KR20230071570A - 피치계 탄소섬유강화 복합재료 및 그 제작방법 - Google Patents
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Abstract
본 명세서에서는 적층된 복수의 탄소강화섬유 시트; 및 상기 탄소강화섬유 시트들의 사이에 위치하고, 복수의 필러를 포함하는 열전달층;을 포함하며, 상기 탄소강화섬유 시트는 일 방향으로 배열된 복수의 탄소강화섬유 및 상기 탄소강화섬유가 함침된 고분자 수지를 포함하는, 탄소섬유강화 복합재료가 제공된다.
Description
본 명세서에서는 열적, 전기적, 기계적 특성을 갖는 피치계 탄소섬유-고분자 복합체 및 그 제작방법이 개시된다.
고분자 기지 복합체(polymer-matrix composites, PMCs)는 가벼우면서도 높은 강도와 고탄성, 열적 안정성, 높은 피로·부식 저항성 등의 특징을 지니고 있기 때문에 수많은 분야에서 연구가 진행되고 있다. 고분자 기지 복합체는 기지재로 고분자를 사용하고 강화재로 탄소나노튜브, 탄소 섬유, 그라파이트 등을 사용한다. 그 가운데 탄소섬유를 강화재로 사용하는 탄소섬유강화 복합재료 (Carbon fiber reinforced plastics, CFRPs)는 자동차나 항공 분야에서 금속 구조체를 대체할 가볍고 튼튼한 신소재로 각광받고 있다. 이미 일부 자동차와 항공기 브랜드에서는 이산화탄소 저감과 연비개선을 목적으로 약 50%로 대체되고 있다. 하지만 전장품 및 배터리 관련 부품에는 CFRP가 아직 적용되지 못하고 있는 실정이다.
그 이유로는 전장품 및 배터리 구동 시 발생된 열이 원활히 배출되어야 하지만 CFRP의 두께방향 열전도도가 낮아 열이 갇히는 문제점이 발생하여 전장품에 악영향을 줄 수 있다. 이러한 문제점을 해결하기 위해 열전도도가 높은 필러를 넣은 복합체를 제작하는 연구가 활발하나, 필러의 함량이 높아질수록 복합체 물성이 떨어지는 문제점이 있다. 또한, 탄소 복합체의 열전도도를 높이는 방식들은 일반적으로 전기전도도 또한 높아지기 때문에 배터리 관련 부품에 사용하기에는 전기 절연 이슈로 인해 사용이 제한된다. 한편, 질화붕소(Boron nitride, 이하 BN)는 평면구조의 물질로 압전 특성, 투명성, 높은 열전도도, 내화학성 등의 성질을 가지고 있어 디바이스의 센서 소자 등으로 사용 가능성이 엿보이는 물질이면서 전기 절연성을 가지고 있는 물질이다.
이에 기존의 탄소섬유 복합소재와 비교하여 우수한 열적, 전기적, 기계적 특성을 갖는 복합소재에 대한 요구가 높아지고 있다.
전술한 바와 같이, 종래의 CFRP와 같은 탄소섬유 복합소재들이 두께방향 열전도도가 낮아 열이 갇히는 문제점이 발생하여 전장품에 악영향을 줄 수 있는 문제점을 해결하고자 한다.
또한 본 발명의 구현예들은 종래의 복합소재에서 필러의 함량이 높아질수록 복합체 물성이 떨어지는 문제점을 해결하여 열적, 전기적, 기계적 특성을 동시에 갖는 복합소재를 제공하고자 한다.
본 발명에 따른 일 구현예는, 적층된 복수의 탄소강화섬유 시트; 및 상기 탄소강화섬유 시트들의 사이에 위치하고, 복수의 필러를 포함하는 열전달층;을 포함하며, 상기 탄소강화섬유 시트는 일 방향으로 배열된 복수의 탄소강화섬유 및 상기 탄소강화섬유가 함침된 고분자 수지를 포함하는, 탄소섬유강화 복합재료가 제공된다.
일 구현예에서, 인접한 강화섬유 시트는 강화섬유의 배열 방향이 같을 수 있다.
일 구현예에서, 상기 탄소강화섬유는 피치계 탄소 강화섬유, 및 PAN계 탄소 강화섬유로 구성된 군에서 선택되는 하나 이상을 포함할 수 있다.
일 구현예에서, 상기 복수의 필러들은 탄소강화섬유들과 직접 접촉하여 인접한 탄소강화섬유 시트들을 서로 열적으로 연결할 수 있다.
일 구현예에서, 상기 필러는 질화붕소(BN), 그래핀, 및 CNT로 구성된 군에서 선택되는 하나 이상을 포함할 수 있다.
일 구현예에서, 상기 필러는 고분자 수지 전체 중량에 대하여 0.1 내지 10 중량%로 포함될 수 있다.
일 구현예에서, 상기 필러는 고분자 수지 전체 중량에 대하여 5 내지 10 중량%로 포함될 수 있다.
일 구현예에서, 상기 탄소섬유강화 복합재료는 3 W/mk 이상의 두께방향 열전도도 및 30 W/mk 이상의 면방향 열전도도를 가질 수 있다.
일 구현예에서, 상기 탄소섬유강화 복합재료는 0.2 S/m 이하의 두께방향 전기전도도 및 2500 S/m 이하의 면방향 전기전도도를 가질 수 있다.
본 발명에 따른 다른 구현예에서, 복수의 탄소강화섬유 시트를 적층하는 단계; 및 적층된 강화섬유 시트를 성형 및 경화시켜 탄소섬유강화 복합재료를 형성하는 단계;를 포함하며, 상기 탄소강화섬유 시트는 일 방향으로 배열된 복수의 탄소강화섬유 및 상기 탄소강화섬유가 함침된 고분자 수지를 포함하는, 탄소섬유강화 복합재료 제조 방법이 제공된다.
일 구현예에서, 탄소강화섬유 시트 적층 단계에서 복수의 필러를 포함하는 열전달층을 인접한 탄소강화섬유 시트들의 사이에 위치시킬 수 있다.
일 구현예에서, 탄소 강화섬유 시트 적층 단계에서 인접한 강화섬유 시트끼리 강화섬유의 배열 방향을 같게 하여 적층할 수 있다.
일 구현예에서, 상기 성형 및 경화는 열매체유(HTF) 방식의 공정을 통하여 수행될 수 있다.
일 구현예에서, 상기 성형 및 경화는 50-150 ℃ 온도에서 수행될 수 있다.
일 구현예에서, 상기 성형 및 경화는 -90 내지 -30 KPa 진공 및 30 내지 90 KPa의 열매체유(HTF) 압력으로 수행될 수 있다.
본 발명의 구현예의 탄소섬유강화 복합재료는 첨가된 필러의 함량을 조절하여 적용하고자 하는 부품이 요구하는 열적, 전기적 특성에 맞게 제작할 수 있는 가능성을 제시하였으며, 이러한 방식은 기존의 열전도도와 전기전도도를 동시에 향상시켜 배터리 하우징과 같은 전기 절연성은 가지면서 열전도성을 가지는 부품에는 적용하지 못하였던 문제점을 해결하면서 복합체가 가지는 경량화 및 비강도, 비강성을 유지할 수 있다는 점에서 장점을 가질 수 있다.
도 1은 본 발명의 구현예에 따른 탄소섬유강화 복합재료의 제조 공정의 모식도를 나타낸다.
도 2는 본 발명의 구현예에 따른 탄소섬유강화 복합재료의 제조 공정에서 적용하는 온도 및 압력 조건을 도시한다.
도 3a 내지 3c는 본 발명의 구현예에 따른 탄소섬유강화 복합재료(BCP0)을 두께방향으로 절단한 단면의 현미경 이미지(각각 200배율, 500배율, 1000배율)를 도시한다.
도 4a 내지 4c는 본 발명의 구현예에 따른 탄소섬유강화 복합재료(BCP3)을 두께방향으로 절단한 단면의 현미경 이미지(각각 200배율, 500배율, 1000배율)를 도시한다.
도 5a 내지 5c는 본 발명의 구현예에 따른 탄소섬유강화 복합재료(BCP10)을 두께방향으로 절단한 단면의 현미경 이미지(각각 200배율, 500배율, 1000배율)를 도시한다.
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도 5a 내지 5c는 본 발명의 구현예에 따른 탄소섬유강화 복합재료(BCP10)을 두께방향으로 절단한 단면의 현미경 이미지(각각 200배율, 500배율, 1000배율)를 도시한다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예들을 상세히 설명하기로 한다.
본문에 개시되어 있는 본 발명의 실시예들은 단지 설명을 위한 목적으로 예시된 것으로서, 본 발명의 실시예들은 다양한 형태로 실시될 수 있으며 본문에 설명된 실시예들에 한정되는 것으로 해석되어서는 안 된다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있는 바, 실시예들은 본 발명을 특정한 개시 형태로 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 할 것이다.
단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서 상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
탄소섬유강화 복합재료
본 발명에 따른 예시적인 구현예는, 적층된 복수의 탄소강화섬유 시트; 및 상기 탄소강화섬유 시트들의 사이에 위치하고, 복수의 필러를 포함하는 열전달층;을 포함하며, 상기 탄소강화섬유 시트는 일 방향으로 배열된 복수의 탄소강화섬유 및 상기 탄소강화섬유가 함침된 고분자 수지를 포함하는, 탄소섬유강화 복합재료가 제공된다.
일반적으로 탄소섬유 강화 복합재료(CFRP)는 유리섬유 강화 복합재료(GFRP)보다 Young's modulus, Poisson's ratio, shear modulus 등 여러 물리적 특성들이 현저히 높은 것으로 알려져 있으며, 구체적으로 GFRP에 비하여 영률, 포아송 비, shear modulus 등 여러 물성 면에서 CFRP가 더 우수하다. 특히, 유리섬유로 만든 에폭시 복합재보다 탄소섬유 강화 복합재료의 극한 인성 강도(Ultimate stress)가 35도 기준 약 6~10배 가량 높은 것으로 파악된다. 따라서, 본 발명에 따른 탄소섬유강화 복합재료는 다른 소재의 복합 재료, 예컨대 유리 섬유 등에 비하여 우수한 물성을 가질 수 있다.
예시적인 구현예에서, 인접한 탄소강화섬유 시트는 강화섬유의 배열 방향이 같을 수 있다. 구체적으로 인접한 탄소강화섬유 시트 간 탄소강화섬유의 배열 방향이 서로 같은 경우, 즉 단방향(Unidirectional, UD)으로 배열되는 경우 측면 강성이 약할 수 있는 반면 일 방향으로 우수한 강도 특성을 가질 수 있다.
또한, 인접한 탄소강화섬유 시트 간 탄소강화섬유의 배열 방향이 서로 다를 수 있으며(예컨대, 엇갈려 배열됨), 이 경우 일 방향 배열된 복합재료보다는 약하지만 전방향적으로 기계적물성과 열전도도가 필요한 분야 또는 부품에 적용되는 경우 유용할 수 있다.
예시적인 구현예에서, 상기 복수의 탄소강화섬유 시트의 두께는 적용되는 두께에 따라서 층 수를 달리할 수 있다. 예를 들어, 상기 복수의 탄소강화섬유 시트는 2층 이상으로 적층될 수 있다. 탄소강화섬유 시트가 2층 미만으로 적층되는 경우 탄소강화섬유 시트에서 일 방향으로 배열된 탄소강화 섬유는 인접한 시트들이 배열 방향을 달리하여 적층이 불가하여 물성 향상을 가져오기 어려울 수 있다.
예시적인 구현예에서, 상기 탄소강화섬유 시트에서 상기 강화섬유는 직조 또는 비직조 탄소강화섬유일 수 있다. 구체적으로 상기 직조 탄소강화섬유는 단방향(Unidirectional, UD) 직물, NCF, 평직, 능직, 견직, 바구니 조직 등 직조된 탄소섬유를 포함할 수 있다.
예시적인 구현예에서, 상기 고분자 수지는 에폭시 수지 또는 우레탄 수지를 포함할 수 있다. 상기 고분자 수지는 중합 반응에 의하여 경화되어 탄소 재료 시트에서 매트릭스를 형성할 수 있다. 예를 들어, 상기 고분자 수지는 열경화성 수지, 열가소성수지, 축합 수지를 포함할 수 있으며, 상기 열경화성 수지는 비스페놀형, 노보락형, 방향족 아민형, 또는 지환형 에폭시 수지 등을 포함할 수 있고, 상기 열가소성 수지는 나일론, 폴리카보네이트, 폴리술폰, 폴리에스터술폰, 폴리에스터에스터케톤(PEEK) 등을 포함할 수 있고, 상기 축합 수지는 폴리에스터 수지, 비닐에스터 수지 등을 포함할 수 있다.
예시적인 구현예에서, 탄소강화섬유 시트들의 사이에 위치하는 열전달층은 탄소섬유 시트 층 사이에서 열전도 매개체로 작용할 수 있다. 특히, 탄소강화섬유 시트들을 직접 적층하는 구조(즉, 열전달층이 없는 경우)의 탄소섬유 강화 복합재료(CFRP)의 경우 시트 사이에 고분자 수지층이 형성될 수 있고 이로 인하여 열전달 손실이 있을 수 있다. 반면, 본원 발명에서는 열전달층을 적용하여 인접한 탄소강화섬유 시트층 사이를 필러가 채워 줌으로써 열전달의 역할을 할 수 있다.
예시적인 구현예에서, 상기 탄소강화섬유는 피치계 탄소강화섬유, 및 PAN계 탄소 강화섬유로 구성된 군에서 선택되는 하나 이상을 포함할 수 있다. 바람직하게 상기 탄소강화섬유는 피치계 탄소 강화섬유일 수 있다. 상기 피치계 탄소강화섬유는 높은 탄성률(~900 GPa), 높은 열전도율(~900 W/mK), 및 낮은 열팽창률을 가지기 때문에 탄소섬유강화 복합재료의 내부 구조를 견고히 하거나 우수한 물성을 가지면서도 열전도성이 우수하여 두께 방향으로 열을 효과적으로 전달할 수 있다. 한편, 피치계 탄소강화섬유는 일반적으로 PAN계 탄소섬유에 비해 열전도도가 높은 특징을 가지며, 이에 다른 소재(예컨대, PAN계 탄소강화섬유)를 적용하는 경우 필러(예컨대 BN 필러)를 포함하는 열전달층을 도입하더라도 전체 복합재료의 열전도 향상 효과가 미비하여 열 배출 성능이 낮을 수 있다.
예시적인 구현예에서, 상기 열전달층은 인접한 탄소강화섬유 시트 사이에서 열 전도 매개체로 작용하여, 인접한 탄소강화섬유 시트들을 서로 열적으로 연결할 수 있다. 구체적으로, 일 탄소강화섬유 시트의 탄소강화섬유와 열전달층에 존재하는 복수의 필러들과 직접 접촉하고, 상기 복수의 필러들은 인접한 다른 탄소강화섬유 시트의 탄소강화섬유와 직접 접촉하여 물리적으로 연결된 구조를 가질 수 있다.
한편, 상기 필러는 탄소강화섬유와 유사한 열팽창계수 값을 가질 수 있다. 예를 들어, BN 필러와 피치계 탄소섬유는 모두 ~0에 가까운 열팽창계수를 가질 수 있으며, 이로 인하여 높은 온도범위에 사용되어도 복합재료의 물성 저하에 영향을 크게 주지 않을 수 있다. 또한, 이러한 열팽창계수의 차이로 인하여 종래의 탄소계열 필러(그래핀, CNT 등)들은 이론적 열전도도와 기계적 물성 자체는 높지만 탄소강화섬유와 조합하여 복합재료를 구성하는 경우 실제 열전도도와 기계적 물성값이 크게 향상되지 않을 수 있다.
예시적인 구현예에서, 상기 필러는 탄소계열 필러를 포함할 수 있으며, 구체적으로 상기 필러는 질화붕소(BN), 그래핀, 및 CNT로 구성된 군에서 선택되는 하나 이상을 포함할 수 있다. 바람직하게 상기 필러는 질화붕소(Boron nitride, BN)일 수 있으며, 구체적으로 2D 형태의 육방정계 질화붕소(h-BN)일 수 있다. 상기 질화붕소는 평면구조의 물질로 압전 특성, 투명성, 높은 열전도도, 내화학성 등의 성질을 가지고 있어 디바이스의 센서 소자 등으로 사용 가능성이 엿보이는 물질이면서 전기 절연성을 가지고 있는 물질이다. 이러한 질화붕소의 높은 열전도도 및 전기 절연성에 주목하여, 본원 발명의 탄소섬유강화 복합재료에서 추가적인 강화재로 첨가될 수 있다. 또한 BN 필러의 경우 전자파 차폐(EMI shielding), 우주자기장 차폐 효과를 가질 수 있어서 우주환경에서 사용되는 전장품에 적용될 수 있다.
예시적인 구현예에서, 상기 필러는 상기 고분자 수지 전체 중량에 대하여 0.1 내지 10 중량%로 포함될 수 있다. 예를 들어 5 내지 10 중량%로 포함될 수 있다. 상기 필러의 함량이 0.1 중량% 미만인 경우 탄소섬유 시트 전체에 고루 분산이 되지 못해 균일한 물성을 얻지 못할 수 있고, 10 중량% 초과인 경우 적층된 탄소강화섬유 시트 사이의 거리가 지나치게 넓어져 면방향 열전도도 및 인장강도가 필러를 적용하지 않는 경우보다 오히려 더 낮아질 수 있다.
예시적인 구현예에서, 상기 탄소섬유강화 복합재료는 3 W/mk 이상의 두께방향 열전도도 및 30 W/mk 이상의 면방향 열전도도를 가질 수 있다. 예를 들어, 5 W/mk 이상, 6 W/mk 이상, 7 W/mk 이상, 또는 8 W/mk 이상의 두께방향 열전도도를 가질 수 있고, 30 W/mk 이상, 35 W/mk 이상, 또는 40 W/mk 이상의 면방향 열전도도를 가질 수 있다.
예시적인 구현예에서, 상기 탄소섬유강화 복합재료는 0.2 S/m 이하의 두께방향 전기전도도 및 2500 S/m 이하의 면방향 전기전도도를 가질 수 있다.
탄소섬유강화 복합재료 제조 방법
본 발명에 따른 다른 구현예에서, 복수의 탄소강화섬유 시트를 적층하는 단계; 및 적층된 강화섬유 시트를 성형 및 경화시켜 탄소섬유간화 복합재료를 형성하는 단계;를 포함하며, 상기 탄소강화섬유 시트는 일 방향으로 배열된 복수의 탄소강화섬유 및 상기 탄소강화섬유가 함침된 고분자 수지를 포함하는, 탄소섬유강화 복합재료 제조 방법이 제공된다. 본 제조 방법에서 탄소섬유강화 복합재료의 구체적인 특징은 전술한 내용과 동일하며 다시 기재하지 않는다.
먼저, 복수의 탄소강화섬유 시트를 적층할 수 있는데, 예시적인 구현예에서, 탄소강화섬유 시트 적층 단계에서 복수의 필러를 포함하는 열전달층을 인접한 탄소강화섬유 시트들의 사이에 위치시킬 수 있다.
예시적인 구현예에서, 탄소 강화섬유 시트 적층 단계에서 인접한 강화섬유 시트끼리 강화섬유의 배열 방향을 같게 하여 적층할 수 있다.
다음으로, 적층된 강화섬유 시트를 성형 및 경화시켜 탄소섬유강화 복합재료를 형성할 수 있다.
예시적인 구현예에서, 상기 성형 및 경화는 핫 프레스, 오토클레이브(AC), 오븐 성형(semi prepreg, Resin Film Infusion), Filament Winding(FW), Resin Transfer Molding(RTM), Vacuum assisted RTM(VaRTM), Prepreg Compression Molding(PCM), 또는 사출 성형에 의한 공정을 포함할 수 있다. 바람직하게 핫 프레스에 의한 공정을 통하여 수행될 수 있다.
예시적인 구현예에서, 상기 성형 및 경화는 열매체유(HTF) 방식의 공정을 통하여 수행될 수 있다. 상기 열매체유(HTF) 방식의 공정을 적용하는 경우 종래의 핫 프레스 몰딩 공정을 적용하는 경우에 비하여 제조되는 탄소섬유 강화 복합 재료에서 탄소강화섬유가 고분자 수지 상에서 우수한 함침성을 가질 수 있다.
예시적인 구현예에서, 상기 성형 및 경화는 50-150 ℃ 온도에서 수행될 수 있다. 구체적으로, 50-150 ℃ 온도에서 10-120 분 동안 수행될 수 있다. 50℃ 미만 온도의 경우 경화가 일어나지 않아 시편이 완성되지 않을 수 있고, 150℃ 초과 온도의 경우 수지의 변색, 갈변, 수지의 발화, 기계적 물성 하락 등이 일어날 수 있다. 또한 10분 미만의 경우 충분히 경화가 일어나지 않아 급격한 물성 저하 및 시편이 미완성 될 수 있고, 120분 초과의 경우 수지의 변색, 기계적 강도 저하 등의 현상이 일어날 수 있다.
예시적인 구현예에서, 상기 성형 및 경화는 -90 내지 -30 KPa 진공 및 30 내지 90 KPa의 열매체유(HTF) 압력으로 수행될 수 있다. 예를 들어 상기 성형 및 경화는 약 -60 KPa의 균일한 진공 및 60 KPa의 균일한 열매체유(HTF) 압력 조건에서 수행될 수 있으며, 전술한 범위의 조건으로 성형 및 경화되는 경우 탄소강화섬유가 고분자 수지 상에서 우수한 함침성을 가질 수 있다.
실시예
이하, 실시예를 통하여 본 발명을 더욱 상세히 설명하고자 한다. 이들 실시예는 오로지 본 발명을 예시하기 위한 것으로, 본 발명의 범위가 이들 실시예들에 의해 제한되는 것으로 해석되지 않는 것은 당 업계에서 통상의 지식을 가진 자에 있어서 자명할 것이다.
실시예: 탄소섬유강화 복합재료 제조
탄소섬유강화 복합재료를 제작하기 위하여 단방향성 pitch계 탄소섬유 프리프레그를(QH-116NSD, TB carbon Co. Ltd., Korea) (탄소섬유: XN-90-60S, 길이 방향 열 열전도도: 500W/m·K) 사용하였다.
도 1은 탄소섬유강화 복합재료의 제조 과정을 개략적으로 도시하고 있으며 이를 참고하면, 먼저 프리프레그를 물성 시험에 알맞은 크기와 layer 수를 선택하여(기계적 물성 측정=10층, 전기적 물성 측정=30층) 섬유방향이 모두 같도록 적층하되 프리프레그 시트들 사이에 프리프레그의 수지의 무게의 1, 3, 5, 10 wt%의 BN (DENKA, XGP grade, 5-100 μm, hexagonal BN) 파우더(필러)를 시편 사이즈에 맞는 시험용 체에 (눈 크기: 100 μm) 올려 골고루 도포하였다(도 1).
이렇게 만든 BN이 첨가된 적층 된 프리프레그를 HTF(heat transfer fluid) 공정 장비에 넣어 -60 KPa 진공상태에서60 KPa의 열매체유 압력 하에서 경화과정을 진행하였다. 경화에 필요한 경화 온도 및 압력 조건은 도 2와 같다. 구체적으로 프리프레그 사이에 BN이 잘 함침 되도록 진공을 계속해서 유지해 주면서 온도를 125 ℃까지 승온하여 120분 간 유지하여 경화 과정을 거쳤으며, 압력 조건의 경우 샘플이 완전히 냉각될 때까지 유지하였다.
실험예 1: 탄소섬유강화 복합재료의 적층 구조 특성
도 3a 내지 5c는 본 발명의 비교예 1(도 3a-3c), 실시예 2(도 4a-4c), 및 실시예 4(도 5a-5c)의 샘플을 두께 방향으로 절단한 단면의 현미경 이미지를 도시한다(각각 200배율, 500배율, 1000배율).
도 3a-3c에서 열전달층을 적용하지 않는 샘플(BCP0)을 도시하는데, 원형의 탄소섬유 단면들 사이로 고분자 수지 매트릭스가 형성된 것을 확인할 수 있다.
반면, 도 4a-4c의 BN 필러를 함유하는 열전달층을 적용한 샘플(BCP 3)에서는 원형의 탄소섬유 단면들 사이에 BN 힐러가 위치하며, 인접한 탄소섬유들과 직접 접촉하여 이들을 물리적으로 연결하는 것을 확인할 수 있다. BN 필러의 함량을 달리한 도 5a-5c의 샘플에서도(BCP10) 같은 구조를 확인할 수 있다.
실험예 2: 탄소섬유강화 복합재료 열적 물성
실시예의 탄소섬유강화 복합재료를 워터젯을 사용하여 알맞은 크기로 잘르고(SJA-T500, HyperJet 94i-S 고압 시스템, 최고 압력 6,480 bar), 디스크 회전 가공기와 연마지를 이용하여 충분히 연마하여 열 및 전기전도도 시험을 위한 샘플을 준비하였다. 각 샘플은 BCP# 로 명명하였으며, #은 필러인 BN 질량 함량(중량%)으로 각각 0, 1, 3, 5, 10 중량%의 값을 의미한다.
열전도도는 Hot-disk 기기를 이용하여 면방향과 두께방향의 열확산도를 측정하였다. Hot-disk 기기로 측정한 비열용량을 아래와 같은 수학식 1을 이용하여 열전도도를 계산하였다.
[수학식 1]
여기서, 
는 열전도도, 
는 열확산도, 
는 밀도, 
는 시편의 비열용량이다. BN 함량에 따른 복합체의 열전도도 측정 결과는 아래의 표 1에서 도시하였다.
| 샘플 | 두께방향 열전도도 (W/mK) |
면방향 열전도도 (W/mK) |
| 비교예 1 (BCP0) |
2.978 | 36.493 |
| 실시예 1 (BCP1) |
2.264 | 40.263 |
| 실시예 2(BCP3) | 2.420 | 42.340 |
| 실시예 3(BCP5) | 3.281 | 35.346 |
| 실시예 4(BCP10) | 8.214 | 30.321 |
그 결과, BN의 함량에 따라 두께 및 면 방향의 열전도도가 향상되는 것을 확인할 수 있었다. 특히 두께 방향 열전도도의 경우 10 중량% 함량을 첨가한 샘플의 경우 0중량% 샘플에 비해 175% 증가함을 보였으며, 면방향 열전도도의 경우 3 중량% 함량을 첨가한 샘플의 경우 0 중량% 샘플에 비해 16% 증가함을 보였다.
실험예 3: 탄소섬유강화 복합재료 전기적 물성
면저항은 비접촉식 자동 면저항 측정기(Automatic sheet resistance measurement system, ARMS-600)를 이용하여 각 시편의 면저항을 측정하였다. 5 cmХ5 cm 크기의 시편에서 1 cm 이상의 간격으로 한 면 당 최소 10개의 지점에서 저항을 측정하였다. 이렇게 측정된 저항 값은 수학식 2로 면방향 전기전도도로 변환되었다.
[수학식 2]
여기서, 
는 면방향 전기전도도, 
는 비저항(Resistivity), 
는 면저항 값, 
는 시편의 두께이다.
또한 두께방향 전기전도도는 임피던스-유전율 시스템을 이용하여 측정된 전기저항을 바탕으로 계산되어 데이터를 산출하였으며, 각 시편마다 10번 이상의 횟수만큼 전기저항을 측정하였다. 전기전도도는 수학식 3을 통하여 계산되었다.
[수학식 3]
여기서, 
는 두께방향 전기전도도, 
은 두께방향 전기저항, 
은 CFRP 시편의 두께, 
는 시편의 단면 면적이다.
BN 함량에 따른 복합체의 전기전도도 측정 결과는 아래의 표 2에서 도시하였다.
| 샘플 | 두께방향 전기전도도 (S/m) |
면방향 전기전도도 (S/m) |
| 비교예 1 (BCP0) |
0.933 | 3225.786 |
| 실시예 1(BCP1) | 0.463 | 3053.920 |
| 실시예 2(BCP3) | 0.389 | 1869.305 |
| 실시예 3(BCP5) | 0.134 | 2210.949 |
| 실시예 4(BCP10) | 0.074 | 1471.642 |
그 결과, BN의 함량에 따라 두께 및 면 방향의 전기전도도가 감소되는 것을 확인할 수 있었다.
실험예 4: 탄소섬유강화 복합재료 기계적 물성
인장강도와 탄성계수의 측정은 만능재료시험기(Instron 5985, Universal testing machine)에 ASTM D3039 규정에 따라 측정하였다. BN 함량에 따른 복합체의 인장 물성 측정 결과는 아래의 표 3에서 도시하였다.
| 샘플 | 인장 강도 (MPa) |
인장 탄성계수 (GPa) |
| 비교예 1 (BCP0) |
1392.40 | 426.20 |
| 실시예 1 (BCP1) |
1363.17 | 423.50 |
| 실시예 2(BCP3) | 1447.00 | 432.75 |
| 실시예 3(BCP5) | 1458.00 | 424.40 |
| 실시예 4(BCP10) | 1383.17 | 477.33 |
그 결과, 여타 다른 열, 전기 전도도를 높이기 위한 강화 필러를 첨가한 복합체와는 다르게 BN을 첨가한 복합체의 경우 함량이 증가함에도 인장 강도 및 탄성계수에는 크게 변화가 없음을 확인하였으면, 특정 함량에서는 오히려 물성이 증가하는 형상을 확인할 수 있었다.
앞에서 설명된 본 발명의 실시예는 본 발명의 기술적 사상을 한정하는 것으로 해석되어서는 안된다. 본 발명의 보호범위는 청구범위에 기재된 사항에 의하여만 제한되고, 본 발명의 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상을 다양한 형태로 개량 변경하는 것이 가능하다. 따라서, 이러한 개량 및 변경은 통상의 지식을 가진 자에게 자명한 것인 한 본 발명의 보호범위에 속하게 될 것이다.
Claims (15)
- 적층된 복수의 탄소강화섬유 시트; 및 상기 탄소강화섬유 시트들의 사이에 위치하고, 복수의 필러를 포함하는 열전달층;을 포함하며,
상기 탄소강화섬유 시트는 일 방향으로 배열된 복수의 탄소강화섬유 및 상기 탄소강화섬유가 함침된 고분자 수지를 포함하는, 탄소섬유강화 복합재료. - 제1항에 있어서,
인접한 강화섬유 시트는 강화섬유의 배열 방향이 같는, 탄소섬유강화 복합재료. - 제1항에 있어서,
상기 탄소강화섬유는 피치계 탄소 강화섬유, 및 PAN계 탄소 강화섬유로 구성된 군에서 선택되는 하나 이상을 포함하는, 탄소섬유강화 복합재료. - 제1항에 있어서,
상기 복수의 필러들은 탄소강화섬유들과 직접 접촉하여 인접한 탄소강화섬유 시트들을 서로 열적으로 연결하는, 탄소섬유강화 복합재료. - 제1항에 있어서,
상기 필러는 질화붕소(BN), 그래핀, 및 CNT로 구성된 군에서 선택되는 하나 이상을 포함하는, 탄소섬유강화 복합재료. - 제1항에 있어서,
상기 필러는 고분자 수지 전체 중량에 대하여 0.1 내지 10 중량%로 포함되는, 탄소섬유강화 복합재료. - 제1항에 있어서,
상기 필러는 고분자 수지 전체 중량에 대하여 5 내지 10 중량%로 포함되는, 탄소섬유강화 복합재료. - 제1항에 있어서,
상기 탄소섬유강화 복합재료는 3 W/mk 이상의 두께방향 열전도도 및 30 W/mk 이상의 면방향 열전도도를 갖는, 탄소섬유강화 복합재료. - 제1항에 있어서,
상기 탄소섬유강화 복합재료는 0.2 S/m 이하의 두께방향 전기전도도 및 2500 S/m 이하의 면방향 전기전도도를 갖는, 탄소섬유강화 복합재료. - 복수의 탄소강화섬유 시트를 적층하는 단계; 및
적층된 강화섬유 시트를 성형 및 경화시켜 탄소섬유강화 복합재료를 형성하는 단계;를 포함하며,
상기 탄소강화섬유 시트는 일 방향으로 배열된 복수의 탄소강화섬유 및 상기 탄소강화섬유가 함침된 고분자 수지를 포함하는, 탄소섬유강화 복합재료 제조 방법. - 제10항에 있어서,
탄소강화섬유 시트 적층 단계에서 복수의 필러를 포함하는 열전달층을 인접한 탄소강화섬유 시트들의 사이에 위치시키는, 탄소섬유강화 복합재료 제조 방법. - 제10항에 있어서,
탄소 강화섬유 시트 적층 단계에서 인접한 강화섬유 시트끼리 강화섬유의 배열 방향을 같게 하여 적층하는, 탄소섬유강화 복합재료 제조 방법. - 제10항에 있어서,
상기 성형 및 경화는 열매체유(HTF) 방식의 공정을 통하여 수행되는, 탄소섬유강화 복합재료 제조 방법. - 제10항에 있어서,
상기 성형 및 경화는 50-150 ℃ 온도에서 수행되는, 탄소섬유강화 복합재료 제조 방법. - 제10항에 있어서,
상기 성형 및 경화는 -90 내지 -30 KPa 진공 및 30 내지 90 KPa의 열매체유(HTF) 압력으로 수행되는, 탄소섬유강화 복합재료 제조 방법.
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