KR20190033875A

KR20190033875A - 복합재

Info

Publication number: KR20190033875A
Application number: KR1020170122574A
Authority: KR
Inventors: 김소진; 신종민
Original assignee: 주식회사 엘지화학
Priority date: 2017-09-22
Filing date: 2017-09-22
Publication date: 2019-04-01
Also published as: US11603481B2; JP2020534189A; EP3686001B1; WO2019059730A1; EP3686001A1; CN111107987A; CN111107987B; EP3686001A4; US20200216715A1; KR102191615B1; JP7086442B2

Abstract

본 출원은 복합재 및 그의 제조 방법을 제공한다. 본 출원에서는, 금속폼 및 고분자 성분을 포함하고, 필요한 경우에 열전도성 필러를 추가로 포함하며, 우수한 열전도도를 가지면서, 내충격성, 가공성 및 절연성 등의 다른 물성도 우수한 복합재를 제공할 수 있다.

Description

복합재{COMPOSITE MATERIAL}

본 출원은 복합재에 대한 것이다.

방열 소재는 다양한 용도에서 사용될 수 있다. 예를 들면, 배터리나 각종 전자 기기는 작동 과정에서 열이 발생하기 때문에, 이러한 열을 효과적으로 제어할 수 있는 소재가 요구된다.

방열 특성이 좋은 소재는 열전도도가 좋은 세라믹 소재 등이 알려져 있으나, 이러한 소재는 가공성이 떨어지기 때문에, 고분자 매트릭스 내에 높은 열전도율을 나타내는 상기 세라믹 필러 등을 배합하여 제조한 복합 소재가 사용될 수 있다.

그렇지만, 상기 방식에 의해서는 높은 열전도도를 확보하기 위해서 다량의 필러 성분이 적용되어야 하기 때문에, 다양한 문제가 발생한다. 예를 들면, 다량의 필러 성분을 포함하는 소재의 경우, 소재 자체가 딱딱하게 되는 경향이 있고, 이러한 경우에 내충격성 등이 떨어진다.

본 출원은, 복합재에 대한 것이고, 일 예시에서 열전도 특성이 우수하면서도, 내충격성이나 가공성 등 다른 물성도 우수하게 확보되는 복합재 또는 그 제조 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 출원은 복합재에 대한 것이다. 본 출원에서 용어 복합재는 금속폼과 고분자 성분을 적어도 포함하는 재료를 의미할 수 있다.

본 명세서에서 용어 금속폼 또는 금속 골격은, 금속을 주성분으로 포함하는 다공성 구조체를 의미한다. 상기에서 금속을 주성분으로 한다는 것은, 금속폼 또는 금속 골격의 전체 중량을 기준으로 금속의 비율이 55 중량% 이상, 60 중량% 이상, 65 중량% 이상, 70 중량% 이상, 75 중량% 이상, 80 중량% 이상, 85 중량% 이상, 90 중량% 이상 또는 95 중량% 이상인 경우를 의미한다. 상기 주성분으로 포함되는 금속의 비율의 상한은 특별히 제한되지 않으며, 예를 들면, 100 중량%, 99 중량% 또는 98 중량% 정도일 수 있다.

본 명세서에서 용어 다공성은, 기공도(porosity)가 적어도 10% 이상, 20% 이상, 30% 이상, 40% 이상, 50% 이상, 60% 이상, 70% 이상, 75% 이상 또는 80% 이상인 경우를 의미할 수 있다. 상기 기공도의 상한은 특별히 제한되지 않으며, 예를 들면, 약 100% 미만, 약 99% 이하 또는 약 98% 이하 정도일 수 있다. 상기 기공도는 금속폼 등의 밀도를 계산하여 공지의 방식으로 산출할 수 있다.

상기 복합재는, 높은 열전도도를 가지며, 이에 따라서 예를 들면, 방열 소재와 같이 열의 제어를 위한 소재로 사용될 수 있다.

예를 들면, 상기 복합재는 열전도도가 약 1.5 W/mK 이상, 2 W/mK 이상, 2.5 W/mK 이상 또는 3 W/mK 이상일 수 있다. 상기 복합재의 열전도도는 높을수록 복합재가 우수한 열 제어 기능을 가질 수 있는 것이어서 특별히 제한되지 않으며, 일 예시에서 약 10 W/mK 이하, 9 W/mK 이하, 8 W/mK 이하, 7 W/mK 이하, 6 W/mK 이하, 5 W/mK 이하 또는 4 W/mK 이하일 수 있다.

상기 복합재의 열전도도는, 후술하는 실시예에 기재된 방식으로 평가할 수 있다.

본 명세서에서 언급하는 물성 중에서 측정 온도가 해당 물성에 영향을 미치는 경우에는, 특별히 달리 규정하지 않는 한, 그 물성은 상온에서 측정한 것이다. 용어 상온은 가온 또는 감온되지 않은 자연 그대로의 온도이고, 예를 들면, 약 10℃ 내지 30℃의 범위 내의 어느 한 온도, 약 23℃ 또는 약 25℃ 정도의 온도를 의미할 수 있다.

본 출원의 복합재는 상기와 같은 우수한 열전도 특성을 가지는 동시에 가공성이나 내충격성 등의 다른 물성도 안정적으로 확보될 수 있으며, 이러한 효과는 본 명세서에서 설명하는 내용에 의해 달성될 수 있다.

상기 복합재에 포함되는 금속폼의 형태는 특별히 제한되지는 않으나, 일 예시에서 필름 형상일 수 있다. 본 출원의 복합재에서는 상기 필름 형태의 금속폼의 적어도 표면이나 내부에 존재하는 고분자 성분이 추가된다.

이러한 고분자 성분은, 상기 금속폼의 적어도 하나의 표면상에서 표면층을 형성하고 있거나, 금속폼 내부의 공극에 충전되어 존재할 수 있으며, 경우에 따라서는 상기 표면층을 형성하면서 또한 금속폼의 내부에 충전되어 있을 수도 있다. 표면층을 형성하는 경우에, 금속폼의 표면 중에서 적어도 한 표면, 일부의 표면 또는 모든 표면에 대해서 고분자 성분이 표면층을 형성하고 있을 수 있다. 일 예시에서는 적어도 금속폼의 주표면인 상부 및/또는 하부 표면에 상기 고분자 성분이 표면층을 형성하고 있을 수 있다. 상기 표면층은, 금속폼의 표면 전체를 덮도록 형성될 수도 있고, 일부 표면만을 덮도록 형성될 수도 있다.

복합재에서 금속폼은, 기공도(porosity)가 약 10% 내지 99%의 범위 내일 수 있다. 이러한 기공도를 가지는 금속폼은, 적합한 열전달 네트워크를 형성하고 있는 다공성의 금속 골격을 가지고, 따라서 해당 금속폼을 소량 적용하는 경우에도 우수한 열전도도를 확보할 수 있다. 다른 예시에서 상기 기공도는, 15% 이상, 20% 이상, 25% 이상, 30% 이상, 35% 이상, 40% 이상, 45% 이상 또는 50% 이상이거나, 98% 이하일 수 있다.

전술한 바와 같이 금속폼은 필름 형태일 수 있다. 이러한 경우에 필름의 두께는 후술하는 방식에 따라 복합재를 제조함에 있어서, 목적하는 열전도도나 두께 비율 등을 고려하여 조절될 수 있다. 상기 필름의 두께는, 목적으로 하는 열전도도의 확보를 위해, 예를 들면, 약 40μm 이상, 약 45 μm 이상, 약 50 μm 이상, 약 55 μm 이상, 약 60 μm 이상, 약 65 μm 이상 또는 약 70 μm 이상일 수 있다. 상기 필름의 두께의 상한은 목적에 따라서 제어되는 것으로 특별히 제한되는 것은 아니나, 예를 들면, 약 1,000 μm 이하, 약 900 μm 이하, 약 800 μm 이하, 약 700 μm 이하, 약 600 μm 이하, 약 500 μm 이하, 약 400 μm 이하, 약 300 μm 이하, 약 200 μm 이하 또는 약 150 μm 이하 정도일 수 있다.

본 명세서에서 두께는 해당 대상의 두께가 일정하지 않은 경우에는, 그 대상의 최소 두께, 최대 두께 또는 평균 두께일 수 있다.

상기 금속폼은 열전도도가 높은 소재일 수 있다. 일 예시에서 상기 금속폼은 열전도도가, 약 8 W/mK 이상, 약 10 W/mK 이상, 약 15 W/mK 이상, 약 20 W/mK 이상, 약 25 W/mK 이상, 약 30 W/mK 이상, 약 35 W/mK 이상, 약 40 W/mK 이상, 약 45 W/mK 이상, 약 50 W/mK 이상, 약 55 W/mK 이상, 약 60 W/mK 이상, 약 65 W/mK 이상, 약 70 W/mK 이상, 약 75 W/mK 이상, 약 80 W/mK 이상, 약 85 W/mK 이상 또는 약 90 W/mK 이상인 금속 또는 금속 합금을 포함하거나, 이러한 금속 또는 금속 합금으로 이루어질 수 있다. 금속폼의 재료의 열전도도는, 그 수치가 높을수록 적은 양의 금속폼을 적용하면서 목적하는 열 제어 특성을 확보할 수 있기 때문에 특별히 제한되는 것은 아니며, 예를 들면, 약 1,000 W/mK 이하 정도일 수 있다.

상기 금속폼의 골격은, 다양한 종류의 금속이나 금속 합금으로 이루어질 수 있는데, 이러한 금속이나 금속 합금 중에서 금속폼으로 형성되었을 때에 상기 언급된 범위의 열전도도를 나타낼 수 있는 소재가 선택되면 된다. 이러한 소재로는, 구리, 금, 은, 알루미늄, 니켈, 철, 코발트, 마그네슘, 몰리브덴, 텅스텐 및 아연으로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나의 금속이나 상기 중 2종 이상의 합금 등이 예시될 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.

이러한 금속폼은 다양하게 공지되어 있고, 금속폼을 제조하는 방법 역시 다양하게 공지되어 있다. 본 출원에서는 이러한 공지의 금속폼이나 상기 공지의 방식으로 제조한 금속폼이 적용될 수 있다.

금속폼을 제조하는 방식으로는, 염 등의 기공 형성제와 금속의 복합 재료를 소결하는 방식, 고분자 폼 등의 지지체에 금속을 코팅하고, 그 상태로 소결하는 방식이나 슬러리법 등이 알려져 있다. 또한, 상기 금속폼은 본 출원인의 선행 출원인 한국출원 제2017-0086014호, 제2017-0040971호, 제2017-0040972호, 제2016-0162154호, 제2016-0162153호 또는 제2016-0162152호 등에 개시된 방식에 따라서도 제조될 수 있다.

상기 금속폼은 또한 상기 선행출원에 개시된 방식 중에서 유도 가열 방식으로도 제조될 수 있는데, 이러한 경우에 금속폼은 전도성 자성 금속을 적어도 포함할 수 있다. 이 경우, 금속폼은 상기 전도성 자성 금속을 중량을 기준으로 30 중량% 이상, 35 중량% 이상, 40 중량% 이상, 45 중량% 이상 또는 50 중량% 이상 포함할 수 있다. 다른 예시에서 상기 금속폼 내의 전도성 자성 금속의 비율은, 약 55 중량% 이상, 60 중량% 이상, 65 중량% 이상, 70 중량% 이상, 75 중량% 이상, 80 중량% 이상, 85 중량% 이상 또는 90 중량% 이상일 수 있다. 상기 전도성 자성 금속의 비율의 상한은 특별히 제한되지 않으며, 예를 들면, 약 100 중량% 미만 또는 95 중량% 이하일 수 있다.

본 출원에 있어서 용어 전도성 자성 금속은, 소정 상대 투자율과 전도도를 가지는 금속으로서, 유도 가열 방식에 의해 금속의 소결이 가능할 정도로 발열이 가능한 금속을 의미할 수 있다.

일 예시에서 상기 전도성 금속으로는, 상대 투자율이 90 이상인 금속이 사용될 수 있다. 상대 투자율(μr)은, 해당 물질의 투자율(μ)과 진공속의 투자율(μ0)의 비율(μ/μ0)이다. 상기 금속은 상대 투자율이 95 이상, 100 이상, 110 이상, 120 이상, 130 이상, 140 이상, 150 이상, 160 이상, 170 이상, 180 이상, 190 이상, 200 이상, 210 이상, 220 이상, 230 이상, 240 이상, 250 이상, 260 이상, 270 이상, 280 이상, 290 이상, 300 이상, 310 이상, 320 이상, 330 이상, 340 이상, 350 이상, 360 이상, 370 이상, 380 이상, 390 이상, 400 이상, 410 이상, 420 이상, 430 이상, 440 이상, 450 이상, 460 이상, 470 이상, 480 이상, 490 이상, 500 이상, 510 이상, 520 이상, 530 이상, 540 이상, 550 이상, 560 이상, 570 이상, 580 이상 또는 590 이상일 수 있다. 상대 투자율이 높을 수록 후술하는 유도 가열을 위한 전자기장의 인가 시에 보다 높은 열을 발생하게 되므로 그 상한은 특별히 제한되지 않는다. 일 예시에서 상기 상대 투자율의 상한은 예를 들면, 약 300,000 이하일 수 있다.

상기 전도성 자성 금속은 20˚C에서의 전도도가 약 8 MS/m 이상, 9 MS/m 이상, 10 MS/m 이상, 11 MS/m 이상, 12 MS/m 이상, 13 MS/m 이상 또는 14.5 MS/m 이상일 수 있다. 상기 전도도의 상한은 특별히 제한되지 않으며, 예를 들면, 상기 전도도는, 약 30 MS/m 이하, 25 MS/m 이하 또는 20 MS/m 이하일 수 있다.

이러한 전도성 자성 금속의 구체적인 예에는 니켈, 철 또는 코발트 등이 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.

일 예시에서 상기 금속폼에는 다양한 관능기가 도입되어 있을 수 있다. 상기 관능기는 상기 금속폼이 상기 고분자 성분과 적절한 상용성을 나타낼 수 있도록 선택될 수 있다. 업계에서는 고분자 성분의 종류에 따라서 그와 상용성이 확보될 수 있도록 하는 관능기가 다양하게 알려져 있으며, 따라서 본 출원에서는 사용되는 고분자 성분의 종류에 따라서 적합한 관능기가 선택되면 된다. 이와 같은 관능기로는, 아미노기, 히드록시기, 알콕시기, 카르복실기, 글리시딜기 및/또는 술포닐기 등이 예시될 수 있지만, 이에 제한되는 것은 아니다. 상기에서 알콕시기는 탄소수 1 내지 20, 탄소수 1 내지 16, 탄소수 1 내지 12, 탄소수 1 내지 8 또는 탄소수 1 내지 4의 알킬기일 수 있다. 금속폼에 상기와 같은 관능기를 도입하는 방법은 특별히 제한되지 않는다. 예를 들면, 금속 소재에 상기 언급된 관능기를 도입하는 방법은, 다양하게 알려져 있으며, 본 출원에서는 이러한 공지의 방식이 모두 적용될 수 있다.

예를 들면, 상기 관능기는, 해당 관능기를 포함하는 실란(silane) 화합물과 금속폼을 접촉시킴으로써 도입할 수 있다.

상기에서 실란 화합물의 예로는, 하기 화학식 1로 표시되는 화합물이 예시될 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.

[화학식 1]

R¹ _nSiR² _(4-n)

화학식 1에서 R¹은, 히드록시기, 아미노기, 알콕시기, 카복실기, 글리시딜기 또는 술포닐기이거나, 상기를 포함하는 관능기이고, R²는 수소 원자, 알킬기 또는 알콕시기이며, n은 1 내지 4의 범위 내의 수이다.

상기에서 히드록시기, 아미노기, 알콕시기, 카복실기, 글리시딜기 또는 술포닐기를 포함하는 관능기로는, 아미노알킬기, 알콕시알킬기, 카복시알킬기, 글리시딜옥시기, 글리시딜알킬옥시기 또는 알킬 술포닐기 등이 예시될 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.

상기에서 알킬기는, 탄소수 1 내지 20, 탄소수 1 내지 16, 탄소수 1 내지 12, 탄소수 1 내지 8 또는 탄소수 1 내지 4의 알킬기일 수 있고, 이는 분지쇄, 직쇄 또는 고리형일 수 있으며, 임의로 하나 이상의 치환기로 치환되어 있을 수 있다.

또한, 상기에서 알콕시기로는, 탄소수 1 내지 20, 탄소수 1 내지 16, 탄소수 1 내지 12, 탄소수 1 내지 8 또는 탄소수 1 내지 4의 알콕시기가 적용될 수 있고, 이는 분지쇄, 직쇄 또는 고리형일 수 있으며, 임의로 하나 이상의 치환기로 치환되어 있을 수 있다.

일 예시에서 금속폼과 상기 실란 화합물을 접촉시켜서 목적하는 관능기를 도입하거나, 혹은 일단 상기 실란 화합물을 금속폼에 도입한 후에 그에 의해 도입된 관능기와 다른 화합물을 반응시키는 방식으로 목적하는 관능기를 도입할 수도 있다.

또한, 필요하다면, 상기 실란 화합물과의 접촉 전에 산 처리 등을 통해 금속폼에 존재하는 산화물 성분 등을 제거하는 전처리 공정을 수행할 수도 있다.

상기 금속폼은 또한 금속 산화물을 약 30 중량% 이하, 25 중량% 이하, 20 중량% 이하, 15 중량% 이하, 10 중량% 이하, 5 중량% 이하, 1 중량% 이하 또는 0.5 중량% 이하, 적절하게는 실질적으로 0 중량%로 포함할 수 있다. 즉, 금속폼이 공기와의 접촉 등을 통해 산화하여 산화물이 형성되는 경우에 금속폼 자체의 열전도도가 크게 떨어지게 되므로, 금속 산화물이 가급적 적거나 없는 금속폼의 적용이 유리하다. 금속폼으로부터 금속 산화물을 제거하는 방법은, 특별히 제한되지 않으며, 예를 들면, HCl 또는 HNO3 등의 산성 용액 내에 금속폼을 유지하는 방식을 사용할 수 있다.

상기 복합재는, 전술한 바와 같이 상기 금속폼의 표면 또는 금속폼의 내부에 존재하는 고분자 성분을 추가로 포함하는데, 이러한 복합체의 상기 금속폼의 두께(MT) 및 전체 두께(T)의 비율(T/MT)은, 2.5 이하일 수 있다. 상기 두께의 비율은 다른 예시에서 약 2 이하, 1.5 이하, 1.4 이하, 1.3 이하, 1.2 이하, 1.15 이하 또는 1.1 이하일 수 있다. 상기 두께의 비율의 하한은 특별히 제한되는 것은 아니나, 일 예시에서 약 1 이상, 약 1.01 이상, 약 1.02 이상, 약 1.03 이상, 약 1.04 이상 또는 약 1.05 이상일 수 있다. 이러한 두께 비율 하에서 목적하는 열전도도가 확보되면서, 가공성이나 내충격성 등이 우수한 복합재가 제공될 수 있다.

본 출원의 복합재에 포함되는 고분자 성분의 종류는 특별히 제한되지 않으며, 예를 들면, 복합재의 가공성이나 내충격성, 절연성 등을 고려하여 선택될 수 있다. 본 출원에서 적용될 수 있는 고분자 성분의 예로는, 공지의 아크릴 수지, 실리콘 수지, 에폭시 수지, 우레탄 수지, 아미노 수지 및 페놀 수지로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상을 들 수 있지만, 이에 제한되는 것은 아니다.

상기 복합재의 경우, 전술한 금속폼의 적용을 통해서 주로 열전도도를 확보하는 성분의 비율을 최소화하면서도 우수한 열전도도를 확보할 수 있고, 따라서 가공성이나 내충격성 등의 손해 없이 목적하는 물성의 확보가 가능하다.

일 예시에서 상기 복합재에 포함되는 고분자 성분의 부피(PV)와 금속폼의 부피(MV)의 비율(MV/PV)은 0.5 이하일 수 있다. 상기 비율(MW/PV)은 다른 예시에서 9 이하, 8 이하, 7 이하, 6 이하, 5 이하, 4 이하, 3 이하, 2 이하, 1 이하 또는 0.5 이하 정도일 수 있다. 상기 부피 비율의 하한은 특별히 제한되지 않고, 예를 들면, 약 0.1 정도일 수 있다. 상기 부피 비율은, 복합재에 포함되는 고분자 성분과 금속폼의 중량과 해당 성분들의 밀도를 통해 산출할 수 있다.

본 출원의 복합재에서는 상기와 같은 고분자 성분이 금속폼의 적어도 일 표면에서 표면층을 형성하고 있는데, 이 때 상기 표면층 내에는 열전도성 필러가 포함되어 있다. 이를 통해서 보다 열전도 특성이 우수한 복합재의 제공이 가능하다.

본 출원에서 용어 열전도성 필러는, 열전도도가 약 1 W/mK 이상, 약 5 W/mK 이상, 약 10 W/mK 이상 또는 약 15 W/mK 이상인 필러를 의미한다. 상기 열전도성 필러의 열전도도는 약 400 W/mK 이하, 약 350 W/mK 이하 또는 약 300 W/mK 이하일 수 있다. 열전도성 필러의 종류는 특별히 제한되지 않고, 예를 들면, 세라믹 필러 또는 탄소계 필러 등을 적용할 수 있다. 이러한 필러로는, 알루미나, AlN(aluminum nitride), BN(boron nitride), 질화 규소(silicon nitride), SiC 또는 BeO 등이나, 탄소나노튜브, 카본 블랙, 그래핀(graphene), 그래핀 산화물(graphene oxide)나 그래파이트 등과 같은 필러가 예시될 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.

표면층에 포함되는 상기 필러의 형태나 비율은 특별히 제한되지 않는다. 일 예시에서 상기 필러의 형태는 대략 구형, 침상, 판형, 덴드라이트형 또는 성형(star shape) 등의 다양한 형태를 가질 수 있다.

하나의 예시에서 상기 열전도성 필러는, 평균 입경이 0.001 ㎛ 내지 80 ㎛의 범위 내에 있을 수 있다. 상기 필러의 평균 입경은 다른 예시에서 0.01 ㎛ 이상, 0.1 이상, 0.5㎛ 이상, 1 ㎛ 이상, 2㎛ 이상, 3㎛ 이상, 4㎛ 이상, 5㎛ 이상 또는 약 6㎛ 이상일 수 있다. 상기 필러의 평균 입경은 다른 예시에서 약 75㎛ 이하, 약 70㎛ 이하, 약 65㎛ 이하, 약 60㎛ 이하, 약 55㎛ 이하, 약 50㎛ 이하, 약 45㎛ 이하, 약 40㎛ 이하, 약 35㎛ 이하, 약 30㎛ 이하, 약 25㎛ 이하, 약 20㎛ 이하, 약 15㎛ 이하, 약 10㎛ 이하 또는 약 5㎛ 이하일 수 있다.

상기 필러에도 전술한 금속폼에 도입될 수 있는 다양한 관능기, 즉 고분자 성분과의 상용성을 개선할 수 있는 관능기가 도입되어 있을 수 있다. 이와 같은 관능기로는, 전술한 것과 같은 아미노기, 히드록시기, 알콕시기, 카르복실기, 글리시딜기 및/또는 술포닐기 등이 예시될 수 있지만, 이에 제한되는 것은 아니다. 상기에서 알콕시기는 탄소수 1 내지 20, 탄소수 1 내지 16, 탄소수 1 내지 12, 탄소수 1 내지 8 또는 탄소수 1 내지 4의 알콕시기일 수 있다. 필러에 상기와 같은 관능기를 도입하는 방법은 특별히 제한되지 않는다. 예를 들면, 필러에 상기 언급된 관능기를 도입하는 방법은, Polym. Adv. Technol. 2014. 25 791-798 등을 포함한 문헌에 다양하게 알려져 있으며, 본 출원에서는 이러한 공지의 방식이 모두 적용될 수 있다.

예를 들면, BN(boron nitride) 필러의 경우, 그 표면에 존재하는 아민(amine) 그룹을 NaOH 용액으로의 처리 등을 통해 히드록시기로 치환하고, 다시 amino-silane 반응 등을 통해 상기 관능기를 도입할 수 있다.

필러의 비율은, 목적하는 특성이 확보되거나, 혹은 손상되지 않은 범위 내에서 조절될 수 있다. 일 예시에서 상기 필러는 복합재 내에서 부피 비율로 약 80vol% 이하 정도로 포함될 수 있다. 상기에서 부피 비율은, 복합재를 구성하는 성분, 예를 들면, 상기 금속폼, 고분자 성분 및 필러 각각의 중량과 밀도를 기준으로 계산한 수치이다.

상기 부피 비율은 다른 예시에서 약 75 vol% 이하, 70 vol% 이하, 65 vol% 이하, 60 vol% 이하, 55 vol% 이하, 50 vol% 이하, 45 vol% 이하, 40 vol% 이하, 35 vol% 이하 또는 30 vol% 이하 정도이거나, 약 1 vol% 이상, 2 vol% 이상, 3 vol% 이상, 4 vol% 이상 또는 5 vol% 이상 정도일 수 있다.

본 출원은 또한 상기와 같은 형태의 복합재의 제조 방법에 대한 것이다. 상기 제조 방법은, 열전도도가 8 W/mK 이상이고, 필름 형태인 금속폼의 표면에 열전도성 필러를 포함하는 경화성 고분자 조성물이 존재하는 상태에서 상기 고분자 조성물을 경화시키는 단계를 포함할 수 있다.

상기 방법에서 적용되는 금속폼이나 필러에 대한 구체적인 내용은 이미 기술한 바와 같고, 제조되는 복합재에 대한 구체적인 사항 역시 상기 기술한 내용에 따를 수 있다.

한편, 상기에서 적용되는 고분자 조성물 역시 경화 등을 통해 상기 언급한 고분자 성분을 형성할 수 있는 것이라면 특별한 제한은 없으며, 이러한 고분자 성분은 업계에 다양하게 공지되어 있다.

즉, 예를 들면, 공지의 성분 중에서 적절한 점도를 가지는 재료를 사용하여, 공지의 방식을 통해 경화를 진행하여 상기 복합재를 제조할 수 있다.

본 출원에서는, 금속폼, 고분자 성분 및 열전도성 필러을 포함하고, 우수한 열전도도를 가지면서, 내충격성, 가공성 및 절연성 등의 다른 물성도 우수한 복합재를 제공할 수 있다.

도 1은 표면 처리 전후의 구리 금속폼의 접촉각을 확인하는 사진이다.

이하 실시예 및 비교예를 통하여 본 출원을 구체적으로 설명하지만, 본 출원의 범위가 하기 실시예에 제한되는 것은 아니다.

실시예 1.

금속폼 표면 처리

금속폼으로는 구리 금속폼으로서, 두께가 약 70 μm 정도이며, 기공도가 약 70%이고, 열전도도가 약 6.616 W/mK 정도인 필름 형상의 구리 금속폼을 사용하였다. 상기 구리 금속폼을 10% HNO₃ 용액에 10분 정도 침지시켜서 표면의 존재할 수 있는 산화막을 제거하였다. 이어서, 상기 구리 금속폼을 3-아미노프로필트리에톡시실란 용액(3 중량%)에 상온에서 1 시간 정도 침지시켜서 표면에 아미노기를 도입하였다. 도 1은, 구리 금속폼의 표면에 아미노기가 도입되었는지 여부를 확인하기 위해서 그 접촉각을 확인하는 도면이며, 좌측이 도입 처리 전의 사진이고, 우측이 도입 처리 후의 사진이다. 도면으로부터 표면 처리 후에 친수성이 증가하는 것을 확인할 수 있다. 상기 금속폼에 대해서 열전도도를 측정한 결과 약 10.649 W/mK 정도로 확인되어 표면 처리를 통해 열전도도가 개선되었음을 확인할 수 있다.

상기에서 열전도도는, 열확산도(A), 비열(B) 및 밀도(C)를 구하여 열전도도=ABC의 수식으로 구하였고, 상기 열확산도(A)는, 레이저 플래쉬법(LFA 장비, 모델명: LFA467)을 이용하여 측정하였으며, 비열은 DSC(Differential Scanning Calorimeter) 장비를 통해 측정하였고, 밀도는 아르키메데스법을 이용하여 측정하였다. 또한, 상기 열전도도는 복합재의 두께 방향(Z축)에 대한 값이다.

열전도성 필러의 표면 처리

열전도성 필러로서, 판상형의 질화 붕소 파우더(Flake type, 평균 직경: 약 10μm, 두께 약 1 μm)를 표면 처리에 적용하였다. 우선 상기 파우더를 약 90℃의 온도에서 NaOH 용액에 약 12 시간 동안 침지시켜서 표면에 히드록시기를 도입하였다. 그 후, 다시 3-아미노프로필트리에톡시실란 용액(3 중량%)에 약 90℃의 온도에서 약 12 시간 정도 침지시켜서 표면에 아미노기를 도입하였다.

하기 표 1은, 상기 표면 처리 전 후의 질화 붕소 파우더에 대하여 SEM 장비(옥스포드社의 ESD 장비가 추가된 Hitachi社 S-4800 모델)를 사용하여 수행한 원소 분석 결과이다. 하기 표 1로부터 표면 처리 후에 규소 원자가 확인되고, 이에 따라서 아미노기고 도입된 것을 확인할 수 있다.

	표면 처리 전		표면 처리 후
	Weight%	Atomic%	Weight%	Atomic%
B K	44.57	51.02	44.48	51.07
N K	55.43	48.98	53.71	47.59
O K	-	-	1.60	1.24
Si K	-	-	0.22	0.10

복합재의 제조

상기 구리 금속폼을 상기 표면 처리된 질화 붕소 파우더가 약 10 중량% 정도의 비율로 포함된 열경화성 실리콘 조성물(PDMS, Sylgard 183 kit)에 함침시키고, 어플리케이터를 이용하여 최종 복합재의 두께가 약 120μm 정도가 되도록 과량의 조성물을 제거하였다. 이어서 상기 재료를 약 120℃의 오븐에 약 10분 정도 유지하여 경화시킴으로써 복합재를 제조하였다. 제조된 복합재에 대해서 열전도도를 측정한 결과 약 3.008 W/mK 정도로 확인되었다.

비교예 1.

표면 처리 전의 구리 금속폼과 질화 붕소를 사용한 것을 제외하고는, 실시예 1과 동일하게 복합재를 제조하였으며, 그 복합재의 열전도도는 동일하게 측정한 결과, 약 2.550 W/mK 정도였다.

Claims

히드록시기, 아미노기, 알콕시기, 카복실기, 글리시딜기 및 술포닐기로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상의 관능기가 도입되어 있는 필름 형태의 금속폼 및 상기 금속폼의 표면 또는 금속폼의 내부에 존재하는 고분자 성분을 포함하는 복합재.
제 1 항에 있어서, 금속폼의 두께(MT) 및 전체 두께(T)의 비율(T/MT)이 2.5 이하인 복합재.
제 1 항에 있어서, 금속폼은 열전도도가 8 W/mK 이상인 금속을 포함하는 복합재.
제 1 항에 있어서, 금속폼은 두께가 40 μm 이상인 열전도성 복합재.
제 1 항에 있어서, 금속폼은 기공도가 10 내지 99%의 범위 내에 있는 복합재.
제 1 항에 있어서, 금속폼은, 구리, 금, 은, 알루미늄, 니켈, 철, 코발트, 마그네슘, 몰리브덴, 텅스텐 및 아연으로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나의 금속 또는 상기 중 2종 이상을 포함하는 골격을 가지는 복합재.
제 1 항에 있어서, 고분자 성분은, 아크릴 수지, 실리콘 수지, 에폭시 수지, 우레탄 수지, 아미노 수지, 폴리에스테르, 올레핀 수지 및 페놀 수지로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상을 포함하는 복합재.
제 1 항에 있어서, 고분자 성분의 부피(PV)와 금속폼의 부피(MV)의 비율(MV/PV)은 0.5 이하인 복합재.
제 1 항에 있어서, 고분자 성분 내에 존재하는 열전도성 필러를 추가로 포함하는 복합재.
제 1 항에 있어서, 고분자 성분은 금속폼의 표면에서 표면층을 형성하고 있고, 상기 표면층에 열전도성 필러를 추가로 포함하는 복합재.
제 9 항 또는 제 10 항에 있어서, 열전도성 필러는, 세라믹 필러 또는 탄소 필러인 복합재.
제 11 항에 있어서, 열전도성 필러는, 알루미나, AlN(aluminum nitride), BN(boron nitride), 질화 규소(silicon nitride), SiC, BeO, 카본 블랙, 그래핀, 그래핀 산화물, 탄소나노튜브 또는 그래파이트인 복합재.
제 9 항 또는 제 11 항에 있어서, 열전도성 필러에는, 히드록시기, 아미노기, 알콕시기, 카복실기, 글리시딜기 및 술포닐기로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상의 관능기가 도입되어 있는 복합재.
제 9 항 또는 제 10 항에 있어서, 열전도성 필러는 구형, 침상, 판형, 덴드라이트형 또는 성형(star shape)인 복합재.
제 9 항 또는 제 10 항에 있어서, 열전도성 필러는 평균 입경이 0.001 μm 내지 80 μm의 범위 내인 복합재.
제 9 항 또는 제 10 항에 있어서, 열전도성 필러의 부피 비율이 80 vol% 이하인 복합재.
필름 형태인 금속폼의 표면 또는 내부에 경화성 고분자 조성물이 존재하는 상태에서 상기 고분자 조성물을 경화시키는 단계를 포함하는, 제 1 항의 복합재의 제조 방법.