 의존하여 변한다.
상술한 바와 같이, 펄스형상 전류를 통전함으로써 금속입자의 소성변형 및 분말 사이의 융착이 발생하여 소결이 진행된다. 본 공정과 같이 펄스형상 전류를 이용하였을 경우, 금속섬유 혼합물 전체를 가열하는 것과는 달리 금속입자가 결합을 일으킬 부위에 발열이 집중되기 때문에, 전류 에너지를 보다 효율적으로 이용하여 보다 빠르게 소결할 수 있게 된다. 그리고, 금속섬유 혼합물 전체의 온도가 그다지 상승되지 않고, 금속-탄소섬유 사이의 반응에 의한 탄화물이 생성하지 않는다는 점에서 종래의 용탕함침법보다 유리하다. 따라서, 코팅 등을 실시하지 않은 저가의 탄소섬유를 이용하여 우수한 특성을 가지는 금속기 탄소섬유 복합재료를 얻을 수 있다. 또한, 통전초기에 발생하는 플라즈마가 분말의 흡착가스 및 산화피막의 제거 등의 작용을 가진다는 점에서도, 통상의 저항가열법보다 유리하다.
이와 같은 일축가압 프로세스를 실시함으로써, 적어도 80%의 나노 사이즈의 탄소섬유가 가압축과 수직면으로 기울어, 가압축(예를 들어, 도 1a의 Z축)과 수직한 면(예를 들어, 도 1a의 X-Y평면)에 대하여 30° 이내, 바람직하게는 10° 이내에 따른 배향이 된다. 도 5에 Al-15wt% VGCF(상술한 도 2a에 나타내는 바와 같은 표면영역이 미크론 사이즈의 탄소섬유를 실질적으로 포함하지는 않지만, 표층부분에 상당)의 펄스통전 소결법에 의한 복합재료의 전자현미경 사진을 나타낸다. VGCF(나노 사이즈의 탄소섬유)가 가압축에 수직한 면(즉, 도 5의 지면 내의 좌우방향)에 따른 구조로 되어 있다.
본 발명의 제조방법의 다른 실시예를 도 6a 내지 도 6d를 참조하여 설명한다. 본 실시예는 다이(402) 안의 하부펀치(404) 위에 재료를 충전할 때 다단계에서 서로 다른 조성의 것을 충전한다. 이 실시예에 의해, 도 2a에 나타내는 바와 같은 복합재료의 표면부분에 미크론 사이즈의 탄소섬유를 실질적으로 포함하지 않는 부분을 가지는 금속기 탄소섬유 복합재료를 제조할 수 있다.
본 실시예의 제1 예는 도 6a에 나타내는 바와 같이, 서로 다른 미소결 금속기 탄소섬유 복합재료의 원료를 2단계로 충전하고, 가압소결하는 것이다. 서로 다른 원료로서는 예를 들어, 금속분말-나노 사이즈 탄소섬유 혼합물 및 금속분말-나노 사이즈 탄소섬유 부착섬유를 들 수 있다. 충전은 예를 들어, 금속분말-나노 사이즈 탄소섬유 혼합물을 충전하고, 이어서 금속분말-나노 사이즈 탄소섬유 부착섬유를 충전하는 순서, 또는 그 반대 순서를 들 수 있다.
다른 방법(제2 및 제3의 예)으로서, 미리 소결된 금속기 탄소섬유 복합재료와, 미소결의 금속기 탄소섬유 복합재료의 원료를 조합하여 충전할 수도 있다. 예를 들어, 도 6b에 나타내는 바와 같이, 금속분말-나노 사이즈 탄소섬유 혼합물의 소결물(602)을 충전하고, 이어서 금속분말-나노 사이즈 탄소섬유 부착섬유(312)를 충전하는 순서를 들 수 있다. 한편, 그 반대 순서도 가능하다(도 6c 참조).
또 다른 방법(제4 예)으로서, 서로 다른 소결된 금속기 탄소섬유 복합재료를 재충전하고, 소결접합할 수도 있다. 예를 들어, 도 6d에 나타내는 바와 같이, 미리 소결된 금속-나노 사이즈 탄소섬유 부착섬유의 소결물(604)과, 미리 소결된 금속-나노 사이즈 탄소섬유 혼합물의 소결물(602)을 원하는 순서(도면에서는 금속-나노 사이즈 탄소섬유 부착섬유의 소결물, 이어서 미리 소결된 금속-나노 사이즈 탄소섬유 혼합물의 소결물의 순인데, 층 구성은 반대로 할 수도 있다)로 충전하고, 소결접합한다.
상기 예는 2층의 금속기 탄소섬유 복합재료를 제조하는 예인데, 본 실시예는 열응력의 완화 등을 목적으로 하여 더욱 다단화할 수도 있다. 다단화하기 위해서는, 상기 어느 하나의 방법을 적용하여 서로 다른 재료를 다단으로 충전하고 소결하면 된다.
본 실시예에 의해 복수 층에서 조성(배합비, 구조 등)이 다른 재료를 제작할 수 있다.
(실시예 1)
알루미늄-기상성장 탄소섬유 나노화이버-피치계 탄소섬유 복합재료의 실시예를 나타낸다.
알루미늄 분말(일본 쇼와덴코사 제품: 평균입경 5㎛), 기상성장 탄소섬유 나노화이버(이하, VGCF, 일본 쇼와덴코사 제품: 직경 150nm, 어스팩트비 60 이상), 피치계 탄소섬유(직경 10㎛, 2000개의 섬유다발)를 사용하였다.
알루미늄 분말 47.5g, VGCF 2.5g에 이소프로판올 80cc를 더하고, 초음파 혼합장치로 1시간 혼합하여 알루미늄-나노화이버 혼합물을 얻었다.
상기와 같이 하여 얻어진 현탁액에 피치계 탄소섬유의 섬유다발을 침지하여, 섬유다발에 알루미늄-나노화이버 혼합물을 부착하였다.
24시간 풍건(風乾)으로 건조하였다. 그 결과, 알루미늄 분말 33.3 중량%, VGCF 1.7 중량%, 피치계 탄소섬유 65 중량%가 되는 금속분말-나노 사이즈 탄소섬유 부착섬유를 얻었다.
금속분말-나노 사이즈 탄소섬유 부착섬유를 20mm로 절단하고, 20mm 정방단면을 가지는 흑연제 소결다이 안에 충전하였다. 이 다이를 펄스통전 소결기에서 10Pa의 진공중, 가압력 50MPa, 소결온도 600℃로 소결하여, 복합재료를 얻었다. 얻어진 복합재료의 열물성을 알루미늄-피치계 탄소섬유 복합재의 열물성과 함께 표 2에 나타낸다. 한편, 표 2에서 X, Y, Z는, 얻어진 복합재료를 X-Y-Z축과 같이 배치한 경우의 각 방향을 나타낸다.
알루미늄-VGCF-피치계 탄소섬유 복합재료 알루미늄-피치계 탄소섬유
복합재료
피치계 탄소섬유(vol%)
VGCF(vol%)
열전도율(W/(mK)) X
Y
Z
열팽창율(ppm/K) X
RT~100℃ Y
Z		 69
1.9
749
37
8
-0.2
16
20		 65
0
630
30
8
-1.2
20.2
19.0
또한, 얻어진 복합재료의 전자현미경 사진을 도 7 및 도 8b에 나타낸다. 도 8b에 나타낸 바와 같이, 나노화이버의 80%가 복합재료의 표면(도 1a에서는 복합재료의 제1 면으로서의 X-Y평면)에 대하여 일정한 범위 즉, 30° 이내, 바람직하게는 10° 이내로 배향되어 있는 것을 알 수 있다(한편, 도 8b에서는 10° 이내로 배향되어 있는 것에 대해서만 각도를 나타내었다). 또한, 도 7 및 도 8b로부터 명백한 바와 같이, 미크론 사이즈의 탄소섬유는 복합재료의 제1 면의 일단으로부터 대향하는 타단(도 1a에서는 복합재료의 Y-Z면에 평형한 110에서 112)까지 그 적어도 50%가 연속되어 있다.
(실시예 2)
알루미늄-기상성장 탄소섬유 나노화이버 복합재료의 실시예를 나타낸다.
알루미늄 분말(일본 쇼와덴코사 제품: 평균입경 5㎛), 기상성장 탄소섬유 나노화이버(이하, VGCF, 일본 쇼와덴코사 제품: 직경 150nm, 어스팩트비 60 이상), 피치계 탄소섬유(직경 10㎛, 2000개의 섬유다발)를 사용하였다.
알루미늄 분말 42.5g, VGCF 7.5g에 이소프로판올 80cc를 더하고, 초음파 혼합장치로 1시간 혼합하였다.
24시간 풍건으로 건조하였다. 그 결과, 알루미늄 분말 75 중량%, VGCF 15 중량%가 되는 혼합분말을 얻었다.
이 혼합분말을 20mm 정방단면을 가지는 흑연제 소결다이 안에 충전하였다. 이 다이를 펄스통전 소결기에서 10Pa의 진공중, 가압력 50MPa, 소결온도 600℃로 소결하여, 복합재료를 얻었다. 얻어진 복합재료의 열물성을 표 3에 나타낸다. 또한, 얻어진 복합재료의 전자현미경 사진을 도 5 및 도 8a에 나타낸다. 도 8a에 나타낸 바와 같이, 나노화이버의 80%가 복합재료의 표면(도 1a에서는 복합재료의 제1 면으로서의 X-Y평면)에 대하여 일정한 범위 즉, 30℃ 이내, 바람직하게는 10° 이내로 배향되어 있는 것을 알 수 있다(한편, 도면에서는 10° 이내로 배향되어 있는 것에 대해서만 각도를 나타내었다).
알루미늄-VGCF 복합재료
VGCF(vol%)
열전도율(W/(mK)) X
Y
Z
열팽창율(ppm/K) X
RT~100℃ Y
Z		 15
112
112
67
15.8
15.8
-
(실시예 3)
상기 실시예 1 및 2에서 얻어진 각 복합재료를 20mm 정방단면을 가지는 흑연제 소결다이 안에 충전하였다. 이 다이를 펄스통전 소결기에서 10Pa의 진공중, 가압력 50MPa, 소결온도 600℃로 소결하여, 표면영역에 미크론 사이즈의 탄소섬유를 포함하지 않는 복합재료를 얻었다. 이 복합재료는 상기 실시예 1 및 2에서 얻어진 특성을 각각의 층에 가지는 복합재료였다.
본 명세서 내용 중에 포함되어 있음.

Claims (13)

  1. 금속과, 미크론 사이즈의 탄소섬유 및 나노 사이즈의 탄소섬유를 포함하는 탄소섬유로 이루어지는 금속기 탄소섬유 복합재료로서,
    상기 복합재료는 제1 표면을 가지고, 상기 미크론 사이즈의 탄소섬유는 상기 복합재료의 상기 제1 표면에 대하여 평행한 일방향을 향하여 배향되어 충전되어 있으며, 상기 제1 표면의 일단으로부터 대향하는 타단까지 그 적어도 50%가 연속되어 있고, 나노 사이즈의 탄소섬유는 그 80%가 상기 제1 표면에 대하여 30° 이내로 배향되어 있으며, 상기 제1 표면과 평행한 면 내에서는 임의로 배향되어 있는 것을 특징으로 하는 금속기 탄소섬유 복합재료.
  2. 제 1 항에 있어서,
    복수 층을 가지는 금속기 탄소섬유 복합재료로서, 각 층의 금속, 미크론 사이즈의 탄소섬유 또는 나노 사이즈의 탄소섬유의 조성이 서로 다른 것을 특징으로 하는 금속기 탄소섬유 복합재료.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 금속기 탄소섬유 복합재료의 제1 표면으로부터 일정 거리의 내부영역이, 다른 영역보다 적은 양의 미크론 사이즈의 탄소섬유를 포함하거나 혹은 미크론 사이즈의 탄소섬유를 전혀 포함하지 않고, 또한 나노 사이즈의 탄소섬유가 상기 복 합재료의 제1 표면에 평행한 배향을 가지는 것을 특징으로 하는 금속기 탄소섬유 복합재료.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 다른 영역이 복수 층으로 이루어지고, 각 층의 금속, 미크론 사이즈의 탄소섬유 또는 나노 사이즈의 탄소섬유의 조성이 서로 다른 것을 특징으로 하는 금속기 탄소섬유 복합재료.
  5. 제 3 항 또는 제 4 항에 있어서,
    상기 제1 표면의 일정거리는 표면으로부터 10㎛~5mm인 것을 특징으로 하는 금속기 탄소섬유 복합재료.
  6. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 미크론 사이즈의 탄소섬유는 상기 복합재료 안에 20~80 체적% 함유되고, 상기 나노 사이즈의 탄소섬유는 상기 복합재료 안에 1~50 체적% 함유되는 것을 특징으로 하는 금속기 탄소섬유 복합재료.
  7. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 미크론 사이즈의 탄소섬유는, 피치계 탄소섬유, PAN계 탄소섬유 또는 기상성장 탄소섬유로부터 선택되고, 상기 나노 사이즈의 탄소섬유는, 기상성장 탄 소섬유, 다층 카본나노튜브 또는 단층 카본나노튜브로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 금속기 탄소섬유 복합재료.
  8. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 금속은, 동, 알루미늄, 마그네슘 및 이것들을 기로 하는 합금으로 이루어지는 군에서 선택되는 것을 특징으로 하는 금속기 탄소섬유 복합재료.
  9. (a) 금속분말과 나노 사이즈의 탄소섬유을 혼합하여, 금속분말-나노 사이즈 탄소섬유 혼합물을 조제하는 공정과,
    (b) 상기 금속분말-나노 사이즈 탄소섬유 혼합물을 미크론 사이즈의 탄소섬유에 부착하여, 금속분말-나노 사이즈 탄소섬유 부착섬유를 조제하는 공정과,
    (c) 상기 금속분말-나노 사이즈 탄소섬유 부착섬유를 배열시키면서 지그안에 충전하는 공정과,
    (d) 상기 지그를 가열하여 충전물을 가열소결하는 공정을 포함하는 것을 특징으로 하는 금속기 탄소섬유 복합재료의 제조방법.
  10. (A) 금속분말과 나노 사이즈의 탄소섬유을 혼합하여, 금속분말-나노 사이즈 탄소섬유 혼합물을 조제하는 공정과,
    (B) 상기 금속분말-나노 사이즈 탄소섬유 혼합물을 미크론 사이즈의 탄소섬유에 부착하여, 금속분말-나노 사이즈 탄소섬유 부착섬유를 조제하는 공정과,
    (C) 금속분말-나노 사이즈 탄소섬유 혼합물 또는 상기 금속분말-나노 사이즈 탄소섬유 부착섬유를 배열시키면서 지그안에 충전하고, 상기 지그를 가열하여 충전물을 가열소결하여, 금속-나노 사이즈 탄소섬유 혼합물 소결물 또는 금속-나노 사이즈 탄소섬유 부착섬유 소결물을 얻는 공정과,
    (D) 상기 금속분말-나노 사이즈 탄소섬유 혼합물, 상기 금속분말-나노 사이즈 탄소섬유 부착섬유, 상기 금속-나노 사이즈 탄소섬유 혼합물 소결물, 또는 상기 금속-나노 사이즈 탄소섬유 부착섬유 소결물로부터 선택된 2종 이상의 재료를 단계적으로 지그 안에 충전하고, 복수 층으로 이루어지는 충전물을 얻는 공정과,
    (E) 상기 지그를 가열하여 충전물을 가열소결하는 공정을 포함하는 것을 특징으로 하는 금속기 탄소섬유 복합재료의 제조방법.
  11. 제 10 항에 있어서,
    공정 (D)에 있어서, 상기 금속분말-나노 사이즈 탄소섬유 혼합물 또는 상기 금속-나노 사이즈 탄소섬유 혼합물 소결물과, 상기 금속분말-나노 사이즈 탄소섬유 부착섬유 또는 상기 금속-나노 사이즈 탄소섬유 부착섬유 소결물의 2종의 재료를 단계적으로 지그 안에 충전하고, 금속기 탄소섬유 복합재료의 표면으로부터 일정 영역에, 다른 영역보다 적은 양의 미크론 사이즈의 탄소섬유를 포함하거나 혹은 미크론 사이즈의 탄소섬유를 전혀 포함하지 않고, 나노 사이즈의 탄소섬유가 상기 복합재료의 상기 표면에 평행한 배향을 가지며, 상기 일정 영역이 상기 표면으로부터 10㎛~5mm인 금속기 탄소섬유 복합재료를 제조하는 것을 특징으로 하는 금속기 탄소 섬유 복합재료의 제조방법.
  12. 제 9 항 내지 제 11 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 미크론 사이즈의 탄소섬유는, 피치계 탄소섬유, PAN계 탄소섬유 또는 기상성장 탄소섬유로부터 선택되고, 상기 나노 사이즈의 탄소섬유는, 기상성장 탄소섬유, 다층 카본나노튜브 또는 단층 카본나노튜브로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 금속기 탄소섬유 복합재료의 제조방법.
  13. 제 9 항 내지 제 11 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 금속 또는 금속분말은, 동, 알루미늄, 마그네슘 및 이것들을 기로 하는 합금으로 이루어지는 군에서 선택되는 것을 특징으로 하는 금속기 탄소섬유 복합재료의 제조방법.
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