WO2014030782A1 - 탄화규소가 코팅된 탄소섬유 복합체 및 그 제조방법 - Google Patents

탄화규소가 코팅된 탄소섬유 복합체 및 그 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 탄소섬유; 및 탄소섬유 표면에 코팅된 탄화규소를 포함하는 탄소섬유 복합체 및 그 제조방법에 관한 것으로, 탄소섬유로 형성되어 중량을 감소시킬 수 있으며, 높은 열전도도를 이용하여 우수한 방열 효율을 구현할 수 있고, 방열 특성이 필요한 전자제품 등에 다양하게 이용할 수 있다.

Description

탄화규소가 코팅된 탄소섬유 복합체 및 그 제조방법
본 발명은 탄화규소가 코팅된 탄소섬유 복합체 및 그 제조방법에 관한 것이다.
일반적으로, 발열소재를 포함하는 전자기기 대부분의 본체, 섀시, 혹은 방열판 등의 재료는 금속이 가장 많이 사용된다. 그 이유는 금속이 가진 높은 열전도도 때문이다.
다른 재료들에 비해서, 금속은 흡수한 열을 주위로 빠르게 확산시키는 특성이 있으며, 이를 이용하면 열에 민감한 전자 부품이 국부적인 고온 상태에 놓이는 것을 예방할 수 있다. 그리고, 금속은 높은 기계적 강도를 가지며, 판금이나 금형, 절삭 등의 가공성을 겸비하고 있기 때문에, 복잡한 형상으로의 가공이 필요한 방열용 재료로 이용하기에 적절하다.
그러나, 금속은 상대적으로 높은 밀도를 갖기 때문에, 제품의 경량화에 장애가 되고, 제조 단가를 높이는 원인으로 작용한다.
본 발명은 기계적 물성을 저하시키지 않으면서 높은 열전도도를 구현할 수 있는 탄소섬유 복합체 및 그 제조방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명은 탄소섬유; 및 탄소섬유 표면에 코팅된 탄화규소를 포함하는 탄소섬유 복합체 및 이를 방열 소재로 이용한 전자제품을 제공한다.
또한 본 발명은, 실리카 졸을 이용하여 탄소섬유를 코팅하는 단계;
실리카 졸이 코팅된 탄소섬유를 900℃ 내지 1200℃에서 1차 열처리하는 단계; 및 1차 열처리된 탄소섬유를 1300℃ 내지 1600℃에서 2차 열처리하는 단계를 포함하는 탄소섬유 복합체의 제조방법을 제공한다.
본 발명에 따른 탄소섬유 복합체는, 탄소섬유로 형성되어 중량을 감소시킬 수 있으며, 높은 열전도도를 이용하여 우수한 방열 효율을 구현할 수 있다.
도 1은 본 발명의 하나의 실시예에 의해 제조된 탄소섬유 복합체를 관찰한 주사전자현미경 사진을 나타낸 것이다;
도 2는 탄화규소로 코팅되지 않은 상태의 탄소섬유 및 비교예 2에 의해 제조된 탄소섬유 복합체를 주사전자현미경으로 관찰한 결과이다;
도 3은 탄화규소로 코팅된 탄소섬유(실시예 1)와 탄화규소로 코팅되지 않은 탄소섬유(비교예 1)에 대한 XRD 분석 결과를 나타낸 비교 그래프이다;
도 4는 탄화규소로 코팅된 탄소섬유(실시예 1)와 탄화규소로 코팅되지 않은 탄소섬유(비교예 1)에 대한 열전도도값을 비교측정한 결과를 나타낸 그래프이다;
도 5는 탄화규소로 코팅된 탄소섬유(실시예 1)와 탄소섬유로 코팅되지 않은 탄소섬유(비교예 1)에 대한 열무게 분석(TGA) 결과를 나타낸 그래프이다;
도 6은 탄화규소로 코팅된 탄소섬유(실시예 1)에 대한 열무게 분석(TGA) 후, 잔존하는 탄화규소 코팅층을 주사전자현미경으로 관찰한 결과이다.
본 발명은 탄소섬유; 및 탄소섬유 표면에 코팅된 탄화규소를 포함하는 탄소섬유 복합체에 관한 것이다.
탄소섬유의 표면에 코팅된 탄화규소의 양은, 탄소섬유 복합체 전체 100 중량부를 기준으로, 5 내지 30 중량부, 5 내지 15 중량부, 10 내지 25 중량부, 또는 15 내지 25 중량부일 수 있다. 코팅되는 탄화규소의 양을 상기 범위로 조절함으로써, 탄소섬유의 표면을 고루 도포하고, 동시에 탄소섬유가 갖는 고유 물성을 저하시키지 않는다. 코팅되는 탄화규소의 양을 상기 범위보다 증가시키면, 탄소섬유 복합체의 탄성이 저하되고, 잘 부서지는 문제가 발생할 수 있다.
상기 탄소섬유 복합체에서, 탄소섬유 표면에 코팅된 탄화규소 코팅층의 두께는 약 100 내지 500 nm, 200 내지 450 nm, 150 내지 300 nm, 또는 250 내지 350 nm 범위일 수 있다. 이는 탄화규소의 양이 증가함에 따라 형성되는 코팅층의 두께는 달라질 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 탄소섬유 복합체에서, 탄소섬유 표면에 코팅된 탄화규소는 상대적으로 높은 피복율과 균일한 분산도를 나타낸다. 하나의 예로서, 탄소섬유에 코팅되는 탄화규소의 피복율은, 탄소섬유의 표면적 대비, 90% 이상일 수 있다. 탄화규소의 피복율은, 예를 들어, 90% 이상, 90 내지 99.9%, 95 내지 95%, 90 내지 95% 또는 95 내지 99.9% 일 수 있다. 상기 피복율은, 탄소섬유의 표면적 대비, 탄화규소가 코팅된 면적을 %로 환산한 결과이다. 또한, 도 6에 도시된 바와 같이, 탄소섬유에 코팅된 탄화규소는 매우 균일한 입자 분포를 보이고 있다.
이러한 높은 피복율과 우수한 분산도는, 탄소섬유 복합체 전체적으로 균일한 열전도도를 구현하고, 특정 부위에 열이 집중되는 것을 방지하는 역할을 한다. 또한, 탄소섬유 복합체의 기계적 강도를 보다 향상시키고 균일하게 하는 효과가 있다. 이러한 높은 피복율과 균일한 분산도는 실리카 졸을 탄소섬유에 코팅한 후 열탄소환원법을 이용함으로써, 구현할 수 있으며, 이는 단순 스프레이 방법을 통해 코팅을 실시한 경우에 비해 현저히 높은 수치이다.
본 발명에 따른 탄소섬유 복합체는 바인더 수지를 더 포함할 수 있다. 이러한 바인더 수지의 종류는 특별히 제한되지 않는다. 상기 바인더 수지로는 열경화성 수지, 광경화성 수지, 열가소성 수지, 가수분해하여 축합반응을 일으키는 실란 화합물 등이 사용될 수 있다. 상기 열경화성 수지의 예로는, 에폭시 수지, 폴리우레탄 수지, 페놀 수지 및 알키드 수지 중 1 종 이상을 사용할 수 있다. 본 발명에 따른 탄소섬유 복합체는, 상기 바인더 수지를 포함하는 조성물 형태 뿐만 아니라 열 또는 광을 조사하여 경화된 상태를 포함한다.
상기 바인더 수지의 함량은 사용 목적에 따라 다양하게 적용될 수 있다. 예를 들어, 바인더 수지를 포함하는 탄소섬유 복합체 전체 100 중량부를 기준으로, 10 내지 95 중량부일 수 있다. 본 발명에서는 탄화규소가 코팅된 탄소섬유와 바인더 수지의 배합률을 달리하여 열전도도를 측정하였으며, 그 결과 탄화규소가 코팅된 탄소섬유의 함량이 증가할수록 열전도도가 향상되는 것을 확인하였다.
하나의 실시예에서, 바인더 수지를 포함하는 탄소섬유 복합체 전체 100 중량부를 기준으로, 바인더 수지의 함량이 40 내지 80 중량부인 탄소섬유 복합체의 경화 시편이, 450V, 상온에서 측정시, 열전도도가 3.8 W/mK 이상, 3.8 내지 8 W/mK, 또는 3.94 내지 7.50 W/mK 범위인 것으로 나타났다.
본 발명은 또한, 앞서 설명한 탄소섬유 복합체를 제조하는 방법을 제공한다.
하나의 예로서, 상기 탄소섬유 복합체의 제조방법은,
실리카 졸을 이용하여 탄소섬유를 코팅하는 단계;
실리카 졸이 코팅된 탄소섬유를 900℃ 내지 1200℃에서 1차 열처리하는 단계; 및
1차 열처리된 탄소섬유를 1300℃ 내지 1600℃에서 2차 열처리하는 단계를 포함한다.
본 발명의 제조방법은, 상기 실리카 졸을 이용하여 탄소섬유를 코팅하는 단계 이전에, 탄소섬유 표면에 잔존하는 사이즈제를 제거하는 전처리 단계를 거칠 수 있다. 사이즈제를 제거하는 전처리 단계는 특별히 제한되는 것은 아니며, 예를 들어 아르곤 분위기에서 850℃ 내지 1100℃로 10 시간 내지 20 시간 동안 열처리하는 방법으로 수행될 수 있다.
상기 실리카 졸을 이용하여 탄소섬유를 코팅하는 단계는, 다양한 코팅 방법이 제한 없이 적용 가능하다. 하나의 예로서, 딥코팅, 스핀코팅, 스크린코팅, 옵셋인쇄, 인크젯프린팅, 스프레이법, 패드프린팅, 나이프코팅, 키스코팅, 그라비아코팅, 붓질, 초음파 미쇄분무코팅, 스프레이-미스트 분무 코팅 등이 사용될 수 있다. 예를 들어, 실리카 졸을 이용하여 탄소섬유를 코팅하는 단계는 딥코팅을 이용하여 수행될 수 있다.
본 발명은 실리카 졸이 코팅된 탄소섬유를 900℃ 내지 1200℃에서 1차 열처리하는 단계와 1300℃ 내지 1600℃에서 2차 열처리하는 단계를 포함한다.
1차 열처리 단계는, 탄소섬유의 표면에 부착된 실리카 입자의 산화물이 밀집되도록 하는 역할을 한다. 열처리 조건은, 예를 들어, 900℃ 내지 1200℃, 950℃ 내지 1100℃, 또는 1000℃ 온도에서, 30 분 내지 3 시간 또는 50 분 내지 2 시간 동안 수행할 수 있다.
2차 열처리 단계는, 탄소섬유의 표면에 부착된 실리카 입자의 산화물을 탄화규소로 전환시키는 역할을 한다. 예를 들어, 2차 열처리를 통해, 탄소섬유의 표면에 부착된 SiO2가 SiC로 전환된다. 열처리 조건은, 예를 들어, 1300℃ 내지 1600℃, 1400℃ 내지 1500℃, 또는 1450℃ 온도에서, 30 분 내지 3 시간 또는 50 분 내지 2 시간 동안 수행할 수 있다.
2차 열처리하는 단계 이후에, 2차 열처리된 탄소섬유와 바인더 수지를 혼합하고, 초음파 처리하는 단계를 거칠 수 있다. 초음파 처리를 통해 바인더 수지에 2차 열처리된 탄소섬유가 분산된다. 이후에, 건조 및 고온 압착 과정 등을 추가로 거칠 수 있다. 상기 고온 압착 과정은, 예를 들어 90 내지 130℃ 온도에서 30 분 내지 2 시간 동안 실시할 수 있다.
또한, 본 발명은 앞서 설명한 탄소섬유 복합체를 이용한 단열소재를 제공한다. 상기 단열소재는 다양한 형태로 제품화 가능하며, 전자제품 등에 적용 가능하다. 예를 들어, 상기 전자제품으로는 PC, 휴대폰, 디스플레이 장치, 통신장비, 엔진, 모터, 배터리, LED 램프, 히터, 하우징 재료 등 다양한 분야에 적용될 수 있고, 여러 형태의 가전제품으로도 적용 가능하다.
이하 실시예 등을 통해 본 발명을 더 상세히 설명한다. 본 발명의 실시예 등은 발명의 상세한 설명을 위한 것일뿐, 이에 의해 권리범위를 제한하려는 것은 아니다.
실시예 1: 탄화규소로 코팅된 탄소섬유 복합체 제조
탄소섬유를 코팅하기 전에 사이즈제(sizing agent)를 제거하기 위해 아르곤 분위기에서 950℃로 15 시간 동안 전처리하였다. 함량이 30 중량%인 실리카 졸에 탄소섬유를 최대한 팽팽한 상태로 유지시키며 일정 속도로 딥코팅하고, 상온에서 1 시간 동안 건조하여 탄소섬유 표면에 실리카 입자를 부착하였다. 실리카 입자가 부착된 탄소섬유는 산화물층의 밀집을 위하여 1000℃에서 1 시간 동안 아르곤 분위기에서 열처리였다. 그런 다음, 다시 1450℃에서 1 시간 동안 열처리를 SiC가 균일하게 코팅된 탄소섬유(SiC/CF)를 제조하였다.
실시예 2: 바인더 수지를 포함하는 탄소섬유 복합체 제조
실시예 1에서 제조한 SiC/CF를 바인딩하기 위한 고분자로 에폭시 수지를 선택하였다. 에폭시 수지와 아세톤을 1:1의 비로 혼합하여 수지 용액을 준비하고, SiC/CF를 수지 용액과 혼합하고 약 1 시간 동안 초음파 처리하였다. 그런 다음, 오븐을 이용하여 건조시키고, 핫프레스를 사용하여 110℃에서 1 시간 가량 압착하여 고분자 수지가 포함된 탄소섬유 복합체를 제조하였다.
비교예 1: 코팅처리를 하지 않은 탄소섬유 복합체 제조
사이즈제를 제거한 탄소섬유에 대해 실시예 1과 동일한 열처리 과정을 거친 후, 바인더 수지로 에폭시 수지를 사용하여 실시예 2와 동일한 과정으로 탄소섬유 복합체를 제조하였다.
비교예 2: 스프레이법을 이용한 탄소섬유 복합체 제조
사이즈제를 제거한 탄소섬유에 스프레이법을 이용하여 실리카 졸을 코팅한 후, 실시예 1과 동일한 열처리 과정을 거쳐 SiC/CF 복합체를 제조하였다.
비교예 3: 스프레이법을 이용한 탄소섬유 복합체 제조
사이즈제를 제거한 탄소섬유에 스프레이법을 이용하여 실리카 졸을 코팅한 후, 실시예 1과 동일한 열처리 과정을 거쳐 SiC/CF 복합체를 제조하였다.
그런 다음, 바인더 수지로 에폭시 수지를 이용하여 실시예 2와 동일한 과정을 거쳐 탄소섬유 복합체를 제조하였다.
실험예 1: 주사전자현미경을 이용한 탄소섬유 복합체 관찰
실시예 1과 비교예 2에서 제조한 탄소섬유 복합체를 각각 SEM(scanning electron microscope) 촬영을 실시하였다.
도 1은 실시예 1에서 제조된 탄소섬유 복합체에 대한 SEM 관찰 사진이다. 구체적으로, 도 1(a)는 사이즈제를 제거한 탄소섬유의 표면을 관찰한 SEM 사진이며, 도 1(b)는 딥코팅 및 1차 열처리를 거쳐 SiO2입자가 탄소섬유 표면에 부착된 것을 관찰한 SEM 관찰 사진이며, 도 1(c)는 열탄소환원을 통해 제작된 SiO2가 SiC로 전환된 것을 확인한 SEM 관찰 사진이고, 도 1(d)는 도 1(c)를 고배율로 관찰한 SEM 사진이다.
도 2는 비교예 2에 따라 제조된 탄소섬유 복합체의 SEM 관찰 사진이다. 도 2(a)는 사이즈제를 제거한 후의 탄소섬유 표면을 관찰한 SEM 사진이며, 도 2(c)는 비교예 2로 제조된 복합체의 SEM 관찰 사진이다. 도 1(b)와 (d)는 각각 도 1(a)와 (c)를 확대한 SEM 사진이다.
상기 도 1 및 도 2에 나타난 바와 같이, 스프레이법을 이용하여 탄소섬유를 코팅한 경우에는 탄소섬유가 손상이 되었음을 확인할 수 있으며, 비교예 2로 제작된 복합체 보다, 실시예로 제작된 복합체의 코팅이 균일한 것을 확인할 수 있다.
실험예 2: XRD 분석
본 발명에서 도 3은 탄소섬유의 SiC 코팅 여부를 확인하기 위하여, 실시예 1의 탄소섬유 복합체와 비교예 1의 탄소섬유에 대해서, XRD(X-ray diffractometer)로 비교 분석한 결과이다.
상기 도 3에 나타난 바와 같이, 실리카가 열탄소환원반응에 의하여 SiC로 전환되어 탄소섬유에 부착되어있는 것을 확인할 수 있다.
실험예 3: 탄소섬유 복합체에 대한 열전도도 측정
실시예 2 및 비교예 3과 동일한 과정을 거쳐 탄소섬유 복합체를 제조하되, 하기 표 1에 기재된 함량으로 SiC/CF의 비율을 조절하여 탄소섬유 복합체를 제조하고, 제조된 각각의 탄소섬유 복합체에 대해서 열전도도를 측정하였다.
열전도도는 LFA427(Netzsch)을 사용하여 레이저플래쉬법으로 측정하였다. 열전도도 측정을 위한 샘플은 직경 12.6 mm, 두께 약 1.5 mm의 펠렛 형태로 제작하였고, 레이저 전압(laser voltage) 값을 450V로 하고 상온에서 측정하였다. 구체적으로는, 측정된 열확산도와 비열값을 미리 측정한 밀도와 곱하여 열전도도값을 계산하였다.
열전도도를 측정한 시료는, SiC/CF와 바인더의 합산 중량 대비, SiC/CF의 함량을 각각 0, 5, 10, 20, 40, 80중량%로 달리하여 측정하였으며, 그 결과는 아래의 표 1과 도 4에 나타내었다.
표 1
SiC/CF 함량(wt%) 열전도도 (W/mK)
비교예 실시예
0 2.17 2.17
5 2.16 2.66
10 2.05 2.36
20 2.15 2.95
40 2.86 3.94
80 3.49 7.50
표 1 및 도 4에 나타난 바와 같이, 본 발명의 실시예에 의해 제조된 탄소섬유 복합체의 열전도성이 우수함을 확인할 수 있으며, 특히, SiC/CF의 함량 80wt%인 경우에는, 실시예와 비교예의 열전도도 값이 두 배 이상의 차이를 보이는 것을 확인할 수 있다.
실험예 4: 탄소섬유 복합체에 대한 TGA 분석
실시예 1과 비교예 1에서 제조된 각각의 탄소섬유 복합체에 대해서 TGA 분석(Thermogravimetric analysis, 열무게 분석)을 실시하였다. TGA 분석은 25℃~1000℃, 승온속도 5℃/min, 및 에어(air) 분위기에서 진행하였다. 측정결과는 도 5와 같다.
도 5를 참조하면, 탄소섬유를 단독으로 사용한 비교예 1의 경우에는, 탄소섬유가 산화되면서 대부분의 중량이 소실되는 것을 알 수 있다. 그에 비해, 실시예 1의 탄소복합체(SiC/CF)는 약 10 중량%의 중량이 잔존하는 것으로 나타났고, 이는 탄소섬유에 코팅된 탄화규소 성분임을 알 수 있다. 나아가, 실시예 1의 경우에는 탄소섬유의 산화가 약 750 내지 850℃ 사이에서 일어났으며, 이는 비교예 1에 비해서 산화온도가 약 100℃ 높은 것이다. 이를 통해, 본 발명에 따른 탄소섬유 복합체는 내열성이 향상되었음을 알 수 있다.
또한, 실시예 1의 탄소섬유 복합체에 대해서 TGA 분석을 실시하고, 잔존하는 탄소섬유 복합체에 대해서 주사전자현미경으로 관찰하고 그 결과를 도 6에 도시하였다. 참고로, 비교예 1의 탄소섬유는 열처리 과정에서 대부분의 성분이 소실되어 관찰이 불가능한 것으로 나타났다.
도 6을 참조하면, 탄소섬유는 열처리과정에서 산화되었고, 탄소섬유의 표면에 코팅된 탄화규소(SiC) 성분이 잔존하는 것을 알 수 있다. 잔존하는 탄화규소는 탄소섬유 표면의 대부분을 덮고 있는 것으로 확인되었으며, 이는 약 95~99% 정도인 것을 알 수 있다. 또한, 도 6을 참조하면, 잔존하는 탄화규소 코팅층의 두께가 약 300 nm인 것을 알 수 있다.
본 발명에 따른 탄소섬유 복합체는 방열 특성이 필요한 전자제품 등에 다양하게 이용할 수 있다.

Claims (13)

  1. 탄소섬유; 및 탄소섬유 표면에 코팅된 탄화규소를 포함하는 탄소섬유 복합체.
  2. 제 1 항에 있어서,
    탄소섬유에 코팅된 탄화규소의 코팅량은, 탄소섬유 복합체 전체 100 중량부를 기준으로, 5 내지 30 중량부인 탄소섬유 복합체.
  3. 제 1 항에 있어서,
    탄소섬유에 코팅된 탄화규소의 피복율은, 탄소섬유의 표면적 대비, 90% 이상인 탄소섬유 복합체.
  4. 제 1 항에 있어서,
    바인더 수지를 더 포함하는 탄소섬유 복합체.
  5. 제 4 항에 있어서,
    바인더 수지의 함량은, 바인더 수지를 포함하는 탄소섬유 복합체 전체 100 중량부를 기준으로, 10 내지 95 중량부인 탄소섬유 복합체.
  6. 제 4 항에 있어서,
    바인더 수지를 포함하는 탄소섬유 복합체 전체 100 중량부를 기준으로, 바인더 수지의 함량이 40 내지 80 중량부인 탄소섬유 복합체의 경화 시편이, 450V, 상온에서 측정시, 열전도도가 3.8 W/mK 이상인 탄소섬유 복합체.
  7. 제 4 항에 있어서,
    바인더 수지는 열경화성 수지인 탄소섬유 복합체.
  8. 제 7 항에 있어서,
    열경화성 수지는, 에폭시 수지, 폴리우레탄 수지, 페놀 수지 및 알키드 수지 중 1 종 이상을 포함하는 탄소섬유 복합체.
  9. 실리카 졸을 이용하여 탄소섬유를 코팅하는 단계;
    실리카 졸이 코팅된 탄소섬유를 900℃ 내지 1200℃에서 1차 열처리하는 단계; 및
    1차 열처리된 탄소섬유를 1300℃ 내지 1600℃에서 2차 열처리하는 단계를 포함하는 탄소섬유 복합체의 제조방법.
  10. 제 9 항에 있어서,
    실리카 졸을 이용하여 탄소섬유를 코팅하는 단계 이전에,
    탄소섬유 표면에 잔존하는 사이즈제를 제거하는 전처리 단계를 거치는 것을 특징으로 하는 탄소섬유 복합체의 제조방법.
  11. 제 9 항에 있어서,
    2차 열처리하는 단계 이후에,
    2차 열처리된 탄소섬유와 바인더 수지를 혼합하고, 초음파 처리하는 단계를 포함하는 탄소섬유 복합체의 제조방법.
  12. 제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 따른 탄소섬유 복합체를 이용한 단열소재.
  13. 제 12 항에 따른 단열소재를 포함하는 전자제품.
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