KR20210080864A - 고방열 질화알루미늄-엘라스토머 복합소재 및 이의 제조 방법 - Google Patents

고방열 질화알루미늄-엘라스토머 복합소재 및 이의 제조 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명의 목적은 3차원 질화알루미늄 다공체와 엘라스토머가 복합화된 복합소재를 제공하여 낮은 무기질 함량에도 열전도도가 높고 유연한 무기소재-고분자 복합소재와 그 제조방법을 제공하는 것이다. 상기 목적을 달성하기 위해 본 발명의 일 측면은, 질화알루미늄을 포함하는 골격과 적어도 부분적으로 서로 연결되는 복수의 기공을 포함하는 질화알루미늄 다공체와, 상기 질화알루미늄 다공체를 둘러싸는 엘라스토머(elastomer)를 포함하는, 질화알루미늄-엘라스토머 복합소재를 제공한다. 또한, 본 발명의 다른 측면은, 알루미늄 금속폼을 가열하여 열산화시켜 산화알루미늄 다공체를 만드는 열산화 단계, 상기 열산화된 산화알루미늄 다공체를 탄소분말과 섞고 질소분위기에서 열처리하여 질화알루미늄 다공체를 만드는 질화 단계 및 상기 질화알루미늄 다공체에 엘라스토머를 충진시키는 엘라스토머 충진 단계를 포함하는 질화알루미늄-엘라스토머 복합소재 제조방법을 제공한다.

Description

고방열 질화알루미늄-엘라스토머 복합소재 및 이의 제조 방법{High heat-dissipating AlN-Elastomer composites and fabrication method thereof}
고방열 질화알루미늄-엘라스토머 복합소재 및 이의 제조 방법에 관한 것으로, 본 발명에 의한 복합소재는 3차원 구조의 기공을 포함하는 질화알루미늄 구조체와 기공을 채우는 엘라스토머를 포함하는 복합소재로서, 상기 질화알루미늄 구조체의 연결성 구조에 의해 향상된 방열특성을 가지게 되어 유연 전자기기등에 다양하게 적용가능한 방열 복합소재에 관한 것이다.
유연 및 폴더블 전자기기는 인간 삶의 편리성과 기기의 효율적 사용을 극대화할 수 있는 미래핵심제품으로 각광받아왔다. 특히, 고분자 재료는 대부분 투명하고 비중이 낮으며 가공성 및 유연성이 우수하여 유연 및 폴더블 전자기기 산업분야에서 주요 부품소재로 이용되고 있다. 그러나 금속이나 세라믹에 비해 낮은 기계적 강도, 열전도성 등 때문에 고성능의 응용소재 및 소자를 구현하기에는 치명적인 단점으로 작용했다. 또한 소재의 유연성뿐만 아니라, 성능을 극대화하기 위한 방안으로 소자의 고집적화 경향이 가속화됨에 따라 발생하는 열을 효율적으로 제거하는 방열소재에 대한 관심도 높아지고 있다. 따라서 고분자 재료의 열적 물성을 획기적으로 향상시키기 위한 수많은 연구가 진행되었으며, 그 핵심은 열적 물성이 우수한 무기재료를 고분자 재료와 혼합하여 성능향상을 도모하고 이를 통하여 새로운 제품과 부가가치를 창출하고자 했다.
첫 번째 방법으로 판상, 나노 입자, 나노 와이어 형태의 나노 수준의 재료들을 첨가제로 넣어 고분자 나노 복합체의 열적 물성을 향상시키는 것이다. 열전도도가 높은 세라믹 (Al2O3: 30 W/mK, AlN: 320 W/mK) 나노입자 뿐만 아니라, 이론적 열전도도가 우수한 그래핀 (~3500 W/mK) 및 탄소나노튜브(~3000 W/mK)를 이용하여 고분자 나노 복합체의 열전도성을 크게 향상 시켰다. 또한, 첨가제로 들어가는 재료들의 형태를 제어함으로써 고분자 수지 내 첨가제의 연결성을 향상시켜 고열전도도 고분자 나노 복합체 제작에 대해서도 많은 연구가 진행되었다. 그러나 위에서 언급한 무기재료 입자들은 일정이상(> 30vol%)의 분율이 첨가되었을 때 비로소 무기재료들이 연결되어 열전달이 일어나게 된다. 이에 따라 과도한 분율의 무기재료가 첨가되게 되고 이는 기계적, 광학적 물성의 저하시킨다는 문제점을 가지고 있다.
두 번째 방법으로는 열전도성 재료의 폼(foam)을 형성 시켜 앞서 말한 일정 이상의 분율에서만 나타나는 무기재료의 연결성 문제를 해결하는 것이다. 이에 대한 구체적 방법으로써 그래핀이나 탄소나노튜브로 에어로젤(aerogel)를 형성하고 고분자 재료와 복합화 시키는 방법이 있다. 그러나 이 방법 또한 넓은 면적에서 균일한 폼을 제작하기 힘들고 낮은 재현성의 문제를 가지고 있기 때문에 상용화 되기에는 어려움이 있다.
이에 따라, 본 특허에서는 3차원 마이크로 구조의 기공을 가지는 질화알루미늄을 제작하고 유연한 고무 재료를 충진 시키는 방법을 통하여 넓은 면적에서 신뢰성 있고 전면적에서 방열특성이 우수한 질화알루미늄이 연결되어 있으므로 낮은 질화알루미늄 첨가분율에서도 열전도도 향상효과를 극대화 시킬 수 있는 고분자 복합소재의 제작 방법을 제시하고자 한다.
대한민국공개특허공보 제10-2016-0122172호
본 발명의 목적은 3차원 질화알루미늄 다공체와 엘라스토머가 복합화된 복합소재를 제공하여 낮은 무기질 함량에도 열전도도가 높고 유연한 무기소재-고분자 복합소재와 그 제조방법을 제공하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위해 본 발명의 일 측면은, 질화알루미늄을 포함하는 골격과 적어도 부분적으로 서로 연결되는 복수의 기공을 포함하는 질화알루미늄 다공체와, 상기 질화알루미늄 다공체를 둘러싸는 엘라스토머(elastomer)를 포함하는, 질화알루미늄-엘라스토머 복합소재를 제공한다.
또한, 본 발명의 다른 측면은, 알루미늄 금속폼을 가열하여 열산화시켜 산화알루미늄 다공체를 만드는 열산화 단계, 상기 열산화된 산화알루미늄 다공체를 탄소분말과 섞고 질소분위기에서 열처리하여 질화알루미늄 다공체를 만드는 질화 단계 및 상기 질화알루미늄 다공체에 엘라스토머를 충진시키는 엘라스토머 충진 단계를 포함하는 질화알루미늄-엘라스토머 복합소재 제조방법을 제공한다.
본 발명을 통해, 방열 특성이 우수한 질화알루미늄과 유연성이 우수한 엘라스토머를 복합화한 복합소재와 그 제조방법을 제공함으로써 유연기기와 같은 다양한 분야에 적용이 가능한 방열 소재를 제공할 수 있게 된다.
도 1은 본 발명에 따른 질화알루미늄-엘라스토머 복합소재 이미지이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 질화알루미늄 다공체의 개략도를 나타낸다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 질화알루미늄 다공체의 개략도를 나타낸다.
도 4는 본 발명에 따른 질화알루미늄-엘라스토머 복합소재를 제조하기 위한 일 실시예에 따른 제조공정 흐름도를 나타낸다.
도 5는 본 발명에 따른 질화알루미늄-엘라스토머 복합소재를 제조하기 위한 일 실시예에 따른 제조공정 흐름도를 나타낸다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 질화알루미늄-엘라스토머 복합소재를 제조하는 과정에서 나타나는 중간재 및 최종 제품의 개략도이다.
도 7은 본 발명에 따른 질화알루미늄-엘라스토머 복합소재를 제조하기 위한 일 실시예에 따른 제조공정 흐름도를 나타낸다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 질화알루미늄-엘라스토머 복합소재를 제조하는 과정에서 나타나는 중간재 및 최종 제품의 개략도이다.
이하 본 발명의 실시예에 대하여 첨부된 도면을 참고로 그 구성 및 작용을 설명하기로 한다. 하기에서 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략할 것이다. 또한, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 '포함'한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
본 발명에 따라, 질화알루미늄을 포함하는 골격과 적어도 부분적으로 서로 연결되는 복수의 기공을 포함하는 질화알루미늄 다공체와, 상기 질화알루미늄 다공체를 둘러싸는 엘라스토머(elastomer)를 포함하는, 질화알루미늄-엘라스토머 복합소재를 제공한다.
질화알루미늄은 320 W/mK 에 달하는 높은 열전도 특성을 가지고 있어서 방열 소재로서 많이 사용되고 있다. 그런데, 질화알루미늄은 무기소재로서 유연성이 없기 때문에 유연기기와 같은 부품에 질화알루미늄을 이용하여 방열을 하기 위해서는 상술한 바와 같이 폴리머 매트릭스에 분말 형태의 무기분말을 혼합하여 사용한다. 이처럼 질화알루미늄도 폴리머와 섞어 사용하게 되는데 질화알루미늄 서로 간의 연결에 필요한 일정량 이상이 혼합되어야 하고 따라서 최종 복합재의 유연성과 광학특성이 매우 떨어지게 된다.
이러한 문제를 극복하기 위해 본 발명에서는 열전도도가 뛰어난 질화알루미늄을 포함하는 3차원 구조의 기공을 가지는 다공체에 탄성이 우수한 엘라스토머(elastomer)를 충진시켜 질화알루미늄-엘라스토머 복합소재를 제공한다. 엘라스토머는 탄성중합체라고도 불리우는데, 고무와 같은 탄성체이면서 플라스틱처럼 다양한 성형이 가능한 특성이 있다.
3차원 구조의 기공을 가지는 질화알루미늄 다공체는 서로 연결되어 있기 때문에 우수한 열전도 특성을 가지고 있는데, 그 자체로는 세라믹 소재의 특성상 유연성이 떨어지게 된다. 여기에 탄성이 우수한 엘라스토머를 기공 사이로 채워 넣음으로써 질화알루미늄 다공체를 통해 높은 열전도도를, 그리고 엘라스토머를 통해 높은 유연성을 가지는 복합소재를 얻을 수 있게 된다.
이러한 질화알루미늄-엘라스토머 복합소재의 예는 도 1에 나타내었다. 도 1에서 3차원 질화알루미늄 다공체(300)가 엘라스토머(450)에 둘러싸여 질화알루미늄-엘라스토머 복합소재(400)를 형성하고 있는 것을 볼 수 있다.
본 발명에서 상기 질화알루미늄을 포함하는 골격은 속이 빈 중공 상태인 질화알루미늄-엘라스토머 복합소재를 제공한다.
질화알루미늄 다공체에서 골격이 중공 형태로 형성됨에 따라, 그 밀도는 더 낮아지고 엘라스토머가 이러한 중공에도 충진됨에 따라 충진 비율이 높아지기 때문에 유연성은 더 높아지게 된다.
이러한 질화알루미늄 다공체에 대해서는 도 2를 통해 보다 자세히 나타내었다. 도 2는 질화알루미늄 다공체(210)에서 질화알루미늄 골격(211)과 그 내부는 속이 빈 중공 상태(212)인 것을 나타내는 개략도이다.
또한, 본 발명에서 상기 질화알루미늄을 포함하는 골격은 심부는 알루미늄을 포함하고 표면은 질화알루미늄인 산화알루미늄-엘라스토머 복합소재를 제공한다.
상기와 같이 질화알루미늄 다공체에서 다공체의 골격은 코어-쉘(core-shell) 구조로서 심부는 알루미늄 금속을 포함하고, 표면은 질화알루미늄으로 이루어지게 되면 심부에 있는 알루미늄 금속을 통해 질화알루미늄 다공체 전체의 인성이 증가하게 된다. 또한 알루미늄 금속 또한 높은 열전도도를 가지기 때문에 질화알루미늄-엘라스토머 복합소재의 방열특성은 향상된다.
이러한 질화알루미늄 다공체에 대해서는 도 3을 통해 보다 자세히 나타내었다. 도 3는 질화알루미늄 다공체(200)에서 질화알루미늄 골격(201)과 알루미늄 금속을 포함하는 심부(202)를 나타내는 개략도이다.
본 발명에서, 상기 복수의 기공은 크기가 10 ~ 3,000 ㎛인 질화알루미늄-엘라스토머 복합소재를 제공한다. 기공의 크기가 너무 작으면 엘라스토머를 기공 안으로 채워넣기가 어렵게 되고, 반대로 너무 크면 질화알루미늄 다공체의 기계적 강도가 낮아질 수 있기 때문에 바람직하지 않다. 따라서, 기공의 크기는 엘라스토머의 충진 효율과 질화알루미늄 다공체의 강도를 고려할 때 10 ~ 3,000 ㎛인 것이 바람직하다.
본 발명에서, 상기 엘라스토머는 실리콘 고무인 질화알루미늄-엘라스토머 복합소재를 제공한다.
엘라스토머는 다양한 종류가 있는데 유연성과 광학특성이 우수하고 비교적 저가의 상용 엘라스토머로는 실리콘을 포함하는 실리콘 고무 등이 있다. 또한 실리콘 고무는 내열성이 우수하여 방열 소재에 적합하고, 인체에 무해하기 때문에 다양한 분야에 적용이 가능하며 수명이 길다. 예를 들면 PDMS(Polydimethylsiloxane)는 투명하면서 표면에너지가 낮아 침투성이 우수하고, 비활성의 특성이 있다. 따라서 실리콘 고무는 질화알루미늄 다공체의 기공을 채워주고 여기에 유연성을 부여하기에 적합한 엘라스토머가 될 수 있다.
또한 본 발명에서, 상기 질화알루미늄 다공체의 두께는 1 ~ 10 mm인 질화알루미늄-엘라스토머 복합소재를 제공한다. 질화알루미늄 다공체의 두께가 너무 얇으면 구조체의 강도가 낮아 공정 중 취급하기 어렵고 너무 두꺼우면 엘라스토머가 충진되어 만들어지는 복합소재가 충분한 유연성을 가지지 못할 수 있다. 또한, 다양한 응용소재에 적용되기 위해서는 얇은 것이 바람직하다. 따라서, 질화알루미늄 다공체는 충분한 강도를 위해 1 mm 이상이고 유연성 및 다양한 적용성을 위해 10 mm 이하인 것이 바람직하다.
본 발명의 또 다른 측면에서는, 알루미늄 금속폼을 가열하여 열산화시켜 산화알루미늄 다공체를 만드는 열산화 단계, 상기 열산화된 산화알루미늄 다공체를 탄소분말과 섞고 질소분위기에서 열처리하여 질화알루미늄 다공체를 만드는 질화 단계 및 상기 질화알루미늄 다공체에 엘라스토머를 충진시키는 엘라스토머 충진 단계를 포함하는 질화알루미늄-엘라스토머 복합소재 제조방법을 제공한다.
이처럼 본 발명에서는 상용의 알루미늄 금속폼을 산화시키고 탄소환원질화법을 통해 간단하게 질화알루미늄 다공체를 제조하고 여기에 엘라스토머를 충진시킴으로써 질화알루미늄-엘라스토머 복합소재를 제조하는 방법을 제공할 수 있게 된다.
열산화 단계에서는 알루미늄 금속폼을 산화시켜 금속폼의 형상이 그대로 유지되는 산화알루미늄 다공체를 만들게 된다. 이렇게 만들어진 산화알루미늄 다공체를 탄소와 혼합한 후 질소 분위기에서 열처리하는 탄소환원질화법을 통해 질화 단계를 거치게 된다. 질화반응은 아래의 반응식(1)에 따라 일어나게 되는데, 질소가스는 질화알루미늄의 질소 원료이면서 동시에 만들어지는 일산화탄소를 제거하는 역할을 하게된다.
Al2O3 (s) + 3 C (s) + N2 (g) → 2 AlN (s) + 3 CO (g) (1)
이러한, 탄소환원질화법은 대규모 생산에서 고순도 질화알루미늄을 얻을 수 있는 방법이어서 실제 공업적 생산에서 가장 많이 사용되는 방법이다.
또한, 본 발명에서는, 상기 열산화 단계는 상기 알루미늄 금속폼을 600~1,050℃ 에서 열처리하여 산화시키는 1차 열산화 공정 및 상기 1차 열산화 공정을 통해 열산화된 상기 알루미늄 금속폼을 1,050~1,600℃ 에서 열처리하여 추가 산화시키는 2차 열산화 공정을 포함하는 질화알루미늄-엘라스토머 복합소재 제조방법을 제공한다.
일반적으로 알루미늄 금속과 이러한 알루미늄이 고온에서 산화되어 만들어지는 알루미늄 산화물은 그 결정구조, 격자상수 등이 다르게 된다. 또한, 산화 반응 중 발열반응이 일어나 국부적으로 온도가 급격히 올라가기도 한다. 따라서, 급격히 고온으로 승온하여 빠르게 알루미늄 산화물을 만드는 경우 만들어지는 알루미늄 산화물은 치밀하지 못하고, 급속한 반응으로 안정상이 아닌 비정질상, 중간상 등이 만들어지며, 알루미늄 금속과의 밀착력이 떨어지는 등 구조적으로 취약하게 된다. 따라서, 이러한 반응을 통해 만들어진 알루미늄 산화물은 작은 응력 또는 자체 하중에 의해 부서지기 쉬운 문제가 있게 되고, 다음 단계인 질화 단계로의 이동이나 질화 단계에서의 질화 반응 중 손상이 될 가능성이 높다. 또한, 다양한 결정상, 비정질상 등이 혼재하는 불균일한 산화물상이 포함됨에 따라 질화 반응에서 불균질한 질화알루미늄이 생성될 가능성이 높다.
이러한 문제를 방지하기 위해 본 발명의 일측면에서는 600~1,050℃에서 알루미늄 금속폼을 1차 열산화시켜 우선 산화알루미늄층을 치밀화시킨다. 알루미늄은 1,050℃를 경계로 그 이하에서는 γ-알루미나가 그 이상에서는 α-알루미나가 안정상이 되는데, 바로 1,050℃ 이상으로 가열하여 산화반응을 진행하면 α-알루미나, γ-알루미나, 비정질상 알루미나 등이 무질서하게 혼재되고 밀도가 낮은 산화막이 만들어지게 되어 기계적으로 매우 약하게 된다. 따라서, 본 발명에서는 1차 열산화 공정에서 1,050℃ 이하에서 충분히 β-알루미나를 생성시킴으로써 산화알루미늄층을 치밀화시킨다. 또한, 600℃ 미만의 온도에서는 열산화가 충분히 이루어지기 힘들고 열산화 공정에 너무 오랜 시간이 걸리기 때문에 600℃ 이상인 것이 바람직하다.
이후 2차 열산화 공정에서는 1,050~1,600℃ 으로 가열하여 1차 열산화 공정에서 생성된 산화알루미늄을 모두 안정된 α-알루미나로 변환시킨다. α-알루미나로 변환을 위해서는 1,050℃ 이상의 고온으로 열처리가 필요하고, 한편 1,600℃를 넘어가면 이러한 가열이 가능한 열처리로는 장치 비용이 높아서 공정 비용면에서 바람직하지 않기 때문에 1,600℃ 이하일 필요가 있다. 이렇게 만들어지는 산화알루미늄층은 기계적 강도가 뛰어나고 고순도를 유지하게 된다.
이렇게 알루미늄 금속폼을 이용하여 간단하게 산화알루미늄 다공체를 제조하고 이를 탄소환원질화법을 통해 질화시키면 공정 중 손상될 위험이 적고, 고순도 알루미나를 통해 질화가 진행되기 때문에 만들어지는 질화알루미늄의 경우도 순도가 높고 이에 따라 열전도 특성도 높게 된다. 이렇게 만들어지는 질화알루미늄에 엘라스토머를 충진시키면 질화알루미늄-엘라스토머 복합소재가 만들어지게 된다.
이러한 제조방법의 예시적 흐름도를 도 4 및 도 5에서 나타내었다. 도 4는 알루미늄 금속 폼을 준비하는 단계(S100) 후 열산화 단계(S200), 질화 단계(S400)를 거쳐 엘라스토머 충진 단계(S500)를 나타낸다. 또한, 도 5는 열산화단계가 600~1,050℃ 에서 이루어지는 1차 열산화 공정(S210)과 1,050~1,600℃ 에서 이루어지는 2차 열산화 공정(S220)을 포함하는 경우의 공정 흐름도를 나타낸다.
이를 도 6에서의 구조체와 비교하면 단계(S100)에서 준비되는 알루미늄 금속폼(100)은 이후 열산화 단계(S200)를 거쳐 산화알루미늄 다공체(200)가 만들어지고, 질화 단계(S300)에서 질화되어 질화알루미늄 다공체(300)가 만들어지게 된다. 여기에 엘라스토머 충진 단계(S400)에서 엘라스토머(410)가 충진되면서 질화알루미늄-엘라스토머 복합소재(400)가 만들어지게 된다.
본 발명에서는 상기 열산화 단계와 상기 질화 단계 사이에, 잔류물 제거단계를 더 포함하고, 상기 잔류물 제거단계는 상기 열산화 단계에서 만들어지는 산화알루미늄 다공체를 산세정하여 잔류금속을 제거하는 산세정 공정 및 상기 산세정된 산화알루미늄 다공체를 열처리하는 후열처리 공정을 포함하여 잔류금속이 제거된 산화알루미늄 다공체를 만드는, 질화알루미늄-엘라스토머 복합소재 제조방법을 제공한다.
알루미늄 금속폼을 열산화를 통해 알루미늄 금속 골격의 표면에 산화알루미늄층을 형성하게 되면 이러한 산화알루미늄층이 추가적인 산화반응에 대한 보호막 역할을 하면서 골격의 심부에는 알루미늄 금속 재질이 남아있게 된다. 이렇게 남아 있는 알루미늄 금속 재질은 질화 반응 후에도 남아 질화알루미늄 다공체의 기계적 특성, 열전도 특성 등에 긍정적 효과를 보일 수도 있으나, 절연 특성이 요구되는 분야에서는 이러한 금속 재질은 불순물이 되어 제거되는 것이 바람직하다. 이러한 금속 재질의 제거는 산성 용액에서 처리하여 녹여 없애는 것이 비용적, 효과적으로 가장 바람직하다.
산세정이 완료된 후에는 잔류하는 산 또는 불순물을 제거하고 잔류 알루미늄의 완전한 산화를 위해 후열처리 공정을 진행하고, 이후 질화 단계와 엘라스토머 충진 단계를 거쳐 최종적으로 질화알루미늄-엘라스토머 복합소재를 만들게 된다.
본 발명은, 상기 산세정 공정에서 상기 산성 용액은 FeCl3, H2SO4, HNO3 으로부터 선택되는 어느 하나 이상을 포함하는 용액인 질화알루미늄-엘라스토머 복합소재 제조방법을 제공한다.
금속산화물 층 내에 잔류하는 금속 잔류 금속을 녹이기 위해서는 강산이 필요하고 이를 위해 효과적이면서 비용적으로 가장 적합한 산으로는 FeCl3, H2SO4, HNO3 이 있다. 이러한 강산을 적절한 비율로 희석하여 세정함으로써 열산화 처리 후 잔류하는 금속을 효과적으로 제거할 수 있게 된다.
또한 본 발명에서, 상기 후열처리 공정에서 열처리 온도는 1,050℃ ~ 1,600℃인 질화알루미늄-엘라스토머 복합소재 제조방법을 제공한다.
산세정이 완료된 산화알루미늄 다공체에는 잔류하는 산이나 알루미늄이 소량 남아 있을 수 있다. 어러한 잔류하는 불순물을 제거하기 위해서는 1,000℃ 이상의 고온이 필요하고, 특히 잔류하는 알루미늄을 완전히 α-알루미나로 변환시키기 위해서는 1,050℃ 이상의 고온으로 열처리가 필요하다. 한편 1,600℃를 넘어가면 이러한 가열이 가능한 열처리로는 장치 비용이 높아서 공정 비용면에서 바람직하지 않기 때문에 1,600℃ 이하일 필요가 있다. 따라서, 후열처리 공정에서 열처리 온도는 1,050℃ ~ 1,600℃인 것이 바람직하다.
이러한 제조방법의 예시적 흐름도와 그에 따라 만들어지는 구조체의 예를 도 7 및 도 8에서 나타내었다. 도 7은 알루미늄 금속폼을 준비하는 단계(S100) 후 열산화 단계(S200)를 거쳐 산세정 공정(S510)과 후열처리 공정(S520)을 포함하는 잔류물 제거단계(S500) 후 질화 단계(S300)와 엘라스토머 충진 단계(S400)를 통해 최종 질화알루미늄-엘라스토머 복합소재가 만들어지게 된다. 열산화단계(S200)는 600~1,050℃ 에서 이루어지는 1차 열산화 공정과 1,050~1,600℃에서 이루어지는 2차 열산화 공정을 포함할 수 있다.
이를 도 8에서의 구조체 이미지와 비교하면 알루미늄 금속폼(100)은 열산화 단계를 거쳐 산화알루미늄 다공체(200)가 만들어지고, 이후 산세정 공정을 거쳐 금속 잔류물이 제거된 산화알루미늄 다공체(210)를 만든 후 이를 후열처리하여 최종적으로 순수한 산화알루미늄 다공체(220)를 제공한다. 이러한 순수한 산화알루미늄 다공체(220)를 질화반응을 통해 질화시켜 질화알루미늄 다공체(300)를 만든 후 엘라스토머(450)를 충진하여 질화알루미늄-엘라스토머 복합소재(400)를 완성하게 된다.
또한, 본 발명에서는 상기 1차 열산화 공정에서 상기 열처리를 위한 온도까지의 승온 속도는 분당 5℃ 이하인 질화알루미늄-엘라스토머 복합소재 제조방법을 제공한다.
상술한 바와 같이 열산화 단계 중 600~1,050℃에서 열처리하는 1차 열산화 공정의 목적은 알루미늄 금속폼의 표면에 치밀한 산화알루미늄층을 형성하는 것이다. 이러한 치밀한 산화알루미늄층을 형성하기 위해서는 산화반응을 제어하는 것이 필요한데, 급속한 열처리 온도 상승은 발열반응에 의한 온도 상승 등이 일어나 산화반응 제어를 어렵게 하여 치밀도가 떨어지는 산화알루미늄층이 형성되게 한다. 이렇게 만들어지는 산화알루미늄을 질화처리하면 마찬가지로 치밀도가 떨어져 방열특성이 좋지 않고 기계적 강도도 낮아지게 된다. 따라서, 승온 속도는 분당 5도℃ 이하인 것이 바람직하고, 더 바람직하게는 분당 3℃ 이하이다.
본 발명에서, 상기 1차 열산화 공정에서 상기 열처리를 위한 유지시간은 6 ~ 36시간인, 질화알루미늄-엘라스토머 복합소재 제조방법을 제공한다.
알루미늄 금속폼의 표면에 치밀한 산화알루미늄층을 형성시키는 1차 열산화 공정에서는 충분한 시간을 두고 열처리를 진행함으로써 알루미늄 금속폼 표면 전체에 빠짐없이, 치밀한 금속산화물층이 형성되도록 하는 것이 바람직하다. 이처럼 열처리 시간이 긴 것이 품질상에서는 유리하지만 비용적인 부분에서는 열처리 시간이 길게 되면 장치 투자비와 운용비용이 증가하는 마이너스 요소가 있기 때문에 적절한 시간에서 열처리하는 것이 바람직하다. 따라서, 1차 열산화 단계에서 열처리를 위한 시간은 산화알루미늄층의 품질을 위해서는 최소 6시간 이상이 필요하고 공정 운영을 고려한다면 36시간 이하인 것이 바람직하다.
또한, 본 발명에서는 상기 2차 열산화 공정에서 상기 열처리를 위한 온도를 조절함으로써 생성되는 산화알루미늄층의 두께를 조절하는, 질화알루미늄-엘라스토머 복합소재 제조방법을 제공한다.
2차 열산화 공정에서는 열처리 온도를 조절함으로써 산화알루미늄층의 두께를 조절할 수 있는데, 열처리 온도가 높아질 수록 산화알루미늄층의 두께는 더 두꺼워질 수 있기 때문에 2차 열산화 공정의 열처리 온도를 통해 산화알루미늄 다공체의 산화알루미늄층의 두께를 조절할 수 있다. 산화알루미늄층의 두께는 산화알루미늄 다공체와 그로부터 만들어지는 질화알루미늄 다공체의 기계적 특성을 크게 좌우하기 때문에 원하는 물성에 따라 2차 열산화 공정의 온도를 조절함으로써 산화알루미늄층의 두께를 조절하여 제조할 수 있게 된다.
또한, 본 발명에서는 상기 알루미늄 금속폼은 개방형 기공을 포함하는, 질화알루미늄-엘라스토머 복합소재 제조방법을 제공한다.
본 발명에서 목표로 하는 질화알루미늄 다공체는 기공이 적어도 부분적으로 서로 연결된 개방형 기공이 바람직하다. 폐쇄형 기공의 경우는 엘라스토머의 침투가 어려워 최종 복합소재의 유연성 확보가 어렵고 채워지지 않은 기공의 존재는 열전달 특성을 매우 악화시키기 때문이다. 따라서, 질화알루미늄 다공체를 만들기 위해 원재료로 사용되는 알루미늄 금속폼의 기공 또한 서로 연결된 개방형 기공인 것이 바람직하다.
(실시예)
[알루미늄 금속폼의 준비]
개방형 기공을 가지는 알루미늄 금속폼을 아세톤, 에탄올, 증류수 용액에 담궈 유기 불순물을 제거 하여 준비하였다.
[열산화 단계(1차 열산화 공정+2차 열산화 공정)]
준비된 알루미늄 금속폼을 퍼니스에 승온속도 3℃/min 로 1000℃까지 승온시킨 후 12시간 동안 유지하여 1차 열산화 공정을 수행하여 알루미늄 금속폼 표면에 산화알루미늄층을 형성시켰다. 이후 1차 열산화된 알루미늄 금속폼을 승온속도 3℃/min 로 1400℃까지 승온시킨 후 24시간 동안 유지시킴으로써 알루미늄 금속폼 표면에 형성된 산화알루미늄층을 치밀화 및 상변이 시켜 산화알루미늄 다공체를 만들었다.
[잔류물 제거단계(산세정 공정)]
열산화 단계를 거친 산화알루미늄 다공체를 FeCl3 용액에서 처리하여 산화알루미늄의 손상없이 잔류 알루미늄 금속을 제거 하였으며, 급격한 부피손실에 의한 구조의 무너짐을 방지하기 위해 FeCl3와 증류수는 1:6, 1:2 비율의 혼합된 용액으로 각각 6시간씩 잔류 금속 제거용액공정을 진행했다.
[잔류물 제거 단계(후열처리 공정)]
산세정 공정 후 생긴 불순물의 제거와 미량 남아있는 알루미늄 금속의 완전한 산화알루미늄으로의 전환을 위해 승온속도 3℃/min 로 1400℃까지 승온시킨 후 24시간 동안 유지시켜 순수한 산화알루미늄 다공체를 제작했다.
[질화 단계]
후열처리 공정까지 완료되어 잔류물이 제거된 중공의 심부를 가지는 산화알루미늄 다공체를 카본 블랙(carbon black, 일본 Denka사)과 섞어서 열처리하여 질화하였다. 카본 블랙은 산화알루미늄 다공체 전체를 덮어줄 정도로 투입하였고 열처리는 99.999%의 질소 분위기에서 3℃/min 로 1800℃까지 승온시킨 후 6시간 동안 유지시켜 순수한 질화알루미늄 다공체를 제작했다.
[엘라스토머 충진 공정]
PDMS로 다우케미칼사의 실가드(Sylgard) 184 단량체와 경화제를 질량비 10:1로 혼합하고 골고루 배합되도록 섞어주었으며, 경화제와 혼합된 PDMS 용액을 질화알루미늄 다공체에 부어주고, 상온에서 24시간 경화시켜 질화알루미늄-PDMS 복합소재를 제작하였다.
실시예를 통해 만들어진 질화알루미늄-PDMS 복합소재는 엘라스토머를 통해 유연성이 확보되면서 동시에 질화알루미늄을 통해 고방열 특성을 가지게 되었다.
100 : 알루미늄 금속폼 200 : 산화알루미늄 다공체
300 : 질화알루미늄 다공체 400 : 질화알루미늄-엘라스토머 다공체

Claims (10)

  1. 질화알루미늄을 포함하는 골격과 적어도 부분적으로 서로 연결되는 복수의 기공을 포함하는 질화알루미늄 다공체와, 상기 질화알루미늄 다공체를 둘러싸는 엘라스토머(elastomer)를 포함하는, 질화알루미늄-엘라스토머 복합소재.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 질화알루미늄을 포함하는 골격은 속이 빈 중공 상태인, 질화알루미늄-엘라스토머 복합소재.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 질화알루미늄을 포함하는 골격은 심부는 알루미늄을 포함하고 표면은 질화알루미늄인, 질화알루미늄-엘라스토머 복합소재.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 엘라스토머는 실리콘 고무인, 질화알루미늄-엘라스토머 복합소재.
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 질화알루미늄 다공체의 두께는 1 ~ 10 mm인, 질화알루미늄-엘라스토머 복합소재.
  6. 알루미늄 금속폼을 가열하여 열산화시켜 산화알루미늄 다공체를 만드는 열산화 단계;
    상기 열산화된 산화알루미늄 다공체를 탄소분말과 섞고 질소분위기에서 열처리하여 질화알루미늄 다공체를 만드는 질화 단계; 및
    상기 질화알루미늄 다공체에 엘라스토머를 충진시키는 엘라스토머 충진 단계를 포함하는, 질화알루미늄-엘라스토머 복합소재 제조방법.
  7. 제 6항에 있어서,
    상기 열산화 단계는, 상기 알루미늄 금속폼을 600~1,050℃ 에서 열처리하여 산화시키는 1차 열산화 공정 및 상기 1차 열산화 공정을 통해 열산화된 상기 알루미늄 금속폼을 1,050~1,600℃ 에서 열처리하여 추가 산화시키는 2차 열산화 공정을 포함하는, 질화알루미늄-엘라스토머 복합소재 제조방법.
  8. 제 6항에 있어서,
    상기 열산화 단계와 상기 질화 단계 사이에, 잔류물 제거단계를 더 포함하고, 상기 잔류물 제거단계는 상기 열산화 단계에서 만들어지는 산화알루미늄 다공체를 산세정하여 잔류금속을 제거하는 산세정 공정 및 상기 산세정된 산화알루미늄 다공체를 열처리하는 후열처리 공정을 포함하여 잔류금속이 제거된 산화알루미늄 다공체를 만드는, 질화알루미늄-엘라스토머 복합소재 제조방법.
  9. 제 7항에 있어서,
    상기 1차 열산화 공정에서 상기 열처리를 위한 온도까지의 승온 속도는 분당 5℃ 이하인, 질화알루미늄-엘라스토머 복합소재 제조방법.
  10. 제 6항에 있어서,
    상기 알루미늄 금속폼은 개방형 기공을 포함하는, 질화알루미늄-엘라스토머 복합소재 제조방법.
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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN114750490A (zh) * 2022-04-28 2022-07-15 安徽碳华新材料科技有限公司 一种具有高效散热能力的烯碳复合材料
CN115028999A (zh) * 2022-04-28 2022-09-09 苏州大学 一种柔性储热导热片及其制备方法

Citations (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20040077294A (ko) * 2003-02-28 2004-09-04 대한민국 (경상대학교 총장) 초미립 α-알루미나 분말의 제조방법
JP2005162555A (ja) * 2003-12-04 2005-06-23 Tokuyama Corp 球状窒化アルミニウムおよび、その製法
JP2012041253A (ja) * 2010-08-23 2012-03-01 Tohoku Univ 窒化アルミニウム系粒子、窒化アルミニウム系粒子の製造方法、及び窒化アルミニウム系粒子の製造装置
JP2016094315A (ja) * 2014-11-14 2016-05-26 株式会社トクヤマ 多孔質窒化アルミニウム粒子
KR20160122172A (ko) 2014-02-13 2016-10-21 허니웰 인터내셔날 인코포레이티드 압축성 열전도 재료
JP2017095555A (ja) * 2015-11-19 2017-06-01 積水化学工業株式会社 フィラー複合体及び熱硬化性材料
JP2018160602A (ja) * 2017-03-23 2018-10-11 三菱マテリアル株式会社 放熱シート
KR20190116530A (ko) * 2017-03-02 2019-10-14 다이니치 세이카 고교 가부시키가이샤 알루미나계 열 전도성 산화물 및 그 제조 방법

Patent Citations (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20040077294A (ko) * 2003-02-28 2004-09-04 대한민국 (경상대학교 총장) 초미립 α-알루미나 분말의 제조방법
JP2005162555A (ja) * 2003-12-04 2005-06-23 Tokuyama Corp 球状窒化アルミニウムおよび、その製法
JP2012041253A (ja) * 2010-08-23 2012-03-01 Tohoku Univ 窒化アルミニウム系粒子、窒化アルミニウム系粒子の製造方法、及び窒化アルミニウム系粒子の製造装置
KR20160122172A (ko) 2014-02-13 2016-10-21 허니웰 인터내셔날 인코포레이티드 압축성 열전도 재료
JP2016094315A (ja) * 2014-11-14 2016-05-26 株式会社トクヤマ 多孔質窒化アルミニウム粒子
JP2017095555A (ja) * 2015-11-19 2017-06-01 積水化学工業株式会社 フィラー複合体及び熱硬化性材料
KR20190116530A (ko) * 2017-03-02 2019-10-14 다이니치 세이카 고교 가부시키가이샤 알루미나계 열 전도성 산화물 및 그 제조 방법
JP2018160602A (ja) * 2017-03-23 2018-10-11 三菱マテリアル株式会社 放熱シート

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN114750490A (zh) * 2022-04-28 2022-07-15 安徽碳华新材料科技有限公司 一种具有高效散热能力的烯碳复合材料
CN115028999A (zh) * 2022-04-28 2022-09-09 苏州大学 一种柔性储热导热片及其制备方法
CN114750490B (zh) * 2022-04-28 2023-10-20 安徽碳华新材料科技有限公司 一种具有高效散热能力的烯碳复合材料
CN115028999B (zh) * 2022-04-28 2024-05-10 苏州大学 一种柔性储热导热片及其制备方法

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