WO2021034144A1 - 방열플라스틱 - Google Patents

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WO2021034144A1
WO2021034144A1 PCT/KR2020/011172 KR2020011172W WO2021034144A1 WO 2021034144 A1 WO2021034144 A1 WO 2021034144A1 KR 2020011172 W KR2020011172 W KR 2020011172W WO 2021034144 A1 WO2021034144 A1 WO 2021034144A1
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heat
graphite
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이진형
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주식회사 아모그린텍
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Definitions

  • the present invention relates to a heat-dissipating plastic.
  • Heat build-up in electronics, lights, converter housings and other devices that generate unwanted heat can significantly limit product life and reduce operational efficiency.
  • Metal which is an excellent heat conductor, has been commonly used for heat management devices such as heat sinks and heat exchangers, but the metal part has a problem in that the weight is heavy and the production cost is high.
  • excellent heat dissipation characteristics could not be expressed due to poor thermal conductivity, and in order to improve the thermal conductivity, problems such as a decrease in mechanical strength and breakage are inevitable.
  • the present invention has been devised in view of the above points, and an object of the present invention is to provide a heat dissipating plastic having remarkably excellent heat dissipation characteristics according to remarkably excellent thermal conductivity.
  • an object of the present invention is to provide a heat dissipation plastic having remarkably excellent mechanical strength even though it is designed to have remarkably excellent heat dissipation characteristics.
  • the present invention is a polymer matrix formed including a main resin; And a carbon-based filler dispersed and provided in the polymer matrix and including a fibrous carbon-based filler and a granular carbon-based filler.
  • the fibrous carbon-based filler may include pitch-based carbon fibers including at least one selected from the group consisting of isotropic pitch-based carbon fibers and anisotropic pitch-based carbon fibers.
  • the fibrous carbon-based filler may be an anisotropic pitch-based carbon fiber.
  • the fibrous carbon-based filler may have an average fiber diameter of 5 to 20 ⁇ m.
  • the fibrous carbon-based filler may have an average fiber length of 3 to 12 mm.
  • the granular carbon-based filler may include at least one selected from the group consisting of graphite, graphene, fullerene, and carbon black.
  • the granular carbon-based filler may have an average particle diameter of 5 to 350 ⁇ m.
  • the carbon-based filler may include the fibrous carbon-based filler and the granular carbon-based filler in a weight ratio of 1: 0.5 to 7.
  • carbon-based filler 10 to 80 parts by weight of the carbon-based filler may be included based on 100 parts by weight of the main resin.
  • the average fiber diameter ( ⁇ m) of the fibrous carbon-based filler and the average particle diameter ( ⁇ m) of the granular carbon-based filler may have a length ratio of 1:0.2 to 80.
  • the main resin is polyamide, polyester, polyketone, liquid crystal polymer, polyolefin, polyphenylene sulfide (PPS), polyetheretherketone (PEEK), polyphenylene oxide (PPO), polyethersulfone (PES). ), polyetherimide (PEI), polyimide (PI), polyphthalamite (PPA), polybutylene terephthalate (PBT), acrylonitrile butadiene styrene copolymer resin (ABS), polymethylmethacrylate ( PMMA) and polyarylate (PAR) may include one compound selected from the group consisting of, or a mixture or copolymer of two or more.
  • the axis passing through the two points is defined as the major axis so that the distance between the two points on the carbon-based filler has the longest distance, and two points through which an imaginary line orthogonal to the major axis passes on the carbon-based filler.
  • the term'granular' used in the present invention indicates that the length ratio of the long axis to the short axis is less than 4, and'fibrous' is the short axis. It indicates that the length ratio of the major axis to is 4 or more.
  • the heat dissipation plastic has remarkably excellent heat dissipation characteristics as the thermal conductivity is remarkably excellent, and even though it is designed to have remarkably excellent heat dissipation characteristics, the mechanical strength is remarkably excellent. Accordingly, the implemented heat dissipation plastic can be widely applied in various technical fields where excellent heat dissipation performance and mechanical strength are simultaneously required.
  • FIG. 1 is a cross-sectional view of a heat dissipating plastic according to an embodiment of the present invention.
  • the heat dissipating plastic 100 includes a polymer matrix 10 formed including a main resin; And a carbon-based filler dispersed and provided in the polymer matrix 10 and including a fibrous carbon-based filler 20 and a granular carbon-based filler 30.
  • the polymer matrix 10 is a carrier containing a carbon-based filler to be described later, and maintains the shape of a heat dissipating plastic, and the main resin forming the polymer matrix 10 is an organic compound commonly used in the art. It can be used without limitation, preferably polyamide, polyester, polyketone, liquid crystal polymer, polyolefin, polyphenylene sulfide (PPS), polyetheretherketone (PEEK), polyphenylene oxide (PPO), polyethersulfone (PES), polyetherimide (PEI), and may be one compound selected from the group consisting of polyimide, or a mixture or copolymer of two or more.
  • the polyamide may be a known polyamide-based compound such as nylon 6, nylon 66, nylon 11, nylon 610, nylon 12, nylon 46, nylon 9T (PA-9T), kina and aramid.
  • the polyester may be a known polyester compound such as polyethylene terephthalate (PET), polytrimethylene terephthalate (PTT), polybutylene terephthalate (PBT), and polycarbonate.
  • PET polyethylene terephthalate
  • PTT polytrimethylene terephthalate
  • PBT polybutylene terephthalate
  • polycarbonate polycarbonate
  • the polyolefin may be a known polyolefin-based compound such as polyethylene, polypropylene, polystyrene, polyisobutylene, and ethylene vinyl alcohol.
  • the liquid crystal polymer may be used without limitation in the case of a polymer exhibiting liquid crystallinity in a solution or dissolved state, and may be a known type, so the present invention is not particularly limited thereto.
  • the heating element to which the heat dissipating plastic is applied may not have only a flat surface, but may have a step. Therefore, if the flexibility of the heat-radiating plastic is deteriorated, the adhesion to the surface where the step is formed may not be good, and if the heat-radiating plastic is pressed and adhered to increase the adhesion, the heat-radiating plastic may be broken or damaged, and the heat radiation characteristics may be significantly deteriorated. There is. Accordingly, the heat dissipating plastic according to an embodiment of the present invention may use the above-described main resin as the main resin.
  • the carbon-based filler includes a fibrous carbon-based filler 20 and a granular carbon-based filler 30 as described above.
  • the fibrous carbon-based filler 20 performs a function of expressing excellent mechanical strength and heat dissipation performance, and any fibrous carbon-based filler that can be used normally can be used without limitation, and preferably, pitch-based carbon fiber can be used. And, more preferably, it may include at least one selected from the group consisting of isotropic pitch-based carbon fiber and anisotropic pitch-based carbon fiber, and more preferably, the use of anisotropic pitch-based carbon fiber is heat dissipation performance and the above-described subject It may be more advantageous in terms of mechanical strength according to compatibility with the resin.
  • the fibrous carbon-based filler 20 may have an average fiber diameter of 5 to 20 ⁇ m, and preferably, an average fiber diameter of 6 to 18 ⁇ m. If the fiber average diameter of the fibrous carbon-based filler is less than 5 ⁇ m, heat dissipation characteristics may be deteriorated, and if the fiber average diameter exceeds 20 ⁇ m, the surface condition and durability may decrease as dispersibility decreases.
  • the fibrous carbon-based filler 20 may have an average fiber length of 3 to 12 mm, and preferably an average fiber length of 5 to 10 mm. If the average fiber length of the fibrous carbon-based filler is less than 3 mm, heat dissipation characteristics and mechanical strength may be deteriorated, and if the average fiber length exceeds 12 mm, the surface condition and durability may be deteriorated as dispersibility is lowered.
  • the granular carbon-based filler 30 performs a function of expressing excellent heat dissipation performance, and can be used without limitation as long as it is a granular carbon-based filler that can be used normally, preferably graphite, graphene, fullerene and carbon. It may include one or more selected from the group consisting of black, and more preferably may include graphite.
  • the graphite may be implemented as a graphite composite.
  • the graphite composite may include graphite, a graphite composite including nanoparticles bonded to the graphite surface, and a catecholamine layer, and may further include a polymer layer.
  • the graphite is a mineral in which a planar macromolecule in which a six-membered ring of carbon atoms is infinitely connected in a plane is stacked in a layered layer, and may be a kind known in the art, and specifically any one of impression graphite, high crystalline graphite, and earth graphite It may be natural graphite or artificial graphite. When the graphite is natural graphite, for example, it may be expanded graphite obtained by expanding the impression graphite.
  • the artificial graphite may be prepared through a known method.
  • thermosetting resin such as polyimide is prepared in a film shape of 25 ⁇ m or less, and then graphitized at a high temperature of 2500°C or higher to produce graphite in a single crystal state, or a hydrocarbon such as methane is pyrolyzed at a high temperature to form a chemical vapor deposition method (CVD ) Can also be used to prepare graphite of high orientation.
  • CVD chemical vapor deposition method
  • the shape of the graphite may be a known shape such as a spherical shape, a plate shape, or a needle shape, or may be an atypical shape, and for example, may be a plate shape.
  • the graphite may be high-purity graphite having a purity of 99% or more, and may be advantageous in expressing more improved physical properties through this.
  • the nanoparticles bound to the surface of the graphite described above function as a medium capable of providing the graphite with a catecholamine layer to be described later. Specifically, it is easy to provide a catecholamine layer on the surface of graphite, which can improve the dispersibility of graphite in dissimilar materials, as almost no functional groups that can mediate chemical reactions are provided on the surface of the above-described graphite. Accordingly, even if catecholamine is treated with graphite, there is a problem that the amount of catecholamine remaining in the actual graphite is very small.
  • the nanoparticles may be metallic or non-metallic materials that exist as solids at room temperature, and as non-limiting examples thereof, alkali metals, alkaline earth metals, lanthanum groups, actinium groups, transition metals, post-transition metals, metalloids, etc. of the periodic table Can be selected from
  • the nanoparticles may be Ni, Si, Ti, Cr, Mn, Fe, Co, Cu, Sn, In, Pt, Au, Mg, and combinations thereof, and are preferably Cu, Ni or Si.
  • the nanoparticles may have an average particle diameter of 10 to 500 nm, preferably 10 to 100 nm.
  • the nanoparticles are preferably in the form of crystallized particles, and may be provided to occupy an area of 10 to 70%, more preferably 30 to 70% of the total surface area of the individual graphite.
  • the nanoparticles may be provided in an amount of 5 to 70% by weight, preferably 20 to 60% by weight, based on the total weight of the granular carbon-based filler including the graphite composite. At this time, the nanoparticles may exhibit a stronger binding force by forming a chemical bond with graphite.
  • the catecholamine layer may be provided at least on the surface of the above-described nanoparticles, through which the excellent fluidity and dispersibility of graphite in the polymer compound of a heterogeneous material, and the interfacial bonding properties between the graphite composite and the polymer compound, to be described below may be improved.
  • the catecholamine layer itself has a reducing power, and at the same time, the amine functional group forms a covalent bond by Michael addition reaction to the catechol functional group on the surface of the layer, so that secondary surface modification using the catecholamine layer as an adhesive material is possible.
  • it may act as a bonding material capable of introducing a polymer layer into graphite in order to express more improved dispersibility in the polymer compound.
  • the catecholamine forming the catecholamine layer is a term that refers to a single molecule having a hydroxy group (-OH) as an ortho-group of a benzene ring, and various alkylamines as a para-group.
  • various derivatives of the construct include dopamine, dopamine-quinone, epinephrine, alpha-methyldopamine, norepinephrine, and alpha-methyldopa.
  • the catecholamine layer may be a dopamine (dopamine) layer.
  • the dopamine is a monomolecular substance having a molecular weight of 153 (Da) having a catechol and an amine functional group.
  • Da molecular weight of 153
  • a polydopamine (pDA) coating layer may be formed on the surface of the material by oxidation of the catechol.
  • R 1 , R 2 , R 3 , R 4 and R 5 is each thiol, primary amine, secondary amine, nitrile, aldehyde ), imidazole, azide, halide, polyhexamethylene dithiocarbonate, hydroxyl, carboxylic acid, carboxylic acid ester) or carboxamide, and the rest may be hydrogen.
  • the thickness of the catecholamine layer may be 5 to 100 nm, but is not limited thereto.
  • a polymer layer may be further coated on the catecholamine layer, and further improved fluidity, dispersibility, and interfacial bonding properties may be realized as compatibility with the polymer compound forming the composite material increases due to the polymer layer.
  • the polymer layer may be implemented with a thermosetting polymer compound or a thermoplastic polymer compound, and specific types of the thermosetting polymer compound and the thermoplastic polymer compound may be known.
  • the thermosetting polymer compound may be one compound selected from the group consisting of epoxy-based, urethane-based, ester-based, and polyimide-based resins, or a mixture or copolymer of two or more.
  • the thermoplastic polymer compound is polyamide, polyester, polyketone, liquid crystal polymer, polyolefin, polyphenylene sulfide (PPS), polyetheretherketone (PEEK), polyphenylene oxide (PPO), polyethersulfone (PES), It may be one compound selected from the group consisting of polyetherimide (PEI) and polyimide, or a mixture or copolymer of two or more.
  • the polymer layer may be a rubber elastomer including natural rubber and/or synthetic rubber, and a similar material thereof.
  • the granular carbon-based filler 30 may include a graphite composite, and the graphite composite is a step of preparing a graphite-nanoparticle conjugate in which nanoparticles are formed on the graphite surface, and the graphite-nanoparticle conjugate It may be prepared including the step of forming a catecholamine layer on the catecholamine layer, after forming the catecholamine layer may be prepared by further performing the step of further forming a polymer layer.
  • the step of preparing a graphite-nanoparticle conjugate in which nanoparticles are formed on a graphite surface may be employed without limitation in the case of a known method for forming nanoparticles on the graphite surface, and is not limited thereto.
  • a known method for forming nanoparticles on the graphite surface for example, in the case of non-insulating nanoparticles, inert gas condensation (IGC), chemical vapor condensation (CVC), spray drying of metal salts by conventional vapor phase synthesis technology for manufacturing metallic nanoparticles
  • ITC inert gas condensation
  • CVC chemical vapor condensation
  • spray drying of metal salts by conventional vapor phase synthesis technology for manufacturing metallic nanoparticles A method such as (Metal Salt Spray-Drying) can be adopted.
  • the inert gas condensation (IGC) process is capable of producing ultra-fine nanometal powders with high purity, but requires a large amount of energy and has a very low production rate, so there is a limit to industrial applications, and chemical vapor condensation (CVC).
  • the process is a slightly improved process in terms of energy and production speed compared to the inert gas condensation (IGC) process, but it may be uneconomical because the price of a precursor, a raw material, is very expensive.
  • the metal salt spray drying process is economical because it uses inexpensive salts as raw materials, but contamination and agglomeration of powder in the drying step cannot be avoided, and toxic by-products are generated, which is disadvantageous in terms of environment.
  • nanoparticles may be formed on graphite through high-frequency thermal plasma at atmospheric pressure. Specifically, mixing graphite and nanoparticle-forming powder, injecting gas into the prepared mixture, vaporizing a nanoparticle-forming material through high-frequency thermal plasma, and crystallizing the vaporized nanoparticle-forming material on the graphite surface. Can be done.
  • the mixing ratio between the two substances may be designed differently depending on the purpose.
  • gas can be injected into the mixed mixture, and the injected gas can be classified into cis gas, central gas, carrier gas, etc., depending on its function, and these gases include inert gases such as argon, hydrogen, nitrogen, or A gas mixture of these may be used, and argon gas may be preferably used.
  • the sheath gas is injected to prevent vaporized nanoparticles from adhering to the inner surface of the wall and to protect the wall surface from ultra-high temperature plasma, and argon gas of 30 to 80 lpm (liters per minute) may be used.
  • the central gas is a gas injected to generate high-temperature thermal plasma, and argon gas of 30 to 70 lpm may be used.
  • the carrier gas serves to supply the mixture into the plasma reactor, and argon gas of 5 to 15 lpm may be used.
  • the thermal plasma is an ionizing gas composed of electrons, ions, atoms and molecules generated by a plasma torch using a direct current arc or high frequency inductively coupled discharge, and is a high-speed jet with ultra-high temperatures ranging from thousands to tens of thousands of K and high activity. . Accordingly, in order to smoothly generate high-temperature plasma, power of 10 to 70 kW is supplied to the power supply of the plasma device, an arc is formed by electric energy, and about 10,000 by argon gas used as a thermal plasma generator gas. An ultra-high temperature plasma of K is generated.
  • the ultra-high thermal plasma generated by using argon gas as the generating gas while maintaining the power of 10 to 70 kW has an effect that is generated at a higher temperature than the thermal plasma generated by the heat treatment method or the combustion method.
  • a known high-frequency thermal plasma (RF) method may be appropriately modified and used, and an existing thermal plasma treatment apparatus may be used.
  • a step of crystallizing the vaporized nanoparticle-forming material on the graphite surface may be performed.
  • a quenching gas may be used. At this time, it can be crystallized while inhibiting the growth of nanoparticles by condensing or rapid cooling with the quenching gas.
  • the step of forming a catecholamine layer on the graphite-nanoparticle conjugate prepared by the above-described method may be performed, and specifically, dipping the graphite-nanoparticle conjugate in a weakly basic dopamine solution; And forming a polydopamine layer on the surface of the graphite-nanoparticle assembly.
  • the method of preparing the weakly basic dopamine aqueous solution is not particularly limited, but a tris buffer solution (10 mM, tris buffer solution) having a pH of 8 to 14, and more preferably, tris having a pH of 8.5, which is the same basic condition as the underwater environment. It can be prepared by dissolving dopamine in a buffer solution, and in this case, the dopamine concentration of the weakly basic dopamine solution may be 0.1 to 5 mg/ml, preferably 2 mg/ml.
  • a polydopamine layer may be formed by further providing an oxidizing agent, and oxygen gas in the air may be used as an oxidizing agent without an oxidizing agent, and the present invention is not particularly limited thereto.
  • the dipping time determines the thickness of the polydopamine layer.
  • a dopamine aqueous solution having a pH of 8 to 14 and a dopamine concentration of 0.1 to 5 mg/ml is used, in order to form a catecholamine layer with a thickness of 5 to 100 nm, preferably about It is preferable to dip for 0.5 to 24 hours.
  • a dopamine coating layer is hardly formed on the graphite surface through such a method, but a catecholamine layer may be formed on the nanoparticles due to the nanoparticles.
  • dipping was illustrated as the method of forming the polymer layer described above, but is not limited thereto, and the blade coating, flow coating, casting, printing method, transfer method, brushing, or spraying method
  • the polymer layer may be further formed through a known method such as spraying.
  • a graphite composite in which a polymer layer is formed may be prepared by mechanically mixing the graphite composite in a solution in which the desired polymer compound is dissolved or in a melted solution.
  • the granular carbon-based filler 30 may have an average particle diameter of 5 to 350 ⁇ m, and preferably, an average particle diameter of 10 to 300 ⁇ m. If the average particle diameter of the granular carbon-based filler is less than 5 ⁇ m, mechanical strength may decrease, and if the average particle diameter exceeds 350 ⁇ m, mechanical strength may decrease.
  • the carbon-based filler may include the fibrous carbon-based filler 20 and the granular carbon-based filler 30 in a weight ratio of 1: 0.5 to 7, preferably in a weight ratio of 1: 1 to 5 I can. If the weight ratio of the fibrous carbonaceous filler and the granular carbonaceous filler included in the carbonaceous filler is less than 1:0.5, heat dissipation characteristics may be deteriorated, and if the weight ratio exceeds 1:7, mechanical strength may be reduced.
  • the carbon-based filler may be included in an amount of 10 to 80 parts by weight, preferably 20 to 60 parts by weight, based on 100 parts by weight of the main resin. If the carbon-based filler is less than 10 parts by weight with respect to 100 parts by weight of the main resin, heat dissipation characteristics and mechanical strength may be deteriorated, and if it exceeds 80 parts by weight, the surface characteristics are degraded due to the presence of the carbon-based filler protruding from the surface May be, rather, mechanical strength and durability may be lowered.
  • the average fiber diameter ( ⁇ m) of the above-described fibrous carbon-based filler 20 and the average particle diameter ( ⁇ m) of the granular carbon-based filler 30 may have a length ratio of 1: 0.2 to 80, preferably 1: It can be from 0.5 to 60.
  • the length ratio between the average fiber diameter ( ⁇ m) of the fibrous carbon-based filler 20 and the average particle diameter ( ⁇ m) of the granular carbon-based filler 30 satisfies the above range, mechanical strength and heat dissipation characteristics may be more excellent. .
  • the heat dissipating plastic is an additive, consisting of antioxidants, impact improvers, flame retardants, strength improvers, heat stabilizers, light stabilizers, plasticizers, antistatic agents, work improvers, UV absorbers, dispersants, and coupling agents. It may be implemented by further including one or more selected from the group.
  • the antioxidant prevents the main chain of the polymer compound from being broken by shear during extrusion and injection, and is provided to prevent heat discoloration.
  • the antioxidant can be used without limitation, known antioxidants, and non-limiting examples thereof include tris (nonyl phenyl) phosphite, tris (2,4-di-t-butylphenyl) phosphite, bis (2 Organophosphites such as ,4-di-t-butylphenyl)pentaerythritol diphosphite, distearyl pentaerythritol diphosphite or the like; Alkylated monophenols or polyphenols; Alkylated reaction products of polyphenols with diene, such as tetrakis[methylene(3,5-di-tert-butyl-4-hydroxyhydrocinnamate)] methane, or the like; Butylated reaction products of para-cresol or dicyclopentadiene; Al
  • the impact modifier may be used without limitation in the case of a known component capable of improving the impact resistance by expressing the flexibility and stress relaxation properties of the composite material.
  • a known component capable of improving the impact resistance by expressing the flexibility and stress relaxation properties of the composite material.
  • thermoplastic polyurethane (TPU), thermoplastic polyolefin (TPO), male At least one component selected from the group consisting of acid-grafted EPDM, core/shell structured elastic particles, rubber-based resins, and polyamide-based materials may be provided as an impact improving agent.
  • the thermoplastic polyolefin is a group of materials similar to rubber, and is a linear polyolefin block copolymer having a polyolefin block and a rubber block such as polypropylene, polyethylene, or a blend of polypropylene and ethylene-propylene-diene monomer (EPDM), which is an ethylene-based elastomer. It can be, and a specific thermoplastic polyolefin may be used as a known one, the present invention omits the description of the specific type thereof. In addition, since a known thermoplastic polyurethane can be used, a description of specific types will be omitted.
  • the core/shell structured elastic particles may be made of an allyl-based resin for the core as an example, and the shell portion is a polymer having a functional group capable of reacting to increase compatibility and bonding strength with a thermoplastic polymer compound. It can be resin.
  • the flame retardants are, for example, halogenated flame retardants, like tretabromo bisphenol A oligomers, such as BC58 and BC52, brominated polystyrene or poly(dibromo-styrene), brominated epoxy, decabro.
  • halogenated flame retardants like tretabromo bisphenol A oligomers, such as BC58 and BC52, brominated polystyrene or poly(dibromo-styrene), brominated epoxy, decabro.
  • Metal hydroxides such as 3 , melamine cyanurate, phosphor-based FR systems such as red phosphorus, melamine polyphosphates, phosphate esters, metal phosphinates, ammonium polyphosphates, expandable graphite, sodium Or potassium perfluorobutane sulfate, sodium or potassium perfluorooctane sulfate, sodium or potassium diphenylsulfonesulfonate and sodium- or potassium-2,4,6,-trichlorobenzoate and N-(p-tolylsulfonate) Phonyl)-p-toluenesulfimide potassium salt, N-(N'-benzyla
  • the strength improving agent may be used without limitation in the case of a known component capable of improving the strength of the composite material, and non-limiting examples thereof include glass fiber, glass beads, zirconium oxide, woolastonite, gibsite, boehmite. , Magnesium aluminate, dolomite, calcium carbonate, magnesium carbonate, mica, talc, silicon carbide, kaolin, calcium sulfate, barium sulfate, silicon dioxide, at least one component selected from the group consisting of ammonium hydroxide, magnesium hydroxide and aluminum hydroxide May be included as a strength improving agent.
  • the strength improving agent may be glass fiber.
  • the strength improving agent may be included in 5 to 35 parts by weight, preferably 15 to 35 parts by weight, more preferably 25 to 33.3 parts by weight, based on 100 parts by weight of the main resin.
  • the glass fibers when used as the strength improving agent, may have a length of 2 to 8 mm, preferably 2 to 7 mm, most preferably 4 mm, and an average fiber diameter of 1 to 30 ⁇ m, Preferably it may be 3 to 20 ⁇ m, most preferably 10 ⁇ m.
  • the heat stabilizer may be used without limitation in the case of a known heat stabilizer, but examples thereof include, but are not limited to, triphenyl phosphite, tris-(2,6-dimethylphenyl)phosphite, tris-(mixed mono- Organic phosphites such as tris-(mixed mono-and di-nonylphenyl)phosphate or the like; Phosphates such as dimethylbenzene phosphonate or otherwise, trimethyl phosphate, or other similar phosphates, or mixtures thereof.
  • the heat stabilizer may be included in an amount of 0.01 to 0.5 parts by weight based on 100 parts by weight of the main resin.
  • the light stabilizer may be used without limitation in the case of a known light stabilizer, but non-limiting examples thereof include 2-(2-hydroxy-5-methylphenyl)benzotriazole, 2-(2-hydroxy-5 -Tert-octylphenyl)-benzotriazole and benzotriazoles such as 2-hydroxy-4-n-octoxy benzophenone or the like, or mixtures thereof.
  • the plasticizer may be used without limitation in the case of a known plasticizer, but examples thereof include, but are not limited to, dioctyl-4,5-epoxy-hexahydrophthalate, tris-(octoxycarbonylethyl)isocyanurate, Phthalic esters such as tristearin, epoxidized soybean oil or the like, or mixtures thereof.
  • the plasticizer may be included in an amount of 0.5 to 3.0 parts by weight based on 100 parts by weight of the main resin.
  • the antistatic agent may be used without limitation, a known antistatic agent, and as non-limiting examples thereof, glycerol monostearate, sodium stearyl sulfonate, sodium dodecylbenzenesulfonate, polyether block Amides, or mixtures thereof, which include, for example, BASF under the trade name Irgastat; Alkema of the trade name PEBAX; And from Sanyo Chemical industries under the trade name Pelestat.
  • the antistatic agent may be included in an amount of 0.1 to 1.0 parts by weight based on 100 parts by weight of the main resin.
  • the work improving agent can be used without limitation, a known work improving agent, as non-limiting examples thereof, metal stearate, stearyl stearate, pentaerythritol tetrastearate, beeswax, montan wax (montan wax), paraffin wax, polyethylene wax or the like, or mixtures thereof.
  • the work improving agent may be included in an amount of 0.1 to 1.0 parts by weight based on 100 parts by weight of the main resin.
  • the UV absorber may use a known UV absorber without limitation, and non-limiting examples thereof include hydroxybenzophenone; Hydroxybenzotriazole; Hydroxybenzotriazine; Cyanoacrylate; Oxanilides; Benzoxazinones; 2-(2H-benzotriazol-2-yl)-4-(1,1,3,3,-tetramethylbutyl)-phenol; 2-hydroxy-4-n-octyloxybenzophenone; 2-[4,6-bis(2,4-dimethylphenyl)-1,3,5-triazine-2-yl]-5-(octyloxy)-phenol; 2,2'-(1,4-phenylene)bis(4H-3,1-benzoxazine-4-one); 1,3-bis[(2-cyano-3,3-diphenylacryloyl)oxy]-2,2-bis[[(2-cyano-3, 3-biphenylacryloyl)oxy] Methyl]propane; 2,2'
  • dispersant and the coupling agent may be used without limitation, a known dispersant and a coupling agent, and as a non-limiting example of the coupling agent, maleic acid-grafted polypropylene, a silane-based coupling agent, and the like may be used for heat resistance.
  • anisotropic pitch-based carbon fiber having an average fiber diameter of 10 ⁇ m and an average fiber length of 7.5 mm with a fibrous carbon-based filler, and the graphite composite prepared above having an average particle diameter of 200 ⁇ m with a granular carbon-based filler
  • a carbon-based filler containing 45 parts by weight of 1: 3.5 was mixed and compounded to prepare a pellet, and then a heat-dissipating plastic as shown in FIG. 1 was prepared through injection.
  • performance evaluation was conducted in a sealed chamber with a height of 30 cm x 30 cm x 30 cm, respectively. Specifically, the heat dissipation performance was evaluated by attaching a planar heating element to the heat dissipating plastic, applying a current of 350mA to generate heat, and measuring the temperature of the planar heating element after holding for 60 minutes.
  • a high measurement temperature means poor heat dissipation performance
  • a low measurement temperature means excellent heat dissipation performance
  • Example 1 based on the measurement temperature of Example 1 as 100, the measurement temperature for the rest of the Examples and Comparative Examples was shown as a relative ratio.
  • the flexural strength of the heat-radiating plastic was evaluated using a universal tensile tester (Utm).
  • Example 1 based on the flexural strength of Example 1 as 100, the flexural strength of the other Examples and Comparative Examples was shown as a relative ratio.
  • Example 1 Example 2
  • Example 3 Example 4
  • Example 5 Carbon-based filler Fibrous carbon-based filler kinds Anisotropy Isotropic Anisotropy Anisotropy Anisotropy Anisotropy Anisotropy Fiber average diameter ( ⁇ m) 10 10 3 6 18 23 Average fiber length (mm) 7.5 7.5 7.5 7.5 7.5 7.5 Granular carbon-based filler Average particle diameter ( ⁇ m) 200 200 270 200 200 200 200 200 The ratio of the average fiber diameter to the average particle diameter 1:20 1:20 1:90 1:33.3 1:11.1 1:8.7 Weight ratio of fibrous and granular 1:3.5 1:3.5 1:3.5 1:3.5 1:3.5 1:3.5 1:3.5 1:3.5 1:3.5 1:3.5 Content (parts by weight) 45 45 45 45 45 45 45 45 45
  • Flexural strength evaluation 100 83 107 103 100 100 Durability evaluation ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇
  • Example 12 Carbon-based filler Fibrous carbon-based filler kindss Anisotropy Anisotropy Anisotropy Anisotropy Anisotropy Anisotropy Anisotropy Anisotropy Anisotropy Anisotropy Fiber average diameter ( ⁇ m) 10 10 10 10 10 10 10 Average fiber length (mm) One 5 10 15 7.5 7.5 Granular carbon-based filler Average particle diameter ( ⁇ m) 200 200 200 200 One 10 The ratio of the average fiber diameter to the average particle diameter 1:20 1:20 1:20 1:0.1 1:1 Weight ratio of fibrous and granular 1:3.5 1:3.5 1:3.5 1:3.5 1:3.5 1:3.5 1:3.5 1:3.5 1:3.5 1:3.5 Content (parts by weight) 45 45 45 45 45 45 45 45 45 45 45 45 45 45 45 45 45 Heat dissipation performance evaluation 123 104 99 97 131 105 Flexural strength evaluation 94 99 104 108 82 95 Durability evaluation ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇

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Abstract

방열플라스틱이 제공된다. 본 발명의 일 실시예에 따른 방열플라스틱은 주제수지를 포함하여 형성된 고분자 매트릭스; 및 상기 고분자 매트릭스 내에 분산되어 구비되고, 섬유상 탄소계 필러 및 입상 탄소계 필러를 포함하는 탄소계 필러;를 포함하여 구현된다. 이에 의하면, 방열플라스틱은 열전도도가 현격히 우수함에 따라 방열특성이 현격히 우수하고, 방열특성이 현격히 우수하도록 설계됨에도 기계적 강도가 현격히 우수한 효과가 있다. 이에 따라, 구현된 방열플라스틱은 우수한 방열성능과 기계적 강도가 동시에 요구되는 다양한 기술분야에 널리 응용될 수 있다.

Description

방열플라스틱
본 발명은 방열플라스틱에 관한 것이다.
전자부품, 전등, 변환기 하우징 및 기타 원하지 않는 열을 발생시키는 장치에 있어서의 열 축적은 제품 수명을 매우 제한할 수 있고 작동 효율을 감소시킬 수 있다.
특히, 최근 전자기기는 경박단소화 및 다기능화에 따라 고집적화 되면서 발열이 증가하여 이에 대한 대책이 요구되고 있다. 전자기기 내에 발생하는 열을 방출시키는 것은 기기의 신뢰성 및 수명과 밀접한 관련이 있어서 매우 중요한데, 종래에는 방열팬, 방열핀, 히트파이프 등의 다양한 방열 기구들이 개발되었으며, 최근에는 방열패드, 방열시트, 방열도료 등의 다양한 방열 소재들도 개발되어 방열 기구를 보조하거나 대체하고 있다.
우수한 열 전도체인 금속은 통상적으로 히트싱크(heat sink) 및 열 교환기와 같은 열 관리 장치용으로 사용되어 왔으나, 상기 금속 부분은 무게가 무겁고 생산 비용이 높은 문제가 있다. 또한, 종래의 방열 기구의 경우 열전도도가 좋지 않음에 따라 우수한 방열특성을 발현할 수 없었고, 열전도도를 향상시키기 위해서는 기계적 강도 저하 및 깨짐 등의 문제가 불가피한 문제점이 있다.
이에, 기계적 강도가 우수하고, 깨짐이 최소화되며, 열전도도가 현격히 우수함에 따라 우수한 방열특성을 발현할 수 있는 방열소재의 개발이 시급한 실정이다.
본 발명은 상기와 같은 점을 감안하여 안출한 것으로, 열전도도가 현격히 우수함에 따라 방열특성이 현격히 우수한 방열플라스틱을 제공하는데 목적이 있다.
또한, 본 발명은 방열특성이 현격히 우수하도록 설계됨에도 기계적 강도가 현격히 우수한 방열플라스틱을 제공하는데 목적이 있다.
상술한 과제를 해결하기 위하여 본 발명은 주제수지를 포함하여 형성된 고분자 매트릭스; 및 상기 고분자 매트릭스 내에 분산되어 구비되고, 섬유상 탄소계 필러 및 입상 탄소계 필러를 포함하는 탄소계 필러;를 포함하는 방열플라스틱을 제공한다.
본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 섬유상 탄소계 필러는, 등방성 피치계 탄소섬유 및 이방성 피치계 탄소섬유로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상을 포함하는 피치계 탄소섬유를 포함할 수 있다.
또한, 상기 섬유상 탄소계 필러는 이방성 피치계 탄소섬유일 수 있다.
또한, 상기 섬유상 탄소계 필러는 섬유 평균직경이 5 ~ 20㎛일 수 있다.
또한, 상기 섬유상 탄소계 필러는 평균 섬유장이 3 ~ 12mm일 수 있다.
또한, 상기 입상 탄소계 필러는, 그라파이트, 그래핀, 플러렌 및 카본블랙으로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상을 포함할 수 있다.
또한, 상기 입상 탄소계 필러는 평균입경이 5 ~ 350㎛일 수 있다.
또한, 상기 탄소계 필러는, 상기 섬유상 탄소계 필러 및 입상 탄소계 필러를 1 : 0.5 ~ 7의 중량비로 포함할 수 있다.
또한, 상기 주제수지 100 중량부에 대하여 상기 탄소계 필러를 10 ~ 80 중량부로 포함할 수 있다.
또한, 상기 섬유상 탄소계 필러의 섬유 평균직경(㎛)과 상기 입상 탄소계 필러의 평균입경(㎛)은 길이비가 1 : 0.2 ~ 80일 수 있다.
또한, 상기 주제수지는, 폴리아미드, 폴리에스테르, 폴리케톤, 액정고분자, 폴리올레핀, 폴리페닐렌설파이드(PPS), 폴리에테르에테르케톤(PEEK), 폴리페닐렌옥사이드(PPO), 폴리에테르술폰(PES), 폴리에테르이미드(PEI), 폴리이미드(PI), 폴리프탈아미트(PPA), 폴리부틸렌테레프탈레이트(PBT), 아크릴로니트릴 부타디엔 스티렌공중합체수지(ABS), 폴리메틸메타아크릴레이트(PMMA) 및 폴리아릴레이트(PAR)로 이루어진 군에서 선택된 1종의 화합물, 또는 2종 이상의 혼합물 또는 코폴리머를 포함할 수 있다.
한편, 명세서 전반에 걸쳐, 탄소계 필러 상에서 두 점 사이의 거리가 가장 긴 거리를 갖도록 두 점을 통과하는 축을 장축으로 정의하고, 탄소계 필러 상에서 상기 장축에 직교하는 가상의 선이 통과하는 두 점 사이의 거리가 가장 긴 거리를 갖도록 두 점을 통과하는 축을 단축으로 정의하였을 때, 본 발명에서 사용한 용어인 '입상'은 상기 단축에 대한 장축의 길이비가 4 미만인 것을 나타내고, '섬유상'은 상기 단축에 대한 장축의 길이비가 4 이상인 것을 나타낸다.
본 발명에 의하면, 방열플라스틱은 열전도도가 현격히 우수함에 따라 방열특성이 현격히 우수하고, 방열특성이 현격히 우수하도록 설계됨에도 기계적 강도가 현격히 우수한 효과가 있다. 이에 따라, 구현된 방열플라스틱은 우수한 방열성능과 기계적 강도가 동시에 요구되는 다양한 기술분야에 널리 응용될 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 의한 방열플라스틱의 단면도이다.
이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일한 참조부호를 부가한다.
도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 방열플라스틱(100)은, 주제수지를 포함하여 형성된 고분자 매트릭스(10); 및 상기 고분자 매트릭스(10) 내에 분산되어 구비되고, 섬유상 탄소계 필러(20) 및 입상 탄소계 필러(30)를 포함하는 탄소계 필러;를 포함하여 구현된다.
먼저, 상기 고분자 매트릭스(10)에 대해 설명한다.
상기 고분자 매트릭스(10)는 후술하는 탄소계 필러를 담는 담체이며, 방열플라스틱의 형상을 유지하도록 하는 것으로, 상기 고분자 매트릭스(10)를 형성하는 주제수지는 당업계에서 통상적으로 사용할 수 있는 유기화합물이라면 제한 없이 사용할 수 있고, 바람직하게는 폴리아미드, 폴리에스테르, 폴리케톤, 액정고분자, 폴리올레핀, 폴리페닐렌설파이드(PPS), 폴리에테르에테르케톤(PEEK), 폴리페닐렌옥사이드(PPO), 폴리에테르술폰(PES), 폴리에테르이미드(PEI) 및 폴리이미드로 이루어진 군에서 선택된 1종의 화합물, 또는 2종 이상의 혼합물 또는 코폴리머일 수 있다. 상기 폴리아미드는 나일론6, 나일론66, 나일론11, 나일론610, 나일론12, 나일론46, 나일론9T(PA-9T), 키아나 및 아라미드 등 공지된 폴리아미드계 화합물일 수 있다.
일 예로, 상기 폴리에스테르는 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET), 폴리트리메틸렌테레프탈레이트(PTT), 폴리부틸렌테레프탈레이트(PBT), 폴리카보네이트 등 공지된 폴리에스테르계 화합물일 수 있다.
다른 예로, 상기 폴리올레핀은 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리스티렌, 폴리아이소뷰틸렌, 에틸렌비닐알코올 등 공지된 폴리올레핀계 화합물일 수 있다.
상기 액정고분자는 용액 혹은 용해된 상태에서 액정성을 나타내는 고분자의 경우 제한 없이 사용될 수 있으며, 공지된 종류일 수 있어서 본 발명은 이에 대해 특별히 한정하지 않는다.
한편, 방열플라스틱이 적용되는 발열체는 평평한 면상만이 있는 것이 아니라 단차가 형성된 것일 수 있다. 이에 따라서 만일 방열플라스틱이 유연성이 저하되는 경우 단차가 형성된 면에 밀착력이 좋지 않을 수 있고, 밀착력을 높이기 위해 가압하여 밀착시킬 경우 방열플라스틱가 깨지거나 손상될 수 있으며, 이로 인해 방열특성이 현저히 저하될 우려가 있다. 이에 따라서 본 발명의 일 실시예에 따른 방열플라스틱은 주제수지로 상술한 주제수지를 사용할 수 있다.
다음, 상기 탄소계 필러에 대해 설명한다.
상기 탄소계 필러는 상술한 바와 같이 섬유상 탄소계 필러(20) 및 입상 탄소계 필러(30)를 포함한다.
상기 섬유상 탄소계 필러(20)는 우수한 기계적 강도 및 방열성능을 발현하는 기능을 수행하는 것으로, 통상적으로 사용할 수 있는 섬유상 탄소계 필러라면 제한 없이 사용할 수 있고, 바람직하게는 피치계 탄소섬유를 사용할 수 있으며, 보다 바람직하게는 등방성 피치계 탄소섬유 및 이방성 피치계 탄소섬유로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상을 포함할 수 있고, 더욱 바람직하게는 이방성 피치계 탄소섬유를 사용하는 것이 방열성능 및 상술한 주제수지와의 상용성에 따른 기계적 강도 측면에서 더욱 유리할 수 있다.
또한, 상기 섬유상 탄소계 필러(20)는 섬유 평균직경이 5 ~ 20㎛일 수 있고, 바람직하게는 섬유 평균직경이 6 ~ 18㎛일 수 있다. 만일 상기 섬유상 탄소계 필러의 섬유 평균직경이 5㎛ 미만이면 방열특성이 저하될 수 있고, 섬유 평균직경이 20㎛를 초과하면 분산성이 저하됨에 따라 표면상태 및 내구성이 저하될 수 있다.
그리고, 상기 섬유상 탄소계 필러(20)는 평균 섬유장이 3 ~ 12㎜일 수 있고, 바람직하게는 평균 섬유장이 5 ~ 10㎜일 수 있다. 만일 상기 섬유상 탄소계 필러의 평균 섬유장이 3㎜ 미만이면 방열특성 및 기계적 강도가 저하될 수 있고, 평균 섬유장이 12㎜를 초과하면 분산성이 저하됨에 따라 표면상태 및 내구성이 저하될 수 있다.
또한, 상기 입상 탄소계 필러(30)는 우수한 방열성능을 발현하는 기능을 수행하는 것으로, 통상적으로 사용할 수 있는 입상 탄소계 필러라면 제한 없이 사용할 수 있고, 바람직하게는 그라파이트, 그래핀, 플러렌 및 카본블랙으로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상을 포함할 수 있고, 보다 바람직하게는 그라파이트를 포함할 수 있다.
이때 상기 입상 탄소계 필러(30)가 그라파이트를 포함하는 경우, 상기 그라파이트는 그라파이트 복합체로 구현될 수도 있다.
상기 그라파이트 복합체는 그라파이트, 상기 그라파이트 표면에 결합된 나노입자 및 카테콜아민층을 구비하는 그라파이트 복합체를 포함할 수 있으며, 고분자층을 더 포함할 수 있다.
상기 그라파이트는 탄소 원자의 6원자 고리가 평면적으로 무한히 연결된 평면형 거대분자가 층을 이루어 포개어진 광물로서, 당업계에 공지된 종류일 수 있으며, 구체적으로 인상흑연, 고결정질 흑연 및 토상흑연 중 어느 하나의 천연흑연이거나 인조흑연일 수 있다. 상기 그라파이트가 천연흑연일 경우 일 예로, 인상흑연을 팽창처리한 팽창흑연일 수 있다. 상기 인조흑연은 공지된 방법을 통해 제조된 것일 수 있다. 일 예로, 폴리이미드와 같은 열경화성 수지를 25㎛ 이하의 필름형상으로 제조한 후 2500℃ 이상의 고온에서 흑연화하여 단결정 상태의 그라파이트로 제조하거나, 메탄과 같은 탄화수소를 고온에서 열분해하여 화학증기증착법(CVD)으로 고배향의 그라파이트를 제조할 수도 있다.
또한, 상기 그라파이트의 형상은 구상, 판상 또는 침상 등 공지된 형상이거나 비정형의 형상일 수 있으며, 일 예로 판상일 수 있다. 상기 그라파이트는 순도가 99% 이상인 고순도의 그라파이트일 수 있고, 이를 통해 보다 향상된 물성을 발현하기에 유리할 수 있다.
상술한 그라파이트의 표면에 결합된 나노입자는 그라파이트에 후술하는 카테콜아민층을 구비시킬 수 있는 매개체로써 기능한다. 이에 대해 구체적으로 설명하면, 상술한 그라파이트의 표면에는 화학반응을 매개할 수 있는 작용기 등이 거의 구비되지 않음에 따라서 그라파이트의 이종재질 내 분산성을 향상시킬 수 있는 카테콜아민층을 그라파이트 표면에 구비시키기 용이하지 않음에 따라서 카테콜아민을 그라파이트에 처리해도 실제 그라파이트에 남아 있는 카테콜아민의 양은 매우 적은 문제가 있다. 또한, 이를 해결하기 위해 그라파이트 표면에 작용기가 구비되도록 개질 처리를 수행해도 개질된 그라파이트의 표면에 구비되는 카테콜아민의 양을 증가시키는 것에는 한계가 있다. 그러나 나노입자가 표면에 구비된 그라파이트의 경우 카테콜아민이 상기 나노입자의 표면상에 용이하게 결합됨에 따라서 그라파이트에 카테콜아민을 목적하는 양만큼 도입시킬 수 있는 이점이 있다.
상기 나노입자는 상온에서 고체로 존재하는 금속 또는 비금속 물질일 수 있고, 이에 대한 비제한적인 예로써, 주기율표상의 알칼리 금속, 알칼리 토금속, 란타늄족, 악티늄족, 전이금속, 전이후금속, 준금속류 등으로부터 선택될 수 있다. 일 예로, 상기 나노입자는 Ni, Si, Ti, Cr, Mn, Fe, Co, Cu, Sn, In, Pt, Au, Mg 및 이들의 조합일 수 있고, Cu, Ni 또는 Si인 것이 바람직하다.
또한, 상기 나노입자는 평균입경이 10 ~ 500㎚, 바람직하게는 10 ~ 100 ㎚일 수 있다.
또한, 상기 나노입자는 바람직하게는 결정화된 입자상태로, 낱개의 그라파이트 전체 표면적에 대해 10 ~ 70% 면적, 보다 바람직하게는 30 ~ 70%의 면적을 차지하도록 구비될 수 있다. 또한, 상기 나노입자는 그라파이트 복합체를 구비하는 입상 탄소계 필러 전체 중량에 대해 5 ~ 70 중량%, 바람직하게는 20 ~ 60 중량%로 구비될 수 있다. 이때, 상기 나노입자는 그라파이트와 화학결합을 이룸으로써 더욱 강한 결합력을 발현할 수 있다.
다음으로 상기 카테콜아민층은 적어도 상술한 나노입자의 표면상에 구비될 수 있으며, 이를 통해 후술하는 이종재질의 고분자화합물 내에 그라파이트의 우수한 유동성, 분산성 및 그라파이트 복합체와 고분자화합물 간 계면결합 특성을 향상시킬 수 있다. 또한, 상기 카테콜아민층은 그 자체로 환원력을 가짐과 동시에 층 표면의 카테콜작용기에 아민작용기가 Michael 첨가 반응에 의한 공유결합을 형성함으로써, 카테콜아민층을 접착물질로 사용하는 2차 표면개질이 가능하며, 일 예로, 보다 더 향상된 고분자화합물 내 분산성을 발현하기 위해 고분자층을 그라파이트에 도입시킬 수 있는 접합물질로써 작용할 수 있다.
상기 카테콜아민층을 형성하는 카테콜아민은 벤젠 고리의 오르쏘(ortho)-그룹으로 하이드록시 그룹 (-OH)을 가지고, 파라(para)-그룹으로 다양한 알킬아민을 갖는 단분자를 의미하는 용어로써, 이러한 구조체의 다양한 파생물에 대한 비제한적인 예로써, 도파민(dopamine), 도파민퀴논(dopamine-quinone), 에피네프린(epinephrine), 알파-메틸도파민(alphamethyldopamine), 노르에피네프린(norepinephrine), 알파-메틸도파(alphamethyldopa), 드록시도파(droxidopa), 인돌아민(indolamine), 세로토닌(serotonin) 또는 5-하이드록시도파민(5-Hydroxydopamine) 등일 수 있고, 일 예로써, 상기 카테콜아민층은 도파민 (dopamine)층일 수 있다. 상기 도파민은 카테콜과 아민 작용기를 가지는 분자량 153(Da)의 단분자 물질인데, 일 예로써 하기 화학식 1로 표시되는 도파민을 포함하는 염기성 pH 조건(약 pH 8.5)의 수용액에 표면 개질하고자 하는 물질을 넣었다가 일정 시간 뒤에 꺼내면 카테콜의 산화에 의해 물질의 표면에 폴리도파민(polydopamine, pDA) 코팅층이 형성될 수 있다.
[화학식 1]
Figure PCTKR2020011172-appb-I000001
상기 화학식 1에서 R1, R2, R3, R4 및 R5 중 적어도 어느 하나는 각각 티올, 1차아민(primary amine), 2차아민(secondary amine), 니트릴(nitrile), 알데하이드(aldehyde), 이미다졸(imidazole), 아자이드(azide), 할로겐화물(halide), 폴리헥사메틸렌 디티오카보네이트(polyhexamethylene dithiocarbonate), 하이드록실(hydroxyl), 카르복실산(carboxylic acid), 카르복실에스터(carboxylic ester) 또는 카로복사미드(carboxamide)로 구성된 군에서 선택된 1종이며, 나머지는 수소일 수 있다.
또한, 상기 카테콜아민층의 두께는 5 ~ 100㎚일 수 있으나 이에 제한되는 것은 아니다.
한편, 상기 카테콜아민층 상에는 고분자층이 더 피복될 수 있으며, 상기 고분자층으로 인하여 복합재를 형성하는 고분자화합물과 상용성이 증가함에 따라서 더욱 향상된 유동성, 분산성 및 계면결합 특성을 구현할 수 있다. 상기 고분자층은 열경화성 고분자화합물 또는 열가소성 고분자화합물로 구현된 것일 수 있고, 열경화성 고분자화합물 및 열가소성 고분자화합물의 구체적 종류는 공지된 것일 수 있다. 이에 대한 비제한적인 예로써, 상기 열경화성 고분자화합물은 에폭시계, 우레탄계, 에스테르계 및 폴리이미드계 수지로 이루어진 군에서 선택된 1종의 화합물, 또는 2종 이상의 혼합물 또는 코폴리머일 수 있다. 상기 열가소성 고분자화합물은 폴리아미드, 폴리에스테르, 폴리케톤, 액정고분자, 폴리올레핀, 폴리페닐렌설파이드(PPS), 폴리에테르에테르케톤(PEEK), 폴리페닐렌옥사이드(PPO), 폴리에테르술폰(PES), 폴리에테르이미드(PEI) 및 폴리이미드로 이루어진 군에서 선택된 1종의 화합물, 또는 2종 이상의 혼합물 또는 코폴리머일 수 있다. 또는 상기 고분자층은 천연고무 및/또는 합성고무를 포함하는 고무탄성체 및 이의 유사물질일 수도 있다.
상술한 바와 같이, 상기 입상 탄소계 필러(30)는 그라파이트 복합체를 포함할 수 있고, 상술한 그라파이트 복합체는 그라파이트 표면에 나노입자가 형성된 그라파이트-나노입자 결합체를 제조하는 단계 및 상기 그라파이트-나노입자 결합체 상에 카테콜아민층을 형성시는 단계를 포함하여 제조될 수 있으며, 상기 카테콜아민층을 형성한 후 고분자층을 더 형성시키는 단계를 더 수행하여 제조될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 의한 그라파이트 표면에 나노입자가 형성된 그라파이트-나노입자 결합체를 제조하는 단계는 그라파이트 표면 상에 나노입자를 형성시키는 공지의 방법인 경우 제한 없이 채용할 수 있으며, 이에 대한 비제한적인 예로써, 비절연성 나노입자를 구비할 경우, 금속계 나노분말을 제조하는 기존의 기상합성 기술로 불활성기체응축(Inert Gas Condensation, IGC), 화학기상 응축(Chemical Vapor Condensation, CVC), 금속염 분무건조(Metal Salt Spray-Drying) 등의 방법을 채용할 수 있다. 다만, 이 중 불활성기체응축(IGC) 공정은 고순도의 극미세한 나노금속분말 제조가 가능하나, 큰 에너지를 필요로 하고, 생산속도가 매우 낮아 공업적 응용에 한계가 있으며, 화학기상응축(CVC) 공정은 불활성기체응축(IGC) 공정에 비해 에너지 면이나 생산속도 면에서 다소 개선된 공정이나, 원료물질인 프리커서(precursor)의 가격이 매우 비싸서 비경제적일 수 있다. 또한, 금속염 분무건조공정은 값싼 염을 원료로 사용하므로 경제적이지만 건조단계에서의 오염과 분말의 응집을 피할 수 없고, 유독성 부산물이 발생하므로 환경적인 측면에서 불리하다.
이에 바람직하게는 대기압 고주파 열플라즈마를 통해 나노입자를 그라파이트 상에 형성시킬 수 있다. 구체적으로 그라파이트 및 나노입자 형성분말을 혼합하는 단계 제조된 혼합물에 가스를 주입하는 단계 고주파 열플라즈마를 통해 나노입자 형성물질을 기화시키는 단계 및 기화된 나노입자 형성물질을 그라파이트 표면에 결정화시키는 단계를 통해 수행될 수 있다.
먼저, 그라파이트 및 나노입자 형성분말을 혼합하는 단계에서 두 물질 간 혼합비율은 목적에 따라 달리 설계될 수 있다.
다음으로 혼합된 혼합물에 가스를 주입할 수 있는데, 이때 주입되는 가스는 그 기능에 따라 시스가스, 센트럴가스, 캐리어 가스 등으로 분류될 수 있으며, 이러한 가스에는 아르곤과 같은 불활성 기체, 수소, 질소 또는 이들을 혼합한 기체가 사용될 수 있고, 바람직하게는 아르곤 가스를 사용할 수 있다. 상기 시스 가스는 벽체의 내부 표면에 기화된 나노입자가 부착되는 것을 방지하고 또한 벽면을 초고온의 플라즈마로부터 보호하기 위해 주입되는 것으로서, 30 ~ 80 lpm(liters per minute)의 아르곤 가스를 사용할 수 있다. 또한, 센트럴가스는 고온의 열플라즈마를 생성하기 위하여 주입되는 가스로써, 30 ~ 70 lpm의 아르곤 가스를 사용할 수 있다. 또한, 캐리어 가스는 혼합물을 플라즈마 반응기 내부로 공급하는 역할의 가스로써, 5 ~ 15 lpm의 아르곤 가스를 사용할 수 있다.
다음으로 고주파 열플라즈마를 통해 나노입자 형성물질을 기화시킬 수 있다. 상기 열플라즈마(thermal plasma)는 직류 아크나 고주파 유도결합 방전을 이용하는 플라즈마 토치에서 발생시킨 전자, 이온, 원자와 분자로 구성된 이온화 기체로써, 수천에서 수만 K에 이르는 초고온과 높은 활성을 가진 고속제트이다. 이에 따라 고온의 플라즈마를 원활히 발생시키기 위하여 상기 플라즈마 장치의 전원공급장치로 10 내지 70 kW의 전력을 공급하며, 전기에너지에 의해 아크가 형성되고, 열플라즈마 발생기체로 사용된 아르곤 가스에 의하여 약 10,000K의 초고온 플라즈마가 생성된다. 상기와 같이 10 내지 70 kW의 전력을 유지한 상태로 아르곤 가스를 발생가스로 하여 발생된 초고온의 열플라즈마는 열처리방식이나 연소방식에 의해 발생된 열플라즈마보다 높은 온도에서 발생되는 효과가 있다. 이 때, 본 발명은 공지의 고주파 열플라즈마(RF) 방법을 적절히 변형하여 사용할 수 있고, 기존의 열플라즈마 처리장치를 사용하여도 무방하다.
다음으로 기화된 나노입자 형성물질을 그라파이트 표면에 결정화시키는 단계를 수행할 수 있다. 기화된 나노입자 형성물질을 그라파이트 표면에서 결정화시키기 위해, 켄칭(quenching) 가스를 사용할 수 있다. 이때, 상기 켄칭 가스로 응축 또는 급냉시켜 나노입자의 성장을 억제시키면서 결정화시킬 수 있다.
이후, 상술한 방법으로 제조된 그라파이트-나노입자 결합체에 카테콜아민층을 형성시키는 단계를 수행할 수 있으며, 구체적으로 약염기성 도파민수용액에 그라파이트-나노입자 결합체를 디핑시키는 단계; 및 상기 그라파이트-나노입자 결합체 표면에 폴리도파민층을 형성시키는 단계를 수행할 수 있다.
먼저, 상기 약염기성 도파민 수용액을 제조하는 방법은 특별히 한정된 것은 아니나, pH 8 ~ 14 염기성의 트리스 완충용액(10mM, tris buffer solution), 보다 바람직하게 바다 속 환경과 동일한 염기성 조건인 pH 8.5 염기성의 트리스 완충용액에 도파민을 용해시켜 제조할 수 있으며, 이 때, 상기 약염기성 도파민 수용액의 도파민 농도는 0.1 ~ 5㎎/㎖, 바람직하게 2 ㎎/㎖ 일 수 있다.
준비된 약염기성 도파민 수용액에 그라파이트-나노입자 결합체를 디핑 후 도파민이 염기성 및 산화 조건 하에서 자발적으로 고분자화 반응을 거쳐 그라파이트-나노입자 결합체에 폴리도파민층인 카테콜아민층을 형성시킬 수 있다. 이때, 산화제를 더 구비시켜 폴리도파민층이 형성될 수 있으며, 산화제 없이 공기 중의 산소기체를 산화제로도 이용할 수 있고, 본 발명은 이에 대해 특별히 한정하지 않는다.
이때, 디핑 시간은 폴리도파민층의 두께를 결정하는데, pH 8 ~ 14이고, 도파민 농도가 0.1 ~ 5㎎/㎖ 인 도파민 수용액을 이용하는 경우, 5 ~ 100nm 두께로 카테콜아민층을 형성하기 위해서는 바람직하게 약 0.5 ~ 24시간 동안 디핑하는 것이 바람직하다. 순수한 판상의 그라파이트에는 이와 같은 방법을 통해서 그라파이트 표면에 도파민 코팅층을 거의 형성시키지 못하나, 나노입자로 인하여 카테콜아민층이 나노입자 상에 형성될 수 있다. 한편, 상술한 고분자층의 형성방법으로 디핑을 예시했으나 이에 한정되는 것은 아니며, 블레이드(blade) 코팅, 플로우(flow) 코팅, 캐스팅(casting), 프린팅 방법, 트랜스퍼(transfer) 방법, 브러싱, 또는 스프레잉(spraying) 등의 공지된 방법을 통해 고분자층을 더 형성시킬 수 있다.
한편, 카테콜아민층이 형성된 그라파이트 복합체에 고분자층을 더 구비시키기 위해서 목적하는 고분자화합물이 용해된 용해액 또는 용융된 용융액에 그라파이트 복합체를 기계적으로 혼합하여 고분자층이 형성된 그라파이트 복합체를 제조할 수 있다.
한편, 상기 입상 탄소계 필러(30)는 평균입경이 5 ~ 350㎛일 수 있고, 바람직하게는 평균입경이 10 ~ 300㎛일 수 있다. 만일 상기 입상 탄소계 필러의 평균입경이 5㎛ 미만이면 기계적 강도가 저하될 수 있고, 평균입경이 350㎛를 초과하면 기계적 강도가 저하될 수 있다.
또한, 상기 탄소계 필러는 상기 섬유상 탄소계 필러(20) 및 입상 탄소계 필러(30)를 1 : 0.5 ~ 7의 중량비로 포함할 수 있고, 바람직하게는 1 : 1 ~ 5의 중량비로 포함할 수 있다. 만일 상기 탄소계 필러에 포함되는 상기 섬유상 탄소계 필러 및 입상 탄소계 필러의 중량비가 1 : 0.5 미만이면 방열특성이 저하될 수 있고, 중량비가 1 : 7를 초과하면 기계적 강도가 저하될 수 있다.
한편, 상기 탄소계 필러는 상기 주제수지 100 중량부에 대하여 10 ~ 80 중량부로, 바람직하게는 20 ~ 60 중량부로 포함될 수 있다. 만일 상기 주제수지 100 중량부에 대하여 상기 탄소계 필러가 10 중량부 미만이면 방열특성 및 기계적 강도가 저하될 수 있고, 80 중량부를 초과하면 표면에 돌출되는 탄소계 필러가 존재함에 따라 표면특성이 저하될 수 있으며, 오히려 기계적 강도 및 내구성이 저하될 수 있다.
한편, 상술한 섬유상 탄소계 필러(20)의 섬유 평균직경(㎛)과 상기 입상 탄소계 필러(30)의 평균입경(㎛)은 길이비가 1 : 0.2 ~ 80일 수 있고, 바람직하게는 1 : 0.5 ~ 60일 수 있다. 상기 섬유상 탄소계 필러(20)의 섬유 평균직경(㎛)과 상기 입상 탄소계 필러(30)의 평균입경(㎛)의 길이비가 상기 범위를 만족함에 따라 기계적 강도 및 방열특성이 더욱 우수할 수 있다.
한편, 본 발명의 일 실시예에 따른 방열플라스틱은 첨가제로써, 산화방지제, 충격개선제, 난연제, 강도개선제, 열안정제, 광안정제, 가소제, 대전방지제, 작업개선제, UV 흡수재, 분산제 및 커플링제로 이루어진 군에서 선택된 1 종 이상을 더 포함하여 구현될 수 있다.
상기 산화방지제는 압출, 사출 시 전단에 의해 고분자 화합물의 주쇄가 끊어지는 것을 방지하며, 열변색에 대한 방지 등을 위해 구비된다. 상기 산화방지제는 공지된 산화방지제를 제한 없이 사용할 수 있으며, 이에 대한 비제한적인 예로써, 트리스(노닐 페닐)포스파이트, 트리스(2,4-디-t-부틸페닐)포스파이트, 비스(2,4-디-t-부틸페닐)펜타에리트리톨 디포스파이트, 디스테아릴 펜타에리트리톨 디포스파이트 또는 그 밖에 유사한 것들과 같은 유기포스파이트; 알킬화된 모노페놀 또는 폴리페놀; 테트라키스[메틸렌(3,5-디-터트-부틸-4-하이드록시하이드로신나메이트)] 메탄, 또는 그밖에 유사한 것과 같은 것으로서, 디엔을 갖는 폴리페놀의 알킬화된 반응 생산물; 파라-크레졸 또는 디사이클로펜타디엔의 부틸화된 반응 생산물; 알킬화된 하이드로퀴논; 수산화된 티오디페닐 에테르; 알킬리덴-비스페놀; 벤질 화합물; 모노하이드릭 또는 폴리하이드릭 알코올과 베타-(3,5-디-터트-부틸-4-하이드록시페닐)-프로피온산의 에스테르; 모노하이드릭 또는 폴리하이드릭 알코올과 베타-(5-터트-부틸-4-하이드록시-3-메틸페닐)-프로피온산의 에스테르; 디스테아릴티오프로피오네이트, 디라우릴티오프로피오네이트, 디트리데실티오프로피오네이트, 옥타데실-3-(3,5-디-터트-부틸-l-4-하이드록시페닐)프로피오네이트, 펜타에리스리틸-테트라키스 [3-(3,5-디-터트-부틸-4-하이드록시페닐)프로피오네이트 또는 그 밖에 유사한 것들과 같은 티오알킬 또는 티오아릴 화합물의 에스테르; 베타-(3,5-디-터트-부틸-4-하이드록시페닐)-프로피오닉산의 아미드 또는 그 밖에 유사한 것들, 또는 이들의 혼합물을 포함할 수 있다. 상기 산화방지제는 주제수지 100 중량부에 대하여 0.01 내지 0.5 중량부로 구비될 수 있다.
상기 충격개선제는 복합재료의 유연성, 응력완화성을 발현하여 내충격성을 개선할 수 있는 공지된 성분의 경우 제한 없이 사용할 수 있으며, 일 예로, 열가소성 폴리우레탄(TPU), 열가소성 폴리올레핀(TPO), 말레산 그라프트된 EPDM, 코어/쉘 구조의 탄성입자, 고무계 수지 및 폴리아미드계 소재로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상의 성분을 충격개선제로 구비할 수 있다. 상기 열가소성 폴리올레핀은 러버와 유사한 물질군으로써, 폴리프로필렌, 폴리에틸렌 등 폴리올레핀 블록과 고무질 블록을 갖는 선형 폴리올레핀 블록공중합체나 폴리프로필렌에 에틸렌계 엘라스토머인 에틸렌-프로필렌-다이엔 모노머(EPDM)를 블랜드한 것일 수 있으며, 구체적인 열가소성 폴리올레핀은 공지된 것을 사용할 수 있음에 따라서 본 발명은 이에 대한 구체적 종류에 대한 설명을 생략한다. 또한, 상기 열가소성 폴리우레탄 역시 공지된 것을 사용할 수 있음에 따라서 구체적 종류에 대한 설명을 생략한다. 또한, 상기 코어/쉘 구조의 탄성입자는 일 예로 상기 코어를 알릴계 수지를 사용할 수 있고, 쉘 부분은 열가소성 고분자화합물과의 상용성, 결합력을 증가시킬 수 있도록 반응할 수 있는 관능기를 구비한 고분자 수지일 수 있다.
상기 난연제는 예를 들어, 할로겐화된 난연제, BC58 및 BC52와 같은 유사 테트라브로모 비스페놀 A 올리고머(like tretabromo bisphenol A oligomers), 브롬화된 폴리스티렌 또는 폴리(디브로모-스티렌), 브롬화된 에폭시, 데카브로모디페닐렌옥사이드, 펜타브롬펜질 아크릴레이트 모노머, 펜타브로모벤질 아크릴레이트 폴리머, 에틸렌-비스(테트라브로모프탈이미드, 비스(펜타브로모벤질)에탄, Mg(OH)2 및 Al(OH)3 와 같은 금속 하이드록사이드, 멜라민 시아누레이트, 레드 포스포러스(red phosphorus)와 같은 포스퍼 기반 FR 시스템, 멜라민 폴리포스페이트, 포스페이트 에스테르, 금속 포스피네이트, 암모니움 폴리포스페이트, 팽창 가능한 그래파이트, 소디움 또는 포타슘 퍼플루오로부탄 설페이트, 소디움 또는 포타슘 퍼플루오로옥탄 설페이트, 소디움 또는 포타슘 디페닐설폰설포네이트 및 소디움- 또는 포타슘-2,4,6,-트리클로로벤조네이트 및 N-(p-톨릴설포닐)-p-톨루엔설피미드 포타늄 염, N-(N'-벤질아미노카르보닐) 설파닐이미드 포타슘 염, 또는 이들의 혼합물 포함하나, 이에 제한되지는 않는다. 상기 난연제는 주제수지 100 중량부를 기준으로 0.1 ~ 50 중량부 포함될 수 있다.
상기 강도개선제는 복합재료의 강도를 개선할 수 있는 공지된 성분의 경우 제한없이 사용할 수 있으며, 이에 대한 비제한적인 예로써, 유리섬유, 유리구슬, 산화지르코늄, 울라스토나이트, 깁사이트, 베마이트, 마그네슘 알루미네이트, 돌로마인트, 탄산칼슘, 탄산마그네슘, 운모, 탈크, 탄화규소, 고령토, 황산칼슘, 황산바륨, 이산화규소, 수산화암모늄, 수산화마그네슘 및 수산화알루미늄으로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상의 성분을 강도개선제로 포함할 수 있다. 일예로, 상기 강도개선제는 유리섬유일 수 있다. 상기 강도개선제는 주제수지 100 중량부에 대해 5 ~ 35 중량부로, 바람직하게는 15 ~ 35 중량부, 보다 바람직하게는 25 ~ 33.3 중량부로 포함될 수 있다.
한편, 상기 강도개선제로 유리섬유가 사용되는 경우, 유리섬유는 길이가 2 ~ 8㎜, 바람직하게는 2 ~ 7㎜, 가장 바람직하게는 4㎜일 수 있고, 섬유 평균직경이 1 ~ 30㎛, 바람직하게는 3 ~ 20㎛, 가장 바람직하게는 10㎛일 수 있다.
또한, 상기 열안정제는 공지된 열안정제의 경우 제한 없이 사용할 수 있으나 이에 대한 비제한적이 예로써, 트리페닐 포스파이트, 트리스-(2,6-디메틸페닐)포스파이트, 트리스-(믹스드 모노-앤드 디노닐페닐)포스파이트(tris-(mixed mono-and di-nonylphenyl)phosphate) 또는 그 밖에 유사한 것과 같은 유기 포스파이트; 디메틸벤젠 포스포네이트 또는 그 밖에 유사한 것과 같은 포스포네이트, 트리메틸 포스페이트, 또는 그 밖에 유사한 것과 같은 포스페이트, 또는 이들의 혼합물을 포함한다. 열 안정제는 주제수지 100 중량부에 대하여 0.01 내지 0.5 중량부 포함될 수 있다.
또한, 상기 광안정제는 공지된 광안정제의 경우 제한 없이 사용할 수 있으나 이에 대한 비제한적이 예로써, 2-(2-하이드록시-5-메틸페닐)벤조트리아졸, 2-(2-하이드록시-5-터트-옥틸페닐)-벤조트리아졸 및 2-하이드록시-4-n-옥톡시 벤조페논 또는 그 밖에 유사한 것들과 같은 벤조트리아졸 또는 이들의 혼합물을 포함할 수 있다.
또한, 상기 가소제는 공지된 가소제의 경우 제한 없이 사용할 수 있으나 이에 대한 비제한적이 예로써, 디옥틸-4,5-에폭시-헥사하이드로프탈레이트, 트리스-(옥톡시카르보닐에틸)이소시아누레이트, 트리스테아린, 에폭시화된 콩기름(soybean oil) 또는 그 밖의 유사한 것들과 같은 프탈산 에스테르 또는 이들의 혼합물을 포함할 수 있다. 가소제는 주제수지 100 중량부에 대하여 0.5 내지 3.0 중량부로 포함될 수 있다.
또한, 상기 대전방지제는, 공지된 대전방지제를 제한 없이 사용할 수 있으며, 이에 대한 비제한적인 예로써, 글리세롤 모노스테아레이트(monostearate), 소디움 스테아릴 설포네이트, 소디움 도데실벤젠설포네이트, 폴레에테르 블록 아미드, 또는 이들의 혼합물을 포함하며, 이들은 예를 들어, 상표명 이르가스탯(Irgastat)의 BASF; 상표명 PEBAX의 알케마(Arkema); 및 상표명 펠레스탯(Pelestat)의 산요 케미컬 인더스트리즈(Sanyo Chemical industries) 로부터 상업적으로 얻을 수 있다. 상기 대전방지제는 주제수지 100 중량부에 대하여 0.1 내지 1.0 중량부로 포함될 수 있다.
또한, 상기 작업개선제는 공지된 작업개선제를 제한 없이 사용할 수 있으며, 이에 대한 비제한적인 예로써, 금속 스테아레이트, 스테아릴 스테아레이트, 펜타에리트리톨 테트라스테아레이트, 밀납(beeswax), 몬탄 왁스(montan wax), 파라핀 왁스, 폴리에틸렌 왁스 또는 그 밖에 유사한 것들 또는 이들의 혼합물을 포함할 수 있다. 상기 작업개선제는 주제수지 100 중량부에 대하여 0.1 내지 1.0 중량부로 포함될 수 있다.
또한, 상기 UV 흡수제는, 공지된 UV 흡수제를 제한 없이 사용할 수 있으며, 이에 대한 비제한적인 예로써, 하이드록시벤조페논; 하이드록시벤조트리아졸; 하이드록시벤조트리아진; 시아노아크릴레이트; 옥사닐라이드(oxanilides); 벤족사지논(benzoxazinones); 2-(2H-벤조트리아졸-2-일)-4-(1,1,3,3,-테트라메틸부틸)-페놀; 2-하이드록시-4-n-옥틸옥시벤조페논; 2-[4,6-비스(2,4-디메틸페닐)-1,3,5-트리아진-2-일]-5-(옥틸옥시)-페놀; 2,2'-(1,4-페닐렌)비스(4H-3,1-벤족사진-4-원); 1,3-비스[(2-시아노-3,3-디페닐아크릴로일)옥시]-2,2-비스[[(2-시아노-3, 3-비페닐아크릴로일)옥시]메틸]프로판; 2,2'-(1,4-페닐렌) 비스(4H-3,1-벤족사진-4-원); 1,3-비스[(2-시아노-3,3-디페닐아크릴로일)옥시]-2,2-비스[[(2-시아노-3,3-디페닐아크릴로일)옥시]메틸]프로판; 입경이 100㎚미만인 산화 티타늄, 산화 세륨 및 산화 아연과 같은 나노-크기 무기 물질; 또는 그 밖에 유사한 것들, 또는 이들의 혼합물을 포함한다. 상기 UV 흡수제는 주제수지 100 중량부를 기준으로 0.01 내지 3.0 중량부 포함될 수 있다.
또한, 상기 분산제 및 커플링제는 공지된 분산제 및 커플링제를 제한 없이 사용할 수 있으며, 커플링제에 대한 비제한적인 예로써 내열성을 위해 말레산 그래프트된 폴리프로필렌, 실란계 커플링제 등을 사용할 수 있다.
하기의 실시예를 통하여 본 발명을 더욱 구체적으로 설명하기로 하지만, 하기 실시예가 본 발명의 범위를 제한하는 것은 아니며, 이는 본 발명의 이해를 돕기 위한 것으로 해석되어야 할 것이다.
<실시예 1>
먼저, 고분자 매트릭스에 구비되는 입상 탄소계 필러를 제조하기 위하여, 23℃ 및 대기 상태에서 표면에 니켈(Ni) 나노입자가 형성된 그라파이트를, 순수(DI water) 65 중량% 및 메탄올 35 중량%를 포함하는 용매에 농도 2 mM로 구비되는 도파민과 상기 도파민 100 중량부에 대하여 산화제로 과요오드산나트륨(Na2S2O8) 13 중량부 및 버퍼용액(Tris-base, Fisher) 20 중량부를 혼합한 코팅조성물에 침지하여 2.5 시간 동안 교반한 후, 여과 및 순수(DI water)로 세척 후 23℃에서 건조하여 그라파이트 표면에 카테콜아민층을 형성시켜서 그라파이트 복합체를 제조하였다.
주제수지로 PA6 100 중량부에 대하여, 섬유상 탄소계 필러로 섬유 평균직경이 10㎛ 및 평균 섬유장이 7.5㎜인 이방성 피치계 탄소섬유 및 입상 탄소계 필러로 평균입경이 200㎛인 상기 제조한 그라파이트 복합체를 1 : 3.5의 중량비로 포함하는 탄소계 필러를 45 중량부 혼합하고, 컴파운딩하여 펠렛을 제조한 후 사출을 통해 도 1과 같은 방열플라스틱을 제조하였다.
<실시예 2 ~ 22 및 비교예 2>
실시예 1과 동일하게 실시하여 제조하되, 섬유상 탄소계 필러의 종류, 섬유 평균직경, 평균 섬유장, 입상 탄소계 필러의 평균입경, 섬유상 탄소계 필러와 입상 탄소계 필러의 중량비, 탄소계 필러의 함량 및 섬유상 탄소계 필러의 섬유 평균직경과 입상 탄소계 필러의 평균입경 길이비 등을 변경하여 표 1 내지 표 4와 같은 방열플라스틱을 제조하였다.
<실험예>
실시예 및 비교예에 따라 제조한 각각의 방열플라스틱에 대하여 하기의 물성을 평가하여 표 1 내지 표 4에 나타내었다.
1. 방열성능 평가
외부 영향을 방지하기 위해 가로, 세로, 높이 각각 30㎝×30㎝×30㎝인 밀페챔버에서 성능평가를 실시하였다. 구체적으로 방열플라스틱에 면상발열체를 부착하여 350mA의 전류를 인가하여 열을 발생시키고, 60분 유지한 후 면상발열체의 온도를 측정 하여 방열성능을 평가하였다.
이때, 측정 온도가 높다는 것은 방열성능이 좋지 않은 것을 의미하고, 측정 온도가 낮다는 것은 방열성능이 우수하다는 것을 의미한다.
또한, 실시예 1의 측정온도를 100으로 기준하여 나머지 실시예 및 비교예에 대한 측정온도를 상대적인 비율로 나타내었다.
2. 기계적 강도 평가
만능인장시험기(Utm)을 이용하여 방열플라스틱의 굴곡강도를 평가하였다.
이때, 실시예 1의 굴곡강도를 100으로 기준하여 나머지 실시예 및 비교예에 대한 굴곡강도를 상대적인 비율로 나타내었다.
3. 내구성 평가
온도가 85℃, 상대습도가 85%인 챔버 내에 방열플라스틱을 배치한 후 480시간 경과 후 방열플라스틱의 표면상태를 육안으로 평가하였다. 평가결과 고분자 매트릭스의 크랙, 탄소계 필러의 박리나 돌출 유무를 확인하여 이상이 없는 경우 ○, 이상이 발생한 경우 ×로 나타내었다.
구분 실시예1 실시예2 실시예3 실시예4 실시예5 실시예6
탄소계필러 섬유상탄소계필러 종류 이방성 등방성 이방성 이방성 이방성 이방성
섬유 평균직경(㎛) 10 10 3 6 18 23
평균 섬유장(mm) 7.5 7.5 7.5 7.5 7.5 7.5
입상탄소계필러 평균입경(㎛) 200 200 270 200 200 200
섬유상 섬유평균직경과입상 평균입경의 길이비 1:20 1:20 1:90 1:33.3 1:11.1 1:8.7
섬유상과 입상의 중량비 1:3.5 1:3.5 1:3.5 1:3.5 1:3.5 1:3.5
함량(중량부) 45 45 45 45 45 45
방열성능 평가 100 117 125 104 98 95
굴곡강도 평가 100 83 107 103 100 100
내구성 평가 ○ × ○ ○ ○ ×
구분 실시예7 실시예8 실시예9 실시예10 실시예11 실시예12
탄소계필러 섬유상탄소계필러 종류 이방성 이방성 이방성 이방성 이방성 이방성
섬유 평균직경(㎛) 10 10 10 10 10 10
평균 섬유장(mm) 1 5 10 15 7.5 7.5
입상탄소계필러 평균입경(㎛) 200 200 200 200 1 10
섬유상 섬유평균직경과입상 평균입경의 길이비 1:20 1:20 1:20 1:20 1:0.1 1:1
섬유상과 입상의 중량비 1:3.5 1:3.5 1:3.5 1:3.5 1:3.5 1:3.5
함량(중량부) 45 45 45 45 45 45
방열성능 평가 123 104 99 97 131 105
굴곡강도 평가 94 99 104 108 82 95
내구성 평가 ○ ○ ○ × ○ ○
구분 실시예13 실시예14 실시예15 실시예16 실시예17 실시예18
탄소계필러 섬유상탄소계필러 종류 이방성 이방성 이방성 이방성 이방성 이방성
섬유 평균직경(㎛) 6 10 10 10 10 10
평균 섬유장(mm) 7.5 7.5 7.5 7.5 7.5 7.5
입상탄소계필러 평균입경(㎛) 300 400 200 200 200 200
섬유상 섬유평균직경과입상 평균입경의 길이비 1:50 1:40 1:20 1:20 1:20 1:20
섬유상과 입상의 중량비 1:3.5 1:3.5 1:0.1 1:1 1:5 1:10
함량(중량부) 45 45 45 45 45 45
방열성능 평가 94 92 136 106 97 96
굴곡강도 평가 96 72 105 105 97 75
내구성 평가 ○ × ○ ○ ○ ×
구분 실시예19 실시예20 실시예21 실시예22 비교예1 비교예2
탄소계필러 섬유상탄소계필러 종류 이방성 이방성 이방성 이방성 - 이방성
섬유 평균직경(㎛) 10 10 10 10 - 10
평균 섬유장(mm) 7.5 7.5 7.5 7.5 - 7.5
입상탄소계필러 평균입경(㎛) 200 200 200 200 200 -
섬유상 섬유평균직경과입상 평균입경의 길이비 1:20 1:20 1:20 1:20 - -
섬유상과 입상의 중량비 1:3.5 1:3.5 1:3.5 1:3.5 - -
함량(중량부) 5 20 60 100 45 45
방열성능 평가 161 109 95 94 120 93
굴곡강도 평가 71 94 97 76 106 69
내구성 평가 ○ ○ ○ × ○ ○
상기 표 1 내지 4에서 알 수 있듯이, 본 발명에 따른 섬유상 탄소계 필러의 종류, 섬유 평균직경, 평균 섬유장, 입상 탄소계 필러의 평균입경, 섬유상 탄소계 필러와 입상 탄소계 필러의 중량비, 탄소계 필러의 함량 및 섬유상 탄소계 필러의 섬유 평균직경과 입상 탄소계 필러의 평균입경 길이비 등을 모두 만족하는 실시예 1, 4, 5, 8, 9, 12, 13, 16, 17, 20 및 21이, 이 중에서 하나라도 누락된 실시예 2, 3, 6, 7, 10, 11, 14, 15, 18, 19, 22 및 비교예 1 ~ 2에 비하여 방열성능, 기계적 강도 및 내구성이 모두 동시에 현격히 우수하였다.
이상에서 본 발명의 일 실시예에 대하여 설명하였으나, 본 발명의 사상은 본 명세서에 제시되는 실시 예에 제한되지 아니하며, 본 발명의 사상을 이해하는 당업자는 동일한 사상의 범위 내에서, 구성요소의 부가, 변경, 삭제, 추가 등에 의해서 다른 실시 예를 용이하게 제안할 수 있을 것이나, 이 또한 본 발명의 사상범위 내에 든다고 할 것이다.

Claims (11)

  1. 주제수지를 포함하여 형성된 고분자 매트릭스; 및
    상기 고분자 매트릭스 내에 분산되어 구비되고, 섬유상 탄소계 필러 및 입상 탄소계 필러를 포함하는 탄소계 필러;를 포함하는 방열플라스틱.
  2. 제1항에 있어서, 상기 섬유상 탄소계 필러는,
    등방성 피치계 탄소섬유 및 이방성 피치계 탄소섬유로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상을 포함하는 피치계 탄소섬유를 포함하는 방열플라스틱.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 섬유상 탄소계 필러는 이방성 피치계 탄소섬유인 방열플라스틱.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 섬유상 탄소계 필러는 섬유 평균직경이 5 ~ 20㎛인 방열플라스틱.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 섬유상 탄소계 필러는 평균 섬유장이 3 ~ 12mm인 방열플라스틱.
  6. 제1항에 있어서, 상기 입상 탄소계 필러는,
    그라파이트, 그래핀, 플러렌 및 카본블랙으로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상을 포함하는 방열플라스틱.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 입상 탄소계 필러는 평균입경이 5 ~ 350㎛인 방열플라스틱.
  8. 제1항에 있어서, 상기 탄소계 필러는,
    상기 섬유상 탄소계 필러 및 입상 탄소계 필러를 1 : 0.5 ~ 7의 중량비로 포함하는 방열플라스틱.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 주제수지 100 중량부에 대하여 상기 탄소계 필러를 10 ~ 80 중량부로 포함하는 방열플라스틱.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 섬유상 탄소계 필러의 섬유 평균직경(㎛)과 상기 입상 탄소계 필러의 평균입경(㎛)은 길이비가 1 : 0.2 ~ 80인 방열플라스틱.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 주제수지는, 폴리아미드, 폴리에스테르, 폴리케톤, 액정고분자, 폴리올레핀, 폴리페닐렌설파이드(PPS), 폴리에테르에테르케톤(PEEK), 폴리페닐렌옥사이드(PPO), 폴리에테르술폰(PES), 폴리에테르이미드(PEI), 폴리이미드(PI), 폴리프탈아미트(PPA), 폴리부틸렌테레프탈레이트(PBT), 아크릴로니트릴 부타디엔 스티렌공중합체수지(ABS), 폴리메틸메타아크릴레이트(PMMA) 및 폴리아릴레이트(PAR)로 이루어진 군에서 선택된 1종의 화합물, 또는 2종 이상의 혼합물 또는 코폴리머를 포함하는 방열플라스틱.
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