KR20110101855A - 정렬된 카본 나노튜브와 고분자 복합체를 사용한 열전도성 플라스틱 및 그 제조방법 - Google Patents

정렬된 카본 나노튜브와 고분자 복합체를 사용한 열전도성 플라스틱 및 그 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 정렬된 카본 나노튜브와 고분자 복합체를 사용한 열전도성 플라스틱 및 그 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 카본 나노튜브(carbon nanotube)를 기판상에 수직방향으로, 다발 상으로 성장시킨 후에 성장된 개개의 카본 나노튜브 사이에 고분자 수지를 일정 두께로 충전시킴으로써 제조되는 열전도성이 우수한 열전도성 플라스틱 및 그 제조방법에 관한 것이다.

Description

정렬된 카본 나노튜브와 고분자 복합체를 사용한 열전도성 플라스틱 및 그 제조방법{High heat conductivity plastic using aligned carbon nanotube and polymer composite and manufacturing method thereof}
본 발명은 정렬된 카본 나노튜브와 고분자 복합체를 사용한 열전도성 플라스틱 및 그 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 카본 나노튜브(carbon nanotube)를 기판상에 수직방향으로, 다발 상으로 성장시킨 후에 성장된 개개의 카본 나노튜브 사이에 고분자 수지를 일정 두께로 충전시킴으로써 제조되는 열전도성이 우수한 열전도성 플라스틱 및 그 제조방법에 관한 것이다.
각종 기계장치, 전자제품, 전지 등의 제품은 그 성능을 발휘하기 위하여 내부에 열교환기를 필요로 하며, 종래에는 열전도성이 뛰어난 소재인 알루미늄, 구리 등 금속재를 이용하여 열교환기가 주로 제작되었다. 그러나 이러한 금속재 열교환기는 소재 가격이 비싸며, 초소형으로 정밀한 형상으로 제조되기 어렵다는 문제점이 있었다.
이러한 문제점을 개선하기 위하여 열전도성이 상온에서 길이방향으로 6,600W/m.K로 우수하고, 인장 강도가 높으며 전기전도도가 우수한 카본 나노튜브와 성형성이 뛰어나고, 가격이 금속재보다 유리한 고분자 수지를 서로 결합하여 열교환기용 소재를 개발하려는 노력이 이루어지고 있으며, 이러한 노력으로서 종래에는 고분자 수지에 카본 나노튜브를 분산시킴으로써 카본 나노튜브함유 고분자 복합체를 제조하려는 방법이 다양하게 시도되고 있었다. 도 1은 이러한 고분자 수지에 카본 나노튜브를 분산시켜 제조한 카본 나노튜브함유 고분자 복합체의 일 실시예를 나타내고 있다. 그러나 상기 종래기술은 카본 나노튜브가 특징상 가지는 서로 응집성이 강하여 고분자 수지에 균일하게 분산시키기 어렵다는 문제점을 해결하기 위하여 고분자 수지 내부에 카본 나노튜브의 분산성을 높이는 목적으로 강산, 계면활성제 등에 의한 화학적 방법을 사용함으로써 카본 나노튜브의 열전도도와 전기전도도 등의 물리적 특성이 현저히 감소하는 문제점이 있었다.
또한, 이러한 화학적 방법을 사용하여도 카본 나노튜브 함량을 10% 이내로 고분자 수지 내부에 분산시킬 수 있고, 이 경우에 열전도도가 산업상 이용할 정도보다는 낮은 수준이 된다는 문제점이 있었다.
이에 따라서 고분자 수지에 카본 나노튜브를 고 함량으로 결합시켜서 얻어지는 높은 열전도도를 가진 열전도성 플라스틱의 개발이 본 기술분야에서 절실히 요구되고 있다.
1. S. Chakarabarti, T. Nagasaka, Y. Yoshikawa, L. Pan, Y. Nakayama, 2006, Growth of super long aligned brush-like carbon nanotubes, Japanese Journal of Applied Physics, 45(28) L720-L722.
본 발명은 상기 종래기술의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 고분자 수지에 카본 나노튜브를 고 함량으로 결합시킴으로써 높은 열전도도를 가진 열전도성 플라스틱을 제공하는 것을 그 목적으로 한다.
또한, 본 발명은 높은 열전도도를 가진 열전도성 플라스틱 제조방법을 제공하는 것을 그 목적으로 한다.
본 발명은 상기 목적을 달성하기 위하여,
기판상에 수직방향으로 다발 상으로 성장된 카본 나노튜브 정렬 체;
상기 성장된 카본 나노튜브 정렬 체를 구성하는 개개의 카본 나노튜브 사이에 일정한 두께로 충전된 고분자 수지를 포함한 정렬된 카본 나노튜브와 고분자 복합체를 사용한 열전도성 플라스틱을 제공한다.
또한 본 발명은,
기판상에 수직방향으로 다발 상으로 카본 나노튜브를 성장시켜 카본 나노튜브 정렬 체를 형성하는 단계;
고분자 수지를 겔 상태로 일정 두께의 고분자 수지 필름으로 형성하는 단계;
상기 카본 나노튜브 정렬 체의 개개 카본 나노튜브 사이에 상기 고분자 수지 필름이 충전되도록 카본 나노튜브 정렬 체를 고분자 수지 필름상에 놓고 일정압력으로 가압하여 결합시키는 단계를 포함하는 정렬된 카본 나노튜브와 고분자 복합체를 사용한 열전도성 플라스틱 제조방법을 제공한다.
본 발명에 따른 열전도성 플라스틱은 수직방향으로 성장된 고 함량의 카본 나노튜브를 포함하고 있기 때문에 높은 기계적 강도와 수직방향으로 높은 열전도도를 갖게 되는 효과가 있다.
또한, 본 발명에 따른 열전도성 플라스틱은 그 구성요소인 고분자 수지가 성형성이 우수하기 때문에 5 ~ 20㎛의 두께로도 쉬트 제작이 용이하고, 형상제어가 용이하기 때문에 열교환기를 소형화, 경량화, 및 정밀화할 수 있고, 따라서 초소형 열교환기, 박막형 열교환기, 히트싱크, 가스센서, 바이오센서 등 첨단분야에도 활용될 수 있다는 효과가 있다.
또한, 본 발명에 따른 열전도성 플라스틱은 금속에 비해서 가격이 낮으며, 제조공정이 간단하여 금속재 열교환기에 비해서 낮은 가격으로 열교환기를 제조할 수 있다는 효과가 있다.
도 1은 종래 고분자 수지에 카본 나노튜브를 분산시켜 제조한 카본 나노튜브함유 고분자 복합체를 나타낸 사진이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예 따른 열전도성 플라스틱의 단면도이다.
도 3은 본 발명에 따라서 탄소 나노튜브가 수직방향으로, 다발 상으로, 기둥 형상으로 성장된 탄소 나노튜브 정렬 체를 나타낸 사진이다.
도 4는 본 발명에 따라서 탄소 나노튜브가 수직방향으로, 다발 상으로, 브러쉬 형상으로 성장된 탄소 나노튜브 정렬 체를 나타낸 사진이다.
도 5는 본 발명에 따른 정렬된 카본 나노튜브와 고분자 복합체를 사용한 열전도성 플라스틱 제조방법을 나타낸 흐름도이다.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 상세히 설명한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예 따른 열전도성 플라스틱의 단면도이다.
도 2에 도시된 것과 같이 본 발명의 열전도성 플라스틱(100)은 기판상에 수직방향으로, 다발 상으로 성장된 탄소 나노튜브 정렬 체(110)와 상기 탄소 나노튜브 정렬 체(110)를 구성하는 개개의 탄소 나노튜브(111) 사이에 일정한 두께로 충전된 고분자 수지(120)를 포함하여 구성된다.
상기 탄소 나노튜브 정렬 체(110)는 탄소 나노튜브가 길이방향으로 열전도율이 높다는 점을 활용하기 위하여 수직방향으로 일정하게 정렬되어 성장되며, 그 성장시키는 형태는 도 3에 도시된 것과 같이 수직방향으로, 다발 상으로, 기둥 형상으로 성장시킬 수 있으며, 또한, 바람직하게는 도 4에 도시된 것과 같이 수직 방향으로, 다발 상으로, 브러쉬 형상으로 성장시킬 수 있다. (비특허문헌 1 참조)
여기서 탄소 나노튜브(111)의 평균직경은 5~20㎚로 형성될 수 있으나, 본 발명의 열전도성 플라스틱의 탄소 나노튜브의 밀집도를 올려서 그 함량을 높이기 위하여 5~ 10㎚가 바람직하다. 그리고 탄소 나노튜브(111)의 길이는 요구되는 제품의 사양에 따라 결정되며 5㎛ ~ 10㎜로 형성될 수 있다.
여기서 상기 탄소 나노튜브 정렬 체(110)는 실리콘 기판상에서 전이금속으로 Fe 촉매를 이용하여 성장될 수 있다.
그리고 상기 고분자 수지(120)는 5㎛~10㎜의 상하 두께로 충전될 수 있다.
상기 고분자 수지(120)는 열가소성 수지, 열가소성 탄성체와 가교 고무, 열경화성 수지를 포함한다.
상기 열가소성 고분자 수지는 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리비닐 크롤라이드, 폴리비닐리덴 크롤라이드, 폴리비닐 아세테이트, 폴리비닐 알코올, 폴리스티렌, 폴리메틸메타크릴레이트, 폴리아크릴산, 폴리메타크릴산, 폴리아크릴산 에스테르, 폴리에틸렌 테레프탈레이트, 폴리에틸렌 테레프탈레이트, 폴리카보네이트, 지방족 폴리아미드류, 방향족 폴리아미드류, 폴리아미드 이미드, 아이오노머로 구성된 그룹으로부터 선택된 1종 이상일 수 있다.
그리고 상기 열경화성 고분자 수지는 에폭시 수지, 페놀 수지, 폴리 이미드, 아미노 수지, 불포화 폴리에스테르 수지, 디알릴 프탈레이트 수지, 폴리이미드로 구성된 그룹으로부터 선택된 1종 이상일 수 있다.
그리고 상기 열가소성 탄성체와 가교 고무는 천연고무, 스티렌-부타디엔 공중합체, 폴리부타디엔 고무, 폴리이소프렌 고무, 에틸렌-프로필렌 공중합체, 이소부틸렌과 이소프렌 공중합체, 니트릴 고무, 아크릴 고무, 불소고무, 클로로프렌 고무, 실리콘 고무, 폴리우레탄로 구성된 그룹으로부터 선택된 1종 이상일 수 있다.
상기 고분자 수지 중 열전도성 플라스틱(100)에 바람직한 고분자 수지는 에폭시 수지, 불포화 폴리에스테르, 아미노수지, 아이오노머, 폴리스티렌, 폴리메틸메타크릴레이트, 폴리아크릴산, 폴리메타크릴산, 폴리아크릴산 에스테르, 폴리우레탄, 실리콘 고무 중에 선택된 1종이다.
상기 고분자 수지(120)는 액상인 경우는 경화제와 혼합하여 이형필름상에 일정 두께로 고분자 수지 필름을 형성하고, 열가소성 수지의 경우는 이형필름 사이에 고분자 수지를 놓고 핫 프레스로 가압하여 일정 두께로 고분자 수지 필름을 형성하거나, 또는, 고분자 수지를 광 중합한 후에 일정 두께로 고분자 수지 필름을 형성할 수 있다.
그 다음에 탄소 나노튜브 정렬 체(110)를 상기 고분자 수지 필름상에 올려놓고 0.02~ 0.2 ㎏/㎠압력으로 가압하여 상기 탄소 나노튜브 정렬 체(110)를 구성하는 개개의 탄소 나노튜브(111) 사이에 고분자 수지(120)가 충전되도록 하여 열전도성 플라스틱(100)을 형성한다. 상기 열전도성 플라스틱(100)은 제품의 요구에 따라서 5㎛ ~ 10㎜ 상하 두께로 제조될 수 있다.
다음으로, 열전도성 플라스틱 제조방법을 설명한다.
도 5는 열전도성 플라스틱 제조방법을 나타낸 흐름도이다.
도 5에 나타낸 것과 같이 열전도성 플라스틱 제조방법은 먼저 기판상에 수직방향으로 다발 상으로 카본 나노튜브를 성장시켜 카본 나노튜브 정렬 체(110)를 형성한다(S100).
상기 기판은 열전도성을 감안하여 실리콘으로 형성되는 것이 바람직하다.
본 발명에서 카본 나노튜브를 성장시키기 위한 전이금속으로 Fe를 이용하는 것이 바람직하다.
카본 나노튜브 정렬 체(110)는 카본 나노튜브가 길이 방향으로 열전도율이 뛰어나다는 점을 이용하기 위하여 모든 개개의 카본 나노튜브(111)가 동일방향인 수직방향으로 정렬된다. 바람직하게는 개개의 카본 나노튜브(111)가 브러쉬 형상으로 밀집정렬된다.
본 발명에서 밀집도를 높이기 위해서 개개의 카본 나노튜브(111)의 평균 직경이 성장시킬 수 있는 범위 내에서 가능한 한 가늘게 형성되도록 5~10㎚로 성장시킨다.
본 발명에서 카본 나노튜브 정렬 체(110)는 열전도도를 높이기 위하여 카본 나노튜브(111)의 총 중량이 열전도성 플라스틱의 총 중량의 50~98 wt% 되도록 밀집 정렬되며, 바람직하게는 카본 나노튜브(111)의 총 중량이 열전도성 플라스틱의 총 중량의 95~98 wt%되도록 밀집 정렬된다.
다음으로 고분자 수지(120)를 겔 상태로 일정 두께의 고분자 수지 필름으로 형성한다(S200).
상기 고분자 수지(120)는 액상인 경우는 경화제와 혼합하여,예를 들면 액상 에폭시 수지를 경화제인 디에틸렌테트라아민과 혼합하여, 이형필름상에 일정 두께로 도포하여 고분자 수지 필름을 형성하고, 열가소성 수지의 경우는, 예를 들면 폴리메틸메타아크릴레이트 경우는 이형필름 사이에 고분자 수지를 놓고 핫 프레스로 가압하여 일정 두께로 고분자 수지 필름을 형성하거나, 또는, 고분자 수지를 광 중합시킨 후에 일정 두께로 고분자 수지 필름을 형성할 수 있다.
광 중합하는 예를 들면 아크릴레이트 에폭시수지와 광 개시제인 2.2-디메톡시-2-페닐아세토페논을 혼합한 후 자외선-가시광선을 조사하여 광 중합된 에폭시수지를 20㎛ 두께의 고분자 필름으로 형성할 수 있고, 또 다른 예로 단량체 메틸메타아크릴레이트와 반응 개시 제인 아조비스이소부틸로니트릴과 광 개시제인 2-메틸-4-메톡시티오-2-모포리노-1-프로파논을 혼합한 후 자외선-가시광선을 조사하여 광 중합된 폴리메틸메타아크릴레이트를 20㎛ 두께의 고분자 수지 필름으로 형성할 수 있다.
다음으로 상기 카본 나노튜브 정렬 체(110)의 개개 카본 나노튜브(111) 사이에 상기 고분자 수지 필름이 충전되도록 카본 나노튜브 정렬 체(110)를 고분자 수지 필름상에 놓고 일정압력으로 가압하여 결합시킨다(S300).
여기서 상기 카본 나노튜브 정렬 체(110)를 상기 고분자 수지 필름상에 올려놓고 0.02~ 0.2 ㎏/㎠압력으로 가압하여 결합함으로써 열전도성 플라스틱(100)을 형성할 수 있다.
이하 구체적인 본 발명의 실시예를 비교예와 대비하여 더 설명한다.
<비교예 1>
액상 에폭시 수지인 YD128(국도화학사 제품)과 경화제인 디에틸렌테트라아민을 열전도성 플라스틱 총 중량의 93 wt%가 되도록 혼합하여 탈포한 후, 탄소 나노튜브 7 wt%와 혼합한 다음 상온에서 경화하였다. 열전도성 플라스틱은 가로 20mm × 세로 20mm × 두께 2mm의 열전도성 쉬트로 제조하였다
<비교예 2>
무게평균분자량이 100,000인 폴리메틸메타아크릴레이트를 열전도성 플라스틱 총 중량의 93 wt%가 되도록 용융 후 탄소 나노튜브 7 wt%와 혼합 후 핫 프레스로 가압하여 열전도성 플라스틱인 가로 20mm × 세로 20mm × 두께 2mm의 열전도성 쉬트를 마련하였다.
<실시예 1>
액상 에폭시수지인 YD128(국도화학)과 경화제인 디에틸렌테트라아민을 혼합하여 이형필름 위에 20㎛ 두께의 필름으로 성형한 후 에폭시 수지의 겔화 전에 기둥형 탄소 나노튜브를 0.02㎏/㎠으로 가압한 후 경화반응을 진행하였다. 탄소 나노튜브와 에폭시수지의 함량은 각각 95 wt%와 5wt%로 조절하였다. 열전도성 플라스틱은 가로 20mm × 세로 20mm × 두께 2mm의 열전도성 쉬트로 제조하였다.
<실시예 2>
무게평균분자량이 100,000인 폴리메틸메타아크릴레이트 양쪽에 이형필름을 놓고 120℃에서 핫 프레스로 가압하여 20㎛ 두께의 필름으로 성형한 후 기둥형 탄소 나노튜브를 0.1㎏/㎠으로 가압하여 열전도성 플라스틱을 제조하였다. 폴리메틸메타아크릴레이트의 필름두께는 이형필름두께와 핫 프레스의 압력의 변화를 통하여 조절하였다. 탄소 나노튜브의 함량은 열전도성 플라스틱 중량의 95 wt%로 조절하였다. 열전도성 플라스틱은 가로 20mm × 세로 20mm × 두께 2mm의 열전도성 쉬트로 제조하였다.
<실시예 3>
액상 에폭시수지인 YD128(국도화학)과 경화제인 디에틸렌테트라아민을 혼합하여 이형필름 위에 20㎛ 두께의 필름으로 성형한 후 에폭시 수지의 겔화 전에 브러쉬형 탄소 나노튜브를 0.02㎏/㎠으로 가압한 후 경화반응을 진행하였다. 탄소 나노튜브의 함량은 98 wt%로 조절하였다. 열전도성 플라스틱은 가로 20mm × 세로 20mm × 두께 2mm의 열전도성 쉬트로 제조하였다.
<실시예 4>
액상 에폭시수지인 YD128(국도화학)과 경화제인 디에틸렌테트라아민을 혼합하여 이형필름 위에 20㎛ 두께의 필름으로 성형한 후 에폭시 수지의 겔화 전에 브러쉬형 탄소 나노튜브를 0.02㎏/㎠으로 가압한 후 경화반응을 진행하였다. 탄소 나노튜브의 함량은 97 wt%로 조절하였다. 열전도성 플라스틱은 가로 20mm × 세로 20mm × 두께 2mm의 열전도성 쉬트로 제조하였다.
<실시예 5>
액상 에폭시수지인 YD128(국도화학)과 경화제인 디에틸렌테트라아민을 혼합하여 이형필름 위에 20㎛ 두께의 필름으로 성형한 후 에폭시 수지의 겔화 전에 브러쉬형 탄소 나노튜브를 0.02㎏/㎠으로 가압한 후 경화반응을 진행하였다. 탄소 나노튜브의 함량은 95 wt%로 조절하였다. 열전도성 플라스틱은 가로 20mm × 세로 20mm × 두께 2mm의 열전도성 쉬트로 제조하였다.
<실시예 6>
무게평균분자량이 100,000인 폴리메틸메타아크릴레이트 양쪽에 이형필름을 놓고 120℃에서 핫 프레스로 가압하여 20㎛ 두께의 필름으로 성형한 후 브러쉬형 탄소 나노튜브를 0.1㎏/㎠으로 가압하여 열전도성 플라스틱을 제조하였다. 폴리메틸메타아크릴레이트의 필름두께는 이형필름두께와 핫 프레스의 압력의 변화를 통하여 조절하였다. 탄소 나노튜브의 함량은 98wt%로 조절하였다. 열전도성 플라스틱은 가로 20mm × 세로 20mm × 두께 2mm의 열전도성 쉬트로 제조하였다.
<실시예 7>
무게평균분자량이 100,000인 폴리메틸메타아크릴레이트 양쪽에 이형필름을 놓고 120℃에서 핫 프레스로 가압하여 20㎛ 두께의 필름으로 성형한 후 브러쉬형 탄소 나노튜브를 0.1㎏/㎠으로 가압하여 열전도성 플라스틱을 제조하였다. 폴리메틸메타아크릴레이트의 필름두께는 이형필름두께와 핫 프레스의 압력의 변화를 통하여 조절하였다. 탄소 나노튜브의 함량은 97wt%로 조절하였다. 열전도성 플라스틱은 가로 20mm × 세로 20mm × 두께 2mm의 열전도성 쉬트로 제조하였다.
<실시예 8>
무게평균분자량이 100,000인 폴리메틸메타아크릴레이트 양쪽에 이형필름을 놓고 120℃에서 핫 프레스로 가압하여 20㎛ 두께의 필름으로 성형한 후 브러쉬형 탄소 나노튜브를 0.1㎏/㎠으로 가압하여 열전도성 플라스틱을 제조하였다. 폴리메틸메타아크릴레이트의 필름두께는 이형필름두께와 핫 프레스의 압력의 변화를 통하여 조절하였다. 탄소 나노튜브의 함량은 95wt%로 조절하였다. 열전도성 플라스틱은 가로 20mm × 세로 20mm × 두께 2mm의 열전도성 쉬트로 제조하였다.
<실시예 9>
아크릴레이트 에폭시수지와 광 개시제인 2.2-디메톡시-2-페닐아세토페논을 혼합 한 후 자외선-가시광선을 조사하여 광 중합된 에폭시수지를 20㎛ 두께의 필름으로 성형한 후, 120℃에서 브러쉬형 탄소 나노튜브를 0.2㎏/㎠으로 가압하여 열전도성 플라스틱을 제조하였다. 에폭시수지 필름 두께를 조절하여 탄소 나노튜브의 함량은 98 wt%로 조절하였다. 열전도성 플라스틱은 가로 20mm × 세로 20mm × 두께 2mm의 열전도성 쉬트로 제조하였다.
<실시예 10>
아크릴레이트 에폭시수지와 광개시제인 2.2-디메톡시-2-페닐아세토페논을 혼합 한 후 자외선-가시광선을 조사하여 광 중합된 에폭시수지를 20㎛ 두께의 필름으로 성형한 후, 120℃에서 브러쉬형 탄소 나노튜브를 0.2㎏/㎠으로 가압하여 열전도성 플라스틱을 제조하였다. 에폭시수지 필름 두께를 조절하여 탄소 나노튜브의 함량은 97 wt%로 조절하였다. 열전도성 플라스틱은 가로 20mm × 세로 20mm × 두께 2mm의 열전도성 쉬트로 제조하였다.
<실시예 11>
아크릴레이트 에폭시수지와 광 개시제인 2.2-디메톡시-2-페닐아세토페논을 혼합한 후 자외선-가시광선을 조사하여 광 중합된 에폭시수지를 20㎛ 두께의 필름으로 성형한 후, 120℃에서 브러쉬형 탄소 나노튜브를 0.2㎏/㎠으로 가압하여 열전도성 플라스틱을 제조하였다. 에폭시수지 필름 두께를 조절하여 탄소 나노튜브의 함량은 95 wt%로 조절하였다. 열전도성 플라스틱은 가로 20mm × 세로 20mm × 두께 2mm의 열전도성 쉬트로 제조하였다.
<실시예 12>
단량체 메틸메타아크릴레이트와 반응 개시 제인 아조비스이소부틸로니트릴과 광 개시제인 2-메틸-4-메톡시티오-2-모포리노-1-프로파논을 혼합한 후 자외선-가시광선을 조사하여 광 중합된 폴리메틸메타아크릴레이트를 20㎛ 두께의 필름으로 성형한 후, 120℃에서 브러쉬형 탄소 나노튜브를 0.1㎏/㎠으로 가압하여 열전도성 플라스틱을 제조하였다. 에폭시수지 필름 두께를 조절하여 탄소 나노튜브의 함량은 98 wt%로 조절하였다. 열전도성 플라스틱은 가로 20mm × 세로 20mm × 두께 2mm의 열전도성 쉬트로 제조하였다.
<실시예 13>
단량체 메틸메타아크릴레이트와 반응 개시 제인 아조비스이소부틸로니트릴과 광 개시제인 2-메틸-4-메톡시티오-2-모포리노-1-프로파논을 혼합한 후 자외선-가시광선을 조사하여 광 중합된 폴리메틸메타아크릴레이트를 20㎛ 두께의 필름으로 성형한 후, 120℃에서 브러쉬형 탄소 나노튜브를 0.1㎏/㎠으로 가압하여 열전도성 플라스틱을 제조하였다. 에폭시수지 필름 두께를 조절하여 탄소 나노튜브의 함량은 97 wt%로 조절하였다. 열전도성 플라스틱은 가로 20mm × 세로 20mm × 두께 2mm의 열전도성 쉬트로 제조하였다.
<실시예 14>
단량체 메틸메타아크릴레이트와 반응 개시 제인 아조비스이소부틸로니트릴과 광 개시제인 2-메틸-4-메톡시티오-2-모포리노-1-프로파논을 혼합한 후 자외선-가시광선을 조사하여 광 중합된 폴리메틸메타아크릴레이트를 20㎛ 두께의 필름으로 성형한 후, 120℃에서 브러쉬형 탄소 나노튜브를 0.1㎏/㎠으로 가압하여 열전도성 플라스틱을 제조하였다. 에폭시수지 필름 두께를 조절하여 탄소 나노튜브의 함량은 95 wt%로 조절하였다. 열전도성 플라스틱은 가로 20mm × 세로 20mm × 두께 2mm의 열전도성 쉬트로 제조하였다.
상기 비교예1, 2 및 실시예1~ 14에 대해서 열전도성 쉬트의 두께방향(수직방향) 열전도도 시험을 한 결과치가 아래 표 1에 나타나 있다.
구성 성분 열전도도(W/m.K)
탄소나노튜브 고분자
비교예 1 7 wt% 에폭시 수지 93 wt% 0.5
비교예 2 7 wt% 폴리메틸메타아크릴레이트 93 wt% 0.4
실시예 1 95 wt% 에폭시 수지 5 wt% 0.7
실시예 2 95 wt% 폴리메틸메타아크릴레이트 5 wt% 0.7
실시예 3 98 wt% 에폭시 수지 2 wt% 97
실시예 4 97 wt% 에폭시 수지 3 wt% 72
실시예 5 95 wt% 에폭시 수지 5 wt% 48
실시예 6 98 wt% 폴리메틸메타아크릴레이트 2 wt% 94.5
실시예 7 97 wt% 폴리메틸메타아크릴레이트 3 wt% 80
실시예 8 95 wt% 폴리메틸메타아크릴레이트 5 wt% 49.3
실시예 9 98 wt% 에폭시 수지 2 wt% 108
실시예 10 97 wt% 에폭시 수지 3 wt% 88
실시예 11 95 wt% 에폭시 수지 5 wt% 70
실시예 12 98 wt% 폴리메틸메타아크릴레이트 2 wt% 91.5
실시예 13 97 wt% 폴리메틸메타아크릴레이트 3 wt% 67.2
실시예 14 95 wt% 폴리메틸메타아크릴레이트 5 wt% 38
시험결과를 살펴보면, 비교예1,2는 열전도도가 각각 0.5W/m.K와 0.4 W/m.K로 매우 낮음을 알 수 있다.
탄소 나노튜브가 기둥 형상으로 정렬된 경우는 실시예1, 2를 통해서 알 수 있듯이 열전도도가 비교예1,2 보다는 높지만 그 차이가 크지 않다.
탄소 나노튜브가 브러쉬 형상으로 정렬된 경우 에폭시 수지를 사용한 경우에는 열경화한 것(실시예3,4,5)에 비해 광경화한 것(실시예9,10,11)이 열전도도가 높으며, 폴리메틸메타아크릴레이트를 사용한 경우에는 광경화한 것(실시예12,13,14)에 비해 열경화한 것(실시예6,7,8)이 열전도계수가 높다.
본 발명의 열전도성 플라스틱의 열전도도는 탄소 나노튜브의 정렬 형태에 의해 가장 큰 영향을 받으며, 탄소 나노튜브가 브러쉬 형태로 정렬된 경우가 바람직하다.
본 발명의 열전도성 플라스틱의 열전도도는 탄소 나노튜브의 정렬 형태 다음으로 탄소 나노튜브의 함량에 의해 영향을 받으며, 탄소 나노튜브의 함량이 열전도성 플라스틱의 총 중량의 95 ~ 98wt%인 경우가 바람직하다.
그리고 사용되는 고분자 수지 및 경화방법에 의해서도 영향을 받으나 그 정도는 탄소 나노튜브의 정렬 형태 및 탄소 나노튜브의 함량의 영향에 비해서 적다.
따라서 탄소 나노튜브함량을 높이면서 탄소 나노튜브를 브러쉬 형태로 정렬 하고, 에폭시 수지를 사용하여 광경화 방법으로 본 발명의 열전도성 플라스틱을 제조하는 것이 가장 바람직하다.
본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다.
100; 열전도성 플라스틱
110; 카본 나노튜브 정렬 체
111; 카본 나노튜브
120; 고분자 수지

Claims (14)

  1. 기판상에 수직방향으로, 다발 상으로 성장된 탄소 나노튜브 정렬 체(110)와; 상기 탄소 나노튜브 정렬 체(110)를 구성하는 개개의 탄소 나노튜브(111) 사이에 일정한 높이로 충전된 고분자 수지(120)를 포함하여 구성되는 정렬된 카본 나노튜브와 고분자 복합체를 사용한 열전도성 플라스틱.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 탄소 나노튜브 정렬 체(110)는 브러쉬 형상으로, 수직방향으로 정렬된 것인 정렬된 카본 나노튜브와 고분자 복합체를 사용한 열전도성 플라스틱.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 열전도성 플라스틱을 구성하는 탄소 나노튜브의 중량 비율이 상기 열전도성 플라스틱 전체 중량의 50 ~ 98wt%인 정렬된 카본 나노튜브와 고분자 복합체를 사용한 열전도성 플라스틱.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 고분자 수지(120)는 열가소성 고분자 수지인 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리비닐 크롤라이드, 폴리비닐리덴 크롤라이드, 폴리비닐 아세테이트, 폴리비닐 알코올, 폴리스티렌, 폴리메틸메타크릴레이트, 폴리아크릴산, 폴리메타크릴산, 폴리아크릴산 에스테르, 폴리에틸렌 테레프탈레이트, 폴리에틸렌 테레프탈레이트, 폴리카보네이트, 지방족 폴리아미드류, 방향족 폴리아미드류, 폴리아미드 이미드, 아이오노머로 구성된 그룹으로부터 선택된 1종 이상이거나,
    열경화성 고분자 수지인 에폭시 수지, 페놀 수지, 폴리 이미드, 아미노 수지, 불포화 폴리에스테르 수지, 디알릴 프탈레이트 수지, 폴리이미드로 구성된 그룹으로부터 선택된 1종 이상이거나,
    열가소성 탄성체와 가교 고무인 천연고무, 스티렌-부타디엔 공중합체, 폴리부타디엔 고무, 폴리이소프렌 고무, 에틸렌-프로필렌 공중합체, 이소부틸렌과 이소프렌 공중합체, 니트릴 고무, 아크릴 고무, 불소고무, 클로로프렌 고무, 실리콘 고무, 폴리우레탄로 구성된 그룹으로부터 선택된 1종 이상인 정렬된 카본 나노튜브와 고분자 복합체를 사용한 열전도성 플라스틱.
  5. 제 4항에 있어서,
    상기 고분자 수지(120)는 에폭시 수지, 불포화 폴리에스테르, 아미노수지, 아이오노머, 폴리스티렌, 폴리메틸메타크릴레이트, 폴리아크릴산, 폴리메타크릴산, 폴리아크릴산 에스테르, 폴리우레탄, 실리콘 고무 중에 선택된 1종인 정렬된 카본 나노튜브와 고분자 복합체를 사용한 열전도성 플라스틱.
  6. 제 2항에 있어서,
    상기 고분자 수지(120)는 열가소성 고분자 수지인 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리비닐 크롤라이드, 폴리비닐리덴 크롤라이드, 폴리비닐 아세테이트, 폴리비닐 알코올, 폴리스티렌, 폴리메틸메타크릴레이트, 폴리아크릴산, 폴리메타크릴산, 폴리아크릴산 에스테르, 폴리에틸렌 테레프탈레이트, 폴리에틸렌 테레프탈레이트, 폴리카보네이트, 지방족 폴리아미드류, 방향족 폴리아미드류, 폴리아미드 이미드, 아이오노머로 구성된 그룹으로부터 선택된 1종 이상이거나,
    열경화성 고분자 수지인 에폭시 수지, 페놀 수지, 폴리 이미드, 아미노 수지, 불포화 폴리에스테르 수지, 디알릴 프탈레이트 수지, 폴리이미드로 구성된 그룹으로부터 선택된 1종 이상이거나,
    열가소성 탄성체와 가교 고무인 천연고무, 스티렌-부타디엔 공중합체, 폴리부타디엔 고무, 폴리이소프렌 고무, 에틸렌-프로필렌 공중합체, 이소부틸렌과 이소프렌 공중합체, 니트릴 고무, 아크릴 고무, 불소고무, 클로로프렌 고무, 실리콘 고무, 폴리우레탄로 구성된 그룹으로부터 선택된 1종 이상인 정렬된 카본 나노튜브와 고분자 복합체를 사용한 열전도성 플라스틱.
  7. 제 6항에 있어서,
    상기 고분자 수지(120)는 에폭시 수지, 불포화 폴리에스테르, 아미노수지, 아이오노머, 폴리스티렌, 폴리메틸메타크릴레이트, 폴리아크릴산, 폴리메타크릴산, 폴리아크릴산 에스테르, 폴리우레탄, 실리콘 고무 중에 선택된 1종인 정렬된 카본 나노튜브와 고분자 복합체를 사용한 열전도성 플라스틱.
  8. 제 1항 내지 제 7항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 고분자 수지(120)의 수직방향 두께는 5㎛~10㎜인 정렬된 카본 나노튜브와 고분자 복합체를 사용한 열전도성 플라스틱.
  9. 제 1항 내지 제 7항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 열전도성 플라스틱의 열전도도는 70~110W/m.K인 정렬된 카본 나노튜브와 고분자 복합체를 사용한 열전도성 플라스틱.
  10. 제 1항 내지 제 7항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 열전도성 플라스틱의 수직방향 두께는 5㎛ ~ 10㎜인 정렬된 카본 나노튜브와 고분자 복합체를 사용한 열전도성 플라스틱.
  11. 기판상에 수직방향으로, 다발 상으로 카본 나노튜브를 성장시켜 카본 나노튜브 정렬 체를 형성하는 단계(S100)와;
    고분자 수지를 겔 상태로 일정 두께의 고분자 수지 필름으로 형성하는 단계(S200)와;
    상기 카본 나노튜브 정렬 체의 개개 카본 나노튜브 사이에 상기 고분자 수지 필름이 충전되도록 카본 나노튜브 정렬 체를 고분자 수지 필름상에 놓고 일정압력으로 가압하여 결합시키는 단계(S300)를 포함하는 정렬된 카본 나노튜브와 고분자 복합체를 사용한 열전도성 플라스틱 제조방법.
  12. 제 11항에 있어서,
    상기 기판상에 수직방향으로 다발 상으로 성장된 카본 나노튜브는 그 평균 직경이 5~10㎚인 정렬된 카본 나노튜브와 고분자 복합체를 사용한 열전도성 플라스틱 제조방법.
  13. 제 11항에 있어서,
    상기 고분자 수지를 겔 상태로 일정 두께의 고분자 수지 필름으로 형성하는 단계(S200)는 폴리메틸메타아크릴레이트 양쪽에 이형필름을 놓고 핫 프레스로 가압하여 일정 두께의 고분자 수지 필름을 형성하는 단계인 정렬된 카본 나노튜브와 고분자 복합체를 사용한 열전도성 플라스틱 제조방법.
  14. 제 11항에 있어서,
    상기 고분자 수지를 겔 상태로 일정 두께의 고분자 수지 필름으로 형성하는 단계(S200)는 에폭시수지와 광 개시제를 혼합한 후 자외선-가시광선을 조사하여 광 중합된 에폭시수지를 일정한 두께의 고분자 수지 필름으로 형성하는 단계인 정렬된 카본 나노튜브와 고분자 복합체를 사용한 열전도성 플라스틱 제조방법.


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