KR101612454B1 - 필러 및 고분자 수지의 복합 재료 층이 포함된 방열 시트 및 그 제조방법 - Google Patents

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Abstract

중합 가능한 열가소성 수지에 중합 촉매를 분산 및 혼합하여 열가소성 수지 조성물을 제조하고, 필러와 상기 열가소성 수지 조성물을 혼합하고 기재 필름 사이에 도포한 후 가열하여 인시츄 중합함과 동시에 기재 필름과 접착함으로써 필러 및 고분자 수지로 이루어진 복합재료 층을 포함하는 플렉서블 방열시트를 제조한다. 이에 따라, 방열 특성, 즉 열전도도, 특히 면방향 열전도도가 우수할 뿐만 아니라, 기계적 특성 및 열적 특성 등의 제반 물성이 향상될 수 있다.

Description

필러 및 고분자 수지의 복합 재료 층이 포함된 방열 시트 및 그 제조방법 {Heat-dissipating sheet including composite layer of filler and polymer resin and method for preparing the same}
본 명세서는 필러 및 고분자 수지의 복합 재료 층이 포함된 방열시트 및 그 제조방법에 관하여 기술한다.
탄소나노튜브가 이지마에 의해 처음으로 발견된 이후, 이들의 우수한 물성을 이용한 고분자 수지 복합 재료에 관한 연구가 진행되었다. 복합 재료의 개발과 관련하여, 실험실 수준에서는 상기 탄소 나노튜브의 물성을 잘 발현시킨 다양한 복합 재료가 개발 및 보고되었으나, 대량 생산 및 보급에 있어서는 기대 수준에 미치지 못하고 있다.
구체적으로, 실험실 수준에서는 반데르발스 인력에 의해 서로 뭉치려고 하는 탄소나노튜브의 분산 특성이 화학 및 물리적인 방법들에 의해 잘 통제된다. 그러나, 이를 대량 양산하고자 하는 경우 공정 소요 비용이 매우 크게 되고, 시간 등의 여러 제약에 의해 탄소나노튜브의 분산이 잘 통제되지 않으며, 그 결과 상기 탄소나노튜브들 간에 불완전한 접촉이 발생하게 된다.
이와 같이, 탄소나노튜브를 포함하는 고분자 수지 복합 재료를 대량 생산하는 경우, 탄소나노튜브들의 분산 특성이 잘 통제되지 않으며, 이에 따라 탄소나노튜브의 물성이 완전히 발현되지 않아, 제조되는 복합 재료는 열 성능 등 제반 특성 향상을 담보하기 어렵다.
한편, 맨체스터 대학의 앙드레 게임(Andre Geim)과 그의 동료들은 이전까지 열역학적으로 불안정하여 상온에서 존재할 수 없다고 알려진 단일층 그래핀을 2004년에 분리해내었고, 이후로 그래핀에 관한 관심이 점점 고조되고 있다.
그래핀은 기존의 다른 카본 재료와 비교하여 넓은 표면적을 가질 뿐만 아니라 기계적 강도, 열·전기적 특성이 매우 우수하고, 유연성과 투명성을 가진다. 이러한 그래핀의 우수한 기계적, 전기적 및 열적 특성으로 인하여 그래핀이 충전된 고분자 복합 재료는 물성이 크게 향상될 수 있다. 또한, 그래핀은 구조적 특이성으로 인하여 우수한 가스차단 특성 또한 나타내므로, 그래핀을 포함하는 고분자 복합재료는 전자기기 부품, 에너지 저장 매체, 유기태양전지, 방열 소재, 필름 포장재 및 생체모방 응용소자 등 다양한 분야에서 주목받고 있다.
그러나 그래핀 특히 나노 그래핀을 포함하는 고분자 복합재료 제조 시, 혼합(mixing) 과정에서, 고분자 수지의 점도가 급격히 상승하는 등의 문제점이 있어 그래핀이 고분자 수지 내에서 균일한 분산을 이루기 어려운 문제점이 있다. 따라서 해당 복합 재료에 기대되는 우수한 물성을 실제 발현하는데 어려움이 존재한다.
구체적으로, 고분자 수지 내에서 그래핀이 균일한 분산상을 형성하지 못하고 계면에서 수지와 결합을 형성하지 못하면 그래핀이 뭉치게 되고, 결과적으로 복합재료에 크랙(crack), 기공 또는 핀홀(pin hole) 등이 발생하여 복합 재료의 제반 물성이 오히려 크게 감소하게 된다.
이와 같이, 종래에 마이크로미터 단위 또는 나노 미터 단위의 미세 필러 예컨대, 금속 필러나 세라믹 필러 또는 카본 필러 특히 탄소나노튜브 또는 나노 그래핀 등의 나노 카본을 고분자 수지와 함께 컴파운딩 과정을 거쳐 복합화하는 경우, 해당 필러를 고함량으로 함유하면서도 분산시키는 것 자체가 한계가 있었다. 그 결과 복합 재료 중 필러 함량이 최대 30중량%를 넘지 못하였다.
또한, 필러 함량을 낮추어 20~30 중량%로 함유하는 고분자 수지 복합 재료의 경우에는 필러 함량이 20~30중량%로 낮기 때문에 물성 저하가 나타나게 되는 문제 이외에 응집 발생 등 분산의 문제점과 필러들간의 불균일한 접촉의 문제로 인하여 물성 저하가 동반되었다.
이와 같은 문제점들을 해결하기 위해, 고전도성 소재들의 연속화 기술, 예를 들면 탄소나노튜브를 연속화시킨 버키페이퍼(buckypaper) 및 그래핀 옥사이드 (graphene oxide)를 환원하면서 연속화시킨 환원 그래핀 페이퍼 (reduced graphene oxide (rGO paper) 등이 개발되었다. 상기 연속화된 소재들은 고분자 수지에 함침 시키는 공정을 거쳐 복합화된 필름 혹은 시트 형태로 제품화 된다. 최종 제품의 우수한 기계적, 전기적 및 열적 특성에도 불구하고, 공정비용의 증가, 특히 대량 양산화 기술이 정립되지 않은 고전도성 소재들의 연속화 공정에 따른 비싼 제품 단가로 인해 적용에 큰 한계를 가지고 있다.
대한민국 공개특허공보 제10-2014-0043519호 대한민국 공개특허공보 제10-2012-01323512호
Composites Science and Technology 89 (2013) 29-37
본 발명의 구현예들에서는, 일측면에서, 필러 예컨대, 금속 필러나 세라믹 필러 또는 카본 필러 특히 탄소나노튜브 또는 나노 그래핀 등의 나노 카본을 포함하는 고분자 수지 복합 재료 층이 포함된 방열시트에 있어서, 고전도성 복합 재료 층에 필러를 30 중량% 이상으로 고함량으로 함유할 수 있으면서도 이와 같은 고함량의 필러 및 고분자 수지의 복합화 시 (특히 대량 생산의 경우) 발생하게 되는 필러의 분산 문제와 필러들 간의 응집, 불완전한 접촉 등의 문제를 완화할 수 있다. 또한 범용 필름(수지 필름)과 추가적인 공정 없이 손쉽게 접착되며, 방열 특성이 우수한, 즉 열전도도가 우수한, 특히 면방향 열전도도가 우수한, 고방열 시트 및 그 제조 방법을 제공하고자 한다.
본 발명의 예시적인 구현예들에서는, 중합 가능한 열가소성 수지에 중합 촉매를 분산 및 혼합하여 열가소성 수지 조성물을 제조하는 제1 단계; 필러와 열가소성 수지 조성물을 혼합하고 그 혼합물을 기재 필름에 도포한 후 가열하여 중합 가능한 열가소성 수지를 인시츄 중합하고 기재 상에 상기 필러와 열가소성 수지로 이루어지는 복합 재료 층을 접착하는 제2 단계를 포함하는 필러 및 고분자 수지의 복합 재료 층이 포함된 방열 시트 제조 방법을 제공한다.
또한, 본 발명의 예시적인 구현예들에서는, 필러 및 고분자 수지를 포함하는 복합 재료 층을 기재 필름 사이에 포함하는 방열 시트로서, 상기 고분자 수지는 중합 가능한 열가소성 수지가 중합된 것이고, 상기 중합 가능한 열가소성 수지는 중합 시 용융 점도가 저하하는 필러 및 고분자 수지의 복합재료 층이 포함된 방열 시트를 제공한다.
본 발명의 구현예들에 따르면, 필름 사이에 필러 및 고분자 수지의 복합재료 층이 포함된 방열시트의 생산 특히 대량 생산 시, 필러를 상기 필러 및 고분자 수지의 복합재료 층을 기준으로 적어도 30중량% 이상으로 고함량으로 함유할 수 있으며, 이와 같이 고함량으로 함유하더라도 필러를 고루 분산시키기 용이하고 필러들 간의 접촉이 양호하게 하면서도 함께 사용된 범용 필름(수지 필름)과의 접착을 동시에 유도하여 효율적인 방열시트의 제조가 가능하다.
또한, 본 발명의 구현예들에 따라 제조되는 필름 사이에 필러 및 고분자 수지의 복합재료 층이 포함되는 방열 시트에 의하면, 방열 특성, 즉 열전도도, 특히 면방향 열전도도가 우수할 뿐만 아니라, 기계적 특성 및 열적 특성 등의 제반 물성이 향상될 수 있다.
도 1은 본 발명의 예시적인 일구현예에 따른 필름 사이(예: 범용 PET 필름)에 필러 (예:나노 카본) 및 수지(예:CBT)의 복합재료 층이 포함된 방열시트 제조 과정을 개략적으로 보여주는 도면이다.
도 2는 본 발명의 실시예들에서 제조된 방열시트를 나타내는 사진이다.
이하, 본 발명의 구현예들을 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명한다. 본 발명의 구현예들이 첨부된 도면을 참고로 설명되었으나 이는 예시를 위하여 설명되는 것이며, 이것에 의해 본 발명의 기술적 사상과 그 구성 및 작용이 제한되지 않는다.
본 명세서에서 중합 가능한 열가소성 수지란 가열하여 용융되면 점도가 낮아지고 계속 가열하면 중합되어 고분자 수지로 되는 열가소성 수지를 의미한다.
본 명세서에서 인시츄(in-situ) 중합이란 중합 가능한 열가소성 수지가 가열에 의하여 용융되고 중합되어 고분자 수지로 되는 것을 의미한다.
본 명세서에서 나노 카본이란 크기가 나노 단위(1000nm 이하)이면서, 분자 수준에서 결합할 수 있는 탄소 기반 물질을 의미한다.
본 발명의 구현예들에서는 중합 촉매와 중합 가능한 열가소성 수지를 일차적으로 분산, 혼합한 조성물(바람직하게는 파우더 형태의 조성물)에, 필러(바람직하게는 파우더 형태의 필러)를 혼합(mixing)하고 기재 필름 (예컨대, 바람직하게는 상기 열가소성 수지와 혼화성이 있는 수지 필름)에 도포한 후 인시츄(in-situ) 중합과 동시에 접착하여 필러 및 고분자 수지의 복합 재료 층이 포함된 방열 시트를 제조한다. 이러한 방열 시트는 플렉서블한 특징을 가질 수 있다.
이에 따라, 상기 필러 및 고분자 수지의 복합 재료 층이 포함된 플렉서블 방열시트를 제조 특히 대량 생산으로 제조하는 경우에도, 해당 필러 함량을 방열시트 중 적어도 30중량% 이상으로 고함량으로 함유하도록 할 수 있다. 뿐만 아니라, 이와 같이 고함량으로 함유하더라도 필러의 분산 문제와 필러들 간의 응집이나 접촉 불량 등의 문제점 등을 완화할 수 있으며, 기계적 특성, 열적 특성 및 전기적 특성 등의 제반 물성 특히 열적 특성이 크게 향상된 필러 및 고분자 수지의 복합 재료 층이 포함된 플렉서블 방열시트를 얻을 수 있다.
본 발명의 구현예들에 따른 필러 및 고분자 수지 복합 재료 제조 방법은, 중합 가능한 열가소성 수지에 중합 촉매를 분산 및 혼합하여 열가소성 수지 조성물을 제조하는 단계, 필러와 상기 열가소성 수지 조성물을 혼합하고 그 혼합물을 기재 필름(예컨대, 상기 열가소성 수지와 혼화성이 있는 수지 필름)에 도포한 후 가열하여 인시츄 중합함과 동시에 기재 상에 상기 필러와 열가소성 수지로 이루어지는 복합 재료 층을 접착 함으로써 필러 및 고분자 수지의 복합 재료 층이 포함된 플렉 서블 방열시트를 제조하는 단계를 포함한다. 이에 따라 필러는 상기 열가소성 수지와 기재 필름의 수지 사이에 고르게 삽입 및 분포하게 된다.
이하, 각 단계 별로 설명한다. 필러 중 나노 카본은 특히 고함량화와 고분산을 유도하기가 상대적으로 더 어렵기 때문에 본 발명의 구현예들이 유용하게 적용될 수 있다는 점에서, 이하에서는 필러 중 특히 나노 카본을 중심으로 설명한다. 그러나, 다른 필러들 예컨대 탄소 기반이 아닌 다른 재질의 필러(예컨대 금속 필러나 세라믹 필러들 등)와 나노 사이즈가 아닌 마이크로 사이즈의 필러 등 모든 종류의 필러를 고분자 수지 복합 재료 내에서 고함량으로 함유하면서도 고분산하는데 본 발명의 구현예들이 적합하게 사용될 수 있다. 또한, 상기 필러 들은 하나 또는 그 이상의 조합을 사용할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일구현예에 따른 필러(예: 나노카본) 및 고분자 수지 복합 재료 제조 과정을 개략적으로 보여주는 도면이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 하나의 구현예에서는 우선 중합 가능한 열가소성 수지 및 중합 촉매(1: 열가소성 수지 및 중합 촉매를 1로 표시함)를 믹서(10) 등을 이용하여 분산 혼합하여 열가소성 수지 조성물(2)을 제조한다.
상기 중합 가능한 열가소성 수지는 이후 상기 방열시트 제조단계에서 나노 카본에 침투 및 함침이 용이하도록 저 용융 점도를 가지는 것을 사용하도록 한다.
즉, 상기 중합 가능한 열가소성 수지는 용융 점도가 예컨대, 수십에서 수백 cps의 저 용융 점도를 가지는 것으로서, 예컨대 CBT(Cyclic Butylene Terephthalate), 카프로락탐(Caprolactam)일 수 있다. 또한, 올리고머(Oligomer) 수지를 사용할 수 있다. 상기 CBT는 중합 후 PBT(Polybutylene Terephtalate)가 될 수 있고, 상기 카프로락탐은 중합 후 폴리아미드 수지(나일론 수지)가 될 수 있다. 상기 올리고머 수지는 중합 후 고분자 수지가 된다. 특히 CBT 및 카프로락탐 수지는 내열성과 기계적 강도가 우수하여 복합 재료로서 적합하다.
상기 열가소성 수지는 파우더 또는 펠릿 형태를 사용할 수 있지만, 후술하는 방열시트 제조 시 파우더 혼합(powder mixing) 후 인시츄 중합을 하는 것이 고함량의 필러(특히 나노 카본)를 고분산시키는 것에 바람직하다는 관점에서, 열가소성 수지는 파우더(Powder) 형태인 것이 바람직하다.
상기 중합 촉매는 중합 가능한 열가소성 수지와 혼합되어 열가소성 수지 조성물을 구성하게 되는 것으로서, 열가소성 수지의 중합 반응을 유도 및 촉진할 수 있는 것이다.
예시적인 구현예에서, 중합 촉매로서 Titanates 및 Stannoxanes 등을 사용할 수 있으며, 특히 사산화티타늄(TiO4)을 사용할 수 있다.
상기 중합 촉매는 열가소성 수지 조성물 중 예컨대 약 0.02~1mol%, 보다 구체적으로 예컨대 약 0.5mol%로 분산 혼합하여 열가소성 수지 조성물을 제조할 수 있다.
상기 제조된 열가소성 수지 조성물(2)은 나노 카본(3)과 thinky mixer(20) 등을 이용하여 혼합하고, 기재 필름(5) 상 (예컨대, 두 장의 기재 필름 사이)에 도포한다.
나노 카본(3)과 혼합된 열가소성 수지 조성물(2)의 중합 가능한 열가소성 수지는 용융 시 점도가 현저히 떨어지면서 나노 카본 사이로 함침되어 고른 분산을 가능하게 하면서 중합됨과 동시에 기재 필름 특히 상기 열가소성 수지와 혼화성이 있는 수지 필름(5)에 확산(diffusion)될 수 있다.
상기 기재 필름으로는 범용의 플렉서블 기재 필름을 사용할 수 있다. 또한, 상기 기재 필름의 수지로는 바람직하게는 상기 열가소성 수지와 혼화성이 있는 수지를 사용할 수 있다. 상기 기재 필름의 수지로는 예컨대 전술한 PBT 수지와 혼화성이 있는 폴리에틸렌테레프탈레이트 필름을 사용할 수 있다.
상기 나노 카본은 방열시트 중 30중량% 이상의 고함량으로 함유되는 경우에도 분산이 양호하고 나노 카본들간 접촉 불량을 방지할 수 있어 복합 재료의 물성을 향상시킬 수 있다.
예시적인 구현예에서, 열가소성 수지와 함께 사용되는 필러는, 재질에 제한이 되지 않지만, 금속 필러, 세라믹 필러 및 카본 필러 중에서 선택되는 하나 이상일 수 있고, 카본 필러일 수 있다.
상기 카본 필러는 마이크로미터 사이즈일 수 있지만, 나노 카본일 수 있다. 전술한 바와 같이 특히 탄소나노튜브나 나노 그래핀 등과 같은 나노 카본의 경우 고분자 수지 복합 재료 중에서 고함량으로 포함되도록 하면서 동시에 분산성을 높이는 것이 어렵다. 그러나, 본 발명의 구현예들에 의하여 이러한 문제점을 해결할 수 있다.
예시적인 구현예에서, 상기 나노 카본은 탄소나노튜브(CNT), 나노 그래핀(Graphene) 및 나노 그래핀 산화물(Graphene Oxide)로 이루어지는 나노 카본 그룹에서 선택되는 하나 이상일 수 있다. 또한, 나노 카본은 상기 탄소나노튜브, 그래핀 또는 그래핀 산화물 등의 나노 카본이 열 처리, 과산화수소 처리 또는 왕수 처리 등을 거친 것일 수 있다.
예시적인 구현예에서, 상기 나노 카본은 최종 복합 재료 내의 나노 카본의 고른 분산을 위하여 바람직하게는 파우더 형태이다.
열가소성 수지 조성물과 나노 카본을 혼합하는 방법은 열가소성 수지 조성물과 나노 카본이 균일하게 혼합될 수 있는 것이라면 특별히 제한되지 않는다.
예시적인 구현예에서 상기 혼합 과정은 씽키 믹서(Thinky mixer) 또는 볼 밀(Ball mill) 등을 이용하여 이루어질 수 있다.
상기 혼합 후, 인시츄 중합을 진행한다. 즉, 열가소성 수지 조성물(2)과 나노 카본(3)을 혼합한 혼합물(4)을 기재 필름 바람직하게는 열가소성 수지와 혼화성이 있는 필름(5) 위에 도포한 후 적층물을 중합기(30)에 제공하고 인시츄 중합하여 나노 카본 및 고분자 수지로 이루어진 필러 및 고분자 수지의 복합 재료 층이 포함된 플렉서블 방열시트를 제조한다. 이와 같이 인시츄 중합 과정을 거치면, 전술한 바와 같이 나노 카본들 사이에 고분자 수지가 고르게 침투, 함침됨으로써 나노 카본이 고르게 분산된 플렉서블 방열시트를 제조할 수 있다.
중합 가능한 열가소성 수지는 고온에서 중합이 빨리 진행되고 저온에서 중합이 느리게 진행된다. 따라서, 해당 열가소성 수지의 중합 시작 온도 이상 열 분해 전 온도의 범위로 가열하도록 한다. 또한 중합 가능한 열가소성 수지는 단 시간 내에 중합 시작 온도로 가열하고, 중합 시작 온도 내지 열분해 전 온도에서 일정 시간 유지한 후, 급속 냉각하는 것이 바람직하다.
예컨대 CBT는 130℃ 부근에서 용융되고 150℃ 이상에서 중합이 진행되기 시작하여 고온일수록 빨리 진행되지만 260℃를 초과하는 경우 열분해 될 수 있으므로, 단 시간(예컨대 0초 초과 30초 이하의 시간)내에 해당 온도 범위(예컨대 150℃ 내지 260℃)로 가열하고, 일정 시간 유지(예컨대, 1분 내지 24시간, 가능한 유지 시간은 작도록 하는 것이 바람직하다)한 후, 급속(예컨대, 0초 내지 60 초 이하의 시간)으로 냉각하도록 한다.
예시적인 구현예에서, 상기한 인 시츄 중합을 위한 가열 및 냉각 과정을 금형의 온도 조절을 이용하여 수행할 수 있다. 즉, 상기 열가소성 수지 조성물과 나노카본을 혼합하여 혼합물을 제조한 후, 기재 필름에 도포한 뒤, 이를 금형에 투입하고, 상기 금형을 0초 초과 내지 30초 이하의 단시간 동안 150℃ 내지 260℃ 범위의 온도를 가지도록 급속 가열한 후, 상기 온도 범위 내에서 1분 내지 24시간 유지한다. 상기 유지 과정 이후, 상기 금형을 상온으로 0초 초과 내지 60초 이하의 시간 동안 급속 냉각시킬 수 있다. 상기 가열 속도 또는 냉각 속도는 예를 들어, 초당 40℃ 내지 50℃일 수 있다.
예시적인 구현예에서, 상기 금형을 230 ℃의 온도로 가열하고, 해당 가열 온도에서 10분 동안 유지하도록 하는 것이 바람직하다.
상기와 같이 급속히 금형을 가열하고, 일정 시간 유지한 후 단시간에 냉각하는 경우, 방열시트를 고속 제조할 수 있게 되므로 필러 및 고분자 수지의 복합 재료 층이 포함된 플렉서블 방열시트를 대량 생산하는데 유리하다. 또한, 금형만이 급속 냉각되기 때문에 제품 물성에 영향을 줄 수 있는 요인들을 차단할 수 있어 균일한 물성의 복합 재료를 제조하는 것이 유리하다.
예시적인 구현예에서, 상기 방열시트 제조시 가열과 더불어 압력을 가하여 열 압착(hot pressing)을 수행할 수 있다. 이러한 열 압착은 열압 성형 금형 내에서 이루어질 수 있다.
상기 설명한 바와 같이 제조되는 방열시트는 나노 카본의 함량이 고함량인 경우에도(예컨대 30중량% 이상) 나노 카본(필러)를 방열시트의 복합재료 층 내에 고르게 분산시킬 수 있다. 특히 파우더 형태의 나노 카본 및 파우더 형태의 열가소성 수지 조성물(중합 촉매 및 중합 가능한 열가소성 수지가 분산 및 혼합된 조성물)을 혼합 즉 파우더 혼합한 후, 이를 인시츄 중합하는 것에 의하면 나노 카본의 함량이 고함량인 경우에도 방열시트의 복합재료 층 내에서 매우 고른 분산을 유도하는 것에 특히 바람직하다. 이와 같은 제조하는 과정을 거침에 따라 최종 제조되는 플렉서블 방열시트의 물성 향상에 기여하게 된다. 특히 열 전도도 면에 있어서 월등한 효과를 가지도록 할 수 있다.
상기와 같은 방법에 의하여 고함량의 필러를 함유하는 경우라도 방열시트의 고분자 수지 복합 재료 층 내에 고르게 분산시킬 수 있으므로, 최종적으로 제조되는 필러 및 고분자 수지 복합 재료 층을 포함하는 플레서블 방열시트의 물성을 크게 향상시킬 수 있다. 특히, 열전도 특성의 향상이 두드러지게 된다. 예컨대, 상기 제조되는 카본 필러 및 고분자 수지 복합 재료 층을 포함하는 방열시트는 면방향으로 뛰어난 열전도도(20W/m·K 이상)를 나타낼 수 있다.
또한, 상기 방법에 의해 제조되는 방열시트는 다양한 분야에서 유용하게 사용될 수 있다. 예를 들어, LED 방열구조체, 노트북 및 휴대폰 케이스 및 열 싱크 (Heat sink) 등의 방열 분야에서 유용하게 활용될 수 있다.
이하, 실시예를 통하여 본 발명을 더욱 상세히 설명하고자 한다. 이들 실시예는 오로지 본 발명을 예시하기 위한 것으로, 본 발명의 범위가 이들 실시예에 의해 제한되는 것으로 해석되지 않는 것은 당업계에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 자명할 것이다.
실시예
(1) 열가소성 수지 조성물 제조
본 실시예에 따른 나노 카본 및 고분자 수지 복합 재료의 제조를 위해서, 한화 나노텍에서 공급받아 특별한 전처리 과정을 거치지 않은 다중벽 탄소나노튜브를 준비하고, 열가소성 수지로 Cyclics 사에서 공급받은 CBT 0.6g(시편 하나당 사용량)에 중합 촉매인 사산화티타늄(TiO4)을 분산 혼합하였다. 상기 사산화티타늄은 상기 열가소성 조성물의 0.5몰%로 포함되었다.
(2) 방열시트 제조
준비한 나노 카본 상에 상기 열가소성 수지 조성물을 균일하게 도포하고, 혼합물을 PET 필름 2장 사이에 균일하게 도포한 후 230℃로 가열한 후, 20MPa 압착 압력에서 10분간 압착 성형하여 중합 반응을 유도(인시츄 중합)하여 진행하였고, 이를 완료하였다. 나노 카본의 함량은 복합 재료 층(나노 카본+열가소성 수지) 전체에 대하여 아래 표 1에 기재된 바와 같은 함량으로 포함하였다.
상기 반응으로 제조되는 나노 카본 및 고분자 수지 복합재료 층을 포함하는 플렉서블 방열시트는 50㎛ 두께이었다. 상기 나노카본 물질 상에 도포된 열가소성 조성물 중 CBT가 가열되면서 용융된 상태로 상기 나노 카본 물질에 함침됨과 동시에 PET 필름에 확산(diffusion)되고, 이어서 중합되어 PBT 가 됨과 동시에 PET 필름과 접착 되었다.
참고로, 도 2는 본 발명의 실시예들에서 제조된 방열시트 (도 2a) 및 플렉서블 특징(도 2b)을 나타내는 사진이다.
(3) 방열시트 물성
방열시트의 전기전도도와 열전도도는 각각 4-point probe 방법 및 hot-disk 방법에 의해 측정되었다. 또한, 방열시트의 기계적 특성은 만능인장시험기를 이용하여 측정되었다. 표 1에 방열시트 내 복합재료 층에 혼입된 나노카본의 함량에 따른 전기전도도, 열전도도 및 인장강도를 나타내는 표이다.
탄소나노튜브 (wt%) 전기전도도 (S/m) 열전도도 (W/m·K) 인장강도 (MPa)
10 0.0001 3.2 166
30 0.01 5.7 180
50 10000 10.7 196
70 11500 22.4 195
90 12000 35.0 201
표 1에서 알 수 있듯이, 최종 제조된 방열시트의 전기적, 열적, 기계적 특성은 복합 재료 층에 혼입된 나노 카본 필러의 함량에 비례하여 증가하였으며, 90 wt% 함량에서 각각 12000 S/m, 35 W/m·K 및 200 MPa의 뛰어난 전기전도도, 열전도도 및 인장강도를 나타내었다.
이와 같이, 본 발명의 구현예들에 따른 방열 시트는, 버키페이퍼 및 환원 그래핀 페이퍼 등 연속화된 소재들과 비교하였을 때, 물성적 측면에서 우수할 뿐만 아니라, 대량 양산화 기술이 정립되지 않은 고전도성 소재들과 대비하여 대량 생산에 적합하고 공정단가가 크게 낮춰질 수 있다.

Claims (23)

  1. 중합 가능한 열가소성 수지에 중합 촉매를 분산 및 혼합하여 열가소성 수지 조성물을 제조하는 제1 단계;
    상기 제조된 열가소성 수지 조성물을 필러와 혼합하고 그 혼합물을 기재 필름에 도포한 후 가열하여, 중합 가능한 열가소성 수지를 인시츄 중합하고 또한 기재 필름 상에 상기 필러와 열가소성 수지로 이루어지는 복합 재료 층을 접착하여 필러 및 고분자 수지의 복합 재료 층이 포함된 방열 시트를 제조하는 제2 단계를 포함하는 필러 및 고분자 수지의 복합 재료 층이 포함된 방열 시트 제조 방법.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 기재 필름은 상기 열가소성 수지와 혼화성이 있는 수지로 이루어지는 필름인 것을 특징으로 하는 필러 및 고분자 수지의 복합 재료 층이 포함된 방열 시트 제조 방법.
  3. 제 1 항에 있어서,
    파우더 형태의 열가소성 수지 조성물 및 파우더 형태의 필러를 혼합하는 것을 특징으로 하는 필러 및 고분자 수지의 복합재료 층이 포함된 방열시트 제조 방법.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 필러는 상기 필러 및 고분자 수지의 복합재료 층을 기준으로 10wt% 내지 95wt%로 포함되는 것을 특징으로 하는 필러 및 고분자 수지의 복합재료 층이 포함된 방열시트 제조 방법.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 필러는 상기 필러 및 고분자 수지의 복합재료 층을 기준으로 30wt% 내지 95wt%로 포함되는 것을 특징으로 하는 필러 및 고분자 수지의 복합재료 층이 포함된 방열시트 제조 방법.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 열가소성 수지를 용융하여 필러 사이에 함침한 후 열가소성 수지의 중합 개시 온도 이상 열분해 되기 전 온도로 가열하는 것을 특징으로 하는 필러 및 고분자 수지의 복합재료 층이 포함된 방열시트 제조 방법.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 가열 시 압력을 더 가하여 열 압착하는 것을 특징으로 하는 필러 및 고분자 수지의 복합재료 층이 포함된 방열시트 제조 방법.
  8. 제 2 항에 있어서,
    상기 고분자 수지는 PBT(Poly Butylene Terephtalate)이고, 상기 기재 필름의 수지는 폴리에틸렌테레프탈레이트인 것을 특징으로 하는 필러 및 고분자 수지의 복합재료 층이 포함된 방열시트 제조 방법.
  9. 제 6 항에 있어서,
    상기 중합 가능한 열가소성 수지는 CBT이고,
    금형 내에 필러와 열가소성 수지 조성물의 혼합물을 도포한 기재 필름을 투입한 후 금형 내에서 인시츄 중합을 수행하는 것이고,
    상기 금형을 0초 초과 30초 이하의 시간 내에 150 내지 260℃의 온도로 가열하고, 해당 가열 온도에서 1분 내지 24 시간 동안 가열을 유지한 후, 상기 금형을 상온까지 0초 초과 60초 이하의 시간 내에 냉각하는 것을 특징으로 하는 필러 및 고분자 수지의 복합재료 층이 포함된 방열시트 제조 방법.
  10. 제 1 항에 있어서,
    중합 촉매로 사산화티타늄(TiO4)를 사용하는 것을 특징으로 하는 필러 및 고분자 수지의 복합재료 층이 포함된 방열시트 제조 방법.
  11. 제 1 항에 있어서,
    상기 필러는 금속 필러, 세라믹 필러 및 카본 필러 중에서 선택되는 하나 이상인 것을 특징으로 하는 필러 및 고분자 수지의 복합재료 층이 포함된 방열시트 제조 방법.
  12. 제 1 항에 있어서,
    상기 필러는 나노 카본인 것을 특징으로 하는 필러 및 고분자 수지의 복합재료 층이 포함된 방열시트 제조 방법.
  13. 제 12 항에 있어서,
    상기 나노 카본은 탄소나노튜브(CNT), 나노 그래핀(Graphene) 및 나노 그래핀 옥사이드(GO, Graphene Oxide)로 구성되는 나노 카본 그룹에서 선택되는 하나 이상이거나, 또는 상기 나노 카본 그룹에서 선택되는 하나 이상이 열 처리, 과산화수소 처리 또는 왕수(regal water) 처리된 것을 특징으로 하는 필러 및 고분자 수지의 복합재료 층이 포함된 방열시트 제조 방법.
  14. 필러 및 고분자 수지를 포함하는 복합 재료 층을 기재 필름 사이에 포함하는 방열 시트로서,
    상기 고분자 수지는 파우더 형태의 중합 가능한 열가소성 수지가 중합된 것이고, 상기 중합 가능한 열가소성 수지는 중합 시 용융 점도가 저하하는 것이며,
    상기 기재 필름은 수지 필름이고,
    상기 필러는 파우더 형태의 카본 필러이며, 복합 재료 층을 기준으로 30wt% 내지 95wt%로 포함되는 것이며,
    상기 방열 시트의 열전도도는 20 W/m·K 이상인 것을 특징으로 하는 필러 및 고분자 수지의 복합재료 층이 포함된 방열 시트.
  15. 삭제
  16. 삭제
  17. 제 14 항에 있어서,
    상기 기재 필름은 상기 열가소성 수지와 혼화성이 있는 수지로 이루어지는 필름인 것을 특징으로 하는 필러 및 고분자 수지의 복합재료 층이 포함된 방열 시트.
  18. 제 17 항에 있어서,
    상기 고분자 수지는 PBT(Polybutylene Terephtalate)이고, 상기 기재 필름의 수지는 폴리에틸렌테레프탈레이트인 것을 특징으로 하는 필러 및 고분자 수지의 복합재료 층이 포함된 방열 시트.
  19. 삭제
  20. 삭제
  21. 제 14 항에 있어서,
    상기 카본 필러는 나노 카본인 것을 특징으로 하는 필러 및 고분자 수지의 복합재료 층이 포함된 방열 시트.
  22. 삭제
  23. 제 14 항, 제 17 항, 제 18 항 및 제 21 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 방열 시트의 인장강도가 200 MPa 이상인 것을 특징으로 하는 필러 및 고분자 수지의 복합재료 층이 포함된 방열 시트.
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