KR20150125300A - Methods for preparing thermally conductive carbon fillers - Google Patents

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KR20150125300A
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Abstract

The present invention relates to a method for producing a thermally conductive carbon-based filler. More specifically, the method comprises the steps of: producing a catalyst composition by adding organic acid, metal precursor, and a promoter in distilled water; producing a carbon-based compound dispersed liquid by adding and dispersing a surfactant and a carbon-based compound in distilled water; mixing the catalyst composition and the dispersed liquid; forming a metal catalyst by plasticizing the mixed solution, and adhering the metal catalyst on the carbon-based compound; and growing a carbon nanotube on a surface of the metal catalyst through chemical vapor deposition (CVD). The thermally conductive carbon-based filler has excellent thermal conductivity, and a carbon nanotube can be easily grown without using a separate carrier.

Description

열전도성 탄소계 필러의 제조방법{METHODS FOR PREPARING THERMALLY CONDUCTIVE CARBON FILLERS}METHODS FOR PREPARING THERMALLY CONDUCTIVE CARBON FILLERS [0002]

본 발명은 열전도성 탄소계 필러의 제조방법에 관한 것이다.
The present invention relates to a method for producing a thermally conductive carbon-based filler.

탄소나노튜브는 흑연 면이 말린 실린더 형태를 나타내며, 열적, 전기적 특성이 우수하다. 최근 들어 탄소나노튜브를 이용한 복합체의 연구 및 개발활동이 활발하게 진행되고 있으며, 열전도성 부재, 전자 방출소자, 전자소자, 센서 등의 소자에 많이 응용되고 있고, 물리적 성질이 우수하여 고강도 복합소재 등에 다양하게 사용되고 있다.Carbon nanotubes exhibit a cylindrical shape with a graphite surface, and are excellent in thermal and electrical properties. In recent years, research and development activities of composites using carbon nanotubes have been progressing actively, and they have been widely applied to devices such as thermally conductive members, electron emission devices, electronic devices, sensors, and the like. And is widely used.

이러한 탄소나노튜브는 통상 고가이기 때문에, 다양한 분야에 유용하게 적용하기 위해서는 탄소나노튜브를 값싸게 대량으로 합성할 것이 요구된다. 그러나 적은 함량의 탄소나노튜브로 원하는 열전도성 및 전기전도성을 얻기 위해서는 수지의 특성 및 가공조건뿐만 아니라 사용하는 탄소나노튜브 자체의 특성에 의해서도 큰 영향을 받게 된다. 따라서 고순도의 높은 생산성을 갖는 탄소나노튜브가 요구되며 이를 위한 촉매의 개발은 매우 중요하다.Since such carbon nanotubes are generally expensive, it is required to synthesize carbon nanotubes in a large amount at low cost in order to be useful in various fields. However, in order to obtain a desired thermal conductivity and electrical conductivity with a small amount of carbon nanotubes, the carbon nanotubes themselves are greatly affected by not only the characteristics of the resin and the processing conditions but also the properties of the carbon nanotubes themselves. Therefore, carbon nanotubes with high purity and high productivity are required, and development of catalysts for these is very important.

탄소나노튜브를 합성하는 방법으로는 일반적으로 전기방전법, 레이저 증착법, 고압기상법, 상압 열화학기상법 등이 있다. 이 중에서 전기방전법과 레이저 증발법은 원리가 간단하여 적용하기 쉬운 장점은 있으나 합성시 불순물이 많이 포함되며 대량생산에는 적합하지 않은 단점이 있다. 이에 반해 고순도 탄소나노튜브를 저비용으로 대량으로 합성하기 위한 방안으로 열화학 기상합성법이 가장 적당한 방법으로 알려져 있다.Methods for synthesizing carbon nanotubes generally include electric discharge, laser deposition, high pressure vapor deposition, and atmospheric pressure thermochemical vapor deposition. Among them, the electric discharge method and the laser evaporation method are simple and easy to apply, but they contain a lot of impurities in synthesis and are not suitable for mass production. On the other hand, thermochemical synthesis is the most suitable method for synthesizing high purity carbon nanotubes in large quantities at low cost.

열화학 기상합성법을 통해 나노튜브를 합성할 경우, 촉매가 매우 중요한 역할을 하게 된다. 예컨대, 전이금속의 종류와 조성비, 금속입자의 크기에 따라 탄소나노튜브의 성장이 달라지기 때문이다. 상기 전이금속으로는 Fe, Co, Ni 등이 사용되며 이를 담지체에 담지 시킴으로써 합성하게 된다. 구체적인 합성 방법으로는 촉매물질을 수용액상에서 균일하게 용해시키고 이를 pH의 조절을 통하여 담지체에 담지시키는 공침법 또는 용해시킨 용액을 건조 과정을 거친 후 다시 금속촉매의 균일한 담지를 위하여 연마시키고 이를 다시 700℃~900℃의 고온에서 6~10 시간의 장시간 소결(Calcination)시켜 합성하는 함침법 등이 있다. When synthesizing nanotubes through thermochemical synthesis, the catalyst plays a very important role. For example, the growth of carbon nanotubes varies depending on the type and composition ratio of the transition metal and the size of the metal particles. As the transition metal, Fe, Co, Ni or the like is used and supported on a carrier to synthesize the transition metal. As a specific synthesis method, a coprecipitation method in which a catalyst material is uniformly dissolved in an aqueous solution and is carried on a carrier through adjustment of the pH, or the dissolved solution is dried, then polished for uniformly carrying the metal catalyst again, And an impregnation method in which synthesis is performed by calcination at a high temperature of 700 ° C to 900 ° C for 6 to 10 hours for a long time.

담지체를 사용하는 방법으로 성장된 탄소나노튜브는 최종 결과물에 담지체가 포함되는데, 담지체 자체는 열전도 효율이 뛰어나지 않아, 탄소나노튜브의 효율을 저하시키는 문제가 있다. 즉, 열전도 효율의 향상과 탄소나노튜브 성장의 용이성을 모두 만족시키지는 못하고 있다.Carbon nanotubes grown by the method using a carrier include a carrier in the final product. However, the carrier itself does not have an excellent heat conduction efficiency and thus has a problem of deteriorating the efficiency of the carbon nanotubes. That is, the improvement of the heat conduction efficiency and the ease of growth of the carbon nanotubes are both unsatisfactory.

한국등록특허 제1094454호는 탄소나노튜브를 합성하기 위한 촉매 및 이에 따라 합성된 탄소나노튜브가 개시되어 있으나, 상기 요구하는 물성을 만족시키지는 못하고 있다.
Korean Patent No. 1094454 discloses a catalyst for synthesizing carbon nanotubes and carbon nanotubes synthesized thereby, but fails to satisfy the required properties.

한국등록특허 제1094454호Korean Patent No. 1094454

본 발명은 열전도성이 우수한 탄소계 필러의 제조방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.An object of the present invention is to provide a method for producing a carbon-based filler excellent in thermal conductivity.

본 발명은 별도의 담지체를 사용하지 않고도 탄소나노튜브의 성장이 용이한 탄소계 필러의 제조방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.It is an object of the present invention to provide a method for producing a carbon-based filler in which carbon nanotubes can be easily grown without using a separate carrier.

또한, 본 발명은 상기 제조방법에 의해 제조된 열전도성 탄소계 필러를 제공하는 것을 다른 목적으로 한다.Another object of the present invention is to provide a thermally conductive carbon-based filler produced by the above production method.

또한, 본 발명은 상기 열전도성 탄소계 필러를 포함하는 열전도성 부재를 제공하는 것을 다른 목적으로 한다.
Another object of the present invention is to provide a thermally conductive member comprising the thermally conductive carbon-based filler.

1. 증류수에 유기산, 금속 전구체 및 조촉매를 첨가하여 촉매 조성물을 제조하는 단계;1. preparing a catalyst composition by adding an organic acid, a metal precursor and a cocatalyst to distilled water;

증류수에 계면 활성제 및 탄소계 화합물을 첨가하여 분산시켜 탄소계 화합물 분산액을 제조하는 단계;Adding a surfactant and a carbon-based compound to distilled water and dispersing the dispersion to prepare a carbon-based compound dispersion;

상기 촉매 조성물과 상기 분산액을 혼합하는 단계;Mixing the catalyst composition and the dispersion;

상기 혼합 용액을 소성하여 금속 촉매를 형성하고 상기 금속 촉매를 상기 탄소계 화합물에 부착하는 단계; 및Firing the mixed solution to form a metal catalyst and attaching the metal catalyst to the carbon-based compound; And

화학기상증착(CVD)으로 상기 금속 촉매의 표면에 탄소나노튜브를 성장시키는 단계;Growing carbon nanotubes on the surface of the metal catalyst by chemical vapor deposition (CVD);

를 포함하는, 열전도성 탄소계 필러의 제조 방법.Based filler.

2. 위 1에 있어서, 상기 유기산은 시트르산, 이소시트르산 또는 이들의 혼합물인, 열전도성 탄소계 필러의 제조방법.2. The method for producing a thermally conductive carbon-based filler according to 1 above, wherein the organic acid is citric acid, isocitric acid or a mixture thereof.

3. 위 1에 있어서, 상기 금속 전구체는 Fe(NO3)3·9H2O, Ni(NO3)2·6H2O, CoSO4·7H2O 및 Cu(NO3)2·3H2O로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 하나인, 열전도성 탄소계 필러의 제조방법.3. The method of 1 above, wherein the metal precursor is Fe (NO 3) 3 · 9H 2 O, Ni (NO 3) 2 · 6H 2 O, CoSO 4 · 7H 2 O and Cu (NO 3) 2 · 3H 2 O Wherein at least one of the thermally conductive carbon-based fillers is at least one selected from the group consisting of silicon carbide and silicon carbide.

4. 위 1에 있어서, 상기 조촉매는 (NH4)2MoO4·4H2O, (NH4)6Mo7O24·4H2O 또는 이들의 혼합물인, 열전도성 탄소계 필러의 제조방법.4. The method for producing a thermally conductive carbon-based filler according to 1 above, wherein the co-catalyst is (NH 4 ) 2 MoO 4 .4H 2 O, (NH 4 ) 6 Mo 7 O 24 .4H 2 O, .

5. 위 1에 있어서, 상기 촉매 조성물 고형분 총 중량에 대하여, 유기산 70 내지 95중량%, 금속 전구체 1 내지 15중량%, 조촉매 1 내지 15중량%로 포함되는, 열전도성 탄소계 필러의 제조방법.5. The process for producing a thermally conductive carbon-based filler according to 1 above, wherein the catalyst composition comprises 70 to 95% by weight of an organic acid, 1 to 15% by weight of a metal precursor and 1 to 15% .

6. 위 1에 있어서, 상기 탄소계 화합물은 탄소나노플레이크, 팽창흑연, 가팽창흑연 또는 이들의 혼합물인, 열전도성 탄소계 필러의 제조방법.6. The method of producing a thermally conductive carbon-based filler according to item 1 above, wherein the carbon-based compound is carbon nano-flake, expanded graphite, expanded graphite or a mixture thereof.

7. 위 1에 있어서, 상기 계면 활성제는 도데실설폰산나트륨, 도데실벤젤설폰산나트륨, 세틸트리메틸암모늄브로마이드, 트라이톤 엑스백 및 폴리비닐피롤로 이루어진 군에서 선택된 적어도 하나인, 열전도성 탄소계 필러의 제조방법.7. The process for producing a thermally conductive carbon-based filler according to item 1, wherein the surfactant is at least one selected from the group consisting of sodium dodecylsulfonate, sodium dodecylbenzenesulfonate, cetyltrimethylammonium bromide, triton exabback and polyvinylpyrrole. Way.

8. 위 1에 있어서, 상기 탄소계 화합물 분산액에 포함되는 탄소계 화합물은 분산액 고형분 총 중량에 대하여, 50 내지 90중량%로 포함되는, 열전도성 탄소계 필러의 제조 방법.8. The method for producing a thermally conductive carbon-based filler according to 1 above, wherein the carbon-based compound contained in the carbon-based compound dispersion is contained in an amount of 50 to 90% by weight based on the total weight of the solid content of the dispersion.

9. 위 1 내지 8 중 어느 한 항에 따라 제조된 열전도성 탄소계 필러.9. A thermally conductive carbon-based filler produced according to any one of claims 1 to 8 above.

10. 위 9의 열전도성 탄소계 필러 및 상기 필러가 분산된 고분자 매트릭스를 포함하는 열전도성 부재.10. A thermally conductive member comprising the thermally conductive carbon-based filler of claim 9 and a polymer matrix in which the filler is dispersed.

11. 위 10에 있어서, 상기 고분자는 에폭시 수지, 불포화폴리에스터 수지, 폴리카보네이트 수지, 폴리에틸렌 수지, 폴리스티렌 수지, 폴리에틸렌 테레프탈레이트 수지, 폴리염화비닐 수지 및 폴리염화비닐리덴 수지로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 하나인, 열전도성 탄소계 필러의 제조방법.
11. The polymer of claim 10, wherein the polymer is at least one selected from the group consisting of an epoxy resin, an unsaturated polyester resin, a polycarbonate resin, a polyethylene resin, a polystyrene resin, a polyethylene terephthalate resin, a polyvinyl chloride resin and a polyvinylidene chloride resin Wherein the thermally conductive carbon-based filler is one of the thermally conductive carbon-based fillers.

본 발명은 우수한 열전도도가 매우 우수한 탄소계 필러를 제조할 수 있다.The present invention can produce a carbon-based filler having excellent thermal conductivity.

또한, 본 발명은 담지체를 사용하지 않고도 탄소나노튜브를 용이하게 성장시킬 수 있다.Further, the present invention can easily grow carbon nanotubes without using a carrier.

본 발명은 증류수에 유기산, 금속 전구체 및 조촉매를 첨가하여 촉매 조성물을 제조하는 단계; 증류수에 계면 활성제 및 탄소계 화합물을 첨가하여 분산시켜 탄소계 화합물 분산액을 제조하는 단계; 상기 촉매 조성물과 상기 분산액을 혼합하는 단계; 상기 혼합 용액을 소성하여 금속 촉매를 형성하고 상기 금속 촉매를 상기 탄소계 화합물에 부착하는 단계; 및 화학기상증착(CVD)으로 상기 금속 촉매의 표면에 탄소나노튜브를 성장시키는 단계를 포함함으로써, 열전도성이 뛰어나고, 별도의 담지체를 사용하지 않고도 탄소나노튜브를 용이하게 성장시킬 수 있는 열전도성 탄소계 필러의 제조방법에 관한 것이다.The present invention relates to a process for preparing a catalyst composition, which comprises preparing a catalyst composition by adding an organic acid, a metal precursor and a cocatalyst to distilled water; Adding a surfactant and a carbon-based compound to distilled water and dispersing the dispersion to prepare a carbon-based compound dispersion; Mixing the catalyst composition and the dispersion; Firing the mixed solution to form a metal catalyst and attaching the metal catalyst to the carbon-based compound; And growing the carbon nanotubes on the surface of the metal catalyst by chemical vapor deposition (CVD). Thus, the carbon nanotube can be easily grown without using a separate carrier, And a method for producing the carbon-based filler.

이하, 본 발명을 상세히 설명 한다.
Hereinafter, the present invention will be described in detail.

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촉매 조성물의 제조 단계Preparation of catalyst composition

먼저, 증류수에 유기산, 금속 전구체 및 조촉매를 순차로 첨가하여 촉매 조성물을 제조한다.First, an organic acid, a metal precursor and a cocatalyst are sequentially added to distilled water to prepare a catalyst composition.

유기산Organic acid

본 발명에 사용되는 유기산은 금속 전구체 및 조촉매의 용해를 돕고 pH를 조절하여 조성물의 침전을 방지하며, 조성물의 안정성을 향상시키는성분이다. The organic acid used in the present invention is a component that assists in dissolving the metal precursor and cocatalyst and prevents the precipitation of the composition by controlling pH and improves the stability of the composition.

본 발명에 사용되는 유기산의 종류는 그 기능을 하는 범위 내라면 특별히 한정되지 않으며, 예를 들면, 시트르산, 이소시트르산 등을 들 수 있으며, 이들은 단독으로 또는 2종 이상 혼합하여 사용될 수 있다.The kind of the organic acid used in the present invention is not particularly limited as long as it is within the range of its function, and examples thereof include citric acid and isocitric acid. These organic acids may be used singly or in combination of two or more.

상기 유기산의 함량은 특별히 한정되지 않으나, 예를 들면, 촉매 조성물 고형분 총 중량에 대하여, 70 내지 95 중량%로 포함될 수 있으며, 바람직하게는 80 내지 93중량%일 수 있다. 상기 범위를 만족하는 경우, 촉매 조성물의 성분들이 잘 용해되어 침전이 발생되지 않아 안정하게 유지될 수 있다.The content of the organic acid is not particularly limited and may be, for example, 70 to 95% by weight, and preferably 80 to 93% by weight based on the total weight of the solid content of the catalyst composition. When the above-mentioned range is satisfied, the components of the catalyst composition are dissolved well and the precipitate does not occur and can be stably maintained.

금속 전구체Metal precursor

본 발명에 사용되는 금속 전구체는 탄소나노튜브 성장을 돕는 금속 촉매 기능을 하는 성분이다.The metal precursor used in the present invention is a component that functions as a metal catalyst to help grow carbon nanotubes.

본 발명에 사용되는 금속 전구체의 종류는 그 기능을 하는 범위 내라면 특별히 한정되지 않으며, 예를 들면, Fe(NO3)3·9H2O, Ni(NO3)2·6H2O, CoSO4·7H2O, Cu(NO3)2·3H2O 등을 들 수 있으며, 이들은 단독으로 또는 2종 이상 혼합하여 사용될 수 있다.Type of metal precursor used in the present invention is not limited in particular if the range of the capabilities, for example, Fe (NO 3) 3 · 9H 2 O, Ni (NO 3) 2 · 6H 2 O, CoSO 4 · 7H 2 O, Cu (NO 3 ) 2 · 3H 2 O, etc. These may be used alone or in combination of two or more.

상기 금속 전구체의 함량은 특별히 한정되지 않으나, 예를 들면, 조성물 고형분 총 중량에 대하여, 1 내지 15 중량%로 포함될 수 있으며, 바람직하게는 0.5 내지 10중량%일 수 있다. 상기 범위를 만족하는 경우, 탄소나노튜브 성장을 효과적으로 조절 할 수 있으며, 금속 전구체가 조성물 중에 고르게 분포되어 균일한 물성(열전도성)을 나타낼 수 있다.The content of the metal precursor is not particularly limited, but may be, for example, 1 to 15% by weight, preferably 0.5 to 10% by weight based on the total weight of the solid content of the composition. When the above range is satisfied, the carbon nanotube growth can be effectively controlled, and the metal precursor can be uniformly distributed in the composition to exhibit uniform physical properties (thermal conductivity).

조촉매Co-catalyst

본 발명에 사용되는 조촉매는 촉매의 활성도를 조절하여 탄소나노튜브의 직경 및 수율를 제어하는 역할을 하는 성분이다.The co-catalyst used in the present invention is a component that controls the diameter and yield of carbon nanotubes by controlling the activity of the catalyst.

본 발명에 사용되는 조촉매의 종류는 그 기능을 하는 범위 내라면 특별히 한정되지 않으며, 예를 들면, 상기 조촉매는 (NH4)2MoO4·4H2O, (NH4)6Mo7O24·4H2O 등을 들 수 있으며, 이들은 단독으로 또는 2종 이상 혼합하여 사용될 수 있다.The co-catalyst used in the present invention is not particularly limited as long as its function is within the range of its function. For example, the co-catalyst includes (NH 4 ) 2 MoO 4 .4H 2 O, (NH 4 ) 6 Mo 7 O 24 · 4H 2 O, etc. These may be used alone or in combination of two or more.

상기 조촉매의 함량은 특별히 한정되지 않으나, 예를 들면, 조성물 고형분 총 중량에 대하여, 1 내지 15중량%로 포함될 수 있으며, 바람직하게는 0.5 내지 10중량%일 수 있다. 상기 범위를 만족하는 경우, 탄소나노튜브의 직경과 수율을 적정 범위로 유지할 수 있다.The content of the cocatalyst is not particularly limited, but may be, for example, 1 to 15% by weight, preferably 0.5 to 10% by weight, based on the total weight of the solid content of the composition. When the above range is satisfied, the diameter and the yield of the carbon nanotubes can be maintained in an appropriate range.

본 발명에 사용되는 촉매 조성물은 본 발명의 범위를 벗어나지 않는 한도 내에서, 상기 성분들 외에 필요에 따라 첨가제를 더 포함할 수 있다.The catalyst composition used in the present invention may further contain additives as needed in addition to the above components, provided that the scope of the present invention does not depart from the scope of the present invention.

상기 촉매 조성물 제조 단계의 수행 온도는 특별히 한정되지 않으나, 촉매 조성물에 포함되는 성분들의 용해성 향상 측면에서 30 내지 100 ℃일 수 있으며, 바람직하게는 45 내지 80 ℃일 수 있다. The temperature for carrying out the step of preparing the catalyst composition is not particularly limited, but may be from 30 to 100 ° C, preferably from 45 to 80 ° C, from the viewpoint of improving the solubility of the components contained in the catalyst composition.

또한, 상기 촉매 조성물 제조 단계의 수행 시간도 특별히 한정되지 않으나, 예를 들면, 10 내지 60분 동안 수행할 수 있다.
In addition, the time for carrying out the step of preparing the catalyst composition is not particularly limited, but may be, for example, 10 to 60 minutes.

탄소계 화합물 분산액 제조 단계Carbon-based compound dispersion preparation step

별도의 용기에 증류수를 넣고 계면 활성제 및 탄소계 화합물을 첨가하고 분산시켜 탄소계 화합물 분산액을 제조한다. Distilled water is put in a separate container, and a surfactant and a carbon-based compound are added and dispersed to prepare a carbon-based compound dispersion.

계면 활성제Surfactants

본 발명에 사용되는 계면 활성제는 조성물 내의 각 성분들을 효과적으로 분산시키는 성분으로, 금속 전구체 이온들의 안정성을 증가시켜 촉매의 응집을 막아 탄소계 화합물이 금속 촉매 사이사이에 고르게 부착될 수 있게 한다. 또한, 탄소나노튜브가 성장되는 촉매의 비표면적을 증가시켜. 별도의 담지체를 사용하지 않는 경우에도, 효과적으로 탄소나노튜브가 성장할 수 있게 한다. The surfactant used in the present invention is a component that effectively disperses the respective components in the composition, increasing the stability of the metal precursor ions and preventing agglomeration of the catalyst so that the carbon-based compound can be evenly adhered between the metal catalysts. Also, the specific surface area of the catalyst in which the carbon nanotubes are grown is increased. The carbon nanotubes can be effectively grown even when no separate carrier is used.

본 발명에 사용되는 계면 활성제의 종류는 그 기능을 하는 범위 내라면 특별히 한정되지 않으며, 예를 들면, 도데실설폰산나트륨, 도데실벤젤설폰산나트륨, 세틸트리메틸암모늄브로마이드, 트라이톤 엑스백 및 폴리비닐피롤 등을 들 수 있으며, 이들은 단독으로 또는 2종 이상 혼합하여 사용될 수 있다. 본 발명에 따른 계면 활성제의 시판되는 구체적인 예를 들면, 트라이톤 엑스백을 들 수 있다.The kind of the surfactant to be used in the present invention is not particularly limited as long as the function of the surfactant is within the range of its function. For example, sodium dodecylsulfonate, sodium dodecylbenzenesulfonate, cetyltrimethylammonium bromide, These may be used alone or in combination of two or more. Specific examples of commercially available surfactants according to the present invention include a Triton X-bag.

상기 계면 활성제의 함량은 특별히 한정되지 않으나, 예를 들면, 분산액 고형분 총 중량에 대하여, 10 내지 50중량%로 포함될 수 있으며, 바람직하게는 30 내지 40중량%일 수 있다. 계면활성제 함량이 10% 미만인 경우는 탄소계 화합물의 분산 안정성이 저하될 수 있으며, 50%를 초과할 경우는 소성시에 잔류물이 남아 열전도성이 저하될 수 있다. The content of the surfactant is not particularly limited and may be, for example, 10 to 50% by weight, and preferably 30 to 40% by weight based on the total weight of the solid matter of the dispersion. If the content of the surfactant is less than 10%, the dispersion stability of the carbon-based compound may be deteriorated. If the content of the surfactant is more than 50%, the thermal conductivity may be deteriorated due to residues remaining at the time of firing.

상기 분산 방법은 특별히 한정되지 않으나, 예를 들면, 초음파 장치(Sonic bath)에서 1분 내지 1시간 동안 통해 수행될 수 있다.The dispersion method is not particularly limited, but can be carried out, for example, for 1 minute to 1 hour in an ultrasonic apparatus (Sonic bath).

탄소계 화합물Carbon-based compound

본 발명에서 사용되는 탄소계 화합물은 필러의 열전도성을 더욱 향상시키기 위해 첨가되는 것으로서, 금속 촉매와 결합하여 촉매의 표면에 성장되는 탄소나노튜브와 함께 필러의 열 전도성을 향상시킨다.The carbon-based compound used in the present invention is added to further improve the thermal conductivity of the filler, and improves the thermal conductivity of the filler together with the carbon nanotubes grown on the surface of the catalyst in combination with the metal catalyst.

본 발명에서 사용하는 탄소계 화합물물은 탄소나노플레이크, 팽창흑연, 가팽창흑연 또는 이들의 혼합물일 수 있으며, 탄소나노플레이크는 그라펜, 산화그라펜 등을 포함할 수 있다.The carbon-based compound used in the present invention may be carbon nano-flake, expanded graphite, expanded graphite, or a mixture thereof, and the carbon nanoflake may include graphene, oxide graphene, and the like.

상기 탄소계 화합물의 함량은 특별히 한정되지 않으나, 예를 들면, 분산액 고형분 총 중량에 대하여, 50 내지 90중량%로 포함될 수 있으며, 바람직하게는 60 내지 70중량%일 수 있다. 상기 범위를 만족하는 경우, 조성물 내에서 고르게 분산되어 필러 형성의 열전도성을 더욱 향상시킬 수 있다. 다만, 90%를 초과할 경우 분산이 어렵고 조성물이 비균질하게 되어 열전도성 등의 물성이 다소 저하될 수 있다.The content of the carbon-based compound is not particularly limited and may be, for example, 50 to 90% by weight, and preferably 60 to 70% by weight based on the total weight of the solid matter of the dispersion. When the above range is satisfied, the thermal conductivity of the filler formation can be further improved by being evenly dispersed in the composition. However, if it exceeds 90%, dispersion is difficult and the composition becomes inhomogeneous and physical properties such as thermal conductivity may be lowered somewhat.

촉매 조성물과 분산액의 혼합 단계 Mixing of the catalyst composition and dispersion

이후, 상기 제조된 촉매 조성물과 탄소계 화합물 분산액을 혼합하는 단계를 수행한다.Thereafter, a step of mixing the prepared catalyst composition and the carbon-based compound dispersion is carried out.

상기 혼합 단계를 통해, 분산액 내의 계면 활성제가 분산된 탄소계 화합물의 표면에 금속 전구체가 인접할 수 있게 하며, 이 후, 소성 과정에서 탄소계 화합물의 표면에 금속 촉매가 적정 비율로 부착될 수 있게 한다.Through the mixing step, the metal precursor can be adjacent to the surface of the carbon-based compound in which the surfactant is dispersed in the dispersion. Thereafter, the metal catalyst can be adhered to the surface of the carbon- do.

상기 혼합 단계의 혼합비는 특별히 한정되지 않으며, 예를 들면, 촉매 조성물 100중량부에 대하여, 탄소계 화합물 분산액 180 내지 250중량부로 혼합될 수 있으며, 바람직하게는 200 내지 220중량부로 혼합되는 것이 좋다. 상기 범위를 만족하는 경우, 합성된 탄소나노튜브의 성장 밀도를 적절 범위로 유지함으로써 열전도성을 더욱 향상 시킬수 있다.The mixing ratio of the mixing step is not particularly limited and may be, for example, from 180 to 250 parts by weight, preferably from 200 to 220 parts by weight, based on 100 parts by weight of the catalyst composition. When the above range is satisfied, the thermal conductivity can be further improved by keeping the growth density of the synthesized carbon nanotube in a proper range.

금속 촉매 형성 및 탄소계 화합물과의 부착 단계Metal catalyst formation and adhesion with carbon-based compounds

본 발명은 상기 촉매 조성물과 탄소계 화합물의 혼합 용액을 소성하여 금속 촉매를 형성하고, 상기 금속 촉매를 상기 탄소계 화합물에 부착하는 단계를 포함한다.The present invention includes a step of firing a mixed solution of the catalyst composition and the carbon-based compound to form a metal catalyst, and attaching the metal catalyst to the carbon-based compound.

상기 단계에서 소성 과정을 통해 조성물 내에 금속 전구체들이 금속 촉매로 결정화되고, 탄소계 화합물의 표면에 금속 촉매가 적정 비율로 부착될 수 있으며, 이로써, 금속 촉매에 자체에 의한 열전도율 저하를 방지 할 수 있는 것으로 판단된다. 또한, 탄소계 화합물과 금속 촉매의 계면 사이에서 탄소나노튜브가 성장하여 연결고리역할을 함으로써, 제조된 필러의 열전도성도 현저히 향상시킬 수 있는 것으로 판단된다.In the above step, the metal precursors are crystallized in the composition as a metal catalyst and the metal catalyst is adhered to the surface of the carbon-based compound at a proper ratio through the firing process, thereby preventing the metal catalyst from lowering the thermal conductivity by itself . In addition, since the carbon nanotubes grow between the interface of the carbon-based compound and the metal catalyst to function as a linking ring, the thermal conductivity of the prepared filler can be remarkably improved.

한편, 소성 과정시 조성물 내의 증류수는 증발하여 최종 형성된 복합체 내에 남아있지 않게 된다. On the other hand, the distilled water in the composition during the calcination process does not evaporate and remain in the final formed composite.

상기 소성 온도는 300 내지 500 ℃이며, 바람직하게는 400 내지 450 ℃일 수 있다. 소성 온도가 상기 범위를 만족함으로써, 탄소계 화합물의 산화에 의한 손상을 방지할 수 있다.The firing temperature is 300 to 500 ° C, preferably 400 to 450 ° C. When the firing temperature satisfies the above range, damage due to oxidation of the carbon-based compound can be prevented.

본 발명은 상기 소성 과정을 거친 복합체를 건조하는 단계를 더 포함할 수 있으며, 건조 단계 이후에 분말 형태의 복합체를 믹서기를 사용하여 분쇄하는 단계를 더 포함할 수 있다.The present invention may further include drying the composite subjected to the calcination process, and may further include a step of grinding the powdery composite by using a blender after the drying step.

탄소나노튜브 성장 단계Carbon nanotube growth stage

본 발명은 상기 제조된 금속 촉매 표면에 화학기상증착(CVD) 공정으로 탄소나노튜브를 성장시키는 단계를 포함한다.The present invention includes a step of growing carbon nanotubes on the surface of the metal catalyst by chemical vapor deposition (CVD).

상기 단계에서, 금속 촉매 표면에 탄소나노튜브가 형성되는데, 상기 금속 촉매는 탄소계 화합물에 부착되어 있는 바, 탄소계 화합물의 표면에서도 탄소나노튜브가 성장될 수 있다.In this step, carbon nanotubes are formed on the surface of the metal catalyst. Since the metal catalyst is attached to the carbon-based compound, carbon nanotubes can be grown on the surface of the carbon-based compound.

상기 단계의 화학기상증착(CVD)은 탄소나노튜블 성장시키기 위해 사용되는 통상적인 방법으로, 상기 공정에서 사용되는 탄소원자 공급원은 메탄, 에틸렌, 아세틸렌, LPG 등의 탄화수소가스 또는 이들의 혼합가스 등이 사용될 수 있으나, 이에 한정되지는 않는다.
The chemical vapor deposition (CVD) in the above step is a conventional method used for growing carbon nanotubes. The carbon atom source used in the above process is a hydrocarbon gas such as methane, ethylene, acetylene, LPG, But is not limited thereto.

<< 열전도성Thermal conductivity 부재> Absence>

또한, 본 발명은 전술한 본 발명의 제조 방법에 따라 제조된 열전도성 필러 및 상기 필러가 분산된 고분자 매트릭스를 포함하는 열전도성 부재에 관한 것이다.The present invention also relates to a thermally conductive member comprising the thermally conductive filler produced according to the production method of the present invention and the polymer matrix in which the filler is dispersed.

본 발명에 사용되는 고분자는 열전도성 필러의 분산이 용이한 것이라면, 그 종류는 특별히 한정되지 않으나, 예를 들면, 에폭시 수지, 불포화폴리에스터 수지, 폴리카보네이트 수지, 폴리에틸렌 수지, 폴리스티렌 수지, 폴리에틸렌 테레프탈레이트 수지, 폴리염화비닐 수지, 폴리염화비닐리덴 수지 등을 들 수 있으며, 열전도성 향상의 측면에서 에폭시계 수지를 사용하는 것이 바람직하다.The polymer used in the present invention is not particularly limited as long as the thermally conductive filler can be easily dispersed. Examples of the polymer include epoxy resin, unsaturated polyester resin, polycarbonate resin, polyethylene resin, polystyrene resin, polyethylene terephthalate Resins, polyvinyl chloride resins, polyvinylidene chloride resins, and the like, and it is preferable to use an epoxy resin in terms of improving the thermal conductivity.

본 발명의 열전도성 부재는 전자기기의 방열부재, 밧데리 케이스, 전자 기기 케이스, 방열판 등에 적용될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. The thermally conductive member of the present invention can be applied to a heat dissipation member of an electronic device, a battery case, an electronic device case, a heat sink, and the like, but is not limited thereto.

이하, 본 발명의 이해를 돕기 위하여 바람직한 실시예를 제시하나, 이들 실시예는 본 발명을 예시하는 것일 뿐 첨부된 특허청구범위를 제한하는 것이 아니며, 본 발명의 범주 및 기술사상 범위 내에서 실시예에 대한 다양한 변경 및 수정이 가능함은 당업자에게 있어서 명백한 것이며, 이러한 변형 및 수정이 첨부된 특허청구범위에 속하는 것도 당연한 것이다.
It is to be understood that both the foregoing general description and the following detailed description of the present invention are exemplary and explanatory and are intended to be illustrative of the invention and are not intended to limit the scope of the claims. It will be apparent to those skilled in the art that such variations and modifications are within the scope of the appended claims.

실시예Example  And 비교예Comparative Example

실시예Example 1  One

2L의 비커에 증류수 800㎖를 넣고 50℃로 가온한 후, 상기 비커에 시트르산 6.061g, Fe(NO3)3·9H2O 0.258g, (NH4)2MoO4·4H2O 0.438g을 순서대로 투입하고, 용해될 때까지 20분간 교반하여 촉매 조성물을 제조하였다.800 ml of distilled water was placed in a 2 L beaker, and the mixture was heated to 50 캜. Then, 6.061 g of citric acid, 0.258 g of Fe (NO 3 ) 3 .9H 2 O and 0.438 g of (NH 4 ) 2 MoO 4 .4H 2 O And the mixture was stirred for 20 minutes to dissolve to prepare a catalyst composition.

이후, 별도의 1L의 비커에 증류수 400㎖를 넣고 50℃로 가온한 후, 상기 비커에 도데실설폰산나트륨 10g 투입하고, 완전히 용해될 때까지 약 10분간 교반한 후, 그라펜나노플레이트(GNP) 19.2g을 첨가하고 10분간 Bath sonic에서 분산시켰다.Thereafter, 400 ml of distilled water was added to a separate 1-liter beaker, and the mixture was heated to 50 ° C, 10 g of sodium dodecylsulfonate was added to the beaker, stirred for about 10 minutes until completely dissolved, Was added and dispersed in a bath sonic for 10 minutes.

이후, 촉매 조성물과 분산액을 혼합하여 15분동안 교반하였다.Thereafter, the catalyst composition and dispersion were mixed and stirred for 15 minutes.

상기 혼합액을 전기로에 투입하고, 전기로의 온도를 450℃로 설정한 후, 450℃에서 1시간 동안 연소하였다. 1시간이 경과한 후, 전기로 내부의 내용물을 철제 보트에 부어주고, 상온에서 건조하여 분말형태의 촉매를 얻었다.The mixed solution was charged into an electric furnace, and the temperature of the electric furnace was set to 450 DEG C, followed by combustion at 450 DEG C for 1 hour. After one hour, the contents inside the electric furnace were poured into an iron boat and dried at room temperature to obtain a powdery catalyst.

상기 분말형태의 촉매를 화학기상챔버에 투입하고 900℃로 승온하였다. 이후, 수소와 메탄의 혼합가스를 챔버 내에 투입하여 금속 촉매 표면에 탄소나노튜브를 성장시켜 탄소계 필러를 제조하였다.The powdery catalyst was put in a chemical vapor chamber and heated to 900 ° C. Then, a mixed gas of hydrogen and methane was injected into the chamber to grow carbon nanotubes on the surface of the metal catalyst to produce a carbon-based filler.

에폭시 수지[(상품명: 주제(KFR-120), 경화제(KFH-150), 혼합비율 (주제: 경화제 = 4g: 1.5g 제조사: 국도화학)] 5.5g에 상기 제조된 탄소계 필러 4.5g를 페이스트 믹서를 이용하여 1시간 동안 분산시킨 후에 직경 25mm, 1.5 mm의 시편제조용 금형에 넣고, 고온 프레스를 이용하여 70 기압하에서 80도로 15분간 반경화를 한 후 기포제거를 위해 압력을 제거한 후 다시 80도, 70 기압으로 1시간 동안 완전 경화시켜 열전도 측정용 시편(In-Plane)을 제조하였다.4.5 g of the carbon-based filler prepared above was added to 5.5 g of an epoxy resin (trade name: KFR-120, a hardener (KFH-150), and a mixing ratio (subject: hardener = 4 g: 1.5 g, After dispersing for 1 hour using a mixer, it was put into molds for the preparation of specimens with diameters of 25 mm and 1.5 mm. The molds were semi-cured at 70 ° C under a pressure of 80 ° C for 15 minutes using a hot press, , And completely cured at 70 atmospheric pressure for 1 hour to prepare a thermal conductivity measurement specimen (In-Plane).

실시예Example 2 2

계면 활성제로 도데실설폰산나트륨 대신 세틸트리메틸암모늄브로마이드를 사용한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 열전도측정용 시편을 제조하였다.A specimen for thermal conductivity measurement was prepared in the same manner as in Example 1, except that cetyltrimethylammonium bromide was used instead of sodium dodecylsulfonate as a surfactant.

실시예Example 3 3

탄소계 화합물로 그라펜나노플레이크 대신 팽창흑연을 사용한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 열전도측정용 시편을 제조하였다.A specimen for thermal conductivity measurement was prepared in the same manner as in Example 1, except that expanded graphite was used instead of graphene nanoflake as the carbon-based compound.

비교예Comparative Example 1 One

에폭시 수지[(상품명: 주제(KFR-120), 경화제(KFH-150), 혼합비율 (주제:경화제=4g:1.5g 제조사: 국도화학)] 5.5g에 그라펜나노플레이크 4.5g를 페이스트 믹서를 이용하여 1시간 동안 분산시킨 후에 직경 25mm, 1.5 mm의 시편제조용 금형에 넣고, 고온 프레스를 이용하여 70 기압하에서 80도로 15분간 반경화를 한 후 기포제거를 위해 압력을 제거한 후 다시 80도, 70 기압으로 1시간 동안 완전 경화시켜 열전도 측정용 시편(In-Plane)을 제조하였다.4.5 g of graphene nanoflakes was added to 5.5 g of epoxy resin [trade name: KFR-120 (trade name), hardener (KFH-150), mixing ratio (subject: hardener = 4 g: 1.5 g, After the mixture was dispersed for 1 hour, it was put into molds for the preparation of specimens of 25 mm and 1.5 mm in diameter. The molds were semi-cured at 70 ° C under a pressure of 70 at 80 ° C for 15 minutes. (In-Plane) for thermal conductivity measurement was prepared by fully curing at atmospheric pressure for 1 hour.

비교예Comparative Example 2 2

그라펜나노플레이크 대신에 팽창 흑연을 사용한 것을 제외하고 비교예 1과 동일한 방법으로 열전도측정용 시편을 제조하였다. Specimens for thermal conductivity measurement were prepared in the same manner as in Comparative Example 1 except that expanded graphite was used instead of graphene nanoflake.

시험방법Test Methods

열전도성Thermal conductivity 평가 시험 Evaluation test

실시예 및 비교예에서 제조한 열전도 측정용 시편을 Netzsch사 모델명 LFA 457를 이용하여 열전도율(W/mK)을 측정하였으며, 그 결과 값을 하기 표 1에 나타내었다.Thermal conductivity (W / mK) was measured using Netzsch LFA 457 specimens for thermal conductivity measurement prepared in Examples and Comparative Examples, and the results are shown in Table 1 below.

구분division 열전도성Thermal conductivity 실시예 1Example 1 35.235.2 실시예 2Example 2 32.332.3 실시예 3Example 3 25.125.1 비교예 1Comparative Example 1 17.517.5 비교예 2Comparative Example 2 10.610.6

표 1을 참고하면, 본 발명에 따라 제조된 시편은(실시예 1 내지 3) 계면 활성제를 사용함으로써, 별도의 담지체 없이도 탄소계 화합물과 촉매의 표면에 탄소나노튜브 성장이 용이하여, 우수한 열전도성을 나타내는 것을 확인할 수 있었다.With reference to Table 1, using the surfactant (Examples 1 to 3) prepared according to the present invention, the carbon nanotubes were easily grown on the surface of the carbon-based compound and the catalyst without a separate carrier, It was confirmed that it represents the city.

반면, 단순히 탄소계 화합물만을 사용한 비교예 1 및 2의 경우, 실시예들에 비하여 열전도성이 현저히 저하된 것을 확인할 수 있었다
On the other hand, in the case of Comparative Examples 1 and 2 using only the carbon-based compound, it was confirmed that the thermal conductivity was significantly lowered compared with the examples

Claims (11)

증류수에 유기산, 금속 전구체 및 조촉매를 첨가하여 촉매 조성물을 제조하는 단계;
증류수에 계면 활성제 및 탄소계 화합물을 첨가하여 분산시켜 탄소계 화합물 분산액을 제조하는 단계;
상기 촉매 조성물과 상기 분산액을 혼합하는 단계;
상기 혼합 용액을 소성하여 금속 촉매를 형성하고 상기 금속 촉매를 상기 탄소계 화합물에 부착하는 단계; 및
화학기상증착(CVD)으로 상기 금속 촉매의 표면에 탄소나노튜브를 성장시키는 단계;
를 포함하는, 열전도성 탄소계 필러의 제조 방법.
Adding an organic acid, a metal precursor and a cocatalyst to distilled water to prepare a catalyst composition;
Adding a surfactant and a carbon-based compound to distilled water and dispersing the dispersion to prepare a carbon-based compound dispersion;
Mixing the catalyst composition and the dispersion;
Firing the mixed solution to form a metal catalyst and attaching the metal catalyst to the carbon-based compound; And
Growing carbon nanotubes on the surface of the metal catalyst by chemical vapor deposition (CVD);
Based filler.
청구항 1에 있어서, 상기 유기산은 시트르산, 이소시트르산 또는 이들의 혼합물인, 열전도성 탄소계 필러의 제조방법.
The method of producing a thermally conductive carbon-based filler according to claim 1, wherein the organic acid is citric acid, isocitric acid, or a mixture thereof.
청구항 1에 있어서, 상기 금속 전구체는 Fe(NO3)3·9H2O, Ni(NO3)2·6H2O, CoSO4·7H2O 및 Cu(NO3)2·3H2O로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 하나인, 열전도성 탄소계 필러의 제조방법.
The method according to claim 1, wherein the metal precursor is composed of Fe (NO 3) 3 · 9H 2 O, Ni (NO 3) 2 · 6H 2 O, CoSO 4 · 7H 2 O and Cu (NO 3) 2 · 3H 2 O Lt; RTI ID = 0.0 &gt; 1, &lt; / RTI &gt;
청구항 1에 있어서, 상기 조촉매는 (NH4)2MoO4·4H2O, (NH4)6Mo7O24·4H2O 또는 이들의 혼합물인, 열전도성 탄소계 필러의 제조방법.
The method of producing a thermally conductive carbon-based filler according to claim 1, wherein the co-catalyst is (NH 4 ) 2 MoO 4 .4H 2 O, (NH 4 ) 6 Mo 7 O 24 .4H 2 O, or a mixture thereof.
청구항 1에 있어서, 상기 촉매 조성물 고형분 총 중량에 대하여, 유기산 70 내지 95중량%, 금속 전구체 1 내지 15중량%, 조촉매 1 내지 15중량%로 포함되는, 열전도성 탄소계 필러의 제조방법.
The method of producing a thermally conductive carbon-based filler according to claim 1, comprising 70 to 95% by weight of an organic acid, 1 to 15% by weight of a metal precursor, and 1 to 15% by weight of a cocatalyst, based on the total weight of the solid content of the catalyst composition.
청구항 1에 있어서, 상기 탄소계 화합물은 탄소나노플레이크, 팽창흑연, 가팽창흑연 또는 이들의 혼합물인, 열전도성 탄소계 필러의 제조방법.
The method of manufacturing a thermally conductive carbon-based filler according to claim 1, wherein the carbon-based compound is carbon nano-flake, expanded graphite, expanded graphite, or a mixture thereof.
청구항 1에 있어서, 상기 계면 활성제는 도데실설폰산나트륨, 도데실벤젤설폰산나트륨, 세틸트리메틸암모늄브로마이드, 트라이톤 엑스백 및 폴리비닐피롤로 이루어진 군에서 선택된 적어도 하나인, 열전도성 탄소계 필러의 제조방법.
The method of producing a thermally conductive carbon-based filler according to claim 1, wherein the surfactant is at least one selected from the group consisting of sodium dodecylsulfonate, sodium dodecylbenzenesulfonate, cetyltrimethylammonium bromide, Triton X-bag and polyvinylpyrrole.
청구항 1에 있어서, 상기 탄소계 화합물 분산액에 포함되는 탄소계 화합물은 분산액 고형분 총 중량에 대하여, 50 내지 90중량%로 포함되는, 열전도성 탄소계 필러의 제조 방법.
The method of producing a thermally conductive carbon-based filler according to claim 1, wherein the carbon-based compound contained in the carbon-based compound dispersion is contained in an amount of 50 to 90% by weight based on the total weight of the solid content of the dispersion.
청구항 1 내지 8 중 어느 한 항에 따라 제조된 열전도성 탄소계 필러.
A thermally conductive carbon-based filler produced according to any one of claims 1 to 8.
청구항 9의 열전도성 탄소계 필러 및 상기 필러가 분산된 고분자 매트릭스를 포함하는 열전도성 부재.
A thermally conductive member comprising the thermally conductive carbon-based filler of claim 9 and a polymer matrix in which the filler is dispersed.
청구항 10에 있어서, 상기 고분자는 에폭시 수지, 불포화폴리에스터 수지, 폴리카보네이트 수지, 폴리에틸렌 수지, 폴리스티렌 수지, 폴리에틸렌 테레프탈레이트 수지, 폴리염화비닐 수지 및 폴리염화비닐리덴 수지로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 하나인, 열전도성 탄소계 필러의 제조방법.
[Claim 11] The method of claim 10, wherein the polymer is at least one selected from the group consisting of an epoxy resin, an unsaturated polyester resin, a polycarbonate resin, a polyethylene resin, a polystyrene resin, a polyethylene terephthalate resin, a polyvinyl chloride resin and a polyvinylidene chloride resin , A method for producing a thermally conductive carbon-based filler.
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