KR102218821B1

KR102218821B1 - 아라미드 나노섬유를 포함하는 열전도성 복합체, 이의 제조방법 및 이를 포함하는 제품

Info

Publication number: KR102218821B1
Application number: KR1020190101920A
Authority: KR
Inventors: 양철민; 구민예; 이윤선; 김수경; 이민욱; 유재상
Original assignee: 한국과학기술연구원
Priority date: 2019-08-20
Filing date: 2019-08-20
Publication date: 2021-02-24

Abstract

아라미드 섬유로 아라미드 나노섬유를 형성하는 단계; 상기 형성된 아라미드 나노섬유를 용매에 넣고 분산하여 분산액을 제조하는 단계; 상기 분산액과 열전도성 필러를 혼합하여 혼합용액을 제조하는 단계; 상기 혼합용액의 용매를 필터링하는 단계; 및 필터링된 혼합 용액을 건조하여 복합체를 생성하는 단계를 포함하는 열전도성 복합체 제조방법이 제공된다. 상기 제조방법으로 아라미드 나노섬유를 함유하는 열전도성 복합체를 제조하는 경우에는 많은 양의 필러를 포함할 수 있고, 종래 아라미드 나노섬유를 제조하는 방법에 비하여 제조 과정이 단순하며, 사용되었던 아라미드 섬유를 재활용할 수 있다는 효과가 있다.

Description

아라미드 나노섬유를 포함하는 열전도성 복합체, 이의 제조방법 및 이를 포함하는 제품 {THERMALLY CONDUCTIVE COMPOSITE COMPRISING ARAMID NANOFIBERS, A PROCESS FOR PRODUCING THE SAME, AND A PRODUCT COMPRISING THE SAME}

본 명세서에는 아라미드 나노섬유를 포함하는 열전도성 복합체의 제조방법, 제조된 복합체 및 제조된 복합체를 포함하는 제품이 개시된다.

실생활의 필수품인 전자기기 제품의 경량화, 소형화, 집적화가 추구되고 있으며, 이는 부품 내 많은 열을 발생시키는 원인이 된다. 따라서, 불필요한 열을 효율적으로 제어할 수 있는 방열 소재의 필요성이 대두되고 있다. 최근, 기존에 방열 소재로 사용되는 금속보다 경량성, 전기절연, 성형성, 가격 절감 등의 요구를 충족할 수 있는 열전도성 복합체에 대한 기대가 높아지고 있다.

열전도성 복합체의 매트릭스는 주로 열경화성 및 열가소성 고분자가 사용되고, 필러로는 탄소 계열, 세라믹 계열, 금속 계열 등이 사용된다. 기존의 금속 방열 제품의 높은 열전도도를 달성하기 위해서는 매트릭스 내 많은 양의 필러가 포함되어야 하는데, 이는 기계적 물성 감소, 성형성 감소, 원가 증가 등의 많은 문제점을 초래한다. 또한, 고질적인 문제 중 하나는 0.1~0.3 W/mK 수준을 가진 고분자의 낮은 열전도도이다. 복합체 내 많은 양의 열전도성이 높은 필러가 포함된다 하더라도, 고분자 매트릭스의 낮은 열전도도 때문에 기대치보다 매우 낮은 복합체의 열전도도가 나타나게 된다.

따라서, 본 발명의 발명자들은 이러한 점에 착안하여 방열 특성이 요구되는 분야에 사용될 수 있도록 아라미드 나노섬유를 포함하는 열전도성이 우수한 복합체의 제조를 연구하였다.

미국 공개 특허 공보 제2013/80288050 A1호 한국 공개 특허 공보 제10-2016-0121551호

일 측면에서, 본 개시는 아라미드 나노섬유를 포함하는 열전도성이 우수한 복합체를 제공하는 것을 목적으로 한다.

다른 측면에서, 본 개시는 아라미드 나노섬유를 포함하는 복합체의 제조 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

또 다른 측면에서, 본 개시는 상기 열전도성이 우수한 복합체를 포함하는 제품 특히, 방열시트를 제공하는 것을 목적으로 한다.

일 측면에서, 본 개시는 아라미드 나노섬유 및 열전도성 필러를 포함하는 열전도성 복합체를 제공한다.

예시적인 일 구현예에서, 상기 아라미드 나노섬유의 직경은 3 내지 500 nm인 것일 수 있다.

예시적인 일 구현예에서, 상기 열전도성 필러의 함량은 복합체 질량을 기준으로 1 중량% 이상 내지 90 중량% 미만인 것일 수 있다.

예시적인 일 구현예에서, 상기 열전도성 필러는 절연 열전도성 필러 또는 비절연 열전도성 필러인 것일 수 있다.

예시적인 일 구현예에서, 상기 절연 열전도성 필러는 질화붕소 (BN), 질화 알루미늄 (AlN), 질화붕소나노튜브 (BNNT), 실리카 (SiO₂), 알루미나 (Al₂O₃), 질화규소 (Si₃N₄), 산화마그네슘 (MgO), 산화아연 (ZnO), 이산화타이타늄 (TiO₂), 산화베릴륨 (BeO), 탄화규소 (SiC)로 이루어진 군 중에서 선택된 1 이상의 세라믹 계열 필러인 것일 수 있다.

예시적인 일 구현예에 있어서, 상기 질화붕소 (BN)는 a-BN (amorphous BN), h-BN (hexagonal BN), c-BN (cubic BN), w-BN (wurtzite BN)로 이루어진 군 중에서 선택된 1 이상일 수 있고, 바람직하게는 h-BN이다.

예시적인 일 구현예에서, 상기 비절연 열전도성 필러는 탄소계열 필러 또는 금속계열 필러일 수 있다.

예시적인 일 구현예에서, 상기 탄소계열 필러는 탄소섬유 (CF), 탄소나노튜브 (CNT), 그래핀, 흑연, 그래핀 산화물 (graphene oxide), 무정형 카본 및 카본 블랙으로 이루어진 군 중에서 선택된 1 이상인 것일 수 있다.

예시적인 일 구현예에서, 상기 금속계열 필러의 금속은 니켈, 구리, 철, 알루미늄, 금, 팔라듐, 아연, 주석 및 은으로 이루어진 군 중에서 선택된 1 이상일 수 있다.

예시적인 일 구현예에서, 상기 복합체는 두께가 20 내지 100 ㎛인 시트 형상일 수 있다.

예시적인 일 구현예에서, 상기 복합체는 열전도도가 15 내지 110 W/mK일 수 있다.

일 측면에서, 본 개시는 상기 중 어느 하나의 복합체를 포함하는 방열 제품을 제공한다.

일 측면에서, 본 개시는 아라미드 섬유로 아라미드 나노섬유를 형성하는 단계; 상기 형성된 아라미드 나노섬유를 용매에 넣고 분산하여 분산액을 제조하는 단계; 상기 분산액과 열전도성 필러를 혼합하여 혼합용액을 제조하는 단계; 상기 혼합 용액의 용매를 필터링하는 단계; 및 필터링된 혼합 용액을 건조하여 복합체를 생성하는 단계를 포함하는 열전도성 복합체의 제조방법을 제공한다.

예시적인 일 구현예에서, 상기 아라미드 나노섬유 형성 단계는 아라미드 섬유, 염기 및 비양성자성 용매를 포함하는 혼합 용액을 교반하는 단계일 수 있다.

예시적인 일 구현예에서, 상기 아라미드 나노섬유 형성 단계에서 형성된 나노섬유는 직경이 3 내지 500 nm일 수 있다.

예시적인 일 구현예에서, 상기 염기는 수산화칼륨, 포타슘터셔리부톡사이드, 인산칼륨, 과망간산 칼륨, 황산 칼륨, 및 수산화나트륨으로 이루어진 군 중에서 선택된 1 이상일 수 있다.

예시적인 일 구현예에서, 상기 비양성자성 용매는 DMSO (dimethyl sulfoxide), DMA (dimethyl acetamide), DMF (N,N-dimethylformamide), NMP (N-methyl-2-pyrrolidinone), THF (tetra-hydrofuran), EC (ethylene carbonate), DEC (diethyl carbonate), DMC (dimethyl carbonate), EMC (ethyl methyl carbonate), PC (propylene carbonate) 및 아세톤으로 이루어진 군중에서 선택된 1 이상일 수 있다.

예시적인 일 구현예에서, 상기 아라미드 나노섬유 형성 단계는 분해된 아라미드 나노섬유를 추출하는 단계를 추가로 포함하는 단계일 수 있다.

예시적인 일 구현예에서, 분산액과 열전도성 필러의 혼합 단계에서 열전도성 필러는 절연 열전도성 필러 또는 비절연 열전도성 필러일 수 있다.

예시적인 일 구현예에서, 상기 열전도성 필러는 복합체 질량을 기준으로 1 중량% 이상 내지 90 중량% 미만인 것일 수 있다.

일 측면에서, 본 개시를 통하여 아라미드 나노섬유를 포함하는 열전도성이 우수한 복합체를 제공할 수 있다.

다른 측면에서, 본 개시를 통하여 아라미드 나노섬유를 포함하는 복합체를 제조할 수 있다. 또한, 본 개시의 제조방법을 통하여 제조된 복합체는 아라미드 나노섬유 사이 작용하는 주요 결합력인 수소결합, 반데르발스힘, aromatic stacking interaction으로 인해 많은 양의 필러를 함유할 수 있다. 본 개시에서 아라미드 나노섬유를 형성하는 단계는 습식 방사, 전기 방사와 같은 종래의 방법보다 제조과정이 단순하며, 아라미드 섬유를 재활용하여 아라미드 나노섬유를 형성할 수 있다.

또 다른 측면에서, 본 개시를 통하여 상기 열전도성이 우수한 복합체를 포함하는 방열 제품을 제공할 수 있다.

도 1은 본 발명 실시예에서 반응이 완료된 아라미드 나노섬유, 수산화칼륨, DMSO의 적갈색 혼합용액 (좌측)과 이로부터 분리하여 증류수에 분산시킨 아라미드 나노섬유 용액 (우측)을 도시한 것이다.
도 2는 본 발명 실시예에서 아라미드 섬유의 SEM 이미지를 도시한 것이다.
도 3은 본 발명 실시예에서 아라미드 나노섬유의 SEM 이미지를 도시한 것이다.
도 4는 본 발명 실시예에서 제조된 아라미드 나노섬유로만 이루어진 복합체 시트 단면의 SEM 이미지를 도시한 것이다.
도 5는 본 발명 실시예에서 제조된 아라미드 나노섬유를 포함하는 복합체 시트 표면의 SEM 이미지를 도시한 것이다.
도 6은 본 발명 실시예에서 아라미드 섬유와 아라미드 나노섬유를 포함하는 복합체 시트의 엑스레이 회절 분석 그래프를 도시한 것이다.
도 7은 본 발명 실시예에서 탄소섬유 함량에 따른 아라미드 나노섬유, 탄소섬유, 및 증류수 혼합용액을 함량 별로 도시한 것이다.
도 8은 본 발명 실시예에서 탄소섬유 함량에 따른 아라미드 나노섬유와 탄소섬유를 함유하는 복합체 시트를 함량 별로 도시한 것이다.
도 9는 본 발명 실시예에서 탄소섬유 함량에 따른 복합체 시트의 외부 열에 따른 적외선 카메라 관찰 결과를 도시한 것이다.
도 10은 본 발명 실시예에서 탄소섬유 함량에 따라 시간에 따른 아라미드 나노섬유와 탄소섬유 복합체 시트의 온도변화를 도시한 것이다.
도 11은 본 발명 실시예에서 탄소섬유 함량에 따라 온도에 따른 열팽창계수 (coefficient of thermal expansion, CTE) 그래프를 도시한 것이다.

이하, 본 발명의 예시적인 구현예들을 상세히 설명한다.

일반적인 지방족 폴리아미드 중합체는 지방족 탄화수소를 아미드 결합으로 결합한 중합체이나, 아라미드 중합체는 주쇄에 방향족기 및 아미드 결합을 함유하는 중합체로 정의된다. 보통, 인접 방향족 기 간에 아미드 결합이 형성되고, 아라미드 중합체는 주쇄에 존재하는 아미드 결합 (-CONH-)의 적어도 85%가 두 방향족 기에 직접 부착되어 있는 것을 특징으로 하며, 특히 방향족 기는 페닐기 이다. 상기 지방족 폴리아미드 중합체는 열을 가하면 쉽게 분자운동이 일어나는데 반하여, 방향족 폴리아미드의 벤젠환은 분자쇄가 강직하고 열을 가하여도 분자운동이 쉽게 일어나지 않으므로 열에 안정하고 탄성율이 높아 일반 지방족 폴리아미드 중합체와 특성이 상이하다.

일반적으로 아라미드 중합체는 파라-아라미드 중합체와 메타-아라미드 중합체로 분류된다. 파라-아라미드 중합체는 벤젠고리가 파라 위치에서 아미드 결합한 것으로, 듀폰사에서 개발된 케블라 (Kevlar®)가 대표적이다. 파라-아라미드는 분자쇄 구조가 매우 뻣뻣하므로 강도가 매우 높고 탄성률이 특히 높아 충격을 흡수하는 성능이 매우 우수하여 방탄 용품, 안전용 장갑 또는 부츠, 소방복, 테니스 라켓, 낚시줄 등의 스포츠 용품, 및 석면 대체용 섬유 등에 사용되고 있다. 메타-아라미드 중합체는 벤젠고리가 메타 위치에서 아미드 결합한 것으로, 듀폰사에서 개발한 노멕스 (Nomex®)가 대표적이다. 메타-아라미드는 강도와 신장도가 보통의 나일론과 비슷하지만 열 안정도가 높아, 소방복과 같은 내열용 의복 소재에 사용되고 있다.

기존 열전도성 복합체에 사용되는 열경화성, 열가소성 수지의 경우 열 전도도가 약 0.1 내지 0.6 W/mK이다. 반면에 본 개시에서 사용하는 아라미드 나노섬유의 열 전도도는 4.0 W/mK로, 매트릭스로 사용되는 고분자 중에서 높은 열전도도를 나타낸다. 이를 통하여 필러의 열전도도 뿐만 아니라 매트릭스의 열전도도 특성 또한 열전도성이 개선된 복합체에 중요한 특성으로 보인다.

따라서, 본 개시에서는 상기에서 설명한 아라미드 나노섬유를 이용하여 열전도성이 개선된 복합체를 제공하고자 한다.

예시적인 일 구현예에서, 상기 아라미드 나노섬유는 파라-아라미드 중합체, 메타-아라미드 중합체로 이루어진 군 중에서 선택된 1 이상일 수 있다.

예시적인 일 구현예에서, 상기 파라-아라미드 중합체는 통상적으로 합성 및/또는 구매할 수 있는 것이라면 특별히 제한하지 않으나, 바람직하게는 폴리(p- 페닐렌 테레프탈아미드), 폴리(p-페닐렌 p,p'-비페닐디카르복사미드), 폴리(p-페닐렌 1,5-나프틸렌디카르복사미드), 폴리(트랜스, 트랜스-4,4'-도데카히드로비페닐렌 테레프탈아미드), 폴리(트랜스-1,4-신남아미드), 폴리(p-페닐렌 4,8-퀴놀린디카르복사미드), 폴리(1,4-[2,2,2]-바이시클로옥틸렌 테레프탈아미드), 코폴리(p-페닐렌 4,4'-아즈옥시벤젠디카르복사미드/테레프탈아미드), 폴리(p-페닐렌-4,4'-트랜스-스틸벤카르복사미드) 및 폴리(p-페닐렌아세틸렌디카르복사미드)로 이루어진 군 중 1종 이상을 포함하는 것일 수 있고, 바람직하게는 폴리(p-페닐렌 테레프탈아미드)일 수 있다.

예시적인 일 구현예에서, 상기 메타-아라미드 중합체는 통상적으로 합성 및/또는 구매할 수 있는 것이라면 특별히 제한하지 않으나, 바람직하게는 폴리(m- 페닐렌 이소프탈아미드), 폴리(m-벤즈아미드), 폴리(m-페닐렌 이소프탈아미드), 폴리(m,m'-페닐렌 벤즈아미드), 및 폴리(1,6-나프틸렌 이소프탈아미드)로 이루어진 군 중 1종 이상을 포함하는 것일 수 있다.

예시적인 일 구현예에서, 상기 아라미드 나노섬유의 직경은 3 내지 500 nm인 것일 수 있다. 다른 측면에서, 상기 직경은 3 nm 이상, 10 nm 이상, 15 nm 이상, 30 nm 이상, 45 nm 이상, 60 nm 이상, 75 nm 이상, 또는 90 nm 이상이며, 500 nm 이하, 450 nm 이하, 400 nm 이하, 350 nm 이하, 300 nm 이하, 250 nm 이하, 200 nm 이하, 또는 150 nm 이하일 수 있다.

예시적인 일 구현예에 있어, 상기 열전도성 필러의 함량은 복합체 질량을 기준으로 1 중량% 이상 내지 90 중량% 미만일 수 있다. 다른 측면에서, 상기 함량은 5 중량% 이상, 10 중량% 이상, 20 중량% 이상, 30 중량% 이상, 40 중량% 이상, 50 중량% 이상, 또는 60 중량% 이상이며, 90 중량% 미만, 85 중량% 이하, 80 중량% 이하, 75 중량% 이하, 또는 70 중량% 이하일 수 있다. 필러의 함량이 1 중량% 미만인 경우에는 복합체의 열전도도 특성이 저하되고, 필러의 함량이 90 중량% 이상인 복합체는 제조하기 어렵다.

예시적인 일 구현예에 있어, 상기 열전도성 필러는 절연 열전도성 필러 또는 비절연 열전도성 필러일 수 있다.

예시적인 일 구현예에 있어, 상기 절연 열전도성 필러는 질화붕소 (BN), 질화 알루미늄 (AlN), 질화붕소나노튜브 (BNNT), 실리카 (SiO₂), 알루미나 (Al₂O₃), 질화규소 (Si₃N₄), 산화마그네슘 (MgO), 산화아연 (ZnO), 이산화타이타늄 (TiO₂), 산화베릴륨 (BeO), 탄화규소 (SiC)로 이루어진 군 중에서 선택된 1 이상의 세라믹 계열 필러일 수 있는데, 좋기로는 질화붕소이다.

예시적이 일 구현예에 있어서, 상기 질화붕소 (BN)는 a-BN (amorphous BN), h-BN (hexagonal BN), c-BN (cubic BN), w-BN (wurtzite BN)로 이루어진 군 중에서 선택된 1 이상일 수 있고, 바람직하게는 h-BN이다.

예시적인 일 구현예에 있어서, 상기 비절연 열전도성 필러는 탄소계열 필러 또는 금속계열 필러일 수 있다.

예시적인 일 구현예에 있어서, 상기 탄소계열 필러는 탄소섬유 (CF), 탄소나노튜브 (CNT), 그래핀, 흑연, 그래핀 산화물 (graphene oxide), 무정형 카본 및 카본 블랙으로 이루어진 군 중에서 선택된 1 이상일 수 있다.

예시적인 일 구현예에 있어서, 상기 금속계열 필러의 금속은 니켈, 구리, 철, 알루미늄, 금, 팔라듐, 아연, 주석 및 은으로 이루어진 군 중에서 선택된 1 이상일 수 있다.

예시적인 일 구현예에 있어서, 상기 복합체는 두께가 20 내지 100 ㎛인 시트 형상일 수 있다. 다른 측면에서, 복합체 두께는 20 ㎛ 이상, 25 ㎛ 이상, 30 ㎛ 이상, 35 ㎛ 이상, 40 ㎛ 이상, 45 ㎛ 이상, 50 ㎛ 이상, 또는 55 ㎛ 이상 이며, 100 ㎛ 이하, 95 ㎛ 이하, 90 ㎛ 이하, 85 ㎛ 이하, 80 ㎛ 이하, 75 ㎛ 이하, 70 ㎛ 이하, 또는 65 ㎛ 이하일 수 있다.

예시적인 일 구현예에 있어서, 상기 복합체는 열전도도가 15 내지 110 W/mK일 수 있다. 다른 측면에서 열전도도는 15 W/mK 이상, 20 W/mK 이상, 25 W/mK 이상, 30 W/mK 이상, 35 W/mK 이상, 40 W/mK 이상, 45 W/mK 이상, 50 W/mK 이상, 55 W/mK 이상, 또는 60 W/mK 이상이며, 110 W/mK 이하, 105 W/mK 이하, 100 W/mK 이하, 95 W/mK 이하, 90 W/mK 이하, 85 W/mK 이하, 80 W/mK 이하, 75 W/mK 이하, 70 W/mK 이하, 또는 65 W/mK 이하일 수 있다.

일 측면에서, 본 개시는 상기 중 어느 하나의 복합체를 포함하는 방열 제품을 제공할 수 있고, 바람직하게는 방열 시트일 수 있다.

예시적인 일 구현예에 있어서, 상기 아라미드 나노섬유 형성 단계는 아라미드 섬유, 염기 및 비양성자성 용매를 포함하는 혼합 용액을 교반하는 단계일 수 있다.

예시적인 일 구현예에 있어서, 상기 아라미드 나노섬유 형성 단계에서 형성된 나노섬유는 직경이 3 내지 500 nm일 수 있다. 다른 측면에서, 상기 직경은 3 nm 이상, 10 nm 이상, 15 nm 이상, 30 nm 이상, 45 nm 이상, 60 nm 이상, 75 nm 이상, 또는 90 nm 이상이며, 500 nm 이하, 450 nm 이하, 400 nm 이하, 350 nm 이하, 300 nm 이하, 250 nm 이하, 200 nm 이하, 또는 150 nm 이하일 수 있다.

예시적인 일 구현예에 있어서, 상기 염기는 수산화칼륨, 포타슘터셔리부톡사이드, 인산칼륨, 과망간산 칼륨, 황산 칼륨, 및 수산화나트륨으로 이루어진 군 중에서 선택된 1 이상일 수 있고, 바람직하게는 수산화칼륨일 수 있다.

예시적인 일 구현예에 있어서, 상기 비양성자성 용매는 DMSO (dimethyl sulfoxide), DMA (dimethyl acetamide), DMF (N,N-dimethylformamide), NMP (N-methyl-2-pyrrolidinone), THF (tetra-hydrofuran), EC (ethylene carbonate), DEC (diethyl carbonate), DMC (dimethyl carbonate), EMC (ethyl methyl carbonate), PC (propylene carbonate) 및 아세톤으로 이루어진 군중에서 선택된 1 이상일 수 있고, 바람직하게는 DMSO일 수 있다.

예시적인 일 구현예에 있어서, 상기 아라미드 나노섬유 형성 단계는 분해된 아라미드 나노섬유를 추출하는 단계를 추가로 포함할 수 있다.

예시적인 일 구현예에 있어서, 분산액과 열전도성 필러의 혼합 단계에서 열전도성 필러는 절연 열전도성 필러 또는 비절연 열전도성 필러일 수 있다.

예시적인 일 구현예에 있어서, 상기 절연 열전도성 필러는 질화붕소 (BN), 질화 알루미늄 (AlN), 질화붕소나노튜브 (BNNT), 실리카 (SiO₂), 알루미나 (Al₂O₃), 질화규소 (Si₃N₄), 산화마그네슘 (MgO), 산화아연 (ZnO), 이산화타이타늄 (TiO₂), 산화베릴륨 (BeO), 탄화규소 (SiC)로 이루어진 군 중에서 선택된 1 이상의 세라믹 계열 필러일 수 있는데, 바람직하게는 질화붕소 (BN)일 수 있다.

예시적인 일 구현예에 있어서, 상기 탄소계열 필러는 탄소섬유 (CF), 탄소나노튜브 (CNT), 그래핀, 흑연, 그래핀 산화물 (graphene oxide), 무정형 카본 및 카본 블랙으로 이루어진 군 중에서 선택된 1 이상일 수 있는데, 바람직하게는 탄소섬유이다.

이하, 실시예를 통하여 본 발명을 더욱 상세히 설명하고자 한다. 이들 실시예는 오로지 본 발명을 예시하기 위한 것으로서, 본 발명의 범위가 이들 실시예에 의해 제한되는 것으로 해석되지 않는 것은 당업계에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 자명할 것이다.

[실시예]

<아라미드 나노섬유를 포함하는 열전도성 복합체의 제조>

아라미드 나노섬유를 형성하는 단계

길이가 5 mm이고 직경이 10 ㎛인 아라미드 섬유 (Dupont Inc.로부터 Kevlar 49 ®로 구득)와 염기로 수산화칼륨 (KOH)과 비양성자성 용매로 DMSO를 혼합하여 혼합용액을 제조하였다. 상기 혼합용액을 일주일 동안 교반하여 반응시켜 적갈색 용액을 얻었다 (도 1 참조). 상기 용액을 80 ℃에서 증류수를 넣어 형성된 아라미드 나노섬유를 추출하였다. 상기 형성된 아라미드 나노섬유는 직경이 약 100 nm인 것이 가장 많은 것으로 확인되었다 (도 3 참조).

도 6은 아라미드 섬유와 아라미드 나노섬유의 엑스레이 회절 분석 패턴을 보여주는 그래프로, 이를 통하여 마이크로 상태의 아라미드 섬유가 아라미드 나노섬유로 잘 분해된 것을 확인할 수 있었다.

또한 증류수를 넣어 추출된 아라미드 나노섬유는 아라미드 나노섬유, KOH, DMSO, 및 증류수가 혼합된 상태이므로 이를 증류수로 세척하여 KOH, DMSO를 제거하였다. 증류수로 세척한 아라미드 나노섬유 분산액은 동결 건조기를 이용하여 건조 하였다.

아라미드 나노섬유를 분산하여 분산액을 제조하는 단계

KOH, DMSO를 제거하고 추출된 아라미드 나노섬유를 초음파분산기 (sonicator)를 이용하여 증류수 또는 NMP에 분산시켜 분산액을 제조하였다. 혼 타입 초음파분산기 (Horn-type sonicator)를 사용하여 1시간동안 분산시킨 다음에, 배쓰 타입 초음파 분산기 (Bath-type sonicator)를 사용하여 30분간 분산시켰다. 혼타입 초음파 분산기로는 Sonics & Material사의 제품을 사용하였고, 배쓰 타입 초음파 분산기로는 고도기연사의 제품을 사용하였다.

열전도성 필러를 혼합하여 혼합용액을 제조하는 단계

상기 제조된 분산액에 열전도성 필러를 혼합하여 혼합용액을 제조하였다. 분산액에 전도성 필러를 0, 20, 40, 60, 80 wt%로 혼합하였고, 자기교반기 (magnetic stirrer)를 이용하여 혼합하였다. 절연 열전도성 필러로는 육방질화붕소 (h-BN)와 질화붕소나노튜브 (BNNT), 비절연 열전도성 필러로는 탄소섬유 (CF)를 사용하였다. 육방질화붕소와 탄소섬유는 용매로 증류수를 사용하였고, 질화붕소나노튜브는 NMP를 사용하였다. 육방질화붕소는 직경이 17 ㎛인 육각 형상의 것을 사용하였고 Denka Inc로부터 구득하였다. 질화붕소나노튜브는 직경이 50 nm, 길이가 10 ㎛인 나노튜브 형상의 것을 사용하였고 내일테크놀로지로부터 구득하였다. 또한, 탄소섬유는 Pitch계열의 단섬유 형태인 탄소섬유 (K223HE)로 직경이 7 ㎛, 길이가 6 mm인 것을 사용하였고, MITSUBISHI Inc.로부터 구득하였다.

도 7은 비절연 열전도성 필러인 탄소섬유 (CF)를 0, 20, 40, 60, 80 및 90 wt%로 각각 함유하는 아라미드 나노섬유, 탄소섬유 및 증류수 혼합용액의 사진이다. 탄소섬유의 함량이 높을수록 혼합용액의 색이 진해짐을 확인할 수 있다.

혼합용액의 용매를 필터링하는 단계

상기 제조된 열전도성 필러를 함유하는 혼합용액의 용매인 증류수 또는 NMP를 아스피레이터와 필터, 진공삼각플라스크를 사용하여 진공 필터레이션으로 필터링하여 제거하였다.

필터링된 혼합 용액을 건조하여 복합체를 생성하는 단계

상기 필러링된 아라미드 나노섬유 및 열전도성 필러를 포함하는 혼합물을 상온에서 12시간 건조하여 복합체를 생성하였다. 생성된 복합체는 시트형상을 나타내었다. 도 8은 비절연 열전도성 필러로 탄소섬유 (CF)를 0, 20, 40, 60 및 80 wt%로 각각 함유하는 아라미드 나노섬유 및 탄소섬유를 함유하는 복합체 시트 이미지이다.

<아라미드 나노섬유를 포함하는 열전도성 복합체 분석>

상기 제조방법으로 제조된 열전도성 복합체의 단면 및 표면의 SEM 이미지를 도 5에 도시하였다. 열전도성 복합체 단면 SEM 이미지로부터 제조된 열전도성 복합체의 두께가 40 ㎛임을 알 수 있었고, 복합체의 표면 SEM 이미지 (도 5 참조)로부터 아라미드 나노섬유와 열전도성 필러가 잘 분포되어 있음을 확인할 수 있었다.

열전도성 필러 함량에 따른 열전도도를 측정한 값 (단위 W/mK)은 하기 표 1과 같다.

	0 wt%	20 wt%	40 wt%	60 wt%	80 wt%
ANF+BN	4.0	8.2	-	11.4	-
ANF+BNNT	4.0	7.0	7.0	8.2	11.5
ANF+CF	4.0	17.3	48.6	89.8	106.8

상기 표 1로부터 필러를 함유하지 않은 복합체보다 필러를 함유한 복합체의 열전도도가 더 높은 수치를 나타냄을 확인할 수 있었고, 필러의 함량이 높아짐에 따라 열전도도가 높아짐을 확인할 수 있었다. 또한, 도 9, 10은 복합체의 일시적인 열에 대한 반응을 Infrared non-destructive test, Lock in method로 관찰한 결과이다. 도 9, 10을 통하여 필러인 탄소섬유의 함량이 높아질수록 열발산 특성이 우수하다는 것을 확인할 수 있었다.

도 11은 복합체의 열팽창계수 (CTE; coefficient of thermal expansion)를 TMA (Thermomechanical analyzer)로 측정한 것으로 필러인 탄소섬유의 함량이 높을수록 열안정성이 높음을 확인할 수 있었다.

[비교예]

Elvamide 8063을 매트릭스로 하고, 탄소섬유 (CF)를 필러로 하는 복합체를 제조하여 열전도도를 측정하였다.

<복합체의 제조>

Elvamide 8063을 80℃에서 에탄올에 용해하여 Elvamide 8063 용액을 제조하였다. Elvamide 8063은 나일론 계열의 코-폴리머 (co-polymer)로서 열전도도가 0.28 W/mK이고, Dupont Inc로부터 구득하였다.

상기 Elvamide 8063 용액에 탄소섬유 (CF)를 10 wt%, 20 wt% 혼합하여 Elvamide 8063/탄소섬유/에탄올 혼합 용액을 제조하였다. Elvamide 8063 용액에는 탄소섬유를 최대 20 wt%까지만 분산시킬 수 있었다. 상기 혼합용액을 건조시켜 복합체 시트를 형성하였다.

< Elvamide 8063을 포함하는 복합체 분석>

상기 제조된 복합체 시트의 열전도도를 측정하였다. 탄소섬유를 10 wt% 함유하는 복합체는 열전도도가 8.9 W/mK이고, 20 wt% 함유하는 복합체는 열전도도가 10.9 W/mK로 관찰되었다.

실시예의 아라미드 나노섬유와 탄소섬유 20 wt%를 함유하는 복합체의 열전도도가 17.3 W/mK을 나타내는 것에 비해 비교예 복합체의 열전도도가 낮음을 알 수 있었다.

본 개시의 아라미드 나노섬유는 자체적으로도 열전도도가 4 W/mK로 타 고분자에 비하여 높은 편이고, 더 높은 함량의 필러를 함유할 수 있어 우수한 열전도도를 나타내는 복합체를 제조하는데 적합하다.

Claims

아라미드 나노섬유 매트릭스 및 열전도성 필러를 포함하며,
상기 열전도성 필러는 탄소계열 필러이고,
복합체는 열전도도가 15 내지 110 W/mK인, 열전도성 복합체.
제1항에 있어서, 상기 아라미드 나노섬유의 직경은 3 내지 500 nm인 것인, 복합체.
제1항에 있어서, 상기 열전도성 필러의 함량은 복합체 질량을 기준으로 1 중량% 이상 내지 90 중량% 미만인 것인, 복합체.
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제1항에 있어서, 상기 탄소계열 필러는 탄소섬유 (CF), 탄소나노튜브 (CNT), 그래핀, 흑연, 그래핀 산화물 (graphene oxide), 무정형 카본 및 카본 블랙으로 이루어진 군 중에서 선택된 1 이상인 것인, 복합체.
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제1항에 있어서, 상기 복합체는 두께가 20 내지 100 ㎛인 시트 형상인, 복합체.
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제1항 내지 제3항, 제8항, 및 제10항 중 어느 하나의 복합체를 포함하는 방열 제품.
열전도성 복합체의 제조방법으로서,
아라미드 섬유로 아라미드 나노섬유를 형성하는 단계;
상기 형성된 아라미드 나노섬유를 용매에 넣고 분산하여 분산액을 제조하는 단계;
상기 분산액과 열전도성 필러를 혼합하여 혼합용액을 제조하는 단계;
상기 혼합용액의 용매를 필터링하는 단계; 및
필터링된 혼합 용액을 건조하여 복합체를 생성하는 단계를 포함하며,
상기 열전도성 필러는 탄소계열 필러이고,
상기 복합체는 열전도도가 15 내지 110 W/mK인, 제조방법.
제13항에 있어서, 상기 아라미드 나노섬유 형성 단계는 아라미드 섬유, 염기 및 비양성자성 용매를 포함하는 혼합 용액을 교반하는 단계인, 제조방법.
제12항에 있어서, 상기 아라미드 나노섬유 형성 단계에서 형성된 나노섬유는 직경이 3 내지 500 nm인, 제조방법.
제14항에 있어서, 상기 염기는 수산화칼륨, 포타슘터셔리부톡사이드, 인산칼륨, 과망간산 칼륨, 황산 칼륨, 및 수산화나트륨으로 이루어진 군 중에서 선택된 1 이상인, 제조방법.
제14항에 있어서, 상기 비양성자성 용매는 DMSO (dimethyl sulfoxide), DMA (dimethyl acetamide), DMF (N,N-dimethylformamide), NMP (N-methyl-2-pyrrolidinone), THF (tetra-hydrofuran), EC (ethylene carbonate), DEC (diethyl carbonate), DMC (dimethyl carbonate), EMC (ethyl methyl carbonate), PC (propylene carbonate) 및 아세톤으로 이루어진 군중에서 선택된 1 이상인, 제조방법.
제13항에 있어서, 상기 아라미드 나노섬유 형성 단계는 분해된 아라미드 나노섬유를 추출하는 단계를 추가로 포함하는 단계인, 제조방법.
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제13항에 있어서, 상기 열전도성 필러의 함량은 복합체 질량을 기준으로 1 중량% 이상 내지 90 중량% 미만인 것인, 제조방법.
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제13항에 있어서, 상기 탄소계열 필러는 탄소섬유 (CF), 탄소나노튜브 (CNT), 그래핀, 흑연, 그래핀 산화물 (graphene oxide), 무정형 카본 및 카본 블랙으로 이루어진 군 중에서 선택된 1 이상인 것인, 제조방법.
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