KR102333227B1 - 그라파이트 복합재를 제조하기 위한 방법 및 이에 의하여 생성된 그라파이트 복합재 - Google Patents

그라파이트 복합재를 제조하기 위한 방법 및 이에 의하여 생성된 그라파이트 복합재 Download PDF

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Abstract

그라파이트 복합재를 제조하기 위한 방법 및 이에 의하여 생성된 그라파이트 복합재가 개시된다. 그라파이트 복합재를 제조하기 위한 방법은 그라파이트 및 그래핀을 교반하여 파우더를 생성하는 단계, 원료로 생성된 파우더 및 용액을 혼합하는 단계, 혼합된 원료를 베이스시트에 코팅하는 단계, 코팅된 베이스시트를 열건조하는 단계, 및 열건조된 베이스시트를 압연하는 단계를 포할 수 있다.

Description

그라파이트 복합재를 제조하기 위한 방법 및 이에 의하여 생성된 그라파이트 복합재{Method for manufacturing graphite composite and graphite composite manufactured thereby}
본 발명은 그라파이트 복합재를 제조하기 위한 방법 및 이에 의하여 생성된 그라파이트 복합재에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 그라파이트를 주성분으로 하는 복합재를 제조할 수 있는 그라파이트 복합재를 제조하기 위한 방법 및 이에 의하여 생성된 그라파이트 복합재이다.
그라파이트(Graphite)는 탄소 원자가 육각형 구조로 배열된 삼방정계(trigonal system) 결정형을 갖는 탄소 동소체(allotropy) 중 하나이다. 그라파이트의 결정구조는 자연적으로 발생하며 표준 조건에서 가장 안정적인 형태의 탄소이다. 그라파이트는 부드러운 성질로 인해 연필과 윤활제에 사용되며, 판상 형태의 배열로 인해 높은 전도성을 가고 있어, LCD, OLED와 같은 디스플레이 패널, 스마트폰, 노트북 등의 전자 장치에서 발생되는 열을 신속하게 외부로 방출하는 방열용 복합재의 원료로 활용되고 있다.
(특허문헌 1) KR10-2017-0047556 A
본 발명이 해결하고자 하는 과제는, 제조과정이 단순하면서 방열계수가 우수하고 열확산 성능이 뛰어난 그라파이트 복합재를 제조하기 위한 방법 및 이에 의하여 생성된 그라파이트 복합재를 제공하는데 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 다른 과제는, 그라파이트 복합재의 두께 및 요구되는 방열계수를 용이하게 맞출 수 있는 그라파이트 복합재를 제조하기 위한 방법 및 이에 의하여 생성된 그라파이트 복합재를 제공하는데 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 또 다른 과제는, 강도가 강한 그라파이트 복합재를 제조하기 위한 방법 및 이에 의하여 생성된 그라파이트 복합재를 제공하는데 있다.
상기 해결하고자 하는 과제를 달성하기 위한, 본 발명에 따른 그라파이트 복합재를 제조하기 위한 방법은, 그라파이트 및 그래핀을 교반하여 파우더를 생성하는 단계, 원료로 상기 생성된 파우더 및 용액을 혼합하는 단계, 상기 혼합된 원료를 베이스시트에 코팅하는 단계, 상기 코팅된 베이스시트를 열건조하는 단계, 및 상기 열건조된 베이스시트를 압연하는 단계를 포함할 수 있다. 여기서, 상기 그라파이트 및 상기 그래핀은 80 내지 500 메시로 분쇄된 것일 수 있다.
상기 용액은, 물, 다이메틸폼아마이드(DMF : Dimethylformamide), 테트라히드로푸란(THF : Tetra Hydro Furan), 케톤류(ketones), 알콜류(alcohols) 및 톨루엔(toluene) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
상기 혼합하는 단계는, 상기 원료로 합성수지를 더 혼합하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 합성수지는, 폴리에스테르(Polyester) 수지, 아크릴(acrylic) 수지, 폴리우레탄(polyurethane) 수지 및 셀룰로스(cellulose) 적어도 하나를 더 포함할 수 있다.
상기 열건조하는 단계는, 상기 베이스시트를 섭씨 60도 내지 80도에서 열건조하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 압연하는 단계는, 200 MPa 내지 300 MPa 범위의 압력으로 상기 베이스시트를 압연하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 코팅하는 단계는, 0.1mm 내지 3mm 범위의 두께로 상기 원료를 상기 베이스시트에 코팅하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 베이스시트는, 종이 또는 페트(PET)일 수 있다.
상기 해결하고자 하는 다른 과제를 달성하기 위한, 본 발명에 따른 그라파이트 복합재는, 베이스시트, 상기 베이스시트 위에 형성된 코팅층을 포함하고, 상기 코팅층은, 그라파이트 및 그래핀을 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 그라파이트 복합재를 제조하기 위한 방법 및 이에 의하여 생성된 그라파이트 복합재에 의하면, 원료를 베이스시트 위에 직접 도포하여 건조하는 방식으로 그라파이트 복합재를 제조함으로써, 제조과정이 단순하면서 방열계수 및 열전도도가 우수하고 열확산 성능이 뛰어나며, 도포 과정 및 압연 과정에서 그라파이트 복합재의 두께 및 요구되는 방열계수를 용이하게 맞출 수 있어 맞춤형 그라파이트 복합재를 제조할 수 있고, 합성수지를 첨가하여 강도가 강한 그라파이트 복합재를 제조할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시형태에 따라 그라파이트 복합재를 제조하기 위한 방법을 설명하기 위한 흐름도이다.
도 2는 본 발명에 따른 파우더를 촬영한 사진을 도시한 도면이다.
도 3은 혼합된 원료를 촬영한 사진을 도시한 도면이다.
도 4는 원료로 코팅된 베이스시트를 촬영한 사진을 도시한 도면이다.
도 5는 열건조 장치를 촬영한 사진을 도시한 도면이다.
도 6은 압연되는 베이스시트를 촬영한 사진을 도시한 도면이다.
도 7은 생성된 그라파이트 복합재를 촬영한 사진을 도시한 도면이다.
도 8은 타발된 그라파이트 복합재를 촬영한 사진을 도시한 도면이다.
본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.
따라서 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
이하, 본 발명의 구체적인 실시형태들에 따른 그라파이트 복합재를 제조하기 위한 방법 및 이에 의하여 얻어진 그라파이트 복합재에 대하여 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시형태에 따라 그라파이트 복합재를 제조하기 위한 방법을 설명하기 위한 흐름도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 그라파이트 복합재를 제조하기 위한 방법은, 파우더 생성 단계(S1), 혼합단계(S2), 코팅단계(S3), 열건조단계(S4), 압연단계(S5) 및 타발단계(S6)를 포함할 수 있다.
도 2는 본 발명에 따른 파우더를 촬영한 사진을 도시한 도면이다.
도 2를 참조하면, 파우더 생성 단계(S1)에서 그라파이트(Graphite) 및 그래핀(Graphene)을 분쇄할 수 있고, 분쇄된 그라파이트 및 그래핀을 교반하여 파우더를 제조할 수 있다. 도 2에 생성된 파우더의 일예를 확인할 수 있다. 여기서, 그라파이트(Graphite) 및 그래핀(Graphene)의 입자크기를 80 메시(mesh) 내지 500 메시 범위가 되도록 분쇄할 수 있다. 실시예로, 그라파이트 및 그래핀의 입자 크기는 80 메시, 100 메시, 150 메시, 325 메시, 500 메시될 수 있다. 여기서 바람직하게, 그라파이트는 천연 그라파이트일 수 있다. 그라파이트 및 그래핀을 분쇄함으로써, 본 발명에 따른 그라파이트 복합재의 방열계수를 높일 수 있다.
또한 그라파이트에 그래핀을 섞음으로써, 그라파이트만으로 제조된 경우보다 방열계수가 15% 이상 향상될 수 있다. 바람직하게, 파우더 100 중량부에 대하여, 그라파이트 89 내지 98 중량부 및 그래핀 2 내지 11 중량부가 함유될 수 있다. 그래핀이 2 중량부보다 적으면 방열계수가 향상되지 않고, 11 중량부보다 많으면 방열계수는 향상되지 않으면서 제조비용이 많이 든다.
도 3은 혼합된 원료를 촬영한 사진을 도시한 도면이다.
도 3을 참조하면, 혼합단계(S2)에서 원료로 S1에서 생성된 파우더 및 용액(Solvent)을 혼합할 수 있다(S2). 여기서, 원료 100 중량부에 대하여, 파우더 4 내지 9 중량부 및 용액 91 내지 96 중량부가 함유될 수 있다.
상기 용액은 파우더를 베이스시트에 코팅하기 위한 유기용제로서 기능 및 작용을 할 수 있다. 상기 용액은, 물, 다이메틸폼아마이드(DMF : Dimethylformamide), 테트라히드로푸란(THF : Tetra Hydro Furan), 케톤류(ketones), 알콜류(alcohols) 및 톨루엔(toluene) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 상기 용액이 91 중량부 미만으로 함유된 경우에는, 상기 원료가 베이스시트에 도포가 안되는 문제점이 있으며, 96 중량부를 초과하여 함유된 경우에는, 생성된 그라파이트 복합재의 방열계수가 떨어지고 요구되는 두께를 균일하게 맞출 수 없는 문제점이 발생할 수 있다.
바람직하게, 용액에 물과, DMF 및 THF가 동시에 함유된 경우에 상기 원료가 베이스시트에 가장 균일하게 코팅될 수 있다. 여기서 용액에 물, DMF 및 THF가 함유된 경우에는, 원료 100 중량부에 대하여, 물은 89 내지 94 중량부가 함유되고, DMF 및 THF는 1 중량부 이하로 함유되는 것이 바람직하다.
일부 실시예로, 혼합단계(S2)에서 원료로 S1에서 생성된 파우더, 용액(Solvent) 및 합성수지(Resin)를 혼합할 수 있다(S2). 도 3에서 혼합된 원료를 확인할 수 있다. 여기서, 상기 합성수지는, 폴리에스테르(Polyester) 수지, 아크릴(acrylic) 수지, 폴리우레탄(polyurethane) 수지 및 셀룰로스(cellulose) 적어도 하나를 포함할 수 있다. 원료 100 중량부에 대하여, 파우더 2.8 내지 4.6 중량부, 용액 91 내지 96 중량부, 합성수지 1.2 내지 4.4 중량부 이하가 함유될 수 있다. 상기 용액은 파우더를 베이스시트에 코팅하기 위한 유기용제로서 기능 및 작용을 할 수 있다. 상기 용액은, 물, 다이메틸폼아마이드(DMF : Dimethylformamide), 테트라히드로푸란(THF : Tetra Hydro Furan), 케톤류(ketones), 알콜류(alcohols) 및 톨루엔(toluene) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 상기 용액이 91 중량부 미만으로 함유된 경우에는, 상기 원료가 베이스시트에 도포가 안되는 문제점이 있으며, 96 중량부를 초과하여 함유된 경우에는, 생성된 그라파이트 복합재의 방열계수가 떨어지고 요구되는 두께를 균일하게 맞출 수 없는 문제점이 발생할 수 있다. 바람직하게, 용액에 물과, DMF 및 THF가 동시에 함유된 경우에 상기 원료가 베이스시트에 가장 균일하게 코팅될 수 있다. 여기서 용액에 물, DMF 및 THF가 함유된 경우에는, 원료 100 중량부에 대하여, 물은 89 내지 94 중량부가 함유되고, DMF 및 DMF는 1 중량부 이하로 함유되는 것이 바람직하다.
상기 합성수지가 추가됨으로써, 생성된 그라파이트 복합재의 결합강도가 향상될 수 있다. 다만, 상기 합성수지가 1.2 중량부 미만으로 함유된 경우에는, 함유되지 않은 것과 효과 상의 차이가 없으며, 4.4 중량부를 초과하여 함유된 경우에는, 생성된 그라파이트 복합재의 방열계수가 떨어지는 문제점이 있다.
도 4는 원료로 코팅된 베이스시트를 촬영한 사진을 도시한 도면이다.
도 4를 참조하면, 코팅단계(S3)에서, S2 단계에서 혼합된 원료를 베이스시트에 코팅할 수 있다. 즉, 코팅단계(S3)에서, 상기 원료를 베이스시트에 도포하는 방식으로, 베이스시트를 코팅할 수 있다. 도 4에서 원료로 코팅된 베이스시트를 확인할 수 있다. 여기서, 상기 원료는 0.1 내지 3mm 범위의 두께로 상기 베이스시트에 코팅될 수 있다. 상기 베이스시트는 종이 및 페트(PET) 중 적어도 하나의 소재일 수 있다. 본 발명은 원료를 베이스시트에 코팅함으로써, 제조과정이 단순화되고 그라파이트 복합재의 열확산 성능이 향상될 수 있다.
열건조단계(S4)에서, S3 단계에서 코팅된 베이스시트를 열건조할 수 있다. 여기서, 상기 베이스시트를 섭씨 60 내지 80도에서 열건조할 수 있다. 섭씨 60도 보다 낮은 온도로 열건조 하는 경우에는, 압연 후 사용이 불가능한 불량품이 생성될 수 있고, 섭씨 80도 보다 큰 온도로 열건조 하는 경우에는, 생성된 그라파이트 복합재가 쉽게 부서질 수 있는 문제점이 나타난다.
도 5는 열건조 장치를 촬영한 사진을 도시한 도면이다.
도 5를 참조하면, 열건조단계(S4)에서, 기준시간 만큼 코팅된 베이스시트를 열건조할 수 있다. 열건조단계(S4)에서 도 5에 도시된 열건조 장치에 의해 열건조가 진행될 수 있다. 여기서, 기준시간은 S3 단계에서 베이스시트에 코팅된 원료의 두께 및 S2에서 함유된 용액의 중량비를 기초로 결정될 수 있다. 상기 기준시간 보다 짧게 열건조 하는 경우에는, 압연 후 사용이 불가능한 불량품이 생성될 수 있고, 상기 기준시간 보다 길게 열건조하는 경우에는, 생성된 그라파이트 복합재가 쉽게 부서질 수 있는 문제점이 나타난다.
열건조단계(S4)를 통해 베이스시트에 코팅된 원료에서 용액이 건조되고, 상기 원료는 젤(Gel) 상태에서 고체(Solid) 상태로 전환되며, 구조적으로 안정되면서 강도가 향상될 수 있다.
도 6은 압연되는 베이스시트를 촬영한 사진을 도시한 도면이고, 도 7은 생성된 그라파이트 복합재를 촬영한 사진을 도시한 도면이다.
도 6 및 도 7을 참조하면, 압연단계(S5)에서, S4 단계에서 건조된 베이스시트를 압연하여 그라파이트 복합재를 생성할 수 있다. 도 7에서 압연되는 베이스시트를 확인할 수 있고, 도 7에서 생성된 그라파이트 복합재의 일예를 확인할 수 있다. 여기서, 200 내지 300 MPa 범위의 압력으로 상기 베이스시트를 압연할 수 있다. 또한 상기 그라파이트 복합재의 코팅층의 밀도가 1.5kg/m3 이상이 되도록 압연할 수 있다. 참고로, S4 단계에서 건조된 베이스시트에 형성된 코팅층의 밀도는 0.7kg/m3 수준이다. 상기 베이스시트를 압연함으로써, 상기 생성된 그라파이트 복합재의 밀도를 높일 수 있고, 이에 따라 방열성능이 향상됨과 아울러 강도가 향상될 수 있다. 특히, 압연단계(S5)를 통해 일정한 두께의 그라파이트 복합재 및 요구된 방열계수를 생산할 수 있고, 수직 방향의 열전도도를 향상시킬 수 있다.
도 8은 타발된 그라파이트 복합재를 촬영한 사진을 도시한 도면이다.
도 8을 참조하여, 타발단계(S6)는 S5 단계에서 생성된 그라파이트 복합재를 요구되는 크기로 따내기(die cutting)를 할 수 있다. 도 8에서 타발된 그라파이트 복합재 조각을 확인할 수 있다.
이하, 실시예를 통하여 본 발명을 더 상세하게 설명한다. 그러나 하기 실시예는 본 발명을 예시하기 위한 것으로서 본 발명의 범위가 이에 의하여 제한되지 않는다.
실시예 1
원료 100 중량부를 기준으로, 그라파이트 4.3 중량부, 그래핀 0.3 중량부, 물 93.4 중량부, DMF 1 중량부, THF 1 중량부를 함유시켜 본 발명에 따른 그라파이트 복합재를 제조하기 위한 방법에 따라 그라파이트 복합재를 생성하였다. 여기서 상기 생성된 그라파이트 복합재의 코팅층의 두께는 0.2t(0.2mm)로 하였다.
실시예 2
그라파이트 3 중량부, 그래핀 0.2 중량부, 물 93.4 중량부, DMF 1 중량부, THF 1 중량부, 아크릴 수지 0.4 중량부, 폴리우레탄 수지 0.4 중량부, 셀룰로스 0.6 중량부를 함유시켜 본 발명에 따른 그라파이트 복합재를 제조하기 위한 방법에 따라 그라파이트 복합재를 생성하였다. 여기서 상기 생성된 그라파이트 복합재의 코팅층의 두께는 0.2t(0.2mm)로 하였다.
실시예 3
그라파이트 4.6g, 물 93.4 중량부, DMF 1 중량부, THF 1 중량부를 함유시켜 본 발명에 따른 그라파이트 복합재를 제조하기 위한 방법에 따라 그라파이트 복합재를 생성하였다. 여기서 상기 생성된 그라파이트 복합재의 코팅층의 두께는 0.2t(0.2mm)로 하였다.
실시예 1 내지 3에서 얻은 그라파이트 복합재에 대하여 열전도도 및 강도의 특성을 평가하였다. 강도의 특성은 ASTM D3363-74에 규정된 방법 및 조건에 따라 그라파이트 복합재의 코팅면에 45°각도로 연필을 대고 1㎏ 하중으로 밀어 5회 측정시 긁힌 무늬 또는 코팅면의 파쇄가 2회 이상 일어나지 않는 경우 그 연필의 경도 수치를 표면 경도 수치로 하였다.
표 1은 실시예 1 내지 3에서 얻은 그라파이트 복합재에 대한 특성 평가 결과를 종합한 것이다.
실시예 1 실시예 2 실시예 3
열전도도 300 W/m·K 290 W/m·K 250 W/m·K
연필 경도 4H 이상 5H이상 4H 이상
표 1을 참조하면, 본 발명에 따른 실시예 1 및 2의 경우에 실시예 3보다 열전도도가 15 이상 향상된 것을 확인할 수 있다. 또한 실시예 2에서 합성수지를 추가로 첨가한 경우에 강도(연필 경도)가 향상된 것을 알 수 있으나, 열전도도는 실시예 1보다 낮아진 것을 확인할 수 있다.

Claims (10)

  1. 그라파이트 및 그래핀을 교반하여 파우더를 생성하는 단계;
    원료로 상기 생성된 파우더 및 용액을 혼합하는 단계;
    상기 혼합된 원료를 베이스시트에 코팅하는 단계;
    상기 코팅된 베이스시트를 열건조하는 단계;
    상기 열건조된 베이스시트를 압연하여 그라파이트 복합재를 생성하는 단계; 및
    상기 베이스시트로부터 상기 그라파이트 복합재를 따내기 하는 단계를 포함하고,
    상기 코팅하는 단계는,
    0.1mm 내지 3mm 범위의 두께로 상기 원료를 상기 베이스시트에 코팅하는 단계를 포함하며,
    상기 열건조하는 단계는,
    상기 베이스시트를 섭씨 60도 내지 80도에서 열건조하고,
    상기 베이스시트는,
    상기 그라파이트 복합재를 제조하는 공정상에서 사용되는 것을 특징으로 그라파이트 복합재를 제조하기 위한 방법.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 그라파이트 및 상기 그래핀은 80 내지 500 메시로 분쇄된 것을 특징으로 하는 그라파이트 복합재를 제조하기 위한 방법.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 용액은,
    물, 다이메틸폼아마이드(DMF : Dimethylformamide), 테트라히드로푸란(THF : Tetra Hydro Furan), 케톤류(ketones), 알콜류(alcohols) 및 톨루엔(toluene) 중 적어도 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 그라파이트 복합재를 제조하기 위한 방법.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 혼합하는 단계는,
    상기 원료로 합성수지를 더 혼합하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 그라파이트 복합재를 제조하기 위한 방법.
  5. 제 4항에 있어서,
    상기 합성수지는,
    폴리에스테르(Polyester) 수지, 아크릴(acrylic) 수지, 폴리우레탄(polyurethane) 수지 및 셀룰로스(cellulose) 적어도 하나를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 그라파이트 복합재를 제조하기 위한 방법.
  6. 삭제
  7. 제 1항에 있어서,
    상기 압연하는 단계는,
    200 MPa 내지 300 MPa 범위의 압력으로 상기 베이스시트를 압연하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 그라파이트 복합재를 제조하기 위한 방법.
  8. 삭제
  9. 제 1항에 있어서,
    상기 베이스시트는,
    종이 또는 페트(PET)인 것을 특징으로 하는 그라파이트 복합재를 제조하기 위한 방법.
  10. 삭제
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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KR101542412B1 (ko) * 2014-04-29 2015-08-06 엘지전자 주식회사 그래핀 방열 시트의 제조 방법
KR20190048574A (ko) * 2017-10-31 2019-05-09 주식회사 그래핀올 구형 그래핀 분말, 이의 제조방법 및 이를 포함하는 방열 코팅 조성물
KR20200095227A (ko) * 2019-01-31 2020-08-10 경일대학교산학협력단 고방열성 복합조성물 및 그 제조방법

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