KR102491885B1 - 전기 저항 특성이 제어된 탄소나노튜브 복합재, 그 제조 방법 및 이를 포함하는 방열 조성물 - Google Patents

전기 저항 특성이 제어된 탄소나노튜브 복합재, 그 제조 방법 및 이를 포함하는 방열 조성물 Download PDF

Info

Publication number
KR102491885B1
KR102491885B1 KR1020210058492A KR20210058492A KR102491885B1 KR 102491885 B1 KR102491885 B1 KR 102491885B1 KR 1020210058492 A KR1020210058492 A KR 1020210058492A KR 20210058492 A KR20210058492 A KR 20210058492A KR 102491885 B1 KR102491885 B1 KR 102491885B1
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
carbon nanotube
heat dissipation
nanotube composite
coating film
composition
Prior art date
Application number
KR1020210058492A
Other languages
English (en)
Other versions
KR20220152417A (ko
Inventor
김기천
김세헌
Original Assignee
주식회사 한국폴리머
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 주식회사 한국폴리머 filed Critical 주식회사 한국폴리머
Priority to KR1020210058492A priority Critical patent/KR102491885B1/ko
Publication of KR20220152417A publication Critical patent/KR20220152417A/ko
Application granted granted Critical
Publication of KR102491885B1 publication Critical patent/KR102491885B1/ko

Links

Images

Classifications

    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C08—ORGANIC MACROMOLECULAR COMPOUNDS; THEIR PREPARATION OR CHEMICAL WORKING-UP; COMPOSITIONS BASED THEREON
    • C08K—Use of inorganic or non-macromolecular organic substances as compounding ingredients
    • C08K3/00—Use of inorganic substances as compounding ingredients
    • C08K3/02—Elements
    • C08K3/04—Carbon
    • C08K3/041—Carbon nanotubes
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B32—LAYERED PRODUCTS
    • B32B—LAYERED PRODUCTS, i.e. PRODUCTS BUILT-UP OF STRATA OF FLAT OR NON-FLAT, e.g. CELLULAR OR HONEYCOMB, FORM
    • B32B15/00—Layered products comprising a layer of metal
    • B32B15/04—Layered products comprising a layer of metal comprising metal as the main or only constituent of a layer, which is next to another layer of the same or of a different material
    • B32B15/08—Layered products comprising a layer of metal comprising metal as the main or only constituent of a layer, which is next to another layer of the same or of a different material of synthetic resin
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B32—LAYERED PRODUCTS
    • B32B—LAYERED PRODUCTS, i.e. PRODUCTS BUILT-UP OF STRATA OF FLAT OR NON-FLAT, e.g. CELLULAR OR HONEYCOMB, FORM
    • B32B15/00—Layered products comprising a layer of metal
    • B32B15/20—Layered products comprising a layer of metal comprising aluminium or copper
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B32/00—Carbon; Compounds thereof
    • C01B32/15—Nano-sized carbon materials
    • C01B32/158—Carbon nanotubes
    • C01B32/168—After-treatment
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C08—ORGANIC MACROMOLECULAR COMPOUNDS; THEIR PREPARATION OR CHEMICAL WORKING-UP; COMPOSITIONS BASED THEREON
    • C08K—Use of inorganic or non-macromolecular organic substances as compounding ingredients
    • C08K9/00—Use of pretreated ingredients
    • C08K9/02—Ingredients treated with inorganic substances
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C08—ORGANIC MACROMOLECULAR COMPOUNDS; THEIR PREPARATION OR CHEMICAL WORKING-UP; COMPOSITIONS BASED THEREON
    • C08L—COMPOSITIONS OF MACROMOLECULAR COMPOUNDS
    • C08L101/00—Compositions of unspecified macromolecular compounds
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C08—ORGANIC MACROMOLECULAR COMPOUNDS; THEIR PREPARATION OR CHEMICAL WORKING-UP; COMPOSITIONS BASED THEREON
    • C08L—COMPOSITIONS OF MACROMOLECULAR COMPOUNDS
    • C08L33/00—Compositions of homopolymers or copolymers of compounds having one or more unsaturated aliphatic radicals, each having only one carbon-to-carbon double bond, and only one being terminated by only one carboxyl radical, or of salts, anhydrides, esters, amides, imides or nitriles thereof; Compositions of derivatives of such polymers
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C08—ORGANIC MACROMOLECULAR COMPOUNDS; THEIR PREPARATION OR CHEMICAL WORKING-UP; COMPOSITIONS BASED THEREON
    • C08L—COMPOSITIONS OF MACROMOLECULAR COMPOUNDS
    • C08L63/00—Compositions of epoxy resins; Compositions of derivatives of epoxy resins
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C08—ORGANIC MACROMOLECULAR COMPOUNDS; THEIR PREPARATION OR CHEMICAL WORKING-UP; COMPOSITIONS BASED THEREON
    • C08L—COMPOSITIONS OF MACROMOLECULAR COMPOUNDS
    • C08L75/00—Compositions of polyureas or polyurethanes; Compositions of derivatives of such polymers
    • C08L75/04—Polyurethanes
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C08—ORGANIC MACROMOLECULAR COMPOUNDS; THEIR PREPARATION OR CHEMICAL WORKING-UP; COMPOSITIONS BASED THEREON
    • C08L—COMPOSITIONS OF MACROMOLECULAR COMPOUNDS
    • C08L83/00—Compositions of macromolecular compounds obtained by reactions forming in the main chain of the macromolecule a linkage containing silicon with or without sulfur, nitrogen, oxygen or carbon only; Compositions of derivatives of such polymers
    • C08L83/04—Polysiloxanes
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B32—LAYERED PRODUCTS
    • B32B—LAYERED PRODUCTS, i.e. PRODUCTS BUILT-UP OF STRATA OF FLAT OR NON-FLAT, e.g. CELLULAR OR HONEYCOMB, FORM
    • B32B2311/00—Metals, their alloys or their compounds
    • B32B2311/12—Copper
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B32—LAYERED PRODUCTS
    • B32B—LAYERED PRODUCTS, i.e. PRODUCTS BUILT-UP OF STRATA OF FLAT OR NON-FLAT, e.g. CELLULAR OR HONEYCOMB, FORM
    • B32B2457/00—Electrical equipment
    • B32B2457/08—PCBs, i.e. printed circuit boards
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C08—ORGANIC MACROMOLECULAR COMPOUNDS; THEIR PREPARATION OR CHEMICAL WORKING-UP; COMPOSITIONS BASED THEREON
    • C08K—Use of inorganic or non-macromolecular organic substances as compounding ingredients
    • C08K2201/00—Specific properties of additives
    • C08K2201/002—Physical properties
    • C08K2201/003—Additives being defined by their diameter
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C25—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
    • C25D—PROCESSES FOR THE ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PRODUCTION OF COATINGS; ELECTROFORMING; APPARATUS THEREFOR
    • C25D9/00—Electrolytic coating other than with metals
    • C25D9/02—Electrolytic coating other than with metals with organic materials

Abstract

본 발명은 탄소나노튜브를 전해조의 전극체로 활용하여 전기적 중성의 코팅막이 형성되도록 함으로써 전기절연성 및 방열성능이 우수한 재료를 제조하였다. 본 발명에 따른 복합재는 그 함량 제어를 통해 전기, 전자기기의 핵심 부품인 PCB 제조에 적용하여 다양한 제품 사양을 만족시킬 수 있고 불필요한 과다의 성능을 제어할 수 있으므로 공정 비용절감의 효과도 크다고 할 수 있다.

Description

전기 저항 특성이 제어된 탄소나노튜브 복합재, 그 제조 방법 및 이를 포함하는 방열 조성물{CNT composite having controlled electrical resistance, a preparing method thereof and a heat radiant composition comprising same}
본 발명은 전기 저항 특성이 제어된 탄소나노튜브 복합재 및 그 제조 방법과, 이러한 탄소나노튜브 복합재를 이용한 절연성 및 방열성이 우수한 방열 조성물에 관한 것이다.
전자 제품, 자동차, 항공, 의료기기 분야의 기술 발전에 따라 전자 기기들은 경박 소형화되고 기하학적 형상은 점점 더 복잡해지고 있다.
전자기기는 사용시 온도가 상승하게 되면 성능과 수명에 직접적인 영향을 받게 되기 때문에 방열 기능이 중요한데, 전자기기 제품의 소형화가 기술의 지표가되면서 방열 기능은 더욱 중요한 문제가 되고 있다.
즉 전자 기기가 소형화됨에 따라 대류 및 내부의 환풍기에 의존하던 방열은 충분하지 않게 되었으며, 전자 기기의 발열이 시작되는 PCB 자체의 방열성이 우선시 되고 있으나 PCB 상에서의 방열은 매우 어려운 실정이다.
PCB 자체의 방열 특성을 향상시키기 위하여 Metal계열 또는 탄소계열의 필러 등을 혼합하여 기판 제작에 사용하는데, 이들 소재는 전기 전도성 소재이기 때문에 PCB 기판 표면에 전류가 흐르게 되어 합선 및 화재가 발생되는 문제점이 있기 때문이다. 따라서 이들을 절연체로 만들기 위하여 제2, 제3의 여러 공정을 거쳐야 하는 단점이 있다.
탄소계열 필러로서 주목받는 것은 특히, 탄소나노튜브(CNT) 이다. CNT는 전기 전도성, 열전도율, 인장강도, 내화학성 등이 우수하기 때문에 다양한 분야에 적용되고 있다. CNT는 열전도율은 >3000 W/m·K 이기 때문에 방열 특성이 우수하다. 하지만, 체적 전기 저항율이 <1.0x10-6 Ω·㎝ 로 매우 낮기 때문에 이를 PCB 기판에 직접 사용하게 되면 기판 표면에 전류가 흘러 합선으로 인한 화재가 발생할 우려가 있다.
이에 본 발명자들은 CNT의 전기 저항 특성을 제어할 수 있는 방법을 연구한 결과 본 발명을 완성하게 되었다.
본 발명은 절연성 및 방열성이 우수한 조성물을 제조하는데 사용될 수 있도록 표면 전기적 저항 특성이 제어된 CNT를 제공하고자 한다.
또한 본 발명은 표면 전기적 저항 특성이 제어된 CNT를 제조할 수 있는 방법을 제공하고자 한다.
또한 본 발명은 표면 전기적 저항 특성이 제어된 CNT를 사용하여 절연성 및 방열성이 우수한 방열 조성물을 제공하고자 한다.
상기 기술적 과제를 해결하기 위하여, 본 발명은 탄소나노튜브 입자 및 결합제를 포함하며, 탄소나노튜브 입자의 내부 및 외부 표면에 전기적 중성을 띠는 코팅막이 존재하는 탄소나노튜브 복합재를 제공한다.
일 구현예에 따르면, 상기 코팅막은 Na, Ca, Al, K, Mg 중에서 선택되는 하나 이상의 물질을 포함할 수 있다.
일 구현예에 따르면, 상기 결합제는 에폭시 수지, 아크릴 수지, 규소 수지 및 우레탄 수지 중에서 선택되는 하나 이상일 수 있다.
일 구현예에 따르면, 상기 탄소나노튜브 복합재의 입경은 1μm ~ 500μm 일 수 있다.
일 구현예에 따르면, 상기 탄소나노튜브 복합재 내 탄소나노튜브 입자와 결합제의 중량비는 50~80:20~50 일 수 있다.
일 구현예에 따르면, 상기 코팅막의 두께는 1μm 이하일 수 있다.
본 발명은 또한 상기 탄소나노튜브 복합재를 제조하는 방법으로서,
탄소나노튜브와 결합제를 혼합하여 전극판을 제조하는 단계;
상기 전극판을 전해조에 양극 및 음극으로 설치하고 전해질을 투입하는 단계;
상기 양극과 음극 사이에 직류 전기를 흘려, 상기 양극에서는 상기 전해질의 음이온이 전자를 잃는 산화반응을 통해 중성 분자를 형성하고, 상기 음극에서는 상기 전해질의 양이온이 전자를 얻는 환원 반응을 통해 중성 분자를 형성하며, 상기 양극 또는 음극에서 형성된 중성 분자가 상기 전극판의 표면과 내부에 침투하여 코팅막을 형성하는 단계; 및
중성 분자 코팅막이 형성된 전극판을 분쇄하여 전술한 탄소나노튜브 복합재를 얻는 단계를 포함하는 탄소나노튜브의 전기적 코팅 방법을 제공한다.
일 구현예에 따르면, 상기 전해질은 Na, Ca, Al, K 및 Mg 중에서 선택되는 하나 이상의 화합물을 포함하는 수용액일 수 있다.
일 구현예에 따르면, 상기 직류 전기는 전압 1~100V, 전류 0.5~10A인 것일 수 있다.
본 발명은 또한, 전술한 탄소나노튜브 복합재와 고분자 수지, 그리고 알루미나 (Al2O3), 실리콘카바이드(SiC) 및 질화붕소(BN) 중에서 선택되는 하나 이상을 포함하는 하나의 방열 조성물을 제공한다.
일 구현예에 따르면, 상기 방열 조성물은 안정제를 더 포함하는 것일 수 있다.
본 발명은 또한, 상기 방열 조성물로 제조된 방열 시트를 하나 이상 적층한 방열 시트 적층체를 포함하는 방열 기판을 제공한다.
일 구현예에 따르면, 방열 기판은 상기 방열 시트 적층체의 적어도 일면에 동박을 적층한 것일 수 있다.
일 구현예에 따르면, 상기 방열 기판은 체적 전기 저항율이 1x1014 Ω·㎝ 이상이고, 두께 방향 열전도율이 2 ~ 5 W/m·K인 것일 수 있다.
본 발명은 또한 상기 방열 기판을 사용하는 PCB 기판을 제공한다.
본 발명은 탄소나노튜브를 전해조 전극으로 사용하는 전기적 코팅 방법으로 탄소나노튜브 복합재를 제조하여 전기저항을 증가시킴으로써 절연성 및 방열성이 우수한 탄소나노튜브 복합재를 제조하였다. 종래의 탄소나노튜브는 낮은 전기 저항으로 인하여 적용 분야에 한계가 있었으나 본 발명에 따른 탄소나노튜브 복합재는 절연성도 우수하기 때문에, 전기, 전자, 통신, 자동차, 의료, 정밀측정 등 절연성과 방열성이 함께 요구되는 모든 분야에 적용이 가능하게 되었다. 특히, 전자기기의 핵심 부품으로 절연 기능과 방열 성능이 모두 요구되는 PCB 기판 제조에 적용하게 되면, 절연성 및 방열성이 모두 우수한 기판을 제공할 수 있다. 또한, 본 발명에 따른 탄소나노튜브 복합재의 함량을 적절히 조절함으로써, 제품 마다 요구되는 다양한 사양을 쉽게 만족시킬 수 있으므로 다각화된 기기 설계가 가능하다.
도 1은 본 발명에 따른 CNT 제조 공정을 개략적으로 도시한다.
도 2는 방열 기판 구조를 개략적으로 도시한다.
도 3은 실시예 2에 따른 방열 기판의 사진이다.
이하에서 본 발명에 따른 탄소나노튜브 복합재, 그 제조방법, 이를 이용한 방열성 조성물에 대해 보다 상세히 설명한다.
본 발명은 탄소나노튜브를 수계 전해액의 전해조 전극으로 사용함으로써 탄소나노튜브 입자에 중성 코팅막이 되도록 하여 전기 저항이 증대된 탄소나노튜브 복합재를 제공한다.
구체적으로 본 발명에 따른 탄소나노튜브 복합재는, 탄소나노튜브 입자 및 결합제를 포함하며, 탄소나노튜브 입자의 내부 및 외부 표면에 전기적 중성을 띠는 코팅막이 존재하는 것을 특징으로 한다.
이러한 탄소나노튜브 복합재는,
탄소나노튜브 입자와 결합제를 혼합하여 전극판을 제조하는 단계;
상기 전극판을 전해조에 양극 및 음극으로 설치하고 전해질을 투입하는 단계;
상기 양극과 음극 사이에 직류 전기를 흘려, 상기 양극에서는 상기 전해질의 음이온이 전자를 잃는 산화반응을 통해 중성 분자를 형성하고, 상기 음극에서는 상기 전해질의 양이온이 전자를 얻는 환원 반응을 통해 중성 분자를 형성하며, 상기 양극 또는 음극에서 형성된 중성 분자가 상기 전극판의 표면과 내부에 침투하여 코팅막을 형성하는 단계; 및
중성 분자 코팅막이 형성된 전극판을 분쇄하여 탄소나노튜브 복합재를 얻는 단계를 포함하는 방법으로 제조될 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 탄소나노튜브 복합재를 제조하기 위해 탄소나노튜브 전극을 사용한 전해조의 구성을 개략적으로 도시한다.
전해조에 사용된 양극 및 음극 전극판은 탄소나노튜브와 결합제를 혼합하여 제조한 것이다.
본 발명에서 원료로 사용하는 탄소나노튜브는 단일벽, 이중벽 또는 다중벽일 수 있으며, 또한 번들형일 수도 있다.
또한 원료로 사용하는 탄소나노튜브는 직경이 5 ~ 50nm 일 수 있으며, 길이는 0.5 ~ 3 μm 일 수 있다. 바람직하게는 직경 10 ~ 30nm, 길이 0.5 ~ 2 μm 일 수 있고, 가장 바람직하게는 직경 10 ~ 20 nm, 길이 1 ~ 2 μm 일 수 있다.
상기 결합제는 탄소나노튜브를 전극판으로 성형하기 위해 사용되는 것일 뿐만 아니라 최종 제품의 방열 특성을 극대화하기 위하여 열 격자진동 즉 포논(Phonon) 기능을 부여하기 위하여 사용한다.
결합제는 에폭시 수지, 아크릴 수지, 규소수지, 우레탄 수지 및 아크릴 수지 중 하나 이상일 수 있으며, 바람직한 실시예에 따르면 에폭시 수지를 포함하는 것일 수 있다.
원료로 사용하는 탄소나노튜브와 결합제의 중량비는 50~80:20~50 일 수 있으며, 바람직하게는 65~75:25~35 일 수 있다. 탄소나노튜브와 결합제의 중량비가 상기 범위를 벗어나 탄소나노튜브의 함량이 너무 적으면 전기적 코팅량이 부족할 수 있고, 그 함량이 너무 많으면 전극판 형태를 제작할 수 없다.
상기 전해질은 Na, Ca, Al, K 및 Mg 중에서 선택되는 하나 이상의 화합물을 포함하는 수계 용액일 수 있으며, 바람직하게는, 칼륨 화합물 또는 나트륨 화합물을 포함하는 수계 전해질일 수 있다. 칼륨 화합물로는 염화칼륨, 요오드화칼륨을, 나트륨 화합물로는 염화나트륨, 요오드화나트륨을 예로 들 수 있다. 전해질은 물 100 중량부 대비 1 ~ 10 중량부, 바람직하게는 1 ~ 5중량부 첨가될 수 있다.
전해조에 인가되는 직류 전기는 전압 1~100V, 전류 0.5~10A일 수 있다. 바람직하게는 전압은 10V 이상, 15 V 이상 또는 20V 이상, 그리고 90V 이하, 80V 이하, 70V 이하, 60V 이하, 50 V 이하, 40 V 이하, 30 V 이하일 수 있다. 전류는 1A 이상, 2A 이상, 3A 이상 또는 4 A 이상, 그리고 9A 이하, 8A 이하, 7A 이하 또는 6 A 이하일 수 있다.
탄소나노튜브 전극판을 양극 및 음극으로 설치한 전해조에 직류 전기를 인가하게 되면, 양극인 탄소나노튜브 전극판에서는 상기 전해질의 음이온이 전자를 잃는 산화반응을 통해 중성 분자를 형성하고, 상기 음극에서는 상기 전해질의 양이온이 전자를 얻는 환원 반응을 통해 중성 분자를 형성하며, 상기 양극 또는 음극에서 형성된 중성 분자가 상기 전극판의 표면과 내부에 침투하여 코팅막을 형성한다. 즉, 중성 분자가 코팅막을 형성하기 때문에 탄소나노튜브 표면의 전기 전도성이 상쇄되는 효과가 있다.
예를 들어 염화나트륨 수용액을 전해질로 사용하는 경우에는 양극에서는 다음과 같은 반응이 일어나며, 별도의 촉매를 사용하지 않기 때문에 물은 전기분해 되지 않는 조건에서 수행된다.
[반응식 1]
2Cl- → Cl2↑＋ 2e-
한편, 음극에서는 다음과 같은 반응이 일어난다.
[반응식 2]
Na+ + e- → Na
또한, 수계 전해질 용액 내에서는 하기 반응식 3과 같은 반응이 발생할 수 있다.
[반응식 3]
Cl2＋ H2O ⇔ HClO＋ H+ + Cl-
양극 표면에서는 염소이온이 전자를 잃으면서 염소 가스(Cl2）가 발생하며, 음극 표면에서는 Na+ 이온이 전자를 받아 Na 이 생성되면서 탄소나노튜브에 코팅된다. 양극에서 생성된 염소 가스는 용액 내에서 계속 물과 반응하여 차아염소산(HClO)이 생성될 수 있다.
한편, 수계 전해질 용액에 사용되는 용매는 탈이온수 일 수도 있지만, 수돗물과 같은 비정제수일 수 있다. 수돗물에는 미량의 Ca2+ 또는 Mg2+ 등의 미네랄 이온이 존재할 수 있는데, 이들 역시 전자를 받아 Ca 및 Mg로 형성되며, 이 생성물들은 고형물로 탄소나노튜브 전극 표면에 침전되어 코팅막을 형성하여 전류의 흐름을 방해한다.
상기 과정을 거쳐 탄소나노튜브 전극판에 형성된 코팅막은 Na, Ca, Al, K, Mg 중에서 선택되는 하나 이상의 물질을 포함할 수 있는데, 이 물질은 전기적 중성을 띠며, 덴드라이트 결정 상태일 수 있다.
본 발명에서는 전해조 내에서 탄소나노튜브 전극에 양이온 물질이 전기적으로 코팅됨으로써 상기 물질들이 탄소나노튜브 전극판의 내부 및 표면에 Na, Ca, Al, K, Mg 등의 무기물이 덴드라이트 성장할 수 있도록 한다.
본 발명에서는 전해질의 음이온 또는 양이온이 상기 전극판의 표면과 내부에 침투하여 결합함으로써 중성을 띠는 분자의 코팅막을 형성하도록 한 후, 중성 분자 코팅막이 형성된 전극판을 분쇄하여 탄소나노튜브 복합재 입자를 얻을 수 있다.
상기 코팅막의 두께는 1μm 이하, 바람직하게는 0.5 ~ 1㎛ 일 수 있다. 코팅막의 두께가 너무 커지면 방열 특성에 문제점이 있을 수 있다.
전극판을 분쇄하여 얻은 탄소나노튜브 복합재의 입경은 1μm ~ 500μm, 바람직하게는 1㎛ ~ 50㎛ 일 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다. 복합재의 용도에 따라 그 입경은 분쇄 강도를 조정함으로써 적절히 조절할 수 있다.
본 발명에 따른 탄소나노튜브 복합재는 탄소나노튜브의 전기저항을 대폭 증대시켰기 때문에 전기 절연성 및 방열성이 필요한 용도에 특히 적합하다.
따라서, 본 발명은 탄소나노튜브 복합재를 포함하는 방열 조성물을 제공한다.
상기 방열 조성물은 본 발명에 따른 탄소나노튜브 복합재와 고분자수지, 그리고 알루미나 (Al2O3), 실리콘카바이드(SiC) 및 질화붕소(BN) 중에서 선택되는 하나 이상을 포함하는 것일 수 있다.
또한 방열 조성물은 안정제를 더 포함하고 있을 수 있으며, 점도 조절을 위한 희석제를 더 포함하고 있을 수 있다.
탄소나노튜브 복합재의 함량은 방열 조성물 중 고형분 중량을 기준으로 1~5 중량% 일 수 있다.
여기서, 고분자 수지는 에폭시 수지, 우레탄 수지, 규소 수지, 아크릴 수지로부터 선택되는 하나 이상일 수 있다. 고분자 수지는 원하는 형상으로 성형하기 위해 사용되는 것일 뿐만 아니라 최종 제품의 방열 특성을 극대화하기 위하여 열 격자진동 즉 포논(Phonon) 기능을 부여하기 위하여 사용한다. 고분자 수지의 함량은 조성물 중 고형분 중량을 기준으로 19~44 중량% 일 수 있다.
알루미나 (Al2O3), 실리콘카바이드(SiC) 및 질화붕소(BN)는 열팽창계수 조절 및 열전도 향상을위하여 사용되며, 이들 성분의 함량은 조성물 중 고형분 중량을 기준으로 55~80 중량% 일 수 있다. 안정제는 열안정화 및 산화방지화역할을 하며, Zn, Ca, Mg, Zr 또는 Amine 계 화합물일 수 있다. 여기서, Zn, Ca 및 Mg는 지방산 염일 수 있고, 지르코니아는 cubic zirconia(CZ) 일 수 있으며, Amine계 화합물은 지방족 아민을 예로 들 수 있다. 상기 지방산염의 지방산은 탄소수 4~22의 지방산 일 수 있으며, 바람직하게는 탄소수 14~20의 포화지방산일 수 있다. 안정제의 함량은 고형분 100 중량부 기준으로 0.01 ~ 1 중량부, 바람직하게는 0,1 ~ 0.5 중량부 일 수 있다.
희석제는 용매 또는 용제라고도 하며, 조성물의 점도를 적절하게 조절해주는 역할을 한다. 자일렌, 톨루렌, 메틸에틸케톤(MEK), 시너 등을 사용할 수 있다.
상기 조성물에 점도 3000~4000 cPs 가 되도록 희석제를 첨가하여 교반할 수 있다. 예를 들어 고형분 100 중량부 기준으로 1 ~ 30중량부, 바람직하게는 5 ~ 20 중량부 사용할 수 있다. 일 구현예에 따르면 상기 방열 조성물은 방열 PCB 제작에 사용될 수 있다.
바람직한 구현예에 따르면, 조성물 중 고형분 100중량%를 기준으로 본 발명에 따른 탄소나노튜브 복합재를 1 ~ 5 중량%, 고분자 수지 20~34 중량%, 알루미나(Al2O3) 65 ~ 75 중량% 포함하는 것일 수 있다.
준비된 방열 조성물을 시트 가공기계의 챔버에 투여하여 카렌다링 건조하여 방열 시트를 제조할 수 있다. 방열 시트는 두께가 60㎛ ~ 100㎛가 되도록 하는 것이 바람직한데 이는 기포 발생을 방지하기 위한 것이다.
또한 반건조 상태(B-Stage 상태)의 시트를 여러 장 적층한 후 압착하여 방열 시트를 제조할 수 있다. 필요한 두께에 따라 적층 시트의 장수는 적절히 선택할 수 있다.
예를 들어, 두께 약 1.5 ~ 2 mm의 방열 시트를 제조하기 위하여 100 ㎛ 두께로 제작된 시트를 15 ~ 20 장 적층한 후 압착할 수 있다.
상기와 같이 제조된 방열 시트는 동박 적층 후 방열 기판, 특히 PCB 기판으로 활용될 수 있다. 동박 적층은 관련 기술 분야에 알려진 방법을 사용할 수 있다.
본 발명에 따른 탄소나노튜브 복합재를 사용하여 제조된 PCB 기판은 체적 전기 저항이 1x1014 Ω·㎝ 이상이어서 전기 절연성이 뛰어나고, 두께 방향 열전도율은 2 ~ 5 W/m·K 으로 방열성 또한 우수하다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하도록 한다. 다만, 이하의 실시예에 의해서 본 발명의 범위를 제한하거나 축소하여 해석해서는 안되며, 본 발명의 범위에서 다양한 변형이 가능하다.
실시예 1 - 탄소나노튜브 복합재 제조
도 1에 도시된 것과 같은 전해조를 준비하기 위하여, 음극 및 양극 전극체를 아래와 같이 제조하였다.
탄소나노튜브 (다중벽 MWCNTs, 직경 5~10nm, 길이 5~30 ㎛) 700g, 에폭시 수지(비스페놀A형) 300g을 혼합하여 상온에서 교반하였다. 결과물을 정해진 규격의 틀에 채운 후 가열 경화시켜 두께 20mm, 너비 40mm, 길이 80mm 의 전극체를 얻었다.
동일한 전극체 2개를, 하나는 음극, 다른 하나는 양극으로 사용하였다.
전해질로는 염화나트륨(NaCl)을 수돗물 100중량부 대비 3 중량부 첨가하여 사용하였다.
전해조에 걸어준 직류 전압은 24V, 전류는 5A 이었으며 1 ~ 5 시간 동안 전기분해를 실시하였다.
전해조를 일정 시간 가동 후 음극 및 양극 전극체로 사용된 전극판에는 Na을 포함하는 덴드라이트 물질이 약 0.5~1㎛ 미크론 두께의 피막을 형성하고 있음을 확인하였다. 피막의 성분을 분석한 결과 Na 이외에도 Ca, Al, K, 및 Mg도 소량씩 존재하는 것을 알 수 있었다. 이들은 수돗물에 포함된 성분들(칼슘 14.9 mg/L. 마그네슘 2.6 mg/L, 칼륨 1.6 mg/L, 알루미늄 < 0.1 mg/L)로부터 유래한 것으로 보인다.
전극판의 체적 저항을 측정한 결과는 아래와 같다 (체적저항 테스터: Hioki 3453, 인가전압 500V).
전기분해시간
(hr)		 0 1 2 3 4 5
저항 (MΩ) 측정불가 0.002 0.7 25 75290 81350
상기 결과로부터, 전해조를 4시간 가동한 결과 7.5x1010 Ω, 전해조를 5 시간 가동한 후에는 8.1x1010 Ω의 높은 전기저항을 얻었음을 알 수 있다. 즉, 4시간과 5시간의 전해조 가동 후 얻은 탄소나노튜브 전극체의 전기저항값은 방열소재로의 활용이 가능한 수치이다.
전해조를 5시간 동안 가동 후 얻어진 전극판을 볼밀로 분쇄하여 1㎛ ~ 50㎛ 입도 사이즈의 탄소나노튜브 복합재를 얻었다.
실시예 2 - 방열 기판 제조
실시예 1에서 제조된 탄소나노튜브 복합재료 1중량%, 에폭시 수지 29 중량% 및 알루미나 70 중량%를 포함하는 조성물 100 중량부와 희석제로서 MEK 10중량부와 안정제로서 칼슘스테아레이트 0.1 중량부 및 아연스테아레이트 0.1 중량부를 첨가한 후 교반하였다. 희석 조성물의 점도는 약 3500cPs 이었다.
상기 조성물을 시트 제조기 상에 투입 후 80℃로 5 min 건조하여 두께 약 100미크론의 반건조 시트를 얻었다. 이러한 시트를 18장 적층한 후 100 ℃ 압력 10kg, 20min, 그리고 200 ℃ 압력 40 kg, 80min 동안 압착하여 두께 약 1.8 mm (오차 < -3%)의 절연 시트를 얻었다. 절연 시트에 구리 호일을 양면에 적층하여 콤마 공정으로 방열 기판을 제조하였으며, 그 구조는 도 2에 도시된 바와 같다. 도 3은 제조된 방열 기판의 평면 사진이다.
시험예 1- 전기저항 특성
실시예 2에서 제조한 방열 기판에 대한 표면 저항 및 체적 저항을 측정하였다. 시험 조건은 아래와 같다.
Figure 112021052461522-pat00001
시험 결과는 아래 표 2에 나타내었다.
Figure 112021052461522-pat00002
SD: Standard deviation
CV; Coefficient of variation =(SD/average)x100
상기 결과로부터 본 발명에 따른 방열기판은 전기저항이 매우 높아 전기 절연성이 우수함을 알 수 있다.
시험예 2 - 방열 성능
실시예 2에서 제조한 방열 기판에 대해 방열성능을 테스트한 결과를 표 3에 나타내었다.
Test Condition Unit Value Test Method
Coefficient of Temperature Expansion (CTE x-y : ) (50~260℃) ppm 9 ~ 42 TMA
Coefficient of Temperature Expansion (CTE z : ) (50~260℃) ppm 29 ~ 128 TMA
Glass Transition Temperature ( Tg ) ℃ > 170 TMA
Tensile Strength MPa > 83 ASTM D412
Tensile Modulus MPa > 6,800 ASTM D412
Elongation % < 7 ASTM D412
Dielectric Constant (Dk, 1 GHz) 1GHz 4.3(5.8) ASTM D150
Dielectric Loss Constant (Df) 1GHz <0.018(<0.037) ASTM D150
Moisture Absorption (100℃, 1hr) 0.8t % < 0.25 ASTM D570
Volume Resistance Ω-cm > 1014 ASTM D257
Peel Strength, 288℃, 10sec Kg/cm 2.43 ASTM D903
Dielectric Breakdown Voltage (23℃, RH 50%, AC3000V/s) KV > 42 ASTM D149
Dielectric Breakdown Strength(23℃, RH 50%, AC3000V/s) KV/mm > 24 ASTM D149
Continuous Use Temperature ℃ - 50 ~ + 210 HK Method
Heat Release in Vertical W/mK 2.9 ~ 3.1 ASTM D5470
Flammability - V-0 UL94
Bending Ability (Diameter for 180° Bending) mm R 8 HK Method
상기 방열 테스트 결과에 따르면, 본 발명에 따른 방법으로 제조된 탄소나노튜브 복합재를 사용하여 제조된 방열기판은 두께 방향 열전도율(Heat Release in Vertical) 이 2.9 ~ 3.1 W/m·K 로서 매우 크다. 종래의 방열 기판이 0.5 ~ 2.0 W/m·K 에 불과한 것과 비교해 보면 그 우수성이 명확해진다.
또한 본 발명에 따른 방열 기판은 50~260℃ 열팽창계수가 9~42 ppm(CTEx-y) 29~128 ppm (CTEz)에 불과하고, 288℃ 박리강도가 2.43 kg/cm 으로 높고, 절연파괴전압이 42kV 이상으로 물리적 특성 또한 우수함을 알 수 있다.
이상 살펴본 바와 같이, 본 발명은 탄소나노튜브를 전기분해 전극체로 활용하여 전기적 중성의 코팅막이 형성되도록 함으로써 전기절연성 및 방열성능이 우수한 재료를 제조하였다. 본 발명에 따른 복합재는 그 함량 제어를 통해 전기, 전자기기의 핵심 부품인 PCB 제조에 적용하여 다양한 제품 사양을 만족시킬 수 있고 불필요한 과다의 성능을 제어할 수 있으므로 공정 비용절감의 효과도 크다고 할 수 있다.

Claims (15)

  1. 탄소나노튜브 입자 및 결합제를 포함하며, 탄소나노튜브 입자의 내부 및 외부 표면에 전기적 중성을 띠는 코팅막이 존재하고, 상기 코팅막은 Na, Ca, Al, K 또는 Mg의 양이온이 전기적으로 코팅되어 성장된 덴드라이트 결정을 포함하는 것인 탄소나노튜브 복합재.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서, 상기 결합제는 에폭시 수지, 아크릴 수지, 규소 수지 및 우레탄 수지 중에서 선택되는 하나 이상인 탄소나노튜브 복합재.
  4. 제1항에 있어서, 상기 탄소나노튜브 복합재의 입경은 1μm ~ 500μm인 탄소나노튜브 복합재.
  5. 제1항에 있어서, 상기 탄소나노튜브 복합재 내 탄소나노튜브 입자와 결합제의 중량비는 50~80:20~50인 탄소나노튜브 복합재.
  6. 제1항에 있어서, 상기 코팅막의 두께는 1μm 이하인 탄소나노튜브 복합재.
  7. 탄소나노튜브와 결합제를 혼합하여 전극판을 제조하는 단계;
    상기 전극판을 전해조에 양극 및 음극으로 설치하고, Na, Ca, Al, K 및 Mg 중에서 선택되는 하나 이상의 양이온을 포함하는 전해질을 투입하는 단계;
    상기 양극과 음극 사이에 직류 전기를 흘려, 상기 양극에서는 상기 전해질의 음이온이 전자를 잃는 산화반응을 통해 중성 분자를 형성하고, 상기 음극에서는 상기 전해질의 양이온이 전자를 얻는 환원 반응 및 덴드라이트 결정 성장을 통해 중성 분자를 형성하며, 상기 양극 또는 음극에서 형성된 중성 분자가 상기 전극판의 표면과 내부에 침투하여 코팅막을 형성하는 단계; 및
    중성 분자 코팅막이 형성된 전극판을 분쇄하여 제1항, 제3항 내지 제6항 중 어느 한 항의 탄소나노튜브 복합재를 얻는 단계를 포함하는 전기적 코팅 방법에 의한 탄소나노튜브 복합재 제조방법.
  8. 삭제
  9. 제7항에 있어서, 상기 직류 전기는 전압 1~100V, 전류 0.5~10A인 것인 탄소나노튜브 복합재 제조방법.
  10. 제1항, 제3항 내지 제6항 중 어느 한 항의 탄소나노튜브 복합재와 고분자 수지, 그리고 알루미나, 실리콘카바이드 및 질화붕소 중에서 선택되는 하나 이상을 포함하는 방열 조성물.
  11. 제10항에 있어서, 안정제를 더 포함하는 방열 조성물.
  12. 제10항의 방열 조성물로 제조된 방열 시트를 하나 이상 적층한 방열 시트 적층체를 포함하는 방열 기판.
  13. 제12항에 있어서, 상기 방열 시트 적층체의 적어도 일면에 동박을 적층하여 제조된 방열 기판.
  14. 제12항에 있어서, 상기 방열 기판은 체적 전기 저항율이 1x1014 Ω·㎝ 이상이고, 두께 방향 열전도율이 2 ~ 5 W/m·K인 방열 기판.
  15. 제12항의 방열 기판을 사용하는 PCB 기판.
KR1020210058492A 2021-05-06 2021-05-06 전기 저항 특성이 제어된 탄소나노튜브 복합재, 그 제조 방법 및 이를 포함하는 방열 조성물 KR102491885B1 (ko)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020210058492A KR102491885B1 (ko) 2021-05-06 2021-05-06 전기 저항 특성이 제어된 탄소나노튜브 복합재, 그 제조 방법 및 이를 포함하는 방열 조성물

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020210058492A KR102491885B1 (ko) 2021-05-06 2021-05-06 전기 저항 특성이 제어된 탄소나노튜브 복합재, 그 제조 방법 및 이를 포함하는 방열 조성물

Publications (2)

Publication Number Publication Date
KR20220152417A KR20220152417A (ko) 2022-11-16
KR102491885B1 true KR102491885B1 (ko) 2023-01-26

Family

ID=84235951

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020210058492A KR102491885B1 (ko) 2021-05-06 2021-05-06 전기 저항 특성이 제어된 탄소나노튜브 복합재, 그 제조 방법 및 이를 포함하는 방열 조성물

Country Status (1)

Country Link
KR (1) KR102491885B1 (ko)

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR100785638B1 (ko) 2006-01-10 2007-12-12 성균관대학교산학협력단 Ｃｕ 환원 반응을 이용한 저 저항 ＳＷＮＴ 버키페이퍼 및 이의 제조방법과 복합재료
JP2008195766A (ja) * 2007-02-09 2008-08-28 Denso Corp 樹脂複合材料
KR101566336B1 (ko) 2014-01-24 2015-11-06 인하대학교 산학협력단 열전도도가 향상된 에폭시 복합재
KR102076194B1 (ko) * 2017-05-18 2020-02-11 주식회사 아모그린텍 방열복합재 및 이의 제조방법

Family Cites Families (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR100593907B1 (ko) * 2004-05-21 2006-06-30 삼성전기주식회사 전계방출 에미터전극 제조방법 및 이를 이용하여 제조된전계방출장치
KR101148784B1 (ko) * 2010-07-20 2012-05-24 (주)비에이치세미콘 방열시트용 조성물 및 그 제조방법
KR101526246B1 (ko) * 2013-06-21 2015-06-09 서울대학교산학협력단 수처리용 복합전극 및 이의 제조방법, 이를 포함하는 수 처리장치

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR100785638B1 (ko) 2006-01-10 2007-12-12 성균관대학교산학협력단 Ｃｕ 환원 반응을 이용한 저 저항 ＳＷＮＴ 버키페이퍼 및 이의 제조방법과 복합재료
JP2008195766A (ja) * 2007-02-09 2008-08-28 Denso Corp 樹脂複合材料
KR101566336B1 (ko) 2014-01-24 2015-11-06 인하대학교 산학협력단 열전도도가 향상된 에폭시 복합재
KR102076194B1 (ko) * 2017-05-18 2020-02-11 주식회사 아모그린텍 방열복합재 및 이의 제조방법

Also Published As

Publication number Publication date
KR20220152417A (ko) 2022-11-16

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Kim et al. Enhanced dielectric properties of three phase dielectric MWCNTs/BaTiO3/PVDF nanocomposites for energy storage using fused deposition modeling 3D printing
Fang et al. Hydrangea-like zinc oxide superstructures for ferroelectric polymer composites with high thermal conductivity and high dielectric constant
US20180230290A1 (en) Thermally conductive polymer composition
US11661378B2 (en) Boron nitride agglomerate, thermosetting resin composition containing same, and use thereof
JP5513840B2 (ja) 絶縁シート、回路基板及び絶縁シートの製造方法
JP6262522B2 (ja) 樹脂含浸窒化ホウ素焼結体およびその用途
EP3761355B1 (en) Insulating heat dissipation sheet
JP4735492B2 (ja) 加熱加圧成形用プリプレグおよび積層板
JP6481494B2 (ja) 無機フィラー含有エポキシ樹脂硬化物およびこれを用いた積層板
JP5447355B2 (ja) 熱硬化性樹脂組成物の製造法、プリプレグおよび積層板の製造法
KR101148784B1 (ko) 방열시트용 조성물 및 그 제조방법
JP7055279B2 (ja) 表面粗化六方晶窒化ホウ素粒子及びその製造方法、並びに、組成物、樹脂シート、プリプレグ、金属箔張積層板、プリント配線板
JP2012076958A (ja) グラフェン複合材料及びグラフェン複合シートの製造方法
CN112479595B (zh) 中空玻璃微球及其制备方法和应用
JP2012116715A5 (ko)
Kim et al. Bridge effect of carbon nanotubes on the electrical properties of expanded graphite/poly (ethylene terephthalate) nanocomposites
JP2014009140A (ja) 球状アルミナフィラー及びそれを含む高熱伝導絶縁材料用樹脂組成物、プリプレグ、積層板
KR20200106983A (ko) 절연 시트, 적층체, 및 기판
KR101333260B1 (ko) 고열 전도성 절연 재료용 수지 조성물 및 절연 필름
Kumar et al. Study on epoxy resin based thermal adhesive composite incorporated with expanded graphite/silver flake hybrids
CN110461937A (zh) 树脂组合物、树脂片、树脂固化物、树脂基板以及层叠基板
KR102491885B1 (ko) 전기 저항 특성이 제어된 탄소나노튜브 복합재, 그 제조 방법 및 이를 포함하는 방열 조성물
KR20160103543A (ko) 분산안정성과 방열특성이 우수한 그라펜 첨가 액정 에폭시계 접착제 및 그 사용방법
KR102293582B1 (ko) 방열 시트 제조방법
KR101484304B1 (ko) 산화알루미늄이 코팅된 그라펜, 이의 제조방법과 이를 포함하는 나노복합재료

Legal Events

Date Code Title Description
E902 Notification of reason for refusal
E701 Decision to grant or registration of patent right
GRNT Written decision to grant