KR101110965B1 - 열 전도성 발포체 계면 물질 - Google Patents

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Abstract

하나의 국면에서 본 발명은 25,000을 초과하는 수 평균 분자량을 갖는 중합체성 고온 용융 감압 접착제 및 적어도 25 중량%의 열 전도성 충전제를 포함하는 발포된 필름을 제공하며, 상기 필름은 상기 발포된 필름 부피의 적어도 5%의 공극 부피를 갖는다.
감압 접착제, 충전제, 공극, 발포, 압출, 전도성, 계면

Description

열 전도성 발포체 계면 물질 {Thermally Conductive Foam Interface Materials}
집적 회로, 능동 및 수동 소자, 광학 디스크 드라이브 등은 사용 조건 하에 열을 발생시키며, 이는 상기 열 발생 요소의 계속적인 사용을 가능하게 하기 위해 확산되어야 한다. 지느러미 모양의 금속 블럭 형태인 방열기(heat sink) 및 열 관을 포함하는 열 스프레더(heat spreader)가 상기 열 발생 요소에 통상적으로 부착되어 과량의 열을 외부로 전도시켜 공기 중으로 복사되도록 한다. 상기 열 발생 요소와 방열기/열 스프레더 사이의 열적 가교를 제공하는 데 유용한 물질이 알려져 있다. 상기 물질의 다수는 겔 덩어리, 액체-고체 상 변화 화합물, 그리스, 또는 인쇄된 회로 기판(PCB) 및 방열기 사이에 기계적으로 고정되어야 하는 패드를 기초로 한다.
더욱 최근에는, 접착제를 도입하는 열 전도성 물질이 소개되었다. 상기 열 전도성 접착제 물질은 전형적으로 상기 열 발생 요소와 방열기/열 스프레더 사이에 접착제 결합을 형성하므로 기계적 고정이 필요하지 않다. 열-활성화된 (고온 용융) 및 감압 접착제의 양자가 열 전도성 접착제에 사용되어 왔다. 모든 경우에, 상기 열 전도성 계면 물질은 열적으로 개선되고(충진되지 않거나 가볍게 충진된 중합체 조성물에 비하여) 고온에서 (열 발생 요소는 종종 50℃ 또는 그 이상에서 작동된다) 치수 안정하며, 기질들 사이에 양호한 접촉(습윤, wet-out)을 제공하기에 충분하게 부드럽고 상응성일(conformable) 필요가 있다. 전형적으로, 그러한 열 전도성 접착제는 열 전도성을 부드러움/상응성으로 인해 포기하거나 그 반대이었다.
중합체 발포체 코어를 도입하는 물품은 발포전 중합체성 매트릭스의 밀도보다 낮은 발포된 중합체의 밀도로 특징된다. 발포체의 경우 낮아진 밀도는 화학적 발포제를 이용한 발포에 의해, 또는 매트릭스 내 미소구의 산재에 의한 것과 같은 몇 가지 공지 방법으로 수득될 수 있는데, 상기 미소구는 전형적으로 유리 또는 특정 중합체성 물질로 만들어지며, 전자는 발포체의 부드러움/상응성에는 불리하다.
발포체는 2 개의 강성인 기질, 또는 요철을 갖거나 거친 표면을 갖는 기질들을 연합하기 위해 사용되어 왔다. 그러나, 이제까지 발포체가 열 전도성 계면 물질로 사용된 적은 없다. 열 전도성 계면 물질 중 비연속적 공극은 그러한 공극의 절연 성질로 인하여 피해야 할 것으로 생각되었었다. 따라서 열 전도성은 타협되었었다.
특정 응용 분야에서는, 난연 특성이 필요하고/또는 적용되는 규정에 의해 요구되기도 한다. 예를 들면, 전기 또는 전자적 응용에 사용하기 위한 테이프는 전류, 단락 및/또는 결합된 전자적 요소 또는 전기 장치의 사용으로부터 발생된 열에 직접 노출될 수 있다. 결과적으로, 산업적 기준 또는 규정은 연소 시험 등과 같은 품질 시험의 수행을 요구하는, 그러한 테이프 물품의 사용에 대한 조건을 부과할 수 있다. 전기 및 전자적 응용의 경우, 산업적 표준의 가연성 시험은 언더라이터즈 러보러토리즈(Underwriters Laboratories, UL 94 "Standard for Tests for Flammability of Plastic Materials for Parts in Devices and Appliances")이다.
다른 응용분야에서는, 예를 들면 플라스마 디스플레이 패널(PDP)에 알루미늄 프레임을 부착시키는 등과 같은 재작업 및/또는 수리를 위한 필요성이 존재한다. 상기 응용에서는, 신장-이탈(stretch release) 가능한 부착 시스템과 같은 쉽게 제거가능한 부착 시스템이 유익할 것이다.
결과적으로, 허용가능한 열 전도성을 가지며 부드럽고/상응성인 열 전도성 발포체 및 열 전도성 접착 계면 및 상기 열 전도성 계면 물질의 제조 방법을 제공하는 것이 바람직하다. 또한 선택적으로 신장 이탈 성질을 갖는 난연성 구조물에 전술한 열 전도성 물품을 제공하는 것이 바람직하다.
요약
하나의 국면에서, 본 발명은 25,000을 초과하는 수 평균 분자량을 갖는 중합체성 고온 용융 감압 접착제 및 적어도 25 중량%의 열 전도성 충전제를 포함하는 발포된 필름을 포함하는 열 전도성 발포체 계면 물질을 제공하며, 상기 필름은 상기 발포된 필름 부피의 적어도 5%의 공극 부피를 갖는다.
또하나의 국면에서, 본 발명은 25,000을 초과하는 수 평균 분자량을 갖는 중합체성 고온 용융 감압 접착제, 적어도 25 중량%의 열 전도성 충전제 및 유효량의 발포제를 포함하는 열 전도성 계면 조성물을 제공한다.
다른 국면에서, 본 발명의 열 전도성 발포체 계면 물질 및 조성물은 난연제 및/또는 미세섬유 형성 물질을 더 포함할 수 있다.
또다른 국면에서 본 발명은
(a) 감압 접착제 (PSA) 중합체, 열 전도성 입자 및 발포제를 용융 혼합하여 팽창가능한 형성가능 조성물을 형성하고;
(b) 상기 발포제를 활성화하고;
(c) 상기 팽창가능한 형성가능 조성물을 외부 표면을 갖는 발포된 필름으로 형성하고;
(d) 선택적으로 상기 발포된 필름의 외부 표면 상에 열 전도성 접착제 조성물을 적용하는 것을 포함하는 열 전도성 발포체 계면 물질의 제조 방법을 제공한다.
본 발명의 또다른 국면에서, 상기 발포제는 압출가능한 조성물을 압출한 후 활성화될 수 있다.
본 발명의 다른 특징 및 장점은 상세한 설명 및 첨부되는 청구항을 고려할 때 당업자에게 명백할 것이다.
바람직한 구현예의 다양한 양태를 설명함에 있어서, 여러 도면을 참고하는 바, 여기에서 같은 참고 번호는 같은 양태를 나타내는 것이다.
도 1은 본 발명의 열 전도성 계면 물질을 나타내는 사시도이다.
도 2는 두 번째 열 전도성 계면 물질을 나타내는 사시도이다.
도 3은 열 전도성 접착제 층과 조합된 연속적 필름 형태를 특징으로 하는 열 전도성 계면 물질의 사시도이다.
도 4는 본 발명에 따르는 물품의 제조를 위한 압출 가공기의 개략도이다.
도 5는 실시예에 사용된 얇은-히터(thin-heater)의 개략도이다.
도 6은 실시예에서 벌크 열 전도성을 계산하기 위해 사용된 열적 임피던스 (Zcorr)의 두께(t)에 대한 플롯이다.
본 명세서에서 발명의 바람직한 구현예를 기재하는 데 특정 용어가 사용된다. 모든 그러한 용어는 당업자에 의해 사용되는 것과 같은 식으로 해석되는 것을 지향한다. 편의 상, 비제한적인 예로서 다음의 의미를 기재한다:
"공극 부피"는 접착제에 함유된 발포제의 활성화에 의해 형성되는, 접착제 중에 존재하는 공극을 의미한다.
"난연제"는 연소성 물질에 적용되거나 그 안에 도입될 경우 그물질의 인화하는 경향을 감소 또는 제거하고/또는 일단 인화된 경우 열 또는 화염에 노출될 때 연소를 계속하는 경향을 감소시키는 물질을 의미한다.
"신장 이탈"은 물품을 30 cm/분의 속도 및 45°미만의 각으로 당겨서 기질 표면으로부터 신장시킬 때, 실질적인 양의 가시적인 잔류물을 기질 상에 남기지 않고 물품이 기질 표면으로부터 떼어지거나, 상기 물품이 2 개의 강성인 기질 사이에서 사용된 경우 상기 물품을 30 cm/분의 속도 및 5°미만의 각으로 당겨서 신장시킬 때, 상기 강성 기질의 적어도 하나 위에 실질적인 양의 가시적인 잔류물을 남기지 않고 물품이 기질 표면으로부터 떼어지는 것을 특징으로 하는 접착성 물품의 성질을 의미한다.
"실질적으로 연속적"이란 기계 방향으로 적어도 약 0.5 cm에 대하여 끊어지지 않는 미세섬유를 의미한다.
"실질적으로 함유하지 않는"이란 중합체성 고온 용융 PSA의 중량을 기준으로, 0.1, 0.09 또는 0.08 중량% 미만의 수준으로 본 발명의 열 전도성 계면 물질(TIM)에 존재하는 성분을 의미한다.
본 발명은, PSA의 중합으로부터 결과된 잔류물, N-tert-부틸아크릴아미드, 유기 용매, 첨가된 자유 라디칼 개시제 및 가교제 이외의 올리고머 또는 저분자량 중합체(즉, < 25,000의 수 평균 분자량)를 바람직하게는 실질적으로 함유하지 않거나 함유하지 않는, 열 전도성 충전제 및 고온 용융 감압 접착제(PSA) 중합체 발포체(또는 발포된 필름)를 포함하는 열 전도성 발포체 계면 물질(발포체 TIMs)를 제공한다. 상기 발포된 필름은 또한 가열 시 더 팽창할 수 있는 1종 이상의 중합체 미소구를 포함할 수 있다. 발포된 필름의 외부 표면은 실질적으로 매끈하거나 무늬를 가질 수 있고, 상기 발포된 필름은 시트, 막대 또는 원통형의 임의의 다양한 형태로 제공될 수 있다. 외부 표면의 적어도 일부는 필름, 접착제 층 등을 위한 기질로서 작용할 수 있고 따라서 임의의 다양한 테이프/TIM을 제공한다. 본 발명의 TIM의 발포된 필름은 여기에 기재된 시험 방법에 의해 측정되는 바 적어도 약 5% 이상의 공극 부피를 함유한다.
본 발명에 따르는 발포체 TIM의 원하는 특징은 다음의 하나 이상을 포함한다: (1) 약 0.5 와트/미터-K 이상의 벌크 열 전도성; (2) 약 60 미만의 쇼어 A 경도; (3) 후술하는 시험 방법에 따라 시험할 경우 약 10,000 분 이상의 22℃ 및 70℃에서의 고정 전단 강도; 및 (4) TIM이 점탄성의 미세섬유를 포함할 경우, 약 200%를 초과하는 신장율, 및 100%로 신장된 후 약 50% 미만의 회복율과 함께 약 150% 이상의 TIM의 항복 강도, 및 TIM이 탄성의 미세섬유를 포함할 경우, TIM은 약 200%를 초과하는 신장율, 및 100% 신장된 후 약 50%를 초과하는 회복율을 가짐. 연속적인 접착제 필름 및/또는 상기 발포체 PSA 필름의 표면에 적용된 선택적 표피 접착제 층(들)을 포함하는 발포체 TIMs는 패널에 적용시 약 0.0438 kN/m (4 oz/in)보다 큰 90도 벗김 접착과 같은, 다른 구현예에서는 약 0.176 kN/m를 초과하거나 약 0.352 kN/m를 초과하는 높은 접착성을 가질 수 있다.
본 발명에 유용한 중합체성 고온 용융 PSA는 25,000을 초과하는 수 평균 분자량, 특히 100,000을 초과하하는 수 평균 분자량, 더욱 특별하게는 200,000을 초과하는 수 평균 분자량, 더 더욱 특별하게는 400,000을 초과하는 수 평균 분자량을 갖는다 (문헌 Introdution to Physical Polymer Science, Chapter 1, page 6, L. H. Sperling ISBN 0-471-89092-8에 정의된 바와 같은). 중합체성 고온 용융 PSA는 고무, 엘라스토머, 열가소성 폴리우레탄, 열가소성 엘라스토머, 폴리-알파-올레핀, 합성 고무, 아크릴레이트 중합체 및 메타크릴레이트 중합체, 아크릴레이트 및 메타크릴레이트 공중합체 및 전술한 것들의 조합과 같은 임의의 각종 중합체성 물질로부터 선택될 수 있다. 선택적인 열 전도성 접착제 층은 예를 들면 폴리-알파-올레핀 접착제, 아크릴산 접착제, 고무 기재 접착제, 실리콘 접착제, 고무 기재 접착제와 아크릴계 접착제의 배합물 및 이들의 조합과 같은 PSA일 수 있다. 마찬가지로, 선택적인 열 전도성 접착제 층은 열-활성화된 접착제일 수도 있다. 연속적인 발포된 필름 및/또는 선택적인 열 전도성 접착제 층은 실질적으로 연속적인 개개의 중합체성 미세섬유가 그 안에 구비되어 기계 방향으로 배향될 수 있으며, 상기 미세섬유는 상기 물품에 신장 이탈 성질을 부여한다. 뿐만 아니라, 연속적 필름 및/또는 선택적인 열 전도성 접착제 층은 난연제를 포함할 수 있다.
본 발명에 따르는 발포체 TIM의 하나의 예를 도 1에 나타낸다. 발포체 TIM(10)은 첫번째 편평한 표면(12) 및 상기 첫번째 표면(12)에 반대되는 두번째 표면(도시되지 않음)을 갖는 발포된 필름(11)을 포함한다. 본 발명에 따르면, 적어도 하나의 열 전도성 충전제(15)가 중합체성 접착제 매트릭스(16)에 걸쳐 산재되어 있다. 발포된 필름(11)은 매트릭스 내에 산재되어 있는 복수의 공극(14)을 갖는 중합체 접착성 매트릭스(16)를 포함한다. 공극(14)은 필름(11)의 제조에 사용된 발포 공정의 결과이며, 예를 들면 발포제를 사용함으로써 또는 팽창가능한 중합체성 미소구를 포함함으로써 또는 이들의 조합으로 만들어질 수 있다. 발포된 필름(11)의 제조에 팽창가능한 미소구가 포함될 경우, 공극(14)은 전형적으로 팽창되고 부서지지 않은 형태의 중합체 미소구를 포함하며 적어도 5%의 공극 부피를 제공한다.
다른 층 및/또는 구조가 상기 발포된 필름(11)의 첫 번째 표면(12)에 적용 또는 부착될 수 있다. 다른 층 또는 구조를 상기 표면(12)과 결합시킴에 있어서, 열 전도성 표피 접착제의 층이 상기 첫 번째 표면(12)에 먼저 적용되어 표면(12)에 추가의 층 또는 구조를 접착시킬 수 있다. 마찬가지로, 상기 발포된 필름(11)은 상기 첫 번째 표면(12)의 반대쪽 표면 상에 또다른 접착제 층, 특히 열 전도성 접착제 층을 갖는 양면 테이프 TIM으로 제공될 수 있다. 이탈 라이너 등이 상기 발포된 필름(11)의 한 표면 또는 양 표면 상에서 상기 열 전도성 표피 접착제(들)와 함께 결합될 수 있다.
도 2는 첫 번째 표면(102)과 상기 첫 번째 표면에 반대되는 두 번째 표면(도시되지 않음)을 갖는 발포된 필름(101)의 형태인 발포체 TIM(100)를 보여준다. 본 발명의 상기 구현예에 따르면, 발포체 TIM(100)은 적어도 1종의 열 전도성 충전제(105), 복수의 공극(104) 및 개별적인, 중합체 접착성 매트릭스(106)를 통해 산재되고 기계 방향으로 배향된 실질적으로 연속적인 점탄성 및/또는 탄성의 미세 섬유(108)를 포함하는 발포된 필름(101)을 포함한다. 미세섬유(108)는 전형적으로 TIM의 제조 도중 계 내에서(in situ)에서 형성되며 기계 방향으로 배향된다. 다른 층 및/또는 구조가 상기 발포된 필름(101)의 표면(102)에 적용 또는 부착될 수 있음이 잘 인식될 것이다.
본 발명에 유용한 중합체성 고온 용융 PSA(열 전도성 충전제와 배합 전)는 25,000을 초과하는 수 평균 분자량을 가지며 실온(약 22℃)에서 점착성이다. PSA는 건조 (무용매) 형태로 실온에서 영구 점착성인 구별되는 부류의 접착제이다. 이들은 손가락 또는 손으로 눌러주는 정도 이상의 압력을 필요로 하지 않는 단순 접촉 시 다양한 이질 표면에 견고하게 접착된다. PSA는 비교적 강력한 접착 유지력을 발휘하는 데 물, 용매 또는 열에 의한 활성화를 필요로 하지 않는다. PSA는 상기 물질의 탄성율을 실온에서 106 dyne/cm2 미만으로 유지하는 "달키스트 기준(Dahlquist criteria)"을 이용하여 정량적으로 표현될 수 있다. 문헌[Pocius, A. V., Adhesion & Adhesives: An Introduction, Hanser Publishers, New York, NY, First Edition, 1997]을 참고하라. 본 발명의 발포체는 1종 이상의 PSA를 포함할 수 있다. 독특한 발포 성질을 수득하기 위해 상이한 조성을 갖는 2종 이상의 PSA 중합체를 사용하는 것이 바람직할 수도 있다. PSA 성분 종류 및 농도를 선택적으로 택하여 넓은 범위의 발포체 물성이 수득될 수 있다. 특정 중합체가 최종 물질의 원하는 성질에 근거하여 선택될 수 있다.
고온 용융 PSA는 엘라스토머, 고무, 열가소성 엘라스토머, 폴리-알파-올레핀 접착제, 아크릴계 접착제 및 이들의 배합물을 포함하는 다양한 서로 다른 중합체 물질 중 임의의 것일 수 있다. 전형적으로, 상기 중합체 수지는 미국 특허 제 6,103,152 호에 기재된 바와 같이 용융 압출 공정에 적합한 종류의 것이다. 화학적으로 상이한 조성을 갖는 2종 이상의 중합체를 배합하는 것이 바람직할 수도 있다. 상기 발포체의 물성은 발포체를 제조하는 데 사용된 성분의 종류를 변화시킴으로써 및 그들의 상대적 농도를 변화시킴으로써 적정화될 수 있다. 특정 고온 용융 PSA는 최종적인 열 전도성 계면 물질의 원하는 성질에 근거하여 일반적으로 선택된다. 고온 용융 PSA를 제조하는 데 사용되는 중합체 물질은 나머지 양의 자유 라디칼 개시제, 올리고머 또는 저분자량 중합체(수 평균 분자량 < 25,000) 또는 유기 용매를 함유할 수 있음이 인지된다.
유용한 고온 용융 PSA를 제조하기 적합한 물질은 아크릴레이트 및 메타크릴레이트 중합체 또는 공중합체를 포함한다. 그러한 중합체는 1종 이상의, 탄소수 1 내지 20(예를 들면 탄소수 3 내지 18)의 알킬 기를 갖는 단량체성 비-4차 알킬 알코올의 아크릴 또는 메타크릴 에스테르 50 내지 100 중량부를 중합시킴으로써 형성될 수 있다. 적합한 아크릴레이트 단량체는 메틸 아크릴레이트, 에틸 아크릴레이트, n-부틸 아크릴레이트, 라우릴 아크릴레이트, 2-에틸헥실 아크릴레이트, 시클로헥실 아크릴레이트, 이소-옥틸 아크릴레이트, 옥타데실 아크릴레이트, 노닐 아크릴레이트, 데실 아크릴레이트, 이소보닐 아크릴레이트 및 도데실 아크릴레이트를 포함한다. 예를 들면 벤질 아크릴레이트 및 시클로벤질 아크릴레이트와 같은 방향족 아크릴레이트도 유용하다. 일부 응용분야에서는, 단량체성 아크릴 또는 메타크릴 에스테르 50 중량부 미만을 사용하는 것이 바람직할 수 있다. 선택적으로, 1종 이상의 모노에틸렌계 불포화된 공단량체가 약 0 내지 50 부의 공단량체 양으로 상기 아크릴레이트 단량체와 함께 중합될 수 있다. 유용한 공단량체의 한 부류는 상기 아크릴레이트 단독중합체의 유리 전이 온도보다 높은 단독중합체 유리 전이 온도를 갖는 것들을 포함한다. 이러한 부류에 해당하는 적합한 공단량체의 예로서 아크릴산, 아크릴아미드, 메타크릴아미드, N,N-디메틸 아크릴아미드와 같은 치환된 아크릴아미드, 이타콘산, 메타크릴산, 아크릴로니트릴, 메타크릴로니트릴, 비닐 아세테이트, N-비닐 피롤리돈, 이소보닐 아크릴레이트, 시아노 에틸 아크릴레이트, N-비닐카프로락탐, 말레산 무수물, 히드록시알킬아크릴레이트, N,N-디메틸 아미노에틸 (메트)아크릴레이트, N,N-디에틸아크릴아미드, 베타-카르복시에틸 아크릴레이트, 네오데칸산, 네오노난산, 네오펜탄산, 2-에틸헥산산 또는 프로피온산의 비닐 에스테르(예를 들면, 유니온 카바이드 사(Union Carbide Corp., Danbury, CT)로부터 비나테스(VYNATES)라는 상품명 하에 시판되는), 비닐리덴 클로라이드, 스티렌, 비닐 톨루엔 및 알킬 비닐 에테르를 들 수 있다.
두 번째 부류의 유용한 공단량체는 아크릴레이트 단독중합체의 유리 전이온도보다 낮은 단독중합체 유리 전이 온도를 갖는 것들을 포함한다. 이러한 부류에 해당하는 적합한 공단량체의 예로서 에톡시에톡시 에틸 아크릴레이트 (Tg = -71℃) 및 메톡시폴리에틸렌 글리콜 400 아크릴레이트(Tg = -65℃, 신 나카무라 케미칼 사(Shin Nakamura Chemical Co., Ltd.)로부터 NK 에스테르 AM-90G라는 상품명 하에 시판)를 들 수 있다.
본 발명에 유용한 중합체의 또다른 군으로 비-광중합성 단량체로부터 제조된 감압 및 고온 용융 접착제를 들 수 있다. 그러한 중합체는 접착성 중합체(즉, 고유하게 접착성인 중합체), 또는 고유하게 접착성은 아니지만 점착제와 함께 배합될 경우 접착성 조성물을 형성할 수 있는 중합체일 수 있다. 구체적인 예로서 폴리우레탄, 폴리-알파-올레핀 (예를 들면, 폴리옥텐, 폴리헥센 및 어택틱 폴리프로필렌), 블럭 공중합체-기재 접착제, 천연 및 합성 고무, 실리콘 접착제, 에틸렌-비닐 아세테이트, 및 에폭시-함유 구조 접착제 배합물 (예를 들면, 에폭시-아크릴레이트 및 에폭시-폴리에스테르 배합물), 및 이들의 조합을 들 수 있다.
어떤 경우에는, 상기 접착제가 높은 공급(service) 온도(즉, 70℃에 이르거나 그 이상)를 갖는 것이 바람직할 수 있다. 이는 몇 가지 알려진 방법으로 수행될 수 있다. 예를 들면, 아크릴 기재 접착제는 전자 빔(E-빔), 감마선 등에 의해 조사되어 가교될 수 있다. 블럭 공중합체-기재 접착제는 미국 특허 제 6,277,488 호에 기재된 바와 같이 블럭 공중합체에 폴리페닐렌 옥사이드(PPO) 또는 말단 블럭 강화 수지를 가함으로써 향상된 고온 성능을 가질 수 있다.
다수의 열 전도성 충전제가 본 발명의 접착제에 사용하기 적합하다. 상기 열 전도성 충전제는 ASTM D1530에 준하여 측정할 때 약 5 내지 1000 와트/미터-K 사이의 벌크 전도성을 갖는 다양한 물질로부터 선택된다. 적합한 열 전도성 충전제의 예로서 산화 알루미늄, 베릴리아(berillia), 지르코니아, 티탄산 알루미늄, 탄화 규소, 탄화 붕소, 질화 규소, 수산화 알루미늄, 수산화 마그네슘, 이산화 티탄, 질화 알루미늄, 질화 붕소, 질화 티탄 등, 및 이들의 조합을 들 수 있지만, 이에 국한되지는 않는다. 상기 충전제들은 다양한 모양/형태(구형, 플레이크, 응집물, 결정, 침상, 발연)로 나타난다. 모양의 선택은 선택되는 접착제 수지의 레올로지 및 최종 고온 용융 PSA/입자 혼합물의 가공 용이성에 의존한다. 충전제는 몇 가지 결정 형태(예, 육방정계 및 사방정계의 질화 붕소)로 입수가능할 수 있고, 선택되는 결정의 형태는 결정의 열 전도성(상이한 결정 축을 따르는 전도성의 이방성 성질을 포함), 최종 기계적 성질에 미치는 결정형의 영향 및 가격에 의존할 것이다.
입자의 크기 및 분포 또한 기계적 성질 및 접착 성질에 영향을 줄 것이며 따라서 입자 크기의 선택은 최종적인 접착 성질 요건을 수용해야 한다. 다른 구현예에서, 충전제(또는 충전제 혼합물) 및 입자 부하의 입자 크기는 적절한 기계적 성질을 유지하면서 적합한 열 전도성을 부여하도록 선택된다.
전형적으로, 유용한 열 전도성 입자는 0.5 마이크로미터(μm) 내지 250 마이크로미터 범위의 평균 입자 크기를 갖는다. 다른 구현예에서, 열 전도성 입자는 1 내지 100 마이크로미터 및 10 내지 70 마이크로미터의 평균 크기 범위일 수 있다. 입자들은 0.5 내지 250 마이크로미터 사이의 임의 범위에서 평균 크기 범위를 가질 수 있고 0.5 내지 250 마이크로미터 사이의 임의 평균 크기일 수 있다. 접착제는 상기 접착제 및/또는 열 전도성 계면 매트릭스를 가교할 수 있고 그 매트릭스를 통해 노출되어 어느 정도 그 크기를 증가시킬 수 있는 열 전도성 입자를 함유할 수 있다. 따라서, 입자들이 PSA 내에 함유되어 열원 기질과 탈열 물품 등 열-전도 물품 사이의 경로에서 열 전도성을 향상시킨다. 상기 입자들은 그들이 탈열 물품이 작동되도록 놓이기 전 또는 후에 그 표면 내에 또는 표면 위에 영향을 주도록 탈열 물품의 근처 또는 저면에 대하여 작용하기 충분한 크기의 것이다. 일반적으로, 상기 입자의 크기를 접착제 두께와 같이 증가시키는 것은 열원 기질과 열-전도 물품 사이의 열 전도성을 증가시킬 것이다.
입자 크기의 선택은 응용분야에 의존한다. 접착 선이 25 내지 100 μm 범위(중앙 처리 단위(CPU)와 방열기 사이에서 발견되는 것과 같은)일 경우, 예를 들면 약 1-2 μm 이상 약 30 μm 이하, 다른 구현예에서 약 5 내지 20 μm 사이의 주요 디멘젼을 갖는 입자가 적합하다. 고온 및 저온 기질 사이에 보다 큰 간격이 존재할 경우 약 20 내지 30 μm보다 큰, 예를 들면 50 내지 250 μm의 입자가 사용된다. 뿐만 아니라, 상이한 입자 크기 재료의 조합이 사용될 수 있다. 전도성 충전제 입자 크기가 클수록 더 높은 벌크 전도성이 수득된다. 선택된 입자의 적어도 일부가 탈열 물품 부착 도중 가소적으로 변형될 수 있는 경우, 상기 입자 크기는 상기 언급된 크기보다 훨씬 더 클 수 있다. 입자 크기의 혼합물이 향상된 충진 밀도를 초래하고 이는 결과되는 전도성을 향상시킨다. 상이한 열 전도성 충전제의 조합이, 고가의 충전제(예, 질화 붕소)의 일부를 저가의 충전제(예, 탄화 규소)로 대체함으로써 저렴한 가격에서 동등한 열적 성능을 제공하는 것으로 나타났다. 열 전도성 충전제는 종종 다양한 결정 면을 따라 이방성의 열 전도성을 가지므로, 공지 방법에 의한 충전제의 배향이 열적 성능을 향상시키기 위해 사용될 수 있다.
열 전도성 입자는 본 발명의 접착성 조성물에 총 조성물 중량의 25 중량% 이상의 양으로 존재할 수 있다. 본 발명의 다른 구현예에서, 열 전도성 충전제는 약 30 중량% 이상, 약 40 중량% 이상, 본 발명의 어떤 구현예에서는 약 50 중량% 이상의 양으로 존재한다. 다른 구현예에서, 열 전도성 충전제는 25 내지 80 중량%, 30 내지 80 중량%, 40 내지 80 중량%, 50 내지 80 중량%의 일정 범위에서, 또는 25 내지 80 중량% 사이의 임의 범위에서 본 발명의 접착제 배합물 중 존재할 수 있다.
열 전도성 충전제의 상한은 물품의 최종 성질(예를 들면, 경도, 상응성, 접착 및 열 전도성)을 근거로 선택되지만, 상기 열 전도성 충전제는 일반적으로 약 80 중량% 미만의 양으로 존재한다.
상기 열 전도성 발포체 계면 물질은 약 0.5 와트/미터-K 이상의 벌크 전도성을 가지며; 다른 구현예에서 상기 열 전도성 발포체 계면 물질은 약 0.6 와트/미터-K 이상의 벌크 전도성을 가지며; 다른 구현예에서는 약 0.8 와트/미터-K 이상이다.
유용한 발포제는 동반된 기체/고압 주입가능한 기체; 화학적 발포제 및 물리적 발포제와 같은 발포제; 팽창되거나 팽창되지 않은 중합체성 버블; 및 이들의 조합을 포함한다.
고압 주입가능한 기체는 20.67 MPa (3000 psi)를 초과하는 압력에서 봉해진 혼합 계(예를 들면, 봉해진 압출기)에 첨가되어 상기 봉해진 계에 존재 시 발포체를 생성하는 기체이다. 고압 주입가능한 기체의 예로서 질소, 공기, 이산화 탄소 (CO2), 및 여타 상용성 기체, 및 이들의 조합을 들 수 있다.
본 발명에 유용한 물리적 발포제는 상기 발포된 필름이 다이를 빠져나오는 온도 및 압력에서 증기인 임의의 천연 유래 대기 물질이다. 물리적 발포제는 기체, 액체 또는 초임계 유체로서 중합체성 물질 내에 도입될 수 있다. 물리적 발포제는 압출기 시스템 내에 주입될 수 있다. 물리적 발포제는 통상 공정 도중 압출기 내에 존재하는 조건에서 초임계 상태이다. 물리적 발포제가 사용되는 경우, 이는 사용되는 중합체성 물질에 용해성인 것이 바람직하다. 사용되는 물리적 발포제는 수득되는 발포체 물품에서 추구하는 성질에 의존할 것이다. 발포제를 선택하는 데 고려되는 기타 요인들은 그의 독성, 증기압 윤곽 및 취급 용이성이다. 펜탄, 부탄, 및 히드로플루오로카본 (HFC) 및 히드로클로로플루오로카본 (HCFC) 등의 여타 유기 물질과 같은 발포제가 사용될 수 있지만, 불연성, 비독성, 비-오존 고갈성 발포제가 예를 들면 환경적 및 안전성의 우려가 보다 적은 등 사용이 용이하기 때문에 바람직하다. 적합한 물리적 발포제는 예를 들면 이산화 탄소, 질소, SF6, 일산화 질소, C2F6와 같이 과플루오르화된 유체, 아르곤, 헬륨, 크세논과 같은 비활성 기체, 공기 (질소 및 산소 배합물), 및 상기 물질의 배합물, 히드로플루오로카본 (HFC), 히드로클로로플루오로카본 (HCFC) 및 히드로플루오로에테르(HFE)를 포함한다.
화학적 발포제는 물리적 발포제가 그러한 것처럼 주입 시스템을 필요로 하지 않으며 실제로 임의의 압출 시스템에 사용될 수 있다. 화학적 발포제의 예로서, 물, 및 예를 들면 셀로겐 (CELOGEN) OT(유니로얄 케미칼 사(Uniroyal Chemical Company, Inc., Middlebury, CT)로부터 시판)와 같은 4,4'-옥시비스(벤젠술포닐)히드라지드, 4,4'-옥시벤젠술포닐 세미카바지드, p-톨루엔술포닐 세미카바지드, p-톨루엔술포닐 히드라지드, 옥살산 히드라지드, 디페닐옥사이드-4,4'-디술포히드라지드, 벤젠술포닐히드라지드, 아조디카본아미드, 아조디카본아미드 (1,1'-아조비스폰아미드), 메타-개질된 아조디카보나이드, 5-페닐테트라졸, 5-페닐테트라졸 유사체, 히드라조카르복실레이트, 디이소프로필히드라조디카르복실레이트, 바륨 아조디카르복실레이트, 5-페닐-3,6-디히드로-1,3,4-옥사디아진-2-온, 수소화 붕소 나트륨, 아조디이소부티로니트릴, 트리히드라지노트리아진, 아조디카르복실산의 금속 염, 테트라졸 화합물, 중탄산 나트륨, 중탄산 암모늄, 카보네이트 화합물과 폴리카본산의 제제, 및 시트르산과 중탄산 나트륨의 혼합물, N,N'-디메틸-N,N'-디니트로소-테레프탈아미드, N,N'-디니트로소펜타메틸렌테트라민, 및 이들의 조합을 포함하는 아조-, 카보네이트- 및 히드라지드-기재 분자를 들 수 있다. 워싱턴 밀즈 일렉트로 미네랄즈 사(Washington Mills Electro Minerals Corp., Niagara Falls, NY)로부터 실카라이드(SILCARIDE) G-21 탄화 규소 등급 P240의 상품명 하에 시판되는 탄화 규소는 열 전도성 충전제로서 뿐만 아니라 화학적 가교제로서도 작용한다는 것이 밝혀졌다. 추가의 화학적 발포제가 문헌[Klempner, D., Frisch, K. C. (editors), Handbook of Polymeric Foams and Foam Technology, Chapter 17, (Hansen, NY, 1991)]에 기재되어 있다.
1종 이상의 팽창가능한 중합체성 미소구가 본 발명의 상기 발포된 열 전도성 필름에 발포제로 사용될 수 있다. 팽창가능한 중합체성 미소구는 중합체 외피 및 기체, 액체 또는 이들의 조합된 형태인 코어 물질을 포함한다. 상기 중합체성 외피의 용융 또는 유동 온도 이하의 온도로 가열하면, 상기 중합체 외피가 팽창할 것이다. 적합한 코어 물질의 예로서 프로판, 부탄, 펜탄, 이소부탄, 네오펜탄 또는 유사한 물질, 및 이들의 조합을 들 수 있다. 상기 중합체 미소구 외피에 사용되는 열가소성 수지의 종류가 발포체의 기계적 성질에 영향을 줄 수 있고, 상기 발포체의 성질은 미소구의 선택에 의해, 또는 상이한 종류의 미소구의 혼합물을 사용함으로써 조절될 수 있다. 예를 들면, 아크릴로니트릴-함유 수지는, 저밀도 발포체 물품에서 높은 인장 및 응집 강도가 요구되는 경우에 유용하다. 이는 아크릴로니트릴 함량이 중합체 외피에 사용되는 수지의 50 중량% 이상, 일반적으로 60 중량% 이상, 전형적으로 70 중량% 이상인 경우에 특히 그러하다. 외피로 사용될 수 있는 적합한 열가소성 수지의 예로서 폴리아크릴레이트 같은 아크릴 및 메타크릴산 에스테르; 아크릴레이트-아크릴로니트릴 공중합체; 및 메타크릴레이트-아크릴산 공중합체를 들 수 있다. 비닐리덴 클로라이드-메타크릴레이트 공중합체, 비닐리덴 클로라이드-아크릴로니트릴 공중합체, 아크릴로니트릴-비닐리덴 클로라이드-메타크릴로니트릴-메틸 아크릴레이트 공중합체 및 아크릴로니트릴-비닐리덴 클로라이드-메타크릴로니트릴-메틸 메타크릴레이트 공중합체와 같은 비닐리덴 클로라이드-함유 중합체가 사용될 수도 있지만, 높은 강도가 요구되는 경우에는 바람직하지 않다. 일반적으로, 높은 강도가 요구되는 경우에, 미소구 외피는 20 중량% 이하의 비닐리덴 클로라이드, 및 전형적으로 15 중량% 이하의 비닐리덴 클로라이드를 가질 것이다. 높은 강도의 응용은 실질적으로 비닐리덴 클로라이드를 갖지 않는 미소구를 필요로 할 수도 있다. 무 할로겐 미소구도 본 발명의 발포체에 사용될 수 있다. 시판되는 적합한 팽창가능한 중합체성 미소구의 예로서 피어스 스티븐스(Pierce Stevens, Buffalo, NY)로부터 상품명 F-30D, F-50D, F-80SD 및 F-100D 하에 시판되는 것들을 들 수 있다. 엑스판셀 사(Expancel, Inc., Duluth, GA)로부터 상품명 엑스판셀 551, 엑스판셀 461, 엑스판셀 091 및 엑스판셀 092 MB 120 하에 시판되는 팽창가능한 중합체성 미소구도 적합하다. 팽창가능한 중합체성 미소구의 선택은 전형적으로 그의 팽창 온도 및 사용되는 열 전도성 충전제에 근거한다.
발포제의 양은 발포된 필름 부피의 적어도 5%를 구성하는 공극 부피를 제공하도록 선택된다. 일반적으로, 발포제의 농도가 높을수록, 발포된 필름의 밀도가 더 낮아지고 열 전도성이 더 낮아진다. 즉, 공극 부피가 높을수록, 상기 발포된 필름의 열 전도성은 낮아진다. 예를 들면, 중합체 수지 중 미소구의 양은 전형적으로 0.1 중량부 내지 10 중량부 (중합체 100 부 기준)의 범위, 다른 구현예에서는 약 0.5 중량부 내지 약 5 중량부, 다른 구현예에서는 약 0.5 중량부 내지 약 2 중량부의 범위이다.
상기 발포체 TIM은 여기에 기재된 시험 방법에 의해 측정할 때 약 5% 이상의 공극 부피를 함유한다. 또하나의 구현예에서, 상기 발포체 TIM은 여기에 기재된 시험 방법에 의해 측정할 때 약 10% 이상의 공극 부피를 함유한다. 일반적으로, 상기 발포체 TIM은 공극의 열 전도성에 대한 영향 때문에 약 75% 미만의 공극 부피, 약 60% 미만, 또는 약 50% 미만의 공극 부피를 함유한다.
특정 응용분야에서, 난연 성질이 필요하고/또는 적용 규정에 의해 요구될 수 있다. 예를 들면 전기 또는 전자 응용분야에 사용되는 테이프는 전류, 단락, 및/또는 연결된 전자 요소 또는 전기 장치의 사용으로부터 발생되는 열에 직접 노출될 수 있다. 결과적으로, 산업적 표준 또는 규정은 연소 시험 등 수행되어야 할 품질 시험을 요구하는 그러한 테이프 물품의 사용 시 조건을 부과할 수 있다. 전기 및 전자 응용의 경우, 산업 표준 가연성 시험은 언더라이터즈 러보러토리즈 (UL 94 "장치 및 설비의 부품을 위한 플라스틱 물질의 가연성에 대한 시험 기준")이다. 발포체 TIM은 UL 94 V-2 가연성 평가에 합격할 것이 바람직하며, 다른 구현예에서는 UL 94 V-0 가연성 평가에 합격할 것이 바람직하다.
본 발명의 발포체 TIM에 포함되기 적합한 난연제는 발포체 TIM의 총 중량을 기준으로 약 5 중량% 내지 약 40 중량% 사이의 농도로 필름에 일반적으로 존재하는 임의 종류의 난연제를 포함한다. 상기 난연제는 거품이 나는 난연제 및/또는 거품이 나지 않는 난연제일 수 있다. 전형적으로, 난연제는 비-할로겐 함유 및 안티몬-무함유의 것이다. 여기에 기재된 발포체 TIM에 사용하기 적합한 난연제의 예로서, 유기인 화합물을 기재로 하는 IFR 23, AP 750, 엑솔릿 OP 등급 물질로 명명되는 것들, 및 화이어브레이크 ZB 및 보르가드(BORGARD) ZB 같은 엑솔릿 RP 등급의 붉은 인 물질 비-할로겐화된 난연제를 포함하는 클래리언트 사(Clariant Corporation, Charlotte, NC)로부터 상품명 엑솔릿으로 시판되는 것들, 및 데드 씨 브로마인 그룹(Dead Sea Bromine Group, Beer Shiva, Israel)로부터 시판되는 FR 370(트리스(트리브로모네오펜틸) 포스페이트)을 들 수 있다. 열 전도성 충전제로서도 기능하는 적합한 난연제의 예로서 수산화 알루미늄 및 수산화 마그네슘을 들 수 있다.
1종 이상의 난연제 및/또는 상승제의 배합물이 본 발명의 발포체 TIM에 사용될 수도 있다. 난연 계의 선택은 예를 들면 원하는 응용에 대한 산업적 표준과 같은 다양한 변수에 의해서, 및 발포된 필름 중합체 매트릭스의 조성에 의해 결정될 것이다. 뿐만 아니라, 본 발명의 발포체 TIM은 셔윈-윌리엄즈 케미칼즈(Sherwin-Williams Chemicals, Cleveland, OH)로부터 상품명 켐가드(Kemgard) HPSS, 911A, 911B 및 911C로 시판되는 것과 같은 연기 억제제를 함유할 수 있다.
신장 이탈 특성을 제공하고 본 발명의 발포체 TIM을 더 보강하기 위해, 열 전도성 필름, 열 전도성 표피 접착제 또는 상기 필름과 상기 표피 접착제의 양자는 여기에 기재된 제조 공정 도중 계 내에서(in situ)에서 형성되는 점탄성 및/또는 탄성 미세섬유를 형성하는 미세섬유 형성 물질을 포함할 것이다. 개개의 미세섬유는 개별적으로 실질적으로 연속이며 상기 접착성 중합체 매트릭스에 걸쳐 분산되고 필름의 기계 방향으로 배향된다. 적합한 미세섬유는 계류 중인 미국 특허 공개 제 02-0187294-A1 호의 기재에 따라 조제된 것들을 포함하는 것으로 알려졌다. 본 발명의 발포체 TIM에서, 개개의 미세섬유는 기계 방향에서 약 0.5 센티미터(cm) 이상 다른 구현예에서는 약 2 cm, 약 5 cm, 또는 약 8 cm 이상 끊어지지 않는다. 또다른 국면에서, 개개의 실질적으로 연속적인 미세섬유는 일반적으로 0.05 내지 5 마이크로미터, 전형적으로 0.1 내지 1 마이크로미터의 최대 직경을 가지며, 상기 개개의 실질적으로 연속적인 미세섬유의 종횡비(즉, 길이 대 직경 비)는 약 1000보다 크다.
발포체 TIM은 또한 상기에 명백하게 배제된 물질이 아닌 다수의 여타 첨가제를 포함할 수 있다. 적합한 첨가제의 예로서 점착부여제 (예, 로진 에스테르, 테르펜, 페놀, 및 지방족, 방향족 또는 지방족 및 방향족 합성 탄화수소 수지의 혼합물), 안료, 보강제, 소수성 또는 친수성 실리카, 탄산 칼슘, 인성강화제, 섬유, 충전제, 산화방지제, 안정화제 및 이들의 조합을 들 수 있다. 전기의 첨가제 및 성분은 일반적으로 원하는 최종 성질, 특히 접착 성질을 갖는 물품을 수득하기 충분한 양으로 첨가된다. 양호한 상응성 및 표면 접촉을 위해, TIM은 약 60 쇼어 A 미만의 경도를 갖는 것이 바람직하다.
본 발명의 다른 구현예는 테이프 및 전이 테이프를 포함한다. 유용한 안감(backing) 물질은 열 전도성이다. 그러한 안감 물질은 고유하게 열 전도성이거나, 열 전도성을 부여하도록 위에서 "열 전도성 충전제" 하에 기재된 것들과 같은 첨가제(들)를 함유할 수 있다. 적합한 안감 물질의 예로서 종이 및 천(직포 및 부직포)과 같은 셀룰로오스계 물질; 폴리에스테르, 폴리비닐 클로라이드, 폴리우레탄, 폴리프로필렌 및 나일론과 같은 필름; 폴리에틸렌 발포체 및 아크릴계 발포체와 같은 열 전도성 발포체 물질; 및 알루미늄 포일과 같은 금속 포일을 들 수 있다. 또다른 구현예에서, 상기 안감 물질은 이탈 라이너일 수 있다. 이 구현예에서, 안감은 열 전도성일 필요가 없다. 이탈 라이너는 그 한쪽 또는 양면 위에 이탈 피복으로 피복될 수 있다. 안감은 또한 다수 층으로 구비될 수도 있다.
중합체 또는 비중합체 층을 발포된 필름에 적층하거나, 압출된 발포된 필름을 그들이 각각의 형태화 오리피스를 빠져나올 때 접착제와 같은 특정 부착 수단을 이용하여 층으로 형성함으로써 다층 발포체 TIM이 제조될 수도 있다. 사용가능한 다른 기술은 압출 피복 및 함유(inclusion) 공압출을 포함하며, 이는 예를 들면 미국 특허 제 5,429,856 호에 기재되어 있다.
도 3은 발포된 필름(201)의 한 표면(202) 위에 열 전도성 표피 접착제 층(220)이 구비되어 있는 또다른 TIM(200)을 도시한다. 발포된 필름(201)은 매트릭스 내에 산재된 복수의 공극(204) 및 열 전도성 입자(205)를 갖는 중합체 접착제 매트릭스(206)를 포함한다. 표피 접착제 층(220)은 여기에서 더욱 기재하는 바와 같이 임의의 다양한 접착제 물질 및 열 전도성 충전제를 포함할 수 있다. 전형적으로, 상기 표피 접착제 층(220)은 그 안에 난연제 물질이 없이 조제된 열 전도성 PSA이다. 또다른 기질 등에 접착제(220)가 적용되기 전에 접착제 층(220)을 보호하기 위해 이탈 라이너(도시되지 않음)가 선택적으로 포함될 수 있다.
본 발명의 원리에 따르면, 상기 언급된 열 전도성 표피 접착제 층은, 이하에 더욱 상세하게 기재하는 바와 같이, 예를 들면 조성물을 함유하는 압출가능한 발포제를 1종 이상의 압출가능한 접착제 조성물과 함께 공압출함으로써 상기 발포된 필름과 결합될 수 있다. 열 전도성 접착제 조성물은 일반적으로 난연제 없이 조제되고/또는 선택되어, 연속적인 발포된 필름이 테이프용 기질을 형성하는 테이프 등의 접착성 물품을 제공한다. 접착제는 연속적인 발포된 필름의 표면 일부에 적용되어 (예를 들면, 그 주표면의 하나 위에), 상기 발포된 필름의 표면(두 번째 주표면)의 일부를 추가 층 또는 구조를 지지하기 위한 기질로 남길 수 있다. 표피 접착제는 또한 상기 발포된 필름의 표면에 적층될 수 있거나, 상기 발포된 필름은 상기 표피 접착제 층이 이탈 라이너에 적용된 후 직접 압출되거나 그 표피 접착제 층 위에 피복될 수 있다. 상기 표피 접착제 층은 다수의 접착제 층을 사용할 수 있다. 전형적으로, 상기 표피 접착제 층은 접착이 극대화될 수 있도록 발포제 필름보다 낮은 농도의 열 전도성 충전제를 갖는다. 일반적으로, 열 전도성 충전제의 양이 증가하면 접착 성질은 감소한다.
도 4를 참고하여, 본 발명에 따르는 발포체 TIM의 제조를 위한 압출 공정(300)을 나타낸다. 본 발명의 방법에 따르면, 고온 용융 PSA 중합체를 첫 번째 압출기(310)(전형적으로 단일 나사 압출기)에 공급하여 상기 중합체를 압출에 적합한 형태로 연화 및 혼합한다. 결과되는 중합체는 발포된 필름의 중합체 매트릭스를 형성하기 위해 사용될 것이다. 상기 중합체는 펠렛, 막대(billet), 패키지, 가닥, 파우치 및 로프 등 임의의 편리한 형태로 상기 압출기(310)에 첨가될 수 있다.
다음, 상기 열 전도성 충전제 및 존재할 경우 점착부여 수지, 난연제, 미세섬유 형성 물질 및 기타 첨가제(만일 존재할 경우 팽창가능한 미소구를 제외하고)를 두 번째 압출기(312)(예를 들면, 전형적으로 이중 나사 압출기)에 공급한다. 고온 용융 PAS 중합체는 압출기(310)로부터 첫 번째 포트(311)를 통해 두 번째 압출기(312) 내로 직접 공급될 수 있다. 열 전도성 충전제 및 다른 첨가제들은 임의의 포트 내로 공급될 수 있고 전형적으로 압출기(312)의 혼합/분산 부분보다 앞선 지점에 있는 입구(313)에서 두 번째 압출기(312) 내로 전형적으로 공급된다. 일단 합쳐지면, 상기 고온 용융 PSA 중합체 및 첨가제를 압출기(312) 내에서 잘 혼합한다. 성분의 첨가 순서 및 혼합 조건(예, 나사 속도, 나사 길이 및 온도)는 적정의 혼합을 수득하도록 선택된다. 일반적으로, 혼합은 미소구가 존재하는 경우 상기 미소구를 팽창시키는 데 필요한 문턱 온도 아래의 온도에서 수행된다. 그러나, 미소구 팽창 온도보다 높은 온도가 사용될 수도 있으며, 이러한 경우 온도는 혼합에 따라서 및 미소구를 압출기(312)에 가하기 전에 전형적으로 감소된다. 상기 고온 용융 PSA 중합체가 압출에 적합한 형태로 공급될 경우에는, 상기 첫 번째 압출 단계가 생략되고 상기 중합체가 압출기(312)에 직접 첨가될 수 있음이 잘 인식될 것이다. 많은 양의 열 전도성 충전제를 도입할 경우에는, 상기 충전제를 다수의 첨가 포트(즉, 분열 공급, 도시되지 않음)를 통해 압출기에 첨가하고, 동반된 공기를 제거하기 위해 포트(309)를 통해 진공이 사용되는 것이 바람직하다. 일반적으로, 공극 부피는 동반된 기체, 화학적 발포제, 물리적 발포제 및 미소구로 인해 생길 수 있다.
팽창가능한 중합체성 미소구는 전형적으로 압출기(312)의 운반 영역 직전에 있는 하류 입구(313)의 별도 영역에서 전형적으로 두 번째 압출기(312)에 첨가될 수 있다. 일단 첨가되면, 열 전도성 충전제, 팽창가능한 중합체성 미소구, 고온 용융 PSA 중합체 및 선택적인 난연제 및/또는 미세섬유 형성 물질은 상기 운반 영역에서 용융-혼합되어 팽창가능한 압출가능 조성물을 형성한다. 상기 용융-혼합 단계의 목적은 열 전도성 충전제, 미소구 및 존재할 경우 여타 첨가제가 상기 용융된 중합체에 걸쳐 분포된 팽창가능한 압출가능 조성물을 제조하기 위함이다. 전형적으로, 상기 용융-혼합 작업은 입구(313)로부터 하류에 있는 하나의 운반 블럭을 사용하여 적절한 혼합을 수득하지만, 혼련 요소가 사용될 수도 있다. 용융-혼합 도중에 사용되는 온도, 압력, 전단 속도 및 혼합 시간은 미소구가 팽창되거나 파괴되지 않고 팽창가능한 압출가능 조성물을 제조하도록 선택된다. 구체적인 첨가 순서, 영역 온도, 압력, 전단 속도 및 혼합 시간은 가공되는 특정 화학적 조성물을 근거로 선택되며, 상기 조건의 선택은 당업자의 기술범위 내에 있다.
용융-혼합에 이어, 상기 팽창가능한 압출가능 조성물을 압출 다이(314)(예를 들면, 접촉 또는 적하 다이) 내에, 기어 펌프(316)를 사용하는 전이 관(318)을 통해 계량하여 넣는다. 다층 다이(314) 내의 온도는 전이 관(318) 내의 온도와 실질적으로 같은 온도에서 유지된다. 다이(314) 내의 온도는 상기 팽창가능한 미소구의 팽창을 일으키는 데 필요한 온도 또는 그 이상의 온도이다. 압출 다이(314)는 도 4에서 다층 다이로 나타내었지만, 다이(314)는 단층의 다이일 수도 있음이 이해된다. 전이 관(318) 내의 온도는 미소구 팽창을 개시하는 데 필요한 문턱 온도 또는 그 이상의 것인 한편, 상기 전이 관(318) 내의 압력은 통상적으로 미소구가 상기 관(318) 내에 체류하는 시간 동안 팽창하지 않도록 하기 충분히 높다. 다이(314) 내의 부피는 상기 관(318) 내의 부피보다 커서, 관(318)으로부터 다이(314) 내로 유입되는 물질이 전이 관(318) 내의 압력보다 낮은 압력으로의 압력 강하를 겪게 된다. 팽창가능한 압출가능 조성물이 다이(314)로 들어갈 때, 다이(314) 내의 압력 및 열의 강하는 중합체성 미소구가 팽창을 시작하도록 할 것이다. 미소구가 팽창하기 시작하면, 상기 팽창가능한 압출가능 조성물은 발포체를 형성한다. 대부분의 미소구 팽창은 통상적으로 미소구가 다이(314)를 빠져나오기 전에 일어날 것이다. 다이 (314) 내의 압력은 상기 팽창가능한 압출가능 조성물이 다이(314)의 출구 포트(315)로 접근함에 따라 계속 감소할 것이다. 압력의 계속된 감소는 다이 내의 미소구가 더 팽창하도록 기여한다. 압출기 (312) 및 다이(314)를 통한 중합체의 유량은 상기 팽창가능한 중합체 조성물이 다이(314)를 빠져나가기 전에 다이 공동 내의 압력을 상기 팽창가능한 미소구의 팽창을 촉진하도록 충분히 낮게 유지하도록 유지된다. 다이(314)의 형태는 상기 발포체 TIM에 대하여 원하는 형태를 제공하도록 선택 또는 적응될 수 있다. 연속적 또는 비연속적 시트 또는 필름을 포함하는 임의의 다양한 발포체 형태가 제조될 수 있다. 당업자는 화학적 발포제 등이, 상기 팽창가능한 미소구를 대신하거나 상기 미소구와 조합되어 본 발명에 따르는 발포체를 제조하는 데 또한 유용하다는 것을 잘 인식할 것이다.
필요하다면, 발포된 필름이 다이(314)를 빠져나온 후 니프 롤(317)을 이용하여, 상기 발포된 필름을 차가운 롤(319)에 대하여 압출하거나, 발포된 필름 표면의 각각에 매끈한 라이너를 사용하여 상기 복합 물품을 니프에 통과시킴으로써 상기 발포된 필름 표면의 한 면 또는 양면의 평활성을 증가시킬 수 있다. 표면의 평활성은 양호한 표면 접촉 및 접착을 위해 유익하다. 상기 발포체를 그것이 다이(314)를 빠져나온 후 패턴을 가진 롤과 접촉시키거나, 미국 특허 제 6,197,397 B1에 기재된 것들과 같은 패턴 또는 미세구조를 가진 라이너를 이용함으로써 상기 발포된 필름의 한 면 또는 양면 위에 패턴을 엠보싱하는 것도 가능하다.
특히 강성의 기질이 넓은 부착 면적을 가질 경우에, 양호한 열 전도성을 위해 상기 발포체 TIM과 상기 기판 사이에 공기가 포획되지 않는 것이 바람직하다. 비-접촉 또는 비-접착된 면적은 열을 전도하지 않으며 상기 발포체 TIM의 전체적인 열 전도성을 감소시킨다. 패턴을 가진 발포체 TIM은 공기의 배출을 촉진하며 향상된 접착제 접촉의 결과를 가져온다. 발포체 TIM의 비-발포 TIM에 대한 향상된 연성 및 상응성 또한 향상된 접착제 접촉에 기여한다.
압출 공정은 또한 상이한 밀도의 면적을 갖는 패턴을 가진 발포된 필름을 제조하기 위해서도 사용될 수 있다. 예를 들면, 필름이 다이(314)를 빠져나오는 지점의 하류에서 (도 4), 상기 필름을 예를 들면 패턴을 가진 롤 또는 적외선 마스크를 이용하여 선택적으로 가열하여, 상기 발포된 필름의 지정된 면적 내에서 미소구의 차별적 또는 부분적 팽창을 일으킬 수 있다.
향상된 접착 성질을 필요로 하는 응용에서, 상기 열 전도성 발포된 필름은 하나 이상의 표피 접착제 층과 조합되고; 다른 구현예에서는 발포된 필름의 외부 표면에 적용된 하나 이상의 열 전도성 표피 접착제 층과 조합된다. 표피 접착제 층의 두께는 전형적으로 0.025 mm(1 mil) 내지 0.125 mm(5 mils)이며; 다른 구현예에서는 0.025 mm (1 mil) 내지 0.076 mm(3 mils)이다. 도 4는 그러한 공-압출 공정을 보여준다. 표피 접착제 층을 위한 접착제는 접착성 중합체를 압출기(330)(예를 들면, 단일 나사 압출기)에 첨가함으로써 계에 도입되며, 상기 압출기에서 상기 중합체는 그것이 두 번째 압출기(332)(예를 들면, 전형적으로 이중 나사 압출기)로 공급되기 전에 연화되고, 상기 두 번째 압출기에서 중합체는 열 전도성 충전제 및 만일 존재한다면 다른 첨가제들과 혼합된다. 상기 접착제, 전형적으로 PSA는 상기 계를 통해 가공되어 예를 들면 테이프로서 유용한 표피 층을 갖는 결과적인 발포체 TIM을 제공한다. 상기 응용의 경우, 열 전도성 접착제는 상기 접착제의 접착 성질 또는 점착성을 감소시키는 여타 첨가제를 첨가하지 않고 조성된다.
접착제용 조성물에서 난연제는 통상적으로 배제되지만, 소량의 난연제가 상기접착제의 점착성을 실질적으로 감소시키지 않으면서 접착제에 난연성을 부여하기에 유효한 농도로 상기 접착제에 포함될 수도 있다. 구체적으로, 매우 얇은 (즉, < 0.635 mm (< 0.025 인치) 열 전도성 난연성 발포체 TIM에서 그 표피 접착제에 소량의 난연제를 첨가하는 것이 바람직할 수 있다. 표피 접착제 층에 대해 첨가되는 난연제의 양은 표피 접착제 총 중량의 약 30 중량% 이하, 약 20 중량% 이하, 약 10 중량% 이하, 또는 약 5 중량% 이하이다.
형성가능한 또는 압출가능한 접착제 조성물을 상기 압출기(332)로부터 기어 펌프(336)를 이용하는 전이 관(334)을 통해 다이(314)의 적절한 쳄버로 계량하여 넣는다. 상기 접착제는 다이(314) 상의 출구 포트(315)를 통해 발포체와 함께 공-압출되어, 상기 접착제가 상기 발포된 필름의 외부 표면에 직접 적용되도록 한다. 상기 발포된 필름이 그 위에 두 개의 주요 외부 표면을 갖는 시트 형태로 제공될 경우, 상기 접착제는 상기 주요 외부 표면의 한 면 또는 양면 위에서 상기 발포된 필름에 적용될 수 있다. 물품을 접착제로 피복하기 위한 공-압출 방법은 당 분야에 공지되어 있으며 여기에서 더 설명할 필요가 없다. 예를 들면 직접 피복, 분무 피복, 패턴 피복, 적층 등과 같은 여타 방법이 상기 표피 접착제 층을 적용하기 위해 사용될 수 있다.
표피 접착제 층이 발포된 필름의 주요 외부 표면의 양면에 적용된 경우, 수득되는 발포체 TIM은 상기 발포된 필름의 주 표면 각각에 표피 접착제 층을 갖는 발포된 필름 코어의 형태를 갖는 3-층 물품이다. 3 층의 A/B/C 구성을 위해 (접착제 A/발포체 B/접착제 C), 또 하나의 압출기 및 관련 장비를 사용하여 또 하나의 열 전도성 표피 접착제가 발포체의 다른 주 표면에 적용되도록 할 수 있다. 상기 구성에서, 발포체 TIM의 주 표면은 발포체 TIM의 열 전도 성질이 요구되고/또는 필요한 응용분야에서 사용하기 위한 다양한 임의의 표면에 접착될 수 있다. 더욱이, 표피 접착제 층에 난연제가 없는 것은 상기 열 전도성 발포된 필름이, 사용된 특정 표피 접착제에 의해 제공되는 최대 정도의 접착으로 표면 또는 기질에 접착되는 것을 가능하게 한다.
본 발명의 물품에 사용하기 적합한 표피 접착제는 각종 극성 및/또는 비-극성 기질에 허용가능한 부착을 제공하는 임의의 접착제를 포함한다. PAS가 일반적으로 허용된다. 적합한 PSA로서 아크릴 중합체, 폴리우레탄, 크라톤(KRATON)이라는 상품명 하에 시판되는 것들(예, 스티렌-이소프렌-스티렌, 스티렌-부타디엔-스티렌 및 이들의 조합) 및 여타 블럭 공중합체와 같은 열가소성 엘라스토머, 폴리-알파-올레핀 및 무정형 폴리올레핀과 같은 폴리올레핀, 실리콘, 고무 기재 접착제(천연 고무, 폴리이소프렌, 폴리이소부틸렌, 부틸 고무 등을 포함) 및 상기 접착제의 조합 또는 배합물을 기재로 하는 것들을 들 수 있다. 열 전도성 표피 접착제는 점착부여제, 강화 수지, 가소제, 레올로지 조절제, 충전제, 섬유, 가교제, 산화방지제, 염료, 착색제, 뿐만 아니라 항균제와 같은 활성 성분을 함유할 수 있다.
본 발명에 유용한 것으로 알려진 PAS의 군은 예를 들면 미국 특허 제 RE 24,906 호에 기재된 아크릴레이트 공중합체이며, 특히 90:10 내지 98:2의 이소-옥틸 아크릴레이트:아크릴산 공중합체 중량비를 포함하는 공중합체이다. 중량 비 90:10 내지 98:2의 2-에틸헥실 아크릴레이트:아크릴산 공중합체, 및 65:35의 2-에틸헥실 아크릴레이트:이소보닐 아크릴레이트 공중합체를 포함하는 공중합체도 허용된다. 유용한 접착제가 예를 들면 미국 특허 제 5,804,610 호 및 5,932,298 호에 기재되어 있다. 접착제 중 항균제를 포함하는 것이 예를 들면 미국 특허 제 4,310,509 호 및 4,323,557 호에 기재된 바와 같이 또한 고려된다. 아크릴 접착제 및 고무 기재 접착제의 배합물도 WO 01/57152에 기재된 바와 같이 사용될 수 있다.
이탈 라이너(320)가 상기 발포체의 주 표면의 하나 또는 양면 위에 배치된 열 전도성 표피 접착제 층(들)에 적용될 수 있다. 라이너(320)는 공급 롤(322)로부터 분배될 수 있다. 라이너(320)로 적합한 물질로서 실리콘 이탈 라이너, 이탈 피복된 폴리에스테르 필름(예를 들면, 폴리에틸렌 테레프탈레이트 필름), 및 폴리올레핀 필름(예를 들면, 폴리에틸렌 필름)을 들 수 있다. 다음, 상기 라이너 및 발포체를 니프 롤러(324) 사이에서 한데 적층한다.
선택적인 이탈 라이너(340)가 니프 롤(324) 근처에 선택적인 두 번째 공급 롤(342)을 배치함으로써 상기 발포체의 반대 표면에 부가될 수 있다. 상기 두 번째 이탈 라이너(340)는 상기 이탈 라이너(320)과 동일 또는 상이한 것일 수 있다. 더욱이, 상기 두 번째 이탈 라이너(340)는 상기 이탈 라이너(340)의 한 표면에 피복 또는 적용된 한 층의 열 전도성 접착제를 구비할 수 있다. 이러한 방식으로, 두 번째 열 전도성 접착제 층(도시되지 않음)이 상기 발포체 물질의 두 번째 주 표면에 적용될 수 있다. 상기 두 번째 열 전도성 표피 접착제 층은 상기 언급된 공-압출된 접착제와 동일 또는 상이할 수 있다. 전형적으로, 열 전도성 표피 접착제 층은 열 전도성 PSA를 포함할 것이다. 이탈 라이너(320, 340)는 또한 그 표면의 하나에 피복 또는 적용된 한 층의 열 전도성 접착제 층을 구비할 수 있다.
전술한 방법 및 사용되는 장치에 대한 변법이 당업자에게는 공지일 것이며, 본 발명은 여기에서 도 4의 기재된 장치에 의해 국한되지 않는다.
다층을 가진 발포체 TIM의 제조를 위한 다른 방법이 본 발명의 범위 내에서 고려되어야 한다. 예를 들면 상기 공-압출 공정은 단층의 다이와 적절한 공급 블럭을 장치하거나, 다수의 날개 또는 다중-복합 다이를 사용함으로써, 단층 또는 2-층 TIM이 제조되도록, 또는 3 층 이상을 갖는 (예를 들면, 10-100 층 또는 그 이상) TIM을 제조하도록 수행될 수 있다. 다층의 TIM은 또한 상기 발포된 필름, 또는 물품이 다이(314)를 빠져나온 후 임의의 상기 공-압출된 중합체 층에 추가의 층(예를 들면, 중합체 층, 금속, 금속 포일, 면포, 종이, 천, 이탈 라이너 등에 피복된 접착제 등)을 적층함으로써 제조될 수 있다. 사용가능한 다른 기술로서 패턴 피복을 들 수 있다. 본 발명의 TIM에서 열 전도성 발포체 필름은 두껍거나 (즉 0.25 mm (0.010 인치) 이상) 얇을 수 있다 (즉, < 0.025 mm (0.010 인치)).
적층에 이어, 상기 발포체 TIM을 E-빔 원천(326)으로부터의 방사선에 선택적으로 노출시켜 상기 발포체 TIM을 향상된 응집 강도를 위해 가교할 수 있다. 방사선이 발포체 TIM의 두께를 투과하여 그 두께를 통해 발포체 TIM을 개시하고 충분히 가교시킬 수 있도록 충분히 활성이기만 하면, 다른 방사원(예를 들면, 이온 빔 및 감마 방사선)이 사용될 수도 있다. E-빔 방사에 이어, 선택적인 두 번째 이탈 라이너(340)를 권취 롤(329) 상에 감고, 상기 라미네이트를 권취 롤(328) 상에 감는다. 발포체 TIM의 경우, E-빔이 상기 발포된 필름을 양쪽 주 표면을 통해 조사되어 상기 물질을 충분히 투과함으로써 더욱 완전한 가교를 유도하도록 하는 것이 필요할 수 있다. 그렇지 않으면, 상기 TIM은 롤에 감긴 후 감마선 조사될 수도 있다.
이탈 라이너는 전형적으로 플루오로 화학약품 또는 실리콘과 같은 이탈제로 피복된다. 예를 들면, 미국 특허 제 4,472,480 호는 낮은 표면 에너지의 과플루오로화학적 라이너를 기재하고 있다. 적합한 이탈 라이너로서 종이, 폴리올레핀 필름 또는 실리콘 이탈 물질이 피복된 폴리에스테르 필름을 들 수 있다. 폴리올레핀 필름은 아크릴 기재 PSA와 함께 사용될 경우 이탈 피복을 필요로 하지 않을 수 있다. 시판되는 실리콘 피복된 이탈 라이너의 예는 폴리슬릭(POLYSLIKTM) 실리콘 이형지(제임스 리버 사(James River Co., H.P. Simth Division, Bedford Park, IL)) 및 지금은 로파렉스 사(Loparex, Inc., Willowbrook, IL)로 알려진 디시피-로자(DCP-Lohja, Dixon, IL)에 의해 공급되는 실리콘 이형지이다. 상품명 1-60BKG-157로 알려진 특정 이탈 라이너, 수성-기재 실리콘 이탈 표면을 갖는 초 캘린더된 크라프트지가 디시피-로자로부터 시판된다. 예를 들면 본 출원의 양수인에게 양도된 계류 중인 미국 특허 출원 공개 02-0155243-A1에 기재된 것들과 같은 여타 종류의 E-빔 안정하고 오염물이 없는 이탈 라이너도 본 발명에 유용하다.
본 발명의 발포체 TIM은 항공우주 산업, 자동차, 전자 및 의학 응용분야를 포함하는 다양한 응용분야에 사용될 수 있다. 본 발명의 발포체 TIM은 전형적으로 프로세서와 요소들을 방열 장치(예를 들면, 방열기 및 스프레더)에 결합시키기 위해 사용된다. TIM의 성질은 원하는 응용분야의 요구에 부합하도록 맞추어질 수 있다. 응용분야의 구체적 예로서 접착 테이프, 패드, 또는 시트, 진동 경감 물품, 테이프 안감, 개스켓, 스페이서 및 봉함제를 들 수 있다.
본 발명의 구현예의 양태를 이하의 비제한적인 실시예에서 더욱 설명한다.
이하의 시험 방법 및 실시예에서, 시료 디멘젼(전형적으로 길이)는, 폭이 절단 수단의 정확도까지 측정된 경우 폭을 제외하고는, 근사값이다.
이들 실시예는 단지 예시적 목적을 위한 것이며 첨부된 청구항의 범위를 제한하는 의미가 아니다. 실시예 및 남은 명세서 부분에서 모든 부, 백분율, 비 등은 달리 명시되지 않는 한 중량 기준이다.
시험 방법
밀도 및 공극 부피의 측정
밀도는 ASTM D 792-86 "플라스틱의 밀도 및 비중(상대적 밀도)의 치환에 의한 표준 시험 방법"에 준하여 측정하였다. 시료를 약 2.54 cm x 2.54 cm (1 인치(in) x 1 인치(in)) 견본으로 절단하고, 메틀러-톨레도(Mettler-Toledo, Greifensee, Switzerland)로부터 모델 AG245로 시판되는 고정밀 저울 상에서 칭량하였다. 각 시료의 부피는 실온(23℃±1℃)에서 치환된 물의 질량을 측정함으로써 수득되었다. 저울용 특수 부속물을 이용하여 각 시료의 부력을 그램(g) 단위로 측정하였다. 시료의 밀도(Dmeas.)는, 물의 23℃에서의 밀도를 1 g/cc인 것으로 가정하여, 그 질량을 부력으로 나누어 얻었다.
조성물의 (발포 전) 이론적 밀도(Dtheor .)는 다음 수학식으로부터 결정되었다:
조성물의 Dtheor . = (접착제 성분의 중량 백분율 x 접착제 성분의 Dmeas .) + (첫 번째 충전제 성분의 중량 백분율 x 첫 번째 충전제 성분의 Dtheor .) + (두 번째 충전제 성분의 중량 백분율 x 두 번째 충전제 성분의 Dtheor .) + (세 번째 충전제 성분의 중량 백분율 x 세 번째 충전제 성분의 Dtheor .) 등.
이로부터, 공극 부피는 아래 수학식과 같이 계산되었다:
% 공극 부피 = [ 1 - (조성물의 Dmeas .)/(조성물의 Dtheor .)] x 100
보고된 % 공극 부피는 팽창된 중합체성 미소구 및/또는 포획된 기체 및/또는 화학적 발포제 및/또는 물리적 발포제로 인한 공극 부피를 포함한다.
경도 시험
물품 시료(약 3.81 cm (1.5 in) x 2.54 cm (1.0 in))의 두께를 측정하고 기록하였다. 상기 시료를 깨끗하고 건조한 유리 판에, 시료와 유리 사이에 공기 버블이 잡히지 않도록 조심하면서 적층하였다. 물품 시료의 추가의 조각을 상기 첫 번째 물품에 같은 방식으로, 0.34 cm (0.135 in) 이상의 총 두께가 수득될 때까지 적층하였다. 쇼어 A 경도 시험기(모델 CV, Stand and Durometer Type A ASTM D2240 Gauge; Shore Instrument Mfg. Co. Inc., Freeport, NY으로부터 입수)를 이용하여, 상기 기기로부터 초기 경도 눈금을 각 시료편 당 세 위치에서 취하고 그 값을 평균하였다.
점도
레오메트릭스(Rheometrics)로부터 입수가능한 레오메트릭스 RDA II를 이용하여 점도 변화를 측정하였다. 상기 접착제를 25 mm 직경의 평행 판에 1 mm의 두께로 놓았다. 데이터는 복합체 점도 대 온도 및 180℃에서의 전단 속도로서 플롯되었다. 1 라디안/초의 진동수에서 점도를 보고하였다.
고정 전단 강도 시험
2.54 cm(1 in)의 폭 x 약 3.81 cm(1.5 in)의 길이를 갖는 시료를 시험할 물품으로부터 절단하여, 용매-세척되고 (아세톤으로 1회 세척에 이어 헵탄으로 3회 세척) 건조된 0.508 cm(2 in)의 폭 x 7.62 cm(3 in)의 길이를 가진 유형 304의 스텐레스 스틸 기판 위에 압축하고, 시료를 상기 판의 한쪽 말단 위에 중심을 맞추었다. 초벌칠한 폴리에스테르 필름으로 된 약 10.16 cm (4 in) 길이 x 약 3.175 cm (1.25 in) 폭 x 0.0025 cm (0.001 in) 두께의 시트를, 상기 폴리에스테르 필름의 상기 초벌칠된 면이 시료에 닿도록 2 kg (4.5 lb) 경질 고무 롤러를 이용하여, 상기 필름과 시료 사이에 공기 버블이 잡히지 않도록 주의하면서, 약 5.1 cm(2 in)의 상기 폴리에스테르 필름이 상기 판 밖으로 연장되어 꼬리표로 사용되도록, 각 방향 에서 두 번 통과하도록 롤러로 눌러 상기 시료에 부착시켰다. 다음, 상기 판 위의 라미네이트를 2.54 cm (1 in) 길이로 절단하여 수득되는 접착 면적이 2.54 cm x 2.54 cm (1 in x 1 in)가 되도록 하였다. 다음, 상기 5.1 cm (2 in) 꼬리표를 삼각형 클립 주위로 접어, 차폐용 테이프로 감싸고, 스테플러로 고정시켜 시험 견본에 중량이 부착될 수 있게 하였다. 실온에서의 시험 시료에 1000 g 중량을 사용하고, 70℃ (158°F)에서의 시험 시료에 500 g의 중량을 사용하였다. 이렇게 하여 제조된 시료를 실온 및 약 50%의 상대 습도에 약 24 내지 72 시간 동안 두었다. 시험 견본을 그 후 2도 각의 후부 경사를 갖는 고정 전단 표준 고정물에 넣었다. 고정된 견본을 그 후 실온(약 22℃)에서 또는 70℃±3℃ (158°F)의 강제순환 공기 오븐에서 시험하였다. 다음, 상승된 온도의 시험 견본을 500 g 중량에 부착하기 전에 10 분 정도의 워밍업 시간에 두었다. 시험 견본이 파열되거나 10,000 분이 경과할 때까지 시험을 진행하였다. 파열 시간을 기록하였다.
인장 파열 강도 및 신장 시험 (방법 I)
인장 및 신장은 ASTM D412-98a "가황 고무 및 열가소성 엘라스토머에 대한 표준 시험 방법 - 인장" 에 준하여 측정되었다. 한쪽에 이미 라이너를 갖는 물품의 노출된 표면에 실리콘 이탈 라이너를 적용하였다. 시료를 다이 E를 이용하여 시험할 물품으로부터 기계 방향으로 절단하여 시험 견본을 형성하였다. 0.1 kg (3.5 oz)의 힘 및 0.0635 cm (0.25 in) 직경의 다리를 갖는 아메스(AMES) 게이지를 사용하여, 각 견본의 중심에서 시료 두께를 측정하였다. 인장 시험기는 다음 조건으로 고정되었다:
집게 간격: 8.89 cm (3.5 in)
크로스헤드 속도: 51 cm/분 (20 in/분)
부하 셀: 45 kg (100 lb)
초기 게이지 길이는 기기 고정 집게를 그 길이로 분리시킴으로써 8.89 cm(3.5 인치)로 고정하고, 시료를 집게들 사이에 수평하게 중심하도록 하여 대략 같은 길이의 시료가 각 집게에 의해 고정되도록 하였다. 시료가 파열되거나 기계의 최대 신장(101.6 cm(40 in))에 도달할 때까지 51 cm/분(20 in/분)의 크로스헤드 속도에서 시험하였다. 파운드 단위(나중에 킬로그램으로 환산됨)의 인장 강도 및 신장 거리를 기록하였다. 신장 백분율은 상기 신장 거리를 초기 간격으로 나누고 100을 곱하여 결정하였다. 11 회의 반복을 시험하였고, 명시된 경우를 제외하고는 평균하여 두께, 최대 부하, 최대 응력, 최대 응력에서의 변형 백분율(%), 파열 부하, 파열 시 % 변형, 파열 시 에너지 및 탄성율을 제공하였다.
인장 파열 강도 및 신장 (파열 시) 시험 (방법 II)
물품의 비-라이너 측에 실리콘 이탈 라이너를 적용하였다. 1.27 cm (0.5 in) 폭 x 약 12.7 cm (5 in) 길이의 시료를 시험할 물품으로부터 기계 방향으로 절단하여 시험 견본을 만들었다. 하나의 라이너를 제거하고 2.54 cm (1.0 in) 길이를 측정하여 시험 견본의 중심에 표시하여 초기 간격을 제공하였다. 2.54 cm (1 in) 폭 x 약 7.62 cm (3 in) 조각의 차폐 테이프를, 양쪽 표시에 테이프 연부가 위치하여 표시된 밖의 2.54 cm (1 in) 길이 부분은 테이프가 그를 덮지 않도록, 상기 발포체 물품을 가로질러 놓았다. 다음, 다른 라이너를 제거하고 차폐 테이프를 물 품 주위에 완전히 감싸 그 차폐 테이프가 물품을 가로질러 확실히 정렬되게 유지되도록 하였다. 테이프는 시료가 인스트론(INSTRON) 집게에 부착되는 것을 방지하고 시료가 집게에 의해 고정되는 지점에서 파열되지 않도록 사용되었다. 인스트론(INSTRON)은 다음 조건으로 고정되었다:
집게 간격: 2.54 cm (1.0 in)
크로스헤드 속도: 25.4 cm/분 (10 in/분)
다음, 시험 견본을 인스트론 집게에, 상기 집게가 상기 차폐 테이프의 연부에 열을 맞추도록 위치시켰다. 시료가 파열될 때까지 25.4 cm/분 (10 in/분)의 크로스헤드 속도에서 시료를 시험하였다. 인장 파열 강도 또는 최대 부하를 파운드(나중에 킬로그램으로 환산됨)로 기록하였고, 신장 거리도 기록하였다. 파열 시 신장 백분율은 상기 신장 거리를 초기 간격으로 나누고 100을 곱하여 결정되었다. 시료 당 하나의 견본을 시험하였다.
90도 벗김 접착 시험
25.4 mm (1 in) 또는 12.7 mm (0.5 in) 폭 x 약 127 mm (5 in) 길이 시료를 시험할 물품으로부터 절단하여 약 15.24 mm (6 in) 길이 x 약 28.6 mm (1.125 in) 폭 x 0025 mm (0.001 in) 두께의 초벌칠된 폴리에스테르 필름에, 상기 물품을 상기 폴리에스테르 필름의 초벌칠된 면 위에, 필름과 물품 사이에 공기 버블이 잡히지 않도록 조심하면서 롤러로 눌러 적층하였다. 12.7 mm (0.5 in) 폭의 시료를 약 152.4 mm (6 in) 길이 x 약 15.8 mm (0.625 in) 폭 x 0.025 mm (0.001 in) 두께의 초벌칠된 폴리에스테르 필름에 유사하게 적층하였다. 다음, 상기 라미네이트를 용 매-세척된 (아세톤으로 1회 세척에 이어 헵탄으로 3회 세척에 의해) 건조한 51 mm (2 in) x 약 127 mm (5 in) 길이의 유형 6061-T6 알로이 노출된 표준 알루미늄 판 또는 용매-세척된 (이소프로필 알코올로 3회 세척) 건조한 51 mm (2 in) 폭 x 약 127 mm (5 in) 길이의 폴리프로필렌 판 위에, 상기 판 밖으로 연장되어 나온 라미네이트 부분이 꼬리표로 작용하면서 상기 판 위에 중심을 갖도록 위치시켰다. 상기 라미네이트를 2 kg (4.5 lb)의 경질 고무 롤러를 이용하여, 각 방향으로 1회 통과시킴으로써 상기 판 위에 롤러로 눌렀다. 상기 판과 라미네이트 사이에 버블이 잡히지 않도록 주의하였다. 이렇게 제조된 시료를 실온(약 22℃)에서 약 24 시간 두었다. 다음, 시료를 실온(약 22℃)에서 후술하는 방법 A (폴리프로필렌 판의 경우) 또는 방법 B(알루미늄 판의 경우)에 의해 90도 벗김 접착에 대하여 시험하였다:
방법 A: 4.5 kg (10 lb)의 부하 셀이 장착된 이매스(IMASS) 시험기를 이용하여 시료를 30 cm/분(12 in/분)의 크로스헤드 속도에서 시험하였다. 첫 번째 벗김의 0.51 cm(0.2 in) 길이로부터 수득된 벗김 값은 무시되었다. 다음 5.08 cm(2 in)의 벗김 값 또는 "벗김 면적"이 적분된 평균 값으로 기록되었다. 보고된 값은 3회 반복의 평균이었다.
방법 B: 45 kg (100 lb)의 부하 셀이 장착된 신테크(SINTECH) 5/GL 인스트론 시험기를 이용하여 30 cm/분 (12 in/분)의 크로스헤드 속도에서 시료를 시험하였다. 첫 번째 벗김의 1.27 cm(0.5 in) 길이로부터 수득된 벗김 값은 무시되었다. 다음 89 mm(3.5 in)의 적분된 평균 벗김 값 또는 "벗김 면적"이 기록되었다. 보고 된 값은 3회 반복의 적분된 평균 벗김 접착 값이었다.
신장 이탈 시험
12.5 mm (0.5 in) 폭 x 127 mm (5 in) 길이 조각을, 길이가 시료의 기계 방향으로 절단되도록 시험 시료로부터 절단하였다.
하나의 조각을 50.8 mm (2 in) 폭 x 127 mm (5 in) 길이의 알루미늄 또는 유리판에, 상기 조각이 판의 긴 연부의 하나로부터 약 0.635 cm (0.25 in)에 있고 상기 조각의 약 25.4 mm (1.0 in)가 판의 단부 너머로 연장되도록 적층하였다. 상기 조각과 판 사이에 최대의 습윤 또는 접촉을 보장하도록 주의하였다. 100%의 접촉이 수득되는 것이 바람직하였다.
유사하게, 다른 실시예로부터의 조각을 유리 판의 다른 연부를 따라서 적층하였다.
다음, 두 번째 같은 판(즉, 알루미늄 대 알루미늄 또는 유리 대 유리)을, 상기 조각과 두 번째 판 사이에 공기 버블이 포획되지 않도록 확인하면서 상기 첫번째 판 위에 직접 적층하였다. 접착된 시료를 실온(약 22℃)에서 24 시간 내지 72 시간 동안 두었다.
시험 조각의 자유로운 말단을 손으로, 상기 판에 실질적으로 평행한 방향에서 약 30 cm/분(약 12 in/분)의 속도로 잡아 당겨 상기 접착이 파괴될 때까지 신장 이탈 제거를 개시하였다. 단지 유리 판 만을 잔류물의 존재에 대하여 육안으로 검사하고, 파열 방식을 기록하였다. 판으로부터 완전히 제거된 경우에 시료를 "합격"으로 평가하였다. 시료가 완전히 제거될 수 없었던 경우 시료를 "불합격"으로 평가하였다.
열적 임피던스 측정
개시된 발명의 단일 층의 열적 임피던스는 ASTM C-1114 시험 방법 "얇은-히터 장치를 이용한 안정된-상태의 열 전달 성질"에 준하여 측정되었다.
얇은-히터 장치(500)는 도 5에 도시되었다.
소형 저항기(502)가 상기 얇은-히터로 사용되었다. 사용된 저항기는 0.806 cm2 (0.125 in2)의 면적을 갖는 TO-220 패키지 중 10 옴 저항기(캐독 일렉트로닉스(Caddock Electronics) MP930 같은)였다. 상기 저항기의 배면을 통해 작은 구멍을 뚫고 그 안으로 얇은-와이어 열전쌍(504)을 넣어 고온 측 온도 Th를 측정하였다.
알려진 양의 전력(Q)을 정밀 전력 공급기(506)(휼렛 패커드(Hewlett Packard E3611A 등)로부터 전류 및 전압(전력 = 전류 x 전압)을 고정하여 공급하였다. 시험할 시료(508)를 일회용 시험 표면(509) 위에 및 상기 얇은-히터와 차가운 알루미늄 시험 블럭(510) 사이에 놓고, 냉각 블럭(511)을 통해 냉수를 회전시킴으로써 냉각하였다. 상기 차가운 시험 블럭은 차가운 측 온도 Tc를 측정하기 위한 열전쌍을 가졌다. 상기 저항기의 전원을 켜고 저항기의 온도를 평형에 도달하게 하였다. 온도 Th 및 Tc를 기록하고 임피던스 및 전도성을 다음 관계를 사용하는 ASTM C 1114에 준하여 계산하였다:
A = 얇은 히터의 면적
전력 Q = 공급된 전압 x 전류
열 유량의 속도 q = Q/A
델타 T = Th - Tc
열적 저항 (R) = 델타 T/q
열적 임피던스 (Zuncorr .) = R x A
상기 열적 임피던스를 상기 저항기의 상단(수평) 표면을 벗어나는 임의의 열 손실(그러나 시료의 측부는 아님)에 대하여 보정하여 Zcorr .로 보고하였다.
Zcorr . = Zuncorr . - [저항기의 대류 열 손실 값 x (저항기의 표면 온도 Th - 실온)]
(여기에서 TO-220 형 저항기에 대한 상기 대류 열 손실 값 = 0.011 와트이다.)
더 이상의 논의는 논문["Factors Affecting Convection Heat Transfer", Heat Transfer, Watlow Education Series, Book One, 1995, pages 16-17]에서 찾아볼 수 있다. 상기 대류 열 손실 값은 시험 저항기의 크기를 기준으로 17쪽의 도 17로부터 구한다.
벌크 열 전도성 측정
벌크 열 전도성(k)을 위해 임피던스 플롯 방법을 사용하였다. 시료를 상이한 두께에서 물질을 압출함으로써 또는 단일 시료의 다수 층을 합하여 상이한 두께를 수득함으로써 얻었다.
열적 임피던스(Zcorr .)는 상이한 두께를 갖는 시료에 대하여 상기 시험 방법에 따라 측정하였다. 다음, 계면 임피던스의 한정된 값에 대하여 허용되는 데이터를 플롯하였다. 상기 플롯 방법은 다음 수학식으로 표시될 수 있다:
Zcorr . = Z계면 + t/k
도 6에 도시된 바와 같이, 보정된 열적 임피던스(Zcorr .) 대 두께(t)의 플롯은 기울기 = 1/k 및 t = 0에서의 절편이 Z계면과 동일한 직선의 결과를 가져왔다. 다음, 상기 직선의 기울기로부터 벌크 열 전도성(k)을 계산하였다.
실시예에 사용된 물질
성분 상품명 명세 제조원
접착제
2-EHA 2-에틸 헥실 아크릴레이트 아크릴레이트 단량체 바스프 사(BASF Corp., Mount Olive, NJ)
AA 아크릴산ㅇ 아크릴레이트 단량체 바스프 사
IOTG 이소옥틸 티오글리콜레이트 사슬 전이제 바스프 사
크라톤(Kraton) D1107 크라톤TM D1107 스티렌-이소프렌-스티렌 직쇄 열가소성 엘라스토머, 명목상 분자량 229,000 크라톤 폴리머즈 (Kraton Polymers, U.S. LLC, Houston, TX)
셸플렉스(SHELLFLEX) 371N 셸플렉스TM 371N 정제된 석유 셸 루브리컨츠(Shell Lubricants, Houston, TX)
어가녹스(IRGANOX) 1010 어가녹스TM 1010 산화방지제 시바 스페셜티 케미칼즈 사 (Ciba Specialty Chemicals Corp., Tarrytown, NY)
윙택(WINGTAC) K 플러스 윙택TM 플러스 점착성 수지, 명목상 평균 분자량 1070 굳이어 타이어 앤 러버 사 (Goodyear Tire & Rubber Co., Chemical Division, Akron, OH)
IRG 651 어가큐어(IrgacureTM) 651 2,2-디메톡시-2-페닐아세토페논 시바 스페셜티 케미칼즈 사
VA-24 필름 VA-24 필름 0.0635 mm 두께 열봉합성의, 6% 비닐 아세테이트를 갖는 에틸렌 비닐 아세테이트 공중합체 필름 CT 필름 (Dallas, TX)
충전제
BN 질화 붕소 열 전도성 입자, 육각형; 이론적 밀도 1.80 어드밴스트 세라믹스 사 (Advanced Ceramics Corporation, Cleveland, OH; 현재는 GE Advanced Ceramics로 알려짐)
SiC 탄화 규소 (SILICARIDE G-21, 등급 p240) 열 전도성 충전제; 이론적 밀도 3.10 워싱턴 밀즈 일렉트로 미네랄즈 사 (Washington Mills Electro Minerals Corp., Niagara Falls, NY)
Al(OH)3 마티날 (Martinal) ON 320 수산화 알루미늄, 입자 크기 20 미크론, 이론적 밀도 2.40 앨버말 사 (Albemarle Corporation, Baton Rouge, LA)
Mg(OH)2 수산화 마그네슘 열 전도성 충전제; 이론적 밀도 2.40 앨버말 사
F-100D 마이크로펄 (MicropearlTM) F-100D 아크릴로니트릴 및 메타크릴로니트릴을 함유하는 외피 조성을 갖는 팽창가능한 중합체성 미소구 피어스 스티븐스(Pierce Stevens, Buffalo, NY)
이그잭트(Exact) 3040 이그잭트TM 3040 에틸렌-기재 헥센 공중합체, 명목상 인장 항복 강도 (MD) 5.4 MPa (780 psi), 인장 파열 강도 (MD) 51.6 MPa (7490 psi), 파열 시 신장율 (MD) 460%, MI 16.5, 밀도 0.900 g/cm3, 최고 용융 온도 96℃(205°F) 엑손모빌 케미칼 사 (ExxonMobil Chemical Company, Houston, TX)
실시예 1-4
팽창가능한 중합체성 미소구(F-100D) 및 다양한 양의 열 전도성 충전제를 사용하여 4 종의 아크릴계 TIM을 제조하였다. 각 조성물을 여러 두께로 피복하였다.
감압 접착제 A( PSA -A)의 제조:
95 부의 2 EHA, 5 부의 AA, 0.15 부의 IRG 651 및 0.02 부의 IOTG를 혼합하여 감압 접착제 조성물을 제조하였다.
상기 조성물을 약 100 mm x 50 mm x 5 mm 두께로 측정되는 VA-24 필름 패키지에 넣고 수욕에 침지시킨 다음 미국 특허 제 5,804,610 호에 기재된 것과 같이 UV 방사에 노출시켰다. PSA-A의 점도는 상기 시험 방법에 따라 시험할 때 3980.73 포아즈(P)였다. 상기 접착제는 약 700,000 내지 약 1,200,000의 중량 평균 분자량(Mw)을 갖는 것으로 생각된다. PSA-A의 밀도는 0.98 g/cc였다.
TIM 의 제조:
200 rpm(실제 속도 약 176 rpm)의 나사 속도 고정점에서 작동하는 4 개의 포트를 갖는 30 mm 공-회전 이중 나사 압출기 (Werner Pfleider)의 배럴 부분 1에 있는 공급 포트에, 51 mm 단일 나사 압출기(Bonnot)를 통해 PSA-A를 공급하였다. 상기 보노(Bonnot) 압출기의 모든 영역의 경우 온도는 149℃(300°F)로 고정되었다. 표 1에 명시된 바와 같은 열 전도성 충전제(PSA-A와 열 전도성 충전제를 합한 것 100 중량부 당 표 1에 명시된 중량부)를 건조 고체로서 이중 나사 압출기의 배럴 부분 5에 있는 공급 포트에, 열 전도성 충전제 및 PSA-A 총 유량 약 3.18 kg/hr(7 lb/hr)로 한 번에 첨가하였다. PSA-A 100 중량부 당 0.5 중량부의 농도로 F-100D 미소구를 배럴 부분 7의 하류에 가하였다. 이중 나사 압출기의 모든 6 개의 온도 영역에서 온도를 93.5℃(200°F)로 고정하였다. 배럴 부분 9에 있는 포트를 통해 진공(약 -77.9±10.2 뉴턴/제곱미터 (N/m2)(-23±3 인치 수은(Hg))을 적용하였다. 상기 압출기 어댑터 및 압출기 출구 말단의 굴곡성 호스에서 온도는 모두 113℃(235°F)로 고정되었다. 유량은 113℃(235°F)로 고정된 가열된 제니트(Zenith) 용융 펌프로, 명목상 10.3 cc/rev로 조절되었다.
상기 압출물을 가열된 호스를 통해, 약 0.114 cm(0.045 in)의 간격을 갖는 15.24 cm (6 in) 폭 단일층 적하 다이에 펌프 주입하였다. 다이 온도는 182℃(360°F)로 고정되었다. 선 속도를 조절하여 표 1에 명시된 목표 두께를 제공하였다.
압출된 시트를 두 개의 차가운 롤(하나는 금속 및 하나는 고무)에 의해 형성된 니프 내에, 두 개의 실리콘 피복된 폴리에스테르 이탈 라이너 사이에서 성형하였다. 차가운 롤의 온도는 7.5℃(45°F)로 고정되었다. 각각의 라이너는 각 면에 디씨피-로자 사(DCP-LOHJA Inc., Willowbrook, IL)로부터 2-2PESTR(P2)-5035 및 7200으로 시판되는 상이한 이탈 물질(5035 및 7200으로 칭함)을 갖는 051 mm(0.002 in) 두께의 양면 실리콘-피복된 폴리에스테르 라이너였다. 상기 압출된 시트는 한 라이너의 7200 측과 다른 라이너의 5035 측에 접촉하였다. 7200 이탈 물질이 압출된 시트와 접촉하는 라이너를 제거하고, 수득되는 물품을 후속의 가교를 위해 롤에 감았다.
실시예 번호 전도성 충전제 전도성 충전제
중량%		 목표 두께
cm (mils)		 측정된 두께
cm (mils)
1 BN 40 0.0508 (20) 0.0439 (17.3)
2 BN 50 0.0508 (20) 0.0538 (21.2)
3 Al(OH)3 40 0.0508 (20) 0.0569 (22.4)
4 Al(OH)3 50 0.0508 (20) 0.0462 (18.2)
2 개의 약 0.46 미터(m)(18 in) 길이 조각을 상기 시료 롤에서 절단하였다. 2-2PESTR(P2)-5035 및 7200 이탈 라이너를, 7200 실리콘 피복된 면이 덮이지 않은 면과 접촉하도록 각 조각의 덮이지 않은 면에 조심스럽게 적층하였다. 다음, 양면에 라이너를 갖는 상기 압출된 시트를 후술하는 바와 같이 감마 방사선에 노출시켰다.
시료를 감마선 처리 장치(Research Loop of Panasonic Industrial Irradiator JS 7500, Cobalt 60 Wet Storage; M. D. S. Nordion, Kanota, Ontario, Canada의 제품)에 통과시켰다. 각 조각은 31.6 내지 36.4 킬로그레이(kGy)(목표 투여량 30 kGy) 사이의 측정된 감마 투여량을 받았다.
다음, 수득되는 물품을 상기 개괄된 시험 방법으로 물리적 성질에 대하여 시험하였다. 실시예 1-4의 경우 벌크 열 전도성은 각각 0.82, 0.95, 0.60 및 0.85 와트/미터-K였다.
결과를 표 2에 나타낸다.
실시예
번호		 밀도, g/cm3
(측정치/이론치)		 %
공극 부피		 벗김 접착, kN/m (oz/in) 고정 전단, 분 임피던스, ℃-cm2/W
(℃-in2/W)
Al PP 22℃ 70℃ Zuncorr . Zcorr .
1 1.106/1.30 14.9 0.601
(54.9)		 0.069
(6.3)		 10,000+ 10,000+ 8.32
(1.29)		 9.03
(1.40)
2 1.206/1.38 12.6 0.426
(38.9)		 0.0722
(6.6)		 10,000+ 10,000+ 7.61
(1.18)		 8.26
(1.28)
3 1.081/1.55 30.3 0.380
(34.7)		 0.118
(10.8)		 10,000+ 10,000+ 14.32
(2.22)		 16.71
(2.59)
4 1.221/1.69 27.8 0.420
(38.4)		 0.0996
(9.1)		 10,000+ 10,000+ 10.39
(1.61)		 11.48
(1.78)
실시예 5
발포제로서도 작용하는 2종의 열 전도성 충전제 배합물을 이용하여 아크릴계 열 전도성 계면 조성물을 제조하였다.
열 전도성 계면 조성물의 제조:
전도성 충전제가 82 중량부의 SiC 및 18 중량부의 BN의 건조 배합물이고 팽창가능한 중합체성 미소구를 사용하지 않은 것 외에는 실시예 1-4에 따라 열 전도성 계면 조성물을 제조하였다.
실시예 번호 전도성 충전제 전도성 충전제
중량%		 목표 두께
cm (mils)		 측정된 두께
cm (mils)
5 82:18 SiC:BN 60 0.0508 (20) 0.0549 (21.6)
시료를 실시예 1-4에서와 같이 감마 방사선에 노출시켰다.
다음, TIM을 상기 개괄된 시험 방법으로 물리적 성질에 대하여 시험하였다. 실시예 5의 경우 벌크 열 전도성은 0.97 와트/미터-K였다.
결과를 표 4에 나타낸다.
실시예
번호		 밀도, g/cm3
(측정치/이론치)		 %
공극 부피		 벗김 접착, kN/m (oz/in) 고정 전단, 분 임피던스, ℃-cm2/W
(℃-in2/W)
Al PP 22℃ 70℃ Zuncorr . Zcorr .
5 1.43 / 2.11 32.2 0.730
(66.7)		 0.172
(15.7)		 10,000+ 10,000+ 8.06
(1.25)		 8.84
(1.37)
실시예 6
실시예 5의 2종의 열 전도성 충전제 배합물을 이용하여 열가소성 엘라스토머성 TIM을 제조하였다. 탄화 규소가 또한 화학적 발포제로 작용하였다. PSA 조성물의 예비혼합은 없었다. 상기 조성물을 여러 두께로 피복하였다. 수득되는 물품에 방사선을 조사하지 않았다.
TIM 의 제조:
실시예 1-4의 이중 나사 압출기의 배럴 부분 1에 있는 공급 포트에 100 부의 크라톤 D1107을 2.60 kg/hr(5.73 lbs/hr)의 공급 속도로 첨가하였다. 179 부의 윙택 플러스 점착부여 수지를 헬리콘 믹서(Helicon Mixer)(탱크는 149℃(300°F)로 고정, 펌프 및 호스는 163℃(325°F)로 고정된)에서 용융시키고 배럴 부분 3에 있는 공급 포트에 1.87 kg/hr(4.11 lb/hr)의 유량으로 펌프 주입하였다. 23 부의 셸플렉스 371N 오일을 배럴 부분 5에 있는 공급 포트를 통해 제니트 펌프를 이용하여 0.24 kg/hr(0.528 lb/hr)의 유량으로 가하였다. 접착제의 총 유량(즉, 크라톤 D1107, 윙택 플러스 점착부여 수지 및 셸플렉스 371N)은 약 3.18 kg/hr(7 lb/hr)였다. 상기 접착제의 밀도는 0.96 g/cc였다.
표 5에 명시된 열 전도성 충전제 및 3 부의 어가녹스 1010을 배럴 부분 5에 있는 공급 포트에 건조 배합물로서 2.60 kg/hr (5.73 lb/hr)의 유량으로 한 번에 가하였다.
상기 이중 나사 압출기의 6 개 온도 영역은 다음과 같이 고정되었다: 영역 1, 149℃ (300°F); 영역 2, 154.4℃ (310°F); 영역 3 내지 6, 160℃ (320°F). 배럴 부분 9에 있는 포트를 통해 진공(약 -77.9±10.2 뉴턴/제곱미터 (N/m2)(-23±3 인치 수은(Hg))을 적용하였다. 상기 압출기 어댑터 및 압출기 출구 말단의 굴곡성 호스에서 온도는 160℃(320°F)로 고정되었다. 유량은 160℃(320°F)로 고정된 가열된 제니트(Zenith) 용융 펌프를 이용하여, 명목상 10.3 cc/rev로 조절되었다.
상기 압출물을 가열된 호스를 통해, 실시예 1-4의 단일 층 적하 다이에 펌프 주입하였다. 다이의 온도는 163℃±14℃(325°F±25°F)로 고정되었다. 선 속도를 조절하여 표 5에 명시된 목표 두께를 제공하였다. 압출된 시트를 두 개의 차가운 롤(하나는 금속 및 하나는 고무)에 의해 형성된 니프 내에, 실시예 1-4에서와 같은 두 개의 실리콘 피복된 폴리에스테르 이탈 라이너 사이에서 성형하였다. 차가운 롤의 온도는 7.5℃(45°F)로 고정되었다. 하나의 라이너를 제거하고, 수득되는 물품을 롤로 감았다.
실시예 번호 전도성 충전제 전도성 충전제
중량%		 목표 두께
cm (mils)		 측정된 두께
cm (mils)
6 82:18 SiC:BN 45 0.0508 (20) 0.0424 (16.7)
다음, TIM을 상기 개괄된 시험 방법으로 물리적 성질에 대하여 시험하였다. 결과를 표 6에 나타낸다. 밀도 계산의 경우, 열 전도성 충전제를 갖지 않는 열가소성 엘라스토머 접착제의 밀도는 0.96 g/cc로 측정되었다. 실시예 6의 벌크 열 전도성은 0.84 와트/미터-K였다.
실시예
번호		 밀도, g/cm3
(측정치/이론치)		 %
공극 부피		 벗김 접착, kN/m (oz/in) 고정 전단, 분 임피던스, ℃-cm2/W
(℃-in2/W)
Al PP 22℃ 70℃ Zuncorr . Zcorr .
6 1.32 / 1.83 27.9 1.103
(100.8)		 1.600
(146.2)		 10,000+ 98.5 10.84
(1.68)		 12.39
(1.92)
실시예 7
열 전도성 계면 조성물의 제조:
다양한 열 전도성 충전제를 이용하여 아크릴계 열 전도성 계면 조성물을 제조하였다.
감압 접착제 B( PSA -B)의 제조:
95 부의 2-EHA, 5 부의 AA 및 0.02 부의 IOTG 대신 97 부의 2-EHA, 3 부의 AA 및 0.01 부의 IOTG를 사용한 것을 제외하고는, PSA-A의 제조에 준하여 감압 접착제 조성물(PSA-B)을 제조하였다. 상기 시험 방법에 따라 시험할 때 PSA-B의 점도는 2215.2 P였다. 상기 접착제는 약 800,000 내지 약 1,300,000의 중량 평균 분자량(Mw)을 갖는 것으로 생각된다. PSA-B의 밀도는 0.98 g/cc였다.
TIM 의 제조:
실시예 1-4의 본넷(Bonnet) 압출기를 통해, 공-회전하는 이중 나사 압출기(40 mm Berstorff ZE-40, L/D = 40, 10 배럴)의 배럴 1 내에 PSA-B를 4.55 kg/hr (10 lb/hr)의 공급 속도로 공급하였다. 상기 본넷 압출기의 모든 온도 영역은 135℃(275°F)로 고정된 영역 1을 제외하고는 149℃(300°F)로 고정되었다. 중량 측정 공급기(K-Tron 모델 T20, K-Tron, Pitman, NY)를 이용하여 각각 2.27 kg/hr (4 lb/hr) 및 2.73 kg/hr (6 lb/hr)의 유량으로, 이중 나사 압출기의 배럴 2 및 4 내로 상기 열 전도성 충전제를 건조 고체로 공급하였다. 하기 표 7은 첨가된 전도성 충전제의 종류 및 양을 기재한다. 이러한 분열 공급 방식은 낮은 벌크 밀도 충전제의 원하는 부하 수준을 성공적으로 수득하기 위해 사용되었다. 뿐만 아니라, 과도한 공기 포획을 피하기 위해 수직 낙하 거리를 가능한 한 짧게 유지하였다. 각각의 압출 나사는 스스로-닦이는 다양한 피치(60 mm, 40 mm 및 30 mm)의 정사각 채널 이중-플라이트(double flighted) 운반 요소로 구성되었다. 나사는 또한 상이한 3 가지 배열: (1) 전방 (LI) 방향으로 45도, (2) 역(RE) 방향으로 45도, 또는 (3) 중립 패턴으로 90도:로 파생된 50 mm 길이의 5-패들 혼련 블럭을 포함하였다. 첫 번째 370 mm 나사는 전방으로 이동하는 스스로-닦이는 요소(30 및 60의 피치)로 구성되었다. 첫번째 혼련 부분은 나사의 370 내지 520 mm 사이에 위치하고 전방, 중립, 및 역행 혼련 블럭으로 구성된다. 운반 부분(520-770 mm) 및 또 하나의 혼련 부분(770-920 mm)이 뒤따른다. 상기 혼련 부분은 2 개의 전방 블럭에 이어지는 역행 블럭으로 구성된다. 나머지의 나사(920-1600 mm)는 스스로-닦이는, 일반적으로 피치가 하락하는 경향을 따르는 (60 mm, 40 mm, 30 mm) 다양한 피치의 정사각 채널 전방 이동 요소로 구성된다. 이중 나사 압출기는 모든 영역에서 125℃(257°F)의 온도에서 200 rpm(약 200 rpm의 실제 속도)의 나사 속도로 작동되었다. 영역 8의 개방 포트를 통해 진공(약 -94.81 kN/m2 (-28 인치 수은 (Hg)))을 적용하여 임의의 휘발성 물질 및/또는 습기를 제거하였다. 나사 디자인에서 알 수 있듯이, 큰 피치의 전방 이동 요소는 진공 영역에서 사용되어 보다 낮은 충진 정도를 제공하고 따라서 중합체 표면적을 극대화한다. 압출물을, 125℃(257°F)로 고정된 명목상 10.3 cc/rev의 가열된 노르막(Normag) 용융 펌프에 의해, 154.4℃(310°F)로 고정된 1.905 cm(0.75 in) 직경의 스텐레스 스틸 경부 관을 통해, 0.102 cm(0.040 in) 간격을 갖는 4.17 cm (10 in) 폭의 3-층 클뢰렌 적하 다이(The Cloeren Company, Orange, TX)의 중간/중앙 층에 펌프주입하였다. 다이 온도는 177℃(350°F)로 고정되었다. 선 속도를 조절하여 표 7에 명시된 바와 같은 목표 두께를 제공하였다.
실시예 번호 전도성 충전제 전도성 충전제
중량%		 목표 두께
cm (mils)		 측정된 두께
cm (mils)
7a 82:18 SiC:BN 50 0.0508 (20) 0.0406 (16)
7b 82:18 SiC:BN 50 0.0762 (30) 0.0762 (30)
7c 82:18 SiC:BN 50 0.1016 (40) 0.0991 (39)
압출된 시트를, 냉각된 성형 롤과 접촉하는 양면의 실리콘 피복된 실시예 1-4의 폴리에스테르 라이너 상에 성형하였다. 상기 시트는 2-2PESTR(P2)-5035 및 7200 이탈 라이너의 5035 측에 성형되었다. 성형 롤의 온도는 7.5℃(54°F)로 고정되었다. 수득되는 물품을 후속의 가교를 위해 롤로 감았다.
8 개의 약 0.46 m (18 in) 길이 조각을 상기 시료 롤로부터 절단하였다. 2-2PESTR(P2)-5035 및 7200 이탈 라이너를, 상기 7200 실리콘 피복된 면이 덮이지 않은 면에 접촉하도록 각 조각의 덮이지 않은 면에 조심스럽게 적층하였다. 양면에 라이너를 갖는 압출된 시트를 후술하는 바와 같이 감마 방사선에 노출하였다.
시료를 감마 방사선 처리하고 실시예 1-4의 감마선 처리 장치에 통과시켰다. 두 시료 조각 각각은 약 30 kGy (31.6-31.7 kGy), 45 kGy(44.4-45.9 kGy) 또는 60 kGy(58.8-59.7 kGy) 사이의 목표(실제 측정된) 감마선 투여량을 받았다.
다음, 수득되는 물품을 상기 개괄된 시험 방법에 따라 물리적 성질 및 접착 성능에 대하여 시험하였다. 결과를 표 8 및 9에 나타낸다. 사용된 시험 방법은 인장 파열 강도 및 신장 시험(방법 I)이었다.
Ex.
No.		 밀도,
g/cm3
(측정치/
이론치)
 경도
 기체 상
%부피		 방사선
종류
및 양		 벗김 접착,
kN/m (oz/in)		 고정 전단,
분		 임피던스,℃-cm2/W (℃-in2/W) 벌크
열전도성
Al 22℃ 70℃ Zuncorr . Zcorr .
7a 1.347 (a)/ 1.92 NT 29.82 감마,
30 kGys		 NT 10,000+ 10,000+ NT NT 1.12
7b 1.461 (a)/ 1.92 NT 23.93 감마,
30 kGys		 NT 10,000+ 10,000+ NT NT
7c 1.478/
1.92		 24(b) 23.04 감마,
45 kGys		 0.727
(66.4)		 NT NT NT NT
(a) 45 kGys 투여량의 감마선 방사를 받은 시료에 대한 측정
(b) 30 kGys 투여량의 감마선 방사를 받은 40 mil 두께 시료에 대한 측정
실시예 번호 7c
방사선 종류 및 양 감마, 45 kGys
두께, cm (mils) 0.0864 (34)
최대 부하, kg (lb) 0.409 (0.9)
최대 응력, MPa (psi) 0.738 (107)
최대 부하에서의 % 변형 408.9
파열 부하, kg (lb) 0.409 (0.9)
파열 응력, MPa (psi) 0.728 (105.6)
파열 시 % 변형 433.6
파열 시 에너지, cm-kg (in-lb) 11.74 (10.17)
탄성율, MPa (psi) 0.344 (49.87)
실시예 8-9
다양한 양의 이그잭트 3040을 이용하여, 계 내에서(in situ)에서의 미세섬유 형성에 의해 제공된 신장 이탈 성질을 갖는 아크릴계 열 전도성 계면 조성물을 제조하였다. 각 조성물을 여러 두께로 피복하였다.
TIM 의 제조:
225 rpm의 나사 속도 고정점(실제 속도 약 201 rpm)에서 작동하는 실시예 1-4의 이중 나사 압출기의 배럴 부분 3에 있는 공급 포트에, 실시예 1-4의 본넷 압출기를 통해 1.95 kg/hr(4.28 lb/hr)의 공급 속도로 실시예 7의 PSA-B를 공급하였다. 상기 보노 압출기의 모든 영역에 대하여 온도는 149℃(300°F)로 고정되었다. 표 10에 명시된 열 전도성 충전제(PSA-B와 열 전도성 충전제의 합 100 중량부에 대한 표 10에 명시된 중량부)를 실시예 1-4의 이중 나사 압출기의 배럴 부분 1에 있는 공급 포트에 한 번에 건조 고체로서 가하였다.
25 중량%의 이그잭트 3040을 함유하는 실시예의 경우, 열 전도성 충전제 및 이그잭트 3040의 공급 속도는 각각 2.12 kg/hr (4.67 lb/hr) 및 0.65 kg/hr(1.43 lb/hr)이었다. 30 중량%의 이그잭트 3040을 함유하는 실시예의 경우, 열 전도성 충전제 및 이그잭트 3040의 공급 속도는 각각 2.27 kg/hr (5.00 lb/hr) 및 0.83 kg/hr(1.83 lb/hr)이었다. PSA-B 100 중량부 당 0.93 중량부의 농도로 F-100D 미소구를 배럴 부분 7의 하류에 0.3 g/분의 공급 속도로 첨가하였다.
상기 이중 나사 압출기의 모든 6 개 온도 영역에서, 온도는 93.5℃(200°F)로 고정된 영역 4를 제외하고는 149℃(300°F)로 고정되었다. 배럴 부분 10에 있는 포트를 통해 진공(약 -77.9±10.2 N/m2 (-23±3 인치 수은(Hg))의 범위)을 적용하였다. 3 개의 압출기 어댑터에서 온도는 149℃(300°F)로 고정되었으며, 압출기 출구 말단의 굴곡성 호스는 모두 165.5℃(330°F)로 고정되었다. 유량은 149℃(300°F)로 고정된 가열된 제니트(Zenith) 용융 펌프로, 명목상 10.3 cc/rev로 조절되었다.
상기 압출물을 가열된 호스를 통해, 실시예 1-4의 단일 층 적하 다이에 펌프 주입하였다. 다이의 온도는 182℃(360°F)로 고정되었다. 선 속도를 조절하여 표 10에 명시된 목표 두께를 제공하였다.
압출된 시트를 두 개의 차가운 롤(하나는 금속 및 하나는 고무)에 의해 형성된 니프 내에, 실시예 1-4에서와 같은 두 개의 실리콘 피복된 폴리에스테르 이탈 라이너 사이에서 성형하였다. 차가운 롤의 온도는 7.5℃(45°F)로 고정되었다. 하나의 라이너를 실시예 1-4에서와 같이 제거하고, 수득되는 물품을 후속의 가교를 위해 롤로 감았다.
실시예
번호		 전도성
충전제		 전도성 충전제
중량%		 이그잭트 3040
중량%		 F-100D
중량%		 목표 두께
cm (mils)		 측정된 두께
cm (mils)
8 95/5
Mg(OH)2/Al(OH)3 		45 25 0.93 0.1016
(40)		 0.0724
(28.50)
9 95/5
Mg(OH)2/Al(OH)3 		45 30 0.93 0.1016
(40)		 0.0965
(38.0)
수득되는 롤을 33.4 내지 35.3 kGy (목표는 30 kGy였다) 사이의 측정된 감마선 투여량에서 감마 방사선으로 처리하였다.
방사선 조사된 롤에서 시료를 절단하고, 팽창가능한 미소구의 기여가 무시할 만한 것으로 가정하여 계산에 포함시키지 않은 Dtheor .를 제외하고는, 상기에 개괄된 시험 방법에 따라 물리적 성질 및 접착 성능에 대하여 시험하였다. 결과를 표 11 및 12에 나타낸다. 사용된 시험 방법은 인장 파열 강도 및 신장 시험(방법 II)이었다.
실시예
번호		 밀도, g/cm3
(측정치/이론치)		 %
공극 부피		 경도 벗김 접착,
kN/m
(lb/0.5 in)		 고정 전단, 분 임피던스, ℃-cm2/W
(℃-in2/W)
Al 22℃ 70℃ Zuncorr . Zcorr .
8 1.314 / 1.608 18.3 56.0 NT 10,000+ 10,000+ 14.90
(2.31)		 18.13
(2.81)
9 1.263 / 1.606 21.4 56.5 NT 10,000+ 10,000+ 17.29
(2.68)		 22.06
(3.42)
(a) VLR = 매우 경량의 잔류물
LR = 가벼운 잔류물
SB = 시료가 파열되었지만 여전히 제거가능함
P = 합격
실시예 번호 두께, cm (mils) 최대 부하, kg (lb) 파열 시 신장율 %
8 15.7 (40) 5.45 (12.0) 570
9 16.5 (42) 7.05 (15.5) 1000
본 발명의 바람직한 구현예의 다양한 양태를 상세히 기재하였지만, 이들 양태 및 기재된 구현예에 대한 변화는 당업자에게 자명한 것일 수 있다. 그러한 변화 또는 수정도 이하의 청구항에 기재된 바와 같이 본 발명의 범위 및 정신 내에 있는 것으로 생각된다.

Claims (27)

  1. 25,000을 초과하는 수 평균 분자량을 갖는 중합체성 고온 용융 PSA 및
    40 중량% 이상의 열 전도성 충전제의 배합물
    을 포함하는 발포된 필름을 포함하며, 상기 중합체성 고온 용융 PSA는 아크릴계, 열가소성 엘라스토머, 고무, 블럭 공중합체 또는 폴리-알파-올레핀 접착제에서 선택되고, 상기 발포된 필름은 필름 부피 중 5% 이상의 공극 부피를 갖고, 상기 발포된 필름은 실질적으로 연속적인 미세섬유를 더 포함하고, 상기 미세섬유는 계 내에서(in situ)에서 형성된, 열 전도성 발포체 계면 물질.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 열 전도성 발포체 계면 물질이 신장 이탈 성질을 갖는, 열 전도성 발포체 계면 물질.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 발포된 필름의 적어도 일부에 부착된 1 이상의 접착제 표피 층을 더 갖는, 열 전도성 발포체 계면 물질.
  4. 제 1 항의 열 전도성 발포체 계면 물질을 제공하는 단계;
    상기 열 전도성 발포체 계면 물질을, 상기 열 전도성 발포체 계면 물질이 전기 소자 및 방열기 재료의 사이에 있도록, 상기 전기 소자 및 방열기 재료와 접촉시키는 단계를 포함하는,
    전기 소자로부터 방열기 재료로 열을 전도시키는 방법.
  5. (a) 감압 접착성 중합체, 열 전도성 입자 및 발포제를 용융 혼합하여 팽창가능한 형성가능 조성물을 형성하고;
    (b) 상기 발포제를 활성화하고;
    (c) 상기 팽창가능한 형성가능 조성물을 외부 표면을 갖는 발포된 중합체 필름으로 형성하며, 상기 발포된 중합체 필름은 계 내에서(in situ)에서 형성된 미세섬유를 포함하고;
    (d) 상기 발포된 중합체 필름을 방사선으로 가교시키는 것을 포함하는,
    열 전도성 발포체 계면 물질의 제조 방법.
  6. 제5항에 있어서, 상기 방사선은 감마선, x-선 및 전자 빔 방사로 구성된 군에서 선택된 것인, 열 전도성 발포체 계면 물질의 제조 방법.
  7. 제3항에 있어서, 상기 1 이상의 접착제 표피 층이 열 전도성 충전제를 함유하는, 열 전도성 발포체 계면 물질.
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