KR100958444B1 - 팽창흑연시트에 혼합분산용액을 코팅한 혼합카본시트의 제조방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 팽창흑연시트에 혼합분산용액을 코팅한 혼합카본시트의 제조방법에 관한 것으로, 본 발명은 금속 리튬 분말과 파라핀 혼합물과 흑연분말을 혼합하여 제조된 팽창흑연시트에 탄소나노선재, 바인더 등의 첨가물을 분산용제에 분산시킨 혼합분산용액을 어느 일면 또는 양면에 코팅하여 팽창흑연시트에 혼합분산용액을 코팅한 혼합카본시트의 제조방법에 관한 것이다.
본 발명의 팽창흑연시트에 혼합분산용액을 코팅한 혼합카본시트의 제조방법은 (가) 금속 리튬 분말과 파라핀을 중량비로 1 : 1로 혼합하여서 된 처리혼합물을 흑연 분말과 혼합시킨 후 이 혼합물을 분쇄하는 분쇄 과정을 거친 후 이를 일정온도의 수조에 담그는 수처리 단계를 거친 후, 이를 건조한 다음에 상기 건조된 혼합물을 750 내지 900℃의 온도에서 열처리하여 흑연팽창 시트를 제조 후;
(나) 분산제와 바인더 용제를 혼합하여 혼합 용액을 만들어 상기 혼합 용액을 단일벽탄소나노튜브, 이중벽탄소나노튜브 다중벽탄소나노튜브, 탄소나노섬유, 나노카본, 그래핀, 플러랜 중에서 선택되는 하나 또는 2개 이상의 탄소나노선재를 일정 비율로 혼합하여 최총혼합용액을 만든 후, 상기 용액을 분산하여 (가) 단계에서 만들어진 혼합분산용액을 흑연 팽창 시트에 코팅 처리하는 것을 특징으로 한다.
팽창흑연시트, 탄소나노선재, 코팅, 분산제, 바인더 용제, 혼합용액, 최종혼합용액, 혼합분산용액
Description
본 발명은 팽창흑연시트에 혼합분산용액을 코팅한 혼합카본시트의 제조방법에 관한 것으로, 본 발명은 금속 리튬 분말과 파라핀 혼합물과 흑연분말을 혼합하여 제조된 팽창흑연시트에 탄소나노선재, 바인더등의 첨가물을 분산용제에 분산시킨 혼합분산용액을 어느 일면 또는 양면에 코팅하여 팽창흑연시트에 혼합분산용액을 코팅한 혼합카본시트의 제조방법에 관한 것이다.
종래의 팽창화 흑연의 제조방법은 천연 흑연, 열분해 흑연, 키시 흑연 등의 흑연분말을 농도 짙은 황산, 초산, 셀렌산 등의 무기산과 농초산, 과염소산, 과망간산염, 중크롬산염, 과산화수소 등의 강산화제 등으로 화학 처리하여 흑연 층간화합물을 생성한 후, 수세, 건조하고, 약 700℃ 이상의 고온에서 열처리하는 것으로 이루어졌었다.
공업적인 대량생산을 위하여는 흑연분말을 100℃의 농황산(95 내지 98%) 90%, 질산(비중 1.33) 10%의 혼산으로 산처리하여 흑연 층간화합물로서 황산-층간화합물(H2 SO4 -GIC)를 생성시키고, 이를 수세, 건조한 후, 약 800℃의 온도에서 열처리하여 제품화하는 소위 '화학약품침적법'이 일반적인 것으로 알려져 왔다. 그러나 이러한 화학약품침적법은 최근 공해적인 면과 작업환경에 대한 배려로 급격한 가열처리시에 발생하는 중금속을 함유하는 증기와 질산화물(NOx ) 등으로 인하여 회피되고 있으며, 이들 증기와 질산화물을 줄이기 위해 아황산염, 과염화수소 등의 산화제를 이용하는 방법으로 대체되고 있다.
그러나 산화제의 대체에도, 화학약품침적법으로는 (1) 산화제로부터 유해한 가스가 발생하는 것을 피할 수 없고, (2) 수세시에 다량의 물을 필요로 하며, (3) 일괄처리방식(Batch type)이므로 연속적인 제조가 곤란하다는 문제점이 있었다.
이러한 문제점을 해결하기 위한 한가지 방법으로서 전해제조법이 연구되고 있다. 상기 전해제조법은 흑연분말을 황산 중에서 전해 산화함으로써 흑연산성황산염 층간 화합물을 생성시킨 후, 전해환원으로 화합물을 부분적으로 분해시켜 흑연 층간내에 잔류하는 잔류화합물을 형성시키는 방법이 개발되었다. 이 방법은 (1) 산화제를 필요로 하지 않고, (2) 수세를 필요로 하지 않으며, (3) 10mol/ℓ정도의 비교적 엷은 황산액을 사용할 수 있고, (4) 가열처리시의 팽창화율을 전해조건으로 제어할 수 있으며, (5) 연속적인 조업이 가능하다는 장점들이 있다. 그러나 이 전해제조법은 장시간 전기를 사용해야 하고, 조업성이 낮아 생산성이 떨어지며, 황산의 층간 삽입효과가 낮아 층간 화합물의 성형이 용이하지 않으며, 흑연의 구조가 부분적으로 파괴되는 문제점이 있을 수 있다.
팽창화 흑연이 밀봉재 등으로 가공되어 사용될 경우, 그 속에 포함된 황산화물과 질산화물들은 상대 금속을 부식시키는 원인이 되기 때문에 이들 황산화물이나 질산화물이 포함되지 않는 것이 바람직하나, 종래의 화학약품침적법이나 전해제조법에서는 원래 흑연 중에 포함되는 유황성분이나 질소성분들의 존재로 인하여 그리고 산화제로서 황산이나 초산 등을 사용하기 때문에 수득되는 팽창화 흑연 내에 황산화물이나 질산화물들이 포함되는 것을 피하기가 극히 어렵다는 문제점이 있었다.
또한, KC24 (THF)2 삼원계 흑연 층간화합물을 출발물질로서 그 분해생성물인 잔존화합물을 1,000℃ 이상에서 급격히 가열처리하는 팽창화 흑연의 제조법이 제안되고 있으나, 테트라하이드로푸란이 추가되기 때문에 공정이 복잡해져서 생산성이 저하되는 문제점이 있으며, 또한 칼륨이 사용되는데, 칼륨이 공기 중의 수분과 쉽게 반응하기 때문에 대기조건에서 취급하기가 어렵다는 문제점이 있으며, 또한 칼륨의 층간 삽입이 어려울 뿐만 아니라, 층간 삽입에 의한 층간 화합물도 자체적으로 불안정하기 때문에 제조공정이 복잡해지는 문제점이 있었다.
한편, 대한민국에 출원하여 등록된 특허 0628031호인 팽창흑연과 탄소나노튜브의 혼합카본을 이용한 고열전도성 카본시트는 소정의 혼합비로 혼합된 팽창흑연(Expanded Graphite) 분말과 탄소나노튜브 (CNT, Carbon Nano Tube) 분말을 고온 가압하여 성형한 단위카본시트 층; 및 단위카본시트 층의 적어도 어느 일면에 형성되어 단위카본시트 층을 보강하고 단위카본시트 층을 전기적으로 절연시키는 합성수지층을 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 고열전도성 카본시트는 팽창흑연 입자와 분산되지 않은 단순한 분말상태인 탄소나노튜브 분말 간의 혼합에 의해 고온 가압하여 제조하는 방법으로서, 팽창흑연 입자 사이에 탄소나노튜브 입자를 코팅하지 못하기 때문에 열전도율을 극대화할 수 없다.
또한, 팽창흑연층, 탄소나노튜브층, 접착제층, 내열성필름층, 점착제층, 이형지순으로 형성되기 때문에 각기 층마다 높은 접촉저항이 발생하므로 열전도율을 극대화할 수 없는 문제점이 있다.
또한, 상기 팽창흑연과 탄소나노튜브의 혼합카본을 이용한 고열전도성 카본시트의 경우에는 카본시트 층간에 결합력이 약해 카본이 박리되는 문제점이 있다.
본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명의 제1 목적은 리튬의 분말과 파라핀을 사용하여 흑연의 층 사이에 존재하는 층간 화합물을 형성한 후 이를 열처리하여 제조된 안정적이고 환경친화적인 팽창흑연시트에, 수직방향의 열전도율이 향상되는 것은 물론 상대적으로 물성이 강화되고 박리를 방지하며 인장 강도 및 찢김 강도를 향상시키기 위한 혼합분산용액을 코팅하여 공극을 매움으로써 팽창흑연시트의 강도를 향상시키고 열전도성을 우수한 팽창흑연시트의 제조방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 제2목적은 혼합분산용액을 팽창흑연시트에 코팅하는 과정에서 팽창흑연시트가 코팅되는 부수적인 효과를 통하여 팽창흑연시트가 박리되는 현상을 방지하는 팽창흑연시트의 제조방법을 제공하는 것이다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제를 달성하기 위한 것으로,
본 발명에 따른 팽창흑연시트의 제조방법은 (가) 금속 리튬 분말과 파라핀을 중량비로 1 : 1로 혼합하여서 된 처리혼합물을 흑연 분말과 혼합시킨 후 이 혼합물을 분쇄하는 분쇄 과정을 거친 후 이를 일정온도의 수조에 담그는 수처리 단계를 거친 후, 이를 건조한 다음에 상기 건조된 혼합물을 750 내지 900℃의 온도에서 열처리하여 흑연팽창 시트를 제조 후;
(나) 분산제와 바인더 용제를 혼합하여 혼합 용액을 만들어 상기 혼합 용액을 단일벽탄소나노튜브, 이중벽탄소나노튜브 다중벽탄소나노튜브, 탄소 나노섬유, 나노카본, 그래핀, 플러랜 중에서 선택되는 하나 또는 2개 이상의 탄소나노선재를 일정 비율로 혼합하여 최총혼합용액을 만든 후, 상기 용액을 분산하여 만들어진 혼합분산용액을 (가) 단계에서 만들어진 흑연 팽창 시트에 코팅 처리하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명의 상기 분산제는 분산제로 물 또는 에틸알콜, 메틸알콜, 이소프로필 알코올, 아세톤, 메틸에틸케톤, 에틸 이소케톤, 에틸렌글리콜류, 아닐린류, 톨루엔, 클로로포름 소디움도데실 설페트, 폴리비닐알코올, 트리톤-x,하이드로프로필 셀룰로오즈, 하이드록시프로필 메틸셀룰로오즈 중에서 선택되는 하나 또는 2개 이상의 용액을 이용하여 일정비율로 혼합한 것을 특징으로 하고,
상기 바인더 용제로는 폴리에스터와 우레탄을 일정비율로 혼합한 우레탄계 용액을 사용하거나 실레인(접착증강제)와 에폭시계를 일정비율로 혼합한 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명의 팽창흑연시트에 코팅되는 혼합분산용액의 두께는 0.2㎛ 내지 5㎛ 이며, 롤 코팅(Roll Coating) 혹은 나이프 코팅(Knife Coating)방식 혹은 스프레이 코팅(Sparay Coating) 방식 중 적어도 어느 하나를 이용하여 코팅을 수행하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명의 상기 분산제는 선택된 분산제 각각 50중량부에, 50중량부를 혼합하고, 상기 바인더 용제는 폴리에스터 20중량부에 우레탄 80중량부를 혼합하거나, 실레인 2중량부에 에폭시계 98중량부를 혼합하고, 상기 분산제와 바인더는 분산제 70중량부에 바인더 30중량부를 혼합하고,
상기 분산제와 바인더 용제를 혼합한 용액 80중량부 내지 97중량부에 단일벽탄소나노튜브, 이중벽탄소나노튜브 다중벽탄소나노튜브, 탄소나노섬유, 나노카본, 그래핀, 플러랜 중에서 선택되는 탄소나노선재 3중량부 내지 20중량부를 혼합하거나, 선택되는 탄소나노선재가 2개 일경우에는 선택된 탄소나노선재 각각 1.5중량부 내지 10중량부를 혼합하는 것을 특징으로 한다.
이상의 구성 및 작용을 지니는 본 발명에 따른 팽창흑연시트에 혼합분산용액을 코팅한 혼합카본시트의 제조방법은,
충분히 높은 팽창화도를 갖고, 산화제나 강산을 사용치 않기 때문에 수득되는 팽창화 흑연 중에 포함되는 황산화물과 질산화물의 양을 크게 줄여 상대되는 금속을 부식시키는 문제점을 크게 줄일 수 있는 팽창흑연시트에 탄소나노선재를 포함한 혼합분산용액을 이용하여 제조된 혼합카본시트는 특히 수직방향의 열전도성이 향상되므로 수평방향과 수직방향 열전도율의 차이를 감소시켜, 상대적으로 낮았던 수직방향으로도 열전도성 향상에 크게 기여할 수 있다.
또한, 혼합분산용액을 팽창흑연시트에 코팅하는 과정에서 팽창흑연시트가 코팅되는 부수적인 효과를 통하여 인장 강도 및 찢김 강도가 향상되며 박리되는 현상을 방지하는 데에 효과가 크다.
본 발명은 상기 과제를 달성하기 위한 본 발명의 바람직한 실시예에는 다음과 같다.
본 발명의 실시예는 충분히 높은 팽창화도를 갖고, 산화제나 강산을 사용치 않기 때문에 수득되는 팽창화 흑연 중에 포함되는 황산화물과 질산화물의 양을 크게 줄여 상대되는 금속을 부식시키는 문제점을 크게 줄일 수 있는 팽창흑연시트를 제조하는 방법과 상기 팽창흑연시트에 혼합분산용액을 코팅하는 공정으로 이루어져 있고, 이하 이 공정을 나누어서 설명하기로 한다.
1. 팽창흑연시트의 제조방법
본 발명에 따른 팽창흑연시트의 제조방법은
(1) 금속 리튬 분말과 파라핀을 중량비로 1 : 1로 혼합하여서 된 처리혼합물을 흑연 분말과 혼합시키고, 이 혼합물을 180 내지 230℃의 온도범위, 250 내지 350kg/㎠의 압력 하에서 5 내지 7시간 반응시키는 화학처리단계;
(2) 상기 화학처리된 혼합물을 60메쉬(mesh) 이하로 분쇄하는 조분쇄단계;
(3) 조분쇄된 상기 혼합물을 70 내지 80℃의 온도의 물에 적어도 1시간 이상 담갔다가 꺼내는 수처리단계;
(4) 수처리된 상기 혼합물을 건조시키는 건조단계; 및 (5) 건조된 상기 혼합물을 750 내지 900℃의 온도에서 열처리하는 열처리단계;들을 포함하여 이루어진다.
상기 (1)의 화학처리단계에서 처리혼합물 : 흑연 분말의 혼합비가 10 내지 30중량% : 70 내지 90중량%의 비율로 혼합하는 것이 바람직하고, 상기 (4)의 건조단계에서 상기 혼합물을 적어도 100℃ 이상의 온도에서 적어도 2시간 이상 건조시키는 것이 바람직하다.
이하, 본 발명의 팽창흑연시트의 구체적인 제조방법을 상세히 설명한다.
본 발명에 따른 팽창화 흑연의 제조방법은, 금속 리튬 분말과 파라핀을 중량비로 1 : 1로 혼합하여서 된 처리혼합물을 흑연 분말과 혼합시키고, 이 혼합물을 180 내지 230℃의 온도범위, 250 내지 350kg/㎠의 압력 하에서 5 내지 7시간 반응시켜 화학처리한 후, 이를 750 내지 900℃의 온도에서 열처리하는 것에 의하여 황산화물과 질산화물이 거의 잔류하지 않는 팽창화 흑연을 간단하고도 용이하게 제조할 수 있다.
상기 (1)의 화학처리단계는 흑연 중에 층간화합물을 형성시키기 위한 단계로서, 종래의 산화제나 강산을 사용하는 것과는 달리 금속 리튬 분말과 파라핀의 혼합물을 사용하여 층간화합물을 형성시킴에 특징이 있다. 이러한 금속 리튬 분말과 파라핀의 혼합물로 된 처리혼합물은 수득되는 팽창화 흑연 중에 황산화물과 질산화물이 잔류하는 것을 크게 감소시킬 수 있다. 층간 화합물의 형성을 용이하게 하기 위하여는 상기 처리혼합물과 흑연 분말의 혼합 후의 반응은 180 내지 230℃의 온도범위, 250 내지 350kg/㎠의 압력 하에서 5 내지 7시간 반응시키는 것으로 이루어질 수 있다. 상기 반응온도가 180℃ 미만으로 되는 경우에는 충분한 반응이 일어나지 않는 문제점이 있을 수 있으며, 반대로 230℃를 초과하는 것은 파라핀이 변성 및 손실되는 문제점이 있을 수 있다. 반응압력이 250kg/㎠ 미만으로 되는 경우에는 역시 충분한 반응이 일어나지 않는 문제점이 있을 수 있으며, 반대로 350kg/㎠을 초과하는 것은 불필요한 압력의 증대일 뿐으로 이해될 수 있다. 반응시간이 5시간 미만인 경우 반응이 충분히 완료되지 않는 문제점이 있을 수 있으며, 7시간을 초과하는 반응조건의 유지는 불필요할 뿐인 것으로 이해될 수 있다.
상기에서 처리혼합물 : 흑연 분말의 혼합비는 10 내지 30중량% : 70 내지 90중량%의 비율로 이루어지는 것이 바람직하다. 상기 처리혼합물의 함량이 10중량% 미만으로 되는 경우에는 흑연 중의 층간화합물의 생성량이 적어 팽창화도가 낮아지는 문제점이 있을 수 있으며, 30중량%를 초과하는 것은 수득되는 팽창화 흑연의 물성의 저하로 바람직하지 못하게 되는 문제점이 있을 수 있다.
상기 (2)의 조분쇄단계에서는 상기 화학처리된 혼합물을 통상의 방법 및 장치에 의하여 60메쉬(mesh) 이하로 분쇄하는 것으로서, 입도를 균일하게 하는 역할을 한다. 상기 (3)의 수처리단계에서는 조분쇄된 상기 혼합물은 70 내지 80℃의 온도의 물에 적어도 1시간 이상 담갔다가 꺼내는 것으로서 리튬을 제거하는 역할을 한다. 상기 (4)의 건조단계는 수처리단계에서 혼합물 중에 포함된 수분을 제거하는 역할을 한다. 이들 조분쇄단계, 수처리단계 및 건조단계들은 종래의 팽창화 흑연의 제조방법에서의 분쇄, 수처리 및 건조 등을 수행하는 공정들과 동일 또는 유사한 것으로 이해될 수 있다. 특히, 상기 건조단계에서 상기 혼합물을 적어도 100℃ 이상의 온도에서 적어도 2시간 이상 건조시키는 것으로 이루어지는 것이 바람직하다. 건조상태에 따라 팽창화도가 달라질 수 있으며, 건조 후의 혼합물 중의 수분의 잔량의 조절 등은 수득하고자 하는 팽창화 흑연의 물성에 따라 조절될 수 있음은 당업자에게는 용이하게 이해될 수 있는 것이다.
이후, (5)의 열처리단계에서 건조된 상기 혼합물을 750 내지 900℃의 온도에서 열처리하는 것으로 팽창화 흑연을 수득할 수 있다. 열처리단계는 팽창화 흑연의 팽창화도를 결정하는 중요한 단계로서, 이 팽창화도의 조절에 따라 수득되는 팽창화 흑연의 물성을 조절할 수 있음은 당업자에게는 용이하게 이해될 수 있는 것임은 자명한 것이다.
2. 상기 팽창흑연시트에 혼합분산용액을 코팅하는 공정
본 발명의 실시예의 팽창흑연시트에 코팅되는 혼합분산용액의 제조과정은 다음과 같다.
(1) 혼합분산용액의 제조
본 발명의 실시예에 사용되는 분산제로는 물 또는 에틸알콜, 메틸알콜, 이소프로필 알코올, 아세톤, 메틸에틸케톤, 에틸 이소케톤, 에틸렌글리콜류, 아닐린류, 톨루엔, 클로로포름 소디움도데실 설페트, 폴리비닐알코올, 트리톤-x,하이드로프로필 셀룰로오즈, 하이드록시프로필 메틸셀룰로오즈 중에서 선택되는 하나 또는 2개 이상의 용액을 이용하여 일정비율의 분산제를 제조하고,
바인더 용제로 폴리에스터와 우레탄을 일정비율로 혼합한 우레탄계 용액이나 실레인(접착증강제)와 에폭시계를 일정비율로 혼합하여 바인더 용제를 제조한다.
상기의 분산제 및 바인더 용제를 일정 비율로 혼합하여 혼합용액을 만든 다음,
상기 혼합용액에 단일벽탄소나노튜브, 이중벽탄소나노튜브 다중벽탄소나노튜브, 탄소나노섬유, 나노카본, 그래핀, 플러랜 중에서 선택되는 하나 또는 2개 이상의 탄소나노선재를 일정 비율로 혼합하여 최종혼합용액을 만든 후,
상기 최종혼합용액을 비이커 또는 분산용기에 넣은 다음, 초음파 기기를 통하여 분산하여 혼합분산용액을 제조하고 팽창흑연시트에 혼합분산용액을 코팅하여 제조하게 된다.
이때, 상기 1차용액제조단계(S110)에서,
2개 이상의 용액을 이용하여 1차 용액을 만들 경우에는 선택된 분산제 각각 50중량부에, 50중량부를 혼합하는 것을 특징으로 한다.
이때, 상기 2차용액 제조단계(S120)에서,
폴리에스터와 우레탄을 혼합하여 2차 용액을 만들 경우에는 폴리에스터 20중량부에 우레탄 80중량부를 혼합하거나, 실레인과 에폭시계를 일정비율로 혼합하여 2차 용액을 만들 경우에는 실레인 2중량부에 에폭시계 98중량부를 혼합하는 것을 특징으로 한다.
이때, 상기 3차 용액제조단계(S130)에서,
제조된 1차 용액 70중량부에 제조된 2차 용액 30중량부를 혼합하는 것을 특징으로 한다.
이때, 상기 4차용액제조단계(S140)에서,
3차 용액 97중량부 내지 80중량부에, 단일벽탄소나노튜브, 이중벽탄소나노튜 브 다중벽탄소나노튜브, 탄소나노섬유, 나노카본, 그래핀, 플러랜 중에서 선택되는탄소나노선재 3중량부 내지 20중량부를 혼합하거나, 선택되는 탄소나노선재가 2개 일경우에는 선택된 탄소나노선재 각각 1.5중량부 내지 10중량부를 혼합하는 것을 특징으로 한다.
이하, 본 발명에 의한 팽창흑연시트에 혼합분산용액을 코팅한 혼합카본시트 및 그 제조방법의 실시예를 통해 상세히 설명하도록 한다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 팽창흑연시트에 혼합분산용액을 코팅한 혼합카본시트 제조방법의 공정도이다.
본 발명은 작업위치에 놓여진 상기 팽창흑연시트의 어느 일면 또는 양면에 혼합분산용액을 도포한 다음, 상기 작업위치에 성형압력과 성형두께를 제어할 수 있는 롤 프레스에 위치시키고, 롤링공정의 반복으로 최종제품이 요구되어지는 목표두께까지 압착하는 것을 특징으로 하며 최종가공물이 수평 및 수직방향으로 열전도성이 우수한 혼합카본시트를 제공할 수 있다.
도 1에 도시한 바와 같이, 본 발명인 팽창흑연시트에 혼합분산용액을 코팅한 혼합카본시트 제조방법은,
분산제로 물 또는 에틸알콜, 메틸알콜, 이소프로필 알코올, 아세톤, 메틸에틸케톤, 에틸 이소케톤, 에틸렌글리콜류, 아닐린류, 톨루엔, 클로로포름 소디움도데실 설페트, 폴리비닐알코올, 트리톤-x,하이드로프로필 셀룰로오즈, 하이드록시프로필 메틸셀룰로오즈 중에서 선택되는 하나 또는 2개 이상의 용액을 이용하여 일정비율의 1차 용액을 만드는 1차용액제조단계(S110)와;
바인더 용제로 폴리에스터와 우레탄을 일정비율로 혼합한 우레탄계 용액이나 실레인(접착증강제)와 에폭시계를 일정비율로 혼합하여 2차 용액을 만드는 2차용액 제조단계(S120)와;
상기 1차 용액 및 2차용액을 일정 비율로 혼합하여 3차 용액을 만드는 3차 용액제조단계(S130)와;
3차 용액에 단일벽탄소나노튜브, 이중벽탄소나노튜브 다중벽탄소나노튜브, 탄소나노섬유, 나노카본, 그래핀, 플러랜 중에서 선택되는 하나 또는 2개 이상의 탄소나노선재를 일정 비율로 혼합하여 4차(최종)용액을 만드는 4차용액제조단계(S140)와;
4차(최종) 혼합 용액을 비이커 또는 분산용기에 넣은 다음, 초음파 기기를 통하여 분산하여 혼합분산용액을 제조하는 혼합분산용액제조단계(S150)와;
팽창흑연시트에 상기 혼합분산용액을 코팅하는 코팅단계(S160);를 포함하여 혼합카본시트를 제조하는 것을 특징으로 한다.
상기 1차용액제조단계(S110)는 선택되는 하나 또는 2개 이상의 용액을 이용하여 일정비율의 1차 용액을 만들게 된다.
상기 분산제를 제조시 에틸알콜 및 아세톤을 선택할 경우에는 에틸알콜 50중량부에 아세톤 50중량부를 혼합하여 1차 용액을 제조하게 된다.
상기 바인더 용제를 폴리에스터와 우레탄을 일정비율로 혼합한 예를 들어, 폴리에스터 20중량부에 우레탄 80중량부로 혼합한 우레탄계 용액을 혼합하여 제조하거나, 실레인(접착증강제)와 에폭시계를 일정비율로 혼합할 경우에는 실레인 2중 량부에 에폭시계 98중량부로 혼합하여 제조한다.
상기 분산제 및 바인더 용제를 일정 비율로 혼합하여 예를 들어, 상기 제조된 분산제 용액 70중량부에 바인더 용액 30중량부를 혼합하여 혼합용액을 만들게 된다.
상술한 바와 같이 상기 최총혼합용액을 제조방법은 상기 혼합용액에 단일벽탄소나노튜브, 이중벽탄소나노튜브 다중벽탄소나노튜브, 탄소나노섬유, 나노카본, 그래핀, 플러랜 중에서 선택되는 하나 또는 2개 이상의 탄소나노선재를 일정 비율로 혼합하게 되는데,
이 경우, 혼합용액에 탄소나노섬유를 선택하여 혼합할 경우(하나 선택시)에는 제조된 혼합 용액 97중량부 내지 80중량부에 탄소나노섬유 3중량부 내지 20중량부를 혼합하게 된다.
즉, 혼합용액 97중량부 선택시 탄소나노섬유 3중량부를 혼합하게 되는 것이다.
한편, 혼합용액에 탄소나노섬유 및 나노카본을 선택하여 혼합할 경우에(2개 선택시)는 제조된 혼합용액 80중량부 내지 97중량부에 탄소나노섬유 1.5중량부 내지 10중량부에, 나노카본 1.5중량부 내지 10중량부를 혼합하게 되는 것이다.
즉, 혼합용액 97중량부 선택시 탄소나노섬유 1.5중량부, 나노카본 1.5중량부를 혼합하게 된다.
(2) 팽창흑연시트에 혼합분산용액을 코팅하는 공정
상기 팽창흑연시트(100)에 상기 혼합분산용액(200)을 코팅하는 코팅공정에서, 코팅되는 혼합분산용액의 두께는 도 1에 도시된 바와 같이 0.2㎛ 내지 5㎛ 이며, 롤 코팅(Roll Coating) 혹은 나이프 코팅(Knife Coating)방식을 이용하여 코팅을 수행하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 실시예의 혼합카본시트는 탄소나노선재를 포함한 혼합분산용액을 표면부의 공극을 메움과 동시에 표면에 도포하게 하는 것을 말한다.(본 발명의 전 명세서에서는 이를 "코팅"이라 한다)
이는 본래의 팽창흑연 시트(100) 상의 공극을 줄여 열전도성을 극대화할 수 있으며, 또 나노 입자의 세라믹계나 고분자 수지를 이용하여 표면부의 공극 및 표면에 침투시켜, 탄소 서로간의 사이에서 접착제 역할을 함으로서, 열전도율의 향상과 박리를 방지할 수 있고, 시트 표면에 전기적 절연성을 띌 수 있다.
종래의 기술로는 일정 크기의 흑연 입자를 정제(intercalation), 팽창(expander)후 연속식 압축에 의해 생산하였고, 생산된 시트는 박리 문제를 해결하기 위해 그 한쪽면에 폴리에틸렌(PE) 또는 피이티(polyethylen terephthalate)를 기재로한 보호테이프와 다른 한쪽 면에는 폴리에틸렌(PE) 또는 피이티(polyethylen terephthalate)를 기재로한 양면테이프를 접합하여 사용하여 왔다.
그러나 전자 현미경으로 팽창흑연시트의 단층 및 표면에 사진 촬영을 해보면 팽창된 흑연입자가 적층을 이룰 때 많은 공극을 형성하게 된다. 바로 그 공극 때문에 열 및 전기 전도율을 저하시킨다.
특히 수직 방향으로 더 저하된다. 이러한 문제를 해결하기 위하여, 팽창된 흑연 입자의 크기보다 훨씬 작은 탄소나노선재를 이용하여 그 공극에 위치하게 함으로서 밀도가 더 높아지게 할 수 있고, 더 나은 열 및 전기 전도율을 향상시킬 수 있으며, 표면부에 이러한 탄소나노선재를 위치하게 하면 전도율을 더욱 극대화할 수 있고, 박리 현상도 현저하게 줄일 수 있다.
또한, 탄소나노선재와 나노 입자의 세라믹계나 고분자 수지를 혼합 분산하여 그 표면에 코팅을 하면 박리(exfoliation) 문제와 전기 쇼트(electricity-short) 문제를 해결할 수 있다.
상기 탄소나노선재는 단일벽탄소나노튜브, 이중벽탄소나노튜브 다중벽탄소나노튜브, 탄소나노섬유, 나노카본, 그래핀, 플러랜 중의 어느 하나 이상을 포함한다.
여기서, 분산제로는 물 또는 에틸알콜, 메틸알콜, 이소프로필 알코올, 아세톤, 메틸에틸케톤, 에틸 이소케톤, 에틸렌글리콜류, 아닐린류, 톨루엔, 클로로포름 소디움도데실 설페트, 폴리비닐알코올, 트리톤-x,하이드로프로필 셀룰로오즈, 하이드록시프로필 메틸셀룰로오즈 중에서 선택되는 하나 또는 2개 이상의 용액을 사용한다.
또한, 분산첨가제의 주원료중 하나인 바인더의 재료는 폴리에스터와 우레탄을 일정비율로 혼합한 우레탄계 용액이나 실레인(접착증강재)와 에폭시계를 일정비율로 혼합한 에폭시계용액을 사용한다.
이러한 혼합분산용액 코팅층은 0.2㎛ 내지 5㎛ 정도의 두께로 형성되는데, 롤 코팅(Roll coating)과 나이프코팅(Knife Coating)중 어느 하나의 코팅 방법에 의해 코팅될 수 있다.
참고로, 롤 코팅(Roll coating)이란 혼합분산용액을 롤러를 통하여 팽창흑연시트의 일면에 코팅하는 것을 말하고, 나이프코팅(Knife coating)이란 일정량의 혼합분산용액을 팽창흑연시트의 일면에 도포한 다음 나이프를 이용하여 적정량의 두께로 얇게 펴서 코팅하는 것을 말한다.
도 2에 도시한 바와 같이, 혼합분산용액의 코팅층을 더 형성할 경우, 보다 높은 방열효과를 이끌어 낼 수 있음을 알 수 있었다.
참고로 혼합분산용액 코팅층을 형성한 팽창흑연시트의 열전도율을 살펴보면 동일한 온도조건하에서 혼합분산용액의 코팅층이 형성된 열전도성 카본시트가 일반 팽창흑연시트에 비해 방열효과가 높은 것을 알 수 있었다.
이상에서와 같은 내용의 본 발명이 속하는 기술분야의 당업자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시 예들은 모든 면에서 예시된 것이며 한정적인 것이 아닌 것으로서 이해해야만 한다.
본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구 범위의 의미 및 범위 그리고 그 등가 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
본 발명인 팽창흑연시트에 혼합분산용액을 코팅한 혼합카본시트는 LCD, PDP, LED 등의 차세대 평판 디스플레이 장치의 산업분야에서 방열판으로 그 기능성이 우수할 것으로 판단되며, PC, 노트북, 넷북, 모바일 기기, 자동차의 방열판, 가전기기의 방열 장치 등에 활용될 것이다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 팽창흑연시트에 혼합분산용액을 코팅한 혼합카본시트 제조방법에 의해 형성된 혼합분산용액이 팽창흑연시트에 코팅되는 예를 나타낸 예시도이다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 팽창흑연시트에 혼합분산용액을 코팅한 혼합카본시트 제조방법에 의해 제조된 혼합카본시트의 열물성 실험 결과를 나타낸 도면이다.
* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *
100 : 팽창흑연시트
200 : 혼합분산용액
Claims (4)
- (가) 금속 리튬 분말과 파라핀을 중량비로 1 : 1로 혼합하여서 된 처리혼합물을 흑연 분말과 혼합시킨 후 이 혼합물을 분쇄하는 분쇄 과정을 거친 후 이를 일정온도의 수조에 담그는 수처리 단계를 거친 후, 이를 건조한 다음에 상기 건조된 혼합물을 열처리하여 팽창흑연시트를 제조 후;(나) 분산제 70중량부에 바인더 용제 30중량부를 혼합하여 혼합 용액을 만들어,상기 분산제와 바인더를 혼합한 용액 80중량부 내지 97중량부에 단일벽탄소나노튜브, 이중벽탄소나노튜브 다중벽탄소나노튜브, 탄소나노섬유, 나노카본, 그래핀, 플러랜 중에서 선택되는 탄소나노선재 3중량부 내지 20중량부에 혼합하여 최종혼합용액을 제조한 후 , 상기 최종혼합용액을 분산하여 만들어진 혼합분산용액을 (가)단계에서 만들어진 흑연 팽창 시트에 코팅 처리하되,상기 분산제는 분산제로 물 또는 에틸알콜, 메틸알콜, 이소프로필 알코올, 아세톤, 메틸에틸케톤, 에틸 이소케톤, 에틸렌글리콜류, 아닐린류, 톨루엔, 클로로포름 소디움도데실 설페트, 폴리비닐알코올, 트리톤-x,하이드로프로필 셀룰로오즈, 하이드록시프로필 메틸셀룰로오즈 중에서 선택되는 하나 선택하거나 2개의 분산제를 혼합하여 사용할 경우에는 선택된 분산제를 선택된 분산제 각각 50중량부에, 50중량부를 혼합하고,상기 바인더 용제는 폴리에스터 20중량부에 우레탄 80중량부를 혼합하거나, 실레인(접착증강제) 2중량부에 에폭시계 98중량부를 혼합한 것을 특징으로 하는 팽창흑연시트에 혼합분산용액을 코팅한 혼합카본시트 제조방법.
- 삭제
- 제1항에 있어서,팽창흑연시트에 코팅되는 혼합분산용액의 두께는 0.2㎛ 내지 5㎛ 이며, 롤 코팅(Roll Coating) 혹은 나이프 코팅(Knife Coating)방식 혹은 스프레이 코팅(Sparay Coating) 방식 중 적어도 어느 하나를 이용하여 코팅을 수행하는 것을 특징으로 하는 팽창흑연시트에 혼합분산용액을 코팅한 혼합카본시트 제조방법.
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