KR101880178B1 - 카본기반의 습식부직포를 포함한 다층 복합재료, 그의 제조방법 및 그를 이용한 차폐 방열소재 - Google Patents

카본기반의 습식부직포를 포함한 다층 복합재료, 그의 제조방법 및 그를 이용한 차폐 방열소재 Download PDF

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Abstract

본 발명은 카본기반의 습식부직포를 포함한 다층 복합재료, 그의 제조방법 및 그를 이용한 차폐 방열소재에 관한 것이다.
본 발명은 카본기반의 습식부직포 웹의 내부에 안정적으로 충진되는 동시에 표면에 고밀도로 집적되어 층상으로 전도성 나노구조체가 일체화된 다층 복합재료를 습식공정으로 제공함으로써, 카본기반의 습식부직포의 두께와 중량이 제어되고 전도성 나노구조체의 농도에 따라 다양한 구성의 제품 적용이 가능하며, 연속공정으로 공정의 대형화에 유리하다. 특히, 본 발명의 다층 복합재료는 초박지형, 박지형으로 제공되고, 열전도율 또는 표면저항이 최적화되어 고방열성이면서 전자파 차폐성능이 우수하므로, 휴대용 전자기기, 군사용 전자기기, 산업용 전자기기 및 의료용 전자기기 분야에 유용하다.

Description

카본기반의 습식부직포를 포함한 다층 복합재료, 그의 제조방법 및 그를 이용한 차폐 방열소재{MULTI-LAYERED COMPOSITE CONTAINING CARBON-BASED WET-LAID NONWOVEN FABRIC, MANUFACTURING METHOD THEREOF AND HEAT RELEASING AND EMI SHIELDING MATERIALS USINGG THE SAME}
본 발명은 카본기반의 습식부직포를 포함한 다층 복합재료, 그의 제조방법 및 그를 이용한 차폐 방열소재에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 카본기반의 부직포 웹의 내부에 안정적으로 충진되는 동시에 표면에 고밀도로 집적되어 층상으로 전도성 나노구조체가 일체화된, 카본기반의 다층구조의 복합재료를 습식공정으로 제공함으로써, 카본기반의 습식부직포의 두께와 중량이 제어되고 전도성 나노구조체의 농도에 따라 다양한 구성의 제품적용이 가능하며, 열전도율 또는 표면저항이 최적화되어 고방열 및 전자파차폐가 우수한, 카본기반의 습식부직포를 포함한 다층 복합재료, 그의 제조방법 및 그를 이용한 차폐 방열소재에 관한 것이다.
최근의 첨단 전자기기는 경박단소, 다기능, 고기능화 추세에 따라 전자 소자가 고집적화될수록 더욱 많은 열이 발생되는데, 이러한 방출열은 소자의 기능을 저하시키고 주변소자의 오작동, 기판 열화등의 원인이 되고 있어 저전력 설계, 방열 및 고내열성 소재의 중요성은 더욱 커지고 있다.
더불어 이같은 전자기기에 대한 전파의 이용이 많아짐에 따라 전자파 환경이 매우 복잡하고 다양하게 변하고 있으며 이와 관련된 전자파의 인체유해성이 사회문제로 대두되고 있는 가운데 국내 산업계애서는 매우 안정하고 신뢰성있는 제품을 개발하기 위하여 전자파 차폐재 및 흡수재의 수요가 급속히 늘고 있다.
종래 공지의 전자파 차폐시트는 고균제성의 습식(WET-LAID) 부직포 공법을 이용하여 PET 부직포를 제조한 후, Ni/Cu 등을 다양한 방법을 통하여 도금한다.
최근에는 상기 PET 습식부직포를 카본섬유-습식부직포로 대체하여 전자파 차폐 성능을 향상시키면서 열전도 특성을 부여한 제품이 출시되고 있다.
상기에서 습식부직포는 직조 제품보다 경량이고, 생산성과 경제성이 우수하며 적용범위가 다양하므로, 직조 제품에 비해 산업 응용 및 진입이 더욱 용이하다. 따라서, 카본섬유 또는 금속도금된 카본섬유 부직포는 자체적으로 전차파 차폐성능이 우수하고 열전도율, 경량, 고강도를 달성할 수 있는 복합재료의 중요 핵심소재로 주목받고 있다.
현재 대부분의 방열소재들은 수입에 의존하고 있고, 따라서 그로 인한 수입 대체효과를 구현하기 위하여 전자파 차폐분야, 방열소재분야, 고강도 경량 복합소재분야의 핵심소재로서 소재개발이 시급하다.
전자장비에 사용되는 전자파 차폐소재 및 방열소재는 여재의 균질성 및 원가경쟁력 등의 특성에 의해 습식공정에 의해 제조되는 것이 유리하나, 국내의 습식공정은 신문용지, 벽지 및 전통한지 분야에서만 적용되고 있다.
이에, 대한민국특허 제516429호는 인피섬유와 같은 장섬유와 목재섬유와 같은단섬유와 탄소섬유를 이용하여 장망, 환망 조합 초기기를 사용한 습식 초지법으로 얻을 수 있는 전자파 차폐용 기능성 한지를 개시하고 있다. 즉, 전자파 차폐를 목적으로 탄소섬유를 적용하고 있으나, 상기 탄소섬유는 초음파 처리후 해리시켜 사용하고 있다.
또한, 대한민국 공개특허 제1996-7000884호에는 습식 적층시트 및 그의 복합체로서, (a)열가소성 섬유 또는 소구 또는 이들 모두, (b)흑연 입자 20∼70중량%, (c)강화 섬유 5∼20중량% 및 (d)미세 유리 섬유 0.5∼3중량% 또는 동량의 유기 또는 무기 극미세섬유 재료를 함유한 습식 적층시트 재료가 정전방전용도로 개시되어 있다.
이에, 본 발명자들은 카본기반의 다층구조에 대한 복합재료 및 그를 이용한 전자파 차폐 성능 및 열전도 특성을 부여한 방열소재를 개발하고자 노력한 결과, 카본기반의 습식부직포를 제공하고 이후의 공정을 동일한 습식방식으로 수행하여 연속공정으로 다층화함으로써, 카본기반의 습식부직포의 웹 내부에 안정적으로 충진되는 동시에 표면에 고밀도로 집적되어 층상으로 전도성 카본계 나노구조체를 일체화시켜 다층화하고, 상기 다층화공정 이후 열처리 및 고밀도화공정을 통해, 열전도율 또는 표면저항을 최적화화여 고방열 및 전자파차폐가 우수한 카본기반의 다층구조 복합재료를 제공함으로써, 본 발명을 완성하였다.
본 발명의 목적은 카본기반의 습식부직포를 포함한 다층 복합재료를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 습식공정에 의해 연속공정으로 다층화한 복합재료의 제조방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 상기 복합재료를 적용한 전자파 차폐성을 갖춘 고방열소재를 제공하는 것이다.
본 발명은 카본기반의 부직포를 지지체로 하고, 상기 카본기반의 부직포 웹 내부에 충진된 구조와 동시에 부직포 웹 표면에 집적된 층상구조로 이루어진 전도성 나노구조체가 일체화된 다층 복합재료를 제공한다.
상기에서 전도성 나노구조체로는 카본(Carbon), 카본나노튜브(Carbon Nano Tube), 카본블랙(Carbon Black), 그라파이트(graphite), 그래핀(Graphene) 및 활성탄으로 이루어진 카본계 입자, 금속 도금된 탄소계 첨가제, 금속입자 및 산화금속입자로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 어느 하나 이상을 사용할 수 있다.
본 발명은 필터재상에 카본섬유 습식부직포 형성용액을 도포하고 습식공정용 감압기에 공급하여 감압탈수시켜 카본기반의 습식부직포를 형성하고, 상기 카본기반의 습식부직포의 웹 상에, 전도성 나노구조체 분산용액을 도포하고 연속적으로 습식공정용 감압기에 공급하여 감압탈수시켜 다층화된 시트를 권취하는 공정으로 수행하는 복합재료의 제조방법을 제공한다.
본 발명의 복합재료의 제조방법은 상기 다층화 공정 이후 250∼1000℃에서 열처리하여 안정화 및 탄화공정을 수행하고, 60 bar 이하의 압력조건에서 압연하여 고밀도화공정을 더 수행할 수 있다.
또한, 상기 고밀도화공정 이후 점착코팅용액을 분사하여 이형지부착의 후가공 공정을 더 수행할 수 있다.
본 발명의 복합재료의 제조방법은 상기 다층화 공정 이후 필터재의 박리 제거공정을 수행할 수 있다.
나아가, 본 발명은 적어도 1층 이상의 전도성 나노구조체층에, 상기 카본기반의 부직포 웹 내부 충진과 동시에 웹 표면에 층상으로 집적된 전도성 나노구조체가 일체화된 복합재료가 삽입된 다층구조의 박지형 차폐 방열소재를 제공한다.
상기 다층구조에, 셀룰로오스, 펄프 및 유리섬유로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나의 필터재층이 더 포함될 수 있다.
이때, 상기 차폐 방열소재는 열전도율 150W/m.K 이상, 차폐성능 40dB 이상 및 표면저항 0.05 Ohm/sq 이하의 물성을 동시에 충족하므로, 방열 및 전자파 차폐성이 요구되는 휴대용 전자기기, 군사용 전자기기, 산업용 전자기기 및 의료용 전자기기로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나에 유용히 적용될 수 있다.
본 발명에 따라, 카본기반의 부직포 웹의 내부에 안정적으로 충진되는 동시에 표면에 고밀도로 집적되어 층상으로 전도성 나노구조체가 일체화된, 고방열 및 전자파차폐가 우수한 다층 복합재료를 제공할 수 있다.
또한, 본 발명의 복합재료의 제조방법을 통해, 카본기반의 부직포를 습식공정으로 제공하고, 동일한 연속공정으로 다층화함으로써, 습식공정의 균일하고 생산성 높은 장점을 유지하면서, 용액상으로 이용하는 공정 편의성을 제공한다.
또한, 본 발명의 제조방법을 통해, 층간 접착제없이 일체화시켜 초박지형, 박지형등으로 두께 조절이 용이하고, 열전도율 또는 표면저항을 최적화함으로써, 고방열성이면서 전자파 차폐성능이 우수한 복합재료를 제공할 수 있다.
이에, 본 발명의 다층 복합재료는 방열 및 전자파 차폐성이 요구되는 휴대용 전자기기, 군사용 전자기기, 산업용 전자기기 및 의료용 전자기기 분야에 유용하게 적용될 수 있다.
도 1은 본 발명의 복합재료에 대한 정면, 표면 및 단면이미지 결과이고,
도 2는 본 발명의 복합재료의 제조방법의 모식도이고,
도 3은 본 발명의 복합재료의 제조방법에서 고밀도화 공정 전후의 표면 및 단면이미지의 비교결과이다.
이하, 본 발명을 상세히 설명하고자 한다.
본 발명은 카본기반의 부직포를 지지체로 하고, 상기 카본기반의 부직포 웹 내부에 충진된 구조와 동시에 부직포 웹 표면에 집적된 층상구조로 이루어진 전도성 나노구조체가 일체화된 다층 복합재료를 제공한다.
도 1은 본 발명의 다층 복합재료에 대한 정면, 표면 및 단면이미지 결과로서, 정면 및 표면 이미지를 통해 표면 전면에 전도성 나노구조체가 층상으로 형성된 결과를 확인할 수 있다. 특히, 단면 이미지를 통해 전도성 나노구조체가 부직포 웹 내부에 안정적으로 충진된 구조와 동시에 층상구조 형성을 확인할 수 있다.
본 발명의 다층 복합재료에서 사용되는 카본기반의 부직포는 습식공정에 의해 제공된 습식부직포이고, 지지체로 사용된다.
종래 PET 소재의 부직포 제조시, 건식공정이나 직조시 얻어진 두께(30㎛)보다 습식공정을 통해 얻어진 두께는 10㎛ 이하로 얇게 제공될 수 있으며, 저비용이면서, 고밀도 및 고균제성의 장점이 있다.
이에, 본 발명의 카본기반의 습식부직포 역시 습식공정을 통해 얻어지는 장점을 가지면서 부직포의 바람직한 두께는 100㎛ 미만, 더욱 바람직하게는 80㎛ 미만이다. 이때, 상기 두께범위 100㎛를 초과하면, 크랙 및 박리발생으로 인하여 제품 품질이 낮아질 우려가 있으며 이는 상품성이 떨어지는 원인을 제공할 수 있다. 또한, 응용제품으로서의 적용에 불리하다.
상기 도 1에서 확인되는 바와 같이, 본 발명의 다층 복합재료는 카본기반의 부직포, 상기 카본기반의 부직포 웹의 내부에 안정적으로 충진된 구조와 동시에 웹 표면에 고밀도로 집적되어 형성된 층상구조로 나노구조체가 일체화함으로써, 지지체 기능의 카본기반의 습식부직포 웹의 중량과 상기 나노구조체의 농도에 따라 다양한 구성의 제품을 확보할 수 있다.
이때, 카본기반의 부직포 웹의 중량은 바람직하게는 5 내지 20g/㎡, 최대 50g/㎡까지 다양화시킬 수 있으므로 시장에서 원하는 스펙에 따라 조절될 수 있다.
본 발명의 다층 복합재료에 사용되는 전도성 나노구조체로는 기능성을 부여할 수 있는 입자 또는 분말형태라면 적용가능하나, 본 발명에서는 카본(Carbon), 카본나노튜브(Carbon Nano Tube), 카본블랙(Carbon Black), 그라파이트(graphite), 그래핀(Graphene) 및 활성탄으로 이루어진 카본계 입자, 금속 도금된 탄소계 첨가제, 금속입자 및 산화금속입자로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 어느 하나 이상을 사용하는 전도성 나노구조체를 적용한다.
본 발명의 실시예에서는 그라파이트(graphite) 입자를 사용하여 구체적으로 설명하고 있으나, 전도성 나노구조체가 이에 한정되지 않을 것이며, 또한, 카본기반의 부직포 웹의 내부와 동시에 표면에 집적되어 일체화된 구조에 적용될 수 있는 요건을 충족한다면, 전도성 이외 다른 기능성의 나노구조체를 적용할 수 있다.
이때, 나노구조체는 부직포 웹 공간에 안정적으로 충진될 수 있을 정도의 크기로서 모든 크기의 구조체가 부직포에 적층이 가능하나, 침투를 높이기 위해서 지지체용 탄소 부직포의 기공크기 이하의 것을 사용하는 것이 바람직하고, 침투가 아닌 적층의 경우, 탄소 부직포의 기공보다 큰 것을 사용하는 것이 바람직하다. 예를 들면, 판의 길이가 0.5 내지 50㎛인 판상의 그라파이트를 사용하며, 이소프로필알코올 등의 알코올 용매 및 분산제에 의해 분산된 분산액으로 제공된다.
이에, 본 발명은 상기 복합재료의 제조방법을 제공한다.
도 2는 본 발명의 다층 복합재료의 제조방법의 모식도로서, 습식(Wet-Laid)공정을 이용하여 카본기반의 습식부직포를 제조하고, 연속적으로 동일한 습식공정으로 부직포 웹 내부에 나노구조체를 충진과 동시에 표면에 층상으로 집적시켜 다층화하는 방법을 제공한다.
이에, 본 발명은 필터재상에 카본섬유 습식부직포 형성용액을 도포하고 습식공정용 감압기에 공급하여 감압탈수시켜 카본기반의 습식부직포를 형성하고,
상기 카본기반의 습식부직포의 웹상에, 전도성 나노구조체 분산용액을 도포하고 연속적으로 습식공정용 감압기에 공급하여 감압탈수시켜 다층화된 시트를 권취하는 공정으로 수행하는 복합재료의 제조방법을 제공한다.
상기 습식공정을 단계별로 수행하거나, 상기 지지체 기능의 필터재 및 카본섬유 부직포는 별도로 제작하거나 상용제품을 겹쳐서 롤(roll) 상태로 적용하여, 이후 전도성 나노구조체 분산용액을 도포하고 습식공정용 감압기에 공급하여 감압탈수시켜 다층화할 수 있다.
본 발명의 제조방법에 있어서, 습식공정용 감압기에서 감압탈수공정은 상당히 섬세한 작업이 요구되는데 충분히 감압탈수되지 않으면, 나노구조체가 카본기반의 습식부직포의 웹 표면상에 균일하게 집적되지 않고, 박리되는 현상이 발생한다. 이에, 감압탈수공정시 바람직한 조건은 목표로 하는 중량을 한 번에 공급하지 않고, 3 내지 5회 나누어 공급하는 것이다. 즉, 1차 공급 후 탈수를 확인한 다음 여러 차례 반복 공급하여 수행하는 것이다. 탈수의 여부는 제품의 색의 변화로 판단할 수 있으며, 상황에 따라 음압을 조절해야 한다.
또한, 필터재가 반드시 가장 하층부에 위치하고 있어야 하며, 이는 전도성 구조체를 코팅하는데 반드시 필요한 구조이다. 이때, 필터재는 0.1 내지 1㎛의 기공을 가지고 있어야 한다.
본 발명의 다층 복합재료의 제조방법은 불순물 등을 제거하여 제품의 성능을 향상시키기 위하여, 상기 다층화 공정 이후 250∼1000℃, 더욱 바람직하게는 250∼900℃에서 열처리하여 안정화 및 탄화공정을 수행하며, 60 bar 이하, 더욱 바람직하게는 40 bar의 압력조건에서 압연하여 고밀도화공정을 더 수행한다.
이때, 상기 열처리공정은 공정중 도입된 불순물을 제거할 수 있으며, 상기 고밀도화공정에서의 작업온도는 110∼130℃에서 수행하며, 상기 압연조건에서 60 bar를 초과하는 압력으로 진행할 경우, 이형지에 인쇄되는 현상이 일어나므로 바람직하지 않다. 또한, 이상의 고밀도화 공정조건이 적합하지 않으면, 복합재료 샘플이 찢어지는 결과를 초래한다.
도 3은 본 발명의 다층 복합재료의 제조방법에서 고밀도화 공정 전후의 표면 및 단면이미지를 비교한 결과로서, 비교예 1의 카본섬유 습식부직포층가 제외된 그라파이트 시트의 표면 및 단면을 고밀도화 전후 비교한 결과, 고밀도화 이전에 비해 표면이 평평해져 표면의 고저(高低)가 없으며, 내부기공도 줄어든 것을 확인할 수 있다. 또한, 단면의 경우도 적층계면이 상당히 많이 줄어들었으므로, 이에 고밀도화에 따른 두께감소를 제공한다.
실시예 1에서 제조된 복합재료의 표면 및 단면을 고밀도화 전후로 살펴본 결과, 그라파이트 시트에서 관찰된 표면상의 형상이 관찰됨에 따라, 카본기반의 습식부직포의 웹 표면에 층상으로 형상되었음을 확인할 수 있다. 또한, 상기 카본기반의 습식부직포의 웹 내부에 안정적으로 충진된 형상을 보임으로써, 본 발명의 다층 복합재료를 완성할 수 있다.
이에, 본 발명의 다층 복합재료는 종래 그라파이트 시트(비교예 1), 함침방식으로 나노구조체를 적용한 경우(비교예 2), 카본기반의 상용부직포(비교예 3)에 대한 결과[표 1], 현저히 높은 열전도율, 낮은 표면저항값 및 우수한 전자파 차폐율을 확인할 수 있다. 특히, 열처리 및 고밀도화공정 이후 성능이 더욱 향상된다.
이에, 본 발명의 다층 복합재료는 초박지형, 박지형 등의 두께조절이 가능하고, 재료 조성에 따라 열전도 또는 표면저항, 전자파 차폐성능을 조절할 수 있다. 또한, 층간 접착제없이 일체화시킨 다층구조의 복합재료를 제공함으로써, 불순물 개입가능성이 최소화된다.
또한, 비교예 1의 카본섬유 습식부직포층없이 판상의 그라파이트시트의 경우, 42%의 평균두께값의 감소를 보인 반면, 실시예 1의 경우, 약 30%의 두께감소를 보임으로써[표 2, 표 4], 본 발명의 다층 복합재료는 고밀도화 공정 이후 두께감소 경향은 관찰되나, 그 두께감소 정도가 작은 것은 카본기반의 습식부직포의 웹 내부에 충진된 구조적 특징에 의한 결과임을 뒷받침한다.
본 발명의 다층 복합재료의 제조방법은 상기 고밀도화공정 이후 스프레이, 데칼, 바, 브러싱 등을 이용하여 점착코팅용액을 점착코팅하고, 이형지부착의 후가공 공정을 더 수행할 수 있다.
본 발명의 다층 복합재료의 제조방법은 상기 다층화 공정 이후 감압을 이용한 탈수공정과 건조를 거쳐 필터재를 열로 태워 제거하거나 이형필름처럼 박리 제거할 수 있다.
이상의 본 발명의 다층 복합재료의 제조방법은 전 공정을 습식공정으로 진행됨으로써, 저비용에 고밀도 및 고균제성을 구현하고, 특히 공정조건에 따라 초박지형, 박지형 등의 두께조절이 가능하고, 재료 조성에 따라 열전도 또는 표면저항(전자파 차폐성능)을 조절할 수 있기 때문에 시장의 요구에 따라 다양한 스팩을 만족시켜 제공가능하므로 마케팅에 용이하다.
이에, 공정이 간단하고 비금속 재료를 사용함으로써 가격경쟁력을 가지며, 금속재료와 견주는 성능으로 가성비에 있어 우위를 점할 수 있다.
나아가, 본 발명은 적어도 1층 이상의 전도성 나노구조체층에, 상기 카본기반의 부직포 웹 내부 충진과 동시에 웹 표면에 층상으로 집적된 전도성 나노구조체가 일체화된 복합재료가 삽입된 다층구조이면서 박지형인 차폐 방열소재를 제공한다.
이때, 상기 다층구조는 본 발명의 다층 복합재료를 포함하는 다양한 형태로 설계변경할 수 있으며, 상하로 이루어진 그라파이트 시트가 복합재료를 삽입할 수도 있고, 다층구조의 복합재료를 반복적층하여 형성할 수도 있다.
상기 다층구조에, 필터재의 지지력보강을 위하여 셀룰로오스, 펄프 및 유리섬유로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나의 필터재층이 더 포함될 수 있다.
이때, 상기 차폐 방열소재는 1) 열전도율 150W/m.K 이상, 2) 차폐성능 40dB 이상 및 3) 표면저항 0.05 Ohm/sq 이하의 물성을 동시에 충족하므로, 방열 및 전자파 차폐성이 요구되는 휴대용 전자기기, 군사용 전자기기, 산업용 전자기기 및 의료용 전자기기로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나에 유용히 적용될 수 있다.
이하, 실시예를 통하여 본 발명을 보다 상세히 설명하고자 한다.
본 실시예는 본 발명을 보다 구체적으로 설명하기 위한 것이며, 본 발명의 범위가 이들 실시예에 한정되는 것은 아니다.
< 실시예 1>
1차 원료배합단계에서, 교반기가 구비된 용액조(1)에서 그라파이트입자 및 분산제를 함유한 분산액(이소프로필알코올에 분산된 판상 그라파이트입자, 1∼30㎛의 넓이, 50nm 이하의 두께, 농도: 10g/L)을 준비하고, (2)에서 제품의 지지체로 사용될 미세기공을 갖는 필터를 만드는 원료를 배합하여 준비하고, (3) 에서 카본기반의 습식부직포용 원료를 배합하여, 카본 습식부직포 형성용액을 준비하였다. 이후 연속적으로 습식공정(Wet-laid)용 감압기(4, 5, 6)에 공급하여 다층구조의 시트제품을 권취하였다. 이때, 제품구조는 미세기공필터층상에 카본섬유 부직포(CF 부직포), 상기 부직포 내에 그라파이트 입자가 충진된 구조(Gaphite+CF 부직포)와 동시에 나노시트층(Gaphite) 구조가 연속적으로 형성되었다. 이후 감압을 이용한 탈수공정과 건조를 거쳐 미세기공필터를 박리 제거하였다.
< 실시예 2>
상기 다층구조의 복합재료를 70℃에 10분 동안 건조한 후 필터재층(5)을 제거하고, 280℃에서 승온속도 2℃/분 조건에서 30분 동안 1차 소결처리하고, 900℃에서 승온조건 5℃/분 조건에서 1시간 동안 2차 소결처리하였다. 상기 소결처리된 복합재료의 부직포 표면을 압착 롤러(8) 사이로 통과시켜 표면 부유 구조체를 압착시키고 균일하게 처리하는 고밀도화공정을 수행하였다. 상기 고밀도화공정에 의해 밀도가 낮아 으스러지는 문제를 개선할 수 있으며, 이때 120℃에서 40 bar 압력으로 압연하였다. 이후, 브러싱을 이용하여 점착물질 코팅장치(9)를 통해 점착코팅하고, 이형지를 부착할 수 있는 장치(10)을 통해 이형지를 부착하고 제단(11)하였다.
< 실시예 3>
셀룰로오스(Cellulous) 0.4㎛와 상용제품의 카본섬유 부직포(5 gsm)를 겹쳐 지지체로 장착하고, 상기 카본섬유 부직포상에, 용액조(1)에 준비된 전도성입자 함유 분산액(이소프로필알코올에 분산된 판상 그라파이트 입자, 1∼30㎛의 넓이, 50nm 이하의 두께, 농도: 10g/L)을 습식공정 시스템(4)에 공급하고 감압하여, 상기 카본섬유 부직포(CF 부직포)에 상기 부직포 내에 그라파이트입자가 충진된 구조(Gaphite+CF 부직포)와 동시에 나노시트층(Gaphite) 구조를 연속적으로 형성한 다층구조의 복합재료를 권취하였다. 상기 다층구조의 복합재료에서 셀룰로오스(Cellulous) 필터재층을 제거하였다.
< 실시예 4>
상기 실시예 3에서 얻어진 복합재료를 사용하는 것을 제외하고는, 상기 실시예 2와 동일하게 후공정을 수행하였다.
< 실시예 5>
상기 실시예 1에서 제조된 다층구조상에, 추가의 용액조와 습식공정용 감압기(4)를 배치하여, 다층화할 수 있다. 이때, 전도성입자 함유 분산액(이소프로필알코올에 분산된 판상 그라파이트입자, 1∼30㎛의 넓이, 50nm 이하의 두께, 농도: 10g/L)을 준비하고, 습식공정용 감압기에 공급하여 감압탈수시켜 시트층을 더 적층한 복합재료를 제조하고, 상기 실시예 2와 동일한 공정을 수행하여 다층화하였다.
< 비교예 1>
카본섬유 습식부직포층없이, 위 실시예에서 사용한 전도성입자 함유 분산액을 가지고 동일한 공정을 통해 시트를 준비하였다.
< 비교예 2>
카본섬유 습식부직포 제조 이후 동일한 전도성 입자 함유 분산액에 함침공정을 통해 복합재료를 제조하였다. 이때, 함침공정은 10분 동안 함침 이후 70℃에서 10분 동안 건조하였다.
< 실험예 1>
상기 실시예 및 비교예에서 준비된 복합재료에 대하여 물성을 측정하고 그 결과를 표 1에 기재하였다.
1. 열전도도 측정 (ASTM E1460)-in plane
소재의 밀도(p), 비열(Cp), 열확산율(α)을 측정한 후, 하기 식에 따라 열전도도(λ)로 환산하였다.
λ(T) = α(T) × Cp(T) × p(T)
상기 밀도는 밀도계(Electronic densimeter, Alfa mirage사의 MD-300S)를 이용하여 비중을 측정한 후 밀도로 환산하였다. 비열은 시차주사 열량측정법(TA사 DSC Q20)을 이용하여 구하였으며, 측정온도범위 및 시간은 0℃에서 5분, 50℃에서 5분이며, 5℃/min의 승온속도로 N2 분위기에서 가열하였다. 또한, 상기 열확산(Thermal diffusivity) 계수는 열확산 측정기 (NETZSCH사의 LFA 447 NanoFlash)를 이용하여 측정하였으며 InSb 센서를 이용하였다.
2. 표면저항 측정
4-point probe head unit을 사용하여 측정하였으며, 표면저항기(Advanced Instrument Technology 사의 CMT-SERIES)를 이용하였다.
3. 전자파 차폐성능 평가
전자파 차폐성능은 ASTM D4935-1999 공인시험기준에 따라 측정하였으며, 외경 130㎜, 70㎜ 시편을 상하 실드 챔버 사이에 삽입하고 네트워크 아날라이저로 30MHz∼1.5GHz 주파수 범위에서 차폐를 측정하였다. 동일한 방식으로 2회 측정하여 1차와 2차의 차를 차폐율로 설정하였다.
Figure 112016087247436-pat00001
상기 표 1의 결과로부터, 본 발명의 제조방법을 통해 제조된 복합재료인 실시예 1 및 2의 경우, 비교예 1 내지 3의 경우보다 열전도율이 현저히 개선되었다. 특히, 전자파 차폐성능의 경우 모두 40dB을 넘는 성능을 보였으며 이는 99% 이상의 차폐효율을 의미한다. 또한, 0.05 Ohm/sq 이하의 낮은 표면저항치를 확인함으로써, 이를 필요로 하는 응용기기에 적용 가능하다.
< 실험예 2> 표면/단면 이미지 분석
상기 실시예 1과 비교예 1의 표면 및 단면을 주사전자현미경(JEOL, JSM-6300)을 이용하여 분석하였다.
그 결과를 도 2에 보이는 바와 같이, 비교예 1의 그라파이트 시트의 표면 및 단면구조를 확인하고, 실시예 1에서 제조된 복합재료의 표면 및 단면을 비교한 결과, 표면에는 나노시트형상으로 적층되었고, 복합재료 단면에는 부직포 웹 내부에 그라파이트 입자가 안정적으로 충진된 결과를 확인하였다. 이에 안정적인 복합화를 확인하였다.
< 실험예 3> 물성평가
1. 표면/단면 이미지 분석
상기 실시예 2에서 제조된 복합재료를 열처리 및 고밀도화공정을 수행한 이후의 표면 및 단면을 분석한 결과, 고밀도화 이전에 비해 표면이 평평해진 것을 확인할 수 있었으며, 탈착부위도 줄어든 것을 확인할 수 있었다. 단면을 살펴보면, 적층계면이 상당히 많이 줄어들어 두께가 줄어든 것을 확인하였으며, 표면의 고저(高低)가 관찰되지 않았다.
2. 고밀도화에 따른 두께영향 비교
이에, 고밀도화에 따른 두께의 영향을 확인하기 위하여 고밀도화에 따른 두께를 비교하였으며, 그 결과는 하기 표 2와 같다.
Figure 112016087247436-pat00002
상기 표 2의 결과, 비교예 1의 그라파이트 시트는 평균 약 70㎛의 두께를 보였으며 고밀도화 이후 약 40㎛의 두께를 보였으며, 결과적으로 약 42%의 평균두께값이 감소하였다.
반면에, 실시예 1의 복합재료는 평균 약 95㎛의 두께를 보였으며, 고밀도화 이후 약 65㎛의 두께를 보여, 약 30%의 두께감소를 확인하였다. 이에, 고밀도화 전과 후의 시편의 두께감소를 확인하였다.
특히, 실시예 1의 복합재료(GnP/C)보다 비교예 1의 그라파이트 시트(GnP)가 고밀도화에 두께변화에 영향이 컸으며, 이러한 결과는 실시예 1의 복합재료(GnP/C) 구조에 의한 것으로 판단되며, 불균일성을 평가하는 CV%는 모두 오차범위 내인 것으로 산출되었다.
3. 공정에 따른 표면저항 비교
공정간 성능차를 확인하기 위하여 공정에 따른 표면저항을 비교하였으며, 그 결과는 하기 표 3에 기재하였다.
Figure 112016087247436-pat00003
상기 표 3에서 확인되는바와 같이, 코팅 전 카본기반의 습식부직포 지지체의 경우 표면저항 및 CV%가 매우 높았으나 표 3의 실시예 1, 2의 경우 표면저항이 현저히 낮아지는 것을 알 수 있다.
이러한 결과는 실시예 1의 복합재료에서 전도도에 영향을 끼친 카본섬유 부직포 및 그 내부 및 표면에 그라핀입자의 효율적인 복합화에 따른 결과로 판단된다.
< 실험예 4> 소결에 따른 제품영향 비교
비교예 1의 제품(GnP)과 실시예 1의 복합재료(GnP/C)에 대하여, 소결 후 고밀도화에 따른 두께를 측정 비교하였다.
Figure 112016087247436-pat00004
상기 표 4에서 확인되는 바와 같이, 비교예 1의 제품(GnP)의 경우 열처리만을 거친 시편은 평균 약 71㎛ 두께를 가졌으며, 고밀도화 이후 약 40㎛로 줄어, 43%의 두께감소를 보였다. 압착 전/후의 CV% 값이 낮아진 수치로 보임으로써, 균일도가 높아진 것으로 분석되었다.
반면에, 실시예 1의 복합재료(GnP/C)의 경우 두께감소가 관찰되었는데, 이때, 32% 두께감소를 보였으며, CV%값은 오차범위 이내인 것으로 확인되었다.
상기에서 살펴본 바와 같이, 본 발명은 카본기반의 부직포 웹의 내부에 안정적으로 충진되는 동시에 표면에 고밀도로 집적되어 층상으로 전도성 나노구조체가 일체화된, 고방열 및 전자파차폐가 우수한 복합재료를 제공하였다.
본 발명의 다층 복합재료의 제조방법은 카본기반의 부직포를 습식공정으로 제공하고, 동일한 연속공정으로 다층화함으로써, 카본기반의 습식부직포의 두께와 중량이 제어되고 전도성 나노구조체의 농도에 따라 다양한 구성의 제품 적용이 가능하며, 연속공정으로 공정의 대형화에 유리하다.
또한, 복합재료 제조시, 함침공정에 비하여 고효율 및 고품질을 달성할 수 있도록 공정을 최적화함으로써, 층간 접착제없이 일체화시켜 초박지형, 박지형의 다층구조로 복합재료를 완성하고 그 열전도율, 전자파 차폐효율 및 표면저항을 최적화하였다.
이에, 본 발명의 다층구조의 고방열이면서 전자파 차폐효율이 우수한 차폐 방열소재는 휴대용 전자기기, 군사용 전자기기, 산업용 전자기기 및 의료용 전자기기분야에 적용할 수 있다.
이상에서 본 발명은 기재된 구체예에 대해서만 상세히 설명되었지만 본 발명의 범위 내에서 다양한 변형 및 수정이 가능함은 당업자에게 있어서 명백한 것이며, 이러한 변형 및 수정이 첨부된 특허청구범위에 속함은 당연한 것이다
1: 그라파이트입자 함유분산액이 담긴 용액조
2: 글래스필터층 형성용액이 담긴 용액조
3: 카본 습식부직포 형성용액이 담긴 용액조
4, 5, 6: 습식공정용 감압기
7: 전기로
8: 고밀도화용 롤
9: 점착코팅
10: 이형지부착용 롤
11: 제단

Claims (9)

  1. 삭제
  2. 삭제
  3. 필터재상에 카본섬유 습식부직포 형성용액을 도포하고 습식공정용 감압기에 공급하여 감압탈수시켜 카본기반의 습식부직포를 형성하고,
    상기 카본기반의 습식부직포의 웹 상에, 입자형 또는 분말형태의 전도성 나노구조체 분산용액을 도포하고 연속적으로 습식공정용 감압기에 공급하여 감압탈수시켜 다층화하고, 상기 다층화된 시트를 권취하는 공정을 수행하되,
    상기 다층화 이후 250∼1000℃에서 열처리하는 안정화 및 탄화공정 및
    60 bar 이하의 압력조건에서 압연하는 고밀도화공정을 더 수행하여 다층화하는 복합재료의 제조방법.
  4. 삭제
  5. 제3항에 있어서, 상기 고밀도화공정 이후 점착코팅용액을 분사하여 이형지부착의 후가공 공정을 더 수행하는 것을 특징으로 하는 복합재료의 제조방법.
  6. 제3항에 있어서, 상기 다층화 이후 필터재의 박리 제거공정을 수행하는 것을 특징으로 하는 복합재료의 제조방법.
  7. 삭제
  8. 삭제
  9. 삭제
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