[첨단 헬로티]
아가리 야스유키(上利 泰幸) 大阪산업기술연구소
기능성 고분자는 1970년대에 오사카(大阪) 대학의 타케모토 키이치(竹本 喜一) 선생이 제창한 역사가 오래된 테마인데, 새로운 고분자를 개발해 그 성질로부터 응용을 생각하지 않고 응용의 요구(기능)를 가진 고분자를 개발한다고 하는 지금에는 상식적이지만 당시에는 매우 획기적인 개념이었다.
그 요구는 생체계 고분자를 의식한 것이었지만, 점차적으로 응용 분야가 빛이나 전기 등으로 확대되어 고분자 자체뿐만 아니라, 복합 고분자 재료까지 활용해 기능성 수지가 개발되게 됐다.
우선, 고분자의 우수한 성형성을 활용해 광학적 기능이나 전기․전자 기능을 부여한 기능성 수지와 생체 적합성을 높인 의료용 기능성 수지 등이 개발되어 왔다.
그리고 21세기에 들어, 자동차 업계의 차체 경량화 요구에 대응해 금속 부품을 수지 부품으로 대체하기 위해 내열성과 강인성, 기계적 성질 등의 향상을 도모한 고기능 수지와 금속의 장점과 수지의 장점을 겸비한 기능성 복합체가 전개되어 왔다. 또한 자동차 전화의 진화를 위한 각종 기능성 수지와 디스플레이 해상도 등을 향상시키기 위한 기능성 수지 필름 등이 현격한 진보를 이루어 왔다.
그리고 최근에는 차세대 자동차나 3D 프린터, 5G 통신, IoT 기술, AI 기술 등의 차세대 산업의 큰 진보를 지지하기 위해 각종 고기능 수지의 개발이 추진되고 있다. 여기서는 3D 프린터용 수지, 5G나 IoT를 지지하는 저유전 수지와 전자파 실드재 등에 대해서 개설한 후, 동 연구실에서 개발하고 있는 서멀 매니지먼트 재료에 대해 설명한다.
차세대 산업을 지지하는 기능성 수지의 사례
차세대 기술로서 주목받고 있는 5G 통신이나 IoT를 지지하기 위해 저유전성 수지와 전자파 실드 수재 등이 기능성 수지가 개발되고 있다. 또한 3D 프린터용 수지도 진보를 계속하고 있다. 그러므로 기능성 수지의 최전선 현황으로서 이들 사례를 소개한다.
1. 저유전성 수지
차세대 규격인 5G에서는 방대한 트래픽을 처리하기 위해 그 통신 주파수는 6GHz 이상의 고주파수대가 예상되고 있다. 또한 자동차 용도에서도 차재 레이더 시스템으로서 60/76GHz대 레이더의 이용이 추진되고 있다. 그렇기 때문에 그 프린트 기판용 수지는 고주파에 의한 전송 손실 대책이 필요하다. 특히 절연수지의 유전율이나 유전체 손실률의 저하가 요망되고 있다.
수지의 유전 특성은 그림 1에 나타냈듯이 유전율이 작은 수지가 유전 손실률도 작아지며, 대표적인 저유전 수지는 PTFE나 폴리올레핀인데, 모두 내열성이 작기 때문에 글라스 클로스 보강 등으로 이용되고 있는 예도 있다.
그러나 고온화가 예측되는 고주파 용도에서는 폴리페닐렌에테르나 액정폴리머(LCP)의 사용이 추진되고 있다. LCP의 전자기판은 그 전파 손실이 일반적으로 폴리이미드(PI) 전자기판에 비해 고주파 영역에서 작은 것이 알려져(그림 2), 내구성이나 내열성이 중요한 분야에서는 그 이용이 추진되고 있다.
그러나 아라카와(荒川)화학(주)가 개발한 PI 기판 재료는 LCP와 거의 차이가 없을 뿐만 아니라 접착성이나 가공성도 우수해 주목받고 있다(그림 3). 이와 같이 현재는 LCP나 PI를 기반으로 한 고기능 수지의 저유전성 재료가 경쟁을 벌이며 개발되고 있다.
2. 전자파 실드 재료
정보통신 분야에 대해 IoT가 진전해 제5 세대의 통신 기술 5G와 결합하려 하고 있다. 그 사용 주파수는 밀리파(24～86GHz)인데, 동일 전자기판이나 부품에서 발신된 전파의 혼신에 의해 여러 가지 오작동의 원인이 되기 쉽다.
특히 자동차 내에는 전파의 발신과 수신을 동시에 하는 장소가 많이 있어 혼신을 방어하는 것이 자동차의 자동 주행이나 충돌 방지 등 이동혁명을 실현하는 중핵 기술의 하나로, 그것을 담당하는 전자파 실드 기능 수지의 고성능화가 기대되고 있다.
지금까지의 전자파 실드 기능 수지는 원방계 전파 흡수․반사를 목적으로 하고, 스마트폰이나 퍼스널컴퓨터 등에서는 근방계 전자파 흡수를 목적으로 개발되어 왔다. 전자는 전파의 차폐를, 후자는 자파의 차폐를 주목적으로 개발되고 있으며, 전자에서는 금속막의 형성이, 후자에서는 자성체 등의 전파흡수체가 중요하다.
5G 통신에서는 고주파 영역을 이용해 떨어진 통신기끼리의 왕래뿐만 아니라, 통신기 내에 발신부와 영향을 받는 부분이 공존하는 경우도 많아 근방계나 원방계 모두 전자파 실드가 중요해지고 있다. 그렇기 때문에 복합형 실드 재료가 주목받고 있다.
또한 탄소 재료의 이용이 기대되고, 슈퍼그로스법으로 제작된 카본나노화이버(CNF)의 도료가 마이크로파 영역(4.5～6GHz)에서 30dB의 성능을 갖는 것이 보고되어 있다.
3. 3D 프린터용 수지
3D 프린터의 최근의 눈부신 진보에 대응하기 위해 그 소재 수지의 분자 구조와 조성 등의 연구가 이루어져 왔다. 특히 이용하는 프린터 소선은 가열 시에 녹아 튀기 쉽고, 성형품 표면에 도달 후에는 성형품에 빨리 융착해 충분한 강도를 갖는 등 상반되는 기능이 필요하며, 유니치카(주)제 3D 프린터용 폴리유산이 유명하다. 또한 최근에는 성형 후에 열을 가함으로써 자유롭게 변형할 수 있는 새로운 소재를 개발했다(그림 4).
서멀 매니지먼트 재료의 개발
차세대 자동차나 AI 기술 등의 고기능․고성능화와 함께 이용되고 있는 전기․전자기기의 서멀 매니지먼트 기술(열전도, 열복사, 내열, 축열, 저열팽창)의 고도화가 크게 요망되고 있다.
또한 IoT 기술과 동시에 이용되는 5G 통신도 보다 고출력화되는 경우가 많아, 보다 큰 방열성이 요망된다. 그렇기 때문에 그 서멀 매니지먼트 기술을 지지하는 기능성 수지의 개발이 더욱 기대되고 있다. 그러나 전기전도율과 달리 도열성 필러를 고충전한 복합재료로는 좀처럼 필요한 고열전도율을 얻을 수 없었다.
그래서 우리는 여러 가지 방법으로 필러를 ‘연결’함으로써 지금까지 없는 고열전도율을 가진 각종 열전도성 수지와 상식을 깨고 투명한 열복사 코팅재를 개발해 실용화로 이어 왔다. 여기서는 동 연구실이 개발한 이들 기술을 소개한다.
1. 저융점 금속으로 연결, 성형성도 우수한 고열전도성 수지
저융점 합금을 이용, 충전재를 연결해 고열전도화를 목표로 했다(그림 5). 우선 기존의 열전도성 고분자 재료의 대부분에서 이용된 형태, 즉 고열전도성 충전재로서 질화붕소, 흑연, 동(Cu), 알루미늄(Al)을 이용해 PPS에 고충전하고 열전도율을 측정했는데, 최고가 2.6W/m․K였다. 또한 그 때의 충전량은 50vol%로, 고점도이고 사출성형에 적합하지 않다고 생각된다.
그러나 1.5W/m․K의 조성 A에 저융점 합금을 복합화하면 열전도율이 13.9W/m․K로 높아지고, 또한 저융점 합금, 열전도성 충전재를 증량하면 열전도율이 28.5W/m․K로 더 비약적으로 높아진다는 것을 알 수 있었다.
이 복합 고분자 재료는 열전도성 충전 재료를 적게 할 수 있기 때문에 쉽게 사출성형을 할 수 있었다. 또한 연결하는 필러를 절연계로 함으로써 전기절연성의 고열전도성 PPS도 개발할 수 있었다.
2. CNF로 연결해 고기능화된 고열전도성 수지
흑연가루 충전계에, 또한 0.5wt%의 카본나노튜브를 이용한 경우에 비약적으로 큰 열전도율을 얻는 큰 상승효과를 발현할 수 있었다. 예를 들면 흑연가루 충전계에 소량의 CNF를 잘 배치함으로써 35vol%에서 2배 이상의 열전도율을 갖게 할 수 있었다(그림 6).
3. 필러끼리 융착, 공연속 구조를 형성한 고열전도성 수지
필러끼리 완전히 접합한 고열전도성 Al 합금/PPS 하이브리드 재료를 개발했다. 이 재료의 열전도율은 70vol% 부근에서 100W/m․K 이상이 되어, 매우 큰 열전도율이 됐다. 그리고 이 재료의 열전도율 로그값은 AI 합금의 용량 백분율에 대해 S자 커브를 나타내며, 열전도율 분야에서 처음으로 전기전도율과 동일한 거동을 발현하는 재료의 개발에 성공했다(그림 7).
4. 석영보다 작은 열팽창률과 산화마그네슘과 주석 수준의 열전도율을 가진 전기절연성 수지
필러 표면의 수식 사슬을 고안함으로써 최고 수준의 고열전도율뿐만 아니라, 석영보다 작은 저열팽창률도 가진 액정성 고분자계 하이브리드 재료의 개발에 성공했다(표 1).
여기서는 유리 전이 온도도 250℃까지 확인되지 않기 때문에 내열성과 인성도 매우 우수하고 복합 고분자 재료로서 성형할 수 있는, 지금까지 없는 ‘세라믹 재료’의 성질을 가진 유연성이 우수한 기능성 수지로서 활용이 확대되어 갈 것으로 기대된다.
5. 투명 방열 코팅재
방열 코팅재는 보통 흑색이나 백색인데, 동 연구실에서는 투명한 방열 코팅재를 개발했다(표 2). 유리와 비교해 전광선 투과율이 충분히 크고, 헤이즈는 1까지 저하시킬 수 있었다. 한편 열복사율은 모두 약 0.9로, 충분한 방열성이 있다고 생각된다. 그리고 디자인성을 크게 넓힐 수 있고, 기본재가 금속인 경우는 금속이 가진 빛(근적외 등) 반사 특성 등을 활용할 수 있으므로 폭넓은 응용을 기대할 수 있다.
기능성 수지의 개발은 1970년대부터 시작됐지만, 현재 및 차세대 산업을 지지하는 꼭 필요한 재료로서 점점 더 발전해 갈 것으로 생각된다. 그렇기 때문에 연구개발자가 진화하는 요구에 발맞춰 폭넓은 기반 기술을 이용, 이노베이션을 계속해 가는 것이 중요하다고 생각된다.
