KR101556100B1 - 열전도성 고분자 복합재료 및 이의 제조방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 경화성 고분자 수지, 경화제, 이방성 필러 및 자성 입자를 포함하며, 자기력의 인가로 상기 경화성 고분자 수지의 흐름 방향으로 상기 이방성 필러가 배열되고, 상기 배열된 이방성 필러를 경화시켜 상기 이방성 필러가 배열된 방향으로 고정되어, 상기 배열 및 고정된 이방성 필러들 사이에 열이 이동할 수 있는 경로를 가지는 열전도성 고분자 복합 재료와 이의 제조방법에 관한 것이다.
본 발명에 따르면, 경화성 고분자 수지에 이방성 필러 및 자성 입자를 단순 혼합하여 분산액을 만들고, 여기에 자기장을 인가하여 상기 경화성 고분자 수지의 흐름에 따라 이방성 필러의 배향을 유도하여 열이 이동할 수 있는 경로를 효과적으로 확보하여 열전도 특성이 우수한 복합 재료를 제조할 수 있다.
본 발명에 따르면, 자성 입자를 필러 등에 흡착시키거나 코팅시키는 등의 복잡한 공정을 거치지 않고도 매우 간단한 방법으로 열전도성 복합 재료를 제조할 수 있다. 또한, 본 발명에 따르면, 종래 기술에 비해 매우 낮은 자기력만으로도 이방성 필러의 배향을 유도할 수 있는 효과를 가진다.

Description

열전도성 고분자 복합재료 및 이의 제조방법{Thermally conductive polymer composite and method for preparing thereof}
본 발명은 열전도성 고분자 복합재료 및 이의 제조방법에 관한 것이다.
현재 전자 제품의 수명, 효율성 등의 이유로 방열에 대한 문제가 크게 이슈화되고 있다. 그 중 금속을 대체할 수 있는 열전도성 고분자 복합재료에 대한 연구가 활발히 이루어지고 있다. 높은 열전도성을 가지는 고분자 복합재료는 전자기기에서 기존의 금속이 차지하고 있던 부분을 대체할 수 있다는 측면에서 새로운 적용이 가능하도록 한다.
이러한 열전도성 고분자 복합재료는 일반적으로 열전도성이 낮은 고분자에 열전도성을 부여하기 위하여 여러 종류의 필러들을 첨가하여 제조된다.
그러나, 고효율의 열전도성 복합재료를 제조하기 위해서는 높은 함량의 필러들이 필요하게 되고 이로 인해 물성이 현저히 낮아지게 된다. 이에 필러를 넣어서 원하는 물성을 얻는 방법 뿐 아니라 다른 여러 공정들을 적용시켜 필러에 방향성을 부여하여 낮은 함량에서도 원하는 물성의 저하 없이 높은 열전도성을 얻을 수 있도록 하는 연구들이 많이 진행되고 있다.
예를 들어, 열전도성이 우수한 단섬유 상태의 막대형 필러를 첨가하여, 열가소성수지의 경우는 사출과 압출시 용융된 수지의 흐름을 이용하여 막대형 필러에 방향성을 부여하였다.
또한, 다른 방법으로는, 금속 자성 입자를 필러에 흡착 또는 코팅시킨 후, 전기장 혹은 자기장을 가하여 상기 금속 자성 입자가 흡착 또는 코팅된 필러를 배향시켜 사용하였다. 그러나, 상기 필러에 금속 자성 입자를 흡착 또는 코팅시키는 공정이 복잡할 뿐만 아니라, 금속 자성 입자가 흡착 또는 코팅된 필러를 사용하더라도 필러의 배향이 효과적으로 진행되지 않아 우수한 열전달 특성을 얻는데 어려운 문제가 있었다.
또한, 금속 자성 입자를 포함하지 않고, 자기장을 가하여 필러의 배향을 유도하는 방법이 있다. 그러나, 이 경우 1Tesla 이상의 높은 자기력을 가해야만 하고, 이 경우에도 원하는 정도의 필러 배향이 이루어지는 경우는 극소수이므로 이에 대한 개선이 필요하다.
Saud Aldajah, Yousef haik, Transverse strength enhancement of carbon fiber reinforced polymer composites by means of magnetically aligned carbon nanotubes, Materials and Design, vol.34, p379, (2011).
이에 본 발명은 종래 열전도성 고분자 복합재료에서 필러를 적절하게 배향시키는 데 있어 여러 가지 문제들을 해결하기 위한 것으로서, 고분자 재료에 열전도도성을 부여하기 위해서는 열이 효과적으로 이동할 수 있는 경로를 생성시키는 것이 바람직하다는 전제 하에, 상기 열이 효과적으로 이동할 수 있는 경로를 생성할 수 있는 다양한 실험들을 진행하였다.
이를 통하여, 본 발명에서는 종래와 같이 자성 입자를 필러에 흡착 또는 코팅시킬 필요 없이, 이방성 필러, 경화제, 경화성 고분자 수지, 자성 입자를 단순 혼합하여 사용하고, 상기 혼합한 분산액에 낮은 자기력을 가하더라도 상기 경화성 고분자 수지의 흐름을 따라 상기 이방성 필러가 유효한 배열을 하게 되는데, 상기 배열된 이방성 필러를 경화반응을 통하여 고정시킴으로써 이를 따라 열이 효과적으로 이동할 수 있는 경로를 확보할 수 있음을 확인하였다.
따라서, 본 발명의 목적은 우수한 열전도 특성을 가지는 열전도성 고분자 복합재료 및 이의 제조방법을 제공하는 데 있다.
본 발명에 따른 열전도성 고분자 복합 재료는 경화성 고분자 수지, 경화제, 이방성 필러 및 자성 입자를 포함하며, 자기력의 인가로 상기 경화성 고분자 수지의 흐름 방향으로 상기 이방성 필러가 배열되고, 상기 배열된 이방성 필러를 경화시켜 상기 이방성 필러가 배열된 방향으로 고정되어, 상기 배열 및 고정된 이방성 필러들 사이에 열이 이동할 수 있는 경로를 가지는 것을 특징으로 한다.
상기 경화성 고분자 수지는 상온에서 액상 형태이거나, 고상의 경우는 가열하여 용융이 가능한 것 중에서 선택되는 것일 수 있다.
상기 경화제는 Grubbs 촉매, 아민계, 디시안디아미드계, 히드라진계, 이미다졸계, 실릴계 화합물, 디카르복실산계, 및 산무수물 중에서 선택되는 1종 이상일 수 있다.
상기 이방성 필러는 x축과 y축의 열전도도가 서로 다른 것이 바람직하다.
상기 이방성 필러는 분쇄된 탄소 섬유(milled carbon fiber), 탄소 나노 튜브, 탄소나노섬유, 그라파이트, 그라핀, 질화붕소로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 1종 이상일 수 있다.
상기 자성 입자는 자성을 띄는 금속 및 이들의 산화물, 강자성 금속, 강자성 금속을 함유하는 금속간 화합물 중에서 선택되는 1종 이상일 수 있다.
상기 자성 입자는 평균 입자 크기 5 nm ~ 1 mm인 것을 단독 또는 혼합한 것을 사용할 수 있다.
상기 자성 입자는 상기 경화성 고분자 수지 중량 대비 0.001~8중량%로 포함되는 것일 수 있다.
본 발명에 따른 열전도성 고분자 복합 재료의 제조방법은 이방성 필러 및 자성 입자를 경화성 고분자 재료에 혼합시켜 분산액을 제조하는 단계, 상기 분산액을 몰드에 채우고, 자기력을 인가하면서 경화시키는 단계, 및 상기 경화된 경화물에서 자기력을 제거하는 단계를 포함한다.
상기 자기력의 인가는 0.1 Tesla 이상의 자기력을 가지는 전자석 및 영구 자석중에서 선택하여 이용하는 것일 수 있다.
상기 자기력을 인가하면, 상기 경화성 고분자 수지가 자기력의 방향으로 일정한 흐름이 발생되고, 상기 경화성 고분자 수지의 흐름 방향으로 상기 이방성 필러가 배열되는 것일 수 있다.
상기 경화시, 상기 경화성 고분자 수지의 흐름 방향으로 배열된 상기 이방성필러가 고정되어, 상기 배열 및 고정된 이방성 필러 사이로 열이 이동할 수 있는 경로가 형성되는 것일 수 있다.
본 발명에 따르면, 경화성 고분자 수지에 이방성 필러 및 자성 입자를 단순 혼합하여 분산액을 만들고, 여기에 자기장을 인가하여 상기 경화성 고분자 수지의 흐름에 따라 이방성 필러의 배향을 유도하여 열이 이동할 수 있는 경로를 효과적으로 확보하여 열전도 특성이 우수한 복합 재료를 제조할 수 있다.
본 발명에 따르면, 자성 입자를 필러 등에 흡착시키거나 코팅시키는 등의 복잡한 공정을 거치지 않고도 매우 간단한 방법으로 열전도성 복합 재료를 제조할 수 있다.
또한, 본 발명에 따르면, 종래 기술에 비해 매우 낮은 자기력만으로도 이방성 필러의 배향을 유도할 수 있는 효과를 가진다.
도 1은 본 발명에 따른 열전도성 고분자 복합 재료에서 자기력에 의한 자성입자의 흐름을 나타낸 것이고,
도 2는 본 발명에 따른 열전도성 고분자 복합 재료에서 자성입자의 흐름에 의한 MCF가 배향되는 것을 모식한 것이고,
도 3은 Parker에 의해 소개된 LFA 측정 원리이고,
도 4는 열확산도 측정 그래프이고,
도 5a와 5b는 실시예 1과 대조군 시편 단면의 광학현미경 사진이고,
도 6은 자석과 시험편간 거리에 따른 MCF 배향을 확인한 광학현미경 사진이고,
도 7은 몰드와 자석과의 거리를 나타낸 모식도이고,
도 8은 자석의 위치에 따른 MCF 배향 정도(자석과의 거리 = 0 cm)를 나타낸 광학현미경 사진이고,
도 9는 실시예 1과 대조군 1 시험편의 UV-visible 투과도 그래프이고,
도 10은 MCF 함량 변화에 따른 실시예 1과 대조군 시험편의 열전도도 그래프이고,
도 11은 MCF 함량 변화에 따른 실시예 1 시험편의 단면 광학현미경 사진이고,
도 12는 자성 입자 크기와 종류에 따른 배향 정도를 확인한 광학현미경 사진이고,
그림 13은 MCF 2vol% 시험편에서, 자성 입자 함량에 따른 열전도도 측정 그래프이고,
도 14는 DCPD/MCF 2 vol% 시험편의 산화(Ⅲ)철 함량 변화에 따른 광학현미경 사진이고,
도 15는 MCF 20 vol% 시험편에서, 자성입자 함량에 따른 열전도도 측정 그래프이고,
도 16은 MCF 2 vol% 시험편의 니켈 양에 따른 열전도도 측정 그래프이고,
도 17은 DCPD/MCF 2 vol% 시험편의 니켈 함량 변화에 따른 광학현미경 사진이고,
도 18은 자기력에 따른 YD-128/MCF 복합체의 배향 효과(MCF 2 vol%)를 확인한 광학현미경 사진이고,
도 19는 실시예 2 시험편의 자기력 인가 시간에 따른 MCF의 배향 정도 광학현미경 사진이고(MCF 2 vol%),
도 20은 실시예 2 YD-128/MCF 복합체의 vol% 함량에 따른 열전도도 측정 그래프이고,
도 21은 MCF 함량 변화에 따른 YD-128 실시예 2 시험편의 단면 광학현미경 사진이고,
도 22는 자기력에 따른 YD-115/MCF 실시예 3과 대조군 3 복합체의 배향 효과이고,
도 23은 YD-115/MCF 복합체(실시예 3), 대조군 3의 MCF 함량에 따른 열전도도 측정 그래프이고,
도 24는 MCF 함량 변화에 따른 YD-115 시험편의 단면 광학현미경 사진이다.
이하에서 본 발명을 더욱 상세하게 설명하면 다음과 같다.
본 명세서에서 사용된 용어는 특정 실시예를 설명하기 위하여 사용되며, 본 발명을 제한하기 위한 것이 아니다. 본 명세서에서 사용된 바와 같이, 단수 형태는 문맥상 다른 경우를 분명히 지적하는 것이 아니라면, 복수의 형태를 포함할 수 있다. 또한, 본 명세서에서 사용되는 경우 "포함한다(comprise)" 및/또는 "포함하는(comprising)"은 언급한 형상들, 숫자, 단계, 동작, 부재, 요소 및/또는 이들 그룹의 존재를 특정하는 것이며, 하나 이상의 다른 형상, 숫자, 동작, 부재, 요소 및/또는 그룹들의 존재 또는 부가를 배제하는 것이 아니다.
본 발명은 열전도성 고분자 복합재료 및 이의 제조방법에 관한 것이다.
본 발명에 따른 열전도성 고분자 복합재료는 종래와 같이 필러에 자성 입자를 흡착 또는 코팅시키는 일련의 과정을 거치지 않고도, 단순히 경화성 고분자 수지, 경화제, 이방성 필러, 및 자성 입자를 포함하여 이루어지며, 여기에 자기력 인가하면, 상기 경화성 고분자 수지가 자기력의 방향으로 일정한 흐름이 발생되고, 상기 경화성 고분자 수지의 흐름 방향으로 상기 필러가 배열되고, 상기 배열된 필러를 경화시켜 배열 방향을 유지하는 형태로 고정된 구조를 가짐으로써 상기 배열 및 고정된 필러 사이로 열이 이동할 수 있는 경로를 가지는 것을 특징으로 한다.
상기 경화성 고분자 수지는 열경화성 수지, 광경화성 수지, 및 분자 내 이중결합을 가지고 있어 경화 가능한 탄성체 등을 포함할 수 있다.
상기 열경화성 수지는 디클로로펜타디엔(DCPD), 에폭시 수지, 페놀계 수지, 멜라민 수지, 불포화 폴리에스터 수지 중에서 선택되는 1종 이상일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 디클로로펜타디엔(DCPD)은 개환중합에 의한 가교구조를 형성하는 것으로, 탄성율, 충격 저항성, 부식 저항성이 우수한 고분자이다. 또한 가격이 저렴하고 단량체의 점도가 낮아 가공성이 우수한 특성을 가지고 있어 응용 분야가 매우 높은 고성능 열경화성 수지이다.
상기 열경화성 수지가 에폭시 수지인 경우, 상기 에폭시 수지는 분자 당 두 개 이상의 에폭시기를 포함하는 페놀 노보락형 에폭시 수지, 크레졸 노볼락형 에폭시 수지, 비스페놀 A형 에폭시 수지, 비스페놀 F형 에폭시 수지, 비스페놀 AD형 에폭시 수지, 아크릴계 에폭시 수지, 폴리글리시딜 (메트)아크릴레이트, 및 글리시딜(메트)아크릴레이트로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 1종 이상일 수 있으며, 이 중에서 글리시딜형 에폭시 수지가 가장 바람직하다.
본 발명에 따른 에폭시 수지는 경화제의 작용으로 에폭시 수지가 가교반응에 의해 3차원 형태로 되어 경화하려면 적어도 한 개의 분자 내에 에폭시 그룹을 2 개 이상 가지고 있는 것이 바람직하다.
상기 글리시딜형 에폭시 수지 중에서도 글리시딜 에테르형인 다음 화학식 1로 표시되는 비스페놀 A의 디글리시딜 에테르(diglycidyl ether of bisphenol A, DGEBA)가 가장 바람직하게 사용될 수 있다.
화학식 1
Figure 112013102588383-pat00001
상기 화학식 1에서, n은 0~10이다.
상기 에폭시 수지는 점도는 상온에서 액상의 경우는 500~24000cps인 것이 바람직하며 고상의 경우는 가열하여 용융 상태로 적용 가능하다.
본 발명에서 에폭시 수지를 경화성 수지로 사용하는 경우, 점도가 낮은 에폭시 수지로부터 점도가 높은 에폭시 수지까지 다양하게 사용할 수 있다.
또한, 상기 열경화성 수지가 불포화 폴리에스터 수지인 경우, 상기 불포화 폴리에스터 수지는 하이드록시스타이렌, 이소프로페닐페놀, 스타이렌, -메틸스타이렌, p-메틸스타이렌, 클로로스타이렌, p-메톡시스타이렌, 비닐피롤리돈, 및 비닐카프로락탐으로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 1종 이상의 불포화 이중 결합을 포함하는 것이 바람직하다.
또한, 상기 광경화성 수지는 자외선, 전자빔 등에 의해 경화되는 라디칼 광고분자 반응(radical photopolymerizability reaction), 양이온성 광고분자 반응(cationic photopolymerizability reaction), 공유 광고분자 반응(coordination photopolymerizability reaction), 부가 광고분자 반응(addition photopolymerizability reaction) 등의 중합반응을 일으키는 모노머(monomers), 올리고머(oligomers), 전구체(pre-polymer), 폴리머 등을 들 수 있다. 구체적으로는, 아크릴로니트릴, 메타크릴로니트릴, (메트)아크릴아미드 화합물, (메트)아크릴릭 에스터, 아크릴아미드, N,N-디메틸아크릴아미드, 메틸(메트)아크릴레이트, 에틸(메트)아크릴레이트, 부틸(메트)아크릴레이트, 2-에틸헥실(메트)아크릴레이트, 부틸(메트)아크릴레이트, 하이드록시에틸(메트)아크릴레이트, 페닐(메트)아크릴레이트, 벤질(메트)아크릴레이트, 페녹시에틸(메트)아크릴레이트, 사이클로헥실(메트)아크릴레이트, 이소보닐(메트)아크릴레이트, 트리사이클로데카닐(메트)아크릴레이트, 에틸렌글리콜디(메트)아크릴레이트, 디에틸렌글리콜디(메트)아크릴레이트, 프로필렌글리콜디(메트)아크릴레이트, 트리에틸렌글리콜디(메트)아크릴레이트, 테트라에틸렌글리콜디(메트)아크릴레이트, 폴리에틸렌글리콜디(메트)아크릴레이트, 1,3-부타디엔디올디(메트)아크릴레이트, 1,4-부타디엔디올디(메트)아크릴레이트, 네오펜틸글리콜디(메트)아크릴레이트, 1,6-헥산디올디(메트)아크릴레이트, 1,9-노난디올디(메트)아크릴레이트, 1,10-데칸디올디(메트)아크릴레이트, 글리세롤디(메트)아크릴레이트, 디아크릴레이트/에틸렌옥사이드, 디아크릴레이트/프로필렌옥사이드, 트리메틸올프로판 트리(메트)아크릴레이트, 펜타에리쓰롤 트리(메트)아크릴레이트, 글리세롤 트리(메트)아크릴레이트, 및 글리세롤디(메트)아크릴레이트로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 1종 이상일 수 있다.
또한, 분자 내 이중결합을 가지고 있어 경화가능한 탄성체로는 폴리부타디엔, 폴리이소프렌, 폴리스타이렌-부타디엔 고무(SBR), N-부타디엔 고무(NBR), 스타이렌-이소프렌 블록 공중합체, 클로로프렌, 우레탄 고무, 폴리에스터 고무, 에피클로로히드린 고무, 실리콘 고무, 에틸렌-프로필렌 공중합체, 에틸렌-프로필렌-디엔 공중합체로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 1종 이상일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
본 발명에 따른 상기 경화성 고분자 수지는 상온에서 액상 형태이거나, 고상의 경우는 가열하여 용융이 가능한 것을 포함한다. 즉, 상온에서 액체 상태인 것은 물론, 상온에서는 고체이나 온도를 가하는 등의 온도 변화를 통해서 액상을 띄는 것까지 포함할 수 있다. 액상 형태가 필요한 이유는 필러의 배열을 위해 자기장을 인가할 때 경화성 고분자 수지의 흐름 방향을 따라 이방성 필러가 배열된 구조를 가지도록 하기 위함이다.
또한, 본 발명의 열전도성 고분자 복합 재료에 포함되는 상기 경화제는 Grubb's 촉매, 아민계, 디시안디아미드계, 히드라진계, 이미다졸계, 실릴계 화합물, 디카르복실산계, 및 산무수물 중에서 선택되는 1종 이상일 수 있다.
상기 경화제는 경화성 수지의 경화를 위해 사용되며, 상기 경화는 촉매를 이용하여 반응시킴으로써 이루어지거나, 경화제에 의해 가교되어 형성될 수 있다. 상기 경화제 중에서 류티늄(Ru) 화합물인 Grubb's 촉매는 높은 반응도 뿐 아니라 물과 산소 그리고 다양한 관능기에 의해 활성도(activity)가 감소하지 않아 우수한 촉매로 알려져 있다.
상기 경화제의 구체 예로는, 폴리메틸렌디아민, 디에틸렌트리아민, 디메틸아미노프로필아민, 비스헥사메틸렌트리아민, 디에틸아미노프로필아민, 폴리에테르디아민, 1,3-디아미노사이클로헥산, 디아미노디페닐메탄, 디아미노디페닐 설폰, 4,4'-비스(o-톨루이딘), m-페닐렌디아민, 2-페닐-4-메틸-5-하이드록시메틸이미다졸, 양 말단에 하이드로실릴기를 포함하는 폴리디메틸실록산, 양 말단에 비닐기를 포함하는 폴리디메틸실록산, 무수프탈산, 테트라히드로무수프탈산, 헥사히드로무수프탈산, 메틸테트라히드로 무수프탈산, 무수메틸나지크산, 무수피로메리트산, 무수HET산, 도데세닐 무수호박산 등이 있다.
상기 경화제와 함께 경화촉진제로서 소량의 3차 아민(예를 들어, 벤질디메틸아민)이나 이미다졸류를 사용하여 내후성이나 내열성, 전기적 성질에 뛰어난 경화수지를 만들 수도 있다.
또한, 본 발명의 열전도성 고분자 복합 재료에 포함되는 이방성 필러는 x축과 y축의 열전도도가 서로 다른 것을 의미한다. 상기 x축과 y축의 열전도도 값은 크게 한정되지 않으며, x축과 y축의 열전도도 값이 동일하지 않은 것이면 된다. 특별히, 본 발명에 따른 이방성 필러는 배향 방향인 y축으로의 열전도도가 x축보다 더 큰 것이 열전도성 고분자 복합 재료 형성에 있어 보다 바람직하다.
상기 이방성 필러는 분쇄된 탄소 섬유(milled carbon fiber), 탄소 나노 튜브, 탄소나노섬유, 그라파이트, 그라핀, 질화붕소로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 1종 이상이 바람직하다.
상기 분쇄된 탄소 섬유(milled carbon fiber)란 종래 탄소 섬유의 길이를 50~200㎛ 정도의 아주 작은 길이로 분쇄시킨 것을 의미한다.
상기 이방성 필러의 함량은 매트릭스로 사용되는 상기 경화성 고분자 수지와 그 용도에 따라 달라질 수 있으며, 통상 상기 고분자 수지 부피에 대하여 0.1~60부피%로 포함될 수 있다. 특별히 상기 경화성 고분자 수지가 DCPD인 경우, 이방성 필러의 함량은 30부피%까지 포함되는 것이 기계적 물성 감소를 방지할 수 있다.
본 발명에서는 상기 액상의 경화성 고분자 수지에 이방성 필러와 자성입자를 첨가하고 여기에 자기력을 인가하여 자성 입자가 액상의 경화성 고분자 수지 내에서 흐름을 발생시켜 흐르는 방향으로 이방성 필러의 배열을 유도하여 열전도성 고분자 복합재료를 제조하는 원리이다.
따라서, 자기력을 인가할 때 흐름을 발생시키기 위한 상기 자성 입자는 자성을 띠는 금속 및 이들의 산화물, 강자성 금속, 강자성 금속을 함유하는 금속간 화합물 중에서 선택되는 1종 이상을 포함한다.
상기 자성 입자의 구체 예를 들면, 철(Fe), 코발트(Co), 니켈(Ni), 게르마늄(Ge), 망간(Mg), 알루미늄 코발트, 알루미늄 니켈 코발트, 니켈 코발트 구리, 알루미늄 니켈 코발트 구리 티타늄, 알루미늄 포스포러스, 코발트 철 알루미늄 보론, 코발트 철 망간, 코발트 철 포스포러스, 코발트 니켈, 코발트 포스포러스, 코발트 백금, 코발트 이트륨, 구리 철, 게르마늄 망간 알루미늄, 망간 팔라듐 철, 망간 페라이트, 망간 카드뮴 페라이트, 망간 크롬 페라이트, 망간 크롬 니켈 페라이트, 망간 구리 페라이트, 망간 마그네슘 페라이트, 마그네슘 아연 페라이트, 마그네슘 니켈 페라이트, 망간 아연 페라이트, 망간 아연 알루미늄 페라이트, 망간 알루미늄, 망간 안티모니 비소, 망간 안티모니 크롬 인듐, 망간 안티모니 구리, 망간 갈륨 철, 망간 니켈 보론, 몰리브덴 철, 몰리브덴 니켈 철, 몰리브덴 코발트 크롬, 니켈 철, 니켈 철 게르마늄, 실리콘 크롬 철, 실리콘 철, 실리콘 몰리브덴 알루미늄 철, 실리콘 스틸, 이트륨 코발트, 이트륨 철 가넷, 산화철, 아연 페라이트, 아연 니켈 페라이트, 리튬 마그네슘 몰리브덴 페라이트, 리튬 마그네슘 알루미늄 페라이트, 리튬 마그네슘 바나듐 페라이트, 리튬 니켈 페라이트, 리튬 티타늄 페라이트, 마그네슘 알루미늄 망간 페라이트, 마그네슘 구리 망간 페라이트, 마그네슘 망간 페라이트, 마그네슘 망간 칼슘 페라이트, 마그네슘 망간 아연 페라이트, 마그네슘 망간 아연 카드뮴 페라이트, 마그네슘 망간 아연 구리 페라이트, 마그네슘 망간 아연 니켈 페라이트, 마그네슘 니켈 코발트 페라이트, 마그네슘 니켈 티타늄 페라이트, 및 마그네슘 아연 페라이트; 로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 1종 이상일 수 있다.
상기 자성 입자는 평균 입자 크기 5 nm ~ 1 mm인 것을 단독 또는 혼합한 것을 사용할 수 있다.즉, 본 발명에 따른 자성 입자는 나노미터 크기로부터 마이크로 크기까지 다양한 물질을 사용할 수 있는 것을 의미한다.
상기 자성 입자는 상기 경화성 고분자 수지 중량 대비 0.001~8중량%로 포함되는 것일 수 있다 상기 범위로 자성 입자가 포함되는 경우 상기 자성 입자의 흐름에 의해 이방성 필러가 효과적으로 배향이 되는데 비해 자성입자가 너무 많아 상기 범위를 초과하게 되면, 흐름 방향보다는 자기력 방향으로 자성입자의 이동방향으로 이방성 필러가 같이 이동하여 열전도도가 오히려 떨어지는 문제가 있어 바람직하지 못하다.
본 발명은 열전도도 향상을 위하여 시험편에 이방성 필러의 일정한 배향성을 부여하여 열이 효과적으로 이동할 수 있는 경로를 최대한 부여하고자 하였다. 즉, 다음 도 1, 2에서와 같이, 액상의 경화성 고분자 수지(11)에 막대 모양의 이방성 필러(12)와 자성입자(13)를 첨가하고 여기에 자기력(14)을 인가시킨다. 이 경우, A 방향으로 자기력이 발생되고 상기 자성입자(13)가 액상 경화성 고분자 수지(11)의 흐름(B)을 발생시켜 그 흐르는 방향으로 이방성 필러(12)가 배열된다.
즉, 액상의 경화성 고분자 수지(11) 안에 첨가되어 있는 이방성 필러(12)와 자성입자들(13)이 시편 위에서 가해지는 자기력(14)의 방향을 따라 자성입자들(13)이 위로 이동을 하게 되어 용액 내에 아래에서 위로 향하는 흐름(B)이 발생하게 되는 양상을 나타내게 된다. 그 흐름으로 인해 첨가되어 있던 이방성 필러들(12)이 위 아래로 일정한 방향성을 가지게 되고, 그 방향성이 유지되도록 하기 위하여 계속 자기력(14)을 가한 상태로 상기 액상의 경화성 고분자 수지(11)를 경화시키면, 상기 이방성 필러(12)는 배열된 상태로 고정되게 된다.
다음 도 2에는 자성입자(13)에 의해 유발된 액상의 경화성 고분자 수지(11)의 흐름에 의해 이방성 필러(12)가 배열되는 상태를 모식화한 것이다.
이렇게 제조된 본 발명의 열전도성 고분자 복합재료는 종래에 비하여 단순한 방법으로 이방성 필러에 방향성을 효과적으로 부여하고, 이러한 이방성 필러의 배향을 통해 열의 이동을 원활하게 하여 낮은 필러 함량에서도 열전도도가 우수한 열전도성 복합체를 얻을 수 있다.
따라서, 본 발명에 따른 열전도성 고분자 복합재료는 열 계면 재료(Thermal interface material, TIM), 열전도성 테이프(Thermal conductive tape), 열전도성 접착제(Thermal conductive adhesive) 및 컴퓨터, LED, 배터리 등의 전자 부품의 효과적인 방열을 위한 소재 등에 널리 적용 가능하다.
이하에서는 본 발명에 따른 열전도성 고분자 복합재료의 제조방법을 상세히 설명한다.
본 발명의 열전도성 고분자 복합재료는 이방성 필러 및 자성 입자를 경화성 고분자 수지에 분산시켜 분산액을 제조하는 단계, 상기 분산액을 몰드에 채우고, 자기력을 인가하면서 경화시키는 단계, 및 상기 경화된 경화물에서 자기력을 제거하는 단계를 거쳐 제조된다. 필요한 경우 상기 자기력을 제거한 다음 물성 확보를 위해 추가 경화를 시킬 수도 있고, 후경화도 가능하다.
본 발명에 따른 상기 경화성 고분자 수지는 액상의 형태를 가지므로, 이방성 필러와 자성 입자를 고르게 분산시킬 수 있다. 또한, 상기 이방성 필러와 자성 입자의 고른 분산을 위하여 초음파 분산기(Homogenizer)를 이용할 수도 있다.
그리고, 상기 준비된 분산액에 경화제를 첨가하여 임펠라가 장착된 기계적 교반기를 통해 교반시킨다. 상기 경화제는 상기 경화성 고분자 수지 중량에 대하여 0.001~8중량%의 범위 내에서 적절하게 조절될 수 있다. 경화제를 첨가한 후, 경화반응이 수반되지 않도록 빠른 시간 내에 그 다음 단계를 진행시키는 것이 바람직하다.
그 다음, 상기 제조된 분산액을 일정한 형태의 몰드에 채우고, 슬라이드 글라스 등으로 몰드를 덮고 자기력을 인가하여, 경화시킨다. 상기 몰드는 금속이나 실리콘 등을 이용할 수 있으며, 그 형태는 특별히 한정되지 않고 최종 제품의 원하는 형태에 따라 달라질 수 있다.
상기 분산액에 자기력을 인가하게 되면, 상기 경화성 고분자 수지가 자기력의 방향으로 일정한 흐름이 발생되는데, 이때 상기 분산액에 포함된 이방성 필러도 상기 고분자 수지의 흐름 방향으로 일정한 배향을 일으킨다.
상기 몰드에 자기력을 인가하기 위해 사용되는 자석은 약 0.1 Tesla 이상, 바람직하기로는 0.1~0.9 Tesla 정도의 자기력을 가지고 있는 전자석 및 영구 자석중에서 선택하여 사용할 수 있으며, 상기 자석은 약 1~24시간 동안 인가시키는 것이 바람직하다.
자기력이 높을수록 우수한 배향 효과를 가지는 것은 자명하나, 본 발명에 따르면, 0.1 Tesla 이상의 매우 작은 세기의 자기력만으로도 이방성 필러의 배향이 가능하다. 이는 종래 기술에서 1 Tesla 이상의 매우 높은 자기력을 가하고도 필러를 배향시킬 수 없었던 것과 비교하면 현저한 효과를 가진다고 볼 수 있다.
또한, 본 발명에서는 상기 자석을 몰드에 가할 때 상기 자석과 몰드의 거리가 너무 떨어지지 않도록 하는 것이 이방성 필러가 적절히 배향되어 높은 열전도도 값을 나타내는 데 있어 바람직한데, 예를 들어, 약 0.5 Tesla 정도의 자석 밀도를 가질 때 자석과 몰드의 거리가 5cm 이내, 보다 바람직하기로는 0~3cm로 유지하는 것이 좋다. 그러나, 자석과 몰드의 거리가 멀어지는 경우에는, 0.5 Tesla 이상, 또는 그 이상의 자기력을 가지는 장치 및 물질을 사용해야 배향 효과가 있을 것이라는 것은 당업자들에게 있어 자명하다.
또한, 상기 자석을 몰드에 가할 때 상기 자석과 몰드의 수평 거리는 상기 영구자석으로부터 ±2cm 이내에 몰드가 위치하는 것이 바람직하다. 상기 자석으로부터 몰드의 수평 거리가 상기 범위를 벗어나는 경우, 이방성 필러가 수지의 흐름 방향으로 적절히 배향되지 못하여 원하는 수준의 열전도도 값을 나타내지 못하여 바람직하지 못하다.
또한, 상기 경화시, 상기 경화성 고분자 수지의 흐름 방향으로 배열된 상기 이방성 필러가 고정되어, 상기 배열 및 고정된 이방성 필러 사이로 열이 이동할 수 있는 경로가 형성되는 것일 수 있다. 상기 경화 반응은 70℃로 유지된 오븐에서 2시간 동안 수행될 수 있다.
마지막으로, 상기 경화된 경화물에서 자기력을 제거한다. 또한, 물성 확보를 위해 2차 경화시키는 단계를 포함할 수도 있다.
이하에서 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 이하의 실시예는 본 발명을 예시하기 위한 것일 뿐, 본 발명의 범위가 이들 실시예에 의해 제한되는 것으로 해석되어서는 안 된다. 또한, 이하의 실시예에서는 특정 화합물을 이용하여 예시하였으나, 이들의 균등물을 사용한 경우에 있어서도 동등 유사한 정도의 효과를 발휘할 수 있음은 당업자에게 자명하다.
실시예 1 : DCPD / MCF 복합체 제조
20 ml 바이알 병에 MCF(평균 섬유 길이가 200㎛, x축과 y축의 열전도도가 서로 다른 K223HM, MITSUBISHI PLASTICS Co., Japan)를 일정 부피비(2부피%)로 넣은 후, 자성입자(평균 입도가 ∼50nm와 ∼50㎛인 Iron(Ⅲ) oxide(Sigma-Aldrich Co., USA)와 ∼100nm인 Nickel 분말(Sigma-Aldrich Co., USA))를 0.0225 g 만큼 첨가하고 DCPD(분자량 132.2 g/mol, ACROS-ORGANI CIS Co,. USA)를 15 g 투입한 후 액체상태의 DCPD 내에 필러들을 고르게 분산시키기 위하여 초음파 분산기(Homogenizer, VCX750, Sonics & Materials, INC., USA)를 이용하였다. 이때 초음파 분산기의 진폭은 40%로 총 10분(purse on = 3초, purse off = 2초)동안 가하였다. 이와 같이 준비된 분산액을 재결정시킨 Grubbs' catalyst(Sigma-Aldrich Co., USA)가 담겨 있는 100 ml 비커에 넣은 후 지름 4 cm의 임펠라가 장착된 기계적 교반기를 통해 6분 30초간 300 rpm으로 교반 시켰다. 그 후 미리 제작한 실리콘 몰드에 분산액을 부은 후 슬라이드 글라스로 몰드를 덮고 자기력(0.47 Tesla 정도의 자기력을 가지고 있는 네오디움 합금의 영구자석(대성산업))을 인가하여 70℃로 유지된 오븐에서 2시간 동안 경화반응을 진행하였다. 그 후 자석을 제거하고 170℃ 오븐에서 1시간 30분 후경화를 진행한 후 상온으로 냉각시켜 시험편을 몰드에서 제거하였다.
실시예 2~3 : 에폭시/ MCF 시험편 제조
에폭시를 기반으로 하는 복합시험편을 다음과 같이 제조하였다. 몰드에서 시험편이 용이하게 탈거될 수 있도록 하기 위하여 이형제를 실리콘 몰드와 슬라이드 글라스에 도포하였다. 본 실시예에서 사용한 에폭시는 EW(Equivalent weight)가 188 g/mol인 YD-128(국도화학)(실시예 2)과 EW가 185 g/mol인 YD-115(국도화학)(실시예 3)를 사용하였다. 두 종류의 에폭시 수지는 거의 동일한 EW값을 가지지만, 상온에서 YD-128은 12,000 cps 정도의 높은 점도를 가지는 반면 YD-115는 900 cps정도의 낮은 점도를 갖는다. 이를 통하여 점도에 따른 필러들의 분산 정도와 배향 효과, 열전도도의 차이를 비교할 수 있다. 경화제로는 EW가 34.39 g/mol인 디에틸렌트리아민(DETA; Sigma-Aldrich Co., USA)를 사용하였고, DCPD 시스템과 동일한 필러로 평균 섬유 길이가 200㎛m이며 550 W/mK의 높은 열전도도를 가지는 milled carbon fiber를 사용하였다. 자성입자로 입자크기가 ∼50 nm 인 Iron(Ⅲ) oxide를 사용하였다. 자기력의 인가는 앞서 사용한 것과 동일한 영구자석을 이용하였다.
위의 물질을 이용하여 다음과 같은 과정을 통해 시험편을 제조하였다. 우선 100 ml 비커에 산화(Ⅲ)철을 0.0225 g과 일정량의 MCF와 에폭시를 30 g 넣고, 경화제인 DETA를 YD-128의 경우 당량비 100:18.3 로 혼합하였으며, YD-115는 100:18.6의 당량비로 혼합한 후 지름 4 cm의 임펠라가 장착된 기계적 교반기를 통해 150 rpm 으로 20분간 교반을 진행하였다. 그 후 균일하게 분산된 용액을 몰드에 붓고 슬라이드 글라스로 덮어준 후 자석을 인가하여 상온에서 24시간 경화를 진행한 후 100℃ 오븐에서 2시간 동안 추가적으로 경화시켜 시험편을 제조하였다.
대조군 1
자기장을 가하지 않은 것을 제외하고는, 상기 실시예 1과 동일한 과정으로 시편을 제조하여 본 발명과 비교하였다.
대조군 2~3
자기장을 가하지 않은 것을 제외하고는, 상기 실시예 2~3과 동일한 과정으로 시편을 제조하여 본 발명과 비교하였다.
실험예 1 : 자기장 효과 확인
자기장 인가에 따른 효과를 확인하기 위하여 상기 실시예 1과 대조군 시편을 레이저 플래시 분석(Laser flash analysis, LFA)를 사용하여 측정한 열전도도 결과를 다음 표 1에 나타내었다.
레이저 플래시 분석(Laser flash analysis, LFA)은 고분자 복합체의 열확산도(Thermal diffusivity)를 측정하는데 가장 유리한 측정법이다. 열확산도 측정법은 Parker에 의해 소개되었으며, 다음 도 3에서와 같이 시료 표면에 수직 방향으로 레이저 펄스(Laser pulse)를 가하여 측정한다. 후면에 열을 가해서 시간에 따른 전면에 온도가 상승하는 곡선을 IR detector를 사용하여 측정하여 다음 도 4의 그래프를 얻을 수 있으며, 열확산도는 일반적으로 시험편의 두께(d)와 최대의 온도(Tmax)까지 도달하는 시간의 반(t1 /2)의 변수들을 이용한 다음 수학식 1과 2에 의해 계산된다.
(수학식 1)
Figure 112013102588383-pat00002
(수학식 2)
Figure 112013102588383-pat00003
LFA는 열확산도 식을 통해 직접적으로 측정할 수 있지만, 열전도도는 직접적으로 구할 수 없다. 그래서 복합체의 열확산도와 열용량, 밀도를 이용하여 얻을 수 있다. 열용량은 differential scanning calorimeter(DSC)의 측정과 계산을 통해 얻을 수 있으며, 밀도의 경우 여러 가지 측정법과 계산법을 통해 얻을 수 있다. 열용량과 밀도 그리고 열전도도를 다음과 같은 수학식 6~7을 통해 표현할 수 있다.
(수학식 3)
Figure 112013102588383-pat00004
(수학식 4)
Figure 112013102588383-pat00005
(수학식 5)
Figure 112013102588383-pat00006
(수학식 6)
Figure 112013102588383-pat00007
(수학식 7)
Figure 112013102588383-pat00008
상기 식에서, Cp 는 열용량(J/gK), m 은 질량(g), k 는 열전도도(W/mK), ∂는 열확산도(mm2/s),ρ는 밀도(g/cc), v는 부피분율, m f , m m 은 복합체의 필러와 메트릭스 물질의 무게분율이며,
Figure 112013102588383-pat00009
는 DSC의 승온속도이며, f, m, 그리고 c는 필러, 매트릭스물질, 복합체로 구분한다.
수학식 3의 경우 DSC를 통하여 열용량을 얻기 위해 적용되는 식이고, 수학식 4는 복합체의 열용량을 얻기 위한 식이며, 수학식 5는 아르키메데스 원리를 이용하여 복합체의 밀도를 얻는 식이다. 그리고 수학식 6은 복합체의 열확산도를 나타내는 식이며, 이 식을 변환한 수학식 7로부터 열전도도를 구할 수 있다.
대조군[W/mK] 실시예 1[W/mK]
0.54 1.63
상기 표 1의 결과에서와 같이, 자석을 인가한 실시예 1 시험편의 열전도도는 1.63 W/mK로 자기력을 인가하지 않은 대조군 시험편의 열전도도인 0.54 W/mK에 비해 약 3배 높은 열전도도를 가졌다.
실험예 2 : 구조 확인
자기장 인가에 따른 시험편의 배향 효과를 확인하기 위하여 상기 실시예 1과 대조군 시편의 단면을 광학현미경으로 측정하였으며, 그 결과를 다음 도 5의 (a)와 (b)에 각각 나타내었다.
다음 도 5a~5b를 참조하면, 자기력을 인가하지 않은 시험편(b)의 경우 MCF가 무작위로 분산되어 있는 것을 확인할 수 있었고, 자기력을 인가한 시험편(a)의 경우 MCF가 일정한 방향성을 가지고 있는 것을 확인할 수 있다. 이를 통해 자기력을 통한 배향이 가능하다는 사실을 알 수 있었다. 단면 사진을 보게 되면 열이 전달될 수 있는 통로가 위 아래로 균일하게 연결되어 있기 때문에 자기력을 인가한 시험편의 열전도도가 향상된 것이다.
실험예 3 : 자석의 수직 거리에 따른 MCF 배향의 변화와 열전도도 확인
자기력의 세기가 필러의 배향에 미치는 영향을 파악하기 위하여 몰드와 자석의 거리를 조절하여 배향된 시험편을 제작하였으며, 제작한 시험편들의 열전도도를 LFA를 통하여 측정해 보았고, 단면을 광학현미경을 통하여 관찰해 보았다.
자석과 몰드의 거리를 0, 2.5, 5 cm로 고정시킨 후 DCPD/MCF 2 vol% 복합체를 제작하였으며, 그 시험편의 열전도도를 LFA를 통해 측정한 결과를 다음 표 2에 나타내었다.
시험편과 자석간 거리 [ cm ] 열전도도 [ W/mK ]
5 0.66
2.5 0.89
0 1.13
상기 표 2의 결과에서와 같이, 자석과 몰드의 거리가 0, 2.5, 5 cm일 때 각각 1.13 W/mK, 0.89 W/mK, 0.66 W/mK으로 크게 감소하였다.
이 시험편의 광학현미경단면 이미지를 배율 x300으로 측정하여 다음 도 6에 나타내었다. 다음 도 6을 참조하면, 거리가 0 cm에서 5 cm로 멀어질수록 MCF가 배향되는 정도가 감소하는 경향을 가진다는 것을 확인할 수 있다. 이를 통해 자성의 세기가 필러의 배향에 영향을 주는 중요한 요소 중의 하나라는 것을 알 수 있었다.
실험예 4 : 시험편의 수평 위치 변화에 따른 MCF 배향과 열전도도 확인
지금까지 수행한 실험은 자석의 바로 밑에 시료를 위치시켜 배향을 유도하여 제작된 시험편들의 열전도도와 단면을 조사하였다. 본 실험에서는 자석에서 수평방향으로 위치가 달라짐으로 인한 필러의 방향성과 그에 따른 열전도도의 변화를 알아보았다.
다음 도 7에서 보는 것과 같이 자석 중심에서(0 cm) 좌우로 1, 2, 3 cm 떨어진 곳에서의 시험편을 얻어 단면과 열전도도를 측정하였으며, 그 결과를 다음 표 3에 나타내었다. 다음 표 3에는 -3, -2, 0 cm 에서의 열전도도 값을 나타내었다.
자석에서 시험편의 위치 [ cm ] 열전도도 [ W/mK ]
-3 0.44
-2 1.06
0 1.13
상기 표 3의 결과에서와 같이, 가장 말단에서 얻어진 시험편(-3 cm)의 경우 열전도도가 0.44 W/mK였고, -2 cm에 위치하는 시험편의 열전도도는 1.06 W/mK였다. 마지막으로 자석 바로 밑에 해당하는 0 cm에서는 1.13 W/mK로 가장 높은 열전도도를 나타내었다.
이에 해당하는 단면을 광학현미경으로 관찰한 결과를 나타낸 다음 도 8에서 위치별 MCF가 배향되는 방향이 달라짐을 확인할 수 있었다. 이는 자기력이 가해지는 방향이 달라지고 따라서 자성 입자의 이동 방향이 달라져 그로인해 필러의 방향성이 달라지게 된다. -3 cm에 위치한 시험편의 MCF는 대부분 좌와 우로 누워있는 현상을 띄고 있으며 가장 열전도도가 낮고, -2 cm에 위치하는 시험편은 약간 기울어진 형태 그리고 0 cm에 위치하는 부분에서는 MCF가 상하로 배향이 매우 잘 되었기 때문에 열전도도가 가장 우수한 것으로 확인되었다.
실험예 5 : UV - visible 분광계 측정
본 실험에서는 배향을 확인하는 방법으로 광학현미경을 통하여 이미지를 촬영하여 보는 방법 외에 자외선-가시광선 분광계(UV-vis spectrophotometer, 3220UV, Mecasys)를 사용하여 투과도(Transmittance)를 측정하여 배향을 조사하였다. DCPD/MCF 2 vol% 시험편과 대조군 시편에 대하여 파장 200-800 Hz의 범위에서 투과도를 측정한 결과를 다음 도 9에 나타내었다.
도 9를 참조하면, 자기력을 인가한 실시예 1 시험편과 자기력을 인가하지 않은 대조군 시험편의 자외선-가시광선 투과도의 차이가 확연히 나타나는 것을 알 수 있다. 자기력을 인가하지 않은 대조군 시험편의 경우 400-800 Hz 범위에서 광선이 거의 투과를 하지 못한 것을 확인할 수 있는데, 그 이유는 MCF가 모두 무작위하게 분산되어 있기 때문에 입사광선이 통과하지 못하고 분산되었기 때문이다. 또한 자기력을 인가한 경우는 광선이 통과하는 방향으로 MCF가 배향되어 있기 때문에 MCF 사이에 자외선-가시광선이 통과할 수 있는 공간이 존재하여 훨씬 투과도가 높게 나타났다. 따라서 UV-visible 분광계를 이용하여 배향을 확인할 수 있었다.
실험예 6 : MCF 의 함량에 따른 열전도도의 변화
지금까지의 실험을 통해 필러가 자기력에 의한 배향과 배향에 따른 열전도도의 증가를 확인하였으며, 열전도도 향상을 위한 최적 실험 조건을 조사하였다. 본 실험에서는 앞서 얻어진 결과를 기초로 MCF의 함량을 증가시켰을 때 열전도도의 증가 양상을 알아보기 위하여 대조군 1 시험편과 열전도도를 측정하였으며, 그 결과를 다음 표 4와 도 10에 나타내었다.
MCF [ vol% ] 자기력 비인가 [W.m.K] 자기력 인가 [W/mK]
0 0.16 0.16
2 0.28 0.96
4 0.54 1.63
6 0.85 2.79
8 0.67 2.38
10 1.89 3.60
12 2.10 4.06
20 3.88 6.30
30 22.23 19.90
상기 표 4와 다음 도 10을 참조하면, MCF 함량이 증가함에 따라 자기력을 인가한 경우와 인가하지 않은 경우 모두 약 20 vol%까지는 거의 선형으로 증가하고, 그 이후 30 vol%까지 급격히 열전도도가 증가하였다. 그리고 20 vol%까지 자석을 인가한 것이 열전도도가 더 크게 나타났다.
자기력을 인가한 시험편의 경우 2 vol%에서 0.96 W/mK인 것이 20 vol%에서 6.30 W/mK로 크게 증가하였다. 자기력을 인가하지 않는 경우는 2 vol%에서 0.28 W/mK 그리고 20 vol%에서 3.88 W/mK로 증가하였다. 자기력을 인가한 효과를 보면 MCF 2 vol%인 경우 자기력 인가에 의하여 약 3.4배 증가하는 반면에 MCF 20 vol%인 시험편에서는 약 1.6배 증가하였다. 즉, 함량이 증가함에 따라 자기력에 의한 열전도도 상승효과가 다소 감소하였다. 이는 함량이 낮을 때 필러의 배향이 효과적으로 일어나지만 필러의 양이 점차 증가함에 따라 필러입자 상호간의 간섭으로 배향이 어려워지기 때문으로 생각된다.
그리고 MCF의 함량이 30 vol% 까지 증가하였을 때 열전도도의 증가를 보이는 반면, 자기력에 의한 효과는 사라졌다. 이는 MCF의 양이 많을 경우 필러가 배향되지 못함을 의미한다. 그러나 열전도도가 급격하게 증가한 것은 MCF간의 percolation으로 인한 것으로 생각할 수 있다. 30 vol%의 필러가 첨가된 시험편의 경우 하중을 견디지 못하지 작은 힘에도 부서져 기계적 성질이 매우 낮은 양상을 보였다.
또한, 2, 4, 6 vol%의 MCF를 첨가한 시험편의 광학현미경 사진으로 함량에 관계없이 MCF가 잘 배향되어 있음을 확인하였다.(도 11 참조)
실험예 7 : 자성입자 크기와 종류에 따른 효과 확인
본 실험에서는 MCF의 양을 2 vol%로 고정하였고, 자성입자의 양을 0.0225g 으로 하여, ∼50 m 입자의 크기를 가지는 산화(Ⅲ)철과 ∼100nm 입자의 Ni분말을 첨가하여 제조한 시험편에 대하여 열전도도를 측정하고, 단면 관찰로 배향의 정도를 확인하여 비교 분석하였으며, 그 결과를 다음 표 5에 LFA로 열전도도를 측정한 결과를 나타내었다.
자성 입자 입자크기 열전도도 [W/mK]
산화()철 50 nm 0.96
산화()철 50 m 0.82
니켈 100 nm 0.66
상기 표 5의 결과에서와 같이, 니켈을 첨가한 시험편의 열전도도가 0.66 W/mK로 가장 낮으며, 입자크기 ∼50 nm인 산화(Ⅲ)철을 첨가하여 제조한 열전도도 시험편이 0.96 W/mK로 가장 높게 나타났다.
자성 입자를 달리하고 자기력을 인가한 후의 MCF의 배향을 확인한 광학현미경 사진인 다음 도 12를 참조하면, 자성입자의 크기 및 종류에 상관없이 MCF의 배향성을 효과적으로 부여 하는 것을 확인할 수 있었다. 그러나 니켈 금속입자의 경우 사진에서 보이는 바와 같이 MCF가 약간 침전되어 있는 것을 알 수 있다. 이 결과를 통해 본 실험에서 사용한 금속 입자의 경우 MCF의 배향에 효과적으로 작용하지만 가장 효과적인 것은 입자크기 ∼50 nm의 산화(Ⅲ)철인 것으로 판단된다.
실험예 8 : 자성 입자 함량변화에 따른 효과 확인
A) 산화(Ⅲ)철
본 실험에서는 자성입자의 양의 변화에 따른 열전도도의 변화를 조사하였다. DCPD/MCF 2 vol%의 복합체에 입자크기 ∼50 nm인 산화(Ⅲ)철의 양을 0.01, 0.0225, 0.05, 0.1, 0.375 g 으로 변화시켜 시험편을 제조하고 LFA를 통해 열전도도 및 광학현미경 사진을 측정하였으며, 그 결과를 다음 표 6, 도 13~14에 나타내었다.
입자 크기 자성 입자 함량 열전도도 [W/mK]
50 nm 0.01 0.59
0.0225 0.96
0.05 1.03
0.1 1.02
0.375 0.340
상기 표 6과 도 13의 결과에서와 같이, 산화(Ⅲ)철의 양이 약 0.05 g일 때 가장 높은 열전도도를 보였으며, 이때의 열전도도는 1.03 W/mK으로 얻어졌다.
또한, 광학현미경 사진 결과를 나타낸 다음 도 14를 참조하면, 산화(Ⅲ)철의 양이 0.05 g 과 0.1 g에서 배향성이 우수하고 분산 또한 우수하여 이로 인해 열전도도가 높다는 것을 확인할 수 있으며, 산화(Ⅲ)철 0.01 g 시험편에서는 MCF가 아래 부분에 많이 침전된 상태를 확인할 수 있었고, 0.0225 g 시험편에서는 0.01 g과 비교해서 분산정도는 양호하였지만 윗면에 MCF가 제대로 분포되지 못한 것을 확인할 수 있다. 또한 0.375 g의 산화(Ⅲ)철이 들어간 시험편의 사진을 보게 되면 MCF가 배향을 제대로 이루지 못한 것을 확인할 수 있으며 이로 인해 열전도도가 향상되지 않았음을 알 수 있다.
또한 MCF를 20 vol%로 증가시켰을 때 열전도도의 변화를 다음 도 15와 다음 표 7에 나타내었다.
입자 크기 자성 입자 함량 열전도도 [W/mK]
50 nm 0.01 6.60
0.0225 6.30
0.05 5.75
0.1 7.40
0.375 5.19
도 15와 상기 표 7을 참조하면, 본 실험에서 조사한 다섯 가지 함량 모두 5 W/mK이상의 높은 열전도도를 가지며, 산화(Ⅲ)철의 양이 0.1g 일 때 가장 높은 7.4 W/mK로 열전도도 값을 나타내었다. 그러나, 산화(Ⅲ)철을 0.375 g으로 가장 많이 넣었을 때 열전도도가 급격히 감소하는데 이는 산화(Ⅲ)철 입자의 흐름에 의해 MCF가 효과적으로 배향이 되는데 비해 자성입자가 너무 많으면 흐름보다는 자기력 방향으로 자성입자와 같이 이동하여 MCF의 배향보다는 MCF 자체가 자성입자의 이동방향으로 같이 이동하여 나타난 결과로 예상된다.
B) 니켈 분말
본 실험에서는 입자크기 ∼100 nm 정도인 니켈 분말을 사용하여 실험을 진행하였다. DCPD에 MCF는 2 vol%를 첨가하여, 니켈의 함량의 변화에 따른 MCF의 배향 정도를 확인하고 열전도도 측정 결과를 다음 표 8, 도 16~17에 나타내었다.
입자 크기 자성 입자 함량 열전도도 [W/m.K]
100 nm 0.01 0.49
0.0225 0.66
0.05 0.82
0.375 0.97
상기 표 8과 다음 도 16을 참조하면, 니켈의 경우에는 산화(Ⅲ)철을 사용한 위 실험과는 다르게 함량이 증가할수록 열전도도가 높아졌다. 니켈의 함량이 0.01 g으로 가장 낮을 경우 열전도도가 0.49 W/mK로 가장 낮은 열전도도 값을 나타내고, 함량이 증가할수록 시험편의 상층에 MCF가 점점 많이 분포되어 최대 0.97 W/mK 까지 증가하였다. 본 실험을 통해서 앞서 언급했던 산화(Ⅲ)철과 비교하여 니켈의 자성입자들이 양이 증가할 때 더욱 효과적으로 MCF의 배향성에 영향을 준 것을 확인하였다.
또한 시험편의 단면을 관찰해 본 결과인 다음 도 17을 참조하면, 니켈의 함량이 0.01 g으로 가장 낮은 시험편에서는 MCF가 많이 가라앉아 있고, 상층에는 거의 분포되지 못했다. 그리고 니켈의 함량이 증가할수록 점점 시험편 상층에 MCF가 많이 분포되고, 니켈이 0.375g이 들어간 시험편의 단면의 경우에는 오히려 하층보다도 상층에 MCF가 많이 분포되어 있는 것을 확인해 볼 수 있었다.
실험예 9 : 에폭시 수지를 이용한 효과 확인
9-1)고점도 에폭시
A) 자기력의 효과
본 실험에서는 상온에서 12,000 cps 의 높은 점도를 가지는 YD-128이 자기력을 가했을 때 MCF의 배향이 효과적으로 이룰 수 있는지를 알아보았다. 시험편은 상기 실시예 2에서 제조한 것이고, 자기력 인가 시간은 24시간으로 고정하여 시험편을 제작하였다. LFA를 통해 열전도도를 측정결과를 다음 표 10 및 단면 사진을 다음 도 18에 나타내었다.
대조군 2(W/mK) 실시예 2(W/mK)
0.46 1.06
상기 표 9를 참조하면, 자기력을 인가하지 않은 대조군 2의 MCF 2 vol% 시험편의 경우 0.46 W/mK의 열전도도 값을 나타내었으며, 자기력을 인가한 실시예 2 시험편의 경우 1.06 W/mK로 인가하지 않은 시험편에 비해 약 2.3배 증가하였다. DCPD/MCF의 경우 0.96 W/mK로 에폭시의 경우가 약간 더 높았다.
또한, 단면사진인 도 18을 참조하면, 자기력을 인가한 실시예 2 시험편의 경우 MCF가 두께방향으로 잘 배열되어 12,000 cps로 점도가 높은 물질에서 자기력을 통해 MCF의 배향을 유도할 수 있다는 사실을 확인할 수 있었다.
B) 자기력 인가 시간의 효과
또한 자기력을 인가하는 시간에 따른 배향 정도의 변화와 열전도도에 미치는 영향을 알아보기 위하여 자기력 인가 시간을 1, 2, 3, 4, 24시간으로 변화시켜 시험편을 제작하여 LFA와 광학현미경 결과를 다음 표 10과 도 19에 나타내었다.
자기력 인가 시간 (h) 열전도도(W/mK)
1 0.88
2 1.22
4 1.29
24 1.38
상기 표 10의 결과를 참조하면, 자기력을 한 시간 동안 인가한 시험편의 경우 열전도도가 0.88 W/mK로 아주 낮은 열전도도 값을 가지며, 인가시간 24시간에서 1.38 W/mK로 가장 높은 열전도도 값을 가진다. 실질적으로 YD-128과 경화제로 DETA를 사용하게 되면 약 4시간이면 겔 포인트(gel-point)를 지나 수지의 흐름성이 사라진다. 그래서 4시간과 24시간의 자기력 인가 시간에는 배향이 전혀 차이가 없을 것이라 판단하였으나, 직접 실험을 통해 확인해 본 결과 겔화 이후에도 자기력에 의한 배향이 진행되어 열전도도가 증가한다는 것을 알 수 있었다.
또한, 인가 시간에 따른 배향단면을 나타낸 다음 도 19를 참조하면, 인가 시간이 짧을수록 MCF가 곧게 배향되지 못하고 약간씩 물결모양으로 분포하고 있다. 이는 자기력을 인가하는 시간이 짧을수록 MCF 배향을 위한 구동력이 작아져 중력에 의해 서서히 가라앉아 나타나는 결과라고 할 수 있다.
C) MCF 함량 변화
본 실험에서는 YD-128에 MCF를 2, 4, 6, 8, 10, 12 vol%의 다양한 함량별로 제작하여 시험편의 열전도도와 단면을 조사하였으며 그 결과를 다음 표 11과 도 20에 나타내었다.
MCF[ vol% ] 대조군 2[W.m.K] 실시예 2[W/mK]
0 0.22 0.22
2 0.46 1.06
4 0.94 2.25
6 0.93 3.43
8 1.21 4.27
10 1.30 3.25
12 1.74 2.90
상기 표 11과 다음 도 20을 참조하면, 자기력을 인가하지 않은 대조군 2 시험편의 경우 함량이 증가함에 따라 열전도도가 서서히 증가하였다. 자기력을 인가한 시험편의 경우 8 vol%까지 열전도도가 급격하게 증가를 하며, 그 이후 12 vol%까지 감소하는 경향을 보였다. 또한, 2 vol%에서 8 vol%로 증가하였을 때 열전도도 값은 1.06 W/mK에서 4.27 W/mK로 크게 증가하였으며, 10 vol%와 12vol%에서 열전도도 값은 각각 3.25 W/mK, 2.9 W/mK로 8 vol% 에서의 열전도도 값보다 감소하였다.
또한, 배향 사진인 다음 도 21을 참조하면, MCF 함량이 2 vol%에서 8 vol %까지는 MCF가 잘 배향되었으나 10 vol%와 12 vol% 함량의 시험편에서는 배향이 용이하게 되지 않은 것을 확인할 수 있다. 이는 MCF의 양이 증가하게 되면서 YD-128 안에서 MCF 끼리 상호작용이 심해지고 자성입자의 흐름을 통한 배향이 어려워져서 열전도성 향상에 크게 기여를 하지 못한 것이라고 생각할 수 있다.
9-2)저점도 에폭시
A) 자기력의 효과
이번 실험에서는 900 cps의 낮은 점도를 가지는 에폭시 수지에 MCF를 첨가하여 상기 제조된 실시예 3 시험편의 자기력에 의한 배향과 열전도도 값을 LFA와 광학현미경을 통해 각각 측정한 결과를 다음 표 12와 도 22에 나타내었다. 또한, 자기력을 인가하지 않은 대조군 3과 비교하였다.
대조군 3(W/mK) 실시예 3(W/mK)
0.34 0.53
상기 표 12와 도 22의 결과에서와 같이, 자기력을 인가하지 않은 경우 0.34 W/mK의 열전도도가 자기력의 인가로 0.53 W/mK으로 증가하였다. 또한, 자기력을 인가하지 않은 대조군 3 시험편의 광학현미경 사진에서는 MCF가 무작위하게 분포되어 있는 것을 확인할 수 있으며, 또한 수지의 점도가 낮아서 MCF 대부분이 가라앉아 있는 상태로 경화가 진행된 것을 볼 수 있다. 하지만 자기력을 인가한 실시예 3 시험편의 경우 광학현미경 사진에서는 배향을 잘 이루고 있으며, 자기력을 인가하지 않은 시험편에 비해 많은 양의 MCF가 고르게 상층에도 존재하는 것을 확인할 수 있다. 따라서 이 결과를 통해 자성입자의 흐름은 MCF의 배향을 유도하는 기능 이외에도 중력에 의해 가라앉는 것을 방지한다는 사실을 알 수 있다. 본 실험을 통하여 낮은 점도의 수지의 경우도 MCF가 잘 배향되어 열전도도가 증가한다는 사실을 확인할 수 있었다.
B) MCF 함량 변화
본 실험에서는 MCF의 함량을 증가시켜 열전도도의 증가 거동을 조사하고, 광학현미경을 통해 단면을 분석하였으며, 그 결과를 다음 표 13과 도 23~24에 나타내었다.
MCF [ vol% ] 대조군 3[W.m.K] 실시예 3[W/mK]
0 0.17 0.16
2 0.34 0.54
4 0.59 0.95
6 1.02 2.22
8 1.25 2.19
10 1.35 4.50
12 1.32 2.23
상기 표 13과 다음 도 23을 참조하면, 자기력을 인가하지 않은 대조군 3 시편의 열전도도는 12 vol%까지 함량이 증가함에 따라 열전도도가 서서히 증가하는 경향을 보였다. 반면에 자기력을 인가한 시편의 경우 10 vol%까지 열전도도가 급격히 증가하는 양상을 보이며 12 vol%에서 급격히 감소하였다.
또한, 자기력을 인가한 2 vol%의 실시예 3 시험편의 열전도도 값이 0.54 W/mK로 측정되었고, 10 vol%에서 4.50 W/mK의 매우 높은 열전도도 값을 가진다. 이 값은 위에서 언급했던 동일한 양의 MCF가 들어간 YD-128 보다도 높은 열전도도 값이다. 이유는 점도가 낮아 MCF들의 움직임을 유도하는 것이 용이하며, MCF의 양의 증가하면 유동성이 감소하는데, YD-115의 경우 자체의 점도가 낮으므로 MCF의 양이 증가하여도 배향을 위한 움직임이 위에 사용한 다른 물질들보다 방해를 덜 받기 때문이라 생각할 수 있다. 그리고 가장 높은 함량인 12 vol% 에서는 열전도도 값이 2.23 W/mK로 10 vol%에서의 열전도도 값의 약 절반에 해당하는 값을 가졌다.
또한, 광학현미경을 통해 조사한 도 24를 참조하면, 점도가 낮으므로 앞서 실험했던 다른 시험편들에 비해 MCF가 많이 가라앉아 있는 상태로 존재하고 이로 인해 열전도도가 앞서 실험한 시험편들에 비해 열전도도 값이 낮을 것이라 생각된다. 이는 YD-128에서와 비슷한 현상으로 YD-115/MCF 12 vol% 의 단면사진을 보게 되면 MCF가 배향을 이루지 못하는 것을 확인할 수 있었으며 이 또한 MCF의 양이 너무 많아진 경우 자성입자를 통한 MCF의 배향에 한계가 있다는 것을 알 수 있다.
11 : 경화성 고분자 수지
12 : 이방성 필러
13 : 자성 입자
14 : 자석
A : 자기력 방향
B : 경화성 고분자 수지의 흐름 방향

Claims (13)

  1. 디클로로펜타디엔(DCPD) 수지, 상온에서 점도가 500~24000cps인 에폭시 수지, 페놀계 수지, 멜라민 수지, 불포화 폴리에스터 수지 중에서 선택되는 1종 이상의 상온에서 액상 형태이거나, 고상의 경우 온도 변화를 통해서 용융되어 액상을 띄는 액상 경화성 고분자 수지; 경화제; 탄소 섬유의 길이를 50~200㎛로 분쇄시킨 분쇄된 탄소 섬유(milled carbon fiber) 이방성 필러 및 자성 입자를 포함하며,
    자기력의 인가로 상기 액상 경화성 고분자 수지의 흐름 방향으로 상기 이방성 필러가 배열되고,
    상기 액상 경화성 고분자 수지의 경화시 상기 배열된 이방성 필러는 경화되어 그 배열된 방향으로 고정되며, 상기 배열 및 고정된 이방성 필러들 사이에 열이 이동할 수 있는 경로를 가지는 것을 특징으로 하는 열전도성 고분자 복합 재료.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서,
    상기 경화제는 Grubbs 촉매, 아민계, 디시안디아미드계, 히드라진계, 이미다졸계, 실릴계 화합물, 디카르복실산계, 및 산무수물 중에서 선택되는 1종 이상인 열전도성 고분자 복합 재료.
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 제1항에 있어서,
    상기 이방성 필러는 상기 경화성 고분자 수지 부피에 대하여 0.1~60부피%로 포함되는 것인 열전도성 고분자 복합 재료.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 자성 입자는 자성을 띄는 금속 및 이들의 산화물, 강자성 금속, 강자성 금속을 함유하는 금속간 화합물 중에서 선택되는 1종 이상인 열전도성 고분자 복합 재료.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 자성 입자는 평균 입자 크기 5 nm ~ 1 mm인 것을 단독 또는 혼합한 것 인 열전도성 고분자 복합 재료.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 자성 입자는 상기 경화성 고분자 수지 중량 대비 0.001~8중량%로 포함되는 것인 열전도성 고분자 복합 재료.
  10. 탄소 섬유의 길이를 50~200㎛로 분쇄시킨 분쇄된 탄소 섬유(milled carbon fiber) 이방성 필러 및 자성 입자를 상온에서 액상 형태이거나, 고상의 경우는 가열하여 온도 변화를 통해서 용융이 가능한 디클로로펜타디엔(DCPD) 수지, 에폭시 수지, 페놀계 수지, 멜라민 수지, 불포화 폴리에스터 수지 중에서 선택되는 1종 이상의 경화성 고분자 수지에 혼합시켜 분산액을 제조하는 단계,
    상기 분산액을 몰드에 채우고, 자기력을 인가하면서 경화시키는 단계, 및
    상기 경화된 경화물에서 자기력을 제거하는 단계를 포함하는 열전도성 고분자 복합 재료의 제조방법.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 자기력의 인가는 0.1 Tesla 이상의 자기력을 가지는 전자석 및 영구 자석중에서 선택하여 이용하는 것인 열전도성 고분자 복합 재료의 제조방법.
  12. 제10항에 있어서,
    상기 자기력을 인가하면, 상기 경화성 고분자 수지가 자기력의 방향으로 일정한 흐름이 발생되고,
    상기 경화성 고분자 수지의 흐름 방향으로 상기 이방성 필러가 배열되는 것인 열전도성 고분자 복합 재료의 제조방법.
  13. 제10항에 있어서,
    상기 경화시, 상기 경화성 고분자 수지의 흐름 방향으로 배열된 상기 이방성필러가 고정되어, 상기 배열 및 고정된 이방성 필러 사이로 열이 이동할 수 있는 경로가 형성되는 것인 열전도성 고분자 복합 재료의 제조방법.
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