KR20190018226A

KR20190018226A - 그라파이트-고분자 복합재 제조용 조성물 및 이를 통해 구현된 그라파이트-고분자복합재

Info

Publication number: KR20190018226A
Application number: KR1020170102913A
Authority: KR
Inventors: 최승진; 김빈욱
Original assignee: 주식회사 아모그린텍
Priority date: 2017-08-14
Filing date: 2017-08-14
Publication date: 2019-02-22
Also published as: KR102441832B1

Abstract

그라파이트-고분자 복합재 제조용 조성물이 제공된다. 본 발명의 일 실시예에 따른 그라파이트-고분자 복합재 제조용 조성물은 그라파이트 표면에 결합된 나노입자 및 카테콜아민층을 포함하는 그라파이트 복합체를 구비하는 방열필러, 열가소성 고분자화합물을 포함하는 매트릭스 형성성분 및 충격개선제를 포함하는 첨가제; 를 포함하여 구현된다. 이에 의하면, 고분자 화합물내에 균일하게 분산되어 우수한 내충격성을 가짐과 동시에, 방열성능 및 기계적 물성저하를 방지함으로써 안정성과 내구성이 담보될 수 있다. 또한, 기재와 복합되어 사출/압출 등을 통해 성형 시 성형이 매우 용이하며, 다양한 형상으로의 성형도 가능하다. 이에 따라 구현된 복합재는 뛰어난 방열성능을 발현하는 동시에 우수한 기계적 강도가 담보되고, 경량성이 우수하며, 경제성이 뛰어남에 따라서 방열이 요구되는 다양한 기술분야에 널리 응용될 수 있다.

Description

그라파이트-고분자 복합재 제조용 조성물 및 이를 통해 구현된 그라파이트-고분자복합재{Composition for manufacturing graphite-polymer composite and Graphite-polymer composites comprising the same}

본 발명은 그라파이트-고분자 복합재 제조용 조성물에 관한 것이며, 더욱 상세하게는 우수한 내충격성을 유지하면서도 방열성능 및 기계적 물성의 저하가 없는 그라파이트-고분자 복합재 제조용 조성물 및 이를 통해 구현된 그라파이트-고분자복합재에 관한 것이다.

전자부품, 전등, 변환기 하우징 및 기타 원하지 않는 열을 발생시키는 장치에 있어서의 열 축적은 제품 수명을 매우 제한할 수 있고 작동 효율을 감소시킬 수 있다. 우수한 열 전도체인 금속은 통상적으로 히트싱크(heat sink) 및 열 교환기와 같은 열 관리 장치용으로 사용되어왔다. 그러나, 상기 금속 부분은 무게가 무겁고 생산 비용이 높은 문제가 있다.

이에 최근에는 사출 성형이나 압출 가능한 고분자수지를 이용하여 제조되는 방열부가 제안되고 있으며, 고분자 수지 자체의 재질적 특성으로 인한 경량성, 저렴한 단가 등의 이점으로 인하여 많은 연구가 계속되고 있다.

상기 방열부재는 목적하는 방열성을 발현하기 위해 방열필러를 구비하게 되는데, 상기 방열필러는 재질상 낮은 열전도율을 갖는 고분자수지와는 이종일 수밖에 없고, 이에 이종의 재료간 상용성에서 문제가 발생하고 있다. 일 예로, 이상적으로는 고분자수지에 기능성 필러가 균일하게 분산되는 것이 방열성능에서 유리할 수 있으나, 실제로는 기능성 필러가 고분자수지 특정 위치에 밀집되서 분포되기 더 쉽고, 기능성 필러가 밀집된 특정위치에서의 크랙이나 절단이 발생하여 방열성능이 현저히 저하될 수 있다.

한편, 고분자수지의 사출 성형이나 압출 성형을 통해 형성된 방열부재는 일정강도 이상의 외력이 연속적 또는 단속적으로 일정 시간 동안 가해지면 방열부재를 형성하는 고분자수지의 외부 및 내부 형태의 변형이 일어날 수 있다. 특히 그라파이트의 높은 열전도 특성을 이용하기 위해 그라파이트 복합체를 포함하는 고분자수지를 방열부재로 구현하는 경우, 그라파이트 복합체와 고분자수지의 서로 다른 물성에 따른 상용성 저하로 그라파이트의 우수한 물성을 충분히 이용하지 못하고 오히려 방열부재의 기계적 강도 저하에 따른 제품 내구성 및 신뢰도가 저하되는 문제가 있다.

이에 따라서 우수한 내충격성을 유지하면서도 방열성능 및 기계적 물성의 저하가 거의 없고, 사출성형 용이성 뛰어난 방열부재를 구현할 수 있도록 하는 방열부재용 조성물에 대한 개발이 시급한 실정이다.

공개특허공보 제10-2016-0031103호

본 발명은 상기와 같은 점을 감안하여 안출한 것으로, 본 발명은 고분자 수지내에 균일하게 분산되어 우수한 내충격성을 가짐과 동시에, 방열성능 및 기계적 물성저하를 방지함으로써 안정성과 내구성이 담보된 그라파이트-고분자 복합재를 제조하기에 적합한 그라파이트-고분자 복합재 제조용 조성물을 제공하는데 목적이 있다.

또한, 본 발명은 사출/압출 등 여러 성형방법으로 성형이 가능하며, 다양한 형상으로의 성형체로 성형이 용이한 그라파이트-고분자 복합재 제조용 조성물을 제공하는데 다른 목적이 있다.

더불어, 본 발명은 위와 같은 그라파이트-고분자 복합재 제조용 조성물을 통해뛰어난 방열성능을 발현하는 동시에 우수한 기계적 강도가 담보되고, 경량성이 우수하며, 경제성이 뛰어나고, 다양한 형상으로도 구현되는 그라파이트 복합재를 제공하는데 또 다른 목적이 있다.

상술한 과제를 해결하기 위하여 본 발명은 그라파이트 표면에 결합된 나노입자 및 카테콜아민층을 포함하는 그라파이트 복합체를 구비하는 방열필러, 열가소성 고분자화합물을 포함하는 매트릭스 형성성분 및 충격개선제를 포함하는 첨가제; 를 포함하는 그라파이트-고분자 복합재 제조용 조성물을 제공한다.

또한 본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 충격개선제는 EPDM (Ethylene-propylene-diene rubber)을 포함할 수 있다.

또한, 상기 충격개선제는 EPDM, 카르복실산 또는 카르복실산 유도체들이 중합된 변성 EPDM을 적어도 한 종 이상 포함할 수 있다.

또한, 상기 변성 EPDM은 EPDM 및 무수 말레산이 그래프트 중합되어 형성된 무수말레산-그래프트 EPDM(MAH-g-EPDM)일 수 있다.

또한, 상기 무수말레산-그래프트 EPDM은 열가소성 고분자화합물 100 중량부에 대해 0.1 ~ 30 중량부로 포함될 수 있다.

또한, 상기 그라파이트 복합체는 적어도 상기 카테콜아민층에 피복된 고분자층을 더 포함할 수 있다.

또한, 상기 그라파이트 복합체는 평균입경이 50 ~ 600 ㎛일 수 있다.

또한, 상기 열가소성 고분자화합물은 폴리아미드, 폴리에스테르, 폴리케톤, 액정고분자, 폴리올레핀, 폴리페닐렌설파이드(PPS), 폴리에테르에테르케톤(PEEK), 폴리페닐렌옥사이드(PPO), 폴리에테르술폰(PES), 폴리에테르이미드(PEI) 및 폴리이미드로 이루어진 군에서 선택된 1종의 화합물, 또는 2종 이상의 혼합물 또는 코폴리머를 포함할 수 있다.

또한, 난연제, 강도개선제, 분산제, 산화방지제, 작업개선제, 커플링제, 광안정제, 열안정제 및 UV 흡수제로 이루어진 군에서 선택된 1 종 이상의 첨가제를 더 포함할 수 있다.

또한 본 발명은 상술한 그라파이트-고분자 복합재 제조용 조성물이 성형된 그라파이트-고분자 복합재 제조용 마스터 배치를 제공한다.

또한, 본 발명은 열가소성 고분자화합물로 성형된 고분자 매트릭스, 상기 고분자 매트릭스 내부에 분산되고, 그라파이트 표면에 결합된 나노입자 및 카테콜아민층을 포함하는 그라파이트 복합체를 구비한 방열필러 및 충격재선제를 포함하는 첨가제를 포함하는 그라파이트-고분자 복합재를 제공한다.

또한, 상기 방열필러는 그라파이트-고분자복합재 전체중량 중 10 ~ 90 중량%로 포함될 수 있다.

또한 상기 고분자 매트릭스의 외부면에는 보호코팅층이 더 구비될 수 있다.

본 발명에 의하면, 방열필러가 그라파이트-고분자복합재에 균일하게 분산되고우수한 내충격성을 유지하면서도 방열성능 및 기계적 물성의 저하가 없어 안정성과 내구성이 담보될 수 있다. 또한, 기재와 복합되어 사출/압출 등을 통해 성형 시 성형이 매우 용이하며, 다양한 형상으로의 성형도 가능하다. 이에 따라 구현된 복합재는 뛰어난 방열성능을 발현하는 동시에 우수한 기계적 강도가 담보되고, 경량성이 우수하며, 경제성이 뛰어남에 따라서 방열이 요구되는 다양한 기술분야에 널리 응용될 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 의한 그라파이트 복합체 도면으로써, 도 1a는 그라파이트 복합체의 사시도, 도 1b는 도 1a의 X-X'경계선에 따른 단면도를 나타낸 도면, 그리고,
도 2는 본 발명의 일 실시예에 의한 그라파이트-고분자복합재의 단면도이다.

이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일한 참조부호를 부가한다.

본 발명의 일 실시예에 의한 그라파이트-고분자 복합재 제조용 조성물은 그라파이트 표면에 결합된 나노입자 및 카테콜아민층을 포함하는 그라파이트 복합체를 구비하는 방열필러, 열가소성 고분자화합물을 포함하는 매트릭스 형성성분 및 충격개선제를 포함하는 첨가제를 포함하여 구현된다.

먼저, 그라파이트 복합체를 구비하는 방열필러에 대해 설명한다.

상기 그라파이트 복합체를 구비하는 방열필러(101)는 도 1a 및 도 1b에 도시된 것과 같이, 그라파이트(10) 표면에 결합된 나노입자(20) 및 카테콜아민층(30)을 포함하며, 고분자층(40)을 더 포함할 수 있다.

상기 그라파이트(10)는 탄소 원자의 6원자 고리가 평면적으로 무한히 연결된 평면형 거대분자가 층을 이루어 포개어진 광물로서, 당업계에 공지된 종류일 수 있으며, 구체적으로 인상흑연, 고결정질 흑연 및 토상흑연 중 어느 하나의 천연흑연이거나 인조흑연일 수 있다. 상기 그라파이트(10)가 천연흑연일 경우 일 예로, 인상흑연을 팽창처리한 팽창흑연일 수 있다. 상기 인조흑연은 공지된 방법을 통해 제조된 것일 수 있다. 일 예로, 폴리이미드와 같은 열경화성 수지를 25㎛ 이하의 필름형상으로 제조한 후 2500℃ 이상의 고온에서 흑연화하여 단결정 상태의 그라파이트로 제조하거나, 메탄과 같은 탄화수소를 고온에서 열분해하여 화학증기증착법(CVD)으로 고배향의 그라파이트를 제조할 수도 있다.

또한, 상기 그라파이트(10)의 형상은 구상, 판상 또는 침상 등 공지된 형상이거나 비정형의 형상일 수 있으며, 일 예로 판상일 수 있다. 또한, 상기 그라파이트(10)의 평균입경은 50 ~ 600㎛일 수 있으며, 일 예로 300㎛일 수 있으며, 상기 그라파이트(10)는 순도가 99% 이상인 고순도의 그라파이트일 수 있으며, 이를 통해 보다 향상된 물성을 발현하기에 유리할 수 있다.

다음으로 상술한 그라파이트(10)의 표면에 결합된 나노입자(20)는 그라파이트(10)에 후술하는 카테콜아민층(30)을 구비시킬 수 있는 매개체로써 기능한다. 이에 대해 구체적으로 설명하면, 상술한 그라파이트(10)의 표면에는 화학반응을 매개할 수 있는 작용기 등이 거의 구비되지 않음에 따라서 그라파이트(10)의 이종재질 내 분산성을 향상시킬 수 있는 카테콜아민층(30)을 그라파이트(10) 표면에 구비시키기 용이하지 않음에 따라서 카테콜아민을 그라파이트에 처리해도 실제 그라파이트에 남아 있는 카테콜아민의 양은 매우 적은 문제가 있다. 또한, 이를 해결하기 위해 그라파이트 표면에 작용기가 구비되도록 개질처리를 수행해도 개질된 그라파이트의 표면에 구비되는 카테콜아민의 양을 증가시키는 것에는 한계가 있다. 그러나 나노입자가 표면에 구비된 그라파이트의 경우 카테콜아민이 상기 나노입자의 표면상에 용이하게 결합됨에 따라서 그라파이트에 카테콜아민을 목적하는 양만큼 도입시킬 수 있는 이점이 있다.

상기 나노입자(20)는 상온에서 고체로 존재하는 금속 또는 비금속 물질일 수 있고, 이에 대한 비제한적이 예로써, 주기율표상의 알칼리 금속, 알칼리 토금속, 란타늄족, 악티늄족, 전이금속, 전이후금속, 준금속류 등으로부터 선택될 수 있다. 일 예로, 상기 나노입자는 Ni, Si, Ti, Cr, Mn, Fe, Co, Cu, Sn, In, Pt, Au, Mg 및 이들의 조합일 수 있고, Cu, Ni 또는 Si인 것이 바람직하다.

또한, 상기 나노입자(20)는 평균입경이 10 ~ 500㎚, 바람직하게는 10 ~ 100 ㎚일 수 있다.

또한, 상기 나노입자(20)는 바람직하게는 결정화된 입자상태로, 낱개의 그라파이트(10) 전체 표면적에 대해 10 ~ 70% 면적, 보다 바람직하게는 30 ~ 70%의 면적을 차지하도록 구비될 수 있다. 또한, 상기 나노입자(20)는 그라파이트 복합체를 구비하는 방열필러(101) 전체 중량에 대해 5 ~ 70중량%, 바람직하게는 20 ~ 50중량%로 구비될 수 있다. 이때, 상기 나노입자(20)는 그라파이트(10)와 화학결합을 이룸으로써 더욱 강한 결합력을 발현할 수 있다.

다음으로 상기 카테콜아민층(30)은 적어도 상술한 나노입자(20)의 표면상에 구비될 수 있으며, 이를 통해 후술하는 이종재질의 고분자화합물 내에 그라파이트의 우수한 유동성, 분산성 및 그라파이트 복합체와 고분자화합물 간 계면결합 특성을 향상시킬 수 있다. 또한, 상기 카테콜아민층(30)은 그 자체로 환원력을 가짐과 동시에 층 표면의 카테콜작용기에 아민작용기가 Michael 첨가 반응에 의한 공유결합을 형성함으로써, 카테콜아민층을 접착물질로 사용하는 2차 표면개질이 가능하며, 일 예로, 보다 더 향상된 고분자화합물 내 분산성을 발현하기 위해 고분자층(40)을 그라파이트에 도입시킬 수 있는 접합물질로써 작용할 수 있다.

상기 카테콜아민층(30)을 형성하는 카테콜아민은 벤젠 고리의 오르쏘(ortho)-그룹으로 하이드록시 그룹 (-OH)을 가지고, 파라(para)-그룹으로 다양한 알킬아민을 갖는 단분자를 의미하는 용어로써, 이러한 구조체의 다양한 파생물에 대한 비제한적인 예로써, 도파민(dopamine), 도파민퀴논(dopamine-quinone), 에피네프린(epinephrine), 알파-메틸도파민(alphamethyldopamine), 노르에피네프린(norepinephrine), 알파-메틸도파(alphamethyldopa), 드록시도파(droxidopa), 인돌아민(indolamine), 세로토닌(serotonin) 또는 5-하이드록시도파민(5-Hydroxydopamine) 등일 수 있고, 일 예로써, 상기 카테콜아민층(30)은 도파민 (dopamine)층일 수 있다. 상기 도파민은 카테콜과 아민 작용기를 가지는 분자량 153(Da)의 단분자 물질인데, 일 예로써 하기 화학식 1로 표시되는 도파민을 포함하는 염기성 pH 조건(약 pH 8.5)의 수용액에 표면 개질하고자 하는 물질을 넣었다가 일정 시간 뒤에 꺼내면 카테콜의 산화에 의해 물질의 표면에 폴리도파민(polydopamine, pDA) 코팅층이 형성될 수 있다.

[화학식 1]

상기 화학식 1에서 R₁, R₂, R₃, R₄ 및 R₅ 중 적어도 어느 하나는 각각 티올, 1차아민(primary amine), 2차아민(secondary amine), 니트릴(nitrile), 알데하이드(aldehyde), 이미다졸(imidazole), 아자이드(azide), 할로겐화물(halide), 폴리헥사메틸렌 디티오카보네이트(polyhexamethylene dithiocarbonate), 하이드록실(hydroxyl), 카르복실산(carboxylic acid), 카르복실에스터(carboxylic ester) 또는 카로복사미드(carboxamide)로 구성된 군에서 선택된 1종이며, 나머지는 수소일 수 있다.

또한, 상기 카테콜아민층(30)의 두께는 5 ~ 100㎚일 수 있으나 이에 제한되는 것은 아니다.

한편, 상기 카테콜아민층(30) 상에는 고분자층(40)이 더 피복될 수 있으며, 상기 고분자층(40)으로 인하여 복합재를 형성하는 고분자화합물과 상용성이 증가함에 따라서 더욱 향상된 유동성, 분산성 및 계면결합 특성을 구현할 수 있다. 상기 고분자층(40)은 열경화성 고분자화합물 또는 열가소성 고분자화합물로 구현된 것일 수 있고, 열경화성 고분자화합물 및 열가소성 고분자화합물의 구체적 종류는 공지된 것일 수 있다. 이에 대한 비제한적인 예로써, 상기 열경화성 고분자화합물은 에폭시계, 우레탄계, 에스테르계 및 폴리이미드계 수지로 이루어진 군에서 선택된 1종의 화합물, 또는 2종 이상의 혼합물 또는 코폴리머일 수 있다. 상기 열가소성 고분자화합물은 폴리아미드, 폴리에스테르, 폴리케톤, 액정고분자, 폴리올레핀, 폴리페닐렌설파이드(PPS), 폴리에테르에테르케톤(PEEK), 폴리페닐렌옥사이드(PPO), 폴리에테르술폰(PES), 폴리에테르이미드(PEI) 및 폴리이미드로 이루어진 군에서 선택된 1종의 화합물, 또는 2종 이상의 혼합물 또는 코폴리머일 수 있다. 또는 상기 고분자층은 천연고무 및/또는 합성고무를 포함하는 고무탄성체 및 이의 유사물질일 수도 있다.

상술한 그라파이트 복합체를 구비하는 방열필러(101)는 그라파이트 표면에 나노입자가 형성된 그라파이트-나노입자 결합체를 제조하는 단계 및 상기 그라파이트-나노입자 결합체 상에 카테콜아민층을 형성시는 단계를 포함하여 제조될 수 있으며, 상기 카테콜아민층을 형성한 후 고분자층을 더 형성시키는 단계를 더 수행하여 제조될 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 의한 그라파이트 표면에 나노입자가 형성된 그라파이트-나노입자 결합체를 제조하는 단계는 그라파이트 표면 상에 나노입자를 형성시키는 공지의 방법인 경우 제한 없이 채용할 수 있으며, 이에 대한 비제한적이 예로써, 금속계 나노분말을 제조하는 기존의 기상합성 기술로는 불활성기체응축(Inert Gas Condensation, IGC), 화학기상 응축(Chemical Vapor Condensation, CVC), 금속염 분무건조(Metal Salt Spray-Drying) 등의 방법을 채용할 수 있다. 다만, 이 중 불활성기체응축(IGC) 공정은 고순도의 극미세한 나노금속분말 제조가 가능하나, 큰 에너지를 필요로 하고, 생산속도가 매우 낮아 공업적 응용에 한계가 있으며, 화학기상응축(CVC) 공정은 불활성기체응축(IGC) 공정에 비해 에너지 면이나 생산속도 면에서 다소 개선된 공정이나, 원료물질인 프리커서(precursor)의 가격이 매우 비싸서 비경제적일 수 있다. 또한, 금속염 분무건조공정은 값싼 염을 원료로 사용하므로 경제적이지만 건조단계에서의 오염과 분말의 응집을 피할 수 없고, 유독성 부산물이 발생하므로 환경적인 측면에서 불리하다.

이에 바람직하게는 대기압 고주파 열플라즈마를 통해 나노입자를 그라파이트 상에 형성시킬 수 있다. 구체적으로 그라파이트 및 나노입자 형성분말을 혼합하는 단계 제조된 혼합물에 가스를 주입하는 단계 고주파 열플라즈마를 통해 나노입자 형성물질을 기화시키는 단계 및 기화된 나노입자 형성물질을 그라파이트 표면에 결정화시키는 단계를 통해 수행될 수 있다.

다음으로 혼합된 혼합물에 가스를 주입할 수 있는데, 이때 주입되는 가스는 그 기능에 따라 시스가스, 센트럴가스, 캐리어 가스 등으로 분류될 수 있으며, 이러한 가스에는 아르곤과 같은 불활성 기체, 수소, 질소 또는 이들을 혼합한 기체가 사용될 수 있고, 바람직하게는 아르곤 가스를 사용할 수 있다. 상기 시스 가스는 벽체의 내부 표면에 기화된 나노입자가 부착되는 것을 방지하고 또한 벽면을 초고온의 플라즈마로부터 보호하기 위해 주입되는 것으로서, 30 ~ 80 lpm(liters per minute)의 아르곤 가스를 사용할 수 있다. 또한, 센트럴가스는 고온의 열플라즈마를 생성하기 위하여 주입되는 가스로써, 30 ~ 70 lpm의 아르곤 가스를 사용할 수 있다. 또한, 캐리어 가스는 혼합물을 플라즈마 반응기 내부로 공급하는 역할의 가스로써, 5 ~ 15 lpm의 아르곤 가스를 사용할 수 있다.

다음으로 고주파 열플라즈마를 통해 나노입자 형성물질을 기화시킬 수 있다. 상기 열플라즈마(thermal plasma)는 직류 아크나 고주파 유도결합 방전을 이용하는 플라즈마 토치에서 발생시킨 전자, 이온, 원자와 분자로 구성된 이온화 기체로써, 수천에서 수만 K에 이르는 초고온과 높은 활성을 가진 고속제트이다. 이에 따라 고온의 플라즈마를 원활히 발생시키기 위하여 상기 플라즈마 장치의 전원공급장치로 10 내지 70 kW의 전력을 공급하며, 전기에너지에 의해 아크가 형성되고, 열플라즈마 발생기체로 사용된 아르곤 가스에 의하여 약 10,000K의 초고온 플라즈마가 생성된다. 상기와 같이 10 내지 70 kW의 전력을 유지한 상태로 아르곤 가스를 발생가스로 하여 발생된 초고온의 열플라즈마는 열처리방식이나 연소방식에 의해 발생된 열플라즈마보다 높은 온도에서 발생되는 효과가 있다. 이 때, 본 발명은 공지의 고주파 열플라즈마(RF) 방법을 적절히 변형하여 사용할 수 있고, 기존의 열플라즈마 처리장치를 사용하여도 무방하다.

다음으로 기화된 나노입자 형성물질을 그라파이트 표면에 결정화시키는 단계를 수행할 수 있다. 기화된 나노입자 형성물질을 그라파이트 표면에서 결정화시키기 위해, 켄칭(quenching) 가스를 사용할 수 있다. 이때, 상기 켄칭 가스로 응축 또는 급냉시켜 나노입자의 성장을 억제시키면서 결정화시킬 수 있다.

상술한 방법으로 제조된 그라파이트-나노입자 결합체에 카테콜아민층을 형성시키는 단계를 수행할 수 있으며, 구체적으로 약염기성 도파민수용액에 그라파이트-나노입자 결합체를 디핑시키는 단계; 및 상기 그라파이트-나노입자 결합체 표면에 폴리도파민층을 형성시키는 단계를 수행할 수 있다.

먼저, 상기 약염기성 도파민 수용액을 제조하는 방법은 특별히 한정된 것은 아니나, pH 8 ~ 14 염기성의 트리스 완충용액(10mM, tris buffer solution), 보다 바람직하게 바다 속 환경과 동일한 염기성 조건인 pH 8.5 염기성의 트리스 완충용액에 도파민을 용해시켜 제조할 수 있으며, 이 때, 상기 약염기성 도파민 수용액의 도파민 농도는 0.1 ~ 5㎎/㎖, 바람직하게 2 ㎎/㎖ 일 수 있다.

준비된 약염기성 도파민 수용액에 그라파이트-나노입자 결합체를 디핑 후 도파민이 염기성 및 산화 조건 하에서 자발적으로 고분자화 반응을 거쳐 그라파이트-나노입자 결합체에 폴리도파민층인 카테콜아민층을 형성시킬 수 있다. 이때, 산화제를 더 구비시켜 폴리도파민층이 형성될 수 있으며, 산화제 없이 공기 중의 산소기체를 산화제로도 이용할 수 있고, 본 발명은 이에 대해 특별히 한정하지 않는다.

이때, 디핑 시간은 폴리도파민층의 두께를 결정하는데, pH 8 ~ 14이고, 도파민 농도가 0.1 ~ 5㎎/㎖ 인 도파민 수용액을 이용하는 경우, 5 ~ 100nm 두께로 카테콜아민층을 형성하기 위해서는 바람직하게 약 0.5 ~ 24시간 동안 디핑하는 것이 바람직하다. 순수한 판상의 그라파이트에는 이와 같은 방법을 통해서 그라파이트 표면에 도파민 코팅층을 거의 형성시키지 못하나, 나노입자로 인하여 카테콜아민층이 나노입자 상에 형성될 수 있다. 한편, 상술한 고분자층의 형성방법으로 디핑을 예시했으나 이에 한정되는 것은 아니며, 블레이드(blade) 코팅, 플로우(flow) 코팅, 캐스팅(casting), 프린팅 방법, 트랜스퍼(transfer) 방법, 브러싱, 또는 스프레잉(spraying) 등의 공지된 방법을 통해 고분자층을 더 형성시킬 수 있다.

한편, 카테콜아민층이 형성된 그라파이트 복합체에 고분자층을 더 구비시키기 위해서 목적하는 고분자화합물이 용해된 용해액 또는 용융된 용융액에 그라파이트 복합체를 기계적으로 혼합하여 고분자층이 형성된 그라파이트 복합체를 제조할 수 있다.

다음, 상기 열가소성 고분자화합물을 포함하는 매트릭스 형성성분은 공지된 열가소성 고분자화합물을 포함할 수 있으며, 후술하는 그라파이트-고분자복합재의 몸체를 형성하는 물질일 수 있다. 상기 열가소성 고분자화합물은 바람직하게는 폴리아미드, 폴리에스테르, 폴리케톤, 액정고분자, 폴리올레핀, 폴리페닐렌설파이드(PPS), 폴리에테르에테르케톤(PEEK), 폴리페닐렌옥사이드(PPO), 폴리에테르술폰(PES), 폴리에테르이미드(PEI) 및 폴리이미드로 이루어진 군에서 선택된 1종의 화합물, 또는 2종 이상의 혼합물 또는 코폴리머일 수 있다. 상기 폴리아미드는 나일론6, 나일론66, 나일론11, 나일론610, 나일론12, 나일론46, 나일론9T(PA-9T), 키아나 및 아라미드 등 공지된 폴리아미드계 화합물일 수 있다.

일 예로, 상기 폴리에스테르는 폴리에틸렌텔레프탈레이트(PET), 폴리트리메틸렌테레프탈레이트(PTT), 폴리부틸렌테레프탈레이트(PBT), 폴리카보네이트 등 공지된 폴리에스테르계 화합물일 수 있다.

다른 예로, 상기 폴리올레핀은 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리스티렌, 폴리아이소뷰틸렌, 에틸렌비닐알코올 등 공지된 폴리올레핀계 화합물일 수 있다.

상기 액정고분자는 용액 혹은 용해된 상태에서 액정성을 나타내는 고분자의 경우 제한 없이 사용될 수 있으며, 공지된 종류일 수 있어서 본 발명은 이에 대해 특별히 한정하지 않는다.

한편 상술한 그라파이트 복합체는 고온에서 소성되어 제조되기 때문에 일반 탄소에 비하여 열에 강하고 탄성이 우수한 특성을 가지고 있다. 특히 상기 그라파이트 복합체의 열전도성(500 W/mL)이 기존의 은(400W/mL), 동(390 W/mL), 알루미늄(230W/mL)보다 우수하며, 종래 방열부재의 수직인 종방향으로의 열전달 형태에서 그라파이트의 구조적 특성에 따라 횡방향으로의 열전달이 가능하게 하여 방열 특성이 매우 우수한 장점이 있다. 뿐만 아니라 그라파이트 특유의 가벼운 무게로 인한 경량화면에서 유리하여 최근 전자제품의 박형화, 초형화 및 경량화의 추세에 대응할 수 있어서 이를 방열필러로써 사용하고자 하는 시도가 계속되고 있다.

이때, 상기 그라파이트 복합체는 성형물로 제조될 수 있는 고분자화합물과 혼합되어 방열필러로 구현되는데, 일반적인 고분자화합물로 형성된 성형체는 금속 성형체에 비하여 외력에 의한 기계적 특성이 떨어지기 때문에, 다양한 산업군으로의 응용을 위해서는 고분자화합물로 형성된 성형체의 기계적 특성을 보완하여 제품의 내구성 및 신뢰성을 제고할 필요가 있다. 특히, 고분자화합물로 형성된 성형체의 물성 중에서 일정 수준 이상의 외력을 견딜 수 있는 내충격성은 열경화성 및 열가소성 수지의 기계적 성질을 대표하는 중요한 특성이기 때문에, 내충격성의 개선은 그라파이트 복합체 및 고분자화합물을 포함하여 구현되는 방열부재에 있어서 반드시 선행되어야 하는 기술적 과제이다.

그러나 내충격성을 개선하기 위해 고분자화합물에 추가적으로 첨가되는 내충격 개선용 첨가제는 고분자화합물과의 물성 차이에 의한 유동성, 분산성, 계면의 결합특성 및 방열성능 저하 등의 문제가 발생할 수 있기 때문에 고분지수지의 물성에 영향이 적은 충격개선제의 선택이 필요하다. 즉, 우수한 내충격성을 유지하면서도 고분자화합물에 균일하게 분산됨으로 인해 방열성능 및 기계적 물성의 저하가 없는, 안정성과 내구성이 담보될 수 있는 충격개선제에 대한 연구가 시급한 실정이다.

이에, 본 발명에 따른 그라파이트-고분자 복합재 제조용 조성물은 상술한 그라파이트 복합체를 구비한 방열필러 및 첨가제로서 충격개선제를 포함하며, 상기 충격개선제는 열가소성 탄성체(Thermoplastic elastomer, TPE)을 포함하여 구현될 수 있다.

한편, 일반적인 고무는 플라스틱이나 금속소재와는 다르게 고유연성, 고탄성,고신장성 등의 우수한 내충격성을 가지나, 고무를 고분자화합물에 첨가한 후 가공을 하기 위해서는 가황가교 등의 복잡한 공정을 거쳐야 하며, 가교 후 가공을 통해 성형체를 형성한 후에는 더 이상 재생될 수 없는 단점을 가지고 있다. 그러나 상기 열가소성 탄성체(Thermoplastic elastomer, TPE)는 상온에서는 고무의 우수한 내충격성을 그대로 유지하되, 고온에서는 소성변형을 통해 성형이 가능하기 때문에, 본 발명에 따른 고분자화합물과의 혼합으로 사출성형이 용이하며, 이를 통해 형성된 성형체의 내충격성을 크게 향상시킬 수 있다.

상기 열가소성 탄성체(Thermoplastic elastomer, TPE)는 스티렌계 (thermoplastic styrenic block copolymer, SBC), 올레핀계(thermoplastic olefinic elastomer, TPO), 우레탄계(thermoplastic polyurethane, TPU), 아마이드계(thermoplastic polyamide, TPAE), 폴리에스터계 (thermoplastic polyester elastomer, TPEE) 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있으며, 바람직하게는 올레핀계와 우레탄계 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 충격개선제로서 상기 올레핀계를 포함하는 열가소성 탄성체는 EPDM(Ethylene-propylene-diene rubber)일 수 있다.

상기 EPDM은 에틸렌, 프로필렌 및 디엔을 공중합시킴으로써 구현할 수 있으며 본 발명의 일 실시예에 따른 EPDM은 불포화 카르복실산 또는 그의 유도체(에스테르, 산 무수물, 염, 산 할라이드, 아미드, 이미드 등) 또는 그 밖의 관능기로 변성함으로써 얻어질 수 있다. 상기 불포화 카르복실산 또는 그의 유도체로는 아크릴산, 메타크릴산, 말레산, 푸마르산, 테트라히드로 프탈산, 이타콘산, 시트라콘산, 크로톤산, 이소크로톤산, 노르보르넨 디카르복실산, (메트)아크릴산 글리시딜, 말레산 에스테르, 무수 말레산 등을 사용할 수 있으며, 이들의 에스테르염, 금속염 등의 구조 또한 차용 가능하다. 다만 상기 불포화 카르복실산 또는 그의 유도체로써 아크릴산, 메타크릴산 및 무수 말레산을 사용하는 것이 바람직하며 특히 무수 말레산을 사용하는 것이 가장 바람직하다.

이때, 불포화 카르복실산 또는 그의 유도체를 통한 EPDM의 변성은 그래프트 중합 개시제의 존재 하에서 가열, 혼합함으로써 수행할 수 있으며, 원료로서 사용하는 EPDM에서의 디엔은 5-에틸리덴-2-노르보르넨, 디시클로펜타디엔, 1,4-헥사디엔 등이 사용될 수 있다.

한편, 상술한 EPDM을 본 발명에 따른 충격개선제로써 차용하기 위해서는, 고분자화합물간의 상용성이 개선되어야 한다. 즉 충격개선제의 첨가로 인해 고분자화합물과의 혼합 특성이 저해되지 않아야 하며, 이로 인해 방열부재의 방열성능이 떨어지지 않음과 동시에 고분자수지 자체에 기계적 특성 저하로 인한 제품의 신뢰성 저하를 방지하여 내구성 및 다양한 산업으로의 활용도가 담보될 수 있어야 한다.

이에 본 발명의 일 실시예에 따른 그라파이트-고분자 복합재 제조용 조성물은 에틸렌, 프로필렌, 디엔, 무수 말레산이 그래프트 중합되어 형성된 무수말레산-그래프트 변성 EPDM(MAH-g-EPDM)을 충격개선제로 사용할 수 있다.

상기 무수말레산-그래프트 변성 EPDM은 무수말레산에 구비된 카르복실기간의 수소결합에 의해 가교점을 형성하여 극성 또는 비극성을 띠는 고분자수지와의 상용성을 증대시킬 수 있어서 고분사수지와 충격개선제의 결합력 및 분산성을 증가시키는 역할을 한다. 또한 상기 무수말레산-그래프트 변성 EPDM은 불포화도가 상대적으로 낮기 때문에 산화나 오존으로 인해 변성되지 않는 우수한 내화학성을 가지고 있으며, 고온에서도 안정한 절연 특성을 가지고 있다. 뿐만 아니라 고분자수지와의 높은 상용성과 내화학성으로 인해 고분자수지 내에서 기타 기능성 첨가제와 고분자 화합물에 충분히 첨가할 수 있어서 고분자화합물에 기타 유용한 기능성을 부여하기에 용이할 수 있다. 나아가 사출성이 우수하여 고분자화합물 및 그라파이트 복합체로 구현된 그라파이트-고분자 복합재의 사출성형성 및 재현성을 담보할 수 있는 장점이 있다.

이때, 상기 무수말레산-그래프트 EPDM은 열가소성 고분자화합물 100 중량부에 대해 0.1 ~ 30 중량부로 포함될 수 있다. 만일 상기 무수말레산-그래프트 EPDM은 열가소성 고분자화합물 100 중량부에 대해 0.1 중량부 미만으로 포함되는 경우, 목적하는 만큼의 내충격성을 향상시키지 못할 수 있으며, 만일 상기 무수말레산-그래프트 EPDM은 열가소성 고분자화합물 100 중량부에 대해 30 중량부를 초과하여 포함되는 경우, 고분자 화합물 내에서 균일한 분산성이 저하될 수 있고, 이로 인해 제조된 그라파이트-고분자 복합재의 방열성능 및 기계적 물성 저하의 원인이 될 수 있다.

또한 상기 무수말레산-그래프트 EPDM은 에틸렌, 프로필렌 및 디엔의 공중합중량비는 상기 무수말레산-그래프트 EPDM이 상술한 내충격성을 유지함과 동시에, 이를 포함하는 그라파이트-고분자 복합재 제조용 조성물을 통해 제조된 그라파이트-고분자 복합재의 기계적 물성 및 방열성능을 저하시키지 않는 한도에서 적절하게 선택될 수 있음에 특별히 제한하지 않는다. 본 발명의 다른 실시예에 따른 충격개선제로서 상기 우레탄계를 포함하는 열가소성 탄성체일 수 있다.

또한 본 발명의 일 실시예에 따른 그라파이트-고분자 복합재 제조용 조성물로써 첨가제는, 난연제, 강도개선제, 산화방지제, 열안정제, 광안정제, 가소제, 대전방지제, 작업개선제, UV 흡수재, 분산제 및 커플링제로 이루어진 군에서 선택된 1 종 이상의 첨가제를 더 포함하여 구현될 수 있다.

상기 난연제는 예를 들어, 할로겐화된 난연제, BC58 및 BC52와 같은 유사 테트라브로모 비스페놀 A 올리고머(like tretabromo bisphenol A oligomers), 브롬화된 폴리스티렌 또는 폴리(디브로모-스티렌), 브롬화된 에폭시, 데카브로모디페닐렌옥사이드, 펜타브롬펜질 아크릴레이트 모노머, 펜타브로모벤질 아크릴레이트 폴리머, 에틸렌-비스(테트라브로모프탈이미드, 비스(펜타브로모벤질)에탄, Mg(OH)₂ 및 Al(OH)₃ 와 같은 금속 하이드록사이드, 멜라민 시아누레이트, 레드 포스포러스(red phosphorus)와 같은 포스퍼 기반 FR 시스템, 멜라민 폴리포스페이트, 포스페이트 에스테르, 금속 포스피네이트, 암모니움 폴리포스페이트, 팽창 가능한 그래파이트, 소디움 또는 포타슘 퍼플루오로부탄 설페이트, 소디움 또는 포타슘 퍼플루오로옥탄 설페이트, 소디움 또는 포타슘 디페닐설폰설포네이트 및 소디움- 또는 포타슘-2,4,6,-트리클로로벤조네이트 및 N-(p-톨릴설포닐)-p-톨루엔설피미드 포타늄 염, N-(N'-벤질아미노카르보닐) 설파닐이미드 포타슘 염, 또는 이들의 혼합물 포함하나, 이에 제한되지는 않는다. 상기 난연제는 열가소성 고분자 화합물 100 중량부를 기준으로 0.1 ~ 30 중량부 포함될 수 있다.

상기 강도개선제는 그라파이트와 고분자화합물 간의 복합재료의 강도를 개선할 수 있는 공지된 성분의 경우 제한없이 사용할 수 있으며, 이에 대한 비제한적인 예로써, 탄소섬유, 유리섬유, 유리구슬, 산화지르코늄, 울라스토나이트, 깁사이트, 베마이트, 마그네슘 알루미네이트, 돌로마인트, 탄산칼슘, 탄산마그네슘, 운모, 탈크, 탄화규소, 고령토, 황산칼슘, 황산바륨, 이산화규소, 수산화암모늄, 수산화마그네슘 및 수산화알루미늄으로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상의 성분을 강도개선제로 포함할 수 있다. 상기 강도개선제는 그라파이트 조성물 100 중량부에 대해 0.1 ~ 30 중량부로 포함될 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다. 일예로, 상기 강도개선제가 유리섬유가 사용되는 경우 유리섬유의 직경은 2 ~ 8㎜일 수 있다.

상기 산화방지제는 압출, 사출 시 전단에 의한 열가소성 고분자 화합물의 주쇄가 끊어지는 것을 방지하며, 열변색에 대한 방지 등을 위해 구비된다. 상기 산화방지제는 공지된 산화방지제를 제한 없이 사용할 수 있으며, 이에 대한 비제한적인 예로써, 트리스(노닐 페닐)포스파이트, 트리스(2,4-디-t-부틸페닐)포스파이트, 비스(2,4-디-t-부틸페닐)펜타에리트리톨 디포스파이트, 디스테아릴 펜타에리트리톨 디포스파이트 또는 그 밖에 유사한 것들과 같은 유기포스파이트; 알킬화된 모노페놀 또는 폴리페놀; 테트라키스[메틸렌(3,5-디-터트-부틸-4-하이드록시하이드로신나메이트)] 메탄, 또는 그밖에 유사한 것과 같은 것으로서, 디엔을 갖는 폴리페놀의 알킬화된 반응 생산물; 파라-크레졸 또는 디사이클로펜타디엔의 부틸화된 반응 생산물; 알킬화된 하이드로퀴논; 수산화된 티오디페닐 에테르; 알킬리덴-비스페놀; 벤질 화합물; 모노하이드릭 또는 폴리하이드릭 알코올과 베타-(3,5-디-터트-부틸-4-하이드록시페닐)-프로피온산의 에스테르; 모노하이드릭 또는 폴리하이드릭 알코올과 베타-(5-터트-부틸-4-하이드록시-3-메틸페닐)-프로피온산의 에스테르; 디스테아릴티오프로피오네이트, 디라우릴티오프로피오네이트, 디트리데실티오프로피오네이트, 옥타데실-3-(3,5-디-터트-부틸-l-4-하이드록시페닐)프로피오네이트, 펜타에리스리틸-테트라키스 [3-(3,5-디-터트-부틸-4-하이드록시페닐)프로피오네이트 또는 그 밖에 유사한 것들과 같은 티오알킬 또는 티오아릴 화합물의 에스테르; 베타-(3,5-디-터트-부틸-4-하이드록시페닐)-프로피오닉산의 아미드 또는 그 밖에 유사한 것들, 또는 이들의 혼합물을 포함할 수 있다. 상기 산화방지제는 열가소성 고분자 화합물 100 중량부에 대하여 0.01 내지 0.5 중량부로 구비될 수 있다.

또한, 상기 열안정제는 공지된 열안정제의 경우 제한 없이 사용할 수 있으나 이에 대한 비제한적이 예로써, 트리페닐 포스파이트, 트리스-(2,6-디메틸페닐)포스파이트, 트리스-(믹스드 모노-앤드 디노닐페닐)포스파이트(tris-(mixed mono-and di-nonylphenyl)phosphate) 또는 그 밖에 유사한 것과 같은 유기 포스파이트; 디메틸벤젠 포스포네이트 또는 그 밖에 유사한 것과 같은 포스포네이트, 트리메틸 포스페이트, 또는 그 밖에 유사한 것과 같은 포스페이트, 또는 이들의 혼합물을 포함한다. 열 안정제는 열가소성 고분자 화합물 100 중량부에 대하여 0.01 내지 0.5 중량부 포함될 수 있다.

또한, 상기 광안정제는 공지된 광안정제의 경우 제한 없이 사용할 수 있으나 이에 대한 비제한적이 예로써, 2-(2-하이드록시-5-메틸페닐)벤조트리아졸, 2-(2-하이드록시-5-터트-옥틸페닐)-벤조트리아졸 및 2-하이드록시-4-n-옥톡시 벤조페논 또는 그 밖에 유사한 것들과 같은 벤조트리아졸 또는 이들의 혼합물을 포함할 수 있다. 광 안정제는 일반적으로 모든 충전제를 제외한 총 조성물의 100 중량부를 기준으로 0.1 내지 1.0 중량부로 포함될 수 있다.

또한, 상기 가소제는 공지된 가소제의 경우 제한 없이 사용할 수 있으나 이에 대한 비제한적이 예로써, 디옥틸-4,5-에폭시-헥사하이드로프탈레이트, 트리스-(옥톡시카르보닐에틸)이소시아누레이트, 트리스테아린, 에폭시화된 콩기름(soybean oil) 또는 그 밖의 유사한 것들과 같은 프탈산 에스테르 또는 이들의 혼합물을 포함할 수 있다. 가소제는 열가소성 고분자 화합물 100 중량부에 대하여 0.5 내지 3.0 중량부로 포함될 수 있다.

또한, 상기 대전방지제는, 공지된 대전방지제를 제한 없이 사용할 수 있으며, 이에 대한 비제한적인 예로써, 글리세롤 모노스테아레이트(monostearate), 소디움 스테아릴 설포네이트, 소디움 도데실벤젠설포네이트, 폴레에테르 블록 아미드, 또는 이들의 혼합물을 포함하며, 이들은 예를 들어, 상표명 이르가스탯(Irgastat)의 BASF; 상표명 PEBAX의 알케마(Arkema); 및 상표명 펠레스탯(Pelestat)의 산요 케미컬 인더스트리즈(Sanyo Chemical industries) 로부터 상업적으로 얻을 수 있다. 상기 대전방지제는 열가소성 고분자화합물 100 중량부에 대하여 0.1 내지 1.0 중량부로 포함될 수 있다.

또한, 상기 작업개선제는 공지된 작업개선제를 제한 없이 사용할 수 있으며, 이에 대한 비제한적인 예로써, 금속 스테아레이트, 스테아릴 스테아레이트, 펜타에리트리톨 테트라스테아레이트, 밀납(beeswax), 몬탄 왁스(montan wax), 파라핀 왁스, 폴리에틸렌 왁스 또는 그 밖에 유사한 것들 또는 이들의 혼합물을 포함할 수 있다. 상기 작업개선제는 열가소성 고분자화합물 100 중량부에 대하여 0.1 내지 1.0 중량부로 포함될 수 있다.

또한, 상기 UV 흡수제는, 공지된 UV 흡수제를 제한 없이 사용할 수 있으며, 이에 대한 비제한적인 예로써, 하이드록시벤조페논; 하이드록시벤조트리아졸; 하이드록시벤조트리아진; 시아노아크릴레이트; 옥사닐라이드(oxanilides); 벤족사지논(benzoxazinones); 2-(2H-벤조트리아졸-2-일)-4-(1,1,3,3,-테트라메틸부틸)-페놀; 2-하이드록시-4-n-옥틸옥시벤조페논; 2-[4,6-비스(2,4-디메틸페닐)-1,3,5-트리아진-2-일]-5-(옥틸옥시)-페놀; 2,2'-(1,4-페닐렌)비스(4H-3,1-벤족사진-4-원); 1,3-비스[(2-시아노-3,3-디페닐아크릴로일)옥시]-2,2-비스[[(2-시아노-3, 3-비페닐아크릴로일)옥시]메틸]프로판; 2,2'-(1,4-페닐렌) 비스(4H-3,1-벤족사진-4-원); 1,3-비스[(2-시아노-3,3-디페닐아크릴로일)옥시]-2,2-비스[[(2-시아노-3,3-디페닐아크릴로일)옥시]메틸]프로판; 입경이 100㎚미만인 산화 티타늄, 산화 세륨 및 산화 아연과 같은 나노-크기 무기 물질; 또는 그 밖에 유사한 것들, 또는 이들의 혼합물을 포함한다. 상기 UV 흡수제는 열가소성 고분자화합물 100 중량부를 기준으로 0.01 내지 3.0 중량부 포함될 수 있다.

또한, 상기 분산제 및 커플링제는 공지된 분산제 및 커플링제를 제한 없이 사용할 수 있으며, 커플링제에 대한 비제한적인 예로써 내열성을 위해 말레산 그래프트된 폴리프로필렌, 실란계 커플링제 등을 사용할 수 있다.

한편, 본 발명의 일 실시예에 따라 상술한 그라파이트-고분자 복합재 제조용 조성물은 열가소성 고분자화합물과 함께 그라파이트 복합재 제조용 마스터배치로 구현된다.

다음으로, 본 발명의 일 실시예에 의한 그라파이트-고분자복합재에 대해 설명한다.

도 2에 도시된 것과 같이 그라파이트-고분자복합재(1000)는 고분자 매트릭스 (200) 및 상기 고분자 매트릭스(200) 내부를 포함하여 분산된 본 발명에 따른 방열필러(101) 및 충격개선제(102)로 구현되며, 상기 고분자 매트릭스(200)의 외부면에는 보호코팅층(300)이 더 구비0될 수 있다. 상기 충격개선제(102)는 타원형으로 도시하였으나, 사용하는 충격개선제(102)의 중량평균분자량이나 고분자형태 등에 따라 달라질 수 있고, 측정기기로 정확히 측정하는 것이 어려움에 따라 모식적으로 나타낸 것이므로 그 형상이 제한되는 것은 아니다.

상기 방열필러(101) 및 충격개선제(102)는 도 2에는 고분자 매트릭스(200)의 내부에만 분산되는 것으로 도시하였으나, 도 2와 다르게 외부면에 노출되도록 배치될 수 있다.

상기 방열필러(101)는 그라파이트-고분자복합재(1000) 전체 중량에 대해 10 ~ 90 중량%로 구비될 수 있다. 만일 방열필러(101)가 10 중량% 미만으로 구비될 경우 목적하는 방열, 차폐 성능을 발현하지 못할 수 있다. 또한, 만일 90 중량%를 초과하여 구비되는 경우 복합재의 기계적 강도가 현저히 저하되고, 사출 등의 성형성이 저하되며, 복잡한 형상으로의 구현이 어려울 수 있다.

상기 고분자 매트릭스(200)는 상술한 열가소성 고분자화합물로 형성되며, 구체적 설명은 상술한 것과 동일하여 생략한다.

고분자매트릭스(200)의 외부면에 보호코팅층(300)을 더 구비할 수 있다. 상기 보호코팅층(300)은 고분자매트릭스의 표면부에 위치한 방열필러(101)의 이탈을 방지하고, 표면에 가해는 물리적 자극으로 인한 스크래치 등을 방지하며, 재질에 따라서 절연기능을 제공하여 절연 및 방열이 동시에 요구되는 전자장치 등의 적용처에도 사용이 가능하도록 할 수 있다.

상기 보호코팅층(300)은 공지된 열경화성 고분자화합물 또는 열가소성 고분자화합물로 구현될 수 있다. 상기 열경화성 고분자화합물은 에폭시계, 우레탄계, 에스테르계 및 폴리이미드계 수지로 이루어진 군에서 선택된 1종의 화합물, 또는 2종 이상의 혼합물 또는 코폴리머일 수 있다. 또한, 상기 열가소성 고분자화합물은 폴리아미드, 폴리에스테르, 폴리케톤, 액정고분자, 폴리올레핀, 폴리페닐렌설파이드(PPS), 폴리에테르에테르케톤(PEEK), 폴리페닐렌옥사이드(PPO), 폴리에테르술폰(PES), 폴리에테르이미드(PEI) 및 폴리이미드로 이루어진 군에서 선택된 1종의 화합물, 또는 2종 이상의 혼합물 또는 코폴리머일 수 있으나 이에 제한되는 것은 아니다.

상기 보호코팅층(300)은 두께가 0.1 ~ 1000㎛일 수 있으나 이에 제한되는 것은 아니며, 목적에 따라 변경하여 구현할 수 있다.

한편, 상기 보호코팅층(300)은 전도되는 열의 공기 중 방사를 방해 할 수 있다. 이에 보다 향상된 방열, 특히 외부 공기 중으로 열의 방사특성을 발현하기 위하여 상기 보호코팅층(300)은 방열필러를 더 구비한 방열코팅층일 수 있다. 상기 방열필러는 공지된 방열필러의 경우 제한없이 사용될 수 있는데, 만일 절연성이 동시에 요구될 경우 산화알루미늄, 보론나이트라이드, 탈크, 산화마그네슘, 실리콘카바이드 등으로 이루어진 군에서 선택된 1 종 이상의 절연성 방열필러를 구비하는 것이 바람직하다.

상기 보호코팅층(400) 내에 구비되는 방열필러의 종류, 입경, 함량 등은 목적에 따라 달리 설계될 수 있음에 따라서 본 발명은 이에 대해 특별히 한정하지 않는다.

이상에서 본 발명의 일 실시예에 대하여 설명하였으나, 본 발명의 사상은 본 명세서에 제시되는 실시 예에 제한되지 아니하며, 본 발명의 사상을 이해하는 당업자는 동일한 사상의 범위 내에서, 구성요소의 부가, 변경, 삭제, 추가 등에 의해서 다른 실시 예를 용이하게 제안할 수 있을 것이나, 이 또한 본 발명의 사상범위 내에 든다고 할 것이다.

101: 그라파이트 복합체를 구비하는 방열필러
102: 충격개선제
200: 고분자 매트릭스 300: 보호코팅층

Claims

그라파이트 표면에 결합된 나노입자 및 카테콜아민층을 포함하는 그라파이트 복합체를 구비하는 방열필러;
열가소성 고분자화합물을 포함하는 매트릭스 형성성분; 및
충격개선제를 포함하는 첨가제; 를 포함하는 그라파이트-고분자 복합재 제조용 조성물.
제1항에 있어서,
상기 충격개선제는 열가소성 탄성체(Thermoplastic elastomer, TPE)인 그라파이트-고분자 복합재 제조용 조성물.
제2항에 있어서,
상기 열가소성 탄성체는 스티렌계 (thermoplastic styrenic block copolymer, SBC), 올레핀계(thermoplastic olefinic elastomer, TPO), 우레탄계(thermoplastic polyurethane, TPU), 아마이드계(thermoplastic polyamide, TPAE), 폴리에스터계 (thermoplastic polyester elastomer, TPEE) 중 적어도 어느 하나를 포함하는 그라파이트-고분자 복합재 제조용 조성물.
제3항에 있어서,
상기 올레핀계 열가소성 탄성체는 EPDM(Ethylene-propylene-diene rubber)인 그라파이트-고분자 복합재 제조용 조성물.
제4항에 있어서,
상기 EPDM은 에틸렌, 프로필렌 및 디엔이 카르복실산 또는 카르복실산 유도체들에 의해 중합된 변성EPDM인 그라파이트-고분자 복합재 제조용 조성물.
제5항에 있어서,
상기 변성EPDM은 에틸렌, 프로필렌, 디엔 및 무수 말레산이 그래프트 중합되어 형성된 무수말레산-그래프트 EPDM(MAH-g-EPDM)인 그라파이트-고분자 복합재 제조용 조성물.
제6항에 있어서,
상기 무수말레산-그래프트 EPDM은 열가소성 고분자화합물 100 중량부에 대해 0.1 ~ 30 중량부로 포함되는 그라파이트-고분자 복합재 제조용 조성물.
제1항에 있어서,
상기 카테콜아민층은 적어도 나노입자의 표면상에 구비되는 그라파이트-고분자 복합재 제조용 조성물.
제1항에 있어서,
상기 그라파이트 복합체는 적어도 상기 카테콜아민층에 피복된 고분자층을 더 포함하는 그라파이트-고분자 복합재 제조용 조성물.
제1항에 있어서,
상기 그라파이트 복합체는 평균입경이 50 ~ 600 ㎛인 그라파이트-고분자 복합재 제조용 조성물.
제1항에 있어서,
상기 열가소성 고분자 화합물은 폴리아미드, 폴리에스테르, 폴리케톤, 액정고분자, 폴리올레핀, 폴리페닐렌설파이드(PPS), 폴리에테르에테르케톤(PEEK), 폴리페닐렌옥사이드(PPO), 폴리에테르술폰(PES), 폴리에테르이미드(PEI) 및 폴리이미드로 이루어진 군에서 선택된 1종의 화합물, 또는 2종 이상의 혼합물 또는 코폴리머인 그라파이트-고분자 복합재 제조용 조성물.
제1항에 있어서,
상기 첨가제는 난연제, 강도개선제, 분산제, 산화방지제, 작업개선제, 커플링제, 광안정제, 열안정제 및 UV 흡수제로 이루어진 군에서 선택된 1 종 이상의 첨가제를 더 포함하는 그라파이트-고분자 복합재 제조용 조성물.
제1항 내지 제12항 중 어느 한 항에 따른 그라파이트-고분자 복합재 제조용 조성물이 성형된 그라파이트-고분자 복합재 제조용 마스터 배치.
그라파이트 표면에 결합된 나노입자 및 카테콜아민층을 포함하는 그라파이트 복합체를 구비한 방열필러;
충격개선제를 포함하는 첨가제; 및
열가소성 고분자화합물로 성형되며, 상기 방열필러 및 첨가제가 분산된 고분자 매트릭스; 를 포함하는 그라파이트-고분자 복합재.
제14항에 있어서,
상기 방열필러는 그라파이트-고분자복합재 전체중량 중 10 ~ 90 중량%로 포함되는 그라파이트-고분자복합재.
제14항에 있어서,
상기 고분자 매트릭스의 외부면에는 보호코팅층이 더 구비되는 그라파이트-고분자복합재.