KR20230099403A - 흡음 및 방열 성능이 우수한 복합 다공성 구조체, 이를 포함하는 흡음 및 방열 소재 및 이의 제조방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 흡음 및 방열 성능이 우수한 복합 다공성 구조체, 이를 포함하는 흡음 및 방열 소재 및 이의 제조방법에 관한 것으로서, 다공성 구조체를 유연성 고분자 용액에 함침시켜 기공이 감소한 구조체를 형성하고, 이후 전도성 유기 분자의 기상증착 방법을 이용하여 전도성 고분자 코팅막을 상기 다공성 구조체의 구조체 표면에 중합함으로써 흡음 및 방열 성능이 우수할 뿐 만 아니라 기계적 안정성까지 확보할 수 있어, 이를 이용한 소재는 흡음성 및 방열성이 함께 요구되는 고속 전기 시스템 등에 적용할 수 있는 장점이 있다.
Description
본 발명은 흡음 및 방열 성능이 우수한 복합 다공성 구조체, 이를 포함하는 흡음 및 방열 소재 및 이의 제조방법에 관한 것으로서, 다공성 구조체를 유연성 고분자 용액에 함침시켜 기공이 감소한 구조체를 형성하고, 이후 전도성 유기 분자의 기상증착 방법을 이용하여 전도성 고분자 코팅막을 상기 다공성 구조체의 구조체 표면에 중합함으로써 흡음 및 방열 성능이 우수할 뿐 만 아니라 기계적 안정성까지 확보할 수 있는 다공성 구조체, 이를 포함하는 흡음 및 방열 소재 및 이의 제조방법에 관한 것이다.
다공성 구조체를 이용한 흡음 소재 형성 기술은 가장 보편적으로 사용되는 방법으로 고분자 발포제를 이용하여 기공형성을 유도한다. 이와 같은 기공 내부의 공기가 음파에 의해 진동하여 생긴 마찰 때문에 소리에너지가 열에너지로 변환되어 흡음 효과가 발생하게 된다.
이러한 종래의 대부분의 다공성 흡음용 고분자 소재는 낮은 열전도도로 인하여 방열을 위해서는 열전도도가 높은 소재를 추가적으로 도입해야 하는 문제가 있었다. 뿐만 아니라, 다공성 구조체의 낮은 공간 밀도로 인하여 기계적 안정성을 확보하는 것이 어렵다는 한계도 있었다.
본 발명은 종래의 열전도성 소재 도입에 따른 흡음 소재의 대형화 및 낮은 공간 밀도로 인한 기계적 불안정성 문제를 해결하고자 고안된 것으로, 연성 고분자를 함침방법을 이용하여 다공성 구조체의 기공 공간밀도를 증가시켜 흡음 및 기계적 강도를 확보하고, 전도성 유기 분자의 기상증착을 통하여 전도성 고분자 코팅막을 도입함으로써 흡음 및 방열 성능이 우수한 복합 다공성 구조체, 그 제조방법 및 이를 포함하는 흡음 및 방열 소재를 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 흡음 및 방열 성능이 우수한 복합 다공성 구조체는 연성 고분자를 함침시켜 코팅한 다공성 구조체의 표면에 전도성 고분자를 증착시킨 것을 특징으로 한다.
상기 다공성 구조체는 멜라민 수지 발포 폼일 수 있다.
상기 연성 고분자는 폴리에틸렌옥사이드(polyethylene oxide)일 수 있다.
상기 전도성 고분자는 폴리피롤(polypyrrole)일 수 있다.
상기 전도성 고분자는 전도성 유기 분자를 기상증착으로 상기 다공성 구조체의 표면에 중합시킬 수 있다.
또 다른 본 발명에 따른 흡음 및 방열 소재는 상기 복합 다공성 구조체를 포함하여 제조될 수 있다.
또 다른 본 발명에 따른 흡음 및 방열 성능이 우수한 복합 다공성 구조체 제조방법은 다공성 구조체를 유연성 고분자 용액에 함침 후 건조시키는 단계; 상기 전도성 고분자가 함침된 다공성 구조체를 산화제 용액에 함침시켜 산화제로 코팅하는 단계; 및 전도성 유기 분자를 기상증착으로 상기 다공성 구조체 표면에 중합시키는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 다공성 구조체는 멜라민 수지 발포 폼일 수 있다.
상기 연성 고분자는 폴리에틸렌옥사이드(polyethylene oxide)일 수 있다.
상기 전도성 고분자는 폴리피롤(polypyrrole)일 수 있다.
상기 산화제 용액은 염화철(Ⅲ)(FeCl3)가 포함된 용액일 수 있다.
본 발명에 따른 다공성 구조체는 기존 흡음 소재보다 높은 흡음성을 가질 뿐만 아니라, 방열 성능까지 우수하여, 이를 이용한 소재는 흡음성 및 방열성이 함께 요구되는 고속 전기 시스템 등에 적용할 수 있는 장점이 있다.
도 1은 본 발명에 따른 복합 다공성 구조체의 제조과정을 나타내는 순서도.
도 2는 실시예에 사용된 다공성 구조체(멜라민 폼)을 확대한 사진.
도 3은 도 2의 다공성 구조체에 연성 고분자(PEO)가 함침된 모습을 확대한 사진.
도 4는 도 3의 다공성 구조체에 전도성 고분자(폴리피롤)가 증착된 모습을 확대한 사진.
도 5는 실시예의 제조단계별로 형성된 다공성 구조체의 흡음 성능에 관한 실험결과 그래프.
도 6은 실시예의 제조단계별로 형성된 다공성 구조체의 방열 성능에 관한 실험결과 그래프.
도 7은 실시예의 제조단계별로 형성된 다공성 구조체의 구조적 안정성에 관한 실험결과 그래프.
도 2는 실시예에 사용된 다공성 구조체(멜라민 폼)을 확대한 사진.
도 3은 도 2의 다공성 구조체에 연성 고분자(PEO)가 함침된 모습을 확대한 사진.
도 4는 도 3의 다공성 구조체에 전도성 고분자(폴리피롤)가 증착된 모습을 확대한 사진.
도 5는 실시예의 제조단계별로 형성된 다공성 구조체의 흡음 성능에 관한 실험결과 그래프.
도 6은 실시예의 제조단계별로 형성된 다공성 구조체의 방열 성능에 관한 실험결과 그래프.
도 7은 실시예의 제조단계별로 형성된 다공성 구조체의 구조적 안정성에 관한 실험결과 그래프.
본 발명은 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명에 따른 복합 다공성 구조체의 제조과정을 나타내는 순서도이다.
먼저, 다공성 구조체를 유연성 고분자 용액에 함침 후 건조시킨 후, 이를 전도성 유기 분자를 기상증착 방식으로 상기 다공성 구조체 표면에 중합시키는 단계;를 포함하며, 기상증착 전에 다공성 구조체를 개시제 용액에 함침시켜 산화제로 코팅하여 표면개질함으로써 전도성 유기 분자의 중합을 보다 원활히 할 수 있다.
즉, 본 발명은 다공성 구조체를 연성 고분자 용액에 함침시켜 코팅함으로써 기공이 감소한 구조체를 형성하고, 이후 전도성 유기 분자의 기상증착으로 전도성 고분자 코팅막을 상기 다공성 구조체 표면에 적용시킴으로써, 본 발명에 따른 복합 다공성 구조체를 제조할 수 있다.
상기 다공성 구조체는 다공성 발포 폼일 수 있으며, 대표적으로 멜라민 수지 발포 폼이나 우레탄 수지 발포 폼일 수 있다. 바람직하게는 멜라민 수지 발포 폼이 우레탄 수지 발포 폼에 대비하여 가볍고 부피가 크기 때문에 공명음 저감에 유리할 뿐만 아니라, 차음/주파수 이동 등의 부가효과를 가져와 소음 강도를 보다 낮출 수 있는 장점이 있다. 상기 멜라민 수지 발포 폼은 모노머가 멜라민인 폴리머를 포함하는 폼으로서, 일예로 멜라민과 포름알데히드 사이의 중합 반응으로부터의 멜라민-포름알데히드 폼일 수 있다.
상기 연성 고분자는 일정 이상의 연성을 가지는 고분자로서, 대표적으로는 친수성 고분자가 이에 해당하며, 일예로는 폴리비닐피롤리돈 (polyvinlypyrrolidone, PVP), 폴리비닐알콜 (polyvinylalcohol ,PVA), 히드록시프로필메틸셀룰로오스 (hydroxypropyl methylcellulose, HPMC)를 포함하는 셀룰로오스 유도체, 폴리에틸렌옥사이드(polyethylene oxide, PEO) 등이 있으며, 이중 바람직한 것은 폴리에틸렌옥사이드이다.
상기 전도성 고분자는 π-공액 고분자(π-conjugated polymer)라고도 불리며, 단일결합(σ-결합)과 다중결합(π-결합)이 반복되는 화학구조를 가지고 있어서, 이들 화학 결합에 의해 비편재화되어 결합 사슬을 따라 비교적 자유롭게 움직일 수 있는 π-전자를 갖는 것이 특징이다. 대표적인 전도성 고분자는 폴리아세틸렌, 폴리피롤(polypyrrole), 폴리싸이오펜(polythiophene), poly(3,4-ethylene dioxythio-phene) (PEDOT), 폴리아닐린(polyaniline) 등이 있으며, 이중 바람직한 것은 폴리피롤(polypyrrole)이다.
상기 전도성 고분자가 다공성 구조체 표면에 기상증착 방식으로 중합되기 위해서는 먼저, 고분자 중합 개시제 용액에 상기 다공성 구조체를 함침시켜 구조체 표면의 친수성이 향상되도록 표면 개질시키는 것이 바람직하다. 이러한 개시제 용액은 APS(ammonium persulfate), 염화구리(Ⅱ) (CuCl2), 염화철(Ⅲ) (FeCl3), 또는 그 이외에 전도성 고분자 단량체를 중합시킬 수 있는 다양한 개시제를 포함하는 용액일 수 있다.
상기 개시제 용액은 증류수 또는 유기 용매 등에 개시제를 섞어 만들 수 있다.
즉, 본 발명은 유연 고분자를 함침시켜 기공소재의 공간밀도를 증가시킴으로써 흡음 및 기계적 강도를 확보할 수 있고, 또한 전도성 유기 분자의 기상증착을 통해 구조체 표면에 전도성 고분자 코팅막을 도입함으로써 방열성능까지 향상시킬 수 있다. 따라서, 본 발명에 따른 복합 다공성 구조체를 이용한 소재는 흡음성 및 방열성이 함께 요구되는 고속 전기 시스템 등에 적용할 수 있다.
[실시예]
도 2에 도시된 바와 같은 다공성 구조체 melamine foam을 150,000 Mw 분자량을 가지는 폴리에틸렌옥사이드(PEO) 수용액(PEO 함량 : 5 wt%)에 함침시켜 연성 고분자가 코팅된 다공성 구조체를 제조하였다. (도 3 참조).
이후, 60 ℃ 오븐에서 1시간 건조시킨 다음, 개시제 용액인 FeCl3 6wt% Et-OH solution에 상기 PEO로 코팅된 melamine foam을 함침시킨 후, 상온에서 10분 건조시켰다.
마지막으로, 진공 챔버를 이용하여 상온에서 피롤(pyrrole) 모노머를 기상증착방법을 이용하여 중합반응을 30분간 하여, 본 발명에 따른 복합 다공성 구조체를 제조하였다. (도 4 참조)
이하, 상기 실시예에서 함침 전 다공성 구조체(melamine foam), 연성 고분자 코팅 다공성 구조체 및 최종 제조한 전도성/연성 고분자 복합 다공성 구조체를 대상으로, 흡음, 방열 성능 및 구조적 안정성을 측정하였다. (흡음 측정: 관내법 (250~6300 HZ) / 물질의 열전도도 측정: LFA (Laser Flash Analysis) / 물질의 압축응력 측정: 만능재료 시험기를 통한 압축변형율 측정)
상기 실험 결과, 도 5 내지 7에서 확인할 수 있듯이 본 발명에 따라 최종 제조한 전도성/연성 고분자 복합 다공성 구조체가 나머지 2개이 구조체와 대비하여 특정 주파수 범위 내에서 흡음 성능이 우수할 뿐만 아니라, 방열 및 구조적 안정성 역시 모두 뛰어남을 확인할 수 있었다.
이상, 본 명세서에 개시된 기술을 바람직한 실시예시적으로 상세하게 설명하였으나, 본 발명의 기술적 사상은 상기 실시예들에 한정되지 않고, 본 발명의 기술적 사상의 범위 내에서 당 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의하여 여러 가지 변형 및 변경이 가능하다.
Claims (11)
- 연성 고분자를 함침시켜 코팅한 다공성 구조체의 표면에 전도성 고분자를 증착시킨 것을 특징으로 하는, 흡음 및 방열 성능이 우수한 복합 다공성 구조체.
- 제1항에 있어서,
상기 다공성 구조체는 멜라민 수지 발포 폼인 것을 특징으로 하는, 복합 다공성 구조체.
- 제1항에 있어서,
상기 연성 고분자는 폴리에틸렌옥사이드(polyethylene oxide)를 포함하는 것을 특징으로 하는, 복합 다공성 구조체.
- 제1항에 있어서,
상기 전도성 고분자는 폴리피롤(polypyrrole)인 것을 특징으로 하는, 복합 다공성 구조체.
- 제1항에 있어서,
상기 전도성 고분자는 전도성 유기 분자를 기상증착 방식으로 상기 다공성 구조체의 표면에 중합시킨 것을 특징으로 하는, 복합 다공성 구조체.
- 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 따른 복합 다공성 구조체를 포함하여 제조되는 흡음 및 방열 소재.
- 다공성 구조체를 유연성 고분자 용액에 함침 후 건조시키는 단계;
상기 전도성 고분자가 함침된 다공성 구조체를 산화제 용액에 함침시켜 산화제로 코팅하는 단계; 및
전도성 유기 분자를 기상증착 방식으로 상기 다공성 구조체 표면에 중합시키는 단계;
를 포함하는 것을 특징으로 하는 음 및 방열 성능이 우수한 복합 다공성 구조체 제조방법.
- 제7항에 있어서,
상기 다공성 구조체는 멜라민 수지 발포 폼인 것을 특징으로 하는, 복합 다공성 구조체 제조방법.
- 제7항에 있어서,
상기 연성 고분자는 폴리에틸렌옥사이드(polyethylene oxide)를 포함하는 것을 특징으로 하는, 복합 다공성 구조체 제조방법.
- 제7항에 있어서,
상기 전도성 고분자는 폴리피롤(polypyrrole)인 것을 특징으로 하는, 복합 다공성 구조체 제조방법.
- 제7항에 있어서,
상기 산화제 용액은 FeCl3을 포함하는 것을 특징으로 하는, 복합 다공성 구조체 제조방법.
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