KR20210026441A - 패턴화 금속폼 - Google Patents

Abstract

본 출원은 패턴화 금속폼에 관한 것이다. 본 출원의 패턴화 금속폼은, 복합재의 형성 시 고분자 수지 등과의 결합력이 우수하다. 또한, 본 출원의 패턴화 금속폼은 얇은 두께를 가지기 때문에, 방열 소재 등의 다양한 분야에 적용될 수 있다.

Description

패턴화 금속폼{Patterned Metal Foam}

본 출원은 패턴화 금속폼에 관한 것이다.

방열 재료는 다양한 용도에서 사용될 수 있다. 예를 들어, 방열 재료는 배터리나 각종 전자 기기 등의 작동 과정에서 발생하는 열을 효과적으로 제어하기 위하여 적용될 수 있다.

방열 재료로는, 특허문헌 1과 같이 금속 기판 상에 금속폼을 형성함으로써 제조된 필름(foam-on-foil 형)을 적용할 수 있다. 그러나, 특허문헌 1의 필름은 금속폼 표면의 일면만 외부에 노출된다. 이 경우, 해당 필름을 열경화성 고분자 등과 배합하여 복합재를 형성할 때, 복합재에서 그 필름이 쉽게 탈리(delamination)되는 문제가 있다. 그리고, 특허문헌 1의 필름은 금속 기판 상에 금속폼의 패턴이 형성되어 있는 형태이기에, 총 두께가 두꺼워서 그 용도가 제한적이다.

한국 공개특허 10-2019-0033876호

본 출원에서는 복합재의 형성 시 고분자 수지 등과의 결합력이 우수한 패턴화 금속폼을 제공하는 것을 하나의 목적으로 한다. 또한, 본 출원에서는 두께가 얇아서 다양한 분야에 적용할 수 있는 패턴화 금속폼을 제공하는 것을 또 다른 목적으로 한다.

본 출원은 패턴화 금속폼, 즉 패턴을 포함하는 금속폼에 관한 것이다. 이와 같이 패턴을 포함함으로 해서, 본 출원의 패턴화 금속폼은 얇은 두께를 가지면서, 작은 크기의 크기를 가질 수 있으며, 또한 고분자 성분과의 결합력이 우수할 수 있다.

본 출원에서, 용어 “금속폼”은 금속을 주성분으로 포함하는 다공성 구조체를 의미한다. 상기에서, 금속을 주성분으로 한다는 것은, 그 구조체의 총 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 것을 의미한다. 상기에서, 주성분으로 포함되는 금속의 비율의 상한은 특별히 제한되지 않고, 예를 들어, 100 중량%일 수 있다.

본 출원에서, 용어 “다공성”은 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 들어, 약 100 % 미만, 99 % 이하, 98 % 이하, 95 % 이하 또는 90 % 이하 정도일 수 있다. 상기에서, 기공도는 금속폼의 밀도를 계산하여 공지의 방식으로 산출할 수 있다.

본 출원의 패턴화 금속폼은, 적어도 패턴을 포함하기 때문에, 서로 구별된 2 영역을 적어도 포함한다. 즉, 본 출원의 패턴화 금속폼은 서로 패턴을 형성하고 있고, 금속폼으로 형성된 제 1 영역 및 제 2 영역을 포함하며, 상기 제 1 영역 및 제 2 영역은 적어도 다를 수 있다. 상기에서, 패턴화 금속폼 내의 영역이 서로 다르다고 하는 것은, 예를 들어, 적어도 그 영역을 구성하는 금속 성분의 종류가 서로 다르다고 하는 것을 의미할 수 있다.

일 예시에서, 제 1 영역과 제 2 영역이 적어도 포함하는 금속 성분은 서로 다를 수 있다. 예를 들면, 제 2 영역은 제 1 영역이 포함하는 금속 성분(이하, “제 1 금속 성분”으로도 칭한다)과, 그 성분과는 다른 금속 성분(이하, “제 2 금속 성분”으로도 칭한다)의 합금을 포함하는 점에서 제 1 영역과 구별될 수 있다. 즉, 제 1 영역은 하나의 금속 성분을 포함할 수 있고, 제 2 영역은 그 금속 성분과 그 성분과는 다른 금속 성분의 합금을 포함할 수 있다.

상기 제 2 영역에서 제 2 금속 성분이 차지하는 비율은 특별히 제한되지 않는다. 상기 비율은 후술하는 슬러리에 포함된 제 2 금속의 비율과, 상기 슬러리의 도포 양에 따라서 적절히 조절될 수 있다. 예를 들어, 상기 제 2 영역에서 제 2 금속 성분은 대략 30 중량% 이상, 35 중량% 이상, 40 중량% 이상, 45 중량% 이상, 50 중량% 이상, 55 중량% 이상, 60 또는 65 중량% 이상일 수 있고, 80 중량% 이하, 75 중량% 이하 또는 70 중량% 이하일 수 있다.

후술하겠지만, 본 출원의 패턴화 금속폼은, 금속폼의 표면에 그 금속폼을 구성하는 금속 성분과는 다른 금속 성분을 포함하는 슬러리를 코팅하는 방식으로 제조하기 때문에, 금속 기판의 표면에 슬러리를 코팅하는 방식과는 다르게, 금속폼의 패턴이 하나의 층 내에 존재할 수 있다. 따라서, 본 출원의 패턴화 금속폼에서, 상기 제 1 영역과 제 2 영역은 하나의 층 내에 존재할 수 있다. 즉, 상기 패턴화 금속폼에서 제 1 영역 상에 제 2 영역이 존재하는 것이 아니라, 하나의 금속폼 내에서 상기 제 1 영역과 제 2 영역이 패턴을 형성하고 있을 수 있다.

이와 같이, 하나의 층 내에 패턴이 형성된 금속폼은 특히 그 형상이 시트 또는 필름 형일 때 유용하며, 예를 들어, 금속폼의 박막화 관점에서 유리하다.

일 예시에서, 시트 또는 필름 형상인 패턴화 금속폼의 두께는 500 μm 이하일 수 있다. 상기 두께는 다른 예시에서, 450 μm 이하, 400 μm 이하, 350 μm 이하, 300 μm 이하, 250 μm 이하, 200 μm 이하, 150 μm 이하 또는 100 μm 이하일 수 있고, 하한의 큰 제한은 없지만 예를 들어, 1 μm 이상, 5 μm 이상, 10 μm 이상, 20 μm 이상, 30 μm 이상, 40 μm 이상, 50 μm 이상, 60 μm 이상, 70 μm 이상 또는 75 μm 이상일 수 있다.

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

일 예시에서, 패턴화 금속폼의 패턴의 형상은 특별히 제한되지 않는다. 한편, 규격화 내지는 복합재 적용에 적합하게 하기 위한 관점에서, 상기 패턴의 형상으로는 스트라이프 패턴이 적합할 수 있다.

일 예시에서, 패턴화 금속폼의 패턴이 스트라이프 패턴인 경우, 그 선폭은 후술하는 거처럼 합금 패턴을 형성하기 위한 방식 또는 노즐 또는 디스펜서 등의 장비 등에 의하여 달라질 수 있으나, 예를 들어 25 μm 이상일 수 있다. 상기 선폭은, 다른 예시에서, 50 μm 이상, 75 μm 이상, 100 μm 이상, 125 μm 이상, 150 μm 이상, 200 μm 이상 또는 300 μm 이상일 수 있고, 1 cm 이하, 5 mm 이하, 1 mm 이하, 750 또는 500 μm 이하일 수 있다. 상기에서, 스트라이프 패턴의 선폭은, 그 패턴을 형성하는 하나의 라인의 폭 방향의 최대 길이, 최소 길이 또는 평균 길이일 수 있다. 즉, 본 출원의 패턴화된 금속폼에서 제 1 영역 또는 제 2 영역의 선폭이 상기 범위 내일 수 있다. 또한, 패턴화 금속폼에서, 제 1 영역과 제 2 영역 각각의 선폭은 서로 같을 수도 있고, 서로 다를 수도 있다.

상기 스트라이프 패턴에서, 패턴의 간격 또한, 상기 선폭과 같이 25 μm 이상일 수 있다. 상기 패턴의 간격 또한, 다른 예시에서, 50 μm 이상, 75 μm 이상, 100 μm 이상, 125 μm 이상, 150 μm 이상, 200 μm 이상 또는 300 μm 이상일 수 있고, 1 cm 이하, 5 mm 이하, 1 mm 이하, 750 또는 500 μm 이하일 수 있다. 상기에서, 스트라이프 패턴의 간격은, 어느 하나의 영역을 기준으로, 이와 인접하는 같은 영역 사이의 최소 이격 거리를 의미할 수 있다. 즉, 상기 스트라이프 패턴의 간격은, 제 1 영역에 해당하는 부위와 이에 인접하는 다른 제 1 영역의 부위 간의 최소 이격 거리 또는 제 2 영역에 해당하는 부위와 이에 인접하는 다른 제 2 영역의 부위 간의 최소 이격 거리를 의미할 수 있다. 일 예시에서, 상기 스트라이프 패턴에서 제 1 영역에 의해서 형성되는 간격과, 제 2 영역에 의해서 형성되는 간격은 서로 같을 수도 있고, 다를 수도 있다.

상기에서, 스트라이프 패턴의 선폭 및/또는 간격 등은 후술하는 패턴화 금속폼의 제조 방식에서 언급하는, 슬러리의 도포 과정에서 적용되는 노즐, 또는 디스펜서 등의 장비의 성능에 따라서 결정될 수 있다. 따라서, 경우에 따라서는 상기의 선폭 및/또는 간격을 좁게 설정해서 상기 패턴화 금속폼에는 제 1 영역과 제 2 영역이 조밀한 간격으로 반복되는 패턴이 형성되어 있을 수도 있다.

일 예시에서, 패턴화 금속폼의 제 1 영역과 제 2 영역은 기본적으로 금속폼이기 때문에, 적어도 다공성일 수 있고, 소정의 크기의 기공을 가질 수 있다. 따라서, 제 1 영역과 제 2 영역 중 적어도 하나의 영역의 평균 기공 크기는 100 μm 이하일 수 있다. 상기 기공의 크기는 예를 들어, SEM(Scanning electron microscope) 이미지 분석 등의 방식으로 확인할 수 있다. 상기 기공 크기의 하한은 특별히 제한되지 않으며, 예를 들어, 약 1 nm 내지 1 μm 정도 일 수 있다. 상기에서, 제 1 영역과 제 2 영역의 평균 기공 크기는 서로 같을 수도 있고, 서로 다를 수도 있다. 예를 들어, 후술하는 것처럼 상기 제 2 영역을 형성하기 위해서 적용되는 슬러리의 조성(예를 들어, 슬러리의 적용량 또는 점도 등)을 적절히 조절하면, 제 1 영역과 제 2 영역의 평균 기공 크기가 같거나, 다르더라도 크 편차가 크기 않은 패턴화 금속폼이 형성될 수도 있다. 상기에서, 기공의 크기는 그 기공 장축의 길이를 의미할 수 있다.

일 예시에서, 패턴화 금속폼의 제 1 영역과 제 2 영역은 기본적으로 금속폼이기 때문에, 적어도 다공성일 수 있다. 예를 들어, 제 1 영역과 제 2 영역 중 적어도 하나의 영역의 기공도(porosity)는 약 30 % 이상일 수 있다. 상기에서 기공도는 금속층의 밀도를 계산하여 공지의 방식으로 산출할 수 있다. 상기 기공도는 다른 예시에서 35 % 이상, 40 % 이상, 45 % 이상, 50 % 이상, 55 % 이상, 60 % 이상 또는 65 % 이상이거나, 99 % 이하, 95 % 이하, 90 % 이하, 85 % 이하, 80 % 이하 또는 75 % 이하 정도일 수 있다. 상기에서, 제 1 영역과 제 2 영역의 평균 기공도는 서로 같을 수도 있고, 서로 다를 수도 있다. 예를 들어, 후술하는 것처럼 상기 제 2 영역을 형성하기 위해서 적용되는 슬러리의 조성(예를 들어, 슬러리의 적용량 또는 점도 등)을 적절히 조절하면, 제 1 영역과 제 2 영역의 기공도가 같거나, 다르더라도 크 편차가 크기 않은 패턴화 금속폼이 형성될 수도 있다.

상기 금속폼을 구성하는 금속의 종류는 특별히 제한되지 않는다. 그러나, 본 출원의 패턴화 금속폼은 방열 소재로도 적용할 수 있기 때문에, 일 예시에서는 제 1 금속 성분 및 제 2 금속 성분 중 적어도 하나로 열전도성 금속의 성분을 적용하는 것이 적절할 수 있다. 예를 들어, 제 1 금속 성분으로는 열전도성 금속을, 제 2 금속 성분으로는 열전도성이 아닌 금속을 적용할 수 있고, 혹은 제 1 금속 성분으로는 열전도성이 아닌 금속을, 제 2 금속 성분으로는 열전도성 금속을 적용할 수 있으며, 또는 제 1 및 제 2 금속 성분 모두 열전도성 금속을 적용할 수도 있다.

한편, 패턴화 금속폼의 열전도성 향상의 관점에서는 제 1 금속 성분 및 제 2 금속 성분 모두로서 열전도성 금속 성분을 적용할 수도 있다. 상기에서, 제 1 금속 성분 및 제 2 금속 성분으로서, 모두 열전도성 금속 성분을 적용하는 경우, 제 1 금속 성분과 제 2 금속 성분으로 서로 다른 종류의 열전도성 금속 성분을 적용할 수도 있다.

일 예시에서, 열전도성 금속은 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 이상일 수 있다. 금속 성분은, 그 열전도도가 높을수록 우수한 방열 효율을 가지는 금속폼이 얻어질 수 있어서, 그 상한은 특별히 제한되는 것은 아니며, 예를 들면, 약 1,000 W/mK 이하 정도일 수 있다.

본 출원에서 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.

일 예시에서, 열전도성 금속은 열전도성 금속은 철, 코발트, 구리, 금, 알루미늄, 은, 니켈, 몰리브덴, 백금, 주석 또는 마그네슘일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.

한편, 제 1 금속 성분으로만 열전도성 금속을 적용하는 경우, 제 2 금속 성분으로는 적정한 상대 투자율과 전도도를 가지는 금속을 적용할 수도 있다.

예를 들어, 제 2 금속 성분으로는 상대 투자율이 90 이상인 금속을 적용할 수 있다. 상기에서 상대 투자율(μr)은, 해당 물질의 투자율(μ)과 진공속의 투자율(μ0)의 비율(μ/μ0)이다. 본 출원에서 사용하는 상기 금속은 상대 투자율이 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. 상기 상대 투자율은 그 수치가 높을 수록 후술하는 유도 가열을 위한 전자기장의 인가 시에 보다 높은 열을 발생하게 되므로 그 상한은 특별히 제한되지 않는다. 일 예시에서 상기 상대 투자율의 상한은 예를 들면, 약 300,000 이하일 수 있다.

상기 제 2 금속 성분의 금속은 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 금속일 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.

전술한 상대 투자율 및 전도도를 가지는 금속 성분을 편의상 전도성 자성 금속으로도 호칭할 수 있다. 상기 전도성 자성 금속을 제 2 금속 성분으로 적용할 때에는, 후술하는 유도 가열 공정이 진행될 경우에 소결을 보다 효과적으로 진행할 수도 있다. 전술한 전도성 자성 금속으로는 니켈, 철 또는 코발트 등이 예시될 수 있다.

상기 금속폼 내의 기공의 형태는 특별히 제한되지 않고, 제 1 영역과 제 2 영역의 기공의 형태 또한 서로 같거나 다를 수도 있다. 예를 들면, 상기 기공은, 대략 구형, 침상, 판형, 덴드라이트형 또는 성형(star shape) 등의 다양한 형태를 가질 수 있다.

본 출원은 또한, 패턴화 금속폼의 제조 방법에 관한 것이다. 상기 제조 방법은, 금속폼 상에 금속폼과는 다른 금속 입자를 포함하는 슬러리를 직접 코팅 및 소결하여 금속폼 내에 합금 패턴을 형성하는 단계를 포함한다. 이와 같은 방식으로 제조된 패턴화 금속폼은 얇은 두께이면서, 높은 기공도와 작은 기공 크기를 가질 수 있다. 또한, 이러한 방식으로 제조된 패턴화 금속폼은 추후 고분자 성분 등과 배합할 때 고분자 성분과의 향상된 결합력을 가질 수 있다.

상기 제조 방법에서 합금 패턴을 형성하기 위한 슬러리는 기본적으로 제 2 금속 성분을 기본적으로 포함한다. 금속폼을 구성하는 성분으로는 전술한 제 1 금속 성분을 적용할 수 있고, 합금 패턴을 형성하기 위한 슬러리를 구성하는 성분으로는 전술한 제 2 금속 성분을 적용할 수 있다. 따라서, 상기 제 1 금속 성분과 제 2 금속 성분에 대한 설명은 본 출원의 제조 방법에서도 동일하게 적용할 수 있다.

금속폼을 제조하는 방법은 다양하게 공지되어 있다. 본 출원에서는 이러한 공지의 방식으로 제조한 금속폼이 적용될 수도 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 있고, 이러한 방식은 본 출원에서 모두 적용될 수 있다. 예를 들면, 상기 제 1 금속 성분을 포함하는 슬러리를 코팅한 다음, 소결하는 방식으로 상기 금속폼을 제조할 수 있다.

이하에서는, 합금 패턴을 형성하기 위한 슬러리와 이를 이용하여 금속폼 내에 패턴화된 합금을 형성하는 방식을 위주로 본 출원의 제조 방법에 대해서 보다 상세하게 설명한다.

일 예시에서, 합금 패턴을 형성하기 위한 슬러리가 포함하는 제 2 금속 성분은 입자 또는 분말 형태일 수 있다. 상기 금속 입자의 형태는 목적하는 금속폼의 기공도나 기공 크기 또는 기공 형태 등을 고려하여 적절하게 선택될 수 있다. 예를 들면, 상기 금속 입자는, 대략 구형, 침상, 판형, 덴드라이트형 또는 성형(star shape) 등의 다양한 형태를 가질 수 있다.

한편, 제 2 금속 성분으로서 적용될 수 있는 금속 분말의 예는, 목적에 따라 정해지는 것으로 특별히 제한되는 것은 아니며, 전술한 열전도성 금속 또는 전도성 자성 금속 등을 분말 형태로 적용할 수 있다. 금속 분말(Metal Powder)의 크기도 목적하는 기공도나 기공 크기 등을 고려하여 선택되는 것으로 특별히 제한되는 것은 아니지만, 예를 들면, 상기 금속 분말의 평균 입경은, 약 0.1μm 내지 약 200μm의 범위 내에 있을 수 있다. 상기 평균 입경은 다른 예시에서 약 0.5μm 이상, 약 1μm 이상, 약 2μm 이상, 약 3μm 이상, 약 4μm 이상, 약 5μm 이상, 약 6μm 이상, 약 7μm 이상 또는 약 8μm 이상, 약 9μm 이상 또는 약 10μm 이상일 수 있고, 약 150μm 이하, 100μm 이하, 90μm 이하, 80μm 이하, 70μm 이하, 60μm 이하, 50μm 이하, 40μm 이하, 30μm 이하, 20μm 이하 또는 15 μm 이하일 수 있다. 금속 성분 내의 금속으로는 서로 평균 입경이 상이한 분말을 적용할 수도 있다. 상기 평균 입경은, 목적하는 금속폼의 형태, 예를 들면, 금속폼의 두께나 기공도 등을 고려하여 적절한 범위를 선택할 수 있다.

본 출원에서 언급하는 금속 분말의 평균 입경은 D50 입경으로도 불리우는 소위 메디안 입경이다. 이러한 메디안 입경은, 공지의 입도 분석 방식에 의해 구해질 수 있다.

상기 슬러리는 바인더를 추가로 포함할 수 있다. 적용 가능한 바인더의 종류는 특별히 제한되지 않으며, 슬러리의 제조 시에 적용된 금속 입자나 분산제 등의 종류에 따라 적절하게 선택할 수 있다. 예를 들면, 상기 바인더로는, 메틸 셀룰로오스, 에틸 셀룰로오스, 하이드록시프로필메틸 셀룰로오스, 하이드록시에틸셀룰로오스 또는 카복시메틸셀룰로오스 암모늄 등의 탄소수 1 내지 20, 탄소수 1 내지 16, 탄소수 1 내지 12 또는 탄소수 1 내지 8의 알킬기를 가지는 알킬 셀룰로오스 또는 알킬 셀룰로오스 암모늄, 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.

상기와 같은 슬러리 내에서 각 성분의 비율은 특별히 제한되지 않는다. 이러한 비율은 슬러리를 사용한 공정 시에 코팅성이나 성형성 등의 공정 효율을 고려하여 조절될 수 있다.

예를 들면, 슬러리 내에서 바인더는 전술한 제 2 금속 성분 100 중량부 대비 약 0.5 내지 200 중량부의 비율로 포함될 수 있다. 상기 비율은 다른 예시에서 약 1 중량부 이상, 약 3 중량부 이상 또는 약 5 중량부 이상일 수 있고, 약 190 중량부 이하, 180 중량부 이하, 170 중량부 이하, 160 중량부 이하, 150 중량 부 이하, 140 중량부 이하, 130 중량부 이하, 120 중량부 이하, 110 중량부 이하, 100 중량부 이하, 90 중량부 이하, 80 중량부 이하, 70 중량부 이하, 60 중량부 이하, 50 중량부 이하 또는 40 중량부 이하일 수 있다.

본 출원에서, 단위 중량부는 특별히 다르게 규정하지 않는 한, 각 성분 간의 중량의 비율을 의미한다.

상기 슬러리는 또한 분산제를 추가로 포함할 수 있다. 상기에서 분산제로는, 예를 들면, 알코올이 적용될 수 있다. 알코올로는, 메탄올, 에탄올, 프로판올, 펜탄올, 옥타놀, 에틸렌글리콜, 프로필렌글리콜, 펜탄놀, 2-메톡시에탄올, 2-에톡시에탄올, 2-부톡시에탄올, 글리세롤, 텍사놀(texanol) 또는 테르피네올(terpineol) 등과 같은 탄소수 1 내지 20의 1가 알코올 또는 에틸렌글리콜, 프로필렌글리콜, 헥산디올, 옥탄디올 또는 펜탄디올 등과 같은 탄소수 1 내지 20의 2가 알코올 또는 그 이상의 다가 알코올 등이 사용될 수 있으나, 그 종류가 상기에 제한되는 것은 아니다.

슬러리 내에서 분산제는, 상기 제 2 금속 성분 100 중량부 대비 약 10 내지 500 중량부의 비율로 포함될 수 있다. 상기 비율은 다른 예시에서 약 20 중량부 이상, 30 중량부 이상, 40 중량부 이상, 50 중량부 이상, 60 중량부 이상, 70 중량부 이상, 80 중량부 이상 또는 90 중량부 이상일 수 있고, 약 490 중량부 이하, 480 중량부 이하, 470 중량부 이하, 460 중량부 이하, 450 중량부 이하, 440 중량부 이하, 430 중량부 이하, 420 중량부 이하, 410 중량부 이하, 400 중량부 이하, 390 중량부 이하, 380 중량부 이하, 370 중량부 이하, 360 중량부 이하, 350 중량부 이하, 340 중량부 이하, 330 중량부 이하, 320 중량부 이하, 310 중량부 이하, 300 중량부 이하, 290 중량부 이하, 280 중량부 이하, 270 중량부 이하, 260 중량부 이하, 250 중량부 이하, 240 중량부 이하, 230 중량부 이하, 220 중량부 이하, 210 중량부 이하, 200 중량부 이하, 190 중량부 이하, 180 중량부 이하, 170 중량부 이하, 160 중량부 이하, 150 중량부 이하, 140 중량부 이하, 130 중량부 이하, 120 중량부 이하, 110 중량부 이하 또는 100 중량부 이하정도일 수도 있다.

슬러리는 필요하다면, 용매를 추가로 포함할 수 있다. 용매로는 슬러리의 성분, 예를 들면, 상기 제 2 금속 성분이나, 바인더 등의 용해성을 고려하여 적절한 용매가 사용될 수 있다. 예를 들면, 용매로는, 유전 상수가 약 10 내지 120의 범위 내에 있는 것을 사용할 수 있다. 상기 유전 상수는 다른 예시에서 약 20 이상, 약 30 이상, 약 40 이상, 약 50 이상, 약 60 이상 또는 약 70 이상이거나, 약 110 이하, 약 100 이하 또는 약 90 이하일 수 있다. 이러한 용매로는, 물이나 에탄올, 부탄올 또는 메탄올 등의 탄소수 1 내지 8의 알코올, DMSO(dimethyl sulfoxide), DMF(dimethyl formamide) 또는 NMP(N-methylpyrrolidinone) 등이 예시될 수 있지만, 이에 제한되는 것은 아니다. 용매가 적용될 경우에 상기 용매는 상기 바인더 100 중량부 대비 약 50 내지 400 중량부의 비율로 슬러리 내에 존재할 수 있지만, 이에 제한되는 것은 아니다.

상기 슬러리는 상기 언급한 성분 외에도 추가적으로 필요한 공지의 첨가제를 추가로 포함할 수도 있다. 다만, 본 출원의 제조 방법은, 합금 패턴을 형성하기 위한 슬러리로서, 공지의 첨가제 중에서도 특히 발포제 혹은 계면 활성제를 포함하지 않거나, 혹은 포함하더라도 극히 미량(예를 들어, 제 2 금속 성분 100 중량부 대비 0.01 중량부 이하, 0.001 중량부 이하, 또는 0.0001 중량부 이하)으로 상기 성분을 포함하는 슬러리를 사용할 수도 있다.

본 출원에서는 상기와 같은 슬러리를 금속폼 상에 패턴 코팅하는 단계를 포함한다. 상기에서 패턴 코팅은 슬러리를 금속폼 상에 소정 패턴으로 형성하는 것을 의미한다. 이 때 적용되는 패턴의 형태는 특별히 제한되지 않고, 필름의 적용 용도 등을 고려하여 선택될 수 있다. 예를 들어, 규격화 내지는 복합재 적용에 적합하게 하기 위한 관점에서, 상기 패턴의 형상으로는 스트라이프 패턴이 적합할 수 있다.

슬러리를 금속 폼 상에 패턴 코팅하는 방법은 특별히 제한하지 않고, 상기 코팅은 적절한 인쇄 수단, 예를 들어, 각종 디스펜서 등을 사용하여 진행할 수 있다.

본 출원에서는 상기와 같이 금속폼 상에 슬러리를 패턴 인쇄한 후, 그 인쇄된 슬러리를 소결하는 공정을 거쳐 패턴화 금속폼을 형성한다. 도 1은, 상기와 같은 과정에 따라서 금속폼(100) 상에 슬러리(200)를 패턴 코팅하고, 이를 소결하여 패턴화 금속폼(300)을 형성하는 과정을 모식적으로 도시한 것이다.

필요한 경우에 상기 코팅과 소결 공정의 사이에 코팅된 슬러리를 적정 조건에서 건조하는 단계가 수행될 수도 있다. 건조 공정이 진행될 경우에 그 조건은 특별히 제한되지 않으며, 예를 들면, 약 20℃ 내지 150℃ 정도의 범위 내의 온도에서 약 20분 내지 5 시간 정도 동안 수행할 수 있지만, 이에 제한되는 것은 아니다.

상기에서 소결을 수행하는 방식은 특별히 제한되지 않으며, 인쇄된 슬러리의 재료 구성이나 형태 등을 감안하여 적정한 열을 인가하는 공지의 소결법을 적용할 수 있다. 이 때 적용되는 소결 온도와 소결 시간은 특별히 제한되지 않고, 슬러리의 재료 구성이나, 형태 등을 감안하여 설정될 수 있다.

상기 기존의 공지 방식과는 다른 방식으로서, 본 출원에서는 상기 소결을 유도 가열 방식으로도 수행할 수도 있다. 즉, 전술한 바와 같이 슬러리가 제 2 금속 성분으로서, 전도성 자성 금속을 포함하는 경우에는 유도 가열 방식이 적용될 수 있다. 이러한 방식에 의해서 균일하게 형성된 기공을 포함하면서, 기계적 특성이 우수하며, 기공도도 목적하는 수준으로 조절된 금속폼의 제조가 보다 원활하게 될 수 있다.

상기에서 유도 가열은, 전자기장이 인가되면 특정 금속에서 열이 발생하는 현상이다. 예를 들어, 적절한 전도성과 투자율을 가지는 전도성 자성 금속에 전자기장을 인가하면, 금속에 와전류(eddy currents)가 발생하고, 금속의 저항에 의해 줄열(Joule heating)이 발생한다. 본 출원에서는 이러한 현상을 통한 소결 공정을 수행할 수 있다. 본 출원에서는 이와 같은 방식을 적용하여 금속폼의 소결을 단시간 내에 수행할 수 있어서 공정성을 확보하고, 동시에 기공도가 높은 박막 형태이면서도, 작은 기공 크기를 가지고, 고분자 성분과의 결합력이 우수한 패턴화된 금속폼을 제조할 수 있다.

따라서, 상기 소결 공정은, 상기 패턴 코팅된 슬러리에 열 또는 전자기장을 인가하는 단계를 포함할 수 있다.

상기에서 열의 인가는 오븐 등의 적절한 수단을 사용하여 패턴 인쇄된 슬러리를 약 300℃ 내지 2,000℃의 범위 내의 온도에서 30분 내지 10 시간의 범위 내의 시간 동안 처리하여 수행할 수 있다. 또한, 전자기장의 인가에 의해서도 상기 전도성 자성 금속에서 유도 가열 현상에 의해서 줄열이 발생하고, 이에 의해 슬러리는 소결될 수 있다.

이 때 전자기장을 인가하는 조건은 슬러리 내의 전도성 자성 금속의 종류 및 비율 등에 따라서 결정되는 것으로 특별히 제한되지 않는다. 예를 들면, 상기 유도 가열은, 코일 등의 형태로 형성된 유도 가열기를 사용하여 진행할 수 있다. 또한, 유도 가열은, 예를 들면, 100A 내지 1,000A 정도의 전류를 인가하여 수행할 수 있다. 상기 가해지는 전류의 크기는 다른 예시에서, 900A 이하, 800 A 이하, 700 A 이하, 600 A 이하, 500 A 이하 또는 400 A 이하일 수 있다. 상기 전류의 크기는 다른 예시에서 약 150 A 이상, 약 200 A 이상 또는 약 250 A 이상일 수 있다.

유도 가열은, 예를 들면, 약 100kHz 내지 1,000kHz의 주파수로 수행할 수 있다. 상기 주파수는, 다른 예시에서, 900 kHz 이하, 800 kHz 이하, 700 kHz 이하, 600 kHz 이하, 500 kHz 이하 또는 450 kHz 이하일 수 있다. 상기 주파수는, 다른 예시에서 약 150 kHz 이상, 약 200 kHz 이상 또는 약 250 kHz 이상일 수 있다. 상기 유도 가열을 위한 전자기장의 인가는 예를 들면, 약 1분 내지 10시간의 범위 내에서 수행할 수 있다. 상기 인가 시간은 다른 예시에서 약 10분 이상, 약 20 분 이상 또는 약 30 분 이상일 수 있다. 상기 인가 시간은, 다른 예시에서, 약 9시간 이하, 약 8 시간 이하, 약 7 시간 이하, 약 6 시간 이하, 약 5 시간 이하, 약 4 시간 이하, 약 3 시간 이하, 약 2 시간 이하, 약 1 시간 이하 또는 약 30분 이하일 수 있다.

상기 언급한 유도 가열 조건, 예를 들면, 인가 전류, 주파수 및 인가 시간 등은 전술한 바와 같이 전도성 자성 금속의 종류 및 비율 등을 고려하여 변경될 수 있다.

상기 소결은, 상기 열 또는 전자기장의 인가 중 어느 하나의 수단에 의해서 수행하거나, 양자를 동시에 적용하는 방식, 즉 전자기장의 인가와 함께 적절한 열을 인가하는 방식으로도 수행할 수도 있다.

본 출원은 또한, 복합재에 대한 것이다. 본 출원의 복합재는 전술한 패턴화 금속폼과 고분자 성분을 포함할 수 있다. 상기 복합재는 금속폼이 가지는 특유의 표면적 및 기공 특성에 의해서 높은 열전도율을 나타낼 수 있다. 또한, 본 출원의 복합재는 기계적 강도 및 유연성이 우수하고, 산화 및/또는 고온에 대한 안정성, 전기 절연성 등이 우수하며, 다양한 장치에 적용되었을 때 발생하는 박리 문제 등도 해결할 수 있다. 상기 복합재는 또한, 간단하고 경제적인 공정을 통해서 제조될 수도 있다.

복합재에 포함되는 금속폼의 형태는 특별히 제한되지 않으며, 전술한 패턴화 금속폼이 그대로 적용될 수 있다. 예를 들어, 복합재에는 전술한 필름 또는 시트 형태의 패턴화 금속폼이 적용될 수 있고, 본 출원의 복합재에는 금속폼에 상기 금속폼의 표면 및/또는 내부에 존재하는 고분자 성분이 추가된다.

이와 같은 고분자 성분은, 상기 금속폼의 적어도 하나의 표면 상에서 표면층을 형성할 수 있거나, 혹은 금속폼 내부의 기공을 충전한 상태로 존재할 수 있으며, 경우에 따라서는 상기 표면층을 형성하면서 또한 금속폼의 내부 기공을 충전하고 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, 표면의 일부만을 덮도록 형성될 수도 있다.

복합재에서는, 금속폼 내부의 기공을 고분자 성분이 충전하고 있는 상태일 수도 있기에, 복합재의 기공도는 약 10 % 이상일 수 있다. 이와 같이 금속폼 내에 충전된 고분자 성분을 포함하는 경우, 상기 복합재는 우수한 기계적 물성을 확보할 수 있다. 상기 기공도는 다른 예시에서, 15% 이상, 20% 이상, 25% 이상, 30% 이상, 35% 이상, 40% 이상, 45% 이상, 50% 이상, 55% 이상, 60% 이상, 65% 이상 또는 70% 이상이거나, 99% 이하, 98% 이하, 약 95% 이하, 약 90% 이하, 약 85% 이하, 약 80% 이하 또는 약 75% 이하 정도일 수 있다.

복합재는, 전술한 바와 같이 상기 금속폼의 표면 또는 금속폼의 내부에 존재하는 고분자 성분을 추가로 포함하는데, 이러한 복합재의 상기 금속폼의 두께(MT) 및 전체 두께(T)의 비율(T/MT)은, 2.5 이하일 수 있다. 상기 두께의 비율은 다른 예시에서 약 2 이하, 약 1.9 이하, 약 1.8 이하, 약 1.7 이하, 약 1.6 이하, 1.5 이하, 1.4 이하, 1.3 이하, 1.2 이하, 1.15 이하 또는 1.1 이하일 수 있다. 상기 두께의 비율의 하한은 특별히 제한되는 것은 아니나, 일 예시에서 약 1 이상, 약 1.01 이상, 약 1.02 이상, 약 1.03 이상, 약 1.04 이상 또는 약 1.05 이상, 약 1.06 이상, 약 1.07 이상, 약 1.08 이상, 약 1.09 이상, 약 1.1 이상, 약 1.11 이상, 약 1.12 이상, 약 1.13 이상, 약 1.14 이상, 약 1.15 이상, 약 1.16 이상, 약 1.17 이상, 약 1.18 이상, 약 1.19 이상, 약 1.2 이상, 약 1.21 이상, 약 1.22 이상, 약 1.23 이상, 약 1.24 이상 또는 약 1.25 이상일 수 있다. 이러한 두께 비율 하에서 목적하는 열전도도가 확보되면서, 가공성이나 내충격성 등이 우수한 복합재가 제공될 수 있다.

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, 실록산 계열과 같은 실리콘 수지, PET(poly(ethylene terephthalate)) 등의 폴리에스테르 수지, 에폭시 수지, PP(polypropylene) 또는 PE(polyethylene) 등의 올레핀 수지, 우레탄 수지, 폴리아미드 수지, 아미노 수지 및 페놀 수지로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상을 들 수 있지만, 이에 제한되는 것은 아니다.

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 출원은 또한 상기와 같은 형태의 복합재의 제조 방법에 대한 것이다. 상기 제조 방법은, 상기 패턴화 금속폼의 표면 또는 내부에 경화성 고분자 조성물이 존재하는 상태에서 상기 고분자 조성물을 경화시키는 단계를 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.

상기 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.

이와 같은 본 출원의 복합재는 높은 열전도성과 함께 우수한 기계적 강도, 전기 절연성, 산화 내지 열에 대한 저항성 등을 나타내어 높은 투자율이 요구되는 다양한 용도에 적용될 수 있다. 적용될 수 있는 비제한적인 용도로는 방열 소재 등이 있다.

본 출원의 패턴화 금속폼은, 복합재의 형성 시 고분자 수지 등과의 결합력이 우수하다.

또한, 본 출원의 패턴화 금속폼은 얇은 두께를 가지기 때문에, 방열 소재 등의 다양한 분야에 적용될 수 있다.

도 1은 본 출원에서 개시하는 공정을 모식적으로 표현한 도면이다.
도 2는 실시예 1의 금속폼의 사진이다.
도 3은 실시예 1의 금속폼에서 패턴화된 영역의 XRD 분석 결과이다.

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

실시예 1

슬러리의 제조

슬러리는, 주석 입자 파우더(열전도도: 66.8 W/mK, 형태: Sphere, 평균 입경: 약 10 μm)를 바인더(Ethyl Cellulose, EC) 및 분산제(terpinol)와 배합하여 제조하였다. 구체적으로, 바인더와 분산제를 5:95(바인더:분산제)의 중량비로 배합한 혼합물을 제조한 다음, 그 혼합물과 주석 입자 파우더를 약 1:1의 중량비로 배합하여 슬러리를 제조하였다.

패턴화 금속폼의 제조

면적이 12 cmX4 cm(가로X세로) 이고, 두께가 90 μm 정도이며, 기공도가 약 65 %이고, 평균 기공 크기가 약 5 μm 정도인 구리 금속폼 상에 상기 제조된 슬러리를 선폭 5 mm로 약 1 cm의 간격을 두고 패턴 코팅하였다. 패턴 코팅의 형태는 도 2에 나타낸 것과 같다.

이어서, 약 120 ℃의 온도에서 코팅된 금속폼을 건조하고, 건조된 금속폼을 수소/아르곤 가스 분위기에서 약 350 ℃의 온도에서 약 1 시간 동안 열처리하여 패턴화 금속폼을 제조하였다. 도 2는 상기 패턴화 금속폼 표면의 사진이다. 도 2를 참조하면, 두께 약 90 μm 정도인 단일층의 금속폼 내에 선폭이 약 1 cm인 구리로 형성된 영역(a)과, 선폭이 약 5 mm인 구리와 주석의 합금으로 형성된 영역(b)이 교대로 반복되는 패턴을 형성하는 것을 확인할 수 있다.

그 다른 영역의 조성을 확인하기 위하여, 상기 금속폼에서 패턴 코팅된 부위(즉, 제 2 영역)에 대하여 공지의 X선 회절(X-ray diffraction, XRD) 분석기를 이용하여, 그 부위의 XRD 분석을 수행하였다. 상기 XRD 분석 결과를 도 3에 나타내었다. 도 3을 참조하면, 패턴화된 금속폼은 구리로 형성된 영역과 구리와 주석의 합금으로 형성된 영역을 적어도 가지는 점을 확인할 수 있다.

상기 결과를 종합하면, 본 출원의 패턴화 금속폼은 하나의 층 내에 단일 금속의 영역과 그 금속과 다른 금속과의 합금을 포함하는 영역의 패턴을 적어도 포함함을 확인할 수 있다. 이에 따라서, 본 출원의 패턴화 금속폼은 그 표면이 모두 노출될 수 있어서, 다양한 용도, 예를 들어, 고분자 성분과 혼합하여 복합재를 제조할 때 우수한 결합력을 가질 수 있음을 예상할 수 있다.

Claims (13)

1. 제 1 금속 성분을 포함하는 제 1 영역; 및 상기 제 1 금속 성분 및 상기 제 1 금속 성분과는 다른 제 2 금속 성분의 합금을 포함하는 제 2 영역을 포함하고, 제 1 영역 및 제 2 영역은 패턴을 형성하고 있는 패턴화 금속폼.
2. 제 1 항에 있어서, 제 1 영역과 제 2 영역은 하나의 층 내에 존재하는 패턴화 금속폼.
3. 제 1 항에 있어서, 시트 또는 필름 형상인 패턴화 금속폼.
4. 제 3 항에 있어서, 두께가 500 μm 이하인 패턴화 금속폼.
5. 제 1 항에 있어서, 제 1 영역 및 제 2 영역은 스트라이프 패턴을 형성하고 있는 패턴화 금속폼.
6. 제 5 항에 있어서, 제 1 영역 또는 제 2 영역의 선폭은 20 μm 이상인 패턴화 금속폼.
7. 제 1 항에 있어서, 제 1 영역 및 제 2 영역 중 적어도 하나의 영역의 평균 기공 크기가 100 μm 이하인 패턴화 금속폼.
8. 제 1 항에 있어서, 제 1 영역 및 제 2 영역 중 적어도 하나의 영역의 기공도(porosity)가 30 % 이상인 패턴화 금속폼.
9. 제 1 항에 있어서, 제 1 금속 성분 및 제 2 금속 성분 중 적어도 하나는 열전도성 금속의 금속 성분인 패턴화 금속폼.
10. 제 9 항에 있어서, 열전도성 금속은 철, 코발트, 구리, 금, 알루미늄, 은, 니켈, 몰리브덴, 백금, 주석 또는 마그네슘인 패턴화 금속폼.
11. 제 1 항의 패턴화 금속폼 및 상기 금속폼의 표면 또는 내부에 존재하는 고분자 성분을 포함하는 복합재.
12. 제 11 항에 있어서, 고분자 성분은 패턴화 금속폼의 표면에서 표면층을 형성하고 있는 복합재.
13. 제 1 금속 성분을 포함하는 금속폼 상에, 상기 제 1 금속 성분과는 다른 제 2 금속 성분을 포함하는 슬러리를 패턴 코팅하는 단계; 및 상기 패턴 코팅된 슬러리를 소결하는 단계를 포함하는 제 1 항의 패턴화 금속폼의 제조 방법.

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