KR101681291B1 - 탄소나노튜브 기반 하이브리드 방열시트 및 그 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 방열시트에 관한 것으로, 상세하게는 탄소나노튜브(carbon nanotube; CNT)와 그라파이트(graphite) 또는 금속 입자를 혼합하여 방열특성을 개선하는 유연성을 갖는 하이브리드 방열시트 및 이를 포함하는 폴리머 복합체와 그 제조방법에 관한 것이다.

Description

탄소나노튜브 기반 하이브리드 방열시트 및 그 제조방법{HYBRID HEAT RADIATING SHEET BASED ON CARBON NANOTUBE AND FABRICATION METHOD THEREOF}

본 발명은 방열시트에 관한 것으로, 상세하게는 그라파이트(graphite, 흑연), 금속 입자 또는 이들의 조합으로부터 이루어진 군으로부터 선택된 1종과 탄소나노튜브(carbon nanotube; CNT)를 혼합하여 방열특성을 개선하는 유연성을 갖는 하이브리드 방열시트와 그 제조방법에 관한 것이다.

최근 반도체 패터닝 기술, 예를 들면 포토리소그래피, 전자빔리소그래피 등의 발전으로 전자소자와 광소자의 부품들이 고집적화 및 소형화되면서 많은 열을 발생하게 되었으며, 이 발생된 고온의 열로 인하여 소자 동작 특성 저하와 신뢰성/안전성 문제가 야기되고 있다. 특히, 이러한 문제로 인하여 현재 조명산업에 많이 응용되는 발광다이오드(LED)의 동작 수명이 매우 짧아졌으며, 원하는 광 출력만큼 소자가 작동하지 않는 현상이 발생되고 있다. 따라서, 상기 문제를 해결하기 위한 일환으로 고열전도성 특성을 가지면서 소형/박형의 전자제품에 사용될 수 있는 유연한 방열시트 개발이 요구되고 있다.

고열전도성 특성을 가지면서 소형/박형의 전자제품에 사용될 수 있는 유연한 방열시트 재료로 탄소나노튜브가 폭넓게 연구되고 있다. 유연한 방열시트는 전기방사, 진공 여과(vacuum filtration) 등의 방법을 이용하여 제작할 수 있으며, 방열시트의 두께 및 사이즈를 조절할 수 있다.

단일벽 탄소나노튜브는 ~2,000 W/mK를 넘는 고열전도성 물질로 유연한 방열시트 재료로 응용될 수 있다. 하지만 오직 탄소나노튜브만을 이용하여 제작한 방열시트는 ~10 W/mK 이하의 낮은 값을 보여, 소자에서 발생되는 고온의 열을 효율적으로 외부로 방출하는데 큰 어려움이 있다. 방열시트로 제작 시 이렇게 낮은 열전도도 값을 보이는 이유는 열 접촉저항(thermal contact resistance), 긴 열 경로(heat path), 공극(pore)/에어 갭(air gap) 때문이다.

미국 공개특허공보 제2014/0052037호는 탄소나노튜브가 분산된 시트 형상의 폴리머 복합체가 열전도성 특성이 있음을 기재하고 있다.

또한, 대한민국 공개특허 제2011/0094635호에는 탄소나노튜브를 열전도성 점착제로 포함하는 그라파이트 방열시트에 대해 기재하고 있다. 상기 방열시트는 그라파이트 시트의 일면 혹은 양면에 탄소나노튜브, 아크릴레이트 중합체, 및 분산제의 혼합액이 열전도성 점착제로 코팅되어 제조된다. 그러나, 종래의 기술들은 탄소나노튜브를 폴리머 매트릭스 속에 단순 분산시켜 제조된 복합체의 열전도성을 살펴본 정도에 불과하거나, 그라파이트 시트 상에 탄소나노튜브 외의 성분들을 점착제와 함께 코팅한다는 점에서 공정상의 번거로움이 있었다.

상기 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은, 탄소나노튜브와 그라파이트 또는 금속 입자를 이용하여 바인더 없이 유연하고 수직/수평방향으로 방열특성이 개선된 하이브리드 방열시트와 그 제조방법을 제공하는 것이다. 그러나, 본원이 해결하고자 하는 과제는 이상에서 기술한 과제로 제한되지 않으며, 기술되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 탄소나노튜브 기반의 방열시트는 상술한 열 접촉저항, 긴 열 경로, 공극/에어 갭의 단점을 보완하기 위하여 제조 과정 중 초음파 처리 시간을 조절함으로써 탄소나노튜브 방열 시트의 밀도를 조절하여 열전도도를 향상시켰다.

또한, 그라파이트를 혼합한 탄소나노튜브/그라파이트 하이브리드 방열시트, 금속 입자를 이용한 탄소나노튜브/금속 입자 하이브리드 방열시트 또는 탄소나노튜브/그라파이트/금속 입자 하이브리드 방열시트를 통하여 더욱 향상된 방열 특성을 가지는 유연한 방열시트를 제공한다.

상기 탄소나노튜브/그라파이트 하이브리드 방열시트, 탄소나노튜브/금속 입자 하이브리드 방열시트 또는 탄소나노튜브/그라파이트/금속 입자 하이브리드 방열시트는 진공 여과 공정을 이용하여 제작할 수 있다.

제조된 탄소나노튜브 기반의 하이브리드 방열시트에 에폭시 등의 폴리머를 혼합하여 탄소나노튜브 기반 방열시트/폴리머 복합체를 제작할 수 있다.

본 발명은 방열 특성을 가지는 폴리머 복합체의 제조에 있어서, 종래와 같이 탄소나노튜브, 그라파이트 또는 금속 입자를 폴리머 매트릭스에 단순 분산시킨 것이 아니라, 미리 제조된 탄소나노튜브 기반 방열시트를 이용하여 방열 특성을 가지는 폴리머 복합체를 제조하였다.

상기한 바와 같이 본 발명에 의해, 유연하고 수직/수평방향으로 방열 특성이 개선된 탄소나노튜브 기반 방열시트의 제작이 가능해졌다. 탄소나노튜브와 그라파이트 또는 금속 입자를 이용하여 하이브리드 방열시트를 제작하기 위하여 초음파 처리 공정과 진공 여과 방법을 이용하였다. 또한, 탄소나노튜브와 그라파이트 또는 금속 입자 간의 열 접촉저항을 줄이기 위하여 전기로를 이용하여 고온에서 열처리 공정을 진행하였다.

탄소나노튜브와 함께 사용되는 그라파이트 또는 금속 입자는 다수의 열 접촉저항과 긴 열 경로를 줄여주어 결과적으로 열전도도를 개선시키는 역할을 하고, 탄소나노튜브 방열시트에 존재하는 공극/에어 갭을 줄여주어 결과적으로 방열특성을 향상시켜 준다.

본 발명에 따른 박형의 탄소나노튜브 기반 방열시트는 수직/수평방향으로 개선된 방열특성을 가지며, 동시에 유연한 특성을 가짐으로서 전자소자, 광소자, 에너지 소자 등에서 발생되는 고온의 열을 외부로 방출할 수 있어서 소자의 특성이 향상되는 효과를 기대할 수 있다. 또한, 소자의 작동 수명이 늘어날 것으로 기대된다.

도 1은 실시예 1의 공정 순서도이다.
도 2는 제작된 탄소나노튜브/그라파이트 하이브리드 방열시트의 그라파이트 비율에 따른 주사전자현미경(SEM) 이미지 결과이다.
도 3은 제작된 탄소나노튜브/그라파이트 하이브리드 방열시트의 그라파이트 비율에 따른 열전도도 결과이다.
도 4는 실시예 2 내지 4의 공정 순서도이다.
도 5은 제작된 탄소나노튜브/Sn 금속 입자 하이브리드 방열시트의 SEM 이미지 결과이다.
도 6은 제작된 탄소나노튜브/SnAgCu 금속 입자 하이브리드 방열시트의 SEM 이미지 결과이다.
도 7은 제작된 탄소나노튜브/organic Ag(유기 은) 하이브리드 방열시트의 SEM 이미지 결과이다.
도 8는 실시예 8의 공정 순서도이다.
도 9은 비교예 1의 공정 순서도이다.
도 10은 제작된 탄소나노튜브/그라파이트 포함 폴리머(PBT) 복합체의 SEM 이미지 결과이다.

이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할　수 있도록 본원의 구현예 및 실시예를 상세히 설명한다. 그러나 본원은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수　있으며 여기에서 설명하는 구현예 및 실시예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였다.

본원 명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고　할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 더　포함할 수 있는 것을 의미한다.

본 명세서에서 사용되는 정도의 용어 "약"은 언급된 의미에 고유한 제조 및 물질 허용오차가 제시될 때 그 수치에서 또는 그 수치에 근접한 의미로 사용되고, 본원의 이해를 돕기 위해 정확하거나 절대적인 수치가 언급된 개시 내용을 비양심적인 침해자가 부당하게 이용하는 것을 방지하기　위해 사용된다.

또한, 본원 명세서 전체에서, "~ 하는 단계" 또는 "~의 단계"는 "~를 위한 단계"를 의미하지　않는다.

이하, 본원의 구현예를 상세히 설명하였으나, 본원이 이에 한정되는 것은 아니다.

본원의 일 측면은, 그라파이트, 금속 입자 또는 이들의 조합으로부터 이루어진 군으로부터 선택된 1종과 탄소나노튜브를 포함하고, 바인더를 포함하지 않은, 열전도도가 2.5~9 W/mK인 탄소나노튜브 시트를 제공한다. 상기 바인더는 상기 그라파이트, 금속 입자와 상기 탄소나노튜브 사이에 존재하여 두 물질의 결합을 강화시켜주는 물질로, 일반적인 탄소나노튜브 복합체의 경우 전도성 고분자 또는 절연성 고분자 등을 바인더로 포함하나, 본원은 탄소나노튜브 시트 제작 시에 상기 바인더를 포함하지 않는 것을 특징으로 한다. 탄소나노튜브는 탄소끼리 육각형으로 결합하여 원통형 튜브구조를 이룬 탄소 동소체의 일종으로, 직경이 수 ㎚ 정도이다. 이러한 탄소나노튜브는 속이 비어 있어 가볍고, 동일한 굵기의 강철 대비 최대 100배 이상의 인장강도 및 손상없이 90°까지 휘는 물성을 갖는다. 또한 높은 열전도성 및 전기전도성을 가지며, 탄소층이 감겨있는 각도에 따라 도체와 반도체의 성격을 나타낸다. 탄소나노튜브를 포함하는 상기 시트의 평균 밀도는 상기 범위 내에서 초음파 처리 시간에 따라 상이할 수 있으며, 초음파 처리 시간이 증가하면 밀도 또한 증가하나, 일정 처리 시간 이상에서는 밀도가 더 이상 증가하지 않는다. 그라파이트는 탄소를 공기가 차단된 조건하에서 약 2주 동안 고온(2,500℃ 내지 3,000℃)으로 소성시켜 6각의 안정된 조직 형태로 만든 탄소 동소체이다. 그라파이트 또한 높은 열전도성 및 전기전도성을 가지며, 가공성이 용이하여 정밀가공에 적합한 물질이다. 따라서, 탄소나노튜브 및 그라파이트, 금속 입자 또는 이들의 조합을 포함하는 시트는 이들의 고유한 물성으로 인해 유연하고 열전도성이 높아 방열 기능이 뛰어난 특성을 가지게 된다.

본원의 일 구현예에 있어서, 상기 탄소나노튜브와 상기 그라파이트의 중량비가 50:50 내지 5:95인 시트일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 예를 들어, 상기 탄소나노튜브와 상기 그라파이트의 중량비는 50:50, 바람직하게는 40:60, 더욱 바람직하게는 5:95일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니며, 그라파이트의 함량이 높을수록 바람직하다.

본원의 일 구현예에 있어서, 상기 시트는 방열 시트일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 또한, 진공 여과 공정을 거쳐서 제조된 탄소나노튜브/그라파이트 하이브리드 방열시트, 탄소나노튜브/금속 입자 하이브리드 방열시트 또는 탄소나노튜브/그라파이트/금속입자 하이브리드 방열시트의 "시트"는 "종이(paper)"라는 명칭으로도 사용되나, 이에 한정되는 것은 아니다.

본원의 일 구현예에 있어서, 탄소나노튜브 기반의 방열 시트의 결함을 줄이기 위하여 열처리로(thermal furnace)를 이용한 열처리 공정을 활용할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 상기 열처리 공정은, 예를 들면, 질소 분위기 하에서 800℃ 내지 2800℃, 1300℃ 내지 2800℃, 1800℃ 내지 2800℃, 2300℃ 내지 2800℃, 800℃ 내지 2300℃, 800℃ 내지 1800℃, 또는 800℃ 내지 1300℃의 온도 범위에서 1시간 내지 3시간 정도일 수 있다.

또한, 상기 제작된 하이브리드 방열시트의 열전도도 특성을 분석하기 위하여 레이저 섬광법(laser flash method)이 활용 가능하다. 레이저 섬광법은 레이저를 조사하여 시료의 표면을 가열하고, 시료 뒷면의 온도를 시간의 함수로 기록하여, 열확산도를 측정하는 방식이다. 레이저 섬광법을 활용하여 평면 내(in-plane)와 단면 통과(through-plane) 열전도도를 상온에서 고온까지 분석할 수 있다.

본원의 일 구현예에 있어서, 상기 탄소나노튜브는 단일벽 탄소나노튜브, 소수벽 탄소나노튜브, 다중벽 탄소나노튜브 또는 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종의 시트일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 상기 탄소나노튜브는 구조에 따라 한 겹으로 된 단일벽 탄소나노튜브(Single-walled CNT; SWCNT), 탄소벽의 수가 2개 내지 10개인 소수벽 탄소나노튜브(Few-walled CNT; FWCNT), 여러 겹의 탄소나노튜브가 동심원 상을 이루는 다중벽 탄소나노튜브(Multi-walled CNT; MWCNT)로 분류될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.

본원의 일 구현예에 있어서, 상기 금속 입자는 Li, Be, B, Na, Mg, Al, P, S, K, Ca, Sc, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn, Ga, Ge, As, Se, Rb, Sr, Y, Zr, Nb, Mo, Ru, Rh, Pd, Ag, Cd, In, Sn, Sb, Te, Cs, Ba, La, Ce, Pr, Nd, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Yb, Lu, Hf, Ta, W, Re, Os, Ir, Pt, Au, Hg, Tl, Pb, 또는 Bi에서 선택되는 어느 하나 이상의 성분을 포함할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니며, 구체적으로 상기 금속 입자는 Sn, SnAgCu, organic Ag(유기 은) 또는 이들의 조합으로부터 선택될 수 있다. 상기 금속 입자는 열전도성 입자이며, 높은 열전도성을 나타내는 탄소나노튜브와 복합화하여 방열체로 이용할 경우, 방열 특성이 향상될 뿐만 아니라 금속 기지 함량 감소로 인해 방열체의 소형/경량화가 가능해진다.

본원의 일 구현예에 있어서, 상기 금속 입자의 함량은 상기 탄소나노튜브 중량의 1% 내지 50%일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.

본원의 다른 측면은, 제조된 탄소나노튜브/그라파이트 하이브리드 방열시트, 탄소나노튜브/금속 입자 하이브리드 방열시트 또는 탄소나노튜브/그라파이트/금속 입자 하이브리드 방열시트에 에폭시 등의 열경화성 혹은 PPS(폴리페닐렌 설파이드), PBT(폴리 부틸렌 테레프탈레이트), PC(폴리 카보네이트) 등의 열가소성 폴리머를 혼합하여 탄소나노튜브 기반 방열시트/폴리머 복합체를 제공한다.

본원의 일 구현예에 있어서, 상기 폴리머는 에폭시, 폴리 부틸렌 테레프탈레이트, 또는 이들의 조합으로부터 선택되는 어느 하나일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 상기 폴리 부틸렌 테레프탈레이트는 하기 화학식 1로 표시되며, n은 20 이상의 정수이고, 하기 반응식 1과 같이 사이클릭 부틸렌 테레프탈레이트를 열처리하여 수득 가능하다.

[반응식 1]

또한, 상기 탄소나노튜브는 단일벽 탄소나노튜브, 소수벽 탄소나노튜브, 다중벽 탄소나노튜브를 사용할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.

탄소나노튜브를 이용한 폴리머 복합체는 형성방법에 따라 분류할 수 있는데, 박막인쇄법을 이용한 투명전극과 전계방출전극 등의 2차원 형태로 사용되는 박막형 복합체와 압출과 사출에 의한 3차원 형태로 사용되는 벌크형 복합체로 구분될 수 있다. 폴리머와 탄소나노튜브를 이용한 복합체는 박막형으로 투명전극과 전계방출전극 등으로 사용되며, 벌크형으로는 고강도, 정전기 방전, 대전 방지, 전자파차폐, 고방열 재료로 적용될 수 있다.

본원의 또 다른 측면은, 초음파 처리 및 진공 여과를 통하여 탄소나노튜브 기반의 방열 시트를 준비하는 단계 및 준비된 탄소나노튜브 기반의 방열 시트에 폴리머 성분을 주입하는 단계를 포함하는 폴리머 복합체의 제조방법을 제공한다.

상기 폴리머는 열가소성 폴리머 또는 열경화성 폴리머일 수 있고, 주입되는 폴리머 성분은 열가소성 또는 열경화성 폴리머의 단량체 또는 중합체일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.

열가소성 수지는 가소성 또는 변형성 중합체 소재로서, 액체로 용융되며 경화된 후에도 다시 용융되어 재성형이 가능하다. 예를 들어, 상기 열가소성 수지로는 아크릴 수지, 염화비닐 수지, 초산비닐 수지, 비닐아세틸 수지, 메틸메타크릴수지, 스티렌 수지, 폴리카보네이트 수지, 폴리페닐렌 설파이드 수지, 폴리프로필렌 수지, 폴리에틸렌 수지, 또는 폴리아미드 수지(나일론) 등이 사용될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.

열경화성 수지는 에너지를 가하면 더 강력한 형태로 경화되는 중합체 소재로서, 일단 경화되면 다시 가열하거나 성형할 수 없다. 예를 들어, 상기 열경화성 수지로는 페놀 수지, 우레아 수지, 멜라민 수지, 불포화폴리에스테르 수지, 에폭시 수지, 폴리우레탄 수지, 폴리아미드 수지, 알키드 수지, 실리콘 수지, 또는 프란 수지 등이 사용될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.

본원의 또 다른 측면은, 탄소나노튜브를 1 중량% 내지 50 중량%, 그라파이트, 금속입자 또는 이들의 조합 중 어느 하나를 1 중량% 내지 95 중량%, 및 에폭시, 폴리 부틸렌 테레프탈레이트, 또는 이들의 조합 중 어느 하나를 1 중량% 내지 95 중량% 포함하는 폴리머 복합체를 제공한다.

이하, 본 발명의 유연한 탄소나노튜브/그라파이트 하이브리드 방열시트, 탄소나노튜브/금속 입자 하이브리드 방열시트, 및 탄소나노튜브 기반의 방열시트를 포함하는 폴리머 복합체와 그 제조방법의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참고로 상세히 설명하기로 한다.

단, 하기 실시예는 본 발명을 예시하기 위한 것일 뿐, 본 발명의 범위가 이들만으로 한정되는 것은 아니다.

실시예 1: 탄소나노튜브/그라파이트 하이브리드 방열시트 제조

하이브리드 방열시트를 제작하기 위하여 에탄올 500 ml에 탄소나노튜브(CNT)와 그라파이트(크기: 300 ㎛)의 중량비(CNT:graphite = 40:60, 10:90)를 달리하여 첨가하였다. 탄소나노튜브와 그라파이트가 잘 섞이도록 교반기를 이용하여 1시간 동안 교반을 실시하고, 이후 욕조형 초음파처리기(bath-type sonicator)를 이용하여 4시간 동안 초음파 처리를 하였다. 초음파 처리가 끝난 후 교반기를 이용하여 1시간 동안 교반을 실시하고, 이후 진공 여과 장치를 이용하여 여과과정을 거친 후 열풍 건조기(100℃)를 이용하여 용매를 완전히 증발시켜 방열시트를 제작하였다.

실시예 2: 탄소나노튜브/Sn 하이브리드 방열시트 제조

에탄올 500 ml에 Sn 10 mg을 첨가한 후, 혼형 초음파처리기(horn-type sonicator)를 이용하여 1시간 동안 초음파 처리하였다. 이후, 탄소나노튜브와 Sn이 잘 섞이도록 교반기를 이용하여 1시간 동안 교반을 실시하고, 이후 욕조형 초음파처리기(bath-type sonicator)를 이용하여 4시간 동안 초음파 처리를 하였다. 초음파 처리가 끝난 후 교반기를 이용하여 1시간 동안 교반을 실시하고, 이후 진공 여과 장치를 이용하여 여과과정을 거친 후 열풍 건조기(100℃)를 이용하여 용매를 완전히 증발시켜 방열시트를 제작하였다. 상기 방열시트를 전기로를 이용하여 질소분위기에서 300℃로, 1시간 열처리를 실시하였다.

실시예 3: 탄소나노튜브/SnAgCu 하이브리드 방열시트 제조

에탄올 500 ml에 SnAgCu 10 mg을 첨가한 후, 혼형 초음파처리기(horn-type sonicator)를 이용하여 1시간 동안 초음파 처리하였다. 이후, 탄소나노튜브와 SnAgCu가 잘 섞이도록 교반기를 이용하여 1시간 동안 교반을 실시하고, 이후 욕조형 초음파처리기(bath-type sonicator)를 이용하여 4시간 동안 초음파 처리를 하였다. 초음파 처리가 끝난 후 교반기를 이용하여 1시간 동안 교반을 실시하고, 이후 진공 여과 장치를 이용하여 여과과정을 거친 후 열풍 건조기(100℃)를 이용하여 용매를 완전히 증발시켜 방열시트를 제작하였다. 상기 방열시트를 전기로를 이용하여 질소분위기에서 300℃로, 1시간 열처리를 실시하였다.

실시예 4: 탄소나노튜브/organic Ag(유기 은) 하이브리드 방열시트 제조

organic Ag는 메탄올에 Ag(지름 5 nm 이하)가 5% 분산(디토 테크놀로지사, Ditto Technology)된 형태를 사용했다. 에탄올 500 ml에 메탄올에 분산된 organic Ag 10 mg을 첨가한 후, 혼형 초음파처리기(horn-type sonicator)를 이용하여 1시간 동안 초음파 처리하였다. 이후, 탄소나노튜브와 Organic Ag가 잘 섞이도록 교반기를 이용하여 1시간 동안 교반을 실시하고, 이후 욕조형 초음파처리기(bath-type sonicator)를 이용하여 4시간 동안 초음파 처리를 하였다. 초음파 처리가 끝난 후 교반기를 이용하여 1시간 동안 교반을 실시하고, 이후 진공 여과 장치를 이용하여 여과과정을 거친 후 열풍 건조기(100℃)를 이용하여 용매를 완전히 증발시켜 방열시트를 제작하였다. 상기 방열시트를 전기로를 이용하여 질소분위기에서 300℃로, 1시간 열처리를 실시하였다.

실시예 5: 탄소나노튜브/그라파이트 하이브리드 방열시트 포함 폴리머(에폭시) 복합체 제조

상기 실시예 1과 동일한 방법으로 제조한 탄소나노튜브/그라파이트(탄소나노튜브:그라파이트의 중량비=10:90) 하이브리드 방열시트 위에 에폭시 용액을 붓고 진공 여과 장치를 이용하여 여과과정을 거친 후 건조기를 이용하여 175℃에서 4시간 동안 경화과정을 거쳐 탄소나노튜브/그라파이트 하이브리드 방열시트와 폴리머(에폭시)의 복합체를 제작하였다.

실시예 6: 탄소나노튜브/Sn 하이브리드 방열시트 포함 폴리머(에폭시) 복합체 제조

상기 실시예 2와 동일한 방법으로 제조한 탄소나노튜브/Sn(지름 20~40 nm) 하이브리드 방열시트 위에 에폭시 용액을 붓고 진공 여과 장치를 이용하여 여과과정을 거친 후 건조기를 이용하여 175℃에서 4시간 동안 경화과정을 거쳐 탄소나노튜브/Sn 하이브리드 방열시트와 폴리머(에폭시)의 복합체를 제작하였다.

실시예 7: 탄소나노튜브/organic Ag(유기 은) 하이브리드 방열시트 포함 폴리머(에폭시) 복합체 제조

상기 실시예 4와 동일한 방법으로 제조한 탄소나노튜브/organic Ag 하이브리드 방열시트 위에 에폭시 용액을 붓고 진공 여과 장치를 이용하여 여과과정을 거친 후 건조기를 이용하여 175℃에서 4시간 동안 경화과정을 거쳐 탄소나노튜브/organic Ag 하이브리드 방열시트와 폴리머(에폭시)의 복합체를 제작하였다.

실시예 8: 탄소나노튜브/그라파이트 포함 폴리머(폴리 부틸렌 테레프탈레이트; PBT) 복합체 제조

탄소나노튜브, 그라파이트, 및 CBT의 중량비를 5:45:50으로 준비하였다. 먼저, 상기 준비된 중량비의 탄소나노튜브와 그라파이트를 에탄올 500 ml에 첨가한 후, 잘 섞이도록 교반기를 이용하여 1시간 동안 교반을 실시하였다. 이어서, 상기 교반된 용액을 혼형 초음파처리기(horn-type sonicator)를 이용하여 2시간 동안 초음파 처리를 하였다, 이후, CBT를 첨가하고 잘 섞이도록 교반기를 이용하여 1시간 동안 교반을 실시하였다. 이어서, 혼형 초음파처리기(horn-type sonicator)를 이용하여 2시간 동안 초음파 처리하고, 1시간 동안 교반을 실시한 후, 진공 여과 장치를 이용하여 여과과정을 거쳤다. 열풍 건조기(100℃)를 이용하여 용매를 완전히 증발시켜 방열시트를 제작하였다. 상기 방열시트를 핫 프레스(hot-press)를 이용하여 250℃로 3분간 열처리를 실시하여 방열소재용 탄소나노튜브/그라파이트 포함 폴리머(PBT) 복합체를 제작하였다.

비교예 1: 탄소나노튜브/그라파이트 포함 폴리머(폴리 부틸렌 테레프탈레이트; PBT) 복합체 제조

다중벽 탄소나노튜브(MWCNT), 그라파이트, 및 CBT의 중량비를 5:45:50으로 준비한 후, 상기 재료들을 한 번에 300rpm으로 3시간 동안 볼 밀링(ball milling)하였으며, 핫 프레스(hot-press)를 이용하여 250℃로 3분간 열처리하여 박막을 제조하는 방법으로 방열소재용 탄소나노튜브/그라파이트 포함 폴리머(PBT) 복합체를 제작하였다.

비교예 2: 탄소나노튜브/그라파이트 포함 폴리머(폴리 부틸렌 테레프탈레이트; PBT) 복합체 제조

상기 실시예 1과 동일한 방법으로 제조한 탄소나노튜브/그라파이트(탄소나노튜브:그라파이트의 중량비=10:90) 하이브리드 방열시트를 CBT 파우더 위에 올린 후, 그 위에 CBT 파우더를 더 첨가하였다. 이 후, 핫 프레스(hot-press)를 이용하여 250℃로 3분간 열처리를 실시하여 방열소재용 탄소나노튜브/그라파이트 포함 폴리머(PBT) 복합체를 제작하였다.

도 1은 실시예 1의 공정 순서도이며, 도 2는 실시예 1에 따라 제조된 탄소나노튜브/그라파이트 하이브리드 방열시트의 그라파이트 비율에 따른 주사전자현미경(SEM) 이미지 결과이다. 탄소나노튜브와 그라파이트의 비율은 40:60 및 10:90이며, 그라파이트가 90 중량% 포함되었을 때 탄소나노튜브/그라파이트 방열시트의 표면에서 더욱 뚜렷하게 관찰되는 그라파이트를 확인할 수 있다.

도 3은 제작된 탄소나노튜브/그라파이트 하이브리드 방열시트의 그라파이트 비율에 따른 열전도도 결과이다. 그라파이트가 적어도 50 중량% 이상 포함되었을 때 탄소나노튜브/그라파이트 하이브리드 방열시트의 열전도도가 향상됨을 보였다. 그라파이트가 60 중량% 포함되었을 때의 평균 열전도도는 약 5 W/mK로 그라파이트가 전혀 포함되지 않았을 때의 평균 열전도도인 약 3.6 W/mK보다 다소 향상되었으나, 그라파이트가 90 중량% 포함되었을 때의 평균 열도도도는 약 7.5 W/mK로 약 2배 이상 향상됨을 나타냈다.

도 4는 실시예 2 내지 4의 공정 순서도이다. 탄소나노튜브와 금속 입자를 혼합하여 탄소나노튜브/금속 입자 하이브리드 방열시트를 제조하는 방법으로서, 에탄올에 금속 입자를 분산시킨 후, 이를 다시 탄소나노튜브와 혼합하는 방식으로 제조되었다.

도 5는 실시예 2에 의해 제작된 탄소나노튜브/Sn 금속 입자 하이브리드 방열시트의 SEM 이미지 결과이다. SEM 이미지를 통해 탄소나노튜브에 흡착된 Sn을 확인할 수 있었다. 상기 탄소나노튜브/Sn 금속 입자 하이브리드 방열시트의 평균 열전도도는 약 ~4.5 W/mK였다.

도 6은 실시예 3에 의해 제작된 탄소나노튜브/SnAgCu 금속 입자 하이브리드 방열시트의 SEM 이미지 결과이다. 교반을 통해 탄소나노튜브에 전체적으로 흡착된 SnAgCu를 SEM 이미지를 통해 확인할 수 있으며, 스케일바 30 ㎛을 이용하여 합금된 형태 또한 관찰할 수 있었다.

도 7은 실시예 4에 의해 제작된 탄소나노튜브/organic Ag 하이브리드 방열시트의 SEM 이미지 결과이다. 탄소나노튜브 시트 상에 organic Ag 또한 미세한 입자들이 고르게 흡착되어 있는 것을 확인할 수 있었다.

도 8은 실시예 8의 공정 순서도이다. 탄소나노튜브, 그라파이트, 및 폴리머(PBT)의 복합체를 제조하는 방법에 있어서, 본원에 따른 탄소나노튜브 기반 폴리머(PBT) 복합체는 초음파 처리 통해 생성된 균일하고 밀도 높은 탄소나노튜브 및 그라파이트 혼합 용액를 이용한다. 탄소나노튜브와 그라파이트를 혼합한 후, 초음파 처리를 통해 두 물질의 계면간 접촉을 강화시켜 밀도를 증가시킴으로써, 계면간 공극으로 인해 열전도도가 감소되는 것을 방지하였다. 상기 탄소나노튜브와 그라파이트 혼합 용액를 열처리만으로 중합이 가능한 CBT와 혼합하여 열전도도가 향상된 방열소재용 폴리머 복합체를 제조하였으며, 측정된 평균 열전도도는 약 10.87 W/mK로, 비교예 1에 의해 제조된 복합체의 평균 열전도도인 약 6.7 W/mK와 비교하여 크게 향상된 값을 나타냈다.

도 9는 비교예 1의 공정 순서도이다. 탄소나노튜브/그라파이트 포함 폴리머(PBT) 복합체를 제조함에 있어서, 탄소나노튜브, 그라파이트, 및 CBT를 한 번에 볼 밀링(300rpm, 3시간)한 후, 열처리(250℃, 3분)하였으며, 초음파 처리는 하지 않았다. 비교예 1에 의해 제조된 탄소나노튜브/그라파이트 포함 폴리머(PBT) 복합체의 측정된 평균 열전도도는 약 6.7 W/mK였다.

도 10은 제작된 탄소나노튜브/그라파이트 포함 폴리머(PBT) 복합체의 SEM 이미지 결과이다. 도 10에 나타낸 바와 같이, 탄소나노튜브와 그라파이트가 폴리머(PBT)에 분산된 형태를 관찰할 수 있었다.

전술한 본원의 설명은 예시를 위한 것이며, 본원이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자 는 본원의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는　것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다.

본원의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여　나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위, 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된　형태가 본원의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

Claims (11)

1. 그라파이트, 금속 입자 또는 이들의 조합으로부터 이루어진 군으로부터 선택된 1종과 탄소나노튜브를 포함하고, 바인더 및 이온성 화합물을 포함하지 않으며, 상기 탄소나노튜브와 상기 그라파이트의 중량비가 50:50 내지 5:95이며, 상기 금속 입자의 함량은 상기 탄소나노튜브 중량의 1% 내지 50%이며, 상기 금속 입자는 SnAgCu, 유기 은 또는 이들의 조합으로부터 선택되는 어느 하나이며, 열전도도가 2.5~9 W/mK인 탄소나노튜브 방열 시트를 포함하며,
   탄소나노튜브 1 중량% 내지 50 중량%, 그라파이트, 금속입자 또는 이들의 조합 중 어느 하나를 1 중량% 내지 95 중량%, 및 폴리부틸렌테레프탈레이트(PBT)를 1 중량 내지 95 중량% 포함하는,
   방열 폴리머 복합체.
2. 삭제
3. 삭제
4. 삭제
5. 삭제
6. 삭제
7. 삭제
8. 삭제
9. 삭제
10. 교반 및 초음파 처리를 통해서 그라파이트, 금속 입자 또는 이들의 조합으로부터 이루어진 군으로부터 선택된 1종, 탄소나노튜브, 및 에탄올을 혼합하여 혼합물을 준비하는 제1단계;
    상기 제1단계를 거친 상기 혼합물을 진공여과 및 100℃에서 건조하는 제2단계; 및
    상기 제2단계를 거친 상기 혼합물을 300℃로 열처리하는 제3단계를 포함하는,
    탄소나노튜브 방열 시트의 제조방법.
11. 교반 및 초음파 처리를 통해서 그라파이트, 금속 입자 또는 이들의 조합으로부터 이루어진 군으로부터 선택된 1종, 탄소나노튜브, 및 에탄올을 혼합하여 혼합물을 준비하는 제1단계;
    상기 제1단계를 거친 상기 혼합물에 사이클릭 부틸렌 테레프탈레이트(CBT)를 첨가하고 교반 및 초음파 처리하는 제2단계;
    상기 제2단계를 거친 상기 혼합물을 진공여과 및 건조하는 제3단계; 및
    상기 제3단계를 거친 상기 혼합물을 250℃로 열처리하는 제4단계를 포함하는,
    방열 폴리머 복합체의 제조방법.

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