KR101891560B1

KR101891560B1 - 전자파 차폐성 및 흡수성과 열전도성을 갖는 3d 프린터용 필라멘트 및 그 제조방법

Info

Publication number: KR101891560B1
Application number: KR1020160105875A
Authority: KR
Inventors: 김상엽; 공경표; 고영희; 최재령; 정병문; 이상복; 좌용호; 김기현; 이상관; 최철규; 서금석
Original assignee: 신일화학공업(주); 한국기계연구원
Priority date: 2016-08-22
Filing date: 2016-08-22
Publication date: 2018-08-27
Also published as: KR20180021403A

Abstract

본 발명은, 유리섬유와, 상기 유리섬유 표면에 코팅된 FeCoNi계 자성물질과, 상기 FeCoNi계 자성물질로 코팅된 복수 개의 유리섬유 둘레를 감싸도록 피복된 열전도성 수지를 포함하는 3D 프린터용 필라멘트 및 그 제조방법에 관한 것이다. 본 발명에 의하면, 전자파 차폐성과 흡수능 그리고 방열 성능을 동시에 가질 수 있다.

Description

전자파 차폐성 및 흡수성과 열전도성을 갖는 3D 프린터용 필라멘트 및 그 제조방법{3D Printing filament with electromagnetic absorbing and shielding ability and high thermal conductivity and manufacturing method of the same}

본 발명은 3D 프린터용 필라멘트 및 그 제조방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 전자파 차폐성과 흡수성을 갖고, 열전도성이 우수한 3D 프린터용 필라멘트 및 그 제조방법에 관한 것이다.

3D 프린터는 입력된 도면을 바탕으로 실제 입체 모양을 제작하는 장비이다. 최근 3D 프린터는 산업용 뿐 아니라 개인용으로의 보급이 확대되고 있는 추세이며, 이를 이용한 다양한 모형의 제품 및 샘플을 제작할 수 있다. 3D 프린터의 원리는 절삭형과 적층형이 있으나, 재료 손실 면에서 적층형이 유리하다. 적층형 방식에서 가장 많이 활용되는 방식은 FDM(Fused Deposition Modeling), SLA(Sterolithography Apparatus), SLS(Selective Laser Sintering) 방식이다. 이중 FDM 방식은 열가소성 플라스틱의 필라멘트 소재가 프린터의 노즐에서 용융상태로 토출되어 3차원의 조형물을 만들게 된다. 이러한 FDM 방식은 3D 프린터의 가격이 비교적 저렴하며, 타방식에 비해 작업 속도가 빠르다. 열가소성 플라스틱의 접착력, 형태 안정성을 고려하여 PLA(Polyactic acid), ABS(Acrylonitrile Butadiene Styrene), PC(Polycarbonate), HDPE(High density polyethylene) 등의 소재가 많이 활용되고 있다.

3D 프린터 제품을 전기/전자부품들로 활용할 시에 다품종화, 소형화, 경량화에 대한 강점을 지닌다. 그러나, 고분자 소재는 전기 절연체이고 전자파를 통과시키기 때문에 전자부품 하우징, 케이스(Case) 등으로 사용될 때 전자파 간섭에 의한 부품 오작동, 신뢰성, 전자부품의 수명 단축 등의 큰 문제를 야기할 수 있다. 이에 3D 프린터용 필라멘트 소재가 전자파 차폐성 및 흡수성과 열전도성을 가진다면 기존에 전자파로 인해 문제가 되는 부품을 3D 프린터를 활용하여 제작할 수 있다.

대한민국 공개특허공보 제10-2015-0042661호

본 발명이 해결하고자 하는 과제는 전자파 차폐와 흡수를 위한 FeCoNi계 자성물질로 코팅된 유리섬유와 전자파 흡수시 발생한 열을 방출하기 위한 열전도성 수지를 포함하여 구성되어 있으며, 전자파 차폐성과 흡수능 그리고 방열 성능을 동시에 갖는 3D 프린터용 필라멘트 및 그 제조방법을 제공함에 있다.

본 발명은, 유리섬유와, 상기 유리섬유 표면에 코팅된 FeCoNi계 자성물질과, 상기 FeCoNi계 자성물질로 코팅된 복수 개의 유리섬유 둘레를 감싸도록 피복된 열전도성 수지를 포함하는 3D 프린터용 필라멘트를 제공한다.

상기 열전도성 수지는 열가소성 수지에 팽창흑연이 불연속적으로 균일하게 분산되어 있는 수지를 포함할 수 있다.

상기 열가소성 수지는 폴리카보네이트 수지, 상기 폴리카보네이트 수지 100 중량부에 대하여 PCTG 수지 1∼7 중량부 및 상기 폴리카보네이트 수지 100 중량부에 대하여 PETG 수지 5∼13 중량부를 포함할 수 있다.

상기 팽창흑연은 상기 열전도성 수지에 상기 열가소성 수지 100중량부에 대하여 5.0∼13.0 중량부 함유되어 있는 것이 바람직하다.

상기 팽창흑연은 10∼200nm의 크기를 가지면서 상기 열가소성 수지에 분산되어 있는 것이 바람직하다.

상기 열전도성 수지는 0.5∼2.0 ㎜의 두께로 피복되어 있는 것이 바람직하다.

상기 FeCoNi계 자성물질은 0.5∼2.5 ㎛의 두께로 코팅되어 있는 것이 바람직하다.

상기 유리섬유는 7∼25㎛의 평균 직경을 갖고 270∼2400 g/km의 텍스(Tex)를 갖는 섬유를 포함하는 것이 바람직하다.

또한, 본 발명은, 열전도성 수지를 형성하는 단계, 유리섬유 표면에 FeCoNi계 자성물질을 코팅하는 단계 및 상기 FeCoNi계 자성물질로 코팅된 복수 개의 유리섬유 둘레를 감싸도록 상기 열전도성 수지를 피복하는 단계를 포함하는 3D 프린터용 필라멘트의 제조방법을 제공한다.

상기 열전도성 수지를 형성하는 단계는, 상기 열가소성 수지와 팽창흑연을 포함하는 출발원료를 압출기(extruder)에 투입하여 열전도성 수지를 형성한다.

상기 팽창흑연은 상기 열전도성 수지에 상기 열가소성 수지 100중량부에 대하여 5.0∼13.0 중량부 함유되게 하는 것이 바람직하다.

상기 FeCoNi계 자성물질을 코팅하는 단계는, 유리섬유 표면을 틴 클로라이드 및 팔라듐 중에서 선택된 1종 이상의 물질로 촉매처리 하는 단계 및 상기 촉매처리된 유리섬유의 표면에 FeCoNi계 자성물질을 무전해도금하여 코팅하는 단계를 포함할 수 있다.

상기 FeCoNi계 자성물질은 0.5∼2.5 ㎛의 두께로 코팅하는 것이 바람직하다.

상기 FeCoNi계 자성물질로 코팅된 복수 개의 유리섬유 둘레를 감싸도록 상기 열전도성 수지를 피복하는 단계는, 상기 FeCoNi계 자성물질로 코팅된 복수 개의 유리섬유를 니플(Nipple)을 통해 공급하는 단계와, 상기 열전도성 수지를 용융시키고 용융 수지를 크로스헤드(Cross head)를 통해 공급하는 단계와, 상기 FeCoNi계 자성물질로 코팅된 유리섬유가 상기 용융 수지에 함침된 후 다이(Die)를 통해 직경이 제어되면서 토출되게 하는 단계와, 토출된 결과물을 냉각하는 단계 및 냉각된 결과물을 와인딩(Winding) 장치를 통해 감는 단계를 포함할 수 있다.

상기 다이(Die)를 통해 상기 열전도성 수지가 0.5∼2.0 ㎜의 두께로 피복되게 제어하는 것이 바람직하다.

본 발명에 의하면, 전자파 차폐와 흡수를 위한 FeCoNi계 자성물질로 코팅된 유리섬유와 전자파 흡수시 발생한 열을 방출하기 위한 열전도성 수지를 포함하여 구성되어 있으며, 전자파 차폐성과 흡수능 그리고 방열 성능을 동시에 갖는다. 유리섬유는 전자파 차폐능과 흡수능이 뛰어난 FeCoNi계 자성물질로 코팅되어 있고, 열전도성이 뛰어난 열전도성 수지로 피복되어 있으므로, 전자부품에서 발생한 전자파를 흡수하는 동시에 전자파 흡수시 발생된 열을 축적하지 않고 열전도성 수지에 의하여 제거하여 연속적인 전자파의 흡수능을 유지할 수 있게 하여 전자파 흡수능을 향상할 수 있다.

우수한 전자파 차폐성과 흡수능을 갖는 본 발명의 3D 프린터용 필라멘트는 3D 프린터로 공급되어 성형물로 제작될 수 있고, 상기 성형물은 전자파 차폐성과 흡수능 그리고 방열 성능을 동시에 갖게 되며, 전자파 차폐성과 흡수능이 필요한 응용 분야에 다양하게 적용될 수 있다.

도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 3D 프린터용 필라멘트의 단면구조를 보여주는 도면이다.
도 2는 실험예에서 사용된 니플(Nipple)의 구조를 보여주는 도면이다.
도 3은 실험예에서 사용된 다이(Die)의 구조를 보여주는 도면이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 상세하게 설명한다. 그러나, 이하의 실시예는 이 기술분야에서 통상적인 지식을 가진 자에게 본 발명이 충분히 이해되도록 제공되는 것으로서 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 다음에 기술되는 실시예에 한정되는 것은 아니다.

본 발명의 바람직한 실시예에 따른 3D 프린터용 필라멘트는, 유리섬유와, 상기 유리섬유 표면에 코팅된 FeCoNi계 자성물질과, 상기 FeCoNi계 자성물질로 코팅된 복수 개의 유리섬유 둘레를 감싸도록 피복된 열전도성 수지를 포함한다.

본 발명의 바람직한 실시예에 따른 D 프린터용 필라멘트의 제조방법은, 열전도성 수지를 형성하는 단계, 유리섬유 표면에 FeCoNi계 자성물질을 코팅하는 단계 및 상기 FeCoNi계 자성물질로 코팅된 복수 개의 유리섬유 둘레를 감싸도록 상기 열전도성 수지를 피복하는 단계를 포함한다.

이하에서, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 3D 프린터용 필라멘트의 제조방법을 더욱 구체적으로 설명한다.

1. 열전도성 수지의 제조

열전도성 수지를 형성한다. 상기 열전도성 수지는 전자파의 흡수로 인해 생성된 열을 방출하고 FeCoNi계 자성물질이 코팅된 유리섬유의 외부를 보호하기 위한 층으로, 친환경 열가소성 수지에 열전도성 특성이 우수한 팽창흑연을 압출기로 컴파운딩한 재료를 사용하는 것이 바람직하다.

상기 열전도성 수지는 매트릭스를 이루는 열가소성 수지와, 상기 열가소성 수지 내에 불연속적으로 균일하게 분산되어 있는 열전도성이 우수한 팽창흑연을 포함한다. 상기 열전도성 수지는 열가소성 수지에 팽창흑연(expanded graphite)이 불연속적으로 균일하게 분산되어 있는 형태를 이룬다.

상기 열가소성 수지는 폴리올레핀계 수지, 폴리아미드계 수지, 폴리부틸렌테레프탈레이트계 수지, 아크릴로니트릴 부타디엔 스티렌 공중합체, 폴리카보네이트계 수지, 폴리에스터계 수지, 폴리페닐렌설파이드계 수지 및 열가소성 엘라스토머 수지 중에서 선택된 1종 이상의 열가소성 수지일 수 있다. 매트릭스를 이루는 상기 열가소성 수지로 친환경 열가소성 고분자 수지를 사용하는 것이 바람직하며, 더욱 구체적으로는 폴리카보네이트계 수지를 사용하는 것이 바람직하다. 구체적으로, 폴리카보네이트 수지, 상기 폴리카보네이트 수지 100 중량부에 대하여 재활용 열가소성 고분자 수지 1∼7 중량부, 상기 폴리카보네이트 수지 100 중량부에 대하여 바이오 기반 열가소성 고분자 수지 5∼13 중량부를 포함하는 폴리카보네이트계 수지를 사용할 수 있다. 상기 재활용 열가소성 고분자 수지는 폴리시클로헥산디메틸렌 테레프탈레이트 글리콜(plolycyclohexanedimethylene terephthalate glycol; PCTG)일 수 있고, 상기 바이오 기반 열가소성 고분자 수지는 폴리에틸렌 테레프탈레이트 글리콜(polyethylene terephthalate glycol; PETG)일 수 있다.

하기의 화학식 1은 선형 사슬(linear chain) 폴리카보네이트의 구조를 보여주며, 상기 선형 사슬 폴리카보네이트는 12000∼24000 정도의 평균 분자량을 가지며, ASTM D-1238에 따라 300℃에서 1.2kg 하중에서 10분당 10∼50g 정도의 용융흐름(melt flow)을 가진다.

[화학식 1]

폴리에틸렌 테레프탈레이트 글리콜(PETG) 수지는 시트 압출(sheet extrusion), 사출 성형(injection molding), 압출 블로우 성형(extrusion-blow molding), 프로파일 압출(profile extrusion) 등에 대하여 우수한 특성을 제공한다.

폴리에틸렌 테레프탈레이트 글리콜(PETG) 수지는 테레프탈산(terephthalic acid; TPA)과 에틸렌글리콜(ethylene glycol; EG)의 반응에 의해 형성되는 비결정성 공중합체(amorphous copolymer)이며, 상기 폴리에틸렌 테레프탈레이트 글리콜(PETG)은 에틸렌글리콜(ethylene glycol; EG)의 일부가 시클로헥산디메탄올(cyclohexanedimethanol; CHDM)로 치환된 것이다. 아래의 화학식 2는 폴리에틸렌 테레프탈레이트 글리콜(PETG)의 구조를 보여준다.

[화학식 2]

상기 시클로헥산디메탄올(CHDM)(1,4 cyclohexanedimethanol)은 결정화를 방지하며, 우수한 인성(toughness), 투명도 및 내화학성을 갖게 하고 가공성을 개선한다. 시클로헥산디메탄올(CHDM)은 일반적으로 수소화(hydrogenation)에 의해 디메틸테레프탈레이트(dimethyl terephthalate; DMT)를 유도한다.

폴리에틸렌 테레프탈레이트 글리콜(PETG) 수지는 구형의 그래뉼(spherical granule)이 원통형의 그래뉼(cylindrical granule)에 비하여 체적 밀도(bulk density)가 높고 압출기 주입 특성(extruder feeding property)이 우수하다. 폴리에틸렌 테레프탈레이트 글리콜(PETG) 수지는 폴리카보네이트 보다 내화학성이 우수하고, 냉간굽힘(cold bending)이 용이하며, 인쇄(printing)가 쉽고, 가열성형(thermoforming)이 뛰어나며, 프로세싱 윈도우(processing window)가 넓다. 폴리에틸렌 테레프탈레이트 글리콜(PETG) 수지는 우수한 투명도를 유지하면서 폴리카보네이트와 쉽게 혼합된다. 폴리에틸렌 테레프탈레이트 글리콜(PETG) 수지는 0.75dl/g 정도의 고유 점도를 가지며, 150% 이상의 우수한 신장력과 우수한 난연 특성을 가진다.

하기의 화학식 3은 폴리시클로헥산디메틸렌 테레프탈레이트 글리콜(polycyclohexanedimethylene terephthalate glycol; PCTG)의 구조식으로서, 폴리시클로헥산디메틸렌 테레프탈레이트 글리콜(PCTG)의 화학적 구조는 수산기(OH)로 치환되는 시클로헥산 디메탄올(CHDM)의 함량이 증가된다는 점을 제외하고는 폴리에틸렌 테레프탈레이트 글리콜(PETG)과 유사하다.

[화학식 3]

열전도성 재료인 팽창흑연은 열전도성 수지에 상기 열가소성 수지 100 중량부에 대하여 5.0∼13.0 중량부, 더욱 구체적으로는 7.4∼11.0 중량부 함유되는 것이 바람직하다. 팽창흑연은 우수한 열전도성과 전기전도성을 보유하고 있고, 열가소성 수지에 분산되어 높은 열전도도와 효율적인 열전달 경로를 제공할 수 있는 입자 형상을 가질 수 있는 열전도성 필러이다.

팽창흑연은 흑연이 황산, 과산화수소 및 NH₄S₂O₈ 등으로 정제된 후 300 ℃ 보다 높은 온도에서 박리화된 것일 수 있으며, 박리화된 흑연판들이 서로 연결되어 연전달 경로를 갖는 파우더형 팽창흑연으로 이루어질 수 있다.

또한, 팽창흑연은 상기 파우더형 팽창흑연이 압축되어 형성된 연질의 미립자 형태를 갖는 미립자형 팽창흑연으로, 압출기(extruder)에 의해 박리된 흑연판은 10∼200 ㎚의 결정 크기를 가질 수 있다.

상기 열전도성 수지는 난연제를 더 포함할 수 있으며, 상기 난연제는 상기 열가소성 수지 100 중량부에 대하여 1∼12 중량부 함유되는 것이 더욱 바람직하다.

또한, 상기 열전도성 수지는 드립방지제를 더 포함할 수 있으며, 열가소성 수지 100 중량부에 대하여 0.01∼2 중량부 함유되는 것이 바람직하다.

또한, 상기 열전도성 수지는 산화방지제(antioxidant)를 더 포함할 수 있으며, 상기 산화방지제는 열가소성 수지 100 중량부에 대하여 0.01∼2 중량부 함유되는 것이 바람직하다.

또한, 상기 열전도성 수지는 활제를 더 포함할 수 있으며, 상기 활제는 열가소성 수지 100중량부에 대하여 0.01∼2 중량부 함유되는 것이 바람직하다.

또한, 상기 열전도성 수지는 광 안정제를 더 포함할 수 있으며, 상기 광 안정제는 열가소성 수지 100중량부에 대하여 0.01∼0.5 중량부 함유되는 것이 바람직하다.

상기 열전도성 수지는 압출기(extruder), 바람직하게는 대한민국 특허등록 제10-0998619호에서 제시된 연속식 트윈 스크류 압출기(continuous twin screw exturder)를 이용하여 열전도성 수지를 제조할 수 있다.

이하에서 연속식 트윈 스크류 압출기를 이용하여 열전도성 수지를 제조하는 방법을 보다 구체적으로 설명한다. 상기 트윈 스크류 압출기는 화합물의 균일한 용융 및 혼합을 제공하고 우수한 분산성을 얻기 위하여 스크류 디자인이 설계되어 있다. 상기 트윈 스크류 압출기는 복합 전단(용융 및 압축 영역에서는 높은 전단력과 분산 영역에서는 낮은 전단력)이 작용되게 디자인되었다.

상기 열전도성 수지를 제조하기 위하여 열가소성 수지와 팽창흑연 포함하는 출발원료를 상기 트윈 스크류 압출기의 호퍼(hopper)에 투입하고, 용융 압출한 후, 수조(water bath)에서 냉각하고 절단하여 열전도성 수지를 형성한다. 상기 열가소성 수지는 폴리카보네이트 수지와, 재활용 열가소성 고분자 수지, 바이오 기반의 열가소성 고분자 수지를 포함할 수 있다. 예컨대, 상기 열가소성 수지로는 폴리카보네이트 수지, 상기 폴리카보네이트 수지 100 중량부에 대하여 재활용 열가소성 고분자 수지 1∼7 중량부, 상기 폴리카보네이트 수지 100 중량부에 대하여 바이오 기반 열가소성 고분자 수지 5∼13 중량부를 포함하는 폴리카보네이트계 수지를 사용할 수 있다.

열전도성 수지의 특성 향상을 위해, 상기 출발원료를 트윈 스크류 압출기에 투입할 때 함께 보조원료로 난연제를 추가적으로 투입할 수 있으며, 드립방지제를 추가적으로 투입할 수도 있다. 또한, 산화방지제, 활제, 광안정제 등도 함께 투입할 수도 있다.

트윈 스크류 압출기의 내부 온도는 190∼300 ℃ 정도인 것이 바람직하다. 더욱 구체적으로는, 호퍼를 통해 출발원료를 투입하는 투입 영역에서는 190∼240℃의 온도로 설정하고, 압출기의 용융 및 압축 영역에서는 호퍼를 통해 투입된 출발원료의 용융 온도보다 높은 240∼290 ℃의 온도(실린더의 온도)로 유지하고, 호퍼를 통해 투입된 원료의 용융 및 압축이 완료된 이후의 실린더의 온도는 압출기의 분산 영역에 따라 190∼240 ℃로 설정하고, 압출기의 토출 영역에서는 실린더의 온도를 분산 영역에서의 온도보다 높은 240∼300 ℃의 온도로 유지하는 것이 바람직하다. 트윈 스크류 압출기로부터 토출된 열전도성 수지는 수조에서 급냉되어 원하는 크기로 절단되고 건조되어 최종 열전도성 수지를 얻을 수가 있다. 상기 수조의 온도는 출발원료의 유리전이온도 보다 낮은 40 ℃ 이하의 온도로 유지되는 것이 바람직하다.

2. FeCoNi계 자성물질이 코팅된 유리섬유의 제조

유리섬유 표면에 FeCoNi계 자성물질을 코팅한다.

상기 FeCoNi계 자성물질은 0.5∼2.5㎛의 두께로 상기 유리섬유에 코팅되어 있는 것이 바람직하다. 상기 유리섬유는 직경 7∼25㎛, Tex 270∼2400g/km 인 유리 섬유를 포함할 수 있다.

이하에서, FeCoNi계 자성물질로 코팅된 유리섬유를 제조하는 방법을 더욱 구체적으로 설명한다.

유리섬유 표면을 틴 클로라이드, 팔라듐, 이들의 혼합물 등으로 촉매처리한다. 유리섬유에 FeCoNi계 자성물질을 직접적으로 무전해 도금하는 것이 어렵기 때문에 유리섬유를 틴 클로라이드, 팔라듐, 이들의 혼합물 등으로 촉매처리 한다. 상기 유리섬유는 FeCoNi계 자성물질이 코팅될 수 있는 장섬유형의 유리섬유를 사용하는 것이 바람직하다. FeCoNi계 자성물질 코팅의 반응성을 향상시키기 위하여 촉매처리된 유리섬유 표면의 불순물을 증류수, 계면활성제 용액, 산성 수용액, 염기성 수용액 등을 사용하여 세척하는 과정을 더 포함할 수 있다.

상기 촉매처리된 유리섬유의 표면에 FeCoNi계 자성물질을 코팅한다. 촉매처리된 유리섬유에 FeCoNi계 자성물질의 특성이 발현되도록 하기 위함이다. 유리섬유 표면에 FeCoNi계 자성물질층을 형성하는 방법으로 FeCoNi계 자성물질을 코팅할 수 있는 방법이라면 제한없이 사용할 수 있으나, 무전해 도금법을 통해 수행하는 것이 바람직하다. 상기 FeCoNi계 자성물질을 무전해 도금하기 위하여 투자율이 우수한 철(Fe)-코발트(Co)-니켈(Ni)계 금속화합물이 액상 형태로 이루어진 것을 사용하는 것이 바람직하다. 무전해 도금 장치에 의한 도금속도는 0.5cm /min ∼ 10cm /min 로 도금 두께 및 섬유의 텍스(Tex) 등에 의해 결정된다. 유리섬유 표면에 코팅되어 형성된 자성물질층은 철(Fe)-코발트(Co)-니켈(Ni) 합금이 바람직하다. 상기 FeCoNi계 자성물질층의 두께는 0.2∼5㎛, 더욱 구체적으로는 0.5∼2.5㎛ 정도인 것이 바람직하다. 상기 자성물질층의 두께가 0.5 ㎛ 미만이면 경량화에 장점이 있으나, 유리섬유 부피 대비 자성물질의 부피 분율이 떨어져 자성 특성이 낮아질 수 있고 강도가 약해서 섬유 형상의 유지가 어려운 문제점이 있을 수 있으며, 2.5㎛ 초과이면 섬유의 경량화 효과가 떨어지는 문제점이 있을 수 있다.

3. 3D 프린터용 필라멘트 제작; LFT(Long Fiber Thermoplastic) 공정

상기 FeCoNi계 자성물질로 코팅된 복수 개의 유리섬유 둘레를 감싸도록 상기 열전도성 수지를 피복한다. 상기 피복은 LFT(Long Fiber Thermoplastic) 공정을 이용할 수 있다. LFT(Long Fiber Thermoplastic) 공정은 FeCoNi계 자성물질로 코팅된 유리섬유를 열전도성 수지에 함침하여 복합화 하여 필라멘트 형태로 만드는 작업이다.

상기 FeCoNi계 자성물질로 코팅된 복수 개의 유리섬유 둘레를 감싸도록 상기 열전도성 수지를 피복하는 단계는, 상기 FeCoNi계 자성물질로 코팅된 복수 개의 유리섬유를 니플(Nipple)을 통해 공급하는 단계와, 상기 열전도성 수지를 용융시키고 용융 수지를 크로스헤드(Cross head)를 통해 공급하는 단계와, 상기 FeCoNi계 자성물질로 코팅된 유리섬유가 상기 용융 수지에 함침된 후 다이(Die)를 통해 직경이 제어되면서 토출되게 하는 단계와, 토출된 결과물을 냉각하는 단계 및 냉각된 결과물을 와인딩(Winding) 장치를 통해 감는 단계를 포함할 수 있다. 상기 다이(Die)를 통해 상기 열전도성 수지가 0.5∼2.0 ㎜의 두께로 피복되게 제어하는 것이 바람직하다.

LFT 고정을 위한 장치는 FeCoNi계 자성물질로 코팅된 유리섬유를 공급하고 열전도성 수지의 역류를 막아주는 니플(Nipple), 용융된 열전도성 수지를 공급하는 크로스헤드(Cross head), 함침된 열전도성 수지의 외관 및 직경을 제어하는 다이(Die), 상기 다이를 통해 토출된 결과물 냉각하는 냉각구간 및 제조된 필라멘트 형태를 감는 와인딩(Winding) 장치를 포함하여 구성되어 있다.

니플(Nipple)의 각도는 32∼70도로 함침되는 형태에 따라 조절한다. 니플(Nipple)의 직경은 0.5∼2.5mm로, 공급되는 유리섬유의 다발 직경에 맞추어 조절한다. 함침을 유도하기 위해 플랫(Flat) 형태의 니플(Nipple)을 사용할 수 있다.

다이(Die)는 만들고자 하는 필라멘트의 직경에 따라 선정하며 마찬가지로 32도에서 70도의 각도를 가질수 있다. 함침 정도를 향상시키기 위해 플랫(Flat)형 가이드를 사용할수 있으며, 원형 다이(Die)의 직경은 1∼4mm 정도인 것이 바람직하다

열전도성 수지를 용융하는 크로스헤드(Cross Head)는 T자 구조로 유리섬유가 직선으로 정렬하여 이동시 수직방향에서 용융수지를 공급한다. 메인 스크류(Main Screw)의 RPM은 1∼25 RPM 정도이며, 와인딩 RPM은 4∼40 RPM 정도이다. 메인 스크류(Main Screw)와 와인딩의 RPM 조절을 통해 제조되는 필라멘트의 직경을 다이(Die) 직경에서 ±0.3mm까지 조절 가능하다.

이렇게 제조된 3D 프린터용 필라멘트는, 도 1에 도시된 바와 같이, 유리섬유(10)와, 유리섬유(10) 표면에 코팅된 FeCoNi계 자성물질(20)과, FeCoNi계 자성물질(20)로 코팅된 복수 개의 유리섬유(10) 둘레를 감싸도록 피복된 열전도성 수지(30)를 포함한다.

이하에서, 본 발명에 따른 실험예를 구체적으로 제시하며, 다음에 제시하는 실험예에 의하여 본 발명이 한정되는 것은 아니다.

폴리카보네이트(PC) 수지, PCTG(polycyclohexanedimethylene terephthalate glycol), PETG(polyethylene terephthalate glycol), 팽창흑연, 난연제, 드립방지제, 산화방지제, 활제 및 광 안정제를 사용하여 열전도성 수지를 제조하였다. 상기 열전도성 수지는 앞서 설명한 트윈 스크류 압출기를 이용하여 제조하였다.

상기 폴리카보네이트 수지는 용융지수가 15 g/10min (ASTM D 1238, 300 ℃, 1.2 ㎏)인 것을 사용하였고, 재활용 열가소성 고분자 수지인 PCTG는 SK 케미칼사의 제품명 JN100을 사용하였으며, 바이오 기반 열가소성 고분자 수지인 PETG는 SK 케미칼사의 제품명 T120을 사용하였다.

상기 팽창흑연(Timcal사의 C-therm, exapnded graphite granule)은 결정의 사이즈가 35 nm이고 겉보기 비중이 0.15 g/cm³인 것을 사용하였다.

상기 난연제는 홍익소재사의 제품명 RPM240을 사용하였다.

상기 드립방지제는 Pacific Interchem사의 제품명 POLY TS 30A을 사용하였다.

제1 산화방지제로 비중이 1.04 g/cm³인 폐놀계 산화방지제를 사용하였고, 제2 산화방지제로 비중이 1.04 g/cm³인 포스피네이트(phosphinate)계 산화방지제를 사용하였다.

상기 활제는 에스테르계 활제로서 Loxiol 제품을 사용하였다.

상기 광 안정제는 HASL계인 클라이언트(Clariant)사의 호스타빈(Hostabin) 제품을 사용하였다.

아래의 표 1에 열전도성 수지를 제조하기 위한 조성 성분을 나타내었다.

	조성비
PC	68.1 wt%
PCTG	5 wt%
PETG	10 wt%
팽창흑연	10 wt%
난연제	6 wt%
드립방지제	0.3 wt%
1차 산화방지제	0.2 wt%
2차 산화방지제	0.1 wt%
활제	0.1 wt%
광 안정제	0.2 wt%

용융 및 압축 영역(Z1)의 온도는 240℃, 분산 영역(Z2~Z5)의 온도는 250℃, 토출 영역(Z6)의 온도는 260℃, 다이 온도는 265℃로 설정하였으며, 스크류 회전속도는 180∼220rpm으로 설정하였고, 토출량(output)은 25∼40kg/hr로 설정하여 열전도성 수지를 제조하였다.

유리섬유를 틴 클로라이드(SnCl₂, 360 g), 염산(180 ㎖) 및 증류수(18 kg)의 혼합용액에 1차 촉매 처리하고, 팔라듐 클로라이드(PdCl₂, 3.6 g), 염산(180 ㎖) 및 증류수(18 kg)에 2차 촉매처리한 후, 황산코발트7수화물(CoSO₄·7H₂O, 274.0 g), 황산철7수화물(FeSO₄·7H₂O, 45.7 g), 니켈황산염 헥사수화물 (NiSO₄, 34.1 g), 롯셀염(C₄H₄KNaO₆, 828.3 g), 주석산나트륨 2수화물(C₄H₄Na₂O₆·2H₂O, 264.8 g), 황산암모늄(H₈N₂O₄S, 88.2 g), 붕소-디메틸아민착물(C2H₁₀BN, 275.8 g), 수산화나트륨(NaOH, 40 g) 및 증류수(18 kg)가 혼합된 도금액에 촉매처리된 유리섬유를 첨가하고 70℃에서 7시간동안 연속적으로 무전해도금하여 자성물질로 코팅된 유리섬유를 얻었다. 상기 자성물질은 FeCoNi를 사용하였다.

상기 FeCoNi계 자성물질이 코팅된 유리섬유의 둘레에 상기 열전도성 수지를 피복하였는데, 상기 피복은 LFT(Long Fiber Thermoplastic) 공정을 이용하였다. 더욱 구체적으로는, 상기 FeCoNi계 자성물질로 코팅된 유리섬유를 니플(Nipple)을 통해 공급하였고, 상기 열전도성 수지를 용융시키고 용융 수지를 크로스헤드(Cross head)를 통해 공급하였으며, 상기 FeCoNi계 자성물질로 코팅된 유리섬유가 상기 용융 수지에 함침된 후 다이(Die)를 통해 직경이 제어되면서 토출되게 하였고, 토출된 결과물을 냉각하고, 냉각된 결과물을 와인딩(Winding) 장치를 통해 감는 과정을 통해 3D 프린터용 필라멘트를 제조하였다. 아래의 표 2에 LFT 온도 설정 조건을 나타내었다. 상기 크로스헤드로 열전도성 수지를 유입시키기 위한 스크류는 240∼260℃의 온도로 설정하였고, 상기 크로스헤드는 265℃의 온도로 설정하였다. 상기 크로스헤드로 열전도성 수지를 유입시키기 위한 스크류의 직경은 Φ50 이었고, 압출 속도는 2.2 rpm 이었다. 상기 와인딩 장치의 와인딩 속도는 13 rpm 이었다. 도 2는 실험예에서 사용된 니플(Nipple)의 구조를 보여주는 도면이고, 도 3은 실험예에서 사용된 다이(Die)의 구조를 보여주는 도면이다.

아래의 표 2에 열전도성 수지와 LGF 사출품의 물성을 나타내었다. 상기 LGF 사출품은 3D 프린터용 필라멘트의 물성을 측정하기 위해 1.5∼2.0㎝ 정도로 자르고 사출하여 형성한 것이다.

물성	열전도성 수지	LGF 사출품
전자파차폐능 (dB, @0.5T)	7.0	88.2
전자파흡수능 (%, @0.5T)	-	86.1
열전도도 (W/mK, In-Plane)	3.3	3.2
인장강도 (MPa)	56	80
신율 (%)	2.7	1.1
굴곡강도 (MPa)	78	91
굴곡탄성율 (GPa)	4.6	7.8
Izod 노치 충격강도 (kJ/m³²)	2.5	5.9
비중 (g/cm³)	1.27	1.40

이상, 본 발명의 바람직한 실시예를 들어 상세하게 설명하였으나, 본 발명은 상기 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 기술적 사상의 범위 내에서 당 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의하여 여러 가지 변형이 가능하다.

10: 유리섬유
20: FeCoNi계 자성물질
30: 열전도성 수지

Claims

유리섬유;
상기 유리섬유 표면에 코팅된 FeCoNi계 자성물질;
상기 FeCoNi계 자성물질로 코팅된 복수 개의 유리섬유 둘레를 감싸도록 피복된 열전도성 수지를 포함하고,
상기 유리섬유는 7∼25㎛의 평균 직경을 갖고 270∼2400 g/km의 텍스(Tex)를 갖는 섬유를 포함하며,
상기 열전도성 수지는 열가소성 수지에 팽창흑연이 불연속적으로 균일하게 분산되어 있는 수지를 포함하고,
상기 팽창흑연은 흑연이 박리화된 파우더형 팽창흑연이 압축되어 형성된 미립자형 팽창흑연이며,
상기 팽창흑연은 10∼200nm의 크기를 가지면서 상기 열가소성 수지에 분산되어 있으며,
상기 팽창흑연은 상기 열전도성 수지에 상기 열가소성 수지 100중량부에 대하여 5.0∼13.0 중량부 함유되어 있는 것을 특징으로 하는 3D 프린터용 필라멘트.
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제1항에 있어서, 상기 열가소성 수지는 폴리카보네이트 수지, 상기 폴리카보네이트 수지 100 중량부에 대하여 PCTG 수지 1∼7 중량부 및 상기 폴리카보네이트 수지 100 중량부에 대하여 PETG 수지 5∼13 중량부를 포함하는 것을 특징으로 하는 3D 프린터용 필라멘트.
삭제
제1항에 있어서, 상기 열전도성 수지는 0.5∼2.0 ㎜의 두께로 피복되어 있는 것을 특징으로 하는 3D 프린터용 필라멘트.
제1항에 있어서, 상기 FeCoNi계 자성물질은 0.5∼2.5 ㎛의 두께로 코팅되어 있는 것을 특징으로 하는 3D 프린터용 필라멘트.
삭제
열전도성 수지를 형성하는 단계;
유리섬유 표면에 FeCoNi계 자성물질을 코팅하는 단계; 및
상기 FeCoNi계 자성물질로 코팅된 복수 개의 유리섬유 둘레를 감싸도록 상기 열전도성 수지를 피복하는 단계를 포함하며,
상기 유리섬유는 7∼25㎛의 평균 직경을 갖고 270∼2400 g/km의 텍스(Tex)를 갖는 섬유를 포함하고,
상기 열전도성 수지를 형성하는 단계는,
열가소성 수지와 팽창흑연을 포함하는 출발원료를 압출기(extruder)에 투입하여 열전도성 수지를 형성하는 단계를 포함하며,
상기 열전도성 수지는 열가소성 수지에 팽창흑연이 불연속적으로 균일하게 분산되어 있는 수지이고,
상기 팽창흑연은 흑연이 박리화된 파우더형 팽창흑연이 압축되어 형성된 미립자형 팽창흑연이며,
상기 팽창흑연은 상기 열전도성 수지에 상기 열가소성 수지 100중량부에 대하여 5.0∼13.0 중량부 함유되게 하며,
상기 팽창흑연은 10∼200nm의 크기를 가지면서 상기 열가소성 수지에 분산되어 있는 3D 프린터용 필라멘트의 제조방법.
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제8항에 있어서, 상기 열가소성 수지는 폴리카보네이트 수지, 상기 폴리카보네이트 수지 100 중량부에 대하여 PCTG 수지 1∼7 중량부 및 상기 폴리카보네이트 수지 100 중량부에 대하여 PETG 수지 5∼13 중량부를 포함하는 것을 특징으로 하는 3D 프린터용 필라멘트의 제조방법.
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제8항에 있어서, 상기 FeCoNi계 자성물질을 코팅하는 단계는,
유리섬유 표면을 틴 클로라이드 및 팔라듐 중에서 선택된 1종 이상의 물질로 촉매처리 하는 단계; 및
상기 촉매처리된 유리섬유의 표면에 FeCoNi계 자성물질을 무전해도금하여 코팅하는 단계를 포함하며,
상기 FeCoNi계 자성물질은 0.5∼2.5 ㎛의 두께로 코팅하는 것을 특징으로 하는 3D 프린터용 필라멘트의 제조방법.
제8항에 있어서, 상기 FeCoNi계 자성물질로 코팅된 복수 개의 유리섬유 둘레를 감싸도록 상기 열전도성 수지를 피복하는 단계는,
상기 FeCoNi계 자성물질로 코팅된 복수 개의 유리섬유를 니플(Nipple)을 통해 공급하는 단계;
상기 열전도성 수지를 용융시키고 용융 수지를 크로스헤드(Cross head)를 통해 공급하는 단계;
상기 FeCoNi계 자성물질로 코팅된 유리섬유가 상기 용융 수지에 함침된 후 다이(Die)를 통해 직경이 제어되면서 토출되게 하는 단계;
토출된 결과물을 냉각하는 단계;
냉각된 결과물을 와인딩(Winding) 장치를 통해 감는 단계를 포함하며,
상기 다이(Die)를 통해 상기 열전도성 수지가 0.5∼2.0 ㎜의 두께로 피복되게 제어하는 것을 특징으로 3D 프린터용 필라멘트의 제조방법.
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