CN105703032B - 热界面材料以及制备热界面材料的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及热界面材料以及制备热界面材料的方法。包含导热填料、具有弹力并且施加至导热填料的聚合物基质、以及施加至导热填料和聚合物基质的侧面的绝缘涂层的热界面材料可以通过以下制备：当将形成导热填料的填料材料溶解在溶剂中时，以片膜形式提供导热填料；以及用聚合物基质涂覆片膜形式的导热填料。因此，与传统的热界面材料(最大热导率5W/mK)相比，可以以更加不同的厚度制备高热辐射热界面材料(最大热导率20W/mK)。

Description

热界面材料以及制备热界面材料的方法

相关申请的引用

本申请要求在韩国知识产权局于2014年12月10日提交的韩国专利申请第10-2014-0177219号和2015年5月7日提交的韩国专利申请第10-2015-0063713号的优先权的权益，通过引用将其全部公开内容结合于此。

技术领域

本发明涉及热界面材料(thermal interface material)以及制备热界面材料的方法。制备热界面材料的方法使用弹性体材料可以最大化界面接触，并且通过在导热填料中包含碳纤维改善横向热导率。

背景技术

由于全球变暖引起随着已经提出了诸如抑制有害材料的排放的社会问题，对于绿色交通工具(vehicle)的兴趣日益增加。为了与情况保持同步，最佳化被认为是绿色交通工具的发动机的电池性能在未来交通工具中可能是重要的因素。因此，为了达到电池性能的最佳化，最佳地维持驱动电池的环境对于改善绿色交通工具的性能是重要的因素。

在电动交通工具的情况下，电池系统的可靠性和稳定性是确定电动交通工具的可销售性的最重要的因素。例如，需要将电池系统的温度维持在约45℃至约50℃的范围内，这是防止由于不同外部温度改变而引起电池性能降低的适当的温度范围。对于该目的，需要用于能够在低温环境下维持适当的温度同时在通常的气候条件下具有优异的热辐射性能的袋装电池模块(pouch cell module)的热控制系统。

作为目前正在开发的高热辐射复合材料，已经将球形填料和一般的碳基填料用于改善热导率。然而，利用这种填料，在至少70％或更大的填料的含量下才出现热导率特性的改善。在这种情况下，模塑性会降低，并且进一步地，填料可能不能形成为部件。另外，填料对横向热导率改善有限制，并且可能不能施加至针对特定目的需要横向热导率的部件。

此外，为了克服当在异质材料之间传热时，由于界面处的空气和杂质引起热传递特性降低的现象，已经应用了热界面材料(TIM)。然而，利用TIM，横向热导率特性可能等于或小于约3W/mK，因而，可能不能发生足够的热传递，并且可能使用昂贵的填料。

提供作为相关技术描述的内容仅用于帮助理解本发明的背景，而不应将其认为与本领域技术人员已知的相关技术相对应。

发明内容

已经做出本公开以解决相关技术中存在的上述问题，同时保持其优点。

在一个方面，本发明提供了制备热界面材料的方法。可以将热界面材料附着至电池，从而，可以最大化电池单元(battery cell)的散热的热界面材料的热导率特性以及绝缘特性和表面粘性特性。

根据本发明的一种示例性实施方式，热界面材料包含：导热填料、具有弹力并且施加至导热填料的聚合物基质、以及施加至导热填料和聚合物基质的侧面的绝缘涂层，制备热界面材料的方法可以包括：以片膜(plate film)形式提供如挤出导热填料；以及用聚合物基质涂覆片膜形式的导热填料。特别地，当提供了导热填料时，可以通过将填料材料溶解(分散)在溶剂中来形成导热填料。例如，用于溶解的溶剂可以是与聚合物基质相同的组分。

在另一个方面，本发明提供了热界面材料。热界面材料可以包含：导热填料、配置成具有弹力并且施加至导热填料的聚合物基质、以及施加至导热填料和聚合物基质的侧面的绝缘涂层。特别地，导热填料可以形成为膜形状，并且聚合物基质涂覆在导热填料上。绝缘涂层可以由与聚合物基质相同的组分制成。

另外提供了包含如在本文中描述的热界面材料的高热辐射复合板，所述热界面材料包含导热填料和涂覆在导热填料上的聚合物基质。

以下公开了本发明的其他方面。

附图说明

由以下结合附图进行的详细描述，本公开的以上目的和其他目的、特征以及优点将更加显而易见：

图1示意性地示出了根据本发明的一种示例性实施方式，用于制备示例性热界面材料的示例性方法的过程；

图2示意性地示出了根据图1的用于制备热界面材料的方法的示例性导热填料的制备情况；

图3示出了根据图1的用于制备热界面材料的方法制备的示例性导热填料的放大图；

图4示出了根据图1的用于制备热界面材料的方法用于制备导热填料的示例性装置的示图；

图5示意性地示出了其中根据图1的用于制备热界面材料的方法,用聚合物基质涂覆示例性导热填料的情况(条件：10μm，10m/min)；

图6是根据图1的用于制备热界面材料的方法的涂覆有聚合物基质的导热填料的示例性主要部分的放大图；

图7示出了根据图1的用于制备热界面材料的方法，用聚合物基质涂覆导热填料的示例性装置；

图8示出了根据图1的用于制备热界面材料的方法用聚合物基质涂覆导热填料的示例性装置的示图；

图9示意性地示出了根据图1的用于制备热界面材料的方法制备的示例性热界面材料；

图10示意性地示出了根据图1的用于制备热界面材料的方法制备的热界面材料与根据相关技术制备的热界面材料之间的示例性表面粘性特性：(A)间隙空气；(B)热界面材料；以及

图11示出了其中根据图1的用于制备热界面材料的方法制备的示例性热界面材料安装在电池单元中的透视情况以及其主要部件的透视图。

图中各个元素的符号

100：填料

200：基质

300：热界面材料

400：电池模块

500：电池单元

602：搅拌杆

702：粉末给料机

704：颗粒给料机

706：真空口

708：侧给料机(Side Feeder)

710：液体给料机

802：逗号涂布机(Comma coater)

804：涂覆的粘合剂

806：载体膜

具体实施方式

应理解的是，如在本文中使用的，术语“交通工具(vehicle)”或“交通工具的(vehicular)”或其他类似术语包括广义的机动交通工具，如：载客机动车(passengerautomobiles)，包括运动型多用途车辆(SUV)、公共汽车、卡车、各种商用车辆；水运工具，包括各种艇和船；航空器等；并且包括混合动力交通工具(hybrid vehicle)、电动交通工具、插入式混合动力电动交通工具(plug-in hybrid electric vehicle)、氢动力交通工具和其他可替代燃料交通工具(例如，源自除了石油之外的资源的燃料)。如在本文中提及的，混合动力交通工具是具有两种或更多种动力源的交通工具，例如，汽油动力和电动力交通工具。

本文中使用的术语仅是为了描述特定的示例性实施方式的目的，而不旨在限制本发明。如在本文中使用的，除非上下文另外清楚地指明，否则单数形式“一个”、“一种”和“该”旨在也包括复数形式。应当进一步理解，当用于本说明书中时，术语“包括”和/或“包含”说明存在所述特征、实体、步骤、操作、元素(要素)和/或组分(组件)，但不排除存在或添加一个或多个其他特征、实体、步骤、操作、元素(要素)、组分(组件)和/或其组。如在本文中使用的，术语“和/或”包括相关列出项目中的一个或多个的任何和所有组合。

除非明确陈述或根据上下文显而易见，否则，如在本文中使用的，术语“约”理解为在本领域中正常公差的范围内，例如，在平均值的2个标准偏差内。可以将“约”理解为在所述值的10％、9％、8％、7％、6％、5％、4％、3％、2％、1％、0.5％、0.1％、0.05％或0.01％内。除非从上下文另外清楚，否则本文中提供的所有数值由术语“约”修饰。

通常，由于取决于异质材料之间的接触的表面粗糙特性，或可替换地，由于表面粘性特性，可以形成热阻(细空气层)，因而已经采用了有效地传递热的热界面材料。另一方面，由于已经使用昂贵的银(Ag)和BN(氮化硼)作为填料，因此传统的热界面材料昂贵，并且几乎不能表现出高效的热导率特性。

因此，本发明提供了使用碳基填料可以具有绝缘特性的高辐射热界面材料。高辐射热界面材料可以使用基质如弹性体(例如，KRATON、VISTAMAXX等)以进行表面绝缘涂覆，以最大化表面粘性效果和绝缘效果。另外，高辐射热界面材料可以使用喷射等以进行侧面绝缘和前面绝缘涂覆(front insulating coating)，以便在应用时确保耐压特性(withstand voltage characteristics)和安全性。

将参照附图详细地描述本发明的示例性实施方式。

如在图1中示出的，根据本发明的一种示例性实施方式，用于制备包含导热填料100、具有弹力并且施加至填料100的聚合物基质200、以及施加至填料100和基质200的侧面的绝缘涂层的热界面材料300的方法可以包括：当将形成导热填料100的填料材料溶解(dissolve)在溶剂中时，以片膜形式提供(如挤压或挤出)导热填料100(S100)；以及用聚合物基质200涂覆片膜形式的导热填料100(S200)。用于导热填料的溶剂可以是聚合物基质的相同组分。进一步地，用于制备热界面材料300的方法可以进一步包括：通过在聚合物基质200和导热填料100的侧面上喷射具有与聚合物基质200相同的组分的液体，形成绝缘涂层(S300)。

聚合物基质200可以由以下中的任何一种制成：苯乙烯类热塑性弹性体(TPE)、烯烃类热塑性弹性体、聚酯类热塑性弹性体、以及聚酰胺类热塑性弹性体。在苯乙烯类TPE中，聚合物基质200也可以由以下中的任何一种制成：苯乙烯-丁二烯-苯乙烯(SBS)嵌段共聚物、苯乙烯-丁二烯-乙烯-苯乙烯(SBES)嵌段共聚物、以及苯乙烯-异戊二烯-苯乙烯嵌段共聚物(SIS)。

导热填料100可以是选自由炭黑、石墨、膨胀石墨颗粒(EGG)、石墨烯和氧化石墨烯组成的组中的至少一种。以热界面材料的总重量为基准，含有导热填料100的含量为约20wt％～65wt％。

可替换地或另外地，导热填料100可以进一步包括选自由碳纳米管(CNT)和碳纤维(CF)组成的组中的任一种。可以将CNT或CF嵌入在导热填料100中以提供方向性。以热界面材料的总重量为基准，含有CNT或CF的含量为约0～20wt％。

通过根据如以上描述的本发明的示例性实施方式的方法制备的热界面材料300可以使用碳基填料100(EGG、CF等)，以获得高热辐射特性并且改善表面粘性特性。此外，可以使用弹性体材料的共嵌段聚合物(KRATON、VISTAMAXX等)作为聚合物基质200。

为了改善横向热导率，可以通过使CF与扁平型EGG混合来制备导热填料100。在这种情况下，为了最大化效果，可以将约10wt％的CF与约50wt％的EGG混合。根据组分的组合，热导率特性可以发生各种变化。

以下表1示出了取决于CF的重量比的纵向热导率值和横向热导率值。

【表1】

	CF 0％	CF 1％	CF 5％	CF 10％
					横向方向	2.83	2.90	4.96	8.81
纵向方向	1.25	0.89	1.25	1.54

为了配置薄膜型热界面材料300，通过逗号涂覆法(comma coating method)、微涂覆法(microcoating method)等可以改善导热填料100(尤其是CF)的横向取向，并且可以相应地增强横向热导率特性(参见图9)。

为了获得绝缘特性，通过将与聚合物基质200相同的材料溶解在溶剂中，可以使涂覆膜形式的功能性材料绝缘，因而可以以辊式大量生产热界面材料。

当施加至部件时，根据形状可以将热界面材料打孔和裁剪，并且，利用相同材料和绝缘材料，通过喷涂方法等，热界面材料的拐角部分可以提供有绝缘特性。对于绝缘方法，可以将热界面材料直接涂覆在功能性材料上，或可以在制备了绝缘膜之后，通过层压法制备热绝缘材料。

如在图2至8中示出的，根据本发明的示例性实施方式，为了获得薄膜型热界面材料300，可以将功能性碳填料100溶解在溶剂中，并且可以将其压制以具有约几μm至约几十μm的厚度，从而制备导热填料100的薄膜。在这种情况下，作为溶剂，可以使用与聚合物基质200的材料相同的材料。导热填料100的薄膜可以涂覆有聚合物基质200，以具有从约几μm至约几十μm的厚度。因此，具有导热性的导热填料100可以形成为功能层，并且聚合物基质200可以形成为绝缘层，以防止其中提供了热界面材料300的电子部件之间的短路。同样，通过控制功能层和绝缘层的厚度，可以在安装部分使表面粘性特性和热导率特性最佳化，并且在针对施加的部件的最佳化的厚度下，可以制备热界面材料。

由于采用了昂贵的填料100如银(Ag)和BN(氮化硼)，因此传统的热界面材料300在成本方面是不利的。此外，根据聚合物基质200的材料，可以将传统的热界面材料300分为软类型和硬类型，并且根据类型，需要具有不同的配置。然而，根据作为绝缘层的聚合物基质200和作为功能层的导热填料100的厚度，可以将根据本发明的示例性实施方式的热界面材料300配置成软类型和硬类型，并且，与传统的热界面材料相比，其可以以降低了约30％至约50％的价格制备。

如在图6中示出的，通过根据本发明的示例性实施方式的制备方法制备的热界面材料300可以包含导热填料100、具有弹力并且施加至导热填料100的聚合物基质200、以及施加至导热填料100和聚合物基质200的侧面的绝缘涂层。

如以上描述的，导热填料100可以具有膜形状，并且在导热填料100上可以涂覆聚合物基质200。根据本发明的一种示例性实施方式，绝缘涂层可以由与聚合物基质200相同的组分制成。

同时，可以将根据本发明的示例性实施方式的热界面材料300施加至高热辐射复合板。当在高热辐射复合板中包含热界面材料300时，由于导热填料100，因此可以将从产热元件如CPU或半导体产生的热传导至辐射加热器。

进一步地，还可以获得聚合物基质200的弹力所需的抗振性能(anti-vibrationperformance)和减震性能(shock absorption performance)。在这种情况下，在高热辐射复合板中，可以设置能屏蔽电磁波的电磁波屏蔽层。

图10示出了与其中在电池单元500中没有配备热界面材料的情况相比，在其中电池500单元中提供了通过根据本发明的示例性实施方式的示例性制备方法制备的热界面材料300的情况下由箭头表示的热运动。根据相关技术，由于附着表面浮凸，产生空隙，但由于作为绝缘层的聚合物基质200可以具有弹力，因此可以挤压通过根据本发明的示例性实施方式的示例性制备方法制备的热界面材料300，从而根据热界面材料300所附着的表面的形状聚合物基质200的形状会变形，并且防止了空隙的存在。因此，在热界面材料300和附着表面之间不会产生空隙。

图11示出了其中在电池单元500之间提供了通过根据本发明的示例性实施方式的示例性制备方法制备的热界面材料300，从而形成电池模块400的情况。根据所需热导率，可以最大细化程度制备通过根据本公开的示例性实施方式的示例性制备方法制备的热界面材料300。根据特性，可以最小化电池单元500之间的距离以及电池模块400的体积。

如以上描述的，根据用于依据本发明的示例性实施方式制备热界面材料的各种示例性方法，与传统的热界面材料(最大热导率5W/mK)相比，可以更加不同的厚度制备高热辐射热界面材料(最大热导率20W/mK的)。另外，可以制备取决于施加的部件的形状的热界面材料，可以以辊式生产热界面材料，并且可以获得热界面材料的大量生产。

另外，由于使用具有弹力的弹性体材料作为聚合物基质，因此可以最大化表面粘性特性，当以辊式生产弹性体材料时，可以将弹性体材料裁剪和打孔以满足施加部件的变化，以便增加形状自由，并且利用喷射法等，材料的拐角部分可以确保绝缘特性。在这种情况下，相对于传统方法，可以消除电短路的风险，并且可以将成本降低如，例如约30％至50％。

在上文中，尽管已经参照示例性实施方式以及附图描述了本公开，本发明不限于此，但在不背离在所附权利要求书中要求保护的本公开的精神和范围的情况下，本发明所属领域的技术人员可进行各种修改和替换。

Claims (11)

1.一种制备热界面材料的方法，所述热界面材料包含导热填料、具有弹力并且施加至所述导热填料的聚合物基质、以及施加至所述导热填料和所述聚合物基质的侧面的绝缘涂层，该方法包括以下步骤：

以片膜形式提供所述导热填料；以及

用所述聚合物基质涂覆所述片膜形式的所述导热填料，

其中，通过将填料材料溶解在溶剂中来形成所述导热填料，

其中，通过使碳纤维与扁平型膨胀石墨颗粒混合来制备所述导热填料，

其中，通过挤出提供所述导热填料，

其中，以所述热界面材料的总重量为基准，含有所述碳纤维的含量为大于0wt％至小于20wt％，并且

其中，所述碳纤维嵌入在所述导热填料中以提供方向性。

2.根据权利要求1所述的方法，进一步包括：

通过在所述聚合物基质和所述导热填料的所述侧面上喷射具有与所述聚合物基质相同的组分的液体，形成所述绝缘涂层。

3.根据权利要求1所述的方法，其中，所述聚合物基质由以下中的任何一种制成：苯乙烯类热塑性弹性体、烯烃类热塑性弹性体、聚酯类热塑性弹性体、以及聚酰胺类热塑性弹性体。

4.根据权利要求1所述的方法，其中，所述聚合物基质由以下中的任何一种制成：苯乙烯-丁二烯-苯乙烯嵌段共聚物、苯乙烯-丁二烯-乙烯-苯乙烯嵌段共聚物、苯乙烯-异戊二烯-苯乙烯嵌段共聚物。

5.根据权利要求1所述的方法，其中，以所述热界面材料的总重量为基准，含有所述导热填料的含量为20wt％～65wt％。

6.根据权利要求1所述的方法，其中，所述溶剂是所述聚合物基质的相同组分。

7.一种热界面材料，包含：

形成为片膜形式的导热填料；

聚合物基质，配置成具有弹力并且施加至所述导热填料；以及

绝缘涂层，施加至所述导热填料和所述聚合物基质的侧面，

其中，通过使碳纤维与扁平型膨胀石墨颗粒混合来制备所述导热填料，

其中，通过挤出提供所述导热填料，

其中，以所述热界面材料的总重量为基准，含有所述碳纤维的含量为大于0wt％至小于20wt％，并且

其中，所述碳纤维嵌入在所述导热填料中以提供方向性。

8.根据权利要求7所述的热界面材料，其中，所述聚合物基质涂覆在所述导热填料上。

9.根据权利要求7所述的热界面材料，其中，所述绝缘涂层由与所述聚合物基质相同的组分制成。

10.根据权利要求7所述的热界面材料，其中，以所述热界面材料的总重量为基准，含有所述导热填料的含量为20～65％。

11.一种包含热界面材料的高热辐射复合板，所述热界面材料包含导热填料、涂覆在所述导热填料上的聚合物基质、以及施加至所述导热填料和所述聚合物基质的侧面的绝缘涂层，其中所述导热填料形成为片膜形式，其中通过使碳纤维与扁平型膨胀石墨颗粒混合来制备所述导热填料，

其中，通过挤出提供所述导热填料，

其中，以所述热界面材料的总重量为基准，含有所述碳纤维的含量为大于0wt％至小于20wt％，并且

其中，所述碳纤维嵌入在所述导热填料中以提供方向性。

Images