KR101084954B1

KR101084954B1 - 배열 지향성을 가진 방열 시트 및 그 제조방법

Info

Publication number: KR101084954B1
Application number: KR20100004031A
Authority: KR
Inventors: 조문수; 임홍재; 김창원; 김봉수
Original assignee: 주식회사 한국카본
Priority date: 2010-01-15
Filing date: 2010-01-15
Publication date: 2011-11-17
Also published as: KR20110084013A

Abstract

본 발명은 배열 지향성을 가진 방열 시트 및 그 제조 방법에 관한 것이다. 방열 시트는 동일 또는 서로 다른 직경을 가지면서 단면이 원 또는 원에 유사한 형태를 가지는 다수 개의 전도 가닥이 일정한 방향으로 정렬된 집합체를 일정한 길이로 절단하여 형성하는 지향성 전도 층; 다수 개의 전도 가닥을 서로 결합시키는 수지; 전도 층의 한쪽 면에 형성된 점착 층; 및 전도 층의 다른 쪽 면에 형성된 방열 층을 포함하고, 상기 다수 개의 전도 가닥이 정렬된 일정한 방향은 원 또는 원에 유사한 형태에 수직이 되는 방향이 된다.

Description

배열 지향성을 가진 방열 시트 및 그 제조방법{Heat Conducting Sheet with Directional Arrangement and Method for Producing the Same}

본 발명은 배열 지향성을 가진 방열 시트 및 그 제조 방법에 관한 것이고, 구체적으로 각각이 일정 직경을 가지는 섬유 형태의 집합체가 정해진 방향으로 정렬된 열 전도층을 가지는 배열 지향성을 가진 방열 시트 및 그 제조방법에 관한 것이다.

일반적으로 열은 전도(conduction), 대류(convection) 또는 복사(radiation)를 통하여 일정 지역에서 다른 지역으로 전달될 수 있다. 온도 기울기를 가진 서로 다른 지역에서 열은 저절로 전달될 수 있지만 필요에 따라 빠른 속도로 열을 전달시킬 필요가 있고 이와 같은 열의 빠른 전달을 위하여 다양한 형태의 방열 방법이 적용되고 있다.

온도 기울기를 가진 인접하는 2개의 물체에서 열이 전달되는 속도는 A(W/mK)=Qd/ΔT(A는 열전도율, Q(W/m²)는 열량, d(m)=시료두께 그리고 ΔT(K)는 온도차)로 표시될 수 있다. 열전도율은 물체가 가진 물리적 성질에 해당하고 시료 두께는 제조 과정에서 적절하게 선택될 수 있으며 온도 ΔT는 방열 환경에 의하여 결정된다. 서로 다른 두 지점 사이에 단위 면적당 방열량은 Q가 되므로 일정 면적 S를 통하여 방열되는 열량은 SQ가 된다. 그러므로 동일한 소재로 방열 면적 S를 통한 방열량을 증가시키기 위하여 소재의 두께를 감소시키면서 이와 동시에 방열 면적 S를 증가시킬 필요가 있다. 예를 들어, 탄소 섬유 또는 탄소 분말을 필름 또는 시트 형태로 만들어 수지에 함침시켜 방열패드를 형성하는 경우, 탄소 섬유 또는 탄소 분말이 방열 패드에 평행한 방향으로 배열되면 열이 전도되어야 할 수직방향의 열전도량이 감소할 수 있다. 이를 방지하기 위하여 다발 타입 또는 하나로 이루어진 칩을 방열 패드에 수직방향으로 배열하는 것에 의하여 접촉 면적을 증가시켜 방열량을 증가시킬 수 있다.

본 발명은 다양한 소재로 제조될 수 있는 방열시트의 제조과정에서 열이 전도되는 방향에 수직되는 방열 면적의 증가를 통하여 방열량을 증가시킬 수 있는 방법을 제안하기 위한 것으로 아래와 같은 목적을 가진다.

본 발명의 목적은 섬유 형상의 집합체를 정렬 방향에 수직되는 방향으로 절단하여 열의 전도 방향으로 배열시켜 형성된 전도 층을 가진 배열 지향성을 가진 방열 시트 및 그 제조 방법에 관한 것이다.

본 발명의 적절한 실시 형태에 따르면, 배열 지향성을 가진 방열 시트는 동일 또는 서로 다른 직경을 가지면서 단면이 원 또는 원에 유사한 형태를 가지는 다수 개의 전도 가닥이 일정한 방향으로 정렬된 집합체를 일정한 길이로 절단하여 형성하는 지향성 전도 층; 다수 개의 전도 가닥을 서로 결합시키는 수지; 전도 층의 한쪽 면에 형성된 점착 층; 및 전도 층의 다른 쪽 면에 형성된 방열 층을 포함하고, 상기 다수 개의 전도 가닥이 정렬된 일정한 방향은 원 또는 원에 유사한 형태에 수직이 되는 방향이 된다.

본 발명의 다른 적절한 실시 형태에 따르면, 전도 가닥은 탄소 섬유, 유리 섬유, 세라믹 섬유(알루미나-실리케이트 섬유, 알루미나 섬유, 알루미나-보론-실리카 섬유, 실리콘 카바이드 섬유, 보론 섬유, 지르코니아 섬유, 티타늄 산 칼륨 섬유)와 같이 열전도성을 가지는 섬유가 된다.

본 발명의 또 다른 적절한 실시 형태에 따르면, 점착 층은 다수 개의 전도 가닥(S)을 서로 결합시키는 수지와 동일하거나 또는 다른 종류의 수지로 형성된다.

본 발명의 또 다른 적절한 실시 형태에 따르면, 방열 층은 히트싱크, 금속 박막 세라믹 또는 수지로 형성된다.

본 발명의 또 다른 적절한 실시 형태에 따르면, 방열 시트를 제조하는 방법은 동일 또는 유사한 단면을 가지도록 다수 개의 전도 가닥을 형성하는 단계; 다수 개의 전도 가닥을 동일한 방향으로 정렬시켜 집합체를 형성하는 단계; 정렬 방향에 대하여 수직되는 방향으로 집합체를 정해진 길이로 절단하는 단계; 및 절단된 집합체의 양쪽 면에 각각 점착 층과 방열 층을 형성하는 단계를 포함한다.

본 발명의 또 다른 적절한 실시 형태에 따르면, 점착 층과 방열 층을 형성하고 가압하는 단계를 더 포함한다.

본 발명의 또 다른 적절한 실시 형태에 따르면, 정해진 길이로 절단하는 단계 이전 또는 이후에 필러를 첨가하는 공정을 더 포함한다.

본 발명의 또 다른 적절한 실시 형태에 따르면, 다수 개의 전도 가닥은 탄소 섬유 또는 유리 섬유가 된다.

본 발명에 따른 방열시트는 열이 전도되는 경로 면을 확장시키는 것에 의하여 열이 외부로 효율적으로 방열되도록 한다는 이점을 가진다. 본 발명에 따른 방열시트는 회로 기판, 예를 들어 엘이디 전구 또는 전자 기기와 같이 방열이 요구되는 임의의 기기에 적용될 수 있다.

도 1의 (가), (나), (다)는 본 발명에 따른 방열 시트를 제조하기 위한 섬유 형상의 집합체(11), 전도 층 및 방열 시트의 각각 실시 예를 도시한 것이다.
도 2는 본 발명에 따른 방열시트의 제조 과정을 개략적으로 도시한 것이다.

아래에서 본 발명은 제시된 첨부된 도면에 제시된 실시 예를 참조하여 상세하게 설명이 되지만 실시 예는 본 발명의 명확한 이해를 위한 것으로 본 발명은 제시된 실시 예에 제한되지 않는다.

도 1의 (가), (나), (다)는 본 발명에 따른 방열 시트를 제조하기 위한 섬유 형상의 집합체(11), 전도 층 및 방열 시트의 각각 실시 예를 도시한 것이다.

본 발명에 따른 방열 시트는 동일 또는 서로 다른 직경을 가지면서 단면이 원 또는 원에 유사한 형태를 가지는 다수 개의 전도 가닥(S)이 일정한 방향으로 정렬된 집합체(11)를 일정한 길이로 절단하여 형성된 지향성 전도 층(12); 다수 개의 전도 가닥(S)을 서로 결합시키는 수지; 전도 층(12)의 한쪽 면에 형성된 점착 층(13); 및 전도 층(12)의 다른 쪽 면에 형성된 방열 층(14)을 포함하고, 상기 다수 개의 전도 가닥이 정렬된 일정한 방향은 원 또는 원에 유사한 형태에 수직이 되는 방향인 것을 특징으로 한다.

도 1을 참조하면, 섬유 형상의 집합체(11)는 다수 개의 전도 가닥(S)을 포함한다. 각각의 전도 가닥(S)은 탄소 섬유, 유리 섬유, 광물섬유 또는 인조섬유와 같은 섬유가 될 수도 있지만 특별한 소재에 제한되지 않는다. 다만 전도 가닥(S)의 소재는 열의 전도 경로를 형성하므로 일정 수준 이상의 열전도율을 가질 필요가 있고 전도 가닥(S)은 다수 개의 집합체를 형성할 수 있도록 동일 형상으로 제조될 수 있는 물성을 가져야 한다.

도 1의 (가)에 도시된 것처럼, 각각의 전도 가닥(S)은 동일한 방향으로 정렬되어 집합체(11)를 형성하게 된다. 각각의 전도 가닥(S)은 원형 또는 타원형의 단면을 가질 수 있지만 이에 제한되지 않는다. 예를 들어 사각형의 단면을 가진 전도 가닥(S)도 가능하지만 실질적으로 제조가 어렵다는 단점을 가진다. 각각의 전도 가닥(S) 단면적의 직경은 동일하거나 서로 다를 수 있고 각각의 전도 가닥(S)의 길이는 단면적의 직경에 비하여 충분히 길다. 이와 같은 형태의 전도 가닥(S)의 형태는 이 분야에 공지되어 있고 본 발명에 따른 집합체(11)는 임의의 방법으로 제조된 전도 가닥(S)으로부터 형성될 수 있다.

서로 다른 전도 가닥(S)은 에폭시 수지, 아크릴 수지, 폴리우레탄 수지 또는 에스테르 수지와 같이 이 분야에서 공지된 수지에 의하여 서로 결합될 수 있다. 서로 다른 전도 가닥(S)이 수지에 의하여 결합되어 견고한 집합체(11)를 형성하면 집합체(11)를 길이에 수직이 되는 방향으로 절단하여 지향성 전도 층(12)을 형성한다. 지향성 전도 층(12)을 형성하기 위하여 집합체(11)는 예를 들어 수십 ㎛ 내지 수십 ㎜의 길이를 가지도록 절단될 필요가 있다. 도 1의 (나)에 도시된 것처럼, 일정한 길이를 가지도록 절단된 집합체(11)의 일부는 전도 층(12)이 된다. 전도 층(12)의 길이는 방열 시트의 전체 표면적의 크기 또는 방열 시트의 용도에 따라 결정될 수 있지만 적어도 전도 층(12)의 직경에 비하여 충분히 작은 길이가 된다. 전도 층(12)의 양쪽 면은 평탄한 면이 되거나 또는 울퉁불퉁한 형태의 면이 될 수 있다. 울퉁불퉁한 형태의 면은 예를 들어 각각의 전도 가닥(S)이 서로 다른 길이로 절단되거나 또는 어느 하나의 전도 가닥(S)이 다른 전도 가닥(S)에 비하여 한쪽 면으로 돌출되는 경우 형성될 수 있다.

전도 층(12)은 전체적으로 사각형 또는 원형의 표면 형상을 가질 수 있지만 이에 제한되는 것은 아니다. 하나의 방열 시트를 형성하기 위하여 다수 개의 전도 층(12)이 서로 결합되거나 또는 하나의 전도 층(12) 일부가 사용될 수 있다.

전도 층(12)이 형성되면, 필요에 따라 전도 층(12)에 필러(filler)가 첨가될 수 있다. 필러(filler)는 예를 들어 산화알루미늄(Al₂O₃), 질화붕소(BN), 질화알루미늄(AlN), 산화베릴륨(BeO) 또는 탄화규소(SiC)와 같은 화합물이 될 수 있지만 이에 제한되는 것은 아니다. 필러가 첨가되면 도 1의 (다)에 도시된 것처럼, 전도 층(12)의 한쪽 면에 점착 층(13)이 부착되고 그리고 다른 한 쪽 면에 방열 층(14)이 결합될 수 있다.

점착 층(13)은 예를 들어 아크릴 수지, 에폭시 수지, 폴리에스테르 수지, 폴리우레탄 수지 또는 페놀 수지와 같이 이 분야에서 공지된 임의의 수지가 될 수 있다. 위에서 설명한 것처럼 서로 다른 전도 가닥(S)은 수지에 의하여 결합될 수 있고 점착 층(13)은 전도 가닥(S)의 결합을 위한 수지와 동일하거나 서로 다른 수지가 될 수 있다.

방열 층(14)은 금속 박 또는 세라믹 소재 층과 같이 열 발산이 빠른 임의의 소재로 만들어질 수 있지만 이에 제한되지 않고 수지로 형성될 수도 있다.

방열 층(14)은 가능한 얇게 형성되면서 비열이 낮은 소재로 만들어지는 것이 유리하다. 대안으로 방열 층(14)은 다수 개의 미소 기공을 포함하거나 또는 외부와 접촉하는 면에 형성된 요철 면을 포함할 수 있다. 다수 개의 미소 기공은 방열 층(14) 전체에 형성될 수 있고 서로 다른 직경을 가지도록 만들어질 수 있다. 또한 요철 면은 전체 방열 면적을 증가시킬 수 있는 임의의 형상을 가질 수 있다. 예를 들어 올록볼록한 골과 산이 연속되도록 요철 면이 형성될 수 있다.

방열 층(14)은 아크릴 수지와 같은 접착제로 전도 층(12)에 부착될 수 있지만 이에 제한되지 않고 이 분야에서 공지된 임의의 방법에 따라 전도 층(12)에 결합될 수 있다.

위에서 설명한 본 발명에 따른 방열시트는 전도 층(12)이 수지 층(13) 및 방열 층(14)과 접촉하는 면적을 증가시키는 것에 의하여 전도 열량을 증가시켜 방열 성능이 향상되도록 한다.

아래에서 본 발명에 따른 방열 시트를 제조하는 방법에 대하여 설명한다.

도 2는 본 발명에 따른 방열시트의 제조 과정을 개략적으로 도시한 것이다.

본 발명에 따른 방열시트의 제조를 위하여 먼저 다수 개의 전도 가닥이 형성되어야 한다(P21). 다수 개의 전도 가닥은 섬유 형태로 만들어질 수 있는 임의의 소재로부터 형성될 수 있지만 바람직하게 탄소섬유, 유리섬유 또는 알루미나-실리케이트 섬유, 알루미나 섬유, 알루미나-보론-실리카 섬유, 실리콘 카바이드 섬유, 보론 섬유, 지르코니아 섬유 및 티타늄산 칼륨 섬유를 포함하는 세라믹 섬유로부터 형성될 수 있다. 다수 개의 전도 가닥은 이 분야에서 공지된 임의의 방법에 따라 제조될 수 있고 본 발명은 특별한 제조방법에 제한되지 않는다. 다수 개의 전도가닥은 동일한 방향으로 배열되어 예를 들어 수지와 같은 접착제에 의하여 서로 결합이 되어 집합체를 형성한다(P22). 다수 개의 전도 가닥을 결합시키기 위하여 반-경화 상태의 수지가 사용될 수 있다. 이와 같은 반-경화 상태의 수지에 의한 다수 개의 전도 가닥의 결합은 전도 가닥의 재배열을 가능하도록 하면서 차후의 공정을 용이하도록 만들 수 있다. 반-경화 상태의 수지는 전도 가닥의 결합을 위하여 사용될 수 있을 뿐만 아니라 아래에서 설명하는 점착 층의 형성 과정에서도 적용될 수 있다. 이와 같이 본 발명에서 적용되는 수지의 사용은 특별한 설명이 부가되지 않으면 반-경화 상태를 포함하는 것으로 이해되어야 하고 아울러 반-경화 상태로 제품에 바로 사용되는 것을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.

서로 결합된 다수 개의 전도 가닥은 배열방향에 수직되는 방향을 따라 일정한 길이로 절단되어(P23) 전도 층을 형성할 수 있다. 일정한 길이는 예를 들어 수십 ㎛ 내지 수십 ㎜가 될 수 있지만 방열 시트의 용도에 따라 적절한 전달 길이가 선택될 수 있다. 집합체의 절단은 예를 들어 커터 또는 와이어를 이용하여 기계적으로 이루어지거나 레이저와 같은 물리적 수단 또는 화학 약품을 사용하는 화학적 방법으로 이루어질 수 있다.

전도 층이 형성되면 산화알루미늄(Al₂O₃), 질화붕소(BN), 질화알루미늄(AlN) 산화베릴륨(BeO) 또는 탄화규소(SiC)와 같은 필러가 전도 층에 첨가될 수 있다(P24). 다만 공정 과정에 따라 필러는 집합체의 형성과정에서 첨가될 수 있다. 전도 층에 필러가 첨가되면 연마제를 이용하거나 또는 플라즈마를 이용하여 전도 층의 양쪽 표면이 처리될 수 있지만 반드시 필요한 것은 아니다.

필러의 첨가 및 전도 층의 표면 처리가 완료되면 점착 층 및 방열 층이 전도 층의 양쪽 면에 각각 부착될 수 있다(P24). 점착 층은 집합체의 형성과정에서 사용된 수지와 동일하거나 또는 다른 수지가 될 수 있고 방열 시트가 부착되는 기판의 종류에 따라 접착성을 가지는 적절한 수지가 선택될 수 있다. 점착 층은 예를 들어 아크릴 수지 또는 에폭시 수지와 같이 이 분야에 공지된 접착성을 가진 수지가 될 수 있고 방열 시트가 부착되는 기판과 견고한 접착을 유지할 수 있을 정도의 두께를 가질 수 있다. 다른 한편으로 방열 층은 히트싱크, 알루미늄 박막 또는 구리 박막과 같이 금속 박막으로 형성될 수 있지만 필요에 따라 세라믹이나 수지로 형성될 수도 있다. 만약 방열 층이 전도 층에 비하여 열전도율이 낮은 소재로 이루어진다면 필요에 따라 방열 층에 다수 개의 미소 기공이 형성될 수 있다. 대안으로 방열 층은 표면을 따라 굴곡이 형성된 요철 형상을 가질 수 있다. 이와 같이 방열 층에 형성된 미소 기공 또는 요철 형상의 곡면은 전도 층으로부터 방열을 향상시키기 위한 것으로 적절한 방법으로 형성될 수 있다.

점착 층 및 방열 층이 전도 층의 양쪽 면에 각각 부착되면(P24) 가압 공정이 진행될 수 있다. 가압 공정은 점착 층과 방열 층을 동시에 일정한 압력을 가진 판으로 압력을 가하여 점착 층과 방열 층의 외부 면을 편평하게 만드는 방법으로 이루어질 수 있다. 가압 판은 수지의 용융이 가능한 온도로 가열되고 가압에 의하여 수지는 전도 층의 빈틈으로 스며들게 되어 전도 층이 필러 및 수지에 의하여 빈틈이 없이 채워지게 된다.

도 1의 (다)에 도시된 것처럼 점착 층과 방열 층의 가압에 의하여 점착 층과 방열 층의 외부 표면은 편평한 형상을 가지지만 전도 층과 접하는 내부 표면은 전도 층을 형성하는 전도 가닥의 끝 부분의 돌출 길이에 따라 굴곡을 가진 형상이 될 수 있다. 만약 방열 층의 외부 표면에 굴곡을 가진 요철 면이 형성되도록 하거나 또는 미소 기공이 형성되도록 할 필요가 있다면 방열 층과 접하는 가압 판에 미리 굴곡 면을 형성하거나 또는 미소 돌기를 형성하여 방열 층의 외부 표면을 가압할 수 있다.

가압 공정에 의하여 점착 층과 방열 층이 전도 층에 완전히 부착되면 경화 공정이 이루어진다. 경화 공정은 가압 승온, 승온 또는 상온 경화와 같이 이 분야에서 공지된 임의의 방법에 따라 이루어질 수 있으며 가경화가 될 수도 있다.

본 발명에 따른 방열 시트는 전도 층을 열전도량이 높아질 수 있도록 일정 방향으로 배열시키는 것에 의하여 방열량이 증가될 수 있도록 한다. 일반적으로 다수 개의 탄소 섬유 또는 유리 섬유가 길이 방향으로 두 개의 판 사이에 배열되는 경우 각각의 탄소 섬유 또는 유리 섬유 사이에 빈 공간이 발생하게 된다. 만약 수지와 같은 전도성이 낮은 소재로 빈 공간을 채우는 경우 방열 시트 전체 전도율이 낮아지게 된다. 이에 비하여 길이에 수직되는 방향으로 절단된 다수 개의 탄소섬유 또는 유리섬유가 두 개의 판 사이에 배치된다면 빈 공간의 크기가 작아질 수 있다. 이로 인하여 방열 시트 전체 열전도율이 높아질 수 있다. 이와 같이 본 발명에 따른 방열 시트는 소재의 배열 방향에 따른 열전도율의 향상을 이용하여 방열량을 증가시킨 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 방열 시트는 방열이 요구되는 임의의 전자 또는 전기 기구에 적절한 형태로 변형되어 적용될 수 있다.

위에서 본 발명은 제시된 실시 예를 참조하여 상세하게 설명이 되었지만 제시된 실시 예는 예시적인 것으로 이 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위에서 다양한 변형 및 수정 형태를 만들 수 있지만 본 발명의 범위에 이에 제한되지 않고 다만 아래에 첨부된 청구범위에 의해서만 제한된다.

11: 집합체
12: 지향성 전도 층
13: 점착 층
14: 방열 층
S: 전도 가닥

Claims

삭제
동일 또는 서로 다른 직경을 가지면서 단면이 원 또는 원에 유사한 형태를 가지는 다수 개의 전도 가닥(S)이 일정한 방향으로 정렬된 집합체(11)를 일정한 길이로 절단하여 형성하는 지향성 전도 층(12);
다수 개의 전도 가닥(S)을 서로 결합시키는 수지;
전도 층(12)의 한쪽 면에 형성된 점착 층(13); 및
전도 층(12)의 다른 쪽 면에 형성된 방열 층(14)을 포함하고,
상기 다수 개의 전도 가닥이 정렬된 일정한 방향은 원 또는 원에 유사한 형태에 수직이 되는 방향인 것을 특징으로 하는 배열 지향성을 가진 방열 시트.
청구항 2에 있어서, 전도 가닥(S)은 탄소 섬유, 유리 섬유 또는 세라믹 섬유가 되는 것을 특징으로 하는 방열 시트.
청구항 2에 있어서, 점착 층(13)은 다수 개의 전도 가닥(S)을 서로 결합시키는 수지와 동일하거나 또는 다른 종류의 수지로 형성되는 것을 특징으로 하는 방열 시트.
청구항 2에 있어서, 방열 층(14)은 히트싱크, 금속 박막, 세라믹 또는 수지로 형성되는 것을 특징으로 하는 방열 시트.
동일 또는 유사한 단면을 가지도록 다수 개의 전도 가닥을 형성하는 단계;
다수 개의 전도 가닥을 동일한 방향으로 정렬시켜 집합체를 형성하는 단계;
정렬 방향에 대하여 수직되는 방향으로 집합체를 정해진 길이로 절단하는 단계; 및
절단된 집합체의 양쪽 면에 각각 점착 층과 방열 층을 형성하는 단계를 포함하는 배열 지향성을 가진 방열 시트의 제조 방법.
청구항 6에 있어서, 점착 층과 방열 층을 형성하고 가압하는 단계를 더 포함하는 방열 시트의 제조 방법.
청구항 6에 있어서, 정해진 길이로 절단하는 단계 이전 또는 이후에 필러를 첨가하는 공정을 더 포함하는 방열 시트의 제조 방법.
청구항 6에 있어서, 다수 개의 전도 가닥은 탄소 섬유, 유리 섬유 또는 세라믹 섬유가 되는 것을 특징으로 하는 방열 시트의 제조 방법.