KR20170137392A - 방열기판 및 그의 제조방법 - Google Patents

방열기판 및 그의 제조방법 Download PDF

Info

Publication number
KR20170137392A
KR20170137392A KR1020160069469A KR20160069469A KR20170137392A KR 20170137392 A KR20170137392 A KR 20170137392A KR 1020160069469 A KR1020160069469 A KR 1020160069469A KR 20160069469 A KR20160069469 A KR 20160069469A KR 20170137392 A KR20170137392 A KR 20170137392A
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
carbon material
dimensional carbon
functional group
polymer resin
dimensional
Prior art date
Application number
KR1020160069469A
Other languages
English (en)
Other versions
KR101894139B1 (ko
Inventor
이철승
박지선
조진우
유명재
신권우
Original Assignee
전자부품연구원
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 전자부품연구원 filed Critical 전자부품연구원
Priority to KR1020160069469A priority Critical patent/KR101894139B1/ko
Publication of KR20170137392A publication Critical patent/KR20170137392A/ko
Application granted granted Critical
Publication of KR101894139B1 publication Critical patent/KR101894139B1/ko

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05K—PRINTED CIRCUITS; CASINGS OR CONSTRUCTIONAL DETAILS OF ELECTRIC APPARATUS; MANUFACTURE OF ASSEMBLAGES OF ELECTRICAL COMPONENTS
    • H05K1/00—Printed circuits
    • H05K1/02—Details
    • H05K1/03—Use of materials for the substrate
    • H05K1/0313—Organic insulating material
    • H05K1/0353—Organic insulating material consisting of two or more materials, e.g. two or more polymers, polymer + filler, + reinforcement
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B32/00—Carbon; Compounds thereof
    • C01B32/15—Nano-sized carbon materials
    • C01B32/158—Carbon nanotubes
    • C01B32/16—Preparation
    • C01B32/162—Preparation characterised by catalysts
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C08—ORGANIC MACROMOLECULAR COMPOUNDS; THEIR PREPARATION OR CHEMICAL WORKING-UP; COMPOSITIONS BASED THEREON
    • C08J—WORKING-UP; GENERAL PROCESSES OF COMPOUNDING; AFTER-TREATMENT NOT COVERED BY SUBCLASSES C08B, C08C, C08F, C08G or C08H
    • C08J3/00—Processes of treating or compounding macromolecular substances
    • C08J3/20—Compounding polymers with additives, e.g. colouring
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C08—ORGANIC MACROMOLECULAR COMPOUNDS; THEIR PREPARATION OR CHEMICAL WORKING-UP; COMPOSITIONS BASED THEREON
    • C08J—WORKING-UP; GENERAL PROCESSES OF COMPOUNDING; AFTER-TREATMENT NOT COVERED BY SUBCLASSES C08B, C08C, C08F, C08G or C08H
    • C08J3/00—Processes of treating or compounding macromolecular substances
    • C08J3/24—Crosslinking, e.g. vulcanising, of macromolecules
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C08—ORGANIC MACROMOLECULAR COMPOUNDS; THEIR PREPARATION OR CHEMICAL WORKING-UP; COMPOSITIONS BASED THEREON
    • C08L—COMPOSITIONS OF MACROMOLECULAR COMPOUNDS
    • C08L61/00—Compositions of condensation polymers of aldehydes or ketones; Compositions of derivatives of such polymers
    • C08L61/04—Condensation polymers of aldehydes or ketones with phenols only
    • H—ELECTRICITY
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05K—PRINTED CIRCUITS; CASINGS OR CONSTRUCTIONAL DETAILS OF ELECTRIC APPARATUS; MANUFACTURE OF ASSEMBLAGES OF ELECTRICAL COMPONENTS
    • H05K1/00—Printed circuits
    • H05K1/02—Details
    • H05K1/0201—Thermal arrangements, e.g. for cooling, heating or preventing overheating
    • H05K1/0203—Cooling of mounted components
    • H—ELECTRICITY
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05K—PRINTED CIRCUITS; CASINGS OR CONSTRUCTIONAL DETAILS OF ELECTRIC APPARATUS; MANUFACTURE OF ASSEMBLAGES OF ELECTRICAL COMPONENTS
    • H05K1/00—Printed circuits
    • H05K1/02—Details
    • H05K1/03—Use of materials for the substrate
    • H05K1/0313—Organic insulating material
    • H05K1/0353—Organic insulating material consisting of two or more materials, e.g. two or more polymers, polymer + filler, + reinforcement
    • H05K1/0373—Organic insulating material consisting of two or more materials, e.g. two or more polymers, polymer + filler, + reinforcement containing additives, e.g. fillers
    • H—ELECTRICITY
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05K—PRINTED CIRCUITS; CASINGS OR CONSTRUCTIONAL DETAILS OF ELECTRIC APPARATUS; MANUFACTURE OF ASSEMBLAGES OF ELECTRICAL COMPONENTS
    • H05K2201/00—Indexing scheme relating to printed circuits covered by H05K1/00
    • H05K2201/01—Dielectrics
    • H05K2201/0104—Properties and characteristics in general
    • H05K2201/0129—Thermoplastic polymer, e.g. auto-adhesive layer; Shaping of thermoplastic polymer

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Medicinal Chemistry (AREA)
  • Polymers & Plastics (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Nanotechnology (AREA)
  • Inorganic Chemistry (AREA)
  • Carbon And Carbon Compounds (AREA)
  • Compositions Of Macromolecular Compounds (AREA)

Abstract

고분자 수지의 필러에 대한 젖음성이 향상되어 방열필러의 분산성을 높인 방열특성이 우수한 방열기판 및 그의 제조방법이 개시된다. 본 발명에 따른 방열기판은 수소결합가능한 제1관능기를 갖는 고분자 수지 및 상기 고분자 수지에 분산되어, 내부로 유입되는 열을 방출시키기 위한 방열필러로서, 수소결합가능한 제1관능기와 수소결합이 가능한 제2관능기를 갖는 방열필러를 포함한다.

Description

방열기판 및 그의 제조방법{Heat dissipating substrate and manufacturing method thereof}
본 발명은 방열기판 및 그의 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 고분자 수지의 필러에 대한 젖음성이 향상되어 방열필러의 분산성을 높인 방열특성이 우수한 방열기판 및 그의 제조방법에 관한 것이다.
그래핀, 탄소나노튜브, 탄소섬유와 같은 탄소 소재들은 우수한 열적, 전기적, 기계적 물성을 가지고 있으며, 방열 소재, 전극 소재 및 에너지 저장 소재로의 폭넓은 분야에 응용될 수 있어 이들 탄소 소재들에 대한 연구가 활발하게 진행되고 있다. 최근에는 서로 다른 형태의 탄소 소재들(예컨데, 그래핀과 탄소나노튜브) 각각의 특성을 살린 하이브리드 복합체에 대한 연구가 많이 진행되고 있다.
그래핀, 흑연, 또는 탄소 섬유와 같은 탄소 소재 상에 탄소나노튜브(CNT, Carbon Nanotube)가 성장되어 있는 삼차원 하이브리드 탄소 소재를 제조하는 방법으로는 크게 상기 탄소 소재에 기능성 작용기를 도입하여 반응 사이트를 형성하고, 상기 반응 사이트에 탄소나노튜브를 흡착 및 치환시켜 하이브리드 탄소 소재를 제조하는 물리/화학적 방법과, 탄소 소재에 금속촉매를 코팅하고 그 표면에 탄소나노튜브를 성장시키는 직접 합성법이 있다.
하이브리드 탄소 소재의 경우에는 이종 소재 간의 접촉 저항을 최소화시키는 것이 중요하다. 이러한 측면에서는 물리/화학적 방법보다는 탄소 소재에 탄소나노튜브를 직접 성장시키는 직접 합성법이 보다 유리하다. 직접 합성법은 다양한 방식이 있을 수 있으나, 일반적으로는 탄소 소재 표면에 나노기공을 제공할 수 있는 금속산화물(일종의 버퍼층)을 코팅하고, 상기 금속산화물에 촉매를 담지시켜 탄소나노튜브를 성장시키는 방식이 이용되어 왔다. 그러나, 이러한 종래 방식에서는 탄소 소재와 금속산화물 간의 계면과, 금속산화물과 탄소나노튜브간의 계면에서 발생하는 이종소재 간의 열적, 전기적 저항이 존재하여 제조된 하이브리드 탄소 소재는 그 특성이 온전히 구현되지 않는 문제점이 있었다.
한편, 높은 비표면적을 갖는 삼차원 하이브리드 탄소 소재를 열전도성, 전기전도성 필러로 사용하여 고분자 복합체를 제조할 경우, 고분자 기지 내에서 필러 간 네트워크가 용이하기 때문에 적은 필러 함량으로도 우수한 특성을 나타내었다. 그러나 하이브리드 필러의 높은 비표면적으로 인해 고분자 수지가 필러의 전 계면에 균일하게 젖어드는 것이 어렵기 때문에 이 경우, 필러의 분산성 저하 및 필러와 고분자 수지 계면에서의 마이크로/나노 기공 발생으로 인하여 원 탄소 소재 자체의 우수한 열전도성, 전기전도성 특성이 고분자 복합체 내에서 발현되는데 한계가 발생하였다.
본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위한 것으로, 본 발명의 목적은 고분자 수지의 필러에 대한 젖음성이 향상되어 방열필러의 분산성을 높인 방열특성이 우수한 방열기판 및 그의 제조방법을 제공하는데 있다.
이상과 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일측면에 따른 방열기판은 수소결합가능한 제1관능기를 갖는 고분자 수지; 및 고분자 수지에 분산되어, 내부로 유입되는 열을 방출시키기 위한 방열필러로서, 수소결합가능한 제1관능기와 수소결합이 가능한 제2관능기를 갖는 방열필러;를 포함한다.
제1관능기는 히드록시기일 수 있다.
고분자 수지는 페놀수지일 수 있다.
제2관능기는 질소기일 수 있다.
방열필러는 일차원 탄소소재 또는 이차원 탄소소재일 수 있다.
방열필러는 이차원 탄소소재 상에 일차원 탄소소재가 위치하여 형성된 삼차원 탄소소재일 수 있다. 이 때, 제2관능기는 이차원 탄소소재 및 일차원 탄소소재 중 적어도 하나의 탄소소재에 위치할 수 있다.
본 발명에 따른 방열기판은 유리섬유, 탄소섬유 및 천연섬유 중 적어도 하나의 내마모기재;를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 따르면, 수소결합가능한 제1관능기를 갖는 고분자 수지에, 고분자 수지에 분산되어, 내부로 유입되는 열을 방출시키기 위한 방열필러로서, 수소결합가능한 제1관능기와 수소결합이 가능한 제2관능기를 갖는 방열필러를 혼합하는 단계; 및 고분자 수지를 경화시키는 단계;를 포함하는 방열기판 제조방법이 제공된다.
본 발명의 또다른 측면에 따르면, 이차원 탄소소재 상에 일차원 탄소소재가 위치하여 형성된 삼차원 탄소소재를 포함하되, 상기 삼차원 탄소소재는 표면에 질소기를 포함하는 것인 질소도핑 방열필러가 제공된다.
본 발명의 또다른 측면에 따르면, 이차원 탄소지지체 상에 탄소나노튜브 성장촉매를 담지시키는 단계; 및 탄소나노튜브 성장촉매가 담지된 이차원 탄소지지체 상에 질소소스를 이용하여 탄소나노튜브를 성장시키는 단계;를 포함하는 질소 도핑 방열필러 제조방법이 제공된다.
이차원 탄소지지체는 그래핀, 산화그래핀, 그래핀나노플레이트, 흑연 및 팽창흑연으로부터 선택된 어느 하나일 수 있다.
본 발명에 따르면, 고분자 수지의 관능기와 결합을 할 수 있는 관능기를 갖는 필러를 사용하여 방열기판을 제조하였으므로 고분자 수지가 필러 표면에 대한 젖음성이 향상되어 필러의 균일한 분산이 가능하다. 또한, 방열필러 및 고분자 수지의 계면에서 마이크로 기공이나 나노기공의 형성을 억제할 수 있어서 방열기판의 물성저하를 방지하여 보다 방열특성이 우수한 품질의 방열기판의 제조가 가능한 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 방열기판의 단면도이고, 도 2는 평면도이다.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 방열기판에 사용되는 삼차원 탄소소재를 도시한 도면이고, 도 4는 도 3의 삼차원 탄소소재의 표면에 형성된 질소기의 종류를 도시한 도면이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따라 제조된 삼차원 탄소소재의 XPS 분석결과를 도시한 도면이다.
도 6은 종래기술 및 본 발명의 실시예들에 따라 다양하게 제조된 방열기판의 열전도도 시험결과를 도시한 그래프이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시형태를 설명한다. 그러나, 본 발명의 실시형태는 여러가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 이하 설명하는 실시형태로 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 실시형태는 당업계에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위해서 제공되는 것이다. 첨부된 도면에서 특정 패턴을 갖도록 도시되거나 소정두께를 갖는 구성요소가 있을 수 있으나, 이는 설명 또는 구별의 편의를 위한 것이므로 특정패턴 및 소정두께를 갖는다고 하여도 본 발명이 도시된 구성요소에 대한 특징만으로 한정되는 것은 아니다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 방열기판의 단면도이고, 도 2는 평면도이다. 본 실시예에 따른 방열기판(100)은 고분자 수지(110)를 수소결합가능한 제1관능기를 갖는 고분자 수지(110); 및 고분자 수지(110)에 분산되어, 내부로 유입되는 열을 방출시키기 위한 방열필러(120, 130)로서, 수소결합가능한 제1관능기와 수소결합이 가능한 제2관능기를 갖는 방열필러(120, 130);를 포함한다.
본 발명의 방열기판(100)에 사용될 수 있는 고분자 수지(110)는 강도가 높은 열경화성 수지가 사용될 수 있다. 예를 들어 고분자 수지(110)는 페놀수지, 에폭시 수지, 불포화 폴리에스테르 수지 에폭시 수지, 에틸렌비닐아세테이트, 저밀도 폴리에틸렌, 폴리우레탄, 폴리비닐클로라이드, 폴리이미드, 폴리에틸렌 테레프탈레이트, 폴리에틸렌 설폰, 폴리에틸렌나프탈레이트, 폴리카보네이트, 폴리메틸메타크릴레이트, 폴리에테르이미드, 폴리다이메틸실록세인, 실리콘수지, 불소수지 및 이들의 조합으로 구성된 군으로부터 선택될 수 있다.
본 발명에 따른 방열기판(100)은 고분자 수지(110) 및 고분자 수지(110)와 결합(bonding)을 하여 고분자 수지(110)와의 젖음성을 향상시켜 분산이 용이한 방열필러를 포함한다. 고분자 수지(110)에 포함된 관능기인 제1관능기는 히드록시(hydroxy)기일 수 있다. 고분자 수지(110) 자체에 관능기가 포함되어 있는 경우 이외에도 방열필러(110, 120) 결합하기 위한 관능기를 포함하지 않는 수지의 경우에도 수지에 관능기를 도입하여 방열필러와의 결합을 유도할 수 있다.
따라서, 방열필러(110, 120)는 고분자 수지(110)의 관능기인 히드록시기와 결합하여 고분자 수지(110) 내에 균일하게 분산될 수 있는 물질이 사용될 수 있다. 방열필러(110, 120)는 고분자 수지(110)와 수소결합할 수 있다.
따라서, 고분자 수지(110)의 관능기가 히드록시기인 경우, 히드록시기와 수소결합할 수 있는 관능기로는 질소(Nitrogen)기를 예로 들 수 있다. 즉, 제2관능기는 질소기일 수 있다. 고분자 수지(110)와 유사하게, 방열필러(110, 120)에도 고분자 수지(110)의 관능기와 결합할 수 있는 관능기가 존재하지 않는다면 방열필러(110, 120)에 그러한 관능기를 도입하여 고분자 수지(110)와의 결합을 유도할 수 있다.
방열필러(110, 120)로는 고분자 수지(110)의 제1관능기와 결합할 수 있는 제2관능기를 갖는 물질이면서 방열특성을 나타내는 물질이라면 어떤 것이든 사용될 수 있다. 방열필러(110, 120)에는 특히, 열전도성이 우수한 탄소소재를 사용할 수 있는데, 일차원 탄소소재(130)나 이차원 탄소소재(120)를 사용할 수 있다.
본 발명에 사용될 수 있는 일차원 탄소소재(130)로는 탄소나노튜부가 있는데, 탄소나노튜브는 단일벽 탄소나노튜브, 기능화된 단일벽 탄소나노튜브, 이중벽 탄소나노튜브, 기능화된 이중벽 탄소나노튜브, 다중벽 탄소나노튜브 및 기능화된 다중벽 탄소나노튜브 중 적어도 하나가 사용될 수 있다.
이차원 탄소소재(120)로는 예를 들어, 그래핀, 산화그래핀, 그래핀나노플레이트, 흑연 및 팽창흑연 중 적어도 어느 하나의 판상형 탄소계 물질이 사용될 수 있다.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 방열기판에 사용되는 삼차원 탄소소재를 도시한 도면이고, 도 4는 도 3의 삼차원 탄소소재의 표면에 형성된 질소기의 종류를 도시한 도면이다.
본 발명의 방열기판에 사용될 수 있는 방열필러에는 전술한 일차원 탄소소재 및 이차원 탄소소재 이외에, 이차원 탄소소재(141) 상에 일차원 탄소소재(142)가 위치하여 형성된 삼차원 탄소소재(140)가 사용될 수 있다. 이 때, 제2관능기는 이차원 탄소소재 및 일차원 탄소소재 중 적어도 하나의 탄소소재에 위치할 수 있다. 즉, 본 실시예에서는 이차원 탄소소재(141) 상에 일차원 탄소소재(142)가 위치하여 삼차원 구조를 갖는 삼차원 탄소소재(140)가 사용된다. 또한, 삼차원 탄소소재(140)는 일차원 탄소소재(130) 또는 이차원 탄소소재(141)에 제2관능기를 갖는다.
따라서, 본 실시예에 따른 방열필러는 일차원 탄소소재(142) 또는 이차원 탄소소재(141)보다 삼차원 탄소소재(140)는 비표면적이 높아 열전도성이나 전기전도성이 높아 방열기판(100)의 열전도성 필러로 사용되는 것이 바람직하다. 특히 삼차원 탄소나노구조체는 이차원 탄소소재(141) 상에 일차원 탄소소재(142)가 형성되어 있어 고분자 수지(110) 내에서 필러 간 네트워크가 용이하여 열전도 특성이 더욱 우수하다. 그러나 이러한 비표면적이 높은 특성때문에 삼차원 탄소나노구조체는 고분자 수지가 필러의 전 계면에 걸쳐 젖어드는 젖음성이 낮아져 분산성이 저하될 수도 있다.
따라서, 삼차원 탄소소재(140)는 고분자 수지(110)의 표면에 위치하는 제1관능기와 결합할 수 있는 제2관능기를 표면에 포함하거나 별도로 도입하여 고분자 수지(110)의 젖음성을 향상시키는 것이 바람직하다.
일차원 탄소소재(142)가 탄소나노튜브이고, 이차원 탄소소재(141)가 그래핀 나노플레이트인 경우, 그래핀 나노플레이트상에 탄소나노튜브 성장시에 질소를 도핑하여 고분자 수지(110)와의 결합을 유도할 수 있다. 도 4를 참조하면, 삼차원 탄소소재의 표면에 형성된 질소기의 종류가 도시되어 있다.
질소는 탄소 6원환 내의 탄소와 치환되는 경우(Graphitic N), 6원환 내의 탄소이긴 탄소 2개와 결합하고 있는 경우(Pyridine-like N), 5원환 내의 탄소와 치환되는 경우(Pyrrole-like N), 및 탄소사이에 위치하는 경우(interstitial N) 등 다양한 방식으로 도핑될 수 있다.
일차원 탄소소재, 이차원 탄소소재 또는 삼차원 탄소소재는 방열기판의 열전도성 특성이나 전기전도성 특성을 고려하여 포함될 수 있는데, 예를 들면, 고분자 수지 전체의 중량을 기준으로 0.01 내지 70wt%로 포함될 수 있다.
본 발명에 따른 방열기판은 유리섬유, 탄소섬유 및 천연섬유 중 적어도 하나의 내마모기재(미도시)를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 따르면, 수소결합가능한 제1관능기를 갖는 고분자 수지에, 고분자 수지에 분산되어, 내부로 유입되는 열을 방출시키기 위한 방열필러로서, 수소결합가능한 제1관능기와 수소결합이 가능한 제2관능기를 갖는 방열필러를 혼합하는 단계; 및 고분자 수지를 경화시키는 단계;를 포함하는 방열기판 제조방법이 제공된다.
본 발명의 또다른 측면에 따르면, 이차원 탄소지지체 상에 탄소나노튜브 성장촉매를 담지시키는 단계; 및 탄소나노튜브 성장촉매가 담지된 이차원 탄소지지체 상에 질소소스를 이용하여 탄소나노튜브를 성장시키는 단계;를 포함하는 질소 도핑 방열필러 제조방법이 제공된다. 본 실시예에서는 질소를 도핑하여 질소기를 포함하는 방열필러를 얻는다. 상세하게는 그래핀 나노플레이트와 같은 이차원 탄소지지체 상에 탄소나노튜브 촉매를 담지시키고, 탄소나노튜브를 성장시키기 위한 탄소소스 및 질소소스를 함께 사용하여 이차원 탄소지지체 또는 탄소나노튜브에 형성된 결함 등에 질소를 도핑하여 삼차원 탄소소재인 질소 도핑 방열필러를 제조한다.
본 실시예에 따른 제조방법에서, 질소 원자가 도핑된 삼차원 하이브리드 탄소소재는 이차원 탄소소재 상에 일차원 탄소나노튜브가 직접 성장되어 혼성화되는 과정에서 in-situ로 질소 원자가 카본 원자를 대체하여 도핑된다. 따라서, 삼차원 하이브리드 탄소 소재 합성 후 추가적인 화학적 도핑공정 없이 one-step으로 질소 도핑된 삼차원 하이브리드 탄소 소재를 제작할 수 있다는 장점이 있다.
이 외에도, 혼성화 과정에서 탄소나노튜브 뿐만 아니라 2차원 탄소소재 상에 존재하는 결함 사이트에 추가적으로 질소 원자 도핑이 가능하기 때문에 삼차원 하이브리드 탄소 소재 전면에 걸쳐 질소 원자가 도핑되는 효과를 얻을 수 있다. 이렇게 제작된 질소 원자가 도핑된 삼차원 하이브리드 탄소 소재는 히드록실 작용기를 포함하는, 예를 들면 페놀 수지와 같은, 고분자 매트릭스 안에서 수소 원자와 질소 원자 사이의 수소결합으로 인하여 필러 분산성이 향상되므로, 고분자/필러 간 중간 매체에 의한 계면 저항 없이 복합체의 열전도 특성을 증대시킬 수 있다.
이하 방열기판 및 질소도핑 방열필러의 제조방법에 대하여는 시험예와 함께 설명하기로 한다.
이하에서는 본 발명의 구체적인 시험예에 대하여 설명하도록 한다. 다만, 하기의 시험예는 본 발명을 한정하지 않는다.
본 시험예에서는 (i) 탄소 소재 상 무전해 도금법을 이용하여 탄소나노튜브 합성용 금촉 촉매를 담지하는 단계와 (ii) 금속촉매가 담지된 탄소 소재에 열화학기상증착법을 이용하여 질소 원자가 도핑된 탄소나노튜브를 합성하는 혼성화 단계를 통해 삼차원 탄소소재를 제조한 후, 이를 이용하여 방열기판을 제조한 후, 방열기판의 열전도특성을 시험하기로 한다.
[삼차원 탄소소재 제조]
(i) 탄소소재 상 금속촉매를 담지하는 단계는 탄소소재를 전처리하는 공정과 전처리된 탄소소재에 무전해도금을 시행하는 공정을 포함한다.
<탄소소재 전처리 공정: GNP-Sn2 + + Pd2 + → GNP-Sn4 +/Pd>
탈이온수(DI)500 mL에 HCl 4 mL, SnCl2 3 g, 그래핀나노플레이트(GNP) 1 g을 초음파 분쇄기를 이용하여 60분 간 균질 혼합하고, GNP와 반응하지 않은 여분의 Sn2 +를 제거하기 위해 20-㎛-메쉬-사이즈의 체(sieve)를 사용하여 위의 혼합액을 깨끗한 물과 함께 통과시킴으로써 여러 번 세척한다.
세척된 GNP-Sn2 +는 다시 탈이온수 (DI) 500 mL, HCl 1.25 mL, 그리고 PdCl2 0.05 g과 함께 초음파 분쇄기를 통해 60분 간 균질 혼합하며, GNP-Sn2 +와 반응하지 않은 여분의 Pd2 +을 제거하기 위해 위와 같이 20-㎛-메쉬-사이즈의 체를 사용하여 혼합액을 깨끗한 물과 함께 통과시킴으로써 여러 번 세척한 후 60℃에서 하루 동안 건조시킨다.
<무전해 도금 공정>
이렇게 전처리된 GNP-Sn4 +/Pd는 금속촉매 전구체인 FeSO4 2.55 g, CoSO4 0.45 g 그리고 환원제인 NaH2PO2·H2O 2 g, C6H5O7Na3 6 g, H3BO3 3 g, NaOH 2 g 및 탈이온수 (DI) 500 mL와 함께 90 ℃에서 30분 간 교반하여 균질 혼합됨으로써 무전해 도금이 이루어진다. GNP-Sn4 +/Pd와 반응하지 않은 여분의 Fe2 +, Co2 + 및 기타 불순물들은 20-㎛-메쉬-사이즈의 체를 사용하여 혼합액을 깨끗한 물과 함께 통과시킴으로써 여러 번 세척하여 제거한다. 이렇게 세척공정을 마친 GNP-Fe/Co 촉매담지체는 60 ℃에서 하루 동안 건조시킨다.
(ii) 이렇게 GNP 상에 탄소나노튜브 합성용 금속촉매가 담지된 GNP-Fe/Co 촉매담지체는 열화학기상증착법을 통해 quartz tube 안에서 반응하게 되며, 자세하게는 900 ℃, NH3/Ar (100 sccm/400 sccm) 분위기 하에서 40분 간 어닐링 후, NH3/CH4(100 sccm/400 sccm) 분위기에서 60분 간 CNT를 합성하여 탄소지지체 상 질소 원자가 도핑된 탄소나노튜브가 성장된 삼차원 하이브리드 탄소 소재를 제작한다. 이때, 900 ℃ 합성 온도에서 지지체 역할을 하는 GNP와 금속촉매 간의 표면 상호작용에 의한 접촉각이 80 ° 이상 크게 발생하기 때문에 탄소나노튜브 합성 메커니즘 (tip growth)에 의하여 최종적으로 금속촉매가 탄소나노튜브의 tip에 위치하는 모폴로지를 형성한다.
[방열기판 제조]
고분자 수지로서 페놀수지를 사용하여 방열기판을 다음과 같이 제조하였다. 고형분 레졸 수지가 물에 분산된 형태를 갖는 시료에 상기 제조한 질소 원자가 도핑된 삼차원 하이브리드 탄소 소재 필러를 첨가하여 1시간 동안 교반한 후, 이 혼합물을 핫프레스를 이용하여 110 ℃에서 1시간 동안 경화반응을 시키고, 130 ℃ 오븐에서 2차적으로 후경화를 시켜 방열기판을 제조하였다. 방열기판의 열전도도 특성평가는 LFA (Laser Flash Analysis) 방법을 이용해 진행하였다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따라 제조된 삼차원 탄소소재의 XPS 분석결과를 도시한 도면이다. 도 5를 참조하면, 삼차원 탄소소재의 도핑 사이트에 따른 도핑질소양을 확인할 수 있는데, Pyridine like N이 Graphitic N보다 높은 함량을 나타내는 것을 알 수 있다.
도 6은 종래기술 및 본 발명의 실시예에 따라 다양하게 제조된 방열기판의 열전도도 시험결과를 도시한 그래프이다. 그래핀 나노플레이트 상에 탄소나노튜브를 성장시켜 형성한 삼차원 탄소소재(CNP-CNT)를 20wt%로 포함하는 방열기판과 삼차원 탄소소재에 질소를 도핑시킨 경우의 탄소소재(N-CNP-CNT)를 20wt%로 포함하는 방열기판의 열전도도를 비교해보면, 본 발명에 따른 경우 열전도도가 30% 향상되었음을 알 수 있었다.
이는, 삼차원 탄소나노구조체에 표면에 질소가 도핑되어 페놀수지의 히드록시기와 수소결합을 통해 분산성이 향상되어 방열기판의 열전도특성이 우수하게 나타난 것으로 추측된다.
이상, 본 발명의 실시예들에 대하여 설명하였으나, 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서, 구성 요소의 부가, 변경, 삭제 또는 추가 등에 의해 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있을 것이며, 이 또한 본 발명의 권리범위 내에 포함된다고 할 것이다.
100 방열기판
110 고분자 수지
120, 141 이차원 탄소소재
130, 142 일차원 탄소소재
140 삼차원 탄소소재

Claims (12)

  1. 수소결합가능한 제1관능기를 갖는 고분자 수지; 및
    상기 고분자 수지에 분산되어, 내부로 유입되는 열을 방출시키기 위한 방열필러로서, 상기 수소결합가능한 제1관능기와 수소결합이 가능한 제2관능기를 갖는 방열필러;를 포함하는 방열기판.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 제1관능기는 히드록시기인 것을 특징으로 하는 방열기판.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 고분자 수지는 페놀수지인 것을 특징으로 하는 방열기판.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 제2관능기는 질소기인 것을 특징으로 하는 방열기판.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 방열필러는 일차원 탄소소재 또는 이차원 탄소소재인 것을 특징으로 하는 방열기판.
  6. 청구항 1에 있어서,
    상기 방열필러는 이차원 탄소소재 상에 일차원 탄소소재가 위치하여 형성된 삼차원 탄소소재인 것을 특징으로 하는 방열기판.
  7. 청구항 5 및 청구항 6 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제2관능기는 상기 이차원 탄소소재 및 상기 일차원 탄소소재 중 적어도 하나의 탄소소재에 위치하는 것을 특징으로 하는 방열기판.
  8. 청구항 1에 있어서,
    유리섬유, 탄소섬유 및 천연섬유 중 적어도 하나의 내마모기재;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방열기판.
  9. 수소결합가능한 제1관능기를 갖는 고분자 수지에, 상기 고분자 수지에 분산되어, 내부로 유입되는 열을 방출시키기 위한 방열필러로서, 상기 수소결합가능한 제1관능기와 수소결합이 가능한 제2관능기를 갖는 방열필러를 혼합하는 단계; 및
    상기 고분자 수지를 경화시키는 단계;를 포함하는 방열기판 제조방법.
  10. 이차원 탄소소재 상에 일차원 탄소소재가 위치하여 형성된 삼차원 탄소소재를 포함하되, 상기 삼차원 탄소소재는 표면에 질소기를 포함하는 것인 질소도핑 방열필러.
  11. 이차원 탄소지지체 상에 탄소나노튜브 성장촉매를 담지시키는 단계; 및
    상기 탄소나노튜브 성장촉매가 담지된 이차원 탄소지지체 상에 질소소스를 이용하여 탄소나노튜브를 성장시키는 단계;를 포함하는 질소 도핑 방열필러 제조방법.
  12. 청구항 11에 있어서,
    상기 이차원 탄소지지체는 그래핀, 산화그래핀, 그래핀나노플레이트, 흑연 및 팽창흑연으로부터 선택된 어느 하나인 것을 특징으로 하는 질소 도핑 방열필러 제조방법.


KR1020160069469A 2016-06-03 2016-06-03 방열기판 및 그의 제조방법 KR101894139B1 (ko)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020160069469A KR101894139B1 (ko) 2016-06-03 2016-06-03 방열기판 및 그의 제조방법

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020160069469A KR101894139B1 (ko) 2016-06-03 2016-06-03 방열기판 및 그의 제조방법

Publications (2)

Publication Number Publication Date
KR20170137392A true KR20170137392A (ko) 2017-12-13
KR101894139B1 KR101894139B1 (ko) 2018-10-04

Family

ID=60944170

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020160069469A KR101894139B1 (ko) 2016-06-03 2016-06-03 방열기판 및 그의 제조방법

Country Status (1)

Country Link
KR (1) KR101894139B1 (ko)

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20200050249A (ko) * 2018-11-01 2020-05-11 전자부품연구원 다중 크기의 판상형 방열필러를 포함하는 방열복합체 및 방열부재
KR102635203B1 (ko) * 2023-07-06 2024-02-13 호서대학교 산학협력단 고방열 금속 부재 및 이를 포함하는 고방열 다이캐스팅부품

Families Citing this family (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20220060943A (ko) 2020-11-05 2022-05-12 우리산전 주식회사 방열소재 소결체 제조방법
KR20220101523A (ko) 2021-01-11 2022-07-19 (주) 미래이피 방열기판 및 이의 제조방법

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR100668352B1 (ko) * 2006-01-05 2007-01-12 삼성전자주식회사 질소 도핑된 단일벽 탄소나노튜브의 제조방법
KR20130069221A (ko) * 2011-12-16 2013-06-26 유니온스틸 주식회사 우수한 방열특성을 가진, 친환경적인 방열수지 조성물 및 이를 이용한 강판
KR20140032292A (ko) * 2012-09-06 2014-03-14 삼성전기주식회사 방열기판용 수지조성물 및 이를 포함하는 방열기판
KR20140043031A (ko) * 2012-09-28 2014-04-08 한화케미칼 주식회사 방열 도료 조성물 및 방열 구조체

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR100668352B1 (ko) * 2006-01-05 2007-01-12 삼성전자주식회사 질소 도핑된 단일벽 탄소나노튜브의 제조방법
KR20130069221A (ko) * 2011-12-16 2013-06-26 유니온스틸 주식회사 우수한 방열특성을 가진, 친환경적인 방열수지 조성물 및 이를 이용한 강판
KR20140032292A (ko) * 2012-09-06 2014-03-14 삼성전기주식회사 방열기판용 수지조성물 및 이를 포함하는 방열기판
KR20140043031A (ko) * 2012-09-28 2014-04-08 한화케미칼 주식회사 방열 도료 조성물 및 방열 구조체

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20200050249A (ko) * 2018-11-01 2020-05-11 전자부품연구원 다중 크기의 판상형 방열필러를 포함하는 방열복합체 및 방열부재
KR102635203B1 (ko) * 2023-07-06 2024-02-13 호서대학교 산학협력단 고방열 금속 부재 및 이를 포함하는 고방열 다이캐스팅부품

Also Published As

Publication number Publication date
KR101894139B1 (ko) 2018-10-04

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Zhang et al. Carbon nanotube reinforced strong carbon matrix composites
Lin et al. Microwave makes carbon nanotubes less defective
KR101894139B1 (ko) 방열기판 및 그의 제조방법
Liang et al. Epoxy nanocomposites with reduced graphene oxide-constructed three-dimensional networks of single wall carbon nanotube for enhanced thermal management capability with low filler loading
KR101928045B1 (ko) 복합재료 제조용 카테콜아민-판상흑연 기반 고분자 복합체
Tan et al. Enhanced electromagnetic shielding and thermal conductive properties of polyolefin composites with a Ti3C2T x MXene/graphene framework connected by a hydrogen-bonded interface
JP4991657B2 (ja) 高密度カーボンナノチューブアレイを含む熱伝導シート及びその製造方法
Li et al. Thermal interface materials with both high through-plane thermal conductivity and excellent elastic compliance
JP2009074072A (ja) 加熱処理によるカーボンナノチューブ含有樹脂成形体の導電性改善方法
Cauchy et al. Synthesis of highly conductive, uniformly silver-coated carbon nanofibers by electroless deposition
Mishra et al. Plasma enhanced synthesis of N doped vertically aligned carbon nanofibers on 3D graphene
KR101413996B1 (ko) 카본 하이브리드 필러를 포함하는 방열 복합체 및 그 제조방법
Cho et al. Graphene–carbon–metal composite film for a flexible heat sink
Li et al. Vertical graphene nanosheet/polyimide composite films for electromagnetic interference shielding
Zhuang et al. Graphene/3C-SiC hybrid nanolaminate
Wei et al. Enhanced thermal conductivity of nanodiamond nanosheets/polymer nanofiber composite films by uniaxial and coaxial electrospinning: implications for thermal management of nanodevices
KR101173629B1 (ko) 그라핀 나노시트의 제조방법 및 상기 방법으로 제조된 그라핀 나노시트
KR20150074224A (ko) 탄소지지체와 탄소나노튜브가 직접 연결된 형태의 3차원 구조를 갖는 탄소 나노구조체 제조방법
Okoroanyanwu et al. Large area millisecond preparation of high-quality, few-layer graphene films on arbitrary substrates via xenon flash lamp photothermal pyrolysis and their application for high-performance micro-supercapacitors
JP2009057407A (ja) 積層加熱加圧によるカーボンナノチューブ含有樹脂成形体の導電性改善方法
KR101362026B1 (ko) 탄소나노튜브-탄소섬유 하이브리드 필러의 제조방법
KR101809355B1 (ko) 삼차원 탄소나노구조체 및 그의 제조방법
KR101922333B1 (ko) 삼차원 탄소나노구조체 및 그의 제조방법
KR101387317B1 (ko) 탄소 나노 튜브의 제조 방법
Lee et al. The electrical and heating properties of copper-incorporated graphite fibers fabricated using different ultrasonication techniques

Legal Events

Date Code Title Description
A201 Request for examination
E902 Notification of reason for refusal
E701 Decision to grant or registration of patent right
GRNT Written decision to grant