KR20190053666A - 탄소소재 복합체 - Google Patents

탄소소재 복합체

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KR20190053666A
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Abstract

본 발명은 열전도성이 우수하고 전자파를 효과적으로 차폐할 수 있는 탄소소재 복합체에 관한 것으로, 상기 탄소소재 복합체는 열가소성 고분자 수지 50~95wt%와, 상기 열가소성 고분자 수지와 친화력을 갖는 작용기가 위치한 탄소 필러 50~5wt%를 포함한다. 이와 같이, 열가소성 고분자 수지에 열 전도성과 전기 전도성이 우수한 탄소 필러를 혼합하여 전자파 차폐 시 발생한 열을 효과적으로 방열하여 전자파 차폐 성능을 향상시킬 수 있는 효과를 얻을 수 있다.

Description

탄소소재 복합체{CARBON MATERIAL COMPOSITES}
본 발명은 탄소소재 복합체에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 열전도성이 우수하고 전자파를 효과적으로 차폐할 수 있는 탄소소재 복합체에 관한 것이다.
전자파의 유해성은 정보통신 기술의 발달 및 전자, 통신기기의 대량 보급과 더불어 날로 심각해지고 있다. 불필요한 전자파 발생에 따라 전파통신장치와 전자기기 간의 오작동이 발생하여 전자장치 자체의 안전과 사용자의 안전에 심각한 위험을 초래할 수 있다.
일반적으로 널리 사용되고 있는 전자장치의 하우징 소재는 대부분 금속으로 이루어져 있어 전자파 차폐 기능을 수행하고 있고, 또한 금속은 열전도도가 높아 사용하는 부품에서는 열전달에 의한 방열 문제를 해소할 수 있다.
하지만, 최근 자동차에 전자장치가 확대 설치되고 모바일 디스플레이가 급속히 보급됨에 따라 많은 전자부품들의 경량화 및 다양한 디자인에 대한 수요가 증가되고 있으며, 이에 부응하기 위해 금속 소재가 아닌 플라스틱 부품으로의 변화가 지속적으로 요구되고 있다.
플라스틱은 가볍고 다양한 형태로의 디자인이 용이한 이점을 가지고 있으나, 금속이 가진 전도성을 띄지 못하기 때문에 전자파 차폐를 위한 전자부품의 케이스 소재로 사용이 불가능하다.
또한, 대부분의 플라스틱은 본질적으로 전기 절연체이므로 전자파는 플라스틱에 어떠한 손실도 주지 않고 쉽게 통과하게 된다. 이를 해소하기 위하여, 종래에는 플라스틱 하우징의 표면에 전도성 도료를 코팅하거나 무전해 방법으로 전도성 물질을 도금하는 방법으로 전자파에 대한 문제를 해결하고 있으나, 이러한 방법은 코팅된 도료의 탈착 문제와 전해 용액 사용시 환경문제 발생이 지적되고 있다.
또한, 플라스틱 소재는 열전도성이 낮으므로 전자부품에서 발생된 열을 외부로 방출하기 위하여 전자파 차폐의 전도성 재료와 별개로 열전도 재료를 사용하거나, 플라스틱의 일면에 금속 등을 덧붙여 방열 문제를 해결하고 있지만, 이러한 방법은 자동차에서 전자장치의 확대로 인해 많은 전자부품들의 경량화 및 다양한 디자인에 대한 수요를 만족하지 못하는 문제가 있다.
이러한 플라스틱 소재의 문제점을 해결하기 위해, 열 전도성과 전기 전도성이 우수한 필러를 첨가한 복합체 제조에 많은 연구가 진행되고 있다.
대한민국 등록특허 제1337959호(2013.12.02)
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 창안된 것으로서, 열전도성이 우수하고 전자파를 효과적으로 차폐할 수 있는 탄소소재 복합체를 제공하는 데에 그 목적이 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 탄소소재 복합체는, 열가소성 고분자 수지 50~95wt%; 및 상기 열가소성 고분자 수지와 친화력을 갖는 작용기가 위치한 탄소 필러 50~5wt%;를 포함한다.
여기서, 상기 열가소성 고분자 수지는, 폴리프로필렌(PP) 수지 또는 폴리아마이드(PA-6) 수지로 마련될 수 있다.
그리고, 상기 탄소 필러는, 판상 입자 형태의 탄소소재 또는 판상 입자 형태와 섬유상 입자 형태의 탄소소재를 혼합하여 마련될 수 있다.
예를 들어, 상기 탄소 필러는, 그래핀, 흑연, 탄소섬유 중 어느 하나 또는 이들을 혼합하여 마련될 수 있다.
보다 구체적으로, 상기 탄소 필러는, 그래핀 5~50wt%로 마련될 수 있다.
또는, 상기 탄소 필러는, 그래핀 4~40wt%, 흑연 1~10wt%를 혼합하여 마련될 수도 있다.
또는, 상기 탄소 필러는, 그래핀 3~30wt%, 흑연 1~10wt%, 탄소섬유 1~10wt%를 혼합하여 마련될 수도 있다.
상기 작용기는, 상기 탄소 필러의 중량 대비 0.05~0.5wt%의 지방산이 표면 처리될 수 있다.
여기서, 상기 작용기는, 스테아르산(stearic acid), 올레산(oleic acid), 리놀레산(linoleic acid) 중 어느 하나인 지방산으로 마련될 수 있다.
본 발명에 의한 탄소소재 복합체에 따르면, 폴리아마이드 수지에 열 전도성과 전기 전도성이 우수한 탄소 필러를 혼합하여 전자파 차폐 시 발생한 열을 효과적으로 방열하여 전자파 차폐 성능을 향상시킬 수 있는 효과를 얻을 수 있다.
그리고, 본 발명에 의하면, 고분자 수지와 친화력을 갖는 작용기로 탄소 필러를 표면처리하여 전자파 차폐 성능을 향상시킬 수 있는 효과를 얻을 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예 1에 의한 탄소소재 복합체의 입자 상태를 개략적으로 도시해 보인 도면,
도 2는 본 발명의 실시예 2에 의한 탄소소재 복합체의 입자 상태를 개략적으로 도시해 보인 도면,
도 3은 본 발명의 실시예 3에 의한 탄소소재 복합체의 입자 상태를 개략적으로 도시해 보인 도면이다.
본 발명의 특징들에 대한 이해를 돕기 위하여, 이하 본 발명의 실시예와 관련된 탄소소재 복합체에 대하여 보다 상세하게 설명하기로 한다.
이하 설명되는 실시예의 이해를 돕기 위하여 첨부된 각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의한다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.
본 발명의 실시예에 의한 탄소소재 복합체는 열가소성 고분자 수지에 탄소 필러를 혼합하여 제작한다. 특히, 상기 탄소 필러에는 상기 열가소성 고분자 수지와 친화력을 갖는 작용기가 위치하고 있다. 여기서, 상기 탄소 필러에 작용기를 위치시키기 위하여 상기 탄소 필러에 작용기를 표면처리하여 위치시킬 수 있다. 즉, 상기 탄소 필러는 작용기로 표면처리된 후 상기 열가소성 고분자 수지와 혼합된다.
보다 구체적으로, 상기 열가소성 고분자 수지는 폴리프로필렌(PP) 수지 또는 폴리아마이드(PA-6) 수지가 분말 형태로 마련되어 전체 중량 대비 50~95wt%로 혼합된다. 물론, 상기 열가소성 고분자 수지가 이에 한정되는 것은 아니고, 폴리에틸렌, 폴리스틸렌, 폴리알킬렌테레프탈레이트, 폴리아세탈, 폴리술폰, 폴리이미드, 폴리카보네이트 중 선택된 어느 하나 또는 둘 이상이 혼합된 혼합물로 마련될 수도 있다.
상기 탄소 필러는 전기 전도성 및 열 전도성 향상을 위하여 판상 입자 형태의 탄소소재 또는 판상 입자 형태와 섬유상 입자 형태의 탄소소재를 혼합하여 마련될 수 있다.
즉, 상기 탄소 필러는 도 1에 도시된 바와 같이 제1 판상 입자(10) 형태인 탄소소재 마련되거나, 도 2에 도시된 바와 같이 제1 판상 입자(10)와 제2 판상 입자(20) 형태로 마련되는 두가지 탄소소재를 혼합하여 마련되거나, 도 3에 도시된 바와 같이 제1 판상 입자(10)와 제2 판상 입자(20)와 섬유상 입자(30) 형태로 마련되는 3가지 탄소소재를 혼합하여 마련될 수 있다.
일 예로, 상기 제1 판상 입자(10) 형태의 탄소소재는 그래핀을 사용하고, 상기 제2 판상 입자(20) 형태의 탄소소재는 흑연을 사용하고, 상기 섬유상 입자(30) 형태의 탄소소재는 탄소섬유를 사용할 수 있다.
따라서, 본 발명의 탄소 필러는 그래핀만을 사용하거나, 그래핀과 흑연을 혼합하여 사용하거나, 그래핀과 흑연과 탄소섬유를 혼합하여 마련될 수 있다.
보다 구체적으로, 상기 탄소 필러로 그래핀만 사용하는 경우 그래핀은 전체 중량대비 5~50wt%로 마련될 수 있고, 그래핀과 흑연을 혼합하여 사용하는 경우에는 그래핀 4~40wt%, 흑연 1~10wt%를 혼합하여 마련될 수 있으며, 그래핀과 흑연과 탄소섬유를 혼합하여 사용하는 경우에는 그래핀 3~30wt%, 흑연 1~10wt%, 탄소섬유 1~10wt%를 혼합하여 마련될 수 있다.
그리고, 상기 탄소 필러는 상기 열가소성 고분자 수지와 친화력을 갖는 작용기로 표면 처리된 후 상기 열가소성 고분자 수지와 혼합된다. 표면 처리된 탄소 필러는 상기 열가소성 고분자 수지 내에서 분산성이 향상되므로, 네트워크를 용이하게 형성하여 복합체의 전기 전도성 및 열 전도성을 향상시킬 수 있다.
여기서, 상기 작용기는 스테아르산(stearic acid), 올레산(oleic acid), 리놀레산(linoleic acid) 중 어느 하나인 지방산으로 마련될 수 있다.
이러한 작용기를 상기 탄소 필러에 표면 처리하는 방법은 염산, 아세트산, 황산, 질산, 포름산 등과 같은 산을 이용하여 탄소 필러가 양전하를 갖도록 산 처리하고, 산 처리된 탄소 필러를 수용성 및 유기 용매와 혼합하여 상기 탄소 필러에 수산화기(-OH)를 형성한다. 그리고, 수산화기가 형성된 탄소 필러를 상기 지방산과 혼합한다. 이때, 상기 탄소 필러의 수산화기가 유기 리간드를 포함하는 지방산과 결합하여 탄소 필러를 표면처리 하게 된다. 이때, 상기 탄소 필러의 중량 대비 0.05~0.5wt%의 지방산이 상기 탄소 필러에 표면 처리된다.
실시예
이하에서는 본 발명의 실시예에 의한 탄소소재 복합체(실시예 1, 2, 3)를 종래 한 종류의 탄소소재만을 혼합한 복합체(비교예 1, 2)와 비교하여 설명한다.
여기서, 본 발명의 실시예에 의한 탄소소재 복합체의 탄소 필러는 그래핀만을 사용하거나, 그래핀과 흑연을 혼합하여 사용하거나, 그래핀과 흑연과 탄소섬유를 혼합하여 마련되고, 수지와 친화력을 갖는 작용기로 표면처리 되었다.
실시예 1은 열가소성 고분자 수지에 그래핀을 혼합하여 제작한 복합체이고, 실시예 2는 열가소성 고분자 수지에 그래핀과 흑연을 일정 비율로 혼합하여 제작한 복합체이며, 실시예 3은 열가소성 고분자 수지에 그래핀과 흑연과 탄소섬유를 일정 비율로 혼합하여 제작한 복합체이다.
이와 비교하여, 비교예 1은 열가소성 고분자 수지에 표면처리되지 않은 그래핀을 혼합하여 제작한 복합체이고, 비교예 2는 열가소성 고분자 수지에 표면처리되지 않은 흑연을 혼합하여 제작한 복합체이다.
그리고, 상기 실시예 및 비교예에서는 열가소성 고분자 수지로 밀도가 약 1.0~1.2g/cm3이고 인장강도가 65~75MPa이고 열변형온도가 160~180℃인 폴리아마이드(PA-6) 수지가 사용되었다.
또한, 상기 탄소 필러는 밀도가 0.09~0.11g/m3이고 직경이 80~100㎛인 그래핀과, 면방향 크기(lateral size)가 5~500㎛인 흑연, 밀도가 1.4~1.6g/cm3이고 인장강도가 4800~5200MPa인 탄소섬유로 마련된다.
구분 폴리아마이드 수지[wt%] 그래핀
[wt%]		 흑연
[wt%]		 탄소섬유
[wt%]
실시예 1 50 50 - -
실시예 2 50 40 10 -
실시예 3 50 30 10 10
비교예 1 50 50 - -
비교예 2 50 - 50 -
상기 표 1에 개시되어 있는 중량비로 제작된 복합체를 면적이 100mm2이고 두께가 2mm인 시편으로 제작한 후 기계적 물성, 열전도도 및 전자파 차폐 성능을 측정하여 아래 표 2 및 표 3에 나타내었다.
여기서, 인장강도 시험은 시험속도를 5mm/min로 하였고, 굴곡강도 시험은 시험속도를 3mm/min로 하였고, 열변형온도 측정시험은 1.8MPa의 하중이 인가된 상태에서 열변형이 발생하는 온도를 측정하였다.
구분 인장강도
[MPa]		 굴곡강도
[MPa]		 굴곡탄성율
[MPa]		 열변형온도
[℃]
실시예 1 63.2 95.3 19,533 142
실시예 2 65.6 114.4 20,330 194
실시예 3 81.9 142.1 26,415 112
비교예 1 57.3 91.3 18,956 128
비교예 2 46.9 83 16,141 175
구분 밀도
[g/cm3]		 EMI 차폐
1.5GHz[dB]		 열전도도
[W/mK]
실시예 1 1.50 41 23
실시예 2 1.61 35 20
실시예 3 1.57 33 19
비교예 1 1.52 26 18
비교예 2 1.69 22 13
상기 표 2 및 표 3에 개시되어 있는 바와 같이, 본 발명의 실시예에 의한 탄소소재 복합체는 종래의 비교예 복합체와 비교하여 밀도는 큰 차이가 없어 경량화를 유지하면서, 기계적 물성이 향상되어 복합체의 강성이 향상되었고, 열전도도가 향상되어 열 전도성이 향상되었으며, 전자파 차폐 성능 또한 향상되었다.
보다 구체적으로 살펴보면, 폴리아마이드 수지에 표면처리된 그래핀을 사용한 실시예 1과 표면처리되지 않은 그래핀을 사용한 비교예 2를 비교해 보면, 거의 유사한 밀도를 가지면서 기계적 물성과, 열전도도, 그리고 전자파 차폐 성능이 모두 향상된 것을 확인할 수 있다. 즉, 그래핀을 표면처리 함에 따라 유사한 중량을 유지하면서 기계적 물성, 열전도도, 그리고 전자파 차폐 성능 모두를 향상시킬 수 있음을 확인할 수 있다.
그리고, 비교예 2에서는 그래핀을 사용하지 않고 흑연만을 탄소 필러로 사용하여 제작한 복합체로 그래핀이 사용된 실시예 1 내지 3 모두와 비교하여 밀도가 높아졌고, 기계적 물성, 열전도도, 그리고 전자파 차폐 성능 모두가 낮아짐을 확인할 수 있다.
즉, 탄소 필러로 그래핀을 포함함에 따라 유사한 중량을 유지하면서 기계적 물성, 열전도도, 그리고 전자파 차폐 성능 모두를 향상시킬 수 있음을 확인할 수 있다.
이상과 같이, 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 이것에 의해 한정되지 않으며 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술사상과 아래에 기재될 특허청구범위의 균등범위 내에서 다양한 수정 및 변형 가능함은 물론이다.
10 : 제1 판상 입자
20 : 제2 판상 입자
30 : 섬유상 입자

Claims (9)

  1. 열가소성 고분자 수지 50~95wt%; 및
    상기 열가소성 고분자 수지와 친화력을 갖는 작용기가 위치한 탄소 필러 50~5wt%;
    를 포함하는 탄소소재 복합체.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 열가소성 고분자 수지는,
    폴리프로필렌(PP) 수지 또는 폴리아마이드(PA-6) 수지로 마련되는 것인 탄소소재 복합체.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 탄소 필러는,
    판상 입자 형태의 탄소소재 또는 판상 입자 형태와 섬유상 입자 형태의 탄소소재를 혼합하여 마련되는 것인 탄소소재 복합체.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 탄소 필러는,
    그래핀, 흑연, 탄소섬유 중 어느 하나 또는 이들을 혼합하여 마련되는 것인 탄소소재 복합체.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 탄소 필러는,
    그래핀 5~50wt%로 마련되는 것인 탄소소재 복합체.
  6. 제4항에 있어서,
    상기 탄소 필러는,
    그래핀 4~40wt%, 흑연 1~10wt%를 혼합하여 마련되는 것인 탄소소재 복합체.
  7. 제4항에 있어서,
    상기 탄소 필러는,
    그래핀 3~30wt%, 흑연 1~10wt%, 탄소섬유 1~10wt%를 혼합하여 마련되는 것인 탄소소재 복합체.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 작용기는,
    상기 탄소 필러의 중량 대비 0.05~0.5wt%의 지방산이 표면 처리되는 것인 탄소소재 복합체.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 작용기는,
    스테아르산(stearic acid), 올레산(oleic acid), 리놀레산(linoleic acid) 중 어느 하나인 지방산으로 마련되는 것인 탄소소재 복합체.
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