KR101848895B1 - 고방열, 고유연, 고강도 복합 재료 및 이의 제조 방법 - Google Patents

Abstract

복합 재료는 폴리우레탄 수지, 및 상기 폴리우레탄 수지 내에서 열전달 경로를 형성하는 열전도성 필러를 포함한다. 복합 재료는 내부에 공기층 또는 기공을 갖지 않는다.

Description

고방열, 고유연, 고강도 복합 재료 및 이의 제조 방법{COMPOSITES HAVING PROPERTIES OF HIGH-HEAT RADIATION, HIGH-FLEXIBILITY AND HIGH-STRENGHTH, AND METHOD OF MANUFACTURING THE SAME}

본 발명은 고방열, 고유연, 고강도 복합 재료 및 이의 제조 방법에 관한 것이다.

자동차, 전기, 전자 분야 등에서 사용되고 있는 다양한 전자 기기들에 대해 다기능화 및 유연화가 추구되는 한편, 경량화, 박형화, 소형화가 추구되고 있다. 그러나 고집적화로 인해 전자 기기들을 구성하는 전자 소자들에서 해당 전자기기들의 구동에 영향을 줄 수 있는 열이 발생할 수 있다. 이와 같은 열 발생은 해당 소자의 기능을 저하시킬 뿐만 아니라 주변 소자들의 오작동을 야기시킬 수 있으므로 반드시 제어가 필요하며, 따라서 최근 이에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다. 특히, 전기적으로 절연이면서 열을 방출할 수 있는 절연성 방열 재료는 LED, 에너지 저장 시스템, 차세대 직접회로 등에 사용 가능한 재료로서 각광 받고 있으므로 이에 대한 개발이 활발히 이루어지고 있다.

고방열 재료는 일반적으로 높은 열전도도를 갖는 열전도성 필러와 고분자 수지가 혼합된 복합 재료가 대부분이다. 이러한 복합 재료를 만들기 위해 종래에는 파우더 혼합(powder mixing), 용융 혼합(melt mixing), 용매 혼합(solvent mixing)등 다양한 분산 기법을 이용하여 열전도성 필러를 고분자 수지 내에 고르게 분산시키는 기술, 및 열전도성 필러 또는 고분자 수지의 표면 개질을 통해 이들의 상호작용력을 높이고 동시에 분산성도 향상시키는 기술이 주를 이루어 왔다. 이와 더불어, 고분자 수지의 낮은 열전도도를 열전도성 필러를 이용해 획기적으로 높이기 위해서는 분산 특성이 우수한 열전도성 필러를 고분자 수지 내에 높은 함량으로 충전시키는 기술이 필수적으로 동반된다. 즉, 분산성이 우수한 열전도성 필러를 고분자 수지 내에 최대한 많이 분산시킴으로써 복합 소재의 열전도도를 증가시키는 것이 종래 기술들의 핵심이었다.

그러나, 분산 특성이 우수한 열전도성 필러의 고충전이 달성되더라도 복합 재료의 열전도도는 획기적으로 향상되지 않는데, 이는 복합 재료 내에 열전달 경로가 형성되지 않기 때문이다. 특히, 전기절연체이면서 높은 열전도도를 갖는 열전도성 필러는 자유전자가 부족하기 때문에 주로 포논(phonon)에 의존하여 열전달이 이루어진다. 하지만 고분자 수지 계면에서 포논의 산란에 의해 열전달 손실이 발생하므로 단순히 열전도성 필러의 분산 특성을 향상시키거나 복합 재료 내에 이를 고함량으로 충전시키는 것만으로는 고방열 특성을 구현할 수 없다. 더욱이, 열전도성 필러가 고함량으로 충전될 경우 이에 따라 복합 재료의 기계적 특성이 급격히 저하되어, 해당 복합재료는 쉽게 깨질 수 있으며 유동성 저하로 가공이 용이하지 않을 수 있다.

한국 공개특허 제10-2011-0127363호 한국 등록특허 제10-1317708호 한국 등록특허 제10-1440850호

Z. Chen, W. Ren, L. Gao, B. Liu, S. Pei and H.-M. Cheng, Nat Mater., 2011, 10, 424. N. Sakhavand and R. Shahsavari, J. Phys. Chem.C., 2014, 118, 22730 M. Rousseas, A. P. Goldstein, W. Mickelson, M. A. Worsley, L. Woo and A. Zettl, ACS Nano, 2013, 7, 8540 X. Zeng, Y. Yao, Z. Gong, F. Wang, R. Sun, J. Xu, and C.-P. Wong Small 2015, 11, 6205

본 발명의 일 목적은, 내부에 열전달 경로를 갖고, 동시에 고분자 수지와 열전도성 필러 사이에 포논의 산란을 최소화시킬 수 있을 정도의 강한 결합력을 가져, 고방열 특성 구현이 가능한 복합 재료를 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은, 열전도성 필러 충전에 따른 재료의 유연성 저하 및 강도 저하 현상이 억제되어, 고유연성 및 고강도 특성을 동시에 구현할 수 있는 복합 재료를 제공하는 것이다. 따라서, 차세대 웨어러블 디바이스(wearable devices) 구현에 사용될 수 있는 복합 재료를 제공하고자 한다.

본 발명의 일 목적을 달성하기 위한 예시적인 구현예들에 따른 복합 재료는 폴리우레탄 수지; 및 상기 폴리우레탄 수지 내에서 열전달 경로를 형성하는 열전도성 필러를 포함하고, 내부에 공기층(air gap) 또는 기공(pore)을 갖지 않는다.

예시적인 구현예들에 있어서, 상기 폴리우레탄 수지는 다공성 폴리우레탄 수지가 압착된 것일 수 있다. 상기 열전달 경로는 열전도성 필러 분자들이 상기 다공성 폴리우레탄 수지의 공기층 또는 기공을 따라 상기 다공성 폴리우레탄 수지와 결합함으로써 연결된 뒤 압착되어 형성된 것일 수 있다.

예시적인 구현예들에 있어서, 상기 폴리우레탄 수지는 이소시아네이트 및 폴리올을 포함하는 연질 폴리우레탄 수지일 수 있다. 상기 열전도성 필러 분자들은 상기 폴리우레탄 수지의 이소시아네이트와 공유 결합을 형성할 수 있다.

예시적인 구현예들에 있어서, 상기 열전도성 필러는 금속, 세라믹 및 탄소 소재로 이루어진 그룹에서 선택되는 하나 이상을 포함할 수 있다.

예시적인 구현예들에 있어서, 상기 열전도성 필러는 상기 폴리우레탄 수지 중량을 기준으로 1 중량% 이상 내지 80 중량% 미만으로 포함될 수 있다.

예시적인 구현예들에 있어서, 상기 복합 재료는 필름 형상을 가질 수 있다.

본 발명의 일 목적을 달성하기 위한 예시적인 구현예들에 따른 복합 재료의 제조 방법에 있어서, 열전도성 필러를 물에 분산시킨다. 물에 분산된 열전도성 필러를 우레탄 모노머 또는 폴리우레탄 수지와 혼합하여 내부에 열전달 경로를 갖는 다공성 복합 재료를 형성한다. 상기 다공성 복합 재료를 건조시킨다. 상기 다공성 복합 재료에 열압착 공정을 수행한다.

예시적인 구현예들에 있어서, 상기 열전달 경로는 열전도성 필러 분자들이 상기 다공성 복합 재료의 공기층 또는 기공을 따라 서로 연결되어 형성된 것일 수 있다.

예시적인 구현예들에 있어서, 우레탄 모노머는 물 개시형 우레탄 모노머(waterborn hydrophilic urethane monomer)일 수 있다. 상기 다공성 복합 재료는 열전도성 필러가 분산된 물에 의해 물 개시형 우레탄 모노머가 중합되어 다공성 폴리우레탄 수지가 형성되고, 상기 다공성 폴리우레탄 수지의 공기층(air gap) 또는 기공(pore)을 따라 상기 다공성 폴리우레탄 수지와 결합됨으로써 복합화될 수 있다.

예시적인 구현예들에 있어서, 상기 다공성 폴리우레탄 수지는 이소시아네이트 및 폴리올을 포함하는 연질 다공성 폴리우레탄 수지일 수 있다. 상기 열전도성 필러 분자들은 상기 다공성 폴리우레탄 수지의 이소시아네트와 공유 결합을 형성할 수 있다.

예시적인 구현예들에 있어서, 중합 및 복합화는 동시에 진행될 수 있다.

예시적인 구현예들에 있어서, 상기 폴리우레탄 수지는 스펀지 형상의 연질 폴리우레탄 수지일 수 있다. 상기 다공성 복합 재료는 상기 열전도성 필러가 분산된 물에 스펀지 형상의 연질 폴리우레탄 수지를 함침시킴으로써 형성될 수 있다.

예시적인 구현예들에 있어서, 상기 열전도성 필러를 물에 분산시키는 단계는 초음파 분산 또는 기계적 분산을 이용할 수 있다.

예시적인 구현예들에 있어서, 상기 열전도성 필러를 물에 분산시키기 이전에, 상기 열전도성 필러를 표면 개질 처리할 수 있다.

예시적인 구현예들에 있어서, 상기 열압착 공정은 300℃ 이하의 온도에서 수행될 수 있다.

본 발명에 따른 복합 재료는 열전도성 필러가 폴리우레탄 수지와의 강한 계면 결합을 통해 형성하는 3차원 구조의 열전달 경로를 가짐으로써 고방열 특성을 가질 수 있다. 특히, 본 발명에 따른 복합 재료는 열압착 공정을 통해 제조되므로 포논(phonon)의 산란이 최소화될 수 있다. 그 결과, 더욱 향상된 고방열 특성을 갖는 복합 재료의 구현이 가능하다.

또한, 상기 복합 재료는 고분자 수지로서 폴리우레탄 수지를 포함하기 때문에, 접을 수 있을 정도로 유연하며 동시에 고강도 특성을 가질 수 있다. 따라서 전자부품산업, 반도체 산업 등에 사용되는 방열판이나 방열 시트의 제조, 및 나아가 차세대 웨어러블 디바이스(wearable devices)의 제조에 유용하게 사용될 수 있다.

도 1은 본 발명의 예시적인 일 구현예에 따른, 물 개시형 우레탄 모노머(waterborn hydrophilic urethane monomer)를 이용한 3차원 구조의 열전달 경로 형성 과정을 도시한 모식도이다. 보다 구체적으로, 도 1a는 물 개시형 우레탄 모노머가 중합되어 형성된 다공성 폴리우레탄 수지를 도시한 것이다. 도 1b는 상기 다공성 폴리우레탄 수지에 열전도성 필러가 결합되어 형성된, 3차원 구조의 열전달 경로를 갖는 다공성 복합 재료를 도시한 것이다. 도 1c는 열압착 공정이 수행된 복합 재료 단면을 도시한 것이다.
도 2는 실시예 1에 따라 제조된 복합 재료를 도시한 사진들이다. 보다 구체적으로, 도 2a는 열압착 공정 수행 이전 실시예 1에 따라 제조된 다공성 복합 재료를 도시한 사진이고, 도 2b는 열압착 공정 수행 이후 실시예 1에 따라 제조된 필름 형상의 복합 재료를 도시한 사진이다. 도 2c는 유연성 테스트 중인 실시예 1에 따른 복합 재료를 도시한 사진이고, 도 2d는 잡아당김 특성 테스트 중인 실시예 1에 따른 복합 재료를 도시한 사진이다.
도 3은 비교예에 따라 제조된 열압착 공정 수행 이전의 다공성 폴리우레탄 수지을 도시한 사진이다.
도 4는 실시예 1 내지 4에 따라 제조된 필름 형상의 복합 재료들 및 비교예에 따라 제조된 폴리우레탄 필름을 도시한 사진들이다.
도 5는 열압착 공정 수행 이전 비교예에 따라 제조된 다공성 폴리우레탄 수지의 미세 구조(a) 및 실시예 1에 따라 제조된 복합 재료의 미세 구조(b)가 도시된 SEM 사진들이고, 실시예 1에 따라 제조된 복합 재료의 미세 구조 관찰 부위에서 EDX 분석(energy dispersive X-ray analysis) 그래프(c)이다.

이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예들을 상세히 설명하기로 한다.

본문에 개시되어 있는 본 발명의 실시예들은 단지 설명을 위한 목적으로 예시된 것으로서, 본 발명의 실시예들은 다양한 형태로 실시될 수 있으며 본문에 설명된 실시예들에 한정되는 것으로 해석되어서는 안 된다.

본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있는 바, 실시예들은 본 발명을 특정한 개시 형태로 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 할 것이다.

본 명세서에서 열전달 경로란, 다공성 고분자 수지의 공기층 또는 기공을 따라 이와 결합된 열전도성 필러 분자들이 서로 연결되어 형성되는 포논(phonon)의 이동 경로를 의미한다.

본 명세서에서 복합화가 일어난다, 복합화가 진행된다, 또는 복합화된다는 것은, 두 가지 이상의 재료가 물리적 및 화학적으로 서로 다른 상(phase)을 형성하면서 보다 유효한 기능을 갖도록 조합되는 것을 의미한다.

폴리우레탄- 열전도성 필러 복합 재료

본 발명의 복합 재료는 폴리우레탄-열전도성 필러 복합 재료로서, 폴리우레탄 수지; 및 상기 폴리우레탄 수지 내에서 열전달 경로를 형성하는 열전도성 필러를 포함하며, 내부에 공기층(air gap) 또는 기공(pore)을 갖지 않는다.

상기 폴리우레탄 수지는 다공성 폴리우레탄 수지가 압착된 것일 수 있다.

상기 열전달 경로는 열전도성 필러 분자들이 상기 다공성 폴리우레탄 수지의 공기층 또는 기공을 따라 상기 다공성 폴리우레탄 수지와 결합함으로써 연결된 뒤 압착되어 형성된 것일 수 있다. 이에 따라, 상기 열전달 경로는, 예를 들어 3차원의 그물 구조를 가질 수 있다. 고분자 수지 내에 열전도성 필러가 고함량으로 충전된 기존의 복합 재료들은 이와 같은 열전달 경로를 갖지 않기 때문에 방열 특성에 한계가 있는 반면, 본 발명의 복합 재료는 열전달 경로를 가져 이의 내부에서 포논(phonon)이 상기 열전달 경로를 따라 용이하게 이동할 수 있으므로 효율적인 열 전달이 가능하고, 그 결과 고방열 특성을 가질 수 있다.

상기 폴리우레탄 수지는 이소시아네이트 및 폴리올을 포함하는 연질 폴리우레탄 수지일 수 있다. 예시적인 일 구현예에 있어서, 상기 폴리우레탄 수지는 중합 중에 이산화탄소와 같은 기체를 발생시키는 물 개시형 우레탄 모노머(waterborn hydrophilic urethane monomer)로 이루어진 폴리우레탄 수지일 수 있다. 본 발명의 복합 소재는, 탄성 요소인 소프트 세그먼트와 강한 응집력을 가진 하드 세그먼트의 조합을 가져, 신장률, 인장 강도 등의 기계적 특성 및 가공성이 우수한 폴리우레탄 수지를 포함하기 때문에 유연함에도 불구하고 높은 강도를 가질 수 있다. 따라서, 예컨대 에폭시 수지와 같은, 기존의 다른 고분자 수지 기반 열전도성 복합 재료가 상대적으로 딱딱할 뿐만 아니라, 이의 내부에 고함량으로 열전도성 필러가 충전될 시에 가공성이 급격히 저하되어 취성이 커지는 문제점을 갖는 것과는 달리, 본 발명의 복합 소재는 상기 열전도성 필러를 상기 폴리우레탄 수지 중량 기준으로 약 80 중량% 미만의 고함량으로 포함하여도 접을 수 있을 정도로 유연하며 동시에 고강도 특성을 가질 수 있다.

상기 열전도성 필러는 금속, 세라믹, 탄소 소재 등을 하나 이상 포함할 수 있다. 상기 금속은, 예를 들어 금(Au), 알루미늄(Al), 구리(Cu), 은(Ag) 등일 수 있다. 상기 세라믹은 절연성 열전도성 필러로서, 예를 들어 질화붕소(boron nitride), 질화알루미늄(aluminum nitride), 알루미나(alumina), 탄화규소(silicon carbide), 산화알루미늄(aluminum oxide), 산화마그네슘(magnesium oxide), 산화아연(zinc oxide) 등일 수 있다. 상기 탄소 소재는, 예를 들어 그래파이트(graphite), 그래핀(graphene), 산화그래핀(grapheme oxide), 단일 및 다층벽 탄소나노튜브(carbon nanotube), 탄소 섬유(carbon fiber) 등일 수 있다. 예시적인 일 구현예에 있어서, 상기 열전도성 필러는 상기 폴리우레탄 수지의 이소시아네이트와 반응하여 카바메이트 에스테르(carbamate ester)를 형성하는 공유 결합을 형성할 수 있다. 한편, 상기 열전도성 필러는 상기 복합 재료의 제조 시 분산 특성을 향상시키고자 표면 개질 처리된 것일 수 있다.

상기 열전도성 필러는 특별히 제한되는 것은 아니나, 예를 들어 약 수십 nm 이상의 크기를 가질 수 있다. 특히, 상기 열전도성 필러의 크기가 클수록 상기 복합 재료의 열전도 효과가 커질 수 있으므로, 바람직하게는 약 1μm 이상의 크기를 가질 수 있다.

또한, 예시적인 구현예들에 있어서, 상기 열전도성 필러는 상기 폴리우레탄 수지 중량을 기준으로 약 1 중량% 이상 포함될 수 있고, 상기 복합 재료가 고유연성 특성 및 고강도 특성을 동시에 갖는 것을 고려할 경우에 바람직하게는 상기 폴리우레탄 수지 중량을 기준으로 약 80 중량% 미만으로 포함될 수 있다. 상기 열전도성 필러의 함량은 구현하고자 하는 상기 복합 재료의 방열 특성 정도에 따라 해당 범위 내에서 용이하게 변경할 수 있다.

상기 복합 재료는 내부에 공기층(air gap) 또는 기공(pore)을 갖지 않는, 예컨대 필름 형상을 가질 수 있다. 상기 복합 재료는 내부에 공기를 포함하지 않을 뿐만 아니라, 이를 구성하는 상기 폴리우레탄 수지 및 열전도성 필러의 계면 사이에 강한 공유 결합이 존재할 수 있기 때문에, 포논의 산란이 최소화될 수 있다. 따라서 상기 복합 재료는 더욱 향상된 고방열 특성을 가질 수 있다.

전술한 바와 같이, 본 발명의 복합 재료는 폴리우레탄 수지 및 이의 내부에 열전달 경로를 형성하는 열전도성 필러를 포함함으로써 고방열, 고유연성 및 고강도 특성을 모두 가질 수 있다. 그러므로 본 발명의 복합 재료는 전자부품산업, 반도체 산업 등에 사용되는 방열판이나 방열 시트 제조에 유용하게 사용될 수 있다. 특히, 본 발명의 복합 재료는 고유연성 특성을 가짐으로써 디자인 자유도가 높을 뿐만 아니라 높은 고강도 특성을 유지할 수 있으므로 차세대 웨어러블 디바이스(wearable devices)의 제조에 유용하게 사용될 수 있다.

폴리우레탄-열전도성 필러 복합 재료의 제조 방법

본 발명의 복합 재료는 도 1을 참조로 하여 다음의 공정들을 수행함으로써 제조될 수 있다.

표면 개질 처리되어 분산 특성이 향상된 열전도성 필러를 물에 분산시킨다.

상기 열전도성 필러는 전술한 바와 동일한 열전도성 필러일 수 있고, 예를 들어 초음파 분산 또는 기계적 분산을 이용하여 물에 분산시킬 수 있다. 물에 분산된 상기 열전도성 필러는 수산기(hydroxyl)을 가질 수 있다.

상기 열전도성 필러는 이후에 혼합되는 우레탄 모노머의 총 중량 또는 폴리우레탄 수지의 중량을 기준으로 약 1 중량% 이상, 바람직하게는 약 80 중량% 미만의 함량으로 사용될 수 있으며, 물에 분산되는 상기 열전도성 필러의 농도는 상기 함량 범위를 고려하여 구현하고자 하는 방열 특성 정도에 따라 용이하게 변경이 가능하다.

물에 분산된 열전도성 필러를 우레탄 모노머 또는 폴리우레탄 수지와 혼합하여, 도 1b에 도시된 바와 같이 내부에 열전달 경로를 갖는 다공성 복합 재료를 형성한다. 도 1b를 참조하면, 상기 열전달 경로는 상기 다공성 복합 재료의 공기층 또는 기공을 따라 서로 연결되어 형성된 것일 수 있다. 이에 따라, 상기 열전달 경로는, 예를 들어 3차원의 그물 구조를 갖도록 형성될 수 있다.

예시적인 일 구현예에 있어서, 우레탄 모노머는 물과 반응하여 이산화탄소화와 같은 기체를 발생시키는 물 개시형 우레탄 모노머(waterborn hydrophilic urethane monomer)일 수 있고, 상기 다공성 복합 재료는 물에 분산된 열전도성 필러와 이를 혼합함으로써 형성할 수 있다. 보다 구체적으로, 상기 혼합을 통해 우레탄 모노머의 중합이 개시되면서 이산화탄소와 같은 기체가 발생하여, 도 1a에 도시된 바와 같은 스펀지 형상의 연질 다공성 폴리우레탄 수지가 형성될 수 있다. 이때, 공유 결합(연질 다공성 폴리우레탄 수지의 이소시아네이트와 열전도성 필러의 폴리올(수산기 그룹들)이 반응하여 카바메이트 에스테르(carbamate ester)를 형성하는 공유 결합)과 같은 강한 계면 결합을 통해 상기 열전도성 필러 분자들이 상기 다공성 폴리우레탄 수지의 공기층(air gap) 또는 기공(pore) 표면 상에 강하게 결합됨으로써 도 1b에 도시된 바와 같은 구조로 복합화가 진행될 수 있다. 즉, 상기 열전달 경로를 갖는 상기 다공성 복합 재료는 전술한 바와 같은 중합 및 복합화가 동시에 진행됨에 따라 상기 열전도성 필러 및 물 개시형 우레탄 모노머가 즉시 한번에 합성(spontaneous one-step synthesis)되어 형성될 수 있다.

한편, 중합 시 상기 열전도성 필러가 분산된 물의 함량은, 예를 들어 물 개시형 우레탄 모노머의 총 중량을 기준으로 약 50 중량% 이상, 바람직하게는 약 100 중량% 이상일 수 있다. 또한, 중합 및 복합화는, 예를 들어 약 10분 이내, 바람직하게는 약 5분 이내, 보다 바람직하게는 약 3분 이내의 시간 동안 진행될 수 있다.

또는 이와는 다르게, 다른 예시적인 일 구현예에 있어서, 상기 폴리우레탄 수지는 이미 형상화되어 있는 스펀지 형상의 폴리우레탄 수지일 수 있고, 상기 다공성 복합 재료는 상기 열전도성 필러가 분산된 물에 이를 함침시킴으로써 형성할 수 있다. 그러나 이 경우에는 전술한 방법과 달리, 다공성 폴리우레탄 수지의 형성과 동시에 상기 열전도성 필러의 결합이 이루어지는 것이 아니므로 상기 열전도성 필러 및 다공성 폴리우레탄 수지 사이에 공유 결합과 같은 강한 계면 결합이 형성되지 않는다. 즉, 상기 열전도성 필러 및 다공성 폴리우레탄 수지 사이에 상대적으로 약한 결합이 형성되므로 열전도성 필러의 충전이 제한적일 수 있으며, 따라서 구현 가능한 방열 특성에 한계가 있을 수 있다. 그러므로 이미 형상화되어 있는 스펀지 형상의 폴리우레탄 수지를 이용하는 것보다 전술한 바와 같이 물과 반응하여 이산화탄소화와 같은 기체를 발생시키는 물 개시형 우레탄 모노머(waterborn hydrophilic urethane monomer)를 이용하여 다공성 복합 재료를 형성하는 것이 보다 바람직할 수 있다.

건조 공정을 통해 상기 다공성 복합 재료를 건조시키고, 열압착 공정을 수행하여 상기 다공성 복합 재료의 공기층(air gap) 또는 기공(pore)을 제거한다. 도 1c를 참조하면, 열압착 공정을 통해 상기 다공성 복합 재료는 내부에 공기를 포함하지 않는, 예컨대 필름 형상으로 가공될 수 있다.

상기 건조 공정은, 예를 들어 약 200℃ 이내, 바람직하게는 약 150℃ 이내의 온도에서 수행될 수 있다.

상기 열압착 공정은, 예를 들어 약 300℃ 이내, 바람직하게는 약 200℃ 이내의 온도에서 수행될 수 있고, 제조하고자 하는 상기 복합 재료의 두께에 따라 다양한 압력 범위 조건에서 수행될 수 있다.

기존의 고분자 수지-열전도성 필러 복합 재료들은 다공성 복합 재료의 형성 이후에 열전도성 필러 또는 해당 고분자 수지와는 다른 물질들을 이의 내부에 채워 넣어 공기층(air gap)이나 기공(pore)을 매립함으로써 제거하지만, 이와 같은 방법은 해당 복합 재료의 유연성을 감소시킬 뿐만 아니라, 이종 물질로 매립된 공기층(air gap) 또는 기공(pore)의 계면 상에서 포논(phonon)의 산란을 야기할 수 있다. 그러나 본 발명의 복합 재료의 제조 방법은 이와는 달리 열압착 공정을 이용함으로써 공기층(air gap)이나 기공(pore)을 보다 효과적으로 제거할 수 있다. 따라서, 포논(phonon)의 산란으로 인해 해당 복합 재료의 방열 특성이 감소되는 문제점을 보다 근본적으로 해결할 수 있다.

전술한 바와 같은 공정을 통해, 고방열, 고유연성 및 고강도 특성을 갖는 본 발명의 복합 재료를 용이하게 제조할 수 있다. 전술한 제조 방법은 간단할 뿐만 아니라 낮은 제조 단가가 요구되므로 대량 생산 및 스케일 업(scale up)이 가능할 수 있다.

이하의 실시를 통하여 본 발명은 더욱 상세하게 설명된다. 단, 실시예는 본 발명을 예시하기 위한 것으로서 이들만으로 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니다.

[실시예 1]

열전도성 필러로서 질화붕소(8μm, ㈜ denka) 2g을 물에 30분 동안 초음파 분산기를 이용하여 분산시켰다. 고분자 수지로서 물에 의해 중합이 개시되고 3차원 기공 구조를 형성할 수 있는 물 개시형(waterborn hydrophilic) 우레탄 단일 모노머(HYPOL series, ㈜ dow chemical) 10g이 담겨있는 비커에 질화붕소가 분산된 물을 투입하고 상온에서 3분 이내로 교반하여 혼합물을 제조하였다. 바닥이 평평한 페트리디쉬에 상기 혼합물을 부어주고 60℃의 진공 오븐에서 3시간 동안 건조시켰다. 그 결과, 도 2a에 도시된 바와 같은 다공성 구조의 폴리우레탄-질화붕소 복합 재료를 얻을 수 있었다.

이후, 150℃의 열 압착기를 이용하여 다공성 구조의 폴리우레탄-질화붕소 복합 재료에 열압착 공정을 수행하였다. 이에 따라, 도 2b 및 4에 도시된 바와 같은 기공 또는 공기층이 제거된 얇은 필름 형태의 폴리우레탄-질화붕소 복합 재료(질화붕소 함량은 폴리우레탄 중량 대비 20wt%)가 제조되었다.

제조된 상기 복합 재료는 도 2c에 도시된 바와 같이 접힐 수 있을 정도로 매우 유연하였으며, 도 2d에 도시된 바와 같이 잡아당김에도 복원력이 뛰어났다.

[실시예 2]

3g의 질화붕소를 사용하는 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 공정을 수행하여, 기공 또는 공기층이 제거된 얇은 필름 형태의 폴리우레탄-질화붕소 복합 재료(질화붕소 함량은 폴리우레탄 중량 대비 30wt%)를 제조하였다(도 4 참조).

[실시예 3]

5g의 질화붕소를 사용하는 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 공정을 수행하여, 기공 또는 공기층이 제거된 얇은 필름 형태의 폴리우레탄-질화붕소 복합 재료(질화붕소 함량은 폴리우레탄 중량 대비 50wt%)를 제조하였다(도 4 참조).

[실시예 4]

10g의 질화붕소를 사용하는 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 공정을 수행하여, 기공 또는 공기층이 제거된 얇은 필름 형태의 폴리우레탄-질화붕소 복합 재료(질화붕소 함량은 폴리우레탄 중량 대비 80wt%)를 제조하였다(도 4 참조).

[비교예]

질화붕소를 투입하지 않은 물 30g과 물 개시형(waterborn hydrophilic) 우레탄 단일 모노머(HYPOL series, ㈜ dow chemical) 10g을 혼합한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 공정을 수행하였다. 그 결과, 도 3에 도시된 바와 같은 다공성 폴리우레탄 수지가 형성되었고, 이후 열압착 공정을 통해 최종적으로 도 4에 도시된 바와 같은, 기공 또는 공기층이 제거된 폴리우레탄 필름이 제조되었다.

복합 재료의 기계적 강도 평가

복합 재료의 기계적 강도를 평가하기 위하여, 실시예 1 내지 4에 따라 제조된 복합 재료둘 및 비교예에 따라 제조된 폴리우레탄 필름의 인장 강도 및 연신율을 측정하였다. 인장 강도 및 연신율은 ASTM 규격에 맞게 준비된 상기 복합 재료들 및 폴리우레탄 필름의 시편들에 대해 만능재료시험기(UTM, Instron 5985)를 사용하여 측정하였다. 측정된 결과는 [표 1]에 도시된 바와 같다.

	실시예 1	실시예 2	실시예 3	실시예 4	비교예
인장 강도(Mpa)	2.5	3.6	3.7	2.8	2
연신율(%)	283	576	241	38	197

[표 1]을 참조하면, 비교예 1에 따라 제조된 폴리우레탄 필름의 경우 2 Mpa의 인장 강도 및 약 200%의 연신율을 나타내었고, 실시예 1 내지 4에 따라 제조된 폴리우레탄-질화붕소 복합 재료들은 대체로 이보다 높은 인장 강도 및 연신율을 나타내었다. 특히, 인장 강도의 경우, 실시예 1 내지 4에 따라 제조된 복합 재료들은 모두 비교예에 따라 제조된 폴리우레탄 필름보다 높은 인장 강도를 갖는 것을 확인할 수 있었다. 연신율의 경우에는, 실시예 1 내지 3에 따라 제조된 복합 재료들은 비교예에 따라 제조된 폴리우레탄 필름보다 높은 연신율을 나타내었고, 다만, 80 wt% 이상의 질화붕소를 포함하는 실시예 4에 따라 제조된 복합 재료는 비교예에 따라 제조된 폴리우레탄 필름보다 낮은 연신율을 나타내었다. 따라서 이를 통해, 본 발명의 폴리우레탄-열전도성 필러 복합 재료는 우수한 기계적 특성(고강도 및 고유연성 특성)을 갖는 것을 알 수 있었다.

복합 재료의 미세 구조 평가

복합 재료의 미세 구조를 평가하기 위하여, 실시예 1에 따라 제조된 복합 재료 및 비교예에 따라 제조된 열압착 공정 수행 이전의 다공성 폴리우레탄 수지에 대해 주사전자현미경(scanning electron microscope, SEM)을 이용해 미세 구조를 관찰하였다. 또한, 실시예 1에 따라 제조된 복합 재료에 대해 미세 구조 관찰 부위에서 EDX 분석(energy dispersive X-ray analysis)을 수행하였다. 그 결과는 도 5에 도시된 바와 같다.

도 5를 참조하면, 비교예에 따라 제조된 다공성 폴리우레탄 수지는 열압착 공정이 수행되지 않아 (a)에 도시된 바와 같이 다수의 기공(pore) 또는 공기층(air gap)을 가졌지만, 이와는 달리 실시예 1에 따라 제조된 복합 재료는 열압착 공정이 수행되어 (b)에 도시된 바와 같이 내부에 기공(pore) 또는 공기층(air gap)을 갖지 않는 것을 확인할 수 있었다. 이에 따라, 열압착 공정을 수행하여 복합 재료 내부의 공기층(air gap) 또는 기공(pore)을 효과적으로 제거할 수 있으며, 이를 통해 포논(phonon) 산란이 최소화된 구조로 복합 재료를 제조할 수 있는 것을 알 수 있었다.

또한, EXD 분석 결과, 실시예 1에 따라 제조된 복합 재료의 SEM 관찰 부위에서 붕소(B)와 질소(N)가 모두 검출되는 것을 확인할 수 있었다. 따라서, 질화붕소와 폴리우레탄 수지가 잘 복합화되어 있으며, 이를 통해 고방열, 고유연성, 고강도 특성을 갖는 복합 재료를 제조할 수 있는 것을 알 수 있었다.

복합 재료의 물성 평가

복합 재료의 물성을 평가하기 위하여, 실시예 1 내지 4에 따라 제조된 복합 재료들의 밀도, 비열용량(specific heat capacity), 열 확산도 및 열전도도를 측정하였다. 이때, 밀도는 실시예 1 내지 4에 따라 제조된 복합 재료들의 질량과 부피를 측정하여 직접 계산하였다. 비열은 시차주사열량계(DSC, TA instrument사)를 사용하여 측정하였다. 열확산도는 광교류법 열확산도 측정장치(LaserPIT-M2, ULVAC사)를 사용하여 상온에서 측정하였다. 열전도도는 면 방향(in-plane) 열전도도 및 축 방향 열전도도를 모두 측정하였다. 구체적으로, 면 방향(in-plane) 열전도도는 하기 [수학식 1]을 이용하여 계산하였다. 축 방향(out of plane) 열전도도는 ASTM D5470 측정기준에 따라 상온에서 측정 장치(Techmocon M100, Hantech 사)를 사용하여 측정하였다.

[수학식 1]

면 방향 열전도도(in-plane thermal conductivity, λ) = 열확산도(α) ⅹ 비열(Cp) ⅹ 밀도(ρ)

측정된 결과는 [표 2]에 도시된 바와 같다.

				열전도도(W/mK)
	밀도 (g/m3)	비열용량 (J/gK)	열확산도 (m2/s)	면 방향 (In-plane)	축 방향 (Out of plane)
실시예 1	9.4·E05	0.018	7.43·E-05	1.25	1.28
실시예 2	1·E06	0.009	1.66·E-04	1.81	1.58
실시예 3	2·E06	0.007	1.45·E-03	15.8	10.5
실시예 4	1·E06	0.008	9.93·E-04	9.99	3.8

단열재료 쓰이는 폴리우레탄은 일반적으로 약 0.01 이하의 열전도도 값을 갖는다. 그러나 [표 2]를 참조하면, 실시예 1 내지 4에 따라 제조된 복합 재료들은 모두 이보다 훨씬 높은 열전도도 값을 갖는 것을 확인할 수 있었다. 따라서, 질화붕소가 충전됨으로써 폴리우레탄의 열전도도가 높아지는 것을 알 수 있었다.

특히, 질화붕소의 함량에 비례하여 해당 복합 재료의 열전도도 값이 증가하는 것을 확인할 수 있었는데, 이는 열전달 경로를 형성하는 질화붕소가 점점 많아지기 때문이다. 즉, 실시예 1에 따라 제조된 복합 재료와 같이 질화붕소 함량이 상대적으로 낮을 때에는 질화붕소(열전도성 필러) 분자들이 열전달 경로 상에 위치하고는 있으나 이의 함량이 상대적으로 낮기 때문에 부분적으로 서로 연결되지 않지만, 실시예 3에 따라 제조된 복합 재료와 같이 질화붕소 함량이 상대적으로 높을 때에는 질화붕소(열전도성 필러) 분자들이 열전달 경로 상에 위치하여 서로 연결됨으로써 보다 높은 열전도도 값을 나타내는 것이다. 따라서, 해당 복합 재료 내의 열전도성 필러 함량이 증가될수록 열전달 경로의 완성도가 높아지는 것을 알 수 있었다.

뿐만 아니라, [표 2]를 참조하면, 실시예 1 내지 4에 따라 제조된 복합 재료들이 면 방향(in-plane)과 축 방향(out of plane)에서 모두 높은 열전도도 값을 갖는 것을 확인할 수 있었다. 이는, 어느 한 방향으로 치우치지 않고 모든 방향으로 질화붕소(열전도성 필러)가 잘 분산되어 연결됨으로써 3차원 구조의 열전달 경로가 형성된 것을 의미한다. 이를 통해, 본 발명의 복합 재료는 고방열 특성을 갖는 것을 알 수 있었다.

한편, 실시예 4에 따라 제조된 복합 재료(질화붕소 함량 80중량%)의 경우, 실시예 3에 따른 복합 재료(질화붕소 함량 50중량%)보다 고함량으로 질화붕소(열전도성 필러)가 충전되었음에도 불구하고 낮은 열전도도 값을 나타내었다. 이는 열전도성 필러의 과다 충전으로 인해서 열전달 경로 형성에 필요한 다공성 폴리우레탄 수지의 중합이 상대적으로 어려워진 것으로 판단된다. 즉, 열전도성 필러의 과다 충전으로 폴리우레탄의 유동성이 저하되고, 이는 3차원의 다공성 구조(porous structure)를 만드는 데 영향을 미쳐, 결과적으로 열전달 경로가 효율적으로 형성되지 않은 것으로 생각된다.

Claims (15)

1. 복합 재료로서,
   폴리우레탄 수지; 및
   상기 폴리우레탄 수지 내에서 열전달 경로를 형성하는 열전도성 필러를 포함하고,
   내부에 공기층(air gap) 또는 기공(pore)을 갖지 않고,
   상기 복합 재료는 다공성 복합 재료가 압착되어 공기층 또는 기공이 제거된 것이고,
   상기 다공성 복합 재료는 다공성 폴리우레탄 수지; 및 상기 다공성 폴리우레탄 수지의 공기층 또는 기공의 표면에 결합된 열전도성 필러;를 포함하며, 상기 열전도성 필러 분자들은 다공성 폴리우레탄 수지의 이소시아네이트와 공유 결합을 형성하고,
   상기 다공성 복합 재료는 물에 분산된 열전도성 필러가 우레탄 모노머와 혼합된 상태에서 중합 및 복합화되어 형성된 것을 특징으로 하는 복합 재료.
2. 제1항에 있어서,
   상기 열전달 경로는 열전도성 필러 분자들이 상기 다공성 폴리우레탄 수지의 공기층 또는 기공을 따라 상기 다공성 폴리우레탄 수지와 결합함으로써 연결된 뒤 압착되어 형성된 것을 특징으로 하는 복합 재료.
3. 제1항에 있어서,
   상기 폴리우레탄 수지는 이소시아네이트 및 폴리올을 포함하는 연질 폴리우레탄 수지인 것을 특징으로 하는 복합 재료.
4. 제1항에 있어서,
   상기 열전도성 필러는 금속, 세라믹 및 탄소 소재로 이루어진 그룹에서 선택되는 하나 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 복합 재료.
5. 제1항에 있어서,
   상기 열전도성 필러는 상기 폴리우레탄 수지 중량을 기준으로 1 중량% 이상 내지 80 중량% 미만으로 포함되는 것을 특징으로 하는 복합 재료.
6. 제1항에 있어서,
   상기 복합 재료는 필름 형상을 갖는 것을 특징으로 하는 복합 재료.
7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 따른 복합 재료의 제조 방법으로,
   열전도성 필러를 물에 분산시키는 단계;
   물에 분산된 열전도성 필러를 우레탄 모노머와 혼합한 후 중합 및 복합화시켜 다공성 폴리우레탄 수지 및 다공성 폴리우레탄 수지의 공기층(air gap) 또는 기공(pore)의 표면에 결합된 열전도성 필러를 포함하는 다공성 복합 재료를 형성하는 단계;
   상기 다공성 복합 재료를 건조시키는 단계; 및
   상기 다공성 복합 재료에 열압착 공정을 수행하여 공기층 또는 기공을 제거하는 단계를 포함하는 복합 재료의 제조 방법.
8. 삭제
9. 제7항에 있어서,
   우레탄 모노머는 물 개시형 우레탄 모노머(waterborn hydrophilic urethane monomer)이며,
   상기 다공성 폴리우레탄 수지는 열전도성 필러가 분산된 물에 의해 물 개시형 우레탄 모노머가 중합되어 형성되는 것을 특징으로 하는 복합 재료의 제조 방법.
10. 삭제
11. 제7항에 있어서,
    중합 및 복합화는 동시에 진행되는 것을 특징으로 하는 복합 재료의 제조 방법.
12. 삭제
13. 제7항에 있어서,
    상기 열전도성 필러를 물에 분산시키는 단계는 초음파 분산 또는 기계적 분산을 이용하는 것을 특징으로 하는 복합 재료의 제조 방법.
14. 제7항에 있어서,
    상기 열전도성 필러를 물에 분산시키는 단계 이전에,
    상기 열전도성 필러를 표면 개질 처리하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 복합 재료의 제조 방법.
15. 제7항에 있어서,
    상기 열압착 공정은 300℃ 이하의 온도에서 수행되는 것을 특징으로 하는 복합 재료의 제조 방법.

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