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JP7551086B2 - 複合材 - Google Patents

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Description

本出願は、2017年9月15日付けで提出された韓国特許出願第10-2017-0118735号に基づく優先権の利益を主張し、当該韓国特許出願の文献に開示されたすべての内容は、本明細書の一部として含まれる。
本出願は、複合材に関する。
放熱素材は、多様な用途に用いられる。例えば、バッテリーや各種電子機器は、作動過程で熱が発生するため、このような熱を効果的に制御できる素材が要求される。
放熱特性が良い素材として、熱伝導度が良いセラミック素材等が知られているが、このような素材は、加工性が劣るので、高分子マトリックス内に高い熱伝導率を示す前記セラミックフィラー等を配合して製造した複合素材を使用することができる。
しかしながら、前記方法による場合、高い熱伝導度を確保するために、多量のフィラー成分が適用されなければならないので、多様な問題が発生する。例えば、多量のフィラー成分を含む素材の場合、素材自体が固くなる傾向にあり、この場合、耐衝撃性等が劣る。
本出願は、複合材に関し、一例として、熱伝導特性に優れていながらも、耐衝撃性や加工性等の他の物性も良好に確保される複合材またはその製造方法を提供することを目的とする。
本出願は、複合材に関する。本出願で用語「複合材」は、金属フォームと高分子成分を含む材料を意味する。
本明細書で用語「金属フォームまたは金属骨格」は、金属を主成分として含む多孔性構造体を意味する。前記で金属を主成分とするというのは、金属フォームまたは金属骨格の全体重量を基準として金属の比率が55重量%以上、60重量%以上、65重量%以上、70重量%以上、75重量%以上、80重量%以上、85重量%以上、90重量%以上または95重量%以上である場合を意味する。前記主成分として含まれる金属の比率の上限は、特に制限されず、例えば、100重量%、99重量%または98重量%程度であってもよい。
本明細書で用語「多孔性」は、気孔度(porosity)が、少なくとも10%以上、20%以上、30%以上、40%以上、50%以上、60%以上、70%以上、75%以上または80%以上である場合を意味する。前記気孔度の上限は、特に制限されず、例えば、約100%未満、約99%以下または約98%以下程度であってもよい。前記気孔度は、金属フォーム等の密度を計算して公知の方法で算出することができる。
前記複合材は、高い熱伝導度を有し、これによって、例えば、放熱素材のような熱の制御のための素材に用いられる。
例えば、前記複合材は、熱伝導度が、約0.4W/mK以上、0.45W/mK以上、0.5W/mK以上、0.55W/mK以上、0.6W/mK以上、0.65W/mK以上、0.7W/mK以上、0.75W/mK以上、0.8W/mK以上、0.85W/mK以上、0.9W/mK以上、0.95W/mK以上、1W/mK以上、1.5W/mK以上、2,W/mK以上2.5W/mK以上、3W/mK以上、3.5W/mK以上、4W/mK以上、4.5W/mK以上または5W/mK以上であってもよい。前記複合材の熱伝導度が高いほど複合材が優れた熱制御機能を有し得るものであって、特に制限されず、一例として、約100W/mK以下、90W/mK以下、80W/mK以下、70W/mK以下、60W/mK以下、50W/mK以下、40W/mK以下、30W/mK以下、20W/mK以下または10W/mK以下であってもよい。前記熱伝導度を測定する方法は、特に制限されず、例えば、後述する実施例で記載された方法で測定することができる。
前記複合材の熱伝導度は、後述する実施例で記述された方法により測定する。
本明細書で言及する物性のうち測定温度が当該物性に影響を及ぼす場合には、特に別途規定しない限り、その物性は、常温で測定したものである。用語「常温」は、加温または減温されない自然そのままの温度であり、例えば、約10℃~30℃の範囲内のいずれか一つの温度、約23℃または約25℃程度の温度を意味する。
本出願の複合材は、前述のような優れた熱伝導特性を有すると同時に、加工性や耐衝撃性等の他の物性も安定的に確保され得、このような効果は、本明細書で説明する内容により達成され得る。
前記複合材に含まれる金属フォームの形態は、特に制限されないが、一例として、フィルム形状であってもよい。本出願の複合材では、前記フィルム形態の金属フォームの表面や内部に存在する高分子成分が追加される。
このような高分子成分は、前記金属フォームの少なくとも一つの表面上で表面層を形成しているか、または、金属フォーム内部の孔隙に充填されて存在することができ、場合によっては、前記表面層を形成すると共に、金属フォームの内部に充填されていてもよい。表面層を形成する場合、金属フォームの表面のうち少なくとも一つの表面、一部の表面またはすべての表面に対して高分子成分が表面層を形成していてもよい。一例として、少なくとも金属フォームの主表面である上部および/または下部の表面に前記高分子成分が表面層を形成していてもよい。前記表面層は、金属フォームの表面全体を覆うように形成されてもよく、一部の表面のみを覆うように形成されてもよい。
複合材において金属フォームは、気孔度が約10%~99%の範囲内であってもよい。このような気孔度を有する金属フォームは、適切な熱伝達ネットワークを形成している多孔性の金属骨格を有し、したがって、当該金属フォームを少量適用する場合にも、優れた熱伝導度を確保することができる。他の例において、前記気孔度は、15%以上、20%以上、25%以上、30%以上、35%以上、40%以上、45%以上または50%以上であるか、または98%以下であってもよい。
前述したように、金属フォームは、フィルム形態であってもよい。この場合、フィルムの厚さは、後述する方法により複合材を製造するに際して、目的とする熱伝導度や厚さ比率等を考慮して調節され得る。前記フィルムの厚さは、目的とする熱伝導度を確保するために、例えば、約10μm以上、約20μm以上、約30μm以上、約40μm以上、約45μm以上、約50μm以上、約55μm以上、約60μm以上、約65μm以上または約70μm以上であってもよい。前記フィルムの厚さの上限は、目的に応じて制御されるものであって、特に制限されるものではないが、例えば、約1,000μm以下、約900μm以下、約800μm以下、約700μm以下、約600μm以下、約500μm以下、約400μm以下、約300μm以下、約200μm以下または約150μm以下程度であってもよい。
本明細書で厚さは、当該対象の厚さが一定でない場合には、その対象の最小厚さ、最大厚または平均厚さであってもよい。
前記金属フォームは、熱伝導度が高い素材であってもよい。一例として、前記金属フォームは、熱伝導度が、約8W/mK以上、約10W/mK以上、約15W/mK以上、約20W/mK以上、約25W/mK以上、約30W/mK以上、約35W/mK以上、約40W/mK以上、約45W/mK以上、約50W/mK以上、約55W/mK以上、約60W/mK以上、約65W/mK以上、約70W/mK以上、約75W/mK以上、約80W/mK以上、約85W/mK以上または約90W/mK以上の金属または金属合金を含むか、それからなり得る。前記熱伝導度は、その数値が高いほど少ない量の金属フォームを適用しつつ、目的とする熱制御特性を確保することができるので、特に制限されるのではなく、例えば、約1,000W/mK以下程度であってもよい。
前記金属フォームの骨格は、多様な種類の金属や金属合金からなり得、このような金属や金属合金のうち前記言及された範囲の熱伝導度を示すことができる素材が選択されればよい。このような素材としては、銅、金、銀、アルミニウム、ニッケル、鉄、コバルト、マグネシウム、モリブデン、タングステンおよび亜鉛よりなる群から選ばれるいずれか一つの金属や前記のうち2種以上の合金等を例示することができるが、これらに制限されるものではない。
このような金属フォームは、多様に公知となっており、金属フォームを製造する方法も、多様に公知となっている。本出願では、このような公知の金属フォームや前記公知の方法で製造した金属フォームが適用され得る。
金属フォームを製造する方法としては、塩等の気孔形成剤と金属の複合材料を焼結する方法、高分子フォーム等の支持体に金属をコーティングし、その状態で焼結する方法やスラリー法等が知られている。また、前記金属フォームは、本出願人の先行出願である韓国出願第2017-0086014号、第2017-0040971号、第2017-0040972号、第2016-0162154号、第2016-0162153号または第2016-0162152号等に開示された方法によっても製造され得る。
また、前記金属フォームは、前記先行出願に開示された方法のうち誘導加熱法で製造されることもでき、この場合、金属フォームは、導電性磁性金属を少なくとも含むことができる。この場合、金属フォームは、前記導電性磁性金属を、重量を基準として30重量%以上、35重量%以上、40重量%以上、45重量%以上または50重量%以上含むことができる。他の例として、前記金属フォーム内の導電性磁性金属の比率は、約55重量%以上、60重量%以上、65重量%以上、70重量%以上、75重量%以上、80重量%以上、85重量%以上または90重量%以上であってもよい。前記導電性磁性金属の比率の上限は、特に制限されず、例えば、約100重量%未満または95重量%以下であってもよい。
本出願において用語「導電性磁性金属」は、所定の比透磁率と電気伝導度を有する金属であって、誘導加熱法により金属の焼結が可能となるほどに発熱が可能な金属を意味する。
一例として、前記導電性金属としては、比透磁率が90以上の金属を使用することができる。比透磁率μは、当該物質の透磁率μと真空中の透磁率μの比率μ/μである。前記金属は、比透磁率が95以上、100以上、110以上、120以上、130以上、140以上、150以上、160以上、170以上、180以上、190以上、200以上、210以上、220以上、230以上、240以上、250以上、260以上、270以上、280以上、290以上、300以上、310以上、320以上、330以上、340以上、350以上、360以上、370以上、380以上、390以上、400以上、410以上、420以上、430以上、440以上、450以上、460以上、470以上、480以上、490以上、500以上、510以上、520以上、530以上、540以上、550以上、560以上、570以上、580以上または590以上であってもよい。比透磁率が高いほど、後述する誘導加熱のための電磁場の印加時にさらに高い熱を発生するので、その上限は、特に制限されない。一例として、前記比透磁率の上限は、例えば、約300,000以下であってもよい。
前記導電性磁性金属は、20℃での電気伝導度が、約8MS/m以上、9MS/m以上、10MS/m以上、11MS/m以上、12MS/m以上、13MS/m以上または14.5MS/m以上であってもよい。前記電気伝導度の上限は、特に制限されず、例えば、前記電気伝導度は、約30MS/m以下、25MS/m以下または20MS/m以下であってもよい。
このような導電性磁性金属の具体的な例には、ニッケル、鉄またはコバルト等があるが、これらに制限されるものではない。
前記複合材は、前述したように、前記金属フォームの表面または金属フォームの内部に存在する高分子成分をさらに含むが、このような複合体の前記金属フォームの厚さMTおよび全体厚さTの比率T/MTは、2.5以下であってもよい。前記厚さの比率は、他の例として、約2以下、1.5以下、1.4以下、1.3以下、1.2以下、1.15以下または1.1以下であってもよい。前記厚さの比率の下限は、特に制限されるものではないが、一例として、約1以上、約1.01以上、約1.02以上、約1.03以上、約1.04以上または約1.05以上であってもよい。このような厚さ比率の下で目的とする熱伝導度が確保されると共に、加工性や耐衝撃性等に優れた複合材が提供され得る。
本出願の複合材に含まれる高分子成分の種類は、特に制限されず、例えば、複合材の加工性や耐衝撃性、絶縁性等を考慮して選択され得る。本出願で適用できる高分子成分の例としては、公知のアクリル樹脂、シリコン樹脂、エポキシ樹脂、ウレタン樹脂、アミノ樹脂およびフェノール樹脂よりなる群から選ばれる一つ以上が挙げられるが、これらに制限されるものではない。
前記複合材の場合、前述した金属フォームを適用することによって、主に熱伝導度を確保する成分の比率を最小化しながらも、優れた熱伝導度を確保することができ、したがって、加工性や耐衝撃性等の損害なしに目的とする物性の確保が可能である。
一例として、前記複合材に含まれる高分子成分の体積PVと金属フォームの体積MVの比率MV/PVは、10以下であってもよい。前記比率MW/PVは、他の例として、9以下、8以下、7以下、6以下、5以下、4以下、3以下、2以下、1以下または0.5以下程度であってもよい。前記体積比率の下限は、特に制限されず、例えば、約0.1程度であってもよい。前記体積比率は、複合材に含まれる高分子成分と金属フォームの重量と当該成分の密度を用いて算出することができる。
また、本出願は、前記のような形態の複合材の製造方法に関する。前記製造方法は、前記金属フォーム、例えば、熱伝導度が8W/mK以上の金属または金属合金を含み、フィルム形態である金属フォームの表面または内部に硬化性高分子組成物が存在する状態で前記高分子組成物を硬化させる段階を含むことができる。
前記方法で適用される金属フォームに関する具体的な内容は、既に記述した通りであり、製造される複合材に関する具体的な事項も、前記記述した内容に従うことができる。
一方、前記で適用される高分子組成物も、硬化等を通じて前記言及した高分子成分を形成できるものであれば、特別な制限はなく、このような高分子成分は、当業界に多様に公知となっている。
すなわち、例えば、公知の成分のうち適切な粘度を有する材料を使用して、公知の方法を用いて硬化を行うことによって、前記複合材を製造することができる。
本出願では、金属フォームと高分子成分を含み、優れた熱伝導度を有すると共に、耐衝撃性、加工性および絶縁性等の他の物性にも優れた複合材を提供することができる。
実施例で製造された複合材の写真である。 実施例で製造された複合材の写真である。
以下、実施例および比較例を通じて本出願を具体的に説明するが、本出願の範囲が下記実施例に制限されるものではない。
実施例1
金属フォームとしては、銅金属フォームであって、厚さが約70μm程度であり、気孔度が約70%であるフィルム形状の銅フォームを使用した。前記銅金属フォームを熱硬化性エポキシ化合物(KUKDO CHEMICAL社、YD128)と硬化剤(KUKDO CHEMICAL社、G640)を含む熱硬化性エポキシ樹脂組成物に含浸させ、アプリケーターを用いて最終複合材の厚さが約120μm程度になるように、過量の組成物を除去した。次に、前記材料を約80℃のオーブンに約1時間程度維持して硬化させることによって、複合材を製造した。適用された高分子成分(エポキシ樹脂)と金属フォーム(銅金属フォーム)それぞれの密度および適用重量を基準として計算した結果、高分子成分の体積PVと金属フォームの体積MVの比率MV/PVは、約0.2程度であった。図1は、前記製造された複合材の写真であり、この複合材の熱伝導度は、約0.411W/mK程度であった。
前記熱伝導度は、複合材の熱拡散度A、比熱Bおよび密度Cを求めて、熱伝導度=ABCの数式で求め、前記熱拡散度Aは、レーザーフラッシュ法(LFA装置、モデル名:LFA467)を用いて測定し、比熱は、示差走査熱量測定(DSC;Differential Scanning Calorimeter)装置を用いて測定し、密度は、アルキメデス法を用いて測定した。また、前記熱伝導度は、複合材の厚さ方向(Z軸)に対する値である。
実施例2
高分子組成物として、熱硬化性シリコン組成物(PDMS,Sylgard 183 kit)を使用し、硬化工程を230℃のオーブンで約10分間行ったことを除いて、実施例1のような方法で複合材を製造した(最終複合材の厚さ:約120μm程度)。適用された高分子成分(シリコン樹脂)と金属フォーム(銅金属フォーム)それぞれの密度および適用重量を基準として計算した結果、高分子成分の体積PVと金属フォームの体積MVの比率MV/PVは、約0.2程度であった。図2は、前記製造された複合材の写真であり、この複合材の熱伝導度を前記に言及された方法で測定した結果、約0.673W/mK程度であった。
実施例3
実施例2のような方法で複合材を製造するものの、最終複合材の厚さが約100μm程度になるようにし、硬化工程を約120℃で約10分間行った。適用された高分子成分(シリコン樹脂)と金属フォーム(銅金属フォーム)それぞれの密度および適用重量を基準として計算した結果高分子成分の体積PVと金属フォームの体積MVの比率MV/PVは、約0.25程度であった。この複合材の熱伝導度を前記に言及された方法で測定した結果、約2.633W/mK程度であった。
実施例4
実施例2のような方法で複合材を製造するものの、最終複合材の厚さが約80μm程度になるようにし、硬化工程を約120℃で約10分間行った。適用された高分子成分(シリコン樹脂)と金属フォーム(銅金属フォーム)それぞれの密度および適用重量を基準として計算した結果、高分子成分の体積PVと金属フォームの体積MVの比率MV/PVは、約0.34程度であった。この複合材の熱伝導度を前記に言及された方法で測定した結果、約3.065W/mK程度であった。
実施例5
実施例2のような方法で複合材を製造するものの、高分子組成物を熱硬化性シリコン組成物(PDMS,Sylgard 527 kit)に変更し、硬化工程を約120℃で約90分間行った。適用された高分子成分(シリコン樹脂)と金属フォーム(銅金属フォーム)それぞれの密度および適用重量を基準として計算した結果、高分子成分の体積PVと金属フォームの体積MVの比率MV/PVは、約0.25程度であった。この複合材の熱伝導度を前記に言及された方法で測定した結果、約3.403W/mK程度であった。
実施例6
実施例5のような方法で複合材を製造するものの、最終複合材の厚さが約80μm程度になるようにした。適用された高分子成分(シリコン樹脂)と金属フォーム(銅金属フォーム)それぞれの密度および適用重量を基準として計算した結果、高分子成分の体積PVと金属フォームの体積MVの比率MV/PVは、約0.34程度であった。この複合材の熱伝導度を前記に言及された方法で測定した結果、約5.474W/mK程度であった。
比較例1
実施例1で適用した高分子組成物のみを硬化させて、厚さが約120μm程度であるフィルムを形成した。形成されたフィルムの熱伝導度は、約0.199W/mKであった。
比較例2
実施例2で適用した高分子組成物のみを硬化させて、厚さが約120μm程度であるフィルムを形成した。形成されたフィルムの熱伝導度は、約0.270W/mKであった。
比較例3
最終複合材の厚さが約200μm程度になるようにしたことを除いて、実施例1と同一に複合材を形成した。形成された複合材の熱伝導度は、約0.367W/mK程度であった。

Claims (7)

  1. フィルム形態の金属フォームと、前記金属フォームの表面及び前記金属フォームの内部に存在する高分子成分とを含み、
    前記高分子成分は、前記金属フォームの表面で表面層を形成しており、
    前記金属フォームは、厚さが10μm以上、300μm以下であり、
    前記金属フォームの厚さMTおよび全体厚さTの比率T/MTが以下であり、
    前記金属フォームは、気孔度が10~70%の範囲内にあり、
    前記高分子成分の体積PVと前記金属フォームの体積MVの比率MV/PVが、0.25以上10以下であり、
    数式1による熱伝導度(T)が1W/mK以上である複合材:
    [数式1]
    T=A×B×C
    式中、Aは複合材の熱拡散度、Bは複合材の比熱、Cは複合材の密度である。
  2. 金属フォームの厚さMTおよび全体厚さTの比率T/MTが、1.01以上である、請求項1に記載の複合材。
  3. 金属フォームの厚さMTおよび全体厚さTの比率T/MTが、1.5以下である、請求項1または2に記載の複合材。
  4. 金属フォームは、熱伝導度(T)が8W/mK以上の金属または金属合金を含む、請求項1から3のいずれか一項に記載の複合材。
  5. 金属フォームは、銅、金、銀、アルミニウム、ニッケル、鉄、コバルト、マグネシウム、モリブデン、タングステンおよび亜鉛よりなる群から選ばれるいずれか一つの金属または前記のうち2種以上を含む骨格を有する、請求項1から4のいずれか一項に記載の複合材。
  6. 高分子成分は、アクリル樹脂、シリコン樹脂、エポキシ樹脂、ウレタン樹脂、アミノ樹脂およびフェノール樹脂よりなる群から選ばれる一つ以上を含む、請求項1からのいずれか一項に記載の複合材。
  7. 熱伝導度が8W/mK以上の金属または金属合金を含み、フィルム形態である金属フォームの表面または内部に硬化性高分子組成物が存在する状態で前記高分子組成物を硬化させる段階を含む、請求項1に記載の複合材の製造方法。
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