KR100972753B1 - 방열용 질화알루미늄 코팅 조성물, 이를 이용한 방열판 및 그 제조방법 - Google Patents

방열용 질화알루미늄 코팅 조성물, 이를 이용한 방열판 및 그 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은, 열을 발생하는 반도체 소자가 전면에 구비되는 질화알루미늄 박막 후면에 열을 방출하기 위해 코팅되는 조성물에 있어서, 전도성 탄소계 분말 3∼35중량%, 질화알루미늄 분말 5∼45중량%, 내열성 수지 7∼35중량%, 물유리 7∼35중량% 및 용매 10∼50중량%를 포함하는 방열용 질화알루미늄 코팅 조성물, 이를 이용한 방열판 및 그 제조방법에 관한 것이다. 본 발명의 방열용 질화알루미늄 코팅 조성물은, 열을 발생하는 반도체 소자가 전면에 구비되는 질화알루미늄 박막 후면에 박막 또는 후막 두께로 코팅되어 열전도성이 높고 반도체 소자에서 발생하는 열을 효과적으로 방출할 수 있으며 빠른 열 방출속도와 높은 열방출률을 가지며 질화알루미늄 박막과의 접착력이 우수하다.
방열판, 질화알루미늄(AlN), 탄소계 분말, 내열성 수지, 물유리

Description

방열용 질화알루미늄 코팅 조성물, 이를 이용한 방열판 및 그 제조방법{Aluminum nitride coating composite for sinking heat, heat sink using the composite and manufacturing method of the heat sink}
본 발명은 코팅 조성물, 이를 이용한 방열판 및 그 제조방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 열을 발생하는 반도체 소자가 전면에 구비되는 질화알루미늄 박막 후면에 박막 또는 후막 두께로 코팅되어 열전도성이 높고 반도체 소자에서 발생하는 열을 효과적으로 방출할 수 있으며 빠른 열 방출속도와 높은 열방출률을 가지며 질화알루미늄 박막과의 접착력이 우수한 방열용 질화알루미늄 코팅 조성물, 이를 이용한 방열판 및 그 제조방법에 관한 것이다.
발광다이오드(Light Emitting Diode; LED) 소자는 발광 다이오드에서 발생하는 열 문제로 인해 광원으로 사용하는데 제약이 많다. 발광다이오드의 광 효율은 대략 20∼30% 정도이고, 발광다이오드 1개당 소모 전력은 광 효율을 30%로 보았을 때 열로 발생하는 소모전력 비율이 70% 정도가 된다. 최근에는 발광다이오드가 액 정표시장치(Liquid Crystal Display; LCD)의 백라이트 유닛으로 사용되고 있어 점차 그 사용이 확대되고 있다.
열로 발생하는 비율이 높은 발광다이오드가 실장되어 인쇄회로기판(Printed Circuit Board: PCB)에서 발생된 열을 처리하지 못하면, 발광다이오드가 실장된 인쇄회로기판과 백라이트 유닛 내부의 온도를 상승시켜, 발광다이오드 램프의 동작 불능상태를 야기시킬 수 있으며, 관련 전자회로 등의 동작 신뢰성을 저하시킬 수 있다. 또한, 내부 온도차에 의한 부품이나 케이스에 열 응력이 발생하여 제품의 변형을 초래할 수도 있다. 따라서, 발광다이오드에서 발생하는 열을 빠르게 외부로 방출시키기 위한 많은 연구가 진행되고 있다.
가장 일반적인 방열 방법으로는 히트싱크(Heat Sink)나 냉각팬(Cooling Fan)을 사용하는 경우가 있는데, 이 경우 가격이 상승하게 되고 이동한 열을 방출하기 위한 별도의 장치가 또 필요하다는 문제점이 있다.
따라서, 이러한 발열 문제를 해결하기 위해 금속으로 이루어진 방열판을 구비하여 열을 방출하는 방법이 제안되었다. 금속 방열판 상부에 절연층이 적층되고, 상기 절연층 상부에 회로 패턴이 형성되고, 상기 회로 패턴 상에 발광다이오드와 같은 반도체 소자가 실장된다. 상기 금속 방열판으로는 열 전도도가 좋고 가벼우며 가격이 저렴한 알루미늄(Al)이 주로 사용된다. 그러나, 상기 절연층에서의 열 전도도가 전체 기판의 열 전도도를 좌우하게 되는데, 일반적으로 절연층은 낮은 열 전도도를 갖기 때문에, 발광 다이오드와 같은 반도체 소자에서 발생하는 열을 효과적으로 방출하지 못한다. 즉, 발광 다이오드와 같은 반도체 소자에서 발생하는 열이 상기 절연층의 열 차단으로 인하여 직접적으로 금속 방열판에 전달되지 못하므로 열을 효과적으로 방출하지 못하게 된다.
최근에는 금속 방열판과 회로 패턴 사이에 실장되는 상기 절연층으로 질화알루미늄(AlN) 박막을 사용하려는 연구가 이루어지고 있다. 질화알루미늄(AlN)은 알루미나(Al2O3) 소재에 비하여 거의 8배나 높은 탁월한 열전도성을 갖는 것으로 알려져 있다. 그러나, 질화알루미늄(AlN)은 박막(thin film)으로는 형성되지만, 후막(thick film)으로는 형성하기 어려운 점이 있어 금속 방열판이 없이는 방열판으로 사용될 수 없다는 한계가 있다. 또한, 질화알루미늄(AlN)은 후막으로 형성하기가 어렵고 후막으로 형성된다고 하더라도 현재의 기술 수준으로는 제조 비용이 많이 들어 양산에는 적용하기 어려운 점이 있다. 이러한 제약들로 인해 후막으로 형성하기 어려워 고전력 소자에는 적용하기 어려운 문제점이 있다.
또한, 질화알루미늄(AlN)은 표면이 매우 매끄럽고 금속 방열판도 표면이 매끄럽기 때문에 금속 방열판과 질화알루미늄(AlN) 박막을 접착시키기가 어렵고, 사용 중에 금속 방열판과 질화알루미늄(AlN) 박막의 계면에서 접착력이 약화되어 질화알루미늄(AlN) 박막이 금속 방열판과 분리되는 문제가 자주 발생하여 소자 수명이 짧아지고 심한 경우에는 소자 오작동의 원인이 되기도 한다.
본 발명은 상기와 같은 문제점들을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 열을 발생하는 반도체 소자가 전면에 구비되는 질화알루미늄 박막 후면에 박막 또는 후막 두께로 코팅되어 열전도성이 높고 반도체 소자에서 발생하는 열을 효과적으로 방출할 수 있으며 빠른 열 방출속도와 높은 열방출률을 가지며 질화알루미늄 박막과의 접착력이 우수한 방열용 질화알루미늄 코팅 조성물, 이를 이용한 방열판 및 그 제조방법을 제공함에 있다.
본 발명은, 열을 발생하는 반도체 소자가 전면에 구비되는 질화알루미늄 박막 후면에 열을 방출하기 위해 코팅되는 조성물에 있어서, 전도성 탄소계 분말 3∼35중량%, 질화알루미늄 분말 5∼45중량%, 내열성 수지 7∼35중량%, 물유리 7∼35중량% 및 용매 10∼50중량%를 포함하는 방열용 질화알루미늄 코팅 조성물을 제공한다.
상기 전도성 탄소계 분말은, 흑연, 활성탄, 탄소나노튜브 및 카본블랙 중에서 선택된 1종 이상의 물질로 이루어질 수 있다.
상기 내열성 수지는, 유리전이온도가 80℃보다 크거나 같은 수지로 이루어진 것이 바람직하다.
상기 내열성 수지는, 폴리벤즈이미다졸계 수지, 폴리페닐퀴녹사졸린계 수지, 폴리벤즈옥사졸계 수지, 폴리벤즈티아졸계 수지, 폴리아미드이미드계 수지, 폴리이미드계 수지, 에폭시계 수지, 페놀수지계 수지, 비닐페논계 수지, 방향족 디아민계 수지 및 아크릴계 수지 중에서 선택된 적어도 1종 이상의 수지로 이루어진 것일 수 있다.
상기 용매는, 에테르계 용매, 방향족 용매, 아세테이트계 용매, 케톤계 용매, 알코올계 용매 및 증류수 중에서 선택된 1종 이상의 물질로 이루어질 수 있다.
또한, 본 발명은, 용매, 물유리, 전도성 탄소계 분말, 질화알루미늄 분말 및 내열성 수지를 첨가하여 제1항에 기재된 방열용 질화알루미늄 코팅 조성물을 제조하는 단계와, 상기 방열용 질화알루미늄 코팅 조성물을 교반하여 혼합하는 단계와, 열을 발생하는 반도체 소자가 전면에 구비되는 질화알루미늄 박막 후면에 상기 방열용 질화알루미늄 코팅 조성물을 1∼100㎛ 두께로 코팅하는 단계 및 건조하여 상기 방열용 질화알루미늄 코팅 조성물에 함유된 용매를 휘발 또는 증발시켜 제거하는 단계를 포함하는 방열판 제조방법을 제공한다.
상기 열을 발생하는 반도체 소자는 발광다이오드 또는 인쇄회로기판일 수 있다.
또한, 본 발명은, 열을 발생하는 반도체 소자가 전면에 구비되는 질화알루미늄 박막과, 상기 질화알루미늄 박막 후면에 1∼100㎛ 두께로 코팅되어 형성되고, 전도성 탄소계 분말 3∼35중량%, 질화알루미늄 분말 5∼45중량%, 내열성 수지 7∼35중량% 및 물유리 7∼35중량%를 함유하는 방열용 질화알루미늄 코팅막을 포함하는 방열판을 제공한다.
상기 열을 발생하는 반도체 소자는 발광다이오드 또는 인쇄회로기판일 수 있다.
상기 전도성 탄소계 분말은, 흑연, 활성탄, 탄소나노튜브 및 카본블랙 중에서 선택된 1종 이상의 물질로 이루어진 것일 수 있다.
상기 내열성 수지는, 유리전이온도가 80℃보다 크거나 같은 수지로 이루어진 것이 바람직하다.
상기 내열성 수지는, 폴리벤즈이미다졸계 수지, 폴리페닐퀴녹사졸린계 수지, 폴리벤즈옥사졸계 수지, 폴리벤즈티아졸계 수지, 폴리아미드이미드계 수지, 폴리이미드계 수지, 에폭시계 수지, 페놀수지계 수지, 비닐페논계 수지, 방향족 디아민계 수지 및 아크릴계 수지 중에서 선택된 적어도 1종 이상의 수지로 이루어진 것일 수 있다.
본 발명에 의한 방열용 질화알루미늄 코팅 조성물에 의하면, 열을 방출하는 반도체 소자가 전면에 구비되는 질화알루미늄 박막 후면에 박막 또는 후막 두께로 코팅되어 열전도성이 높고 반도체 소자에서 발생하는 열을 효과적으로 방출할 수 있으며, 질화알루미늄 박막과의 접착력이 매우 우수하다.
또한, 본 발명에 의한 방열용 질화알루미늄 코팅 조성물이 열을 방출하는 반도체 소자가 전면에 구비되는 질화알루미늄 박막 후면에 박막 또는 후막 두께로 코팅되어 방열용 질화알루미늄 코팅막이 형성되면, 빠른 열 방출속도와 높은 열방출 률을 가지며 우수한 방열판으로 기능할 수 있다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 상세하게 설명하기로 한다. 그러나, 이하의 실시예는 이 기술분야에서 통상적인 지식을 가진 자에게 본 발명이 충분히 이해되도록 제공되는 것으로서 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 다음에 기술되는 실시예에 한정되는 것은 아니다.
본 발명은, 발광다이오드와 같은 반도체 소자를 실장하기 위한 회로 패턴 또는 인쇄회로기판이 전면에 구비된 질화알루미늄 박막 후면에 박막 또는 후막 두께로 코팅되어 열전도성이 높고 반도체 소자에서 발생하는 열을 효과적으로 방출할 수 있으며 빠른 열 방출속도와 높은 열방출률을 가지며 질화알루미늄 박막과의 접착력이 우수한 방열용 질화알루미늄 코팅 조성물을 제시한다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따른 방열용 질화알루미늄 코팅 조성물은 전도성 탄소계 분말 3∼35중량%, 질화알루미늄 분말 5∼45중량%, 내열성 수지 7∼35중량%, 물유리 7∼35중량% 및 용매 10∼50중량%를 포함한다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따른 방열용 질화알루미늄 코팅 조성물은 발광다오오드, 인쇄회로기판과 같이 열을 발생하는 반도체 소자가 전면에 구비된 질화알루미늄 박막 후면에 박막 또는 후막 두께로 코팅되며, 발광다이오드와 같은 소자에서 발생하는 열을 방출하기 위한 방열판으로 사용될 수 있다.
상기 전도성 탄소계 분말은 방열용 질화알루미늄 코팅 조성물을 코팅하여 방열용 질화알루미늄 코팅막을 형성하는 경우에 방열용 질화알루미늄 코팅막 내부에 미세 공극을 형성하게 하고 외부의 기체나 습기를 흡수 및 방출하여 빠른 열 방출속도와 높은 열방출률을 갖게 하는 역할을 한다. 상기 전도성 탄소계 분말로는 흑연, 활성탄, 탄소나노튜브(carbon nanotube; CNT), 카본블랙 또는 이들의 혼합물질 등을 사용할 수 있다. 이러한 전도성 탄소계 분말은 흡착성이 강하고 대부분의 구성 물질이 탄소질로 된 물질로서, 전기 전도성과 기계적 강도 및 내열성이 높다. 상기 전도성 탄소계 분말의 입자 크기는 평균 입도가 10㎚∼5㎛ 범위인 것을 사용하는 것이 바람직하다. 상기 전도성 탄소계 분말은 방열용 질화알루미늄 코팅 조성물 100중량%에 대하여 3∼35중량% 함유되는 것이 바람직하며, 전도성 탄소계 분말의 함량이 3중량% 미만이면 열 방출 효과가 미약하고, 35중량%를 초과하면 방열용 질화알루미늄 코팅 조성물을 코팅하여 방열용 질화알루미늄 코팅막을 형성하는 경우에 물질 내부의 결합력에 악영향을 주므로, 그 함량을 3∼35중량%로 하는 것이 바람직하다.
상기 질화알루미늄(Aluminum Nitride) 분말은 방열용 질화알루미늄 코팅 조성물을 코팅하여 방열용 질화알루미늄 코팅막을 형성하는 경우에 물질 내부에 고열전도성, 저열팽창율, 전기절연성, 내화학성을 유지하게 하는 역할을 한다. 질화알루미늄(AlN)은 높은 온도에서 알루미늄 가루를 질소 속에서 반응시켜 만든 회색의 무정형 물질로서, 1,900℃ 정도에서 일부 분해하면서 승화하고, 고체화하면 무색의 육방 정계 모양의 결정이 된다. 질화 알루미늄(AlN)은 고온에서 안정하고, 유전상 수 및 유전손실이 작고, 전기 절연성이 우수하며, 열전도도가 이론상으로는 320W/mK 정도로서 금속보다 높은 물리적 특성을 갖는다. 또한, 질화 알루미늄(AlN)은 열팽창 계수가 2.64×10-6/K 정도로서 실리콘과 유사하다. 이와 같은 물리적 특성으로 인해 질화 알루미늄(AlN)은 우수한 전기절연성, 우수한 방열성, 높은 열전도도 및 높은 내식성을 가지므로 우수한 방열판용 재료로 사용될 수 있다. 상업적으로 많이 사용되는 질화 알루미늄(AlN) 분말의 제조방법에는 자전고온합성법(Self-Propagating High Temperature Synthesis Method), 탄소환원법 등이 있다. 탄소환원법은 알루미나(Al2O3) 분말을 고온의 질소(N2) 분위기에서 탄소(C)로 환원시켜 질화 알루미늄(AlN)을 생성하는 방법이다. 자전고온합성법은 화학 반응시 발생하는 발열을 이용하여 질화 알루미늄(AlN)을 합성하는 방법이다. 상기 질화알루미늄 분말의 입자 크기는 평균 입도가 10㎚∼5㎛ 범위인 것을 사용하는 것이 바람직하다. 상기와 같은 특성을 갖는 질화알루미늄(AlN) 분말은 방열용 질화알루미늄 코팅 조성물 100중량%에 대하여 5∼45중량% 함유되는 것이 바람직하며, 질화알루미늄의 함량이 5중량% 미만이면 방열용 질화알루미늄 코팅 조성물을 코팅하여 방열용 질화알루미늄 코팅막을 형성하는 경우에 코팅막의 열전도성이 미약하고, 45중량%를 초과하면 방열용 질화알루미늄 코팅 조성물을 코팅하여 방열용 질화알루미늄 코팅막을 형성하는 경우에 접착력이 약화될 수 있으므로, 그 함량을 5∼45중량%로 하는 것이 바람직하다.
상기 내열성 수지는 방열판의 온도가 80℃까지도 상승하는 경우를 대비하여 유리전이온도(glass transition temperature; Tg)가 80℃ 이상인 수지를 사용하는 것이 바람직하다. 수지는 열에너지를 받으면 분자간의 운동에너지가 증가하여 마이크로브라운운동을 개시하게 되며 이때의 온도를 유리전이온도라 한다. 수지 종류에 따라서 고유의 유리전이온도를 가지며, 본 발명에서는 이러한 유리전이온도가 높은 내열성 수지를 사용한다. 상기 내열성 수지로는 폴리벤즈이미다졸(PBI)계 수지, 폴리페닐퀴녹사졸린(PPQ)계 수지, 폴리벤즈옥사졸(PBO)계 수지, 폴리벤즈티아졸(PBT)계 수지, 폴리아미드이미드(PAI)계 수지, 폴리이미드(PI)계 수지, 에폭시계 수지, 페놀수지계 수지, 비닐페논계 수지, 방향족 디아민계 수지, 아크릴계 수지 또는 이들의 혼합 수지 등을 사용할 수 있다. 폴리벤즈이미다졸(PBI)계 수지, 폴리페닐퀴녹사졸린(PPQ)계 수지, 폴리벤즈옥사졸(PBO)계 수지, 폴리벤즈티아졸(PBT)계 수지, 폴리아미드이미드(PAI)계 수지, 폴리이미드(PI)계 수지 등은 방향족 계열의 내열성 수지로서 열분해 개시온도가 400℃ 이상인 경우도 있어 내열성을 갖는 것으로 알려져 있다. 에폭시계 수지는 내열성이 요구되는 구조용 접착제로 사용되기도 하며 내열성은 약 180℃ 정도 이고, 다관능 에폭시 수지와 이미드 골격을 갖는 에폭시 수지 등은 220℃까지 내열성을 갖는 것으로 알려져 있다. 일반적인 아크릴계 수지는 유리전이온도가 낮지만, 메틸메타크릴레이트, 스티렌, 아크릴로니트릴 등은 유리전이온도가 높으므로 상기 내열성 수지로 사용할 수 있다. 상기 내열성 수지는 방열용 질화알루미늄 코팅 조성물을 코팅하여 방열용 질화알루미늄 코팅막을 형성하는 경우에 경화되어 탄력성을 나타내고 탄소계 분말 및 질화알루미늄 분말들의 혼합 시 이들의 결합제 또는 접착제로서의 역할을 하며, 실링(겔) 기능 또한 갖게 한다. 상기 내열성 수지는 방열용 질화알루미늄 코팅 조성물 100중량%에 대하여 7∼35중량% 함유되는 것이 바람직하며, 내열성 수지의 함량이 7중량% 미만이면 함유 수분이 증발하면서 경화성과 탄성력이 저하되고, 35중량%를 초과하면 탄소계 분말들의 겔(굳음) 현상이 높아지게 되므로, 그 함량을 7∼35중량%로 하는 것이 바람직하다.
상기 물유리(water glass)는 이산화규소와 알칼리를 융해해서 얻은 규산알칼리염(鹽)을 진한 수용액으로 한 것이다. 일반적으로 물유리는 규사(珪砂)와 소다회(灰)의 혼합물을 1,300∼1,500℃에서 용융해서 생긴 것을 저압증기솥에서 처리하면 얻을 수 있다. 물유리는 공기 속에서는 이산화탄소를 흡수해서 겔 모양의 규산이 석출되므로 강한 접착력을 보이며, 탄소계 분말 및 질화알루미늄 분말들의 혼합 시 이들의 결합제 및 접착제로서의 역할을 한다. 상기 물유리는 방열용 질화알루미늄 코팅 조성물 100중량%에 대하여 7∼35중량% 함유되는 것이 바람직하며, 물유리의 함량이 7중량% 미만이면 결합제 및 접착제로서의 역할이 미약하고, 35중량%를 초과하면 방열용 질화알루미늄 코팅 조성물의 내부 점성이 강하게 되므로 그 함량을 7∼35중량%로 하는 것이 바람직하다.
상기 용매는 발광다이오드, 인쇄회로기판 등이 전면에 형성된 질화알루미늄(AlN) 박막 후면에 방열용 질화알루미늄 코팅 조성물을 코팅했을 때에 점도와 유동성의 조절을 위해 필요하다. 상기 용매는 물유리를 용해시키며, 탄소계 분말, 질화알루미늄 분말들의 혼합을 위해 사용된다. 상기 용매로는 에테르계 용매, 방향족 용매, 아세테이트계 용매, 케톤계 용매, 알코올계 용매, 증류수 또는 이들이 혼합된 용매가 사용될 수 있는데, 바람직하게는 물유리를 용해할 수 있는 증류수를 사 용한다. 상기 에테르계 용매는 프로필렌글리콜모노프로필에테르, 프로필렌글리콜모노메틸에테르, 에틸렌글리콜모노에틸에테르, 에틸렌글리콜모노프로필에테르, 에틸렌글리콜모노부틸에테르, 디에틸렌글리콜모노메틸에테르, 디에틸렌글리콜모노에틸에테르, 디에틸렌글리콜모노프로필에테르, 디에틸렌글리콜모노부틸에테르, 디에틸렌글리콜-2-에틸헥실에테르 등 일 수 있다. 상기 방향족 용매는 톨루엔, 자일렌 등 일 수 있다. 상기 아세테이트계 용제는 부틸아세테이트, 에틸아세테이트 등 일 수 있다. 상기 케톤계 용매는 아세톤, 메틸에틸케톤, 메틸이소부틸케톤 등 일 수 있다. 상기 알콜계 용매는 에틸알콜, 이소프로필알콜, 노르말 부탄올 등 일 수 있다. 보통의 물, 즉 수돗물이나 우물물 등은 각종 유기물과 무기물을 함유하기 때문에 순수하지 못하며, 완전히 순수한 물의 pH는 7이어야 하지만, 물이 공기 중에 방치되어 있으면 이산화탄소가 녹아 pH 5.7 정도(약한 산성)가 되므로 증류수를 사용하며, 증류수는 수돗물이나 우물물을 가열하여 수증기를 발생시키고, 만들어진 수증기를 냉각시켜 얻을 수 있다. 상기 용매는 방열용 질화알루미늄 코팅 조성물 100중량%에 대하여 10∼50중량% 함유되는 것이 바람직하며, 상기 용매의 함량이 10중량% 미만이면 물유리의 용해 및 분말들의 혼합이 용이하지 않고, 용매의 함량이 50중량%를 초과하면 방열용 질화알루미늄 코팅 조성물의 점성이 너무 낮아 코팅에 어려움이 있으므로, 그 함량을 10∼50중량%로 하는 것이 바람직하다.
이하에서, 본 발명의 방열용 질화알루미늄 코팅 조성물을 발광다이오드 또는 인쇄회로기판 등이 전면에 형성된 질화알루미늄(AlN) 박막 후면에 코팅하여 방열용 질화알루미늄 코팅막을 형성하는 방법을 설명한다.
방열용 질화알루미늄 코팅 조성물을 제조하기 위하여 먼저, 반응조에 용매와 물유리를 혼합하여 용매에 물유리를 용해한다. 용매에 가장 먼저 물유리(water glass)를 용해하는 이유는 뒤에 혼합되는 전도성 탄소계 분말과 질화알루미늄 분말의 혼합이 용이하게 하기 위함이다.
물유리가 용해되어 있는 용액에 전도성 탄소계 분말과 질화알루미늄 분말을 첨가하여 혼합한다. 이때 상기 용액 내에서 전도성 탄소계 분말과 질화알루미늄 분말의 부피에 의한 포화상태가 되지 않도록 주의하는 것이 바람직하다. 상기 물유리의 용해가 완료되면 전도성 탄소계 분말과 질화알루미늄 분말을 혼합하는 이유는 제조 공정의 용이성과 경제성을 갖추기 위한 것으로, 이를 반드시 제한하는 것은 아니다.
상기 과정이 끝나면 내열성 수지를 혼합하는데, 이때 겔 현상(굳음)이 높아지게 된다.
용매, 물유리, 전도성 탄소계 분말, 질화알루미늄 분말 및 내열성 수지를 첨가하여 방열용 질화알루미늄 코팅 조성물이 제조되면, 방열용 질화알루미늄 코팅 조성물을 교반하여 균일하게 혼합되게 한다. 상기 교반은 50∼1500rpm 정도의 속도로 5분∼6시간 동안 수행되는 것이 바람직하다. 교반 시간이 너무 짧을 경우에는 균일한 혼합이 이루어지기 어렵고, 교반 시간이 너무 긴 경우에도 더 이상의 균일한 홉합 효과를 기대하기 어렵다.
균일한 혼합이 이루어진 방열용 질화알루미늄 코팅 조성물을 발광다이오드 또는 인쇄회로기판 등이 전면에 형성된 질화알루미늄(AlN) 박막 후면에 코팅한다. 상기 코팅은 저온 스프레이 코팅(low temperature spray coating), 잉크젯 프린팅, 롤 프린팅 등 다양한 방법을 이용하여 이루어질 수 있으며, 바람직하게는 저온 스프레이 코팅을 이용한다. 상기 저온 스프레이 코팅(low temperature spray coating)은 압축·팽창으로 생기는 초음속 기체 기류를 이용하여 방열용 질화알루미늄 코팅 조성물을 코팅 대상물에 충돌할 때 발생하는 에너지에 의해 점착되면서 코팅되는 기술로서, 방열용 질화알루미늄 코팅 조성물을 가열하여 코팅하는 방식이 아니라 상온에서 코팅이 가능하는 방식이며, 이러한 저온 스프레이 코팅법을 이용할 경우 소재의 변형·변질을 막을 수 있고, 내마모·내피로성·내열성·내식성 등을 크게 향상시켜 방열판의 수명과 성능을 획기적으로 개선할 수 있다. 특히, 비교적 열에 약한 소재인 내열성 수지가 사용되므로 고온 방식의 코팅을 적용하기는 어려우며 이를 고려하여 저온 스프레이 코팅법을 이용하는 것이 바람직하다.
코팅되는 두께는 발광다이오드 또는 인쇄회로기판 등의 방열판으로 사용될 뿐만 아니라 고전력 소자의 방열판으로도 사용될 수 있으므로 이를 고려하여 1∼100㎛ 두께로 형성한다. 고전력 소자의 경우에는 방열량이 많으므로 방열용 질화알루미늄 코팅 조성물의 코팅 두께를 두껍게 하는 것이 필요하다.
방열용 질화알루미늄 코팅 조성물의 코팅이 이루어지면 건조하여 용매가 휘발(또는 증발)되도록 한다. 상기 건조는 용매가 휘발(또는 증발)되는 온도보다 높고 내열성 수지의 용융 온도보다는 낮은 온도에서 수행하는 것이 바람직하다. 예컨대, 상기 건조는 용매로서 증류수를 사용하고 내열성 수지로서 에폭시 수지를 사용 한 경우에는 100∼150℃의 온도에서 5분∼6시간 동안 수행되는 것이 바람직하다. 건조 시간이 너무 짧은 경우에는 용매의 완전한 제거가 어렵고, 건조 시간이 너무 긴 경우에는 더 이상의 건조 효과를 기대하기 어려울 수 있다.
방열용 질화알루미늄 코팅 조성물이 코팅되어 형성된 방열용 질화알루미늄 코팅막은 전도성 탄소계 분말과 질화알루미늄 분말을 함유되어 있으므로 열전도성이 높고 그로 인해 반도체 소자에서 발생하는 열을 효과적으로 방출할 수 있으며, 빠른 열 방출속도와 높은 열방출률을 갖는다.
도 1은 본 발명의 방열판 구조를 도시한 도면이다. 도 1을 참조하면, 상술한 바와 같이 제조된 방열판은, 열을 발생하는 반도체 소자(110)가 전면에 구비되는 질화알루미늄 박막(120)과, 상기 질화알루미늄 박막(120) 후면에 1∼100㎛ 두께로 코팅되어 형성되고, 전도성 탄소계 분말 3∼35중량%, 질화알루미늄 분말 5∼45중량%, 내열성 수지 7∼35중량% 및 물유리 7∼35중량%를 함유하는 방열용 질화알루미늄 코팅막(130)을 포함한다.
본 발명은 하기의 실시예를 참고로 더욱 상세히 설명되며, 이 실시예가 본 발명을 제한하는 것은 아니다.
<실시예>
반응조에 증류수 40중량%와 물유리 10중량%를 혼합하여 용매에 물유리를 용해하였다. 상기 물유리가 용해되어 있는 용액에 활성탄 분말 10중량%와, 질화알루미늄 분말 25중량%를 첨가하여 혼합하고, 수용성 아크릴 실란트(acryl sealant) 15 중량%를 혼합하여 방열용 질화알루미늄 코팅 조성물을 제조하였다. 상기 활성탄 분말은 평균 입도가 2㎛인 것을 사용하였고, 상기 질화알루미늄 분말은 평균 입도가 2㎛인 것을 사용하였다.
제조된 방열용 질화알루미늄 코팅 조성물을 교반하여 균일하게 혼합되게 하였다. 상기 교반은 800rpm 정도의 속도로 30분 동안 수행하였다.
균일한 혼합이 이루어진 방열용 질화알루미늄 코팅 조성물을 발광다이오드가 전면에 형성된 질화알루미늄(AlN) 박막 후면에 코팅하였다. 상기 코팅은 저온 스프레이 코팅(low temperature spray coating)을 이용하였다. 방열용 질화알루미늄 코팅 조성물의 코팅 두께는 50㎛ 두께로 하였다.
방열용 질화알루미늄 코팅 조성물의 코팅 후 건조하여 용매가 휘발(또는 증발)되도록 하였다. 상기 건조는 120℃의 온도에서 15분 동안 수행하였다.
도 2 내지 도 7은 이렇게 얻어진 방열용 질화알루미늄 코팅막을 주사전자현미경(Scanning Electron Microscope; SEM)으로 배율을 달리하면서 촬영한 사진들이다.
도 2 내지 도 7을 참조하면, 큰 입자들 사이에 작은 입자들이 위치하여 큰 입자와 작은 입자가 적절하게 배합되어 위치되어 있는 것을 볼 수 있다.
도 8 및 도 9는 발광다이오드가 전면에 형성된 질화알루미늄(AlN) 박막 후면에 상기 실시예에 따라 방열용 질화알루미늄 코팅막이 형성되어 있는 방열판에 대하여 전면과 후면에 대하여 온도차를 보여주는 사진들이다. 도 8은 발광다이오드가 전면에 형성된 질화알루미늄(AlN) 박막 표면에서 온도를 측정한 것을 보여주고, 도 9는 질화알루미늄(AlN) 박막 후면인 방열용 질화알루미늄 코팅막 표면에서 온도를 측정한 것을 보여주고 있다.
도 8 및 도 9를 참조하면, 발광다이오드가 전면에 형성된 질화알루미늄(AlN) 박막 표면에서는 온도가 80.7℃를 나타내지만, 방열용 질화알루미늄 코팅막 표면에서는 온도가 57.8℃를 나타내는 것을 볼 수 있다. 방열판 전면과 후면 사이의 온도차는 22.9℃로서, 상기 실시예에 따라 형성된 방열용 질화알루미늄 코팅막이 열을 방출하였다는 것을 확인할 수 있다.
이상, 본 발명의 바람직한 실시예를 들어 상세하게 설명하였으나, 본 발명은 상기 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 기술적 사상의 범위내에서 당 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의하여 여러 가지 변형이 가능하다.
도 1은 본 발명의 방열판 구조를 도시한 도면이다.
도 2 내지 도 7은 이렇게 얻어진 방열용 질화알루미늄 코팅막을 주사전자현미경(SEM)으로 배율을 달리하면서 촬영한 사진들이다.
도 8 및 도 9는 발광다이오드가 전면에 형성된 질화알루미늄(AlN) 박막 후면에 상기 실시예에 따라 방열용 질화알루미늄 코팅막이 형성되어 있는 방열판에 대하여 전면과 후면에 대하여 온도차를 보여주는 사진들이다.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
110: 반도체 소자 120: 질화알루미늄 박막
130: 방열용 질화알루미늄 코팅막

Claims (12)

  1. 열을 발생하는 반도체 소자가 전면에 구비되는 질화알루미늄 박막 후면에 열을 방출하기 위해 코팅되는 조성물에 있어서,
    전도성 탄소계 분말 3∼35중량%, 질화알루미늄 분말 5∼45중량%, 내열성 수지 7∼35중량%, 물유리 7∼35중량% 및 용매 10∼50중량%를 포함하며,
    상기 전도성 탄소계 분말은 흑연, 활성탄 및 탄소나노튜브 중에서 선택된 1종 이상의 물질로 이루어지고,
    상기 내열성 수지는 유리전이온도가 80℃보다 크거나 같은 수지로 이루어지며,
    상기 내열성 수지는 폴리벤즈이미다졸계 수지, 폴리페닐퀴녹사졸린계 수지, 폴리벤즈옥사졸계 수지, 폴리벤즈티아졸계 수지, 폴리아미드이미드계 수지, 폴리이미드계 수지, 에폭시계 수지, 페놀수지계 수지, 비닐페논계 수지 및 방향족 디아민계 수지 중에서 선택된 적어도 1종 이상의 수지로 이루어진 것을 특징으로 하는 방열용 질화알루미늄 코팅 조성물.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 제1항에 있어서, 상기 용매는, 에테르계 용매, 방향족 용매, 아세테이트계 용매, 케톤계 용매, 알코올계 용매 및 증류수 중에서 선택된 1종 이상의 물질로 이루어진 것을 특징으로 하는 방열용 질화알루미늄 코팅 조성물.
  6. 용매, 물유리, 전도성 탄소계 분말, 질화알루미늄 분말 및 내열성 수지를 첨가하여 제1항에 기재된 방열용 질화알루미늄 코팅 조성물을 제조하는 단계;
    상기 방열용 질화알루미늄 코팅 조성물을 교반하여 혼합하는 단계;
    열을 발생하는 반도체 소자가 전면에 구비되는 질화알루미늄 박막 후면에 상기 방열용 질화알루미늄 코팅 조성물을 1∼100㎛ 두께로 코팅하는 단계; 및
    건조하여 상기 방열용 질화알루미늄 코팅 조성물에 함유된 용매를 휘발 또는 증발시켜 제거하는 단계를 포함하며,
    상기 전도성 탄소계 분말로는 흑연, 활성탄 및 탄소나노튜브 중에서 선택된 1종 이상의 물질을 사용하고,
    상기 내열성 수지로는 유리전이온도가 80℃보다 크거나 같은 수지를 사용하며,
    상기 내열성 수지는 폴리벤즈이미다졸계 수지, 폴리페닐퀴녹사졸린계 수지, 폴리벤즈옥사졸계 수지, 폴리벤즈티아졸계 수지, 폴리아미드이미드계 수지, 폴리이미드계 수지, 에폭시계 수지, 페놀수지계 수지, 비닐페논계 수지 및 방향족 디아민계 수지 중에서 선택된 적어도 1종 이상의 수지를 사용하는 것을 특징으로 하는 제1항에 기재된 방열용 질화알루미늄 코팅 조성물을 이용한 방열판 제조방법.
  7. 제6항에 있어서, 상기 열을 발생하는 반도체 소자는 발광다이오드 또는 인쇄회로기판인 것을 특징으로 하는 제1항에 기재된 방열용 질화알루미늄 코팅 조성물을 이용한 방열판 제조방법.
  8. 열을 발생하는 반도체 소자가 전면에 구비되는 질화알루미늄 박막;
    상기 질화알루미늄 박막 후면에 1∼100㎛ 두께로 코팅되어 형성되고, 전도성 탄소계 분말 3∼35중량%, 질화알루미늄 분말 5∼45중량%, 내열성 수지 7∼35중량% 및 물유리 7∼35중량%를 함유하는 방열용 질화알루미늄 코팅막을 포함하며,
    상기 전도성 탄소계 분말은 흑연, 활성탄 및 탄소나노튜브 중에서 선택된 1종 이상의 물질로 이루어지고,
    상기 내열성 수지는 유리전이온도가 80℃보다 크거나 같은 수지로 이루어지며,
    상기 내열성 수지는 폴리벤즈이미다졸계 수지, 폴리페닐퀴녹사졸린계 수지, 폴리벤즈옥사졸계 수지, 폴리벤즈티아졸계 수지, 폴리아미드이미드계 수지, 폴리이미드계 수지, 에폭시계 수지, 페놀수지계 수지, 비닐페논계 수지 및 방향족 디아민계 수지 중에서 선택된 적어도 1종 이상의 수지로 이루어진 것을 특징으로 하는 제1항에 기재된 방열용 질화알루미늄 코팅 조성물을 이용한 방열판.
  9. 제8항에 있어서, 상기 열을 발생하는 반도체 소자는 발광다이오드 또는 인쇄회로기판인 것을 특징으로 하는 제1항에 기재된 방열용 질화알루미늄 코팅 조성물을 이용한 방열판.
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