KR20190053820A - 전기전도성 카본페이퍼의 제작방법 - Google Patents

Abstract

내열성, 전기절연성, 내화학성, 등이 뛰어난 폴리이미드 필름(Polyimide film) 등의 플라스틱소재를 2000℃ 이상의 초고온으로 특정 공정을 통해 소성(燒成), 가공할 경우 원래 그 소재가 가진 특성과는 상이한 초열전도 특성을 가진 카본(Carbon)화합물인 '카본페이퍼(Carbon-Paper)'로 그 물질의 특성이 변하게 된다.
이러한 '카본페이퍼'는 열 전도성이 아주 우수하며 전기 전도성도 띄지만 구리(Cu)나 알루미늄(Al) 등에 비해서는 전기전도성이 현격히 떨어진다.
첨단 전자제품의 경우, 때에 따라서는 빠른 시간 안에 열을 원하는 곳으로 뽑아내면서 동시에 전원 또는 접지의 기능이 요구되는 경우가 있으며 이러한 경우에는 높은 열전도성과 함께 전기전도성이 동시에 요구되게 된다.
기존에는 이러한 요구에 대하여 '카본페이퍼'에 구리나 알루미늄 박판(薄板) 등의 전도성 물질을 물리적 또는 화학적 방법으로 합착함으로써 그 문제를 해결하였다.
그러나 본 발명은 '카본페이퍼' 제작공정에서 전기전도성 첨가물(Dopant)의 주입, 전기전도성이 높은 금속의 진공증착 또는 도금, 전기전도성 유도이온주입 등의 공정을 추가함으로써 '카본페이퍼'의 고유특성에 부가하여 전기전도성을 높이는데 그 목적이 있다.

Description

전기전도성 카본페이퍼의 제작방법{The production Method of high electricity Carbon-paper}

내열성, 내화학성, 전기절연성 등이 뛰어난 폴리이미드필름(Polyimide(이하 'PI'라 한다.) film)등의 플라스틱소재를 특정 공정을 통해 2000℃ 이상의 초고온으로 소성(燒成)하면 원래 그 소재가 가진 특성과는 다른 초열전도 특성을 가진 카본(Carbon)화합물(PGS(Pyrolytic Graphite Sheet) 등의 카본시트, 이하 '카본페이퍼(Carbon-Paper)'라 한다.)로 변하게 된다.

이러한 카본페이퍼는 열전도성이 뛰어나며 전기 전도성도 띄게 된다. 그러나 전기전도성에 있어서는 구리(Cu)나 알루미늄(Al) 등의 전도성 금속에 비해 현격히 낮은 특성을 가진다.

본 발명은 이러한‘카본페이퍼’에 전기전도특성을 전도성금속 수준으로 높이기 위한 것으로 원소재(原素材, PI 등의 플라스틱)나 완성 소재인 '카본페이퍼'에 물리적 또는 그리고 화학적인 공정으로 첨가물을 접목함으로서 전기전도성을 높이는 기술에 관한 것이다.

미국의 NASA에서는 우주선 부품으로 사용하기 위해 극한 환경에서 버틸 수 있는 플라스틱의 개발을 민간기업인 듀퐁에 의뢰하여 1964년 Kapton이라는 상품명으로 폴리이미드가 개발되었다.

이러한 폴리이미드는 뛰어난 전기절연성과 높은 열 안정성 그리고 우수한 기계적 특성 등으로 IT 및 우주항공 분야에서 미래 핵심소재로 주목을 받아왔으며 첨단 고기능성 산업용 소재로 사용되어져 왔다. 특히 영하 269℃에서 영상 400℃까지의 광범위한 온도영역에서의 강도, 유연성, 불이 붙지 않는 자기소화성 등은 현존하는 플라스틱 중 가장 뛰어난 재료로 알려져 왔다.

그러나 PI Film을 특정 공정을 통해 2000℃ 이상의 초고온으로 소성하게 되면 원래 PI Film이 가졌던 특성과는 다른 물성을 가진 탄소(Carbon)소재, 즉 '카본페이퍼'로 바뀌게 된다.

이렇게 제작된 '카본페이퍼'는 기존의 PI Film과는 달리 높은 열전도성(1000W 이상)과 방열특성을 띄게되며 전기절연성이 뛰어나던 PI의 고유특성과는 반대로 전기전도성을 가지게 되는데 구리 등의 전도성 물질보다는 훨씬 낮게 나타난다.

카본화합물은 그라파이트(Graphite), 그래핀(Graphene), 다이아몬드(Diamond), 탄소나노튜브(CNT), 퓰러랜(Fullerene) 등의 다양한 형태로 존재하는데 그 물리적 화학적 특성은 판이하게 다른 특성을 가진다. 예를 들면, 다이아몬드는 열전도 특성이 아주 우수한 반면에 절연체이고 CNT는 전기전도성이 우수하다.

본 발명에서 추구하는 전기전도성 카본페이퍼는 높은 열전도특성과 함께 뛰어난 전기전도특성을 가지게 함으로서 그 응용성을 높이는데 있다.

'카본페이퍼'를 첨단 산업분야에 접목할 경우, 필요에 따라서는 빠른 시간에 열을 원하는 곳으로 뽑아내면서 동시에 전원 또는 접지의 기능으로 이용하기위한 전기전도성이 요구되기도 한다.

기존에는 이러한 요구에 대하여 '카본페이퍼'에 구리나 알미늄 박판(薄板) 등의 전기전도성 물질을 물리적 또는 화학적 방법으로 합착함으로써 그 문제를 해결하였다. 그러나 이러한 방식은 별도의 소재(구리 등)와 합착공정이 부가되게 됨으로써 높은 비용 상승과 함께 공정의 복잡성 등으로 인해 많은 문제점 들을 가지고 있다.

그러나 본 발명은 간단하고 낮은 비용으로 '카본페이퍼'에 근본적으로 전기전도성을 가지게 하는데 그 목적이 있다.

본 발명은 카본페이퍼가 기본적으로 가지고 있던 전기전도성을 일반적인 전도성 금속과 비슷한 수준으로 높이기 위해 전기전도특성이 뛰어난 물질(CNT(Carbon nano tube), 전도성 금속분말, 그래핀(Graphene)분말 등)을 카본페이퍼의 원 소재가 되는 PI Chip에 혼합하여 PI Film을 제작함으로써 초고온 소성 후 그 필름으로 제작된 '카본페이퍼'가 전기전도특성이 높아지도록 하거나, '카본페이퍼' 표면에 다양한 방식의 진공증착방식 또는 그리고 도금방식으로 전도성 물질을 증착, 코팅함으로써 낮은 비용으로 '카본페이퍼'의 전기전도성을 높이는 것에 관한 것이다.

이때 전도성 물질의 혼합방법은 화학적 또는 그리고 물리적 방식을 사용한다.

본 발명을 통해 제작된 전기전도성이 높은 '카본페이퍼'는 고유의 열전도특성과 방열특성과 결합하여 산업분야에서 엄청난 응용 분야가 발생하게 된다.

특히 산업이 점점 더 고도화되면서 첨단 전자제품의 경우에는 제품 자체에서 발생되는 열이 제품에 결정적 충격을 주는 가장 큰 원인 중의 하나로 부각되고 있으며, 따라서 그에 따른 열의 처리가 큰 문제의 하나로 대두되고 있다. 그러나 본 발명을 통한 '카본페이퍼'를 접목할 경우 그 문제를 손쉽게 해결할 수 있으며, 열 방출목적뿐만 아니라 전극 및 접지, 전자파차폐의 기능으로도 확대하여 적용함으로써 더 큰 효과를 얻을 수 있다.

그 외에도 본 발명을 접목하며 PI를 선(線, Wire)의 형태로 제작하면 전기전도성 및 열전도성이 뛰어난 카본선(Carbon wire)을 제작할 수 있다. 이렇게 제작된 카본선(Carbon Wire)은 기존의 구리전선을 대체 할 수 있으며, 특히 송전선로 등에 접목할 경우 그 장점이 획기적으로 발휘될 수 있다.

도 1은 PI 소재(Chip)를 이용한 PI Film 및 PI Roll의 제작공정도이다.
도 2는 PI Chip과 전기전도성 물질(Dopant)을 혼합하여 Chip를 만드는 공정도이다.
도 3은 Dopant된 Chip를 이용하여 Film과 Roll의 형태로 만드는 공정도이다.
도 4는 진공증착장비의 예시이다.
도 5는 도금방식의 예시이다.

아래에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명의 실시 예를 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며, 여기에서 설명하는 실시 예에 한정되지 않는다.

그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.

명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 포함한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제어하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.

본 발명을 실시하기 위한 구체적인 내용은

열전도특성이 구리의 5배 이상으로 탁월하며 물리적, 화학적 특성이 뛰어난 카본페이퍼(PGS (Pyrolytic Graphite Sheet) 등의 카본시트)를 구리나 알루미늄 등과 같이 전기전도도가 높은 물질과 같은 수준의 전기전도도를 가지게 하는 것이다.

'카본페이퍼'의 원 소재인 폴리이미드(PI)는 뛰어난 전기절연성과 높은 열 안정성 및 우수한 기계적 특성 등으로 미래산업의 핵심소재로 주목을 받아왔다.

이러한 PI Film을 2000℃ 이상의 초고온으로 소성하여 가공하게 되면 원래 PI Film이 가진 특성과는 다른 물성을 가진 탄소(Carbon)로 구성된 '카본페이퍼'로 바뀌게 된다.

이렇게 제작된 '카본페이퍼'는 기존의 PI Film의 물성과는 반대로 뛰어난 열 전도성(1000W 이상)을 가지게 되며 전기전도성도 가지게 되는데 이때 전기전도성은 구리 등의 전도성 물질과 비교할 때 현저히 떨어진다고 할 수 있다.

따라서 이러한 '카본페이퍼'에 전기전도성을 높여 그 응용분야를 높이기 위한 여러 가지 방법들이 시도되어 왔다.

그러나 본 발명에서 실현하고자 하는 방법은 기존의 방법과는 구분되는 것으로 크게 세 가지 형태로 나눌 수 있다.

첫째 '카본페이퍼'의 원 소재인 PI film 등의 플라스틱 소재에 전기전도성을 가지게 하는 첨가물질(Dopant)을 투입함으로써 전기전도성을 유도하는 방식과, 둘째 진공증착 또는 그리고 도금 등의 방식으로 '카본페이퍼' 표면에 전도성 금속 막을 형성하는 방식, 셋째 Ion-Implanter를 이용하여 '카본페이퍼' 표면에 전도특성을 높이는 이온(ION)을 주입하는 방식이다.

i) '카본페이퍼'의 원 소재인 PI film 등의 플라스틱소재에 전기전도성을 가지게 하는 첨가물질(Dopant)을 투입함으로써 전기전도성을 유도하는 방식.

통상 film 형태의 PI를 만들기 위해서는 [도1]과같이 칩(Chip)의 형태로 만들어진 PI를 필름성형기를 통과시킴으로 PI Film이 만들어진다.

그러나 본 발명에서 구현하고자 하는 방식은, 먼저 원 소재인 PI 칩에 [도2]와 같이 전기전도특성이 우수한 Dopant(금속분말이나 CNT(Carbon nano tube), 그리고 그래핀(Graphene)분말 등)를 분산(分散, Diffusion) 등의 방식으로 혼합하여 새로운 칩을 만든다.

이렇게 만들어진 칩을 [도3]과 같이 필름성형기를 통과시킴으로서 필름 형태로 만들고,

그 만들어진 필름을 2000℃ 이상의 초고온 공정을 통하여 소성하게 되면 첨가물(Dopant)이 들어간 전기전도성이 높아진 카본페이퍼가 만들어지게 된다.

상기에 언급한 방식으로 원 소재인 PI에 투입된 첨가물(Dopant)은 카본페이퍼가 형성되는 초고온의 소성과정에서 전기전도성을 유도하는 인자로 작용하여 카본페이퍼를 전기전도성이 뛰어난 분자구조로 바뀌게 하는 역할을 하거나 Dopant 그 자체가 전도성을 높이는 역할을 하게 한다.

그러나 본 발명의 방식과는 달리 흔히 반도체 공정에서 사용되어지는 Gas 분위기 Dopant 주입방식은 투입하고자하는 Dopant를 먼저 Gas 형태로 만들고 그 만들어진 Gas 속에서 '카본페이퍼'를 소성 제작함으로써 전기전도성을 높이는 방식이다. 그러나 이 경우 '카본페이퍼'가 만들어지는 공정이 2000℃ 이상의 초고온상태로서 카본페이퍼 자체의 열에너지가 너무 크기 때문에 Dopant Gas가 원 소재에 투입되기가 쉽지 않다. 즉 Dopant Gas의 에너지가 작아 Dopant의 주입이 사실상 어렵게 된다.

그러나 본 발명의 방식을 활용할 경우 원 소재인 PI 칩의 제작공정에서 원천적으로 Dopant가 투입됨으로써 손쉽게 Dopant를 원 소재에 주입할 수 있는 장점이 있다.

2) 진공증착 또는 그리고 도금 등의 방식으로 ‘카본페이퍼’표면에 전도성 금속막을 형성하는 방식.

먼저 [도1]에서와 같이 PI 칩을 필름성형기를 통과시켜 PI film으로 만든다. 이렇게 만들어진 필름은 2000℃ 이상의 초고온 공정을 거치면서 카본페이퍼로 만들어지게 된다.

이렇게 만들어진 카본페이퍼를 전기전도특성이 우수하게 하기 위해 표면에 전기전도성이 높은 구리(Cu), 알루미늄(Al) 등의 금속을 [도4]와 같이 진공증착 방식으로 증착함으로써 전기전도성 막을 형성한다.

이와 같이 전기전도성 금속이 코팅된 카본페이퍼는 표면에 코팅된 금속으로 인해 전기전도성이 높아지게 되며 또한 카본페이퍼 자체가 가졌던 특성에 따라 열전도성도 우수해 지게 된다.

이때 진공증착 방식은 PVD(Physical Vapor Deposition), CVD(Chemical Vapor Deposition) 등의 다양한 방식을 사용할 수 있다.

그리고 카본페이퍼는 기본적인 전기전도 특성을 가지고 있기 때문에 그를 이용하여 금속 도금방식으로 [도5]와 같이 표면에 전기전도성 금속 막을 형성시킬 수 있다.

또한 위에서 언급한 진공증착방식과 도금방식을 병행하여 수행함으로써 더 뛰어난 전기전도성 막을 형성 할 수도 있다.

3) Ion-Implanter를 이용하여 '카본페이퍼' 표면에 전도특성을 높이는 ION을 주입하는 방식.

이 방식은 반도체 제조공정에서 흔히 사용되어지는 방식으로 전기전도성을 높일 수 있는 특정 이온을 표적(Target)이 되는 물질, 즉 '카본페이퍼'의 표면에 이온 주입장치(Ion-Implanter)를 사용하여 주입함으로써 표면에 전기전도특성을 높이는 방식이다.

이상에서 기술한 내용 들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 예를 들어 단일형으로 설명되어 있는 각 구성요소는 분산되어 실시될 수도 있으며, 마찬가지로 분산된 것으로 설명되어 있는 구성요소들도 결합 된 형태로 실시될 수 있다.

본 발명의 범위는 상세한 설명보다는 후술하는 특허 청구범위에 의하여 나타내어지며, 청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 고안의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

1. PI Chip
2. PI Film
3. PI Roll
4. 전도성 물질분말
5. 전도성 물질이 Dopant된 Chip
6. Dopant된 Film
7. Dopant된 Roll

Claims (3)

1. 높은 전기전도성과 초 열전도 특성을 동시에 가지는 전극을 만들기 위한 목적을 위해, 면방향의 결정화 특성을 가진 전도성 카본페이퍼(PGS, Pyrolytic Graphite Sheet)를 제작함에 있어서;
   필름형태의 폴리이미드(PI)를 사용하여 2000℃이상의 초고온 공정을 통하여 만들어진 카본페이퍼의 표면에 전기전도 특성을 더 높이기 위해 진공증착 또는 도금을 통하여 전도성 금속 막을 더 형성시키는 것을 특징으로 하는 전기전도성 카본페이퍼의 제작방법.
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 카본페이퍼의 표면에 전기전도 특성을 더 높이기 위해 이온주입장치(Ion-Implanter)를 이용하여 ION을 더 주입하는 것을 특징으로 하는 전기전도성 카본페이퍼의 제작방법.
3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
   상기 카본페이퍼의 표면에 전기전도 특성을 높이도록 진공증착 또는 도금을 통하여 전도성 금속 막을 형성시키고, 이온주입장치(Ion-Implanter)를 이용하여 ION을 주입하는 것을 병행하는 것을 특징으로 하는 전기전도성 카본페이퍼의 제작방법.

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