KR102123231B1 - 실란화 보론 나이트라이드 복합체 및 이의 제조 방법 - Google Patents

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Abstract

본 출원은 실란화 보론 나이트라이드 복합체 및 이의 제조 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 실란화 표면처리를 통해 우수한 분산성과 에폭시와의 친화력 향상으로 기계적 물성과 열전도도가 우수한 실란화 보론 나이트라이드 복합체 및 이의 제조 방법에 관한 것이다.

Description

실란화 보론 나이트라이드 복합체 및 이의 제조 방법{SILANIZED SILANE BORON NITRIDE COMPOSITE AND METHOD OF PREPARING SAME}
본 출원은 실란화 보론 나이트라이드 복합체 및 이의 제조 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 실란화 표면처리를 통해 우수한 분산성과 에폭시와의 친화력 향상으로 기계적 물성과 열전도도가 우수한 실란화 보론 나이트라이드 복합체 및 이의 제조 방법에 관한 것이다.
전자소자는 고밀도, 고주파 특성이 요구됨에 따라 복잡화가 되고 있다. 전자소자는 필연적으로 열이 발생하고, 현대에는 크기의 감소와 고성능이 요구되어 작은 공간에 더 많은 열이 발생하도록 설계되고 있다. 따라서 전자 소자의 적절한 작동과 신뢰성을 보장하기 위해서는 발생되는 열을 신속하게 제거해야하므로 전자소자의 패키징 재료는 양호한 열전도성과 우수한 기계적 특성으로 보유해야한다.
한편 이러한 방열소재에 대해 종래에는 금속소재를 이용한 방열소재 기술이 많이 사용되었지만, 현재에는 높은 열전도성 필러를 삽입한 고성능 복합소재가 각광받고 있다. 하지만 에폭시 기반의 복합체는 절연체로 낮은 열전도도를 가지고 있기 때문에 단독으로 사용이 어렵다. 따라서 높은 열전도도 특성을 가진 강화재를 필러로 삽입하여 열특성의 향상을 기대할 수 있다. 그중에 보론나이트라이드는 높은 열전도도와 낮은 독성, 우수한 화학적 안정성 및 절연성을 갖고 있기 때문에 우수한 소재로 주목받고 있다.
하지만 복합체는 계면의 우수한 접착력을 나타내지 않으면, 내부의 결함으로 존재하여 기계적 물성에 영향을 미치고, 우수한 열전도 특성을 제대로 나타내지 못한다.
이러한 문제점을 해결하기 위한 다양한 연구가 필요한 시점이다.
공개특허공보 10-2016-0120475(2016년 10월 18일 공개)
본 출원의 일 실시예에 따르면, 보론나이트라이드와 에폭시 계면의 친화력을 향상 시키고 분산력을 높여 우수한 열전도도와 기계적 물성을 갖는 실란화 보론 나이트라이드 복합체 및 이의 제조 방법을 제공하고자 한다.
본 출원의 일 측면은 실란화 보론 나이트라이드 복합체의 제조 방법에 관한 것이다.
일 예시로서, 황산 및 질산나트륨을 포함하는 제 1 혼합용액으로 보론 나이트라이드(boron nitride)를 산화(oxidation)하여, 산화 보론 나이트라이드 분말을 형성하는 전처리단계; 실란화 유도체로 산화 보론 나이트라이드를 실란화하여, 실란화 보론 나이트라이드를 형성하는 실란화단계; 및 실란화 보론 나이트라이드를 에폭시 수지 및 경화제를 포함하는 제 1 혼합물에 혼합하여 제 2 혼합물을 형성하고, 상기 제 2 혼합물을 경화하여 복합체를 형성하는 혼합단계를 포함할 수 있다.
일 예시로서, 상기 전처리단계는: 제 1 혼합용액에 보론 나이트라이드를 투입하여, 제 2 혼합용액을 형성하는 단계; 상기 제 2 혼합용액을 3 내지 10 ℃에서 3 내지 5 시간 동안 교반하는 단계; 제 2 혼합용액이 중성이 되도록 물 및 아세톤을 혼합하는 단계; 및 중성이 된 혼합용액을 60 내지 80 ℃에서 10 내지 12 시간 동안 건조하여, 전처리된 보론 나이트라이드 분말을 형성하는 단계를 포함할 수 있다.
일 예시로서, 보론 나이트라이드는 헥사고날 보론 나이트라이드(hexagonal boron nitride), 스파이럴나이트 보론 나이트라이드(sphalerite boron nitride), 큐빅 보론 나이트라이드(cubic boron nitride) 및 우르츠트 보론 나이트라이드(wurtzite boron nitride)로 이루어진 그룹으로부터 선택된 적어도 하나를 포함할 수 있다.
일 예시로서, 상기 실란화단계는: 산화 보론 나이트라이드 분말을 에틸알코올, 초순수물 및 실란화 유도체에 혼합하여 제 3 혼합용액을 형성하는 단계; 제 3 혼합용액을 80 내지 120 ℃에서 6 내지 8 시간 동안 교반하는 단계; 교반된 제 3 혼합용액을 물 및 아세톤에 혼합하여, 제 4 혼합용액을 형성하는 단계; 및 제 4 혼합용액을 진공오븐에서 70 내지 90 ℃에서 10 내지 12 시간 동안 건조하는 단계를 포함할 수 있다.
일 예시로서, 상기 제 3 혼합용액에서, 에틸알코올, 초순수물, 산화 보론 나이트라이드, 실란화 유도체의 성분 함량비는 60 내지 70 중량부 : 10 내지 20 중량부 : 1 내지 10 중량부 : 1 내지 3 중량부일 수 있다.
일 예시로서, 실란화 유도체는 3-아미노프로필트리에톡시실란(3-aminopropyltriethoxysilane) 또는 3-이소시아네이토프로필트리메톡시실란(3-isocyanatopropyltriethoxysilane)일 수 있다.
일 예시로서, 상기 혼합 단계는 실란화 보론 나이트라이드를 에폭시 수지 및 경화제를 포함하는 제 1 혼합물에 혼합하여 제 2 혼합물을 형성하는 단계; 제 2 혼합물을 30 내지 60 분 동안 교반하는 단계; 및 제 2 혼합물을 60 내지 80 ℃에서 2 내지 3 시간 동안 경화시켜 복합체를 형성하는 단계를 포함할 수 있다.
일 예시로서, 상기 제 1 혼합물에서, 에폭시 수지와 경화제의 성분함량비(v/v)는 1:1 내지 3:2일 수 있다.
본 출원의 일 측면은 전술한 제조 방법에 의해 제조된 실란화 보론 나이트라이드 복합체에 관한 것이다.
본 출원의 일 실시예에 따르면, 고분자와 친화력이 우수한 실란화 보론 나이트라이드를 제공할 수 있다.
본 출원의 일 실시예에 따르면, 고분자에 대한 분산성이 우수한 실란화 보론 나이트라이드를 제공할 수 있다.
본 출원의 일 실시예에 따르면, 열전도성이 우수한 실란화 보론 나이트라이드 복합체를 제공할 수 있다.
본 출원의 일 실시예에 따르면, 기계적 물성이 우수한 실란화 보론 나이트라이드 복합체를 제공할 수 있다.
본 출원의 일 실시예에 따르면, 항공기 전자제품 및 내열부품에 적용가능성이 큰 실란화 보론 나이트라이드 복합체를 제공할 수 있다.
본 출원의 일 실시예에 따르면, 복합소재 관련 기술로 항공기의 고강도, 경량화, 내열특성에 좋은 부품에 적용될 경우 경제적 파급효과가 큰 실란화 보론 나이트라이드 복합체를 제공할 수 있다.
도 1은 보론 나이트라이드의 분말, SEM 이미지 및 결정구조에 대한 모식도이다.
도 2는 본 출원의 일 실시예인 실란화 보론 나이트라이드 복합체의 제조 방법을 설명하기 위한 플로우 차트이다.
도 3은 본 출원의 일 실시예인 실란화 보론 나이트라이드 복합체의 제조 방법 중 전처리단계를 설명하기 위한 모식도이다.
도 4는 본 출원의 일 실시예인 실란화 보론 나이트라이드 복합체의 제조 방법 중 실란화단계를 설명하기 위한 모식도이다.
도 5는 본 출원의 일 실시예인 실란화 보론 나이트라이드 복합체의 제조 방법 중 혼합단계를 설명하기 위한 모식도이다.
도 6은 본 출원의 일 실시예인 실란화 보론 나이트라이드 복합체의 퓨리에 변화 적외선 스펙트럼의 결과 그래프이다.
도 7은 본 출원의 일 실시예인 실란화 보론 나이트라이드 복합체에 대해 측정된 열전도도의 결과 그래프이다.
도 8은 본 출원의 일 실시예인 실란화 보론 나이트라이드 복합체에 대해 측정된 인장강도의 결과 그래프이다.
도 9는 본 출원의 일 실시예인 실란화 보론 나이트라이드 복합체에 대해 측정된 굽힘강도의 결과 그래프이다.
도 10은 본 출원의 일 실시예인 실란화 보론 나이트라이드 복합체에 대해 SEM 측정 이미지이다.
본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서 상에 기재된 특징, 구성요소 등이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 구성요소 등이 존재하지 않거나 부가될 수 없음을 의미하는 것은 아니다.
본 출원에서 사용한 용어 "제 1" 및 "제 2" 등은 순서를 나타내기 위하여 사용되는 것은 아니며, 단지 서로 상이한 물질 또는 단계 등을 나타내기 위하여 사용되는 것이다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 출원의 실란화 보론 나이트라이드 복합체 및 이의 제조 방법을 상세히 설명한다. 다만, 첨부된 도면은 예시적인 것으로, 본 출원의 본 출원의 실란화 보론 나이트라이드 복합체 및 이의 제조 방법의 범위가 첨부된 도면에 의해 제한되는 것은 아니다.
도 1은 보론 나이트라이드의 분말, SEM 이미지 및 결정구조에 대한 모식도이다. 도 1에 도시한 바와 같이, 보론 나이트라이드는 분말로 존재할 수 있으며, 판상형 구조를 갖는다. 금속소재와 비교하여, 육각형의 판상형 구조를 갖는 보론 나이트라이드는 수평방향으로 열전도율이 우수하여, 방열 필러에 적합하다. 또한, 보론 나이트라이드를 이용한 고분자 복합소재는 가공성, 경량화, 저비용의 장점이 있으며, 특히 절연성을 가지면서 높은 열전도 특성을 지니기 때문에 방열소재로 적합하다. 하지만 고분자와 보론나이트라이드 필러간의 접착력이 약하기 ?문에, 오히려 복합소재로서 물성이 저하되고, 열적특성이 낮아지는 경향이 발생된다. 본 출원은 이러한 문제점을 극복하고자, 보론 나이트라이드를 실란화하여 에폭시와의 접착력을 향상 시키고, 에폭시 내부에서 분산도를 향상시켜 열전도율과 기계적 물성이 향상된 고분자 복합소재를 제공하고자 한다.
이하, 실란화 보론 나이트라이드 복합체의 제조 방법을 설명한다.
도 2는 본 출원의 일 실시예인 실란화 보론 나이트라이드 복합체의 제조 방법을 설명하기 위한 플로우 차트이다.
도 2에 도시한 바와 같이, 황산 및 질산나트륨을 포함하는 제 1 혼합용액으로 보론 나이트라이드(boron nitride)를 산화(oxidation)하여, 산화 보론 나이트라이드 분말을 형성하는 전처리단계(S100); 실란화 유도체로 산화 보론 나이트라이드를 실란화하여, 실란화 보론 나이트라이드를 형성하는 실란화단계(S200); 및 실란화 보론 나이트라이드를 에폭시 수지 및 경화제를 포함하는 제 1 혼합물에 혼합하여 제 2 혼합물을 형성하고, 상기 제 2 혼합물을 경화하여 복합체를 형성하는 혼합단계(S300)를 포함할 수 있다.
이하, 본 출원의 제조 방법을 단계별로 상세히 설명한다.
전처리 단계(S100)
황산 및 질산나트륨을 포함하는 제 1 혼합용액으로 보론 나이트라이드(boron nitride)를 산화(oxidation)하여, 산화 보론 나이트라이드 분말을 형성한다.
도 3은 본 출원의 일 실시예인 실란화 보론 나이트라이드 복합체의 제조 방법 중 전처리단계를 설명하기 위한 모식도이다.
도 3에 도시한 바와 같이, 강산인 황산 및 질산나트륨을 포함하는 제 1 혼합용액에 보론 나이트라이드를 혼합하여, 보론 나이트라이드를 산화시킨다.
구체적으로, 상기 전처리단계는: 황산 및 질산나트륨 제 1 혼합용액에 보론 나이트라이드를 투입하여 제 2 혼합용액을 형성하는 단계; 제 2 혼합용액을 3 내지 10 ℃에서 3 내지 5 시간 동안 교반하는 단계; 제 2 혼합용액이 중성이 되도록 물 및 아세톤을 혼합하는 단계; 및 중성이 된 혼합용액을 60 내지 80 ℃에서 10 내지 12 시간 동안 건조하여, 전처리된 보론 나이트라이드 분말을 형성하는 단계를 포함할 수 있다.
보론 나이트라이드는 BN의 화학식을 갖고 있는 질화붕소로서 흑연과 비슷한 6방정계 구조를 갖고 있어 화학적, 물리적 성질이 흑연과 유사하다. 보론 나이트라이드는 백색으로서 전기적으로 뛰어난 절연체이다. 여기서, 보론 나이트라이드는 헥사고날 보론 나이트라이드(hexagonal boron nitride), 스파이럴나이트 보론 나이트라이드(sphalerite boron nitride), 큐빅 보론 나이트라이드(cubic boron nitride) 및 우르츠트 보론 나이트라이드(wurtzite boron nitride)로 이루어진 그룹으로부터 선택된 적어도 하나를 포함할 수 있다.
상기 실란화를 위한 전처리 과정은 sulfuric acid, 탄산나트륨과 수산화 나트륨을 반응시킨 sodium nitrite 등을 이용할 수 있다.
여기서, pH 6 내지 8가 되도록 물 및 아세톤을 혼합하는 것이 바람직하다.
전처리 단계를 수행하여, 보론 나이트라이드를 산화 보론 나이트라이드로 변환할 수 있다.
실란화 단계(S200)
그리고, 실란화 유도체로 산화 보론 나이트라이드를 실란화하여, 실란화 보론 나이트라이드를 형성한다.
도 4는 본 출원의 일 실시예인 실란화 보론 나이트라이드 복합체의 제조 방법 중 실란화단계를 설명하기 위한 모식도이다.
도 4에 도시한 바와 같이, 전처리된 보론 나이트라이드 분말에 에틸알코올, 초순수물 및 실란화 유도체에 혼합하여, 보론 나이트라이드를 실란화할 수 있다.
일 예시로서, 상기 실란화단계는: 산화 보론 나이트라이드 분말을 에틸알코올, 초순수물 및 실란화 유도체에 혼합하여 제 3 혼합용액을 형성하는 단계; 제 3 혼합용액을 80 내지 120 ℃에서 6 내지 8 시간 동안 교반하는 단계; 교반된 제 3 혼합용액을 물 및 아세톤에 혼합하여, 제 4 혼합용액을 형성하는 단계; 및 제 4 혼합용액을 진공오븐에서 70 내지 90 ℃에서 10 내지 12 시간 동안 건조하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 제 3 혼합용액은 에틸알코올, 초순수물, 산화 보론 나이트라이드, 실란화 유도체의 성분 함량비는 60 내지 70 중량부 : 10 내지 20 중량부 : 1 내지 10 중량부 : 1 내지 3 중량부인 것이 바람직하다. 이러한 성분 함량비를 통하여, 실란화 단계를 최적으로 수행할 수 있다.
또한, 실란화 유도체는 3-아미노프로필트리에톡시실란(3-aminopropyltriethoxysilane) 또는 3-이소시아네이토프로필트리메톡시실란(3-isocyanatopropyltriethoxysilane)일 수 있다.
혼합단계(S300)
그리고, 실란화 보론 나이트라이드를 에폭시 수지 및 경화제를 포함하는 제 1 혼합물에 혼합하여 제 2 혼합물을 형성하고, 상기 제 2 혼합물을 경화하여 복합체를 형성한다.
도 5는 본 출원의 일 실시예인 실란화 보론 나이트라이드 복합체의 제조 방법 중 혼합단계를 설명하기 위한 모식도이다.
도 5에 도시한 바와 같이, 실란화 보론 나이트라이드를 에폭시 수지 및 경화제를 포함하는 제 1 혼합물에 혼합하여, 복합체를 형성할 수 있다.
상기 혼합 단계는 실란화 보론 나이트라이드를 에폭시 수지 및 경화제를 포함하는 제 1 혼합물에 혼합하여 제 2 혼합물을 형성하는 단계; 제 2 혼합물을 30 내지 60 분 동안 교반하는 단계; 및 제 2 혼합물을 60 내지 80 ℃에서 2 내지 3 시간 동안 경화시켜 복합체를 형성하는 단계를 포함할 수 있다.
일 예시로서, 상기 제 1 혼합물은 에폭시 수지와 경화제의 성분함량비가 1:1 내지 3:2(v/v)일 수 있다.
경화제는 특별히 한정되는 것은 아니며, 에폭시 수지 등에 적용가능한 경화제는 어떠한 경화제라도 적용이 가능하다.
도 5에 도시한 바와 같이, 형성된 제 2 혼합물은 몰드 내에 투입되고, 경화되어, 보론 나이트라이드와 에폭시 수지를 포함하는 복합체로 형성될 수 있다.
본 출원의 일 측면은 전술한 제조 방법에 의해 제조된 실란화 보론 나이트라이드 복합체에 관한 것이다.
일련의 단계를 통하여, 실란화 표면처리를 통해 우수한 분산성과 에폭시와의 친화력 향상으로 기계적 물성과 열전도도가 우수한 실란화 보론나이트라이드 및 에폭시 복합체를 제조할 수 있다.
구체적으로, 전처리 후 실란화 보론나이트라이드 필러를 이용하여 에폭시 복합체를 제조하는 방법은 종래의 전처리와 실란 표면개질 방법보다 우수한 실란 기능가 부착됨으로써 강화재의 분산성과 에폭시 계면과의 결합력이 증가되어 기계적물성과 열전도 특성이 향상될 수 있는 복합체로서 종래의 기계적 물성과 열전도 특성이 낮은 복합체를 대체할 수 있어 다양한 산업분야에 사용될 수 있다.
이하, 실험예를 통하여 본 출원을 보다 상세히 설명한다.
[ 실시예 및 비교예 ]
헥사고날 보론나이트라이드 5 내지 10g을 황산(H2SO4) 200 내지 300ml와 질산나트륨(Sodium nitride) 3 내지 7g을 혼합하여 3 내지 5시간동안 5 내지 10℃ 온도분위기에서 교반한 후, ph 6 내지 7의 중성이 될 때까지 증류수(99.5%, Dae Jung Chemical, Korea)와 아세톤(99.5%, Dae Jung Chemical, Korea)으로 혼합용액을 여과하였다. 이후 60 내지 80℃ 온도를 유지하면서 10 내지 12시간 건조하여 전처리 과정을 거친 보론나이트라이드 분말을 제조하였다.
에틸알코올(Ethyl alcohol) 300 내지 400 ml와 초순수물(DI water) 80 내지 100ml를 이용하여 혼합용액을 만들고, 3-아미노프로필트리에톡시실란(3-aminopropyltriethoxysilane), 3-이소시아네이토프로필트리메톡시실란(3-isocyanatopropyltriethoxysilane) 중 선택된 유도제를 5 내지 10ml 삽입하고, 전처리된 보론 나이트라이드 5 내지 10g을 포함하여, 8 내지 10시간동안 80 내지 120 ℃에서 교반한 후, 증류수(99.5%, Dae Jung Chemical, Korea)와 아세톤(99.5%, Dae Jung Chemical, Korea)으로 여과하고, 70 내지 90 ℃에서 10 내지 12 시간 동안 건조시켰다.
Diglycidyl ether of bisphenol A(DGBA) 에폭시 수지와 폴리아미도아민(Polyamidoamine)의 1:1 내지 3:2 비율(V/V)로 혼합물에 1wt%, 5wt%, 10wt% 함유량 별로 실란화 보론나이트라이드를 이용하여 보론나이트라이드/에폭시 복합체를 제조하였다.
순수 보론나이트라이드를 이용하여 보론나이트라이드/에폭시 복합체를 제조하였으며, 전처리된 보론나이트라이드를 이용하여 보론나이트라이드/에폭시 복합체를 제조하여 각각 비교예로서 추가 실험을 수행하였다.
[ 실험예 1]
보론 나이트라이드의 전처리 및 실란처리에 따른 표면의 기능기를 관찰하기 위해 순수 보론 나이트라이드, 전처리 보론 나이트라이드, 실란화 보론 나이트라이드를 푸리에 변환 적외선 스펙트럼(FT-IR)을 분석하였다. 그 결과 그래프를 도 6에 도시하였다.
도 6에 도시한 바와 같이, 표면처리되지 않은 순수 보론 나이트라이드는 815 cm-1과 1374cm-1에서 반데왈스 결합에 의한 B-N-B 결합 피크가 나타남을 확인할 수 있다. 실란 처리된 보론 나이트라이드의 경우 1101cm-1 Si-O-C 본딩 결합을 보이고 있어, 다른 문헌과 비교하여 보론 나이트라이드 표면에 실란기가 잘 형성된 것을 확인할 수 있었다.
[ 실험예 2]
열전도 특성을 비교하기 위해 순수 보론나이트라이드/에폭시 복합체와 실란화 보론나이트라이드 복합체의 열전도도를 측정하였다. 열전도 측정은 Laser flash법으로 시료표면을 laser pulse로 가열하고 시료후면에서 적외선 온도계로 시간에 따른 온도변화를 측정하여 열확산계수를 산출하여 밀도에 따는 열전도도를 측정하였다.
표면처리하지 않은 순수 보론나이트라이드/에폭시 복합체와 실란 표면처리된 실란화 보론나이트라이드/에폭시 복합체에 보론나이트라이드 1, 5, 10 wt%의 함유량 별로 분석을 수행하였다. 그 결과 그래프는 도 7에 도시하였다.
도 7에 도시한 바와 같이, 순수 보론나이트라이드/에폭시 복합재의 경우 보론나이트라이드 0.27 W/m·k으로 0.17 W/m·k의 에폭시 대비 약 60% 상승하였고, 전처리된 보론나이트라이드를 투입한 복합재료의 경우 0.227 W/m·k으로 기존 에폭시 대비 약 33% 상승하였지만, 순수 보론나이트라이드/에폭시 복합체의 경우 보다 16% 감소하였다.
실란화 보론나이트라이드/에폭시 복합체는 0.357 W/m·k으로 에폭시보다 110%, 순수 보론나이트라이드/에폭시 복합체 보다 32%, 전처리된 보론나이트라이드/에폭시 복합체 보다 57%가 증가함을 보였으므로, 실란화 보론나이트라이드/에폭시 복합체의 열전도 특성이 좋아졌음을 확인하였다. 전처리를 수행하고 실란 표면처리를 적용했을 경우 실란기가 효과적으로 표면에 도입되면서 에폭시상에 잘 분산되고, 에폭시 계면과 결합력이 증가하여 계면의 열저항이 감소하였기 때문으로 판단된다.
[ 실험예 3]
실란화 처리에 따른 효과를 조사하기 위해 복합체의 인장강도를 측정하였다. 인장강도 시험은 상기의 보론나이트라이드 1, 5, 10wt% 함유량 별로 복합체를 제조하여 시험규격에 따라 시험을 수행하였다.
인장강도 시험은 1mm/min 속도로 ASTM D638시험법에 따라 만능재료시험기를 이용하여 실시하였고, 통계적 데이터를 추출하기 위해 최소 5개의 표본을 이용하였다. 그 결과 그래프는 도 8에 도시하였다.
도 8에 도시한 바와 같이, 실란화 보론나이트라이드/에폭시 복합체의 경우 순수 보론나이트라이드/에폭시 복합체보다 약 40%의 인장강도가 향상됨을 확인하였고, 보론나이트라이드의 함유량이 높을수록 인장강도가 향상되는 것을 알 수 있었다. 이는 실란처리를 통해 에폭시 계면과의 결합력과 분산성이 향상되어 나타난 결과로 보여진다.
굽힘력 시험은 0.5mm/min 속도로 ASTM D790시험법에 따라 만능재료시험기를 이용하여 실시하였고, 통계적 테이터를 추출하기 위해 최소 5개의 표본을 이용하였다. 그 결과 그래프를 도 9에 도시하였다.
도 9에 도시한 바와 같이, 굽힘강도 역시 시험규격에 따라 수행한 결과 실란화 보론나이트라이드/에폭시가 가장 좋은 결과값을 나타내었다. 하지만, 함유량에 따른 효과는 크지 않은 것으로 나타났다. 이는 보론 나이트라이드의 결정구조 형상과 분산시 방향성이 고려되지 않았기 때문으로 판단된다.
[ 실험예 4]
파손의 메카니즘을 조사하기 위해 인장시험 후 소재의 파단면을 주사전자현미경(FE-SEM, LEO SUPRA 55, CARL ZEISS, GERMANY)로 분석하였다. 그 이미지를 도 10에 도시하였다.
도 10(a)에 도시한 바와 같이, 순수 보론나이트라이드/에폭시 복합체의 파단면은, 기지재(matrix)내에 골고루 분산되지 않고 응집되어 있는 것을 확인할 수 있었다. 이는 보론나이트라이드의 입자간에 응집됨으로써, 열에너지가 빠르게 통과하지 못하고, 응집된 입자내에 머물러 있기 때문에 열전도도가 상대적으로 낮게 측정된 것으로 파악되고, 이와 같이 큰 기지재내의 입자는 에폭시 계면과의 결합력이 낮기 때문에 기계적 물성값도 상대적으로 낮게 나타났다.
도 10(b)에 도시한 바와 같이, 전처리 된 보론나이트라이드/에폭시 복합체의 파단면은 전처리 후 순수 보론나이트라이드/에폭시 복합체보다 표면의 활성화와 분산성이 좋아진것으로 판단된다. 보론나이트라이드는 입자의 가장자리를 제외한 평면의 형태를 띄고 있어 화학적 결합이 어렵기 때문에 전처리를 통해 다른 공정보다 월등히 표면에 실란기가 증착됨을 알 수 있다.
도 10(c)에 도시한 바와 같이, 실란화 보론나이트라이드/에폭시 복합체의 파단면은 실란 표면처리를 통해 분산성이 향상된 것을 확인할 수 있었다. 또한 보론나이트라이드와 에폭시 간에 기공은 거의 관찰되지 않았다. 이는 에폭시 계면과의 결합력 상승효과와 분산효과로 인해 열저항 효과가 감소되어 열전도도 증가하게되고, 화학적 결합력에 의해 기계적 물성도 향상되는 것을 확인할 수 있었다.
상기에서는 본 출원의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 출원을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

Claims (9)

  1. 황산 및 질산나트륨을 포함하는 제 1 혼합용액으로 보론 나이트라이드(boron nitride)를 산화(oxidation)하여, 산화 보론 나이트라이드 분말을 형성하는 전처리단계;
    실란화 유도체로 산화 보론 나이트라이드를 실란화하여, 실란화 보론 나이트라이드를 형성하는 실란화단계; 및
    실란화 보론 나이트라이드를 에폭시 수지 및 경화제를 포함하는 제 1 혼합물에 혼합하여 제 2 혼합물을 형성하고, 상기 제 2 혼합물을 경화하여 복합체를 형성하는 혼합단계를 포함하며,
    상기 전처리단계는:
    제 1 혼합용액에 보론 나이트라이드를 투입하여, 제 2 혼합용액을 형성하는 단계;
    제 2 혼합용액을 3 내지 10 ℃에서 3 내지 5 시간 동안 교반하는 단계;
    제 2 혼합용액이 중성이 되도록 물 및 아세톤을 혼합하는 단계; 및
    중성이 된 혼합용액을 60 내지 80 ℃에서 10 내지 12 시간 동안 건조하여, 전처리된 보론 나이트라이드 분말을 형성하는 단계를 포함하는 제조 방법.
  2. 삭제
  3. 제 1 항에 있어서,
    보론 나이트라이드는 헥사고날 보론 나이트라이드(hexagonal boron nitride), 스파이럴나이트 보론 나이트라이드(sphalerite boron nitride), 큐빅 보론 나이트라이드(cubic boron nitride) 및 우르츠트 보론 나이트라이드(wurtzite boron nitride)로 이루어진 그룹으로부터 선택된 적어도 하나를 포함하는 제조 방법.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 실란화단계는:
    산화 보론 나이트라이드 분말을 에틸알코올, 초순수물 및 실란화 유도체에 혼합하여 제 3 혼합용액을 형성하는 단계;
    제 3 혼합용액을 80 내지 120 ℃에서 6 내지 8 시간 동안 교반하는 단계;
    교반된 제 3 혼합용액을 물 및 아세톤에 혼합하여, 제 4 혼합용액을 형성하는 단계; 및
    제 4 혼합용액을 진공오븐에서 70 내지 90 ℃에서 10 내지 12 시간 동안 건조하는 단계를 포함하는 제조 방법.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 제 3 혼합용액에서, 에틸알코올, 초순수물, 산화 보론 나이트라이드, 실란화 유도체의 성분 함량비는 60 내지 70 중량부 : 10 내지 20 중량부 : 1 내지 10 중량부 : 1 내지 3 중량부인 제조 방법.
  6. 제 1 항에 있어서,
    실란화 유도체는 3-아미노프로필트리에톡시실란(3-aminopropyltriethoxysilane) 또는 3-이소시아네이토프로필트리메톡시실란(3-isocyanatopropyltriethoxysilane)인 제조 방법.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 혼합 단계는
    실란화 보론 나이트라이드를 에폭시 수지 및 경화제를 포함하는 제 1 혼합물에 혼합하여 제 2 혼합물을 형성하는 단계;
    제 2 혼합물을 30 내지 60 분 동안 교반하는 단계; 및
    제 2 혼합물을 60 내지 80 ℃에서 2 내지 3 시간 동안 경화시켜 복합체를 형성하는 단계를 포함하는 제조 방법.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 혼합물에서 에폭시 수지와 경화제의 성분함량비(v/v)는 1:1 내지 3:2인 제조 방법.
  9. 제 1 항, 제 3 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항의 제조 방법으로 제조된 실란화 보론 나이트라이드 복합체.
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