KR101493781B1 - 열전도성 세라믹-폴리머 복합체 및 그 제조방법 - Google Patents

열전도성 세라믹-폴리머 복합체 및 그 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은, 열가소성 폴리머가 매트릭스를 이루고, 열가소성 폴리머 입자 사이의 입계면에 열전도성 세라믹 판상 조각이나 열전도성 세라믹 분말이 균일하게 분산되어 열전도 경로를 형성하며, 상기 열가소성 폴리머 입자는 각형 형태를 이루고, 상기 열전도성 세라믹 판상 조각이나 열전도성 세라믹 분말의 평균 크기는 상기 열가소성 폴리머 입자의 평균 크기의 1/10 보다 작은 것을 특징으로 하는 열전도성 세라믹-폴리머 복합체 및 그 제조방법에 관한 것이다. 본 발명에 의하면, 열전도성 세라믹 필러의 분산 및 계면 친화력이 극대화되어 적은 함량의 열전도성 세라믹 필러를 가지고도 우수한 전기절연성과 함께 우수한 열전도성을 나타낼 수 있다.

Description

열전도성 세라믹-폴리머 복합체 및 그 제조방법{High thermally conductive ceramic-poly composite and manufacturing method of the same}
본 발명은 세라믹-폴리머 복합체 및 그 제조방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 열전도성 세라믹 필러의 분산 및 계면 친화력이 극대화되어 적은 함량의 열전도성 세라믹 필러를 가지고도 우수한 전기절연성과 함께 우수한 열전도성을 나타내는 열전도성 세라믹-폴리머 복합체 및 그 제조방법에 관한 것이다.
최근에는 전자기기의 소형화, 고기능화 등을 목적으로 기기 내부에 발열 소자들이 밀집되어 효율적으로 냉각하는 방법이 요구되고 있다. 또한. 2차전지를 동력원으로 하는 전기 자동차에 있어서, 주행시 2차전지에서 발생하는 열을 효과적으로 제어하기 위한 방법이 요구되고 있다.
일반적으로는, 전자기기나 2차 전지로부터 발생하는 열은 공기 중으로 방열이 되는데, 일반적인 방열 방법은 주로 알루미늄이나 구리와 같은 열전도도가 우수한 금속으로 제조된 방열기기를 이용하여 이루어진다. 그러나, 절연성이 확보되지 못하여 퓨즈(fuse)와 같은 별도의 장치가 필요하고 금속의 특성 때문에 전체적으로 소자가 무거워지는 단점이 있다.
이러한 단점을 극복하기 위하여, 실리콘계 수지나 에폭시계 수지 등의 매트릭스로 이루어지는 수지에 높은 열전도율을 갖는 무기물 입자를 분산시켜 복합 소재를 제조하는 방법이 많이 연구되고 있다.
열전도성 폴리머 복합소재 내의 열전도성 필러의 재료적인 측면에서 보면, 금속 입자 등은 열전도성의 향상에 효과적이나 전기 절연성이 없어 통상적으로 열전도성 필러로서 사용되지 않고, 주로 금속산화물이나 금속질화물 중에서 열전도도가 우수하면서 전기 절연성을 갖는 재료가 주로 사용되고 있다.
높은 열전도율을 얻기 위해 상당한 양의 열전도성 필러를 에폭시나 실리콘계 수지에 분산시켜 복합소재를 제조하는데, 첫째로 비용이 증가하는 단점이 있고, 둘째로 점도가 급격히 증가되고 기계적 물성 및 성형성이 급격히 감소하여 실제 열전도성 고분자 복합소재의 장점을 취하기가 어렵게 되는 단점이 있다. 따라서, 현재 열전도성 고분자 복합소재의 개발은 사출성형이 가능한 유동과 적정 수준의 물성을 확보하기 위하여, 최소의 열전도성 필러 함량으로 최적의 열전도도를 얻기 위한 방향으로 진행되고 있다.
최소의 열전도성 필러 함량으로 최적의 열전도도를 얻기 위해서는, 열의 이동중에 발생하게 되는 포논 산란(phonon-scattering)이 최소화되어야 한다. 또한, 폴리머 매트릭스 내에 열전도성 필러들이 직접적인 접촉을 이루고 있는 열전도 경로(thermal pathway)가 이루어져야 하고, 좀더 구체적으로 원하는 위치에 열전도성 필러를 배열시켜야 한다.
하지만, 기존의 열전도성 세라믹-고분자 복합소재 제조 기술, 예를 들면 열전도성 세라믹과 액체 폴리머 혹은 폴리머 분말을 단순히 혼합하는 방식으로는 충분한 열전도 경로(thermal pathway)를 구축하기가 어려운 실정이다.
따라서, 최소의 열전도성 필러 함량으로 최적의 열전도도를 얻기 위하여, 복합소재의 고분자 매트릭스 내 열전도성 필러의 열전도 경로를 구축하고, 세라믹 필러 및 고분자 매트릭스 사이의 계면에 화학적 결합이 발현되는 방식을 이용하는 열전도성 고분자 복합소재를 개발할 필요가 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 열전도성 세라믹 필러의 분산 및 계면 친화력이 극대화되어 적은 함량의 열전도성 세라믹 필러를 가지고도 우수한 전기절연성과 함께 우수한 열전도성을 나타내며, 전자기기나 2차전지 등에 사용시에 전기절연성이 확보되므로 퓨즈(fuse)와 같은 별도의 장치가 필요없고, 무게가 가벼운 특징을 갖는 열전도성 세라믹-폴리머 복합체 및 그 제조방법을 제공함에 있다.
본 발명은, 열가소성 폴리머가 매트릭스를 이루고, 열가소성 폴리머 입자 사이의 입계면에 열전도성 세라믹 판상 조각이나 열전도성 세라믹 분말이 균일하게 분산되어 열전도 경로를 형성하며, 상기 열가소성 폴리머 입자는 각형 형태를 이루고, 상기 열전도성 세라믹 판상 조각이나 열전도성 세라믹 분말의 평균 크기는 상기 열가소성 폴리머 입자의 평균 크기의 1/10 보다 작은 것을 특징으로 하는 열전도성 세라믹-폴리머 복합체를 제공한다.
상기 열전도성 세라믹 판상 조각이나 열전도성 세라믹 분말은, 커플링제로 표면처리되어 상기 열가소성 폴리머 입자와 화학적 결합을 이루고, 질화붕소, 질화알루미늄, 산화마그네슘, 산화알루미늄, 실리콘카바이드 및 실리콘나이트라이드 중에서 선택된 1종 이상의 물질로 이루어질 수 있다.
상기 열가소성 폴리머는, 아크릴로니트릴부타디엔스티렌, 폴리메틸메타크릴레이트, 폴리아미드, 폴리부타디엔테레프탈레이트, 폴리에틸렌테레프탈레이트, 폴리카보네이트, 폴리에틸렌, 폴리에테르에테르케톤, 폴리프로필렌, 폴리스티렌 및 폴리메틸실세스퀴옥산 중에서 선택된 1종 이상의 물질로 이루어질 수 있고, 상기 열전도성 세라믹 판상 조각이나 열전도성 세라믹 분말과 상기 열가소성 폴리머는 1:3∼30의 부피비를 이루는 것이 바람직하다.
상기 열전도성 세라믹 판상 조각이나 열전도성 세라믹 분말이 열가소성 폴리머 입자 사이의 입계면에 위치하면서 차지하는 부피가 상기 열전도성 세라믹 판상 조각이나 열전도성 세라믹 분말이 상기 매트릭스 전체에 분포하면서 차지하는 부피에 대하여 적어도 90%를 이룬다.
또한, 본 발명은, (a) 열전도성 세라믹 판상 조각이나 열전도성 세라믹 분말의 화학적 결합을 유도하여 열가소성 폴리머 비드에 균일하게 코팅하기 위하여 상기 열전도성 세라믹 판상 조각이나 열전도성 세라믹 분말을 커플링제로 표면처리 하는 단계와, (b) 열가소성 폴리머 비드에 대하여 비용해성을 나타내는 용매에 열가소성 폴리머 비드와 표면처리된 열전도성 세라믹 판상 조각이나 열전도성 세라믹 분말을 첨가하여 분산시키는 단계와, (c) 상기 용매를 증발시켜 열전도성 세라믹 판상 조각이나 열전도성 세라믹 분말이 상기 열가소성 폴리머 비드 표면에 코팅된 형태를 이루는 세라믹-폴리머 복합 분말을 형성하는 단계 및 (d) 상기 세라믹-폴리머 복합 분말에 압력을 가하여 성형하는 단계를 포함하며, 상기 열전도성 세라믹 판상 조각이나 열전도성 세라믹 분말의 평균 크기는 상기 열가소성 폴리머 비드의 평균 크기의 1/10 보다 작은 것을 특징으로 하는 열전도성 세라믹-폴리머 복합체의 제조방법을 제공한다.
상기 열전도성 세라믹 판상 조각이나 열전도성 세라믹 분말은, 질화붕소, 질화알루미늄, 산화마그네슘, 산화알루미늄, 실리콘카바이드 및 실리콘나이트라이드 중에서 선택된 1종 이상의 물질로 이루어질 수 있다.
상기 열가소성 폴리머 비드는, 아크릴로니트릴부타디엔스티렌, 폴리메틸메타크릴레이트, 폴리아미드, 폴리부타디엔테레프탈레이트, 폴리에틸렌테레프탈레이트, 폴리카보네이트, 폴리에틸렌, 폴리에테르에테르케톤, 폴리프로필렌, 폴리스티렌 및 폴리메틸실세스퀴옥산 중에서 선택된 1종 이상의 물질로 이루어질 수 있고, 100㎚∼100㎛의 평균 크기를 갖는 것이 바람직하다.
상기 (b) 단계에서, 상기 열전도성 세라믹 판상 조각이나 열전도성 세라믹 분말과 상기 열가소성 폴리머 비드는 1:3∼30의 부피비로 첨가되게 하는 것이 바람직하다.
상기 커플링제는, 실리콘계 커플링제, 지르코늄계 커플링제 및 티타늄계 커플링제 중에서 선택된 1종 이상의 커플링제를 사용할 수 있으며, 상기 열전도성 세라믹 판상 조각이나 열전도성 세라믹 분말 100중량부에 대하여 0.1∼5.0중량부 첨가하여 상기 표면처리 하는 것이 바람직하다.
상기 성형은 상기 열가소성 폴리머 비드 간의 접촉 계면이 증가하도록 하기 위하여 상기 열가소성 폴리머 비드의 유리전이온도 이상이면서 상기 열가소성 폴리머 비드의 녹는점 미만의 온도 범위에서 10∼1000MPa의 압력을 가하면서 이루어지는 것이 바람직하다.
상기 (a) 단계에서, 상기 열전도성 세라믹 판상 조각이나 열전도성 세라믹 분말과 커플링제를 용매에 첨가하여 상기 표면처리를 수행하며, 상기 (a) 단계에서 사용하는 용매는 pH가 2.0∼6.5 범위인 것이 바람직하다.
본 발명에 의하면, 전기절연성 열전도성 세라믹-폴리머 복합체는 성형체의 제조시 고분자 내에 열전도성 세라믹 필러의 분산 및 계면 친화력이 극대화되어 적은 함량의 열전도성 세라믹 필러를 가지고도 우수한 전기절연성과 함께 모든 면에서 우수한 열전도성을 나타내며, 전자기기나 2차전지 등에 사용시에 전기절연성이 확보되므로 퓨즈(fuse)와 같은 별도의 장치가 필요없고, 무게가 가볍다는 장점이 있다.
본 발명의 열전도성 세라믹-폴리머 복합체는 높은 전기 절연성과 열전도성이 요구되는 제품에 응용될 수 있으며, 고용량 전기자동차용 배터리 패키지(battery pack)의 수명(life cycle)을 늘리고 안정성(safety)을 확보하는 방열 패키징, 무선통신 중개기, LCD(Liquid Crystal Display), PDP(Plasma Display Panel), LED(Light Emitting Diode) TV, 컴퓨터, 노트북 등의 소형화, 집적화된 전자기기에 적재되어 있는 발열소자의 안정성을 확보하기 위해 이를 냉각시키는데 사용되는 방열 부품 혹은 그 인터페이스 등에 적용이 가능하다.
또한, 본 발명의 열전도성 세라믹-폴리머 복합체는 고속 전기자동차용 배터리와 같이 발열량이 큰 소재의 방열효율과 절연효율을 획기적으로 증진시킬 수가 있으며, 고속주행용 전기자동차(Electric Vehicle)의 에너지 저장시스템(Energy Storage System; ESS)의 열제어 부품소재에도 적용이 가능하다.
또한, 본 발명의 열전도성 세라믹-폴리머 복합체는 향후 고부가가치를 창출해낼 전기자동차의 전장품, 초소형 연산처리장치(Mpu), 네비게이션, 전기자동차 엔진 등을 감싸는 하우징 등에도 적용이 가능하다.
도 1은 실시예 1에서 사용된 질화붕소 조각을 투과현미경으로 관찰한 사진이다.
도 2는 실시예 1에서 사용된 폴리메틸메타아크릴레이트(PMMA) 비드를 주사전자현미경(scanning electron microscope; SEM)으로 관찰한 사진이다.
도 3은 실시예 1에서 사용된 폴리메틸메타아크릴레이트(PMMA) 비드의 직경 분포도를 나타낸 그래프이다.
도 4는 실시예 1에 따라 제조된 질화붕소-폴리메틸메타아크릴레이트 복합 분말의 주사전자현미경(SEM) 사진이다.
도 5는 실시예 1에 따라 열 가압 성형하여 얻어진 질화붕소-폴리메틸메타크릴레이트 복합체 단면의 주사전자현미경 사진이다.
도 6은 비교예 1에 따라 제조된 질화붕소-폴리메틸메타아크릴레이트 복합 분말의 주사전자현미경(SEM) 사진이다.
도 7은 비교예 1에 따라 열 가압 성형하여 얻어진 질화붕소-폴리메틸메타크릴레이트 복합체 단면의 주사전자현미경 사진이다.
도 8은 실시예 1 및 비교예 1에 따라 제조된 질화붕소-폴리메틸메타크릴레이트 복합체를 열 흐름 방식(heat flow method)를 이용하여 감마-글리시독시프로필-트리메톡시실란(GPS)의 첨가 여부에 따른 열전도도를 측정하여 나타낸 그래프이다.
도 9는 열 흐름 방식(heat flow method)를 이용하여 측정한 질화붕소-폴리메틸메타크릴레이트 복합체 내의 질화붕소 함량에 따라 측정한 열전도도를 비교한 그래프이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 상세하게 설명한다. 그러나, 이하의 실시예는 이 기술분야에서 통상적인 지식을 가진 자에게 본 발명이 충분히 이해되도록 제공되는 것으로서 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 다음에 기술되는 실시예에 한정되는 것은 아니다.
본 발명은 세라믹(ceramic)-폴리머(polymer) 복합 분말(composite powder)의 계면 결합력 향상을 통한 열전도성 세라믹-폴리머 복합체를 제시하고, 또한 전기절연성 열전도성 세라믹-고분자 복합 분말을 형성하고 이를 이용하여 열 방출 재료, 계면 방열 소재(heat sink, Thermal interface material) 등으로 사용될 수 있는 열전도성 세라믹-폴리머 복합체를 제조하는 방법을 제시한다. 이를 위해 본 발명에서는 열전도성 세라믹 조각(fragment)이나 열전도성 세라믹 분말(powder)을 폴리머(polymer) 비드 표면에 화학적 결합을 이용하여 코팅한 세라믹-폴리머 복합 분말(composite powder)을 제조한 후, 열가소성 폴리머 매트릭스 내 균일한 열전도 경로가 확보되고 우수한 계면 결합력이 발현되는 열전도성 세라믹-폴리머 복합체를 제조한다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따른 열전도성 세라믹-폴리머 복합체는, 열가소성 폴리머가 매트릭스(matrix)를 이루고, 열가소성 폴리머 입자 사이의 입계면에 열전도성 세라믹 판상 조각(fragment)이나 열전도성 세라믹 분말(powder)이 균일하게 분산되어 열전도 경로를 형성하며, 상기 열가소성 폴리머 입자는 각형 형태를 이루고, 상기 열전도성 세라믹 판상 조각이나 열전도성 세라믹 분말의 평균 크기는 상기 열가소성 폴리머 입자의 평균 크기의 1/10 보다 작다.
상기 열전도성 세라믹 판상 조각이나 열전도성 세라믹 분말은, 커플링제(coupling agent)로 표면처리되어 상기 열가소성 폴리머 입자와 화학적 결합을 이루고, 질화붕소(boron nitride), 질화알루미늄(aluminium nitride), 산화마그네슘(magnesium oxide), 산화알루미늄(aluminium oxide), 실리콘카바이드(silicon carbide) 및 실리콘나이트라이드(silicon nitride) 중에서 선택된 1종 이상의 물질로 이루어질 수 있다.
상기 열가소성 폴리머는, 아크릴로니트릴부타디엔스티렌(acrylonitrile butadiene styrene; ABS), 폴리메틸메타크릴레이트(poly methyl methacrylate; PMMA), 폴리아미드(polyamide), 폴리부타디엔테레프탈레이트(polybutadieneterephtalate; PBT), 폴리에틸렌테레프탈레이트(polyethylene terephtalate; PET), 폴리카보네이트(polycarbonate; PC), 폴리에틸렌(polyethylene; PE), 폴리에테르에테르케톤(polyetheretherketone; PEEK), 폴리프로필렌(polypropylene; PP), 폴리스티렌(polystyrene; PS), 폴리메틸실세스퀴옥산(polymethylsilsesquioxane; PMSQ) 중에서 선택된 1종 이상의 물질로 이루어질 수 있고, 상기 열전도성 세라믹 판상 조각이나 열전도성 세라믹 분말과 상기 열가소성 폴리머는 1:3∼30의 부피비를 이루는 것이 바람직하다.
상기 열전도성 세라믹 판상 조각이나 열전도성 세라믹 분말이 열가소성 폴리머 입자 사이의 입계면에 위치하면서 차지하는 부피가 상기 열전도성 세라믹 판상 조각이나 열전도성 세라믹 분말이 상기 매트릭스 전체에 분포하면서 차지하는 부피에 대하여 적어도 90%를 이룬다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따른 열전도성 세라믹-폴리머 복합체의 제조방법은, (a) 열전도성 세라믹 판상 조각이나 열전도성 세라믹 분말의 화학적 결합을 유도하여 열가소성 폴리머 비드(bead)에 균일하게 코팅하기 위하여 상기 열전도성 세라믹 판상 조각이나 열전도성 세라믹 분말을 커플링제로 표면처리 하는 단계와, (b) 열가소성 폴리머 비드에 대하여 비용해성을 나타내는 용매에 열가소성 폴리머 비드와 표면처리된 열전도성 세라믹 판상 조각이나 열전도성 세라믹 분말을 첨가하여 분산시키는 단계와, (c) 상기 용매를 증발시켜 열전도성 세라믹 판상 조각이나 열전도성 세라믹 분말이 상기 열가소성 폴리머 비드 표면에 코팅된 형태를 이루는 세라믹-폴리머 복합 분말을 형성하는 단계 및 (d) 상기 세라믹-폴리머 복합 분말에 압력을 가하여 성형하는 단계를 포함하며, 상기 열전도성 세라믹 판상 조각이나 열전도성 세라믹 분말의 평균 크기는 상기 열가소성 폴리머 비드의 평균 크기의 1/10 보다 작다.
상기 열전도성 세라믹 판상 조각이나 열전도성 세라믹 분말은, 질화붕소, 질화알루미늄, 산화마그네슘, 산화알루미늄, 실리콘카바이드 및 실리콘나이트라이드 중에서 선택된 1종 이상의 물질로 이루어질 수 있다.
상기 열가소성 폴리머 비드는, 아크릴로니트릴부타디엔스티렌, 폴리메틸메타크릴레이트, 폴리아미드, 폴리부타디엔테레프탈레이트, 폴리에틸렌테레프탈레이트, 폴리카보네이트, 폴리에틸렌, 폴리에테르에테르케톤, 폴리프로필렌, 폴리스티렌 및 폴리메틸실세스퀴옥산 중에서 선택된 1종 이상의 물질로 이루어질 수 있고, 100㎚∼100㎛의 평균 크기를 갖는 것이 바람직하다.
상기 (b) 단계에서, 상기 열전도성 세라믹 판상 조각이나 열전도성 세라믹 분말과 상기 열가소성 폴리머 비드는 1:3∼30의 부피비로 첨가되게 하는 것이 바람직하다.
상기 커플링제는, 실리콘계 커플링제, 지르코늄계 커플링제 및 티타늄계 커플링제 중에서 선택된 1종 이상의 커플링제를 사용할 수 있으며, 상기 열전도성 세라믹 판상 조각이나 열전도성 세라믹 분말 100중량부에 대하여 0.1∼5.0중량부 첨가하여 상기 표면처리 하는 것이 바람직하다.
상기 성형은 상기 열가소성 폴리머 비드 간의 접촉 계면이 증가하도록 하기 위하여 상기 열가소성 폴리머 비드의 유리전이온도 이상이면서 상기 열가소성 폴리머 비드의 녹는점 미만의 온도 범위에서 10∼1000MPa의 압력을 가하면서 이루어지는 것이 바람직하다.
상기 (a) 단계에서, 상기 열전도성 세라믹 판상 조각이나 열전도성 세라믹 분말과 커플링제를 용매에 첨가하여 상기 표면처리를 수행하며, 상기 (a) 단계에서 사용하는 용매는 pH가 2.0∼6.5 범위인 것이 바람직하다.
이하에서, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 열전도성 세라믹-폴리머 복합체 및 그 제조방법을 더욱 상세하게 설명한다.
상기 열전도성 세라믹 판상 조각(fragment)이나 열전도성 세라믹 분말(powder)을 커플링제(coupling agent)로 표면처리 한다. 이를 위해 열전도성 세라믹 판상 조각이나 열전도성 세라믹 분말의 분산성이 확보될 수 있는 용매에 열전도성 세라믹 판상 조각이나 열전도성 세라믹 분말과 커플링제를 첨가하여 교반하면서 표면처리를 실시한다. 상기 표면처리는 열전도성 세라믹 판상 조각이나 열전도성 세라믹 분말의 화학적 결합을 유도하여 후술하는 열가소성 폴리머 비드(bead) 표면에 균일하게 코팅하기 위하여 실시한다. 상기 표면처리를 통해 화학적 계면 결합이 발현된 열전도성 세라믹-폴리머 복합 분말을 제조할 수 있으며, 최종적으로 제조되는 열전도성 세라믹-폴리머 복합체에서 열가소성 폴리머 매트릭스 내 질화붕소의 분산성 및 계면간 친화력을 극대화할 수 있다.
필러(filler)로서 첨가되는 상기 열전도성 세라믹 판상 조각이나 열전도성 세라믹 분말은, 전기절연성을 띠면서 열전도성이 우수한 세라믹 물질인 질화붕소(boron nitride), 질화알루미늄(aluminium nitride), 산화마그네슘(magnesium oxide), 산화알루미늄(aluminium oxide), 실리콘카바이드(silicon carbide) 및 실리콘나이트라이드(silicon nitride) 중에서 선택된 1종 이상의 물질로 이루어질 수 있다.
상기 열전도성 세라믹 판상 조각이나 열전도성 세라믹 분말의 평균 크기는 후술하는 열가소성 폴리머 비드의 평균 크기의 1/10 보다 작은 것(예컨대, 1㎚ 이상이고 10㎛ 미만인 것)을 사용하는 것이 바람직하다.
상기 커플링제는, 실리콘계 커플링제, 지르코늄계 커플링제 및 티타늄계 커플링제 중에서 선택된 1종 이상의 커플링제를 사용할 수 있으며, 상기 열전도성 세라믹 판상 조각이나 열전도성 세라믹 분말 100중량부에 대하여 0.1∼5.0중량부 첨가하여 상기 표면처리 하는 것이 바람직하다. 상기 실리콘계 커플링제의 예로는 감마-글리시독시프로필-트리메톡시실란(γ-glycidoxypropyl-tri methyoxysilane; GPS), 3-글리시독시프로필메틸디메톡시실란, 2-(3,4-에폭시시클로헥실)에틸트리메톡시 실란, 3-메타크릴록시프로필트리메톡시실란 등을 들 수 있다. 상기 티타늄계 커플링제의 예로는 사이클로(디옥틸)파이로포스페이트 디옥틸티타네이트(Cyclo(dioctyl)pyrophosphate dioctyltitanate) 등을 들 수 있다. 상기 지르코늄계 커플링제의 예로는 테트라 노말-프로필 지르코네이트, 테트라 노말-부틸 지르코네이트, 트리 에탄올아민 지르코네이트, 카르복시 지르코알루미네이트 등을 들 수 있다.
상기 용매는 열전도성 세라믹 판상 조각이나 열전도성 세라믹 분말의 표면을 개질하고 분산성을 확보하기 위하여 적절한 종류의 용매가 요구되어지는데, 상기 용매로는 휘발성이 있는 이소프로필 알코올(isopropyl alcohol), 에탄올(ethanol), 메탄올(methanol), 물(water) 등을 사용할 수 있다. 상기 용매는 열전도성 세라믹 판상 조각이나 열전도성 세라믹 분말의 분산이 안정화되게 하기 위하여 pH가 2.0∼6.5 범위인 것을 사용하는 것이 바람직하다. 상기 표면처리는 상기 용매의 끓는점보다 낮은 온도인 30∼99℃에서 수행하는 것이 바람직하다.
커플링제를 표면처리 하기 전에 열전도성 세라믹 물질을 분쇄하여 판상의 조각으로 만들거나 열전도성 세라믹 분말을 미분화하기 위하여 분쇄 공정을 거칠 수 있다. 예컨대, 질화붕소는 판상 구조를 가지며, 분쇄 공정을 통해 박리(exfoliation)하여 판상의 조각으로 만들 수가 있다. 박리된 판상 세라믹 필러나 미세화된 세라믹 필러를 이용함으로써 고분자 매트릭스 내에 열전도성 세라믹 필러의 분산을 극대화시킬 수가 있다. 상기 분쇄 공정을 다양한 방식으로 이루어질 수 있으며, 여기서는 건식 볼밀링 공정을 이용하는 예를 설명한다.
볼 밀링 공정에 대하여 설명하면, 열전도성 세라믹 물질을 볼 밀링기(ball milling machine)에 장입한다. 볼 밀링기를 이용하여 일정 속도로 회전시켜 상기 열전도성 세라믹 물질을 기계적으로 혼합하면서 분쇄한다. 상기 볼 밀링에 사용되는 볼은 알루미나, 지르코니아와 같은 세라믹 재질의 볼을 사용하는 것이 바람직하며, 볼은 모두 같은 크기의 것일 수도 있고 2가지 이상의 크기를 갖는 볼을 함께 사용할 수도 있다. 볼의 크기, 밀링 시간, 볼 밀링기의 분당 회전속도 등을 조절하여 분쇄한다. 예를 들면, 볼의 크기는 1㎜∼50㎜ 정도의 범위로 설정하고, 볼 밀링기의 회전속도는 50∼500rpm 정도의 범위로 설정할 수 있다. 볼 밀링은 1∼48시간 동안 실시하는 것이 바람직하다. 볼 밀링에 의해 열전도성 세라믹 물질은 판상의 조각 형태로 분쇄되거나 미세한 크기의 분말 형태로 분쇄되고, 균일한 입자 크기 분포를 갖게 된다.
열가소성 폴리머 비드에 대하여 비용해성을 나타내는 용매에 열가소성 폴리머 비드와 표면처리된 열전도성 세라믹 판상 조각이나 열전도성 세라믹 분말을 첨가하여 분산시킨다. 이때, 상기 열전도성 세라믹 판상 조각이나 열전도성 세라믹 분말과 상기 열가소성 폴리머 비드는 1:3∼30의 부피비로 첨가되게 하는 것이 바람직하다. 표면처리된 열전도성 세라믹 판상 조각이나 열전도성 세라믹 분말과 열가소성 폴리머 비드는 상기 용매 내에서 서로 다른 표면 전하를 띠게 된다. 열가소성 폴리머는 비드(Bead) 형태로 제조 가능하며, 열전도성 세라믹-폴리머 복합체에서 비교적 규칙적인 형태의 입계면을 제공하기 위하여 비드 형태의 열가소성 폴리머를 사용하는 것이 바람직하다.
상기 열가소성 폴리머 비드는, 아크릴로니트릴부타디엔스티렌(acrylonitrile butadiene styrene; ABS), 폴리메틸메타크릴레이트(poly methyl methacrylate; PMMA), 폴리아미드(polyamide), 폴리부타디엔테레프탈레이트(polybutadieneterephtalate; PBT), 폴리에틸렌테레프탈레이트(polyethylene terephtalate; PET), 폴리카보네이트(polycarbonate; PC), 폴리에틸렌(polyethylene; PE), 폴리에테르에테르케톤(polyetheretherketone; PEEK), 폴리프로필렌(polypropylene; PP), 폴리스티렌(polystyrene; PS), 폴리메틸실세스퀴옥산(polymethylsilsesquioxane; PMSQ) 중에서 선택된 1종 이상의 물질로 이루어질 수 있다. 상기 열가소성 폴리머 비드는 열가소성 폴리머 비드의 제조 용이성과 열전도성 세라믹-폴리머 복합체의 열전도 특성 등을 고려할 때 100㎚∼100㎛의 평균 크기를 갖는 것이 바람직하다.
상기 용매는 열가소성 폴리머 비드를 용해하지 않는 용매이다. 상기 용매로는 휘발성이 있는 이소프로필 알코올(isopropyl alcohol), 에탄올(ethanol), 메탄올(methanol), 물(water) 등을 사용할 수 있다.
상기 용매를 증발시켜 열전도성 세라믹 판상 조각이나 열전도성 세라믹 분말이 상기 열가소성 폴리머 비드 표면에 코팅된 형태를 이루는 세라믹-폴리머 복합 분말을 형성한다. 상기 용매의 증발은 진공 증발 장치(vacuum evaporator)를 이용하는 것이 바람직하다. 상기 용매가 증발되면, 열전도성 세라믹 판상 조각이나 열전도성 세라믹 분말이 상기 열가소성 폴리머 비드 표면에 코팅된 형태를 이루는 세라믹-폴리머 복합 분말이 얻어진다. 열가소성 폴리머 비드(bead) 표면에 열전도성 세라믹 판상 조각이나 열전도성 세라믹 분말이 화학적 결합되어 균일하게 코팅된 세라믹-폴리머 복합 분말을 얻을 수가 있다. 열전도성 세라믹 판상 조각이나 열전도성 세라믹 분말은 열가소성 폴리머 비드에 비하여 입자 크기가 1/10보다 작은 것이 사용되므로 열가소성 폴리머 비드의 표면을 따라 복수 개의 열전도성 세라믹 판상 조각이나 열전도성 세라믹 분말이 분포하는 형태를 갖는 세라믹-폴리머 복합 분말이 얻어진다.
상기 세라믹-폴리머 복합 분말에 압력을 가하여 성형하여 열전도성 세라믹-폴리머 복합체를 형성한다. 상기 성형은 사출성형, 압출성형, 압축성형 등의 다양한 방식을 이용할 수 있으며, 바람직하게는 열 가압 이방 성형을 사용하며, 응용처에 적합한 모양의 형태로 성형한다. 상기 성형은 상기 열가소성 폴리머 비드 간의 접촉 계면이 증가하도록 하기 위하여 상기 열가소성 폴리머 비드의 유리전이온도 이상이면서 상기 열가소성 폴리머 비드의 녹는점 미만의 온도 범위에서 10∼1000MPa의 압력을 가하면서 이루어지는 것이 바람직하다. 상기 성형 시에 열가소성 폴리머 비드의 유리전이온도 이상에서 압력이 인가됨으로써 구형의 비드 형태에서 각형의 형태로 변화되게 된다.
열전도성 세라믹-폴리머 복합 분말을 이용하여 매트릭스를 이루는 열가소성 폴리머와 열전도성 세라믹의 직접적인 접촉과 열전도성 세라믹과 열가소성 폴리머의 향상된 계면 결합으로 인하여 소량의 열전도성 세라믹의 함량으로도 열전도 경로(Thermal pathway)가 발현되는 높은 열전도율이 발현되는 열전도성 세라믹-폴리머 복합체를 제조할 수 있다. 종래의 세라믹-폴리머 복합체의 제조 방법과는 차별화된 방법으로 소량의 열전도성 세라믹 필러만으로도 열전도 경로(thermal pathway)를 구축하여 열전도성 세라믹-폴리머 복합체의 수직 및 수평 방향에서 높은 열전도도를 발현할 수 있다.
이렇게 제조된 열전도성 세라믹-폴리머 복합체는, 열가소성 폴리머가 매트릭스(matrix)를 이루고, 열가소성 폴리머 입자 사이의 입계면에 열전도성 세라믹 판상 조각(fragment)이나 열전도성 세라믹 분말(powder)이 균일하게 분산되어 열전도 경로를 형성하며, 상기 열가소성 폴리머 입자는 각형 형태를 이룬다. 상기 열전도성 세라믹 판상 조각이나 열전도성 세라믹 분말은, 커플링제(coupling agent)로 표면처리되어 상기 열가소성 폴리머 입자와 화학적 결합을 이룬다.
상기 열전도성 세라믹 판상 조각이나 열전도성 세라믹 분말은 열가소성 폴리머 입자 사이의 입계면에 주로 분포하게 된다. 상기 열전도성 세라믹 판상 조각이나 열전도성 세라믹 분말이 열가소성 폴리머 입자 사이의 입계면에 위치하면서 차지하는 부피가 상기 열전도성 세라믹 판상 조각이나 열전도성 세라믹 분말이 상기 매트릭스 전체에 분포하면서 차지하는 부피에 대하여 적어도 90%(예컨대, 90.0∼99%)를 이룬다.
열전도성 세라믹-폴리머 복합체는 폴리머 매트릭스(polymer matrix) 내에 폴리머 입자 사이의 입계면을 따라 열전도성 세라믹 판상 조각이나 열전도성 세라믹 분말이 분포함으로써 폴리머 입자 사이의 입계면을 따라 균일하게 분포하는 열전도 경로(Thermal pathway)가 형성되며, 적은 열전도성 필러(filler) 함량으로도 복합체의 수직 및 수평 방향에서 우수한 열전도성을 나타낸다. 열 방출 소재로 사용되는 경우에 열가소성 고분자 매트릭스 내 열전도성 세라믹의 열전도 경로가 극대화되게 된다. 그 결과 전기절연성과 함께 우수한 열전도성이 요구되는 다양한 용도로 유용하게 사용될 수 있다.
본 발명의 열전도성 세라믹-폴리머 복합체는 열 방출 소재(Heat sink) 부품이나 인터페이스(interface) 제조에 적용할 수 있다.
본 발명의 열전도성 세라믹-폴리머 복합체는 높은 전기 절연성과 열전도성이 요구되는 제품에 응용될 수 있으며, 고용량 전기자동차용 배터리 패키지(battery pack)의 수명(life cycle)을 늘리고 안정성(safety)을 확보하는 방열 패키징, 무선통신 중개기, LCD(Liquid Crystal Display), PDP(Plasma Display Panel), LED(Light Emitting Diode) TV, 컴퓨터, 노트북 등의 소형화, 집적화된 전자기기에 적재되어 있는 발열소자의 안정성을 확보하기 위해 이를 냉각시키는데 사용되는 방열 부품 혹은 그 인터페이스 등에 적용이 가능하다.
전기자동차 배터리를 패키징을 위하여는 열방출 소재의 제조 기술이 필요한데, 본 발명의 열전도성 세라믹-폴리머 복합체를 이용할 경우에 고속 전기자동차용 배터리와 같이 발열량이 큰 소재의 방열효율과 절연효율을 획기적으로 증진시킬 수가 있으며, 고속주행용 전기자동차(Electric Vehicle)의 에너지 저장시스템(Energy Storage System; ESS)의 열제어 부품소재에도 적용이 가능하다.
또한, 본 발명의 열전도성 세라믹-폴리머 복합체는 향후 고부가가치를 창출해낼 전기자동차의 전장품, 초소형 연산처리장치(Mpu), 네비게이션, 전기자동차 엔진 등을 감싸는 하우징 등에도 적용이 가능하다.
이하에서, 본 발명에 따른 실시예를 구체적으로 제시하며, 다음에 제시하는 실시예에 의하여 본 발명이 한정되는 것은 아니다.
<실시예 1>
pH 4의 이소프로필 알코올에 질화붕소 조각과 감마-글리시독시프로필-트리메톡시실란을 첨가하여 질화붕소 조각을 표면처리 하였다. 80℃의 온도조건에서 2시간 동안 교반하면서 질화붕소 조각 및 감마-글리시독시프로필-트리메톡시실란을 혼합하여 감마-글리시독시프로필-트리메톡시실란으로 표면처리된 질화붕소 조각을 제조하였다. 감마-글리시독시프로필-트리메톡시실란과 질화붕소 조각은 각각 0.5:99.5, 1:99, 3:97, 5:95의 중량비로 첨가하여 혼합하였다. 상기 교반은 50rpm 정도의 회전속도로 수행되었다.
폴리메틸메타크릴레이트(PMMA) 비드에 대하여 비용해성을 나타내는 용매에 폴리메틸메타크릴레이트(PMMA) 비드와 표면처리된 질화붕소 조각을 첨가하여 분산시켰다. 이를 위해 이소프로필 알코올 500㎖에 표면처리된 질화붕소 조각과 폴리메틸메타크릴레이트(PMMA) 비드를 각각 1:9, 2:8의 부피비로 첨가하고 10시간 동안의 교반 과정을 통해 혼합하였다. 상기 교반은 50rpm 정도의 회전속도로 수행되었다.
용매인 이소프로필 알코올을 효과적으로 신속하게 증발시키기 위하여 진공 증발 장치를 이용하여 이소프로필 알코올과 분말을 분리시켜 질화붕소-폴리메틸메타크릴레이트 복합 분말을 포집하였다.
이렇게 얻어진 질화붕소-폴리메틸메타크릴레이트 복합 분말을 열가압 이방 성형(Hot press)을 하였다. 폴리메틸메타크릴레이트(PMMA) 비드 간의 접촉 계면이 증가하도록 폴리메틸메타크릴레이트(PMMA) 비드의 유리전이온도(glass transition temperature) 이상인 200℃, 200MPa의 조건에서 10분 동안 열 가압 성형하여 질화붕소-폴리메틸메타크릴레이트 복합체를 얻었다.
도 1은 실시예 1에서 사용된 질화붕소 조각을 투과현미경으로 관찰한 사진이다.
도 1을 참조하면, 질화붕소 조각은 기본적으로 판상 형상의 미조각으로 구성되어 있으며, 0.52㎛의 크기 및 20nm의 두께로 이루어진 것을 확인하였다.
도 2는 실시예 1에서 사용된 폴리메틸메타크릴레이트(PMMA) 비드를 주사전자현미경(scanning electron microscope; SEM)으로 관찰한 사진이고, 도 3은 실시예 1에서 사용된 폴리메틸메타크릴레이트(PMMA) 비드의 직경 분포도를 나타낸 그래프이다.
도 2 및 도 3을 참조하면, 폴리메틸메타크릴레이트(PMMA) 비드는 구형의 형상으로 이루어진 비드로, 단분산 되어 있으며, 평균 직경은 20.19㎛임을 확인하였다.
도 4는 실시예 1에 따라 제조된 질화붕소-폴리메틸메타크릴레이트 복합 분말의 주사전자현미경(SEM) 사진이며, 감마-글리시독시프로필-트리메톡시실란과 질화붕소 조각은 3:97의 중량비로 첨가하여 혼합하고 질화붕소 조각과 폴리메틸메타크릴레이트(PMMA) 비드를 1:9의 부피비로 첨가한 경우에 대한 것이다.
도 4를 참조하면, 폴리메틸메타크릴레이트(PMMA) 비드의 표면에 질화붕소의 판상 입자들이 고르게 분포되어 있었다.
도 5는 실시예 1에 따라 열 가압 성형하여 얻어진 질화붕소-폴리메틸메타크릴레이트 복합체 단면의 주사전자현미경 사진을 보여주며, 감마-글리시독시프로필-트리메톡시실란과 질화붕소 조각은 3:97의 중량비로 첨가하여 혼합하고 질화붕소 조각과 폴리메틸메타크릴레이트(PMMA) 비드를 1:9의 부피비로 첨가한 경우에 대한 것이다.
도 5를 참조하면, 열 가압 성형 이후의 질화붕소-폴리메틸메타크릴레이트 복합체에서 기본적으로 각형(facet) 미세조직을 관찰할 수 있었으며, 상기의 각형의 입계면에 질화붕소들이 분포하는 것을 확인하였다. 한편, 질화붕소 입자들이 폴리메틸메타크릴레이트 매트릭스 전체에서 균일하게 분산되며 있음을 확인하였다. 질화붕소-폴리메틸메타크릴레이트 복합체 내에서 질화붕소 조각들은 폴리메틸메타크릴레이트 입계면에 균일하게 분산되어 열전도 경로를 형성하고 있으며, 질화붕소-폴리메틸메타크릴레이트 복합체의 향상된 열전도도를 예상할 수 있다.
상기의 실시예 1의 특성을 보다 용이하게 파악할 수 있도록 본 발명의 실시예와 비교할 수 있는 비교예들을 제시한다. 후술하는 비교예 1 및 비교예 2는 실시예 1의 특성과 단순히 비교하기 위하여 제시하는 것으로 본 발명의 선행기술이 아님을 밝혀둔다.
<비교예 1>
폴리메틸메타크릴레이트(PMMA) 비드에 대하여 비용해성을 나타내는 용매에 폴리메틸메타크릴레이트(PMMA) 비드와 질화붕소 조각을 첨가하여 분산시켰다. 이를 위해 이소프로필 알코올 500㎖에 질화붕소 조각과 폴리메틸메타크릴레이트(PMMA) 비드를 1:9의 부피비로 첨가하고 10시간 동안의 교반 과정을 통해 혼합하였다. 상기 질화붕소 조각은 감마-글리시독시프로필-트리메톡시실란으로 표면처리 하지 않은 것을 사용하였다.
용매인 이소프로필 알코올을 효과적으로 신속하게 증발시키기 위하여 진공 증발 장치를 이용하여 이소프로필 알코올과 분말을 분리시켜 질화붕소-폴리메틸메타크릴레이트 복합 분말을 포집하였다.
이렇게 얻어진 질화붕소-폴리메틸메타크릴레이트 복합 분말을 열가압 이방 성형(Hot press)을 하였다. 폴리메틸메타크릴레이트(PMMA) 비드 간의 접촉 계면이 증가하도록 폴리메틸메타크릴레이트(PMMA) 비드의 유리전이온도(glass transition temperature) 이상인 200℃, 200MPa의 조건에서 10분 동안 열 가압 성형하여 질화붕소-폴리메틸메타크릴레이트 복합체를 얻었다.
<비교예 2>
폴리메틸메타크릴레이트를 용해할 수 있는 용매인 다이메틸폼아마이드(dimethylformamide; DMF)에 실시예 1에서 사용된 폴리메틸메티크릴레이트 비드를 첨가하여 용해한 후, 실시예 1에서 사용된 질화붕소 조각을 첨가하여 분산시켰다. 질화붕소 조각과 폴리메틸메타크릴레이트(PMMA) 비드를 각각 1:9, 2:8의 부피비로 첨가하고 10시간 동안의 교반 과정을 통해 분산시켰다.
질화붕소 조각이 폴리메틸메타크릴레이트에 분산된 결과물을 성형하여 질화붕소 조각이 폴리메틸메타크릴레이트 매트릭스 전체에 고루게 분포하는 질화붕소-폴리메틸메타크릴레이트 복합체를 얻었다. 이렇게 얻어진 질화붕소-폴리메틸메타크릴레이트 복합체는 질화붕소가 폴리메틸메타크릴레이트 매트릭스에 단순 분산된 복합체로서, 질화붕소가 폴리메틸메타크릴레이트의 입계면에 주로 분포하는 것이 아니라 매트릭스 전체에서 고루게 분포하는 형태를 띠었다.
도 6은 비교예 1에 따라 제조된 질화붕소-폴리메틸메타크릴레이트 복합 분말의 주사전자현미경(SEM) 사진이다.
도 6을 참조하면, 폴리메틸메타크릴레이트(PMMA) 비드의 표면에 질화붕소 판상 입자들이 고르게 분포되지 못한 것을 확인하였다.
도 7은 비교예 1에 따라 열 가압 성형하여 얻어진 질화붕소-폴리메틸메타크릴레이트 복합체 단면의 주사전자현미경 사진을 보여준다.
도 7을 참조하면, 열 가압 성형 이후의 질화붕소-폴리메틸메타크릴레이트 복합체에서 실시예 1과 동일한 각형(facet) 미세조직을 관찰할 수 있었으며, 각형의 입계면에 질화붕소들이 편재하여 분포하는 것을 확인하였지만, 전체적인 양태에서 질화붕소 입자들이 폴리메틸메타크릴레이트 매트릭스 전체에서 불균일하게 분산되어 있음을 확인하였다. 질화붕소-폴리메틸메타크릴레이트 복합체 내에서 질화붕소 조각들은 폴리메틸메타크릴레이트 입계면에 존재하며, 불균일한 열전도 경로를 형성하고 있음을 알 수 있으며, 실시예 1보다 낮은 열전도도를 예상할 수 있다.
아래의 실험예들은 본 발명에 따른 실시예 1의 특성을 보다 용이하게 파악할 수 있도록 본 발명에 따른 실시예 1과 비교예 1 및 비교예 2의 특성을 비교한 실험결과들을 나타낸 것이다.
<실험예 1>
감마-글리시독시프로필-트리메톡시실란(GPS)에 의한 질화붕소의 표면 처리가 복합체의 방열 특성에 어떠한 영향을 미치는지 알아보기 위하여 실시예 1에 따라 제조된 질화붕소-폴리메틸메타크릴레이트 복합체와 비교예 1에 따라 제조된 질화붕소-폴리메틸메타크릴레이트 복합체의 방열 특성을 비교하였다.
도 8은 실시예 1 및 비교예 1에 따라 제조된 질화붕소-폴리메틸메타크릴레이트 복합체를 열 흐름 방식(heat flow method)를 이용하여 감마-글리시독시프로필-트리메톡시실란(GPS)의 첨가 여부에 따른 열전도도를 측정하여 나타낸 그래프이며, 질화붕소 조각과 폴리메틸메타크릴레이트(PMMA) 비드를 1:9의 부피비로 첨가한 경우에 대한 것이다.
도 8을 참조하면, 감마-글리시독시프로필-트리메톡시실란(GPS)을 사용하지 않고 제조된 질화붕소-폴리메틸메타크릴레이트 복합체의 경우(도 8에서 GPS의 함량이 0인 경우로서 비교예 1에 따라 제조된 질화붕소-폴리메틸메타크릴레이트 복합체의 경우) 0.42W/mK의 열전도도가 발현되었다. 3중량%의 감마-글리시독시프로필-트리메톡시실란(GPS)을 첨가하여 제조된 질화붕소-폴리메틸메타크릴레이트 복합체의 경우(도 8에서 GPS의 함량이 3중량%인 경우로서 실시예 1에 따라 제조된 질화붕소-폴리메틸메타크릴레이트 복합체의 경우) 열전도도가 1.313W/mK 였으며, 감마-글리시독시프로필-트리메톡시실란(GPS)을 사용하지 않고 제조된 질화붕소-폴리메틸메타크릴레이트 복합체에 비하여 약 300% 정도 증가하는 것을 확인하였다. 한편, 5중량%의 감마-글리시독시프로필-트리메톡시실란(GPS)을 첨가하게 되면 3중량%의 감마-글리시독시프로필-트리메톡시실란(GPS)을 첨가한 경우에 비하여 오히려 열전도도가 감소하는 것을 확인하였다.
<실험예 2>
복합체의 세라믹 필러의 배열이 열전도도 상승에 어떠한 영향을 미치는지 알아보기 위하여 실시예 1을 통하여 제조된 정렬된 질화붕소(BN)의 배열을 갖는 복합체(실시예 1에 따라 제조된 질화붕소-폴리메틸메타크릴레이트 복합체)와 단순 분산된 복합체(비교예 2에 따라 제조된 질화붕소-폴리메틸메타크릴레이트 복합체)의 방열 특성을 비교하였다.
도 9는 열 흐름 방식(heat flow method)를 이용하여 측정한 질화붕소-폴리메틸메타크릴레이트 복합체 내의 질화붕소 함량에 따라 측정한 열전도도를 비교한 그래프이다.
도 9를 참조하면, 모든 조건에서 질화붕소의 투입에 따라 열전도도 상승이 관찰되었다. 한편, 질화붕소가 규칙적인 배열을 이루지 못하고 단순 분산된 복합체의 경우(도 9에서 PMMA (R)로 표시된 경우로서 도 9의 (a)의 경우) 10 부피%의 질화붕소 투입량(질화붕소 조각과 폴리메틸메타크릴레이트(PMMA) 비드를 1:9의 부피비로 첨가한 경우)에서 0.228W/mK, 20 부피%의 질화붕소 투입량(질화붕소 조각과 폴리메틸메타크릴레이트(PMMA) 비드를 2:8의 부피비로 첨가한 경우)에서 0.526W/mK의 열전도도가 발현되는 것을 확인하였다.
반면, 실시예 1에 따라 제조된 질화붕소-폴리메틸메타크릴레이트 복합체의 열전도도의 경우(도 9에서 PMMA (B)로 표시된 경우로서 도 9의 (b)의 경우) 10 부피%의 질화붕소 투입량에서 1.317W/mK, 20 부피%의 질화붕소 투입량에서 2.489W/mK의 열전도도가 발현되는 것을 확인하였다. 이는 순수 폴리메틸메타크릴레이트의 열전도도보다 무려 1232% 향상된 방열 특성을 갖는 것을 확인할 수 있었다.
이상, 본 발명의 바람직한 실시예를 들어 상세하게 설명하였으나, 본 발명은 상기 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 기술적 사상의 범위 내에서 당 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의하여 여러 가지 변형이 가능하다.

Claims (11)

  1. 열가소성 폴리머가 매트릭스를 이루고,
    열가소성 폴리머 비드의 유리전이온도 이상이면서 열가소성 폴리머 비드의 녹는점 미만의 온도 범위에서 인가된 압력에 의해 구형의 열가소성 폴리머 비드 형태에서 각형(facet)의 형태로 변화된 열가소성 폴리머 입자를 갖고,
    열가소성 폴리머 입자 사이의 입계면에 열전도성 세라믹 판상 조각이나 열전도성 세라믹 분말이 분포되어 상기 입계면을 따라 열전도 경로를 형성하며,
    상기 열전도성 세라믹 판상 조각이나 열전도성 세라믹 분말의 평균 크기는 상기 열가소성 폴리머 입자의 평균 크기의 1/10 보다 작으며,
    상기 열전도성 세라믹 판상 조각이나 열전도성 세라믹 분말은 질화붕소, 질화알루미늄, 산화마그네슘, 산화알루미늄, 실리콘카바이드 및 실리콘나이트라이드 중에서 선택된 1종 이상의 물질로 이루어지고,
    상기 열가소성 폴리머는 아크릴로니트릴부타디엔스티렌, 폴리메틸메타크릴레이트, 폴리아미드, 폴리부타디엔테레프탈레이트, 폴리에틸렌테레프탈레이트, 폴리카보네이트, 폴리에틸렌, 폴리에테르에테르케톤, 폴리프로필렌, 폴리스티렌 및 폴리메틸실세스퀴옥산 중에서 선택된 1종 이상의 물질로 이루어지며,
    상기 열전도성 세라믹 판상 조각이나 열전도성 세라믹 분말이 열가소성 폴리머 입자 사이의 입계면에 위치하면서 차지하는 부피가 상기 열전도성 세라믹 판상 조각이나 열전도성 세라믹 분말이 상기 매트릭스 전체에 분포하면서 차지하는 부피에 대하여 적어도 90%를 이루는 것을 특징으로 하는 열전도성 세라믹-폴리머 복합체.
  2. 제1항에 있어서, 상기 열전도성 세라믹 판상 조각이나 열전도성 세라믹 분말은,
    커플링제로 표면처리되어 상기 열가소성 폴리머 입자와 화학적 결합을 이루는 것을 특징으로 하는 열전도성 세라믹-폴리머 복합체.
  3. 제1항에 있어서, 상기 열전도성 세라믹 판상 조각이나 열전도성 세라믹 분말과 상기 열가소성 폴리머는 1:3∼30의 부피비를 이루는 것을 특징으로 하는 열전도성 세라믹-폴리머 복합체.
  4. 삭제
  5. (a) 열전도성 세라믹 판상 조각이나 열전도성 세라믹 분말의 화학적 결합을 유도하여 열가소성 폴리머 비드 표면에 균일하게 코팅하기 위하여 상기 열전도성 세라믹 판상 조각이나 열전도성 세라믹 분말을 커플링제로 표면처리 하는 단계;
    (b) 열가소성 폴리머 비드에 대하여 비용해성을 나타내는 용매에 구형의 열가소성 폴리머 비드와 표면처리된 열전도성 세라믹 판상 조각이나 열전도성 세라믹 분말을 첨가하여 분산시키는 단계;
    (c) 상기 용매를 증발시켜 열전도성 세라믹 판상 조각이나 열전도성 세라믹 분말이 상기 열가소성 폴리머 비드 표면에 코팅되어 상기 열가소성 폴리머 비드 표면을 따라 분포하는 형태를 이루는 세라믹-폴리머 복합 분말을 형성하는 단계; 및
    (d) 상기 세라믹-폴리머 복합 분말에 압력을 가하면서 성형하여 열전도성 세라믹-폴리머 복합체를 얻는 단계를 포함하며,
    상기 성형은 상기 열가소성 폴리머 비드 간의 접촉 계면이 증가하도록 하기 위하여 상기 열가소성 폴리머 비드의 유리전이온도 이상이면서 상기 열가소성 폴리머 비드의 녹는점 미만의 온도 범위에서 10∼1000MPa의 압력을 가하면서 이루어지고,
    상기 열전도성 세라믹 판상 조각이나 열전도성 세라믹 분말의 평균 크기는 상기 구형의 열가소성 폴리머 비드의 평균 크기의 1/10 보다 작고,
    상기 열전도성 세라믹 판상 조각이나 열전도성 세라믹 분말은 질화붕소, 질화알루미늄, 산화마그네슘, 산화알루미늄, 실리콘카바이드 및 실리콘나이트라이드 중에서 선택된 1종 이상의 물질로 이루어지며,
    상기 열가소성 폴리머 비드는 아크릴로니트릴부타디엔스티렌, 폴리메틸메타크릴레이트, 폴리아미드, 폴리부타디엔테레프탈레이트, 폴리에틸렌테레프탈레이트, 폴리카보네이트, 폴리에틸렌, 폴리에테르에테르케톤, 폴리프로필렌, 폴리스티렌 및 폴리메틸실세스퀴옥산 중에서 선택된 1종 이상의 물질로 이루어지고,
    상기 열전도성 세라믹-폴리머 복합체는 열가소성 폴리머 입자 사이의 입계면에 열전도성 세라믹 판상 조각이나 열전도성 세라믹 분말이 분포되어 상기 입계면을 따라 열전도 경로를 형성하며,
    상기 열가소성 폴리머 입자는 상기 압력이 인가됨으로써 구형의 열가소성 폴리머 비드 형태에서 각형(facet)의 형태로 변화되며,
    상기 열전도성 세라믹 판상 조각이나 열전도성 세라믹 분말이 열가소성 폴리머 입자 사이의 입계면에 위치하면서 차지하는 부피가 상기 열전도성 세라믹 판상 조각이나 열전도성 세라믹 분말이 매트릭스 전체에 분포하면서 차지하는 부피에 대하여 적어도 90%를 이루는 것을 특징으로 하는 열전도성 세라믹-폴리머 복합체의 제조방법.
  6. 삭제
  7. 제5항에 있어서, 상기 열가소성 폴리머 비드는,
    100㎚∼100㎛의 평균 크기를 갖는 것을 특징으로 하는 열전도성 세라믹-폴리머 복합체의 제조방법.
  8. 제5항에 있어서, 상기 (b) 단계에서,
    상기 열전도성 세라믹 판상 조각이나 열전도성 세라믹 분말과 상기 열가소성 폴리머 비드는 1:3∼30의 부피비로 첨가되게 하는 것을 특징으로 하는 열전도성 세라믹-폴리머 복합체의 제조방법.
  9. 제5항에 있어서, 상기 커플링제는,
    실리콘계 커플링제, 지르코늄계 커플링제 및 티타늄계 커플링제 중에서 선택된 1종 이상의 커플링제를 사용하며,
    상기 열전도성 세라믹 판상 조각이나 열전도성 세라믹 분말 100중량부에 대하여 0.1∼5.0중량부 첨가하여 상기 표면처리 하는 것을 특징으로 하는 열전도성 세라믹-폴리머 복합체의 제조방법.
  10. 삭제
  11. 제5항에 있어서, 상기 (a) 단계에서, 상기 열전도성 세라믹 판상 조각이나 열전도성 세라믹 분말과 커플링제를 용매에 첨가하여 상기 표면처리를 수행하며,
    상기 (a) 단계에서 사용하는 용매는 pH가 2.0∼6.5 범위인 것을 특징으로 하는 열전도성 세라믹-폴리머 복합체의 제조방법.
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