KR20210088962A - 복합재의 제조 방법 - Google Patents

Abstract

본 출원은 복합재의 제조 방법과 복합재에 관한 것이다. 본 출원의 방법은 고분자 성분이 금속폼의 표면에서 균일한 두께를 가지며 존재하도록 할 수 있다. 본 출원의 복합재는 균일한 열 확산도를 가지기 때문에 특히 방열 소재로의 적용에 적합하다.

Description

복합재의 제조 방법{Preparing method of a composite material}

본 출원은 복합재의 제조 방법에 관한 것이다.

금속폼과 그 금속폼을 둘러싸고 있는 고분자 성분을 포함하는 복합재는 우수한 가공성 등의 고분자의 특성과 우수한 방열 성능 등의 금속 성분의 특성을 동시에 가진다. 그런데 금속폼은 그 구조의 특성 상 대체로 그 표면이 균일하지 못하다. 따라서 고분자 성분은 금속폼 표면에 균일한 두께를 가지면서 존재하기 어렵다. 경우에 따라서는 통상 복합재 내부에 존재하는 금속폼의 골격이 노출되기도 한다. 이와 같은 현상은 해당 복합재를 적용하는 제품의 불량의 원인이 된다.

본 출원은 고분자 성분이 금속폼의 표면에서 균일한 두께를 가지며 존재하는 복합재를 제조할 수 있는 방법을 제공하는 것을 하나의 목적으로 한다.

본 출원은 균일한 열 확산도를 가짐으로 해서, 특히 방열 소재로의 적용에 적합한 복합재를 제공하는 것을 다른 하나의 목적으로 한다.

본 출원에서 언급하는 물리적 성질 중 그 측정 온도가 해당 물성에 영향을 미치면 특별히 다르게 규정하지 않는 한 그 물리적 성질은 상온에서 측정한 것을 의미한다.

상온은 가온 또는 감온되지 않은 자연 그대로의 온도를 의미할 수 있다. 예를 들어 상온은 10 ℃ 내지 30 ℃의 범위 내의 어느 한 온도, 약 23 ℃ 또는 약 25 ℃ 정도의 온도를 의미할 수 있다.

본 출원은 복합재의 제조 방법에 관한 것이다. 본 출원의 방법에서는 적어도 금속폼과 고분자 성분을 포함하는 구조체에 대해서 그 고분자 성분을 경화하는 단계를 포함한다. 상기 구조체 내에서 고분자 성분은 금속폼의 표면에 존재하거나, 및/또는 금속폼 내부를 충전하고 있다.

고분자 성분이 금속폼의 표면 및/또는 내부에 존재하도록 하는 방식으로는 일반적으로 코팅 방식(예를 들어, 바 코팅 및 콤마 코팅 등)으로 고분자 성분을 금속폼에 코팅하거나, 혹은 고분자 성분을 포함하는 조성물에 금속폼을 담그는 방식 등이 적용된다. 상기 방법들은 고분자 성분을 금속폼 내에 충전하는데는 적합하다. 그렇지만 상기 방법들은 복합재의 표면 형상을 제어하는데는 한계가 있다. 상기 방법들로는 금속폼 표면에 고분자 성분이 균일한 두께를 가지며 존재하기 어렵다.

본 발명자들은 고유의 방식으로 고분자 성분을 금속폼의 표면 및/또는 내부에 위치시키면 균일한 표면을 가지는 복합재를 형성할 수 있음을 확인하고 본 내용을 발명하게 되었다. 구체적으로 본 발명자들은 2장의 이형 필름, 그 이형 필름들 사이에 존재하는 금속폼과 고분자 성분을 포함하는 구조체를 이용하면 균일한 표면을 가지는 복합재를 제조할 수 있음을 확인하였다. 즉 본 출원에서는 이형 필름들 사이에 고분자 성분과 금속폼을 위치시켜서 고분자 성분이 금속폼의 내부 및/또는 표면에 존재하도록 구성한다. 따라서 본 출원의 방법은 적어도 2장의 이형 필름, 금속폼 및 고분자 성분을 포함하되, 상기 금속폼과 고분자 성분이 상기 2장의 이형 필름 사이에 존재하는 구조체를 제조하는 단계를 적어도 포함한다. 상기 구조체에서 고분자 성분과 금속폼은 이형 필름 사이에 존재하고, 고분자 성분은 상기 금속폼의 내부 및/또는 표면에 존재할 수 있다. 또한 상기 구조체가 포함하는 이형 필름의 장수는 2장 이상이기만 하면, 특별히 제한되지 않으며, 상기 구조체에서 상기 금속폼과 고분자 성분이 적어도 2장의 이형 필름에 의해 형성된 공간 내에 존재하기만 하면 된다.

이형 필름은 소정의 이형성(탈형성)을 가져서 소정의 외력으로 제거될 수 있는 필름을 의미할 수 있다. 본 출원에서는 공지의 이형 필름을 적용할 수 있다. 일반적으로 이형 필름을 이를 지지하는 기재층 및 그 기재층 상에 형성된 이형 기능성층을 포함한다. 이형 필름의 기재층으로는 폴리카보네이트(polycarbonate, PC) 또는 폴리에틸렌 테레프탈레이트(polyethylene terephthalate, PET) 등의 고분자 기재층을 적용하는 것이 일반적이다. 이형 기능성층으로는 실리콘계 화합물 및 불소계 화합물 중 적어도 하나를 포함하는 층을 적용할 수 있다. 상기 구조체에서 금속폼과 고분자 성분은 상기 복수의 이형 필름의 이형 기능성층 사이에 존재할 수 있다. 예를 들어, 상기 구조체에서 금속폼과 고분자 성분이 이형 필름 사이에 존재할 때, 상기 이형 필름 각각의 이형 기능성층들이 마주보도록 위치하고, 그 이형 기능성층 사이에 고분자 성분과 상기 금속폼이 위치하는 것이 적절할 수 있다.

금속폼은 금속을 주성분으로 포함하는 다공성 구조체를 의미한다. 금속폼이 금속을 주성분으로 포함한다는 것은 금속폼의 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 90 중량% 이상이고, 100 중량% 이하, 99 중량% 이하 또는 98 중량% 이하 정도인 것을 의미할 수 있다.

어떤 물질이 다공성이라는 것은 그 물질의 기공도(porosity)가 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 예를 들어 100 % 미만, 약 99 % 이하, 약 98 % 이하, 약 95 % 이하, 약 90 % 이하, 약 85 % 이하, 약 80 % 이하 또는 약 75 % 이하 정도 일 수 있다. 상기 기공도는 금속폼 등의 밀도를 계산함으로 해서 공지의 방식으로 산출할 수 있다.

상기 구조체를 제조하는 방식, 즉 이형 필름 사이에 고분자 성분과 금속폼을 위치시키는 방식은 특별히 제한되지 않는다. 예를 들어 상기 구조체는 2장의 이형 필름 사이에 금속폼과 고분자 성분을 위치시킨 다음, 이들을 합지(laminate)하여 제조될 수 있다. 금속폼과 고분자 성분을 위치시키는 방식은 특별히 제한되지 않는다. 예를 들면 상기 방식으로는 (1) 하나의 이형 필름(제 1 이형 필름으로도 호칭한다) 상에 금속폼을 먼저 위치시키고 고분자 성분을 도포한 다음 다른 이형 필름(제 2 이형 필름으로도 호칭한다)을 합지하거나, (2) 제 1 이형 필름 상에 고분자 성분을 먼저 도포하고 고분자 성분이 도포된 면 상에 금속폼을 위치시킨 다음 제 2 이형 필름을 합지하거나 또는 (3) 제 1 이형 필름 상에 고분자 성분과 금속폼을 함께 도포 및/또는 배치한 다음 제 2 이형 필름을 합지하는 방식을 적용할 수 있다. 또한 상기 (1) 내지 (3)의 방법에서, 고분자 성분과 금속폼은 각 이형 필름의 이형면(전술한 이형 기능성층) 사이에 존재하도록 도포될 수 있다. 본 출원에서는 일 예시로 상기 (1) 방식을 적용하였다. 구체적으로 본 출원의 구조체는 다음과 같은 방식으로 제조될 수 있다: (1) 제 1 이형 필름의 이형면 상에 금속폼을 위치시킨다. (2) 이형 필름과 인접하지 않는 금속폼의 표면 상에 고분자 성분을 도포한다. (3) 고분자 성분이 도포된 측에 제 2 이형 필름을 그 필름의 이형면이 닿도록 위치시킨다. (4) (1) 내지 (3)에 따라 쌓인 구조를 합지한다.

합지의 방식은 특별히 제한되지 않는다. 예를 들어, 이형 필름들의 이형면 사이를 맡닿게 하여 구조체를 제조할 수도 있고, 상기 (1) 내지 (3)에 따라 쌓인 구조를 압착하여 상기 구조체를 제조할 수도 있다. 복합재의 최종 두께를 감소시키는 측면에서는 제 1 이형 필름/고분자 성분 및 금속폼/제 2 이형 필름이 쌓인 구조를 압착하는 방식을 적용하는 것이 적절할 수 있다. 즉 구조체는 상기 2장의 이형 필름 사이에 금속폼과 고분자 성분을 위치시킨 다음 압력을 인가하여 제조될 수 있다.

압력을 인가하는 방식은 특별히 제한되지 않으며 공지의 가압 성형 방식을 적용할 수 있다. 예를 들어 압력의 인가는 유압 프레스(hydraulic press), 롤 프레스(roll press) 또는 라미네이터 등을 이용하여 수행될 수 있다. 복합재의 최종 두께 감소, 표면 두께의 균일화 및 공정의 편의성 등을 고려하였을 때에는 롤 프레스 또는 라미네이터로 압력을 인가하여 상기 구조체를 제조하는 것이 적절하다.

롤 프레스는 가압 대상 물질이 서로의 간격이 조절된 롤(roll) 사이를 지나게 하여 그 진행 방향에 따라 롤에 의해 그 물질이 압축되도록 하는 방식 또는 장치로 알려져 있다. 롤 사이의 간격에 따라 복합재의 두께가 달라지기 때문에 롤 사이의 간격은 목적하는 복합재의 두께에 따라 제한 없이 조절 가능하다.

라미네이터는 고온 및 고압 조건에서 코팅 재료를 대상 물체에 부착시키는 방식 또는 장비로 알려져있다. 따라서, 라미네이터를 이용하여 상기 구조체를 제조하는 경우, (1) 이형 필름의 이형면에 고분자 성분과 금속폼을 위치시킨 후, (2) 다른 이형 필름의 이형면이 상기 고분자 성분과 금속폼을 향하도록 하되, 라미네이터로 소정의 열과 압력을 인가하여 상기 고분자 성분과 금속폼이 두장의 이형 필름 사이에 위치하도록 구성할 수 있다.

상기의 방법으로 제조된 구조체는 압착된 형태, 즉 필름 형태일 수 있기 때문에 금속폼의 형태는 특별히 제한되지 않는다. 그렇지만 보다 균일한 표면을 가지는 복합재를 제조하는 관점에서 구조체 제조 과정에 적용되는 금속폼으로는 필름 형태의 금속폼을 적용할 수도 있다. 상기 필름 형태의 금속폼의 두께는 그 복합재가 적용되는 용도 또는 목적에 따라 자유롭게 조절될 수 있다. 예를 들어 상기 금속폼의 두께는 1000 ㎛ 이하일 수 있다. 상기 두께는 다른 예시에서 50 ㎛ 이상, 60 ㎛ 이상, 70 ㎛ 이상, 80 ㎛ 이상, 90 ㎛ 이상, 또는 100 ㎛ 이상일 수 있고, 900 ㎛ 이하, 800 ㎛ 이하, 700 ㎛ 이하, 600 ㎛ 이하, 500 ㎛ 이하, 400 ㎛ 이하, 300 ㎛ 이하, 200 ㎛ 이하 또는 100 ㎛ 이하일 수 있다.

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

일 예시에서 상기 금속폼의 기공도 또한 특별히 제한되지 않으며 목적하는 복합재에 요구되는 기계적 강도 또는 물성 등에 따라 적절히 조절될 수 있다. 예를 들어 상기 금속폼의 기공도는 40 % 이상일 수 있다. 상기 기공도는 다른 예시에서 45 % 이상, 50 % 이상, 55 % 이상, 60 % 이상 또는 65 % 이상일 수 있고, 그 상한은 특별히 제한되지 않으나 100 % 미만, 99 % 이하, 95 % 이하, 90 % 이하, 85 % 이하, 80 % 이하, 75 % 이하 또는 70 % 이하일 수 있다.

상기 금속폼을 제조하는 방식 또한 특별히 제한되지 않는다. 예를 들어 상기 금속폼은 슬러리로 형성된 금속폼 전구체를 소결하는 방식으로 제조될 수 있다.

금속폼 전구체는 소결 등과 같이 금속폼을 형성하기 위해서 수행하는 공정을 거치기 전의 구조체를 의미할 수 있다. 즉 금속폼 전구체는 금속폼을 생성하기 전의 구조체를 의미한다. 상기 금속폼 전구체를 다공성 금속폼 전구체로 호칭하더라도 반드시 그 자체로 다공성일 필요는 없다. 최종적으로 금속 구조체인 금속폼을 형성할 수 있는 것이면 편의 상 “금속폼 전구체”를 “다공성 금속폼 전구체”로도 호칭할 수 있다.

금속폼 전구체를 형성하는 방법은 특별히 제한되지 않는다. 일반적으로 금속폼 전구체는 금속 성분을 포함하는 슬러리를 이용, 예를 들어 건조하여 제조될 수 있다. 한편 슬러리를 이용해서 금속폼을 제조할 때에는 그 슬러리의 조성에 따라서 금속폼의 두께가 결정될 수 있다.

예를 들어, 금속폼을 제조하는 방법으로서 (1) 금속 성분, 유기 용매, 수성 용매 및 계면 활성제를 적어도 포함하는 슬러리를 이용하는 방법과, (2) 금속 성분, 바인더 및 분산제를 적어도 포함하는 슬러리를 이용하는 방법을 적용할 수 있다. 전자의 방식은 유기 용매, 수성 용매 및 계면 활성제가 액적(emulsion)을 형성하고, 그 액적 내의 유기 용매와 수성 용매 사이의 증기압 차이에 의해 발포하는 현상을 이용한다. 후자의 방식은 슬러리를 건조하여 금속폼 전구체를 형성할 때 분산제를 휘발시키고, 그 금속폼 전구체를 소결할 때 바인더를 탈지하면, 금속 성분이 용접(welding)하는 과정에서 미세 기공이 형성되는 현상을 이용한다. 액적에 의해서 형성되는 기공이 금속 성분간 용접에 의해서 형성한 기공보다 큰 크기를 가질 것이다. 따라서 전자의 방식에 따른 금속폼을 후막형 금속폼으로, 후자의 방식에 다른 금속폼을 박막형 금속폼으로도 호칭할 수 있다. 복합재의 박막화 측면에서는 후자의 방식을 적용하는 것이 적절하다. 본 출원에서는 금속 성분, 바인더 및 분산제를 포함하는 슬러리를 적용하였다.

본 출원의 방법에서 적용되는 금속 성분의 종류는 특별히 제한되지 않는다. 상기에서 금속 성분은 단일 금속의 조합일 수 있고, 서로 다른 금속 성분의 합금일 수도 있다. 금속 성분으로는 예를 들어, 니켈, 철, 또는 코발트 등의 전도성 금속을 적용할 수도 있고, 구리, 인, 몰리브덴, 아연, 망간, 크롬, 인듐, 주석, 은, 백금, 금, 알루미늄 또는 마그네슘 등의 비전도성 금속을 적용할 수 있다. 상기에서 어떤 금속이 전도성인지 여부는 그 금속 성분의 상대 투자율이 90 이상인지 여부에 따라서 결정될 수 있다. 상대 투자율이 90 이상이면 전도성 금속, 90 미만이면 비전도성 금속으로 알려져있다. 상대 투자율(μ_r)은 해당 금속 성분의 투자율(μ)과 진공속의 투자율(μ₀)의 비율(μ/μ₀)을 의미한다.

일 예시에서 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 있다.

상기 슬러리 내에서 금속 성분의 비율은 특별히 제한되지 않는다. 예를 들어 상기 슬러리는 금속 성분을 주성분으로 포함할 수 있다. 상기 슬러리 내에서 금속 성분의 비율은 중량을 기준으로 10 % 내지 70 % 정도일 수도 있다.

상기에서 분산제로는 알코올을 적용할 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 있다. 슬러리가 상기 분산제를 포함함으로 해서 슬러리 내의 금속 성분과 후술하는 바인더가 적절히 분산되도록 할 수 있다.

바인더는 슬러리의 제조 시에 적용되는 금속 성분 혹은 분산제 등의 종류에 따라 적절히 선택될 수 있다. 예를 들어 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 있다.

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

슬러리 내에서 바인더는 전술한 금속 성분 100 중량부 대비 약 1 중량부 내지 500 중량부의 비율로 포함될 수 있다. 상기 비율은 다른 예시에서 약 5 중량부 이상, 7 중량부 이상 또는 10 중량부 이상일 수 있고, 약 450 중량부 이하, 약 400 중량부 이하, 350 중량부 이하, 300 중량부 이하, 250 중량부 이하, 200 중량부 이하, 150 중량부 이하, 100 중량부 이하, 50 중량부 이하, 30 중량부 이하 또는 10 중량부 이하일 수 있다.

슬러리 내에서 분산제는 상기 바인더 100 중량부 대비 약 1 중량부 내지 1,000 중량부의 범위 내의 비율로 포함될 수 있다. 상기 비율은, 다른 예시에서, 10 중량부 이상, 15 중량부 이상, 20 중량부 이상, 25 중량부 이상, 30 중량부 이상, 35 중량부 이상 또는 40 중량부 이상일 수 있고, 900 중량부 이하, 800 중량부 이하, 700 중량부 이하, 600 중량부 이하, 500 중량부 이하, 400 중량부 이하, 300 중량부 이하, 200 중량부 이하, 100 중량부 이하, 70 중량부 이하 또는 50 중량부 이하일 수 있다.

슬러리는 필요하다면 용매를 추가로 포함할 수 있다. 용매로는 슬러리의 성분, 예를 들면, 상기 금속 성분이나 바인더 등의 용해성을 고려하여 적절한 용매가 사용될 수 있다. 예를 들면, 용매로는, 유전 상수(23 ℃)가 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, 텍사놀 또는 메탄올 등의 탄소수 1 내지 8의 알코올, DMSO(dimethyl sulfoxide), DMF(dimethyl formamide) 또는 NMP(N-methylpyrrolidinone) 등이 예시될 수 있다. 용매가 적용될 경우에 상기 용매는 상기 바인더 100 중량부 대비 약 50 중량부 내지 2,000 중량부의 비율로 슬러리 내에 존재할 수도 있다. 상기 용매의 비율은, 다른 예시에서 100 중량부 이상, 200 중량부 이상, 300 중량부 이상, 400 중량부 이상, 500 중량부 이상, 600 중량부 이상, 700 중량부 이상, 800 중량부 이상, 900 중량부 이상, 1,000 중량부 이상, 1,100 중량부 이상 또는 1,200 중량부 이상일 수 있고, 1,900 중량부 이하, 1,800 중량부 이하, 1,700 중량부 이하, 1,600 중량부 이하, 1,500 중량부 이하, 1,400 중량부 이하 또는 1,300 중량부 이하일 수 있다.

슬러리는 상기 언급한 성분 외에도 추가적으로 필요한 공지의 첨가를 포함할 수도 있다. 그렇지만 복합재 총 두께를 얇게 하는 관점에서는 전술한 것처럼 후막형 금속폼을 제조하는 방식에서 적용되는 슬러리의 성분, 예를 들어 발포제 또는 계면 활성제 등은 포함하지 않는 것이 적절하다.

이와 같은 슬러리로 금속폼 전구체를 형성하는 방법은 특별히 제한되지 않는다. 금속폼 제조 분야에서는 금속폼 전구체를 형성하는 방법이 다양하게 알려져 있다. 본 출원에서 상기 금속폼 전구체는 상기 슬러리를 적정한 틀(template)에 유지하거나 또는 상기 슬러리를 적정 방식으로 코팅하는 방식으로 형성될 수 있다.

일반적으로 금속폼 전구체의 형태는 목적하는 금속폼의 형태에 따라 정해진다. 따라서 본 출원에서 적용되는 금속폼 전구체의 형태는 특별히 제한되지 않는다. 다만 전술한 것처럼 금속폼이 필름 형태일 때 이를 이용하여 제조되는 복합재의 표면이 균일하게 형성되는데 유리하기 때문에 상기 금속폼 전구체 또한 필름 형태인 것이 적절할 수 있다. 상기 금속폼 전구체가 필름 형태일 때 그 두께는 예를 들어, 2000 ㎛ 이하, 1500 ㎛ 이하, 1000 ㎛ 이하, 900 ㎛ 이하, 800 ㎛ 이하, 700 ㎛ 이하, 600 ㎛ 이하, 500 ㎛ 이하, 400 ㎛ 이하, 300 ㎛ 이하, 200 ㎛ 이하, 150 ㎛ 이하, 100 ㎛ 이하, 90 ㎛ 이하, 80 ㎛ 이하, 70 ㎛ 이하, 60 ㎛ 이하 또는 55 ㎛ 이하일 수 있고, 5 ㎛ 이상, 10 ㎛ 이상 또는 15 ㎛ 이상일 수 있다.

이와 같이 형성된 금속폼 전구체를 소결하면 금속폼을 제조할 수 있다. 금속폼 제조를 위한 소결을 수행하는 방식으로는 공지의 소결법을 적용할 수 있다. 즉 퍼니스(furnace) 등의 로 또는 자기장 인가장치 등을 이용하여 적절한 양의 열을 금속폼 전구체에 인가하는 방식으로 상기 소결을 진행할 수 있다. 상기 소결을 위한 조건도 금속폼 전구체를 형성하는데 이용된 슬러리의 조성에 따라서 달라지지만 예를 들어, 100 ℃ 내지 1200 ℃의 범위 내에 있을 수 있다.

상기 금속폼과 함께 복합재를 구성하는 고분자 성분의 종류는 특별히 제한되지 않는다. 다만 복합재를 형성하는데 적어도 경화되어야 하는 것이기 때문에 상기 고분자 성분은 경화성 성분일 수 있다. 구체적으로 본 출원의 방법은 열의 인가를 통해 상기 고분자 성분을 경화하기 때문에 상기 고분자 성분은 열경화성 수지일 수 있다.

상기 고분자 성분으로는 예를 들어 아크릴 수지, 실리콘 수지, 에폭시 수지, 올레핀 수지, 폴리에스테르 수지, 폴리아미드 수지, 우레탄 수지, 아미노 수지, 페놀 수지 또는 이들을 조합한 것 등을 사용할 수 있다.

전술한 것처럼 고분자 성분은 금속폼의 기공 내에 충전되어 있거나, 및/또는 금속폼의 표면에 존재할 수 있다. 이와 같은 구조를 형성함에 있어서 고분자 성분으로는 저점도의 고분자 성분을 적용하는 것이 적절하다. 예를 들어 상기 고분자 성분은 점도가 1000 cPs 이하일 수 있다. 상기 점도는 다른 예시에서 900 cPs 이하, 800 cPs 이하, 700 cPs 이하, 600 cPs 이하, 500 cPs 이하, 450 cPs 이하, 430 cPs 이하 또는 410 cPs 이하일 수 있고, , 100 cPs 이상, 200 cPs 이상, 300 cPs 이상 또는 400 cPs 이상일 수 있다. 상기 점도는 상온에서 측정한 점도를 의미할 수 있고, 상온의 정의는 전술한 것과 같다. 또한 상기 점도의 측정 규준으로는, ASTM D108를 적용할 수 있다. 상기 고분자 성분의 적용량도 특별히 제한되지 않는다. 상기 적용량은 상기 고분자 성분이 금속폼 내부에 존재하면서도 금속폼 표면에 균일하게 도포될 수 있는 정도로 적절히 조절될 수 있다.

2장의 이형 필름 사이에 존재하는 금속폼과 고분자 성분을 포함하는 상기 구조체를 경화하는 방식 및 조건 등은 특별히 제한되지 않는다. 상기 조건 등은 금속폼 및/또는 고분자 성분을 손상하지 않는 한도 내에서 적절히 조절될 수 있다.

예를 들어 상기 경화는 50 ℃ 내지 200 ℃의 범위 내의 온도에서 수행될 수 있다. 상기 온도는 다른 예시에서 60 ℃ 이상, 70 ℃ 이상, 80 ℃ 이상, 90 ℃ 이상, 100 ℃ 이상, 110 ℃ 이상 또는 120 ℃ 이상 일 수 있고, 190 ℃ 이하, 180 ℃ 이하, 170 ℃ 이하, 160 ℃ 이하, 150 ℃ 이하, 140 ℃ 이하 또는 130 ℃ 이하일 수 있다.

전술한 방법은 복합재의 표면 형상을 자유롭게 제어할 수 있는 이점이 있다. 구체적으로 상기 방법으로 제조된 복합재는 표면 특성이 우수하며, 상세하게는 균일한 표면을 가질 수 있다. 상기에서 표면이 균일하다는 것은 표면의 두께의 편차가 낮은 것, 즉 매끄러운 표면을 가지는 것을 의미할 수 있다. 상기 방법에 따라 제조된 복합재는 고분자 성분이 가지는 가공성 등의 이점과 금속 성분이 가지는 우수한 전도성 등의 물성을 동시에 가지는 이점 또한 있다.

본 출원은 또한 복합재에 관한 것이다. 상기 복합재는 적어도 금속폼과 고분자 성분을 포함한다. 구체적으로 상기 고분자 성분은 상기 금속폼의 표면 및 내부에 존재한다. 상기 고분자 성분이 금속폼의 표면에 존재할 때 상기 고분자 성분은 상기 복합재에서 표면층을 형성하고 있을 수 있다.

상기 복합재는 그 표면에 대해서 측정된 열 확산도(thermal diffusivity)의 편차가 낮다. 이는 상기 복합재가 균일한 표면을 가지는 점을 정량적으로 나타낸 것이다. 상기 복합재의 균일한 표면을 가진다고 함은 상기 경화된 고분자 성분이 복합재에서 표면층을 형성하고 있고, 그 표면층의 높이의 편차가 낮은 것을 의미할 수 있다. 열 확산도는 현 위치로부터 이격된 거리에서의 열적 변화가 얼마나 오래 걸려서, 현 위치에 도달하여 얼마나 온도 변화를 일으킬 수 있는지 여부에 대한 물리량으로 알려져 있다.

상기 복합재는 이의 표면에 대해서 측정된 열 확산도의 변동 계수가 10 % 이하이다. 상기 열 확산도는 구체적으로 9.5 % 이하, 8 % 이하, 8.5 % 이하, 8 % 이하, 7.5 % 이하, 7 % 이하, 6.5 % 이하 또는 6 % 이하일 수 있고, 그 값은 낮을수록 유리하기 때문에 대략 0% 정도, 0.1 % 이상 또는 0.2 % 이상일 수 있다. 상기 열 확산도, 이의 변동 계수와 정의 등은 후술하는 실시예에서 언급하는 정의 및 방법을 통해 측정될 수 있다.

일 예시에서 상기 복합재의 열 확산도는 1 mm²/s 내지 10 mm²/s 의 범위 내에 있을 수 있다. 상기 열 확산도는 1.5 mm²/s 이상, 2 mm²/s 이상, 2.5 mm²/s 이상, 3 mm²/s 이상, 3.5 mm²/s 이상, 4 mm²/s 이상, 4.5 mm²/s 이상 또는 5 mm²/s 이상일 수 있고, 9.5 mm²/s 이하, 9 mm²/s 이하, 8.5 mm²/s 이하, 8 mm²/s 이하, 7.5 mm²/s 이하, 7 mm²/s 이하 또는 6.5 mm²/s 이하일 수 있다.

상기 복합재는 균일한 표면을 가진다. 따라서 상기 복합재의 표면 조도(Ra)는 예를 들어, 1.5 ㎛ 이하일 수 있다. 상기 복합재의 표면 조도는 다른 예시에서, 1.3 ㎛ 이하, 1.1 ㎛ 이하, 0.9 ㎛ 이하, 0.7 ㎛ 이하 또는 0.5 ㎛ 이하일 수 있고, 그 하한은 낮을 수록 유리하기 때문에 특별히 제한되지 않으며, 예를 들어, 0.001 ㎛ 이상, 0.005 ㎛ 이상, 0.01 ㎛ 이상 또는 0.1 ㎛ 이상일 수 있다. 상기 표면 조도를 산출해내는 방식은 특별히 제한되지 않는다. 상기 복합재의 표면 조도는 예를 들어, 상기 복합재의 표면을 촬영하여 얻은 전자현미경 사진을 분석함으로 해서 측정할 수 있다.

상기 복합재는 전술한 방법에 따라 제조된 복합재일 수 있다. 따라서 상기에서 언급한 고분자 성분과 금속폼에 대한 설명은 상기 복합재의 제조 방법에서 설명한 것이 그대로 적용될 수 있다.

예를 들어, 전술한 것처럼 금속폼 전구체 및/또는 금속폼이 필름 형태인 것이 적절할 수도 있으므로 상기 복합재도 필름 형태인 것이 적절할 수 있다. 구체적으로 상기 복합재가 필름 형태이면, 그 두께는 500 ㎛ 이하일 수 있다. 상기 두께는 다른 예시에서 50 ㎛ 이상, 60 ㎛ 이상, 70 ㎛ 이상, 80 ㎛ 이상, 90 ㎛ 이상, 또는 100 ㎛ 이상일 수 있고, 400 ㎛ 이하, 300 ㎛ 이하, 200 ㎛ 이하 또는 100 ㎛ 이하일 수 있다.

이와 같은 복합재는 균일한 표면을 가지기 때문에, 표면에서의 균일한 열 확산도를 가질 수 있다. 특히 상기 복합재는 우수한 기계적 강도, 전기 절연성, 산화 내지 열 등에 대한 저항성 등을 나타내기 때문에, 다양한 용도로 적용될 수 있다. 예를 들어 상기 복합재는 방열 재료로 적용될 수 있다.

본 출원의 방법은 고분자 성분이 금속폼의 표면에서 균일한 두께를 가지며 존재하도록 할 수 있다.

본 출원의 복합재는 균일한 열 확산도를 가지기 때문에 특히 방열 소재로의 적용에 적합하다.

도 1은 실시예의 복합재의 제조 과정의 모식도이다.
도 2은 실시예의 복합재의 표면 사진이다.
도 3은 비교예의 복합재의 표면 사진이다.
도 4는 실시예 및 비교예의 표면 열 확산도 측정 시편의 모식도이다.

이하 실시예를 통하여 본 출원을 구체적으로 설명한다. 그러나 본 출원의 범위가 하기 실시예에 의해 제한되는 것은 아니다.

[제조]

성분 정보

제조예, 실시예 및 비교예에서 적용한 성분은 다음과 같다.

(1) 금속 성분: 입경이 대략 15 ㎛ 정도인 구리 분말

(2) 분산제: 에틸렌 글리콜

(3) 바인더: 에틸 셀룰로오스

(4) 용매: 텍사놀(texanol)

(5) 전기로: Super Kanthal Furnace, DKF-13S(대흥과학社)

(6) 이형 필름: 불소계 이형 필름(SS1A, NIPPA社, PET 기재층 상에 불소계 화합물을 포함하는 이형층이 적층된 구조)

(7) 고분자 성분: 폴리디메톡시실록산 수지(Sylgard 527, Dow Corning社, ASTM D108에 의거한 23 ℃의 점도가 약 403 cP)

(8) 라미네이터: WCRP-1015G, Wellcos社EXCELAM 355Q, 현대오피스社

(9) 플로팅 코터: Digital Roll Applicator(한테크社)

(10) 기재필름: 두께 250 ㎛인 그래파이트 기재

(11) 경화기: OF-12(제이오텍社)

1. 제조예. 금속폼

다음과 같은 순서에 따라 두께 100 ㎛이고, 기공도가 대략 65 %인 금속폼을 제조하였다.

(1) 분산제, 바인더 및 용매를 3:7:90(분산제:바인더:용매)의 중량 비율로 혼합한 혼합물에 상기 바인더와 금속 성분이 10:1(금속성분:바인더)의 중량 비율이 되도록 혼합하여 슬러리를 제조한다.

(2) 상기 슬러리를 필름 형태로 코팅하여 금속폼 전구체를 제조한다.

(3) 상기 금속폼 전구체를 약 120 ℃의 온도에서 약 60분 동안 건조 처리한다.

(4) 수소/아르곤 가스로 퍼징하여 환원 분위기를 조성한다.

(5) 상기 금속폼 전구체를 전기로에 넣고 약 1000 ℃의 온도에서 약 2시간 동안 소결한다.

2. 실시예. 복합재

다음과 같은 순서로 두께가 대략 120 ㎛인 복합재를 제조하였다(도 1 참조).

(1) 이형 필름(10)의 이형면 상에 상기 제조예의 금속폼(20)을 위치시킨다.

(2) 상기 금속폼의 표면에 고분자 성분(30)을 도포한다.

(3) 다른 이형 필름(40)을 추가로 준비하고, 그 다른 이형 필름의 이형면이 상기 금속폼과 고분자 성분을 향하도록 상기 이형 필름을 라미네이터(50)의 상부 롤(51)에 고정한다.

(4) 상하부 롤 사이의 간격을 조정한다.

(5) 상기 2장의 이형 필름 사이에, 금속폼과 고분자 성분이 위치하는 구조체가 롤 프레스 장치라미네이터의 상하부 롤 사이를 지나도록 하여 합지한다.

(5) 롤 프레스 장치를 통과한 상기 구조체를 경화기를 이용하여 120 ℃의 오븐에서 90 분의 시간동안 경화시킨다.

3. 비교예. 복합재

다음과 같은 순서로 두께가 약 120 ㎛인 복합재를 제조하였다.

(1) 제조예의 금속폼 상에 고분자 성분을 도포한다.

(2) 상기 고분자 성분이 도포된 금속폼이 플로팅 코터 사이를 중력 방향으로 통과하도록 한다.

(3) 플로팅 코터를 통과한 고분자 성분과 금속폼을 중력 방향을 향하도록 경화기에 넣고 120 ℃의 온도에서 90 분의 시간 동안 경화시킨다.

[평가]

1. 복합재 표면 사진

광학 현미경(VK-X160, 키엔스社)을 이용하여 복합재의 표면을 촬영하여 얻었다.

2. 열 확산도

실시예 및 비교예의 복합재를 8 cm X 8 cm(가로 X 세로)의 크기로 재단하고 16등분하여 도 4와 같은 시편을 얻은 후, 열 확산도 측정 장치(LFA467, Netsch社)를 이용하여 그 장비의 매뉴얼에 따라 복합재 표면의 열 확산도를 측정하였다. 변동 계수는 16 등분된 지점에 대한 열 확산도의 변동 계수이다.

[결과 및 고찰]

도 2 및 도 3은 각각 실시예 및 비교예의 복합재 표면의 광학 현미경 사진이다. 본 출원의 방법에 따라 제조된 실시예의 복합재는 표면에 기공이 거의 존재하지 않고 비교적 매끄러운 표면을 가지는 것을 확인할 수 있다. 그러나 본 출원의 방법을 따르지 않는 방법으로 제조된 비교예의 복합재는 표면에 다수의 기공이 관찰되었으며 비교적 거친 표면을 가지는 것을 확인할 수 있다.

실시예 및 비교예의 복합재의 열확산도 측정 결과를 하기 표 1에 나타내었다.

	열확산도(mm2/s)	변동 계수(%)
실시예	5.95(오차: 0.35)	6
비교예	4.51(오차:0.76)	17

표 1에서 확인할 수 있는 것처럼, 본 출원의 방법에 따른 복합재인 실시예의 복합재는 비교예 대비 변동 계수가 크게 낮은 점(실시예가 비교예의 33% 정도)을 확인할 수 있다. 이를 통해 본 출원의 방법으로 표면이 균일한 복합재를 제조할 수 있음을 알 수 있다.

Claims (15)

1. 2장의 이형 필름, 금속폼 및 고분자 성분을 포함하고, 상기 금속폼과 고분자 성분이 상기 2장의 이형 필름 사이에 존재하는 구조체를 제조하는 단계; 및
   상기 구조체를 열처리하여 상기 구조체 내의 고분자 성분을 경화하는 단계를 포함하는 복합재의 제조 방법.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 구조체를 제조하는 단계에서 2장의 이형 필름 사이에 금속폼 및 고분자 성분을 위치시킨 후 압력을 인가하는 복합재의 제조 방법.
3. 제 2 항에 있어서, 상기 구조체를 제조하는 단계에서 2장의 이형 필름 사이에 금속폼 및 고분자 성분을 위치시킨 후 롤 프레스 또는 라미네이터를 이용하여 압력을 인가하는 복합재의 제조 방법.
4. 제 1 항에 있어서, 상기 금속폼은 금속 성분, 바인더 및 분산제를 포함하는 슬러리로 형성된 금속폼 전구체를 소결하여 제조하는 복합재의 제조 방법.
5. 제 4 항에 있어서, 상기 분산제는 알코올인 복합재의 제조 방법.
6. 제 1 항에 있어서, 상기 금속폼은 필름 형태인 복합재의 제조 방법.
7. 제 6 항에 있어서, 상기 필름 형태의 금속폼의 두께는 1000 ㎛ 이하인 복합재의 제조 방법.
8. 제 1 항에 있어서, 상기 금속폼의 기공도는 40 % 이상인 복합재의 제조 방법.
9. 제 1 항에 있어서, 상기 고분자 성분은 아크릴 수지, 실리콘 수지, 에폭시 수지, 올레핀 수지, 폴리에스테르 수지, 폴리아미드 수지, 우레탄 수지, 아미노 수지 및 페놀 수지 중 적어도 하나를 포함하는 복합재의 제조 방법.
10. 제 1 항에 있어서, 상기 고분자 성분의 ASTM D1084 규준에 의거한 상온 점도가 1000 cPs 이하인 복합재의 제조 방법.
11. 금속폼 및 상기 금속폼의 표면 및 내부에 존재하는 고분자 성분을 포함하고,
    열 확산도의 변동 계수가 10 % 이하인 복합재.
12. 제 11 항에 있어서, 열 확산도가 1 mm²/s 내지 10 mm²/s의 범위 내인 복합재.
13. 제 11 항에 있어서, 표면 조도(Ra)가 1.5 ㎛ 이하인 복합재.
14. 제 11 항에 있어서, 상기 고분자는 상기 복합재에서 표면층을 형성하고 있는 복합재.
15. 제 11 항에 있어서, 필름 형태인 복합재.

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