WO2021210721A1 - 우수한 방열성 및 전기절연성을 가지는 전기 배선 커넥터용 복합재료의 제조방법 및 이에 의해 제조된 전기 배선 커넥터용 복합재료 - Google Patents

우수한 방열성 및 전기절연성을 가지는 전기 배선 커넥터용 복합재료의 제조방법 및 이에 의해 제조된 전기 배선 커넥터용 복합재료 Download PDF

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Definitions

  • the present invention relates to a method for manufacturing a composite material having excellent heat dissipation and electrical insulation properties, which can be usefully used as a material for an insulating housing of an electrical wiring connector, and a composite material for an electrical wiring connector manufactured thereby.
  • a connector part is a part that efficiently connects and couples such electrical wiring, and is one of the absolutely necessary parts in electrical, electronic and transport machinery, and has various shapes and structures depending on its use (FIG. 1).
  • the technical problem to be solved by the present invention is to provide a method for manufacturing a composite material that is excellent in heat dissipation and insulation and can be used as a material such as a housing of an electrical wiring connector, and a composite material for an electrical wiring connector manufactured thereby.
  • the present invention comprises the steps of: (a) (i) preparing a mixed powder comprising a metal powder and (ii) a polymer powder comprising a powder made of aluminum or an aluminum alloy and a magnesium powder; and (b) preparing a composite material by spark plasma sintering (SPS) of the mixed powder prepared in step (a).
  • SPS spark plasma sintering
  • the composite material for an electrical wiring connector manufactured according to the present invention may be a functionally graded composite material, and the graded functional composite material comprises (a) (i) powder consisting of aluminum or aluminum alloy and magnesium powder. preparing a mixed powder including a metal powder and (ii) a polymer powder, but preparing two or more mixed powders having different polymer powder contents in the mixed powder; (b) stacking the two or more kinds of mixed powders prepared in step (a), and forming a gradient functional laminate having a different polymer powder content compared to the metal powder content of each layer as it goes from the lowermost layer to the uppermost layer; and (c) producing a gradient functional composite material by sintering the gradient functional laminate by electric discharge plasma.
  • the polymer powder content fraction may increase or decrease compared to the metal powder content of each layer as going from the lowermost layer to the uppermost layer.
  • the mixed powder includes (i) 30 to 85% by volume of a metal powder including a powder made of aluminum or an aluminum alloy and a magnesium powder, and (ii) 15 to 70% by volume of a polymer powder.
  • the metal powder proposes a method for manufacturing a composite material for an electrical wiring connector, characterized in that it contains aluminum powder and magnesium powder in a volume ratio of 1:1.
  • the polymer powder proposes a method for manufacturing a composite material for an electrical wiring connector, characterized in that made of polyarylate (Polyarylate, PAR).
  • PAR polyarylate
  • the mixed powder proposes a method for manufacturing a composite material for an electrical wiring connector, characterized in that it further comprises a ceramic powder.
  • the ceramic powder is MgO, SiO 2 , Al 2 O 3 AlN and Si 3 N 4
  • a method for manufacturing a composite material for an electrical wiring connector characterized in that made of at least one selected from the group consisting of.
  • the present invention proposes a composite material for an electrical wiring connector manufactured by the manufacturing method in another aspect of the present invention.
  • the composite material for the electrical wiring connector may have a slanted functionality
  • the slanted functional composite material has a sheet shape, and one side in at least one of a thickness direction, a length direction, and a width direction of the sheet. It is characterized in that the volume fraction of the polymer or ceramic continuously changes from one side to the other.
  • the present invention proposes a method of manufacturing an electrical wiring connector comprising the step of manufacturing a connector housing made of a composite material for the electrical wiring connector.
  • an electrical wiring connector manufactured by the manufacturing method is proposed.
  • a composite material for an electrical wiring connector is manufactured by using a metal powder containing aluminum and magnesium and a mixed powder containing an electrically insulating polymer powder through a discharge plasma process to achieve high heat dissipation and electrical properties. It is possible to obtain a material for an electrical wiring connector having insulation properties at the same time.
  • the connector part for electrical wiring connection made of the metal-based polymer fusion composite material manufactured by the present invention has high heat dissipation characteristics along with excellent electrical insulation with a specific resistance of 10 6 ⁇ m or more, so that it can be used for high-capacity electrical wiring and for a long time. Safety is secured due to efficient heat dissipation, and product lifespan is also increased.
  • 1 is a photograph of connector parts for electric wiring connection having various shapes and structures.
  • FIG. 2 is a process flow diagram of a method for manufacturing a composite material for an electrical wiring connector according to the present invention.
  • FIG. 3 is a photograph of a spring pin connector having an insulating housing manufactured by processing the composite material manufactured in Example of the present application.
  • the method for manufacturing a composite material for an electrical wiring connector comprises the steps of (a) (i) preparing a mixed powder comprising a metal powder comprising a powder made of aluminum or an aluminum alloy and a magnesium powder, and (ii) a polymer powder and (b) preparing a composite material by sintering the mixed powder prepared in step (a) by spark plasma sintering (SPS) (FIG. 2).
  • SPS spark plasma sintering
  • step (a) through various types of ball milling processes such as electric ball milling, stirring ball milling, and planetary ball milling, metal powder containing aluminum and magnesium, etc., and the composite material are added to give electrical insulation properties.
  • a mixed powder in which the polymer powder to be used is uniformly mixed for example, a low energy milling process using a conventional electric ball milling apparatus may be performed at 100 to 500 rpm for 1 to 24 hours to prepare a mixed powder.
  • the aluminum alloy contained in the metal powder is one selected from the group consisting of 1000 series, 2000 series, 3000 series, 4000 series, 5000 series, 6000 series, 7000 series and 8000 series series. It may be an aluminum alloy of the above.
  • the polymer powder added to impart electrical insulation to the composite material for electrical wiring connector obtained by the manufacturing method according to the present invention is made of a thermoplastic resin or a thermosetting resin.
  • thermoplastic resin examples include polyethylene, polypropylene, poly-4-methylpentene-1, which is an olefin-based resin, polymethyl methacrylate, acrylonitrile, and polyvinyl chloride, polyvinyl chloride, which is a vinyl-based resin, as the thermoplastic resin.
  • resins include nitrocellulose, cerolose acetate, ethylcellulose, and propylene cellulose.
  • polyamide, polyamideimide, polyacetal, polycarbonate, polyethylene butarate, polybutylene butarate, ionomo resin, and poly Sulfone, polyether sulfone, polyphenylene ether, polyphenylene sulfide, polyether imide, polyether ether ketone, aromatic polyester (econol, polyarylate) and the like can be used.
  • thermosetting resin examples include a phenol resin, an epoxy resin, and a polyimide resin.
  • the composition of the mixed powder prepared in this step (a) is not particularly limited, and the mixing ratio of the metal and the polymer may be selected in consideration of the physical properties required for the finally manufactured composite material for an electrical wiring connector, preferably, (i) It may be a mixed powder in which 30 to 85% by volume of a metal powder including a powder made of aluminum or an aluminum alloy and a magnesium powder and 15 to 70% by volume of a polymer powder are uniformly mixed.
  • ceramic powder may be further added to the mixed powder as needed to control the electrical insulation and/or mechanical properties of the mixed powder, and the ceramic powder is an oxide-based ceramic or non-oxide-based ceramic powder having seasonal insulation. It may be made of ceramic.
  • the oxide-based ceramic is Al 2 O 3 , SiO 2 , TiO 2 , Y 2 O 3 , ZrO 2 , Ta 2 O 5 , ThO 2 , ZrSiO 2 BeO, CeO 2 , Cr 2 O 3 , HfO 2 , La 2 O 3 , MgO, Nb 2 O 3 and the like.
  • the non-oxide-based ceramic may be selected from nitride, carbide and silicide, and the nitride is AlN, GaN, InN, BN, Be 3 N 2 , Cr 2 N, HfN, MoN, NbN, Si 3 N 4 , At least one of TaN, Ta 2 N, Th 2 N 3 , TiN, WN 2 , W 2 N, VN, and ZrN, wherein the carbide is B 4 C, Cr 3 C 2 , HfC, LaC 2 , Mo 2 C, Nb 2 C, SiC, Ta 2 C, ThC 3 , TiC, W 2 C, at least one of WC, V 2 C, and ZrC, the silicide (silicide) is CrSi 2 , Cr 2 Si, HfSi, MoSi 2 , NbSi 2 , TaSi 2 , Ta 5 Si 3 , ThSi 2 , Ti 5 Si 3 , WSi 2 , W 5 Si 3 , V 3
  • step (b) the mixed powder prepared in step (a) is sintered by discharge plasma to prepare a composite material for an electrical wiring connector.
  • discharge plasma sintering which is a means for manufacturing a composite material for an electrical wiring connector, applies a direct current to the mixed powder or a compact made of the mixed powder under pressure applied to a pulsed DC current flowing between the particles of the mixed powder.
  • the spark discharge phenomenon is generated by the Composite materials with a dense structure can be manufactured by compounding metals and polymers. Through this sintering ability, the growth of composite material particles can be effectively controlled, and a composite material for electrical wiring connectors with a uniform microstructure can be manufactured. have.
  • an upper electrode and a lower electrode are provided to generate a discharge plasma by supplying an electric current to form a space for accommodating a mold capable of sintering the mixed powder, and cooling water.
  • a cooling unit capable of cooling the chamber by circulating it, a current supply unit supplying current to the upper electrode and the lower electrode, a temperature sensing unit capable of detecting a temperature in the chamber, and a bet inside the chamber can be discharged to the outside Discharge plasma sintering apparatus having a pump, a pressure supply unit capable of supplying pressure to the inside of the chamber, a control unit for controlling the temperature of the discharge plasma sintering process according to the temperature sensed by the temperature sensing unit, and an operation unit for controlling the control unit
  • a discharge plasma sintering process may be performed using the
  • the chamber is exhausted and depressurized until the inside of the chamber is in a vacuum state, thereby removing impurities in the gas phase existing in the chamber and preventing oxidation, thereby sintering the discharge plasma. process can be performed.
  • discharge plasma sintering may be performed, and the mixed powder may be pre-heated at the same temperature increase rate as described above, followed by a discharge plasma sintering process
  • the discharge plasma sintering process can suppress the growth of particles constituting the composite material by controlling the temperature increase rate, thereby controlling the size of the composite material for electrical wiring connectors manufactured.
  • the discharge plasma sintering process is performed at a temperature of 200 to 400 °C and A composite material for an electrical wiring connector can be prepared by carrying out for 1 to 10 minutes under a pressure of 5 to 500 MPa.
  • the step of cooling the composite material may be further included, through which a composite material for an electrical wiring connector having excellent mechanical properties can be obtained. have.
  • this step it is possible to suppress the formation of voids, etc. formed on the surface and inside of the composite material by cooling the composite material under the condition of maintaining a constant pressure.
  • a composite material for an electrical wiring connector According to the method for manufacturing a composite material for an electrical wiring connector according to the present invention, high heat dissipation is achieved by manufacturing a composite material for an electrical wiring connector through a discharge plasma process of a mixed powder containing a metal powder containing aluminum and magnesium and an electrically insulating polymer powder It is possible to obtain a material for an electrical wiring connector that has both and electrical insulation.
  • the connector part for electrical wiring connection made of the metal-based polymer fusion composite material manufactured by the present invention has excellent electrical insulation and high heat dissipation characteristics, so it is safe due to efficient heat dissipation even in high-capacity electrical wiring and long-term use It also has the advantage of extending product lifespan.
  • Embodiments according to the present specification may be modified in various other forms, and the scope of the present specification is not to be construed as being limited to the embodiments described below.
  • the embodiments of the present specification are provided to more completely explain the present specification to those of ordinary skill in the art.
  • a composite material for an electric wiring connector was manufactured by sintering the mixed powder obtained by mixing a polymer powder and a metal powder including aluminum powder and magnesium powder by electric discharge plasma.
  • the metal powder used in this example was an aluminum-magnesium composite material (AlSium) powder containing 50 vol.% each of aluminum powder and magnesium powder, and a powder made of a polyarylate (PAR) resin was used as the polymer powder.
  • AlSium aluminum-magnesium composite material
  • PAR polyarylate
  • polyarylate resin refers to an aromatic linear polyester resin, and as a plastic engineering resin with special physical properties, it has high heat resistance, excellent mechanical strength, and is transparent, so it can be used for switches, sockets, microwave oven parts, Used for relay cases and boards.
  • plastic engineering resin with special physical properties, it has high heat resistance, excellent mechanical strength, and is transparent, so it can be used for switches, sockets, microwave oven parts, Used for relay cases and boards.
  • the mechanical field it is widely used as various materials and packaging materials such as internal/external parts of watches, optical mechanical parts, hot air parts such as gas circuit breakers, lenses in the housing or automobile field, electronic housings, instrument panels, and the like.
  • the polyarylate resin as described above is usually prepared by polycondensation of an aromatic diol and an aromatic dicarboxylic acid.
  • the volume ratio of AlSium powder and PAR powder was changed to 85:15, 80:20, 75:25, 70:30, 65:35, respectively, and charged into a stainless steel vial of a ball milling device, and 20mL of heptane (heptane).
  • the metal/polymer mixed powder is charged into a cemented carbide (WC-Co) mold coated with boron nitride (BN) and discharged at a temperature increase rate of 50°C/min, a sintering temperature of 330°C, a sintering time of 5 minutes, and a sintering pressure of 250MPa.
  • WC-Co cemented carbide
  • BN boron nitride
  • a composite material for a semiconductor test socket was manufactured by performing a plasma sintering process, and a spring pin connector for a PCB having a housing made of the composite material was manufactured by processing it (FIG. 3).
  • a material for an electrical wiring connector having high heat dissipation and electrical insulation at the same time, and comprising the metal-based polymer fusion composite material manufactured by the present invention
  • Connector parts for connecting electrical wiring have high heat dissipation characteristics along with excellent electrical insulation resistance of 10 6 ⁇ m or higher, so safety is secured due to efficient heat dissipation even in high-capacity electrical wiring and long-term use, and also has the advantage of extending product life.

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Abstract

본 발명은 (a) (i) 알루미늄 또는 알루미늄 합금으로 이루어진 분말 및 마그네슘 분말을 포함하는 금속 분말 및 (ii) 폴리머 분말을 포함하는 혼합 분말을 제조하는 단계; 및 (b) 상기 단계 (a)에서 제조한 혼합 분말을 방전 플라즈마 소결(spark plasma sintering, SPS)하여 복합재료를 제조하는 단계;를 포함하는 전기 배선 커넥터용 복합재료 제조방법, 이에 의해 제조된 전기 배선 커넥터용 복합재료, 상기 복합재료로 이루어진 커넥터 하우징(housing)을 제조하는 단계를 포함하는 전기 배선 커넥터 제조방법, 그리고 이에 의해 제조된 전기 배선 커넥터에 대한 것이다.

Description

우수한 방열성 및 전기절연성을 가지는 전기 배선 커넥터용 복합재료의 제조방법 및 이에 의해 제조된 전기 배선 커넥터용 복합재료
본 발명은 뛰어난 방열성 및 전기절연성을 가져 전기 배선 커넥터의 절연성 하우징(housing) 등의 소재로 유용하게 사용할 수 있는 복합재료의 제조방법 및 이에 의해 제조된 전기 배선 커넥터용 복합재료에 대한 것이다.
대부분의 전자 기기 및 자동차는 매우 다양하고 복잡한 전기배선들로 부품들이 연결되어 있다.
커넥터 부품은 이러한 전기배선을 효율적으로 연결 결합하는 부품으로 전기전자 및 수송기계 장치에서는 절대적으로 필요한 부품 중 하나로서, 그 사용처에 따라 다양한 형상 및 구조를 가진다(도 1).
최근 들어 전동 장치화가 급속하게 진행되면서 전기 배선 장치들에 많은 부하가 걸리는 경우가 많아지고 있다. 특히, 기존의 폴리머 계열의 커넥터의 경우 전기절연성은 우수하지만 방열에 한계가 있어 열화로 인한 화재 등이 발생할 가능성이 높아 새로운 소재의 필요성이 대두되고 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제는, 방열성 및 절연성이 우수해 전기 배선 커넥터의 하우징 등의 소재로 사용할 수 있는 복합재료를 제조하는 방법 및 이에 의해 제조된 전기 배선 커넥터용 복합재료를 제공하는 것이다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위해, 본 발명은 (a) (i) 알루미늄 또는 알루미늄 합금으로 이루어진 분말 및 마그네슘 분말을 포함하는 금속 분말 및 (ii) 폴리머 분말을 포함하는 혼합 분말을 제조하는 단계; 및 (b) 상기 단계 (a)에서 제조한 혼합 분말을 방전 플라즈마 소결(spark plasma sintering, SPS)하여 복합재료를 제조하는 단계;를 포함하는 전기 배선 커넥터용 복합재료 제조방법을 제안한다.
나아가, 본 발명에 따라 제조되는 전기 배선 커넥터용 복합재료는 경사기능성(functionally graded) 복합재료일 수 있으며, 해당 경사기능성 복합재료는 (a) (i) 알루미늄 또는 알루미늄 합금으로 이루어진 분말 및 마그네슘 분말을 포함하는 금속 분말 및 (ii) 폴리머 분말을 포함하는 혼합 분말을 제조하되, 혼합 분말 내 폴리머 분말의 함량이 상이한 2종 이상의 혼합 분말을 제조하는 단계; (b) 상기 단계 (a)에서 제조한 2종 이상의 혼합 분말을 적층해, 최하층부로부터 최상층부로 향함에 따라 각층의 금속 분말 함량 대비 폴리머 분말 함량 분율이 서로 다른 경사기능성 적층체를 형성하는 단계; 및 (c) 상기 경사기능성 적층체를 방전 플라즈마 소결하여 경사기능성 복합재료를 제조하는 단계;를 거쳐 제조할 수 있다.
이때, 상기 경사기능성 적층체는, 최하층부로부터 최상층부로 향함에 따라 각층의 금속 분말 함량 대비 폴리머 분말 함량 분율이 증가하거나 또는 감소할 수 있다.
또한, 상기 혼합 분말은, (i) 알루미늄 또는 알루미늄 합금으로 이루어진 분말 및 마그네슘 분말을 포함하는 금속 분말 30 ~ 85 부피% 및 (ii) 폴리머 분말 15 ~ 70 부피%를 포함하는 것을 특징으로 하는 전기 배선 커넥터용 복합재료 제조방법을 제안한다.
또한, 상기 금속 분말은, 알루미늄 분말 및 마그네슘 분말을 1 : 1의 부피비로 포함하는 것을 특징으로 하는 전기 배선 커넥터용 복합재료 제조방법을 제안한다.
또한, 상기 폴리머 분말은 폴리아릴레이트(Polyarylate, PAR)로 이루어진 것을 특징으로 하는 전기 배선 커넥터용 복합재료 제조방법을 제안한다.
또한, 상기 혼합 분말은 세라믹 분말을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전기 배선 커넥터용 복합재료 제조방법을 제안한다.
또한, 상기 세라믹 분말은 MgO, SiO2, Al2O3 AlN 및 Si3N4로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상으로 이루어진 것을 특징으로 하는 전기 배선 커넥터용 복합재료 제조방법을 제안한다.
그리고, 본 발명은 발명의 다른 측면에서 상기 제조방법에 의해 제조된 전기 배선 커넥터용 복합재료를 제안한다.
또한, 상기 전기 배선 커넥터용 복합재료는 경사기능성을 가질 수 있으며, 해당 경사기능성 복합재료는 시트(sheet) 형상을 가지며, 상기 시트의 두께 방향, 길이 방향 및 너비 방향 중 적어도 하나의 방향에 있어서 일측에서 타측으로 폴리머 또는 세라믹의 부피 분율이 연속적으로 변화하는 것을 특징으로 한다.
그리고, 본 발명은 발명의 또 다른 측면에서 상기 전기 배선 커넥터용 복합재료 이루어진 커넥터 하우징(housing)을 제조하는 단계를 포함하는 전기 배선 커넥터의 제조방법을 제안한다.
나아가, 본 발명의 발명의 또 다른 측면에서 상기 제조방법에 의해 제조된 전기 배선 커넥터를 제안한다.
본 발명에 따른 전기 배선 커넥터용 복합재료 제조방법에 의하면, 알루미늄 및 마그네슘 포함 금속 분말과, 전기절연성 폴리머 분말을 포함한 혼합 분말을 방전 플라즈마 공정을 통하여 전기 배선 커넥터용 복합재료를 제조함으로써 높은 방열성과 전기절연성을 동시에 가지는 전기 배선 커넥터용 소재를 얻을 수 있다.
그리고, 본 발명에 의해 제조되는 금속 기반의 폴리머 융합 복합재료를 포함해 이루어지는 전기배선 연결용 커넥터 부품은 비저항 106 Ω·m 이상의 우수한 전기절연성과 함께 높은 방열 특성을 지녀 고용량의 전기배선 및 장시간 사용에서도 효율적인 열 방출로 인해서 안전성이 확보되며 또한 제품 수명 역시 길어지는 장점을 가진다.
도 1은 다양한 형상 및 구조를 가지는 전기배선 연결용 커넥터 부품들의 사진이다.
도 2는 본 발명에 따른 전기 배선 커넥터용 복합재료 제조방법의 공정 흐름도이다.
도 3은 본원 실시예에서 제조한 복합재료를 가공해 제조한 절연성 하우징을 구비한 스프링핀 커넥터의 사진이다.
본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략할 것이다.
본 발명의 개념에 따른 실시예는 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있으므로 특정 실시예들을 도면에 예시하고 본 명세서 또는 출원에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명의 개념에 따른 실시 예를 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
본 명세서에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 설시된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
이하, 본 발명을 상세히 설명하도록 한다.
본 발명에 따른 전기 배선 커넥터용 복합재료 제조방법은, (a) (i) 알루미늄 또는 알루미늄 합금으로 이루어진 분말 및 마그네슘 분말을 포함하는 금속 분말 및 (ii) 폴리머 분말을 포함하는 혼합 분말을 제조하는 단계 및 (b) 상기 단계 (a)에서 제조한 혼합 분말을 방전 플라즈마 소결(spark plasma sintering, SPS)하여 복합재료를 제조하는 단계를 포함해 이루어진다(도 2).
상기 단계 (a)에서는, 전동 볼밀링, 교반 볼밀링, 유성 볼밀링 등의 다양한 형태의 볼밀링 공정을 통해, 알루미늄 및 마그네슘 등을 포함하는 금속 분말과, 복합재료에 전기 절연성을 부여하기 위해 첨가되는 폴리머 분말이 균일하게 혼합된 혼합 분말을 제조하며, 일례로, 통상의 전동 볼밀링 장치를 이용하는 저에너지 밀링 공정을 100 내지 500 rpm으로 1 내지 24시간 동안 실시해 혼합 분말을 제조할 수 있다.
이때, 상기 금속 분말에 포함되는 알루미늄 합금은 1000 번대 계열, 2000 번대 계열, 3000 번대 계열, 4000 번대 계열, 5000 번대 계열, 6000 번대 계열, 7000 번대 계열 및 8000 번대 계열로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상의 알루미늄 합금일 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 제조방법에 의해 얻어지는 전기 배선 커넥터용 복합재료에 전기절연성을 부여하기 위해 첨가되는 폴리머 분말은 열가소성 수지 또는 열경화성 수지로 이루어진다.
상기 열가소성 수지의 예로는 열가소성 수지로는 올리핀계 수지인 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리-4-메틸펜텐-1, 아크릴계 수지인 폴리메타크릴산메틸, 아크릴로니트릴, 비닐계 수지인 폴리염화비닐, 폴리초산비닐, 폴리비닐알코올, 폴리비닐 부티랄, 폴리염화비닐덴, 스티렌계 수지인 폴리스티렌, ABS 수지, 불소 수지인 4불화에틸렌수지, 3불화에틸렌수지, 폴리불화비닐덴, 폴리불화비닐, 섬유소계 수지인 니트로셀루로즈, 세롤로즈아세테이트, 에틸셀룰로즈, 프로필렌 셀룰로즈 등을 들 수 있으며, 이외에도 폴리아미드, 폴리아미드이미드, 폴리아세탈, 폴리카보네이트, 폴리에틸렌부타레이트, 폴리부틸렌부타레이트, 아이오노모수지, 폴리설폰, 폴리에테르설폰, 폴리페닐렌에테르, 폴리페닐렌설파이드, 폴리에테르이미드, 폴리에테르에테르케톤, 방향족 폴리에스테르(에코놀, 폴리아릴레이트) 등이 사용 가능하다.
또한 상기 열경화성 수지의 예로는 페놀 수지, 에폭시 수지 및 폴리이미드 수지 등을 들 수 있다.
본 단계 (a)에서 제조되는 혼합 분말의 조성은 특별히 제한되지 않고 최종적으로 제조되는 전기 배선 커넥터용 복합재료에 요구되는 물성을 고려해 금속과 폴리머의 혼합비를 선택할 수 있으며, 바람직하게는, (i) 알루미늄 또는 알루미늄 합금으로 이루어진 분말 및 마그네슘 분말을 포함하는 금속 분말 30 ~ 85 부피% 및 (ii) 폴리머 분말 15 ~ 70 부피%가 균일하게 혼합된 혼합 분말일 수 있다.
나아가, 본 단계에서는 혼합 분말의 전기절연성 및/또는 기계적 특성의 제어를 위해 필요에 따라 상기 혼합 분말에 세라믹 분말을 더 첨가할 수 있으며, 상기 세라믹 분말은 절기절연성을 가지는 산화물계 세라믹 또는 비산화물계 세라믹으로 이루어질 수 있다.
상기 산화물계 세라믹으로는 상기 산화물(Oxide)은 Al2O3, SiO2, TiO2, Y2O3, ZrO2, Ta2O5, ThO2, ZrSiO2 BeO, CeO2, Cr2O3, HfO2, La2O3, MgO, Nb2O3 등을 포함할 수 있다.
상기 비산화물계 세라믹은 질화물, 탄화물 및 규화물로부터 선택할 수 있으며, 상기 질화물(nitride)은 AlN, GaN, InN, BN, Be3N2, Cr2N, HfN, MoN, NbN, Si3N4, TaN, Ta2N, Th2N3, TiN, WN2, W2N, VN, 및 ZrN 중 적어도 어느 하나를 포함하고, 상기 탄화물(carbide)은 B4C, Cr3C2, HfC, LaC2, Mo2C, Nb2C, SiC, Ta2C, ThC3, TiC, W2C, WC, V2C, 및 ZrC 중 적어도 어느 하나를 포함하고, 상기 규화물(silicide)은 CrSi2, Cr2Si, HfSi, MoSi2, NbSi2, TaSi2, Ta5Si3, ThSi2, Ti5Si3, WSi2, W5Si3, V3Si 및 ZrSi2 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다.
다음으로 상기 단계 (b)에서는 상기 단계 (a)에서 제조한 혼합 분말을 방전 플라즈마 소결해 전기 배선 커넥터용 복합재료를 제조하는 단계이다.
본 단계에서 전기 배선 커넥터용 복합재료를 제조하기 위한 수단인 방전 플라즈마 소결은, 압력이 가해지는 조건에서 상기 혼합 분말 또는 혼합 분말로 이루어진 성형체에 직류 전류를 가해 혼합 분말의 입자 사이로 흐르는 펄스상의 직류 전류에 의해 불꽃방전 현상이 발생되고, 이에 의해 순간적으로 발생하는 방전 플라즈마의 높은 에너지에 의한 열확산 및 전계 확산과 몰드의 전기저항에 의한 발열 및 가해지는 압력과 전기에너지에 의해 혼합 분말이 소결되어 단시간에 금속과 폴리머를 복합화하여 치밀한 구조의 복합재료를 제조할 수 있으며, 이러한 소결능을 통해 복합재료 입자의 성장을 효과적으로 제어할 수 있고, 균일한 미세구조를 갖는 전기 배선 커넥터용 복합재료를 제조할 수 있다.
본 발명에서는 상기 방전 플라즈마 소결 공정을 위해, 예를 들어, 상부 전극 및 하부 전극이 구비되어 전류를 공급해 방전 플라즈마를 발생시켜 혼합 분말을 소결할 수 있는 몰드를 수용하는 공간을 형성하는 챔버, 냉각수를 유통시켜 상기 챔버를 냉각할 수 있는 냉각부, 상기 상부 전극 및 하부 전극에 전류를 공급하는 전류공급부, 상기 챔버에 온도를 검출할 수 있는 온도감지부, 상기 챔버 내부에 내기를 외부로 배출할 수 있는 펌프, 상기 챔버 내부에 압력을 공급할 수 있는 압력공급부, 상기 온도감지부가 감지하는 온도에 따라 방전 플라즈마 소결 공정의 온도를 제어하는 제어부 및 상기 제어부를 조절할 수 있는 조작부를 구비한 방전 플라즈마 소결장치를 이용하여 방전 플라즈마 소결 공정을 수행할 수 있다.
본 단계에서는 상기 방전 플라즈마 장치에 구비된 펌프를 이용하여 챔버의 내부가 진공 상태가 될 때까지, 배기하여 감압시킴으로써, 챔버 내에 존재하는 가스 상의 불순물을 제거하고, 산화를 방지하도록 구성하여 방전 플라즈마 소결 공정을 수행할 수 있다.
또한, 상기 혼합 분말을 소정의 승온 속도로 소결 온도까지 가열하여 상기 혼합 분말을 선예열한 후, 방전 플라즈마 소결을 수행할 수 있고, 상기와 같은 승온속도로 혼합 분말을 선예열하여, 방전 플라즈마 소결 공정을 통해 혼합 분말의 내부 및 외부에 균일한 온도가 공급됨으로 인해 균일한 구조의 전기 배선 커넥터용 복합재료를 형성시킬 수 있다.
또한, 상기 방전 플라즈마 소결 공정은 승온 속도를 조절하여 복합재료를 구성하는 입자의 성장을 억제할 수 있어 제조되는 전기 배선 커넥터용 복합재료의 크기를 제어할 수 있다.
알루미늄 또는 알루미늄 합금으로 이루어진 분말 및 마그네슘 분말을 포함하는 금속 분말과 폴리머 분말을 포함하는 혼합 분말을 사용하여 복합재료를 제조하는 경우를 예를 들면, 상기 방전 플라즈마 소결 공정은 200 내지 400 ℃의 온도 및 5 내지 500 MPa의 압력하에서 1 내지 10분 동안 실시하여 전기 배선 커넥터용 복합재료를 제조할 수 있다.
또한, 본 단계에서는 상기와 같이 전기 배선 커넥터용 복합재료를 소결한 후, 상기 복합재료를 냉각하는 단계를 추가로 포함할 수 있으며, 이를 통해 기계적 특성이 우수한 전기 배선 커넥터용 복합재료를 수득할 수 있다. 본 단계에서는 일정 압력을 유지하는 조건에서 복합재료를 냉각하도록 구성하여 복합재료의 표면 및 내부에 형성되는 보이드(void) 등의 형성을 억제할 수 있다.
전술한 본 발명에 따른 전기 배선 커넥터용 복합재료 제조방법에 의하면, 알루미늄 및 마그네슘 포함 금속 분말과, 전기절연성 폴리머 분말을 포함한 혼합 분말을 방전 플라즈마 공정을 통하여 전기 배선 커넥터용 복합재료를 제조함으로써 높은 방열성과 전기절연성을 동시에 가지는 전기 배선 커넥터용 소재를 얻을 수 있다.
그리고, 본 발명에 의해 제조되는 금속 기반의 폴리머 융합 복합재료를 포함해 이루어지는 전기배선 연결용 커넥터 부품은 우수한 전기절연성과 함께 높은 방열 특성을 지녀 고용량의 전기배선 및 장시간 사용에서도 효율적인 열 방출로 인해서 안전성이 확보되며 또한 제품 수명 역시 길어지는 장점을 가진다.
이하, 실시예를 들어 본 발명에 대해 보다 상세하게 설명하기로 한다.
본 명세서에 따른 실시예들은 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 명세서의 범위가 아래에서 상술하는 실시예들에 한정되는 것으로 해석되지 않는다. 본 명세서의 실시예들은 당업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 명세서를 보다 완전하게 설명하기 위해 제공되는 것이다.
<실시예>
본 실시예에서는 알루미늄 분말 및 마그네슘 분말을 포함하는 금속 분말과 폴리머 분말을 혼합해 얻어진 혼합 분말을 방전 플라즈마 소결하여 전기 배선 커넥터용 복합재료를 제조하였다.
본 실시예에서 사용한 금속 분말은 알루미늄 분말 및 마그네슘 분말을 각각 50 vol.%씩 포함하는 알루미늄-마그네슘 복합재료(AlSium) 분말이었으며, 폴리머 분말로는 폴리아릴레이트(Polyarylate, PAR) 수지로 이루어진 분말을 사용했다.
참고로, 폴리아릴레이트 수지는 방향족 선형 폴리에스터 수지를 의미하며, 제반물성이 특수한 플라스틱 엔지니어링 수지로서, 내열성이 높고, 기계적 강도가 뛰어나며 투명하므로 전기 전자 제품의 스위치류, 소켓류, 전자레인지 부품, 릴레이 케이스 및 기판 등에 사용된다. 또한, 기계 분야에서는 시계 내/외장품, 광학 기계부품, 가스차단기 등의 열기기 부품, 또는 하우징이나 자동차 분야의 렌즈류, 전장품 하우징, 계기판 등의 각종 재료 및 포장 재료로서 광범위하게 이용되고 있다. 상기와 같은 폴리아릴레이트 수지는 통상 방향족 디올과 방향족 디카르복실산을 축중합하여 제조된다.
먼저, AlSium 분말 및 PAR 분말의 체적비를 각각 85 : 15, 80 : 20, 75 : 25, 70 : 30, 65 : 35으로 달리해 볼밀링 장치의 스테인레스강 재질의 바이알에 장입하고 20mL의 헵탄(heptane)을 투입한 후, 스테인레스강 계열의 볼(직경 10mm)과 혼합 분말의 중량비를 5 : 1로 설정하여 볼을 투입하고, 160rpm으로 24시간 동안 저에너지 볼밀링 공정을 수행하여, 금속 분말 함량 대비 폴리머 분말 함량 분율이 서로 다른 5종의 금속/폴리머 혼합 분말(AlSium-15vol.%PAR, AlSium-20vol.%PAR, AlSium-25vol.%PAR, AlSium-30vol.%PAR, AlSium-35vol.%PAR)을 제조하였다.
이어서, 상기 금속/폴리머 혼합 분말을, 질화붕소(BN)을 도포한 초경(WC-Co) 몰드에 장입하여 승온속도 50℃/분, 소결온도 330℃, 소결시간 5분, 소결압력 250MPa으로 방전 플라즈마 소결 공정을 실시해 전기 배선 커넥터용 복합재료를 반도체 테스트 소켓용 복합재료를 제조하고, 이를 가공해 상기 복합재료로 이루어진 하우징을 구비한 PCB용 스프링핀 커넥터를 제조하였다(도 3).
이상, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예에는 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다.
본 발명에 따른 전기 배선 커넥터용 복합재료 제조방법에 의하면, 높은 방열성과 전기절연성을 동시에 가지는 전기 배선 커넥터용 소재를 얻을 수 있고, 본 발명에 의해 제조되는 금속 기반의 폴리머 융합 복합재료를 포함해 이루어지는 전기배선 연결용 커넥터 부품은 비저항 106 Ω·m 이상의 우수한 전기절연성과 함께 높은 방열 특성을 지녀 고용량의 전기배선 및 장시간 사용에서도 효율적인 열 방출로 인해서 안전성이 확보되며 또한 제품 수명 역시 길어지는 장점을 가진다.

Claims (9)

  1. (a) (i) 알루미늄 또는 알루미늄 합금으로 이루어진 분말 및 마그네슘 분말을 포함하는 금속 분말 및 (ii) 폴리머 분말을 포함하는 혼합 분말을 제조하는 단계; 및
    (b) 상기 단계 (a)에서 제조한 혼합 분말을 방전 플라즈마 소결(spark plasma sintering, SPS)하여 복합재료를 제조하는 단계;
    를 포함하는 전기 배선 커넥터용 복합재료 제조방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 혼합 분말은,
    (i) 알루미늄 또는 알루미늄 합금으로 이루어진 분말 및 마그네슘 분말을 포함하는 금속 분말 30 ~ 85 부피% 및 (ii) 폴리머 분말 15 ~ 70 부피%를 포함하는 것을 특징으로 하는 전기 배선 커넥터용 복합재료 제조방법.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 금속 분말은, 알루미늄 분말 및 마그네슘 분말을 1 : 1의 부피비로 포함하는 것을 특징으로 하는 전기 배선 커넥터용 복합재료 제조방법.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 폴리머 분말은 폴리아릴레이트(Polyarylate, PAR)로 이루어진 것을 특징으로 하는 전기 배선 커넥터용 복합재료 제조방법.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 혼합 분말은 세라믹 분말을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전기 배선 커넥터용 복합재료 제조방법.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 세라믹 분말은 MgO, SiO2, Al2O3 AlN 및 Si3N4로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상으로 이루어진 것을 특징으로 하는 전기 배선 커넥터용 복합재료 제조방법.
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 기재된 제조방법에 의해 제조된 전기 배선 커넥터용 복합재료.
  8. 제7항에 기재된 전기 배선 커넥터용 복합재료로 커넥터 하우징을 제조하는 단계를 포함하는 전기 배선 커넥터의 제조방법.
  9. 제8항에 기재된 제조방법에 의해 제조된 전기 배선 커넥터.
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