KR20200036798A

KR20200036798A - 복합재

Info

Publication number: KR20200036798A
Application number: KR1020190120893A
Authority: KR
Inventors: 이연수; 유동우; 이진규
Original assignee: 주식회사 엘지화학
Priority date: 2018-09-28
Filing date: 2019-09-30
Publication date: 2020-04-07
Also published as: KR102342782B1; EP3796767A1; EP3796767B1; US20210268582A1; WO2020067839A1; JP2021532275A; JP7214298B2; CN112335344A; CN112335344B; EP3796767A4

Abstract

본 출원은 복합재 및 이의 제조 방법에 관한 것으로서, 방열 성능이 우수하면서도 내충격성이나 가공성 및 기공 특성이 우수한 복합재 및 상기 복합재의 제조 방법을 제공할 수 있다.

Description

복합재 {COMPOSITE MATERIAL}

본 출원은 복합재 및 이의 제조 방법에 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.

이에 따라, 본 출원은 금속폼 자체를 heat pathway로 하는 복합 소재를 제공하여, 기존의 방열 소재에 비해 효과적인 방열 특성을 구현하고자 한다. 그러나, 추가적인 열전도성 필러가 없이 금속폼만으로 얻을 수 있는 열전도도에는 한계가 있고, 이에 따라 보다 다양한 분야에 적용하기 위해서는 보다 우수한 열전도성, 내충격성, 기공 특성 등을 동시에 만족시키는 연구가 필요하다.

본 출원은 방열 성능이 우수하면서도 내충격성이나 가공성 및 기공 특성이 우수한 복합재 및 상기 복합재의 제조 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 출원은 복합재에 대한 것이다. 본 출원에서 용어 복합재는 금속폼과 그 외의 성분을 포함하는 재료를 의미할 수 있다. 예를 들어, 상기 복합재는 상기 금속폼과 후술하는 그래핀 성분 또는 고분자 성분을 포함하는 재료를 의미할 수 있다.

본 출원에서 용어 금속폼 또는 금속 골격은, 2종 이상의 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%일 수 있다.

용어 다공성은, 기공도(porosity)가 적어도 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. 상기에서 기공도는 금속폼 등의 밀도를 계산하여 공지의 방식으로 산출할 수 있다.

예시적인 복합재는 금속폼 및 상기 금속폼의 표면 또는 금속폼의 내부에 존재하는 그래핀 성분을 포함한다. 상기 금속폼은 기공을 포함하고, 상기 기공의 크기는 20 ㎛ 내지 380 ㎛, 25㎛ 내지 350㎛, 30㎛ 내지 330㎛, 35㎛ 내지 300㎛, 40㎛ 내지 280㎛, 42㎛ 내지 230㎛ 또는 45㎛ 내지 180㎛일 수 있다. 또한, 본 출원의 구체예에서, 상기 그래핀 성분은 복합재 내에서 10^-5 내지 10^-1wt%의 범위 내로 포함될 수 있다. 상기 그래핀 성분의 무게비는 예를 들어, 10^-5 초과, 10^-1wt% 미만, 5 x 10^-5 내지 5 x 10^-2wt%, 10^-4 내지 10^-2wt%, 5 x 10^-4 내지 5 x 10^-3wt%, 8 x 10^-4 내지 3 x 10^-3wt%의 범위 내일 수 있다. 상기 무게비는 금속폼 및 그래핀 성분 중량을 전체 100으로 계산했을 때의 비율이다. 따라서, 후술하는 다른 성분, 예를 들어, 고분자층이 형성되는 경우, 고분자 성분을 제외하고, 금속폼과 그래핀 성분 간의 중량 비율이 상기 범위 내일 수 있다. 본 출원에서, 그래핀 성분이 금속폼의 내부에 존재한다는 것은, 금속폼의 내부 기공에 상기 그래핀 성분이 층을 이루어 존재하는 것을 의미할 수 있다. 본 출원의 복합재는, 높은 열전도도를 특성과 함께 내충격성 및 기공 특성 우수한 금속폼을 제공함으로써, 예를 들면, 방열 소재와 같이 열의 제어를 위한 소재로 사용될 수 있다. 본 명세서에서 기공의 평균 크기는 예를 들어, D50 입도 분석에 따른 평균 크기일 수 있다.

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

본 출원의 구체예에서, 상기 그래핀층은 단일층 또는 다층 구조로 형성될 수 있으며, 상기 그래핀층은 그 두께 범위가 10nm 이하, 8nm 이하, 5nm 이하의 범위 내일 수 있다. 하한은 특별히 한정되지 않으나, 0.001nm 또는 0.01nm일 수 있다. 본 출원은 전술한 특정 기공 크기를 갖는 금속폼 표면 및 금속폼 내부의 기공의 표면에 그래핀 성분이 특정 함량 또는 특정 두께로 도입됨으로써, 기존의 그래핀 증착 금속폼 대비 더 효과적으로 그래핀 증착 구조를 구현할 수 있고, 이러한 구조는 상기 기공 크기, 기공 분포, 그래핀 함량 및/또는 그래핀 두께에 의해 구현될 수 있다. 이에 따른 본 출원의 금속폼은 방열 성능이 우수하면서도 내산화성, 내충격성이나 가공성 및 우수한 기공도를 갖는 복합재를 제공한다. 상기 그래핀 성분은 금속폼의 표면에 화학기상증착법(CVD)에 의하여 성장된 것일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.

하나의 예시에서, 상기 복합재는 열전도도가 1.65 W/mK 이상, 1.7 W/mK 이상, 또는 2.0 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 복합재의 열전도도는, 당업계의 공지의 방식으로 측정될 수 있다. 예를 들어, 상기 열전도도는, 복합재의 열확산도(A), 비열(B) 및 밀도(C)를 구하여 열전도도=ABC의 수식으로 구할 수 있다. 상기 열확산도(A)는, 레이저 플래쉬법(LFA 장비, 모델명: LFA467)을 이용하여 측정할 수 있고, 비열은 DSC(Differential Scanning Calorimeter) 장비를 통해 측정할 수 있으며, 밀도는 아르키메데스법을 이용하여 측정할 수 있다. 또한, 상기 열전도도는 복합재의 두께 방향(Z축)에 대한 값일 수 있다.

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.

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. 본 출원의 복합재에서는 상기 필름 형태의 금속폼 또는 그래핀 성분의 표면에 존재하는 고분자 성분이 추가로 포함될 수 있다. 일 예시에서, 상기 금속폼의 표면에는 그래핀 성분이 그래핀층을 형성할 수 있고, 상기 그래핀층 상에 또는 상기 금속폼 표면 중 그래핀 성분이 형성되지 않은 표면 상에, 상기 고분자 성분이 형성될 수 있다.

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 10% 내지 99%의 범위 내일 수 있다. 이러한 기공도를 가지는 금속폼은, 적합한 열전달 네트워크를 형성하고 있는 다공성의 금속 골격을 가지고, 따라서 해당 금속폼을 소량 적용하는 경우에도 우수한 열전도도를 확보할 수 있다. 다른 예시에서 상기 기공도는, 15% 이상, 20% 이상, 25% 이상, 30% 이상, 35% 이상, 40% 이상, 45% 이상 또는 50% 이상이거나, 98% 이하, 95% 이하, 93% 이하, 90% 이하, 88% 이하, 85% 이하, 83% 이하, 80% 이하, 78% 이하, 75% 이하, 73% 이하 또는 71% 이하일 수 있다.

전술한 바와 같이 금속폼은 필름 형태일 수 있다. 이러한 경우에 필름의 두께는 후술하는 방식에 따라 복합재를 제조함에 있어서, 목적하는 열전도도나 두께 비율 등을 고려하여 조절될 수 있다. 상기 필름의 두께는, 목적으로 하는 열전도도의 확보를 위해, 예를 들면, 약 10㎛ 이상, 약 20㎛ 이상, 약 30㎛ 이상, 약 40㎛ 이상, 약 45 ㎛ 이상, 약 50 ㎛ 이상, 약 55 ㎛ 이상, 약 60 ㎛ 이상, 약 65 ㎛ 이상 또는 약 70 ㎛ 이상일 수 있다. 상기 필름의 두께의 상한은 목적에 따라서 제어되는 것으로 특별히 제한되는 것은 아니나, 예를 들면, 약 1,000 ㎛ 이하, 약 900 ㎛ 이하, 약 800 ㎛ 이하, 약 700 ㎛ 이하, 약 600 ㎛ 이하, 약 500 ㎛ 이하, 약 400 ㎛ 이하, 약 300 ㎛ 이하, 약 280 ㎛ 이하 또는 약 270 ㎛ 이하 정도일 수 있다.

본 명세서에서 두께는 해당 대상의 두께가 일정하지 않은 경우에는, 그 대상의 최소 두께, 최대 두께 또는 평균 두께일 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, 은, 알루미늄, 니켈, 철, 코발트, 마그네슘, 몰리브덴, 텅스텐 및 아연으로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나의 금속이나 상기 중 2종 이상의 합금 등이 예시될 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.

이러한 금속폼은 다양하게 공지되어 있고, 금속폼을 제조하는 방법 역시 다양하게 공지되어 있다. 본 출원에서는 이러한 공지의 금속폼이나 상기 공지의 방식으로 제조한 금속폼이 적용될 수 있다.

금속폼을 제조하는 방식으로는, 염 등의 기공 형성제와 금속의 복합 재료를 소결하는 방식, 고분자 폼 등의 지지체에 금속을 코팅하고, 그 상태로 소결하는 방식이나 슬러리법 등이 알려져 있다. 또한, 상기 금속폼은 본 출원인의 선행 출원인 한국출원 제2017-0086014호, 제2017-0040971호, 제2017-0040972호, 제2016-0162154호, 제2016-0162153호 또는 제2016-0162152호 등에 개시된 방식에 따라서도 제조될 수 있다.

상기 금속폼은 또한 상기 선행출원에 개시된 방식 중에서 유도 가열 방식으로도 제조될 수 있는데, 이러한 경우에 금속폼은 전도성 자성 금속을 적어도 포함할 수 있다. 이 경우, 금속폼은 상기 전도성 자성 금속을 중량을 기준으로 30 중량% 이상, 35 중량% 이상, 40 중량% 이상, 45 중량% 이상 또는 50 중량% 이상 포함할 수 있다. 다른 예시에서 상기 금속폼 내의 전도성 자성 금속의 비율은, 약 55 중량% 이상, 60 중량% 이상, 65 중량% 이상, 70 중량% 이상, 75 중량% 이상, 80 중량% 이상, 85 중량% 이상 또는 90 중량% 이상일 수 있다. 상기 전도성 자성 금속의 비율의 상한은 특별히 제한되지 않으며, 예를 들면, 약 100 중량% 미만 또는 95 중량% 이하일 수 있다.

금속 성분은, 필요한 경우에 상기 전도성 자성 금속과 함께 상기 금속과는 다른 제 2 금속을 포함할 수 있다. 이러한 경우에는, 금속폼이 금속 합금으로 형성될 수 있다. 상기 제 2 금속으로는 상기 언급한 전도성 자성 금속과 같은 범위의 상대 투자율 및/또는 전도도를 가지는 금속이 사용될 수도 있고, 그러한 범위 외의 상대 투자율 및/또는 전도도를 가지는 금속이 사용될 수 있다. 또한, 제 2 금속은 1종이 포함될 수도 있고, 2종 이상이 포함될 수도 있다. 이러한 제 2 금속의 종류는 적용되는 전도성 자성 금속과 다른 종류인 한 특별히 제한되지 않으며, 예를 들면, 구리, 인, 몰리브덴, 아연, 망간, 크롬, 인듐, 주석, 은, 백금, 금, 알루미늄 또는 마그네슘 등에서 전도성 자성 금속과 다른 금속 1종 이상이 적용될 수 있지만, 이에 제한되는 것은 아니다.

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.

본 출원은 또한 상기와 같은 형태의 복합재의 제조 방법에 대한 것이다. 상기 제조 방법은, 예를 들어, 필름 형태의 금속폼의 표면 또는 내부에 그래핀 성분을 형성시키는 것을 포함할 수 있다.

일반적으로, 그래핀 성분은, 화학기상증착법으로서, 금속 촉매를 포함하는 지지체에 탄소 소스 및 열을 가함으로써 성장될 수 있다. 본 출원에서는 상기 지지체로 금속폼이 이용될 수 있다. 상기 탄소 소스는 일산화탄소, 이산화탄소, 메탄, 에탄, 에틸렌, 에탄올, 아세틸렌, 프로판, 부탄, 부타디엔, 펜탄, 펜텐, 사이클로펜타디엔, 헥산, 사이클로헥산, 벤젠, 톨루엔 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택된 것을 사용할 수 있다. 예를 들어, 상기 탄소 소스를 기상으로 공급하면서 300℃ 내지 2000℃의 온도로 열처리한 후에 냉각시키면 상기 탄소 소스에 존재하는 탄소 성분들이 결합하여 그래핀 성분이 금속폼의 표면에 성장할 수 있다.

이와 같은 화학기상증착법(CVD)의 종류로는 고온화학기상증착(RTCVD), 유도결합플라즈마 화학기상증착(ICP-CVD), 저압 화학기상증착(LPCVD), 상압화학기상증착(APCVD), 금속 유기화학기상증착(MOCVD) 또는 화학기상증착(PECVD)등이 있다.

본 출원의 제조 방법은 상기 그래핀 성분을 형성시키는 단계 이전에, 금속폼을 제조하는 단계를 포함할 수 있다.

상기 금속폼의 제조 방법은, 금속을 가지는 금속 성분을 포함하는 그린 구조체를 소결하는 단계를 포함할 수 있다. 본 출원에서 용어 그린 구조체는, 상기 소결 등과 같이 금속폼을 형성하기 위해 수행되는 공정을 거치기 전의 구조체, 즉 금속폼이 생성되기 전의 구조체를 의미한다. 또한, 상기 그린 구조체는, 다공성 그린 구조체라고 호칭되더라도 반드시 그 자체로 다공성일 필요는 없으며, 최종적으로 다공성의 금속 구조체인 금속폼을 형성할 수 있는 것이라면, 편의상 다공성 그린 구조체라고 호칭될 수 있다.

본 출원에서 상기 그린 구조체는, 금속 성분, 제 1 및 제 2 용매를 적어도 포함하는 슬러리를 사용하여 형성할 수 있다.

그린 구조체를 형성하는 금속 성분은 분말(powder) 형태일 수 있다. 예를 들면, 상기 금속 성분 내의 금속들은, 평균 입경이 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 성분 내의 금속으로는 서로 평균 입경이 상이한 것을 적용할 수도 있다. 상기 평균 입경은, 목적하는 금속폼의 형태, 예를 들면, 금속폼의 두께나 기공도 등을 고려하여 적절한 범위를 선택할 수 있고, 이는 특별히 제한되지 않는다.

상기 그린 구조체는 상기 금속을 포함하는 금속 성분과 함께 제 1 및 제 2 용매를 포함하는 슬러리를 사용하여 형성할 수 있다.

상기에서 제 1 및 제 2 용매로는, 유전 상수가 서로 다른 것을 적용할 수 있다. 하나의 예시에서 상기 제 1 용매로는, 유전 상수가 20 이상인 것을 사용하고, 제 2 용매로는, 유전 상수가 15 이하인 것을 사용할 수 있다. 본 명세서에서 상기 유전 상수는, 약 20℃ 내지 25℃의 범위 내의 어느 한 온도에서 측정된 유전 상수일 수 있다. 유전 상수가 다른 2종의 용매를 혼합하여 사용하게 되면, 에멀젼을 형성시킬 수 있고, 이러한 에멀젼에 의해 기공 구조가 형성될 수 있다.

기공 구조의 형성 효율을 높이기 위해서, 상기 제 1 및 제 2 용매는, 제 1 용매의 유전상수(D1)와 제 2 용매의 유전상수(D2)의 비율(D1/D2)이 5 내지 100의 범위 내에 있도록 선택될 수 있다. 상기 비율(D1/D2)은 다른 예시에서 약 90 이하, 약 80 이하, 약 70 이하, 약 60 이하 또는 약 50 이하일 수 있다.

제 1 용매와 제 2 용매의 구체적인 유전 상수의 범위는 상기 내용을 만족하는 한 특별히 제한되는 것은 아니다.

일 예시에서 상기 제 1 용매의 유전 상수는, 20 내지 100의 범위 내에 있을 수 있다. 상기 제 1 용매의 유전 상수는 다른 예시에서 약 25 이상 또는 약 30 이상일 수 있다. 또한, 상기 제 1 용매의 유전 상수는 다른 예시에서 약 95 이하, 약 90 이하 또는 약 85 이하일 수 있다.

이러한 제 1 용매로는, 예를 들면, 물, 탄소수 1 내지 20의 1가 알코올 등의 알코올, 아세톤, N-메틸 피롤리돈, N,N-디메틸포름아미드, 아세토니트릴, 디메틸 아세트아미드, 디메틸 술폭시드 또는 프로필렌 카보네이트 등이 예시될 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.

제 2 용매의 유전 상수는, 예를 들면, 1 내지 15의 범위 내에 있을 수 있다. 상기 제 2 용매의 유전 상수는 다른 예시에서 약 13 이하, 약 11 이하, 약 9 이하, 약 7 이하 또는 약 5 이하일 수 있다.

이러한 제 2 용매로는, 탄소수 1 내지 20의 알칸, 탄소수 1 내지 20의 알킬기를 가지는 알킬 에테르, 피리딘, 에틸렌디클로라이드, 디클로로벤젠, 트리플루오로아세트산, 테트라히드로푸란, 클로로벤젠, 클로로포름 또는 톨루엔 등이 예시될 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.

상기와 같은 슬러리 내에서의 각 성분의 비율은 적절히 조절될 수 있으며, 특별히 제한되는 것은 아니다.

예를 들면, 상기 슬러리에서 금속 성분의 비율은, 상기 제 1 및 제 2 용매의 합계 중량 100 중량부 대비 100 내지 300 중량부의 범위 내일 수 있다. 상기 비율은 다른 예시에서 약 290 중량부 이하, 약 250 중량부 이하, 약 200 중량부 이하, 약 150 중량부 이하, 또는 약 120 중량부 이하일 수 있고, 다른 예시에서 약 110 중량부 이상, 또는 120 중량부 이상일 수 있다.

또한, 슬러리 내에서 제 1 및 제 2 용매의 비율은, 상기 제 1 및 제 2 용매 중에서 어느 한 용매 100 중량부 대비 다른 용매의 중량부가 약 0.5 내지 10 중량부의 범위 내가 되도록 조절될 수 있다. 상기 비율은 다른 예시에서 약 9 중량부 이하, 약 8 중량부 이하, 약 7 중량부 이하, 약 6 중량부 이하, 약 5 중량부 이하, 약 4 중량부 이하 또는 약 3 중량부 이하일 수 있고, 일 예시에서 약 1 중량부 이상, 약 1.5 중량부 이상 또는 약 2 중량부 이상일 수 있다. 예를 들면, 슬러리 내에서 제 1 용매 100 중량부 대비 제 2 용매의 중량 비율이 상기 범위 내이거나, 제 2 용매 100 중량부 대비 제 1 용매의 중량 비율이 상기 범위 내일 수 있다.

슬러리는 필요한 경우에 바인더를 추가로 포함할 수 있다. 이러한 바인더의 종류는 특별히 제한되지 않으며, 슬러리의 제조 시에 적용된 금속 성분이나 용매 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 등이 예시될 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.

예를 들면, 슬러리 내에서 바인더는 전술한 금속 성분 100 중량부 대비 약 10 내지 500 중량부의 비율로 포함될 수 있다. 상기 비율은 다른 예시에서 약 450 중량부 이하, 약 400 중량부 이하, 약 350 중량부 이하, 약 300 중량부 이하, 약 250 중량부 이하, 약 200 중량부 이하, 약 150 중량부 이하, 약 100 중량부 이하 또는 약 50 중량부 이하일 수 있다.

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

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

금속폼은, 다공성인 구조적 특징상 일반적으로 브리틀한 특성을 가지고, 따라서 필름 또는 시트 형태, 특히 얇은 두께의 필름 또는 시트 형태로 제작이 어렵고, 제작하게 되어도 쉽게 부스러지는 문제가 있다. 그렇지만, 본 출원의 방식에 의해서는, 얇은 두께이면서도, 내부에 균일하게 기공이 형성되고, 기계적 특성이 우수한 금속폼의 형성이 가능하다.

상기와 같은 방식으로 형성된 그린 구조체를 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 그린 구조체에 적정한 양의 열을 인가하는 방식으로 상기 소결을 진행할 수 있다.

본 출원의 제조 방법은, 상기 금속폼의 표면 또는 내부에 경화성 고분자 조성물이 존재하는 상태에서 상기 고분자 조성물을 경화시키는 단계를 추가로 포함할 수 있다.

상기 방법에서 적용되는 금속폼에 대한 구체적인 내용은 이미 기술한 바와 같고, 제조되는 복합재에 대한 구체적인 사항 역시 상기 기술한 내용에 따를 수 있다.

한편, 상기에서 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.

즉, 예를 들면, 공지의 성분 중에서 적절한 점도를 가지는 재료를 사용하여, 공지의 방식을 통해 경화를 진행하여 상기 복합재를 제조할 수 있다.

본 출원은 방열 성능이 우수하면서도 내충격성이나 가공성 및 기공 특성이 우수한 복합재 및 상기 복합재의 제조 방법을 제공할 수 있다.

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

실시예 1

제 1 용매로서 물(20℃에서의 유전 상수: 약 80) 3.54g에 고분자 바인더인 메틸셀룰로즈와 히드로프로필메틸셀룰로즈를 각각 0.17g 및 0.30g의 양으로 혼합 및 교반하여 용해시킨다. 상기 용해가 완료 된 후, 구리 파우더 4.0g, 계면활성제 0.2g 및 에틸렌글라이콜 0.15g을 순차적으로 투입하여 교반한다. 이후 발포제로 사용될 펜탄(20℃에서의 유전 상수: 약 1.84)을 0.0.4g 투입하여 교반한다.

상기 과정을 통해 준비된 샘플을 질화규소 판에 200㎛의 두께로 바코팅하고, 습도가 80% 이상인 공간에서 40℃로 가열하여 1분간 발포 시킨다. 그 후 습도가 60% 이하, 90℃에서 30분간 가열하여 용매를 건조하여 그린 구조체(필름)을 형성하였다. 그 후, 상기 그린 구조체(필름)을 1000℃의 환원 분위기에서 소성하여 금속폼을 제조하였다.

상기 제조된 금속폼인, 기공의 크기가 약 50~100㎛이고, 두께가 200㎛이며, 기공도가 80%인 발포형 구리폼을 상기 소성 공정 후, CH₄ 가스를 주입하여 1000℃에서 그래핀을 증착하였다.

실시예 2

실시예 1에서 제조한 그래핀이 증착된 구리폼을 열경화성 수지(다우코닝사, PDMS, Sylgard 527kit)용액으로 침지시킨 후, 필름 어플리케이터를 이용하여 250㎛ 두께로 밀어내어 과량의 레진을 제거하여 준다. 이 후, 섭씨 120℃의 오븐에서 10분간 경화하여 복합재를 제조하였다.

비교예 1

그래핀을 증착하지 않은 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 금속폼을 제조하였다.

비교예 2

비교예 1에서 제조한, 그래핀이 증착되지 않은 금속폼을 열경화성 수지(다우코닝사, PDMS, Sylgard 527kit)용액으로 침지시킨 후, 필름 어플리케이터를 이용하여 250㎛ 두께로 밀어내어 과량의 레진을 제거하여 준다. 이 후, 섭씨 120℃의 오븐에서 10분간 경화하여 복합재를 제조하였다.

비교예 3

상용되는 Alantum사의 금속 다공체(기공도: 90%, 두께: 500㎛, 기공의 크기: 400~500㎛)에 CH₄ 가스를 주입하여 1000℃에서 그래핀을 증착하여 복합재를 제조하였다.

실험예 1 - 열전도도 및 열저항 측정

실시예 및 비교예에서 제조한 복합재에 대해 TIM Tester 1300장비를 사용하여 열전도도와 열저항을 측정하였다. 상기 TIM Tester는 하부에 cooling plate가 위치하고, 상부에는 heat source가 위치하는데, 이 때, 실시예 및 비교예에서 제조한 복합재를 지름 3.3cm의 원형으로 잘라서 샘플을 제조하고, 상기 cooling plate와 heat source 사이에 측정부 중심이 맞도록 위치시킨다. 상기 샘플을 사이에 두고 cooling plate와 heat source가 밀착할 수 있도록 레버를 돌려준다. 이 때, 측면으로 열이 빠져나가지 않고, 상기 샘플을 통해서 z축으로만 열이 전달되도록, 샘플의 주변부를 단열재로 감싸준다. 일정 압력에서 두 표면 사이의 온도 차이를 일정하게 유지하도록 하는데 필요한 heat flux를 측정하여 열저항을 구할 수 있고, 이를 토대로 열전도도를 계산하였다.

	열전도도 (W/mK)	열저항(10psi) (K/W)	열저항(60psi) (K/W)
실시예 1	1.75	0.60	0.31
실시예 2	2.03	0.42	0.19
비교예 1	1.45	0.83	0.55
비교예 2	1.62	0.65	0.40
비교예 3	0.40	2.33	1.14

Claims

금속폼 및 상기 금속폼의 표면 또는 금속폼의 내부에 존재하는 그래핀 성분을 포함하고,
상기 금속폼은 기공을 포함하고, 상기 기공의 크기는 20 ㎛ 내지 380 ㎛인 복합재.
제 1 항에 있어서, 그래핀 성분은 복합재 내에서 10^-5 내지 10^-1wt%의 범위 내로 포함되는 복합재.
제 1 항에 있어서, 금속폼은 10 ㎛ 내지 1000 ㎛의 두께 범위를 갖는 복합재.
제 1 항에 있어서, 금속폼은 열전도도가 8 W/mK 이상인 금속 또는 금속 합금을 포함하는 복합재.
제 1 항에 있어서, 금속폼은, 철, 코발트, 니켈, 구리, 인, 몰리브덴, 아연, 망간, 크롬, 인듐, 주석, 은, 백금, 금, 알루미늄, 스테인리스 및 마그네슘으로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상의 금속 또는 금속 합금을 포함하는 골격을 가지는 복합재.
제 1 항에 있어서, 금속폼은, 기공도(porosity)가 30% 내지 99%의 범위 내인 복합재.
제 1 항에 있어서, 금속폼 또는 그래핀의 표면에 존재하는 고분자 성분을 추가로 포함하는 복합재.
제 7 항에 있어서, 고분자 성분은 금속폼 또는 그래핀의 표면에서 표면층을 형성하고 있는 복합재.
제 7 항에 있어서, 고분자 성분은, 아크릴 수지, 실리콘 수지, 에폭시 수지, 우레탄 수지, 아미노 수지 및 페놀 수지로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상을 포함하는 복합재.
제 1 항에 있어서, 그래핀 성분은 금속폼의 표면 또는 금속폼의 내부에서 그래핀층을 형성하는 복합재.
제 10 항에 있어서, 그래핀층은 단일층 또는 다층 구조인 복합재.
제 10 항에 있어서, 그래핀층은 10nm 이하의 두께 범위를 가지는 복합재.
제 1 항에 있어서, 복합재는 열전도도가 0.4 W/mK 이상인 복합재.
금속폼의 표면 또는 내부에 그래핀 성분을 형성시키는 것을 포함하는 제 1 항에 따른 복합재의 제조 방법.