KR101210966B1 - 전자소자용 고강도 복합소재 - Google Patents

Abstract

본 발명은 전자소자용 고강도 복합소재에 관한 것으로, 복합소재의 둘레부에 유리상 탄소를 형성시킴으로써, 높은 경도, 낮은 열팽창계수 및 전기저항을 갖는 복합소재를 얻을 수 있는 효과가 있다.

Description

전자소자용 고강도 복합소재{High-Strength Complex Material}

본 발명은 복합소재 제조방법에 관한 것으로, 높은 경도와 낮은 열팽창계수 및 전기저항을 가지고서 전자소자에 사용되는 복합소재에 관한 것이다.

일반적으로 캐비티 필터에 사용되는 공진기 등에 사용되는 소재 또는 전자소자의 기판 등에는 복합소재가 사용된다.

이러한 복합소재는 AL, Fe, Cu, Ag 등의 금속기지상에 탄소계 흑연, 탄소섬유 등을 균일하게 분산시켜 제조된다.

하지만 상기와 같은 복합소재는 강도가 떨어지고, 전기적 특성이 낮아 부가 요소가 많이 첨가되는 문제점이 발생하였다.

특히 상기와 같은 복합소재는 둘레부에 많은 기공이 형성되어, 둘레부가 취약하다.

따라서 상기 복합소재는, 외력이 가해질 경우 쉽게 손상되며, 입자가 쉽게 오염되어 내화학성이 약하며, 표면이 매끄럽지 못해 표면저항이 높은 문제점이 발생되고 있다.

이로 인해 상기 복합소재를 사용하는 전자소자는 내구성 및 기능이 현저히 떨어지는 부가적인 문제점도 발생하고 있다.

본 발명은 상기와 같은 문제를 해결하기 위한 것으로, 높은 경도, 낮은 열팽창계수 및 전기저항을 갖는 복합소재를 제공하는 것을 해결하려는 과제로 한다.

상기와 같은 과제를 해결하기 위한 본 발명은, 금속기지에 탄소계 분말 또는 탄소섬유가 포함되는 복합소재에 있어서, 상기 복합소재의 둘레부에, 유리상 탄소(galssy carbon)를 형성시킨 것을 특징으로 한다.

또한 본 발명의 경우, 상기 유리상 탄소 형성과정은,

열경화성 수지가 용해된 용액에 경화제가 투입된 후 교반되어 제조된 코팅제에, 복합소재가 함침되어 건조 및 경화된 후, 열처리되어 탄화됨으로써, 이루어지는 것을 특징으로 한다.

또한 본 발명의 경우, 상기 복합소재의 건조 및 경화 공정은, 복합소재가 50℃~100℃의 온도로 24시간 건조 및 경화됨으로써 이루어지고,

복합소재의 열처리 및 탄화 공정은, 건조 및 경화 공정을 거친 복합소재가 1100℃에서 10시간 내지 30시간 동안 열처리되어 탄화됨으로써 이루어지는 것을 특징으로 한다.

또한 본 발명의 경우, 상기 열경화성 수지는 폴리페놀 또는 폴리푸르폴리이며, 용매는 에탄올 또는 에테르이고, 경화제는 H₃PO₄ 또는 CH₃C₆H₄SO₃H?H₂O 인 것을 특징으로 한다.

또한 본 발명의 경우, 상기 경화제는 열경화성 수지 중량 대비 0.1~10중량%로 투입되어 20~30분 교반되는 것을 특징으로 한다.

상기와 같은 본 발명에 따르면, 복합소재의 둘레부에 유리상 탄소를 형성시킴으로써, 높은 경도, 낮은 열팽창계수 및 전기저항을 갖는 복합소재를 얻을 수 있는 효과가 있다.

도 1은 본 발명에 따른 복합소재가 코팅되지 않은 상태를 나타낸 이미지 도면이고,
도 2는 본 발명에 따른 복합소재가 코팅된 상태를 나타낸 이미지 도면이고,
도 3은 본 발명에 따른 복합소재와 종래의 복합소재 간의 강도를 비교한 도면이고,
도 4는 본 발명에 따른 복합소재와 종래의 복합소재 간의 열팽창 정도를 비교한 도면이다.

이하 첨부도면에 의거하여 본 발명을 상세히 설명한다.

도 1은 본 발명에 따른 복합소재가 코팅되지 않은 상태를 나타낸 이미지 도면이고, 도 2는 본 발명에 따른 복합소재가 코팅된 상태를 나타낸 이미지 도면이고, 도 3은 본 발명에 따른 복합소재와 종래의 복합소재 간의 강도를 비교한 도면이고, 도 4는 본 발명에 따른 복합소재와 종래의 복합소재 간의 열팽창 정도를 비교한 도면으로서, 도 1 내지 도 4를 참고하여 본 발명을 설명하면 다음과 같다.

본 발명 따른 복합소재는 금속기지상에 코팅제가 코팅되어 이루어진다.

상기 복합소재는, 전자소자의 소재로 사용되는 것으로, AL, Fe, Cu, Ag 등의 금속기지(10) 상에 탄소계 분말 또는 탄소섬유 등을 포함하는 탄소계 필러(20)를 균일하게 분산시켜 제조된다.

상기 금속기지(10)는 0.3~10㎛ 정도의 입자크기를 갖는 Al, Fe, Cu, Ag로부터 선택된 금속 또는 이들의 합금을 포함한다.

상기 탄소계 필러(20)는 0.1~5㎛ 정도의 입자크기를 갖는 흑연 또는 탄소분말, 0.5~5mm의 탄소섬유, 단일벽 탄소나노튜브, 다중벽 탄소나노튜브가 들어간 조성을 포함한다.

이때 상기 복합소재는, 탄소계 필러(20)가 복합소재 전체중량 대비 10~80중량% 포함되며, 열팽창계수는 4.5ppm/℃ 이하이고, 꺽임강도는 10MPa 이상인 것이 바람직하다.

또한 본 발명의 복합소재는 금속의 산화를 방지하기 위하여 진공 또는 불활성가스 분위기에서 HP(Hot Press)에 의해 제조되는 것이 높은 소결밀도를 얻을 수 있고, 낮은 열팽창계수를 얻을 수 있어 바람직하다.

한편 상기 코팅이 이루어지지 않은 복합소재 제조공정을 간단히 살펴보면 다음과 같다.

상기 복합소재 제조공정은 크게 원료의 칭량 및 배치, 원료의 혼합 및 분쇄, 그리고 소결을 위한 HP(Hot Press)의 3단계로 구성된다.

우선 본 발명은 금속분말과 필러(20)가 볼밀에서 1시간 동안 건식 혼합 및 분쇄되어, 균일한 혼합분말이 형성된다.

이후 상기 혼합분말은 HP(Hot Press)를 통해 10^-1~10^-3 torr 진공에서 200~300kg/㎠의 압력으로 0.5~1시간 유지된다. 이때 HP는 알루미늄의 경우 500~600℃를 유지하고, 철의 경우 500~600℃를 유지되어, 도 1과 같이 제조된다.

한편 표 1은 알루미늄, 흑연, 탄소섬유를 포함하는 복합소재의 조성비 별 특성을 나타낸 것이다.

이때 상기 복합소재의 열팽창계수는 가로*세로*높이=5*5*25mm인 시편을 Dilatometer를 이용하여 상온에서 200℃까지 측정하였으며, 꺽임강도는 가로*세로*높이=5*5*12.5mm인 시편을 Instron을 이용하여 측정하였다. 또한 표 1은 이들 흑연과 알루미늄 복합소재에 1mm 정도의 길이를 갖는 탄소섬유를 포함하는 복합소재의 측정결과를 나타낸다.

시 료	흑연 함량(wt%)	알루미늄 함량(wt%)	탄소섬유 함량(wt%)	소결온도 (℃)	열팽창계수 (ppm/℃)	꺽임강도 (MPa)
1	20	80	0	600	18.4	25
2	30	70	0	600	17.6	45
3	40	60	0	600	17.3	60
4	40	60	0	550	19.6	24
5	40	60	0	500	20.0	12
6	50	50	0	600	12.1	63
7	60	40	0	600	11.2	65
8	50	40	10	600	10.5	76
9	80	20	0	600	9.3	112
10	70	20	10	600	8.4	124

표 2는 철, 흑연, 탄소섬유를 포함하는 복합소재의 조성비 별 특성을 나타낸 것이다. 이때 표 2는 표 1과 동일한 시편을 가지고서 측정된 표이다.

시 료	흑연 함량(wt%)	철 함량(wt%)	탄소섬유 함량(wt%)	소결온도 (℃)	열팽창계수 (ppm/℃)	꺽임강도 (MPa)
1	40	60	0	1100	8.9	287
2	50	50	0	1100	7.6	151
3	60	40	0	1100	6.4	77
4	70	30	0	1100	5.5	35
5	60	30	10	1100	4.8	39
6	80	20	0	1100	4.9	12
7	80	20	0	1200	4.4	15
8	80	20	0	1300	4.1	17
9	70	20	10	1100	3.9	19

상기 표 1 또는 표2에서 알 수 있듯이, 본 발명의 코팅되지 않은 복합소재는 열팽창계수가 작고 강도가 우수하여, 내구성이 향상되며, 특성 향상을 위해 부가적인 구성이 필요치 않아, 공진기 등이 전기소자를 제조할 시 가공이 용이하다.

한편 상기와 같은 복합소재는, 상기와 같이 우수한 효과를 갖추고 있지만, 표면이 외부로 쉽게 노출된다. 따라서 복합소재는, 내구성이 떨어지거나, 입자가 쉽게 오염되어 내화학성이 약해질 수 있으며, 표면에 다수의 기공이 형성되어 매끄럽지 못함과 더불어, 표면저항이 증가하는 문제점이 발생할 우려가 있다.

이러한 문제점을 좀 더 개선하기 위해 본 발명은, 상기 복합소재 둘레부에, 유리상 탄소(glassy carbon)을 형성시킨 코팅제(30)가 도포된다.

이때 상기 본 발명에 따른 코팅제(30)는 다음과 같이 제조된다.

우선 상기 코팅제(30)는 열경화성 수지가 용매에 용해된 후, 용해액에 경화제가 투입되어, 교반됨으로써 제조된다. 이때 열경화성 수지로는 폴리페놀(polyphenol) 또는 폴리푸르폴리(polyfurfuryl)가 사용되며, 용매로는 에탄올 또는 에테르가 사용되고, 경화제로는 H₃PO₄(인산) 또는 CH₃C₆H₄SO₃H?H₂O(p-toluenesulfonic monohtdrate)가 사용된다. 또한 경화제는 열경화성 수지의 0.1~10중량%로 투입되어 20~30분 교반된다.

이후 상기 복합소재는 코팅제에 함침되어 코팅되고, 50℃~100℃의 온도로 24시간 오븐에서 건조 및 경화된다.

계속해서 상기 열경화된 복합소재는 1100℃에서 10시간 내지 30시간 동안 열처리되어 탄화된다.

이때 상기 복합소재는 도 2와 같이 코팅제가 둘레부에 코팅된다.

상기와 같이 제조된 코팅제가 코팅된 본 발명의 복합소재는 강도가 향상된다.

도 3은 코팅되지 않은 복합소재를 1로 하여, 본 발명의 코팅된 복합소재와 코팅되지 않은 복합소재를 일정한 강도에 노출시켰을 경우의 견딤을 나타낸 것으로, 도 3을 참조하면 코팅된 복합소재는 코팅되지 않은 복합소재에 비해 강도가 3.2배 향상된 것을 확인할 수 있다.

이는 상기 코팅제가 복합소재의 기공을 메우면서, 복합소재의 둘레부를 감싸기 때문에, 복합소재에 외력이 가해질 경우, 외력에 움직이려는 복합소재의 입자들이 외부로 이탈되지 않고, 이로 인해 본 발명의 복합소재는 높은 강도를 가질 수 있다.

또한 도 4는 코팅되지 않은 복합소재를 1로 하여, 코팅된 복합소재와 코팅되지 않은 복합소재 간의 열팽창 정도를 비교한 것으로, 도 4를 참조하면 본 발명에 따른 복합소재는 종래의 복합소재에 비해 0.7배 정도 열팽창 정도가 작은 것을 알 수 있다. 이는 복합소재가 코팅제에 의해 열팽창이 약화되기 때문이다.

따라서 상기와 같은 본 발명의 코팅된 복합소재를 전자소자에 사용할 경우, 강도가 우수하여 내구성이 향상되고, 이로 인해 안정성이 높아져 수명이 연장되는 전자소자를 제조할 수 있다.

또한 본 발명에 따른 복합소재는 표면이 매끄러워, 표면저항이 낮고, 이로 인해 전기저항이 낮은 효과가 있다.

따라서 본 발명의 복합소재가 전자소자에 사용될 경우, 높은 효율의 전기적 특성을 갖는 전자소자를 제조할 수 있다.

10; 금속기지 20; 필러
30; 코팅제

Claims (5)

1. Al, Fe, Cu, Ag 및 이들의 합금으로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나 이상의 금속기지와 흑연 분말, 탄소분말, 탄소섬유, 단일벽 탄소나노튜브 및 다중벽 탄소나노튜브로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나 이상의 탄소계 필러를 분쇄 혼합하여 만들어진 균일한 혼합분말을 핫 프레스(Hot Press)를 통해 10^-1~10^-3 torr 진공에서 200~300kg/㎠의 압력으로 500~600℃, 0.5~1시간 유지하여 1차 복합소재를 제조한 후.
   열경화성 수지로 폴리페놀 또는 폴리푸르폴리, 용매로 에탄올 또는 에테르이고, 경화제로 H₃PO₄ 또는 CH₃C₆H₄SO₃H?H₂O를 사용하여 상기 열경화성 수지를 상기 용매에 용해시키고 상기 경화제를 투입 교반하여 제조한 코팅제에 상기 1차 복합소재를 함침시키고 50℃~100℃의 온도로 24시간 건조 및 경화시키고 이어서 1100℃에서 10시간 내지 30시간 동안 열처리하여 탄화시켜 상기 제1차 복합소재 둘레에 유리상 탄소(galssy carbon)를 형성시킨 것을 특징으로 하는 전자소자용 고강도 복합소재.
2. 제1항에 있어서,
   상기 경화제는 열경화성 수지 중량 대비 0.1~10중량%로 투입되어 20~30분 교반되는 것을 특징으로 하는 전자소자용 고강도 복합소재.
   
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