KR102171410B1 - 탄소나노튜브를 이용한 열전도성 첨가제 및 이를 포함하는 고분자 조성물 - Google Patents

Abstract

본 발명은 탄소나노튜브를 이용한 열전도성 첨가제 및 이를 포함하는 고분자 조성물에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 탄소나노튜브(Carbon Nano Tube), 알루미나(alumina), 질화알루미늄(aluminum nitride), 황화은(silver sulfide) 및 질산란탄마그네슘(Magnesium lanthanumnitrate)를 포함하는 것을 특징으로 한다. 본 발명에 의한 탄소나노튜브를 이용한 열전도성 첨가제 및 이를 포함하는 고분자 조성물은, 열전도도는 물론, 기계적 강도를 개선한다는 장점이 있다.

Description

탄소나노튜브를 이용한 열전도성 첨가제 및 이를 포함하는 고분자 조성물{Thermal Conductive filler inculding carbon nanotube and Polymer compositions inculding thereof}

본 발명은 열전도성 첨가제 및 이를 포함하는 고분자 조성물에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 열전도성 및 기계적 강도를 향상시킬 수 있는 탄소나노튜브를 이용한 열전도성 첨가제 및 이를 포함하는 고분자 조성물에 관한 것이다.

최근 스마트폰, 컴퓨터 등의 전자기기가 소형화되고 가벼워짐에 따라 반도체 패키지의 고밀도 패키징과 직접회로에서 소자의 고집적화 및 고속화 등이 요구되고 있다. 이에 따라, 각종 전자부품에서 발생하는 열을 외부로 방출하여 열에 의한 부품 손상을 방지하는 것으로 방열판 또는 방열시트에 관한 연구가 활발히 진행되고 있다.

종래에 사용되는 방열판으로는 열전도성이 좋은 금속 예를 들면, 알루미늄과 같은 방열판이 사용되었다. 그러나 방열판 소재로 금속을 사용하게 되면 낮은 성형성, 생산성 및 부품 디자인의 한계가 있어 이를 대체할 수 있는 물질에 대한 연구가 진행되고 있다.

또한, 방열시트는 발광다이오드(LED) 또는 전지 및 인쇄회로기판(PCB) 등의 열을 발생시키는 부품이나 제품에 부착되어 높은 방열 효과를 내는 제품으로, 방열시트의 소재로서 열전도성 고분자가 개발되었다.

상기 열전도성 고분자는 열저항체인 고분자에 높은 열전도도를 가지는 열전도성 필러를 첨가시킴으로써 제조된다. 또한, 상기 열전도성 고분자 소재의 개발은 사출성형이 가능하고 적정 수준의 물성을 확보하기 위하여 최소의 열전도성 필러 함량으로 최적의 열전도도를 얻기 위한 방향으로 진행되고 있다.

예시적으로, 카본나노튜브(CNT)를 아크릴바인더에 결합하여 열전도성을 극대화한 그라파이트 방열시트가 사용되고 있다. 방열 효율은 4.546 W/m·K 수준이다.

또한, 대한민국 공개특허 제10-2009-0088134호에서는 내열도, 반사율 및 열전도도가 우수한 수지 조성물 및 제조방법을 게시하였는바, 용융점이 270℃ 이상인 결정성 수지 40~70중량%와 백색 무기물 5~50중량%, 열전도성 필러 1~40중량%, 강성 증가제 5~30중량%를 배럴 온도 280~360℃의 이축 압출기에서 압출 혼합하여 펠렛 형태로 제조하는 발광 다이오드 패키징용 소재에 관한 것이다. 그러나 이러한 소재의 평균 열전도율은 0.5W/m·K이며, 기계적인 물성을 보완하기 위하여 추가적으로 강성 증가제를 사용한다는 문제가 있었다.

KR 10-1699606 B1 KR 10-1648336 B1 KR 10-2009-0088134 A

따라서, 본 발명의 목적은 열전도도를 현저히 개선함은 물론, 기계적 강도를 개선하는 탄소나노튜브를 이용한 열전도성 첨가제 및 이를 포함하는 고분자 조성물을 제공하는 데 있다.

상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 탄소나노튜브를 이용한 열전도성 첨가제는, 탄소나노튜브(Carbon Nano Tube), 알루미나(alumina), 질화알루미늄(aluminum nitride), 황화은(silver sulfide) 및 질산란탄마그네슘(Magnesium lanthanumnitrate)를 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기 탄소나노튜브 100중량부에 대하여, 알루미나 5~10중량부, 질화알루미늄 5~10중량부, 황화은 5~10중량부 및 질산란탄마그네슘 5~10중량부를 포함하는 것을 특징으로 한다.

보론 니트라이드(Boron Nitride) 5~10중량부를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기 탄소나노튜브의 평균 직경이 1~7㎛, 평균 길이가 5~30㎛이고, 상기 알루미나의 평균 입경이 1~5㎛이며, 상기 질화알루미늄의 평균 입경이 1~5㎛이고, 상기 황화은의 평균 입경이 0.5~1㎛이며, 상기 질산란탄마그네슘의 평균 입경이 0.5~1㎛이고, 상기 보론 니트라이드의 평균 입경이 0.5~1㎛인 것을 특징으로 한다.

그리고 본 발명에 의한 고분자 조성물은 상기한 열전도성 첨가제를 10~30wt%의 범위로 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 의한 탄소나노튜브를 이용한 열전도성 첨가제 및 이를 포함하는 고분자 조성물은, 열전도도는 물론, 기계적 강도를 현저히 개선한다는 장점이 있다.

이하, 본 발명을 상세히 설명한다.

먼저, 본 발명에 의한 열전도성 첨가제에 대하여 상세히 설명한다.

종래 열전도성 첨가제는 고분자 수지에 우수한 열전도성을 부여하기 위하여 첨가되는 것으로, 탄소나노튜브 등을 단독으로 사용하였다. 그러나 이러한 탄소나노튜브만으로는 열전도성 개선에 한계가 있었다. 아울러, 고분자 조성물의 기계적 강도를 개선하기 위해서는 별도의 강성 증가제를 사용해야 한다는 문제도 있었다.

본 발명은 하기의 조합으로 되는 열전도성 첨가제를 통해 이러한 단점을 모두 해소한 것이다.

본 발명에 의한 열전도성 첨가제는 구체적으로는 탄소나노튜브(Carbon Nano Tube), 알루미나(alumina), 질화알루미늄(aluminum nitride), 황화은(silver sulfide) 및 질산란탄마그네슘(Magnesium lanthanumnitrate)을 포함한다.

먼저, 상기 탄소나노튜브는 그 형상이 판상인 것으로, 종래 열전도성 첨가제로서 사용되고 있다. 그러나 이러한 탄소나노튜브는 앞서 설명한 바와 같이, 단독으로 사용시 열전도성의 개선에 한계가 있다. 따라서, 본 발명은 알루미나(alumina), 질화알루미늄(aluminum nitride), 황화은(silver sulfide) 및 질산란탄마그네슘(Magnesium lanthanumnitrate)을 통해 이러한 탄소나노튜브의 한계를 극복하는 것이다.

상기 탄소나노튜브는 단일벽 탄소나노튜브, 이중벽 탄소나노튜브, 다중벽 탄소나노튜브 및 다발형 탄소나노튜브로 이루어진 군으로부터 선택되는 하나 이상인 것일 수 있다. 상기 탄소나노튜브는 평균 직경이 1~7㎛, 평균 길이가 5~30㎛ 임이 바람직한데, 이러한 범위를 벗어날 경우 열전도율을 충분히 달성하기 어렵거나 분산도에 문제가 있을 수 있기 때문이다.

상기 알루미나 역시 우수한 열전도율의 향상을 위한 것으로, 상기 탄소나노튜브의 열전도도 향상의 한계를 극복하도록 돕는 것은 물론, 기계적 강도 역시 개선해준다. 상기 알루미나의 평균 입경은 1~5㎛임이 바람직한데, 평균 입경이 1㎛ 미만일 경우 열전도도의 개선이 어렵고, 5㎛를 초과할 경우 고분자 조성물의 물성이 저하될 수 있기 때문이다.

상기 질화알루미늄 역시 우수한 열전도율의 향상을 위한 것으로, 상기 알루미나와 함께 상기 탄소나노튜브의 열전도도 향상의 한계를 극복하도록 돕는다. 상기 질화알루미늄의 평균 입경은 1~5㎛임이 바람직한데, 평균 입경이 1㎛ 미만일 경우 열전도도의 개선이 어렵고, 5㎛를 초과할 경우 고분자 조성물의 물성이 저하될 수 있기 때문이다.

상기 황화은과 질산란탄마그네슘은 상기 탄소나노튜브, 알루미나, 질화알루미늄을 도와 열전도성을 향상시키는 역할을 한다. 아울러, 상기 황화은과 질산란탄마그네슘은 고분자 조성물의 기계적 강도를 개선하는 역할을 한다. 상기 황화은과 질산란탄마그네슘은 모두 평균 입경이 0.5~1㎛인 것을 사용함이 바람직한데, 이러한 입경을 벗어날 경우 열전도성 및 기계적 강도를 충분히 향상시킬 수 없기 때문이다.

아울러, 상기 알루미나, 질화알루미늄, 황화은, 질산란탄마그네슘은 종횡비가 0.8~1.0인 구형의 첨가제임이 바람직하나, 상기 종횡비를 제한하는 것은 아니다.

본 발명에서, 상기 열전도성 첨가제는, 상기 탄소나노튜브 100중량부에 대하여, 알루미나 5~10중량부, 질화알루미늄 5~10중량부, 황화은 5~10중량부 및 질산란탄마그네슘 5~10중량부로 구성될 수 있는바, 이러한 배합비가 열전도성 및 기계적 강도를 높이는 데 가장 효과적이기 때문이다.

상기와 같은 열전도성 첨가제는 고분자 수지에 첨가되어 고분자 조성물의 열전도성을 현저히 개선함은 물론, 별도의 강성 증가제를 사용하지 않더라도 고분자 조성물의 기계적 강도를 높여준다.

한편, 본 발명에 의한 열전도성 첨가제는 보론 니트라이드, 구체적으로는 육각형의 보론 니트라이드를 상기 탄소나노튜브 100중량부에 대하여 5~10중량부로 더 포함할 수 있다.

이는 상기 보론 니트라이드를 더 포함할 경우 열전도성 첨가제의 전체 사용량을 줄이더라도 개선된 열전도도를 가질 수 있기 때문이다. 상기 보론 니트라이드는 평균 입도가 0.5~1㎛인 것을 사용함이 바람직한바, 이러한 입도 범위를 벗어날 경우 열전도도 개선 효과가 미미하기 때문이다.

상기와 같은 열전도성 첨가제는 각종 고분자 수지에 첨가되어 우수한 열전도 특성 및 기계적 강도를 보이므로, 다양한 기재의 방열 시트나 방열 기판, 접착 필름 등으로서 유용하고, 예를 들면 인쇄·복사장치 등의 OA 기기, 휴대·모바일 기기의 소형 통신기기, 텔레비전, 비디오, DVD, 냉장고, 조명 등의 가전제품용 부품으로서 최적인 것 외에, 방열이 요구되는 자동차의 부품이나 광학기기, 열교환기, 정보 기록 재료로서의 하드디스크 드라이브 부품(하드디스크 허브(hub), 하드디스크 기판, 자기 헤드, 서스펜션, 액츄에이터 등)에 사용할 수 있다. 또한, 이들 이외에도 LSI 패키지 등의 반도체 장치, 센서, LED 램프, 발광 다이오드용 기판, 커넥터, 코일 보빈(coil bobbins), 콘덴서, 스피커, 전자파 실드재 등에도 적용할 수 있는바, 그 적용을 제한하지 않는다.

그리고 본 발명에 의한 고분자 조성물은, 상기한 열전도성 첨가제를 전체 100wt%를 기준으로, 10~30wt%의 범위로 포함하는 것이 바람직하다. 이는 상기 열전도성 첨가제가 10wt% 미만이면 열전도도 개선이 어렵고, 30wt%를 초과하면 전체적인 고분자 조성물의 물성이 나빠질 수 있기 때문이다.

아울러, 본 발명에서 사용 가능한 고분자 수지의 종류는 제한하지 않는바, 예시적으로, 액정고분자(LCP), 폴리페닐렌설파이드(PPS), 폴리카보네이트(PC) 및 폴리아마이드(PA) 등으로부터 1종을 선택하여 사용할 수 있으나, 200℃ 이상의 고온에서 기계적, 전기적 성질을 포함하는 물리적 성질을 유지할 수 있는 고분자 물질이면 제한 없이 사용할 수 있다.

본 발명에서 사용되는 내열성 고분자 수지 중 액정고분자(LCP)는 용융시 액정상을 나타내는 고분자로써, 대표적으로 아로마틱 구조를 포함하는 폴리에스터계 수지를 사용하며, 내열성, 강성, 안정성 등이 뛰어나 전자부품이나 정밀성형 부품 등에 이용된다. 상기 액정상이란 고체가 녹아 액체가 되었을 때, 입자의 위치질서는 없어지지만 방향질서는 약간 남아있는 것을 말한다. 따라서, 액정고분자를 녹여 액정상을 형성시켜서 흐르는 동안에 굳히게 되면, 고분자 사슬이 일정 방향으로 배향된 채로 굳어져 탁월한 물성을 지닌 고체 상을 얻을 수 있다.

이하, 실시예를 통해 본 발명을 상세히 설명한다.

(실시예 1)

내열성 고분자 수지로 액정고분자(LCP, Ticona사, Vectra A950) 80wt%에 열전도성 첨가제 20wt%를 이축압출기(Collin사, ZK-25 Twin-screw extruder)를 이용하여 용융혼합하였다. 이때, 용융혼합 온도는 300℃였다.

이때, 열전도성 첨가제로는 평균 직경이 5㎛, 평균 길이가 20㎛인 탄소나노튜브 100g, 평균 입경이 3㎛인 알루미나 7g, 평균 입경이 3㎛인 질화알루미늄 7g, 평균 입경이 0.8㎛인 황화은 7g 및 평균 입경이 0.8㎛인 질산란탄마그네슘 7g을 혼합하여 사용하였다.

(실시예 2)

실시예 1과 동일하게 제조하되, 열전도성 첨가제로 평균 입경이 0.8㎛인 보론 니트라이드 7g을 더 혼합하였다.

(실시예 3)

상기 실시예 1과 동일하게 제조하되, 내열성 고분자 수지로 폴리카보네이트(PC)를 사용하였다.

(실시예 4)

상기 실시예 2와 동일하게 제조하되, 내열성 고분자 수지로 폴리카보네이트(PC)를 사용하였다.

(비교예 1)

실시예 1과 동일하게 실시하되, 열전도성 첨가제로 평균 직경이 5㎛, 평균 길이가 20㎛인 탄소나노튜브만을 사용하였다.

(비교예 2)

실시예 1과 동일하게 실시하되, 열전도성 첨가제로 평균 직경이 5㎛, 평균 길이가 20㎛인 탄소나노튜브 100g, 평균 입경이 3㎛인 알루미나 7g, 평균 입경이 3㎛인 질화알루미늄 7g을 혼합하여 사용하였다.

(비교예 3)

실시예 1과 동일하게 실시하되, 열전도성 첨가제로 평균 직경이 5㎛, 평균 길이가 20㎛인 탄소나노튜브 100g, 평균 입경이 0.8㎛인 황화은 7g을 혼합하여 사용하였다.

(비교예 4)

실시예 1과 동일하게 실시하되, 열전도성 첨가제로 평균 직경이 5㎛, 평균 길이가 20㎛인 탄소나노튜브 100g, 평균 입경이 10㎛인 알루미나 7g, 평균 입경이 10㎛인 질화알루미늄 7g, 평균 입경이 10㎛인 황화은 7g을 혼합하여 사용하였다.

(시험예 1)

본 발명의 실시예 1 내지 4 및 비교예 1 내지 4에 의하여 제조된 고분자 조성물의 열전도도를 측정하기 위하여 하기와 같은 실험을 수행하였다.

각 고분자 조성물에 대하여 열확산율 측정 장비(모델명 LFA 447, Netsch 사)를 사용하여 25℃의 온도에서 ASTM E1461에 따라 열확산도를 측정하였고, MDSC 측정기(TAinstrument 사)를 이용하여 ASTM E1952에 따라 비열을 측정하였으며, Gas Pycnometer 측정기(Protech 사)를 이용하여 ASTM D6226에 따라 밀도를 측정하였다.

그리고 상기 열확산도, 비열 및 밀도를 곱하여 열전도율을 산출하여 그 결과를 하기 표 1에 나타내었다.

시험예 1 결과

구분	열전도율(W/m·K)
실시예 1	5.09
실시예 2	6.05
실시예 3	5.25
실시예 4	6.03
비교예 1	2.35
비교예 2	3.01
비교예 3	3.15
비교예 4	2.52

상기 표 1에서 확인할 수 있는 바와 같이, 본 발명의 실시예 1 내지 4는 비교예 1 내지 4에 비하여 열전도율이 현저히 우수함을 확인할 수 있었다.

따라서, 본 발명에 의한 열전도성 첨가제의 조합이 종래 열전도성 첨가제에 비해 현저히 개선된 열전도도를 보임을 알 수 있었다.

(시험예 2)

본 발명의 실시예 1 내지 2 및 비교예 1 내지 4에 의하여 제조된 고분자 조성물의 기계적 물성을 측정하기 위해서하기와 같은 실험을 수행하였다.

각 고분자 조성물에 대하여 Izod 타입 충격강도 시험기(Instron사, Izod impact tester)를 이용하여 ASTM D256에 따라 충격강도를 측정하였고, UTM 만능시험기(Instron사, Universal Testing Machine)를 이용하여 ASTM D638과 D790에 따라 인장탄성률과 굴곡탄성률을 측정하였으며, 열기계분석기(TA Instruments사, Thermomechanical Analyzer)를 이용하여 ASTM D696에 따라 열팽창계수를 측정하여 그 결과를 하기 표 2에 나타내었다.

시험예 2 결과

구분	충격강도 (kgf·cm/cm)	인장탄성률 (GPa)	굴곡탄성률 (GPa)	열팽창계수 (10-6mm/mm℃)
실시예 1	22.3	17.5	17.66	1.25
실시예 2	22.5	17.4	17.59	1.27
비교예 1	8.5	11.2	11.2	1.44
비교예 2	9.7	12.3	11.0	1.45
비교예 3	12.5	13.5	12.8	1.42
비교예 4	15.1	15.3	15.0	1.40

상기 표 2에서 확인할 수 있는 바와 같이, 본 발명에 의한 실시예 1, 2는 비교예 1 내지 4에 비해 충격강도가 현저히 우수함을 확인할 수 있었다.

이상 본 발명의 실시예들을 참조하여 설명하였지만, 본 발명이 속한 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면, 상기 내용을 바탕을 본 발명의 범주 내에서 다양한 응용 및 변형을 행하는 것이 가능할 것이다.

Claims (5)

1. 탄소나노튜브(Carbon Nano Tube), 알루미나(alumina), 질화알루미늄(aluminum nitride), 보론 니트라이드(Boron Nitride), 황화은(silver sulfide) 및 질산란탄마그네슘(Magnesium lanthanumnitrate)을 포함하고,
   상기 탄소나노튜브 100중량부에 대하여, 알루미나 5~10중량부, 질화알루미늄 5~10중량부, 보론 니트라이드(Boron Nitride) 5~10중량부, 황화은 5~10중량부 및 질산란탄마그네슘 5~10중량부를 포함하며,
   상기 탄소나노튜브의 평균 직경이 1~7㎛, 평균 길이가 5~30㎛이고,
   상기 알루미나의 평균 입경이 1~5㎛이며,
   상기 질화알루미늄의 평균 입경이 1~5㎛이고,
   상기 황화은의 평균 입경이 0.5~1㎛이며,
   상기 질산란탄마그네슘의 평균 입경이 0.5~1㎛이고,
   상기 보론 니트라이드의 평균 입경이 0.5~1㎛인 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브를 이용한 열전도성 첨가제.
   
2. 삭제
3. 삭제
4. 삭제
5. 제1항의 열전도성 첨가제를 10~30wt%의 범위로 포함하는 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브를 이용한 열전도성 고분자 조성물.