KR20180096111A

KR20180096111A - 금속-탄소 재료 복합 필름의 제조 방법

Info

Publication number: KR20180096111A
Application number: KR1020170022357A
Authority: KR
Inventors: 김명종; 이상현; 황준연; 장세규; 조현진; 김준희; 노호균
Original assignee: 한국과학기술연구원
Priority date: 2017-02-20
Filing date: 2017-02-20
Publication date: 2018-08-29
Also published as: KR101898524B1

Abstract

아크 방전 공정을 통해 탄소 재료를 합성하는 단계; 탄소 재료 및 섬유 전구체를 포함하는 혼합 용액을 형성하는 단계; 혼합 용액을 전기 방사 장치에 충진한 후 전기 방사 공정을 수행하여 예비 탄소 재료 복합 필름을 제조하는 단계; 예비 탄소 재료 복합 필름에 안정화 공정 및 탄화 공정을 수행하여 탄소 재료 복합 필름을 제조하는 단계; 및 금속 증착 공정을 통해 탄소 재료 복합 필름 상에 금속층을 형성하여, 금속-탄소 재료 복합 필름을 제조하는 단계; 를 포함하는 금속-탄소 재료 복합 필름의 제조 방법이 제공된다.

Description

금속-탄소 재료 복합 필름의 제조 방법{METHODS OF MANUFACTURING METAL-CARBON LMATERIAL COMPLEXED FILMS}

본 발명은 새로운 금속-탄소 재료 복합 필름의 제조 방법에 관한 것이다. 보다 상세하게는 방열 특성이 우수한 금속-탄소 재료 복합 필름의 제조 방법에 관한 것이다.

그래핀(Graphene)은 육각형 벌집 격자 형태로 가지며, 3개의 서로 이웃하는 탄소 원자들이 sp2 결합으로 구성된 나노 재료이다. 그래핀은 원자 1개의 두께로 이루어진 얇은 막 형태로, 그래핀 두 층간의 차이는 0.343nm이다. 특히 영차원인 풀러렌(Fullerene), 일차원인 탄소나노튜브(Carbon Nanotube), 다른 이차원 구조인 흑연(Graphite), 그리고 삼차원 구조인 다이아몬드(Diamond) 등 다양한 탄소 동소체를 가지고 있다. 그래핀은 뛰어난 물리적, 화학적 특성 때문에 최근 유연하고, 투명한 전자소재의 재료로 관심을 받아왔다. 특히 그 구조적 특징 때문에 상온에서 안정적인 분자 구조로 존재할 수 있는 가장 얇은 두께의 재료이다. 원자 한 개의 두께로 인해 그래핀은 매우 투명한 특성을 보이고 있는데, 특히 1장 당 2.3%의 흡수율을 보인다. 그래핀의 밴드갭은 0 eV로 전자의 이동도가 매우 높고, 이로 인해 구리보다 100배 이상 전기가 잘 통하는 등 전기전도도가 매우 높고, 포논과 전자의 높은 열전도도 특성 때문에 금속보다 높은 열전도 결과를 보여준다.

그래핀은 2004년 가임과 노보셀로프의 흑연으로부터 분리하는 기술을 통해 과학자들에게 더욱 활발히 연구되기 시작했으며, 흑연으로부터 스카치테이프를 이용하여 분리하는 물리적 방법 외에도 흑연을 화학적으로 박리하고 환원 공정을 통해 합성하는 화학적 방법, 에피택셜 합성법, 아크방전법, 마지막으로 화학기상증착법인 Chemical Vapor Deposition (CVD) 방법이 있다. 한편, 최근 그래핀을 전자소재로 적용하기 위해 CVD와 아크방전을 이용하여 많은 합성 방법이 개발되고 있다. 그러나 CVD 방법은 산업적 응용에 필요한 생산량을 확보하기가 어려운데 반해, 아크방전법은 약 3,500도 이상의 높은 합성 온도를 이용하여 탄소 전구체의 화학적 분해, 합성을 할 수 있어, 높은 품질의 그래핀을 대량으로 합성할 수 있다. 이 때문에 높은 전기전도도 및 열전도도를 가진 새로운 재료인 그래핀을 산업적으로 응용 할 수 있는 발판이 마련되었다.

한편, 흑연을 포함한 탄소재료와 다양한 금속 재료는 전자 산업이 발달되면서 방열 재료로 많이 사용되어왔다. 그 중에서 폴리아크릴로니크릴(PAN)과 구리가 가장 많이 산업적으로 사용되고 있다. 특히 PAN은 다양한 방사 공정을 통해 탄소섬유로 만들어진 후 방열 재료로 적용되며, 구리는 재료 그대로 사용되거나 기공을 생성시켜 응용하고 있다.

이에 따라, 상기 물질들을 기반으로 한 복합 재료에 대한 연구가 필수적이며, 이를 통해 다양한 분야에서 응용성의 확대를 기대할 수 있다.

대한민국등록특허공보 제10-1096531호 미국 출원특허공보 제2015/0197869호

본 발명의 구현예들에서는 우수한 방열 특성을 갖는 금속-탄소 재료 복합 필름의 제조 방법을 제공하고자 한다.

본 발명의 다른 구현예들에서는 상기 방법을 통해 제조된 금속-탄소 재료복합 필름을 제공하고자 한다.

본 발명의 일 구현예에서, 아크 방전 공정을 통해 탄소 재료를 합성하는 단계; 상기 탄소 재료 및 섬유 전구체를 포함하는 혼합 용액을 형성하는 단계; 상기 혼합 용액을 전기 방사 장치에 충진한 후 전기 방사 공정을 수행하여 예비 탄소 재료 복합 필름을 제조하는 단계; 상기 예비 탄소 재료 복합 필름에 안정화 공정 및 탄화 공정을 수행하여 탄소 재료 복합 필름을 제조하는 단계; 및 금속 증착 공정을 통해 상기 탄소 재료 복합 필름 상에 금속층을 형성하여, 금속-탄소 재료 복합 필름을 제조하는 단계; 를 포함하는 금속-탄소 재료 복합 필름의 제조 방법이 제공된다.

예시적인 구현예에서, 상기 금속-탄소 재료 복합 필름은 복수 개의 기공을 포함하고, 상기 기공은 1nm² 내지 10mm² 의 크기를 가질 수 있다.

예시적인 구현예에서, 상기 기공을 통해 공기가 대류할 수 있다.

예시적인 구현예에서, 상기 탄소 재료는 그래핀, 도핑된 그래핀, 탄소나노튜브 및 풀러렌으로 이루어진 그룹에서 선택된 하나 이상을 포함할 수 있다.

예시적인 구현예에서, 상기 탄소 재료는 그래핀, 도핑된 그래핀, 탄소나노튜브 및 풀러렌으로 이루어진 그룹에서 선택된 하나 이상과 니켈, 구리, 알루미늄, 크롬, 코발트, 철, 백금, 금, 우라늄, 탄탈륨, 티타늄, 텅스텐, 바나듐, 마그네슘, 망간, 몰리브덴, 규소, 로듐, 게르마늄, 비스무트, 하프늄, 은, 이리듐, 이트륨, 테크네륨, 아연, 청동 및 스테인리스 강으로 이루어진 그룹에서 선택된 하나 이상이 반응하여 형성된 것일 수 있다.

예시적인 구현예에서, 상기 섬유 전구체는 폴리아크릴로니트릴(polyacrylonitrile, PAN), 피치(pitch), 셀룰로오스계 섬유 및 레이온(rayon) 로 이루어진 그룹에서 선택된 하나 이상을 포함할 수 있다.

예시적인 구현예에서, 상기 혼합 용액 상에서 상기 섬유 전구체와 탄소 재료는 60~99.99:0.01~40 중량비율로 포함될 수 있다.

예시적인 구현예에서, 상기 금속 증착 공정은, 전자 빔 증착 장치, 스퍼터링 증착 장치, 무전해 도금 장치 및 전해 도금 장치로 이루어진 그룹에서 선택된 하나 이상을 통해 수행될 수 있다.

예시적인 구현예에서, 상기 금속층은 상기 탄소 재료 복합 필름의 일 면에만 형성될 수 있다.

예시적인 구현예에서, 상기 금속 증착 공정의 시간을 조절하여 상기 기공의 크기를 조절할 수 있다.

예시적인 구현예에서, 상기 금속층을 형성한 이후, 어닐링 공정, 소결 공정 및 표면 처리 공정 중 하나 이상의 공정을 수행할 수 있다.

본 발명의 다른 구현예에서, 상기 금속-탄소 재료 복합 필름의 제조 방법을 통해 제조된 금속-탄소 재료 복합 필름이 제공된다.

예시적인 구현예에서, 상기 복합 필름은 방열 재료용일 수 있다.

본 발명에 따르면, 복수 개의 기공을 포함하는 금속-탄소 재료 복합 필름을 제조할 수 있다. 본 발명의 제조 방법에 따르면, 보다 낮은 가격으로 금속-탄소 재료 복합 필름을 제조할 수 있는 바, 최종 생산물의 가격 경쟁력을 증대시킬 수 있다.

뿐만 아니라, 본 발명의 금속-탄소 재료 복합 필름은 전기적 특성이 우수할 수 있다. 또한, 상기 복합 필름은 복수 개의 기공을 포함하고 있으며, 상기 기공을 통해 대류가 가능한 바, 상기 금속-탄소 재료 복합 필름은 반도체 등 전자산업 분야에서 방열 재료로서 사용시 우수한 성능을 보일 수 있다.

도 1a 내지 1c는 본 발명의 구현예들에 따른 금속-탄소 재료 복합 필름의 제조 방법의 각 단계에서의 생성물들을 나타낸다.
도 2는 각 단계들에서의 생성물의 형태를 나타낸다. 구체적으로, 도 2의 (a) 및 (b)는 각각 아크 방전 공정으로 제조된 그래핀의 SEM 및 TEM 이미지이다. 도 2의 (c) 및 (d)는 각각 예비 탄소 재료 복합 필름의 SEM 및 TEM 이미지이다. 도 2의 (e) 및 (f)는 각각 금속-탄소 재료 복합 필름의 SEM 및 TEM 이미지이다.
도 3a는 본 발명에 따른 금속-탄소 재료 복합 필름의 제조 방법의 개략도를 나타내며, 도 3b 내지 3d는 각각 본 발명에 따라 제조된 금속-탄소 재료 복합 필름의 단면, 상면 및 하면을 나타낸다.
도 4a는 실시예에 따라 제조된 금속-탄소 재료 복합 필름 및 비교예에 따라 제조된 탄소 재료 복합 필름의 온도 변화에 따른 열 전도도 변화 특성을 나타내는 그래프이다. 도 4b는 순수 구리 및 기공 구조를 가진 구리의 전도도 값을 이론적으로 계산한 결과를 나타내는 그래프이다.
도 5a 내지 5c는 실시예에 따라 제조된 금속-탄소 재료 복합 필름과 순수한 구리의 방열 특성 실험 및 이에 따른 결과를 나타내는 사진이다.
도 6은 실시예에 따라 제조된 금속-탄소 재료 복합 필름의 발광특성, 플렉서블 특성 및 전기전도도 특성 실험 결과를 나타내는 사진이다.

본 발명에서, "예비 탄소 재료 복합 필름"이란 탄화 공정 및 안정화 공정을 거치지 않은 것으로서, 탄소 재료 및 섬유 전구체를 이용하여 제조된 필름을 의미한다.

본 발명에서, "탄소 재료 복합 필름"이란 탄화 공정 및 안정화 공정을 거친 후의 예비 탄소 재료 복합 필름을 의미한다.

본 발명에서, "금속-탄소 재료 복합 필름"이란 탄소 재료 복합 필름 및 상기 탄소 재료 복합 필름(즉, 탄소 재료 복합 필름)상에 형성된 금속층을 포함하는 필름을 의미한다.

본 발명의 일 구현예예서, 아크 방전 공정을 통해 탄소 재료를 합성하는 단계; 상기 탄소 재료 및 섬유 전구체를 포함하는 혼합 용액을 형성하는 단계; 상기 전기 방사 장치에 충진한 후 전기 방사 공정을 수행하여 예비 탄소 재료 복합 필름을 제조하는 단계; 상기 예비 탄소 재료 복합 필름에 안정화 공정 및 탄화 공정을 수행하여 탄소 재료 복합 필름을 제조하는 단계; 및 금속 증착 공정을 통해 상기 탄소 재료 복합 필름 상에 금속층을 형성하여, 금속-탄소 재료 복합 필름을 제조하는 단계; 를 포함하는 금속-탄소 재료 복합 필름의 제조 방법이 제공된다.

이하, 본 발명의 구현예들을 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명한다. 본 발명의 구현예들이 첨부된 도면을 참고로 설명되었으나 이는 예시를 위하여 설명되는 것이며, 이것에 의해 본 발명의 기술적 사상과 그 구성 및 적용이 제한되지 않는다.

도 3a는 본 발명의 구현예들에 따른 금속-탄소 재료 복합 필름의 제조 방법의 개략도를 나타낸다.

이하, 각 단계별로 자세히 살펴본다.

먼저, 아크 방전 공정을 통해 탄소 재료를 합성한다. 아크 방전 공정을 통해 합성된 탄소 재료는 고온의 합성 온도로 인해 결함이 거의 없고, 인접한 탄소끼리 sp2 결합으로 이루어졌으며, 소수의 층으로 제조될 수 있어 우수한 성능을 가질 수 있다.

예시적인 구현예에서, 탄소 재료는 그래핀, 도핑된 그래핀, 탄소나노튜브 및 풀러렌으로 이루어진 그룹에서 선택된 하나 이상일 수 있다.

일 구현예예서, 상기 탄소 재료는 그래핀, 도핑된 그래핀, 탄소나노튜브 및 풀러렌으로 이루어진 그룹에서 선택된 하나 이상과 니켈, 구리, 알루미늄, 크롬, 코발트, 철, 백금, 금, 우라늄, 탄탈륨, 티타늄, 텅스텐, 바나듐, 마그네슘, 망간, 몰리브덴, 규소, 로듐, 게르마늄, 비스무트, 하프늄, 은, 이리듐, 이트륨, 테크네륨, 아연, 청동 및 스테인리스 강으로 이루어진 그룹에서 선택된 하나 이상이 반응하여 형성된 것 일 수 있다.

일 구현예에서, 상기 탄소 재료는 그래핀일 수 있고, 상기 그래핀은 1 내지 10층 이하의 층으로 제조될 수 있다. 또한, 상기 탄소 재료가 그래핀인 경우 최종 생성되는 제품이 가격 경쟁력을 보다 갖출 수 있도록 제조된다.

한편, 상기 아크 방전 공정은 제한되지 않으며, 대한민국 등록 특허공보 제10-1438027호에 기재된 방법으로 수행될 수 있다.

구체적으로 살펴보면, 상기 아크 방전 공정 수행시 양극재료와 음극재료가 필요한데, 양극은 가운데가 비어있는 직경 6mm인 탄소봉(대한카본)에 흑연(Graphite, 99.9%, 고순도화학, 50μm)을 채워 준비하고, 음극은 흑연을 준비하여 수행될 수 있다. 이후, 양극 탄소봉이 음극에 가까이 접근할 때 발생되는 고온의 아크방전을 이용하여 그래핀을 제조할 수 있다. 이때, 버퍼 가스(Buffer gas)는 아크방전 장비의 반응 챔버 내에 수소/헬륨 혼합가스를 400:400 sccm 만큼 각각 공급할 수 있으며, 챔버 내부 압력은 550torr를 유지할 수 있다.

이후, 탄소 재료 및 섬유 전구체를 포함하는 혼합 용액을 형성한다(도 1a 참조).

구체적으로, 용매에 상기 탄소 재료 및 섬유 전구체를 투입하고 혼합하여 혼합 용액을 형성할 수 있다.

예시적인 구현예에서, 상기 용매는 디메틸포름아마이드(DMF), 1,3-디메틸아밀아민(1,3-DMAA) 및 디메틸 설포옥사이드(DMSO)로 이루어진 그룹에서 선택된 하나 일 수 있다. 상기와 같은 용매를 사용하는 경우 탄소 재료 및 섬유 전구체의 분산도를 향상시키고 전기 방사 공정을 용이하게 수행하는데 도모할 수 있다.

예시적인 구현예에서, 상기 섬유 전구체는 제한되지 않으나, 폴리아크릴로니트릴(polyacrylonitrile, PAN), 피치(pitch), 셀룰로오스계 섬유 및 레이온(rayon)로 이루어진 그룹에서 선택된 하나 이상을 포함할 수 있다. 이와 같이 탄소 재료 및 섬유 전구체를 혼합한 후 방사 후 안정화, 탄화 공정을 거치면 기존의 탄소 섬유 대비 더 우수한 전기적, 열적 특성을 갖는 금속-탄소 재료 복합 필름을 제조할 수 있다.

한편, 상기 혼합 용액에서 상기 탄소 재료 및 섬유 전구체의 혼합 비율을 조절하여 최상의 조건을 갖는 혼합 용액을 제조할 수 있다.

예시적인 구현예에서, 상기 혼합 용액 상에서 상기 섬유 전구체와 탄소 재료는 60~99.99:0.01~40 wt%로 포함될 수 있다. 상기 섬유 전구체가 상기 범위 미만으로 포함되는 경우 전기적 특성 등이 미비할 수 있으며, 상기 범위를 초과하여 포함되는 경우 혼합용액의 점성이 크게 제조되어 섬유로 제조하기 어려울 수 있다.

일 구현예예서, 상기 혼합 용액을 제조하는 공정은 기계적 혼합 공정 등과 같은 직접혼합 공정 및/또는 초음파 혹은 마이크로웨이브 등을 이용하는 간접혼합공정을 통해 수행될 수 있다.

이후, 상기 혼합 용액을 이용한 전기방사 공정을 통해 예비 탄소 재료 복합 필름을 제조한다(도 1a의 오른쪽 하단 및 1b의 왼쪽 도면 참조)

구체적으로, 상기 혼합 용액을 전기 방사 장치에 충진하고 상기 전기방사 장치의 전기적 압력을 통해 토출시켜 예비 탄소 재료 복합 필름을 제조할 수 있다. 이때, 상기 전기방사 장치의 인가하는 전압 및 노즐과 수집판 사이의 거리를 조절하여 상기 예비 탄소 재료 복합 필름의 형상을 제어할 수도 있다.

일 구현예에서, 상기 예비 탄소 재료 복합 필름은 상기 공정을 통해 부직포 형태로 제조될 수 있다.

이어서, 상기 예비 탄소 재료 복합 필름에 안정화 공정 및 탄화 공정을 수행하여 탄소 재료 복합 필름을 제조할 수 있다(도 1b의 가운데 및 오른쪽 그림 참조).

먼저, 안정화 공정 통해 예비 탄소 재료 복합 필름을 불융화시켜, 상기 예비 탄소 재료 복합 필름이 내염성을 갖도록 제조할 수 있다.

예시적인 구현예에서, 상기 안정화 공정은 온도 조절이 가능한 챔버 내에서, 공기 또는 산소 등의 산화성 분위기 하에서 통해 예비 탄소 재료 복합 필름에 열에너지를 가하여 수행할 수 있다. 또한, 상기 안정화공정 수행시 급격한 반응의 진행을 방지하기 위해, 단계적으로 승온하여 상기 범위 내의 온도를 유지할 수 있다.

예시적인 구현예에서, 상기 안정화 공정은 약 0.5 내지 3 시간 동안 수행될 수 있다. 만약, 상기 안정화 공정이 0.5 시간 미만으로 수행되는 경우 상기 안정화 공정 수행에 따른 효과를 기대하기 어렵고, 3 시간을 초과하는 경우 예비 탄소 재료 복합 필름의 산화가 심하여 탄화 후 탄소 재료 복합 필름의 물성 저하를 가져올 수 있다.

예시적인 구현예에서, 상기 안정화 공정은 약 200 내지 300℃ 범위의 온도에서 수행될 수 있다. 만약, 상기 안정화 공정이 200 ℃ 미만으로 수행되는 경우 상기 안정화 공정 수행에 따른 효과를 기대하기 어렵고, 300 ℃를 초과하는 경우 예비 탄소 재료 복합 필름의 산화가 심하여 탄화 후 예비 탄소 재료 복합 필름의 물성 저하를 가져올 수 있다.

예시적인 구현예에서, 예비 탄소 재료 복합 필름을 상압 또는 진공 하에서 플라즈마를 이용하여 안정화할 수도 있다. 구체적으로, 상기 예비 탄소 재료 복합 필름이 포함된 반응 챔버에 플라즈마 발생 가스로서 아르곤 가스 등과, 반응성 가스로서 산소 가스를 혼합, 주입하면서, 플라즈마를 발생시켜 안정화 시킬 수 있다. 이와 같이 플라즈마를 이용하여 안정화시키는 경우, 에너지 밀도가 높고, 반응성이 매우 큰 활성 산소종이 생성될 수 있다. 이에 따라, 상기 예비 탄소 재료 복합 필름의 안정화가 균일하고 빠른 시간에 수행될 수 있다.

구체적으로, 플라즈마 발생 시 산소 단원자나 슈퍼옥사이드(superoxide, O²-), 하이드로젠 퍼옥사이드(hydrogen peroxide, H₂O₂), 히드록실 라디칼(hydroxyl radical, OH) 등의 산소종이 발생되어, 균일한 안정화 반응이 일어날 뿐만 아니라, 상기 안정화 반응의 반응 시간을 단축할 수 있다. 상기 플라즈마를 이용한 안정화 공정은 약 120분 내지 250분 동안 진행될 수 있다. 상기 플라즈마를 이용한 안정화 공정의 수행시간이 120분 미만이면, 안정화 반응이 미미하고, 250분을 초과하는 경우 에너지 손실 면에서 바람직하지 않을 수 있다.

예시적인 구현예에서, 상기 안정화 공정은 플라즈마를 이용하는 공정과, 열에너지를 이용한 공정을 연속적으로 병행하여 진행하여 수행될 수도 있다.

이어서, 상기 안정화된 예비 탄소 재료 복합 필름을 탄화하여 탄소 재료 복합 필름을 제조할 수 있다.

구체적으로, 열에너지에 의해 고온에서 탄화 공정을 진행하여 상기 안정화된 예비 탄소 재료 복합 필름의 흑연구조가 발달되어 흑연화될 수 있다.

예시적인 구현예에서, 상기 탄화 공정은 고온의 탄화로 등을 이용하여 불활성 분위기에서 진행할 수 있다. 예를 들어, 상기 불활성 분위기는 질소 분위기 일 수 있다.

예시적인 구현예에서, 상기 탄화 공정시 다른 반응성 가스가 들어가면 불필요한 화학반응에 의해서 상기 탄화 공정시 큰 결함으로 작용하게 될 수 있으므로, 질소 분위기 등과 같은 불활성 분위기 하에서 진행될 수 있다.

예시적인 구현예에서, 상기 탄화 공정은 약 600 내지 1,800℃ 범위의 온도에서 수행될 수 있다. 만약, 상기 탄화 공정이 600 ℃ 이하로 수행되는 경우 탄화 수율이 낮아 탄소함량이 떨어지고 환원반응이 일어나지 않으며, 1,800℃ 를 초과하는 경우 안정화된 예비 탄소 재료 복합 필름의 분해가 일어날 수 있다.

예시적인 구현예에서, 상기 탄화 공정은 약 10분 내지 4시간 동안 수행될 수 있다. 만약, 상기 탄화 공정이 10분 미만으로 수행되는 경우 탄화 수율이 낮아 탄소함량이 떨어지고 환원반응이 일어나지 않으며, 상기 탄소복합섬유가 4시간 초과하는 경우 금 안정화된 예비 탄소 재료 복합 필름의 분해가 일어날 수 있다.

이와 달리, 상기 탄화 공정은 열에너지 대신 마이크로파 유도 플라즈마(Microwave Assisted Plasma: MAP)에 의해 진행될 수 있다.

상기 탄화 공정을 수행함에 따라 탄소 재료 복합 필름이 제조될 수 있고, 상기 탄소 재료 복합 필름의 전도성이 증진될 수 있다.

이어서, 마지막으로, 금속 증착 공정을 통해 상기 탄소 재료 복합 필름 상에 금속층을 형성하여, 금속-탄소 재료 복합 필름을 제조한다. 한편 상기 금속층을 형성함에 따라, 상기 금속-탄소 재료 복합 필름 상에 기공이 형성될 수 있다. 이에 따라, 대류가 가능한 기공 구조를 갖는 필름을 제조할 수 있다.

예시적인 구현예에서, 금속 증착 공정은, 전자 빔 증착 장치, 스퍼터링 증착 장치, 무전해 도금 장치 및 전해 도금 장치로 이루어진 그룹에서 선택된 하나 이상을 통해 수행될 수 있다.

일 구현예에서, 상기 금속 증착 공정은 무전해 도금 장치 또는 전해 도금 장치를 통해 수행될 수 있다.

예시적인 구현예에서, 상기 금속층은 상기 탄소 재료 복합 필름의 일 면에만 형성될 수 있다. 이 경우, 상기 탄소 재료 복합 필름에 복수 개의 기공이 보다 원활히 형성되어, 상기 복수 개의 기공을 통해 대류가 원활하게 일어날 수 있다.

일반적으로 금속층을 탄소 재료 복합 필름의 양쪽 면에 증착하면 금속-탄소 섬유 복합체의 특성이 금속과 거의 동일하기 때문에 금속 자체를 방열소재로 사용하는 것과 비교하여 차이가 거의 없으며, 특히 기공 구조를 생성하기가 어려울 수 있다. 이에 반해, 금속층을 일면에만 형성하는 경우 탄소 재료 복합 필름에 복수 개의 기공이 보다 원활히 형성될 수 있다.

또한, 현재 LED 소자와 전구 등은 전극과 방열 소재를 각각 분리하여 적용하고 있다. 한편, 본 발명의 제조 방법에 따르면, 상기 금속층은 탄소 재료 복합 필름의 일면에만 형성되는바, LED 소자와 전구 등을 금속층이 증착되지 않는 층에 설치하여 전극으로 직접 적용할 뿐만 아니라, 전극 재료 자체가 가지는 기공 구조를 통해 전극에서 발생되는 열을 방출시키는 방법을 이용하여 방열 효과를 보다 극대화 시킬 수 있다.

더불어, 일반적으로 전기방사 후 안정화, 탄화 공정을 거치게 되면 탄소 재료의 특성 때문에 잘 부러지게 되는 문제점이 존재하는데, 본 발명에서와 같이 금속층을 탄소 재료 복합 필름의 한 쪽 면에만 증착하게 되면 금속층이 상기 금속-탄소 섬유 복합체의 구조적 형태안정성을 매우 향상시켜 플렉서블하고 부러지지 않는 구조적 특징을 갖도록 도모할 수 있다.

한편, 예시적인 구현예에서, 상기 기공은 1nm² 내지 10mm² 범위의 크기를 가질 수 있으며, 구체적으로 100nm² 내지 1mm² 범위의 크기를 가질 수 있다. 기공이 1 nm²미만의 크기로 제조되는 경우 대류 효과를 기대할 수 없으며, 10mm² 을 초과하는 범위로 제조되는 경우 열전도도 특성 저하로 인해 금속-탄소 섬유 복합 필름의 효율성의 저하를 가져올 수 있다. 한편, 금속-탄소 재료 복합 필름에 이와 같이 기공이 형성됨에 따라, 상기 기공을 통해 공기가 대류할 수 있다.

또한, 상기 금속층을 증착하는 공정의 전류밀도 범위를 조절하여 상기 기공의 크기를 조절할 수 있다.

예시적인 구현예에서, 금속층을 증착하는 공정은 0.01A/dm² 내지 60A/dm²의 범위 내에서 수행될 수 있다. 0.01A/dm² 이하의 전류밀도에서 공정이 수행되는 경우 너무 낮은 생산성으로 인해 공정화가 어렵고, 60A/dm²을 초과하는 전류밀도의 경우 흔히 burning이라고 부르는 도금막 표면이 타는 현상이 일어날 수 있다.

한편, 도시되지는 않았으나 상기 금속층을 형성한 이후, 어닐링 공정, 소결 공정 및 표면 처리 공정 중 하나 이상의 공정을 수행하여, 상기 금속층과 탄소 재료 복합 필름 사이의 접착력을 향상시키고, 상기 탄소 재료 복합 필름 및 금속층의 성능을 향상시킬 수 있다.

한편, 본 발명의 다른 구현예들에서는 상기 제조 방법으로 제조된 복합 필름이 제조된다. 상기 복합 재료는 전기전도성이 우수할 뿐만 아니라, 내구성이 우수하며, 방열성능이 우수하여 방열 재료용으로 널리 사용될 수 있다.

상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 금속-탄소 재료 복합 필름은 아크 방전을 통해 합성된 탄소 재료를 포함한다, 이는 일반 탄소 소재보다 생산 단가가 저렴하여 제품의 단가를 낮추는데 기여할 수 있다. 뿐만 아니라, 상기 금속-탄소 재료 복합 필름의 금속 층은 전해도금을 이용해 진행되는데, 이 역시 가격경쟁력이 우수하여 최종 생성된 제품의 단가를 낮추는데 기여할 수 있다.

즉, 본 발명은 탄소 재료의 빠른 생산 속도와 대량 전기 방사, 저렴한 전해 도금 방법으로 인해 생산 단가의 절감을 극대화 시킬 수 있고, 방열 효과를 위한 대류가 가능한 기공 구조를 쉽게 제조하는 것 외에도 생산성의 향상을 가져오며, 전체 제조 공정 시간을 단축시킬 수 있다.

이하, 실시예를 통하여 본 발명을 더욱 상세히 설명하고자 한다. 이들 실시예는 오로지 본 발명을 예시하기 위한 것으로, 본 발명의 범위가 이들 실시예들에 의해 제한되는 것으로 해석되지 않는 것은 당업계에서 통상의 지식을 가진 자에 있어서 자명할 것이다.

실시예 1

먼저, 아크 방전으로 그래핀을 합성하였다. 구체적으로 아크 방전법은 양극재료와 음극재료가 필요한데, 양극은 가운데가 비어있는 직경 6mm인 탄소봉(대한카본)에 흑연(Graphite, 99.9%, 고순도화학, 50μm)을 채워 준비하고, 음극은 흑연을 준비하였다. 이후 합성과정은 양극 탄소봉이 음극에 가까이 접근할 때 발생되는 고온의 아크방전을 이용하였다. 또한, 이때 버퍼 가스(Buffer gas)로서 아크방전 장비의 반응 챔버 내에 수소/헬륨 혼합가스를 400:400 sccm 만큼 각각 공급하였고, 챔버 내부 압력은 550torr를 유지 하였다.

이후 아크 방전으로 제조된 그래핀을 폴리아크릴로니트릴(PAN)을 DMF 용액에 첨가하여 용해(PAN 10wt%/DMF 90wt%)시켜 1wt%(Arc-Graphene1wt%/PAN-DMF 용액)의 방사 용액을 제조하였다. 이후, 용액을 균일하게 제조하기 위하여 제조한 용액을 핫플레이트(hot plate)와 교반용 자석을 이용하여 50℃에서 12시간 가열하여 용해시켰다.

이후, 상기 혼합 용액을 전기 방사 장치에 충진한 후 전기 방사 공정을 수행하여 예비 탄소 재료 복합 필름을 제조하였다.

구체적으로, 전압 크기의 조정이 가능한 장치인 고전압 직류발생 장치(모델명 ESN-HV30 (NanoNC Co., LTD.))로 전압 범위가 1~30kV의 고전압 발생 장치를 부착하여 전기방사를 진행하였다. 또한, 예비 탄소 재료 복합 필름을 제조하게 위해서 방사용액을 팁 내경 0.4mm인 5ml 실린지에 넣은 후 전압선을 용액 안으로 침지시킨 이후 중력 방사 방식으로 진행하였다. 전기방사 중 전기장이 다른 물질에 의해 영향을 받지 않도록 챔버 내에서 방사를 진행하였다. 전극간 거리(tip-to-collector distance, TCD)는 15cm로 고정하였으며, 15kV의 전압을 인가하여 9시간 동안 전기방사를 진행하였다. 전기방사 중 중요 변수인 대기 조건 중 온도 및 습도는 24.1(±2℃), 54.7(±2)%로 고정하였다. 전기방사 이후 나노섬유에 잔류한 solvent 휘발을 위하여 vacuum oven에서 24시간 동안 건조를 진행하여 예비 탄소 재료 복합 필름을 제조하였다.

이후, 건조된 예비 탄소 재료 복합 필름의 일면에 하기 표 1에 기재된 조성을 가진 구리 도금액을 사용해서 전류밀도 3A/dm², 공기 교반, 상온의 조건 하에서 전기 도금 공정을 수행하여 구리층을 형성하여 금속-탄소 재료 복합 필름을 제조하였다. 이때, 상기 전기 도금 공정에서 예비 탄소 재료 복합 필름을 음극으로 하고, 또한 양극으로 함인동을 사용해서, 직류 3 A/dm²로 30분간의 통전을 하였다.

성분	농도
황산구리	220 g/l
황산	60 g/l
염소이온	0.01 %
유기광택제	2 ml/l

실시예 2

실시예 1에서 아크 방전으로 제조된 그래핀을 폴리아크릴로니트릴(PAN)을 DMF 용액에 첨가하여 용해시켜 3wt%의 방사 용액을 제조한 것을 제외하고 동일한 공정을 수행하여 금속-탄소 재료 복합 필름을 제조하였다.

실시예 3

실시예 1에서 아크 방전으로 제조된 그래핀을 폴리아크릴로니트릴(PAN)을 DMF 용액에 첨가하여 용해시켜 5wt%의 방사 용액을 제조한 것을 제외하고 동일한 공정을 수행하여 금속-탄소 재료 복합 필름을 제조하였다.

실시예 4

실시예 1에서 아크 방전으로 제조된 그래핀을 폴리아크릴로니트릴(PAN)을 DMF 용액에 첨가하여 용해시켜 10wt%의 방사 용액을 제조한 것을 제외하고 동일한 공정을 수행하여 금속-탄소 재료 복합 필름을 제조하였다.

실시예 5

실시예 1에서 아크 방전으로 제조된 그래핀을 폴리아크릴로니트릴(PAN)을 DMF 용액에 첨가하여 용해시켜 15wt%의 방사 용액을 제조한 것을 제외하고 동일한 공정을 수행하여 금속-탄소 재료 복합 필름을 제조하였다.

비교예 1

실시예에서 금속층을 형성하지 않았다는 점을 제외하고는 동일한 공정을 수행하여 탄소 재료 복합 필름을 제조하였다.

비교예 2

비교예로서 순수 구리 물질을 사용하였다.

비교예 3

실시예 1에서 아크 방전으로 제조된 그래핀을 폴리아크릴로니트릴(PAN)을 DMF용액에 첨가하지 않은 것을 제외하고 동일한 공정을 수행하여 금속-탄소 재료 복합 필름을 제조하였다.

한편, 제조 공정의 각 단계에서의 물질을 관찰하여 도 1a 내지 1c 및 2에 나타내었다. 도 2의 (a) 및 (b)는 각각 아크 방전 공정으로 제조된 그래핀의 SEM 및 TEM 이미지이고, 도 2의 (c) 및 (d)는 각각 예비 탄소 재료 복합 필름의 SEM 및 TEM 이미지이다. 또한, 도 2의 (e) 및 (f)는 각각 금속-탄소 재료 복합 필름의 SEM 및 TEM 이미지이다.

실험예 1: 금속-탄소 재료 복합 필름의 단면 확인

실시예 5 에 따라 제조된 금속-탄소 재료 복합 필름은 도 3a의 단계를 거쳐 제조되었다. 이 후 제조된 필름의 구성상태를 살펴보기 위해서 SEM 장비를 이용하여 단면 분석을 진행하였다. SEM 분석 결과, 도 3b 내지 3d에서 볼 수 있듯이 아래의 한 쪽 면에만 구리가 증착되었음을 확인할 수 있었고, 다공성(Porous) 구조가 제조된 필름 내 전체 영역에서 유지되어 있음을 확인할 수 있었다.

실험예 2: 열 전도도 특성 확인

실시예 5를 통해 제조된 금속-탄소 재료 복합 필름(ArcG15%/Cu/CNFs)과 비교예 1에 따른 탄소 재료 복합 필름(ArcG15%/CNFs)의 온도 변화에 따른 열 전도도 변화를 측정하여 도 4a에 나타내었다.

도 4a를 살펴보면, 실시예 1에 따른 금속-탄소 재료 복합 필름이 비교예 1에 따른 탄소 재료 복합 필름에 비해 월등히 높은 값의 열 전도도를 보임을 확인할 수 있었으며, 저온(약 10 내지 150℃)에서는 약 16배 정도의 높은 열전도도를 보임을 확인할 수 있었다.

한편, 도 4b는 순수 구리 및 기공 구조를 가진 구리의 열 전도도 값을 이론적으로 계산한 결과를 나타낸다.

실시예 5에 따라 제조된 금속-탄소 재료 복합 필름의 밀도 값 3.744 g/cm³ 을 토대로 이론적인 방법을 통해 기공도를 계산하였을 때, 실시예에 따라 제조된 금속-탄소 재료 복합 필름은 42%의 기공도를 갖는 구리와 동등 수준의 열 전도도를 갖을 것으로 판단된다. 그러나, 도 4b에 기재된 바와 같이 42%의 기공도를 갖는 구리의 열 전도도보다 약간 저하된 수준을 보이게 되는데, 그 이유는 아크그래핀이 포논의 평균 자유 거리를 감소시키기 때문으로 예측된다.

실험예 3: 발광, 휘어짐(flexibility) 및 방열 특성

실시예 5를 통해 제조된 금속-탄소 재료 복합 필름(ArcG15%/Cu/CNFs)과 비교예 2에 따른 구리 필름을 이용하여 발광 및 방열 특성을 측정하고자 하였다. 이에 따라, 상기 필름에 발열 기능이 있는 반도체 소자를 부착하여(도 5a) 발열 성능을 측정하였다. 이 경우 상기 필름들이 전극으로 활용될 수 있었다.

한편, 이들의 발광 성능을 실험했는데, 도 5b를 살펴보면, 실시예 5를 통해 제조된 금속-탄소 재료 복합 필름(ArcG15%/Cu/CNFs)과 비교예 2에 따른 구리 필름 모두 발광 특성이 우수함을 확인할 수 있었다.

하지만, 도 5c와 같이 실시예 5를 통해 제조된 금속-탄소 재료 복합 필름(ArcG15%/Cu/CNFs)과 비교예 2에 따른 구리 필름에 대하여 방열 특성 측정실험을 진행한 결과, 실시예 5에 따라 제조된 금속-탄소 재료 복합 필름(ArcG15%/Cu/CNFs)은 순수한 구리 물질 대비 방열 특성이 매우 우수한 것을 확인할 수 있었으며, 구체적으로, 약 10℃이상 반도체 소자의 온도를 감소시킴을 확인할 수 있었다.

실험예 4: 전기전도도 변화 실험

실시예 5을 통해 제조된 금속-탄소 재료 복합 필름(ArcG15%/Cu/CNFs)에 대하여 발광 특성 및 휘어짐 특성을 관찰하여 도 6의 (a) 및 (b)에 나타내었으며 반복적인 휘어짐 실험 과정에서 전기전도도 변화 실험을 진행하여 도 6의 (c)에 나타내었다.

도 6의 (a) 내지 (b)에서와 같이 실시예 5을 통해 제조된 금속-탄소 재료 복합 필름(ArcG15%/Cu/CNFs)은 플렉서블 특성이 매우 우수한 것을 확인할 수 있었으며 발광 특성도 우수함을 확인할 수 있었다. 뿐만 아니라, 도 6의 (c)에서와 같이 실제 10,000번의 반복 실험에도 약 1% 정도의 전기전도도가 감소했으며, 높은 유연성에도 불구하고 발광 특성이 유지됨을 확인할 수 있었다.

앞에서 설명된 본 발명의 실시예는 본 발명의 기술적 사상을 한정하는 것으로 해석되어서는 안된다. 본 발명의 보호범위는 청구범위에 기재된 사항에 의하여만 제한되고, 본 발명의 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상을 다양한 형태로 개량 변경하는 것이 가능하다. 따라서, 이러한 개량 및 변경은 통상의 지식을 가진 자에게 자명한 것인 한 본 발명의 보호범위에 속하게 될 것이다.

Claims

아크 방전 공정을 통해 탄소 재료를 합성하는 단계;
상기 탄소 재료 및 섬유 전구체를 포함하는 혼합 용액을 형성하는 단계;
상기 혼합 용액을 전기 방사 장치에 충진한 후 전기 방사 공정을 수행하여 예비 탄소 재료 복합 필름을 제조하는 단계;
상기 예비 탄소 재료 복합 필름에 안정화 공정 및 탄화 공정을 수행하여 탄소 재료 복합 필름을 제조하는 단계; 및
금속 증착 공정을 통해 상기 탄소 재료 복합 필름 상에 금속층을 형성하여, 금속-탄소 재료 복합 필름을 제조하는 단계; 를 포함하는 금속-탄소 재료 복합 필름의 제조 방법.
제1항에 있어서,
상기 금속-탄소 재료 복합 필름은 복수 개의 기공을 포함하고,
상기 기공은 1nm² 내지 10mm² 의 크기를 갖는 금속-탄소 재료 복합 필름의 제조 방법.
제2항에 있어서,
상기 기공을 통해 공기가 대류하는 금속-탄소 재료 복합 필름의 제조 방법.
제1항에 있어서,
상기 탄소 재료는 그래핀, 도핑된 그래핀, 탄소나노튜브 및 풀러렌으로 이루어진 그룹에서 선택된 하나 이상인 금속-탄소 재료 복합 필름의 제조 방법.
제1항에 있어서,
상기 탄소 재료는 그래핀, 도핑된 그래핀, 탄소나노튜브 및 풀러렌으로 이루어진 그룹에서 선택된 하나 이상과 니켈, 구리, 알루미늄, 크롬, 코발트, 철, 백금, 금, 우라늄, 탄탈륨, 티타늄, 텅스텐, 바나듐, 마그네슘, 망간, 몰리브덴, 규소, 로듐, 게르마늄, 비스무트, 하프늄, 은, 이리듐, 이트륨, 테크네륨, 아연, 청동 및 스테인리스 강으로 이루어진 그룹에서 선택된 하나 이상이 반응하여 형성된 것인 금속-탄소 재료 복합 필름의 제조 방법.
제1항에 있어서,
상기 섬유 전구체는,
폴리아크릴로니트릴(polyacrylonitrile, PAN), 피치(pitch), 셀룰로오스계 섬유 및 레이온(rayon)으로 이루어진 그룹에서 선택된 하나 이상을 포함하는 복합 필름의 제조 방법.
제1항에 있어서,
상기 혼합 용액 상에서 상기 섬유 전구체와 탄소 재료는 60~99.99:0.01~40 중량비율로 포함되는 것인 금속-탄소 재료 복합 필름의 제조 방법.
제1항에 있어서,
상기 금속 증착 공정은, 전자 빔 증착 장치, 스퍼터링 증착 장치, 무전해 도금 장치 및 전해 도금 장치로 이루어진 그룹에서 선택된 하나 이상을 통해 수행되는 금속-탄소 재료 복합 필름의 제조 방법.
제1항에 있어서,
상기 금속층은 상기 탄소 재료 복합 필름의 일 면에만 형성되는 것인 금속-탄소 재료 복합 필름의 제조 방법.
제2항에 있어서,
상기 금속 증착 공정의 시간을 조절하여 상기 기공의 크기를 조절하는 금속-탄소 재료 복합 필름의 제조 방법.
제1항에 있어서,
상기 금속층을 형성한 이후,
어닐링 공정, 소결 공정 및 표면 처리 공정 중 하나 이상의 공정을 수행하는 것을 포함하는 금속-탄소 재료 복합 필름의 제조 방법.
제1항 내지 제11항 중 어느 한 항의 금속-탄소 재료 복합 필름의 제조 방법에 따라 제조된 금속-탄소 재료 복합 필름.
제12항에 있어서,
상기 복합 필름은 방열 재료용인 금속-탄소 재료 복합 필름.