KR20200044396A - 고분자 전구체를 이용한 고성능 방열 박막소재의 제조방법 - Google Patents

고분자 전구체를 이용한 고성능 방열 박막소재의 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명의 고분자 전구체를 이용한 고성능 방열 박막소재의 제조방법은 폴리이미드를 NMP에 분산시켜 혼합물을 생성하는 단계(S10); 혼합물을 캐스팅하여 필름을 제조하는 단계(S20); 제조된 필름을 열처리하여 용매를 제거하는 단계(S30); 및 용매가 제거된 필름을 탄화 및 흑연화하여 탄소 필름을 제작하는 단계(S40)를 포함할 수 있다.

Description

고분자 전구체를 이용한 고성능 방열 박막소재의 제조방법{METHOD OF MANUFACTURING HIGH PERFORMANCE THIN FILM MATERIAL USING POLYMER PRECURSOR}
본 발명은 고분자 전구체를 이용한 고성능 방열 박막소재의 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 기계적 강도가 우수하며 유연한 특성을 가짐과 동시에 높은 열전도도를 가지는 고방열 소재에 응용가능한 고성능 방열 박막소재의 제조방법에 관한 것이다.
최근에 전자기기의 발전과 복잡한 기능의 요구에 따라 인쇄회로기판의 저중량화, 박판화, 소형화가 날로 진행되고 있다. 이러한 요구를 충족시키기 위해서는 인쇄회로의 배선이 더욱 복잡하고, 고밀도화, 고기능화되어 간다. 또한, 많은 사람들로부터 주목을 받고 있는 웨어러블 기기 등 가볍고, 얇고, 유연한 형태의 전자소자는 많은 기능들을 부여하기 위하여 고집적화가 필수적이다. 다만, 이러한 고집적화에 따른 전자소자 내부의 발열 문제는 반드시 해결해야 하는 기술적 과제로 대두되고 있다.
전자기기를 소형화하기 위해서는 이를 구성하는 소재가 작고 집적화할 수 있으며, 동시에 높은 효율을 나타내어야 한다. 하지만, 이때 수반하여 발생하는 열에 의해 오히려 소재의 특성 더 나아가서는 전자기기의 특성을 저하시키는 결과를 초래하게 된다. 이 때문에, 우수한 방열 특성을 나타내기 위한 소재의 개발이 필요한 실정이다.
나아가, 기존에 사용되는 전자기기의 고장을 유발하는 원인으로, 장비 발열로 인한 고장이 가장 큰 비중을 차지하고 있으며, 휴대용 전자기기를 사용할 때 인체에 화상 또는 불쾌감을 유발할 가능성이 높다
종래의 금속 및 무기재료는 약 50 ~ 400 W/mK의 열전도도를 가지지만, 높을 중량을 가지며 가공이 어려운 특성으로 인하여 경량화 및 소형화를 위한 재료로는 적합하지 않다. 상용되고 있는 방열 소재는 성형하기 쉬운 고분자와 열전도도가 우수한 재료를 복합하여 제조하고 있다. 그러나 이는 낮은 열전도도를 갖는 고분자로 인해 약 1 ~ 30 W/mK의의 열전도도 특성을 갖는다. 이러한 문제점을 해결하기 위하여 이론적인 열전도도가 1 ~ 3000 W/mK를 갖는 흑연, 그래핀과 탄소나노튜브 등의 탄소 소재가 대두되고 있다. 예를 들어, 상용되는 제품 중 탄소 방열 소재의 열전도도 특성은 약 200W/mK를 가지지만, 높은 출력에서 사용되어지는 LED 등의 응용분야에는 더 높은 열전도도를 갖는 소재가 필요하다.
이러한 이유로 인하여 기계적 물성 및 열전도도가 뛰어난 고방열필름의 필요성이 높아지고 있다.
본 발명의 목적은 기계적 강도가 우수하며 유연한 특징을 가짐과 동시에 높은 열전도도를 갖고 고방열 소재에 응용이 가능한 고분자 전구체를 이용한 고성능 방열 박막소재의 제조방법을 제공함에 있다.
이런 목적은, 본 발명에서의 고성능 방열 박막소재의 제조방법이 고분자를 열처리함으로써 탄화시키고, 높은 열전도도 특성을 갖는 탄소나노튜브나 그래핀을 필러로 사용하여 복합체를 제조하도록 구성됨을 전제한다.
이와 같은 과제를 달성하기 위한 본 발명의 제1 실시예에 따른 고분자 전구체를 이용한 고성능 방열 박막소재의 제조방법은 폴리이미드를 NMP에 분산시켜 혼합물을 생성하는 단계; 혼합물을 캐스팅하여 필름을 제조하는 단계; 제조된 필름을 열처리하여 용매를 제거하는 단계; 및 용매가 제거된 필름을 탄화 및 흑연화하여 탄소 필름을 제작하는 단계를 포함할 수 있다.
본 발명의 제2 실시예에 따른 고분자 전구체를 이용한 고성능 방열 박막소재의 제조방법은 혼합물을 생성하는 단계는 폴리이미드와 그래핀을 혼합하는 단계를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 제2 실시예에 따른 고분자 전구체를 이용한 고성능 방열 박막소재의 제조방법은 혼합물을 생성하는 단계는 폴리이미드와 탄소나노튜브을 혼합하는 단계를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 바람직한 어느 실시예에 따른 고분자 전구체를 이용한 고성능 방열 박막소재의 제조방법에서, 혼합물을 생성하는 단계는 폴리이미드를 NMP에 1, 5, 10, 20 wt%로 순차적으로 분산시킬 수 있다.
본 발명의 바람직한 어느 실시예에 따른 고분자 전구체를 이용한 고성능 방열 박막소재의 제조방법에서, 혼합물을 캐스팅하여 필름을 제조하는 단계는 혼합물을 바코터를 이용해 300 ㎛로 캐스팅할 수 있다.
본 발명의 바람직한 어느 실시예에 따른 고분자 전구체를 이용한 고성능 방열 박막소재의 제조방법에서, 그래핀 표면의 산소 관능기를 조절하고 초음파분쇄기를 통하여 그래핀이 응집하는 현상을 방지할 수 있다.
본 발명의 바람직한 어느 실시예에 따른 고분자 전구체를 이용한 고성능 방열 박막소재의 제조방법에서, 필름을 제조하는 단계는 롤프레스의 압력을 통하여 필름을 균일하게 제조할 수 있다.
위와 같은 과제해결수단에 따르면, 본 발명은 유연한 특성을 가짐과 동시에 고효율 방열효과를 나타내는 방열필름을 제작할 수 있어, 전자제품의 수명의 증가를 기대할 수 있으며, 경량이고 가공이 용이한 특성으로 인하여 소형화되고 경량화된 전자제품들의 상용화를 앞당길 수 있게 한다.
도 1은 본 발명의 고분자 전구체를 이용한 고성능 방열 박막소재의 제조방법에 이르기 위한 발명자의 아이디어 회의록을 나타낸 도면이다.
도 2는 열적 아미드화를 통한 폴리이미드 생성과정을 나타낸 도면이다.
도 3은 그래핀과 탄소나노튜브를 도식적으로 나타낸 도면이다.
도 4는 셀룰로오스의 탄화 과정을 나타낸 도면이다.
도 5는 폴리이미드의 방열필름 제조방법을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 6은 폴리이미드와 탄소소재의 복합체의 방열필름 제조방법을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 7은 본 발명의 고분자 방열필름과 상용되는 방열필름을 비교하여 나타낸 도면이다.
도 8은 본 발명의 고분자 전구체를 이용한 고성능 방열 박막소재의 제조방법을 개략적으로 도식화한 다이어그램이다.
전술한 목적, 특징들 및 장점은 첨부된 도면과 관련한 다음의 실시예를 통하여 보다 분명해질 것이다.
특정한 구조 내지 기능적 설명들은 단지 본 발명의 개념에 따른 실시예를 설명하기 위한 목적으로 예시된 것으로, 본 발명의 개념에 따른 실시예들은 다양한 형태로 실시될 수 있으며 본 출원의 명세서에서 설명된 실시예들에 한정되는 것으로 해석되어서는 아니된다.
본 발명의 개념에 따른 실시예는 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있으므로 특정 실시예들은 도면에 예시하고 본 출원의 명세서에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명의 개념에 따른 실시예들을 특정한 개시 형태에 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
본 출원의 명세서에서 사용하는 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로서, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서 "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 설시된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성 요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성 요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 설명함으로써 본 발명을 상세히 설명하도록 한다. 각 도면에 제시된 동일한 참조부호는 동일한 부재를 나타낸다.
도 1에는 본 발명의 고분자 전구체를 이용한 고성능 방열 박막소재의 제조방법에 이르기 위한 발명자의 아이디어 회의록이 나타나 있다. 여기에는 웨어러블 디바이스 및 첨단 응용분야에 사용되기 위하여 기계적 물성 및 열전도도가 뛰어난 소재를 제조하기 위한 내용이 포함되어 있다.
기존에 상용되고 있는 방열 소재의 문제점은 다음과 같이 요약할 수 있다.
첫째, 무기 소재의 경우, 소재의 가공용이성 개선과 경량과를 위하여 다른 재료로 대체하는 것이 필요하다.
둘째, 가공성을 고려하여 널리 사용되는 기존의 고분자의 경우 낮은 열전도도 특성(1 ~ 30 W/mK)을 보여 고방열특성을 기대하기는 어렵다.
상기 첫째 문제점을 해결하기 위하여는 가공이 우수한 고분자재료를 이용하여야 하지만, 상기 둘째 문제점으로 언급된 바와 같이 순수 고분자 재료만으로는 고방열특성을 기대하기는 어렵다.
이에 따라, 본 발명의 고성능 방열 박막소재의 제조방법에서는 고분자를 열처리함으로써 탄화시키고, 3000 W/mK에 이르는 높은 열전도도 특성을 보이는 탄소나노튜브나 그래핀을 필러로 사용하여 복합체를 제조할 수 있다.
본 발명에 따른 고분자 전구체를 이용한 고성능 방열 박막소재의 제조방법에 사용되는 소재에 대하여 상세히 설명하면 다음과 같다.
폴리이미드(polyimide)는 기계적물성이 우수한 플라스틱 소재로서 1960년대 Dupont사에서 개발한 Kapton 제품이 대표적이다. 폴리이미드 자체는 가공하기 어렵지만, 가공성이 우수한 전구체인 PAA(polyamic acid) 형태를 이용함으로서 단점을 극복할 수 있다. PAA 전구체는 열적 이미드화, 화학적 이미드화, 재침법, 이소시아네이트법 등의 과정을 통해 폴리아미드로 전환시킬 수 있으나, 본 발명에서는 도 2에 나타난 바와 같은 가장 간단한 열적 이미드화 방법을 이용하는 것이 바람직하다. 도 2에는 열적 이미드화를 통한 폴리이미드 생성과정이 나타나 있으며, 이와 같이 중합된 폴리이미드는 우수한 열적 안정성을 보이기 때문에, 본 발명에서 필요한 열처리 과정(carbonization)에 유리하다. 다만, 본 발명에서는 상기 열거된 다른 과정이 사용될 수도 있으며 통상적으로 사용되는 폴리이미드 전환 방법이 모두 사용될 수 있다.
본 발명의 탄소 재료로는 그래핀(graphene) 또는 탄소나노튜브(carbon nanotube)가 사용될 수 있다.
그래핀은 탄소 소재의 하나로서 도 3(a)에 도시된 바와 같이 2차원 평면 구조를 갖는다. 그래핀은 평면을 따라서 탄소 원자 6개로 구성된 정육각형 방향고리(aromatic ring)가 연속적으로 분포된 벌집구조로 이루어져 있다. 이는 원자 1개의 두께로 이루어진 얇은 막으로, 두께는 약 0.2 nm이고 연속적인 방향고리 구조로 인해 우수한 전도성 및 기계적 물성을 보인다. 또한, 열전도도 측면에서 5000 W/mK에 이르므로 다이아몬드의 약 2배 이상, 구리의 약 12배 이상 높은 것으로 알려져 있다. 본 발명에서는 그래핀의 다양한 제조 방법을 채택할 수 있으나, 제조비용을 위하여 흑연(graphite)에서 화학적 처리를 이용하여 박리하는 방식인 화학적 박리법을 이용하여 제조하는 것이 바람직하다.
탄소나노튜브는 도 3(b)에 도시된 바와 같이 6개의 탄소로 이루어진 육각고리결합으로 구성된 원기둥 모양의 나노구조를 갖는 탄소 재료의 한 종류이다. 탄소나노튜브는 매우 가볍지만, 인장강도 및 탄성계수 등의 기계적 물성이 기존에 사용되는 고강도 합금보다 우수한 특성을 보이므로, 다양한 응용분야에서 이용될 것으로 기대되는 소재이다. 탄소나노튜브는 원자간 결합 특성(sp2와 sp3가 혼재된 컨주게이션(conjugation) 구조) 및 높은 결정성과 배향성으로 인하여 전자이동이 용이한 π결합으로 존재하여, 약 109 S/cm에 이르는 높은 열전도성 및 약 3000 ~ 6000 W/mK에 이르는 전기 전도성을 갖는다.
본 발명에서는 상기 언급된 재료들이 모두 사용될 수 있으며, 특히 산을 이용한 개질을 통해 친수성(hydrophilic) 관능기를 가지는 그래핀 및 CNT 필러를 이용하여 고분자 복합체를 제조할 수 있으며, 이에 따라 경제적이며 고방열인 소자를 제조할 수 있다.
본 발명에 따른 고분자 전구체를 이용한 고성능 방열 박막소재의 제조방법에 사용되는 소재의 강도와 열정도성 및 전기전도성을 보다 향상시킬 수 있는 탄화(carbonication) 과정에 대하여 상세히 설명하면 다음과 같다.
폴리아미드는 고분자합성을 통해 제조하기 때문에 재료의 특성을 더 유연하게 혹은 더 경직되도록 합성이 가능하다. 이에 따라 본 발명에서는 구조식을 조절하여 재료를 더 유연하게 합성함으로써, 필름을 유연하게 만들고 전도성을 부여하기 위해 탄소재료를 섞어 복합화하는 방식으로 설계할 수 있다. 본 발명에서는 각 재료의 장점을 살리기 위해서 각각 재료의 비율을 달리함으로써 필름을 제조한 후, 각 재료의 특성이 가장 잘 나오는 조건을 채택할 수 있다. 또한, 본 발명에서 고분자가 열전도성을 갖도록 하기 위해서는 탄화 과정이 필수적이다.
탄화과정이란, 예를 들어 도 4에 나타난 바와 같은 셀룰로오스의 탄화 과정과 같이, 유기물질 등을 산소가 없는 비활성기체 분위기에서 고온을 가열하여 탄소만을 얻는 과정으로, 고온에서는 유기물 형태의 CxHy, 혹은 CxHyOz가 분해되기 때문에 안정한 형태의 고결정성 탄소만 얻을 수 있다.
이러한 탄화과정을 통해 얻게 되는 고결정성 탄소는 포논(phonon)의 산란 위치(scattering site)를 줄이고, 파이-파이 결합이 형성됨에 따라 열 및 전자가 이동할 수 있는 경로(pathway)가 형성되어 높은 열전도성과 전기전도성을 가지게 된다. 이러한 사실에 근거하여 폴리아미드에 높은 열전도도를 부여하기 위하여 고온에서 탄화하는 과정을 본 발명에 적용할 수 있다. 이후, 본 발명에서는 흑연화(graphitization) 과정을 적용하여 탄화과정을 겪은 고분자 내부를 대부분 탄소화 시킴으로써 재료의 강도와 열전도성 및 전기전도성을 보다 더 향상시킬 수 있게 된다. 즉, 본 발명에서는 흑연화 과정을 마무리로 하여 열전도성이 우수한 고방열필름을 제조할 수 있다.
도 8을 참조하여, 본 발명에 따른 고분자 전구체를 이용한 고성능 방열 박막소재의 제조방법을 상세히 설명하면 다음과 같다.
본 발명의 고성능 방열 박막소재의 제조방법은 폴리이미드를 NMP에 분산시켜 혼합물을 생성하는 단계(S10); 혼합물을 캐스팅하여 필름을 제조하는 단계(S20); 제조된 필름을 열처리하여 용매를 제거하는 단계(S30); 및 용매가 제거된 필름을 탄화 및 흑연화하여 탄소 필름을 제작하는 단계(S40)를 포함할 수 있다.
본 발명의 제1 실시예에 따른 제조방법은, 도 5에 도시된 바와 같이 고분자만으로 방열필름을 제조할 수 있다. 상기 혼합물을 생성하는 단계는 폴리이미드를 NMP에 1, 5, 10, 20 wt%로 순차적으로 분산시킬 수 있다. 또한, 상기 혼합물을 캐스팅하여 필름을 제조하는 단계는 혼합물을 바코터를 이용해 300 ㎛로 캐스팅하여 필름을 제조할 수 있다. 제조된 필름을 1차로 열처리하여 용매를 제거한 후, 탄화와 흑연화를 거쳐 탄소 필름을 제작하게 된다.
본 발명의 제2 실시예에 따른 제조방법은, 도 6에 도시된 바와 같이 높은 열전도도를 갖는 탄소나노튜브나 그래핀의 고분자를 더 혼합시킬 수 있다.
제2 실시예의 일반적인 과정은 제1 실시예를 적용할 수 있으며, 다만, 상기 혼합물을 생성하는 단계는 폴리이미드와 그래핀을 혼합하는 단계를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 혼합물을 생성하는 단계는 폴리이미드와 탄소나노튜브를 혼합하는 단계를 더 포함할 수도 있다. 그래핀과 탄소나노튜브의 추가적인 혼합은 선택적으로 이루어질 수 있다.
이 경우, 본 발명에서는 열처리 및 탄화시 필름이 깨지는 현상을 방지하기 위하여 폴리아미드의 함량을 높이고 견고한 구조 대신 유연한 구조식을 도입할 수 있다. 또한, 주름지는 현상을 개선하기 위하여 롤프레스의 압력을 통하여 필름을 균일하게 제조할 수 있다.
나아가, 본 발명은 고분자와 탄소소재 복합체 제조시, 그래핀과 같은 탄소소재 표면의 산소 관능기를 조절하고 초음파분쇄기를 통하여 탄소소재가 응집하는 현상을 방지할 수 있다.
고분자만으로 탄화화 흑연화를 거친 필름은 약 528.15 w/mK의 열전도도를 보이며, 상당히 유연한 특징을 가질 수 있다.
이러한 본 발명의 고성능 방열 박막소재의 제조방법에서는 바코터, 탄화로, 흑연화로, 초음파분쇄기, 열화상카메라 및 열전도도 측정 기계 등의 장치가 사용될 수 있다. 측정된 열전도도의 경우에는 다음과 같은 식을 이용하여 도출할 수 있다.
Figure pat00001
열확산율(thermal diffusivity)의 경우 레이저 플래쉬 방법(laser flash method)를 이용하여 측정할 수 있으며, 열용량(heat capacity)는 DSC(differential scanning calorimetry)를 이용하여 측정할 수 있다.
본 발명에 따른 고성능 방열 박막소재의 완성제품은 도 7에 나타난 바와 같다. 도 7(a)에는 제조된 고분자 방열필름이 나타나 있으며, 도 7(b)에는 상용되는 방열필름이 나타나 있다.
한편, 제1 실시예와 제2 실시예의 구성들은 상호 적용 가능하며, 동시에 적용할 수도 있으며, 이는 제한되지 않는다.
이상, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 설명하였으나, 본 발명이 그에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면, 이러한 기재로부터 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 치환 및/또는 변경 가능하다. 그러므로, 본 발명의 범위는 전술한 실시예에 국한되어 정해져서는 아니 되며, 후술하는 청구범위뿐만 아니라 그에 균등한 것들에 의해 정해져야 할 것이다.
S10: 혼합물을 생성하는 단계
S11: 그래핀을 혼합하는 단계
S12: 탄소나노튜브를 혼합하는 단계
S20: 필름을 제조하는 단계
S30: 용매를 제거하는 단계
S40: 탄소 필름을 제작하는 단계

Claims (7)

  1. 폴리이미드(polyimide)를 NMP에 분산시켜 혼합물을 생성하는 단계(S10);
    상기 혼합물을 캐스팅하여 필름을 제조하는 단계(S20);
    상기 제조된 필름을 열처리하여 용매를 제거하는 단계(S30); 및
    상기 용매가 제거된 필름을 탄화 및 흑연화하여 탄소 필름을 제작하는 단계(S40)를 포함하는
    고분자 전구체를 이용한 고성능 방열 박막소재의 제조방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 혼합물을 생성하는 단계는 폴리이미드와 그래핀(graphene)을 혼합하는 단계(S11)를 더 포함하는
    고분자 전구체를 이용한 고성능 방열 박막소재의 제조방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 혼합물을 생성하는 단계는 폴리이미드와 탄소나노튜브(carbon nanotube)을 혼합하는 단계(S12)를 더 포함하는
    고분자 전구체를 이용한 고성능 방열 박막소재의 제조방법.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 혼합물을 생성하는 단계는 폴리이미드를 NMP에 1, 5, 10, 20 wt%로 순차적으로 분산시키는
    고분자 전구체를 이용한 고성능 방열 박막소재의 제조방법.
  5. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 혼합물을 캐스팅하여 필름을 제조하는 단계는 상기 혼합물을 바코터를 이용해 300 ㎛로 캐스팅하는
    고분자 전구체를 이용한 고성능 방열 박막소재의 제조방법.
  6. 제2항에 있어서,
    상기 그래핀 표면의 산소 관능기를 조절하고 초음파분쇄기를 통하여 그래핀이 응집하는 현상을 방지하는
    고분자 전구체를 이용한 고성능 방열 박막소재의 제조방법.
  7. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 필름을 제조하는 단계는 롤프레스의 압력을 통하여 필름을 균일하게 제조하는
    고분자 전구체를 이용한 고성능 방열 박막소재의 제조방법.
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Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN113980311A (zh) * 2021-11-26 2022-01-28 江苏清大际光新材料有限公司 一种含有碳纳米角的散热膜、制备方法及应用
CN114750490A (zh) * 2022-04-28 2022-07-15 安徽碳华新材料科技有限公司 一种具有高效散热能力的烯碳复合材料

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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN113980311A (zh) * 2021-11-26 2022-01-28 江苏清大际光新材料有限公司 一种含有碳纳米角的散热膜、制备方法及应用
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CN114750490A (zh) * 2022-04-28 2022-07-15 安徽碳华新材料科技有限公司 一种具有高效散热能力的烯碳复合材料
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