KR100822114B1

KR100822114B1 - 방열 시트 및 방열 구조

Info

Publication number: KR100822114B1
Application number: KR1020060059473A
Authority: KR
Inventors: 미츠루 오오타; 준 야마자키; 키쿠오 후지와라
Original assignee: 폴리마테크 컴퍼니 리미티드; 오츠카 덴키 가부시키가이샤
Priority date: 2005-06-30
Filing date: 2006-06-29
Publication date: 2008-04-15
Also published as: CN100499984C; CN1893804A; TWI325752B; US7419722B2; EP1739745A2; US20070003721A1; TW200711562A; JP2007012913A; KR20070003629A; EP1739745A3

Abstract

방열 구조(11)은 방열 시트(21), 케이스(12), 및 발열체(13)을 구비한다. 방열 시트(21)은 흑연 시트(22), 및 그의 표면(22a) 상에 제공된 전기적 탄성층(23)을 구비한다. 흑연 시트(22)의 평균 두께는 300 ㎛ 이하이다. 탄성층(23)은 고분자 매트릭스 및 입상 열전도성 충전재를 함유하는 탄성 조성물로부터 형성된다. 탄성층(23)의 평균 두께는 10 내지 280 ㎛ 이다. 열전도성 충전재의 평균 입경은 탄성층의 평균 두께의 50 % 이하이다. 탄성 조성물에서, 열전도성 충전재의 함량은 30 체적% 이상이며, 열전도성 충전재의 평균 입경이 탄성층(23)의 평균 두께의 95 % 이상인 열전도성 충전재의 함량은 15 체적% 미만이다. 케이스(12) 내의 자유 공간(12a)는 케이스(12) 체적의 20 % 미만이다.

방열 시트, 방열 구조

Description

방열 시트 및 방열 구조 {HEAT-RADIATING SHEET AND HEAT-RADIATING STRUCTURE}

도1은 본 실시형태의 방열 시트의 단면도이다.

도2는 방열 시트의 단면도이다.

도3A는 세라믹 히터 및 방열 시트의 평면도이다.

도3B는 세라믹 히터 및 방열 시트의 단면도이다.

본 발명은 발열체로부터 발생하는 열을 방산시키기 위한 방열 시트 및 상기 방열 시트를 구비한 방열 구조에 관한 것이다.

최근, 휴대 전화에 의해 대표되는 전자 기기에 존재하는 전자 부품 등의 발열체는 이들 기기의 소형화 및 박형화를 수반하면서 고밀도로 설치되지만, 이들 전자 기기의 열용량은 감소하고 있다. 더욱이, 전자 기기의 밀폐성은 또한 이들 기기의 방수성 및 방진성의 향상을 수반하면서 증가하고 있다. 따라서, 전자 기기 내에 국소적으로 쉽게 축적되는 경향이 있는 발열체로부터 발생된 열에 추가하여, 전자 기기의 케이스 표면의 열은 쉽게 상승한다. 그의 결과, 발열체가 축열에 기 인하여 쉽게 파손되는 것과 함께, 전자 기기 내의 국소적인 축열에 기인하는 케이스 표면 온도의 국소적 상승으로 인해 전자 기기의 사용자에게 불쾌감을 줄 수 있다. 따라서, 전자 기기 내의 국소적 축열을 피할 필요가 있고, 발열체로부터 발생된 열로부터 열의 확산은 중요한 과제가 되고 있다.

종래에는, 발생된 열을 한정된 좁은 공간 내에서 효율적으로 확산시키기 위해 흑연 시트를 사용했다. 흑연 시트를 발열체 상에 구비하고, 발생된 열을 흑연 시트의 표면에 평행한 방향으로 확산시킨다. 그러나 흑연 시트는 하기의 문제점을 갖는다.

(1) 흑연 시트는 강성(剛性)이 클뿐만 아니라 표면이 거칠기 때문에, 발열체에 부착하기 위해 고하중을 적용하는 경우에도 발열체와의 적당한 부착을 얻기 어렵다. 그 결과, 발열체와의 접촉 열저항을 적당하게 감소시킬 수 없는 경우가 있다. 또한, 발열체 상의 흑연 시트에 고하중을 가함에 따라 발열체에 악영향을 미치는 경우가 있다.

(2) 흑연 시트의 두께 방향의 열전도율은 발열체로부터 흑연 시트로 열을 효율적으로 전도하기 위해 예를 들어 흑연 시트 내의 흑연의 결정 구조를 변화시킴으로써 향상될 수 있다. 그러나, 이 경우에는, 흑연 시트의 표면에 평행한 방향의 열전도율이 감소하기 때문에, 흑연 시트의 열확산 결과는 저하된다.

(3) 흑연 시트는 양호한 도전성(導電性)을 갖기 때문에, 흑연 시트는, 흑연 시트가 도전성을 발휘하지 않는 것이 바람직한 경우에, 절연 대책을 필요로 한다.

(4) 흑연 시트는 점착성이 부족하기 때문에, 흑연 시트의 발열체에의 접착을 위한 점착제의 사용이 필요로 한다. 그 결과, 흑연 시트의 발열체에의 접착이 번잡한 것과 함께, 흑연 시트의 방열 효과는, 발열체와 흑연 시트 사이에 구비된 점착층의 두께 및 열전도성에 기인하여, 감소하거나 불안정할 수 있다. 더욱이, 점착제를 사용하여 흑연 시트를 발열체에 부착한 후, 부착 위치 수정과 같은 이유로 흑연 시트가 발열체로부터 분리된 후에 흑연 시트가 재부착될 경우, 흑연 시트 내에 적층된 흑연층 사이에 층간 박리가 발생하여 흑연 시트가 파손하기 쉽다. 그 결과, 흑연 시트의 재작업성이 낮다(재부착의 용이).

흑연 시트의 상기 문제점을 해결하기 위해, 일본 공개 특허 공보 No. 2003-168882는 강성(剛性)이 큰 흑연 시트, 및 흑연 시트 상에 구비된 유연한 고분자 재료층이 구비된 방열 시트를 개시하고 있다. 상기 방열 시트는 고분자 재료층으로 흑연 시트의 상기 문제점을 극복하는 것을 목적으로 한다. 그러나, 일본 공개 특허 공보 No. 2003-168882의 방열 시트는 상기 문제점을 충분히 극복할 수 없고, 여전히 개선의 여지를 갖는다.

따라서, 본 발명의 목적은 발열체로부터 발생된 열을 방산시킨 용도에 바람직하게 사용될 수 있는 방열 시트, 및 방열 구조를 제공하는 것이다.

본 발명의 상기 및 기타 목적을 달성하기 위해, 발연체와 함께 사용하기 위한 방열 시트에 있어서, 흑연 시트 및 전기 절연성 탄성층을 포함하는 방열 시트를 제공한다. 흑연 시트는 발열체 상에 구비된다. 전기 절연성 탄성층은 발열체에 대향하여 흑연 시트의 표면에 구비된다. 흑연 시트의 평균 두께는 300 ㎛ 이하이다. 탄성층은 고분자 매트릭스 및 입상 열전도성 충전재를 함유하는 탄성 조성물로부터 형성된다. 탄성층의 평균 두께는 10 내지 280 ㎛ 이다. 열전도성 충전재의 평균 입경은 탄성층의 평균 두께의 50 % 이하이다. 탄성 조성물은 30 체적% 이상의 열전도성 충전재 함량을 가지며, 열전도성 충전재의 평균 입경이 탄성층의 평균 두께의 95 % 이상일 경우, 탄성 조성물은 15 체적% 미만의 열전도성 충전재 함량을 갖는다. ·

또한, 본 발명은 방열 시트, 케이스, 및 상기 케이스 내에 구비된 발열체를 포함하는 방열 구조를 제공한다. 방열 시트는 발열체 상에 구비되고, 이에 따라, 탄성층의 표면은 발열체와 접촉한다. 케이스는 케이스 체적의 20 % 미만의 자유 공간 체적을 갖는다.

본 발명의 다른 측면 및 이점은 수반되는 도면과 함께 본 발명의 원리를 실시예로 설명하는 하기의 명세서로부터 분명해질 것이다.

바람직한 실시형태의 상세한 설명

하기는 도면을 기초로 한 방열 구조로 본 발명을 구체화하는 실시형태의 상세한 설명을 제공한다.

도1에서 나타나 있는 바와 같이, 본 실시형태의 방열 구조(11)은 방열 시트(21), 케이스(12), 및 케이스(12) 내에 구비된 복수의 발열체(13)을 구비한다. 방열 시트(21)은 흑연 시트(22), 상기 흑연 시트(22)의 표면(22a) 상에 구비된 탄성층(23), 및 흑연 시트(22)와 탄성층(23) 사이에 구비된 배리어(barrier)층(24)를 구비한다.

흑연 시트(22)는 발열체(13) 상에 구비되고, 발열체(13)으로부터 발생된 열은, 흑연 시트(22)의 표면(22a)에 평행한 방향으로 확산하는 동안에 방산되어, 발열체(13) 내 및 발열체(13) 근방에서의 축열을 방지한다.

흑연 22의 예는 천연 흑연을 원료로 하는 천연 흑연 시트, 인조 흑연을 원료로 하는 인조 흑연 시트, 천연과 인조 흑연 모두를 원료로 하는 혼성 흑연 시트를 포함한다. 흑연 시트(22)는 열전도성 및 도전성을 갖는다. 흑연 시트(22)의 열전도성은 주로 흑연 시트(22)의 표면(22a)에 평행한 방향으로 발휘된다. 즉, 흑연 시트(22)의 표면(22a)에 평행한 방향의 열전도율은 100 ~ 800 W/m·K 이고, 이는 흑연 시트(22)의 두께 방향의 열전도율과 비교하여 아주 높다. 그 결과, 흑연 시트(22)는 그의 표면(22a)에 평행한 방향으로 열을 쉽게 확산한다. 천연 흑연 시트의 표면에 평행한 방향의 열전도율의 하한은 예를 들어 100 W/m·K 이고, 한편, 인조 흑연 시트 또는 혼성 흑연 시트의 표면에 평행한 방향의 열전도율의 하한은 예를 들어 400 W/m·K 이다.

흑연 시트(22)의 평균 두께는 300 ㎛ 이하, 바람직하게는 80 ~ 130 ㎛ 이다. 흑연 시트(22)의 평균 두께가 300 ㎛를 초과하면, 흑연 시트(22)는 그의 재질에 기인하여 높은 강성을 갖기 때문에, 흑연 시트(22)의 유연성은 저하되고, 그 결과, 방열 시트(22)의 유연성은 저하된다. 흑연 시트(22)의 평균 두께가 80 ㎛ 미만이면, 흑연 시트(22)는 지나치게 얇아지기 때문에, 흑연 시트는 부서지기 쉽고, 한편 흑연 시트(22)의 열용량의 저하를 야기할 위험이 있다.

탄성층(23)은 고분자 매트릭스 및 입상 열전도성 충전재를 함유하는 탄성 조성물로부터 형성된다. 탄성층(23)은 흑연 시트(22)의 하나의 표면(22a) 상에 발열체(13)에 대향하여 표면(22a) 전체에 걸쳐 구비된다. 방열 시트(21)이 발열체(13)에 접부될 때, 탄성층(23)은 발열체(13) 및 흑연 시트(22)의 사이에 개재되고 발열체(13)으로부터 흑연 시트(22)로의 열전도를 촉진한다. 탄성층(23)은 고분자 매트릭스에 기인한 유연성뿐만 아니라 전기 절연성을 갖는다.

고분자 매트릭스는 탄성층(23) 내에 열전도성 충전재를 보유한다. 고분자 매트릭스는 탄성층(23)에 요구된 성능, 예를 들어 내열성, 내약품성, 생산성, 또는 굴곡성에 응하여 선택되고, 열가소성 또는 열경화성 고분자 재료는 고분자 매트릭스로서 사용하기 위해 선택된다. 열가소성 탄성체는 열가소성 고분자 재료의 예이고, 한편, 가교결합 고무는 열경화성 고분자 재료의 예이다.

열가소성 탄성체의 예는 스티렌-부타디엔 블록 공중합체 및 그의 수첨 중합체, 스티렌-이소프렌 블록 공중합체 및 그의 수첨 중합체, 스티렌계 열가소성 탄성체, 올레핀계 열가소성 탄성체, 염화비닐계 열가소성 탄성체, 폴리에스테르계 열가소성 탄성체, 폴리우레탄계 열가소성 탄성체 및 폴리아미드계 열가소성 탄성체를 포함한다.

가교결합 고무의 예는 천연 고무, 부타디엔 고무, 이소프렌 고무, 스티렌-부타디엔 공중합체 고무, 니트릴 고무, 수첨 니트릴 고무, 클로로프렌 고무, 에틸렌-프로필렌 공중합체 고무, 염소화 폴리에틸렌 고무, 클로로술폰화 폴리에틸렌 고무, 부틸 고무, 할로겐화 부틸 고무, 불소 고무, 우레탄 고무, 실리콘 고무, 폴리이소부틸렌 고무 및 아크릴 고무를 포함한다.

이들 중에서, 탄성층(23)의 유연성이 높고 온도 특성 및 전기적 신뢰성뿐만 아니라 내열성과 같은 다른 기본적 성질이 높기 때문에, 실리콘 고무, 폴리이소부틸렌 고무 및 아크릴 고무로부터 선택된 1종 이상이 바람직하다.

열전도성 충전재는 탄성층(23)의 열전도율을 증가시킴으로써 탄성층(23)의 열전도성을 향상시킨다. 탄성층(23)이 전기 절연성을 발휘하는 한, 열전도성 충전재의 재료에 대한 특별한 한정은 없지만, 탄성층(23)의 열전도율이 높기 때문에, 산화알루미늄, 수산화알루미늄, 질화붕소, 질화알루미늄, 산화아연, 실리카(산화규소), 운모 및 아연화(zinc white)로부터 선택된 1종 이상이 바람직하다.

열전도성 충전재의 평균 입경은 탄성층(23)의 평균 두께의 50 % 이하, 바람직하게는 1 ~ 45 % 이다. 열전도성 충전재의 평균 입경이 탄성층(23)의 평균 두께의 50 %를 초과하면, 열전도성 충전재에 기인한 표면 요철은 탄성층(23)의 표면(23a)에 형성되고, 이에 따라 탄성층(23)의 표면(23a)의 평활성은 저하된다. 열전도성 충전재의 평균 입경이 탄성층(23)의 평균 두께의 1 % 미만인 경우에, 탄성 조성물에 함유된 열전도성 충전재의 비표면적이 지나치게 크게 되기 때문에, 탄성 조성물의 점도는 지나치게 높게 되고, 이에 따라 탄성 조성물의 조제 및 탄성층(23)의 형성이 어려울 염려가 있다. 열전도성 충전재 입자의 형상은 구형이 바람직하다. 이는, 탄성 조성물 중 열전도성 충전재의 2차 응집이 억제되는 것에 추가하여 탄성 조성물의 점도의 증가가 억제되고, 한편, 탄성층(23)의 표면(23a) 에서의 열전도성 충전재의 형상에 기인한 표면 요철의 형성이 또한 억제되기 때문이다.

탄성 조성물 중 열전도성 충전재의 함량은 30 체적% 이상, 바람직하게는 40 ~ 75 체적% 이다. 열전도성 충전재의 함량이 30 체적% 미만이면, 탄성층(23) 내의 열전도성 충전재의 함량이 지나치게 낮기 때문에, 탄성층(23)의 열전도율은 감소되고 탄성층(23)의 열전도성은 저하된다. 열전도성 충전재의 함량이 75 체적%를 초과하면, 탄성층(23)의 유연성이 저하하는 것에 추가하여, 또한 탄성층(23)의 표면(23a)의 평활성이 저하할 위험이 있다.

더욱이, 입경이 탄성층(23)의 평균 두께의 95 % 이상인 열전도성 충전재(이하, 대경(大徑) 충전재)의 탄성 조성물 중의 함량은 15 체적% 미만이다. 대경 충전재의 함량이 15 체적% 이상이면, 대경 충전재에 기인한 큰 표면 요철은 탄성층(23)의 표면(23a)에 형성되기 때문에, 탄성층(23)의 표면(23a)의 평활성은 더욱 저하된다. 따라서, 탄성 조성물은 대경 충전재를 함유하지 않는 것이 바람직하다. 상기의 각 성분 이외에도, 탄성 조성물은 예를 들어 탄성층(23)의 내구성을 향상시키기 위한 안정제를 함유할 수도 있다.

탄성층(23)의 경도는 바람직하게는 40 이하, 더욱 바람직하게는 30 이하이다. 탄성층(23)의 경도가 40을 초과하면, 탄성층(23)이 충분한 유연성을 발휘하지 못할 위험이 있다. 탄성층(23)의 경도의 하한은 특별히 한정되지 않는다. 탄성층(23)의 경도가 30 이하이면, 탄성층(23)은 알맞은 점착성을 갖는다. 탄성층(23)의 경도는 국제 표준 ISO 7619-1 (일본 공업 표준 JIS K 6253)에 준거하여 타입 A 경도계로 측정된다.

탄성층(23)의 평균 두게는 10 ~ 280 ㎛, 바람직하게는 20 ~ 170 ㎛ 이다. 탄성층(23)의 평균 두께가 10 ㎛ 미만이면, 탄성층(23)은 지나치게 얇기 때문에, 탄성층(23)은 발열체(13)의 표면 형상을 알맞게 추종할 수 없고, 그 결과, 발열체(13)의 표면 형상에의 발열 시트(21)의 추종성이 저하되고, 이에 따라, 방열 시트(21)의 접촉 열저항이 증가한다. 더욱이, 방열 시트(21)이 도전성을 발휘하는 경우가 있다. 탄성층(23)의 평균 두께가 280 ㎛를 초과하면, 발열체(13)으로부터 발생된 열이 흑연 시트(22)에 전도되는데 필요한 시간은 길게 되기 때문에, 방열 시트(21)의 방열 효율은 저하된다. 더욱이 방열 시트(21)에 의해 발열체(13)에 적용된 하중은 증가할 수 있거나, 방열 시트(21)을 케이스 21 내에 설치하기 위한 공간은 더 크게 된다.

본 실시형태의 탄성층(23)이 흑연 시트(22)의 전체에 걸쳐 구비되지만, 탄성층(23)의 크기와 흑연 시트(22)의 크기 사이의 관계는 특별히 한정되지 않고, 도2에 나타나 있는 바와 같이, 탄성층(23)은 흑연 시트(22)보다 더 작을 수 있다. 이때, 탄성층(23)은 흑연 시트(22)의 표면(22a) 상에 발열체(13)에 대응하는 위치에 구비된다. 마찬가지로, 탄성층(23)의 크기와 발열체(13)의 크기 사이의 관계는 특별히 한정되지 않지만, 탄성층(23)은 발열체(13)으로부터 흑연 시트(22)에 열을 효율적으로 전도할 수 있기 때문에, 적어도 발열체(13)의 전체에 걸쳐 구비되는 것이 바람직하다. 더욱이, 복수의 탄성층(23)은 흑연 시트(22)의 표면(22a)에 구비될 수 있다. 예를 들어, 복수의 발열체가 1장의 방열 시트(21)의 양쪽 면에 구비되는 경우에, 탄성층(23)은 방열 시트(21)의 각 표면(22a) 상에 발열체(13)에 대응하는 위치에 구비된다. 이 경우, 복수의 발열체(13)의 열은 1장의 방열 시트(21)에 의해 방열된다.

배리어층(24)는 탄성층(23) 중의 고분자 매트릭스의 흑연 시트(22) 에의 이동을 억제한다. 더욱이, 흑연 시트(22)와 탄성층(23) 사이의 접착성을 향상시키는 것에 추가하여, 배리어층(24)는 전기 절연성 재료로부터 형성됨으로써 탄성층(23)의 전기 절연성을 향상시킨다. 배리어층(24)의 재료의 예는 폴리에틸렌 테레프탈레이트, 폴리우레탄, 폴리아미드, 폴리카보네이트 및 그의 혼합물을 포함한다. 배리어층(24)의 재료는 바람직하게는 상기 고분자 매트릭스에 대응하여 선택된다. 더욱 구체적으로, 고분자 매트릭스가 실리콘 고무 또는 폴리이소부틸렌 고무인 경우, 배리어층(24)는 바람직하게는 아크릴 수지 재료로부터 형성되고, 한편 고분자 매트릭스가 아크릴 고무인 경우, 배리어층(24)는 바람직하게는 실리콘계 수지 재료로부터 형성된다.

배리어층(24)의 평균 두께는 바람직하게는 10 ㎛ 이하이다. 배리어층(24)의 평균 두께가 10 ㎛ 초과이면, 탄성층(23)으로부터 흑연 시트(22) 에의 열 전도는 배리어층(24)에 의해 쉽게 억제된다. 배리어층(24)의 평균 두께의 하한은 특별히 한정되지 않는다.

방열 시트(21)은 흑연 시트(22), 배리어층(24) 및 탄성층(23)을 순서대로 적층함으로써 제조된다. 흑연 시트(22) 및 층들(23, 24)를 적층하기 위해 사용하는 방법은 특별히 안정되지 않고, 각층(23, 24)는 흑연 시트(22) 및 각층 23, 24를 별개로 형성한 후 압착 또는 융착으로 흑연 시트(22) 상에 순서대로 적층될 수 있거나, 각층(23, 24)는 흑연 시트(24)의 표면(22a) 상에 순서대로 형성될 수 있다.

휴대전화 등의 전자 기기를 구성하는 것에 추가하여, 케이스(12)는 밀폐성을 갖는다. 기판(14)는 예를 들어 발열체(13) 외에 케이스(12) 내에 배열된다. 케이스(12) 내의 자유 공간(12a), 즉 케이스(12) 내의 간극의 체적은 케이스(12)의 체적의 20 % 미만이다. 케이스(12) 내의 자유 공간(12a)의 체적이 케이스(12)의 체적의 20 % 이상이면, 케이스(12)는 커지기 때문에, 전자 기기 등의 소형화를 달성할 수 없다.

발열체(13)은 예를 들어 기판(14) 상에 설치된다. 발열체(13)의 예는 반도체 소자 등의 전자 부품, 전원 및 광원을 포함한다. 발열체(13)의 열밀도는 통상 1 W/mm² 이상이다.

방열 시트(21)을 발열체(13)에 부착할 경우, 방열 시트(21)은 탄성층(23)의 표면(23a)가 발열체(13)에 접촉하도록 발열체(13) 상에 놓인다. 발열체(13)으로부터 발생된 열은 탄성층(23) 및 배리어층(24)를 통해 흑연 시트(22)로 전도된다. 이 때, 탄성층(23) 내의 열전도성 충전재는 열의 흑연 시트(22)로의 전도를 촉진한다. 흑연 시트(22)로 전도된 열은, 흑연 시트(22)로부터 방산되면서, 흑연 시트(22)의 표면(22a)에 평행한 방향으로 확산된다.

상기의 실시형태에 의해 발휘된 효과를 하기에 기재한다.

본 실시형태의 방열 시트(21)은 흑연 시트(22) 및 탄성층(23)이 구비된다. 흑연 시트(22)의 열전도성은 주로 흑연 시트(22)의 표면(22a)에 평행한 방향으로 발휘된다. 탄성층(23)은 열전도성 충전재가 구비되고, 열전도성 충전재의 함량은 30 체적% 이상이다. 더욱이, 탄성층(23)의 평균 두께의 상한은 23 ~ 280 ㎛ 이다. 그 결과, 발열체(13)으로부터 발생된 열은 효율적으로 흑연 시트(22)로 전도된 다음, 흑연 시트(22)로부터 방산되면서, 흑연 시트(22)의 표면(22a)에 평행한 방향으로 확산된다. 따라서, 방열 시트(21)은 발열체(13)으로부터 발생된 열을 효율적으로 확산할 수 있고, 이에 따라, 전자 기기 등 내의 국소적 축열을 피할 수 있다.

흑연 시트(22)의 평균 두께는 300 ㎛ 이하이고, 탄성층(23)은 고분자 매트릭스에 기인하여 유연성이 구비된다. 그 결과, 방열 시트(21)은 우수한 유연성을 발휘할 수 있다. 더욱이, 탄성층(23)은 고분자 매트릭스에 기인하여 알맞은 점착성을 갖는다. 그 결과, 우수한 취급성 및 재작성을 발휘하는 것에 추가하여, 방열 시트(21)은 또한 발열체(13)과의 양호한 접착성을 발휘할 수 있다.

열전도성 충전재의 입경은 상기 탄성층(23)의 평균 두께의 50 % 이하이고 평균 입경이 탄성층(23)의 평균 두께의 95 % 이상인 열전도성 충전재의 함량은 15 체적% 미만이기 때문에, 탄성층(23)의 표면(23a)는 고도의 평활성을 갖는다. 더욱이, 탄성층(23)의 평균 두께의 하한은 10 ㎛이기 때문에, 발열체(13)의 표면 형상을 추종하는 탄성층(23)의 능력은 높다. 따라서, 방열 시트(21)은 발열체(13)과의 접촉 열저항을 알맞게 낮게 할 수 있고, 이에 따라 고하중을 가하지 않고 발열체(13)으로부터 방열할 수 있다.

탄성층(23) 내의 고분자 매트릭스는 배리어층(24)에 의해 흑연 시트(22) 방향으로의 이동이 억제되기 때문에, 상기 이동에 의해 야기되는 탄성층(23)의 두께 및 경도의 변화는 억제될 수 있다. 그 결과, 방열 시트(21)의 생산성 및 보조성을 안전화할 수 있다.

본 실시형태의 방열 구조(11)은 방열 시트(21)이 구비되고 케이스(12) 내의 자유 공간(12a)의 체적은 케이스(12)의 체적의 20 % 미만이다. 따라서, 이 방열 구조(11)은 케이스(12)가 구성하는 전자 기기의 소형화 및 박형화를 달성함과 동시에 국소적 축열을 피할 수 있다.

상기의 실시형태는 하기에 따라 변경하여 구체화될 수 있다.

흑연 시트(22)의 표면(23a) 상에 알루미늄 박층을 또한 구비할 수 있다. 이 경우에, 흑연 시트(22)의 하나의 표면(23a) 상에만 알루미늄 박층을 구비하거나, 표면(22a) 모두 상에 구비할 수 있다. 더욱이, 흑연 시트(22) 전체에 걸쳐 알루미늄 박층을 구비할 수 있거나, 흑연 시트(22)의 일부에만 구비할 수 있다. 흑연 시트(22) 및 배리어층(24) 사이에 구비된 알루미늄 박층은 발열체(13)으로부터 흑연 시트(22)에의 열전도를 촉진한다. 배리어층(24) 및 탄성층(23)이 흑연 시트(22) 상에 구비되는 곳 이외의 위치에 구비된 알루미늄 박층은 흑연 시트(22)로부터 방열을 촉진한다. 더욱이, 알루미늄 박층은 흑연 시트(22)의 보강재로서 작용하고, 예를 들어 방열 시트(21)의 취급 또는 휨 동안에 흑연 시트(22)의 파손 또는 방열 시트(21)로부터의 분리를 억제할 수 있다.

탄성층(23)은 섬유상의 열전도성 충전재(이하, 섬유상 충전재라 함)가 구비될 수 있다. 섬유상 충전재 재료의 예는 탄소, 금속 질화물, 금속 산화물, 금속 탄화물 및 금속 수산화물을 포함한다. 섬유상 충전재는 탄성층(23)의 두께 방향으로 높은 열전도율을 갖기 때문에, 탄성층(23)의 두께 방향을 따라 배향되는 것이 바람직하다. 섬유상 충전재를 배향하는 방법의 예는 자기장, 전기장 또는 진동을 탄성 조성물에 인가하는 방법을 포함한다.

배리어층(24)를 생략할 수 있다.

방열 시트(21) 상에 히트 싱크(heat sink)와 같은 냉각 부재를 배치할 수 있다. 이 경우에, 발열체(13)으로부터의 방열 효율을 향상시킬 수 있다.

흑연 시트(22)의 접착을 개선하는 표면 처리는 흑연 시트(22)의 표면(23a) 상에서 수행될 수 있다. 이러한 표면 처리의 예는 코로나 방전 처리, 자외선 처리 및 커플링제 처리를 포함한다.

하기는 실시예 및 비교예를 통해 상기 실시형태의 더욱 상세한 설명을 제공한다.

(실시예 1 - 13 및 비교예 1 - 14)

실시예 1 에서, 실리콘 겔(Dow Corning Toray Co., Ltd., CY52-291) 형태의 고분자 매트릭스에 구형 알루미나(Micron Co., Ltd., 평균 입자 크기: 3.5 ㎛) 형태의 방열 충전재를 혼합하여 탄성 조성물을 제조한 후, 상기 탄성 조성물로부터 탄성층(23)을 형성했다. 또한, 폴리아크릴레이트(Kaneka Corp., SA100A) 형태의 아크릴계 수지 재료 100 중량부에 경화제 (Kaneka Corp., CR500) 2 중량부, 노화방지제 1 중량부 및 촉매 0.05 중량부를 혼합하여 폴리아크릴레이트 조성물을 제조했다. 그 다음, 흑연 시트(22) (GrafTech International Ltd.)의 하나의 표면(22a) 상에 폴리아크릴레이트 조성물을 도포하고, 폴리아크릴레이트 조성물을 가열 및 경화하여 배리어층(24)를 형성했다. 탄성층(23)을 배리어층(24) 상에 압착으로 적층하여 방열 시트(21)을 수득했다. 열전도성 충전재의 평균 입경, 입경이 탄성층(23)의 평균 두께의 95 % 이상인 열전도성 충전재의 함량, 탄성 조성물 중 열전도성 충전재의 함량, 및 흑연 시트(22) 및 층들(23, 24)의 평균 두께는 표1에 나타나 있다.

실시예 2 ~ 13 에서, 방열 시트(21)을 실시예 1 과 방식으로 수득하지만, 표 1 및 2에 나타나 있는 바와 같이 열전도성 충전재의 입경 등을 변경시켰다.

비교예 1 ~ 13 에서, 방열 시트(21)을 실시예 1 과 방식으로 수득하지만, 표 3 및 4에 나타나 있는 바와 같이 열전도성 충전재의 입경 등을 변경시켰다. 표 1 ~ 4 에서, "95 % 이상의 입경을 갖는 부분" 난에서의 각 값은 입경이 탄성층(23)의 평균 두께의 95 % 이상인 열전도성 충전재의 함량을 나타내고, "함량" 난에서의 각 값은 탄성 조성물 중 열전도성 충전재의 함량을 나타낸다. 표 3 및 4에서, "열전도성 충전재" 난 중 "평균 입경" 난 등에서의 "-"는 탄성층(23)은 열전도성 충전재가 구비되지 않음을 나타낸다. "평균 두께" 난 중 "흑연 시트" 등에서의 "-"는 방열 시트(21)은 흑연 시트 등이 구비되지 않음을 나타낸다. 방열 시트(21)의 각 예에 대해서, 하기의 각 항목을 측정 또는 평가했다. 그의 결과는 표 1 ~ 4에 나타나 있다.

<탄성층의 경도>

탄성층(23)을 갖는 방열 시트(21)에 대해서 ISO 7619-1에 준거하여 타입 A 경도계를 사용하여 탄성층(23)의 경도를 측정했다.

<열전도율>

각 예의 흑연 시트(22) 및 탄성층(23)으로부터 디스크형 시험편 (직경: 10 mm)을 수득한 후, 열 상수 측정 장치 (Rigaku Corp., LF/TCM-FA8510B)를 사용하는 레이저 플래시법에 따라 시험편의 열전도율을 측정했다. 흑연 시트(22)로부터 수득한 시험편에 대해 시험편의 표면에 평행한 방향 및 시험편의 두께 방향 모두에서 열전도율을 측정했다. 탄성층(23)으로부터 수득한 시험편에 대해 시험편의 두께 방향에서 열전도율을 측정했다. 흑연 시트(22)으로부터 수득한 시험편의 표면에 평행한 방향에서의 열전도율은 "흑연 시트(표면)" 난에 나타나 있고, 흑연 시트(22)로부터 시험편의 두께 방향에서의 열전도율은 "흑연 시트(두께)" 난에 나타나 있고, 탄성층(23)으로부터 수득한 시험편의 두께 방향에서의 열전도율은 "탄성층" 난에 나타나 있다.

<열저항치>

각 예의 방열 시트(21)을 세라믹 히터 (SAKAGUCHI E.H VOC CORP., Microceramic Heater MS-3, 발열량: 25W, 상면: 높이 10 mm×폭 10 mm) 및 히트 싱크 형태의 냉각 부재 사이에 개재시킨 다음, 가압기로 방열 시트(21)에 하중 10 N/cm²을 가했다. 그 다음, 세라믹 히터를 켜고, 방열 시트를 10분 동안 방치했다. 10분 경과 후, 방열 시트(21)에 대해서 세라믹 히터 측의 표면(22a)의 온도 및 히트 싱크 측의 표면(22a)의 온도를 측정하여 하기 식으로 열저항치를 구했다. 식에서, θ_j1은 세라믹 히터 측의 표면(22a)의 온도를 나타내고, θ_j0는 히트 싱크 측의 표면(22a)의 온도를 나타낸다.

열저항치 (℃/W) = (θ_j1 - θ_j0)/세라믹 히터의 발열량(W)

<체적 저항률>

각 예의 방열 시트(21)의 체적 저항률을 국제 표준 ICE 60093 (JIS K 6911)에 준거하여 측정했다.

<열확산성>

도 3A 및 3B에 나타나 있는 바와 같이, 각 예의 방열 시트(21)을 세라믹 히터(15) (SAKAGUCHI E.H VOC CORP., Micorceramic Heater MS-3, 발열량: 9W, 상면: 높이 10 mm×폭 10 mm)에 부착한 후, 세라믹 히터를 켜고 방열 시트(21)을 10분 동안 방치했다. 그 다음, 10분 경과 후, 세라믹 히터(15)의 상면의 중심 B의 온도를 측정했다. 더욱이, 세라믹 히터(15)에 대향하지 않는 방열 시트(21) 측의 표면의 상기 중심 B에 대응하는 위치 C 에서의 온도 측정에 추가하여, 세라믹 히터(15)의 중심으로부터 280 mm 떨어진 위치 D 에서의 온도를 측정했다. 중심 B 및 위치 C와 D의 온도로부터 하기 식으로 각 온도차를 측정했다. 또한, 비교예 14 에서, 방열 시트(21)을 생략한 상태에서의 10분 동안의 정치 후, 세라믹 히터(15)의 상기 중심 B 에서의 온도를 측정했다.

ΔT₁(℃) = (중심 B의 온도(℃) - 위치 C의 온도(℃)

ΔT₂(℃) = (위치 C의 온도(℃) - 위치 D의 온도(℃)

<유연성>

각 예의 방열 시트(21)에 대해서 경도 등을 기초로 하여 유연성을 평가했다. 각 표의 "유연성" 난에서, "3"은 방열 시트(21)이 우수한 유연성을 발휘하고 주름 및 틈이 방열 시트(21)가 구부러질 때에도 방열 시트(21)의 표면에 형성되지 않음을 나타내고, "2"는 방열 시트(21)이 양호한 유연성을 발휘하고 주름 및 틈이 방열 시트(21)의 통상의 사용 동안에 방열 시트(21)의 표면에 형성되지 않음을 나타내고, "1"은 방열 시트(21)의 유연성이 낮고 주름 및 틈이 방열 시트(21)의 표면에 쉽게 형성됨을 나타낸다.

<형상 추종성>

각 예의 방열 시트에 대해서, 열확산성의 평가에서 각 방열 시트(21)을 세라믹 히터(15)에 부착했을 때 세라믹 히터(15)의 표면 형상에의 방열 시트(21)의 추종성을 평가했다. "형상 추종성" 난에서, "3"은 방열 시트(21)은 탁월한 형상 추종성을 발휘하고 방열 시트(21)의 접촉 열저항이 아주 낮음을 나타내고, "2"는 방열 시트(21)은 양호한 형상 추종성을 발휘하고 방열 시트(21)의 접촉 열저항이 낮음을 나타내고, "1"은 방열 시트(21)은 낮은 형상 추종성을 갖고 방열 시트(21)의 접촉 열저항이 높음을 나타낸다.

<점착성>

각 예의 방열 시트(21)에 대해서 세라믹 히터(15) 측의 표면의 점착성을 평가했다. 각 표의 "점착성"에서, "3"은 방열 시트(21)이 우수한 재작업성을 발휘할 수 있을 정도의 점착성을 가짐을 나타내고, "2"는 방열 시트(21)이 양호한 재작업성을 발휘할 수 있을 정도의 약간의 점착성을 가짐을 나타내고, "1"은 방열 시트(21)이 점착성을 가질지라도 방열 시트(21)의 점착성이 낮기 때문에 재작업성을 발휘할 수 없음을 나타낸다.

<표면 평활성>

각 예의 방열 시트(21)에 대해서 세라믹 히터(15) 측의 표면 평활성을 평가했다. 각 표의 "표면 평활성" 난에서, "3"은 방열 시트(21)의 표면이 고도의 평활성을 가짐을 나타내고, 한편 "2"는 방열 시트(21)의 표면이 양호한 평활성을 가짐을 나타낸다. "1"은 방열 시트(21)의 표면 평활성이 낮고 열전도성 충전재에 기인한 볼록부, 및 열전도성 충전재의 분리에 기인한 오목부와 같은 표면 흠결이 방열 시트(21)의 표면에 뚜렷함을 나타낸다.

<취급성>

각 예의 방열 시트(21)의 취급성을 평가했다. 각 표의 "취급성" 난에서, "3"은 방열 시트(21)의 취급이 아주 용이함을 나타내고, "2"는 방열 시트(21)의 취급이 용이함을 나타내고, "1"은 방열 시트(21)의 취급이 어렵고 목적 위치에서의 방열 시트(21)의 부착이 어렵다는 것을 나타낸다.

		실시예 1	실시예 2	실시예 3	실시예 4	실시예 5	실시예 6	실시예 7
열전도성 충전재	평균 입경(㎛)	3.5	3.5	3.5	8	3.5	10	3.5
	95%이상 입경 부분(%)	0.1	0	0	0	0	0	0
	함량 (체적%)	54	54	54	71	54	67	67
평균 두께 (㎛)	흑연 시트	80	80	80	80	80	130	130
	배리어층	5	5	5	5	5	5	5
	탄성층	20	120	280	120	120	120	100
탄성층 경도 (타입 A)		23	23	23	26	40	24	24
열전도율 (W/m·K)	흑연 시트 (표면)	240	240	240	240	240	240	500
	흑연 시트 (두께)	7	7	7	7	7	7	5
	탄성층	1.5	1.5	1.5	8	1.5	3	3
열저항치(℃/W)		0.77	0.92	1.45	0.50	1.48	1.08	0.95
체적 저항률(Ω·cm)		1.0×10¹⁰	1.0×10¹⁰ 이상	1.0×10¹⁰ 이상	1.0×10¹⁰ 이상	1.0×10¹⁰ 이상	1.0×10¹⁰ 이상	1.0×10¹⁰ 이상
열확산성	중심 B의 온도(℃)	106.1	105.4	106.3	97.7	106.5	102.3	100.9
	ΔT₁(℃)	9.3	10.1	12.3	7.2	11.2	9.8	9.6
	ΔT₂(℃)	33.1	33.3	32.9	33.4	33.5	33.3	28.8
유연성		3	3	3	3	3	3	3
형상 추종성		2	3	3	3	2	3	3
점착성		3	3	3	3	3	3	3
표면 평활성		2	3	3	3	3	3	3
취급성		2	3	3	3	3	3	3

		실시예 8	실시예 9	실시예 10	실시예 11	실시예 12	실시예 13
열전도성 충전재	평균 입경(㎛)	8	45	45	3.5	8	3.5
	95%이상 입경 부분(%)	0	0	13	0	0	0
	함량 (체적%)	71	67	67	54	71	54
평균 두께 (㎛)	흑연 시트	130	130	130	80	80	80
	배리어층	5	5	5	5	5	15
	탄성층	170	100	100	120	120	120
탄성층 경도 (타입 A)		26	25	26	60	72	23
열전도율 (W/m·K)	흑연 시트 (표면)	500	500	500	240	240	240
	흑연 시트 (두께)	5	5	5	7	7	7
	탄성층	8	3	3	1.5	8	1.5
열저항치(℃/W)		0.75	0.98	1.02	1.92	1.67	1.23
체적 저항률(Ω·cm)		1.0×10¹⁰ 이상	1.0×10¹⁰ 이상	1.0×10¹⁰ 이상	1.0×10¹⁰ 이상	1.0×10¹⁰ 이상	1.0×10¹⁰ 이상
열확산성	중심 B의 온도(℃)	98.8	101.0	101.2	110.6	109.6	110.2
	ΔT₁(℃)	7.8	10.0	10.8	12.6	11.5	13.0
	ΔT₂(℃)	29.3	28.7	29.1	33.7	33.5	32.9
유연성		3	3	3	2	2	3
형상 추종성		3	3	3	2	2	3
점착성		3	3	3	2	2	3
표면 평활성		3	3	3	3	3	3
취급성		3	3	3	3	3	3

		비교예 1	비교예 2	비교예 3	비교예 4	비교예 5	비교예 6	비교예 7
열전도성 충전재	평균 입경(㎛)	-	-	3.5	3.5	-	-	55
	95%이상 입경 부분(%)	-	-	0	0	-	-	17
	함량(체적%)	-	-	54	27	-	-	54
평균 두께 (㎛)	흑연 시트	130	510	510	80	130	130	80
	배리어층	5	5	5	5	5	5	5
	탄성층	-	-	80	120	-	-	120
탄성층 경도 (타입 A)		-	-	23	23	-	-	23
열전도율 (W/m·K)	흑연 시트 (표면)	240	240	240	240	500	120	240
	흑연 시트 (두께)	7	7	7	7	5	16	7
	탄성층	-	-	1.5	0.3	-	-	1.5
열저항치(℃/W)		0.80	3.88	1.71	3.16	1.09	0.55	1.11
체적 저항률(Ω·cm)		1.0×10²	1.0×10²	1.0×10¹⁰ 이상	1.0×10¹⁰ 이상	1.0×10²	1.0×10²	1.0×10¹⁰ 이상
열확산성	중심 B의 온도(℃)	108.7	106.5	105.9	109.8	107.6	111.3	109.8
	ΔT₁(℃)	10.8	15.1	13.5	12.3	11.1	8.5	11.2
	ΔT₂(℃)	32.9	33.4	32.7	33.5	28.9	49.3	33.0
유연성		3	1	1	1	3	2	3
형상 추종성		1	1	3	3	1	1	1
점착성		1	1	3	3	1	1	3
표면 평활성		2	2	3	3	2	2	1
취급성		2	2	3	3	2	2	3

		비교예 8	비교예 9	비교예 10	비교예 11	비교예 12	비교예 13	비교예 14
열전도성 충전재	평균 입경(㎛)	2	-	-	10	60	45	-
	95%이상 입경 부분(%)	4	-	-	0	0	22	-
	함량 (체적%)	46	-	-	67	67	67	-
평균 두께 (㎛)	흑연 시트	100	200	300	-	130	130	-
	배리어층	3	5	5	-	5	5	-
	탄성층	8	-	-	200	100	100	-
탄성층 경도 (타입 A)		-	-	-	24	27	27	-
열전도율 (W/m·K)	흑연 시트 (표면)	240	240	240	-	500	500	-
	흑연 시트 (두께)	7	7	7	-	5	5	-
	탄성층	1.0	-	-	3	3	3	-
열저항치(℃/W)		0.98	1.65	2.11	0.45	1.29	1.31	-
체적 저항률(Ω·cm)		1.0×10⁴	1.0×10²	1.0×10²	1.0×10¹⁰ 이상	1.0×10¹⁰ 이상	1.0×10¹⁰ 이상	-
열확산성	중심 B의 온도(℃)	109.1	107.8	106.9	123.7	108.1	108.3	127.1
	ΔT₁(℃)	10.5	11.7	13.1	6.5	11.5	12.0	-
	ΔT₂(℃)	34.2	34.4	34.3	83.4	28.5	28.6	-
유연성		3	3	2	3	3	3	-
형상 추종성		1	1	1	3	1	1	-
점착성		3	1	1	3	3	3	-
표면 평활성		2	2	2	3	1	1	-
취급성		2	2	2	1	3	3	-

표 1 및 2에 나타나 있는 바와 같이, 실시예 1 ~ 13 에서는, 모든 항목에 대해서 우수한 결과 및 평가를 얻었다. 결과적으로, 각 실시예의 방열 시트(21)은 바람직하게는 발열체(13)으로부터 발생된 열을 방산하기 위한 용도에 사용될 수 있다.

표 3 및 4에 나타나 있는 바와 같이, 비교예 1, 2, 5, 6, 9 및 10 에서는, 방열 시트(21)은 탄성층(23)이 구비되지 않기 때문에, 방열 시트(21)의 형상 추종성과 같은 항목은 각 실시예와 비교하여 열등하였다. 비교예 3 에서는, 흑연 시트(22)의 평균 두께는 300 ㎛를 초과하기 때문에, 유연성은 각 실시예와 비교하여 열등하였다. 비교예 4 에서는, 열전도성 충전재의 함량이 30 체적% 미만이기 때문에, 탄성층(23)의 열전도율은 낮고, 각 실시예와 비교하여 세라믹 히터(15) 내에 축열된다. 비교예 7 및 13 에서는, 입경이 탄성층(23)의 평균 두께의 95 % 이상인 열전도성 충전재의 함량은 15 체적%를 초과하기 때문에, 방열 시트(21)의 표면 평활성은 각 실시예와 비교하여 열등하다. 비교예 8 에서는, 탄성층(23)의 평균 두께는 10 ㎛ 미만이기 때문에, 방열 시트(21)의 형상 추종성은 각 실시예와 비교하여 열등하다. 비교예 11 에서는, 방열 시트(21)이 흑연 시트(22)가 구비되지 않기 때문에, 각 실시예와 비교하여 세라믹 히터(15) 내에 축열된다. 비교예 12 에서는, 열전도성 충전재의 입경이 탄성층(23)의 평균 두께의 50 %를 초과하기 때문에, 각 실시예와 비교하여 열등하다. 비교예 14 에서는, 방열 시트(21)은 세라믹 히터(15)에 부착되지 않기 때문에, 각 실시예와 비교하여 세라믹 히터(15) 내에 축열된다.

본 실시예 및 실시형태는 예시적인 것이지 제한적인 것은 아니고 본 발명은 본 명세서의 상세한 설명으로 한정되지 않고 부가되는 특허청구범위 및 균등 범위 내에서 변경될 수 있다.

본 발명에 따른 방열 시트 및 상기 방열 시트를 구비한 방열 구조에 의하여, 휴대 전화에 의해 대표되는 전자 기기에 존재하는 전자 부품 등의 발열체로부터 발생하는 열을 방산시킬 수 있다.

Claims

발열체 상에 구비된 흑연 시트 및 발열체에 대향하여 흑연 시트의 표면에 구비된 전기 절연성 탄성층을 포함하는, 발열체와 함께 사용하기 위한 방열 시트에 있어서,

흑연 시트의 평균 두께는 80 ~ 300 ㎛ 이며;

탄성층은 고분자 매트릭스 및 입상 열전도성 충전재를 함유하는 탄성 조성물로부터 형성되고;

탄성층의 평균 두께는 10 내지 280 ㎛ 이며;

열전도성 충전재의 평균 입경은 탄성층의 평균 두께의 1 ~ 45 % 이고;

탄성 조성물은 45 ~ 75 체적% 의 열전도성 충전재 함량을 갖는 것을 특징으로 하는 방열 시트.
제 1 항에 있어서,

탄성층 중의 고분자 매트릭스의 흑연 시트에의 이동을 억제하기 위하여 흑연 시트와 탄성층 사이에 배리어층을 구비한 것을 특징으로 하는 방열 시트.
제 2 항에 있어서,

배리어층의 평균 두께는 10 ㎛ 이하인 것을 특징으로 하는 방열 시트.
제 2 항에 있어서,

고분자 매트릭스는 실리콘 고무 또는 폴리이소부틸렌 고무이고, 배리어층은 아크릴계 수지 재료로부터 형성되는 것을 특징으로 하는 방열 시트.
제 2 항에 있어서,

고분자 매트릭스는 아크릴 고무이고, 배리어층은 실리콘계 수지 재료로부터 형성되는 것을 특징으로 하는 방열 시트.
제 1 항에 있어서,

흑연 시트의 표면에 알루미늄 박층을 구비한 것을 특징으로 하는 방열 시트.
제 1 항에 있어서, 탄성층의 평균 두께는 20 내지 170 ㎛ 인 것을 특징으로 하는 방열 시트.
제 1 항에 있어서,

열전도성 충전재의 재료는 산화알루미늄, 수산화알루미늄, 질화붕소, 질화알루미늄, 산화아연, 실리카(산화규소), 운모 및 아연화(zinc white)로부터 선택된 1종 이상인 것을 특징으로 하는 방열 시트.
제 8 항에 있어서,

열전도성 충전재의 재료는 산화알루미늄인 것을 특징으로 하는 방열 시트.
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제 1 항 내지 제 9 항 중의 어느 한 항에 따른 방열 시트;

케이스; 및

케이스 내에 구비된 발열체를 포함하고,

방열 시트는 탄성층의 표면이 발열체와 접촉하도록 발열체 상에 구비되는 것을 특징으로 하는 방열 구조.