KR20200036379A - 복합재 - Google Patents

Abstract

본 출원은 복합재 및 그의 제조 방법을 제공한다. 본 출원에서는, 금속폼과 고분자 성분을 포함하고, 우수한 열전도도를 가지면서, 내충격성, 가공성 및 절연성 등의 다른 물성도 우수한 복합재를 제공할 수 있다.

Description

복합재{COMPOSITE MATERIAL}

본 출원은 복합재에 대한 것이다.

방열 소재는 다양한 용도에서 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 높은 열전도율을 나타내는 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. 예를 들면, 다량의 필러 성분을 포함하는 소재의 경우, 소재 자체가 딱딱하게 되는 경향이 있고, 이러한 경우에 내충격성 등이 떨어진다.

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

본 출원은 복합재에 대한 것이다. 본 출원에서 용어 복합재는 금속폼과 고분자 성분을 포함하는 재료를 의미할 수 있다.

본 명세서에서 용어 금속폼 또는 금속 골격은, 금속을 주성분으로 포함하는 다공성 구조체를 의미한다. 상기에서 금속을 주성분으로 한다는 것은, 금속폼 또는 금속 골격의 전체 중량을 기준으로 금속의 비율이 55 중량% 이상, 60 중량% 이상, 65 중량% 이상, 70 중량% 이상, 75 중량% 이상, 80 중량% 이상, 85 중량% 이상, 90 중량% 이상 또는 95 중량% 이상인 경우를 의미한다. 상기 주성분으로 포함되는 금속의 비율의 상한은 특별히 제한되지 않으며, 예를 들면, 100 중량%, 99 중량% 또는 98 중량% 정도일 수 있다.

본 명세서에서 용어 다공성은, 기공도(porosity)가 적어도 10% 이상, 20% 이상, 30% 이상, 40% 이상, 50% 이상, 60% 이상, 70% 이상, 75% 이상 또는 80% 이상인 경우를 의미할 수 있다. 상기 기공도의 상한은 특별히 제한되지 않으며, 예를 들면, 약 100% 미만, 약 99% 이하 또는 약 98% 이하 정도일 수 있다. 상기 기공도는 금속폼 등의 밀도를 계산하여 공지의 방식으로 산출할 수 있다.

상기 복합재는, 높은 열전도도를 가지며, 이에 따라서 예를 들면, 방열 소재와 같이 열의 제어를 위한 소재로 사용될 수 있다.

예를 들면, 상기 복합재는 열전도도가 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 이상일 수 있다. 상기 복합재의 열전도도는 높을수록 복합재가 우수한 열 제어 기능을 가질 수 있는 것이어서 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 열전도도를 측정하는 방식은 특별히 제한되지 않으며, 예를 들면, 후술하는 실시예에서 기재된 방식으로 측정할 수 있다.

상기 복합재의 열전도도는, 후술하는 실시예에서 기술된 방식으로 측정한다.

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°C 내지 30°C의 범위 내의 어느 한 온도, 약 23°C 또는 약 25°C 정도의 온도를 의미할 수 있다.

본 출원의 복합재는 상기와 같은 우수한 열전도 특성을 가지는 동시에 가공성이나 내충격성 등의 다른 물성도 안정적으로 확보될 수 있으며, 이러한 효과는 본 명세서에서 설명하는 내용에 의해 달성될 수 있다.

상기 복합재에 포함되는 금속폼의 형태는 특별히 제한되지는 않으나, 일 예시에서 필름 형상일 수 있다.

필름 형태의 금속폼의 두께는, 목적하는 열전도도나 두께 비율 등을 고려하여 조절될 수 있다. 상기 필름의 두께는, 목적으로 하는 열전도도의 확보를 위해, 예를 들면, 약 200μm 이상으로 제어될 수 있다. 상기 두께는 다른 예시에서 대략 220μm 이상, 240μm 이상, 260μm 이상, 280μm 이상 또는 290μm 이상일 수 있다. 이 두께는 다른 예시에서 1,000μm 이하, 900 μm 이하, 800 μm 이하, 700 μm 이하, 600 μm 이하, 500 μm 이하 또는 400 μm 이하일 수 있다. 이러한 두께 범위가 후술하는 기공율과 조합된 금속폼은 복합재의 성능을 크게 향상시킬 수 있다.

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

본 출원의 복합재에서는 상기 필름 형태의 금속폼의 표면이나 내부에 존재하는 고분자 성분이 추가된다.

이러한 고분자 성분은, 상기 금속폼의 적어도 하나의 표면상에서 표면층을 형성하고 있거나, 금속폼 내부의 공극에 충전되어 존재할 수 있으며, 경우에 따라서는 상기 표면층을 형성하면서 또한 금속폼의 내부에 충전되어 있을 수도 있다. 표면층을 형성하는 경우에, 금속폼의 표면 중에서 적어도 한 표면, 일부의 표면 또는 모든 표면에 대해서 고분자 성분이 표면층을 형성하고 있을 수 있다. 일 예시에서는 적어도 금속폼의 주표면인 상부 및/또는 하부 표면에 상기 고분자 성분이 표면층을 형성하고 있을 수 있다. 상기 표면층은, 금속폼의 표면 전체를 덮도록 형성될 수도 있고, 일부 표면만을 덮도록 형성될 수도 있다.

복합재에서 금속폼은, 기공도(porosity)가 약 85% 이상일 수 있다. 이러한 기공도를 전술한 두께와 함께 만족하는 금속폼은, 적합한 열전달 네트워크를 형성하는 다공성의 금속 골격을 가지고, 따라서 해당 금속폼을 소량 적용하는 경우에도 우수한 열전도도를 확보할 수 있다. 다른 예시에서 상기 기공도는, 대략 90% 이상이거나, 98% 이하일 수 있다.

상기 금속폼은 열전도도가 높은 소재일 수 있다. 일 예시에서 상기 금속폼은 열전도도가, 약 8 W/mK 이상, 약 10 W/mK 이상, 약 15 W/mK 이상, 약 20 W/mK 이상, 약 25 W/mK 이상, 약 30 W/mK 이상, 약 35 W/mK 이상, 약 40 W/mK 이상, 약 45 W/mK 이상, 약 50 W/mK 이상, 약 55 W/mK 이상, 약 60 W/mK 이상, 약 65 W/mK 이상, 약 70 W/mK 이상, 약 75 W/mK 이상, 약 80 W/mK 이상, 약 85 W/mK 이상 또는 약 90 W/mK 이상인 금속 또는 금속 합금을 포함하거나, 그로부터 이루어질 수 있다. 상기 열전도도는, 그 수치가 높을수록 적은 양의 금속폼을 적용하면서 목적하는 열 제어 특성을 확보할 수 있기 때문에 특별히 제한되는 것은 아니며, 예를 들면, 약 1,000 W/mK 이하 정도일 수 있다.

상기 금속폼의 골격은, 다양한 종류의 금속이나 금속 합금으로 이루어질 수 있는데, 이러한 금속이나 금속 합금 중에서 상기 언급된 범위의 열전도도를 나타낼 수 있는 소재가 선택되면 된다. 이러한 소재로는, 구리, 금, 철, 니켈, 코발트, 은, 알루미늄, 니켈, 철, 코발트, 마그네슘, 몰리브덴, 텅스텐 및 아연으로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상의 금속 또는 상기 중 2종 이상의 금속의 합금 등이 예시될 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.

상기 복합재는, 전술한 바와 같이 상기 금속폼의 표면 또는 금속폼의 내부에 존재하는 고분자 성분을 추가로 포함하는데, 이러한 복합체의 상기 금속폼의 두께(MT) 및 전체 두께(T)의 비율(T/MT)은, 1 내지 2.5의 범위 내일 수 있다. 상기 두께의 비율은 다른 예시에서 약 2 이하, 1.5 이하, 1.4 이하, 1.3 이하, 1.2 이하, 1.15 이하 또는 1.1 이하일 수 있다. 이러한 두께 비율 하에서 목적하는 열전도도가 확보되면서, 가공성이나 내충격성 등이 우수한 복합재가 제공될 수 있다.

본 출원의 복합재에 포함되는 고분자 성분의 종류는 특별히 제한되지 않으며, 예를 들면, 복합재의 가공성이나 내충격성, 절연성 등을 고려하여 선택될 수 있다. 본 출원에서 적용될 수 있는 고분자 성분의 예로는, 공지의 아크릴 수지, 실리콘 수지, 에폭시 수지, 우레탄 수지, 아미노 수지 및 페놀 수지로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상을 들 수 있지만, 이에 제한되는 것은 아니다.

상기 복합재의 경우, 전술한 금속폼의 적용을 통해서 주로 열전도도를 확보하는 성분의 비율을 최소화하면서도 우수한 열전도도를 확보할 수 있고, 따라서 가공성이나 내충격성 등의 손해 없이 목적하는 물성의 확보가 가능하다.

일 예시에서 상기 복합재에 포함되는 고분자 성분의 부피(PV)와 금속폼의 부피(MV)의 비율(MV/PV)은 10 이하일 수 있다. 상기 비율(MW/PV)은 다른 예시에서 9 이하, 8 이하, 7 이하, 6 이하, 5 이하, 4 이하, 3 이하, 2 이하, 1 이하 또는 0.5 이하 정도일 수 있다. 상기 부피 비율의 하한은 특별히 제한되지 않고, 예를 들면, 약 0.1 정도일 수 있다. 상기 부피 비율은, 복합재에 포함되는 고분자 성분과 금속폼의 중량과 해당 성분들의 밀도를 통해 산출할 수 있다.

본 출원의 복합재는 상기 금속폼과 고분자 성분을 적어도 포함하고, 필요한 경우 다른 성분을 추가로 포함할 수 있다. 예를 들면, 상기 복합재는 상기 고분자 성분 내에 전도성 물질을 추가로 포함할 수 있다. 전도성 물질로는, 20℃에서의 전도도가 약 8 MS/m 이상, 9 MS/m 이상, 10 MS/m 이상, 11 MS/m 이상, 12 MS/m 이상, 13 MS/m 이상 또는 14.5 MS/m 이상인 물질을 사용할 수 있다. 상기 전도도의 상한은 특별히 제한되지 않으며, 예를 들면, 약 30 MS/m 이하, 25 MS/m 이하 또는 20 MS/m 이하일 수 있다.

이와 같은 물질의 적용을 통해 열전도도 등의 목적 물성을 보다 개선할 수 있다. 전도성 물질로는 예를 들면, 입자 형태의 물질을 사용할 수 있다. 본 명세서에서 입자 형태의 범주에는, 구상이나 다각형 형상, 규칙적인 형상이나, 불규칙적인 형상 혹은 플레이크상 등을 포함한다. 입자 형태의 전도성 물질이 사용되는 경우에 그 입자의 평균 입경은 약 5㎛ 내지 500㎛의 범위 내 에 있을 수 있다. 상기 평균 입경은 다른 예시에서 약 7㎛ 이상 또는 약 9㎛ 이상일 수 있다. 상기 평균 입경은 다른 예시에서 약 450㎛ 이하, 약 400㎛ 이하, 약 350㎛ 이하, 약 300㎛ 이하, 약 250㎛ 이하, 약 200㎛ 이하, 약 150㎛ 이하, 100㎛ 이하, 90㎛ 이하, 80㎛ 이하, 70㎛ 이하, 60㎛ 이하, 50㎛ 이하, 40㎛ 이하, 30㎛ 이하 또는 20㎛ 이하일 수 있다.

전도성 물질로는 구체적으로는 니켈, 철, 코발트, 은, 구리, 금, 알루미늄, 칼슘, 텅스텐, 아연, 리튬, 철, 백금, 주석, 납, 티탄, 망간, 마그네슘 또는 크롬 등의 금속 혹은 상기 중 2종 이상의 합금이나, 흑연, 카본 블랙, 카본 섬유, 탄소 나노튜브 혹은 그래핀 등의 물질이 예시될 수 있지만, 이에 제한되는 것은 아니다.

상기 전도성 물질은 전술한 고분자 성분 내에 분산되어 포함되어 있을 수 있다. 이러한 경우에 상기 전도성 물질의 비율은 목적에 따라 조절되는 것으로서 특별히 제한되는 것은 아니지만, 예를 들면, 상기 고분자 성분 100 중량부 대비 0.5 내지 100 중량부의 범위 내로 포함될 수 있다. 상기 비율은 다른 예시에서 1 중량부 이상, 2 중량부 이상, 3 중량부 이상, 4 중량부 이상, 5 중량부 이상, 6 중량부 이상, 7 중량부 이상, 8 중량부 이상, 9 중량부 이상 또는 10 중량부 이상이거나, 90 중량부 이하, 80 중량부 이하, 70 중량부 이하, 60 중량부 이하, 50 중량부 이하, 40 중량부 이하, 30 중량부 이하, 20 중량부 이하 또는 15 중량부 이하 정도일 수도 있다.

본 출원은 또한 상기와 같은 형태의 복합재의 제조 방법에 대한 것이다. 상기 제조 방법은, 상기 금속폼, 예를 들면, 금속 또는 금속 합금을 포함하고, 필름 형태인 금속폼의 표면 또는 내부에 경화성 고분자 조성물이 존재하는 상태에서 상기 고분자 조성물을 경화시키는 단계를 포함할 수 있다.

상기와 같은 방법에 적용되는 금속폼을 제조하는 방식은 특별히 제한되지 않는다. 업계에서는 금속폼을 제조하는 방법 역시 다양하게 공지되어 있다. 본 출원에서는, 전술한 두께 및 기공율 등을 만족하는 한, 이러한 공지의 금속폼이나 상기 공지의 방식으로 제조한 금속폼이 적용될 수 있다.

일 예시에서는 본 출원에서 요구하는 상기 특정 금속폼을 효과적으로 제조하기 위한 특유의 공정이 적용될 수 있다. 예를 들어, 상기 금속폼은, 특정 슬러리로 성형된 금속폼 전구체에 대해서 발포 및 소결 공정 등을 진행하여 형성한 금속폼일 수 있다. 이러한 방식에 의해서 표면에 크랙 등의 결점(defect)이 없고, 목적하는 기공 특성을 가지는 금속폼을 효과적으로 제조할 수 있다. 본 출원에서 용어 금속폼 전구체는, 상기 소결 등과 같이 금속폼을 형성하기 위해 수행되는 공정을 거치기 전의 구조체, 즉 금속폼이 생성되기 전의 구조체를 의미한다. 상기 금속폼 전구체는, 다공성 금속폼 전구체라고 호칭되더라도 반드시 그 자체로 다공성일 필요는 없으며, 최종적으로 다공성의 금속 구조체인 금속폼을 형성할 수 있는 것이라면, 편의상 다공성 금속폼 전구체라고 호칭될 수 있다.

상기 금속폼 전구체는, 금속 분말, 수성 용매, 유기 용제 및 계면활성제를 적어도 포함하는 슬러리를 사용하여 형성할 수 있다.

금속 분말의 구체적인 종류는, 목적에 따라 정해지는 것으로 특별히 제한되는 것은 아니며, 전술한 금속 골격 혹은 금속폼을 형성할 수 있는 금속의 분말이 적용될 수 있다.

금속 분말의 크기도 목적하는 기공률이나 기공 크기 등을 고려하여 선택되는 것으로 특별히 제한되는 것은 아니지만, 예를 들면, 상기 금속 분말의 평균 입경은, 약 0.1㎛ 내지 약 200㎛의 범위 내에 있을 수 있다. 상기 평균 입경은 다른 예시에서 약 0.5㎛ 이상, 약 1㎛ 이상, 약 2㎛ 이상, 약 3㎛ 이상, 약 4㎛ 이상, 약 5㎛ 이상, 약 6㎛ 이상, 약 7㎛ 이상 또는 약 8㎛ 이상일 수 있다. 상기 평균 입경은 다른 예시에서 약 150㎛ 이하, 100㎛ 이하, 90㎛ 이하, 80㎛ 이하, 70㎛ 이하, 60㎛ 이하, 50㎛ 이하, 40㎛ 이하, 30㎛ 이하 또는 20㎛ 이하일 수 있다. 금속 분말로는 서로 평균 입경이 상이한 금속 분말의 혼합을 적용할 수도 있다. 상기 평균 입경은, 목적하는 금속폼의 형태, 예를 들면, 금속폼의 두께나 기공률 등을 고려하여 적절한 범위를 선택할 수 있다. 본 명세서에서 금속 분말의 평균 입경은, 공지의 입도 분석 방식에 의해 구해질 수 있고, 예를 들면, 상기 평균 입경은, 소위 D50 입경일 수 있다.

슬러리 내에서 금속 성분(금속 분말)의 비율은 특별히 제한되지 않고, 목적하는 점도나 공정 효율 등을 고려하여 선택될 수 있다. 일 예시에서 슬러리 내에서의 금속 성분의 비율은 중량을 기준으로 0.5 내지 95 % 정도일 수 있지만, 이에 제한되는 것은 아니다. 상기 비율은 다른 예시에서 약 1% 이상, 약 1.5% 이상, 약 2% 이상, 약 2.5% 이상, 약 3% 이상, 약 5% 이상, 10% 이상, 15% 이상, 20% 이상, 25% 이상, 30% 이상, 35% 이상, 40% 이상, 45% 이상, 50% 이상, 55% 이상, 60% 이상, 65% 이상, 70% 이상, 75% 이상 또는 80% 이상이거나, 약 90% 이하, 약 85% 이하, 약 80% 이하, 약 75% 이하, 약 70% 이하, 약 65% 이하, 60% 이하, 55% 이하, 50% 이하, 45% 이하, 40% 이하, 35% 이하, 30% 이하, 25% 이하, 20% 이하, 15% 이하, 10% 이하 또는 5% 이하 정도일 수 있지만, 이에 제한되지는 않는다.

상기 금속폼 전구체를 형성하는 슬러리는, 금속 분말과 수성 용매와 유기 용매 및 계면활성제를 포함한다.

슬러리 내에서 상기 수성 용매, 유기 용제 및 계면활성제의 비율 및 종류를 조절하게 되면, 금속폼 전구체 내에서 미세 에멀젼이 형성되고, 이러한 에멀젼은 금속폼의 기공 특성을 결정할 수 있다. 필요한 경우에 상기 금속폼 전구체는 발포 공정을 거칠 수도 있다. 예를 들어, 상기 유기 용제 및 수성 용매간의 증기압의 차이로 인해서 보다 큰 증기압을 가지는 성분이 발포 과정에서 기화되면서 금속폼의 기공 특성을 제어할 수 있다.

상기에서 수성 용매로는, 물 또는 기타 극성 용매를 적용할 수 있으며, 대표적으로는 물이 적용될 수 있다. 이러한 수성 용매는 슬러리 내에서 금속 분말 100 중량부 대비 약 10 내지 1,500 중량부의 비율로 포함될 수 있다. 상기 수성 용매의 비율은 다른 예시에서 약 15 중량부 이상 정도, 약 20 중량부 이상 정도, 약 25 중량부 이상 정도, 약 30 중량부 이상 정도, 약 35 중량부 이상 정도, 약 40 중량부 이상 정도, 약 45 중량부 이상 정도, 약 50 중량부 이상 정도, 약 55 중량부 이상 정도, 약 60 중량부 이상 정도, 약 65 중량부 이상 정도, 약 70 중량부 이상 정도, 약 75 중량부 이상 정도, 약 80 중량부 이상 정도, 약 85 중량부 이상 정도 또는 약 90 중량부 이상 정도이거나, 약 1,400 중량부 이하 정도, 1,300 중량부 이하 정도, 1,200 중량부 이하 정도, 1,100 중량부 이하 정도, 1,000 중량부 이하 정도, 900 중량부 이하 정도, 800 중량부 이하 정도, 700 중량부 이하 정도, 600 중량부 이하 정도, 500 중량부 이하 정도, 400 중량부 이하 정도, 300 중량부 이하 정도, 200 중량부 이하 정도 또는 100 중량부 이하 정도, 90 중량부 이하 정도, 80 중량부 이하 정도, 70 중량부 이하 정도, 60 중량부 이하 정도, 55 중량부 이하 정도 또는 50 중량부 이하 정도일 수도 있다.

유기 용제로는, 적절한 종류가 선택될 수 있다. 예를 들면, 유기 용제로서, 상기 수성 용매 및 후술하는 계면활성제의 작용을 통해 에멀젼을 형성할 수 있고, 적절한 증기압을 가져서 기화에 의해 발포 공정을 진행시킬 수 있는 것이 선택될 수 있다. 이러한 유기 용제로는, 예를 들면, 탄화수소계 유기 용제를 적용할 수 있다. 상기 탄화수소계 유기 용제로는, 탄소수 4 내지 12의 유기 용제가 적용될 수 있으며, 구체적인 예로는 n-펜탄, 네오펜탄, 헥산, 이소헥산, 헵탄, 이소헵탄, 옥탄, 톨루엔, 벤젠, 펜틴, 헥신, 펜텐, 헥센, 헵텐, 옥텐, 시클로펜탄, 시클로헵탄, 시클로옥탄, 시클로펜텐, 시클로헥센, 시클로헵텐, 시클로옥텐 또는 시클로펜타논 등이 적용될 수 있다. 이러한 유기 용제는 슬러리 내에서 금속 분말 100 중량부 대비 5 중량부 이하의 비율로 포함될 수 있다. 적절하게는 유기 용제의 비율은 금속 분말 100 중량부 대비 대략 4.5 중량부 이하, 4 중량부 이하, 3.5 중량부 이하, 3 중량부 이하, 2.5 중량부 이하, 2 중량부 이하, 1.5 중량부 이하, 1 중량부 이하 또는 0.9 중량부 이하의 비율로 포함될 수 있다. 특히 본 출원의 제조 방법상 유기 용제의 비율은 상기 범위에서 가급적 적은 것이 금속폼의 물성을 고려하여 적절할 수 있다. 상기 비율은, 일 예시에서 금속 분말 100 중량부 대비 0.01 중량부 이상, 0.05 중량부 이상, 0.1 중량부 이상, 0.15 중량부 이상, 0.2 중량부 이상, 0.25 중량부 이상, 0.3 중량부 이상, 0.35 중량부 이상, 0.4 중량부 이상, 0.45 중량부 이상, 0.5 중량부 이상, 0.55 중량부 이상, 0.6 중량부 이상, 0.65 중량부 이상 또는 0.7 중량부 이상, 0.9 중량부 이상 정도 또는 1.1 중량부 이상 정도일 수도 있다.

금속폼 전구체 내에서의 적절한 미세 에멀젼을 형성 및/또는 전술한 기화의 적합한 조절을 위해서 계면활성제가 포함될 수 있다.

계면활성제는, 적용된 수성 용매 및 유기 용제를 고려하여 상기 에멀젼을 형성할 수 있도록 선택되는 것이라면 특별한 제한 없이 다양한 종류가 사용될 수 있다.

예를 들면, 계면활성제로는, 양쪽성 계면활성제, 비이온 계면활성제 및 음이온 계면활성제로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나 또는 상기 중에서 2종 이상의 혼합물을 적용할 수 있다. 경우에 따라서는 양쪽성 계면활성제, 비이온 계면활성제 및 음이온 계면활성제 중에서 어느 한 종류의 계면활성제가 사용되는 경우에도 그 한 종류 내에서 서로 다른 구조의 2 이상의 계면활성제의 혼합이 적용될 수도 있다.

음이온 계면활성제는, 공지된 바와 같이 계면 활성을 나타내는 부분이 음이온인 경우를 의미할 수 있다. 음이온 계면활성제로는, 예를 들면, 카복실레이트(carboxylate) 계면활성제, 설페이트(sulfate) 계면활성제, 이세티오네이트(isethionate) 계면활성제, 설포석시네이트(sulfosuccinate) 계면활성제, 타우레이트(taurate) 계면활성제 및/또는 글루타메이트(glutamate) 계면활성제가 적용될 수 있다.

상기에서 카복실레이트 계면활성제로는, 지방산계 계면활성제로서, 지방산과 알칼리 금속염의 비누화 반응에 의해 생성되는 계면활성제가 적용될 수 있다. 이 경우, 기포 안정성의 확보를 위해서 탄소수 12 내지 22개의 지방산이 적용된 계면활성제가 적절할 수 있다. 이러한 지방산의 예로는 라우릭산, 미리스틱산, 팔미틱산, 올레인산, 리놀레익산, 스테아린산 및/또는 베헤닉산 등이 예시될 수 있다. 상기 알칼리 금속염으로는 수산화 칼륨이나, 수산화 나트륨 등이 적용될 수 있고, 균일한 폼 형성을 위해서 pH 영역이 6 내지 12 정도가 되도록 상기 알칼리 금속염의 비율이 조절될 수 있다.

상기에서 설페이트(sulfate) 계면활성제로는 탄소수 8 내지 20의 알킬 설페이트염이나, 에틸렌옥시드의 부가 몰수가 2 내지 30의 범위 내이며, 탄소수 10 내지 40의 알킬에테르설페이트염 등이 적용될 수 있고, 이세티오네이트(isethionate) 계면활성제로는, 탄소수 10 내지 20의 알킬기를 포함하는 알킬 이세티오네이트염 등이 적용될 수 있지만, 이에 제한되는 것은 아니다.

비이온 계면활성제는, 공지된 바와 같이 이온으로 분리되지 않는 계면활성제를 의미할 수 있다. 비이온 계면활성제로는, 알킬 폴리글리코사이드계 계면활성제, 지방산 알카놀 아마이드계 계면활성제, 아민옥사이드계 계면활성제, 에틸렌옥사이드 부가 고급 알코올계 계면활성제, 및/또는 에틸렌옥사이드가 부가된 오일계 계면활성제(ex. Ethoxylated castor oil 등) 등이 적용될 수 있다.

양쪽성 계면활성제는, 음이온 부위와 양이온 부위를 동시에 가지는 계면활성제이며, 예를 들면, 베타인계 또는 설테인계 계면활성제가 적용될 수 있다. 베타인계로는 코카미도프로필 베타인, 라우라미도프로필 베타인, 코코베타인 또는 라우릴 베타인 등이 예시될 수 있고, 설테인계로는, 라우릴하이드록시설테인, 라우라미도프로필하이드록시 설테인, 코카미도프로필하이드록시 설테인 및/또는 코코 설테인 등이 예시될 수 있다.

계면활성제는, 슬러리 내에서 금속 분말 100 중량부 대비 0.1 내지 30 중량부의 비율로 포함될 수 있다. 상기 비율은 다른 예시에서 0.3 중량부 이상, 0.5 중량부 이상, 0.7 중량부 이상, 0.9 중량부 이상, 1 중량부 이상, 1.5 중량부 이상, 2 중량부 이상, 2.5 중량부 이상, 3 중량부 이상, 3.5 중량부 이상, 4 중량부 이상 또는 4.5 중량부 이상이거나, 28 중량부 이하, 26 중량부 이하, 24 중량부 이하, 22 중량부 이하, 20 중량부 이하, 18 중량부 이하, 16 중량부 이하, 14 중량부 이하, 12 중량부 이하, 10 중량부 이하, 8 중량부 이하, 6 중량부 이하 정도, 5중량부 이하 정도, 4 중량부 이하 정도, 3 중량부 이하 정도 또는 2 중량부 이하 정도일 수도 있다.

슬러리는, 상기 성분 외에도 필요한 성분을 추가로 포함할 수 있다. 예를 들면, 슬러리는 바인더를 추가로 포함할 수 있다.

바인더로는, 특별한 제한 없이, 예를 들면, 수용성을 가지는 바인더나, 슬러리의 제조 시에 적용된 금속 성분, 수성 용매, 유기 용제 및/또는 계면활성제 등의 종류에 따라 적절하게 선택할 수 있다. 예를 들면, 상기 바인더로는, 메틸 셀룰로오스 또는 에틸 셀룰로오스 등의 탄소수 1 내지 8의 알킬기를 가지는 알킬 셀룰로오스, 폴리프로필렌 카보네이트 또는 폴리에틸렌 카보네이트 등의 탄소수 1 내지 8의 알킬렌 단위를 가지는 폴리알킬렌 카보네이트 또는 폴리비닐알코올 또는 폴리비닐아세테이트 등의 폴리비닐알코올계 바인더 (이하, 폴리비닐알코올 화합물로 호칭할 수 있다.) 등이 예시될 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.

바인더는, 슬러리 내에서 금속 분말 100 중량부 대비 1 내지 500 중량부의 비율로 포함될 수 있다. 상기 비율은 다른 예시에서 2 중량부 이상, 3 중량부 이상, 4 중량부 이상, 5 중량부 이상, 6 중량부 이상, 7 중량부 이상, 8 중량부 이상, 9 중량부 이상, 10 중량부 이상, 20 중량부 이상, 30 중량부 이상, 40 중량부 이상, 50 중량부 이상, 60 중량부 이상, 70 중량부 이상, 80 중량부 이상, 90 중량부 이상 또는 95 중량부 이상이거나, 450 중량부 이하 정도, 400 중량부 이하 정도, 350 중량부 이하 정도, 300 중량부 이하 정도, 250 중량부 이하 정도, 200 중량부 이하 정도, 150 중량부 이하 정도 또는 120 중량부 이하 정도, 110 중량부 이하 정도, 100 중량부 이하 정도, 90 중량부 이하 정도, 80 중량부 이하 정도, 70 중량부 이하 정도, 60 중량부 이하 정도, 50 중량부 이하 정도, 40 중량부 이하 정도, 30 중량부 이하 정도, 20 중량부 이하 정도 또는 15 중량부 이하 정도일 수도 있다. 이러한 비율 하에서 목적하는 기공 특성의 금속폼을 효과적으로 제조할 수 있다.

금속폼 또는 그 전구체에 가소성을 부여하기 위해서 슬러리는 가소제를 추가로 포함할 수도 있다. 가소제로는, 전술한 슬러리 시스템 또는 금속폼에 가소성을 부여할 수 있는 적절한 종류가 선택될 수 있으며, 예를 들면, 다가 알코올, 유지, 에테르 화합물 또는 에스테르 화합물 등이 적용될 수 있지만, 이에 제한되는 것은 아니다.

가소제는 포함되는 경우, 슬러리 내에서 가소제의 비율은 특별히 제한되지 않으며, 목적하는 가소성을 고려하여 적절하게 내용을 조절할 수 있다.

슬러리는 상기 언급한 성분 외에 추가적으로 필요한 공지의 첨가제를 포함할 수도 있다.

상기와 같은 슬러리를 사용하여 상기 금속폼 전구체를 형성하는 방식은 특별히 제한되지 않는다. 금속폼의 제조 분야에서는 금속폼 전구체를 형성하기 위한 다양한 방식이 공지되어 있고, 본 출원에서는 이와 같은 방식이 모두 적용될 수 있다. 예를 들면, 상기 금속폼 전구체는, 적정한 틀(template)에 상기 슬러리를 유지하거나, 혹은 슬러리를 적정한 방식으로 코팅하여 상기 금속폼 전구체를 형성할 수 있다.

본 출원의 하나의 예시에 따라서 필름 또는 시트 형태의 금속폼을 제조하는 경우에는 코팅 공정을 적용하는 것이 유리할 수 있다. 예를 들면, 적절한 기재상에 상기 슬러리를 코팅하여 전구체를 형성한 후에 후술하는 소결 공정을 통해서 목적하는 금속폼을 형성할 수 있다.

이와 같은 금속폼 전구체의 형태는 목적하는 금속폼에 따라 정해지는 것으로 특별히 제한되지 않는다.

상기 금속폼 전구체의 형성 과정에서, 수행되는 발포 공정에 의해서 미세 에멀젼이 기화되면서 발포가 이루어질 수 있다. 예를 들면, 상기 발포 공정은, 성형된 슬러리를 약 20°C 내지 100°C의 범위 내의 온도에서 적정 시간 동안 유지하여 수행할 수 있다. 상기 온도는 다른 예시에서 약 25°C 이상, 30°C 이상, 35°C 이상 또는 40°C 이상이거나, 95°C 이하, 90°C 이하, 85°C 이하, 80°C 이하, 75°C 이하, 70°C 이하, 65°C 이하, 60°C 이하 또는 55°C 이하 정도일 수도 있다. 상기 발포공정의 유지 시간은 목적하는 발포 정도를 고려하여 선택될 수 있으며, 대략 1분 내지 1 시간의 범위 내일 수 있지만, 이에 제한되는 것은 아니다.

상기 금속폼 전구체의 형성 과정에서는 적절한 건조 공정이 수행될 수도 있다. 예를 들면, 상기 발포 공정 후에 일정 시간 건조하여 금속폼 전구체가 형성될 수도 있다. 상기 건조의 조건은 특별한 제한이 없으며, 예를 들면, 슬러리 내에 포함된 용매가 목적 수준으로 제거될 수 있는 수준에서 제어될 수 있다. 예를 들면, 상기 건조는, 발포된 슬러리를 약 50°C 내지 250°C, 약 70°C 내지 180°C 또는 약 90°C 내지 150°C의 범위 내의 온도에서 적정 시간 동안 유지하여 수행할 수 있다. 건조 시간도 적정 범위에서 선택될 수 있다.

상기와 같은 방식으로 형성된 금속폼 전구체를 소결하여 금속폼을 제조할 수 있다. 이러한 경우에 상기 금속폼을 제조하기 위한 소결을 수행하는 방식은 특별히 제한되지 않으며, 공지의 소결법을 적용할 수 있다. 즉, 적절한 방식으로 상기 금속폼 전구체에 적정한 양의 열을 인가하는 방식으로 상기 소결을 진행할 수 있다.

이 경우 소결의 조건은 적용된 금속폼 전구체의 상태, 예를 들면, 금속 분말의 종류, 수성 용매, 유기 용제 및/또는 계면활성제의 양이나 종류 등을 고려하여, 금속 분말이 연결되어 다공성 구조체가 형성되도록 제어될 수 있고, 구체적인 조건은 특별히 제한되지 않는다.

예를 들면, 상기 소결은, 상기 전구체를 약 500°C 내지 2000°C의 범위 내, 700°C 내지 1500°C의 범위 내 또는 800°C 내지 1200°C의 범위 내의 온도에서 유지하여 수행할 수 있고, 그 유지 시간도 임의적으로 선택될 수 있다. 상기 유지 시간은 일 예시에서 약 1분 내지 10 시간 정도의 범위 내일 수 있지만, 이에 제한되는 것은 아니다.

상기와 같이 형성된 금속폼에 적용되는 고분자 조성물 역시 경화 등을 통해 상기 언급한 고분자 성분을 형성할 수 있는 것이라면 특별한 제한은 없으며, 이러한 고분자 성분은 업계에 다양하게 공지되어 있다. 예를 들면, 공지의 성분 중에서 적절한 점도를 가지는 재료를 사용하여, 공지의 방식을 통해 경화를 진행하여 상기 복합재를 제조할 수 있다.

본 출원에서는, 금속폼과 고분자 성분을 포함하고, 우수한 열전도도를 가지면서, 내충격성, 가공성 및 절연성 등의 다른 물성도 우수한 복합재를 제공할 수 있다.

이하 실시예 및 비교예를 통하여 본 출원을 구체적으로 설명하지만, 본 출원의 범위가 하기 실시예에 제한되는 것은 아니다.

실시예 1.

금속폼의 제조

금속폼으로는 구리 금속폼으로서, 두께가 약 300 μm 정도이며, 기공도가 약 90 %인 필름 형상의 구리폼을 하기 방식으로 제조하여 사용하였다. 우선 구리 분말 12 g, 수성 용매인 물 11.07 g, 유기 용제인 헥산 0.15 g, 계면활성제로서, 에틸렌옥사이드 단위의 부가 몰수가 대략 31 정도인 에톡시화 캐스터 오일(ethoxylated castor oil) 0.12 g, 바인더 1.41 g 및 에틸렌 글리콜 0.45 g을 혼합하여 슬러리를 제조하였다. 상기에서 바인더로는 히드록시프로필 셀룰로오스와 메틸 셀룰로오스를 5.2:2.8의 중량 비율(히드록시프로필 셀룰로오스:메틸 셀룰로오스)로 혼합한 것을 사용하였다. 상기에서 구리 분말로는 평균 입경(D50 입경)이 대략 7 내지 10㎛ 수준인 구리 분말을 적용하였다. 상기 슬러리를 이형 필름상에서 필름 형태로 코팅하여 금속폼 전구체를 형성하였다. 그 후, 상기 금속폼 전구체를 60℃의 온도에서 3분 정도 유지하여 발포 처리를 하고, 건조하였다. 그 후, 이어서 수소/아르곤 가스 분위기의 약 1,000°C의 온도에서 전구체를 소결하여 상기 금속폼을 제조하였다.

복합재의 제조

상기 제조된 금속폼을 열경화성 실리콘 수지 조성물(다우코닝사, PDMS, Sylgard 184Kit)에 적시고, 필름 어플리케이터로 과량의 수지 조성물을 최종 복합재의 두께가 300 μm 정도가 되도록 제거하였다. 이어서 상기 재료를 약 120°C의 오븐에 약 20분 정도 유지하여 경화시킴으로써 복합재를 제조하였다. 이 복합재의 열전도도는 약 2.273 W/mK 정도였다.

상기 열전도도는, 복합재의 열확산도(A), 비열(B) 및 밀도(C)를 구하여 열전도도=ABC의 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. 또한, 상기 열전도도는 복합재의 두께 방향(Z축)에 대한 값이다.

실시예 2.

고분자 조성물로서, 열경화성 실리콘 조성물(PDMS, Sylgard 527 kit)에 플레이크(flake) 형태의 구리 파우더(입경: 약 7 μm)를 약 10 중량%의 농도로 혼합하였다. 이어서, 실시예 1에서 제조된 것과 동일한 금속폼을 상기 실리콘 수지 조성물에 적시고, 필름 어플리케이터로 과량의 수지 조성물을 최종 복합재의 두께가 300 μm 정도가 되도록 제거하였다. 이어서 상기 재료를 약 120°C의 오븐에 약 20분 정도 유지하여 경화시킴으로써 복합재를 제조하였다. 이 복합재의 열전도도는 약 4.501 W/mK 정도였다.

실시예 3.

금속폼의 제조

금속폼으로는 니켈 금속폼으로서, 두께가 약 300 μm 정도이며, 기공도가 약 90 %인 필름 형상의 니켈폼을 제조하여 사용하였다. 상기 금속폼은, 금속 분말로서 구리 분말 대신 유사한 입경 수준의 니켈 분말을 적용한 것을 제외하면, 실시예 1과 동일한 방식으로 형성하였다.

복합재의 제조

상기 제조된 금속폼을 열경화성 실리콘 수지 조성물(다우코닝사, PDMS, Sylgard 184Kit)에 적시고, 필름 어플리케이터로 과량의 수지 조성물을 최종 복합재의 두께가 300 μm 정도가 되도록 제거하였다. 이어서 상기 재료를 약 120°C의 오븐에 약 20분 정도 유지하여 경화시킴으로써 복합재를 제조하였다. 이 복합재의 열전도도는 약 0.760 W/mK 정도였다.

비교예 1.

열경화성 실리콘 수지 조성물(다우코닝사, PDMS, Sylgard 184Kit)에 덴드라이트 형태의 구리 분말(평균 입경: 약 4 μm)을 약 10 중량%의 농도로 혼합하였다. 이어서 상기 수지 조성물을 필름 어플리케이터로 약 300 μm 정도의 두께로 코팅하고, 약 120°C의 오븐에 약 20분 정도 유지하여 경화시켰다. 얻어진 필름의 열전도도는 약 0.352 W/mK였다.

비교예 2.

열경화성 실리콘 수지 조성물(다우코닝사, PDMS, Sylgard 184Kit)에 덴드라이트 형태의 구리 분말(평균 입경: 약 7 μm)을 약 10 중량%의 농도로 혼합하였다. 이어서 상기 수지 조성물을 필름 어플리케이터로 약 300 μm 정도의 두께로 코팅하고, 약 120°C의 오븐에 약 20분 정도 유지하여 경화시켰다. 얻어진 필름의 열전도도는 약 0.312 W/mK였다.

비교예 3.

열경화성 실리콘 수지 조성물(다우코닝사, PDMS, Sylgard 184Kit)에 구상의 니켈 분말(평균 입경: 약 3 내지 6 μm)을 약 10 중량%의 농도로 혼합하였다. 이어서 상기 수지 조성물을 필름 어플리케이터로 약 300 μm 정도의 두께로 코팅하고, 약 120°C의 오븐에 약 20분 정도 유지하여 경화시켰다. 얻어진 필름의 열전도도는 약 0.287 W/mK였다.

비교예 4.

열경화성 실리콘 수지 조성물(다우코닝사, PDMS, Sylgard 184Kit)에 플레이크상의 니켈 분말(평균 입경: 약 3 내지 6 μm)을 약 10 중량%의 농도로 혼합하였다. 이어서 상기 수지 조성물을 필름 어플리케이터로 약 300 μm 정도의 두께로 코팅하고, 약 120°C의 오븐에 약 20분 정도 유지하여 경화시켰다. 얻어진 필름의 열전도도는 약 0.290 W/mK였다.

비교예 5.

열경화성 실리콘 수지 조성물(다우코닝사, PDMS, Sylgard 184Kit)에 그래파이트(Graphite) 분말(평균 입경: 약 3 내지 6 μm)을 약 10 중량%의 농도로 혼합하였다. 이어서 상기 수지 조성물을 필름 어플리케이터로 약 300 μm 정도의 두께로 코팅하고, 약 120°C의 오븐에 약 20분 정도 유지하여 경화시켰다. 얻어진 필름의 열전도도는 약 0.301 W/mK였다.

Claims (9)

1. 두께가 200㎛ 이상이고, 기공도가 85% 이상인 필름 형태의 금속폼 및 상기 금속폼의 표면 또는 금속폼의 내부에 존재하는 고분자 성분을 포함하는 복합재.
2. 제 1 항에 있어서, 필름 형태의 금속폼의 두께(MT) 및 전체 두께(T)의 비율(T/MT)이 1 내지 2.5의 범위 내인 복합재.
3. 제 1 항에 있어서, 금속폼은 열전도도가 8 W/mK 이상인 금속 또는 금속 합금을 포함하는 복합재.
4. 제 1 항에 있어서, 금속폼은, 구리, 금, 은, 알루미늄, 니켈, 철, 코발트, 마그네슘, 몰리브덴, 텅스텐 및 아연으로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나의 금속 또는 상기 중 2종 이상을 포함하는 골격을 가지는 복합재.
5. 제 1 항에 있어서, 고분자 성분은, 아크릴 수지, 실리콘 수지, 에폭시 수지, 우레탄 수지, 아미노 수지 및 페놀 수지로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상을 포함하는 복합재.
6. 제 1 항에 있어서, 고분자 성분의 부피(PV)와 금속폼의 부피(MV)의 비율(MV/PV)은 10 이하인 복합재.
7. 제 1 항에 있어서, 고분자 성분은 전도성 물질을 추가로 포함하는 복합재.
8. 두께가 200㎛ 이상이고, 기공도가 85% 이상인 필름 형태의 금속폼의 표면 또는 내부에 경화성 고분자 조성물이 존재하는 상태에서 상기 고분자 조성물을 경화시키는 단계를 포함하는, 제 1 항의 복합재의 제조 방법.
9. 제 8 항에 있어서, 금속폼은, 금속 분말, 수성 용매, 유기 용제 및 계면활성제를 포함하는 슬러리로 성형된 필름 형태의 금속폼 전구체에 발포 및 소결 공정을 수행하여 제조한 것인 복합재의 제조 방법.