상기의 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은
(a) 열가소성 수지 10 내지 95 중량% 및
(b) 열전도도가 100 W/m·K 이상인 카본계열 또는 금속계열의 전기전도성 충전재 90 내지 5 중량%를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 열전도성 열가소성 수지 조성물을 제공한다.
상기 열전도성 열가소성 수지 조성물은, 충전재로 (c) 열전도도가 300 W/m·K 이상인 세라믹 고체, 플레이크 및 섬유로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1종 이상을 수지 조성물 총 함량에 대하여 3 내지 70 중량%로 더 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 열전도성 열가소성 수지 조성물은 충전재를 30 부피% 이하로 포함하는 경우에는 0.8 내지 5 W/m·K의 열전도도를 가지며, 충전재를 30 부피% 이상으로 포함하는 경우에는 5 내지 30 W/m·K의 열전도도를 가진다.
본 발명에 따른 열전도성 열가소성 수지 조성물은 표면저항이 109 Ω 이하인 것이 바람직하다.
또한, 본 발명은 열가소성 수지 10 내지 95 중량%, 및 열전도도가 100 W/m·K 이상인 카본계열 또는 금속계열의 전기전도성 충전재 90 내지 5 중량%를 배럴온도 250 내지 340 ℃의 이축압출기에서 압출혼합하는 단계를 포함하는 열전도성 열가소성 수지 조성물의 제조방법을 제공한다.
상기 압출혼합하는 단계는 충전재로 열전도도가 300 W/m·K 이상인 세라믹 고체, 플레이크 및 섬유로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1종 이상을 수지 조성물 총 함량에 대하여 3 내지 70 중량%로 더 포함하여 실시될 수 있다.
이하 본 발명을 상세하게 설명한다.
본 발명의 열전도성 열가소성 수지 조성물은 열가소성 수지에 열전도도가 100 W/m·K 이상인 카본계열 또는 금속계열의 전기전도성 충전재를 포함하여, 기계적 특성과 열전도성이 우수하며, 동시에 전기전도성을 갖는 수지 조성물이다.
본 발명에서 사용되는 (a) 열가소성 수지는 폴리부틸렌 테레프탈레이트, 폴리에틸렌 테레프탈레이트, 아로마틱폴리아마이드, 폴리아마이드, 폴리카보네이트, 폴리스타이렌, 폴리페닐렌설파이드, 열방성액정고분자, 폴리술폰, 폴리에테르술폰, 폴리에테르이미드, 폴리에테르에테르케톤, 폴리아릴레이트, 폴리메틸메틸아크릴레이트, 폴리비닐알코올, 폴리프로필렌, 폴리에틸렌, 폴리아크릴로니트릴부타디엔스타이렌 공중합체 및 폴리테트라메틸렌옥사이드-1,4부탄디올 공중합체(폴리부틸렌테레프랄레이트 탄성체)로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1종 이상일 수 있다.
상기 (a) 열가소성 수지는 본 발명의 열전도성 열가소성 수지 조성물에 10 내지 95 중량%로 포함되는 것이 바람직하다.
본 발명에 사용되는 (b) 카본계열 또는 금속계열의 전기전도성 충전재는 열가소성 수지에 열전도성과 함께 전기전도성을 부여하는 역할을 하는 것으로, 상온에서 열전도도가 100 W/m·K 이상인 카본계열 또는 금속계열 충전재가 바람직하다.
상기 (b) 카본계열 또는 금속계열의 전기전도성 충전재는 카본분말, 카본미립자, 카본블랙, 카본파이버, 카본나노튜브, 흑연, 알루미늄 플레이크, 산화마그네슘, 질화알루미늄, 구리섬유 및 스테인레스 스틸 섬유로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1종 이상일 수 있다.
상기 (b) 카본계열 또는 금속계열의 전기전도성 충전재는 평균입자크기가 서로 다른 두 종류 이상을 함께 사용할 수도 있다. 평균입자크기가 서로 다른 충전재를 함께 사용하는 경우에는 압출혼련 및 사출성형시 생산성을 증가시킬 수 있다.
상기와 같이 열가소성 수지 및 전기전도성 충전재를 포함하는 열전도성 열가소성 수지 조성물은, (c) 충전재로 열전도도가 300 W/m·K 이상인 세라믹 고체, 플레이크, 및 섬유로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1종 이상을 더 포함할 수 있다. (c) 충전재는 수지 조성물 총 함량에 대하여 3 내지 70 중량%로 포함될 수 있다.
상기 세라믹 고체는 실리콘 카바이드, 보론 나이트라이드, 다이아몬드, 베릴륨 옥사이드, 보론 포스파이드, 알루미늄 나이트라이드, 베릴륨 설파이드, 보론 아제나이드, 실리콘, 갈륨 나이트라이드, 알루미늄 포스파이드 및 갈륨 포스파이드로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1종 이상일 수 있다. 세라믹 고체는 평균입자크기가 20 ㎛ 이하이며, 입자분포가 비교적 넓은 것이 바람직하다.
상기 (b) 카본계열 또는 금속계열의 전기전도성 충전재, 또는 (b) 카본계열 또는 금속계열의 전기전도성 충전재와 (c) 세라믹 고체, 플레이크, 및 섬유로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1종 이상으로 이루어진 충전재는 본 발명의 열전도성 열가소성 수지 조성물에 90 내지 5 중량%로 포함되는 것이 바람직하다.
상기 열전도성 열가소성 수지 조성물은 전기·전자제품 등 난연성이 요구되는 사용환경에서 사용이 가능하도록 난연성능을 부여하기 위하여 할로겐 또는 비할로겐계 난연제를 더 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 열전도성 열가소성 수지 조성물은 (b) 카본계열 또는 금속계열의 전기전도성 충전재, 또는 상기 (b) 전기전도성 충전재 및 세라믹 고체, 플레이크, 및 섬유로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1종 이상으로 이루어진 충전재가 30 부피% 이하로 포함되는 경우에는 0.8 내지 5 W/m·K의 열전도도를 가지며, 상기 충전재가 30 부피% 이상으로 포함되는 경우에는 5 내지 30 W/m·K의 열전도도를 가진다. 열전도도가 0.85 내지 5 W/m·K인 경우에는 기존 플라스틱과 동등 수준의 물성이 요구되면서, 동시에 플리스틱보다는 높은 방열 성능이 요구되는 분야에 적용될 수 있으며, 열전도도가 5 내지 30 W/m·K인 경우에는 모터지지부, 광픽업베이스 등과 같이, 열로 인한 변형을 방지할 수 있도록 금속과 동등한 방열 성능이 요구되는 분야에 적용될 수 있다.
본 발명에 따른 열전도성 열가소성 수지 조성물은 109 Ω 이하의 표면저항을 가지며, 대전방지 수준에서부터 정전기 방류, 전자파 차폐에 이르는 광범위한 영역의 전도성을 지닌다. 전기전도도는 표면저항에 따라 전도성 범위가 달라지는데, 일반 플라스틱은 부도체로 1013 Ω 이상의 표면저항을 가져 절연성을 지닌다. 즉, 표면저항이 작아질수록 전기전도도가 우수하다.
본 발명의 열전도성 열가소성 수지 조성물의 제조방법은 (a) 열가소성 수지 10 내지 95 중량%, 및 (b)열전도도가 100 W/m·K 이상인 카본계열 또는 금속계열의 전기전도성 충전재를 이축압출기에서 압출혼합하는 단계를 포함하는 방법이다.
상기 압출혼합하는 단계는 충전재로, 열전도도가 300 W/m·K 이상인 세라믹 고체, 플레이크 및 섬유로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1종 이상을 수지 조성물 총 함량에 대하여 3 내지 70 중량%로 더 포함하여 실시될 수 있다.
구체적으로, 상기 열가소성 수지와 카본계열 또는 금속계열의 전기전도성 충전재를 혼합하고, 여기에 고체, 플레이크, 및 섬유로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1종 이상의 충전재 추가 혼합하고, 상기 혼합물을 이축압출기의 메인호퍼에 투입한다. 이때, 메인호퍼에 투입되는 충전재는 전체 사용량이 한꺼번에 투입하는 것이 아니라, 사용량의 30 내지 50 중량%를 분할하여 열가소성 수지와 고체혼합한 후 투입한다. 이후, 메인호퍼에 투입된 양을 제외한 나머지 사용량을 가소화 영역과 혼련영역(kneading block) 사이에 투입함으로써 압출기의 과부하를 방지하여 압출가공을 할 수 있다. 상기와 같이 압출성형함으로써 열전도성 열가소성 수지 조성물을 제조하는 방법의 일례를 들면 하기와 같다.
본 발명에서는 육각형의 결정구조를 갖으며, 전기전도도를 지니면서 열전도도가 상온에서 100 W/m·K인 흑연, 및 상온에서 열전도도가 300 W/m·K인 실리콘 카바이드 분말 20 내지 80 중량%과 열가소성 수지 80 내지 20 중량%를 이축압출기로 압출혼합한 후, 사출성형하여 직경이 10 ㎜이고, 두께가 3 ㎜인 성형시편을 얻 을 수 있었다.
이하, 본 발명의 이해를 돕기 위하여 바람직한 실시예를 제시하나, 하기 실시예는 본 발명을 예시하는 것일 뿐 본 발명의 범주 및 기술사상 범위 내에서 다양한 변경 및 수정이 가능함은 당업자에게 있어서 명백한 것이며, 이러한 변형 및 수정이 첨부된 특허청구범위에 속하는 것도 당연한 것이다.
[실시예]
실시예 1
폴리페닐렌설파이드 67 중량%와 평균입자크기가 35 내지 55 ㎛인 흑연 30 중량%, 실리콘 카바이드 분말을 3 중량%로 포함하는 수지 조성물을 제조하기 위하여, 이축압출기의 배럴온도를 320 ℃로 유지하면서 폴리페닐렌설파이드 67 중량%와 상온에서 열전도도가 300 W/m·K인 실리콘 카바이드 분말을 메인호퍼에 투입한 후, 상온에서 열전도도가 100 W/m·K인 흑연 30 중량%를 사이드피더로 투입하여 200 rpm에서 수지 조성물을 제조하였다.
제조된 수지 조성물을 사출성형하여 직경이 10 ㎜이고, 두께가 3 ㎜인 사출시편을 제조하였다.
실시예 2
폴리페닐렌설파이드 46 중량%와 평균입자크기가 35 내지 55 ㎛인 흑연 20 중량%, 평균입자크기가 100 내지 1000 ㎛인 흑연 30 중량%, 실리콘 카바이드 분말을 4 중량%로 포함하는 수지 조성물을 제조하기 위하여, 이축압출기의 배럴온도를 320 ℃로 유지하면서 폴리페닐렌설파이드 46 중량%와 상온에서 열전도도가 300 W/m·K인 실리콘 카바이드 분말, 및 상온에서 열전도도가 100 W/m·K인 흑연 10 중량%를 메인호퍼에 투입한 후, 흑연 40 중량%를 사이드피더로 투입하여 200 rpm에서 수지 조성물을 제조하였다.
제조된 수지 조성물을 사출성형하여 직경이 10 ㎜이고, 두께가 3 ㎜인 사출시편을 제조하였다.
실시예 3
폴리페닐렌설파이드 26.5 중량%, 평균입자크기가 100 내지 1000 ㎛인 흑연 70 중량%, 실리콘카바이드 분말 3.5 중량%로 포함하는 수지 조성물을 제조하기 위하여, 이축압출기의 배럴온도를 320 ℃로 유지하면서 폴리페닐렌설파이드 26.5 중량%와 상온에서 열전도도가 300 W/m·K인 실리콘 카바이드 분말, 및 상온에서 열전도도가 100 W/m·K인 흑연 30 중량%를 메인호퍼에 투입한 후, 흑연 40 중량%를 사이드피더로 투입하여 200 rpm에서 수지 조성물을 제조하였다.
제조된 수지 조성물을 사출성형하여 직경이 10 ㎜이고, 두께가 3 ㎜인 사출시편을 제조하였다.
실시예 4
폴리부틸렌 테레프탈레이트 46 중량%, 평균입자크기가 100 내지 1000 ㎛인 흑연 50 중량%, 실리콘카바이드 분말 4 중량%로 포함하는 수지 조성물을 제조하기 위하여, 이축압출기의 배럴온도를 280 ℃로 유지하면서 폴리부틸렌 테레프탈레이트 46 중량%와 상온에서 열전도도가 300 W/m·K인 실리콘 카바이드 분말, 및 상온에서 열전도도가 100 W/m·K인 흑연 10 중량%를 메인호퍼에 투입한 후, 흑연 40 중량%를 사이드피더로 투입하여 200 rpm에서 수지 조성물을 제조하였다.
제조된 수지 조성물을 사출성형하여 직경이 10 ㎜이고, 두께가 3 ㎜인 사출시편을 제조하였다.
실시예 5
폴리페닐렌설파이드 67 중량%, 평균입자크기가 10 내지 100 ㎛인 알루미늄 나이트라이드 30 중량%, 실리콘카바이드 분말 3 중량%로 포함하는 수지 조성물을 제조하기 위하여, 이축압출기의 배럴온도를 320 ℃로 유지하면서 폴리페닐렌설파이드 67 중량%와 상온에서 열전도도가 300 W/m·K인 실리콘 카바이드 분말을 메인호퍼에 투입한 후, 상온에서 열전도도가 100 W/m·K인 알루미늄 나이트라이드 30 중량%를 사이드피더로 투입하여 200 rpm에서 수지 조성물을 제조하였다.
제조된 수지 조성물을 사출성형하여 직경이 10 ㎜이고, 두께가 3 ㎜인 사출시편을 제조하였다.
실시예 6
폴리페닐렌설파이드 42 중량%, 평균입자크기가 35 내지 55 ㎛인 흑연 18 중 량%, 실리콘카바이드 분말 40 중량%로 포함하는 수지 조성물을 제조하기 위하여, 이축압출기의 배럴온도를 320 ℃로 유지하면서 폴리페닐렌설파이드 42 중량%와 상온에서 열전도도가 100 W/m·K인 흑연 분말을 메인호퍼에 투입한 후, 상온에서 열전도도가 300 W/m·K인 실리콘카바이드 분말 40 중량%를 사이드피더로 투입하여 200 rpm에서 수지 조성물을 제조하였다.
제조된 수지 조성물을 사출성형하여 직경이 10 ㎜이고, 두께가 3 ㎜인 사출시편을 제조하였다.
비교예 1
폴리페닐렌설파이드 50 중량%와 탈크 분말 50 중량%를 포함하는 수지 조성물을 제조하기 위하여, 이축압출기의 배럴온도를 320 ℃로 유지하면서 폴리페닐렌설파이드 55 중량%와 상온에서 열전도도가 10 W/m·K인 탈크 분말 20 중량%를 메인호퍼에 투입한 후, 탈크 분말 30 중량%를 사이드피더로 투입하여 200 rpm에서 수지조성물을 제조하였다.
제조된 수지 조성물을 사출성형하여 직경이 10 ㎜이고, 두께가 3 ㎜인 사출시편을 제조하였다.
비교예 2
폴리페닐렌설파이드 50 중량%와 알루미나 분말 50 중량%를 포함하는 수지 조성물을 제조하기 위하여, 이축압출기의 배럴온도를 320 ℃로 유지하면서 폴리페닐 렌설파이드 55 중량%와 상온에서 열전도도가 17 W/m·K인 알루미나 분말 20 중량%를 메인호퍼에 투입한 후, 알루미나 분말 30 중량%를 사이드피더로 투입하여 200 rpm에서 수지조성물을 제조하였다.
제조된 수지 조성물을 사출성형하여 직경이 10 ㎜이고, 두께가 3 ㎜인 사출시편을 제조하였다.
비교예 3
폴리페닐렌설파이드 50 중량%와 보론 나이트라이드 분말 50 중량%를 포함하는 수지 조성물을 제조하기 위하여, 이축압출기의 배럴온도를 320 ℃로 유지하면서 폴리페닐렌설파이드 55 중량%와 상온에서 열전도도가 170 W/m·K인 보론 나이트라이드 분말 20 중량%를 메인호퍼에 투입한 후, 보론 나이트라이드 분말 30 중량%를 사이드피더로 투입하여 200 rpm에서 수지조성물을 제조하였다.
제조된 수지 조성물을 사출성형하여 직경이 10 ㎜이고, 두께가 3 ㎜인 사출시편을 제조하였다.
[시험예]
상기 실시예 1 내지 6, 및 비교예 1 내지 3에서 제조한 사출시편의 물성을 하기의 방법으로 측정하여 그 결과를 하기의 표 1과 2에 나타내었다.
* 열변형온도 - ASTM D638 방법에 의거하여 측정하였다.
* 굴곡강도 - ASTM D790 방법에 의거하여 측정하였다.
* 굴곡탄성율 - ASTM D790 방법에 의거하여 측정하였다.
* 인장강도 - ASTM D638 방법에 의거하여 측정하였다.
* 난연도 - UL 94 규격에 의거하여 측정하였다.
* 열전도도 - 열선법(표준과학연구소), 평판법(LG화학 테크센타), Haake Thermoflixer 3가지 측정방법에서 10%오차 이내의 데이터로 나타내었다.
구분 |
실시예 1 |
실시예 2 |
실시예 3 |
실시예 4 |
실시예 5 |
실시예 6 |
열변형온도(℃) |
200 |
200 |
200 |
190 |
200 |
200 |
굴곡강도(㎏/㎝2) |
900 |
680 |
600 |
1,100 |
900 |
900 |
굴곡탄성율(㎏/㎝2) |
130,000 |
140,000 |
150,000 |
110,000 |
140,000 |
140,000 |
인장강도(㎏/㎝2) |
550 |
350 |
320 |
650 |
500 |
500 |
난연도(1/32") |
V-0 |
V-0 |
V-0 |
V-2 |
V-0 |
V-0 |
열전도도(W/m·K) |
5 |
15 |
30 |
14 |
5 |
5 |
표면저항(Ω) |
107~109 |
106~108 |
105~108 |
107~109 |
107~109 |
108~109 |
상기 표 1에 나타낸 바와 같이, 본 발명에 따라 열가소성 수지에 카본계열 또는 금속계열의 전기전도성 충전재와, 세라믹 고체, 플레이크, 및 섬유로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1종 이상의 충전재를 추가로 포함하는 실시예 1 내지 6의 열전도성 열가소성 수지 조성물은 5 내지 30 W/m·K로 높은 열전도도를 나타내었으며, 표면저항이 109 Ω 이하로 전기전도도가 우수한 것을 확인할 수 있었다.
구분 |
비교예 1 |
비교예 2 |
비교예 3 |
열변형온도(℃) |
250 |
250 |
250 |
굴곡강도(㎏/㎝2) |
670 |
680 |
680 |
굴곡탄성율(㎏/㎝2) |
130,000 |
140,000 |
140,000 |
인장강도(㎏/㎝2) |
300 |
350 |
350 |
난연도(1/32") |
V-0 |
V-0 |
V-0 |
열전도도(W/m·K) |
0.4 |
0.5 |
0.5 |
표면저항(Ω) |
〉1012 |
〉1012 |
〉1012 |
상기 표 2에 나타낸 바와 같이, 상온에서 열전도도가 낮은 탈크, 알루미나 분말 등을 포함하는 비교예 1 내지 3의 열전도성 열가소성 수지 조성물은 0.5 W/m·K 이하로 낮은 열전도도를 나타내었으며, 표면저항이 1012 Ω을 초과하여 전기전도도가 좋지 않은 것을 확인할 수 있었다.