열전도율과 절연성을 40배 향상시킨 고성능 에폭시수지 개발

[아이팍스]

열전도율과 절연성을 40배 향상시킨 고성능 에폭시수지 개발

KISTI 『글로벌동향브리핑(GTB)』 2009-07-19

스미토모 오사카 시멘트 회사와 토시마사 공업 주식회사는 전기 절연성을 유지하면서 기존의 에폭시 수지보다 우수한 열전도성을 보이는 새로운 액상 에폭시 수지를 개발했다. 새로운 에폭시 수지는 기존의 일반적인 에폭시 수지에 비해 약 10~40배까지 열전도율을 향상시켰다고 한다.

여기서 열전도율은 열전도 상수로 k값을 사용하고 있으며, 나무, 공기, 스티로폼 등은 열전도율이 낮기 때문에 열전도가 잘 되지 않는 반면 금속은 열전도율이 높아 열전도가 잘 된다. 즉, 열전도 k값이 큰 물질은 좋은 열 전도체이며, k값이 작은 물질은 좋은 열 전열체이다.
집의 창문을 보면 보통 2중창으로 되어 있는데 이는 창문과 창문 사이에 공기라는 열 전열체를 사용하기 위한 것이다. 뜨거운 냄비를 들어 올릴 때 오븐용 장갑을 사용하는 것은 오븐용 장갑이 좋은 열 절연체이기 때문이다. 옷감을 예로 들면 열전도도가 큰 아마섬유는 시원한 섬유이고, 열전도도가 작은 양모는 가장 따뜻한 섬유이다.

여기서 일반적으로 에폭시 수지는 분자 내에 에폭시기 2개 이상을 갖는 수지상 물질 및 에폭시기의 중합에 의해 생긴 열경화성 수지이다. 굽힘강도나 굳기 등 기계적 성질이 우수하고 경화 시에 휘발성 물질의 발생과 부피의 수축이 없고, 경화할 때는 재료 면에 큰 접착력을 가진다. 에폭시수지를 생성하는 반응에 관해서는 이미 19세기 말에 알려져 있었으나, 실용화를 위한 연구는 1930년경 미국에서 착수되어 1946년경부터 제품이 판매되었다.
비스페놀 A[2,2-비스(4`-옥시페놀)프로페인]와 에피클로로하이드린을 수산화나트륨의 존재 하에서 작용시키면 분자량 300~4,000의 제1차 수지(프레폴리머)가 생긴다. 1차 수지는 원료의 배합조건에 따라 기름 모양의 것에서 연화점이 160℃ 가까운 고체 모양의 것까지 얻을 수 있기 때문에 용도에 따라 반응조건을 선택한다. 제1차 수지에 m-페닐렌다이아민 등 아민, 프탈산무수물 등 산(경화제)을 첨가하면 에폭시기의 고리열림 및 하이드록시기와의 반응이 일어나 다리결합이 이루어져 경화제의 종류나 반응조건에 따라 각각 성질의 다른 수지가 생긴다.

에폭시수지는 비중 1.230~1.189이며, 가연성 및 내약품성이 크지만 강한 산과 강한 염기에는 약간 침식된다. 안료를 첨가함으로써 마음대로 착색할 수 있고, 내일광성도 크다. 제품의 최고 사용온도는 80℃ 정도로 낮으며, 주형·매입·봉입 등 뛰어난 가공성을 보인다. 이상과 같은 성능을 이용하여 접착제(금속과 금속의 접합)·도료·라이닝 재료·주형품 재료·적층판·염화비닐수지의 안정제 등 그 용도가 다양하다. 최근에는 종래의 제품이 내열성에서 미흡한 점을 보완하여 고리모양 다이에폭시수지를 개발하고, 내열성을 180℃ 전후까지 높이는데 성공하였다고 한다. 이러한 수준의 에폭시보다 열전도성을 더욱 개선한 기술이 개발된 것이다.

최근 전자 부품이나 전기 기기가 고성능 및 소형화하면서 전자 부품의 발열로 인한 기기의 내부로부터의 발열량이 증가하고 있어, 효율적으로 방열할 수 있는 재료의 개발이 요구되고 있다. 오사카시멘트는 2007년 4월에 열가소성 수지의 내부에 무기 광물 입자의 에폭시 수지를 개발하였고, 모터나 센서 그리고 LED 관련 부품에 주로 사용되고 있다.

이 기술은 액상 에폭시 수지 내부에 열전도 구조를 도입해 전기적 절연(=비저항 1013～15Ω?<cm、절연파괴전압 9～16kV/mm)을 유지하면서, 열전도율만을 일반적인 액상 에폭시 수지에 비해 약 10~40배(1=17W/m·<K)까지 증가시킨 고열전도성 및 전기 절연성의 액상 에폭시 수지 기술이다.

이 기술은 열전도율 측면에서는 세계 최고 수준이며, 전기 전자 부품의 방열 문제에 대해 혁신적인 효과를 줄 것이다. 또한, 뛰어난 열전도성과 전기절연성을 가지면서 다음과 같은 특징을 가지고 있다. 일반적으로 열전도를 높이기 위해 많은 양을 주입함으로써 생기는 유동성 저하 문제로 에폭시를 주입하는 작업성이 나빠지는 문제를 해결하였으며, 부드럽게 주형물에 스며들어가도록 유연성을 갖도록 했다.

개발한 에폭시 수지 재료는 방열 성능을 높여, 제품의 온도가 오르지 않게 하면서 빠르게 냉각시키는 동시에 전기 절연은 유지할 수 있도록 하는 가장 뛰어난 재료라고 소개했다.

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http://www.soc.co.jp/news/pdf/090715news.pdf