KR101148784B1 - 방열시트용 조성물 및 그 제조방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 전자 부품용 방열 시트 및 그 제조방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 에폭시 수지를 기지물질로 하고, 세라믹 절연코팅된 탄소나노튜브와, 질화알루미늄/질화붕소 및 알루미나/질화붕소 중에서 선택되는 적어도 어느 하나,를 필러로서 포함하는 방열시트용 조성물과, 액상의 에폭시 수지와, 고상의 에폭시 수지와, 세라믹 절연코팅된 탄소나노튜브와, 분산제와 용매를 혼합하여 슬러리를 제조하는 단계; 및 상기 슬러리에 질화알루미늄/질화붕소 및 알루미나/질화붕소 중에서 선택되는 적어도 어느 하나인 필러를 가하는 단계;를 포함하는 방열시트용 조성물의 제조방법을 제공한다.
본 발명에 의하면 방열시트가 가지고 있는 본연의 절연 내전압을 저하시키지 않으면서도 방열시트의 열전도성과 접합강도를 현저히 향상시키도록 하는 작용효과가 기대된다.

Description

방열시트용 조성물 및 그 제조방법{Composition for heat radiation sheet and the manufacturing method of the same}
본 발명은 전자 부품용 방열 시트 및 그 제조방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 에폭시 수지를 기지물질로 하고, 세라믹 절연코팅된 탄소나노튜브와, 질화알루미늄/질화붕소 및 알루미나/질화붕소 중에서 선택되는 적어도 어느 하나,를 필러로서 포함하는 방열시트용 조성물과, 액상의 에폭시 수지와, 고상의 에폭시 수지와, 세라믹 절연코팅된 탄소나노튜브와, 분산제와 용매를 혼합하여 슬러리를 제조하는 단계; 및 상기 슬러리에 질화알루미늄/질화붕소 및 알루미나/질화붕소 중에서 선택되는 적어도 어느 하나인 필러를 가하는 단계;를 포함하는 방열시트용 조성물의 제조방법을 제공한다.
본 발명에 의하면 방열시트가 가지고 있는 본연의 절연 내전압을 저하시키지 않으면서도 방열시트의 열전도성과 접합강도를 현저히 향상시키도록 하는 작용효과가 기대된다.
일반적으로 컴퓨터, 휴대용 개인단말기, 통신기, LED를 채용한 백라이트 유닛 등 다양한 종류의 전자 부품 또는 제품은 그 시스템 내부에서 발생하는 과도한 열을 외부로 확산시키지 못해 잔상문제 및 기기의 안정성에 심각한 우려를 내재하고 있다. 이러한 열은 전자 부품 또는 제품의 수명을 단축시키거나 기기의 고장, 오작동을 유발하며, 심한 경우에는 폭발 및 화재의 원인을 제공하기도 한다. 따라서, 부품 또는 기기 내부에서 발생하는 열을 효과적으로 외부로 방출시키거나 자체 냉각시키는 기술이 필요하게 되었다.
종래에는 이러한 열을 효율적으로 제어하기 위한 다양한 방법들이 시도되었으며, 특히 히트싱크(heat sink)나 방열팬을 설치하는 방법이 일반적이었다. 그러나 히트싱크의 경우에는 전자제품의 발열체에서 나오는 열량보다 히트싱크가 방출할 수 있는 열량이 작아 방출 효율이 매우 낮은 문제점이 있다. 따라서 이러한 히트싱크에 방열팬을 부가 설치하여 기기 또는 부품으로부터 발생되는 열을 보다 효과적으로 배출시키고 있다.
그러나, 이중 방열팬은 기계 소음 및 진동을 발생하며, 무엇보다 LED 탑재 백라이트 유닛은 물론, 플라즈마 디스플레이 패널(PDP), 노트북 컴퓨터, 휴대용 개인단말기 등과 같이 경량화와 슬림(slim)화가 요구되고 있는 제품에는 적용할 수 없는 문제점이 있다.
이러한 문제점들이 도출됨에 따라, 방열수단으로서 새로운 형태로 대체되고 있는데, 이는 전자 부품 또는 제품이 내장하는 발열체와 방열판 사이에 개재하는 방열시트가 그것이다.
방열시트는 열을 효율적으로 방열판 쪽으로 전달시킬 뿐 아니라 기계적 충격 및 소음을 흡수하는 효과까지 있어 방열수단으로서 매우 효과적이라 할 수 있다. 특히 PDP 유리 패널은 기체방전으로 생성된 고온의 플라즈마를 이용하기 때문에 고온의 열이 발생되고, 경량화 및 슬림화가 요구되기 때문에 방열시트가 효과적이다.
대한민국 공개특허공보 제10-2001-0078953호에는 금속재 박판을 이용한 방열시트가 제시되어 있다. 이는 세라믹층, 금속재 박판 및 단열재에 의한 열전달 및 열분산 효과를 얻고자 하는 것으로서, 열전도에 효과적인 금속재 박판이 이용되어발열체와 높은 접촉면적만 갖는다면 방열에 효과적일 수 있다. 그러나 이는 다수의 적층구조를 가짐에 따라 제조방법이 까다롭고, 발열체에 단순 적층 사용되어 발열체와의 접촉면적이 작아 효과적인 열전도 및 분산 기능을 수행하지 못하는 문제점이 있다. 이는 특히 금속재 박판이 내부에 적층되어 있어 유연성이 없음에 따라 롤 형태로 양산이 불가능한 문제점이 있다.
또한, 유연성 및 열전도성을 동시에 갖게 하기 위한 방법으로서 열전도성 물질을 시트 내에 도입시킨 방법들이 제시되었다.
예를 들어, 대한민국 공개특허 제10-1995-7003271호에는 여러 개의 고열전도성 절연체 기둥을 시트에 수직/경사 방향으로 도입하되, 이를 시트 표면으로 노출시켜 발열체와 방열판 사이의 직접적인 접촉을 유도하였다. 그러나 이는 전체 표면적에 비해 노출되는 고열전도성 절연체의 표면적이 매우 클 경우에만 효율적인 열전달이 수행될 수 있는 문제점이 있다.
특히 이 경우에는 발열체와의 결합력이 없어 접촉면적이 작음에 따라 효과적인 열전도를 기대할 수 없었다.
또한, 대한민국 공개특허 제10-2003-0032769호에는 구리, 흑연, 알루미늄, 페라이트, 순철 등의 분말을 10~70중량% 함유시킨 기술이 제시되어 있으며, 일본 특원 JP-2001-073564 및 JP-2001-094620에는 알루미늄 분말을 50~80체적% 함유시킨 기술이 제시되어 있다. 그러나 위와 같이 열전도성 분말을 이용하는 경우 분말의 함량이 너무 적으면 열전도가 매우 낮고, 너무 많으면 다른 성분의 함유량이 적게 되어 분말 상호간의 결합력이 떨어져 가공상의 많은 제약이 따른다. 특히 열전도도가 가장 높은 순철을 70중량%까지 첨가한 경우라 할지라도 제품의 열전도도는 1.5W/mㆍK 미만으로서 매우 낮은 문제점이 있다.
또한, 대한민국 공개특허 제10-2009-0065719호에서는 그 종래기술로서, 에지형 백라이트 유닛의 방열시트에 관해서 개시하고 있는데, 상기 에지형 백라이트 유닛은 가로 길이가 긴 바 형태의 광원이 도광판 측면에 위치하여 도광판을 통해 액정패널의 전면으로 빛을 조사하는 방식을 채택한 것으로, 이러한 백라이트 유닛은 그 LED모듈부의 기판에 방열시트(Thermal seat)를 부착함으로써 상기 방열시트가 기판내에 실장된 LED에서 발생하는 열을 외부로 방출시키도록 하는 것인 바, 상기 방열시트는 방열 기능을 수행할 때 열에 의해 변형되는 단점이 있고, 이에 따라 LED모듈부의 방열 효율이 저하되면서 LED모듈부가 열에 의해 고장이 발생하거나 또는 파손되는 문제점이 있었다.
본 발명은 전술한 바와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명은 절연 내전압을 저하시키지 않으면서도 방열시트의 열전도성과 접합강도를 향상시킨 방열시트용 조성물을 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한, 방열시트를 제조함에 있어서 출발물질의 슬러리내 고른 분산을 유도함으로써 방열시트의 물성을 균일하게 유지하도록 하는 방열시트용 조성물을 제공하는 것을 다른 목적으로 한다.
또한, 방열시트의 성형성을 확보하여 방열 시트 성형과 관련된 재현성을 구현하도록 하는 것을 또 다른 목적으로 한다.
본 발명은 상기 목적을 달성하기 위하여, 에폭시 수지를 기지물질로 하고, 세라믹 절연코팅된 탄소나노튜브와, 질화알루미늄/질화붕소 및 알루미나/질화붕소 중에서 선택되는 적어도 어느 하나,를 필러로서 포함하는 방열시트용 조성물을 제공한다.
상기 탄소나노튜브에 절연코팅된 세라믹은 알루미나인 것이 바람직하다.
상기 세라믹 절연코팅된 탄소나노튜브는 필러 전체 중량 대비 0.1 내지 1.0 중량%, 상기 질화알루미늄 또는 알루미나는 필러 전체 중량대비 42.5 내지 72 중량%, 질화붕소는 필러 전체 중량대비 47.5 내지 17 중량%의 범위인 것이 바람직하다.
상기 질화알루미늄 또는 알루미나는 평균입경이 10 ~ 45㎛, 질화붕소는 평균입경이 0.1 ~ 10㎛의 범위인 것이 바람직하다.
상기 조성물은 상기 필러가 상기 에폭시 수지중에서 고르게 분산되도록 유도하기 위한 커플링제로서 티타네이트계 조성물을 더 포함하는 것이 바람직하다.
상기 조성물은 성형성을 양호하게 하기 위하여 페녹시 수지를 더 포함하는 것이 바람직하다.
상기 페녹시 수지는 상기 조성물 전체중량 대비 3중량% 내지 10중량%의 범위인 것이 바람직하다.
또한 본 발명은 액상의 에폭시 수지와, 고상의 에폭시 수지와, 세라믹 절연코팅된 탄소나노튜브와, 분산제와 용매를 혼합하여 슬러리를 제조하는 단계; 및 상기 슬러리에 질화알루미늄/질화붕소 및 알루미나/질화붕소 중에서 선택되는 적어도 어느 하나인 필러를 가하는 단계;를 포함하는 방열시트용 조성물의 제조방법을 제공한다.
상기 슬러리에 페녹시 수지를 더 첨가하는 것이 바람직하다.
이상과 같은 본 발명에 따르면, 방열시트가 가지고 있는 본연의 절연 내전압을 저하시키지 않으면서도 방열시트의 열전도성과 접합강도를 현저히 향상시키도록 하는 작용효과가 기대된다.
또한, 방열시트를 제조함에 있어서 출발물질의 슬러리내 고른분산을 유도함과 동시에 성형성을 확보함으로써 방열시트의 균일한 물성의 달성은 물론 재현성을 확보하여 방열시트의 대량생산에 적합하게 하도록 하는 작용효과가 기대된다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 의한 방열시트용 조성물에 있어서, 세라믹 필러 함량이 84.2인 경우 BN의 입자크기와 탄소나노튜브의 함량변화에 따른 열전도도의 변화를 나타내는 그래프이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 의한 방열시트용 조성물에 있어서, 세라믹 필러의 함량과 BN입자크기에 따른 열전도도 변화를 나타내는 그래프이다.
이하, 본 발명을 첨부되는 실시예 및 도면을 기초로 보다 상세히 설명하면 다음과 같다.
본 발명은,
(1) 높은 열전도도를 유지하기 위하여 탄소나노튜브(Carbon Nano Tube, CNT)를 사용하였다는 점,
(2) 도전성이 높은 탄소나노튜브에 의해 절연내압이 저하되는 것을 방지하기 위하여 탄소나노튜브의 표면에 세라믹 물질을 이용하여 절연처리하였다는 점,
(3) 에폭시 수지를 사용하여 금속 PCB와 접착력을 향상하였다는 점,
(4) 따라서, 에폭시의 사용에 의한 금속과의 접착력 향상, 에폭시를 기지로 하고 여기에 탄소나노튜브를 분산하여 시트를 제조함으로써 열전도도의 향상, 절연내압의 저하 방지를 동시에 달성할 수 있도록 한 것에 그 특징이 있다고 할 것이다.
<제조예>
1. 탄소나노튜브/에폭시 슬러리의 제조
탄소나노튜브/에폭시 슬러리 제조 방법은 다음과 같다.
먼저, 액상 비스페놀 A(bisphenol A)와 고상 비스페놀 A(bisphenol A) 에폭시를 중량비 기준으로 1:1로 혼합하되, 초음파를 이용하여 500W, 3시간동안 처리한 다음, 여기에 열전도 필러로서 탄소나노튜브, 유기분산제, 유기용매를 첨가하여 다시 초음파를 이용하여 500W, 5시간 처리하여 분산함으로써 탄소나노튜브/에폭시 슬러리를 제조하였다.
다만, 이와 같이 탄소나노튜브(CNT)를 에폭시 수지에 그대로 혼합하는 경우, 방열 복합체의 방열 특성이 향상됨을 명확히 확인할 수 있었으나, 내전압 특성이 세라믹 방열 복합체에 비해 다소 떨어지는 면이 있었다. 이러한 점은 탄소나노튜브가 열전도성이 뛰어날 뿐 아니라 전기전도성도 우수하여 발생하는 현상으로, LED용 절연 방열 시트의 신뢰성에 문제를 일으킬 소지가 있다.
이러한 문제점을 해결하기 위하여 탄소나노튜브의 표면에 열전도 특성을 지니는 세라믹 재료를 코팅한 탄소나노튜브-세라믹 복합소재를 합성하여 열전도성을 유지하되 전기전도성을 낮추어 절연성을 높임으로써 내전압특성을 향상하고자 하였으며, 이러한 점에 있어서 본 발명의 특징을 이룬다.
탄소나노튜브를 코팅하는 방법에 관한 일 실시예로서 본 발명에 의한 탄소나노튜브의 코팅에 사용된 세라믹 재료는 알루미나로, 이는 탄소나노튜브 분산 용액 하에서 전구체인 질산알루미늄(Aluminum Nitrate)로부터 pH 조절을 통해 환원 처리하여 합성하였다. 여기서, 알루미나의 전구체는 위와 같은 질산알루미늄으로 한정되는 것은 아니며, 다른 형태의 알루미늄염도 사용될 수 있다.
이와 같이 탄소나노튜브가 잘 분산된 용액 내에서 알루미나 전구체가 알루미나 형태로 환원될 경우 비교적 균일하게 탄소나노튜브 표면에 코팅되는 것으로 확인되었다. 전구체의 환원을 위한 pH 조절에 사용된 염기는 탄산암모늄(Ammonium Carbonate)이며, 알루미나와 탄소나노튜브의 비율이 중량비 기준으로 2:1이 될 수 있도록 전구체의 투입량을 조절하였다.
2. 방열시트용 조성물의 제조
상기와 같이 제조된 탄소나노튜브/에폭시 슬러리를 이용하여 방열시트용 조성물을 제조하였다.
열전도 필러로서 상기 탄소나노튜브와 더불어 질화알루미늄/질화붕소, 또는 알루미나/질화붕소를 첨가하였다. 경우에 따라서는 상기 질화알루미늄/질화붕소 및 알루미나/질화붕소를 모두 첨가할 수도 있다.
한편, 위 조성물에는 상기 필러가 에폭시 수지중에서 고르게 분산되도록 유도하기 위하여 커플링제를 첨가하였는데, 그 첨가물로서 티타네이트계 조성물을 사용하였다.
커플링제는 고분자의 분자와 필러의 표면 사이를 연결시켜 주는 역할을 한다. 티타네이트계 커플링제는 무기 필러 및 유기물 두 가지와 모두 반응한다. 즉 티타네이트 그룹은 충진체의 표면의 프로톤(H+)과 반응한다. H+는 거의 모든 물질의 표면에 존재하며 따라서 카본블랙, 그라파이트, 아라미드나 다른 유기물 화이버 등 대부분의 필러에 적용이 가능하다.
티타네이트 커플링제의 일반식은 (RO-)-nTi-(-OXR'Y)4n와 같다.
여기서, (RO-) 부분은 필러 반응 그룹이라고 하는데, 본 발명에서 사용한 커플링제는 중앙 금속이온이 티타늄이며, 필러반응그룹이 네오알콕시인 커플링제이다. 이와 관련하여 본 발명에서 사용한 커플링제는 테트라이소프로필bis(디옥틸포스파이트)티타네이트, 테트라(2,2-다이알릴록시메틸-1-부틸)bis(디트리데실)포스파이트티타네이트이다.
위 커플링제는 모노알콕시타입에 비하여 진보된 형태의 커플링제로서, 이를 사용하면 가황물의 인장강도, 모듈러스, 임팩트 강도, 연신율 등의 향상에 좋으며, 금속산화물, 금속과산화물의 분산성을 개선하고, 필러의 충진밀도를 높여준다. 또한, 접착제의 접착력, 폴리머의 흐름성을 개선한다. 아울러, 실레인 커플링제, 모노알콕시 티타네이트 커플링제는 열이나 수분에 약하고 첨가제와 쉽게 반응하기 때문에 필러와 커플링제의 전처리 과정을 반드시 겨쳐야 하지만 네오알콕시 티타네이트 커플링제는 고온에서도 전처리 없이 바로 폴리머에 첨가할 수 있는 장점이 있다.
이상과 같은 물질들을 사용하여 본 발명에 의한 방열시트용 조성물을 제조하기 위하여, 필러 100 중량부에 유기용매 400 중량부, 커플링제 1 중량부를 볼밀링에 의해 약 30분간 혼합하였다. 이후, 85℃에서 4시간 동안 건조를 하여 커플링제 처리를 종료하였다. 이와 같이 커플링제 처리를 한 필러를 이용하여 다시 볼밀 등 혼합공정을 거쳐서 테이프 캐스팅 공정으로 방열시트 성형체를 제조하였고, 이를 열처리하여 방열시트로 제조하였다.
여기서, 열전도 필러 전체 중량대비 탄소나노튜브를 0.3 ~ 1.0 중량%를 첨가하는 것이 바람직하다. 만일 상기 탄소나노튜브의 함량이 상기 범위의 하한인 0.3 중량%보다 낮은 경우 열전도도를 향상하기 위한 효과를 거둘 수 없으며, 상기 범위의 상한인 1.0 중량% 보다 높은 경우 세라믹 코팅에도 불구하고 전기절연성이 저하되며, 또한 상한 보다 더 많이 첨가하는 경우 분산성을 조절하기 어려워지므로 테입캐스팅에 의한 성형성이 매우 나빠지는 문제점이 있다.
한편, 상기 질화알루미늄, 알루미나, 질화붕소를 첨가하는 양은 상기 질화알루미늄 또는 알루미나는 열전도 필러 전체 중량대비 42.5 내지 72 중량%, 질화붕소는 필러 전체 중량대비 47.5 내지 17 중량%의 범위에서 첨가하는데, 위 수치범위의 상한과 하한에서는 다음과 같은 임계적 의의를 갖는다.
질화알루미늄, 알루미나, 질화붕소는 열전도성 물질들로서 대략 그 형상에는 한정이 없으나, 테입캐스팅의 용이성 측면에서 보았을 때에는 가급적 분산성과 성형성이 우수한 구형립이 바람직하다.
질화알루미늄 등의 형상을 이종으로 구성하고 이러한 이종의 형상을 갖는 입자들을 혼합하여 열전도 특성을 향상시키는 방법 등도 보고되고 있으나, 본 발명에서는 이러한 필러들의 형상적 측면에서 접근하는 것이 아니라, 탄소나노튜브의 사용, 탄소나노튜브의 표면처리 등에 의하여 전기절연성, 열전도성 등을 제어하는 것이 목적인 것이다.
여기서, 질화붕소를 상기 범위의 임계함량을 초과하여 첨가하는 경우 판상 형태인 질화붕소가 응집되어 필러의 분산성이 떨어지므로 볼밀링 등 후속 공정의 진행이 어렵고 따라서 질화붕소의 분산성능이 저하된 결과 열전도도 및 내전압 특성이 저하되는 문제점이 있다. 또한 임계함량 미만인 경우 필러의 분산성은 향상되지만 고열전도도를 구현하는 역할을 하는 질화붕소가 부족하여 복합체의 2W/mk이상의 열전도도를 구현하기 어렵다.
또한, 알루미나 또는 질화알루미늄을 상기 범위의 임계함량을 초과하여 첨가하는 경우, 상대적으로 질화붕소와 에폭시, 페녹시 수지의 함량이 적어지게 되어 열전도도, 접합강도, 시트의 성형성이 저하되며, 임계함량 미만인 경우 필러간 충진도가 저하되어 열전도도가 저하되는 문제점이 발생한다.
한편, 본 발명에서는 사용된 열전도 필러의 평균 입자 크기를 측정하였는데, 상기 질화알루미늄 또는 알루미나는 평균입경이 10 ~ 45㎛, 질화붕소는 평균입경이 0.1 ~ 10㎛의 범위인 것으로 나타났다. 위 평균입경의 범위는 그 하한보다 작은 경우에는 실용적으로 의미있는 열전도도를 얻기 어려우며, 위 상한보다 큰 경우에는 열전도도면에서는 유리한 점이 있으나, 테입캐스팅을 위한 분산조건을 충족하기 어려우며, 가사 테입캐스팅을 하더라도 두께를 균일하게 유지하기 쉽지 않다.
또한 본 발명에서는 방열접착 시트용 조성물에 페녹시 수지를 일정범위에서 가하는데, 그 범위는 조성물 전체 중량대비 3 중량% ~ 10 중량%의 범위로 첨가하는 것이 좋다. 페녹시 수지의 함량이 상기 하한값보다 작은 경우 저분자량인 에폭시 수지의 체적비가 상대적으로 높아져 시트의 성형성이 저하되며, 따라서 균일한 시트의 성형이 어렵다. 반면 상한값보다 큰 경우 시트의 성형성은 개선되나 열전도도 및 접합강도의 저하가 발생된다. 페녹시 수지의 첨가량이 상기 임계함량을 초과하는 경우 발생되는 열전도도의 차이는 페녹시 수지와 필러간의 혼합성이 떨어져 이것이 필러의 분산성에 영향을 끼치는 것에 기인한다.
3. 물성측정
<열전도도의 측정>
상기와 같은 방법에 의해 제조된 본 발명의 일 실시예에 의한 조성물과 탄소나노튜브를 사용하지 않은 비교예 조성물로부터 방열시트를 각각 제조하고 열전도도를 측정하였다.
열전도도 측정은 열전도도 측정기(Netch사, LFA447)를 이용하여 측정하였고, 각 조성물에 의해 제조된 측정시편은 펠렛형 또는 정사각형의 형태로 제조하였다.
하기 표 1 및 2는 알루미나 필러에 대하여 평균입경이 위 범위안에 있는 경우와 위 범위의 하한값보다 낮은 경우에 대하여 각 열전도도를 측정한 결과이다.
조성물 실시1 실시2 실시3 실시4 실시5 실시6 실시7 실시8 실시9 실시10 실시11 실시12
Al2O3(%) 48 48 48 48 48 48 58.2 58.2 58.2 58.2 58.2 58.2
BN(%) 20.6 20.6 20.6 20.6 20.6 20.6 25.0 25.0 25.0 25.0 25.0 25.0
CNT(%) 0.3 0.8 1.0 0.3 0.8 1.0 0.3 0.8 1.0 0.3 0.8 1.0
Al2O3
입자크기		 45㎛ 45㎛ 45㎛ 45㎛ 45㎛ 45㎛ 45㎛ 45㎛ 45㎛ 45㎛ 45㎛ 45㎛
BN
입자크기		 3.5㎛ 3.5㎛ 3.5㎛ 10㎛ 10㎛ 10㎛ 3.5㎛ 3.5㎛ 3.5㎛ 10㎛ 10㎛ 10㎛
페놀수지
함량(%)		 3 5 10 3 5 10 3 5 10 3 5 10
필러 총
함량(%)		 68.9 69.4 69.6 68.9 69.4 69.6 83.5 84.0 84.2 83.5 84.0 84.2
열전도도
(W/mk)		 2.37 2.49 3.11 2.44 2.61 3.35 3.73 3.94 4.08 4.02 4.25 5.12
위 %는 조성물 전체 중량대비 중량%를 나타내는 것이며, 이하에서 모두 같다.
위 표 1로부터 알 수 있는 바와 같이, 당해 실시예에 의한 조성물에 의한 방열시트의 경우는 탄소나노튜브(CNT)를 일정량 포함하고 있고, 열전도 필러로서 알루미나의 경우 45㎛의 크기를 가지며, 질화붕소는 3.5 및 10㎛의 크기를 가져 모두 본 발명에 의하여 설정된 범위내의 크기로서 이러한 알루미나와 질화붕소를 이용하여 조성물로부터 제조하였고, 열전도도의 범위는 2.37 ~ 5.12 W/mk의 값을 나타내었다.
조성물 실시1 실시2 실시3 실시4 실시5 실시6 실시7 실시8 실시9 실시10 실시11 실시12
Al2O3(%) 48 48 48 48 48 48 58.2 58.2 58.2 58.2 58.2 58.2
BN(%) 20.6 20.6 20.6 20.6 20.6 20.6 25.0 25.0 25.0 25.0 25.0 25.0
CNT(%) 0.3 0.8 1.0 0.3 0.8 1.0 0.3 0.8 1.0 0.3 0.8 1.0
Al2O3
입자크기		 5㎛ 5㎛ 5㎛ 5㎛ 5㎛ 5㎛ 5㎛ 5㎛ 5㎛ 5㎛ 5㎛ 5㎛
BN
입자크기		 3.5㎛ 3.5㎛ 3.5㎛ 10㎛ 10㎛ 10㎛ 3.5㎛ 3.5㎛ 3.5㎛ 10㎛ 10㎛ 10㎛
페놀수지
함량(%)		 3 5 10 3 5 10 3 5 10 3 5 10
필러 총
함량(%)		 68.9 69.4 69.6 68.9 69.4 69.6 83.5 84.0 84.2 83.5 84.0 84.2
열전도도
(W/mk)		 2.02 2.19 2.67 2.23 2.41 2.89 3.64 3.85 4.12 3.77 3.96 4.32
위 표 2로부터 알 수 있는 바와 같이, 당해 실시예에 의한 조성물에 의한 방열시트는 탄소나노튜브(CNT)를 일정량 포함하고 있고, 열전도 필러로서 알루미나의 경우 5㎛의 크기를 가져 본 발명에 의하여 설정된 바람직한 함량범위보다 작은 크기를 나타내며, 질화붕소는 3.5 및 10㎛의 크기를 가져 본 발명에 의하여 설정된 범위내의 크기로서 이러한 알루미나와 질화붕소를 이용하여 조성물로부터 제조되었고, 열전도도의 범위는 2.02 ~ 4.32 W/mk의 값을 나타내었다.
즉, 열전도도는 위 표 2 보다 표 1의 경우에 보다 더 큰 값의 범위를 나타내었으며, 각 실시예별로 열전도도를 비교하여도 대부분 표 1의 경우에 있어서의 열전도도가 동일조건하에서는 표 2 보다 더 큰 값을 나타내었다.
위 두 표의 결과로부터, 열전도 필러로서의 알루미나의 크기가 열전도도에 미치는 영향을 알 수 있으며, 알루미나의 크기가 본 발명의 바람직한 실시예에 의해 설정된 범위의 값을 가지는 경우 보다 열전도도가 우수한 결과를 나타내었다.
세라믹 필러 함량이 84.2인 경우 BN의 입자크기와 탄소나노튜브의 함량변화에 따른 열전도도의 변화를 도 1에 나타내었다. 도시된 바와 같이, 탄소나노튜브의 함량이 높을수록 열전도도는 증가하며, BN의 입자크기가 클수록 더 높은 열전도도를 나타내었다. 특히 탄소나노튜브의 함량이 많아질수록 BN의 입자크기가 큰 경우에 있어서 작은 경우보다 더 큰폭으로 열전도도가 증가하고 있음을 알 수 있다.
따라서, 바람직하게는 BN의 입자크기가 본 발명의 특징있는 범위내에서 다소 큰 것을 채택하는 것이 좋다.
한편, 본 발명의 실시예에 대한 비교예로서 탄소나노튜브를 가하지 않은 경우에 있어서의 방열시트용 조성물을 제조하고 이로부터 방열시트를 제조하여 열전도도를 측정하고 하기의 표 3과 같이 나타내었다.
조성물 실시1 실시2 실시3 실시4 실시5 실시6 실시7 실시8 실시9 실시10 실시11 실시12
Al2O3(%) 48.2 48.5 48.7 48.2 48.5 48.7 58.4 58.7 58.2 58.2 58.2 58.2
BN(%) 20.7 20.9 20.9 20.7 20.9 20.9 25.1 25.3 25.0 25.0 25.0 25.0
Al2O3
입자크기		 45㎛ 45㎛ 45㎛ 45㎛ 45㎛ 45㎛ 45㎛ 45㎛ 45㎛ 45㎛ 45㎛ 45㎛
BN
입자크기		 3.5㎛ 3.5㎛ 3.5㎛ 10㎛ 10㎛ 10㎛ 3.5㎛ 3.5㎛ 3.5㎛ 10㎛ 10㎛ 10㎛
필러 총
함량(%)		 68.9 69.4 69.6 68.9 69.4 69.6 83.5 84.0 84.2 83.5 84.0 84.2
열전도도
(W/mk)		 1.43 1.52 1.55 1.53 1.57 1.58 2.75 2.83 2.85 2.91 2.94 2.98
위 표 3으로부터 알 수 있는 바와 같이, 당해 실시예에서는 탄소나노튜브(CNT)를 포함하지 않고, 열전도 필러로서 알루미나의 경우 45㎛의 크기를 가지며, 질화붕소는 3.5 및 10㎛의 크기를 가져 모두 본 발명에 의하여 설정된 범위내의 크기로서 이러한 알루미나와 질화붕소를 이용하여 조성물을 제조하였고, 위 조성물로부터 제조되는 방열시트의 열전도도 범위는 1.43 ~ 2.98 W/mk의 값을 나타내었다.
위 표 3은 위 표 1과 대비하여 탄소나노튜브의 존재여부에서 차이가 있는 바, 위 표 3에 의한 조성물은 탄소나노튜브를 첨가한 본 발명의 실시예에 의한 조성물의 경우보다 열전도도가 전반적으로 크게 낮아졌음을 알 수 있다.
세라믹 필러의 함량과 BN입자크기에 따른 열전도도 변화를 측정하여 도 2와 같이 나타내었다. 도시된 그래프로부터 알 수 있는 바와 같이, 필러의 함량 전체적인 범위에서 BN 입자의 크기가 클수록 상대적으로 열전도도가 높았으며, 필러의 함량이 증가할수록 대체로 열전도도가 향상되고 있음을 알 수 있었다.
<체적저항, 교류내전압의 측정>
또한, 본 발명의 일 실시예에 의하여 세라믹 절연코팅된 탄소나노튜브를 포함하는 방열시트용 조성물을 제조하고, 세라믹 절연코팅되지 않은 탄소나노튜브를 포함하는 방열시트용 조성물을 비교예로 제조한 후, 각 발명시트를 제조하여 그에 대한 전기절연성을 비교하기 위하여 전기전도도를 측정하고 이를 하기 표 4에서와 같이 나타내었다. 교류내전압을 측정하기 위하여 KIKISUI TOS 501 withstanding voltage tester(AC 10kV limit, 5mA High current limit)를 사용하였고, 체적저항을 측정하기 위하여 HP 4339B High registance meter를 사용하였다.
조성물 실시1 실시2 실시3 실시4 실시5 실시6 실시7 실시8
CNT 1.0 1.0 1.0 1.0 1.0 1.0 1.0 1.0
Al2O3
입자크기		 45㎛ 45㎛ 45㎛ 45㎛ 45㎛ 45㎛ 45㎛ 45㎛
BN
입자크기		 3.5㎛ 3.5㎛ 12㎛ 12㎛ 3.5㎛ 3.5㎛ 12㎛ 12㎛
절연처리유무 유 무 유 무 유 무 유 무
필러 총
함량(%)		 69.6 69.6 69.6 69.6 84.2 84.2 84.2 84.2
열전도도
(W/mk)		 3.11 3.32 3.35 3.62 4.08 4.47 5.12 5.65
교류내전압(kV) 2.5 0.7 3.0 0.7 4.5 0.3 4.5 0.4
체적저항 2.3435E+13 over-current 3.3517E+13 over-current 4.2819E+14 over-current 5.5598E+14 over-current
위 표 4로부터 알 수 있는 바와 같이, 본 발명에 의한 세라믹 절연코팅된 탄소나노튜브를 함유하는 방열시트용 조성물에 의해 제조되는 방열시트의 경우, 교류내전압의 측면에서 비교예에 비하여 월등히 높음을 알 수 있으며, 체적저항의 경우에도 저항값이 매우 높게 측정되어 전기절연성이 비교예에 비해 상대적으로 크게 높음을 알 수 있었다. 물론 열전도도의 측면에서는 세라믹 절연코팅하지 아니한 탄소나노튜브를 함유하는 방열시트용 조성물의 경우에 있어서 약간 높으나, 본 발명의 실시예와 큰 차이를 나타내지 아니하였다. 즉, 본 발명에 의해서 열전도도를 향상시키는 것도 중요하나 전기절연성을 도모하는 것도 매우 중요한 요소로서, 이를 감안하면 본 발명의 우수성이 입증되고 있는 것이다.
따라서, 본 발명은 열전도도를 높임과 동시에 열전도도의 향상에 부수하여 전기전도도가 높아지는 현상을 제어하기 위하여 탄소나노튜브를 세라믹 절연코팅하였으며, 이로써 열전도도와 전기전도도를 동시에 제어할 수 있는 우수한 발명에 해당한다.

Claims (9)

  1. 에폭시 수지를 기지물질로 하고,
    세라믹 절연코팅된 탄소나노튜브와, 질화알루미늄/질화붕소 및 알루미나/질화붕소 중에서 선택되는 적어도 어느 하나,를 필러로서 포함하는 것을 특징으로 하는 방열시트용 조성물.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 탄소나노튜브에 절연코팅된 세라믹은 알루미나인 것을 특징으로 하는 방열시트용 조성물.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 세라믹 절연코팅된 탄소나노튜브는 필러 전체 중량 대비 0.1 내지 1.0 중량%, 상기 질화알루미늄 또는 알루미나는 필러 전체 중량대비 42.5 내지 72 중량%, 질화붕소는 필러 전체 중량대비 47.5 내지 17 중량%의 범위인 것을 특징으로 하는 방열시트용 조성물.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 질화알루미늄 또는 알루미나는 평균입경이 10 ~ 45㎛, 질화붕소는 평균입경이 0.1 ~ 10㎛의 범위인 것을 특징으로 하는 방열시트용 조성물.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 조성물은 상기 필러가 상기 에폭시 수지중에서 고르게 분산되도록 유도하기 위한 커플링제로서 티타네이트계 조성물을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방열시트용 조성물.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 조성물은 성형성을 양호하게 하기 위하여 페녹시 수지를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방열시트용 조성물.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 페녹시 수지는 상기 조성물 전체중량 대비 3중량% 내지 10중량%의 범위인 것을 특징으로 하는 방열시트용 조성물.
  8. 액상의 에폭시 수지와, 고상의 에폭시 수지와, 세라믹 절연코팅된 탄소나노튜브와, 분산제와 용매를 혼합하여 슬러리를 제조하는 단계; 및
    상기 슬러리에 질화알루미늄/질화붕소 및 알루미나/질화붕소 중에서 선택되는 적어도 어느 하나인 필러를 가하는 단계;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 방열시트용 조성물의 제조방법.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 슬러리에 페녹시 수지를 더 첨가하는 것을 특징으로 하는 방열시트용 조성물의 제조방법.
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