KR20190091221A

KR20190091221A - 복합재의 제조 방법

Info

Publication number: KR20190091221A
Application number: KR1020190010377A
Authority: KR
Inventors: 박새봄; 유동우; 이진규
Original assignee: 주식회사 엘지화학
Priority date: 2018-01-26
Filing date: 2019-01-28
Publication date: 2019-08-05
Also published as: KR102430111B1

Abstract

본 출원은 복합재의 제조 방법을 제공한다. 본 출원에서는, 내부에 이방 열전도성 필러에 의한 긴밀한 열전달 네트워크가 형성되어서 우수한 열전도 특성을 가지면서, 내충격성이나 가공성 등 다른 필요 물성도 우수한 복합재를 제공할 수 있다.

Description

복합재의 제조 방법{PREPARATION METHOD FOR COMPOSITE MATERIAL}

본 출원은 복합재의 제조 방법에 대한 것이다.

방열 소재는 다양한 용도에 사용될 수 있다. 예를 들면, 배터리나 각종 전자 기기는 작동 과정에서 열이 발생하기 때문에, 이러한 열을 효과적으로 제어할 수 있는 소재가 요구된다.

방열 특성이 좋은 소재는 열전도도가 좋은 세라믹 소재 등이 알려져 있으나, 이러한 소재는 가공성이 떨어지기 때문에, 고분자 매트릭스 내에 상기 세라믹 필러 등을 배합하여 제조한 복합 소재가 사용될 수 있다.

그렇지만, 상기 방식에 의해서는 높은 열전도도를 확보하기 위해서 다량의 필러 성분이 적용되어야 하기 때문에, 다양한 문제가 발생한다.

본 출원은, 복합재의 제조 방법에 대한 것이고, 일 예시에서 열전도 특성이 우수하면서도, 내충격성이나 가공성 등 다른 물성도 우수하게 확보되는 복합재의 제조 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 명세서에서 언급하는 물성 중에서 측정 온도가 해당 물성에 영향을 미치는 경우에는, 특별히 달리 규정하지 않는 한, 그 물성은 상온에서 측정한 것이다. 용어 상온은 가온 또는 감온되지 않은 자연 그대로의 온도이고, 예를 들면, 약 10℃ 내지 30℃의 범위 내의 어느 한 온도, 약 23℃ 또는 약 25℃ 정도의 온도를 의미할 수 있다.

또한, 본 명세서에서 언급하는 물성 중에서 측정 압력이 해당 물성에 영향을 미치는 경우에는, 특별히 달리 규정하지 않는 한, 그 물성은 상압, 즉 대기압(약 1기압 정도)에서 측정한 것이다.

본 출원은 복합재의 제조 방법에 대한 것이다. 본 출원에서 용어 복합재는 적어도 고분자 성분(고분자 매트릭스) 및 열전도체를 포함하는 재료를 의미할 수 있다. 일 예시에서 상기 복합재는 필름 형태일 수 있다.

본 출원에서 제조되는 복합재는, 적정량의 열전도체를 포함하면서도, 목적하는 방향으로 높은 열전도도가 확보될 수 있다. 기존 공지된 열전도성 복합재에서는, 전체적으로 높은 열전도도를 확보하는 것이 가능하여도 특정 목적하는 방향에서 높은 열전도도를 확보하는 것은 곤란하다. 또한, 전체적으로 높은 열전도도를 확보하는 과정에서도 과량의 열전도체가 요구되는데, 이러한 과량의 열전도체는 복합재의 가공성이나 내충격성 등을 악화시키는 요인이 된다.

예를 들어, 필름 형태의 복합재는 다양하게 알려져 있지만, 그 필름 형태의 두께 방향으로 원하는 열전도도를 확보하면서, 복합재의 가공성이나 내충격성 등의 다른 물성도 확보하는 것은 불가능하였다. 그렇지만, 본 출원의 복합재의 제조 방법에서는 적정량의 열전도체를 적용하면서도 두께 방향 등 원하는 방향으로 높은 열전도도를 확보할 수 있고, 그 과정에서 복합재의 내충격성이나 가공성 등도 희생시키지 않는다.

복합재가 필름 형태인 경우 그 두께 등은, 목적하는 열전도도나 용도 등을 고려하여 조절될 수 있다. 상기 필름의 두께는, 예를 들면, 약 10 μm 이상, 약 20 μm 이상, 약 30 μm 이상, 약 40 μm 이상, 약 50 μm 이상, 약 60 μm 이상, 약 70 μm 이상, 약 80 μm 이상, 약 90 μm 이상, 약 100 μm 이상, 110 μm 이상, 120 μm 이상, 130 μm 이상, 140 μm 이상, 150 μm 이상, 160 μm 이상, 170 μm 이상, 180 μm 이상, 190 μm 이상, 200 μm 이상, 300 μm 이상, 400 μm 이상, 500 μm 이상, 600 μm 이상, 700 μm 이상, 800 μm 이상, 900 μm 이상 또는 950 μm 이상일 수 있다. 상기 필름의 두께의 상한은 목적에 따라서 제어되는 것으로 특별히 제한되는 것은 아니나, 예를 들면, 약 10,000 μm 이하, 약 9,000 μm 이하, 약 8.000 μm 이하, 약 7.000 μm 이하, 약 6.000 μm 이하, 약 5.000 μm 이하, 약 4.000 μm 이하, 약 3.000 μm 이하, 약 2.000 μm 이하 또는 약 1,500 μm 이하 정도일 수 있다.

본 명세서에서 두께는 해당 대상의 두께가 일정하지 않은 경우에는, 그 대상의 최소 두께, 최대 두께 또는 평균 두께일 수 있다.

본 출원의 제조 방법에서는 특정 방식으로 상기 열전도체를 배향시켜서, 열전도 경로를 형성한다. 이에 따라서 본 출원에서는 가공성이나 내충격성 등 복합재에서 요구되는 물성을 유지 혹은 개선하면서도 우수한 열전도 특성을 목적하는 방향으로 확보할 수 있다. 또한, 상기 배향 시에 배향 방향의 제어를 통해서 열전도 경로를 제어할 수 있다.

본 출원의 제조 방법은, 적어도 상기 복합재를 형성할 재료에 자기장을 인가하는 단계를 포함할 수 있다.

상기에서 복합재를 형성하는 재료는, 고분자 또는 그의 전구체; 자성 이방성 열전도성 필러를 적어도 포함하는 열전도체 및 용매를 포함할 수 있다.

상기 단계에서는 상기 재료에 자기장을 인가하여 상기 자성 이방성 열전도성 필러를 배향시키면서 상기 용매를 제거할 수 있다.

본 출원에서 적용하는 고분자 또는 그 전구체의 종류는 특별하게 제한되는 것은 아니다. 상기에서 고분자는 전술한 복합재의 고분자 매트릭스를 형성하는 재료이고, 예를 들면, 바인더로서 기존 세라믹 필러 등과 배합되여 방열 필름 등을 형성하던 재료가 동일하게 사용될 수 있다. 또한, 상기에서 고분자의 전구체는, 경화 공정 등을 거쳐서 상기 고분자 매트릭스를 형성할 수 있는 재료이다. 업계에서는 이와 같은 재료가 다양하게 알려져 있으며, 본 출원에서는 이러한 재료가 제한 없이 모두 사용될 수 있다.

예를 들면, 상기 재료로는, 아크릴 수지, 실리콘 수지, 에폭시 수지, 우레탄 수지, 아미노 수지, 폴리에스테르, 올레핀 수지 및 페놀 수지로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상의 고분자는 경화 과정 등을 통해 상기 고분자를 형성할 수 있는 전구체 등이 예시될 수 있지만, 이에 제한되지는 않는다.

본 출원에서는, 상기 고분자 또는 그 전구체로서 고점도의 재료, 예를 들면, 25℃ 또는 23℃에서 점도가 400 cP 이상인 재료도 적용할 수 있다. 통상 고분자 또는 그 전구체의 점도가 높으면, 그 재료 내에 존재하는 열전도체의 유동성 내지는 배향성도 떨어지기 때문에, 용도에 따라서 고점도의 재료가 요구되는 경우에도 해당 재료를 통해 목적하는 열전달 경로를 형성하는 것이 쉽지 않은 문제점이 있지만, 본 출원에서는 상기와 같은 문제점을 해결할 수 있어서, 재료의 자유도를 크게 높일 수 있다.

상기 고분자 또는 그 전구체의 점도는 다른 예시에서 약 500 cP 이상, 600 cP 이상, 700 cP 이상, 800 cP 이상, 900 cP 이상, 1000 cP 이상, 1500 cP 이상, 2000 cP 이상, 2500 cP 이상, 3000 cP 이상, 3500 cP 이상, 4000 cP 이상, 4500 cP 이상, 5000 cP 이상, 5500 cP 이상, 6000 cP 이상, 6500 cP 이상, 7000 cP 이상, 7500 cP 이상, 8000 cP 이상, 8500 cP 이상, 9000 cP 이상, 9500 cP 이상, 10000 cP 이상, 15000 cP 이상, 20000 cP 이상, 25000 cP 이상, 30000 cP 이상, 35000 cP 이상, 40000 cP 이상, 45000 cP 이상, 50000 cP 이상, 55000 cP 이상, 60000 cP 이상, 65000 cP 이상, 70000 cP 이상, 75000 cP 이상, 80000 cP 이상, 85000 cP 이상, 90000 cP 이상 또는 95000 cP 이상이거나, 100,000cP 이하, 950000 cP 이하, 90000 cP 이하, 85000 cP 이하, 80000 cP 이하, 75000 cP 이하, 70000 cP 이하, 65000 cP 이하, 60000 cP 이하, 55000 cP 이하, 50000 cP 이하, 45000 cP 이하, 40000 cP 이하, 35000 cP 이하, 30000 cP 이하, 25000 cP 이하, 20000 cP 이하, 15000 cP 이하, 10000 cP 이하, 9500 cP 이하, 9000 cP 이하, 8500 cP 이하, 8000 cP 이하, 7500 cP 이하, 7000 cP 이하, 6500 cP 이하, 6000 cP 이하, 5500 cP 이하, 5000 cP 이하, 4500 cP 이하, 4000 cP 이하, 3500 cP 이하, 3000 cP 이하, 2500 cP 이하, 2000 cP 이하, 1500 cP 이하 또는 1000 cP 이하 정도일 수도 있다.

상기 점도는 고분자 소재의 점도를 측정하는 일반적인 방식에 따라 측정될 수 있다. 상기 점도는 예를 들면, shear ratio 100s^-1 조건에서 측정할 수 있다.

상기 재료에 포함되는 열전도체는 적어도 자성 이방성 열전도성 필러를 포함한다.

본 명세서에서 용어 이방성 필러는, 예를 들면, 섬유 형태의 필러와 같이 1을 초과하는 종횡비를 가지는 형태의 필러를 의미할 수 있다. 상기에서 용어 종횡비는, 해당 필러의 치수(dimension) 중에서 가장 작은 치수(S)를 기준으로 한 가장 큰 치수(L)의 비율(L/S)를 의미할 수 있다. 예를 들면, 섬유 형태의 필러에서는 그 길이(L)의 그 단면(상기 길이 방향에 수직한 방향으로의 단면) 직경(D)에 대한 비율(L/D)이 상기 종횡비일 수 있다.

일 예시에서 본 출원에서 적용되는 필러는 종횡비가 약 5 이상, 10, 15, 20, 약 25, 약 30 또는 약 35 이상일 수 있다. 상기 종횡비(L/D)는 다른 예시에서 약 100 이하, 약 95 이하, 약 90 이하, 약 85 이하, 약 80 이하, 약 75 이하, 약 70 이하, 약 65 이하, 약 60 이하, 약 55 이하 또는 약 50 이하일 수 있다.

상기와 같은 종횡비 하에서 적절한 열전달 네트워크의 형성이 기대될 수 있다.

하나의 예시에서 본 출원에서 적용되는 이방성 필러는, 섬유 형태의 필러로서, 상기 언급된 범위의 종횡비를 가지면서, 단면의 길이, 즉 섬유 형태의 길이 방향에 수직한 방향으로의 단면의 평균 직경(D)이 약 1㎛ 내지 100㎛의 범위 내에 있는 필러일 수 있다. 이러한 범위 하에서 상기 필러는 우수한 열전달 경로를 형성할 수 있다. 상기 단면의 길이는, 다른 예시에서 약 2㎛ 이상, 3㎛ 이상, 4㎛ 이상, 5㎛ 이상, 6㎛ 이상, 7㎛ 이상, 8㎛ 이상, 9㎛ 이상 또는 10㎛ 이상이거나, 약 95㎛ 이하, 90㎛ 이하, 85㎛ 이하, 80㎛ 이하, 75㎛ 이하, 70㎛ 이하, 65㎛ 이하, 60㎛ 이하, 55㎛ 이하, 50㎛ 이하, 45㎛ 이하, 40㎛ 이하, 35㎛ 이하, 30㎛ 이하, 25㎛ 이하, 20㎛ 이하 또는 15㎛ 이하일 수 있다.

본 명세서에서 용어 자성 필러는, 외부에서 자계를 인가하면, 정렬하는 성질을 나타낼 정도의 비투자율을 나타내는 필러를 의미할 수 있다. 예를 들면, 적어도 상자성체(paramagnetic) 또는 강자성체(ferromagnetic) 정도의 비투자율을 나타내는 필러를 자성 필러로 호칭할 수 있다.

본 명세서에서는, 예를 들면, 비 투자율(μ_r)(투자율(μ)과 진공 하 투자율(μ₀)의 비율(μ/μ₀))이 1 이상인 필러는 자성 필러로 호칭되고, 1 미만인 필러는 비자성 필러로 호칭될 수 있다. 상기 자성 필러의 비투자율은, 다른 예시에서 약 2 이상, 3 이상, 4 이상, 5 이상, 6 이상, 7 이상, 8 이상, 9 이상, 10 이상, 20 이상, 30 이상, 40 이상, 50 이상, 60 이상, 70 이상, 80 이상, 90 이상, 95 이상, 100 이상, 110 이상, 120 이상, 130 이상, 140 이상, 150 이상, 160 이상, 170 이상, 180 이상, 190 이상, 200 이상, 210 이상, 220 이상, 230 이상, 240 이상, 250 이상, 260 이상, 270 이상, 280 이상, 290 이상, 300 이상, 310 이상, 320 이상, 330 이상, 340 이상, 350 이상, 360 이상, 370 이상, 380 이상, 390 이상, 400 이상, 410 이상, 420 이상, 430 이상, 440 이상, 450 이상, 460 이상, 470 이상, 480 이상, 490 이상, 500 이상, 510 이상, 520 이상, 530 이상, 540 이상, 550 이상, 560 이상, 570 이상, 580 이상 또는 590 이상일 수 있다. 비투자율이 높을 수록 필러의 배향 과정에서 적절한 배향성이 확보되기 때문에 그 상한은 특별히 제한되지 않는다. 일 예시에서 상기 비투자율의 상한은 예를 들면, 약 300,000 이하일 수 있다.

본 출원에서 용어 열전도성 필러는, 복합재가 적절한 열전도성을 나타낼 수 있도록 하는 모든 종류의 필러를 의미한다.

예를 들면, 상기 필러의 존재로 인해서 상기 복합재가 약 0.3 W/mk 이상, 약 0.4 W/mK 이상, 0.45 W/mK 이상, 0.5 W/mK 이상, 0.55 W/mK 이상, 0.6 W/mK 이상, 0.65 W/mK 이상, 0.7 W/mK 이상, 0.75 W/mK 이상, 0.8 W/mK 이상, 0.85 W/mK 이상, 0.9 W/mK 이상, 0.95 W/mK 이상, 1 W/mK 이상, 1.5 W/mK 이상, 2, W/mK 이상 2.5 W/mK 이상, 3 W/mK 이상, 3.5 W/mK 이상, 4 W/mK 이상, 4.5 W/mK 이상 또는 5 W/mK 이상의 열전도도를 나타낸다면, 해당 필러는 열전도성 필러일 수 있다. 상기 복합재의 열전도도의 상한은 목적에 따라 조절되는 것으로서 특별히 제한되지 않으며, 일 예시에서 약 100 W/mK 이하, 90 W/mK 이하, 80 W/mK 이하, 70 W/mK 이하, 60 W/mK 이하, 50 W/mK 이하, 40 W/mK 이하, 30 W/mK 이하, 20 W/mK 이하 또는 10 W/mK 이하일 수 있다. 상기 열전도도는, 후술하는 실시예에서 기재된 방식으로 측정할 수 있다.

상기 열전도도는 복합재의 형태에 따라서 해당 복합재에서 가장 높은 열전도도를 나타내는 방향에서의 열전도도, 해당 복합재에서 가장 낮은 열전도도를 나타내는 방향에서의 열전도도 또는 상기 가장 높은 열전도도와 가장 낮은 열전도도의 평균값(산술 평균)일 수 있다.

또한, 일 예시에서 복합재가 전술한 필름 형태인 경우에 상기 열전도도는 수직 방향(Z축 방향=두께 방향)에서의 열전도도일 수 있다.

본 출원의 제조 방법에 의해 제조된 복합재 내에서 상기 자성 이방성 열전도성 필러는, 소정 방향으로 배향되어 열전달 경로를 형성하고 있을 수 있다. 즉, 본 출원의 제조 방법의 상기 자기장의 인가 과정에서 상기 필러가 자성을 가지고, 또한 이방성을 가지고 있기 때문에, 상기 인가된 자기장의 방향에 따라서 배향되어 열전달 경로를 형성한 상태에서 고분자 매트릭스 내에 고정될 수 있다.

본 출원에서는 상기와 같이 자성 이방성 열전도성 필러를 사용하여 열전달 네트워크를 긴밀하게 형성함으로써, 복합재의 내충격성이나 가공성을 손상시키지 않을 정도의 양의 필러를 사용하면서도 목적하는 방향으로 우수한 열전도 특성을 확보할 수 있다.

본 출원에서 적용되는 상기 이방성 필러의 종류는 특별히 제한되지 않는다. 예를 들면, 상기 이방성 필러로는, 열전도도가 약 1 W/mK 이상, 약 5 W/mK 이상, 약 10 W/mK 이상 또는 약 15 W/mK 이상이거나, 약 400 W/mK 이하, 약 350 W/mK 이하 또는 약 300 W/mK 이하 정도인 것으로 알려져 있는 이방성 필러를 사용할 수 있다. 예를 들면, 열전도성 필러로는, 세라믹 필러 또는 탄소계 필러 등을 적용할 수 있고, 이러한 필러로는, 알루미나, AlN(aluminum nitride), BN(boron nitride), 질화 규소(silicon nitride), SiC 또는 BeO 등이나, 탄소나노튜브, 카본 블랙, 그래핀(graphene), 그래핀 산화물(graphene oxide)나 그래파이트 등과 같은 필러가 예시될 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.

자성 이방성 열전도성 필러로는, 상기 언급된 이방성 필러 중에서 전술한 범위의 비투자율을 나타내는 재료가 사용될 수도 있고, 필요한 경우에 상기 이방성 필러를 자성체와 복합화하여 전체적으로 목적하는 비투자율을 나타내도록 제조된 필러를 사용할 수도 있다.

이 때 이방 열전도성 필러와 복합화되는 자성체의 종류는 특별히 제한되지 않는다. 예를 들면, 자성체로는, Fe₂O₃나 Fe₃O₄와 같은 산화철, 페라이트(MOFe₂O₄, M은 Mn, Zn, Mg, Fe, Cu, Co 등) 또는 FePt, CoPt, Ni-Zn, Mn-Zn 등과 같은 합금 나노입자 등이 예시될 수 있다.

상기와 같은 자성체의 크기는 목적에 따라 조절되는 것으로 특별히 제한되지 않는다. 일 예시에서 상기 자성체로는 입자 형태의 자성체를 적용할 수 있고, 그 평균 입경은 약 10 nm 내지 1,000㎛의 범위 내일 수 있다. 상기 평균 입경은 다른 예시에서 약 20 nm 이상, 30 nm 이상, 40 nm 이상, 50 nm 이상, 60 nm 이상, 70 nm 이상, 80 nm 이상, 90 nm 이상 또는 100 nm 이상일 수 있으며, 또한 900 ㎛ 이하, 800 ㎛ 이하, 700 ㎛ 이하, 600 ㎛ 이하, 500 ㎛ 이하, 400 ㎛ 이하, 300 ㎛ 이하, 200 ㎛ 이하, 100 ㎛ 이하, 90 ㎛ 이하, 80 ㎛ 이하, 70 ㎛ 이하, 60 ㎛ 이하, 50 ㎛ 이하, 40 ㎛ 이하, 30 ㎛ 이하, 20 ㎛ 이하, 10 ㎛ 이하, 1 ㎛ 이하 또는 0.5 ㎛ 이하 정도일 수 있다.

본 출원에서 상기와 같은 이방성 필러와 자성체를 복합화하여 자성 필러를 형성하는 방식은 특별히 제한되지 않는다. 이 분야에서는 필러와 자성체의 재질을 고려하여 상기 양자를 복합화하는 다양한 방식이 알려져 있고, 이러한 방식은 모두 본 출원에서 적용될 수 있다. 예를 들면, 상기 필러를 염산 등과 같은 산 처리에 적용하여 표면 관능기를 활성화시킨 상태에서 자성체와 혼합하여 복합화 처리하는 방식 등이 사용될 수 있다.

이와 같은 방식으로 복합화된 자성체 복합 필러, 즉 자성 이방성 열전도성 필러 내에서는, 이방 열전도성 필러 100 중량부 대비 10 내지 200 중량부의 자성체가 포함되어 있을 수 있다. 상기 비율은 다른 예시에서 약 20 중량부 이상, 30 중량부 이상, 40 중량부 이상 또는 50 중량부 이상이거나, 약 190 중량부 이하, 약 180 중량부 이하, 약 170 중량부 이하, 약 160 중량부 이하, 약 150 중량부 이하, 약 140 중량부 이하, 약 130 중량부 이하, 약 120 중량부 이하, 약 110 중량부 이하, 약 100 중량부 이하, 약 90 중량부 이하, 약 80 중량부 이하 또는 약 70 중량부 이하일 수 있다. 그렇지만, 이 비율은 자성체의 종류나 후술하는 제조 방법에서의 인가되는 자기장의 세기 등을 고려하여 적절하게 선택될 수 있다.

본 출원의 재료에 포함되는 열전도체는 상기 자성 이방성 열전도성 필러와 함께 비자성 이방성 열전도성 필러도 포함할 수 있다.

이와 같은 2종의 필러의 사용을 통해서 긴밀한 열전도 경로를 효과적으로 형성할 수 있다.

즉, 상기 비자성 필러는, 복합재 제조 과정에서 인가되는 자기장의 영향을 받지 않고, 따라서 상기 자성 필러에 의해 형성된 열전달 경로간을 또 연결하여 최종적으로 서로 긴밀하게 연결된 열전달 경로가 형성될 수 있다. 이러한 구조의 예시는 도 2에 나타나 있다.

도 2의 구조는, 실시예에서 제조된 필름 형태의 복합재의 사진이고, 자성 필러가 대략 수직 방향(Z축 방향), 즉 상기 필름 형태의 두께 방향을 따라서 배향되어 열전달 경로를 형성하고 있는 형태이다. 도 2에 예시적으로 나타난 것과 같이 비자성 필러는, 상기 자성 필러에 의해 형성된 두께 방향을 따른 열전달 경로간을 연결하여 네트워크 형태를 형성한다. 상기에서 비자성 필러는 대략 두께 방향에 수직한 방향, 즉 수평 방향으로 존재하면서 상기 자성 필러에 의한 열전달 경로를 연결하고 있다.

이와 같은 열전달 경로의 형성을 통해서 두께 방향으로도 높은 열전도도가 확보되는 필름 형태의 복합재의 제조가 가능할 수 있다.

상기 복합재의 제조 방법에 적용되는 재료는, 상기 열전도체를 60 부피% 이하의 부피 비율로 포함할 수 있다. 상기 부피 비율은, 재료에 포함되는 고분자 또는 그 전구체와 열전도체의 전제 부피를 기준으로 한 상기 열전도체의 부피 비율이다. 이러한 비율 하에서도 목적하는 방향으로 적절한 열전도도를 효과적으로 확보할 수 있다. 상기 부피 비율은, 적용된 재료에서 상기 고분자 또는 그 전구체와 열전도체의 밀도와 중량을 통해 환산한 수치이다. 상기 부피 비율은 다른 예시에서 약 59부피% 이하, 58부피% 이하, 57부피% 이하, 56부피% 이하, 55부피% 이하, 54부피% 이하, 53부피% 이하, 52부피% 이하, 51부피% 이하 또는 50부피% 이하일 수 있고, 또한 약 10부피% 이상, 15 부피% 이상, 20 부피% 이상, 25 부피% 이상, 30 부피% 이상, 35 부피% 이상, 40 부피% 이상, 41 부피% 이상, 42 부피% 이상, 43 부피% 이상, 44 부피% 이상, 45 부피% 이상, 46 부피% 이상, 47 부피% 이상, 48 부피% 이상, 49 부피% 이상 또는 50 부피% 이상일 수 있다. 상기 부피 비율을 초과하여 열전도체가 적용되는 경우에, 크랙(crack) 등 부적절한 결함(defect)이 발생할 수 있다. 또한, 자성 필러와 비자성 필러가 함께 적용되는 경우에 상기 열전도체 전체 내에 상기 자성 및 비자성 필러의 합계 부피의 비율은 일 예시에서 약 80 부피% 이상, 약 85 부피% 이상, 약 90 부피% 이상 또는 약 95 부피% 이상이거나, 약 100부피%일 수 있다. 즉, 본 출원의 복합재 내의 열전도체는 모두 상기 자성 및/또는 비자성 필러이거나, 혹은 상기 자성 및/또는 비자성 필러 외에 다른 필러가 포함되어 있을 수도 있다. 또한, 목적하는 열전도도나 방향 등을 고려하여 상기 비율은 조절될 수 있다.

상기와 같은 비율 하에서 자성 필러의 부피(V1)와 비자성 필러의 부피(V2)의 비(V1/V2)는, 약 3 이하일 수 있다. 상기 비율은 다른 예시에서 약 2.5 이하, 약 2 이하, 약 1.5 이하, 약 1 이하, 약 0.5 이하 또는 약 0.3 이하일 수 있고, 또한, 약 0.01 이상, 약 0.05 이상, 약 0.1 이상, 약 0.15 이상 또는 약 0.2 이상일 수 있다. 이러한 비율 하에서 목적하는 방향으로 원하는 열전도도를 확보할 수 있는 열전달 경로를 형성하면서, 표면 크렉 등의 결점이 없는 복합재를 형성할 수 있다.

상기 재료는 상기 고분자(또는 그 전구체) 및 열전도체에 추가로 용매를 포함한다. 용매의 적용을 통해 자기장 인가 단계에서의 재료의 적절한 유동성을 확보할 수 있고, 그에 따라 긴밀한 열전달 경로를 효과적으로 형성할 수 있다.

본 출원에서 적용될 수 있는 용매의 종류는 상기 고분자 또는 그 전구체 및 열전도체와 적합한 상용성을 나타내는 것이라면 특별히 제한되지 않고, 모든 종류의 용매가 사용될 수 있다.

용매로는, 예를 들면, 헥산, 헵탄, 옥탄, 데칸, 도데칸 또는 테트라데칸 등의 지방족 탄화수소 용매; 벤젠, 톨루엔, 자일렌, 에틸벤젠 또는 큐멘 등의 방향족 탄화수소 용매; THF(tetrahydrofuran) 등의 헤테로고리 화합물 용매, 에탄올 등의 알코올계 용매 등 또는 물 등이 예시될 수 있지만, 이에 제한되는 것은 아니다.

재료 내에서 상기 용매의 비율은 특별히 제한되지 않고, 재료 내에서 자성 필러가 인가된 자기장에 의해 적절하게 배향될 수 있는 유동성이 확보될 수 있는 수준에서 조절될 수 있다.

일 예시에서 상기 재료는 상기 고분자 또는 그 전구체와 열전도체의 합계 100 중량부 기준으로 약 10 중량부 이상, 20 중량부 이상, 30 중량부 이상, 40 중량부 이상, 50 중량부 이상, 60 중량부 이상, 70 중량부 이상, 80 중량부 이상 또는 90 중량부 이상의 상기 용매를 포함할 수 있다. 상기 용매의 비율의 상한은 특별히 제한되지 않으며, 예를 들면, 약 3,000 중량부 이하, 약 2,500 중량부 이하, 약 2,000 중량부 이하, 약 1,500 중량부 이하, 약 1,000 중량부 이하, 약 900 중량부 이하, 약 800 중량부 이하, 약 700 중량부 이하, 약 600 중량부 이하, 약 500 중량부 이하, 약 400 중량부 이하, 약 300 중량부 이하 또는 약 250 중량부 이하일 수 있다.

본 출원의 복합재의 제조 방법에 적용되는 상기 재료는 상기 언급한 고분자 또는 그 전구체, 열전도체 및 용매에 추가로 필요한 다른 공지의 첨가제를 추가로 포함하고 있을 수 있다.

본 출원에서는 상기와 같은 재료에 자기장을 인가하면서 용매를 제거하는 단계를 수행한다.

자기장을 인가하는 방식은 특별히 제한되지 않고, 공지의 방식으로 수행할 수 있다. 예를 들면, 재료를 목적하는 형태로 성형한 상태에서 공지의 자석 등을 사용하여 원하는 방향으로 자기장을 인가할 수 있다. 이 때 인가되는 자기장의 세기는 특별히 제한되지 않고, 재료 내에 포함되어 있는 자성 필러의 배향이 가능할 정도로 제어될 수 있으며, 예를 들면, 약 500 Gauss 내지 4000 Gauss 정도의 세기의 자기장을 인가할 수 있다. 상기 자기장의 세기는 다른 예시에서 600 Gauss 이상, 700 Gauss 이상, 800 Gauss 이상, 900 Gauss 이상, 1000 Gauss 이상, 1500 Gauss 이상, 2000 Gauss 이상, 2500 Gauss 이상 또는 2700이거나, 3500 Gauss 이하 정도일 수도 있다.

상기 제조 방법에서는 상기 자기장을 인가하는 과정에서 상기 재료 내의 용매를 제거하는 단계를 수행할 수 있다. 이 때 용매가 제거되면서 재료의 점도가 상승하고, 그에 따라서 이방성 필러의 배향이 고정화될 수 있다. 상기에서 용매를 제거하는 방법은 특별히 제한되지 않으며, 예를 들면, 적용된 용매의 끓는점 등을 고려해서 적절한 열을 인가하면서 상기 자기장의 인가를 수행하면 된다.

이 때 인가되는 열의 정도는 사용 용매의 종류나 사용량 등에 의해 결정되는 것으로서 특별히 제한되지 않으나, 예를 들면, 상기 재료가 약 20℃ 내지 120℃ 정도의 온도 하에서 유지될 수 있을 정도로 열을 인가할 수 있다. 상기 온도는 다른 예시에서 약 25℃ 이상. 약 30℃ 이상. 약 35℃ 이상. 약 40℃ 이상. 약 45℃ 이상. 약 50℃ 이상 또는 약 55℃ 이상이거나, 약 110℃ 이하. 약 100℃ 이하. 약 90℃ 이하. 약 80℃ 이하. 약 70℃ 이하. 약 60℃ 이하. 약 50℃ 이하 또는 약 40℃ 이하 정도일 수도 있다.

상기 자기장의 인가와 열의 인가는 동시에 수행할 수도 있고, 일정 부분 시간차를 두고 수행할 수도 있다. 예를 들면, 우선 자기장을 먼저 인가한 후에 이방성 필러가 어느 수준으로 배향된 시점에서 열을 인가하는 방식 등이 사용될 수 있다.

또한, 상기 자기장의 인가 및 용매 건조 시간도 특별히 제한되지 않고, 적절한 수준으로 용매가 제거되면서 이방성 필러의 배향이 확보될 수 있을 동안 진행할 수 있다.

일 예시에서는 상기 자기장의 인가 공정은 상기 재료를 목적하는 형태로 성형한 상태에서 수행할 수 있다.

예를 들면, 상기 자기장의 인가는 상기 재료를 필름 형태로 성형한 상태에서 수행할 수 있다. 이러한 경우에 상기 필름 형태는 전술한 두께를 가지는 필름이 될 수 있도록 조절될 수 있다.

상기 제조 방법은, 상기 과정에 이어서 필요한 경우에 고분자 전구체를 경화시키는 과정을 추가로 수행할 수 있다. 이러한 고분자 전구체의 경화 과정은 자기장 및/또는 열을 인가하면서 수행할 수도 있고, 자기장 및/또는 열을 제거한 상태로 수행할 수도 있다.

또한, 경화 공정을 진행하는 방식도 특별히 제한되지 않으며, 적용된 고분자 전구체의 종류에 따라서 공지된 방식을 적용하면 된다.

예를 들어, 고분자 전구체가 열경화성인 경우에 적절한 열의 인가하는 방식이나 광경화성 등 전자기파의 인가에 의해 경화하는 유형인 경우에는 전자기파를 조사하는 방식으로 상기 경화 공정을 수행할 수 있다.

본 출원에서는, 내부에 이방 열전도성 필러에 의한 긴밀한 열전달 네트워크가 형성되어서 우수한 열전도 특성을 가지면서, 내충격성이나 가공성 등 다른 필요 물성도 우수한 복합재를 제조하는 방법을 제공공할 수 있다.

도 1은 제조예 1에서 제조한 자성체 복합 필러의 사진이다.
도 2 및 3은, 실시예 1에서 제조한 복합재의 사진이다.
도 4는 비교예 1에서 제조한 복합재의 사진이다.

이하 실시예를 통하여 본 출원을 구체적으로 설명하지만, 본 출원의 범위가 하기 실시예에 제한되는 것은 아니다.

제조예 1. 자성 이방성 필러(A)의 제조

이방 열전도성 필러로는 섬유 형태로서 종횡비가 약 40 정도이고, 길이 방향과 수직한 방향으로의 단면의 평균 입경이 약 10㎛ 정도인 질화 붕소를 사용하고, 자성체로는, 평균 입경이 약 100 nm 내지 200 nm 수준인 산화철(Fe₂O₃) 입자를 사용하여 복합 필러(자성 이방성 필러)를 형성하였다. 상기 산화철 입자를 상온에서 염산 용액에 침지시켜서 표면의 반응기를 활성화시켰다. 이어서 상기 표면 반응기가 활성화된 산화철 입자와 상기 질화 붕소를 10:6의 중량 비율(질화 붕소:산화철)로 수용액에 분산시키고, 120W의 초음파로 약 1 시간 동안 처리한 후 세척 및 건조하여 복합 필러를 제조하였다. 도 1은 상기 제조된 복합 필러의 사진이다.

실시예 1.

고분자 매트릭스의 경화성 전구체로서는, 열경화성 실리콘 조성물(다우코닝, Sylgard184, 점도(23℃): 3,500cP)을 사용하였다. 상기 경화성 전구체, 상기 제조예 2에서 제조한 자성 필러 및 비자성 이방성 열전도성 필러를 용매 내에서 혼합하여 재료를 제조하였다. 상기 비자성 필러로는 섬유 형태이고, 종횡비가 약 40 정도이며, 길이 방향과 수직한 방향으로의 단면의 평균 입경이 약 10㎛ 정도인 질화 붕소를 사용하였다. 상기 재료에 적용된 경화성 전구체, 자성 및 비자성 필러의 밀도와 적용 중량으로 계산한 부피 비율은 약 50:10:40(=경화성 전구체:자성 필러:비자성 필러) 정도였다. 또한, 용매로는 헥산을 사용하였고, 그 사용량은 상기 경화성 전구체, 자성 필러 및 비자성 필러 전체 합계 중량 100 중량부 대비 약 200 중량부가 되도록 하였다. 제조된 재료를 필름 형상의 테프론 몰드(두께: 약 1mm)에 붓고, 필름 형태의 상부 및 하부 방향으로 네오디뮴 자석으로 자기장을 약 3,000 Gauss의 세기로 인가하면서, 온도를 약 60℃ 정도로 유지하여 용매를 제거하였다. 상기 자기장의 인가와 용매의 제거는 약 30분 동안 수행하였다. 상기 공정 후에 재료를 상온에서 일정 기간 동안 건조한 후에 약 120℃의 온도에서 30 분 정도 유지하여 상기 전구체를 경화시켜서 필름 형태의 복합재를 형성하였다. 도 2 및 3은 상기와 같이 형성된 복합재의 단면 사진이다. 도면과 같이 복합 필러가 수직 방향(자기장 방향, 두께 방향)으로 배향하여 열전달 경로를 형성하면서, 대략 수평 방향으로 배향된 질화 붕소 필러가 상기 열전달 경로를 연결하는 네트워크가 형성되어 있다. 이러한 복합재의 Z축 방향(두께 방향)의 열전도도는 약 4.826 W/mK 정도였다.

상기 열전도도는, 복합재의 열확산도(A), 비열(B) 및 밀도(C)를 구하여 열전도도=A×B×C의 수식으로 구하였고, 상기 열확산도(A)는, 레이저 플래쉬법(LFA 장비, 모델명: LFA467)을 이용하여 측정하였으며, 비열은 DSC(Differential Scanning Calorimeter) 장비를 통해 측정하였고, 밀도는 아르키메데스법을 이용하여 측정하였다.

한편, 도 3은, 상기 제작된 복합재의 표면 사진이며, 표면에서의 결함(defect)이 나타나지 않는 것을 확인할 수 있다.

실시예 2.

열경화성 실리콘 조성물(다우코닝, Sylgard184, 점도(23℃): 3,500cP) 대신 고체 상태인 에틸 셀룰로오스를 적용하고, 용매로는 에탄올을 적용한 것을 적용한 것을 제외하고는 동일하게 복하재를 제조하였다. 이 복합재의 Z축 방향의 열전도도는 약 1.878W/mK 정도였다.

실시예 3.

용매로서 톨루엔을 적용한 것을 제외하고 실시예 1과 동일하게 복합재를 제조하였다. 이 복합재의 Z축 방향의 열전도도는 약 3.253W/mK 정도였다.

비교예 1.

재료의 제조 시에 용매를 적용하지 않은 것을 제외하면 실시예 1과 동일하게 복합재를 제조하였다. 이와 같이 제조된 복합재의 Z축 방향(두께 방향)의 열전도도는 약 2.231 W/mK 정도였다. 도 4는 상기 제작된 복합재의 표면 사진이고, 도면과 같이 큰 결함(defect)이 확인되었다.

Claims

고분자 또는 그의 전구체; 자성 이방성 열전도성 필러를 포함하는 열전도체 및 용매를 포함하는 재료에 자기장을 인가하여 상기 자성 이방성 열전도성 필러를 배향시키면서 상기 용매를 제거하는 단계를 포함하는 복합재의 제조 방법.
제 1 항에 있어서, 고분자 또는 그 전구체는 23℃ 또는 25℃에서 점도가 400cP 이상인 복합재의 제조 방법.
제 1 항에 있어서, 재료는, 고분자 또는 그 전구체 및 열전도체의 전체 부피를 기준으로 상기 열전도체를 60 부피% 이하의 비율로 포함하는 복합재의 제조 방법.
제 1 항에 있어서, 열전도체는, 비자성 이방성 열전도성 필러를 추가로 포함하는 복합재의 제조 방법.
제 4 항에 있어서, 자성 이방성 열전도성 필러의 부피(V1)와 비자성 이방성 열전도성 필러의 부피(V2)의 비(V1/V2)가 3 이하인 복합재의 제조 방법.
제 1 항에 있어서, 자기장의 인가는, 재료를 필름 형태로 유지한 상태에서 수행하는 복합재의 제조 방법.
제 6 항에 있어서, 필름 형태의 두께가 10㎛ 이상인 복합재의 제조 방법.
제 1 항에 있어서, 이방성 열전도성 필러는, 종횡비가 5 이상인 복합재의 제조 방법.
제 8 항에 있어서, 이방성 열전도성 필러의 단면의 평균 입경이 1 ㎛ 내지 100㎛의 범위 내인 복합재의 제조 방법.
제 1 항에 있어서, 고분자 또는 그 전구체는 아크릴 수지, 실리콘 수지, 에폭시 수지, 우레탄 수지, 아미노 수지, 폴리에스테르, 올레핀 수지 및 페놀 수지로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상의 고분자 또는 그 전구체인 복합재의 제조 방법.
제 1 항에 있어서, 이방성 열전도성 필러는, 알루미나, AlN(aluminum nitride), BN(boron nitride), 질화 규소(silicon nitride), SiC, BeO, 카본 블랙, 그래핀, 그래핀 산화물, 탄소나노튜브 또는 그래파이트를 포함하는 복합재의 제조 방법.
제 11 항에 있어서, 자성 이방성 열전도성 필러는, 산화철, 페라이트 또는 합금 나노입자를 추가로 포함하는 복합재의 제조 방법.
제 12 항에 있어서, 자성체는 평균 입경이 10 nm 내지 1,000㎛의 범위 내인 복합재.
제 1 항에 있어서, 용매는, 헥산, 헵탄, 옥탄, 데칸, 도데칸, 테트라데칸, 벤젠, 톨루엔, 자일렌, 에틸벤젠, 큐멘, THF(tetrahydrofuran), 에탄올, 또는 물인 복합재의 제조 방법.
제 1 항에 있어서, 재료는 고분자 또는 그 전구체 및 열전도체의 합계 100 중량부에 대해서 10 중량부 이상의 용매를 포함하는 복합재의 제조 방법.
제 1 항에 있어서, 고분자 전구체를 경화시키는 단계를 추가로 수행하는 복합재의 제조 방법.