KR102218853B1

KR102218853B1 - 복합재

Info

Publication number: KR102218853B1
Application number: KR1020190078090A
Authority: KR
Inventors: 유동우; 신종민; 이진규
Original assignee: 주식회사 엘지화학
Priority date: 2018-06-29
Filing date: 2019-06-28
Publication date: 2021-02-24
Also published as: CN112368792A; EP3817010A1; US20210265112A1; WO2020005015A1; EP3817010A4; KR20200002688A; JP2021528842A; JP7118496B2

Abstract

본 출원은, 복합재에 대한 것이다. 본 출원에 의하면, 높은 투자율을 가지고, 유연성, 전기 절연성, 기계적 물성 및/또는 열이나 산화에 대한 저항성 등의 기타 물성도 우수한 복합재를 간단하고, 경제적인 공정으로 제공할 수 있다.

Description

복합재{Composite Material}

본 출원은 2018년 6월 29일자 제출된 대한민국 특허출원 제10-2018-0075961호에 기초하여 우선권을 주장하며, 해당 대한민국 특허출원 문헌에 개시된 내용은 본 명세서의 일부로서 포함된다.

본 출원은 복합재에 대한 것이다.

높은 투자율을 가지는 재료는, 다양한 용도에 사용될 수 있다. 예를 들면, 상기 재료는, EMC 코어(core), 저출력 고인덕턴스 공명 회로 또는 광대역 변압기 등을 포함한 다양한 장치 등에 사용될 수 있으며, 전파 흡수체로도 사용될 수 있다.

통상 높은 투자율을 가지는 재료로는, 투자율이 높은 금속의 압연 제품 또는 금속 입자를 필러로 포함하는 고분자 복합 필름이 사용된다.

그렇지만, 압연 등의 방식은 높은 투자율의 제품을 얻기 위해서는, 다성분(multicomponent)의 재료가 사용되거나, 결정화가 진행되어야 하기 때문에 공정이 복잡하며, 가격 또한 높은 문제가 있다.

금속 입자 필러를 적용하여 높은 투자율을 확보하기 위해서는, 금속 입자의 사용량을 증가시킬 필요가 있고, 이는 유연성의 저하 및 전기 절연성의 저하를 일으킨다.

본 출원은, 복합재에 대한 것이다. 본 출원은, 높은 투자율을 가지고, 유연성 및 전기 절연성 등 다른 물성도 우수한 복합재를 간단하고, 경제적인 공정으로 제공할 수 있도록 하는 것을 하나의 목적으로 한다.

본 명세서에서 언급하는 물성 중에서 측정 온도 및/또는 측정 압력이 결과에 영향을 미치는 물성은, 특별히 달리 언급하지 않는 한, 상온 및/또는 상압에서 측정한 결과이다.

용어 상온은 가온되거나, 감온되지 않은 자연 그대로의 온도이고, 예를 들면, 10℃ 내지 30℃의 범위 내의 어느 한 온도, 약 23℃ 또는 약 25℃정도의 온도를 의미한다. 또한, 본 명세서에서 온도의 단위는 특별히 달리 규정하지 않는 한 섭씨(℃)이다.

용어 상압은 가압 또는 감압되지 않은 자연 그대로의 압력이고, 통상 대기압 수준의 약 1기압 정도를 의미한다.

본 명세서에서 측정 습도가 결과에 영향을 미치는 물성의 경우, 해당 물성은 상기 상온 및/또는 상압 상태에서 특별히 조절되지 않은 자연 그대로의 습도에서 측정한 물성이다

본 출원은 복합재에 대한 것이다. 본 출원의 복합재는 금속폼과 고분자 성분을 포함할 수 있다. 상기 복합재는 금속폼이 가지는 특유의 표면적 및 기공 특성에 의한 복합 반사(multiple reflection) 및 흡수(absorption) 등에 의해서 높은 투자율을 나타낼 수 있다. 본 출원의 복합재는 기계적 강도 및 유연성이 우수하고, 산화 및/또는 고온에 대한 안정성, 전기 절연성 등이 우수하며, 다양한 장치에 포함되었을 때 발생하는 박리 문제 등도 해결할 수 있다. 본 출원의 상기 복합재는 또한 간단하고 경제적인 공정을 통해서 제조될 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, 상기 비율은 100 중량% 이하, 99 중량% 이하 또는 98 중량% 이하 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, 약 98% 이하, 약 95% 이하, 약 90% 이하, 약 85% 이하, 약 80% 이하 또는 약 75% 이하 정도일 수 있다. 따라서, 상기 금속폼은 상기 언급한 기공도를 가질 수 있으며, 이러한 기공도는 금속폼 등의 밀도를 계산하여 공지의 방식으로 산출할 수 있다.

복합재에 포함되는 금속폼의 형태는 특별히 제한되지는 않으나, 일 예시에서 필름 형상일 수 있다. 본 출원의 복합재에서는 상기 필름 형태의 금속폼의 표면이나 내부에 존재하는 고분자 성분이 추가된다.

이러한 고분자 성분은, 상기 금속폼의 적어도 하나의 표면상에서 표면층을 형성하고 있거나, 금속폼 내부의 기공을 충전한 상태로 존재할 수 있으며, 경우에 따라서는 상기 표면층을 형성하면서 또한 금속폼의 내부 기공을 충전하고 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, 표면의 일부만을 덮도록 형성될 수도 있다.

복합재에서 금속폼은, 기공도(porosity)가 약 10% 이상일 수 있다. 이러한 기공도를 가지는 금속폼은, 적합한 네트워크를 형성하고 있는 다공성의 금속 골격을 가지고, 따라서 해당 금속폼을 소량 적용하는 경우에도 높은 투자율을 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, 99% 이하, 98% 이하, 약 95% 이하, 약 90% 이하, 약 85% 이하, 약 80% 이하 또는 약 75% 이하 정도일 수 있다.

적절한 투자율 등을 확보하기 위해서 상기 금속폼의 기공 특성은 추가로 제어될 수 있다. 예를 들면, 상기 금속폼은 대략 구형, 니들(needle)형 또는 랜덤(random)형의 기공을 포함할 수 있다.

예를 들면, 상기 금속폼에 포함되는 기공 중에서 최대 크기의 기공의 크기가 약 50 μm 이하, 45 μm 이하, 40 μm 이하, 35 μm 이하 또는 30 μm 이하 정도일 수 있다. 상기 최대 기공 크기는 다른 예시에서 약 2 μm 이상, 4 μm 이상, 6 μm 이상, 8 μm 이상, 10 μm 이상, 12 μm 이상, 14 μm 이상, 16 μm 이상, 18 μm 이상, 20 μm 이상, 22 μm 이상, 24 μm 이상 또는 26 μm 이상일 수 있다.

상기에서 금속폼의 기공 중에서 최대 크기의 기공은, 후술하는 실시예에 기재된 방식으로 확인하였을 때의 최대 크기로 확인되는 기공이다. 또한 기공의 크기는, 역시 후술하는 실시예에 제시된 방법에 의해 확인되는 크기로서, 기공의 원형인 경우에는 그 원형의 직경을 의미하고, 원형이 아닌 경우에는 측정되는 가장 긴 길이인 장축의 길이를 의미할 수 있다.

상기 금속폼에서 금속폼의 전체 기공 중에서 85% 이상의 기공은 기공 크기가 10 μm 이하일 수 있으며, 65% 이상의 기공의 기공 크기는 5 μm 이하일 수 있다. 상기에서 기공의 크기를 확인하는 방식은 전술한 바와 같다. 상기에서 10 μm 이하 또는 5 μm 이하의 기공 크기를 가지는 기공의 기공 크기의 하한은 특별히 제한되지 않지만, 상기 기공 크기는 일 예시에서 약 0 μm 초과, 0.1 μm 이상, 0.2 μm 이상, 0.3 μm 이상, 0.4 μm 이상, 0.5 μm 이상, 0.6 μm 이상, 0.7 μm 이상, 0.8 μm 이상, 0.9 μm 이상, 1 μm 이상, 1.1 μm 이상, 1.2 μm 이상, 1.3 μm 이상, 1.4 μm 이상, 1.5 μm 이상, 1.6 μm 이상, 1.7 μm 이상, 1.8 μm 이상, 1.9 μm 이상 또는 2 μm 이상일 수 있다.

상기에서 10 μm 이하의 기공 크기의 기공은, 전체 기공 중에서 100% 이하, 95% 이하 또는 90% 이하 정도일 수 있고, 5 μm 이하의 기공 크기를 가지는 기공이 비율은, 전체 기공 중에서 100% 이하, 95% 이하, 90% 이하, 85% 이하, 80% 이하, 75% 이하 또는 70% 이하 정도일 수 있다.

이러한 기공 분포 내지 특성에 의해서 목적하는 복합재의 제조가 가능할 수 있다. 상기 기공의 분포는, 예를 들어, 상기 복합재 또는 금속폼이 필름 형태인 경우에는 상기 필름의 장축 방향을 기준으로 정해지는 것일 수 있다.

전술한 바와 같이 금속폼은 필름 형태일 수 있다. 이러한 경우에 필름의 두께는 후술하는 방식에 따라 복합재를 제조함에 있어서, 목적하는 투자율이나 두께 비율 등을 고려하여 조절될 수 있다. 상기 필름의 두께는, 목적 물성의 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 또는 약 70 μm 이상, 75μm 이상, 80μm 이상, 85μm 이상, 90μm 이상, 95μm 이상, 100μm 이상, 105μm 이상, 110μm 이상 또는 115μm 이상일 수 있다. 상기 필름의 두께의 상한은 목적에 따라서 제어되는 것으로 특별히 제한되는 것은 아니나, 예를 들면, 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 또는 약 150 μm 이하, 130 μm 이하, 120 μm 이하, 110 μm 이하, 100 μm 이하 또는 90 μm 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 연자성 금속 성분의 금속폼일 수 있다. 용어 연자성 금속 성분은, 연자성의 금속 또는 금속 합금을 의미하고, 이 때 연자성의 규정은 업계에서 공지된 바와 같다. 상기에서 연자성 금속 성분의 금속폼은 연자성 금속 성분으로만 이루어지거나, 상기 금속 성분을 주성분으로 포함하는 금속폼을 의미할 수 있다. 따라서, 상기 금속폼은 전체 중량을 기준으로 상기 연자성 금속 성분을 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% 이상 포함할 수 있다. 상기 연자성 금속 성분의 비율은 상한은 특별히 제한되지 않으며, 예를 들면, 100 중량%, 99 중량% 또는 98 중량% 정도일 수 있다.

구체적인 연자성 금속 성분의 예로는 Fe/Ni 합금, Fe/Ni/Mo 합금, Fe/Al/Si 합금, Fe/Si/B 합금, Fe/Si/Nb 합금, Fe/Si/Cu 합금 또는 Fe/Si/B/Nb/Cu 합금 등이 예시될 수 있지만, 이에 제한되는 것은 아니다. 상기에서 Fe는 철, Ni는 니켈, Mo는 몰리브덴, Al은 알루미늄, Si는 실리콘, B는 붕소, Nb는 니오븀, Cu는 구리를 의미한다. 그렇지만, 본 출원에서는 상기 소재에 추가로 연자성을 띄는 것으로 알려진 다양한 소재가 적용될 수 있다.

금속폼을 제조하는 방법은 다양하게 공지되어 있다. 본 출원에서는 이러한 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 있고, 이러한 방식은 본 출원에서 모두 적용될 수 있다.

일 예시에서 본 출원에서 적용되는 금속폼은, 상기 연자성 금속 성분을 포함하는 금속폼 전구체를 소결하는 단계를 포함할 수 있다. 본 출원에서 용어 금속폼 전구체는, 상기 소결 등과 같이 금속폼을 형성하기 위해 수행되는 공정을 거치기 전의 구조체, 즉 금속폼이 생성되기 전의 구조체를 의미한다. 상기 금속폼 전구체는, 다공성 금속폼 전구체라고 호칭되더라도 반드시 그 자체로 다공성일 필요는 없으며, 최종적으로 다공성의 금속 구조체인 금속폼을 형성할 수 있는 것이라면, 편의상 다공성 금속폼 전구체라고 호칭될 수 있다.

본 출원에서 상기 금속폼 전구체는, 금속 성분, 분산제 및 바인더를 적어도 포함하는 슬러리를 사용하여 형성할 수 있으며, 이러한 슬러리의 적용을 통해서 목적하는 기공 특성을 효율적으로 확보할 수 있다.

상기 금속 성분으로는 금속 분말이 적용될 수 있다. 적용될 수 있는 금속 분말의 예는, 목적에 따라 정해지는 것으로 특별히 제한되는 것은 아니며, 전술한 연자성 금속 성분을 형성할 수 있는 금속의 분말 또는 금속 합금의 분말 또는 금속의 혼합물의 분말이 적용될 수 있다.

금속 분말(Metal Powder)의 크기도 목적하는 기공도나 기공 크기 등을 고려하여 선택되는 것으로 특별히 제한되는 것은 아니지만, 예를 들면, 상기 금속 분말의 평균 입경은, 약 0.1㎛ 내지 약 200㎛의 범위 내에 있을 수 있다. 상기 평균 입경은 다른 예시에서 약 0.5㎛ 이상, 약 1㎛ 이상, 약 2㎛ 이상, 약 3㎛ 이상, 약 4㎛ 이상, 약 5㎛ 이상, 약 6㎛ 이상, 약 7㎛ 이상 또는 약 8㎛ 이상, 약 9㎛ 이상, 약 10㎛ 이상, 약 11㎛ 이상, 약 12㎛ 이상, 약 13㎛ 이상, 약 14㎛ 이상, 약 15㎛ 이상, 약 16㎛ 이상, 약 17㎛ 이상, 약 18㎛ 이상, 약 19㎛ 이상 또는 약 20㎛ 이상일 수 있다. 상기 평균 입경은 다른 예시에서 약 150㎛ 이하, 100㎛ 이하, 90㎛ 이하, 80㎛ 이하, 70㎛ 이하, 60㎛ 이하, 50㎛ 이하, 40㎛ 이하, 30㎛ 이하 또는 20㎛ 이하일 수 있다. 금속 입자 내의 금속으로는 서로 평균 입경이 상이한 것을 적용할 수도 있다. 상기 평균 입경은, 목적하는 금속폼의 형태, 예를 들면, 금속폼의 두께나 기공도 등을 고려하여 적절한 범위를 선택할 수 있다.

본 명세서에서 언급하는 금속 분말의 평균 입경은 D50 입경으로도 불리우는 소위 메디안 입경이다. 이러한 메디안 입경은, 공지의 입도 분석 방식에 의해 구해질 수 있다.

상기 슬러리 내에서 금속 성분(금속 분말)의 비율은 특별히 제한되지 않고, 목적하는 점도나 공정 효율 등을 고려하여 선택될 수 있다. 일 예시에서 슬러리 내에서의 금속 성분의 비율은 중량을 기준으로 0.5 내지 95 % 정도일 수 있지만, 이에 제한되는 것은 아니다. 상기 비율은 다른 예시에서 약 1% 이상, 약 1.5% 이상, 약 2% 이상, 약 2.5% 이상, 약 3% 이상, 약 5% 이상, 10% 이상, 15% 이상, 20% 이상, 25% 이상, 30% 이상, 35% 이상, 40% 이상, 45% 이상, 50% 이상, 55% 이상, 60% 이상, 65% 이상, 70% 이상, 75% 이상 또는 80% 이상이거나, 약 90% 이하, 약 85% 이하, 약 80% 이하, 약 75% 이하, 약 70% 이하, 약 65% 이하, 60% 이하, 55% 이하, 50% 이하, 45% 이하, 40% 이하, 35% 이하, 30% 이하, 25% 이하, 20% 이하, 15% 이하, 10% 이하 또는 5% 이하 정도일 수 있지만, 이에 제한되지는 않는다.

상기 금속폼 전구체는 상기 금속 분말과 함께 분산제와 바인더를 포함하는 슬러리를 사용하여 형성할 수 있다.

상기에서 분산제로는, 예를 들면, 알코올이 적용될 수 있다. 알코올로는, 메탄올, 에탄올, 프로판올, 부탄올, 펜탄올, 옥타놀, 에틸렌글리콜, 프로필렌글리콜, 펜탄놀, 2-메톡시에탄올, 2-에톡시에탄올, 2-부톡시에탄올, 글리세롤, 텍사놀(texanol) 또는 테르피네올(terpineol) 등과 같은 탄소수 1 내지 20의 1가 알코올 또는 에틸렌글리콜, 프로필렌글리콜, 헥산디올, 옥탄디올 또는 펜탄디올 등과 같은 탄소수 1 내지 20의 2가 알코올 또는 그 이상의 다가 알코올 등이 사용될 수 있으나, 그 종류가 상기에 제한되는 것은 아니다.

슬러리는 바인더를 추가로 포함할 수 있다. 이러한 바인더의 종류는 특별히 제한되지 않으며, 슬러리의 제조 시에 적용된 금속 성분이나 분산제 등의 종류에 따라 적절하게 선택할 수 있다. 예를 들면, 상기 바인더로는, 메틸 셀룰로오스 또는 에틸 셀룰로오스 등의 탄소수 1 내지 8의 알킬기를 가지는 알킬 셀룰로오스, 폴리프로필렌 카보네이트 또는 폴리에틸렌 카보네이트 등의 탄소수 1 내지 8의 알킬렌 단위를 가지는 폴리알킬렌 카보네이트 또는 폴리비닐알코올 또는 폴리비닐아세테이트 등의 폴리비닐알코올계 바인더(이하, 폴리비닐알코올 화합물로 호칭할 수 있다.) 등이 예시될 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.

상기 슬러리 내에서 각 성분의 비율은 특별히 제한되지 않는다. 이러한 비율은 슬러리를 사용한 공정 시에 코팅성이나 성형성 등의 공정 효율을 고려하여 조절될 수 있다.

예를 들면, 목적하는 기공도를 보다 효과적으로 확보하기 위해서 슬러리 내에서 바인더는 전술한 금속 성분 100 중량부 대비 약 1 내지 500 중량부의 비율로 포함될 수 있다. 상기 비율은 다른 예시에서 약 2 중량부 이상, 약 3 중량부 이상, 약 4 중량부 이상, 약 5 중량부 이상, 약 6 중량부 이상, 약 7 중량부 이상, 약 8 중량부 이상, 약 9 중량부 이상, 약 10 중량부 이상, 약 15 중량부 이상, 약 20 중량부 이상, 약 30 중량부 이상, 약 40 중량부 이상, 약 50 중량부 이상, 약 60 중량부 이상, 약 70 중량부 이상, 약 80 중량부 이상, 약 90 중량부 이상, 약 100 중량부 이상, 약 110 중량부 이상, 약 120 중량부 이상, 약 130 중량부 이상, 약 140 중량부 이상, 약 150 중량부 이상, 약 200 중량부 이상 또는 약 250 중량부 이상일 수 있고, 약 450 중량부 이하, 약 400 중량부 이하, 약 350 중량부 이하, 약 300 중량부 이하, 약 250 중량부 이하, 약 200 중량부 이하, 약 150 중량부 이하, 약 100 중량부 이하, 약 50 중량부 이하, 약 40 중량부 이하, 약 30 중량부 이하, 약 20 중량부 이하 또는 약 10 중량부 이하일 수 있다.

슬러리 내에서 분산제는, 목적하는 기공 특성을 보다 효과적으로 확보하기 위해서, 상기 바인더 100 중량부 대비 약 10 내지 2,000 중량부의 비율로 포함될 수 있다. 상기 비율은 다른 예시에서 약 20 중량부 이상, 약 30 중량부 이상, 약 40 중량부 이상, 약 50 중량부 이상, 약 60 중량부 이상, 약 70 중량부 이상, 약 80 중량부 이상, 약 90 중량부 이상, 약 100 중량부 이상, 약 200 중량부 이상, 약 300 중량부 이상, 약 350 중량부 이상, 약 400 중량부 이상, 약 500 중량부 이상, 약 550 중량부 이상, 약 600 중량부 이상 또는 약 650 중량부 이상일 수 있고, 약 1,800 중량부 이하, 약 1,600 중량부 이하, 약 1,400 중량부 이하, 약 1,200 중량부 이하 또는 약 1,000 중량부 이하, 약 900 중량부 이하, 약 800 중량부 이하, 약 700 중량부 이하, 약 600 중량부 이하, 약 500 중량부 이하 또는 약 450 중량부 이하일 수 있다.

본 명세서에서 단위 중량부는 특별히 달리 규정하지 않는 한, 각 성분간의 중량의 비율을 의미한다.

슬러리는 필요하다면, 용매를 추가로 포함할 수 있다. 용매로는 슬러리의 성분, 예를 들면, 상기 금속 성분이나 바인더 등의 용해성을 고려하여 적절한 용매가 사용될 수 있다. 예를 들면, 용매로는, 유전 상수가 약 10 내지 120의 범위 내에 있는 것을 사용할 수 있다. 상기 유전 상수는 다른 예시에서 약 20 이상, 약 30 이상, 약 40 이상, 약 50 이상, 약 60 이상 또는 약 70 이상이거나, 약 110 이하, 약 100 이하 또는 약 90 이하일 수 있다. 이러한 용매로는, 물이나 에탄올, 부탄올 또는 메탄올 등의 탄소수 1 내지 8의 알코올, DMSO(dimethyl sulfoxide), DMF(dimethyl formamide) 또는 NMP(N-methylpyrrolidinone) 등이 예시될 수 있지만, 이에 제한되는 것은 아니다.

용매가 적용될 경우에 상기는 상기 바인더 100 중량부 대비 약 50 내지 400 중량부의 비율로 슬러리 내에 존재할 수 있지만, 이에 제한되는 것은 아니다. 상기 용매의 비율은, 다른 예시에서 약 60 중량부 이상, 약 70 중량부 이상, 약 80 중량부 이상, 약 90 중량부 이상, 약 100 중량부 이상, 약 110 중량부 이상, 약 120 중량부 이상, 약 130 중량부 이상, 약 140 중량부 이상, 약 150 중량부 이상, 약 160 중량부 이상, 약 170 중량부 이상, 약 180 중량부 이상 또는 약 190 중량부 이상이거나, 약 350 중량부 이하, 300 중량부 이하 또는 250 중량부 이하일 수 있지만, 이에 제한되는 것은 아니다.

슬러리는 상기 언급한 성분 외에 추가적으로 필요한 공지의 첨가제를 포함할 수도 있다. 다만, 목적하는 기공 특성을 효과적으로 얻기 위해서 상기 슬러리는 소위 발포제를 포함하지 않을 수 있다. 용어 발포제는 업계에서 통상 발포제로 호칭되는 성분은 물론 슬러리 내의 다른 성분과의 관계에서 발포 효과를 나타낼 수 있는 성분도 포함된다. 따라서, 본 출원에서 금속폼을 제조하는 과정 중에는 발포 공정이 진행되지 않을 수 있다.

상기 슬러리를 사용하여 상기 금속폼 전구체를 형성하는 방식은 특별히 제한되지 않는다. 금속폼의 제조 분야에서는 금속폼 전구체를 형성하기 위한 다양한 방식이 공지되어 있고, 본 출원에서는 이와 같은 방식이 모두 적용될 수 있다. 예를 들면, 상기 금속폼 전구체는, 적정한 틀(template)에 상기 슬러리를 유지하거나, 혹은 슬러리를 적정한 방식으로 코팅하여 상기 금속폼 전구체를 형성할 수 있다.

본 출원의 하나의 예시에 따라서 필름 또는 시트 형태의 금속폼을 제조하는 경우, 특히 얇은 필름 또는 시트 형태의 금속폼을 제조하는 경우에는 코팅 공정을 적용하는 것이 유리할 수 있다. 예를 들면, 적절한 기재상에 상기 슬러리를 코팅하여 전구체를 형성한 후에 후술하는 소결 공정을 통해서 목적하는 금속폼을 형성할 수 있다.

이와 같은 금속폼 전구체의 형태는 목적하는 금속폼에 따라 정해지는 것으로 특별히 제한되지 않는다. 하나의 예시에서 상기 금속폼 전구체는, 필름 또는 시트 형태일 수 있다. 예를 들면, 상기 전구체가 필름 또는 시트 형태일 때에 그 두께는 2,000㎛ 이하, 1,500㎛ 이하, 1,000㎛ 이하, 900㎛ 이하, 800㎛ 이하, 700㎛ 이하, 600㎛ 이하, 500㎛ 이하, 400㎛ 이하, 300㎛ 이하, 200㎛ 이하, 150㎛ 이하, 약 100㎛ 이하, 약 90㎛ 이하, 약 80㎛ 이하, 약 70㎛ 이하, 약 60㎛ 이하 또는 약 55㎛ 이하일 수 있다. 금속폼은, 다공성인 구조적 특징상 일반적으로 브리틀한 특성을 가지고, 따라서 필름 또는 시트 형태, 특히 얇은 두께의 필름 또는 시트 형태로 제작이 어렵고, 제작하게 되어도 쉽게 부스러지는 문제가 있다. 그렇지만, 본 출원의 방식에 의해서는, 얇은 두께이면서도, 내부에 균일하게 기공이 형성되고, 기계적 특성이 우수한 금속폼의 형성이 가능하다.

상기에서 전구체의 두께의 하한은 특별히 제한되지 않는다. 예를 들면, 상기 필름 또는 시트 형태의 전구체의 두께는 약 5㎛ 이상, 10㎛ 이상 또는 약 15㎛ 이상, 20㎛ 이상, 25㎛ 이상, 30㎛ 이상, 35㎛ 이상, 40㎛ 이상, 45㎛ 이상, 50㎛ 이상, 55㎛ 이상, 60㎛ 이상, 65㎛ 이상, 70㎛ 이상, 또는 75㎛ 이상 정도일 수도 있다.

상기 금속폼 전구체의 형성 과정에서는 적절한 건조 공정이 수행될 수도 있다. 예를 들면, 전술한 코팅 등의 방식으로 슬러리를 성형한 후에 일정 시간 건조하여 금속폼 전구체가 형성될 수도 있다. 상기 건조의 조건은 특별한 제한이 없으며, 예를 들면, 슬러리 내에 포함된 용매가 목적 수준으로 제거될 수 있는 수준에서 제어될 수 있다. 예를 들면, 상기 건조는, 성형된 슬러리를 약 50℃ 내지 250℃, 약 70℃ 내지 180℃ 또는 약 90℃ 내지 150℃의 범위 내의 온도에서 적정 시간 동안 유지하여 수행할 수 있다. 건조 시간도 적정 범위에서 선택될 수 있다.

상기 방식으로 형성된 금속폼 전구체를 소결하여 금속폼을 제조할 수 있다. 이러한 경우에 상기 금속폼을 제조하기 위한 소결을 수행하는 방식은 특별히 제한되지 않으며, 공지의 소결법을 적용할 수 있다. 즉, 적절한 방식으로 상기 금속폼 전구체에 적정한 양의 열을 인가하는 방식으로 상기 소결을 진행할 수 있다.

이 경우 소결의 조건은 적용된 금속폼 전구체의 상태, 예를 들면, 슬러리의 조성이나 금속 분말의 종류 등을 고려하여, 금속 분말이 연결되어 다공성 구조체가 형성되도록 제어될 수 있고, 구체적인 조건은 특별히 제한되지 않는다.

예를 들면, 상기 소결은, 상기 전구체를 약 500℃ 내지 2000℃의 범위 내, 700℃ 내지 1500℃의 범위 내 또는 800℃ 내지 1200℃의 범위 내의 온도에서 유지하여 수행할 수 있고, 그 유지 시간도 임의적으로 선택될 수 있다. 상기 유지 시간은 일 예시에서 약 1분 내지 10 시간 정도의 범위 내일 수 있지만, 이에 제한되는 것은 아니다.

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, 2.5 이하일 수 있다. 상기 두께의 비율은 다른 예시에서 약 2 이하, 약 1.9 이하, 약 1.8 이하, 약 1.7 이하, 약 1.6 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 또는 약 1.05 이상, 약 1.06 이상, 약 1.07 이상, 약 1.08 이상, 약 1.09 이상, 약 1.1 이상, 약 1.11 이상, 약 1.12 이상, 약 1.13 이상, 약 1.14 이상, 약 1.15 이상, 약 1.16 이상, 약 1.17 이상, 약 1.18 이상, 약 1.19 이상, 약 1.2 이상, 약 1.21 이상, 약 1.22 이상, 약 1.23 이상, 약 1.24 이상 또는 약 1.25 이상일 수 있다. 이러한 두께 비율 하에서 목적하는 열전도도가 확보되면서, 가공성이나 내충격성 등이 우수한 복합재가 제공될 수 있다.

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, 실록산 계열과 같은 실리콘 수지, PET(poly(ethylene terephthalate)) 등의 폴리에스테르 수지, 에폭시 수지, PP(polypropylene) 또는 PE(polyethylene) 등의 올레핀 수지, 우레탄 수지, 폴리아미드 수지, 아미노 수지 및 페놀 수지로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상을 들 수 있지만, 이에 제한되는 것은 아니다.

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.

상기 복합재는, 높은 투자율을 나타낼 수 있다. 예를 들어, 전술한 필름 형태에서 상기 복합재는, 10 μm 내지 1 cm 범위 내의 두께 및 100 kHz 내지 300 kHz에서 100 이상의 비투자율을 나타낼 수 있다. 상기 비투자율은 다른 예시에서 110 이상, 120 이상, 130 이상, 140 이상, 150 이상, 160 이상, 170 이상, 180 이상, 190 이상 또는 200 이상일 수 있다. 상기 비투자율은 다른 예시에서 약 1,000 이하, 900 이하, 800 이하, 700 이하, 600 이하, 500 이하, 400 이하 또는 300 이하 정도일 수 있다.

본 출원은 또한 상기와 같은 형태의 복합재의 제조 방법에 대한 것이다. 상기 제조 방법은, 상기 금속폼의 표면 또는 내부에 경화성 고분자 조성물이 존재하는 상태에서 상기 고분자 조성물을 경화시키는 단계를 포함할 수 있다.

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

상기 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.

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

이와 같은 본 출원의 복합재는 높은 투자율과 함께 우수한 기계적 강도, 전기 절연성, 산화 내지 열에 대한 저항성 등을 나타내어 높은 투자율이 요구되는 다양한 용도에 적용될 수 있다. 적용될 수 있는 용도로는, EMC 코어(core), 저출력 고인덕턴스 공명 회로 또는 광대역 변압기 등을 포함한 다양한 장치 등이나, 전파 흡수체 등이 예시될 수 있지만, 이에 제한되는 것은 아니다.

본 출원에 의하면, 높은 투자율을 가지고, 유연성, 전기 절연성, 기계적 물성 및/또는 열이나 산화에 대한 저항성 등의 기타 물성도 우수한 복합재를 간단하고, 경제적인 공정으로 제공할 수 있다.

도 1은 실시예 1에서 적용된 금속폼의 사진이다.
도 2는 실시예 1에서 적용된 금속폼의 기공 분포를 나타내는 도면이다.
도 3은 실시예 2의 복합재의 투자율 그래프이다.
도 4는, 실시예 6의 복합재의 투자율 그래프이다.

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

1. 비투자율 확인 방법

실시예 또는 비교예의 재료의 비투자율은 Keysight社의 16454A 장비로 측정하였으며, 1kHz 내지 10MHz의 영역을 스캔하였다.

2. 기공 분포 확인 방법

적용된 금속폼의 기공 분포는, 전자식 광학 현미경(SEM, JEOL, JSM-7610F)을 사용하여 500배 배율로 촬영한 SEM 이미지를 Image analyzer로 확인하여 기공분포를 계산하였다. .

실시예 1.

금속폼으로는 철과 니켈의 합금(Fe/Ni=20/80)으로 제조된 기공도가 약 75% 수준이며, 두께가 약 80 μm인 금속폼을 사용하였다.

이러한 금속폼은 다음의 방식으로 제조하였다. 평균 입경(메디안 입경, D50 입경)이 약 20 내지 30 μm 수준인 상기 합금(Fe/Ni=20/80) 분말 5 g, n-부탄올 4g 및 에틸 셀룰로오스 1g을 혼합하여 슬러리를 제조하였다. 상기 슬러리를 소결 후에 80 μm 정도의 두께의 필름 형태가 되도록 코팅하고, 120℃의 오븐에서 10분 동안 건조한 후에 수소/아르곤 분위기의 1000℃에서 2 시간 정도 동안 소결하여 상기 금속폼을 제조하였다.

도 1 및 2는 각각 상기와 같이 제조된 금속폼의 사진 및 기공 분포를 나타낸다. 상기 금속폼에 점도가 약 9000 cP인 에폭시 수지(제조사: 국도화학, 제품명: KSR177)를 도포하고, 필름 어플리케이터를 이용하여 최종 복합재의 두께가 약 110μm 정도가 되도록 과량의 조성물을 제거하였다.

이어서 상기 에폭시 수지가 적용된 금속폼을 약 120℃의 오븐에 약 1 시간 정도 유지하여 경화시켜 필름 형태의 복합재를 제조하였다.

상기 복합재의 비투자율은 200 이상(100 내지 300 kHz)이었다.

실시예 2.

실시예 1에서 제조된 금속폼에 실록산 계열의 수지(제조사: Dow Corning, 제품명: Sylgard184)를 도포하고, 필름 어플리케이터를 이용하여 최종 복합재의 두께가 약 100μm 정도가 되도록 과량의 조성물을 제거하였다. 이어서 상기 재료를 약 120℃의 오븐에 약 1 시간 정도 유지하여 경화시켜 필름 형태의 복합재를 제조하였다. 상기 복합재의 투자율은 200 이상(100 내지 300 kHz)이었다.

도 3은 실시예 2의 복합재의 비투자율 그래프이다.

실시예 3.

실시예 1에서 얻은 금속폼에 아크릴레이트 계열의 수지(제조사: Aldrich, 상품명: PMMA)를 도포하고, 필름 어플리케이터를 이용하여 최종 복합재의 두께가 약 100μm 정도가 되도록 과량의 조성물을 제거하였다. 이어서 상기 재료를 약 120℃의 오븐에 약 1 시간 정도 유지하여 경화시켜 필름 형태의 복합재를 제조하였다.

상기 복합재의 비투자율은 190 이상(100 내지 300 kHz)이었다.

실시예 4.

실시예 1에서 얻은 금속폼에 폴리프로필렌 수지(제조사: Aldrich, 상품명: Polypropylene)를 도포하고, 필름 어플리케이터를 이용하여 최종 복합재의 두께가 약 100μm 정도가 되도록 과량의 조성물을 제거하였다. 이어서 상기 재료를 경화시켜 필름 형태의 복합재를 제조하였다. 상기 복합재의 비투자율은 190 이상(100 내지 300 kHz)이었다.

실시예 5.

금속폼으로는 철, 니켈 및 몰리브덴의 합금(Fe/Ni/Mo=15/80/5) 분말을 사용하여 실시예 1과 같은 방식으로 제조한 기공도가 약 72% 수준이며, 두께가 약 80 μm인 금속폼을 사용하였다. 상기 금속폼에 에폭시 수지(제조사: 국도화학, 제품명: KSR177)를 도포하고, 필름 어플리케이터를 이용하여 최종 복합재의 두께가 약 110μm 정도가 되도록 과량의 조성물을 제거하였다. 이어서 상기 에폭시 수지가 적용된 금속폼을 실시예 1과 같은 조건에서 처리하여 필름 형태의 복합재를 제조하였다. 상기 복합재의 비투자율은 200 이상(100 내지 300 kHz)이었다.

실시예 6.

금속폼으로는 철, 알루미늄 및 실리콘의 합금(Fe/Al/Si=85/6/9) 분말을 사용하여 실시예 1과 같은 방식으로 제조된 기공도가 약 70% 수준이며, 두께가 약 80 μm인 금속폼을 사용하였다. 상기 금속폼에 에폭시 수지(제조사: 국도화학, 제품명: KSR177)를 도포하고, 필름 어플리케이터를 이용하여 최종 복합재의 두께가 약 100μm 정도가 되도록 과량의 조성물을 제거하였다. 이어서 상기 에폭시 수지가 적용된 금속폼을 실시예 1과 같은 조건에서 처리하여 필름 형태의 복합재를 제조하였다. 상기 복합재의 투자율은 150 이상(100 내지 300 kHz)이었다. 도 4는 실시예 6의 복합재의 비투자율 그래프이다.

실시예 7.

금속폼으로는 철, 규소 및 붕소의 합금(Fe/Si/B=75/15/10) 분말을 사용하여 실시예 1과 같은 방식으로 제조한 기공도가 약 67% 수준이며, 두께가 약 80 μm인 금속폼을 사용하였다. 상기 금속폼에 에폭시 수지(제조사: 국도화학, 제품명: KSR177)를 도포하고, 필름 어플리케이터를 이용하여 최종 복합재의 두께가 약 120μm 정도가 되도록 과량의 조성물을 제거하였다. 이어서 상기 에폭시 수지가 적용된 금속폼을 실시예 1과 같은 조건에서 처리하여 필름 형태의 복합재를 제조하였다. 상기 복합재의 비투자율은 120 이상(100 내지 300 kHz)이었다.

실시예 8.

금속폼으로는 철, 규소, 붕소, 니오븀 및 구리의 합금(Fe/Si/B/Nb/Cu=74/13/9/3/1) 분말을 사용하여 실시예 1과 같은 방식으로 제조한 기공도가 약 61% 수준이며, 두께가 약 80 μm인 금속폼을 사용하였다. 상기 금속폼에 에폭시 수지(제조사: 국도화학, 제품명: KSR177)를 도포하고, 필름 어플리케이터를 이용하여 최종 복합재의 두께가 약 100μm 정도가 되도록 과량의 조성물을 제거하였다. 이어서 상기 에폭시 수지가 적용된 금속폼을 실시예 1과 같은 조건에서 처리하여 필름 형태의 복합재를 제조하였다. 상기 복합재의 비투자율은 170 이상(100 내지 300 kHz)이었다.

비교예 1.

금속폼으로는 구리 분말을 사용하여 실시예 1과 같은 방식으로 제조한 기공도가 약 65% 수준이며, 두께가 약 80 μm인 금속폼을 사용하였다. 상기 금속폼에 실시예 2에서 적용한 실록산 계열의 수지를 도포하고, 필름 어플리케이터를 이용하여 최종 복합재의 두께가 약 100μm 정도가 되도록 과량의 조성물을 제거하였다. 이어서 상기 수지가 적용된 금속폼을 실시예 2와 같은 조건에서 처리하여 필름 형태의 복합재를 제조하였다. 상기 복합재의 비투자율은 50 이하(100 내지 300 kHz)였다.

비교예 2.

연자성 금속 필러로서 철, 알루미늄 및 규소의 합금(Fe/Al/Si=85/6/9) 필러를 폴리프로필렌 수지와 혼합한 후에 필름 어플리케이터를 이용하여 두께가 약 120μm 정도인 필름 형태로 성형하고, 경화시킴으로써 필름 형태의 복합재를 제조하였다.

상기 복합재의 비투자율은 90 정도(100 내지 300 kHz)였다.

Claims

연자성 금속 성분의 금속폼 및 상기 금속폼의 표면 또는 내부에 존재하는 고분자 성분을 포함하고,
필름 형태이며,
10 μm 내지 1 cm 범위 내의 두께 및 100 kHz 내지 300 kHz에서 100 내지 1,000 범위 내의 비투자율을 나타내는 복합재.
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제 1 항에 있어서, 금속폼은 기공도가 10 내지 99%의 범위 내인 복합재.
제 1 항에 있어서, 금속폼의 전체 기공 중에서 85% 이상의 기공의 기공 크기가 10 μm 이하인 복합재.
제 1 항에 있어서, 금속폼의 전체 기공 중에서 65% 이상의 기공의 기공 크기가 5 μm 이하인 복합재.
제 1 항에 있어서, 연자성 금속 성분이 Fe/Ni 합금, Fe/Ni/Mo 합금, Fe/Al/Si 합금, Fe/Si/B 합금, Fe/Si/Nb 합금, Fe/Si/Cu 합금 또는 Fe/Si/B/Nb/Cu 합금인 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 두께가 10 내지 1,000 μm의 범위 내인 복합재.
제 1 항에 있어서, 고분자 성분은, 금속폼의 표면에서 표면층을 형성하고 있는 복합재.
제 1 항에 있어서, 고분자 성분은, 아크릴 수지, 실리콘 수지, 에폭시 수지, 올레핀 수지, 폴리에스테르 수지, 폴리아미드 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.
연자성 금속 성분의 금속폼의 표면 또는 내부에 경화성 고분자 조성물이 존재하는 상태에서 상기 고분자 조성물을 경화시키는 단계를 포함하는, 제 1 항의 복합재의 제조 방법.