KR101202415B1 - 고분자 매트릭스에 그라핀을 분산시킨 열전도패드와 그의 제조방법 - Google Patents

고분자 매트릭스에 그라핀을 분산시킨 열전도패드와 그의 제조방법 Download PDF

Info

Publication number
KR101202415B1
KR101202415B1 KR1020100014057A KR20100014057A KR101202415B1 KR 101202415 B1 KR101202415 B1 KR 101202415B1 KR 1020100014057 A KR1020100014057 A KR 1020100014057A KR 20100014057 A KR20100014057 A KR 20100014057A KR 101202415 B1 KR101202415 B1 KR 101202415B1
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
graphene
thermally conductive
slurry
conductive pad
stirring
Prior art date
Application number
KR1020100014057A
Other languages
English (en)
Other versions
KR20110094574A (ko
Inventor
박상철
Original Assignee
태경하이텍(주)
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 태경하이텍(주) filed Critical 태경하이텍(주)
Priority to KR1020100014057A priority Critical patent/KR101202415B1/ko
Publication of KR20110094574A publication Critical patent/KR20110094574A/ko
Application granted granted Critical
Publication of KR101202415B1 publication Critical patent/KR101202415B1/ko

Links

Images

Classifications

    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C08—ORGANIC MACROMOLECULAR COMPOUNDS; THEIR PREPARATION OR CHEMICAL WORKING-UP; COMPOSITIONS BASED THEREON
    • C08L—COMPOSITIONS OF MACROMOLECULAR COMPOUNDS
    • C08L83/00—Compositions of macromolecular compounds obtained by reactions forming in the main chain of the macromolecule a linkage containing silicon with or without sulfur, nitrogen, oxygen or carbon only; Compositions of derivatives of such polymers
    • C08L83/04—Polysiloxanes
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C08—ORGANIC MACROMOLECULAR COMPOUNDS; THEIR PREPARATION OR CHEMICAL WORKING-UP; COMPOSITIONS BASED THEREON
    • C08K—Use of inorganic or non-macromolecular organic substances as compounding ingredients
    • C08K3/00—Use of inorganic substances as compounding ingredients
    • C08K3/02—Elements
    • C08K3/04—Carbon
    • C08K3/042—Graphene or derivatives, e.g. graphene oxides
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C08—ORGANIC MACROMOLECULAR COMPOUNDS; THEIR PREPARATION OR CHEMICAL WORKING-UP; COMPOSITIONS BASED THEREON
    • C08K—Use of inorganic or non-macromolecular organic substances as compounding ingredients
    • C08K3/00—Use of inorganic substances as compounding ingredients
    • C08K3/34—Silicon-containing compounds
    • C08K3/36—Silica
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C08—ORGANIC MACROMOLECULAR COMPOUNDS; THEIR PREPARATION OR CHEMICAL WORKING-UP; COMPOSITIONS BASED THEREON
    • C08L—COMPOSITIONS OF MACROMOLECULAR COMPOUNDS
    • C08L101/00—Compositions of unspecified macromolecular compounds
    • C08L101/12—Compositions of unspecified macromolecular compounds characterised by physical features, e.g. anisotropy, viscosity or electrical conductivity
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C08—ORGANIC MACROMOLECULAR COMPOUNDS; THEIR PREPARATION OR CHEMICAL WORKING-UP; COMPOSITIONS BASED THEREON
    • C08L—COMPOSITIONS OF MACROMOLECULAR COMPOUNDS
    • C08L33/00—Compositions of homopolymers or copolymers of compounds having one or more unsaturated aliphatic radicals, each having only one carbon-to-carbon double bond, and only one being terminated by only one carboxyl radical, or of salts, anhydrides, esters, amides, imides or nitriles thereof; Compositions of derivatives of such polymers
    • C08L33/04—Homopolymers or copolymers of esters
    • C08L33/06—Homopolymers or copolymers of esters of esters containing only carbon, hydrogen and oxygen, which oxygen atoms are present only as part of the carboxyl radical
    • C08L33/08—Homopolymers or copolymers of acrylic acid esters
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C08—ORGANIC MACROMOLECULAR COMPOUNDS; THEIR PREPARATION OR CHEMICAL WORKING-UP; COMPOSITIONS BASED THEREON
    • C08K—Use of inorganic or non-macromolecular organic substances as compounding ingredients
    • C08K2201/00—Specific properties of additives
    • C08K2201/001—Conductive additives
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C08—ORGANIC MACROMOLECULAR COMPOUNDS; THEIR PREPARATION OR CHEMICAL WORKING-UP; COMPOSITIONS BASED THEREON
    • C08K—Use of inorganic or non-macromolecular organic substances as compounding ingredients
    • C08K2201/00—Specific properties of additives
    • C08K2201/002—Physical properties
    • C08K2201/005—Additives being defined by their particle size in general
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C08—ORGANIC MACROMOLECULAR COMPOUNDS; THEIR PREPARATION OR CHEMICAL WORKING-UP; COMPOSITIONS BASED THEREON
    • C08K—Use of inorganic or non-macromolecular organic substances as compounding ingredients
    • C08K2201/00—Specific properties of additives
    • C08K2201/011—Nanostructured additives

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Medicinal Chemistry (AREA)
  • Polymers & Plastics (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Compositions Of Macromolecular Compounds (AREA)
  • Carbon And Carbon Compounds (AREA)

Abstract

본 발명은 고분자 매트릭스에 그라핀을 분산시킨 열전도패드와 그의 제조방법에 관한 것으로써, 더욱 상세하게는 계면활성제가 포함된 분산매에 그라핀(graphene)을 분산시킨 그라핀 분산액 제조단계, 상기 그라핀 분산액을 고분자 용액 및 색소와 혼합한 제 1 슬러리 제조단계, 고분자 용액에 촉매, 상기 제 1 슬러리 및 크기가 형태가 다양한 열전도 파우더를 혼합하는 제 2 슬러리 제조단계, 및 상기 제 2 슬러리를 탈포하고 성형하여 열전도패드를 제조하는 단계를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 열전도패드의 제조방법에 관한 것이다.
본 발명에 의하면, 고열전도도를 가지는 그라핀을 다양한 형태, 크기를 가지는 열전도 파우더와 혼합하여 고분자 매트릭스에 충진함으로써 열전도도를 극대화하여 고열전도도를 가지는 열전도패드를 제조할 수 있다.

Description

고분자 매트릭스에 그라핀을 분산시킨 열전도패드와 그의 제조방법{Graphene dispersed polymer matrix and Thermal Pad and manufacturing method of Thermal Pad}
본 발명은 그라핀을 직접 분산하고 이를 다양한 형태 및 크기를 가지는 열전도 파우더와 혼합하여 열전도패드를 제조하는 방법에 관한 것이다.
전자 및 반도체 기술의 발달로 전자 소자의 성능이 발달됨에 따라 전자제품의 소형화, 고성능화가 비약적으로 진행되어 왔다. 이에 따라 전자소자에서 발생되는 열의 외부로의 방출을 통해 전자 소자의 성능 및 수명을 확보하는 것이 중요한 이슈가 되고 있다.
전자소자에서 발생되는 열은 케이스를 통해 외부로 원활히 방출되는 것이 가장 이상적인 방법이다. 그러나 전자소자와 케이스 사이에는 공간이 존재함으로써 복사를 통한 열전달이 이루어진다. 복사를 통한 열의 전달은 전도를 통한 열전도보다 효율이 떨어지므로 고열전도도를 가지는 매질이 필요하다.
종래의 열전도패드는 고분자매트릭스에 알루미나를 충진하여 전도율을 향상시키는 방법을 사용하여 왔다. 이는 저발열 소자에는 적용 가능하나 고발열 소자에 적용하는 데는 한계가 있고 알루미나의 충진율에 따라서 비중이 높아지는 문제가 발생되었다. 따라서 알루미나보다 우수한 열전도도를 가지며, 비중이 낮은 새로운 물질의 적용이 필요하게 되었다.
한편, 그라핀(Graphene)은 물리적, 화학적, 기계적, 열적 특성이 우수한 재료로서 다양한 분야에서 연구가 진행되고 있다. 그라핀은 탄소 원자들이 무수히 연결돼 6각형의 벌집 모양으로 수없이 쌓여있는 탄소원자 한 층으로 되어 있는 두께 0.35nm의 2차원 평면 형태의 얇은 막구조를 이루며, 현재 알려진 가장 얇은 물질이다. 그라핀은 상온에서 단위 면적당 구리보다 약 1,000배 많은 전류를 전달할 수 있을 뿐만아니라 최고의 열전도체인 다이아몬드보다 열전도성이 2배 이상 높고, 기계적 강도는 강철보다 200배 이상 강하다. 게다가 신축성이 좋아 늘리거나 접어도 전기 전도성을 잃지 않는다.
그라핀은 차세대 전자소재로 평가받는 탄소나노튜브(CNT)보다 더 우수한 물질로서, 그라핀을 말아서 원통형으로 만든 구조가 탄소나노튜브(CNT)이기 때문에 두 물질의 화학적 성질은 매우 비슷하나 감는 방향에 따라 도체와 반도체로 특성이 달라지는 CNT와는 달리 그라핀은 금속성을 균일하게 갖기 때문에 산업적으로 응용하기 쉽다.
그라핀의 경우 직경이 1nm수준에 불과하여 단독으로 존재하지 못하고 반데르발스(Vander Waals) 인력에 의한 응집이 발생하여 수십 내지 수백 nm의 번들 형상으로 존재한다. 이러한 그라핀을 열전도패드의 소재로 응용하기 위해서는 번들 현상 및 엉킴 현상 등의 응집현상을 극복하여야 한다. 응집된 그라핀의 경우 수㎛ 의 입자를 사용하는 것과 같은 효과로서 열전도도 구현에 있어서 3차원 네트워크 구조형성을 방해하고 입자 대비 열전도율이 감소되므로 응집현상은 필수적으로 극복하여야 하는 것이다.
즉, 그라핀은 우수한 열전도율을 가지며 비중이 낮아 단독 사용 또는 알루미나와의 혼용 사용으로 최종 단계의 열전도패드의 비중을 낮추어 줄 수 있는 좋은 소재이다. 그러나 그라핀의 고분자내 분산이 가장 큰 과제이다.
그라핀의 분산 방법은 용매, 계면활성제, 산처리 등을 이용한 화학적 분산 방법과 초음파, 볼밀링, 연마/마찰, 전단력 등을 이용한 기계적 분산방법으로 나눌 수 있다. 그러나, 어떤 방법을 통한 그라핀의 분산을 적용하더라도 분산 후의 재응집을 방지할 수 있는 기술 또한 필요하다.
그라핀을 고분자 재료와 직접 혼합하는 경우 이러한 응집을 컨트롤 할 수 없어 그라핀이 균일하게 분포되지 않는다. 이는 열전도패드 내부에 균일한 열전도율을 구현하지 못하게 하는 이유가 되며, 제품으로서의 기능을 발현하지 못하게 되는 문제점이 된다.
본 발명을 상기한 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 열전도 특성이 우수한 그라핀을 매트릭스 내부에 균일하게 분산시키며, 이를 통해 고열전도도를 가지는 열전도패드를 제조할 수 있는 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
따라서 본 발명에서는 그라핀을 페이스트 형태로 분산시키고 이를 고분자 매트릭스내에 단독 혼합이나 다양한 열전도 파우더와 함께 균일하게 혼합함으로써 재응집을 방지하여 고열전도율을 구현하고자 하였다.
상기한 목적을 달성하기 위한 일례로서 본 발명은, 1) 액상 실리콘 바인더 또는 액상 아크릴 바인더 중에서 선택된 분산매 79 내지 93 wt%에 그라핀(graphene) 1 내지 15 wt%와 계면활성제 3 내지 6 wt%를 혼합하고 롤밀을 사용하여 분산시키는 그라핀 분산액 제조단계, 2) 실리콘계 또는 아크릴계 고분자 용액 45 내지 90 wt% 와 색소 1 내지 5 wt%를 첨가하여 고속교반한 후 상기 그라핀 분산액 5 내지 50 wt%를 혼합하는 제 1 슬러리 제조단계, 3) 실리콘계 또는 아크릴계 고분자 용액 5 내지 15 wt%와 백금(Pt) 촉매 1 내지 5 wt%를 혼합한 후, 이 혼합물에 상기 제 1 슬러리 5 내지 30 wt% 및 열전도 파우더 60 내지 80 wt%를 투입하여 혼합하는 제 2 슬러리 제조단계, 및, 4) 상기 제 2 슬러리를 탈포하고 성형하여 열전도패드를 제조하는 단계를 포함하여 이루어지는 열전도패드의 제조방법을 특징으로 한다.
상기한 목적을 달성하기 위한 다른 일례로서 본 발명은, 상기한 방법으로 제조된 것으로 그라핀이 균일하게 분산된 열전도패드를 다른 특징으로 한다.
이하, 본 발명의 열전도패드 제조방법을 단계별로 구체적으로 설명한다.
1) 그라핀 분산액의 제조
분산매에 계면활성제와 함께 그라핀을 혼합하여 그라핀 분산액을 제조한다.
상기 분산매로는 실리콘계 또는 아크릴계 고분자 같은 액상 고분자 바인더를 사용할 수 있으며, 계면활성제로는 비이온성 계면활성제를 선택 사용한다. 분산매 중 그라핀은 1 내지 5 wt% 비율로 혼합하며, 그라핀 함량이 상기 범위를 초과하여 많을 경우에는 그라핀의 분산이 충분하지 않는 경향이 있다. 분산매 중 계면활성제는 3 내지 6 wt% 비율로 혼합하며, 계면활성제의 함량이 상기 범위를 초과하여 많을 경우에는 그라핀의 분산효과가 충분하지 않다.
분산매로서 실리콘계 액상 고분자를 사용하면 절연성, 내한성, 내열성, 및 내구성이 우수하여 지며, 아크릴계 액상 고분자를 사용하면 점착강도가 우수해지는 특성이 있다. 이와 같이 분산매를 다양하게 선택할 수 있으므로, 열전도패드의 물성 조절이 더욱 용이해진다.
한정하는 것은 아니지만 구체적으로 예를 들어, 비이온성 계면활성제로는 폴리솔베이트, 폴리에틸렌옥사이드, 폴리글리세린 모노알킬에테르, 및 라우릴디메틸아민옥사이드등 중에서 선택된 것을 사용할 수 있다.
상기 분산매와 계면활성제 및 그라핀은 롤밀을 사용하여 분산시킨다. 일반 교반기나 플래너터리 믹서 등를 사용해서 교반할 경우에는 그라핀의 분산성이 좋지 않아 뭉침 현상이 발생된다[도 1 참고]. 이는 교반 속도나 교반 시간을 조정하는 경우에도 해소되지 않아서, 즉, 기존의 방식인 일반 교반기나 플래너터리 믹서에서 2000 rpm으로 2시간동안 분산시켜도 그라핀이 실리콘계 고분자나 아크릴계 고분자 내부로 균일하게 분산되지않고 덩어리지는 현상이 발생하는 등 분산성이 떨어져서 이를 이용하여 슬러리를 제조하는 것이 불가능하다.
도 1에는 플래너터리 교반기를 이용했을 때와 3-롤밀(3-ROLL MILL)을 사용하여 실리콘과 그라핀을 분산시킨 결과를 나타낸 이미지이다.
상기한 방법에 의하여 그라핀의 균일하게 분산된 그라핀 분산액을 얻을 수 있으며, 이를 열전도패드 제조시 도입한다.
2) 그라핀이 분산된 슬러리의 제조
슬러리는 2 단계에 걸쳐서 제조되며, 각 단계에서 제조된 슬러리를 제 1 슬러리와 제 2 슬러리로 각각 칭하며, 슬러리는 상기 제 2 슬러리를 의미한다.
먼저, 제 1 슬러리는 실리콘계 고분자 용액 또는 아크릴계 고분자 용액에 색소(pigment)를 투입하여 분산시켜 열전도패드의 색상을 조절한다. 이는 최종 제품의 색상을 그레이(Gray)로 조정함으로써 먼지 및 기타 오염에 민감하지 않도록 하기 위함이다. 색소로는 한정하는 것은 아니지만 구체적으로 예를 들어 카본계 색소, 무기질계 색소 등을 사용하는 것이 열전도패드에 적합하다.
상기 실리콘계 고분자 용액 또는 아크릴계 고분자 용액과 색소는 1,500rpm 내지 3,000rpm의 속도로 30분 내지 2 시간, 바람직하기로는 1 시간 동안 고속교반하여 색소가 고분자 용액에 균일하게 분산되도록 한다. 여기에 상기 제조된 그라핀 분산액을 투입하여 1,500rpm 내지 3,000rpm의 속도로 1 시간 내지 3시간 바람직하기로는 2 시간 동안 플래너터리 믹서를 이용하여 교반함으로써 그라핀이 고분자 용액 내에 균일하게 분산되도록 한다. 색소는 상기 실리콘계 고분자 용액 또는 아크릴계 고분자 용액에 1 내지 5 wt% 범위로 투입한다.
제 2 슬러리는, 고분자 용액에 상기 제 1 슬러리와 열전도 파우더를 혼합하여 제조된다.
실리콘계 고분자 용액 또는 아크릴계 고분자 용액 5 내지 15 wt%와 금속(Pt) 촉매 1 내지 5 wt%를 혼합하고, 상기 제 1 슬러리를 투입하여 상온에서 교반하여 혼합하고, 열전도 파우더를 투입하여 제 2 슬러리를 제조한다. 상기 교반은 믹서, 특히 플레너타리 믹서(Planetary Mixer)를 사용하는 것이 좋다. 제 2 슬러리 중 상기 제 1 슬러리는 5 내지 30 wt% 범위로 투입하는 것이 높은 열전도도 특성을 발현의 측면에서 적합하다.
상기 열전도 파우더는 열전도도가 20 내지 40W/mK 인 것을 사용하는 것이 안정적인 분산성을 확보하는 측면에서 바람직하다. 열전도 파우더로는 실리카 또는 세라믹 분말을 사용하는 것이 좋으며, 구형 또는 무정형의 파우더를 사용할 수 있다. 열전도 파우더의 크기는 4 내지 40 ㎛ 인 것을 사용할 수 있으며, 바람직하기로는 구형의 열전도 파우더의 경우 직경이 5 내지 40 ㎛ 인 것으로 사용하는 것이 좋고, 무정형의 열전도 파우더의 경우 크기가 4 내지 20 ㎛ 인 것을 사용하는 것이 -실리콘계 고분자용액 또는 아크릴계 고분자용액과의 분산 상용성이 좋은- 측면에서 바람직하다. 열전도 파우더의 크기가 상기 범위보다 크면 실리콘계 고분자용액 또는 아크릴계 고분자용액과의 분산 상용성이 어려운 경향이 있어 바람직하지 않다.
이러한 열전도 파우더는 60 내지 80 wt%, 바람직하기로는 70 내지 80 wt% 범위로 투입한다. 열전도 파우더 사용량이 상기 범위 미만이면 열전도도 특성이 나오지 않고, 상기 범위를 초과하여 많으면 실리콘계 고분자용액 또는 아크릴계 고분자용액과의 분산이 어려운 경향이 있다.
열전도 파우더 중 구형 열전? 파우더가 많은 경우에는 실리콘계 고분자용액 또는 아크릴계 고분자용액과의 분산이 어려운 경향이 있고, 무정형 열전도 파우더가 많은 경우에는 실리콘계 고분자용액 또는 아크릴계 고분자용액과의 분산이 어렵고, 가격 대비 잇점이 적다. 따라서, 본 발명에서는 실리콘계 고분자용액 또는 아크릴계 고분자용액과의 적당한 분산성과 시장에서의 가격 경쟁적인 특성을 유지하기 위하여 구형 열전도 파우더와 무정형 열전도 파우더를 1 : 0.5 내지 1.5 중량비 비율로 조합하여 사용하는 것이 바람직하다.
본 발명에서는 상기 열전도 파우더를 분할방식으로 투입하며, 분할 기준은 열전도 파우더의 크기이다. 열전도 파우더는 입자가 작은 것부터 순차적으로 투입하는 것이 분산이 쉽고, 안정적인 열전도도를 나타내는 측면에서 바람직하다. 분할투입 횟수는 2 내지 5 회 수준으로 조절하고, 바람직하기로는 3 회 분할 투입하는 것이 좋다. 분할 투입 후 각 교반은 진공상태에서 선교반하고 진공을 끈 상압 상태에서 나머지 교반시간동안 교반하도록 하여 그라핀이 열전도 파우더와 균일하게 혼합될 수 있도록 한다.
상기 제 2 슬러리의 교반은 믹서, 특히 플레너타리 믹서(Planetary Mixer)를 사용하는 것이 좋으며, 믹서 내부를 76cmHg의 진공상태로 조절한 후 교반하도록 한다. 믹서 내부를 진공으로 가하면 분산 과정에서 발생되는 고분자내의 기포를 제거할 수 있다. 상기 제 2 슬러리 중 열전도 파우더의 분할투입시 프레너타리 믹서의 교반속도는 10 내지 20rpm, 교반시간은 각 분할투입시마다 10 내지 20 분이 되도록 하며, 각 교반 시간 중 5 내지 10분은 믹서의 내부를 76cmHg의 진공상태로 조절하여 교반하도록 하는 것이 좋다. 상기 교반 중 슬러리의 온도는 20 내지 30 ℃를 유지하도록 하였다. 슬러리의 온도가 상기 범위 미만으로 적으면 교반이 원활하게 이루어지지 않는 경향이 있고, 온도가 상기 범위를 초과하여 높게 되면 Pt 촉매와의 반응하는- 하는 경향이 있으므로, 가급적이면 상기 범위를 유지하도록 하는 것이 바람직하다.
상기와 같은, 열전도 파우더의 분할투입과 진공교반에 의하여 고분자 매트릭스 내의 그라핀과 실리카나 세라믹 등의 열전도 파우더 각 입자가 균일하게 충진되어 균일하고 최적의 열전도도(3 내지 10 W/mk 의 열전도도)를 나타내는 열전도패드의 제조가 가능하게 한다.
상기와 같은 과정에 의하여 슬러리를 제조한 후 슬러리를 탈포하는데, 이를 위하여 플레너타리 믹서의 교반 속도를 10 내지 20 rpm으로 하고 40 내지 60분간 진공상태에서 고속탈포하고, 플레너타리 믹서의 교반속도 1 내지 5rpm으로 조절하고 10 내지 20분간 진공상태에서 저속탈포를 진행한다. 고분자 매트릭스 내부에 기포가 존재할 경우 기포에 의하여 열전도도가 감소되는데 상기 탈포에 의하여 이를 방지할 수 있다.
3) 열전도패드의 성형
상기 그라핀이 분산된 슬러리로 열전도패드를 성형하는데, 성형을 위한 방법으로는 압출성형, 프레스성형, 및 콤마코팅성형-등의 방법을 사용할 수 있으며, 이외의 열전도패드의 성형을 위한 방법은 슬러리 제조를 위하여 사용된 고분자의 물성과 열전도패드의 특성을 저하시키지 않는 범위 내에서 당업자의 선택에 의해 이루어지며 이로써 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니다.
이러한 성형방법으로서, 코터법을 적용할 경우를 예를 들어 구체적으로 설명하면, 플레너터리 믹서에 프레스를 장착하고 슬러리를 토출하여 슬러리를 캐스팅 한 후 경화시켜 열전도패드를 제조할 수 있다. 상기 열전도패드 성형 후 패드 상부의 오염과 패드의 훼손을 방지하기 위하여 엠보싱처리된 이형필름을 추가 합지할 수 있다.
상기한 본 발명에 의하면, 그라핀을 직접 분산시킬 수 있으므로 그라핀을 고분자 매트릭스에 균일하게 분산시킬 수 있으며, 이를 도입하여 열전도 특성이 향상된 열전도패드를 제조할 수 있다.
또한, 본 발명에 의하면 그라핀 분산매과 슬러리 제조시 사용되는 고분자 용액의 선택에 의하여 열전도패드 제조시 작업성 및 제품의 물성을 조절할 수 있는 효과를 기대할 수 있다.
또한 본 발명에 의하면 열전도 파우더의 혼합사용 및 분산 투입으로 열전도패드의 열전도 특성을 더욱 향상시킬 수 있는 효과를 기대할 수 있다.
도 1은 실시예 1(a)과 비교예 1(b)에 의하여 실리콘 용액 중 분산된 그라핀의 모습을 나타낸 사진이다.
도 2는 실시예 3에 의하여 제조된 슬러리의 전자현미경 사진으로, 그라핀과 큰 사이즈의 열전도 파우더, 및 작은 사이즈의 열전도 파우더가 고분자 매트릭스(실리콘)내에 분산된 것을 나타낸 사진이다.
이하, 본 발명을 실시예 및 도면 등에 의하여 구체적으로 설명하겠는바, 본 발명이 다음 실시예 및 도면 등에 의하여 한정되는 것은 아니다.
실시예 1 및 2. 그라핀 분산액의 제조
바인더로서 실리콘계 고분자(TS-5100A, 동양실리콘, 한국) 87 wt%, 그라핀 10 wt%, Tween-80 3 wt%의 비율로 혼합하여 3-롤밀(ROLL MILL)을 이용하여 두께를 2 U 으로 설정 후 1시간 동안 반복교반하여 그라핀 분산액을 제조하였다[실시예 1]. 그라핀 분산액의 그라핀 분산 정도는 도 1 에 나타내어 확인하였으며, 도 1의 (a)에 나타난 바와 같이 그라핀이 균일하게 분산되었음을 알 수 있다.
상기 실리콘계 고분자 대신 아크릴계 고분자(JK-320, 진광화학, 한국)를 바인더로 사용하고, 동일한 조건에서 그라핀 분산액을 제조하였다[실시예 2].
비교예 1.
상기 실시예 1과 동일한 방법으로 그라핀 분산액을 제조하되, 분산수단으로서 플래너터리 믹서를 사용하여 200rpm으로 2시간동안 교반하였다. 그라핀 분산액의 그라핀 분산 정도는 도 1에 나타내어 확인하였으며, 도 1의 (b)에 나타난 바와 같이 그라핀의 분산이 균일하게 이루어지지 않았음을 알 수 있다.
실시예 3. 그라핀이 분산된 슬러리의 제조_실리콘계 고분자
실리콘계 고분자 용액(TS-5100A, 동양실리콘, 한국) 79 wt%에 색소(pigment)를 1 wt% 투입하여 고속 교반기를 이용하여 2,000 rpm의 속도로 60분간 색소를 분산시켜 열전도패드의 색상을 그레이로 조절하고, 상기 실시예 1에 의하여 제조된 그라핀 분산액 20 wt%를 투입한 다음 플레너타리 믹서(Planetary Mixer)를 사용하여 상온에서 2,000 rpm 으로 10 분간 교반하였다[제 1 슬러리]
실리콘계 고분자 용액(TS-5100B, 동양실리콘, 한국) 10wt% 에 Pt 촉매를 5 wt% 투입하고, 상기 제 1 슬러리를 5 wt% 투입한 다음 플레너타리 믹서(Planetary Mixer)를 사용하여 상온에서 2,000 rpm 으로 10 분간 교반하였다.
열전도 파우더로 평균직경 10 ㎛의 구형 실리카와, 평균직경 20 ㎛의 무정형 실리카를 1 : 1 중량비로 혼합하여 80 wt%를 준비하였다.
상기 플레너타리 믹서에 상기 열전도 파우더 중 직경이 10 내지 20 ㎛ 인 열전도 파우더를 전체 열전도 파우더 중량 기준으로 1/3 을 투입하고 2,000 rpm 으로 30 분간 76cmHg 진공분위기에서 선교반하고 진공을 끈 상태에서 2,000 rpm 으로 10 분간 교반하였다. 상기 열전도 파우더 중 직경이 20 내지 30 ㎛ 인 열전도 파우더를 전체 열전도 파우더 중량 기준으로 다음 1/3 을 투입하고 2,000 rpm 으로 30 분간 76cmHg 진공분위기로 선교반하고 진공을 끈 상태에서 2,000 rpm 으로 10 분간 교반하였으며, 남은 열전도 파우더 1/3을 투입하고 다시 2,000 rpm 으로 30 분간 76cmHg 진공분위기로 선교반하고 진공을 끈 상태에서 2,000 rpm 으로 10 분간 교반하여 제 2 슬러리를 제조하였다[제 2 슬러리].
상기와 같이 교반하여 얻어진 슬러리는 고분자 매트릭스(실리콘계 고분자) 내에 그라핀, 및 열전도 파우더 각 입자가 균일하게 충진되며, 이는 도 2 에 의하여 확인할 수 있다.
실시예 4. 그라핀이 분산된 슬러리의 제조_아크릴계 고분자
상기 실시예 3과 동일한 방법으로 슬러리를 제조하되, 고분자로서 아크릴계 고분자(JK-320, 진광화학, 한국) 를 사용하여 슬러리를 제조하였다.
실시예 5. 탈포 및 열전도패드의 성형
상기 실시예 3 및 4에 의하여 제조된 슬러리는, 플레너타리 믹서의 교반 속도를 15 rpm으로 하고, 50 분간 진공상태에서 고속 탈포하고, 교반속도 3 rpm으로 15 분간 진공상태에서 저속탈포하였다.
상기 실시예 3에 의하여 제조된 슬러리(실리콘계 고분자 사용)를 탈포하여 다음과 같은 방법으로 열전도패드를 성형하였다.
즉, 플레너타리 믹서의 반응기를 램 프레스(Lam press)에 장착하여 평균 20 psi 의 유압으로 믹서 내부에 제조된 슬러리를 토출하여 콤마코터(comma coater)헤드에 로딩하였다.
콤마코터의 갭(Gap)조절 장치를 통하여 성형체의 두께를 조정하며, 콤마코터에 불소 처리된 PET 이형필름에 상기 슬러리를 캐스팅(Casting)하였다. 상기 PET이형 필름상에 캐스팅된 슬러리를 에어 드라이 챔버(Air Dry Chamber)에 통과시켜 열경화시키는데, 이때 드라이 챔버는 5개의 건조(Drying) 구간, 4개의 가열(Heating, 130 내지 175℃)구간 및 1개의 냉각(cooling)구간으로 이루어지고, 상기 캐스팅된 슬러리는 이 챔버를 거치면서 가열과 건조 공정이 반복되다가 최종 냉각되어 성형된다.
최종 구간에서 성형된 열전도패드는 패드상부에 오염 및 패드의 훼손을 방지하기 위하여 엠보싱 처리된 이형필름을 추가 합지시켰다.
실험예 1. 그라핀의 분산성 확인
그라핀의 분산정도는 전자현미경에 의하여 확인할 수 있으며, 도 2 에 그 결과를 나타내었다.
도 2에 도시된 바에 의하면, 그라핀이 고분자 매트릭스와 열전도 파우더 사이에 균일하게 분산되었음을 확인할 수 있다.
실험예 2. 열전도패드의 열전도도 확인
실시예 3과 동일한 방법으로 제조하되, 그라핀을 사용하지 않은 슬러리로 실시예 5와 동일한 방법으로 제조한 열전도 패드와, 상기 실시예 3에 의하여 제조된 슬러리를 탈포하여 실시예 5에 의하여 제조된 본 발명의 그라핀이 분산된 열전도 패드를 열전도도 측정기(Thermal conductivity apparatus)(제조사 : Netzsch, 모델명 : Netzsch COM-88)를 이용하여 ASTM D5470의 방법으로 측정을 했을 때 기존 열전도 패드는 1.5W/mk 값이 나왔고, 그라핀이 분산된 열전도 패드는 3.2W/mk값이 나왔다.
상기한 결과로서, 본 발명에 의하면, 그라핀이 균일하게 분산된 슬러리를 제조할 수 있으며, 이를 사용하여 제조된 본 발명의 열전도 패드는 열전도 특성이 월등히 현저함을 확인할 수 있다.
이상에서 설명한 본 발명은 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능함은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명백할 것이다.
.

Claims (10)

1) 액상 실리콘 바인더 또는 액상 아크릴 바인더 중에서 선택된 분산매 79 내지 93 wt%에 그라핀(graphene) 1 내지 15 wt%와 계면활성제 3 내지 6 wt%를 혼합하고 롤밀을 사용하여 분산시키는 그라핀 분산액 제조단계,
2) 실리콘계 또는 아크릴계 고분자 용액 45 내지 90 wt% 와 색소 1 내지 5 wt%를 첨가하여 고속교반한 후 상기 그라핀 분산액 5 내지 50 wt%를 혼합하는 제 1 슬러리 제조단계,
3) 실리콘계 또는 아크릴계 고분자 용액 5 내지 15 wt%와 백금(Pt) 촉매 1 내지 5 wt%를 혼합한 후, 이 혼합물에 상기 제 1 슬러리 5 내지 30 wt% 및 열전도 파우더 60 내지 80 wt%를 투입하여 혼합하는 제 2 슬러리 제조단계, 및,
4) 상기 제 2 슬러리를 탈포하고 성형하여 열전도패드를 제조하는 단계
를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 열전도패드의 제조방법.
청구항 1에 있어서,
상기 계면활성제는 비이온성 계면활성제인 것을 특징으로 하는 열전도패드의 제조방법.
청구항 1에 있어서,
상기 열전도 파우더는 열전도도가 20 내지 40W/mK 범위인 것을 특징으로 하는 열전도패드의 제조방법.
청구항 1에 있어서,
상기 열전도 파우더는 직경이 4 내지 40 ㎛ 범위인 것을 특징으로 하는 열전도패드의 제조방법.
청구항 1에 있어서,
상기 열전도 파우더는 직경이 5 내지 40 ㎛ 범위인 구형의 파우더 또는 직경이 4 내지 20 ㎛ 범위인 무정형의 파우더인 것을 특징으로 하는 열전도패드의 제조방법.
청구항 1에 있어서,
상기 열전도 파우더는 실리카 또는 세라믹인 것을 특징으로 하는 열전도패드의 제조방법.
청구항 1에 있어서,
상기 열전도 파우더는 구형 파우더와 무정형 파우더를 1 : 0.5 내지 1.5 중량비 범위로 투입하는 것을 특징으로 하는 열전도패드의 제조방법.
청구항 1에 있어서,
상기 열전도 파우더는 입자의 크기가 작은 것부터 투입하며, 전체 열전도 파우더 투입량의 1/3을 먼저 투입하여 교반하고, 다음 1/3을 투입하여 교반한 다음 나머지 1/3을 투입하여 교반하는 분할투입방식으로 투여되는 것을 특징으로 하는 열전도패드의 제조방법.
청구항 1에 있어서,
상기 제 2 슬러리의 교반은 제 2 슬러리의 온도를 20 내지 30 ℃로 유지하며 열전도 파우더를 분할투입시 교반속도는 10 내지 20rpm, 교반시간은 각 분할투입시마다 10 내지 20 분이 되도록 하며, 각 교반 시간 중 5 내지 10분은 믹서의 내부를 76cmHg의 진공상태로 조절하여 미리 교반하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 열전도패드의 제조방법.
청구항 1 내지 9 중에서 선택된 어느 하나의 항에 의하여 제조된 것으로, 그라핀이 균일하게 분산된 열전도패드.


KR1020100014057A 2010-02-17 2010-02-17 고분자 매트릭스에 그라핀을 분산시킨 열전도패드와 그의 제조방법 KR101202415B1 (ko)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020100014057A KR101202415B1 (ko) 2010-02-17 2010-02-17 고분자 매트릭스에 그라핀을 분산시킨 열전도패드와 그의 제조방법

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020100014057A KR101202415B1 (ko) 2010-02-17 2010-02-17 고분자 매트릭스에 그라핀을 분산시킨 열전도패드와 그의 제조방법

Publications (2)

Publication Number Publication Date
KR20110094574A KR20110094574A (ko) 2011-08-24
KR101202415B1 true KR101202415B1 (ko) 2012-11-16

Family

ID=44930556

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020100014057A KR101202415B1 (ko) 2010-02-17 2010-02-17 고분자 매트릭스에 그라핀을 분산시킨 열전도패드와 그의 제조방법

Country Status (1)

Country Link
KR (1) KR101202415B1 (ko)

Families Citing this family (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101333260B1 (ko) * 2012-02-10 2013-11-26 동현전자 주식회사 고열 전도성 절연 재료용 수지 조성물 및 절연 필름
CN102634212B (zh) * 2012-04-23 2015-11-25 湖州明朔光电科技有限公司 一种导热硅脂组合物
CN106554626A (zh) * 2015-09-29 2017-04-05 中兴通讯股份有限公司 一种高导热石墨烯复合界面材料及其制备方法
KR20170088813A (ko) * 2017-07-25 2017-08-02 주식회사 지에이치엘 그래핀 하이브리드 물질을 이용한 기능성 성형 구조물
CN116218224A (zh) * 2022-12-28 2023-06-06 成都方大炭炭复合材料股份有限公司 一种石墨烯导热硅脂的制备方法

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2000001547A (ja) 1998-06-16 2000-01-07 Nok Corp カーボン−シリカ系ウエットマスターバッチの製造法
KR100722812B1 (ko) 2002-03-20 2007-05-30 쇼와 덴코 가부시키가이샤 도전성 경화성 수지 조성물, 그 경화체 및 그 제조 방법

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2000001547A (ja) 1998-06-16 2000-01-07 Nok Corp カーボン−シリカ系ウエットマスターバッチの製造法
KR100722812B1 (ko) 2002-03-20 2007-05-30 쇼와 덴코 가부시키가이샤 도전성 경화성 수지 조성물, 그 경화체 및 그 제조 방법

Also Published As

Publication number Publication date
KR20110094574A (ko) 2011-08-24

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Ren et al. Spray-assisted assembled spherical boron nitride as fillers for polymers with enhanced thermally conductivity
Chen et al. Thermal properties of epoxy resin based thermal interfacial materials by filling Ag nanoparticle-decorated graphene nanosheets
Mao et al. Spherical core-shell Al@ Al2O3 filled epoxy resin composites as high-performance thermal interface materials
KR101202415B1 (ko) 고분자 매트릭스에 그라핀을 분산시킨 열전도패드와 그의 제조방법
Fu et al. Thermal conductivity enhancement with different fillers for epoxy resin adhesives
KR101442070B1 (ko) 그래핀, 흑연나노플레이트, 카본나노튜브 및 나노금속으로 이루어진 복합체를 이용한 방열시트 및 그 제조방법
JP3948000B2 (ja) 高熱伝導性部材及びその製造方法ならびにそれを用いた放熱システム
WO2017143625A1 (zh) 一种高导热复合材料和由该材料制成的导热片及其制备方法
Niu et al. Spherical aggregated BN/AlN filled silicone composites with enhanced through-plane thermal conductivity assisted by vortex flow
Lin et al. Construction of a 3D interconnected boron nitride nanosheets in a PDMS matrix for high thermal conductivity and high deformability
CN105419345A (zh) 高导热组合物及制备方法及其导热垫片
KR101144888B1 (ko) 유연성을 갖는 열전 변환재, 이의 제조 방법 및 이를 포함하는 열전 소자
KR20160117472A (ko) 질화붕소 응집 입자, 질화붕소 응집 입자의 제조 방법, 그 질화붕소 응집 입자 함유 수지 조성물, 성형체, 및 시트
JP2003060134A (ja) 熱伝導性シート
CN109093108A (zh) 高定向石墨烯-碳纳米管混合铜基复合材料及其制备方法
EP3915939A1 (en) Filler composition, silicone resin composition, and heat dissipation component
JP6746443B2 (ja) 六方晶窒化ホウ素粉末
Chang et al. A reduced percolation threshold of hybrid fillers of ball-milled exfoliated graphite nanoplatelets and AgNWs for enhanced thermal interface materials in high power electronics
JP2014105297A (ja) シート状成形体
CN107325377B (zh) 高效石墨烯纳米改性散热材料及其制备方法
Wu et al. Novel in-situ constructing approach for vertically aligned AlN skeleton and its thermal conductivity enhancement effect on epoxy
Choi et al. Enhanced thermal and electrical properties of hybrid polymer composites containing Al2O3 microspheres and nanowires
KR101699606B1 (ko) 탄소 필러 및 금속 분말을 포함하는 열전도성 고분자 조성물 및 이의 제조방법
KR101213031B1 (ko) 고분자 매트릭스에 팽창 그라파이트를 분산시킨 열전도 패드의 제조방법
KR20180001609A (ko) 질화보론/폴리머 복합체의 제조방법

Legal Events

Date Code Title Description
A201 Request for examination
E701 Decision to grant or registration of patent right
GRNT Written decision to grant
LAPS Lapse due to unpaid annual fee