KR102159504B1

KR102159504B1 - 복합재

Info

Publication number: KR102159504B1
Application number: KR1020180078720A
Authority: KR
Inventors: 신종민; 유동우; 김소진
Original assignee: 주식회사 엘지화학
Priority date: 2017-07-06
Filing date: 2018-07-06
Publication date: 2020-09-24
Also published as: WO2019009670A1; CN110800388A; US11602922B2; KR20190005791A; KR102183702B1; EP3651560A1; US20210138768A1; KR20200101885A; JP6929589B2; EP3651560A4; JP2020524749A; CN110800388B

Abstract

본 출원에서는, 금속폼, 고분자 성분 및 전기전도성 필러를 포함하고, 우수한 열전도도를 가지면서, 내충격성, 가공성 및 절연성 등의 다른 물성도 우수하고, 전기전도도 특성도 제어 가능한 복합재를 제공할 수 있다.

Description

복합재{COMPOSITE MATERIAL}

본 출원은 2017년 7월 6일자 제출된 대한민국 특허출원 제10-2017-0086012호에 기초한 우선권의 이익을 주장하며, 해당 대한민국 특허출원의 문헌에 개시된 모든 내용은 본 명세서의 일부로서 포함된다.

본 출원은 복합재에 대한 것이다.

방열 소재는 다양한 용도에서 사용될 수 있다. 예를 들면, 배터리나 각종 전자 기기는 작동 과정에서 열이 발생하기 때문에, 이러한 열을 효과적으로 제어할 수 있는 소재가 요구된다.

방열 특성이 좋은 소재는 열전도도가 좋은 세라믹 소재 등이 알려져 있으나, 이러한 소재는 가공성이 떨어지기 때문에, 고분자 매트릭스 내에 높은 열전도율을 나타내는 상기 세라믹 필러 등을 배합하여 제조한 복합 소재가 사용될 수 있다.

그렇지만, 상기 방식에 의해서는 높은 열전도도를 확보하기 위해서 다량의 필러 성분이 적용되어야 하기 때문에, 다양한 문제가 발생한다. 예를 들면, 다량의 필러 성분을 포함하는 소재의 경우, 소재 자체가 딱딱하게 되는 경향이 있고, 이러한 경우에 내충격성 등이 떨어진다.

본 출원은, 복합재에 대한 것이고, 일 예시에서 열전도 특성이 우수하면서도, 내충격성이나 가공성 등 다른 물성도 우수하게 확보되며, 필요에 따라서 전기 전도도도 조절할 수 있는 복합재 또는 그 제조 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 출원은 복합재에 대한 것이다. 용어 복합재는 금속폼과 고분자 성분을 적어도 포함하는 재료를 의미할 수 있다.

본 명세서에서 용어 금속폼 또는 금속 골격은, 금속을 주성분으로 포함하는 다공성 구조체를 의미한다. 상기에서 금속을 주성분으로 한다는 것은, 금속폼 또는 금속 골격의 전체 중량을 기준으로 금속의 비율이 55 중량% 이상, 60 중량% 이상, 65 중량% 이상, 70 중량% 이상, 75 중량% 이상, 80 중량% 이상, 85 중량% 이상, 90 중량% 이상 또는 95 중량% 이상인 경우를 의미한다. 상기 주성분으로 포함되는 금속의 비율의 상한은 특별히 제한되지 않으며, 예를 들면, 100 중량%, 99 중량% 또는 98 중량% 정도일 수 있다.

본 명세서에서 용어 다공성은, 기공도(porosity)가 적어도 10% 이상, 20% 이상, 30% 이상, 40% 이상, 50% 이상, 60% 이상, 70% 이상, 75% 이상 또는 80% 이상인 경우를 의미할 수 있다. 상기 기공도의 상한은 특별히 제한되지 않으며, 예를 들면, 약 100% 미만, 약 99% 이하 또는 약 98% 이하 정도일 수 있다. 상기 기공도는 금속폼 등의 밀도를 계산하여 공지의 방식으로 산출할 수 있다.

상기 복합재는, 높은 열전도도를 가지며, 이에 따라서 예를 들면, 방열 소재와 같이 열의 제어를 위한 소재로 사용될 수 있다.

예를 들면, 상기 복합재는 열전도도가 약 0.4 W/mK 이상, 0.45 W/mK 이상, 0.5 W/mK 이상, 0.55 W/mK 이상, 0.6 W/mK 이상, 0.65 W/mK 이상, 0.7 W/mK 이상, 0.75 W/mK 이상, 0.8 W/mK 이상, 0.85 W/mK 이상, 0.9 W/mK 이상, 0.95 W/mK 이상, 1 W/mK 이상, 1.5 W/mK 이상, 2, W/mK 이상 2.5 W/mK 이상, 3 W/mK 이상, 3.5 W/mK 이상, 4 W/mK 이상, 4.5 W/mK 이상 또는 5 W/mK 이상일 수 있다. 상기 복합재의 열전도도는 높을수록 복합재가 우수한 열 제어 기능을 가질 수 있는 것이어서 특별히 제한되지 않으며, 일 예시에서 약 100 W/mK 이하, 90 W/mK 이하, 80 W/mK 이하, 70 W/mK 이하, 60 W/mK 이하, 50 W/mK 이하, 40 W/mK 이하, 30 W/mK 이하, 20 W/mK 이하, 15 W/mK 이하, 10 W/mK 이하, 8 W/mK 이하 또는 6 W/mK 이하 정도일 수 있다. 본 명세서에서 언급하는 복합재의 열전도도는, 후술하는 실시예의 기술 방식에 따라 측정한다.

본 명세서에서 언급하는 물성 중에서 측정 온도가 해당 물성에 영향을 미치는 경우에는, 특별히 달리 규정하지 않는 한, 그 물성은 상온에서 측정한 것이다. 용어 상온은 가온 또는 감온되지 않은 자연 그대로의 온도이고, 예를 들면, 약 10℃ 내지 30℃의 범위 내의 어느 한 온도, 약 23℃ 또는 약 25℃ 정도의 온도를 의미할 수 있다.

*본 출원의 복합재는 상기와 같은 우수한 열전도 특성을 가지는 동시에 가공성이나 내충격성 등의 다른 물성도 안정적으로 확보될 수 있으며, 이러한 효과는 본 명세서에서 설명하는 내용에 의해 달성될 수 있다.

상기 복합재에 포함되는 금속폼의 형태는 특별히 제한되지는 않으나, 일 예시에서 필름 형상일 수 있다. 본 출원의 복합재에서는 상기 필름 형태의 금속폼의 적어도 표면이나 내부에 존재하는 고분자 성분이 추가된다. 도 1은 본 출원의 일 예시에 따른 복합체를 나타내는 도면이다. 도면과 같이 본 출원의 복합재(20)는 금속폼(22)을 포함하고, 그 내부 및/또는 표면에 고분자 성분(21)을 또한 포함할 수 있다. 상기에서 고분자 성분(21)은, 도면에서는 내부 및 표면에 모두 존재하는 경우를 나타내었으나, 상기 고분자 성분(21)은 금속폼(22)의 내부 또는 표면 중 어느 하나에만 존재할 수도 있으며, 금속폼(22) 내부에 존재하는 경우에도 금속폼(22)의 모든 내부가 아니라, 일부에만 충전되어 있을 수도 있다.

즉, 고분자 성분은, 상기 금속폼의 적어도 하나의 표면상에서 표면층을 형성하고 있거나, 금속폼 내부의 공극에 충전되어 존재할 수 있으며, 경우에 따라서는 상기 표면층을 형성하면서 또한 금속폼의 내부에 충전되어 있을 수도 있다. 표면층을 형성하는 경우에, 금속폼의 표면 중에서 적어도 한 표면, 일부의 표면 또는 모든 표면에 대해서 고분자 성분이 표면층을 형성하고 있을 수 있다. 일 예시에서는 적어도 금속폼의 주표면인 상부 및/또는 하부 표면에 상기 고분자 성분이 표면층을 형성하고 있을 수 있다. 상기 표면층은, 금속폼의 표면 전체를 덮도록 형성될 수도 있고, 일부 표면만을 덮도록 형성될 수도 있다.

복합재에서 금속폼은, 기공도(porosity)가 약 10% 내지 99%의 범위 내일 수 있다. 이러한 기공도를 가지는 금속폼은, 적합한 열전달 네트워크를 형성하고 있는 다공성의 금속 골격을 가지고, 따라서 해당 금속폼을 소량 적용하는 경우에도 우수한 열전도도를 확보할 수 있다. 다른 예시에서 상기 기공도는, 15% 이상, 20% 이상, 25% 이상, 30% 이상, 35% 이상, 40% 이상, 45% 이상, 50% 이상, 55% 이상, 60% 이상, 65% 이상 또는 70% 이상이거나, 98% 이하, 95% 이하, 90% 이하, 85% 이하 또는 80% 이하일 수 있다.

금속폼은 필름 형태일 수 있다. 이러한 경우에 필름의 두께는 후술하는 방식에 따라 복합재를 제조함에 있어서, 목적하는 열전도도나 두께 비율 등을 고려하여 조절될 수 있다. 상기 필름의 두께는, 목적으로 하는 열전도도의 확보를 위해, 예를 들면, 약 10μm 이상, 약 20μm 이상, 약 30μm 이상, 약 40μm 이상, 약 45 μm 이상, 약 50 μm 이상, 약 55 μm 이상, 약 60 μm 이상, 약 65 μm 이상, 약 70 μm 이상, 약 100㎛ 이상, 약 150㎛ 이상, 약 200㎛ 이상, 약 250㎛ 이상, 약 300㎛ 이상, 약 350㎛ 이상, 약 400㎛ 이상, 약 450㎛ 이상 또는 약 500㎛ 이상일 수 있다. 상기 필름의 두께의 상한은 목적에 따라서 제어되는 것으로 특별히 제한되는 것은 아니나, 예를 들면, 10mm 이하, 5,000㎛ 이하, 2,000㎛ 이하, 1,500㎛ 이하, 약 1,000 μm 이하, 약 900 μm 이하, 약 800 μm 이하, 약 700 μm 이하, 약 600 μm 이하, 약 500 μm 이하, 약 400 μm 이하, 약 300 μm 이하, 약 200 μm 이하, 약 150 μm 이하, 약 100㎛ 이하, 약 90㎛ 이하, 약 80㎛ 이하, 약 70㎛ 이하, 약 60㎛ 이하 또는 약 55㎛ 이하 정도일 수 있다.

본 명세서에서 두께는 해당 대상의 두께가 일정하지 않은 경우에는, 그 대상의 최소 두께, 최대 두께 또는 평균 두께일 수 있다.

상기 금속폼은 열전도도가 높은 소재일 수 있다. 일 예시에서 상기 금속폼은 열전도도가, 약 8 W/mK 이상, 약 10 W/mK 이상, 약 15 W/mK 이상, 약 20 W/mK 이상, 약 25 W/mK 이상, 약 30 W/mK 이상, 약 35 W/mK 이상, 약 40 W/mK 이상, 약 45 W/mK 이상, 약 50 W/mK 이상, 약 55 W/mK 이상, 약 60 W/mK 이상, 약 65 W/mK 이상, 약 70 W/mK 이상, 약 75 W/mK 이상, 약 80 W/mK 이상, 약 85 W/mK 이상 또는 약 90 W/mK 이상인 금속 또는 금속 합금을 포함하거나, 그로부터 이루어질 수 있다. 상기 열전도도는, 그 수치가 높을수록 적은 양의 금속폼을 적용하면서 목적하는 열 제어 특성을 확보할 수 있기 때문에 특별히 제한되는 것은 아니며, 예를 들면, 약 1,000 W/mK 이하 정도일 수 있다.

상기 금속폼의 골격은, 다양한 종류의 금속이나 금속 합금으로 이루어질 수 있는데, 이러한 금속이나 금속 합금 중에서 상기 언급된 범위의 열전도도를 나타낼 수 있는 소재가 선택되면 된다. 이러한 소재로는, 구리, 금, 백금, 은, 알루미늄, 니켈, 망간, 철, 코발트, 마그네슘, 몰리브덴, 텅스텐 및 아연으로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나의 금속이나 상기 중 2종 이상의 합금 등이 예시될 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.

이러한 금속폼은 다양하게 공지되어 있고, 금속폼을 제조하는 방법 역시 다양하게 공지되어 있다. 본 출원에서는 이러한 공지의 금속폼이나 상기 공지의 방식으로 제조한 금속폼이 적용될 수 있다.

금속폼을 제조하는 방식으로는, 염 등의 기공 형성제와 금속의 복합 재료를 소결하는 방식, 고분자 폼 등의 지지체에 금속을 코팅하고, 그 상태로 소결하는 방식이나 슬러리법 등이 알려져 있다. 또한, 상기 금속폼은 본 출원인의 선행 출원인 한국출원 제2017-0086014호, 제2017-0040971호, 제2017-0040972호, 제2016-0162154호, 제2016-0162153호 또는 제2016-0162152호 등에 개시된 방식에 따라서도 제조될 수 있다.

상기 금속폼은 또한 상기 선행출원에 개시된 방식 중에서 유도 가열 방식으로도 제조될 수 있는데, 이러한 경우에 금속폼은 전도성 자성 금속을 적어도 포함할 수 있다. 이 경우, 금속폼은 상기 전도성 자성 금속을 중량을 기준으로 30 중량% 이상, 35 중량% 이상, 40 중량% 이상, 45 중량% 이상 또는 50 중량% 이상 포함할 수 있다. 다른 예시에서 상기 금속폼 내의 전도성 자성 금속의 비율은, 약 55 중량% 이상, 60 중량% 이상, 65 중량% 이상, 70 중량% 이상, 75 중량% 이상, 80 중량% 이상, 85 중량% 이상 또는 90 중량% 이상일 수 있다. 상기 전도성 자성 금속의 비율의 상한은 특별히 제한되지 않으며, 예를 들면, 약 100 중량% 미만 또는 95 중량% 이하일 수 있다.

본 출원에 있어서 용어 전도성 자성 금속은, 소정 상대 투자율과 전도도를 가지는 금속으로서, 유도 가열 방식에 의해 금속의 소결이 가능할 정도로 발열이 가능한 금속을 의미할 수 있다.

일 예시에서 상기 전도성 금속으로는, 상대 투자율이 90 이상인 금속이 사용될 수 있다. 상대 투자율(μ_r)은, 해당 물질의 투자율(μ)과 진공속의 투자율(μ₀)의 비율(μ/μ₀)이다. 상기 금속은 상대 투자율이 95 이상, 100 이상, 110 이상, 120 이상, 130 이상, 140 이상, 150 이상, 160 이상, 170 이상, 180 이상, 190 이상, 200 이상, 210 이상, 220 이상, 230 이상, 240 이상, 250 이상, 260 이상, 270 이상, 280 이상, 290 이상, 300 이상, 310 이상, 320 이상, 330 이상, 340 이상, 350 이상, 360 이상, 370 이상, 380 이상, 390 이상, 400 이상, 410 이상, 420 이상, 430 이상, 440 이상, 450 이상, 460 이상, 470 이상, 480 이상, 490 이상, 500 이상, 510 이상, 520 이상, 530 이상, 540 이상, 550 이상, 560 이상, 570 이상, 580 이상 또는 590 이상일 수 있다. 상대 투자율이 높을 수록 후술하는 유도 가열을 위한 전자기장의 인가 시에 보다 높은 열을 발생하게 되므로 그 상한은 특별히 제한되지 않는다. 일 예시에서 상기 상대 투자율의 상한은 예를 들면, 약 300,000 이하일 수 있다.

전도성 자성 금속은 20℃에서의 전도도가 약 8 MS/m 이상, 9 MS/m 이상, 10 MS/m 이상, 11 MS/m 이상, 12 MS/m 이상, 13 MS/m 이상 또는 14.5 MS/m 이상일 수 있다. 상기 전도도의 상한은 특별히 제한되지 않으며, 예를 들면, 상기 전도도는, 약 30 MS/m 이하, 25 MS/m 이하 또는 20 MS/m 이하일 수 있다.

이러한 전도성 자성 금속의 구체적인 예에는 니켈, 철 또는 코발트 등이 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.

상기 복합재는, 전술한 바와 같이 상기 금속폼의 표면 또는 금속폼의 내부에 존재하는 고분자 성분을 추가로 포함하는데, 이러한 복합재의 상기 금속폼의 두께(MT) 및 전체 두께(T)의 비율(T/MT)은, 3 이하 또는 2.5 이하일 수 있다. 상기 두께의 비율은 다른 예시에서 약 2 이하, 1.5 이하, 1.4 이하, 1.3 이하, 1.2 이하, 1.15 이하 또는 1.1 이하일 수 있다. 상기 두께의 비율의 하한은 특별히 제한되는 것은 아니나, 일 예시에서 약 1 이상, 약 1.01 이상, 약 1.02 이상, 약 1.03 이상, 약 1.04 이상, 약 1.05 이상 또는 약 1.1 이상일 수 있다. 이러한 두께 비율 하에서 목적하는 열전도도가 확보되면서, 가공성이나 내충격성 등이 우수한 복합재가 제공될 수 있다.

본 출원의 복합재에 포함되는 고분자 성분의 종류는 특별히 제한되지 않으며, 예를 들면, 복합재의 가공성이나 내충격성, 절연성 등을 고려하여 선택될 수 있다. 본 출원에서 적용될 수 있는 고분자 성분의 예로는, 공지의 아크릴 수지, 실리콘 수지, 에폭시 수지, 우레탄 수지, 아미노 수지, 각종 고무계 수지 및 페놀 수지로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상을 들 수 있지만, 이에 제한되는 것은 아니다. 일 예시에서 상기 고분자 성분으로는 폴리디메틸실록산 계열과 같은 실리콘 수지를 적용할 수 있다.

본 출원의 복합재는, 전술한 금속폼의 적용을 통해서 주로 열전도도를 확보하는 성분의 비율을 최소화하면서도 우수한 열전도도를 확보할 수 있고, 따라서 가공성이나 내충격성 등의 손해 없이 목적하는 물성의 확보가 가능하다.

일 예시에서 상기 복합재에 포함되는 고분자 성분의 부피(PV)와 금속폼의 부피(MV)의 비율(MV/PV)은 10 이하일 수 있다. 상기 비율(MW/PV)은 다른 예시에서 9 이하, 8 이하, 7 이하, 6 이하, 5 이하, 4 이하, 3 이하, 2 이하, 1 이하 또는 0.5 이하 정도일 수 있다. 상기 부피 비율의 하한은 특별히 제한되지 않고, 예를 들면, 약 0.1 정도일 수 있다. 상기 부피 비율은, 복합재에 포함되는 고분자 성분과 금속폼의 중량과 해당 성분들의 밀도를 통해 산출할 수 있다.

다른 예시에서 복합재 내에서 금속폼의 함량은 전체 복합재의 중량 대비 약 3 중량% 이상, 약 5 중량% 이상 또는 약 10 중량% 이상일 수 있다. 또한, 상기 금속폼 필러의 함량은, 예를 들면, 전체 복합재의 중량 대비 약 50 중량% 이하, 약 40 중량% 이하 또는 약 25 중량% 이하 정도일 수 있다.

본 출원의 복합재에서는 상기와 같은 고분자 성분이 금속폼의 적어도 일 표면에서 표면층을 형성하고 있을 수 있다.

이러한 경우에 상기 표면층(고분자 스킨층)의 두께는 목적에 따라서 제어되는 것으로 특별히 제한되지 않지만, 예를 들면, 약 300μm 이하, 250μm 이하, 200μm 이하 또는 150μm 이하, 약 100μm 이하, 약 80μm 이하, 약 60μm 이하, 약 40μm 이하, 약 30μm 이하, 약 25 μm 이하, 약 20 μm 이하, 약 15 μm 이하, 약 10 μm 이하 또는 약 5 μm 이하 정도일 수 있다. 상기 스킨층의 두께는, 예를 들면, 5μm 이상, 10 μm 이상, 15 μm 이상, 20 μm 이상, 25 μm 이상, 30μm 이상, 70μm 이상 또는 100μm 이상 정도일 수도 있다.

상기 고분자 성분은 전기 전도성 필러를 추가로 포함할 수 있으며, 예를 들면, 상기 전기 전도성 필러는, 상기 금속폼의 내부 공극을 충전하고 있는 고분자 성분 및/또는 상기 표면층 내에 포함되어 있을 수 있다. 이를 통해서 보다 열전도 특성이 우수한 복합재의 제공이 가능하고, 상기 복합재의 전기 전도도도 제어할 수 있다. 도 2는 상기 전기 전도성 필러가 표면층에 존재하는 경우의 예시이다. 도 2와 같이, 본 출원의 복합재(30)는 고분자 성분(31), 금속폼(32) 및 전기 전도성 필러(35)를 포함할 수 있다.

본 출원에서 용어 전기 전도성 필러는, 20℃에서의 전도도가 약 8 MS/m 이상, 9 MS/m 이상, 10 MS/m 이상, 11 MS/m 이상, 12 MS/m 이상, 13 MS/m 이상 또는 14.5 MS/m 이상인 입자를 의미할 수 있다. 상기 전도도의 상한은 특별히 제한되지 않으며, 예를 들면, 약 30 MS/m 이하, 25 MS/m 이하 또는 20 MS/m 이하일 수 있다.

본 출원에서 적용될 수 있는 전기전도성 필러의 구체적인 종류는 상기 언급된 전도도를 가지는 것이라면 특별히 제한되지 않고, 공지의 금속 필러, 금속합금 필러 또는 탄소계 필러 등이 사용될 수 있다.

상기 필러의 예로는, 니켈, 철, 코발트, 은, 구리, 금, 알루미늄, 칼슘, 텅스텐, 아연, 몰리브덴, 백금, 금, 리튬, 철, 백금, 주석, 납, 티탄, 망간, 마그네슘 또는 크롬 등의 전기 전도성 금속의 필러 또는 상기 중 2종 이상의 합금의 필러 등이나. 흑연, 탄소섬유, 탄소나노튜브, 그래핀 또는 그래파이트 등과 같은 필러가 예시될 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.

상기 필러의 형태나 비율은 특별히 제한되지 않는다. 일 예시에서 상기 필러의 형태는 대략 구형, 침상, 판형, 플레이크상, 덴드라이트형 또는 성형(star shape) 등의 다양한 형태를 가질 수 있지만, 상기 형태에 특별히 제한되는 것은 아니다.

하나의 예시에서 상기 전기전도성 필러는, 평균 입경이 0.001 ㎛ 내지 80 ㎛의 범위 내에 있을 수 있다. 상기 필러의 평균 입경은 다른 예시에서 0.01 ㎛ 이상, 0.1 ㎛ 이상, 0.5㎛ 이상, 1 ㎛ 이상, 2㎛ 이상, 3㎛ 이상, 4㎛ 이상, 5 ㎛ 이상 또는 약 6㎛ 이상일 수 있다. 상기 필러의 평균 입경은 다른 예시에서 약 75㎛ 이하, 약 70㎛ 이하, 약 65㎛ 이하, 약 60㎛ 이하, 약 55㎛ 이하, 약 50㎛ 이하, 약 45㎛ 이하, 약 40㎛ 이하, 약 35㎛ 이하, 약 30㎛ 이하, 약 25㎛ 이하, 약 20㎛ 이하, 약 15㎛ 이하, 약 10㎛ 이하 또는 약 5㎛ 이하일 수 있다.

필러의 비율은, 목적하는 특성이 확보되거나, 혹은 손상되지 않은 범위 내에서 조절될 수 있다. 일 예시에서 상기 필러는 복합재 내에서 부피 비율로 약 80vol% 이하 정도로 포함될 수 있다. 상기에서 부피 비율은, 복합재를 구성하는 성분, 예를 들면, 상기 금속폼, 고분자 성분 및 필러 각각의 중량과 밀도를 기준으로 계산한 수치이다.

상기 부피 비율은 다른 예시에서 약 75 vol% 이하, 70 vol% 이하, 65 vol% 이하, 60 vol% 이하, 55 vol% 이하, 50 vol% 이하, 45 vol% 이하, 40 vol% 이하, 35 vol% 이하 또는 30 vol% 이하 정도이거나, 약 1 vol% 이상, 2 vol% 이상, 3 vol% 이상, 4 vol% 이상 또는 5 vol% 이상 정도일 수 있다.

다른 예시에서 상기 필러는, 고분자 성분 100 중량부 대비 약 0.1 내지 50 중량부로 복합재에 포함될 수 있다. 상기 비율은 다른 예시에서 약 0.5 중량부 이상, 1 중량부 이상, 5 중량부 이상 또는 10 중량부 이상일 수 있고, 또한 약 45 중량부 이하, 40 중량부 이하, 35 중량부 이하, 30 중량부 이하, 25 중량부 이하, 20 중량부 이하 또는 15 중량부 이하 정도일 수도 있다.

본 출원은 또한 상기와 같은 형태의 복합재의 제조 방법에 대한 것이다. 상기 제조 방법은, 열전도도가 8 W/mK 이상인 금속 또는 금속 합금을 포함하고, 필름 형태인 금속폼의 표면에 전기전도성 필러를 포함하는 경화성 고분자 조성물이 존재하는 상태에서 상기 고분자 조성물을 경화시키는 단계를 포함할 수 있다.

상기 방법에서 적용되는 금속폼이나 필러에 대한 구체적인 내용은 이미 기술한 바와 같고, 제조되는 복합재에 대한 구체적인 사항 역시 상기 기술한 내용에 따를 수 있다.

한편, 상기에서 적용되는 고분자 조성물 역시 경화 등을 통해 상기 언급한 고분자 성분을 형성할 수 있는 것이라면 특별한 제한은 없으며, 이러한 고분자 성분은 업계에 다양하게 공지되어 있다.

즉, 예를 들면, 공지의 성분 중에서 적절한 점도를 가지는 재료를 사용하여, 공지의 방식을 통해 경화를 진행하여 상기 복합재를 제조할 수 있다.

도 1 및 2는, 본 출원의 예시적인 복합재의 모식도이다.

이하 실시예 및 비교예를 통하여 본 출원을 구체적으로 설명하지만, 본 출원의 범위가 하기 실시예에 제한되는 것은 아니다.

실시예 1.

금속폼으로는 구리 금속폼으로서, 두께가 약 100 μm 정도이며, 기공도가 약 70% 정도인 필름 형상의 구리폼을 사용하였다. 상기 구리 금속폼을 열경화형 실리콘 수지(다우코닝社, Sylgard 183kit 폴리디메틸실록산)와 덴드라이트상이면서, 평균 입경이 4μm 정도인 구리 분말을 혼합한 용액(구리 파우더 10중량%)에 함침시키고, 어플리케이터를 이용하여 최종 복합재의 두께가 약 120μm 정도인 필름 형태가 되도록 과량의 조성물을 제거하였다. 이어서 상기 재료를 약 120℃의 오븐에 약 20분간 유지하여 경화시킴으로써 복합재를 제조하였다. 이 복합재의 열전도도는 약 2.765 W/mK 정도였고, 전기 저항은 0.36 Ω/□ 정도였다.

상기 열전도도는, 복합재의 열확산도(A), 비열(B) 및 밀도(C)를 구하여 열전도도=ABC의 수식으로 구하였고, 상기 열확산도(A)는, 레이저 플래쉬법(LFA 장비, 모델명: LFA467)을 이용하여 측정하였으며, 비열은 DSC(Differential Scanning Calorimeter) 장비를 통해 측정하였고, 밀도는 아르키메데스법을 이용하여 측정하였다. 또한, 상기 열전도도는 복합재의 두께 방향(Z축)에 대한 값이다. 또한, 전기 저항은 4 포인트 프로브 시스템의 면저항 측정기로 측정하였다.

실시예 2.

전기전도성 필러로서, 플레이크상이면서 평균 입경이 약 10 μm 정도인 구리 분말을 적용한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일하게 복합재를 제조하였다. 이 복합재의 열전도도는 약 4.329 W/mK 정도였고, 전기 저항은 0.32 Ω/□ 정도였다.

실시예 3.

전기전도성 필러로서, 구상이면서 평균 입경이 약 3 내지 6 μm 정도의 수준인 니켈 분말을 적용한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일하게 복합재를 제조하였다. 이 복합재의 열전도도는 약 1.741 W/mK 정도였고, 전기 저항은 0.048 Ω/□ 정도였다 .

실시예 4.

전기전도성 필러로서, 플레이크상이면서 평균 입경이 약 3 내지 6 μm 정도의 수준인 니켈 분말을 적용한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일하게 복합재를 제조하였다. 이 복합재의 열전도도는 약 2.986 W/mK 정도였고, 전기 저항은 0.041 Ω/□ 정도였다 .

실시예 5.

전기전도성 필러로서, 플레이크상이면서 평균 입경이 약 3 내지 6 μm 정도의 수준인 그라파이트(graphite) 분말을 적용한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일하게 복합재를 제조하였다. 이 복합재의 열전도도는 약 2.134 W/mK 정도였고, 전기 저항은 0.51 Ω/□ 정도였다 .

비교예 1

열경화형 실리콘 수지(다우코닝社, Sylgard 183kit 폴리디메틸실록산)를 필름 어플리케이터를 이용해 120μm 두께의 필름으로 형성하였다. 이후, 120℃의 오븐에서 20분 동안 가열하여 열경화를 진행하였다. 이 복합재의 열전도도는 약 0.270 W/mK 정도였고, 전기 저항은 절연체(insulation) 수준으로 높게 측정되었다.

비교예 2

두께가 100μm 이고, 기공도가 75%인 시트 형태의 구리폼에 열경화형 실리콘 수지(다우코닝社, Sylgard 183kit 폴리디메틸실록산)를 필름 어플리케이터를 이용해 전체 두께가 120μm가 되도록 코팅하였다. 이후, 120℃의 오븐에서 20분 동안 가열하여 열경화를 진행하여 복합재를 제조하였다. 이 복합재의 열전도도는 약 1.212 W/mK 정도였고, 전기 저항은 절연체(insulation) 수준으로 높게 측정되었다.

비교예 3

열경화형 실리콘 수지(다우코닝社, Sylgard 183kit 폴리디메틸실록산)와 덴드라이트상이고 평균 입경이 4μm인 구리 파우더를 혼합한 용액(구리 파우더 25중량%)를 혼합한 용액을 필름 어플리케이터를 이용해 120μm 두께의 필름으로 형성하였다. 이후, 120℃의 오븐에서 20분 동안 가열하여 열경화를 진행해 방열 복합재를 제조하였다. 이 복합재의 열전도도는 약 0.402 W/mK 정도였고, 전기 저항은 절연체(insulation) 수준으로 높게 측정되었다.

비교예 4

열경화형 실리콘 수지(다우코닝社, Sylgard 183kit 폴리디메틸실록산)와 플레이크상이고 평균 입경이 10μm 정도인 구리 파우더를 혼합한 용액(구리 파우더 25중량%)를 혼합한 용액을 필름 어플리케이터를 이용해 120μm 두께의 필름으로 형성하였다. 이후, 120℃의 오븐에서 20분 동안 가열하여 열경화를 진행해 방열 복합재를 제조하였다. 이 복합재의 열전도도는 약 0.338 W/mK 정도였고, 전기 저항은 절연체(insulation) 수준으로 높게 측정되었다.

비교예 5

열경화형 실리콘 수지(다우코닝社, Sylgard 183kit 폴리디메틸실록산)와 구상이고 평균 입경이 3 내지 6μm 정도인 니켈 파우더를 혼합한 용액(니켈 파우더 25중량%)를 혼합한 용액을 필름 어플리케이터를 이용해 120μm 두께의 필름으로 형성하였다. 이후, 120℃의 오븐에서 20분 동안 가열하여 열경화를 진행해 방열 복합재를 제조하였다. 이 복합재의 열전도도는 약 0.297 W/mK 정도였고, 전기 저항은 절연체(insulation) 수준으로 높게 측정되었다.

비교예 6

열경화형 실리콘 수지(다우코닝社, Sylgard 183kit 폴리디메틸실록산)와 플레이크상이고 평균 입경이 3 내지 6μm 정도인 니켈 파우더를 혼합한 용액(니켈 파우더 25중량%)를 혼합한 용액을 필름 어플리케이터를 이용해 120μm 두께의 필름으로 형성하였다. 이후, 120℃의 오븐에서 20분 동안 가열하여 열경화를 진행해 방열 복합재를 제조하였다. 이 복합재의 열전도도는 약 0.301 W/mK 정도였고, 전기 저항은 절연체(insulation) 수준으로 높게 측정되었다.

Claims

두께가 500μm 이하이며, 기공도가 85% 이하인 필름 형태의 금속폼 및 상기 금속폼의 표면 및 금속폼의 내부에 존재하며, 전기 전도성 필러를 포함하는 고분자 성분을 포함하고,
상기 전기 전도성 필러는 20℃에서의 전도도가 8 MS/m 이상인 플레이크상이며,
상기 금속폼의 두께(MT) 및 전체 두께(T)의 비율(T/MT)이 1 이상이고, 3 이하의 범위 내에 있는 복합재.
제 1 항에 있어서, 금속폼의 두께(MT) 및 전체 두께(T)의 비율(T/MT)이 2.5 이하인 복합재.
제 1 항에 있어서, 금속폼의 두께(MT) 및 전체 두께(T)의 비율(T/MT)이 1.01 이상인 복합재.
제 1 항에 있어서, 금속폼의 두께(MT) 및 전체 두께(T)의 비율(T/MT)이 2 이하인 복합재.
제 1 항에 있어서, 금속폼은 열전도도가 8 W/mK 이상인 금속 또는 금속 합금을 포함하는 복합재.
제 1 항에 있어서, 금속폼은 두께가 10 μm 이상인 열전도성 복합재.
제 1 항에 있어서, 금속폼은 기공도가 60% 내지 80%의 범위 내에 있는 복합재.
제 1 항에 있어서, 금속폼은, 구리, 금, 백금, 은, 알루미늄, 니켈, 망간, 철, 코발트, 마그네슘, 몰리브덴, 텅스텐 및 아연으로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나의 금속 또는 상기 중 2종 이상을 포함하는 골격을 가지는 복합재.
제 1 항에 있어서, 고분자 성분은, 아크릴 수지, 실리콘 수지, 에폭시 수지, 우레탄 수지, 아미노 수지 및 페놀 수지로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상을 포함하는 복합재.
제 1 항에 있어서, 고분자 성분의 부피(PV)와 금속폼의 부피(MV)의 비율(MV/PV)은 10 이하인 복합재.
제 1 항에 있어서, 전기전도성 필러는, 금속 필러, 금속 합금 필러 또는 탄소계 필러인 복합재.
제 1 항에 있어서, 전기전도성 필러는, 니켈, 철, 코발트, 은, 구리, 금, 알루미늄, 칼슘, 텅스텐, 아연, 몰리브덴, 백금, 금, 리튬, 철, 백금, 주석, 납, 티탄, 망간, 마그네슘 및 크롬으로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상의 필러인 복합재.
제 1 항에 있어서, 전기전도성 필러는, 흑연, 탄소섬유, 탄소나노튜브, 그래핀 또는 그래파이트인 복합재.
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제 1 항에 있어서, 전기전도성 필러는 평균 입경이 0.001 μm 내지 80 μm의 범위 내인 복합재.
제 1 항에 있어서, 전기전도성 필러의 부피 비율이 80 vol% 이하인 복합재.
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