KR20010015658A - 플라스틱-세라믹 복합재 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 플라스틱으로 이루어진 매트릭스에 세라믹 입자를 분산시켜 만든 플라스틱-세라믹 복합재에 관한 것이다. 세라믹이 유전성, 압전성, 자성, 도전성 및 열전도성으로 이루어지는 군 중에서 선택한 하나의 기능을 갖거나, 또는 2 이상의 기능에 대응한 2 이상의 다른 세라믹을 사용한다. 세라믹 입자의 함유량이 50 체적% 이상, 99 체적% 이하이다. 또한, 플라스틱을 유전성, 압전성 및 자성으로 이루어지는 군 중에서 선택한 1 또는 2 이상의 기능을 갖는 것으로 하고, 세라믹을 유전성, 압전성, 자성, 도전성 및 열전도성으로 이루어지는 군 중에서 선택한 1 또는 2 이상의 기능을 갖는 것으로 하며, 세라믹 입자의 함유량을 30 체적% 이상, 99 체적% 이하로 한다. 사출 성형에 의해 용이하고 또한 저렴하게 제조할 수 있고, 생산성의 향상을 도모할 수 있으며, 기계 가공에서는 제조할 수 없은 복잡한 형상의 성형도 용이하게 행할 수 있다. 세라믹의 특성을 갖거나 또는 2 종 이상의 다른 기능을 더불어 가지고 있어서 그 특성값를 자유 자재로 제어할 수 있다.
Description
유전성, 압전성, 자성 등의 기능을 갖는 기능성 세라믹 및 플라스틱은 각종전기·전자 부품 등으로서 광범위한 분야에 사용되고 있다. 예컨대, 유전성을 갖는 세라믹으로서, 저유전율을 갖는 것으로는 실리카 글라스, 알루미나, 질화알루미늄 등이, 고유전율을 갖는 것으로는 티타니아, 티타늄산바륨 등이 알려져 있어서, IC 패키지, 콘덴서, LC 필터 등에 사용되고 있다. 또한, 압전성을 갖는 세라믹으로서는 티탄산지르콘산연 등이 있어서, 각종 작동기(actuator), 진동 자이로스코프, 센서, 공진기(resonator) 등에 사용되고 있다.
그러나, 세라믹은, 원하는 형상으로 성형하기 위해서는 소성 공정이 필요한데다가 더구나 또한 소성 후에는 기계 가공을 하는 것이 일반적이므로 성형 비용이 비싸게 되는 동시에, 플라스틱에 비하여 성형 공정이 번잡하고, 또한 복잡한 형상의 성형품을 얻는 것이 곤란하므로 성형의 자유도가 부족하다고 하는 결점을 갖고 있다. 또한, 세라믹이 갖는 유전성 등의 기능을 용도에 따라 자유 자재로 제어하는 것이 곤란하다는 문제도 있다.
한편, 플라스틱은 성형성이 우수하여 복잡한 형상이라도 아주 정밀하고 저렴하게 제조할 수 있다는 특징이 있다.
또한, 상기와 같은 기능성 부재에 관해서는, 다른 기능을 갖는 2 종 이상의 재료를 병용함으로써, 하나의 부재에 각각의 재료로부터 유래하는 복수의 기능을 부여할 수 있으면 편리하다. 예컨대, 압전성을 갖는 세라믹과 고열전도성을 갖는 세라믹을 병용함으로써 고속 작동기 등에 있어서, 압전쌍의 진동에 따라 발생하는 열을 방열시킬 수 있다.
그러나, 단순히 다른 기능을 갖는 2 종 이상의 세라믹 입자 등의 재료를 혼합하는 것만으로는, 소성 중에 양 세라믹이 반응하기 때문에, 단일의 부재에 각각의 세라믹으로부터 유래하는 복수의 기능을 부여하는 것은 곤란하다. 또한, 일반적으로 세라믹은, 그것이 갖는 유전성 등의 기능을 용도에 따라 자유 자재로 제어하는 것이 곤란하다.
본 발명은 이러한 상황을 감안하여 이루어진 것으로, 그 목적이라고 하는 것은, 유전성, 압전성, 자성 등에 있어서 기능성 세라믹에 가까운 기능을 가지면서도, 용이하고 또한 저렴하게 자유로운 형상으로 성형할 수 있는 복합재를 제공하는 것에 있다.
본 발명의 또다른 목적은, 2 종 이상의 다른 기능을 더불어 갖는 동시에, 각 특성을 자유 자재로 제어할 수 있는 복합재를 제공하는 것에 있다.
본 발명은 유전성, 압전성, 자성 등의 기능을 가지며, 각종 전기·전자 부품 등으로서 사용되는 플라스틱과 세라믹과의 복합재에 관한 것이다.
도 1은 제2 발명의 플라스틱-세라믹 복합체의 예를 나타내는 모식 단면도이다.
도 2는 제2 발명의 플라스틱-세라믹 복합체의 다른 예를 나타내는 모식 단면도이다.
도 3은 제2 발명의 플라스틱-세라믹 복합체의 또다른 예를 나타내는 모식 단면도이다.
발명의 개요
즉, 본 발명에 따르면, 플라스틱으로 이루어진 매트릭스에 세라믹 입자를 분산시켜 만든 플라스틱-세라믹 복합재로서, 그 세라믹이 유전성, 압전성, 자성, 도전성 및 열전도성으로 이루어지는 군 중에서 선택한 하나의 기능을 가지며, 그 세라믹 입자의 함유량이 50 체적% 이상, 99 체적% 이하인 플라스틱-세라믹 복합재(제1 발명)가 제공된다.
제1 발명의 플라스틱-세라믹 복합재에 있어서, 상기 세라믹 입자는 다른 특성값을 갖는 동일 기능의 2 이상의 세라믹으로 이루어지는 것이여도 좋다.
또한, 본 발명에 따르면, 플라스틱으로 이루어진 매트릭스에 세라믹 입자를 분산시켜 만든 플라스틱-세라믹 복합재로서, 그 세라믹으로서 유전성, 압전성, 자성, 도전성 및 열전도성으로 이루어지는 군 중에서 선택한 2 이상의 기능에 대응한 2 이상의 다른 세라믹이 사용되며, 그 세라믹 입자의 함유량이 50 체적% 이상, 99 체적% 이하인 플라스틱-세라믹 복합재(제2 발명)가 제공된다.
제2 발명의 플라스틱-세라믹 복합재는, 적층 구조를 가지며, 그 적층 구조를 구성하는 각 층에 포함되는 세라믹이 다른 층에 포함되는 세라믹과 다른 기능을 갖고 있어도 좋고, 또한 그 적층 구조를 구성하는 각 층이 상기 2 이상의 기능에 대응한 2 이상의 다른 세라믹을 그 밖의 층과는 다른 배합비로 포함하고 있어도 좋다. 또한, 제2 발명의 플라스틱-세라믹 복합재는, 단일층으로 이루어지며, 그 단일층에 상기 2 이상의 기능에 대응한 2 이상의 다른 세라믹을 포함하는 것이여도 좋다.
또한, 본 발명에 따르면, 플라스틱으로 이루어진 매트릭스에 세라믹 입자를 분산시켜 만든 플라스틱-세라믹 복합재로서, 그 플라스틱이 유전성, 압전성 및 자성으로 이루어지는 군 중에서 선택한 1 또는 2 이상의 기능을 가지며, 그 세라믹이 유전성, 압전성, 자성, 도전성 및 열전도성으로 이루어지는 군 중에서 선택한 1 또는 2 이상의 기능을 가지고, 그 세라믹 입자의 함유량이 30% 이상, 99 체적 % 이하인 플라스틱-세라믹 복합재(제3 발명)가 제공된다.
제1 발명 내지 제3 발명의 어느 쪽 플라스틱-세라믹 복합재에 있어서도, 세라믹 입자의 입자 형상의 종횡비는 2.0 이하인 것이 바람직하다. 또한, 본 발명의 플라스틱-세라믹 복합재에 있어서, 세라믹 입자는 플라스틱으로 이루어진 매트릭스에 실란 커플링에 의해 결합되어 있는 것이 바람직하다.
또한, 본 발명에 따르면, 상기 어느 하나의 복합재가 사출 성형으로서 원하는 형상으로 성형된 성형품이 제공된다. 또한, 본 발명에 따르면, 상기 어느 하나의 복합재가 시이트 형상으로 성형된 성형품이 제공된다.
본 발명을 실시하기 위한 가장 바람직한 실시형태
이하, 본 발명에 관해서 상세히 설명한다.
본 발명은, 전술한 바와 같이, 제1 발명∼제3 발명을 포함하는 것으로, 순차적으로 제1 발명부터 설명한다.
제1 발명의 플라스틱-세라믹 복합재는, 플라스틱으로 이루어지는 매트릭스에 세라믹 입자를 분산시켜 만든 것이지만, 세라믹으로서 유전성, 압전성, 자성, 도전성 및 열전도성으로 이루어지는 군 중에서 선택한 하나의 기능을 갖는 것이 사용되며, 또한 세라믹 입자의 함유량은 50 체적% 이상, 99 체적% 이하가 된다.
제1 발명의 플라스틱-세라믹 복합재는, 플라스틱에 세라믹 입자를 분산시켜 만든 것이기 때문에, 사출 성형 등에 의해 용이하고 또한 저렴하게 제조할 수 있다. 즉, 세라믹과 같이, 소성 및 소성 후의 기계 가공이라는 공정을 행하지 않아도 좋기 때문에 생산성의 향상을 도모할 수 있다. 또한, 기계 가공에서는 제조할 수 없을 것 같은 복잡한 형상의 성형도 용이하게 행할 수 있다.
또한, 세라믹 입자의 함유량을 50 체적% 이상으로 함으로써, 복합재에 세라믹의 기능을 효과적으로 부여할 수 있다. 또한, 세라믹 입자의 함유량은 70 체적% 이상인 것이 보다 바람직하고, 80 체적% 이상인 것이 훨씬 더 바람직하다. 한편, 세라믹 입자의 함유량을 99체적% 이하로 한 것은, 99 체적%를 초과하면 플라스틱의 함유량이 감소하는 까닭에 성형시의 유동성을 잃어 버려 성형할 수 없게 되기 때문이다.
또한, 제1 발명의 복합재는, 유전성, 압전성, 자성 등의 기능에 있어서 세라믹 입자의 함유량을 변화시키거나 또는 특성값이 다르지만 동종의 기능을 갖는 2 종 이상의 세라믹 입자의 배합비를 변화시키므로써, 복합재의 특성값을 용도에 따라 제어하는 것이 가능하다. 특히, 유전성에 있어서는, 다른 유전율을 갖는 세라믹 입자를 혼합하는 것으로 가성성(加成性)이 성립되어, 중간의 유전율을 배합비 대로 얻을 수 있다. 유전율의 온도 계수에 대해서도 마찬가지로 제어가 가능하다. 또한, 여기서 유전성에는 절연성도 포함되는 것으로 한다.
또한, 압전성에 있어서는, 다른 압전 정수를 갖는 세라믹 입자의 혼합에 의해 압전성을 제어할 수 있을 뿐만 아니라, 주파수의 온도 계수를 제어하는 것도 가능하다. 이로써, 예컨대 온도 계수가 거의 0인 진동 자이로스코프, 센서, 공진기 등을 얻을 수 있다.
제1 발명의 플라스틱-세라믹 복합재에 사용되는 플라스틱은, 열경화성 수지 및 열가소성 수지의 어느 쪽이라도 좋지만, 사출 성형에 의한 성형이 용이한 점을 고려하면 열가소성 수지를 사용하는 것이 바람직하다.
구체적으로 열가소성 수지로는, 예컨대 경질 염화비닐, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리(에틸렌 테레프탈레이트), 폴리아크릴레이트, 폴리스티렌, ABS 수지, 폴리아세탈, 나일론 6, 나일론 66, 폴리(에틸렌 테트라플루오라이드), 폴리카르보네이트, 폴리(비닐리덴 플루오라이드), 폴리에테르이미드, 강화 폴리(에틸렌 테레프탈레이트), 폴리(페닐렌 설파이드), 폴리아미드이미드, 폴리(에테르 에테르 케톤), 폴리이미드, 각종 액정 플라스틱 등을 사용할 수 있고, 이들의 수지를 2 종 이상 조합하여 사용하여도 좋다. 또한, 상기 열가소성 수지 중, 제1 발명의 플라스틱-세라믹 복합재에 있어서 바람직한 것으로는 폴리아크릴레이트, 폴리스티렌, ABS 수지, 폴리아세탈, 나일론 6, 나일론 66, 폴리(에틸렌 테트라플루오라이드), 폴리카르보네이트, 폴리(비닐리덴 플루오라이드), 폴리에테르이미드, 강화 폴리(에틸렌 테레프탈레이트), 폴리(페닐렌 설파이드), 폴리아미드이미드, 폴리(에테르 에테르 케톤), 폴리이미드 등으로 내열성이 높은 온도, 즉 열변형 온도(HDT, 4.6 kg/cm2일 때)가 100℃ 이상이 되는 것이 있고, 보다 바람직한 것으로는 나일론 6, 나일론 66, 폴리(비닐리덴 플루오라이드), 폴리에테르이미드, 강화 폴리(에틸렌 테레프탈레이트), 폴리(페닐렌 설파이드), 폴리아미드이미드, 폴리(에테르 에테르 케톤), 폴리이미드 등으로 열변형 온도(HDT)가 150℃ 이상이 되는 것이 있다.
한편, 열경화성 수지로는, 페놀 수지, 에폭시 수지, 불포화 폴리에스테르, 요소 수지, 멜라민 수지, 우레탄 수지, 규소 수지 등을 사용할 수 있으며, 또한 이들의 수지를 2 종 이상 조합하여 사용하여도 좋다.
제1 발명의 플라스틱-세라믹 복합재에 사용되는 세라믹으로서, 유전성을 갖는 것으로는 산화티탄, 티탄산마그네슘, 티탄산칼슘, 티탄산스트론튬, 티탄산바륨, 티탄산연, 지르콘산연, 니오브산염, 탄탈산염, 갈륨산염, 알루미나, 멀라이트(mullite), 스테아타이트(steatite), 석영 유리 등을 사용할 수 있다.
압전성을 갖는 것으로는 티탄산바륨, PbZrO3-PbTiO3고용체(PZT), PbZrO3-PbTiO3-Pb(Mg1/3Nb2/3) O3고용체(PZT-PMN) 등을 사용할 수 있다.
자성을 갖는 것으로는 Mn-Zn 페라이트, Ni-Zn 페라이트 등과 같이 각종의 페라이트 등을 사용할 수 있다.
도전성을 갖는 것으로는 ZrB2, TiB2등의 붕화물, C, TiC, SiC 등의 탄화물, TiN 등의 질화물, SnO2, TiO2, CrO2, RuO2, ReO2, WO2, SrFeO3, SrTiO3, In2O3등의 산화물 등을 사용할 수 있다.
열전도성을 갖는 것으로는 고열전도 세라믹으로서 베릴리아, 알루미나, 다이아몬드, 탄화규소, 질화규소, 질화알루미늄 등을 사용할 수 있다.
제1 발명의 플라스틱-세라믹 복합재에 있어서, 세라믹 입자의 입자 형상의 종횡비는 2.0 이하인 것이 바람직하다.
세라믹 입자의 입자 형상의 종횡비를 상기 범위 내로 함으로써, 플라스틱으로 이루어진 매트릭스에 세라믹 입자를 최고 밀도 충전을 초과하여 분산시킬 수 있어서, 복합재의 열팽창 계수를 더욱 작게 할 수 있기 때문이다. 즉, 세라믹 입자의 입자형상의 종횡비가 2.0을 초과하는 경우에는 세라믹 입자의 함유량을 증가시키는 것이 곤란하게 된다.
세라믹 입자의 평균 입자 직경은 0. 1∼50 ㎛인 것이 바람직하다. 이것은, 세라믹 입자의 평균 입자 직경이 0. 1 ㎛ 미만의 경우 또는 50 ㎛를 넘는 경우에는 성형시의 유동성이 손상되어 생산성의 향상을 도모할 수 없기 때문이다.
다음은 제2 발명에 관해서 설명한다. 또한, 제2 발명의 구성이 상기 제1 발명과 중복하는 부분에 대해서는 그 설명을 생략한다.
제2 발명의 플라스틱-세라믹 복합재는, 플라스틱으로 이루어진 매트릭스에 세라믹 입자를 분산시켜 만든 것이지만, 세라믹으로서 유전성, 압전성, 자성, 도전성 및 열전도성으로 이루어지는 군 중에서 선택한 2 이상의 기능에 대응한 2 이상의 다른 세라믹이 사용되며, 또한 세라믹 입자의 함유량은 50 체적% 이상, 99 체적% 이하가 된다.
제2 발명의 플라스틱-세라믹 복합재는, 2 종 이상의 다른 세라믹으로부터 유래하는 기능을 더불어 갖고 있기 때문에, 종래 각각의 특성을 갖는 복수의 부재를 사용하지 않으면 안되었던 상황 등에 있어서, 이들 복수의 부재를 제2 발명의 복합재에 의한 단일 부재로 대체할 수 있어, 생산성의 향상, 비용의 절감, 부재 수의 감소 등에 기여할 수 있는 것 이외에도 완전히 새로운 용도로 응용할 수 있다. 예컨대, 압전성을 갖는 세라믹과 고열전도성을 갖는 세라믹을 사용하면, 고속 고변위 작동기 등에 있어서, 압전체의 진동에 따라 발생하는 열을 방산시켜 온도에 의한 특성 변화를 작게 할 수 있다.
제2 발명의 플라스틱-세라믹 복합재는, 플라스틱에 세라믹 입자를 분산시켜 만든 것이기 때문에, 사출 성형 등에 의해 용이하고 또한 저렴하게 제조할 수 있다. 따라서, 다른 기능을 갖는 2 종 이상의 세라믹 입자를 사용하여도, 소성 중에 양 세라믹이 반응하여 각 세라믹의 기능을 잃어 버리는 일이 없이, 복합재에 2 종 이상의 다른 세라믹으로부터 유래하는 기능을 부여할 수 있다.
제2 발명의 복합재는, 유전성, 압전성, 자성 등의 기능에 있어서, 세라믹 입자의 함유량을 변화시키거나 또는 각 세라믹 입자의 배합비를 변화시킴으로써, 각 세라믹으로부터 유래하는 복합재의 특성값을 용도에 따라 개별로 제어하는 것이 가능하다.
또한, 제2 발명의 복합재는 동종의 기능을 갖는 2 종 이상의 세라믹을 포함하고 있어도 좋으나, 이러한 경우에 있어서 양 세라믹에 특성값이 다르면, 그 배합비를 변화시키는 것에 의해서도, 복합재의 특성값을 제어하는 것이 가능하다.
제2 발명의 복합재에 사용되는 플라스틱도, 제1 발명의 복합재와 같이, 열경화성 수지 및 열가소성 수지의 어느 쪽이라도 좋지만, 열가소성 수지를 사용하는 것이 바람직하다.
또한, 제2 발명의 복합재에 있어서, 세라믹 입자의 종횡비, 평균 입자 직경은 제1 발명과 동일하다.
제2 발명의 플라스틱-세라믹 복합재는, 도 1에 나타낸 바와 같이, 단층 구조를 가지며 그 단일의 층(10)에 2 이상의 다른 세라믹 입자(1 및 2)를 포함하고 있어도 좋지만, 도 2에 나타낸 바와 같이, 적층 구조를 가지며 그 각 층(10, 11) 마다 다른 기능을 갖는 세라믹 입자(1 및 2)를 분산시킨 것이라도 좋다. 또한, 도 3에 나타낸 바와 같이, 적층 구조의 각 층(10, 11)의 각각에 다른 기능을 갖는 세라믹 입자(1 및 2)를 다른 배합비로 분산시킨 것이여도 좋다.
다음은 제3 발명에 대해서 설명한다. 또한, 제3 발명의 구성이 상기 제1 발명 및 제2 발명과 중복하는 부분에 대해서는 그 설명을 생략한다.
제3 발명의 플라스틱-세라믹 복합재는, 플라스틱으로 이루어진 매트릭스에 세라믹 입자를 분산시켜 만든 것이지만, 플라스틱으로서 유전성, 압전성 및 자성으로 이루어지는 군 중에서 선택한 1 또는 2 이상의 기능을 갖는 것이 사용되며, 한편, 세라믹으로는 유전성, 압전성, 자성, 도전성 및 열전도성으로 이루어지는 군 중에서 선택한 1 또는 2 이상의 기능을 갖는 것이 사용된다. 또한, 세라믹 입자의 함유량은 30 체적% 이상, 99 체적% 이하가 된다.
제3 발명의 플라스틱-세라믹 복합재는, 세라믹 및 플라스틱의 각각으로부터 유래하는 기능을 더불어 갖고 있기 때문에, 종래 각각의 특성을 갖는 복수의 부재를 사용하지 않으면 안되었던 상황 등에 있어서, 이들 복수의 부재를 제3 발명의 복합재에 의한 단일의 부재로 대체할 수 있어, 생산성의 향상, 비용의 절감, 부재 수의 감소 등에 기여할 수 있는 것 이외에도 완전히 새로운 용도로 응용할 수 있다. 예컨대, 압전성을 갖는 플라스틱과 고열전도성을 갖는 세라믹을 사용하면, 고속 고변위 작동기 등에 있어서, 압전체의 진동에 따라 발생하는 열을 방산시켜 온도에 따른 특성 변화를 작게 할 수 있다.
제3 발명의 플라스틱-세라믹 복합재는, 플라스틱에 세라믹 입자를 분산시켜 만든 것이기 때문에, 사출 성형 등에 의해 용이하고 또한 저렴하게 제조할 수 있다. 따라서, 다른 기능을 갖는 2 종 이상의 세라믹 입자를 단순히 혼합한 경우와 같이, 소성 중에 양 세라믹이 반응하여 각 세라믹의 기능을 잃어 버리는 일이 없이, 복합재에 플라스틱 및 세라믹 쌍방의 기능을 부여할 수 있다. 또한, 이것은 제3 발명의 복합재에 있어서, 세라믹 입자로서 다른 기능을 갖는 2 종 이상의 세라믹을 사용한 경우에는 소성 중에 각 세라믹의 기능을 잃어 버리는 일이 없이, 복합재에 플라스틱의 기능에 이외에도 2 종 이상의 다른 세라믹으로부터 유래하는 기능도 부여할 수 있다는 것을 의미한다. 또한, 이것은 특성값이 다른 동일 기능을 갖는 2 종 이상의 세라믹을 사용한 경우에도, 그 배합비를 변화시키므로써 세라믹으로부터 유래하는 복합재의 특성값을 제어할 수 있다는 것을 의미한다.
제3 발명의 복합재에 있어서는, 플라스틱과 세라믹의 배합비를 변화시키므로써, 각각 유래하는 기능의 특성값을 개별로 제어할 수 있다. 또한, 특성값이 다른 동일 기능을 갖는 세라믹과 플라스틱을 사용한 경우에는 그 배합비를 변화시키므로써 복합재의 특성값을 제어할 수 있다.
예컨대, 유전성에 있어서는, 다른 유전율을 갖는 세라믹과 플라스틱을 혼합하는 것으로 가성성이 성립되어, 중간의 유전율을 배합비 대로 얻을 수 있다. 또한, 압전성에 있어서는 다른 압전 정수를 갖는 세라믹과 플라스틱의 혼합에 의해 압전성을 제어할 수 있다.
또한, 제3 발명의 복합재에 있어서, 다른 기능을 갖는 2 종의 플라스틱을 혼합하여 사용한 경우에 있어서는, 2 종의 플라스틱의 배합비를 변화시키므로써, 각 플라스틱으로부터 유래하는 기능의 특성값을 개별로 제어할 수 있다. 이것은 특성값이 다른 동일 기능을 갖는 2 종 이상의 플라스틱을 사용한 경우에 있어서, 복합재의 특성값을 제어하는 경우라도 마찬가지이다.
또한, 제3 발명의 복합재에 있어서는, 세라믹 입자의 함유량을 30 체적% 이상으로 하고 있는데, 이것은 제1 발명 및 제2 발명의 50 체적% 이상과는 서로 다르다.
제3 발명의 복합재에 사용되는 플라스틱으로서 유전성을 갖고 있는 것으로는, 어떠한 플라스틱도 유전성은 갖고 있기 때문에 특별하게 한정되는 것은 아니다.
또한, 압전성을 갖는 플라스틱으로는 폴리불화비닐리덴(PVDF) 등을 사용할 수 있다.
또한, 자성을 갖는 플라스틱으로는 폴리(2, 6-피리딘디일메틸리덴니트로헥사메틸렌니트로메틸리덴)(PPH), 데카메틸페로세늄, 7, 7, 8, 8-테트라시아노-p-키노디메타니드, 데카메틸 페로세늄테트라시아노에틸레나이드 등을 사용할 수 있다.
제3 발명의 복합재에 사용되는 플라스틱도, 제1 발명 및 제2 발명의 복합재와 같이, 열경화성 수지 및 열가소성 수지의 어느 쪽이라도 좋지만, 열가소성 수지를 사용하는 것이 바람직하다.
또한, 제3 발명의 복합재에 있어서도, 세라믹 입자의 종횡비, 평균 입자 직경은 제1 발명, 제2 발명과 동일하다.
또한, 본원의 제1 발명 내지 제3 발명의 플라스틱-세라믹 복합재에 있어서, 세라믹 입자는 플라스틱으로 이루어진 매트릭스에 실란 커플링에 의해 결합되어 있는 것이 바람직하다.
실란 커플링 처리를 실시하므로써, 상용성이 낮은 세라믹과 플라스틱을 사용하여 복합재로 할 수 있게 되는 동시에, 세라믹의 함유량을 증가시킬 수 있다.
본 발명의 플라스틱-세라믹 복합재는, 예컨대 이하의 방법으로서 제조된다.
세라믹 입자의 조제
소정의 종횡비를 가지며 평균 입자 직경이 다른 복수의 분말을 혼합함으로써 원하는 평균 입자 직경 및 종횡비를 갖는 세라믹 입자를 조제한다. 또한, 제2 발명에 있어서, 단층 구조의 복합재를 제조하는 경우에는 다른 기능을 갖는 세라믹 입자를 원하는 배합비로 혼합하여 사용하지만, 적층 구조의 복합재를 제조하는 경우에는 각 층마다 세라믹 입자를 조제하는 것이 된다. 또한, 세라믹 입자의 입도 분포는, 예컨대 입자 직경 1∼100 ㎛의 입자가 90% 이상을 차지하는 것이 바람직하지만, 입도 분포는 소정의 입도 분포를 갖는 분말을 사용하여 상기 혼합을 행하므로써 조정한다.
분말의 종횡비가 큰 경우는 조립함으로써 2차 입자로 하고, 2차 입자의 종횡비를 2. 0 이하로 하여 사용할 수 있다. 조립은 스프레이 드라이어 등에 의해서 행한다. 여기서, 2차 입자의 종횡비는 2. 0 이하인 것이 바람직하다. 이것은, 2차 입자의 종횡비가 상기 범위 내에 있으면 플라스틱과 혼합할 때의 양 및 방법에 관해서, 1차 입자의 경우와 같이 취급할 수 있기 때문이다.
이어서, 필요히 따라 세라믹 입자에 실란 커플링 처리를 실시한다. 실란 커플링 처리는 인테그럴 블랜드법, 스프레이 등에 의한 전처리법 등 통상적인 방법에 의해 행해진다.
세라믹 입자와 플라스틱 입자의 혼합
우선, 세라믹 입자와 플라스틱 입자를 혼합하고, 플라스틱의 융점보다 약간높은 온도로 플라스틱 입자를 용융시킨 다음, 세라믹 입자를 플라스틱에 분산시킨다. 상기 혼합·분산 처리는 혼련기(kneader), 3본 분쇄기(trirolling mill) 등을 사용하여 행해진다. 계속해서, 혼련물을 팰릿화한다.
성형은 사용한 플라스틱의 융점보다 약간 높은 온도로 팰릿 중의 플라스틱을 용융시킨 후, 압출 성형, 사출 성형 등 공지의 성형 방법으로서 행할 수 있지만, 생산성, 생산 비용의 절감 등을 고려하면, 사출 성형에 의한 것이 바람직하다. 또한, 적층 구조의 복합재를 제조하는 경우에는, 10∼1000 ㎛ 정도의 두께의 시이트로 성형한 각 층을 중첩시키므로써 임의의 두께인 시이트 형상의 성형체로 한다. 각 층 간의 접합은, 예컨대 가열 가압에 의해 행한다.
다음은 실시예를 사용하여 본 발명을 보다 상세하게 설명하고 있지만, 본 발명은 이들 실시예에 의해 한정되는 것이 아니다.
실시예 1 : 제1 발명
플라스틱으로서 폴리스티렌(비유전율 2.5)을, 세라믹으로서 산화 티탄(비유전율 100)을 사용하여 세라믹 입자의 함유량이 75 체적%인 플라스틱-세라믹 복합재를 제조하였다. 또한, 세라믹 입자의 평균 입자 직경 및 종횡비는 각각 30 ㎛ 및 1. 20으로 하였다.
우선, 세라믹 입자에 스프레이법으로 실란 커플링 처리를 실시하였다. 이어서, 혼련기를 사용하여 280℃에서 세라믹 입자를 플라스틱 입자에 혼합·분산시킨 후, 팰릿화하였다. 얻어진 팰릿을 270℃로 용융하고 사출 성형을 행하여 50 mm × 50 mm × 5 mm의 판형체로 성형하였다. 표 1에는 얻어진 복합재의 유전율을 측정한 값을 기재하였다.
실시예 2 : 제1 발명
플라스틱으로서 폴리카르보네이트(비유전율 3)를 세라믹으로서 티탄산스트론튬(비유전율 250) 및 PZT(비유전율 800)을 사용하여 세라믹 입자의 함유량이 티탄산스트론튬 40 체적%와 PZT 40 체적%의 합계 80 체적%인 플라스틱-세라믹 복합재를 실시예 1과 같이 제조하였다. 단지, 혼합·분산 온도는 330℃, 사출 성형의 용융 온도는 320℃로 하였다. 또한, 세라믹 입자의 평균 입자 직경 및 종횡비는 각각 20 ㎛ 및 1. 45로 하였다. 표 1에는 얻어진 복합재의 유전율의 값을 기재하였다.
실시예 3 : 제1 발명
플라스틱으로서 폴리 아미드이미드를, 세라믹으로서 압전성을 갖는 PZT-1 및 PZT-2를 사용하여 세라믹 입자의 함유량이 PZT-1, 35 체적%, PZT-2, 55 체적%의 합계 90 체적%인 플라스틱-세라믹 복합재를 실시예 1과 같이 제조하였다. 단지, 혼합·분산 온도 및 사출 성형의 용융 온도는 모두 370℃로 하였다. PZT-1의 평균 입자 직경 및 종횡비는 각각 25 ㎛ 및 1.25로 하고, PZT-2의 평균 입자 직경 및 종횡비는 각각 30 ㎛ 및 1. 35로 하였다. 또한, PZT-1의 주파수 온도 계수는 + 10 ppm/℃이며, PZT-2의 주파수 온도 계수는 -6 ppm/℃이었다. 표 1에는 얻어진 복합재의 주파수 온도 계수를 측정한 값을 기재하였다.
| 플라스틱의종류 | 세라믹 A | 세라믹 B | 실란 카플링 유무 | 복합재의특성값 | |||||
| 종류와 함유량(체적%) | 평균 입자 직경(㎛) | 종횡비 | 종류와함유량(체적%) | 평균 입자 직경(㎛) | 종횡비 | ||||
| 실시예1 | 폴리스티렌 | 산화티탄 75 | 30 | 1.20 | - | - | - | 유 | 75(비유전율) |
| 실시예2 | 폴리카르보네이트 | 티탄산스트론튬 40 | 20 | 1.45 | PZT40 | 20 | 1.45 | 유 | 420(비유전율) |
| 실시예3 | 폴리아미드이미드 | PZT-135 | 25 | 1.25 | PZT-255 | 30 | 1.45 | 유 | 0(ppm/℃)(주파수 온도 계수) |
실시예 4 : 제2 발명
플라스틱으로서 염화비닐을, 세라믹으로서 압전성을 갖는 티탄산지르콘산연(PZT) 및 자성을 갖는 Ni-Cu-Zn 페라이트를 사용하여 세라믹 입자의 함유량이 85체적%인 단층 구조의 플라스틱-세라믹 복합재를 제조하였다. 또한, 양 세라믹 입자의 평균 입자 직경 및 종횡비는 각각 10 ㎛, 25 ㎛ 및 1. 5, 1. 2로 하며, 또한 양 세라믹 입자의 배합비는 PZT:Ni-Cu-Zn 페라이트 = 60:40으로 하였다.
우선, PZT와 Ni-Cu-Zn 페라이트를 60:40으로서 혼합한 세라믹 입자에 스프레이법으로 실란 커플링 처리를 실시하였다. 이어서, 혼련기를 사용하여 170℃에서 세라믹 입자를 플라스틱 입자에 혼합·분산시킨 후, 팰릿화하였다. 얻어진 팰릿을 170℃에서 용융하고 사출 성형을 행하여, 50 mm × 50 mm × 5 mm의 판형체로 성형하였다. 표 2에는 얻어진 복합재의 압전 정수 및 비투자율을 측정한 값을 기재하였다. 또한, 세라믹 입자의 특성은 PZT의 압전 정수(d33)가 220, Ni-Cu-Zn 페라이트의 비투자율이 800이었다.
실시예 5 : 제2 발명
플라스틱으로서 폴리아크릴레이트를 사용하고, 세라믹으로서 유전성을 갖는 티탄산스트론튬(비유전율 250) 및 자성을 갖는 Mn-Zn 페라이트(비유전율 160)를 사용하여 다른 층에 함유시켜서, 세라믹 입자의 함유량이 모두 90 체적%인 이층 구조의 플라스틱-세라믹 복합재를 제조하였다. 또한, 양 세라믹 입자의 평균 입자 직경 및 종횡비는 각각 15 ㎛, 25 ㎛ 및 1. 6, 1. 3으로 하였다.
우선, 실시예 4와 같이 복합재를 구성하는 각 층에 대해서 팰릿을 제조하였다. 단지, 혼합·분리 온도는 260℃로 하였다. 이어서, 압출 성형에 의해 각 층에 관해서 펠릿을 두께 1 mm의 시이트 형상으로 성형하고, 이들을 가열 가압에 의해 적층하여 접합하였다. 표 2에는 얻어진 복합재의 비유전율 및 비투자율을 측정한 값을 기재하였다. 또한, 이 특성값은 각 층을 적층하기 전에 각각 단독으로 측정한 값이다.
| 플라스틱의종류 | 세라믹 A | 세라믹 B | 복합재의 특성값 | 비고 | |||||
| 종류와함유량(체적%) | 평균 입자 직경(㎛) | 종횡비 | 종류와 함유량(체적%) | 평균 입자 직경(㎛) | 종횡비 | ||||
| 실시예4 | 염화비닐 | PZT51 | 10 | 1.5 | Ni-Cu-Zn 페라이트 34 | 25 | 1.2 | 전압 정수d33= 85비투자율 μ= 190 | 단층구조 |
| 실시예5 | 폴리아크릴레이트 | 티탄산스트론튬90 | 15 | 1.6 | Mn-Zn페라이트 90 | 25 | 1.3 | 비유전율ε= 210비투자율 μ= 120 | 적층구조(이층) |
실시예 6 : 제3 발명
플라스틱으로서 압전성을 갖는 PVDF를, 세라믹으로서 자성을 갖는 Mn-Zn 페라이트를 사용하여 세라믹 입자의 함유량이 50 체적%인 플라스틱-세라믹 복합재를 제조하였다. 또한, 세라믹 입자의 평균 입자 직경 및 종횡비는 각각 30 ㎛ 및 1. 20으로 하였다.
우선, 세라믹 입자에 스프레이법으로 실란 커플링 처리를 실시하였다. 이어서, 혼련기를 사용하여 270℃에서 세라믹 입자를 플라스틱 입자에 혼합·분산시킨 후, 팰릿화하였다. 얻어진 팰릿을 250℃에서 용융하고 사출 성형을 행하여, 50 mm × 50 mm × 5 mm의 판형체로 성형하였다. 표 3에는 얻어진 복합재의 압전 정수 및 비투자율을 측정한 값을 기재하였다.
실시예 7 : 제3 발명
플라스틱으로서 압전성을 갖는 PVDF를, 세라믹으로서 열전도성을 갖는 질화알루미늄을 사용하여 세라믹 입자의 함유량이 50 체적%인 플라스틱-세라믹 복합재를 실시예 6과 같이 제조하였다. 또한, 세라믹 입자의 평균 입자 직경 및 종횡비는 각각 20 ㎛ 및 1. 45로 하였다. 표 3에는 얻어진 복합재의 압전 정수 및 열전도율을 측정한 값을 기재하였다.
실시예 8 : 제3 발명
플라스틱으로서 유전성을 갖는 폴리카르보네이트를, 세라믹으로서 열전도성을 갖는 질화알루미늄을 사용하여 세라믹 입자의 함유량이 60 체적%인 플라스틱-세라믹 복합재를 실시예 6과 같이 제조하였다. 또한, 사출 성형의 온도는 300℃로 하였다. 세라믹 입자의 평균 입자 직경 및 종횡비는 각각 20 ㎛ 및 1. 45로 하였다. 표 3에는 얻어진 복합재의 비유전율 및 열전도율의 값을 기재하였다.
| 플라스틱의종류와 특성값 | 세라믹 | 복합제의 특성값 | ||||
| 종류와 특성값 | 함유량(체적%) | 평균 입자 직경(㎛) | 종횡비 | |||
| 실시예6 | 폴리비닐리덴(PVDF)압전 정수d31= 25 ×10-12m/V열전도율 0.18W/mㆍK | Mn-Zn페라이트비투자율μ= 200 | 50 | 30 | 1.20 | 압전 정수d31= 10 ×10-12m/V비투자율 μ= 95 |
| 실시예 7 | 폴리비닐리덴(PVDF)압전 정수d31= 25 ×10-12m/V열전도율 0.18W/mㆍK | 질화암모늄비유전율μ= 8.5열전도율 150W/mㆍK | 50 | 25 | 1.45 | 압전 정수d31= 10 ×10-12m/V열전도율 2.1W/mㆍK |
| 실시예8 | 폴리카르보네이트비유전율 3.0열전도율 0.17W/mㆍK | 질화암모늄비유전율μ= 8.5열전도율 150W/mㆍK | 60 | 25 | 1.45 | 비유전율 6.1열전도율2.3W/mㆍK |
이상과 같이, 제1 발명의 복합재는, LC 필터, 특수 패키지, 전력 절연 부품등의 종래에 있어서 세라믹 유전체가 사용되고 있었던 부품, 진동 자이로스코프, 발진자, 센서 등의 종래에 있어서 세라믹 압전체가 사용되고 있었던 부품, 변환기, 코일 등의 자심, 모터 등의 종래에 있어서 세라믹 자성체가 사용되고 있었던 부품, 라이리스터(thyristor) 등의 파워 일렉트로닉스 부품용 패키지 등의 종래에 있어서 세라믹 열전도체가 사용되고 있었던 부품 등에 적합하게 사용할 수 있다.
또한, 제1 발명의 복합재는, 자성 또는 도전성을 갖는 세라믹 입자를 사용하므로써, 전자파 흡수체, 전자파 반사체 등으로 하는 것도 가능하다.
또한, 제2 발명 및 제3 발명의 복합재에 따르면, 예컨대 종래에서는 자성 코어를 사용한 코일과 세라믹 커패시턴스를 별도로 사용하고 있었던 전자 부품의 일체화, 압전성과 열전도성을 조합시키므로써 진동으로 생기는 열을 방산시키면서 구동하는 작동기, 압전성과 자성을 조합하여 실내의 벽재로서 사용하면 압전성에 의해 실내의 차음을 행하고 자성에 의해 전자파를 흡수 및 차단할 수 있는 등의 용도 또는 초음파 모터 방식으로 구동하면서 금속으로부터 분리되지 않은 완구 등, 새로운 용도가 개발된다.
Claims (11)
- 플라스틱으로 이루어진 매트릭스에 세라믹 입자를 분산시켜 만든 플라스틱-세라믹 복합재로서,상기 세라믹이 유전성, 압전성, 자성, 도전성 및 열전도성으로 이루어지는 군 중에서 선택한 하나의 기능을 가지고,상기 세라믹 입자의 함유량이 50 체적% 이상, 99 체적% 이하인 것을 특징으로 하는 플라스틱-세라믹 복합재.
- 제1항에 있어서, 상기 세라믹 입자가 다른 특성값을 갖는 동일 기능의 2 이상의 세라믹으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 플라스틱-세라믹 복합재.
- 플라스틱으로 이루어진 매트릭스에 세라믹 입자를 분산시켜 만든 플라스틱-세라믹 복합재로서,상기 세라믹으로서 유전성, 압전성, 자성, 도전성 및 열전도성으로 이루어지는 군 중에서 선택한 2 이상의 기능에 대응한 2 이상의 다른 세라믹을 사용하고,상기 세라믹 입자의 함유량이 50 체적% 이상, 99 체적% 이하인 것을 특징으로 하는 플라스틱-세라믹 복합재.
- 제3항에 있어서, 적층 구조를 가지며, 그 적층 구조를 구성하는 각 층에 포함되는 세라믹이 다른 층에 포함되는 세라믹과는 다른 기능을 갖는 것을 특징으로 하는 플라스틱-세라믹 복합재.
- 제3항에 있어서, 적층 구조를 가지고, 그 적층 구조를 구성하는 각 층이 상기 2 이상의 기능에 대응한 2 이상의 다른 세라믹을 다른 층과는 다른 배합비로 포함하는 것을 특징으로 하는 플라스틱-세라믹 복합재.
- 제3항에 있어서, 단일층으로 이루어지며, 상기 단일층에 상기 2 이상의 기능에 대응한 2 이상의 다른 세라믹을 포함하는 것을 특징으로 하는 플라스틱-세라믹 복합재.
- 플라스틱으로 이루어진 매트릭스에 세라믹 입자를 분산시켜 만든 플라스틱-세라믹 복합재로서,상기 플라스틱이 유전성, 압전성 및 자성으로 이루어지는 군 중에서 선택한 1 또는 2 이상의 기능을 가지고,상기 세라믹이 유전성, 압전성, 자성, 도전성 및 열전도성으로 이루어지는 군 중에서 선택한 1 또는 2 이상의 기능을 가지며,상기 세라믹 입자의 함유량이 30 체적% 이상, 99 체적% 이하인 것을 특징으로 하는 플라스틱-세라믹 복합재.
- 제1항 내지 제7항 중 어느 하나의 항에 있어서, 상기 세라믹 입자의 입자 형상의 종횡비가 2.0 이하인 것을 특징으로 하는 플라스틱-세라믹 복합재.
- 제1항 내지 제8항 중 어느 하나의 항에 있어서, 세라믹 입자를 플라스틱으로 이루어진 매트릭스에 실란 커플링으로 결합시켜 이루어지는 것을 특징으로 하는 플라스틱-세라믹 복합재.
- 제1항 내지 제9항 중 어느 하나의 항에 기재된 플라스틱-세라믹 복합재가 사출 성형에 의해 성형된 것을 특징으로 하는 성형품.
- 제1항 내지 제 9항 중 어느 하나의 항에 기재된 플라스틱-세라믹 복합재가 시이트 형상으로 성형된 것을 특징으로 하는 성형품.
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