KR101624945B1 - Composite of blockcopolymer/mwnt/metal, and the manufacturing method thereof - Google Patents

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Abstract

본 발명은 자기조립이 가능한 블록공중합체, MWNT 및 금속을 포함하여 이루어지는 고열전도성 방열 복합 소재에 관한 기술로서, 종래 MWNT를 포함하지 않는 복합 소재에 비하여 매우 높은 열전도도를 나타낼 수 있는 복합 소재 및 그 제조방법에 관한 것이다.TECHNICAL FIELD The present invention relates to a thermally conductive, heat-dissipative composite material including a self-assembling block copolymer, MWNT, and metal, and is a composite material that can exhibit a very high thermal conductivity as compared with a composite material that does not include a conventional MWNT, And a manufacturing method thereof.

Description

블록공중합체, MWNT, 금속 복합체 및 그 제조방법{COMPOSITE OF BLOCKCOPOLYMER/MWNT/METAL, AND THE MANUFACTURING METHOD THEREOF}BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a block copolymer, a MWNT, a metal complex,

본 발명은 블록공중합체, 다중벽 탄소나노튜브(MWNT) 및 금속을 포함하는 고열전도성 복합체와 그 제조 방법에 관한 기술이다.
The present invention relates to a high thermal conductivity composite comprising a block copolymer, a multi-walled carbon nanotube (MWNT) and a metal, and a method of manufacturing the same.

정보, 통신, 에너지 저장 기술 분야 등에서 요구되는 전력 밀도의 급격한 증대는 반대급부로 전자소자에서의 열전달 또는 열방출이 이슈화되고 있다. 전자 기기가 고집적화, 경량화, 단소화, 다기능화될수록 전자 기기 내에서 더욱 많은 열이 발생하는데, 이러한 방출되는 열은 소자의 기능을 저하하며, 주변 소자의 오작동, 기판 열화 등의 문제를 야기하고 있다. 특히 LED의 경우 고온의 방출열로 인하여 접합부의 온도가 계속 증가함으로써, LED 반도체의 수명저하를 일으킨다. 이러한 전자 기기에서 발생하는 열을 효과적으로 방출하여 작동온도를 낮추는 것은 전자 소자 성능 향상 및 사용수명 연장에 매우 중요하다.The rapid increase in power density required in the fields of information, communication, and energy storage technology is a counterproductive issue for heat transfer or heat dissipation in electronic devices. As electronic devices become more highly integrated, lighter, shorter, and multifunctional, more heat is generated in electronic devices. This heat dissipates the functions of devices, causing malfunction of peripheral devices, substrate deterioration, and the like . Particularly, in the case of LED, the temperature of the junction is continuously increased due to the heat of high temperature, which causes the lifetime of the LED semiconductor to deteriorate. Reducing the operating temperature by effectively dissipating the heat generated from such electronic devices is very important for improving the performance of electronic devices and extending the service life.

이러한 전자소자용 방열 재료로는 금속, 세라믹, 탄소 소재와 같은 고열전도성 충전제와 연속매체로 이용되는 고분자 소재가 혼합된 복합 소재가 주로 사용되고 있다. 고분자/충전제의 고열전도성 복합재료는 고분자만의 장점인 경량화, 가공성, 유연성, 내환경성 등의 성질을 그대로 유지하면서도, 금속, 세라믹 또는 탄소 소재와 같은 충전제의 고유한 특성을 함께 유지할 수 있다. 이러한 복합재료를 사용하는 또 다른 이유는 효과적인 열전달과 동시에 열이 흐르는 수직 방향으로의 두 표면 간의 뛰어난 접착력과 내부식성 때문이다. 즉, 열전도성 고분자 복합재료는 전자기기에서 기존의 금속이나 세라믹이 차지하고 있던 부분을 대체할 수 있는 새로운 가능성을 제공한다.As such heat dissipation materials for electronic devices, composite materials in which high thermal conductive fillers such as metals, ceramics, and carbon materials are mixed with polymer materials used as continuous media are mainly used. The high thermal conductive composite material of the polymer / filler can maintain the inherent characteristics of the filler such as metal, ceramic or carbon material, while retaining properties such as light weight, processability, flexibility, Another reason for using these composites is due to the excellent adhesion and corrosion resistance between the two surfaces in the vertical direction where heat is transferred simultaneously with effective heat transfer. In other words, thermally conductive polymer composites provide new possibilities for replacing existing parts of metals or ceramics in electronic devices.

열전도성 고분자 복합재료에서 탄소재료의 첨가는 기존의 고분자 물질에 열전도성을 부여하기 위해 흔히 사용하는 간단한 방법이다. 탄소나노튜브는 우수한 유연성과 1000 이상의 큰 종횡비, 높은 열전도도를 나타낸다. 특히 탄소나노튜브만의 특징인 1차원적 구조로 인한 긴 포논(phonon) 자유 경로로 인하여 단일벽 탄소나노튜브(SWNT)의 경우 6000W/mK, 다중벽 탄소나노튜브(MWNT)의 경우 3075W/mK의 열전도율을 보이고 있다. The addition of carbon materials in thermally conductive polymer composites is a simple method commonly used to impart thermal conductivity to existing polymeric materials. Carbon nanotubes exhibit excellent flexibility, large aspect ratio of 1000 or more, and high thermal conductivity. In particular, 6000 W / mK for single wall carbon nanotubes (SWNT) and 3075 W / mK for multi wall carbon nanotubes (MWNT) due to a phonon free path due to a one-dimensional structure characteristic of carbon nanotubes only Respectively.

이러한 탄소나노튜브와 고분자를 이용한 고열전도성 복합재료에 관한 종래 기술로 특허등록 제10-1274976호에서는 탄소나노튜브, 그래핀 등의 열전도성 중공형 입자체와 실리콘 수지, 에폭시 수지, 페놀 수지 및 폴리에틸렌 수지와 같은 고분자 수지의 열전도성 복합재에 대한 기술을 공개하고 있다. 또한, 특허공개 제10-2013-0088251호에서는 폴리올레핀계 수지 등의 열가소성 수지와, 팽창 흑연 등의 열전도성 필러, 장섬유 및 탄소나노튜브를 포함하는 열전도성 복합소재 조성물에 대하여 공개하고 있다.In the prior art relating to a high thermal conductive composite material using such a carbon nanotube and a polymer, Patent Publication No. 10-1274976 discloses a thermally conductive hollow particle such as carbon nanotubes and graphene, a silicone resin, an epoxy resin, a phenol resin, and a polyethylene Discloses a technique for a thermally conductive composite material of a polymer resin such as a resin. In addition, Japanese Patent Application Laid-Open No. 10-2013-0088251 discloses a thermoconductive composite material composition comprising a thermoplastic resin such as a polyolefin resin and a thermally conductive filler such as expanded graphite, a long fiber and a carbon nanotube.

그러나, 이러한 종래 기술에서 탄소나노튜브 첨가의 경우, 탄소나노튜브만의 뛰어난 열적 성질에도 불구하고, 고분자 연속매체에 탄소나노튜브의 첨가는 예상보다 훨씬 낮은 열전도율(약 10 W/mK)을 보였다. 이는 고분자 기지와 탄소나노튜브의 계면 사이, 그리고 탄소나노튜브들 간의 계면에서 일어나는 높은 계면 열저항에 의한 효과로 설명되며, 또한, 불충분한 탄소나노튜브의 분산이 계면 열저항을 발생시켜 낮은 열전도율에 영향을 미친다.
However, in the case of adding carbon nanotubes in this prior art, the addition of carbon nanotubes to a polymer continuous medium showed a much lower thermal conductivity (about 10 W / mK) than expected, despite the excellent thermal properties of only carbon nanotubes. This is explained by the effect of the high interfacial thermal resistance between the polymer matrix and the carbon nanotubes interface and between the carbon nanotubes. In addition, the dispersion of insufficient carbon nanotubes generates interfacial thermal resistance, It affects.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 연속매체로 블록공중합체 고분자를 사용하고, 충전제로 다중벽 탄소나노튜브와 금속 입자를 사용하는 고열전도성 복합 소재를 제공하는 것을 목적으로 한다.
Disclosure of Invention Technical Problem [8] Accordingly, the present invention has been made in an effort to solve the above problems, and an object of the present invention is to provide a high thermal conductive composite material using a block copolymer polymer as a continuous medium and using multiwalled carbon nanotubes and metal particles as a filler .

본 발명의 일 실시예에 따르면, 블록공중합체, MWNT(Multi-Walled Carbon Nanotube, 다중벽 탄소나노튜브) 및 금속을 포함하여 이루어지는 블록공중합체/MWNT/금속 복합체가 제공될 수 있다.According to one embodiment of the present invention, a block copolymer / MWNT / metal composite comprising a block copolymer, a Multi-Walled Carbon Nanotube (MWNT), and a metal may be provided.

상기 복합체는 블록공중합체와 MWNT를 포함하여 이루어지는 파우더와, 금속 입자를 혼합하여 이루어질 수 있고, 상기 파우더는 MWNT 1 중량부에 대하여 블록공중합체는 2 ~ 10 중량부로 혼합될 수 있다.The composite may be a mixture of a powder comprising a block copolymer and MWNT and metal particles, and the powder may be mixed with 2 to 10 parts by weight of the block copolymer with respect to 1 part by weight of MWNT.

상기 파우더 대 금속 입자는 부피%로, 30 ~ 90 부피% : 10 ~ 70 부피%의 비율로 혼합될 수 있고, 상기 블록공중합체는 마이셀을 형성하는 블록공중합체일 수 있으며, 상기 금속은 구리, 은 및 알루미늄 중 어느 하나일 수 있다.The powder-metal particles may be mixed in a volume percentage of 30 to 90 vol%: 10 to 70 vol%, and the block copolymer may be a block copolymer forming micelles, Silver, and aluminum.

또한, 본 발명의 다른 실시예에 따르면, (a) 블록공중합체, MWNT 및 용매를 포함하는 혼합용액을 제조하는 단계와, (b) 상기 혼합용액으로부터 용매를 제거하고, 블록공중합체/MWNT를 포함하는 파우더를 제조하는 단계와, (c) 상기 파우더에 금속 입자를 혼합한 후 가공하여 블록공중합체/MWNT/금속의 복합체를 제조하는 단계를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 블록공중합체/MWNT/금속 복합체의 제조방법이 제공될 수 있다.According to another embodiment of the present invention, there is provided a method for producing a block copolymer, comprising the steps of: (a) preparing a mixed solution comprising a block copolymer, MWNT and a solvent; (b) removing the solvent from the mixed solution; And (c) mixing the metal particles with the powder and then processing the block copolymer / MWNT / metal composite to prepare a block copolymer / MWNT / metal composite. A method for producing the metal complex can be provided.

상기 (a) 단계에서, 상기 MWNT 1 중량부에 대하여 블록공중합체는 2 내지 10 중량부로 혼합될 수 있고, 블록공중합체를 용매에 용해하여 블록공중합체 용액을 제조하는 단계와, 상기 블록공중합체 용액에 MWNT를 혼합하여 MWNT를 분산시키는 단계를 포함하여 이루어질 수 있다.In step (a), the block copolymer may be mixed in an amount of 2 to 10 parts by weight based on 1 part by weight of the MWNT. The block copolymer may be dissolved in a solvent to prepare a block copolymer solution. And mixing the MWNT with the solution to disperse the MWNT.

상기 (c) 단계에서 상기 파우더 대 금속 입자는 부피%로 30 ~ 90 부피% : 10 ~ 70 부피%의 비율로 혼합된 후 가열하여 복합체로 제조될 수 있고, 상기 블록공중합체/MWNT/금속 복합체의 제조는 핫프레싱(hot pressing) 성형법, 오토클레이브 성형법, 압축성형법, 오픈몰드 성형법 및 RTM 성형법 중 어느 하나의 방법을 이용하여 제조될 수 있다.In the step (c), the powder-metal particles may be mixed in a volume ratio of 30 to 90% by volume: 10 to 70% by volume, and then heated to form a composite. The block copolymer / MWNT / May be produced by any one of hot-pressing, autoclave-molding, compression-molding, open-mold-molding, and RTM-molding.

상기 MWNT를 분산시키는 단계는 상기 혼합용액을 초음파 분해 처리 및 혼소니케이션(Horn sonication) 처리에 의해 수행될 수 있다.The step of dispersing the MWNT may be performed by ultrasonication and horn sonication.

상기 용매는 톨루엔이고 상기 (b) 단계는, 상기 혼합용액을 진공필터링(vacuum filtering)에 의해 매트(mat)를 얻는 단계와, 상기 매트를 진공건조(vacuum drying)하는 단계에 의해 수행될 수 있다.The solvent may be toluene, and the step (b) may be performed by vacuum-filtering the mixed solution to obtain a mat, and vacuum drying the mat .

상기 금속은 구리, 은 및 알루미늄 중 어느 하나일 수 있고, 상기 구리 입자는 1~2 ㎛, 상기 은(Ag) 입자는 2~3.5 ㎛, 상기 알루미늄 입자는 1~3 ㎛의 크기일 수 있다.
The metal may be any one of copper, silver and aluminum, the copper particles may be 1 to 2 占 퐉, the silver (Ag) particles may be 2 to 3.5 占 퐉, and the aluminum particles may be 1 to 3 占 퐉.

본 발명의 일 실시예에 따른 고열전도성 복합체에서는 MWNT가 블록공중합체에 의해 균일하게 분산되어 있으며, 이와 같이 잘 분산된 MWNT가 금속 입자 사이에서 열전달 접촉점(thermal contact)을 높여줄 뿐만 아니라, 포논 이동을 용이하게 함으로써 열전도도를 향상시킬 수 있다.In the high thermal conductive composite according to an embodiment of the present invention, the MWNT is uniformly dispersed by the block copolymer, and thus the well-dispersed MWNT not only enhances the thermal contact contact between the metal particles, So that the thermal conductivity can be improved.

또한, 본 발명의 열전도성 복합체에서는 고분자와 MWNT만의 복합 소재 또는 고분자와 금속의 복합 소재에 비하여 높은 열전도성을 보일 수 있다.In addition, the thermally conductive composite of the present invention can exhibit a higher thermal conductivity than a composite material of only a polymer and MWNT or a composite material of a polymer and a metal.

그리고, 상기 블록공중합체에 의해 고분산된 MWNT는 금속 입자 충전제의 열적 계면접촉을 높여주어 열전달을 용이하게 할 뿐만 아니라, 블록공중합체가 연속매체 기지로서 그대로 이용될 수도 있다.The MWNT highly dispersed by the block copolymer enhances thermal interface contact of the metal particle filler to facilitate heat transfer, and the block copolymer may be used as a continuous medium base as it is.

나아가, 본 발명의 일 실시예에서는 MWNT를 사용함으로써 단일벽 탄소나노튜브 또는 이중벽 탄소나노튜브에 비하여 비용을 절감할 수 있다.
Further, in one embodiment of the present invention, the cost can be reduced by using MWNTs compared with single-walled carbon nanotubes or double-walled carbon nanotubes.

도 1은 다중벽 탄소나노튜브(MWNT)를 블록공중합체 마이셀이 분산해주는 메커니즘을 도식화한 것이다.
도 2a 및 2b는 각각 톨루엔 용매 내에서 PS-b-P4VP 마이셀에 의하여 다중벽 탄소나노튜브가 분산된 상태를 측정한 SEM 이미지 및 TEM 이미지이다.
도 3a는 PS-b-P4VP/MWNT 매트의 이미지 사진이며, 도 3b는 PS-b-P4VP/MWNT 파우더를 다시 톨루엔에 용해시킨 경우에 MWNT가 PS-b-P4VP의 마이셀에 의해 재분산되는 것을 보여주는 SEM 이미지이며, 도 3c 및 3d는 각각 PS-b-P4VP/MWNT 매트의 표면 및 단면 SEM 이미지이며, 도 3e 및 도 3f는 PS-b-P4VP/MWNT 파우더의 SEM 이미지이다.
도 4a 및 도 4b는 다양한 함량비의 MWNT/PS-b-P4VP 복합체의 열확산도(diffusivity) 및 열전도도(thermal conductivity)를 측정한 결과이며, 도 4c 및 도 4d는 PS-b-P4VP/MWNT(함량비 5:1) 복합체의 SEM 이미지이다.
도 5a 및 도 5b는 PS-b-P4VP/MWNT(함량비 5:1) 파우더에 다양한 부피비(10, 30, 50, 70 vol%)의 알루미늄을 포함하는 PS-b-P4VP/MWNT/Al 시편의 열확산도 및 열전도도 그래프이며, 도 5c 및 도 5d는 SEM 이미지이다.
도 6a 및 도 6b는 PS-b-P4VP/MWNT(함량비 5:1) 파우더에 다양한 부피비(10, 30, 50, 70 vol%)의 구리를 포함하는 PS-b-P4VP/MWNT/Cu 시편의 열확산도 및 열전도도 그래프이며, 도 6c 및 도 6d는 SEM 이미지이다.
도 7a 및 도 7b는 PS-b-P4VP/MWNT(함량비 5:1) 파우더에 다양한 부피비(10, 20, 30, 40, 50, 70 vol%)의 은을 포함하는 PS-b-P4VP/MWNT/Ag 시편의 열확산도 및 열전도도 그래프이며, 도 7c 및 도 7d는 SEM 이미지이다.
도 8a는 PS-b-P4VP/MWNT(함량비 5:1) 파우더에 다양한 부피비의 알루미늄, 구리, 은을 포함하는 본 발명의 복합체와, 비교예로서 에폭시에 은이 다양한 부피비로 포함된 복합체의 열전도도를 측정한 결과이며, 도 8b는 본 발명의 PS-b-P4VP/MWNT/Ag 복합체에서의 내부 구조를 설명하는 도면이다.
1 is a schematic representation of a mechanism by which a block copolymer micelle disperses a multi-walled carbon nanotube (MWNT).
2A and 2B are SEM images and TEM images of multi-walled carbon nanotubes dispersed by PS- b- P4VP micelles in a toluene solvent, respectively.
FIG. 3A is an image of PS- b- P4VP / MWNT mat image, and FIG. 3b shows that MWNT redispersed by micelles of PS- b -P4VP when PS- b -P4VP / MWNT powder again dissolved in toluene 3C and 3D are surface and cross-sectional SEM images of the PS- b- P4VP / MWNT mat, respectively, and Figs. 3e and 3f are SEM images of the PS- b -P4VP / MWNT powder.
4a and 4b show the results of measurement of the diffusivity and thermal conductivity of the MWNT / PS- b- P4VP complexes of various content ratios, and Figs. 4c and 4d show the results of PS- b -P4VP / MWNT (Content ratio 5: 1).
Figures 5a and 5b PS- b -P4VP / MWNT (weight ratio 5: 1) PS- b -P4VP / MWNT / Al sample to a powder containing aluminum in different volume ratio (10, 30, 50, 70 vol%) And FIGS. 5C and 5D are SEM images. FIG.
Figure 6a and 6b PS- b -P4VP / MWNT (weight ratio 5: 1) PS- b -P4VP / MWNT / Cu samples containing copper in different volume ratio of the powder (10, 30, 50, 70 vol%) And FIGS. 6C and 6D are SEM images. FIG.
Figures 7a and 7b are PS- b -P4VP / MWNT: PS- containing silver of (content ratio 51) different volume ratio of the powder (10, 20, 30, 40 , 50, 70 vol%) b -P4VP / The thermal diffusivity and thermal conductivity of the MWNT / Ag specimen are plotted, and FIGS. 7C and 7D are SEM images.
FIG. 8A shows the composite of the present invention comprising various volume ratios of aluminum, copper, and silver in a PS- b- P4VP / MWNT (5: 1 ratio by weight) powder and the thermal conductivity of the composite containing epoxy in various volume ratios FIG. 8B is a view for explaining the internal structure of the PS- b- P4VP / MWNT / Ag composite of the present invention.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 명세서에 개시된 실시 예를 상세히 설명하되, 동일하거나 유사한 구성요소에는 동일·유사한 도면 부호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다. 본 명세서에 개시된 실시 예를 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 명세서에 개시된 실시 예의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다. 또한, 첨부된 도면은 본 명세서에 개시된 실시 예를 쉽게 이해할 수 있도록 하기 위한 것일 뿐, 첨부된 도면에 의해 본 명세서에 개시된 기술적 사상이 제한되지 않으며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings, wherein like or similar elements are denoted by the same or similar reference numerals, and a duplicate description thereof will be omitted. In the following description of the embodiments of the present invention, a detailed description of related arts will be omitted when it is determined that the gist of the embodiments disclosed herein may be obscured. It is to be understood that both the foregoing general description and the following detailed description are exemplary and explanatory and are intended to provide further explanation of the invention as claimed. , ≪ / RTI > equivalents, and alternatives.

제1, 제2 등과 같이 서수를 포함하는 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되지는 않는다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.Terms including ordinals, such as first, second, etc., may be used to describe various elements, but the elements are not limited to these terms. The terms are used only for the purpose of distinguishing one component from another.

단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. The singular expressions include plural expressions unless the context clearly dictates otherwise.

본 출원에서, "포함한다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
In the present application, the terms "comprises", "having", and the like are used to specify that a feature, a number, a step, an operation, an element, a component, But do not preclude the presence or addition of one or more other features, integers, steps, operations, elements, components, or combinations thereof.

본 발명의 일 실시예에서는 탄소나노튜브 중 다중벽 탄소나노튜브(Multiwalled Carbon Nanotube, 이하 "MWNT"라 한다)를 사용하였으며, MWNT의 고른 분산을 제어하고, 열적 효과를 극대화함과 동시에 연속매체와의 열적 커플링을 높이기 위해 자기조립이 가능한 블록공중합체를 이용하여 MWNT의 분산을 하였다. In one embodiment of the present invention, a multiwalled carbon nanotube (hereinafter referred to as MWNT) is used as a carbon nanotube, and the uniform dispersion of the MWNT is controlled to maximize the thermal effect, MWNT was dispersed using a self-assembling block copolymer to increase the thermal coupling of the MWNT.

즉, 블록공중합체에 의해 고분산된 MWNT는 금속 입자 충전제의 열적 계면접촉을 높여주어 열전달을 용이하게 할 뿐만 아니라, 블록공중합체가 연속매체 기지로서 그대로 이용된다는 장점을 갖는다. 단순히 고분자와 금속을 섞어 만든 열전도성 복합재료가 통상 약 10 W/mK 정도의 열전도율을 보이는 것과 비교하여, 본 발명의 일 실시예에서와 같이 MWNT를 함유한 블록공중합체 고분자와 금속 복합재료는 아주 높은 열전도율을 나타냈을 뿐만 아니라, 다양한 금속 입자 충전제와도 상호작용하여 높은 열전도율(도 8a 참조)을 나타냄을 확인할 수 있었다. That is, the MWNT highly dispersed by the block copolymer enhances the thermal interface contact of the metal particle filler to facilitate heat transfer, and has an advantage that the block copolymer is used as a continuous medium base as it is. In contrast to the thermally conductive composite material obtained by merely mixing a polymer and a metal usually having a thermal conductivity of about 10 W / mK, the block copolymer polymer and the metal composite material containing MWNT as in one embodiment of the present invention are very It was confirmed that not only the high thermal conductivity was shown but also the high thermal conductivity (see FIG. 8A) by interacting with various metal particle fillers.

또한, 핫프레싱을 이용한 복합재료의 제작은 시편 안의 기공을 감소시킬 뿐만 아니라, 충전제들 간의 계면 및 충전제의 열전달을 높여주는 MWNT 간의 열접촉을 높여주는 장점을 갖는다. 본 발명의 일 실시예에서는 다양한 금속과 함께 블록공중합체에 의해 고분산된 MWNT를 이용하는 새로운 열전도성 나노복합체를 제안함으로써, 기존 복합재료의 낮은 열전도율을 획기적으로 높였을 뿐만 아니라, 다양한 산업기반의 방열소재로서 이용되고 다양한 연구에 응용 가능할 것이다. In addition, the production of composite materials by hot pressing has the advantage of not only reducing the pores in the specimen but also enhancing the thermal contact between the MWNT and the interface between the fillers and the heat transfer of the filler. In one embodiment of the present invention, a new thermally conductive nanocomposite using MWNT highly dispersed by a block copolymer together with various metals not only remarkably improves the low thermal conductivity of the existing composite material, It will be used as a material and applicable to various studies.

특히, 본 발명의 일 실시예에서 단일벽 탄소나노튜브나 이중벽 탄소나노튜브를 사용하지 않고, 다중벽 탄소나노튜브를 사용한 것은 다중벽 탄소나노튜브는 단일벽이나 이중벽 탄소나노튜브에 비하여 월등히 가격이 저렴할 뿐만 아니라, 다중벽 탄소나노튜브의 각각의 튜브들이 모두 금속성을 띄고 있기 때문에, 금속성의 열전도 네트워크를 형성함으로써 보다 높은 열전도율을 나타내는 복합체를 제조할 수 있기 때문이다.
Particularly, in an embodiment of the present invention, a multi-walled carbon nanotube is used at a price much higher than that of a single-walled or double-walled carbon nanotube without using single-walled carbon nanotubes or double-walled carbon nanotubes It is not only inexpensive, but also because each of the tubes of the multi-walled carbon nanotubes is metallic, a composite exhibiting a higher thermal conductivity can be manufactured by forming a metallic heat conduction network.

이하에서는 구체적인 실험을 통하여 본 발명에 대하여 설명하기로 한다.
Hereinafter, the present invention will be described with reference to specific experiments.

(1) (One) 블록공중합체Block copolymer 용액 제조 Solution preparation

본 발명의 일 실시예에서는 다중벽 탄소나노튜브를 분산시키는 분산제로서 블록공중합체를 사용한다. 블록공중합체는 마이셀을 형성하지 않아도 된다. 예를 들어, PS-b-PPP 블록공중합체(Polystyrene-block-polyparaphenylene,폴리스타이렌-블록-폴리파라페닐렌)는 마이셀을 형성하지 않으나 탄소나노튜브를 분산시킬 수 있어 본 발명의 일 실시예에서의 복합체에 사용 가능하나, PS-b-PPP 블록공중합체는 가격이 비싸므로 가격이 상대적으로 저렴하면서 마이셀을 형성하는 PS-b-P4VP(Polystyrene-block-Poly-4-vinylpyridine)를 이하 실험에서 사용하였다. 이하 실험에서는 PS 및 P4VP의 분자량이 각각 20,000 gmol-1과 17,000 gmol-1인 PS-b-P4VP 블록공중합체를 사용하였다.In one embodiment of the present invention, a block copolymer is used as a dispersant for dispersing multi-walled carbon nanotubes. The block copolymer does not need to form micelles. For example, PS- b- PPP block copolymer (polystyrene-block-polyparaphenylene) does not form micelles, but it can disperse carbon nanotubes, However, PS- b- PPV block copolymer (PS- b- PPVP) which forms micelles at a relatively low price due to its high price is used in the following experiments Respectively. In the following experiments, PS- b -P4VP block copolymers having molecular weights of PS and P4VP of 20,000 gmol -1 and 17,000 gmol -1 , respectively, were used.

마이셀이 형성되는 블록공중합체 용액을 만들기 위하여 용매로 톨루엔을 이용하였으며, 블록공중합체의 농도는 0.5 wt%로 유지하여 실험하였다. 톨루엔에는 P4VP 블록이 잘 녹지 않기 때문에 온도를 80-90℃로 유지하였고, 2시간 동안 PTFE 자석교반막대를 이용하여 블록공중합체를 용매 안에 잘 녹아들게 하면서 블록공중합체 마이셀로의 형태 변이를 유도하였다.
Toluene was used as a solvent to make a block copolymer solution in which micelle was formed, and the concentration of the block copolymer was maintained at 0.5 wt%. Since the P4VP block did not dissolve well in toluene, the temperature was maintained at 80-90 ° C. and the shape change of the block copolymer micelle was induced while the block copolymer was dissolved in the solvent using a PTFE magnet stir bar for 2 hours .

본 발명의 일 실시예에서 사용 가능한 구체적인 블록공중합체 및 그에 따른 적절한 용매가 매우 다양하며, 이러한 블록공중합체 및 적절한 용매의 선택은 잘 알려진 기술이므로 본 발명의 권리범위는 특정한 블록공중합체 및 용매에 한정되지 않는다.
Because the specific block copolymers and suitable solvents therefor that can be used in one embodiment of the present invention are very diverse, and the selection of such block copolymers and suitable solvents is a well known technique, the scope of the present invention is limited to specific block copolymers and solvents It is not limited.

(2) (2) 블록공중합체에Block copolymer 의한  by MWNTMWNT 분산 Dispersion

PS-b-P4VP 블록공중합체 연속매체의 양에 따른 열적 성질의 변화를 알아보기 위해 MWNT 1 중량부에 대하여 블록공중합체 PS-b-P4VP를 1:2, 1:3, 1:5, 1:7 및 1:10의 다양한 무게 비율로 혼합하였다.In order to investigate the change of the thermal properties depending on the amount of the PS- b -P4VP block copolymer continuous medium, 1 part by weight of the block copolymer PS- b- P4VP was mixed with 1 part by weight of MWNT at a ratio of 1: 2, 1: 3, 1: : 7 and 1:10.

이후, 블록공중합체와 다중벽 탄소나노튜브가 혼재해 있는 용액을 30분 동안 초음파 분해(100W, 40KHz) 처리를 한 후, 블록공중합체가 다중벽 탄소나노튜브 표면에 효과적으로 흡착하여 고분산을 일으키도록 다시 10분 동안 혼소니케이션(Horn sonication, VC 750, Sonic & Materials, Inc. 750W) 처리를 거쳐 다중벽 탄소나노튜브를 분산하였다. 이후 다시 10분 동안 다시 초음파 분해 처리를 통하여 블록공중합체와 MWNT의 분산을 안정화하였다. 도 1은 MWNT를 블록공중합체 마이셀이 분산해주는 메커니즘을 도식화한 것으로서, 블록공중합체 마이셀이 MWNT 사이에서 MWNT가 번들화하지 않고 매질 전체에서 개별적으로 균일하게 분산되도록 해주는 분산제 역할을 하는 것을 보여주고 있다.
Then, after the solution containing the block copolymer and the multi-walled carbon nanotubes were subjected to ultrasonic destruction (100 W, 40 KHz) for 30 minutes, the block copolymer was effectively adsorbed on the surface of the multi-walled carbon nanotubes, (Horn sonication, VC 750, Sonic & Materials, Inc. 750 W) for 10 minutes to disperse the multi-walled carbon nanotubes. After that, the dispersion of the block copolymer and the MWNT was stabilized by ultrasonic treatment again for 10 minutes. Figure 1 is a schematic representation of the mechanism by which block copolymer micelles disperse MWNTs and shows that block copolymer micelles serve as dispersants to allow MWNTs to be uniformly dispersed throughout the medium without being bundled with MWNTs .

(3) (3) 블록공중합체Block copolymer // MWNTMWNT 파우더 제조 Powder manufacturing

PS-b-P4VP 블록공중합체 마이셀에 의해 분산된 MWNT를 이용한 고열전도성 나노복합체를 만들기 위한 준비 단계로, 탄소나노튜브가 분산된 용액의 용매인 톨루엔을 없애 주기 위하여 진공필터링(vacuum filtering)을 하였다. 기공 사이즈가 200 nm이고 직경이 47 mm인 PTFE 멤브레인 필터를 이용하여 탄소나노튜브 분산 용액의 용매를 걸러주었다. 30 g의 용액을 2일 동안 진공 필터링을 해주어, PS-b-P4VP/MWNT 매트(mat)를 얻게 되는데, 이 매트는 금속 충전제와 함께 연속매체인 기지로서 이용된다.PS- b -P4VP block copolymer In preparation for the preparation of a highly thermally conductive nanocomposite using MWNT dispersed by micelle, vacuum filtering was performed to remove toluene, which is a solvent of a carbon nanotube-dispersed solution . The solvent of the carbon nanotube dispersion solution was filtered using a PTFE membrane filter having a pore size of 200 nm and a diameter of 47 mm. 30 g of the solution is subjected to vacuum filtration for 2 days to obtain a PS- b -P4VP / MWNT mat, which is used as a base for continuous media with metal filler.

진공필터링(Vacuum filtering)을 통하여 PS-b-P4VP/MWNT 매트를 얻은 후에, 잔여 톨루엔을 제거하기 위하여 1시간 동안 진공건조(vacuum drying)를 더 해주었다. 그리고 막자사발을 이용하여 상기 PS-b-P4VP/MWNT 매트를 마이크로 사이즈의 고운 파우더 입자가 얻어질 때까지 분쇄하였다. 상기 과정을 통하여 PS-b-P4VP/MWNT 파우더를 제조할 수 있었으며, 다음 단계에서 설명하는 것과 같이 금속 마이크로입자와 혼합하여 나노복합체를 제조하였다. 즉, 블록공중합체/MWNT의 매트(시트 형상을 의미)를 먼저 제조한 후, 상기 매트를 분쇄하여 파우더를 제조하였다.
After PS- b -P4VP / MWNT mat was obtained by vacuum filtering, vacuum drying was performed for 1 hour to remove residual toluene. The PS- b- P4VP / MWNT mat was pulverized using a mortar bowl until micro-sized fine powder particles were obtained. Through the above process, PS- b- P4VP / MWNT powder was prepared and mixed with metal microparticles as described in the next step to prepare a nanocomposite. That is, a mat (sheet shape means) of a block copolymer / MWNT was first prepared, and then the mat was pulverized to prepare a powder.

(4) (4) 블록공중합체Block copolymer // MWNTMWNT /금속의 복합체 제조/ Composite of metals

(4-1) (4-1) 핫프레싱(Hot Pressing)을Hot Pressing 통한  through 블록공중합체Block copolymer // MWNTMWNT /금속의 복합체 제조/ Composite of metals

PS-b-P4VP/MWNT/금속 시편을 제작하기 위하여 핫프레싱(Hot pressing)을 수행하였다. 핫프레싱 외에도 고분자 복합재료를 성형하는 방법이 매우 다양한데, 예를 들어, 오토클레이브 성형법, 압축성형법, 오픈몰드 성형법 및 RTM 성형법 등이 있으나, 본 발명의 일 실시예에 따른 실험에서는 핫프레싱을 사용하였다.PS- b- P4VP / MWNT / Hot pressing was performed to fabricate the metal specimen. In addition to hot pressing, there are a wide variety of methods for forming polymer composite materials, such as autoclave molding, compression molding, open mold molding, and RTM molding, but in the experiment according to one embodiment of the present invention, hot pressing was used .

PS-b-P4VP/MWNT 파우더와 함께 1~3 ㎛ 사이즈의 알루미늄, 1~2 ㎛ 사이즈의 구리 또는 2~3.5 ㎛ 사이즈의 은 금속 충전제를 10, 20, 30, 40, 50, 70 부피%의 다양한 비율로 열전도성 탄소나노튜브-금속 나노복합체 시편을 제조하였다. 상기 부피%는 PS-b-P4VP/MWNT 파우더와 금속의 총 부피 100% 중 금속이 10 내지 70 부피%로 혼합되며, PS-b-P4VP/MWNT 파우더가 나머지 30 내지 90 부피%로 혼합되는 것을 의미한다.The PS- b -P4VP / MWNT 1 ~ 3 ㎛ size with the aluminum powder, 1 ~ 2 ㎛ of copper or a 2 ~ 3.5 ㎛ size of the size of the metallic filler is 10, 20, 30, 40, 50 and 70% by volume Thermally conductive carbon nanotube - metal nanocomposite specimens were prepared at various ratios. The volume percent of PS- b -P4VP / MWNT powder and 100% of the total volume of metal is mixed with 10-70% by volume of metal and the remaining 30-90% by volume of PS- b -P4VP / MWNT powder it means.

직경 12.7 mm로 디자인된 스테인리스 프레싱 몰드를 이용하여 160℃에서 비교적 낮은 압력인 5 MPa의 압력으로 1시간 동안 핫프레싱을 실시한 후, 상온에서 냉각하였다. 핫프레싱을 통하여 시편 안에 있는 기공을 줄여줄 수 있을 뿐만 아니라 충전제들 계면 간의, 그리고 충전제와 MWNT와의 열적 접촉을 높여주어 열전도율이 높아질 수 있도록 해주었다.
Hot pressing was performed for 1 hour at a relatively low pressure of 5 MPa at 160 DEG C using a stainless steel pressing mold having a diameter of 12.7 mm and then cooled at room temperature. Hot-pressing can reduce the pores in the specimen as well as increase the thermal conductivity between the fillers and the interface and between the filler and the MWNT.

(4-2) 폴리싱( (4-2) Polishing ( PolishingPolishing ))

핫프레싱을 통하여 만들어진 시편은 제논플래시(Xenon Flash)를 이용한 열적 특성 측정을 위하여 규격에 맞게 폴리싱(polishing)을 하였다. 직경 12.7 mm, 두께 2 mm가 될 수 있도록 디자인된 스테인리스 폴리싱 몰드를 이용하여 폴리싱 과정을 수행하였다. 규격에 맞는 시편으로 무게와 부피를 측정하고, 추후 열전도율을 계산하기 위하여 밀도를 계산하였다.The specimens prepared by hot pressing were polished according to the standard for thermal properties measurement using Xenon Flash. The polishing process was performed using a stainless steel polishing mold designed to be 12.7 mm in diameter and 2 mm in thickness. Weights and volumes were measured with specimens that conformed to the specification, and the density was calculated to calculate the thermal conductivity.

전술한 단계들을 통해 제조된 중간 과정의 샘플 및 최종 샘플인 블록공중합체/MWNT/금속의 복합체의 물성을 다음과 같이 실험하였다.
The physical properties of the intermediate process sample and final sample block copolymer / MWNT / metal composite prepared through the above steps were tested as follows.

<실험결과><Experimental Results>

실험예Experimental Example 1 :  One : 블록공중합체에Block copolymer 의한  by MWNTMWNT 의 분산 확인 실험Dispersion confirmation experiment

도 2a 및 2b는 각각 톨루엔 용매 내에서 PS-b-P4VP 마이셀에 의하여 MWNT가 분산된 상태를 측정한 SEM 이미지 및 TEM 이미지이다. 실험에서 용액 내의 블록공중합체 대 MWNT의 함량은 5 :1의 중량비로 하였다. FIGS. 2A and 2B are SEM images and TEM images of MWNT dispersed by PS- b- P4VP micelles in a toluene solvent, respectively. In the experiment, the content of block copolymer to MWNT in the solution was adjusted to a weight ratio of 5: 1.

도 2a는 블록공중합체의 탄소나노튜브 분산성을 알아보기 위하여 Si 기판 위에 1000 rpm으로 60초간 스핀코팅한 SEM 이미지이다. MWNT는 블록공중합체인 PS-b-P4VP 마이셀에 의하여 고분산되어 있으며 마이셀들은 탄소나노튜브 표면에 흡착하여 분산성과 안정성을 주고 있음을 확인할 수 있었다.2A is a SEM image of a block copolymer spin-coated on a Si substrate at 1000 rpm for 60 seconds in order to examine the dispersibility of carbon nanotubes. MWNT was highly dispersed by PS- b -P4VP micelle, which is a block copolymer, and micelles were adsorbed on the surface of carbon nanotubes and showed dispersibility and stability.

도 2b의 TEM 이미지와 같이, 블록공중합체 마이셀들이 MWNT 주위를 둘러싸면서 표면에 흡착되어 있는 것을 확인할 수 있었다. 이는 블록공중합체들이 자기조립 거동을 보이면서 마이셀을 형성하고 번들을 방지하면서 MWNT를 안정되게 분산함을 보이는 것이다. 고분산된 탄소나노튜브는 다발이 아닌 개별적인 튜브로서 안정되어 있으므로 탄소나노튜브의 고유의 특성을 발휘할 수 있고, 또한 블록공중합체 마이셀로 인하여 분산 안정성이 다른 계면활성제에 비해 우수함을 알 수 있었다.
As shown in the TEM image of FIG. 2B, it was confirmed that the block copolymer micelles were adsorbed on the surface while surrounding the MWNTs. This shows that the block copolymers stably disperse MWNT while forming self-assembly behavior and forming micelles and preventing bundling. It was found that the highly dispersed carbon nanotubes are stable as individual tubes rather than bundles, so that they can exhibit the inherent characteristics of carbon nanotubes. Furthermore, the dispersion stability of the block copolymer micelles is superior to those of other surfactants.

실험예Experimental Example 2 :  2 : PSPS -- bb -- P4VPP4VP // MWNTMWNT 매트 및 파우더 물성 측정 실험 Measurement of physical properties of mat and powder

도 3a는 PS-b-P4VP/MWNT 매트의 사진이며, 도 3b는 PS-b-P4VP/MWNT 파우더를 다시 톨루엔에 용해시킨 경우에 MWNT가 PS-b-P4VP의 마이셀에 의해 재분산되는 것을 보여주는 SEM 이미지이며, 도 3c 및 3d는 각각 PS-b-P4VP/MWNT 매트의 표면 및 단면 SEM 이미지이며, 도 3e 및 도 3f는 PS-b-P4VP/MWNT 파우더의 SEM 이미지이다.3A is a photograph of a PS- b- P4VP / MWNT mat, and Fig. 3b shows that MWNT is redispersed by micelles of PS- b -P4VP when PS- b -P4VP / MWNT powder is again dissolved in toluene 3C and 3D are surface and cross-sectional SEM images of the PS- b -P4VP / MWNT mat, respectively, and Figs. 3e and 3f are SEM images of the PS- b -P4VP / MWNT powder.

실험예 1과 동일하게 PS-b-P4VP 대 MWNT가 5 :1의 중량비로 혼합된 톨루엔 용액을 진공필터링 과정을 통하여 얻은 PS-b-P4VP/MWNT 매트의 이미지는 도3a와 같다. 진공건조를 더 거쳐 잔여 톨루엔 용매를 없애준 이후 막자사발을 이용하여 파우더를 제조하였다. 마이크로 사이즈의 고운 입자를 얻기 위하여 충분히 갈아주어야 하며, 파우더의 사이즈는 도 3e를 통하여 알 수 있었다. 제조된 PS-b-P4VP/MWNT 파우더의 크기는 10~50 ㎛였다. 이렇게 제조된 파우더 내에서도 용액 내에서 블록공중합체가 보여주었던 분산 안정성으로 인하여 MWNT가 번들화되지 않고 개별적인 튜브형태로 존재함을 도 3f를 통하여 확인할 수 있었다. 블록공중합체는 MWNT 표면에 흡착하여 분산성을 높여줄 뿐만 아니라, 고분자 그 자체로 연속매체 기지가 될 수 있음을 알 수 있었고, 파우더로 제조한 후 다시 톨루엔 용매에 재분산을 하여도 다시 블록공중합체의 특성인 자기조립 거동을 보이며 마이셀 형태로 돌아감을 도 3b를 통하여 알 수 있었다. 톨루엔 무극성 용매에 기존의 농도와 같은 0.5 wt%로 재분산된 파우더는 처음 블록공중합체를 이용한 탄소나노튜브의 분산 용액과 같은 현상을 보이며 MWNT에 흡착되어 튜브들을 개별적으로 안정하게 분산시킴을 알 수 있었다. 도 3c와 도 3d는 제조된 PS-b-P4VP/MWNT 매트의 표면과 단면 SEM 이미지이며, 이를 통하여 용액 공정을 통하여 생성된 자기조립형 블록공중합체와 탄소나노튜브가 진공 필터링을 통하여 용매를 제거함에도 불구하고 분산성과 그 형태를 유지함을 알 수 있었다.
An image of the PS- b- P4VP / MWNT mat obtained through the vacuum filtering process of the toluene solution mixed with PS- b- P4VP to MWNT in a weight ratio of 5: 1 is shown in Fig. After removing the remaining toluene solvent by vacuum drying, the powder was prepared using a mortar. It is necessary to change enough to obtain micro-sized fine particles, and the size of the powder can be found from FIG. 3E. The size of PS- b- P4VP / MWNT powder was 10 ~ 50 ㎛. 3F shows that the MWNT is present in the form of a separate tube without bundling due to the dispersion stability of the block copolymer in the solution thus prepared. The block copolymer adsorbed on the surface of MWNT not only improves the dispersibility but also can be used as a continuous medium base by the polymer itself. Even if the polymer is redispersed in a toluene solvent after being made into a powder, Figure 3b shows the self-assembling behavior of the coalescence and return to the micellar form. The toluene nonpolar solvent redistributed at the same concentration as 0.5 wt% shows the same phenomenon as the dispersion solution of the carbon nanotubes using the block copolymer for the first time and adsorbed on the MWNT to disperse the tubes individually and stably. there was. FIGS. 3c and 3d are the surface and cross-sectional SEM images of the prepared PS- b -P4VP / MWNT mat, wherein the self-assembled block copolymer and carbon nanotubes generated through the solution process are removed by vacuum filtration It is found that the dispersion and the shape are maintained.

실험예Experimental Example 3 :  3: PSPS -- bb -- P4VPP4VP // MWNTMWNT 복합체의 열적 특성 측정 실험 Experiment to measure thermal properties of composite

실험예 2에서는 PS-b-P4VP/MWNT 파우더의 물성을 실험하였으나, 실험예 3에서는 상기 파우더를 핫프레싱으로 제조한 PS-b-P4VP/MWNT 복합체의 물성을 실험하였다.In Experimental Example 2, the physical properties of the PS- b -P4VP / MWNT powder were tested. In Experimental Example 3, the physical properties of the PS- b -P4VP / MWNT composite prepared by hot pressing the powder were examined.

도 4a 및 4b는 다양한 함량비의 PS-b-P4VP/MWNT 복합체의 열확산도(diffusivity) 및 열전도도(conductivity)를 측정한 결과이며, 도 4c 및 4d는 PS-b-P4VP/MWNT(함량비 5:1) 복합체의 SEM 이미지이다.4a and 4b show the results of measurement of the diffusivity and the thermal conductivity of the PS- b -P4VP / MWNT composite of various content ratios, and Figs. 4c and 4d show the results of PS- b -P4VP / MWNT 5: 1) SEM image of the composite.

PS-b-P4VP/MWNT 파우더를 제조한 후, 금속 입자를 넣지 않고 상기 파우더 자체를 핫프레싱 공정을 통하여 열전도성 PS-b-P4VP/MWNT의 나노복합체를 제작하였다. 열전도성 나노복합체의 시편 크기는 직경 12.7 mm, 두께 2 mm의 크기로 폴리싱을 한 후 무게를 측정하여 밀도를 측정했다. 그리고 제논 플래쉬(Xenon Flash) 비교법을 통하여 열용량(Cp, Heat Capacity)을 도출해 냈다. 각각 얻어진 값들은 표 1과 같으며, 블록공중합체의 비율이 높아질수록 밀도가 낮아지는 경향을 보였다. 반면에 PS-b-P4VP 함량이 높아질수록 Cp는 커지는 것을 알 수 있었다. 도 4a에서 보듯이 측정된 열확산도, 밀도, 비열의 곱으로 각 시편의 열전도도를 구할 수 있었으며, 고분자의 비율이 높아질수록 열적 커플링(thermal coupling)의 문제인 고분자 기지와 충전제 사이의 계면 접촉 저항으로 인하여 도 4b와 같이 낮은 열전도도를 보였다. 탄소나노튜브 고유의 높은 열전도도에도 불구하고 열전도도가 예상보다 작은 값을 보인 이유는 계면과 충전제 사이의 열적 커플링이 좋지 않고, 포논의 이동이 자유롭지 않아 상당히 작은 값을 나타내게 되었기 때문이다. 또한, 도 4c 및 4d에서 알 수 있듯이 MWNT는 블록공중합체 기지에서 번들화되지 않고 개별적으로 분산되어 있으며 이는 고분산된 탄소나노튜브의 계면 접촉이 많아지지 않아 오히려 열전도도가 떨어지게 되는 원인이 된 것으로 해석된다.After PS- b- P4VP / MWNT powder was prepared, thermally conductive PS- b- P4VP / MWNT nanocomposites were prepared by hot pressing the powder itself without adding metal particles. The specimen size of the thermally conductive nanocomposite was polished to a size of 12.7 mm in diameter and 2 mm in thickness, and the density was measured by weighing. The heat capacity (Cp, Heat Capacity) was derived from the Xenon Flash comparison method. The values obtained are shown in Table 1, and the density tends to decrease as the proportion of the block copolymer increases. On the other hand, the higher the content of PS- b -P4VP, the larger the Cp. As shown in FIG. 4A, the thermal conductivity of each specimen was determined by the product of the measured thermal diffusivity, density and specific heat. As the ratio of the polymer increases, the thermal contact resistance between the polymer matrix and the filler 4B. As shown in FIG. In spite of the inherent high thermal conductivity of carbon nanotubes, the reason why the thermal conductivity is smaller than expected is that the thermal coupling between the interface and the filler is not good and the phonon migration is not free, resulting in a very small value. 4C and 4D, the MWNTs are not bundled at the block copolymer base but are individually dispersed. This is because the interfacial contact of the highly dispersed carbon nanotubes is not increased and the thermal conductivity is lowered. Is interpreted.

MWNT/PS-b-P4VP specimenMWNT / PS- b -P4VP specimen 밀도(g/cm3)Density (g / cm 3) Cp(J/gK)Cp (J / gK) 1:21: 2 1.1991.199 1.0411.041 1:31: 3 1.1761.176 1.0491.049 1:51: 5 1.1281.128 1.0981.098 1:71: 7 1.0831.083 1.1251.125 1:101:10 1.0891.089 1.1181.118

실험예Experimental Example 4 :.  4 :. PSPS -- bb -- P4VPP4VP // MWNTMWNT // AlAl 시편의 열적 특성 Thermal properties of specimen

도 5a 및 5b는 PS-b-P4VP/MWNT(함량비 5:1) 파우더에 다양한 부피비(10, 30, 50, 70 vol%)의 알루미늄을 포함하는 PS-b-P4VP/MWNT/Al 복합체의 열확산도 및 열전도도 그래프이며, 5c 및 5d는 PS-b-P4VP/MWNT/Al 복합체(Al의 함량이 30 부피%) 샘플의 SEM 이미지이다.Figures 5a and 5b show a PS- b- P4VP / MWNT / Al composite with various volume ratios (10, 30, 50, 70 vol%) aluminum in PS- b -P4VP / MWNT (5: And 5c and 5d are SEM images of PS- b- P4VP / MWNT / Al composite (content of Al is 30% by volume) sample.

실험예 3의 결과와 같이 PS-b-P4VP/MWNT만의 복합체의 낮은 열전도도로 말미암아 비교적 높은 열전도율과 낮은 가격, 낮은 밀도를 갖는 알루미늄을 이용해서 블록공중합체/MWNT/금속 나노복합체를 제조하였다. 알루미늄의 밀도는 2.70 g/cm3로 표 2와 같이 70 vol%의 알루미늄의 시편임에도 불구하고 낮은 밀도인 1.916 g/cm3를 나타냈다. 1:5의 비율을 갖는 MWNT/PS-b-P4VP 파우더를 고분자 연속매체 기지로 이용하였는데, 그 이유로는 공정상의 수율이 다른 비율을 갖는 MWNT/PS-b-P4VP보다 현저히 좋을 뿐만 아니라, PS-b-P4VP의 비율이 이보다 낮아지면 분산성이나 안정성 면에서 떨어지기 때문이다. As a result of Experimental Example 3, a block copolymer / MWNT / metal nanocomposite was prepared by using aluminum having relatively high thermal conductivity, low cost and low density due to low thermal conductivity of PS- b- P4VP / MWNT complex. The density of aluminum is 2.70 g / cm 3 , which is 1.916 g / cm 3 , which is a low density even though it is a 70 vol% aluminum specimen as shown in Table 2. The MWNT / PS- b -P4VP powder with a ratio of 1: 5 was used as the polymer continuous media base because its process yield was significantly better than that of MWNT / PS- b -P4VP with different ratios, If the ratio of b -P4VP is lower than this, it is deteriorated in dispersibility and stability.

1:5 MWNT/PS-b-P4VP/Al1: 5 MWNT / PS-b-P4VP / Al Density(g/cm3)Density (g / cm 3 ) Cp(J/gK)Cp (J / gK) 10 vol% Al10 vol% Al 1.1881.188 1.0831.083 30 vol% Al30 vol% Al 1.4931.493 1.0161.016 50 vol% Al50 vol% Al 1.8001.800 1.0631.063 70 vol% Al70 vol% Al 1.9161.916 1.0961.096

도 5a 및 5b와 같이 PS-b-P4VP/MWNT/Al 시편의 최대 열전도도는 16.900 W/mK이며, 도 5c 및 5d와 같이 연속매체인 PS-b-P4VP/MWNT 파우더는 1~3 ㎛ 사이즈의 알루미늄 금속 입자 사이의 포논 이동경로를 높이고, 포인트 열접촉점(point thermal contact) 수를 증가시켜 저항의 병렬연결 현상을 나타냈다.
As shown in FIGS. 5A and 5B, the maximum thermal conductivity of the PS- b -P4VP / MWNT / Al specimen is 16.900 W / mK and the PS- b -P4VP / MWNT powder, The number of point thermal contacts was increased to increase the phonon movement path between the aluminum metal particles.

실험예Experimental Example 5 :  5: PSPS -- bb -- P4VPP4VP // MWNTMWNT // CuCu 시편의 열적 특성 Thermal properties of specimen

도 6a 및 6b는 PS-b-P4VP/MWNT(함량비 5:1) 파우더에 다양한 부피비(10, 30, 50, 70 vol%)의 구리를 포함하는 PS-b-P4VP/MWNT/Cu 복합체의 열확산도 및 열전도도 그래프이며, 도 6c 및 6d는 PS-b-P4VP/MWNT/Cu 복합체(Cu의 함량이 30 부피%) 샘플의 SEM 이미지이다.Figures 6a and 6b are PS- b -P4VP / MWNT: the PS- b -P4VP / MWNT / Cu composite material comprising a copper (content ratio 51) different volume ratio of the powder (10, 30, 50, 70 vol%) 6C and 6D are SEM images of PS- b- P4VP / MWNT / Cu composite (content of Cu of 30% by volume) sample.

PS-b-P4VP/MWNT/Al 시편의 낮은 열전도율과 기계적 물성으로 인하여, 실험예 5에서는 금속 충전제 중 높은 열전도율을 보이는 1~2 ㎛ 사이즈의 구리입자를 이용하여 PS-b-P4VP/MWNT 파우더와 함께 핫프레싱하여 PS-b-P4VP/MWNT/Cu 복합체 시편을 제조하였다. 표 3과 같이, 구리의 높은 밀도로 인하여 구리의 부피 비가 높아질수록 밀도는 상승하였으며, 반면에 비열은 점차 떨어지는 경향을 나타내었다. 블록공중합체에 의하여 고분산되고 안정화된 MWNT는 구리의 표면에 효과적으로 흡착하여 포인트 열접촉점의 수를 증가시켰을 뿐만 아니라 구리와 효과적으로 열적 커플링을 일으켜 종래에 볼 수 없었던 고분자/금속 복합재료의 높은 열전도율을 나타내었다. 도 6a 및 6b와 같이, 구리와 함께 만든 PS-b-P4VP/MWNT/Cu 시편은 최대 48.901 W/mK의 열전도율을 보였으며 도 6c 및 6d의 SEM 이미지에서 관찰할 수 있듯이 고분산된 MWNT들이 포논의 이동 경로를 증가시켜 효과적으로 열전도도를 높였음을 알 수 있었다.Due to the low thermal conductivity and mechanical properties of the PS- b -P4VP / MWNT / Al specimens, in Experimental Example 5, copper particles having a high thermal conductivity of 1 ~ 2 탆 among the metal fillers were used and PS- b -P4VP / MWNT powder PS- b- P4VP / MWNT / Cu composite specimens were prepared by hot pressing together. As shown in Table 3, as the volume ratio of copper increased due to the high density of copper, the density increased, while the specific heat tended to decrease gradually. The highly dispersed and stabilized MWNTs by block copolymers effectively adsorbed on the surface of the copper to increase the number of point thermal contacts and also effectively lead to thermal coupling with the copper, resulting in a high thermal conductivity of the polymer / metal composite Respectively. As shown in FIGS. 6A and 6B, the PS- b -P4VP / MWNT / Cu specimen made with copper exhibited a maximum thermal conductivity of 48.901 W / mK. As can be seen from the SEM images of FIGS. 6C and 6D, It was found that the heat transfer efficiency was increased effectively by increasing the travel path of the heat transfer path.

1:5 MWNT/PS-b-P4VP/Cu1: 5 MWNT / PS-b-P4VP / Cu Density(g/cm3)Density (g / cm 3 ) Cp(J/gK)Cp (J / gK) 10 vol% Cu10 vol% Cu 1.9071.907 0.9040.904 30 vol% Cu30 vol% Cu 3.4403.440 0.5310.531 50 vol% Cu50 vol% Cu 4.6154.615 0.4740.474 70 vol% Cu70 vol% Cu 5.4385.438 0.4390.439

실험예Experimental Example 6 :  6: PSPS -- bb -- P4VPP4VP // MWNTMWNT // AgAg 시편의 열적 특성 Thermal properties of specimen

도 7a 및 7b는 PS-b-P4VP/MWNT(함량비 5:1) 파우더에 다양한 부피비(10, 20, 30, 40, 50, 70 vol%)의 은을 포함하는 PS-b-P4VP/MWNT/Ag 복합체의 열확산도 및 열전도도 그래프이며, 도 7c 및 7d는 PS-b-P4VP/MWNT/Ag 복합체(Ag의 함량이 30 부피%) 샘플의 SEM 이미지이다.Figures 7a and 7b show PS- b- P4VP / MWNTs containing silver in various volume ratios (10, 20, 30, 40, 50, 70 vol%) in PS- b -P4VP / MWNT / Ag composite, and Figs. 7c and 7d are SEM images of PS- b- P4VP / MWNT / Ag composite (Ag content of 30 vol%) samples.

PS-b-P4VP/MWNT 파우더와 함께 열전도도가 가장 높은 금속인 은과 함께 시편을 제작하였다. 표 4에서 알 수 있듯이 은의 부피비가 높아질수록 시편의 밀도는 높아지며 반면에 비열은 떨어짐을 알 수 있었다. 자기조립형 블록공중합체를 이용한 탄소나노튜브-은(2-3.5 ㎛) 나노복합체는 지금껏 볼 수 없었던 높은 열전도도를 나타내는데 최대 122.806 W/mK의 열전도율을 보였다. 도 7a 및 7b와 같이, 고분산된 탄소나노튜브가 시편의 열확산도와 열전도도를 획기적으로 높이며, 도 7c 및 7d의 SEM 이미지에서 관찰할 수 있듯이, 개별적으로 고분산된 탄소나노튜브는 은 금속 충전제인 은의 열적 접촉점(thermal contact)의 수를 높여줄 뿐만 아니라, 열적 커플링이 안정돼 포논 이동이 수월해져 높은 열전도율을 나타냈다. 은 금속 충전제와 고분자 기지 안에 분산된 MWNT의 효과로 은 충전제의 계면에서뿐만 아니라 은 충전제와 탄소나노튜브 계면 사이에서 포논 이동이 열적 커플링 문제없이 일어나 아주 높은 열전도도를 나타내게 된 것으로 해석된다.PS- b -P4VP / MWNT Powder and specimen were made with silver which is the highest thermal conductivity metal. As can be seen in Table 4, the higher the volume ratio of silver, the higher the density of the specimen, while the specific heat decreases. Carbon nanotube - silver (2-3.5 ㎛) nanocomposites using self - assembled block copolymers exhibited high thermal conductivity, which was not seen before, with a maximum thermal conductivity of 122.806 W / mK. As shown in FIGS. 7A and 7B, the highly dispersed carbon nanotubes drastically increase the thermal diffusivity and thermal conductivity of the specimen. As can be seen from the SEM image of FIGS. 7C and 7D, Not only the number of thermal contacts of phosphorus is increased but also the thermal coupling is stable and the phonon movement is facilitated and the thermal conductivity is high. It is interpreted that the phonon movement between the silver filler and the carbon nanotube interface occurs not only at the interface of the silver filler but also at the interface between the metal filler and the MWNT dispersed in the polymer matrix, without thermal coupling problems, resulting in a very high thermal conductivity.

1:5 MWNT/PS-b-P4VP/Ag1: 5 MWNT / PS-b-P4VP / Ag Density(g/cm3)Density (g / cm 3 ) Cp(J/gK)Cp (J / gK) 10 vol% Ag10 vol% Ag 2.0002.000 0.7140.714 20 Vol% Ag20 Vol% Ag 2.9852.985 0.5250.525 30 vol% Ag30 vol% Ag 3.7023.702 0.4700.470 40 vol% Ag40 vol% Ag 4.2364.236 0.3690.369 50 vol% Ag50 vol% Ag 5.1945.194 0.3540.354 70 vol% Ag70 vol% Ag 6.6346.634 0.3200.320

전술한 PS-b-P4VP/MWNT/금속의 복합체의 실험 결과를 요약하면, 도 8a와 같다. 도 8a는 1:5 함량비의 MWNT : PS-b-P4VP 파우더에 다양한 부피비의 알루미늄, 구리, 은을 포함하는 본 발명의 복합체와, 비교예로서 에폭시에 은이 다양한 부피비로 포함된 소재의 열전도도를 측정한 결과이다.The experimental results of the above-mentioned PS- b- P4VP / MWNT / metal complex are summarized in FIG. 8A. Figure 8a shows the composite of the present invention comprising various volume ratios of aluminum, copper and silver to MWNT: PS- b -P4VP powder with a 1: 5 content ratio, and the thermal conductivity of the material containing silver in various volume ratios .

도 8a와 같이, MWNT/PS-b-P4VP/Ag의 시편이 가장 높은 열전도도를 나타내었으며, 또한 나노사이즈의 은 금속 충전제보다 마이크로 사이즈의 은 금속 충전제가 더 좋은 열전도도를 나타냈다. 이는 나노 사이즈의 금속 입자는 공기 중에서 패시베이션(passivation) 되어 마이크로 사이즈의 은보다 더 적은 열전도도를 나타내었고, 또한 나노 크기의 은의 높은 벌크밀도로 인하여 시편 안에 많은 기공이 생길 확률로 인하여 더 떨어진 열전도율을 나타내게 된 것이다. As shown in FIG. 8A, the MWNT / PS- b- P4VP / Ag specimen showed the highest thermal conductivity, and the micro-sized silver metal filler exhibited better thermal conductivity than the nano-sized silver metal filler. This is because nano-sized metal particles are passivated in air and exhibit less thermal conductivity than micro-sized silver, and the high bulk density of nano-sized silver also results in a higher thermal conductivity due to the probability of large pores in the specimen "

도 8b는 본 발명의 PS-b-P4VP/MWNT/Ag 복합체에서의 내부 구조를 설명하기 위한 도면이다. 전술한 바와 같이 MWNT는 충전제 사이 및 고분자 기지 안에서의 포논 이동을 도와주는 역할을 할 뿐만 아니라, 은 금속 충전제 계면 간의 열적 접촉을 높여주는 역할을 하여 포논 이동을 촉진하며, 일종의 저항 병렬연결 현상으로서 열저항이 떨어지는 효과를 일으키게 된다. 8B is a view for explaining the internal structure of the PS- b- P4VP / MWNT / Ag composite of the present invention. As described above, MWNT not only helps phonon movement between fillers and polymer matrix but also enhances thermal contact between silver metal filler interfaces to promote phonon migration and to enhance phonon migration as a kind of resistance parallel connection phenomenon. The resistance is reduced.

또한, 은 금속 충전제들 사이에서는 자유전자에 의한 열전도가 일어나는 것을 알 수 있다. 블록공중합체인 PS-b-P4VP는 MWNT의 분산을 도와주고 안정성을 높여주어 MWNT가 개별적으로 분산을 유지할 수 있도록 도와주며, 다른 고분자 기지의 첨가 없이 블록공중합체만으로도 연속매체 기지가 될 수 있으므로, 열전도성 고분자 복합재료를 제작할 수 있다. 이렇듯 자기조립형 블록공중합체를 이용한 MWNT의 분산과 이를 이용한 본 발명의 블록공중합체/MWNT/금속 나노복합체는 매우 우수한 열전도도를 나타내어 방열 소재로서 다양한 분야에 적용 가능함을 알 수 있었다.
Further, it can be seen that heat conduction by free electrons occurs between silver metal fillers. PS- b -P4VP, which is a block copolymer, assists dispersion of MWNTs and improves stability, so that MWNTs can be individually dispersed and can be a continuous medium base even if only a block copolymer is added without adding another polymer matrix. A polymer composite material can be produced. The dispersion of MWNT using the self-assembled block copolymer and the block copolymer / MWNT / metal nanocomposite of the present invention using the self-assembled block copolymer exhibit excellent thermal conductivity and can be applied to various fields as a heat dissipation material.

본 발명은 본 발명의 정신 및 필수적 특징을 벗어나지 않는 범위에서 다른 특정한 형태로 구체화될 수 있음은 당업자에게 자명하다. 따라서, 상기의 상세한 설명은 모든 면에서 제한적으로 해석되어서는 아니되고 예시적인 것으로 고려되어야 한다. 본 발명의 범위는 첨부된 청구항의 합리적 해석에 의해 결정되어야 하고, 본 발명의 등가적 범위 내에서의 모든 변경은 본 발명의 범위에 포함된다.It will be apparent to those skilled in the art that the present invention may be embodied in other specific forms without departing from the spirit or essential characteristics thereof. Accordingly, the above description should not be construed in a limiting sense in all respects and should be considered illustrative. The scope of the present invention should be determined by rational interpretation of the appended claims, and all changes within the scope of equivalents of the present invention are included in the scope of the present invention.

Claims (15)

블록공중합체 및 MWNT(Multi-Walled Carbon Nanotube, 다중벽 탄소나노튜브)를 포함하여 이루어지는 파우더; 및
금속을 포함하여 이루어지고,
상기 파우더는 MWNT 1 중량부에 대하여 블록공중합체는 2 ~ 10 중량부로 혼합되고, 상기 파우더 대 금속 입자는 부피%로, 30 ~ 90 부피% : 10 ~ 70 부피%의 비율로 혼합되는 블록공중합체/MWNT/금속 복합체.
A block copolymer and a multi-walled carbon nanotube (MWNT); And
Comprising a metal,
Wherein the powder is mixed with 2 to 10 parts by weight of a block copolymer with respect to 1 part by weight of MWNT and the powder to metal particles are mixed with a volume ratio of 30 to 90% by volume and 10 to 70% by volume, / MWNT / metal complex.
삭제delete 삭제delete 삭제delete 제1항에 있어서,
상기 블록공중합체는 마이셀을 형성하는 블록공중합체인 것을 특징으로 하는 블록공중합체/MWNT/금속 복합체.
The method according to claim 1,
The block copolymer / MWNT / metal complex according to claim 1, wherein the block copolymer is a block copolymer forming micelles.
제1항에 있어서,
상기 금속은 구리, 은 및 알루미늄 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 블록공중합체/MWNT/금속 복합체.
The method according to claim 1,
Wherein the metal is one of copper, silver and aluminum. &Lt; RTI ID = 0.0 &gt; 18. &lt; / RTI &gt;
(a) 블록공중합체, MWNT 및 용매를 포함하는 혼합용액을 제조하는 단계;
(b) 상기 혼합용액으로부터 용매를 제거하고, 블록공중합체/MWNT를 포함하는 파우더를 제조하는 단계; 및
(c) 상기 파우더에 금속 입자를 혼합한 후 가공하여 블록공중합체/MWNT/금속의 복합체를 제조하는 단계를 포함하여 이루어지고,
상기 (a) 단계에서, 상기 MWNT 1 중량부에 대하여 블록공중합체는 2 내지 10 중량부로 혼합되고,
상기 (c) 단계에서 상기 파우더 대 금속 입자는 부피%로 30 ~ 90 부피% : 10 ~ 70 부피%의 비율로 혼합된 후 가열하여 복합체로 제조되는 것을 특징으로 하는 블록공중합체/MWNT/금속 복합체의 제조방법.
(a) preparing a mixed solution comprising a block copolymer, MWNT, and a solvent;
(b) removing the solvent from the mixed solution to prepare a powder containing the block copolymer / MWNT; And
(c) mixing metal particles with the powder and then processing the mixture to prepare a block copolymer / MWNT / metal composite,
In the step (a), 2 to 10 parts by weight of a block copolymer is mixed with 1 part by weight of the MWNT,
In the step (c), the powder-metal particles are mixed in a volume ratio of 30 to 90 vol%: 10 to 70 volume% and then heated to produce a composite. The block copolymer / MWNT / metal complex &Lt; / RTI &gt;
삭제delete 제7항에 있어서,
상기 (a) 단계는,
블록공중합체를 용매에 용해하여 블록공중합체 용액을 제조하는 단계; 및
상기 블록공중합체 용액에 MWNT를 혼합하여 MWNT를 분산시키는 단계를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 블록공중합체/MWNT/금속 복합체의 제조방법.
8. The method of claim 7,
The step (a)
Dissolving the block copolymer in a solvent to prepare a block copolymer solution; And
And mixing the block copolymer solution with MWNT to disperse the MWNT. The method for producing a block copolymer / MWNT / metal composite according to claim 1,
삭제delete 제7항에 있어서,
상기 (c) 단계에서 상기 블록공중합체/MWNT/금속 복합체의 제조는 핫프레싱(hot pressing) 성형법, 오토클레이브 성형법, 압축성형법, 오픈몰드 성형법 및 RTM 성형법 중 어느 하나의 방법을 이용하여 제조되는 것을 특징으로 하는 블록공중합체/MWNT/금속 복합체의 제조방법.
8. The method of claim 7,
In the step (c), the block copolymer / MWNT / metal composite may be prepared by any one of hot pressing, autoclave molding, compression molding, open mold molding and RTM molding / RTI &gt; and / or a block copolymer / MWNT / metal complex.
제9항에 있어서,
상기 MWNT를 분산시키는 단계는,
상기 혼합용액을 초음파 분해 처리 및 혼소니케이션(Horn sonication) 처리에 의해 수행되는 것을 특징으로 하는 블록공중합체/MWNT/금속 복합체의 제조방법.
10. The method of claim 9,
Wherein the step of dispersing the MWNT comprises:
Wherein the mixed solution is subjected to an ultrasonic treatment and a sonication treatment. &Lt; RTI ID = 0.0 &gt; 18. &lt; / RTI &gt;
제7항에 있어서,
상기 용매는 톨루엔이고,
상기 (b) 단계는,
상기 혼합용액을 진공필터링(vacuum filtering)에 의해 매트(mat)를 얻는 단계; 및
상기 매트를 진공건조(vacuum drying)하는 단계에 의해 수행되는 것을 특징으로 하는 블록공중합체/MWNT/금속 복합체의 제조방법.
8. The method of claim 7,
Wherein the solvent is toluene,
The step (b)
Obtaining a mat by vacuum filtering the mixed solution; And
Wherein the matting is carried out by vacuum drying the mat. &Lt; RTI ID = 0.0 &gt; 18. &lt; / RTI &gt;
제7항에 있어서,
상기 금속은 구리, 은 및 알루미늄 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 블록공중합체/MWNT/금속 복합체의 제조방법.
8. The method of claim 7,
Wherein the metal is one of copper, silver and aluminum. &Lt; RTI ID = 0.0 &gt; 18. &lt; / RTI &gt;
제14항에 있어서,
상기 구리 입자는 1~2 ㎛, 상기 은(Ag) 입자는 2~3.5 ㎛, 상기 알루미늄 입자는 1~3 ㎛의 크기인 것을 특징으로 하는 블록공중합체/MWNT/금속 복합체의 제조방법.
15. The method of claim 14,
Wherein the copper particles have a size of 1 to 2 占 퐉, the silver particles have a size of 2 to 3.5 占 퐉, and the aluminum particles have a size of 1 to 3 占 퐉.
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