KR100841939B1

KR100841939B1 - 방열시트의 제조방법

Info

Publication number: KR100841939B1
Application number: KR1020060088889A
Authority: KR
Inventors: 송용설; 김찬; 권상균; 팽세웅; 김범진; 조윤진; 이병선; 양성철
Original assignee: (주) 아모센스
Priority date: 2006-02-07
Filing date: 2006-09-14
Publication date: 2008-06-27
Also published as: KR20070080546A

Abstract

본 발명은 방열시트의 제조방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 나노복합체 탄소섬유 또는 부직포로 제조된 방열시트가 디스플레이 글래스와 방열판(heat spreader) 사이에 삽입 장착됨으로써, 발생된 열을 효율적으로 수직방향과 수평방향으로 균일하게 전달이 가능하고, 전기방사법을 사용함으로써 방사시 부직포상으로 제조가 가능하여 기존의 용융방사나 용액방사에 비해 공정이 감소되어 생산성 및 작업성을 향상시킬 수 있으며, 방사용액에 카본나노튜브(carbon Nanotube, CNT), 흑연(graphite), 카본블랙(carbon black, CB), 금속나노 분말(metal nanoparticle) 등을 첨가하여 복합방사가 가능하며, 상기 물질의 종류와 조합, 함량의 변화에 따라 강도, 열전도도, 전기전도도의 특성을 조절할 수가 있고, 레이온을 원료로 탄소화한 부직포를 사용하므로 수직방향 및 수평방향의 열전도도를 향상시킴과 동시에 저가격화가 가능하며, 최대 1㎛ 미만의 직경을 갖는 나노복합체 탄소섬유 또는 레이온을 원료로 탄소화한 부직포를 제조할 수 있어 슬림박형화 및 충격흡수가 가능한 방열시트의 제조방법에 관한 것이다.

상기 본 발명은 방사 용액이 들어있는 저장탱크로부터 주사되어 나온 물질에 고전압을 가하여 분사시킨 후 이송되어 칼랜다를 거쳐 나노섬유가 형성되는 단계와; 상기 분사된 전기방사 용액에 나노재료를 복합화하여 얻어진 나노섬유를 산화안정화 시키는 단계와; 상기 공정을 거쳐 불활성 또는 진공 분위기에서 500 ~ 3000℃ 온도범위에서 열처리하여 탄소나노섬유를 형성하는 단계와; 상기 탄소나노섬유 와 나노복합체 탄소섬유를 열경화성 수지 또는 열가소성 수지에 함침하여 열전도성 탄소나노섬유를 형성하는 단계와; 상기 탄소화된 나노복합체 탄소섬유를 밀링하여 분쇄시키는 단계와; 상기 분쇄된 탄소나노섬유 및 나노복합체 탄소섬유 분말을 열경화성 수지 내에 단독 또는 전도성 분말과 함께 분산시켜 열전도성 필름을 형성하는 단계를 포함함을 특징으로 한다.

디스플레이 장치, PDP, LCD, 방열시트, 전기방사, 탄소나노섬유, 나노복합체 탄소섬유, 부직포, 레이온, 열전달 효율 향상, 공정도 감소, 생산성 향상, 박형화.

Description

방열시트의 제조방법{Preparation method of thermal conductive sheet}

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 플라즈마 디스플레이 패널의 구조 및 방열시트의 상세한 구조를 나타낸 도면.

도 2는 상기 도 1에 있어서 방열시트의 상세한 구조의 사시도.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 전기방사에 의해 제조된 탄소나노복합체 탄소섬유의 제조 흐름도.

도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 레이온을 원료로 탄소화 공정을 통해 제조된 부직포 섬유의 제조 흐름도.

도 5a 내지 도 5c는 전기방사에 의해 제조된 각각 카본나노튜브 함량이 (a) 1, (b) 3, (c) 5중량부인 나노복합체 PAN계 탄소섬유의 주사전자현미경 사진.

도 6a 내지 도 6c는 종래의 용융방사 방법으로 제조된 피치계 등방성(a), 이방성(b) 탄소섬유의 주사전자 현미경 사진과, 본 발명의 전기방사 방법에 제조된 탄소섬유의 직경을 알 수 있는 주사전자현미경 사진.

도 7a 내지 도 7c는 본 발명의 일 실시예에 따른 각각 전기방사에 의해 제조된 탄소섬유를 분쇄한 (a) PAN계 탄소 나노섬유, (b) 3 중량부의 카본나노튜브가 함유된 나노복합체 탄소섬유, (c) 5 중량부 카본나노튜브가 함유된 나노복합체 탄소섬유의 단섬유를 보여주는 주사전자 현미경 사진.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

10: 프론트 글래스 20: 플라즈마 글래스

30: 방열시트 31: 열전도성 시트

32: 접착제층 40: 열전도성 필러

41: 레진 50: 히트 스프레더

60: 인쇄회로기판(PCB) 70: 백 커버

일반적으로, PDP(Plasma Display Panel)는 기체방전에 의해 생성된 플라즈마를 이용하여 영상을 표시하는 장치로서, 이는 평면 유리를 사용하므로 브라운관처럼 화면이 굴절되지 않고 왜곡 현상도 없으며, 평면 유리의 사용으로 두께 15㎝이하의 얇은 모니터를 만들 수 있어 가벼운 벽걸이 TV를 가능하게 하였다. 또한, 상기 PDP는 LCD의 단점이었던 좁은 시야각이 넓어져 160도 이상의 범위에서도 화질 저하가 없이 시청이 가능하였고, 이러한 장점에 따라 각 업체들은 PDP를 주력 상품으로 개발하고 있으며, 그러나 대부분 업체에서 PDP에 관한 연구는 화질향상이나, 플라즈마 글래스(Plasma glass)의 제조에 관하여 주로 수행되고 있는 실정이다.

상기 플라즈마 글래스의 최대 허용 동작 온도는 90℃ 이하이며 형광영역(방전영역)과 비형광영역(비방전영역) 온도차가 10℃ 이상이 되면 플라즈마 글래스에 균열이 발생하게 되고, 플라즈마 광원을 이용하는 PDP는 내부에 고전압/고전류가 발생하게 되며, 예를 들어 42인치 모델의 경우 350W 정도의 열이 발생하고 있다. 또한, 슬림박형화 구조가 구현되어야 하는 PDP는 이전의 브라운관 화면표시장치보다 협소한 구조로 인해 열적으로는 열악한 환경을 갖고 있으며, PDP의 냉각장치로서 팬(FAN)이 많이 사용되었으나, 이는 PDP 두께의 슬림 박형화에 가장 큰 장애요인이 되고 있는 동시에 소음, 중량증가 및 동력소비 등의 문제를 갖고 있기 때문에 최근에 들어 상기 PDP에 팬(FAN)이 사용되지 않는 '무동력 방식'의 냉각장치가 요구되었으며, 이에 따라 발생된 열을 신속히 저온부로 균일하게 확산 전달시킬 수 있는 알루미늄 샤시로 이루어진 고효율 히트 스프레더(Heat Spreader)가 사용되고 있다.

또한 종래에 실시하고 있는 방열시트는 실리콘과 같은 러버(Rubber) 계열 또는 폼 테이프(Foam tape)와 같은 아크릴계로 이루어져 있으나, 이 경우 바인더(Binder)인 러버(또는 아크릴)와 열전도가 우수한 분말을 결합시켜서 제조하여야 하기 때문에 열전도도를 향상시키기에는 한계가 있고, 이러한 한계를 극복하기 위해 열전도성이 우수한 흑연(Graphite) 재질을 갖는 그라파이트 부재로 전환되고 있는 추세이다. 하지만 상기의 흑연으로 이루어진 그라파이트 부재는 열전도성은 우수하나 제조자 및 생산자가 PDP를 구성, 즉 방열 메카니즘을 구성시키기 위해 조립 할 시 부서지거나 훼손되는 등의 하기와 같은 취급상의 문제가 있다.

또한 상기 종래에 실시하고 있는 방열시트를 이루고 있는 흑연(Graphite)으로 이루어진 그라파이트 부재는 판상구조의 흑연들이 발포되어 강력한 힘으로 압연되어 시트(Sheet) 상태로 형성되어 있는 바, 재질의 특성상 표면에 점착액이 도포된 상태에서 이형지를 탈피할 때 상기 표면이 점착액과 같이 떨어져 나가는 표면박리 현상이 발생되는 문제가 있다.

또한, 상기에서 흑연으로 이루어진 그라파이트 부재는 표면박리 현상으로 인해 상기 플라즈마 글래스와 알루미늄 샤시로 이루어진 히트 스프레더 사이에 위치되어 접착될 시 상기 히트 스프레더의 표면조도와 가공정밀성의 한계 때문에 평탄도의 정밀한 유지가 어려운 동시에 상기 히트 스프레더가 알루미늄 샤시로 이루어져 있어 그라파이트 부재와 직접 접착되어 있을시 알루미늄 샤시의 무게(약 20kg 내지 30kg)가 무겁기 때문에 상기 그라파이트 부재의 점착액만으로는 접착력이 떨어져 서로 분리되는 문제가 발생하게 된다.

따라서 온도분포가 균일하여 수평방향과 수직방향으로의 열전달 효율이 향상되고, 방사공정이 단순하여 공정도가 감소되고 이로 인해 생산성 및 작업성을 향상시킬 수 있으며, 방열시트 제조시 카본나노튜브, 흑연, 카본블랙, 금속나노분말 등의 열전도성 재료의 조합과 함량의 변화에 따라 강도, 열전도도, 전기전도도의 특성을 조절할 수 있고, 레이온을 원료로 탄화한 부직포를 사용하므로 수직방향 및 수평방향의 열전도도를 향상시킴과 동시에 저가격화가 가능하며, 최대 1㎛ 미만의 직경을 갖는 나노복합체 탄소섬유 또는 레이온을 원료로 탄화한 부직포를 만들 수 있어 시스템의 슬림박형화가 가능한 방열시트의 개발이 필요한 실정이다.

본 발명은 상기 문제점을 해소하고자 안출한 것으로서, 나노복합체 탄소섬유 또는 레이온을 원료로 탄소화한 부직포로 제조된 방열시트가 플라즈마 디스플레이 글래스와 히트 스프레더 사이에 삽입 장착됨으로써, 온도분포를 균일하게 하여 수평방향과 수직방향으로의 열전달 효율의 향상은 물론 충격흡수, 3차원 부직포상으로 섬유간 형성된 공기유로를 이용하여 고립공기층의 해소를 통해 열전달 효율을 획기적으로 향상시키는 방열시트의 제조방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

또 다른 목적은 전기방사 방법을 이용하여 제조된 방열시트가 부직포상으로 제조됨으로써, 기존의 용융방사나 용액방사 방법으로 제조된 방열시트보다 방사 및 제조공정이 단순하여 공정도가 감소되고 이로 인해 생산성 및 작업성을 향상시킬 수 있는 방열시트의 제조방법을 제공하는데 있다.

또 다른 목적은 방열시트 제조시 카본나노튜브, 흑연, 카본블랙, 금속나노분말 등의 고열전도성 재료를 사용함으로써, 상기 물질의 종류와 조합, 함량의 변화에 따라 강도, 열전도도, 전기전도도의 특성을 조절할 수 있는 방열시트의 제조방법을 제공하는데 있다.

또 다른 목적은 레이온을 원료로 탄소화한 부직포를 사용하므로 수직방향 및 수평방향의 열전도도를 향상시킴과 저가격화가 가능한 방열시트의 제조방법을 제공하는데 있다.

또 다른 목적은 전기방사 방법을 이용함으로써, 최대 1㎛ 미만의 직경을 갖 는 나노복합체 탄소섬유 또는 레이온을 원료로 탄소화한 부직포를 만들 수 있어 시스템의 슬림박형화가 가능한 방열시트의 제조방법을 제공하는데 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 바람직한 일실시예에 따른 방열시트의 제조방법은 방사 용액이 들어있는 저장탱크로부터 주사되어 나온 물질에 고전압을 가하여 분사시킨 후 이송되어 칼랜다를 거쳐 나노섬유가 형성되는 단계와; 상기 분사된 전기방사 용액에 고열전도성 나노재료를 복합화하여 얻어진 나노섬유를 산화 안정화시키는 단계와; 상기 공정을 거쳐 불활성 또는 진공 분위기에서 500 ~ 3000℃ 온도범위에서 열처리하여 나노복합체 탄소섬유를 형성하는 단계와; 상기 탄소나노섬유와 나노복합체 탄소섬유를 열경화성 수지 또는 열가소성 수지에 함침하여 열전도성 탄소나노섬유를 형성하는 단계와; 상기 탄소화된 나노복합체 탄소섬유를 밀링하여 분쇄시키는 단계와; 상기 분쇄된 탄소나노섬유 및 나노복합체 탄소섬유 분말을 열경화성 수지 내에 단독 또는 전도성 분말과 함께 분산시켜 열전도성 필름을 형성하는 단계를 포함함을 특징으로 한다.

또한 상기 본 발명에 있어서, 상기 열경화성 수지는 우레탄, 페놀, 아크릴, 우레아 중에서 어느 하나를 단독으로 사용하거나 상기 우레탄, 페놀, 아크릴, 우레아 중에서 어느 하나에 전도성 재료를 복합화한 것이고, 상기 열가소성 수지는 실리콘, 폴리에틸렌 중에서 어느 하나를 단독으로 사용하거나 상기 실리콘, 폴리에틸렌 중에서 어느 하나에 전도성 재료를 복합화한 것을 특징으로 한다.

또한 상기 본 발명에 있어서, 상기 나노복합체 탄소섬유는 카본나노튜브, 흑연, 카본블랙, 금속나노 분말, 기상성장 탄소섬유의 재료가 단독 또는 복수로 조합되어 형성되는 것을 특징으로 한다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 바람직한 다른 일실시예에 따른 방열시트의 제조방법은 부직포의 원재료인 레이온을 준비하고 부직포를 성형하는 단계와; 상기 성형된 부직포를 300℃와 400℃에서 각각 10분 유지하고, 안정화 재처리 시간을 100분으로 하여 산화안정화 시키는 단계와; 상기 공정을 거쳐 불활성 분위기에서 500℃, 600℃, 700℃, 800℃, 900℃와 1000℃ 또는 1300℃에서 각각 10분 유지하여 탄소화 처리 시간을 230분으로 하거나 400℃와 1000℃ 또는 1300℃에서 각각 10분 유지하여 탄소화 처리 시간을 180분으로 열처리하여 탄소화된 부직포를 형성하는 단계와; 상기 탄화된 부직포를 열가소성 수지에 함침하여 열전도성 부직포 시트를 형성하는 단계와; 상기 탄소화된 부직포를 밀링하여 분쇄시키는 단계와; 상기 분쇄된 부직포 분말을 열가소성 수지와 혼합한 후 압력을 가하여 필름을 형성하는 단계를 포함함을 특징으로 한다.

삭제

이하, 본 발명의 바람직한 일실시예에 따른 나노복합체 탄소섬유를 이용한 방열시트의 구조를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 플라즈마 디스플레이 패널의 구조 및 방열시트의 상세한 구조를 나타낸 도면이고, 도 2는 상기 도 1에 있어서 방열시트의 상세한 구조의 사시도이다.

도 1과 도 2에 도시한 바와 같이, 플라즈마 디스플레이 패널(Plasma Display Panel: PDP)의 구성은 프론트 글래스(Front glass)(10), 플라즈마 글래스(Plasma glass)(20), 방열시트(Radiation sheet)(30), 히트 스프레더(Heat Spreader)(50), 인쇄회로기판(PCB)(60), 백 커버(Back cover)(70)로 이루어져 있다.

상기 플라즈마 디스플레이 패널을 구성하는 기술적 수단의 기능을 살펴보면 다음과 같다.

상기 프론트 글래스(10)는 PDP의 전면부에 위치되어 플라즈마 글래스(Plasma glass)에서 방전된 기체상태의 플라즈마가 글자 또는 그래픽으로 디스플레이 되는 곳으로, 상기 프론트 글래스의 하부에 형성된 환기구를 통해 외기가 들어와 PDP내부를 순환하며 열을 밖으로 전달시키게 된다.

상기 플라즈마 글래스(20)는 글래스 내부를 교차하는 수많은 전선들로 이루어져 있고, 여기에서 기체 방전이 일어나서 열이 발생되는 곳으로, 이는 PDP내의 주발열체로서 이 부분의 냉각이 제대로 이뤄지지 않으면 균열이 발생하게 된다.

상기 방열시트(30)는 플라즈마 글래스와 히트 스프레더를 접촉시켜 주는 역할을 하게 된다. 여기서 방열시트(30)는 열전도성 탄소나노섬유 시트(31)이나 열전도성 나노복합체 탄소섬유 시트(31)를 양쪽에 접착제층(32)이 형성된 형태이다. 또한 상기 열전도성 탄소나노섬유 시트(31)이나 열전도성 나노복합체 탄소섬유 시트(31) 대신에 열전도성 필러(40)가 대체되고 접착제층(32)이 레진(41)로 대체된 형태도 가능할 것이다.

상기 히트 스프레더(50)는 무게가 20 내지 30kg인 알루미늄 샤시로 이루어진 주 냉각장치로서 플라즈마 글래스에서 발생한 열이 자연대류에 의해 외기로 전달되게 하고, 이는 이외에도 인쇄회로기판(PCB)(60)이나 백 커버가 설치되고 고정되도록 지지하는 역활도 한다.

상기 백 커버(70)는 PDP의 내부를 보호하도록 이루어진 것이고, 상부와 하부에는 냉각용 외기가 PDP 내부로 들어갈 수 있도록 수많은 환기구가 설치되어 있다.

이하, 본 발명의 바람직한 일실시예에 따른 나노복합체 탄소섬유를 이용한 방열시트의 제조 흐름과 레이온을 원료로 탄소화한 부직포의 탄화 공정의 흐름을 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 전기방사에 의해 제조된 나노복합체 탄소섬유의 제조 흐름도이고, 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 레이온을 원료로 탄소화 공정을 통해 제조된 부직포 섬유의 제조 흐름도이다.

도 3에 도시되어 있는 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 탄소나노복합체 탄소섬유의 제조방법을 단계별로 구체적으로 설명하면 다음과 같다.

첫 번째 단계(①)는 방사 용액이 들어있는 저장탱크로부터 주사되어 나온 물질에 고전압을 가하여 분사시킨 후 이송되어 칼랜다를 거쳐 나노섬유가 형성되는 단계이다. 상기 나노섬유가 형성시킨 전기방사(electrospinning)은 고분자 용액이나 용융물에 고전압을 가하여 전계(電界)에 형성된 전기장을 이용하여 나노섬유를 형성하는 방법으로 기존의 용융방사(melt-spinning), 용액방사(solution spinning), 용융분사방사(melt-blown spinning)방법으로는 제조할 수 없는 직경 1㎛미만의 초극세 나노섬유를 얻을 수 있는 방법이다. 특히, 방사용액(spinning dope)내에 나노소재의 물질(nanoparticle) 즉, carbon nanotube, carbon black, metal-nano particle 등을 분산시켜 전기방사를 실시함으로써 나노복합체 섬유를 얻을 수 있는 것이다. 상기 전기방사 방법은 방사 공정이 단순할 뿐만 아니라 제조된 섬유가 3차원 네트워크를 형성하여 부직포상으로 제조되는 장점이 있는 것이다.

두 번째 단계(②)는 상기 분사된 전기방사 용액에 단독 또는 나노재료를 복합화하여 얻어진 나노섬유를 산화 안정화시키는 단계이다. 산화안정화 방법으로는 전기방사에 의해 제조된 PAN계 내지는 나노복합체 PAN계 섬유를 박스타입 전기로나 연속식 전기로를 사용하여 분당 0.5 ~ 5℃의 승온속도로 350℃ 까지 열처리하면서 공기를 분당 1 ~ 20 ℓ씩 공급하면서 실시한다. 이때 얻어진 산화 안정화 섬유의 중량 및 산소함량은 산화안정화 전 나노섬유의 중량대비 0.1 ~ 20% 정도 증가하도록 한다.

세 번째 단계(③)는 상기 공정을 거쳐 불활성 내지는 진공분위기에서 500 ~ 3000℃ 온도범위에서 열처리하여 탄소나노섬유를 형성하는 단계이다. 여기서 탄소섬유용 전구체 고분자 물질로는 크게, PAN(polyacrylonitrile), Pitch, cellulose, phenol-resin, Rayon 등을 들 수 있으며, 이를 공기 중에서 350℃ 미만의 온도범위에서 산화 안정화시켜 고온 탄소화시 형태를 유지할 수 있도록 제조한 후, 이를 불활성 분위기에서 탄소화시켜 탄소섬유를 제조할 수 있다. 또한 상기 제조된 탄소섬유는 불활성 내지는 진공분위기에서 흑연화(~ 3000℃)하여 나노복합체 흑연섬유 시트를 제조할 수도 있다.

네 번째 단계(④)는 상기 나노섬유와 탄소나노섬유를 열경화성 수지 또는 열 가소성 수지에 함침하여 열전도성 탄소나노섬유 시트를 형성하는 단계이다. 여기서 열경화성 수지는 우레탄, 페놀, 아크릴, 우레아 중에서 어느 하나이며, 이때 열경화성 수지는 단독 또는 복합으로 사용할 수 있고, 상기 수지 내에 전도성 재료를 복합화하여 사용할 수 있다. 또한 열경화성 수지 대신에 열가소성 수지를 대체시켜도 된다. 여기서 상기 열가소성 수지는 실리콘, 폴리에틸리렌(PE) 중에서 어느 하나이며, 이때 열가소성 수지는 단독 또는 복합으로 사용할 수 있도 있다. 수지함침 방법으로는 몰드(mold)를 이용하여 틀을 만들고 여기에 수지를 채워 넣은 후 탄소섬유 내지는 나노복합체 탄소섬유를 넣은 후 다시 열경화성 수지를 함침하는 방법을 사용할 수 있다. 이때 가압을 가하거나 두께를 균일하게 하기 위해 캐스팅(casting) 방법 등을 사용할 수 있다.

다섯 번째 단계(⑤)는 상기 탄소화된 나노복합체 탄소섬유를 밀링하여 분쇄시키는 단계이다. 상기 사용되는 밀링방법으로는 기존의 방법 즉, ball mill, attrition mill, chopping machine 등 다양한 방법을 사용할 수 있다. 이와 같은 방법으로 분쇄된 탄소나노섬유 내지는 나노복합체 탄소섬유는 섬유상을 유지하여 여러분야에서 응용이 가능하다. 특히, 열전도성 필러, 복합소재용 필러, 각종 첨단재료 등에 응용이 가능할 것이다.

여섯 번째 단계(⑥)는 상기 분쇄된 탄소나노섬유 및 나노복합체 탄소섬유 분말을 열경화성 수지 내에 단독 또는 전도성 분말과 함께 분산시켜 열전도성 필름을 형성하는 단계이다. 이때 사용되는 열경화성 수지로는 상기에 이미 기술한 재료를 사용할 수 있으며, 필름화 공정은 기존 방법을 사용할 수 있다. 특히, 두께를 일정 하게 하기 위해 casting방법, mold 방법 등 다양한 방법을 이용할 수 있으며, 열전도성 나노분말로는 금속나노분말, 흑연, 카본블랙(CB), 카본나노튜브(carbon nanotube), 기상성장 탄소섬유(VGCF) 등 다양한 재료를 이용할 수 있다. 상기 나노복합체 탄소섬유는 카본나노튜브, 흑연, 카본블랙, 금속나노분말 등의 재료가 단독 또는 복수로 조합되어 형성되는 것이다.

도 4에 도시되어 있는 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 레이온을 원료로 탄소화 공정을 통해 제조된 부직포 섬유의 제조방법을 단계별로 구체적으로 설명하면 다음과 같다.

첫 번째 단계는 부직포의 원재료인 레이온을 준비하고 부직포를 성형하는 단계이다.

두 번째 단계는 상기 성형된 부직포를 온도 단계별로 승온시키고 유지하여 산화안정화 시키는 단계이다. 상기 산화안정화 방법은 부직포를 박스타입 전기로나 연속식 전기로를 사용하여 상온에서 300℃까지 60분 동안 승온시키고 10분간 유지하여 열처리하고, 이후 300℃에서 400℃까지 20분 동안 승온시키고 10분간 유지하여 열처리하면서 실시한다.

세 번째 단계는 상기 공정을 거쳐 불활성 분위기에서 500 ~ 1300℃ 온도범위에서 열처리하여 탄소화된 부직포를 형성하는 단계이다. 상기 탄소화 공정은 산화안정화공정이 끝난 후 연속적으로 이어지는 공정으로서, 500℃, 600℃, 700℃, 800℃, 900℃로 각각 20분간 승온시키고 10분간씩 유지하며, 900℃에서 1000℃까지 20분간 승온시키고 60분간 유지 또는 900℃에서 1300℃까지 20분간 승온시키고 60분간 유지하여 열처리하는 다단 승온 방법이 있는데, 이때 탄소화 처리 시간은 230분이다. 또한 400℃에서 1000℃까지 120분간 승온시키고 60분간 유지 또는 400℃에서 1300℃까지 120분간 승온시키고 60분간 유지하여 열처리하는 양산시의 승온 방법도 있는데, 이때 탄소화 처리 시간은 180분이다.

네 번째 단계는 상기 탄화된 부직포를 열가소성 수지에 함침하여 열전도성 부직포 시트를 형성하는 단계이다. 여기서 상기 열가소성 수지는 실리콘, 폴리에틸리렌(PE) 중에서 어느 하나이며, 이때 열가소성 수지는 단독 또는 복합으로 사용할 수 있도 있다. 수지함침 방법으로는 몰드(mold)를 이용하여 틀을 만들고 여기에 수지를 채워 넣은 후 부직포 섬유를 넣은 후 다시 열가소성 수지를 함침하는 방법을 사용할 수 있다. 이때 가압을 가하거나 두께를 균일하게 하기 위해 캐스팅(casting) 방법 등을 사용할 수 있다.

다섯 번째 단계는 상기 탄소화된 부직포를 밀링하여 분쇄시키는 단계이다. 상기 사용되는 밀링방법으로는 기존의 방법 즉, ball mill, attrition mill, chopping machine 등 다양한 방법을 사용할 수 있다. 이와 같은 방법으로 분쇄된 탄소화된 부직포 섬유는 섬유상을 유지하여 여러분야에서 응용이 가능하다. 특히, 열전도성 필러, 복합소재용 필러, 각종 첨단재료 등에 응용이 가능할 것이다.

여섯 번째 단계는 상기 분쇄된 부직포 분말을 열가소성 수지와 혼합한 후 압력을 가하여 필름을 형성하는 단계이다. 이때 사용되는 열가소성 수지로는 상기에 이미 기술한 재료를 사용할 수 있으며, 필름화 공정은 기존 방법을 사용할 수 있다. 특히, 두께를 일정하게 하기 위해 casting방법, mold 방법 등 다양한 방법을 이용할 수 있다.

이하, 본 발명의 바람직한 일실시예에 따른 나노복합체 탄소섬유를 이용한 방열시트의 주사전자현미경 사진을 통해 복수의 방법(용융방사, 전기방사)과 복수의 재료로 만들어진 다양한 섬유직경을 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다.

도 5a 내지 도 5c는 전기방사에 의해 제조된 각각 카본나노튜브 함량이 (a) 1, (b) 3, (c) 5중량부인 나노복합체 PAN계 탄소섬유의 표면구조를 볼 수 있는 주사전자현미경 사진이다.

본 발명에서와 같이 열 및 전기 전도성이 우수한 카본나노튜브를 방사용액에 분산시켜 전기방사를 실시함으로써 고열전도성 나노복합체 탄소섬유를 제조할 수 있으며, 방사시 3차원 부직포 상으로 제조가 가능하여 직조나 제직과 같은 공정을 할 필요가 없어 공정을 단축시킬 수 있다. 또한, 상기와 같은 나노재료를 복합화함으로써 열 및 전기전도성, 강도 등을 조절할 수 있다.

도 6a 내지 도 6c는 종래의 용융방사 방법으로 제조된 피치계 등방성(a), 이방성(b) 탄소섬유의 주사전자 현미경 사진과, 본 발명의 전기방사 방법에 제조된 탄소섬유의 직경을 알 수 있는 주사전자현미경 사진이며, 도 6a 내지 도 6c는 본 발명의 일 실시예에 따른 각각 전기방사에 의해 다양하게 제조된 탄소섬유를 분쇄한 PAN계 탄소 나노섬유, 3 중량부의 카본나노튜브가 함유된 나노복합체 탄소섬유, 5 중량부 카본나노튜브가 함유된 나노복합체 탄소섬유의 단섬유를 보여주는 주사전자 현미경 사진이다.

도 7a와 도 7b에 도시한 바와 같이, 종래의 용융방사 방법으로 제조된 탄소섬유의 직경은 200㎛이고, 전기방사 방법에 제조된 탄소섬유의 직경은 200㎚이다. 그러므로 용융방사방법보다 전기방사방법으로 제조된 탄소섬유가 100배 정도 가는 초극세 나노섬유를 나타냄을 알 수 있다. 이것은 방열시트 제조시 기존 탄소섬유에 비해 시스템 전체의 슬림박형화가 가능함을 암시하고 있다. 또한 6a 내지 도 6c에 도시한 바와 같이, 전기방사에 의해 제조된 PAN계 탄소나노 섬유, 3중량부 카본나노튜브가 함유된 PAN계 탄소섬유, 5중량부 카본나노튜브가 함유된 PAN계 탄소섬유는 분쇄공정에 의해 각각 단섬유 상태의 섬유상 구조를 하고 있어 열경화성 내지는 열가소성 수지에 함침하여 열전도성 방열 필름을 제조할 수 있음을 알 수 있다.

상술한 바와 같이, 본 발명은 플라즈마 디스플레이 패널을 실시예로 들어 기술하였지만, 상기 전기방사에 의한 나노복합체 탄소섬유를 이용한 방열시트의 제조방법은 LED(light emitting display), OLED(organic light emitting display), TFT-LCD(thin film transistor-liquid crystal display) 및 각종 전자제품용으로 적용이 가능할 것이다.

본 발명은 상기 실시예에 한정되지 않고, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양하게 수정 및 변경 실시할 수 있음은 이 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구나 이해할 수 있을 것이다.

이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명인 방열시트의 제조방법의 효과는 다음과 같다.

첫째, 본 발명은 나노복합체 탄소섬유나노복합체 탄소섬유 또는 레이온을 원료로 탄소화한 부직포로 제조된 방열시트가 플라즈마 디스플레이 글래스와 히트 스프레더 사이에 삽입 장착됨으로써, 온도분포를 균일하게 하여 수평방향과 수직방향 으로의 열전달 효율의 향상은 물론 충격흡수, 3차원 부직포상으로 섬유간 형성된 공기유로를 이용하여 고립공기층의 해소를 통해 열전달 효율을 획기적으로 향상시킬 수 있다.

둘째, 본 발명은 전기방사 방법을 이용하여 제조된 방열시트가 부직포상으로 제조됨으로써, 기존의 용융방사나 용액방사 방법으로 제조된 방열시트보다 방사 및 제조공정이 단순하여 공정도가 감소되고 이로 인해 생산성 및 작업성을 향상시킬 수 있다.

셋째, 본 발명은 방열시트 제조시 카본나노튜브, 흑연, 카본블랙, 금속나노분말 등의 열전도성 재료 복합방사하여 제조함으로써, 상기 물질 종류의 조합과 함량의 변화에 따라 강도, 열전도도, 전기전도도의 특성을 조절할 수 있다.

넷째, 본 발명은 전기방사 방법을 이용함으로써, 최대 1㎛ 미만의 직경을 갖는 나노복합체 탄소섬유 복합체 또는 레이온을 원료로 탄소화한 부직포를 만들 수 있어 시스템의 슬림박형화가 가능하다.

다섯째, 본 발명은 레이온을 원료로 탄소화한 부직포를 사용하므로 수직방향및 수평방향의 열전도도를 향상시킴과 저가격화가 가능하다.

여섯째, 나노복합체 탄소섬유로 구성되어 완충작용 및 충격흡수가 가능하고, 섬유간 형성된 나노기공을 통하여 고립공기층의 해소가 가능하여 시스템 전체의 열전달을 균일하게 유지할 수 있는 효과가 있다.

Claims

방열시트의 제조방법에 있어서,

방사 용액이 들어있는 저장탱크로부터 주사되어 나온 물질에 고전압을 가하여 분사시킨 후 이송되어 칼랜다를 거쳐 나노섬유가 형성되는 단계와;

상기 분사된 전기방사 용액에 나노재료를 복합화하여 얻어진 나노섬유를 산화안정화 시키는 단계와;

상기 공정을 거쳐 불활성 분위기에서 500 ~ 3000℃ 온도범위에서 열처리하여 탄소나노섬유를 형성하는 단계와;

상기 나노섬유와 탄소나노섬유를 열경화성 수지 또는 열가소성 수지에 함침하여 열전도성 탄소나노섬유를 형성하는 단계와;

상기 탄소화된 나노복합체 탄소섬유를 밀링하여 분쇄시키는 단계와;

상기 분쇄된 탄소나노섬유 및 나노복합체 탄소섬유 분말을 열경화성 수지내에 단독 또는 전도성 분말과 함께 분산시켜 필름을 형성하는 단계를 포함함을 특징으로 하는 방열시트의 제조방법.
제 1항에 있어서,

상기 열경화성 수지는 우레탄, 페놀, 아크릴, 우레아 중에서 어느 하나를 단독으로 사용하거나 상기 우레탄, 페놀, 아크릴, 우레아 중에서 어느 하나에 전도성 재료를 복합화한 것이고, 상기 열가소성 수지는 실리콘, 폴리에틸렌 중에서 어느 하나를 단독으로 사용하거나 상기 실리콘, 폴리에틸렌 중에서 어느 하나에 전도성 재료를 복합화한 것을 특징으로 하는 방열시트의 제조방법.
제 1항에 있어서,

상기 나노복합체 탄소섬유는 카본나노튜브, 흑연, 카본블랙, 금속나노 분말, 기상성장 탄소섬유의 재료가 단독 또는 복수로 조합되어 형성되는 것을 특징으로 하는 방열시트의 제조방법.
방열시트의 제조방법에 있어서,

부직포의 원재료인 레이온을 준비하고 부직포를 성형하는 단계와;

상기 성형된 부직포를 상온에서 300℃까지 60분간 승온시키고 10분간 유지하며, 300℃에서 400℃까지 20분간 승온시키고 10분간 유지하는 안정화 재처리 시간을 100분으로 하여 산화안정화 시키는 단계와;

상기 공정을 거쳐 불활성 분위기에서 500℃, 600℃, 700℃, 800℃, 900℃로 각각 20분간 승온시키고 10분간씩 유지하며, 900℃에서 1000℃까지 20분간 승온시키고 60분간 유지 또는 900℃에서 1300℃까지 20분간 승온시키고 60분간 유지하여 탄소화 처리 시간을 230분으로 하거나 400℃에서 1000℃까지 120분간 승온시키고 60분간 유지 또는 400℃에서 1300℃까지 120분간 승온시키고 60분간 유지하여 탄소화 처리 시간을 180분으로 열처리하여 탄소화된 부직포를 형성하는 단계와;

상기 탄화된 부직포를 열가소성 수지에 함침하여 열전도성 부직포 시트를 형성하는 단계와;

상기 탄소화된 부직포를 밀링하여 분쇄시키는 단계와;

상기 분쇄된 부직포 분말을 열가소성 수지와 혼합한 후 압력을 가하여 필름을 형성하는 단계를 포함함을 특징으로 하는 방열시트의 제조방법.
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