KR102230432B1 - 육방정 질화붕소와 자외선 경화수지를 이용한 고열전도 방열 복합소재의 제조방법 및 이를 이용하여 제조된 방열 복합소재 - Google Patents

육방정 질화붕소와 자외선 경화수지를 이용한 고열전도 방열 복합소재의 제조방법 및 이를 이용하여 제조된 방열 복합소재 Download PDF

Info

Publication number
KR102230432B1
KR102230432B1 KR1020180140617A KR20180140617A KR102230432B1 KR 102230432 B1 KR102230432 B1 KR 102230432B1 KR 1020180140617 A KR1020180140617 A KR 1020180140617A KR 20180140617 A KR20180140617 A KR 20180140617A KR 102230432 B1 KR102230432 B1 KR 102230432B1
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
particles
shaped
boron nitride
plate
composite material
Prior art date
Application number
KR1020180140617A
Other languages
English (en)
Other versions
KR20200056671A (ko
Inventor
정연식
한유진
한혁진
Original Assignee
한국과학기술원
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 한국과학기술원 filed Critical 한국과학기술원
Priority to KR1020180140617A priority Critical patent/KR102230432B1/ko
Publication of KR20200056671A publication Critical patent/KR20200056671A/ko
Application granted granted Critical
Publication of KR102230432B1 publication Critical patent/KR102230432B1/ko

Links

Images

Classifications

    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B35/00—Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products
    • C04B35/515—Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products based on non-oxide ceramics
    • C04B35/58—Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products based on non-oxide ceramics based on borides, nitrides, i.e. nitrides, oxynitrides, carbonitrides or oxycarbonitrides or silicides
    • C04B35/583—Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products based on non-oxide ceramics based on borides, nitrides, i.e. nitrides, oxynitrides, carbonitrides or oxycarbonitrides or silicides based on boron nitride
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B35/00—Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products
    • C04B35/622—Forming processes; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products
    • C04B35/626—Preparing or treating the powders individually or as batches ; preparing or treating macroscopic reinforcing agents for ceramic products, e.g. fibres; mechanical aspects section B
    • C04B35/62605—Treating the starting powders individually or as mixtures
    • C04B35/6261—Milling
    • C04B35/62615—High energy or reactive ball milling
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B35/00—Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products
    • C04B35/622—Forming processes; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products
    • C04B35/626—Preparing or treating the powders individually or as batches ; preparing or treating macroscopic reinforcing agents for ceramic products, e.g. fibres; mechanical aspects section B
    • C04B35/63—Preparing or treating the powders individually or as batches ; preparing or treating macroscopic reinforcing agents for ceramic products, e.g. fibres; mechanical aspects section B using additives specially adapted for forming the products, e.g.. binder binders
    • C04B35/632—Organic additives
    • C04B35/634—Polymers
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B2235/00—Aspects relating to ceramic starting mixtures or sintered ceramic products
    • C04B2235/70—Aspects relating to sintered or melt-casted ceramic products
    • C04B2235/96—Properties of ceramic products, e.g. mechanical properties such as strength, toughness, wear resistance
    • C04B2235/9607—Thermal properties, e.g. thermal expansion coefficient

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Ceramic Engineering (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Structural Engineering (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Inorganic Chemistry (AREA)
  • Compositions Of Macromolecular Compounds (AREA)

Abstract

본 발명은 자외선 경화성 고분자 수지와 육방정 질화붕소를 복합하여 열전도도가 우수한 방열 복합소재를 제작하는 방법에 관한 것으로, 육방정 질화붕소(hexagonal Boron Nitride)의 벌크 BN(Boron Nitride; 질화붕소) 입자를 고에너지 볼밀링(high energy ball milling)하여 판상 형태의 판상 BN 입자로 박리하는 단계, 상기 판상 BN 입자를 진공필터링하여 횡방향으로 적층시키는 단계 및 상기 적층된 판상 BN 입자의 사이로 자외선 경화성 수지를 침투 및 경화시켜 방열 복합소재를 제조하는 단계를 포함한다.

Description

육방정 질화붕소와 자외선 경화수지를 이용한 고열전도 방열 복합소재의 제조방법 및 이를 이용하여 제조된 방열 복합소재{MANUFACTURING METHOD OF HIGH THERMAL CONDUCTIVE COMPOSITE USING HEXAGONAL BORON NITRIDE AND UV CROSSLINKING POLYMER, AND COMPOSITE MANUFACTURED BY USING THE METHOD THEREOF}
본 발명은 육방정 질화붕소와 자외선 경화수지를 이용한 고열전도 방열 복합소재의 제조방법 및 이를 이용하여 제조된 방열 복합소재에 관한 것으로, 보다 상세하게는 자외선 경화성 고분자 수지와 육방정 질화붕소를 복합하여 열전도도가 우수한 방열 복합소재를 제작하는 방법에 관한 것이다.
과학기술의 발전과 함께 전자소자의 고집적화에 대한 연구가 급속도로 진행되고 있다. 이에 따라, 단위 면적당 더욱 많은 열이 발생하게 되는데, 이러한 방출열은 소자의 기능을 저하시킬 뿐만 아니라 주변 소자의 오작동, 기판 열화 등의 원인이 되고 있어 방출열을 제어하는 기술에 대한 많은 관심과 필요성이 요구되고 있다.
이에 관련된 연구로는 발열부와 직접적으로 맞닿아 있는 부분에 방열소재를 접촉하여 전도를 통한 방열효과를 기대하는 것이 있다.
방열효과를 극대화하기 위해 필요한 재료의 몇 가지 물성이 있는데, 먼저 발열부의 열을 효과적으로 외부로 방출시키기 위해 열전도도가 높은 것이 적합하다. 또한, 계면에서의 열 저항 역시, 열전달에 큰 영향을 미치기 때문에 접촉면 간의 열저항을 최소화시키는 것이 재료의 연성과 관련된다. 또한, 방열소재가 회로부분에 직접적으로 접촉되어 있는 형태의 경우, 전자회로에 영향을 줄 수 있으므로, 전기 절연성 소재가 적합하다.
결과적으로, 높은 열전도도, 전기절연성 및 기계적 유연성이라는 세 가지 물성을 모두 만족하면서, 열전도성 필러와 전기절연성 고분자 기지를 혼합하여 복합소재의 형태로 가공하는 것이 일반적이다.
전기절연성과 동시에 열전도성을 나타내는 세라믹 필러로는 대표적으로, 규석(SiO2), 산화알루미늄(Al2O3), 산화망간(MgO), 산화아연(ZnO), 질화붕소(BN), 질화알루미늄(AlN) 등이 있는데, 이들 중 열전도율이 가장 우수한 것은 질화붕소(BN)와 질화알루미늄(AlN)이다. 질화알루미늄의 경우, 내산화성에 취약하고 가격이 질화붕소보다 고가라는 점에서 한계점이 명확한 반면, 질화붕소는 300W/mK의 우수한 열전도율에 내화학성이 뛰어난 물질이라는 점에서 절연성 방열 복합소재의 필러로 적합하다.
또한, 일반적으로 복합소재를 구성하는데 있어서 필러의 충전율이 높을수록 열전도율 또한 높아지므로, 충전율을 극대화시키는 것이 중요하다. 그러나, 세라믹 필러는 기계적 물성이 좋지 않으므로, 충전율이 높아짐에 따라 성형성이 나빠지는 문제점이 발생한다. 이는 필러-필러 간의 상호작용이 필러-고분자, 고분자-고분자 간의 상호 결합력보다 낮아서 발생하게 되는 원인에 기인한 것이므로, 이를 극복하기 위해서는 필러-필러 간의 상호작용을 극대화시키는 가공방법을 선택해야 하는 단점을 가진다.
본 발명의 목적은 고에너지 볼밀링 공정을 통한 박리 및 기능화하는 과정, 진공필터링 적층 과정, 그리고 자외선 경화성 수지를 사용한 과정을 이용하여 기존의 단순 복합방식으로는 제작이 쉽지 않았던 고 충전율 및 고 열전도도의 방열 복합소재를 제작하고자 한다.
본 발명의 실시예에 따른 육방정 질화붕소와 자외선 경화수지를 이용한 고열전도 방열 복합소재의 제조방법은 육방정 질화붕소(hexagonal Boron Nitride)의 벌크 BN(Boron Nitride; 질화붕소) 입자를 고에너지 볼밀링(high energy ball milling)하여 판상 형태의 판상 BN 입자로 박리하는 단계, 상기 판상 BN 입자를 진공필터링하여 횡방향으로 적층시키는 단계 및 상기 적층된 판상 BN 입자의 사이로 자외선 경화성 수지를 침투 및 경화시켜 방열 복합소재를 제조하는 단계를 포함한다.
상기 판상 BN 입자로 박리하는 단계는 상기 벌크 BN 입자에 요소(Urea, Co(NH2)2) 및 지르코니아 볼(ZrO2)을 첨가한 질화붕소 분산액을 고에너지 볼밀링하여 판상 형태의 상기 판상 BN 입자로 박리할 수 있다.
상기 판상 BN 입자를 진공필터링하여 횡방향으로 적층시키는 단계는 아민(NH2), 수산화기(OH)의 기능화를 통해 극성용매에서 상기 판상 BN 입자의 분산성을 높인 후, 상기 진공필터링하여 판상의 형태의 상기 판상 BN 입자를 횡방향으로 적층시킬 수 있다.
상기 진공필터링에 사용된 필터의 기공 사이즈는 20nm인 양극산화알루미늄을 사용한 것일 수 있다.
상기 판상 BN 입자들은 상기 진공필터링에 의해 횡방향으로 재적층되어 분리막 기능의 나노구조 형태를 나타낼 수 있다.
상기 자외선 경화성 수지를 침투 및 경화시켜 방열 복합소재를 제조하는 단계는 상기 적층된 판상 BN 입자의 사이로 상기 자외선 경화성 수지를 침투시키는 단계 및 상기 적층된 판상 BN 입자 및 상기 자외선 경화성 수지의 복합 구조에서 상기 자외선 경화성 수지를 경화하여 고 충전율의 상기 방열 복합소재를 제조하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 자외선 경화성 수지를 침투시키는 단계는 폴리우레탄 아크릴(poly urethane acrylate; PUA)의 상기 자외선 경화성 수지와 에탄올(Ethyl Alcohol)의 용매를 10wt% 내지 30wt%의 비율로 혼합하여 상기 적층된 판상 BN 입자의 사이로 침투시킬 수 있다.
상기 방열 복합소재를 제조하는 단계는 상기 적층된 판상 BN 입자 및 상기 자외선 경화성 수지의 복합 구조에서 잔여 용매를 증발시키고, 자외선에 노광시키며, 상기 적층된 판상 BN 입자 사이에 잔여하는 상기 자외선 경화성 수지를 경화하여 분리막으로부터 분리된 상기 방열 복합소재를 제조할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 육방정 질화붕소와 자외선 경화수지를 이용한 고열전도 방열 복합소재는 전술한 어느 한 항에 의해 제조된다.
본 발명의 실시예에 따르면, 고에너지 볼밀링 기법을 사용하여 유해한 화학물질을 사용하지 않고도 벌크 질화붕소 입자의 박리 및 기능화를 동시에 진행함으로써, 비용과 안정성, 그리고 생산성에서 경쟁력이 높은 제조공정을 제안할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따르면, 진공필터링을 이용하여 질화붕소 판상 입자를 재적층시켜 질화붕소 간의 결합력을 극대화시키므로, 높은 충전율의 방열 복합소재를 제작할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따르면, 종래에 사용되었던 고온 강산과 같은 거친 화학적인 공정과정 없이도, 분산을 위한 질화붕소 기능화 과정에서 요소를 혼합하여 고에너지 볼밀링으로 박리와 기능화를 동시에 진행할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따르면, 2차원 물질 박리과정에서 사용되는 메틸피롤리돈(N-Methyl 2-Pyrrolidone; NMP) 및 디메틸포름아미드(Dimethylformamide; DMF)와 같은 고가의 용매 사용을 배제하여 재료적인 측면에서 공정비용을 축소할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따르면, 고충전율의 방열 복합소재를 제작할 수 있으며, 이를 이용한 방열 복합소재 시장에서 다양하게 적용 가능하다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 육방정 질화붕소와 자외선 경화수지를 이용한 고열전도 방열 복합소재의 제조방법의 흐름도를 도시한 것이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 경화과정을 설명하기 위한 모식도를 도시한 것이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 질화붕소의 박리 및 기능화에 대한 FT-IR 그래프 결과를 도시한 것이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 질화붕소 분산액을 이용한 질화붕소 방열복합 필름의 제작 공정을 모식도로 도시한 것이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 진공필터링된 질화붕소의 수평배열 나노구조에 대한 전자 현미경 이미지를 도시한 것이다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 질화붕소 방열 복합소재의 충전율에 대한 그래프 결과를 도시한 것이다.
이하, 본 발명에 따른 실시예들을 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다. 그러나 본 발명이 실시예들에 의해 제한되거나 한정되는 것은 아니다. 또한, 각 도면에 제시된 동일한 참조 부호는 동일한 부재를 나타낸다.
또한, 본 명세서에서 사용되는 용어(terminology)들은 본 발명의 바람직한 실시예를 적절히 표현하기 위해 사용된 용어들로서, 이는 시청자, 운용자의 의도 또는 본 발명이 속하는 분야의 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 따라서, 본 용어들에 대한 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.
본 발명은 다양한 전자기기의 방열시스템에 응용될 수 있는 고 열전도율의 방열 복합소재를 제조하는 방법에 관한 것이다.
본 발명은 기존 단순 복합 방식의 한계를 넘어 기계적, 화학적 박리 및 기능화를 통해 분산성을 높이고, 진공필터링에 의한 재배열을 이용하여 질화붕소 판상 입자(이하에서는 ‘판상 BN 입자’라 칭함) 간의 결합력을 극대로 하는 제조공정이다. 이는 30%이상의 충전율을 확보하기 어려웠던 단순 방열 복합소재의 한계를 넘어 50% 이상의 고열전도 방열 복합소재의 제조를 가능하게 한다. 또한, 본 발명은 열경화성 수지가 아닌 자외선 경화성 수지를 사용하여 보다 신속하고 빠른 경화과정으로 높은 생산성을 제공한다.
이하에서는, 첨부된 도면을 참조하여, 본 발명의 실시예에 따른 고에너지 볼밀링을 사용한 기계적, 화학적 질화붕소의 박리과정과 진공필터링 및 자외선 경화성 수지를 이용하여 고충전율의 방열 복합소재를 제작하는 방법에 대해 상세히 설명하고자 한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 육방정 질화붕소와 자외선 경화수지를 이용한 고열전도 방열 복합소재의 제조방법의 흐름도를 도시한 것이다.
도 1을 참조하면, 단계 110에서, 육방정 질화붕소(hexagonal Boron Nitride)의 벌크 BN(Boron Nitride; 질화붕소) 입자를 고에너지 볼밀링(high energy ball milling)하여 판상 형태의 판상 BN(Boron Nitride; 질화붕소) 입자로 박리한다.
단계 110은 입도가 크고 응집경향성이 높아 분산되기 어려운 벌크 BN 입자를 판상 형태의 판상 BN 입자로 박리시킬 수 있다. 구체적으로, 단계 110은 입도 5μm의 벌크 BN 입자에 요소(Urea, Co(NH2)2) 및 직경 1mm의 지르코니아 볼(ZrO2)을 첨가한 질화붕소 분산액을 고에너지 볼밀링(high energy ball milling)하여 판상 형태의 판상 BN 입자로 박리 및 분쇄할 수 있다.
이 때, 박리 및 분쇄된 판상 BN 입자는 IPA, EtOH와 같은 극성 용매에 분산된 형태일 수 있다. 또한, 상기 질화붕소 분산액의 농도는 약 1mg/ml 내지 5mg/ml인 것을 특징으로 하며, 사이즈는 200 내지 300nm의 입도를 나타낸다.
실시예에 따라서, 단계 110은 질화붕소 분산액을 약 3000rpm, 30분의 조건으로 원심분리하여 박리 및 기능화되지 않은 질화붕소 입자를 선별할 수 있다.
단계 120에서, 판상 BN 입자를 진공필터링하여 횡방향으로 적층시킨다.
단계 120은 단계 110을 통해 박리된 판상 BN 입자에 아민(NH2), 수산화기(OH)의 기능화를 적용하여 극성용매에서 분산성을 높인 후, 진공필터링하여 판상의 형태의 판상 BN 입자를 횡방향으로 재적층시킬 수 있다. 이 때, 진공필터링에 사용된 필터의 기공 사이즈는 20nm인 양극산화알루미늄을 사용하는 것을 특징으로 한다.
예를 들어 진공필터링으로 내리게 되면, 분산되는 판상 BN 입자들은 횡방향으로 재적층된 나노구조의 형태를 나타낸다. 이 때, 적층된 판상 BN 입자들은 진공필터링에 의해 횡방향으로 재적층되어 그 자체로 분리막과 같은 기능을 나타낼 수 있다.
단계 130에서, 적층된 판상 BN 입자의 사이로 자외선 경화성 수지를 침투 및 경화시켜 방열 복합소재를 제조한다.
단계 130은 적층된 판상 BN 입자의 사이로 자외선 경화성 수지를 침투시키는 단계 및 적층된 판상 BN 입자 및 자외선 경화성 수지의 복합 구조에서 자외선 경화성 수지를 경화하여 고 충전율의 방열 복합소재를 제조하는 단계를 포함할 수 있다.
단계 130의 상기 자외선 경화성 수지를 침투시키는 단계는 적층된 판상 BN 입자 사이로 자외선 경화성 수지를 침투시켜, 자외선 경화성 수지가 판상 BN 입자 사이로 스며들게 할 수 있다. 예를 들면, 단계 130의 상기 자외선 경화성 수지를 침투시키는 단계는 폴리우레탄 아크릴(poly urethane acrylate; PUA)의 자외선 경화성 수지와 에탄올(Ethyl Alcohol)의 용매를 혼합하여 적층된 판상 BN 입자의 사이로 침투시킬 수 있다. 이 때, 폴리우레탄 아크릴(PUA)의 에탄올(Ethyl Alcohol)의 비율은 10wt% 내지 30wt%일 수 있다.
적층된 판상 BN 입자의 사이로 자외선 경화성 수지를 침투시킨 후, 단계 130의 상기 방열 복합소재를 제조하는 단계는 자외선을 노광시켜 적층된 판상 BN 입자에 있는 자외선 수지를 경화하여 고 충전율의 방열 복합소재를 제작할 수 있다. 예를 들면, 단계 130의 상기 방열 복합소재를 제조하는 단계는 적층된 판상 BN 입자 및 자외선 경화성 수지의 복합 구조에서 잔여 용매를 증발시키고, 자외선에 노광시킬 수 있다. 자외선을 노광시키면, 적층된 판상 BN 입자 사이에 잔여하는 자외선 경화성 수지가 경화되면서 동시에 분리막으로부터 분리된다. 이에, 상기 방열 복합소재를 제조하는 단계는 적층된 판상 BN 입자 사이에 잔여하는 자외선 경화성 수지를 경화하여 분리막으로부터 분리된 방열 복합소재를 제조할 수 있다. 이 때, 노광시간은 약 1분 내지 2분일 수 있다.
여기서, 질화붕소와 자외선 경화성 수지의 복합으로 제조된 방열 복합소재의 열전도율은 약 23.7W/mK이며, 이는 종래의 방열 복합소재를 상회하는 값을 나타내는 것을 특징으로 한다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 경화과정을 설명하기 위한 모식도를 도시한 것이다.
보다 상세하게는, 도 2는 본 발명의 실시예에 따른 질화붕소의 박리, 분산 과정과 진공필터링, 그리고 자외선 경화성 수지를 이용한 복합소재의 경화과정을 전체적으로 설명하기 위한 모식도를 도시한 것이다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 육방정 질화붕소와 자외선 경화수지를 이용한 고열전도 방열 복합소재의 제조방법은 질화붕소 벌크입자(Boron Nitride; BN)에 요소(Urea)를 첨가한 질화붕소 분산액에 고에너지 볼밀링 과정을 적용한다. 이에 따라, 볼(ball)이 벌크 BN 입자에 전단력을 가해 기계적으로 박리 및 분쇄시키며, 본 발명은 이를 용매 내에 분산시켜, 진공필터링하여 질화붕소 분산액 내의 판상 BN 입자를 평행하게 배열시킨다. 이후에, 본 발명은 자외선 경화성 수지 용액을 질화붕소 사이에 침투시켜 잔여시킨 후, 경화성 수지의 경화를 통해 필름을 획득(Shear force exfoliation & functionalization; 전단력 박리 및 기능화)할 수 있다.
보다 상세하게는, 벌크 BN 입자와 요소(Urea)는 약 1:12의 비율로 혼합된 후, 볼을 통해 고에너지 볼밀링 과정을 거치게 되며, 볼에 의해 벌크 BN 입자에 전단력이 가해져 벌크 BN 입자는 기계적으로 박리 및 분쇄된다. 이 과정에서 생성된 엣지 부분의 질화붕소는 상대적으로 불안정하게 되며, 요소는 고에너지 볼밀링 과정에 의해 분해되어 암모니아가 생성되고, 생성된 암모니아는 질화붕소의 불안정한 가장자리에 결합되어 아민기가 기능화되는 역할을 수행하게 된다.
이 때, 고에너지 볼밀링의 챔버에 혼합하는 혼합물은 직경 1mm 크기의 지르코니아(ZrO2) 60g과 평균입도 2μm 이상의 벌크 질화붕소 분말 0.6g 그리고 요소(Co(NH2)2) 12g이다. 고에너지 볼밀링 과정에서 용매는 사용되지 않고, 잔여 습기로 인해 요소가 응집되지 않도록 건조한 환경에서 혼합된다.
고에너지 볼밀링 조건은 500rpm, 10분의 작동시간, 50분의 쉬는시간(resting time)으로 약 20회 반복한다. 이 때, 너무 높은 rpm으로 볼밀링을 진행할 시, 지르코니아 볼이 파손되어 잔여 질화붕소에 흡착될 수 있으며, 쉬는시간이 길지 않아 챔버 안의 온도가 60도 이상의 고온으로 유지되는 경우, 요소의 일부가 용융되어 응집될 수 있다. 이에 따라서, 적정 rpm과 작동시간 그리고 쉬는시간(resting time)을 유지해야 한다.
전술한 바와 같은, 고에너지 볼밀링 과정이 종료되면, 볼밀링 챔버에 잔여하는 질화붕소와 요소 및 볼을 분리하는 작업이 필요하다. 이 과정은 투석(dialysis)을 통해 진행된다. 예를 들면, 직경 0.8mm의 채를 이용하여 혼합물에서 지르코니아 볼을 남기고, 질화붕소 입자와 요소를 거른다. 이 때, 사용된 지르코니아 볼은 세척 후, 재사용이 가능하다. 걸러진 질화붕소 입자와 요소는 증류수에 넣어 용해시킨 후, 셀룰로오스 반투과성 막 주머니(분자량 cutoff: 3500kDa) 안에 넣는다. 요소와 질화붕소가 용해된 셀룰로오스 막 주머니를 과량의 증류수 안에 넣게 되면, 낮은 분자량의 요소가 반투과성 막을 통과하여 외부로 나가게 되는데, 이러한 과정을 반복하여 질화붕소 분산액을 획득하게 된다.
나아가, 본 발명의 실시예에 따른 질화붕소 분산액은 진공필터링을 통해 용매를 선택적으로 제거하고 다른 용매로 치환될 수 있다. 진공필터링 후, 질화붕소 사이의 잔여 용매가 완전히 말라버리면, 질화붕소가 다시 재적층되므로, 질화붕소가 적층되기 전에 다른 용매에 초음파(ultrasonication) 처리를 하여 분산시킨다. 이 때, 분산 가능한 용매는 물 이외에 에탄올(Ethyl alcohol), 이소프로판알코올(Isopropyl-alcohol, IPA), NMP(N-met hyl-2-pyrrolidone), DMF(Dimethylformamide) 등이 있는데, 본 발명에서는 질화붕소 입자의 분산성이 좀 더 용이하고, 인체에 무해하며, 저렴하고, 낮은 끓는점을 나타내는 이소프로판알코올(Isopropyl-alcohol, IPA)을 사용한다.
진공필터링된 질화붕소를 다시 IPA에 분산시킬 때 농도는 약 5mg/ml로 하여 분산시키고, 초음파 처리는 약 2시간 정도 처리를 한다. 이 때 볼밀링 과정에서 박리 및 기능화가 되지 않아 종횡비가 낮은 판상입자를 제거하기 위해 원심분리를 진행하며, 진행 조건은 3000rpm, 30분으로 한다. 원심분리 후, 상층부를 따라 내어 높은 종횡비의 질화붕소 분산액을 최종적으로 얻어낸다. 이 때, 얻어낸 질화붕소 분산액은 약 2~3mg/ml의 농도를 나타내며, 자세한 농도는 광투과도(optical density)를 통해 알 수 있다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 질화붕소의 박리 및 기능화에 대한 FT-IR 그래프 결과를 도시한 것이다.
도 3은 벌크 BN 입자의 박리 및 아민기 기능화의 결과로 인한 분산도의 증진 결과를 그래프로 나타낸 것이다.
일반적인 벌크 BN 입자(Pristine)의 물 분산도는 약 1mg/ml을 나타내고, 그 이상의 농도에서는 침전되는 결과를 나타낸다. 반면에, 본 발명의 실시예에 따른 고에너지 볼밀링(Ball milling) 공정으로 박리된 벌크 BN 입자는 30mg/ml 이상의 높은 분산도를 나타내는 것을 특징으로 한다.
도 3을 참조하면, 질화붕소의 박리 및 기능화의 결과를 위해, 푸리에 변환 적외선 분광법(Fourier Transform Infrared)으로 질화붕소의 박리 및 기능화를 확인한 결과, 고에너지 볼밀링(Ball milling) 처리된 질화붕소는 N-H peak(3400cm-1)에 shoulder peak를 나타내는 것을 확인할 수 있다.
이에 따라서, 본 발명의 실시예에 따른 육방정 질화붕소와 자외선 경화수지를 이용한 고열전도 방열 복합소재의 제조방법은 고에너지 볼밀링 처리된 질화붕소를 이용함으로써, 비용과 안정성, 그리고 생산성에서 경쟁력이 높은 공정을 제공할 수 있다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 질화붕소 분산액을 이용한 질화붕소 방열복합 필름의 제작 공정을 모식도로 도시한 것이고, 도 5는 본 발명의 실시예에 따른 진공필터링된 질화붕소의 수평배열 나노구조에 대한 전자 현미경 이미지를 도시한 것이다.
도 4를 참조하면, 본 발명은 박리 및 기능화된 질화붕소(410)를 진공필터링(Vacuum Filteration, 420)을 통해 재적층시키고, 자외선 경화성 수지를 침투(PUA resin filtering, 430)시킨다. 이후에, 본 발명은 판상 질화붕소(BN) 입자와 자외선 경화성 수지의 복합 구조에서 자외선 경화성 수지를 경화(UV crosslinking, 44)하여 필름을 제작(Film peeling, 450)할 수 있다.
여기서, 이소프로판알코올(Isopropyl-alcohol, IPA) 내에 분산된 질화붕소 분산액을 양극산화알루미늄(Anodic aluminum oxide, pore size 20nm)의 필터로 거르게 되면, 필터의 표면에 평행하게 질화붕소(410)가 재적층되어 내려간다. 이 때, 표면이 평평한 양극산화알루미늄을 사용함으로써, 거칠기가 적은 질화붕소 필름이 제작될 수 있다.
적층된 질화붕소의 나노구조는 도 5에 도시되어 있다. 도 5의 왼쪽 이미지를 참조하면, 나노단위의 질화붕소 입자가 평행하게 배열되어 있는 것을 확인할 수 있다. 필터링된 질화붕소는 그 자체로 필름형상을 가지고 있어, 매우 높은 수준의 열전도율을 보유하고 있을 것으로 예상되나, 순수 질화붕소로만 이루어져 있기 때문에 기계적 안정성을 가지지 못한다. 그러나, 본 발명의 실시예에 따른 필터링 후, 제작된 질화붕소는 그 자체로 분리막의 기능을 가지고 있으므로, 이를 이용하여 자외선 경화성 수지를 필터링함으로써, 질화붕소의 기공 사이에 침투시켜 복합소재를 제작할 수 있다.
도 5의 오른쪽 이미지를 참조하면, 질화붕소 사이에 자외선 경화성 수지가 침투한 것을 확인할 수 있다. 본 발명에서 사용하는 자외선 경화성 수지는 폴리우레탄 아크릴(poly urethane acrylate; PUA)이며, 일정 중량의 올리고머(oligomer)와 모노머(monomer), 그리고 자외선에 노광될 시, 중합을 개시하는 개시분자(photo-sensitive initiator)가 중합되어 있는 복합물이다(MINS-ERM, Minuta Technology Co. Ltd.). 예를 들어, 자외선이 노광되는 경우, 자외선 경화성 수지 내의 개시분자가 중합을 개시하고, 올리고머 및 모노머들이 서로 연결되어 경화되게 된다.
본 발명에서 사용되는 자외선 경화용 복합 수지는 그 자체로 점도가 매우 높기 때문에, 질화붕소 사이로 수지가 제대로 침투되지 않는다. 따라서, 자외선 경화성 수지가 잘 용해되는 에탄올(EtOH)에 희석시켜 점도를 낮추게 된다. 자외선 경화성 수지의 대다수는 진공필터링 시, 질화붕소 필름 기공과 필터링 기공 사이를 빠져나가게 되며, 일부분은 적층된 판상 BN 입자 사이에 잔여하게 된다.
질화붕소 분산액의 양이 과할수록 질화붕소 필름의 두께는 두꺼워지고 물리적으로 자외선 경화성 수지가 질화붕소 막 사이를 투여하기 힘들게 되므로, 자외선 경화성 수지에 희석하는 에탄올의 양을 늘려서 질화붕소 분산액의 양을 조절할 수 있다.
진공필터링에 의해 자외선 경화성 수지 용액이 필터링되면, 본 발명은 복합물을 자외선에 노광시킨다. 이 때, 노광되는 시간은 약 2분 정도이며, 본 발명은 일반적인 열 경화에 비해 비교적 빠른 시간 안에 경화시키는 것을 특징으로 한다. 또한, 본 발명은 경화 후, 필터링에 사용되었던 양극산화알루미늄 분리막과 질화붕소 복합체를 분리시키므로, 일반 열경화 방식의 수지보다 사용이 용이할 수 있다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 질화붕소 방열 복합소재의 충전율에 대한 그래프 결과를 도시한 것이다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따라 제작된 질화붕소 방열 복합소재를 800℃가 넘는 고온에서 산화시킬 때의 질량 변화를 나타낸 것으로, 열중량분석법(Thermogravimetric analysis)을 이용한 분석 결과, 약 50%의 질량 손실이 발생하는 것을 확인할 수 있다.
약 500℃의 고온에서 자외선 경화성 고분자 수지는 모두 산화되나, 질화붕소는 800℃가 넘는 고온에서 안정하기 때문에, 잔여된 50%의 질량은 순수 질화붕소의 충전율일 수 있다. 이로 인해, 본 발명의 실시예에 따라 제조된 방열 복합소재는 종래의 일반 단순 복합 방식으로 넘기기 힘들었던 충전율(~30%)을 상회하는 충전율을 나타내는 것을 알 수 있다.
이상과 같이 실시예들이 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기의 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 예를 들어, 설명된 기술들이 설명된 방법과 다른 순서로 수행되거나, 및/또는 설명된 시스템, 구조, 장치, 회로 등의 구성요소들이 설명된 방법과 다른 형태로 결합 또는 조합되거나, 다른 구성요소 또는 균등물에 의하여 대치되거나 치환되더라도 적절한 결과가 달성될 수 있다.
그러므로, 다른 구현들, 다른 실시예들 및 특허청구범위와 균등한 것들도 후술하는 특허청구범위의 범위에 속한다.

Claims (9)

  1. 육방정 질화붕소(hexagonal Boron Nitride)의 벌크 BN(Boron Nitride; 질화붕소) 입자를 고에너지 볼밀링(high energy ball milling)하여 판상 형태의 판상 BN 입자로 박리하는 단계;
    상기 판상 BN 입자를 진공필터링하여 횡방향으로 적층시키는 단계; 및
    상기 적층된 판상 BN 입자의 사이로 자외선 경화성 수지를 침투 및 경화시켜 방열 복합소재를 제조하는 단계
    를 포함하며,
    상기 판상 BN 입자로 박리하는 단계는
    상기 벌크 BN 입자에 요소(Urea, CO(NH2)2) 및 지르코니아 볼(ZrO2)을 첨가한 질화붕소 분산액을 고에너지 볼밀링하여 판상 형태의 상기 판상 BN 입자로 박리하고,
    상기 벌크 BN 입자와 요소는 1:12의 비율로 혼합되며,
    상기 고에너지 볼밀링은
    미리 설정된 분당회전수(RPM), 작동 시간과 쉬는 시간을 일정 횟수 반복 수행하고,
    상기 판상 BN 입자로 박리하는 단계는
    상기 고에너지 볼링밀 과정이 종료되면 투석을 통해 상기 판상 BN 입자와 상기 요소를 분리하며, 상기 분리된 판상 BN 입자와 요소를 증류수에 용해시킨 후 반투과성 막 주머니에 넣고, 상기 반투과성 막 주머니를 과량의 증류수에 넣음으로써, 상기 반투과성 막 주머니에서 상기 요소가 빠져나가 상기 판상 BN 입자가 포함된 질화붕소 분산액을 획득하며, 상기 판상 BN 입자가 포함된 질화붕소 분산액을 원심 분리하여 일정 종횡비보다 낮은 판상 BN 입자를 제거함으로써, 상기 일정 종횡비보다 높은 판상 BN 입자를 획득하는 육방정 질화붕소와 자외선 경화수지를 이용한 고열전도 방열 복합소재의 제조방법.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서,
    상기 판상 BN 입자를 진공필터링하여 횡방향으로 적층시키는 단계는
    아민(NH2), 수산화기(OH)의 기능화를 통해 극성용매에서 상기 판상 BN 입자의 분산성을 높인 후, 상기 진공필터링하여 판상의 형태의 상기 판상 BN 입자를 횡방향으로 적층시키는, 육방정 질화붕소와 자외선 경화수지를 이용한 고열전도 방열 복합소재의 제조방법.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 진공필터링에 사용된 필터의 기공 사이즈는
    20nm인 양극산화알루미늄을 사용한 것을 특징으로 하는, 육방정 질화붕소와 자외선 경화수지를 이용한 고열전도 방열 복합소재의 제조방법.
  5. 제3항에 있어서,
    상기 판상 BN 입자들은
    상기 진공필터링에 의해 횡방향으로 재적층되어 분리막 기능의 나노구조 형태를 나타내는 것을 특징으로 하는, 육방정 질화붕소와 자외선 경화수지를 이용한 고열전도 방열 복합소재의 제조방법.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 자외선 경화성 수지를 침투 및 경화시켜 방열 복합소재를 제조하는 단계는
    상기 적층된 판상 BN 입자의 사이로 상기 자외선 경화성 수지를 침투시키는 단계; 및
    상기 적층된 판상 BN 입자 및 상기 자외선 경화성 수지의 복합 구조에서 상기 자외선 경화성 수지를 경화하여 고 충전율의 상기 방열 복합소재를 제조하는 단계
    포함하는 육방정 질화붕소와 자외선 경화수지를 이용한 고열전도 방열 복합소재의 제조방법.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 자외선 경화성 수지를 침투시키는 단계는
    폴리우레탄 아크릴(poly urethane acrylate; PUA)의 상기 자외선 경화성 수지와 에탄올(Ethyl Alcohol)의 용매를 10wt% 내지 30wt%의 비율로 혼합하여 상기 적층된 판상 BN 입자의 사이로 침투시키는, 육방정 질화붕소와 자외선 경화수지를 이용한 고열전도 방열 복합소재의 제조방법.
  8. 제6항에 있어서,
    상기 방열 복합소재를 제조하는 단계는
    상기 적층된 판상 BN 입자 및 상기 자외선 경화성 수지의 복합 구조에서 잔여 용매를 증발시키고, 자외선에 노광시키며, 상기 적층된 판상 BN 입자 사이에 잔여하는 상기 자외선 경화성 수지를 경화하여 분리막으로부터 분리된 상기 방열 복합소재를 제조하는, 육방정 질화붕소와 자외선 경화수지를 이용한 고열전도 방열 복합소재의 제조방법.
  9. 제1항과 제3항 내지 제8항 중 어느 한 항에 의해 제조되는, 육방정 질화붕소와 자외선 경화수지를 이용한 고열전도 방열 복합소재.
KR1020180140617A 2018-11-15 2018-11-15 육방정 질화붕소와 자외선 경화수지를 이용한 고열전도 방열 복합소재의 제조방법 및 이를 이용하여 제조된 방열 복합소재 KR102230432B1 (ko)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020180140617A KR102230432B1 (ko) 2018-11-15 2018-11-15 육방정 질화붕소와 자외선 경화수지를 이용한 고열전도 방열 복합소재의 제조방법 및 이를 이용하여 제조된 방열 복합소재

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020180140617A KR102230432B1 (ko) 2018-11-15 2018-11-15 육방정 질화붕소와 자외선 경화수지를 이용한 고열전도 방열 복합소재의 제조방법 및 이를 이용하여 제조된 방열 복합소재

Publications (2)

Publication Number Publication Date
KR20200056671A KR20200056671A (ko) 2020-05-25
KR102230432B1 true KR102230432B1 (ko) 2021-03-22

Family

ID=70914362

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020180140617A KR102230432B1 (ko) 2018-11-15 2018-11-15 육방정 질화붕소와 자외선 경화수지를 이용한 고열전도 방열 복합소재의 제조방법 및 이를 이용하여 제조된 방열 복합소재

Country Status (1)

Country Link
KR (1) KR102230432B1 (ko)

Families Citing this family (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR102599946B1 (ko) * 2021-04-05 2023-11-09 한국과학기술원 바인더 무첨가 질화붕소 필름의 제조 방법 및 이에 따라 제조되는 질화붕소 필름을 포함하는 방열 재료
WO2023034091A1 (en) * 2021-08-28 2023-03-09 Purdue Research Foundation Paint compositions and paint coatings for radiative cooling and related method of manufacture
WO2024118766A1 (en) * 2022-11-30 2024-06-06 Purdue Research Foundation Radiative cooling paint mixtures, single-layer paints, and methods of producing and using the same

Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101850244B1 (ko) * 2017-04-05 2018-06-07 한국과학기술원 Bnnp를 포함하는 나노 복합 재료 및 그의 제조 방법

Family Cites Families (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101721753B1 (ko) * 2015-04-22 2017-03-30 한국과학기술원 고품질 육방정 질화붕소 나노시트 제조 방법 및 이를 이용하여 제조된 육방정 질화붕소 나노시트
KR102140262B1 (ko) * 2017-01-20 2020-07-31 주식회사 엘지화학 질화붕소 나노플레이트의 제조 방법 및 질화붕소 나노플레이트-고분자 복합체의 제조방법

Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101850244B1 (ko) * 2017-04-05 2018-06-07 한국과학기술원 Bnnp를 포함하는 나노 복합 재료 및 그의 제조 방법

Also Published As

Publication number Publication date
KR20200056671A (ko) 2020-05-25

Similar Documents

Publication Publication Date Title
KR102230432B1 (ko) 육방정 질화붕소와 자외선 경화수지를 이용한 고열전도 방열 복합소재의 제조방법 및 이를 이용하여 제조된 방열 복합소재
Putz et al. High‐nanofiller‐content graphene oxide–polymer nanocomposites via vacuum‐assisted self‐assembly
CN106633153A (zh) 一种三层结构的聚合物基介电储能纳米复合材料及其制备方法
Yu et al. Nanocomposites of surface‐modified BaTiO3 nanoparticles filled ferroelectric polymer with enhanced energy density
US9460828B2 (en) Graphene printed pattern circuit structure
Chen et al. Low dielectric constant polyimide hybrid films prepared by in situ blow-balloon method
Huang et al. Role of interface in highly filled epoxy/BaTiO 3 nanocomposites. Part II-effect of nanoparticle surface chemistry on processing, thermal expansion, energy storage and breakdown strength of the nanocomposites
CN107614620B (zh) 树脂组合物、树脂片、预浸渍体、绝缘物、树脂片固化物和散热构件
CN113179611B (zh) 氮化硼散热膜及其制备方法和应用
TWI480369B (zh) 熱傳導性片材
JP6803874B2 (ja) カーボン修飾窒化ホウ素、その製造方法および高熱伝導性樹脂組成物
WO2015093749A1 (ko) 폴리이미드 필름 및 이의 제조방법
TW201248113A (en) Producing method of thermal conductive sheet and thermal conductive sheet
CN115850968B (zh) 一种MXene基高导热防火复合薄膜及其制备方法与应用
Qiu et al. Ultra‐flexible, dielectric, and thermostable boron nitride‐graphene fluoride hybrid films for efficient thermal management
US10865286B2 (en) Method for manufacturing porous membrane
TWI513810B (zh) 攝像零件
CN116438075A (zh) 四氟乙烯类聚合物的组合物、层叠体和膜
KR20200084806A (ko) 방열 시트 제조방법
WO2016158268A1 (ja) 接着組成物シートおよびその製造方法ならびに半導体装置
CN103087449A (zh) 一种高导热高介电低损耗聚合物纳米复合材料的制备方法
KR102183898B1 (ko) 그래핀 잉크 조성물 및 그 제조방법
JP6473597B2 (ja) 高熱伝導有機無機コンポジット材料の製造方法
Tang et al. Structurally induced dielectric constant promotion and loss suppression for poly (vinylidene fluoride) nanocomposites
KR102299648B1 (ko) 산화 그래핀 콜로이드 분산액의 진공 프린팅과 전사 프린팅을 통한 방열 필름 제조 방법 및 이를 이용하여 제조된 방열 필름

Legal Events

Date Code Title Description
E701 Decision to grant or registration of patent right
GRNT Written decision to grant