KR20160021061A - 전도성 복합체 및 이의 제조 방법 - Google Patents

전도성 복합체 및 이의 제조 방법 Download PDF

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Abstract

전도성 복합체 및 전도성 복합체의 제조 방법에 관한 것이다.

Description

전도성 복합체 및 이의 제조 방법{CONDUCTIVE COMPOSITE AND PREPARING METHOD THEREOF}
본원은, 전도성 복합체 및 상기 전도성 복합체의 제조 방법에 관한 것이다.
고분자 재료는 일반적으로 가격이 저렴하고, 금속 또는 세라믹 재료에 비하여 가공성과 취급성이 우수한 것으로 알려져 있다. 이러한 특성으로 인하여 산업분야에서뿐만 아니라 일상 생활에서도 기존에 적용되던 다른 재료들을 점차 고분자 재료로 대체하여 왔다. 그러나, 단일상의 고분자 재료만으로 금속 또는 세라믹 재료가 가진 고유한 특성들(예를 들면, 전기전도성, 열전도성, 자성 등)을 대체하는 데에는 한계가 있다. 이러한 문제를 극복하고, 고분자 재료가 가진 장점을 살리면서 동시에 고분자 자체와는 다른 특성을 가진 재료를 구현하는 방법으로서 고분자 매트릭스에 부여하고자 하는 특성을 갖는 충전재를 분산시켜서 복합체를 형성하는 방법이 사용되고 있다.
예를 들면, 절연체인 고분자에 전기전도성 충전재를 분산시킴으로써 전도성 복합체를 만들 수 있다. 전기전도성 충전재로서 카본블랙, 탄소나노튜브, 그래핀, 또는 미세금속입자 등을 예로 들 수 있으며, 이들 중 하나 또는 둘 이상을 에폭시 또는 우레탄 등 잘 알려진 고분자 매트릭스에 분산시키면 전기전도성을 띠면서 동시에 고분자 매트릭스의 특성을 갖는 복합체를 구현할 수 있다. 상기 방법으로 목적에 따라 적당한 충전재를 사용하면 매트릭스의 자기적, 전기적, 및 광학적 특성들도 조절할 수 있다. 산업이 발달하면서 다양한 형태와 특성을 가진 복합체에 대한 수요가 늘어나고, 이를 충족시키기 위한 충전재의 종류는 점점 더 다양해지고 있으며, 그 수도 늘어나고 있다. 그러나, 이러한 고분자 매트릭스에 충전재를 분산시켜서 상기 특성을 보유하는 복합체를 구현하는 방법을 실행하는 과정에서 몇 가지 문제점들이 있다.
직면하는 문제 중의 하나로는, 상기 특성이 발현되도록 하기 위해서는 충전재의 투입량을 일정 수준(threshold value) 이상으로 증가시켜야 하는데, 상기 충전재의 투입량이 늘어날수록 복합체의 무게가 증가한다는 문제점이 있다. 상기 문제는 금속 재료를 충전재로 사용하는 복합체의 경우에 두드러진다. 현대에 빠른 속도로 발전하고 있는 전자 및 자동차 산업에서 신규하게 개발되는 제품 및 부품이 갖추어야 할 특징으로서 경량화가 필수 조건이라는 점을 고려하면, 고분자 복합체의 적용 영역을 더 확대하고 주요 산업의 경쟁력을 높이기 위해서, 가볍고 높은 성능의 충전재 개발을 통해 복합체에서의 충전재 투입량을 줄이려는 노력이 필요하다.
고분자 매트릭스에 금속 충전재를 사용하여 복합체를 제조하는데 있어서의 다른 문제점은 매트릭스에 충전재를 분산시키는 과정에 있다. 이것은 일반적으로 저비중의 고분자 매트릭스와 고비중의 금속 충전재의 심한 비중의 차이에 기인한다. 매트릭스 내에 분산시킨 금속 충전재 입자들이 시간이 지나면서 서로 엉기거나 액상의 매트릭스 아래로 가라앉아 특성이 변질되는 문제가 나타난다. 상기 문제를 해결하는 방법으로서, 매트릭스와 친화도가 높은 유기분자를 금속의 표면에 부착한 형태의 충전재를 제조하여 사용하는 방법이 있으나, 충전재 제조에 필요한 공정이 증가하여 생산성이 떨어지는 문제점이 있다.
또 다른 문제는 고분자 매트릭스에 투입하는 충전재의 양을 증가시킬수록 복합체의 특성이 충전재의 고유 특성에 가까워지지만 매트릭스의 고유 특성은 점점 잃게 된다는 것이다. 그러나, 복합체에서 개발하고자 하는 것은 그 복합체를 구성하는 주요 성분들, 말하자면 충전재와 매트릭스 각각의 고유한 특성을 동시에 가지는 일체화된 하나의 새로운 재료를 얻는 것이다. 다수의 다른 성분으로 이루어지는 복합재료에서 일부 성분의 경우 미량으로써 재료의 물성을 충분히 조절할 수 있는 경우도 있으나, 그렇지 못한 경우도 있다. 후자의 예로서, 절연체인 고분자 매트릭스에 전도성 충전재를 투입하여 전기전도성을 띤 복합체를 구현하는 경우를 들 수 있다. 접착성이 있는 매트릭스에 금속성 충전재를 퍼콜레이션 문턱 값(percolation threshold) 이상으로 투입할 경우 복합체의 전기전도성은 급격히 증가한 후 완만한 증가세가 지속되지만, 매트릭스의 접착성은 충전재 투입량의 증가와 함께 지속적으로 저하된다. 따라서, 이 경우도 앞선 경량화 문제의 경우와 마찬가지로 매트릭스의 기본 특성의 저하를 최소화하면서 전기전도성을 극대화하는 조성의 설계가 바람직하다.
대부분의 고분자 기반 전기전도성 접착제의 경우 전도성 충전재로서 은(Ag) 입자 또는 은이 도금된 구리(Cu) 입자가 사용되고 있다. 이런 형태의 복합체의 경우 전체 복합체의 중량에서 전도성 충전재가 차지하는 비중은 70 중량% 내지 85 중량%로 매우 높은 수준이다. 따라서, 상기 언급한 문제들의 해결을 위해서뿐만 아니라 고가인 은(Ag)의 사용량을 줄임으로써 제품의 가격을 낮출 수 있는 방안이 절실히 요구된다. 산업 분야에서 고분자 기반 전도성 복합체의 적용 영역의 확대를 위해서는 가볍고 성능이 우수하며 동시에 가격이 저렴한 전도성 충전재의 개발이 필요하다.
한편, 대한민국 공개특허 제2004-0005993호는 하나 이상의 비전도성 상과 내부에 분포된 전도성 입자로 구성된 매트릭스를 포함하는 복합재료로 제조된 용접 슬랫에 대해서 개시하고 있다.
이에, 본원은 전도성 복합체 및 전도성 복합체의 제조 방법을 제공하고자 한다.
그러나, 본원이 해결하고자 하는 과제는 이상에서 언급한 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본원의 제 1 측면은, 매트릭스에 분산된, 비전도성 중공미세입자 및 전도성 충전재를 포함하는, 전도성 복합체로서, 압력을 가하거나 열처리에 의하여 상기 전도성 복합체에 포함된 상기 비전도성 중공미세입자 및 전도성 충전재가 팽창 또는 변형된 것인, 전도성 복합체를 제공한다.
본원의 제 2 측면은, 전도성 충전재 및 비전도성 중공미세입자를 매트릭스의 분산액에 분산시켜 액상의 혼합물을 수득하고; 상기 액상의 혼합물을 열처리하여 상기 비전도성 중공미세입자를 팽창 또는 변형시키고; 및 상기 열처리된 혼합물을 건조 및/또는 경화시키는 것을 포함하는, 전도성 복합체의 제조 방법을 제공한다.
본원의 제 3 측면은, 전도성 충전재 및 비전도성 중공미세입자를 매트릭스의 분산액에 분산시켜 액상의 혼합물을 수득하고; 및 상기 액상의 혼합물을 건조 및/또는 경화 중에 압력을 가하거나 열처리하여 상기 비전도성 중공미세입자 및 전도성 충전재를 팽창 또는 변형시키는 것을 포함하는, 전도성 복합체의 제조 방법을 제공한다.
전술한 과제 해결 수단 중 어느 하나에 의하면, 고분자 기반의 전도성 복합체에서 금속 충전재의 투입량을 줄여서 제품의 무게를 줄임으로써 제품 취급성을 향상시키고 경량화가 요구되는 제품의 적용성을 향상시킬 수 있다. 또한, 저비중의 전도성 충전재를 적용함으로써 기존의 금속 충전재의 문제점이던 매트릭스와의 큰 비중 차이로 인한 충전재 분산의 기술적 어려움을 해결할 수 있고, 고가의 금속 사용량을 최소화하여 최종 제품의 원가를 낮출 수 있다. 또한, 기존과 동일한 전기전도성 복합체를 구현하는데 있어서, 기존 대비 소량의 충전재를 사용하여 다량의 충전재 투입에 따른 매트릭스의 고유 특성을 상실하는 기존 기술의 문제점을 해결할 수 있다.
도 1은, 본원의 일 구현예에 있어서, 비전도성 중공미세입자의 구조를 나타내는 이미지이다.
도 2는, 본원의 일 구현예에 있어서, 코어-쉘 형태의 전도성 충전재의 구조를 나타내는 이미지이다.
도 3은, 본원의 일 구현예에 있어서, 가열 전 전도성 복합체의 구조를 나타내는 이미지이다.
도 4는, 본원의 일 구현예에 있어서, 가열 후 전도성 복합체의 구조를 나타내는 이미지이다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본원이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본원의 실시예를 상세히 설명한다. 그러나 본원은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본원을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.
본원 명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 "연결"되어 있다고 할 때, 이는 "직접적으로 연결"되어 있는 경우뿐 아니라, 그 중간에 다른 소자를 사이에 두고 "전기적으로 연결"되어 있는 경우도 포함한다.
본원 명세서 전체에서, 어떤 부재가 다른 부재 "상에" 위치하고 있다고 할 때, 이는 어떤 부재가 다른 부재에 접해 있는 경우뿐 아니라 두 부재 사이에 또 다른 부재가 존재하는 경우도 포함한다.
본원 명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성 요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성 요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
본원 명세서 전체에서 사용되는 정도의 용어 "약", "실질적으로" 등은 언급된 의미에 고유한 제조 및 물질 허용오차가 제시될 때 그 수치에서 또는 그 수치에 근접한 의미로 사용되고, 본원의 이해를 돕기 위해 정확하거나 절대적인 수치가 언급된 개시 내용을 비양심적인 침해자가 부당하게 이용하는 것을 방지하기 위해 사용된다.
본원 명세서 전체에서 사용되는 정도의 용어 "~(하는) 단계" 또는 "~의 단계"는 "~를 위한 단계"를 의미하지 않는다.
본원 명세서 전체에서, 마쿠시 형식의 표현에 포함된 "이들의 조합(들)"의 용어는 마쿠시 형식의 표현에 기재된 구성 요소들로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상의 혼합 또는 조합을 의미하는 것으로서, 상기 구성 요소들로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상을 포함하는 것을 의미한다.
본원 명세서 전체에서, "A 및/또는 B"의 기재는, "A 또는 B, 또는 A 및 B"를 의미한다.
이하, 본원의 구현예를 상세히 설명하였으나, 본원이 이에 제한되지 않을 수 있다.
본원의 제 1 측면은, 매트릭스에 분산된, 비전도성 중공미세입자 및 전도성 충전재를 포함하는, 전도성 복합체로서, 압력을 가하거나 열처리에 의하여 상기 전도성 복합체에 포함된 상기 비전도성 중공미세입자 및 전도성 충전재가 팽창 또는 변형된 것인, 전도성 복합체를 제공한다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 전도성 복합체는, 상기 전도성 충전재 및 상기 비전도성 중공미세입자를 매트릭스의 분산액에 분산시켜 형성된 액상 혼합물을 건조 및/또는 경화하는 과정에서 압력을 가하거나 열처리하여 상기 비전도성 및 상기 전도성 중공미세입자가 팽창 또는 변형된 것이다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 비전도성 중공미세입자는 팽창(expandable) 또는 변형 가능한(deformable) 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다. 상기 팽창(expandable) 또는 변형 가능한(deformable) 비전도성 중공미세입자는 모양의 변형이 용이한 충전재 입자로서 입자의 가운데에 빈 공간을 가진 고분자 입자로서, 열을 가하여 쉽게 팽창시킬 수 있으며, 고분자 재질로서 기계적인 압력 하에서도 쉽게 부서지지 않고, 가운데 빈 공간을 가지고 있어 같은 재질의 속이 찬 형태의 입자에 비하여 모양의 변형이 용이하고 팽창 가능할 수 있다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 전도성 충전재는 전기전도성 또는 열전도성을 가지는 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 비전도성 중공미세입자는 무기물 또는 고분자를 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다. 예를 들어, 상기 무기물 또는 고분자는 유리, 알루미나, 실리카, 지르코니아, 실리콘나이트라이드(SiN), 실리콘카바이드(SiC), 폴리에틸렌, 아크릴레이트, 또는 폴리메틸 메타크릴레이트(PMMA)를 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 전도성 충전재는, 금(Au), 은(Ag), 구리(Cu), 백금(Pt), 팔라듐(Pd), 알루미늄(Al), 니켈(Ni), 철(Fe), 망간(Mn), 코발트(Co), 및 이들의 조합들로 이루어진 군으로부터 선택되는 것; 또는, 카본블랙, 카본나노튜브, 그래핀, 또는 전도성 고분자를 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다. 예를 들어, 상기 전도성 고분자는, 폴리에틸렌다이옥시티오펜, 폴리아세틸렌, 폴리피롤, 폴리아닐린, 폴리티오펜, 폴리(3,4-에틸렌디옥시티오펜), 폴리(3,4-알킬렌디옥시티오펜), 폴리(3,4-디알킬티오펜), 폴리(3,4-디알콕시티오펜), 폴리(3,4-시클로알킬티오펜), 및 이들의 조합들로 이루어진 군으로부터 선택되는 것을 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 전도성 충전재의 크기는 약 50 μm 이하인 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다. 예를 들어, 상기 전도성 충전재의 크기는 약 50 μm 이하, 약 0.01 μm 내지 약 50 μm, 약 0.01 μm 내지 약 45 μm, 약 0.01 μm 내지 약 40 μm, 약 0.01 μm 내지 약 35 μm, 약 0.01 μm 내지 약 30 μm, 약 0.01 μm 내지 약 25 μm, 약 0.01 μm 내지 약 20 μm, 약 0.01 μm 내지 약 15 μm, 약 0.01 μm 내지 약 10 μm, 약 10 μm 내지 약 50 μm, 약 15 μm 내지 약 50 μm, 약 20 μm 내지 약 50 μm, 약 25 μm 내지 약 50 μm, 약 30 μm 내지 약 50 μm, 약 35 μm 내지 약 50 μm, 약 40 μm 내지 약 50 μm, 또는 약 45 μm 내지 약 50 μm 일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 전도성 복합체 약 100 중량부에 대하여 상기 전도성 충전재 및 상기 비전도성 미세중공입자 각각의 함량이 약 1 내지 약 60 중량부일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다. 예를 들어, 상기 전도성 복합체 약 100 중량부에 대하여 상기 전도성 충전재의 중량부는 약 1 내지 약 60 중량부, 약 1 내지 약 50 중량부, 약 1 내지 약 40 중량부, 약 1 내지 약 30 중량부, 약 1 내지 약 20 중량부, 약 1 내지 약 10 중량부, 약 10 내지 약 60 중량부, 약 10 내지 약 50 중량부, 약 10 내지 약 40 중량부, 약 10 내지 약 30 중량부, 약 10 내지 약 20 중량부, 약 20 내지 약 60 중량부, 약 20 내지 약 50 중량부, 약 20 내지 약 40 중량부, 약 20 내지 약 30 중량부, 약 30 내지 약 60 중량부, 약 30 내지 약 50 중량부, 약 30 내지 약 40 중량부, 약 40 내지 약 60 중량부, 또는 약 40 내지 50 중량부일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 매트릭스는, 아교, 젤라틴, 알부민, 카세인, 전분, 셀룰로오스, 복합다당류, 라텍스, 폴리비닐아세테이트, 비닐계, 아크릴계, 에틸렌비닐아세테이트 공중합체, 폴리염화비닐, 폴리스타이렌, 폴리카보네이트, 폴리에스터, 폴리아마이드, 폴리설폰, 폴리이미드, 폴리비닐리덴 플루오라이드(PVDF), 폴리에테르 에테르케톤(PEEK), 요소 수지, 에폭시 수지, 우레탄 수지 (또는 폴리우레탄), 폴리클로로프렌, 스티렌 부타디엔 고무, 폴리이소부틸렌, 실리콘 수지, 에폭시 변성 실리콘 수지, 및 이들의 조합들로 이루어진 군으로부터 선택되는 것을 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다.
예를 들어, 상기 매트릭스의 분산액은 상기 매트릭스 성분을 적절한 용매에 용해 또는 분산시킨 것으로서, 상기 용매는 물, 저급 알콜, 또는 적절한 유기 용매 (비제한적 예: 케톤류 등)를 포함할 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 전도성 충전재 및 상기 비전도성 중공미세입자를 매트릭스에 분산시켜 형성된 액상 혼합물을 건조 및/또는 경화하는 과정에서 열처리는 약 150℃ 이하에서 수행되는 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다. 예를 들어, 상기 열처리 온도의 범위는 약 150℃ 이하, 상온 내지 약 150℃, 상온 내지 약 140℃, 상온 내지 약 130℃, 상온 내지 약 120℃, 상온 내지 약 110℃, 상온 내지 약 100℃, 또는 상온 내지 약 80℃일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다.
예를 들어, 상기 건조 및/또는 경화 온도의 범위는 약 150℃ 이하, 상온 내지 약 150℃, 상온 내지 약 140℃, 상온 내지 약 130℃, 상온 내지 약 120℃, 상온 내지 약 110℃, 상온 내지 약 100℃, 또는 상온 내지 약 80℃일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다. 예를 들어, 상기 매트릭스가 폴리우레탄을 포함하는 경우, 상기 건조 및/또는 경화의 적정 온도는 약 150℃ 이하, 상온 내지 약 150℃, 상온 내지 약 140℃, 상온 내지 약 130℃, 상온 내지 약 120℃, 상온 내지 약 110℃, 상온 내지 약 100℃, 약 40℃ 내지 약 150℃, 약 40℃ 내지 약 140℃, 약 40℃ 내지 약 130℃, 약 40℃ 내지 약 120℃, 약 40℃ 내지 약 110℃, 또는 약 40℃ 내지 약 100℃ 일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다. 예를 들어, 상기 매트릭스가 에폭시 변성 실리콘을 포함하는 경우, 상기 건조 및/또는 경화의 적정 온도는 약 150℃ 이하, 상온 내지 약 150℃, 상온 내지 약 140℃, 상온 내지 약 130℃, 상온 내지 약 120℃, 상온 내지 약 110℃, 상온 내지 약 100℃, 약 40℃ 내지 약 150℃, 약 40℃ 내지 약 140℃, 약 40℃ 내지 약 130℃, 약 40℃ 내지 약 120℃, 약 40℃ 내지 약 110℃, 약 40℃ 내지 약 100℃, 약 60℃ 내지 약 150℃, 약 60℃ 내지 약 140℃, 약 60℃ 내지 약 130℃, 약 60℃ 내지 약 120℃, 약 80℃ 또는 약 80℃ 초과 내지 약 150℃, 약 80℃ 또는 약 80℃ 초과 내지 약 140℃, 약 80℃ 또는 약 80℃ 초과 내지 약 130℃, 약 80℃ 또는 약 80℃ 초과 내지 약 120℃, 약 90℃ 내지 약 150℃, 약 90℃ 내지 약 140℃, 약 90℃ 내지 약 130℃, 약 90℃ 내지 약 120℃, 약 100℃ 내지 약 150℃, 약 100℃ 내지 약 140℃, 약 100℃ 내지 약 130℃, 또는 약 100℃ 내지 약 120℃일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 전도성 복합체는 상기 전도성 복합체의 퍼콜레이션 문턱값(percolation threshold)이 감소된 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다. 퍼폴레이션 문턱값이란, 전도성 충전재를 포함하는 코팅제에서, 전도성 충전재 함량을 낮은 값에서 높은 값으로 점차 높여갈 때 상기 코팅제가 전기 부도체에서 전도체로 전이하는 지점의 전도성 충전제의 함량을 나타내는 지점을 말한다. 이러한 퍼콜레이션 문턱값이 낮을수록, 전도성 충전재 함량이 낮은 전도성 코팅제의 구현이 가능하며, 이것은 상대적으로 낮은 가격의 제품 생산이 가능하다는 것을 의미할 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 전도성 복합체는 전도성 접착제, 전도성 잉크, 전자파차폐용 코팅제, 전도성 실링제, 또는 전도성 현장 성형 가스켓(formed in place gasket)에 이용되는 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다.
본원의 제 2 측면은, 전도성 충전재 및 비전도성 중공미세입자를 매트릭스의 분산액에 분산시켜 액상의 혼합물을 수득하고; 상기 액상의 혼합물을 열처리하여 상기 비전도성 중공미세입자를 팽창 또는 변형시키고; 및 상기 열처리된 혼합물을 건조 및/또는 경화시키는 것을 포함하는, 전도성 복합체의 제조 방법을 제공한다.
본원의 제 1 측면과 중복되는 부분들에 대해서는 상세한 설명을 생략하였으나, 본원의 제 1 측면에 대해 설명한 내용은 본원의 제 2 측면에서 그 설명이 생략되었더라도 동일하게 적용될 수 있다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 기재된 건조 및/또는 경화에서 용제가 있는 경우에는 건조(용제 증발) 및 매트릭스의 경화가 동시에 수행되고, 용제가 없는 경우는 경화가 수행되는 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 열처리는 약 150℃ 이하의 온도에서 수행되는 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다. 예를 들어, 상기 열처리 온도의 범위는 약 150℃ 이하, 상온 내지 약 150℃, 상온 내지 약 140℃, 상온 내지 약 130℃, 상온 내지 약 120℃, 상온 내지 약 110℃, 상온 내지 약 100℃, 또는 상온 내지 약 80℃일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 건조 및/또는 경화는 약 150℃ 이하의 온도에서 수행되는 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다. 예를 들어, 상기 건조 및/또는 경화 온도의 범위는 약 150℃ 이하, 상온 내지 약 150℃, 상온 내지 약 140℃, 상온 내지 약 130℃, 상온 내지 약 120℃, 상온 내지 약 110℃, 상온 내지 약 100℃, 또는 상온 내지 약 80℃일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 전도성 복합체의 건조 및/또는 경화 온도는 사용되는 매트릭스로서 사용되는 물질의 종류 및/또는 특성에 따라 건조 및/또는 경화의 적정 온도가 존재할 수 있으며, 예를 들어, 상기 매트릭스가 폴리우레탄을 포함하는 경우, 상기 건조 및/또는 경화의 적정 온도는 약 150℃ 이하, 상온 내지 약 150℃, 상온 내지 약 140℃, 상온 내지 약 130℃, 상온 내지 약 120℃, 상온 내지 약 110℃, 상온 내지 약 100℃, 약 40℃ 내지 약 150℃, 약 40℃ 내지 약 140℃, 약 40℃ 내지 약 130℃, 약 40℃ 내지 약 120℃, 약 40℃ 내지 약 110℃, 또는 약 40℃ 내지 약 100℃ 일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다. 예를 들어, 상기 매트릭스가 에폭시 변성 실리콘을 포함하는 경우, 상기 건조 및/또는 경화의 적정 온도는 약 150℃ 이하, 상온 내지 약 150℃, 상온 내지 약 140℃, 상온 내지 약 130℃, 상온 내지 약 120℃, 상온 내지 약 110℃, 상온 내지 약 100℃, 약 40℃ 내지 약 150℃, 약 40℃ 내지 약 140℃, 약 40℃ 내지 약 130℃, 약 40℃ 내지 약 120℃, 약 40℃ 내지 약 110℃, 약 40℃ 내지 약 100℃, 약 60℃ 내지 약 150℃, 약 60℃ 내지 약 140℃, 약 60℃ 내지 약 130℃, 약 60℃ 내지 약 120℃, 약 80℃ 또는 약 80℃ 초과 내지 약 150℃, 약 80℃ 또는 약 80℃ 초과 내지 약 140℃, 약 80℃ 또는 약 80℃ 초과 내지 약 130℃, 약 80℃ 또는 약 80℃ 초과 내지 약 120℃, 약 90℃ 내지 약 150℃, 약 90℃ 내지 약 140℃, 약 90℃ 내지 약 130℃, 또는 약 90℃ 내지 약 120℃, 약 100℃ 내지 약 150℃, 약 100℃ 내지 약 140℃, 약 100℃ 내지 약 130℃, 또는 약 100℃ 내지 약 120℃일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 매트릭스는, 셀룰로오스, 라텍스, 폴리비닐아세테이트, 비닐계, 아크릴계, 에틸렌비닐아세테이트 공중합체, 폴리염화비닐, 폴리스타이렌, 폴리카보네이트, 폴리에스터, 폴리아마이드, 폴리설폰, 폴리이미드, 폴리비닐리덴 플루오라이드(PVDF), 폴리에테르 에테르케톤(PEEK), 요소 수지, 에폭시 수지, 우레탄 수지 (또는 폴리우레탄), 폴리클로로프렌, 스티렌 부타디엔 고무, 폴리이소부틸렌, 실리콘 수지, 에폭시 변성 실리콘 수지, 및 이들의 조합들로 이루어진 군으로부터 선택되는 것을 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다.
예를 들어, 상기 매트릭스의 분산액은 상기 매트릭스 성분을 적절한 용매에 용해 또는 분산시킨 것으로서, 상기 용매는 물, 저급 알콜, 또는 적절한 유기 용매 (비제한적 예: 케톤류 등)를 포함할 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 액상의 혼합물은 첨가제로서 증점제, 산화방지제, 또는 계면활성제를 추가 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다. 예를 들어, 상기 증점제, 상기 산화방지제, 또는 상기 계면활성제는 상기 제조 과정 중 중공미세입자 및 전도성 충전재와 함께 투입되어 매트릭스의 분산액에 분산시켜 제조할 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 액상의 혼합물은 기재 상에 도포되는 것을 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다. 예를 들어, 상기 기재는, 아크릴로니트릴-부타디엔-스티렌수지(ABS), 벌크몰딩컴파운드(BMC), 시트몰딩컴파운드(SMC), 섬유강화플라스틱(FRP), 폴리프로필렌(PP), 폴리페닐렌옥사이드(PPO), 폴리스타이렌(PS), 반응사출성형(RIM), 열경화성수지, 폴리카보네이트, 및 이들의 조합들로 이루어진 군으로부터 선택되는 것을 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다. 또한, 예를 들어, 상기 도포는 분사 또는 코팅에 의해서 수행되는 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 전도성 복합체 약 100 중량부에 대하여 상기 전도성 충전재 및 상기 비전도성 미세중공입자 각각의 함량이 약 1 내지 약 60 중량부일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다. 예를 들어, 상기 전도성 복합체 약 100 중량부에 대하여 상기 전도성 충전재의 중량부는 약 1 내지 약 60 중량부, 약 1 내지 약 50 중량부, 약 1 내지 약 40 중량부, 약 1 내지 약 30 중량부, 약 1 내지 약 20 중량부, 약 1 내지 약 10 중량부, 약 10 내지 약 60 중량부, 약 10 내지 약 50 중량부, 약 10 내지 약 40 중량부, 약 10 내지 약 30 중량부, 약 10 내지 약 20 중량부, 약 20 내지 약 60 중량부, 약 20 내지 약 50 중량부, 약 20 내지 약 40 중량부, 약 20 내지 약 30 중량부, 약 30 내지 약 60 중량부, 약 30 내지 약 50 중량부, 약 30 내지 약 40 중량부, 약 40 내지 약 60 중량부, 또는 약 40 내지 50 중량부일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다.
본원의 제 3 측면은, 전도성 충전재 및 비전도성 중공미세입자를 매트릭스의 분산액에 분산시켜 액상의 혼합물을 수득하고; 및 상기 액상의 혼합물을 건조 및/또는 경화 중에 압력을 가하거나 열처리하여 상기 비전도성 중공미세입자 및 전도성 충전재를 팽창 또는 변형시키는 것을 포함하는, 전도성 복합체의 제조 방법을 제공한다.
본원의 제 1 측면과 중복되는 부분들에 대해서는 상세한 설명을 생략하였으나, 본원의 제 1 측면에 대해 설명한 내용은 본원의 제 3 측면에서 그 설명이 생략되었더라도 동일하게 적용될 수 있다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 기재된 건조 및/또는 경화에서 용제가 있는 경우에는 건조(용제 증발) 및 매트릭스의 경화가 동시에 수행되고, 용제가 없는 경우는 경화가 수행되는 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 건조 및/또는 경화는 약 150℃ 이하의 온도에서 수행되는 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 건조 및/또는 경화하는 과정에서 열처리는 150℃ 이하에서 수행되는 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다. 예를 들어, 상기 건조 및/또는 경화 온도의 범위는 약 150℃ 이하, 상온 내지 약 150℃, 상온 내지 약 140℃, 상온 내지 약 130℃, 상온 내지 약 120℃, 상온 내지 약 110℃, 상온 내지 약 100℃, 또는 상온 내지 약 80℃일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 전도성 복합체의 건조 및/또는 경화 온도는 사용되는 매트릭스로서 사용되는 물질의 종류 및/또는 특성에 따라 건조 및/또는 경화의 적정 온도가 존재할 수 있으며, 예를 들어, 상기 매트릭스가 폴리우레탄을 포함하는 경우, 상기 건조 및/또는 경화의 적정 온도는 약 150℃ 이하, 상온 내지 약 150℃, 상온 내지 약 140℃, 상온 내지 약 130℃, 상온 내지 약 120℃, 상온 내지 약 110℃, 상온 내지 약 100℃, 약 40℃ 내지 약 150℃, 약 40℃ 내지 약 140℃, 약 40℃ 내지 약 130℃, 약 40℃ 내지 약 120℃, 약 40℃ 내지 약 110℃, 또는 약 40℃ 내지 약 100℃ 일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다. 예를 들어, 상기 매트릭스가 에폭시 변성 실리콘을 포함하는 경우, 상기 건조 및/또는 경화의 적정 온도는 약 150℃ 이하, 상온 내지 약 150℃, 상온 내지 약 140℃, 상온 내지 약 130℃, 상온 내지 약 120℃, 상온 내지 약 110℃, 상온 내지 약 100℃, 약 40℃ 내지 약 150℃, 약 40℃ 내지 약 140℃, 약 40℃ 내지 약 130℃, 약 40℃ 내지 약 120℃, 약 40℃ 내지 약 110℃, 약 40℃ 내지 약 100℃, 약 60℃ 내지 약 150℃, 약 60℃ 내지 약 140℃, 약 60℃ 내지 약 130℃, 약 60℃ 내지 약 120℃, 약 80℃ 또는 약 80℃ 초과 내지 약 150℃, 약 80℃ 또는 약 80℃ 초과 내지 약 140℃, 약 80℃ 또는 약 80℃ 초과 내지 약 130℃, 약 80℃ 또는 약 80℃ 초과 내지 약 120℃, 약 90℃ 내지 약 150℃, 약 90℃ 내지 약 140℃, 약 90℃ 내지 약 130℃, 또는 약 90℃ 내지 약 120℃, 약 100℃ 내지 약 150℃, 약 100℃ 내지 약 140℃, 약 100℃ 내지 약 130℃, 또는 약 100℃ 내지 약 120℃일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 매트릭스는, 아교, 젤라틴, 알부민, 카세인, 전분, 셀룰로오스, 복합다당류, 라텍스, 폴리비닐아세테이트, 비닐계, 아크릴계, 에틸렌비닐아세테이트 공중합체, 폴리염화비닐, 폴리스타이렌, 폴리카보네이트, 폴리에스터, 폴리아마이드, 폴리설폰, 폴리이미드, 폴리비닐리덴 플루오라이드(PVDF), 폴리에테르 에테르케톤(PEEK), 요소 수지, 에폭시 수지, 우레탄 수지, 폴리클로로프렌, 스티렌 부타디엔 고무, 폴리이소부틸렌, 실리콘 수지, 에폭시 변성 실리콘 수지, 및 이들의 조합들로 이루어진 군으로부터 선택되는 것을 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다. 예를 들어, 상기 매트릭스의 분산액은 상기 매트릭스 성분을 적절한 용매에 용해 또는 분산시킨 것으로서, 상기 용매는 물, 저급 알콜, 또는 적절한 유기 용매 (비제한적 예: 케톤류 등)를 포함할 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 액상의 혼합물은 첨가제로서 증점제, 산화방지제, 또는 계면활성제를 추가 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다. 예를 들어, 상기 증점제, 상기 산화방지제, 또는 상기 계면활성제는 상기 제조 과정 중 미세 중공입자 및 전도성 충전재와 함께 투입되어 매트릭스의 분산액에 분산시켜 제조할 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 액상의 혼합물은 기재 상에 도포되는 것을 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다. 예를 들어, 상기 기재는, 아크릴로니트릴-부타디엔-스티렌수지(ABS), 벌크몰딩컴파운드(BMC), 시트몰딩컴파운드(SMC), 섬유강화플라스틱(FRP), 폴리프로필렌(PP), 폴리페닐렌옥사이드(PPO), 폴리스타이렌(PS), 반응사출성형(RIM), 열경화성수지, 폴리카보네이트, 및 이들의 조합들로 이루어진 군으로부터 선택되는 것을 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다. 또한, 예를 들어, 상기 도포는 분사 또는 코팅에 의해서 수행되는 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 전도성 복합체 약 100 중량부에 대하여 상기 전도성 충전재 및 상기 비전도성 미세중공입자 각각의 함량이 약 1 내지 약 60 중량부일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다. 예를 들어, 상기 전도성 복합체 약 100 중량부에 대하여 상기 전도성 충전재의 중량부는 약 1 내지 약 60 중량부, 약 1 내지 약 50 중량부, 약 1 내지 약 40 중량부, 약 1 내지 약 30 중량부, 약 1 내지 약 20 중량부, 약 1 내지 약 10 중량부, 약 10 내지 약 60 중량부, 약 10 내지 약 50 중량부, 약 10 내지 약 40 중량부, 약 10 내지 약 30 중량부, 약 10 내지 약 20 중량부, 약 20 내지 약 60 중량부, 약 20 내지 약 50 중량부, 약 20 내지 약 40 중량부, 약 20 내지 약 30 중량부, 약 30 내지 약 60 중량부, 약 30 내지 약 50 중량부, 약 30 내지 약 40 중량부, 약 40 내지 약 60 중량부, 또는 약 40 내지 50 중량부일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다.
고분자 기반의 전도성 복합체를 제조하는 일반적인 과정은 다음과 같다. 고분자 매트릭스에 상이한 성질을 부가하기 위하여 매트릭스와는 다른 재질의 충전재를 매트릭스에 내에 분산시킨다. 이 때, 분산액의 액상 상태의 안정성, 도포성, 작업의 편리성뿐만 아니라, 경화 및/또는 건조의 과정의 속도 조절성 및 경화 후의 물성 (예를 들어 접착력, 접착내구성, 표면 경도 등의 기계적 물성) 등을 비롯한 기타의 요구되는 특성이 발현되도록 하기 위하여 필요에 따라 적당한 첨가물을 첨가할 수 있다. 이러한 복합체는 초기에 액상의 형태로 만들어져서 용기에 보관된다. 액상의 복합체가 대상물에 적용된 후에는 각 제품에 맞게 정해진 방법과 시간에 따라서 건조 및/또는 경화되어 최종적으로 설계된 성능이 발휘되도록 조치된다.
금속 충전재를 사용한 복합체의 경우, 무거워서 재료 자체의 취급성이 떨어지고, 경량화가 필요한 제품 또는 부품에 적용이 곤란하다는 문제점이 있으며, 매트릭스 내에 분산이 어렵다는 등의 문제의 해결을 위해서 기존의 은(Ag) 입자 또는 은 도금 구리(Cu) 입자를 대체할 가벼운 형태의 새로운 전도성 충전재를 고안한다. 상기 새로운 형태의 충전재는 은 도금 구리 입자와 같은 코어-쉘(core-shell) 형태에서 코어에 해당하는 구리의 가운데가 빈 저비중의 고분자 재질로 대체된 구조이다. 동시에 새로운 형태의 충전재는 열을 가하여 그 부피를 쉽게 팽창시킬 수 있고, 기계적 힘을 가하여 형태를 용이하게 바꿀 수 있다는 것이 특징이다.
매트릭스에 충전재를 분산시킨 형태의 복합체에 있어서, 충전재는 주로 미립자의 형태를 지닌다. 매트릭스에 분산된 상기 충전재 미립자들이 서로 접촉해 있지 않을 경우, 복합체에서 전기전도성이 발현되는 것은 불가능하다. 충전재 미립자들 사이의 거리를 충분히 좁히는 방법은 매트릭스 내의 충전재의 투입량을 충분한 수준으로 증가시키는 것이나, 상기 방법은 앞에서 기술한 바와 같이, 전기전도성 복합체의 중량과 가격 상승 및 품질저하 등의 원인이 된다. 이러한 문제의 해결책으로서 하기와 같이 전도성 충전재와 함께 비전도성 중공미세입자를 매트릭스에 분산시켜서 상대적으로 소량의 전도성 충전재로서 복합체에 전기전도성이 나타나도록 전도성 충전재의 네트워킹을 유도하는 방법을 적용할 수 있다.
먼저, 전도성 충전재와 함께 비전도성 중공미세입자를 매트릭스에 분산시켜 액상의 복합체를 제조한다. 다음으로 상기 액상의 복합체를 피도물에 부착하고 건조 및/또는 경화시킨다. 이 때 건조 및/또는 경화시키는 과정에서 열을 가하면 매트릭스 내부의 팽창 가스가 함유된 중공의 충전재들은 팽창하게 되는데 표면의 금속 도금 때문에 전도성 충전재의 팽창률이 비전도성 중공미세입자의 팽창률에 비해서 훨씬 낮다. 결과적으로 두 종류의 충전재의 상대적인 크기에서 차이가 나게 되고, 이 과정에서 크기가 작은 전도성 충전재 입자들이 크기가 큰 비전도성 중공 팽창 충전재 입자들 사이의 틈으로 밀려들어 가게 되어 매트릭스 내에서 전도성 입자들이 그물과 같은 형태로 연결된 구조가 유도된다. 이러한 방법으로 전기전도성을 띠는데 필요한 최소한의 전도 경로를 제외하고 기존의 전기전도성 복합체 내부의 많은 공간을 저비중의 비전도성 중공미세입자로 대치할 수 있다.
이상적인 둥근 형태의 구와 구 사이의 접촉은 점 접촉으로서 접촉 면적이 매우 작다. 상기 기술한 새로운 형태의 전도성 충전재의 형태는 처음 제조 시에 형상이 구에 가깝다. 따라서 복합체의 경화 과정에서 전도성 충전재 입자들끼리 처음 접촉 시에는 접촉 면적이 매우 제한적이다. 그러나 전도성 충전재 입자들 및 매트릭스 내에 함께 분산된 비전도성 중공미세입자들의 팽창이 진행될수록 복합체 내부의 기계적인 압력이 점점 증가하게 되고, 상기 압력에 의해서 전도성 충전재들의 모양은 변형된다. 이 변형은 전도성 충전재들의 접촉면적이 증가하는 방향으로 충전재의 형태를 변형시킨다. 결국 전도성 충전재들의 접촉 면적의 증가는 복합체의 전기전도성의 증가 또는 전기저항 감소의 결과로 이어진다. 또한 외부의 일정 방향에서의 압력을 가하면 매트릭스 내의 팽창하려는 중공 충전재의 내부 압력에 의해 외부압의 수직면 방향으로 중공입자의 팽창 변형이 이루어지므로 전도성 입자들의 연결(networking)이 수직면에서 더 많이 이루어지게 되고 이방성을 이룰 수 있다.
본원의 일 구현예는 낮은 전도성 충전재 함량 퍼콜레이션 문턱 값(percolation threshold)을 가지는 전기전도성 복합체를 구현하고자 한다. 퍼폴레이션 문턱값이란 전도성 충전재를 포함하는 코팅제에서, 전도성 충전재 함량을 낮은 값에서 높은 값으로 점차 높여갈 때 상기 코팅제가 전기 부도체에서 전도체로 전이하는 지점의 전도성 충전제의 함량을 나타내는 지점을 말한다. 이러한 퍼콜레이션 문턱값이 낮을수록, 전도성 충전재 함량이 낮은 전도성 코팅제의 구현이 가능하며, 이것은 상대적으로 낮은 가격의 제품 생산이 가능하다는 것을 의미할 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 전기전도성 복합체는 다양한 형태로 활용될 수 있다. 대표적인 제품의 예로 전자파 차폐제 또는 전도성 접착제 등을 들 수 있다. 전자파 차폐제는 다시 개스킷, 코팅제, 필름, 원단 등의 형태로 가공되어 활용되는데, 이들 제품이 응용되는 제품 또는 산업분야는 모바일폰, 자동차, 의료기기, 전자측정기기, 모니터, 제어기, 안테나, 통신기기, 군용장비 등 매우 수가 많고 다양하다. 전도성 접착제는 특히 전자제품 제조업의 부품 표면실장기술 분야에서 기존의 땜납의 대체재로서 주목을 받아 왔다. 전도성 접착제 또는 전자파 차폐의 용도로는 많은 경우에 부품 또는 제품의 표면에 코팅하여 사용하는 경우가 많으므로, 전기전도성 복합체의 구성은 접착성이 있는 비전도성 매트릭스와 분산된 전도성 충전재로 되어 있다.
본원의 일 구현예에 있어서, 접착성이 있는 매트릭스는 그 성분에 따라서 천연고분자계, 합성고분자계, 무기고분자계로 대별할 수 있다. 천연고분자계는 예를 들어, 아교, 젤라틴, 알부민, 카세인 등의 단백질계와 전분, 셀룰로오스, 복합다당류 등의 탄수화물계 및 라텍스 등의 천연고무계로 나눌 수 있다. 합성고분자계는 예를 들어, 폴리비닐아세테이트와 그 공중합체 등의 비닐계, 아크릴계의 공중합체, EVA 공중합체, PVC, PS, 폴리카보네이트, 폴리에스터, 폴리아마이드, 폴리설폰, 폴리이미드 등의 열가소성 수지계, 요소 수지, 에폭시 수지, 우레탄 수지(또는 폴리우레탄) 등의 열경화성 수지계 및 폴리클로로프렌, SBR, 폴리이소부틸렌, 실리콘 수지, 에폭시 변성 실리콘 수지 등의 고무계로 나눌 수 있다. 상기 열가소성 수지계 접착제의 장점은 경화 후 수리가 용이하다는 점이다. 반면, 열경화성 수지계 접착제는 경화 과정이 비가역적이나 고온에서도 강한 접착력을 유지한다는 것이 주요 장점이다. 열경화성 수지 및 열가소성 수지는 각각의 장점과 단점을 함께 가지고 있으므로 두 가지 재료를 섞어서 각 재료의 특성을 조합하여 응용성을 확장시킨 제품들도 있다. 또한, 경화방법에 따라서 접착제를 분류하면 상온 경화형접착제, 광경화형 접착제, 용제형 접착제, 핫멜트 접착제, 점착제(PSA) 등으로 분류할 수 있는데, 광경화 접착제는 세부적으로 자외선 접착제, 전자선 접착제, 근가시광선 접착제, 마이크로웨이브 접착제로 나눌 수 있다.
본원의 일 구현예에 있어서, 전도성 충전재의 형상은 구형, 섬유형, 판상형, 또는 과립형 등이며, 판상형이 충전재 입자들 사이의 연결가능성이 커서 높은 전기전도성을 구현하는데 가장 유리한 것으로 알려져 있다. 이 밖에 금(Au), 은(Ag), 구리(Cu), 백금(Pt), 팔라듐(Pd), 알루미늄(Al), 니켈(Ni) 등의 금속이 전도성 충전재로 사용되고 있으며, 이들 입자의 크기는 일반적으로 약 0.01 ㎛ 내지 약 50 ㎛ 정도이다. 금속 외에도 카본블랙, 탄소나노튜브, 그래핀 등의 탄소계열 또는 전도성 고분자 등이 전도성 충전재로 사용된다. 이러한 전도성 충전재와 별도로 다양한 형태의 비전도성 중공미세입자들이 제품의 무게 및 원가를 낮추거나 기계적인 특성 등의 조절을 목적으로 사용되어 왔다. 상기 예로서는 알루미나, 실리카 또는 지르코니아와 같은 무기물계열과 폴리메틸 메타크릴레이트(PMMA) 및 폴리에틸렌(PE)과 같은 유기물계열의 재료들이 있다. 낮은 전기저항을 필요로 하는 재료의 전도성 충전재로서 가장 널리 사용되는 재료 중 하나인 은(Au)의 경우 귀금속으로서 매우 고가의 재료이다. 이를 일부 개선한 형태로서 상대적으로 저가인 구리 입자의 표면을 은으로 도금한 형태의 충전재가 있다. 이와 같은 구조를 코어-쉘(core-shell) 구조라고 부르는데, 코어의 재료로서 구리 외에도 실리카(SiO2), 지르코니아(ZrO2), 알루미나(Al2O3), 유리 등의 세라믹 재료와 폴리에틸렌(PE), 폴리메틸 메타크릴레이트(PMMA), 셀룰로오스 아세테이트, 및 기타 고분자 수지가 사용될 수 있으며, 쉘의 재료로는 여러 가지 단일 금속 또는 합금 재료들이 가능하다. 미세입자들의 제조 및 구조 등에 관한 내용들은 문헌들을 참고할 수 있다[미국특허 제4,968,562A호, 미국특허 제5,045,569호(joaquin Delgado), Adv. Mater. 2008, 20, 3987-4019(By WiongWen Lou et al.), J, Kor. Soc. Cloth, Ind. Vol. 10, No. 2, pp254-259(2008)(이신희, 박수민), Elastomers and composites Vol. 47, No. 2, pp. 168-173(안병현), Adv. Mater. 2003, 15, No. 7-8, April 17, pp. 641-646(Yugang Sun et al.), Colloid Polym. Sci. (2006) 284: 1221-1228(Huiyun Xia et al.), Chinese J. Struct. Chem. 2010, Vol. 29, No. 4 pp. 555-564(Wang Yi-Long et al.)].
본원의 일 구현예에 있어서, 크기 및 모양의 변경이 용이한 충전재 입자로서 입자의 가운데에 빈 공간을 가진 고분자 입자를 적용한다(도 1). 이러한 형태의 미세입자를 중공미세입자(hollow microsphere)라 부른다. 상기 입자의 빈 공간에 팽창가스가 주입되어 있으면 열을 가하여 쉽게 팽창시킬 수 있으며, 고분자 재질로서 기계적인 압력 하에서도 쉽게 부서지지 않고, 가운데 빈 공간을 가지고 있어 같은 재질의 속이 찬 형태의 입자에 비하여 모양의 변형이 용이하다. 따라서 매트릭스에 분산되어 있을 때, 주변의 불규칙한 형태의 매트릭스 분자 사슬의 환경에서도 가열에 의해 용이하게 팽창이 가능하다. 이러한 미세중공입자는 상용으로 판매되는 것이 있으므로 구매하여 사용할 수 있다. 예를 들면, Akzonobel 사의 Expancel®Microspheres이다. 전도성 충전재로 가공하기 위하여 이러한 고분자 재질의 미세중공입자의 표면을 금속으로 도금하여 코어-쉘 형태의 구조로 변형시켜야 한다(도 2). 도금 방법 및 코어-쉘 구조 제조에 대한 것은 문헌들을 참고할 수 있다 [Korean Journal of Materials Research Vol. 11, No. 11, 2001 (김욱중 등), Chem. Eur. J. 2000, 6, No. 3 pp. 413-419(frank Caruso), Chem. Commun., 2002, 350-351(A. G. Dong et al.), CHIN. PHYS. LETT. Vol. 22, No. 4 (2005) 975 (LIU Jun-Bing et al.), J. of Nanomaterials Vol. 2010(Choo Hwan Chang et al.)].
본원의 일 구현예에 있어서, 낮은 저항의 복합체를 얻기 위해서는 금속 충전재를 매트릭스에 고르게 분산시킬 경우에 약 35 vol.% 내지 약 40 vol.%의 금속 충전재가 필요한 것으로 알려져 있다. 충전재 입자 크기의 평균치 및 분포가 복합체의 특성에 영향을 미치며, 입자 크기가 작을수록 퍼콜레이션 문턱(percolation threshold) 값을 넘는데 필요한 충전재 입자의 밀도가 증가하게 된다. 매트릭스는 열 또는 자외선 경화의 방법으로 피도물에 부착할 수 있도록 고분자화 가능한 단량체를 포함한 액상으로 만든다(도 3).
본원의 일 구현예에 있어서, 열경화성 수지는 초기에 단량체(monomer) 또는 프리폴리머(prepolymer) 형태이며 경화 과정 중에 고분자화 된다. 경화 온도는 일반적으로 약 80℃에서 약 150℃ 정도이며 상온에서 경화가 가능한 제품들도 있다. 기판에 전자부품 부착용으로 사용되는 전도성 접착제는 일액형을 요구하는 경우가 많으며, 제조 공정상의 다양한 환경을 견딜 수 있어야 하는데 약 150℃에서 약 1 분 내지 약 2 분 안에 경화하는 경우가 상당히 많다. 기재는 아크릴로니트릴-부타디엔-스티렌수지(ABS), 벌크몰딩컴파운드(BMC), 섬유강화플라스틱(FRP), 폴리프로필렌(PP), 폴리페닐렌옥사이드(PPO), 폴리스타이렌(PS), 반응사출성형(RIM), 열경화성수지(SMC), 폴리카보네이트 등 여러 종류가 가능하다.
본원의 일 구현예에 있어서, 액상의 전기전도성 코팅제를 기재에 도포하고 건조 및/또는 경화시킬 때, 용제형의 경우 용매가 증발하거나 무용제형의 경우는 액상의 모노머가 중합하여 고상의 복합체가 피도물에 부착된다. 피도물에 도포하는 방법은 분무기로 직접 분무를 하거나 붓(brush)으로 발라서 코팅할 수 있다. 그 후, 피막에 열을 가하거나 또는 압력을 가하여 충전재를 팽창 또는 변형시킨다. 이 때, 비전도성 중공미세입자는 열에 의해 부피가 팽창하되 녹지 않아야 하며, 매트릭스가 완전히 경화하여 고체로 변할 때까지 온도를 유지하여 팽창된 공간이 다시 축소되지 않도록 한다. 전도성 충전재 입자들도 열에 의해서 팽창을 하되 비전도성 입자들의 팽창율이 현저히 낮아야 한다. 비전도성 미세중공입자의 팽창에 의해서 함께 분산된 전도성 충전재 입자들은 미세중공입자들 사이 틈새로 밀려나 입자들 간에 밀집하여 서로 접촉 내지 아주 가까이 위치하게 되어 가열 전후로 열 또는 전기가 흐를 수 있는 경로가 새로이 생겨나게 된다(도 4). 이 때, 전기전도성 퍼콜레이션 문턱 값은 비전도성 중공미세입자와 전도성 충전재의 상대적인 크기에 영향을 받는다. 열에 의해 팽창이 가능한 중공미세입자 대신 미리 계산된 고정된 크기의 비전도성 중공미세입자를 투입하여 경화를 진행하는 방법 또한 가능하다.
이하, 본원에 대하여 실시예를 이용하여 좀더 구체적으로 설명하지만, 하기 실시예는 본원의 이해를 돕기 위하여 예시하는 것일 뿐, 본원의 내용이 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다.
[ 실시예 ]
실시예 1
페이스트 믹서 용기에 비전도성 중공미세입자로서 AkzoNobel사의 아크릴레이트 공중합체(Expancel 461 DU 40 제품) 3.3 g, 전도성 충전재로서 Potters사의 은 코팅된 중공 유리구(silver coated hollow glass sphere, SH400S20) 7.2 g, 고분자 매트릭스로서 ㈜나눅스의 폴리우레탄 수분산액(NPC-3600) 20 g, 용제로서 에탄올 10 g을 넣은 다음 페이스트 믹서로 페이스트 믹서의 공전 속도 750 rpm, 자전 속도 750 rpm(Rot/Rev=750/750) 조건에서 10 분간 교반하였다. 제조된 조성물은 어플리케이터를 이용하여 기재인 폴리카보네이트 필름 위에 코팅한 다음, 오븐에 넣어 60℃에서 30 분간 건조시켰다. 건조 후 제조된 전도성 복합체의 전기 저항을 저항 측정기로 측정하였다.
비교예 1
상기 건조 조건을 상온에서 건조시키는 것으로 변경한 것 외에는 실시예 1과 동일한 방법으로 전도성 복합체를 제조하였다. 제조된 전도성 복합체의 전기 저항을 저항 측정기로 실시하였으며, 실시예 1 및 비교예 1에 대한 전기 저항 측정 결과를 하기 표 1에 나타내었다.
[표 1]
Figure pat00001
표 1에서 나타낸 바와 같이, 건조 조건을 60℃와 상온으로 달리하였을 때, 전기 저항이 확연하게 차이가 나는 것을 확인할 수 있다. 이것은 건조 온도차에 따른 효과이며, 전기 저항이 낮아짐에 따라 제조된 전도성 복합체의 전기 전도도가 증가하는 것을 의미한다.
실시예 2
페이스트 믹서 용기에 비전도성 중공미세입자로서 AkzoNobel사의 아크릴레이트 공중합체(Expancel 461 DU 40 제품) 4.0 g, 전도성 충전재로서 Potters사의 은 코팅된 중공 유리구(silver coated hollow glass sphere, SG02S40) 13.5 g, 고분자 매트릭스로서 ㈜나눅스의 폴리우레탄 수분산액(NPC-3600) 20 g, 용제로서 에탄올 20 g을 넣은 다음 페이스트 믹서로 페이스트 믹서의 공전 속도 750 rpm, 자전 속도 750 rpm(Rot/Rev=750/750) 조건에서 10 분간 교반하였다. 제조된 조성물은 어플리케이터를 이용하여 기재인 폴리카보네이트 필름 위에 코팅한 다음, 오븐에 넣어 60℃에서 30 분간 건조시켰다. 건조 후 제조된 전도성 복합체의 전기 저항을 저항 측정기로 측정하였다.
비교예 2
상기 건조 조건을 상온에서 건조시키는 것으로 변형한 것 외에는 실시예 2와 동일한 방법으로 전도성 복합체를 제조하였다. 제조된 전도성 복합체의 전기 저항을 저항 측정기로 실시하였으며, 실시예 2 및 비교예 2에 대한 전기 저항 측정 결과를 하기 표 2에 나타내었다.
[표 2]
Figure pat00002
표 2에 나타낸 바와 같이. 건조 조건을 60℃와 상온으로 달리하였을 때, 전기 저항이 확연하게 차이가 나는 것을 확인할 수 있다. 이것은 건조 온도차에 따른 효과이며, 전기 저항이 낮아짐에 따라 제조된 전도성 복합체의 전기 전도도가 증가하는 것을 의미한다.
실시예 3
페이스트 믹서 용기에 비전도성 중공미세입자로서 AkzoNobel사의 아크릴레이트 공중합체(Expancel 461 DU 40 제품) 4.4 g, 전도성 충전재로서 Potters사의 은 코팅된 중공 유리구(silver coated hollow glass sphere, SH400S20) 13.1 g, 고분자 매트릭스로서 에폭시 변성실리콘 8.9 kg, 용매로서 부틸아세테이트 6 g을 넣은 다음 페이스트 믹서로 페이스트 믹서의 공전 속도 750 rpm, 자전 속도 750 rpm(Rot/Rev=750/750) 조건에서 10 분간 교반하였다. 제조된 조성물은 어플리케이터를 이용하여 기재인 폴리카보네이트 필름 위에 코팅한 다음, 오븐에 넣어 120℃에서 30 분간 비전도성 중공미세입자를 팽창시킨 후에 140℃에서 30 분간 경화시켰다. 경화가 끝난 뒤 제조된 전도성 복합체의 전기 저항을 저항측정기를 이용하여 전기 저항을 측정하였다.
비교예 3
비도전성 미세중공입자의 팽창 조건을 조절하기 위해 상기 건조 조건을 80℃에서 30 분간 실시하는 것으로 변형한 것 외에는 실시예 3과 동일한 방법으로 전도성 복합체를 제조하였다. 제조된 전도성 복합체의 전기 저항을 저항 측정기로 실시하였으며, 실시예 3 및 비교예 3에 대한 전기 저항 측정 결과를 하기 표 3에 나타내었다.
[표 3]
Figure pat00003
표 3에서 나타낸 바와 같이, 건조 조건을 120℃와 80℃으로 달리하였을 때, 전기 저항이 확연하게 차이가 나는 것을 확인할 수 있다. 그러나 이것은 건조 온도가 상승할수록 제조되는 전도성 복합체의 전기적 특성이 향상된다는 것이 아니라, 제조되는 물질의 특성에 따라 적정 온도가 존재한다는 것이며, 본원의 실시예 및 비교예에서는 비전도성 중공미세입자를 팽창시켜서 제조되는 전도성 복합체의 전기 전도성을 향상시킬 수 있는 적정 온도가 120℃라는 것을 의미한다. 상기 실시예 3 및 비교예 3을 통해, 건조 온도차에 따라 전기 저항이 낮아지며 제조된 전도성 복합체의 전기 전도도가 증가하는 것을 확인할 수 있다.
전술한 본원의 설명은 예시를 위한 것이며, 본원이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본원의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 예를 들어, 단일형으로 설명되어 있는 각 구성 요소는 분산되어 실시될 수도 있으며, 마찬가지로 분산된 것으로 설명되어 있는 구성 요소들도 결합된 형태로 실시될 수도 있다.
본원의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위, 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본원의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

Claims (18)

  1. 매트릭스에 분산된, 비전도성 중공미세입자 및 전도성 충전재
    를 포함하는, 전도성 복합체로서,
    압력을 가하거나 열처리에 의하여 상기 전도성 복합체에 포함된 상기 비전도성 중공미세입자 및 전도성 충전재가 팽창 또는 변형된 것인,
    전도성 복합체.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 비전도성 중공미세입자는 팽창(expandable) 또는 변형 가능한(deformable) 것인, 전도성 복합체.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 전도성 충전재는 전기전도성 또는 열전도성을 가지는 것인, 전도성 복합체.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 비전도성 중공미세입자는 무기물 또는 고분자를 포함하는 것인, 전도성 복합체.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 무기물 또는 고분자는 유리, 알루미나, 실리카, 지르코니아, 실리콘카바이드, 실리콘나이트라이드, 폴리에틸렌, 아크릴레이트, 또는 폴리메틸 메타크릴레이트(PMMA)를 포함하는 것인, 전도성 복합체.
  6. 제 3 항에 있어서,
    상기 전도성 충전재는, 금(Au), 은(Ag), 구리(Cu), 백금(Pt), 팔라듐(Pd), 알루미늄(Al), 니켈(Ni), 철(Fe), 망간(Mn), 코발트(Co), 및 이들의 조합들로 이루어진 군으로부터 선택되는 것; 또는, 카본블랙, 카본나노튜브, 그래핀, 또는 전도성 고분자를 포함하는 것인, 전도성 복합체.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 전도성 고분자는, 폴리에틸렌다이옥시티오펜, 폴리아세틸렌, 폴리피롤, 폴리아닐린, 폴리티오펜, 폴리(3,4-에틸렌디옥시티오펜), 폴리(3,4-알킬렌디옥시티오펜), 폴리(3,4-디알킬티오펜), 폴리(3,4-디알콕시티오펜), 폴리(3,4-시클로알킬티오펜), 및 이들의 조합들로 이루어진 군으로부터 선택되는 것을 포함하는 것인, 전도성 복합체.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 전도성 충전재의 크기는 50 μm 이하인 것인, 전도성 복합체.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 전도성 복합체 100 중량부에 대하여 상기 전도성 충전재의 중량부가 1 내지 60 중량부인, 전도성 복합체.
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 매트릭스는, 셀룰로오스, 라텍스, 폴리비닐아세테이트, 비닐계, 아크릴계, 에틸렌비닐아세테이트 공중합체, 폴리염화비닐, 폴리스타이렌, 폴리카보네이트, 폴리에스터, 폴리아마이드, 폴리설폰, 폴리아마이드, 폴리비닐리덴 플루오라이드(PVDF), 폴리에테르 에테르케톤(PEEK), 요소 수지, 에폭시 수지, 우레탄 수지, 폴리클로로프렌, 스티렌 부타디엔 고무, 폴리이소부틸렌, 실리콘 수지, 에폭시 변성 실리콘 수지, 및 이들의 조합들로 이루어진 군으로부터 선택되는 것을 포함하는 것인 전도성 복합체.
  11. 전도성 충전재 및 비전도성 중공미세입자를 매트릭스의 분산액에 분산시켜 액상의 혼합물을 수득하고;
    상기 액상의 혼합물을 열처리하여 상기 비전도성 중공미세입자를 팽창 또는 변형시키고; 및
    상기 열처리된 혼합물을 건조 및/또는 경화시키는 것
    을 포함하는, 전도성 복합체의 제조 방법.
  12. 전도성 충전재 및 비전도성 중공미세입자를 매트릭스의 분산액에 분산시켜 액상의 혼합물을 수득하고; 및
    상기 액상의 혼합물을 건조 및/또는 경화 중에 압력을 가하거나 열처리하여 상기 비전도성 중공미세입자 및 전도성 충전재를 팽창 또는 변형시키는 것
    을 포함하는, 전도성 복합체의 제조 방법.
  13. 제 11 항 또는 제 12 항에 있어서,
    상기 건조 및/또는 경화는 150℃ 이하의 온도에서 수행되는 것인, 전도성 복합체의 제조 방법.
  14. 제 11 항 또는 제 12 항에 있어서,
    상기 매트릭스는, 셀룰로오스, 라텍스, 폴리비닐아세테이트, 비닐계, 아크릴계, 에틸렌비닐아세테이트 공중합체, 폴리염화비닐, 폴리스타이렌, 폴리카보네이트, 폴리에스터, 폴리아마이드, 폴리설폰, 폴리이미드, 폴리비닐리덴 플루오라이드(PVDF), 폴리에테르 에테르케톤(PEEK), 요소 수지, 에폭시 수지, 우레탄 수지, 폴리클로로프렌, 스티렌 부타디엔 고무, 폴리이소부틸렌, 실리콘 수지, 에폭시 변성 실리콘 수지, 및 이들의 조합들로 이루어진 군으로부터 선택되는 것을 포함하는 것인, 전도성 복합체의 제조 방법.
  15. 제 11 항 또는 제 12 항에 있어서,
    상기 액상의 혼합물은 증점제, 산화방지제, 또는 계면활성제를 추가 포함하는 것인, 전도성 복합체의 제조 방법.
  16. 제 11 항 또는 제 12 항에 있어서,
    상기 액상의 혼합물은 기재 상에 도포되는 것을 포함하는 것인, 전도성 복합체의 제조 방법.
  17. 제 16 항에 있어서,
    상기 기재는, 아크릴로니트릴-부타디엔-스티렌수지(ABS), 벌크몰딩컴파운드(BMC), 시트몰딩컴파운드(SMC), 섬유강화플라스틱(FRP), 폴리프로필렌(PP), 폴리페닐렌옥사이드(PPO), 폴리스타이렌(PS), 반응사출성형(RIM), 열경화성수지, 폴리카보네이트, 및 이들의 조합들로 이루어진 군으로부터 선택되는 것을 포함하는 것인, 전도성 복합체의 제조 방법.
  18. 제 16 항에 있어서,
    상기 도포는 분사 또는 코팅에 의해서 수행되는 것인, 전도성 복합체의 제조 방법.
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