KR101265666B1 - 열전도 후막시트 및 그 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명의 열전도 후막시트는 85~92wt%의 고분자 매트릭스와, 상기 고분자 매트릭스 내부에 분산되는 1.0~3.5wt%의 탄소나노튜브 및 상기 탄소나노튜브 사이에 균일하게 분산되는 6~13wt%의 그래파이트(graphite)를 포함하는 것을 특징으로 한다.
이에 따라 본 발명의 열전도 후막시트는 열전도특성이 우수한 탄소나노튜브의 균일한 분산을 통하여 고분자 매트릭스 내부에 탄소나노튜브를 균일하게 분포시킴으로써 고열전도도를 가지는 효과가 있다.

Description

열전도 후막시트 및 그 제조방법{HEAT CONDUCTING THICK FILM SHEET AND MANUFACTURING METHOD THEREOF}

본 발명은 열전도 후막시트 및 그 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 열전도특성이 우수한 탄소나노튜브(CNT)와 그래파이트(graphite)를 포함하는 열전도 후막시트 및 그 제조방법에 관한 것이다.

전자 및 반도체 기술의 발달로 전자소자의 성능이 발달됨에 따라 컴퓨터 등의 각종 전자, 전기 기기에 탑재된 반도체 소자나, 발열부품 등의 냉각문제가 주요 이슈가 되고 있다. 이러한 부품의 냉각 방법으로는 팬(fan)을 설치하여 냉각하거나, 히트 파이프(heat pipe), 히트 싱크(heat sink), 핀(fin) 등의 열전도체를 설치하여 발생된 열을 외부로 전도하여 냉각하는 방법이 일반적이다.

반도체 소자 등의 발열부품은 제품의 소형화되고 발열량이 커지는 경향이 있어 이러한 히트 파이프, 히트 싱크 및 팬 등의 열전도 부품을 케이스 내부에 설치하는 공간이 제한되고 있다. 따라서, 전자소자에서 발생되는 열은 케이스를 통해 복사를 통한 열전달이 이루어지도록 하여 케이스 외부로 열을 원활히 방출되도록 하는 방법을 채택하고 있다.

그러나, 전자소자와 케이스 사이에는 공간이 존재함으로써 복사를 통한 열전달이 이루어지는데 이러한 복사를 통한 열전달은 히트 파이프, 히트 싱크 및 팬 등의 열전도 부품을 이용하는 전도를 통한 열전달보다 효율이 떨어지므로 고열전도도를 가지는 매질이 필요하다.

종래의 열전도 후막시트는 고분자 매트릭스에 알루미나를 충전하여 전도율을 향상시키는 방법을 사용하여 왔다. 이는 저발열 소자에는 적용가능하나 고발열 소자에 적용하는 데는 한계가 있고, 알루미나의 충진율에 따라서 비중이 높아지는 문제가 발생되었다.

일본공개특허 특개2009-292694호(공개일: 2009.12.17)

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은, 열전도특성이 우수한 탄소나노튜브의 균일한 분산을 통하여 고분자 매트릭스 내부에 균일하게 분포시키며, 이를 통하여 고열전도도를 가지는 열전도 후막시트 및 그 제조방법을 제공하는 것이다.

상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명의 열전도 후막시트는 85~92wt%의 고분자 매트릭스와, 상기 고분자 매트릭스 내부에 분산되는 1.0~3.5wt%의 탄소나노튜브 및 상기 탄소나노튜브 사이에 균일하게 분산되는 6~13wt%의 그래파이트(graphite)를 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기 그래파이트는 편상입자인 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 열전도 후막시트의 제조방법은 고분자 매트릭스에 아크릴계 바인더를 투입하여 초음파로 1차 분쇄시키고 분쇄된 고분자 매트릭스에 경화제를 투입하여 경화시킨 후 2차 분쇄시켜 고분자 매트릭스 분산액을 제조하는 제 1 단계와, 제조된 85~92wt%의 고분자 메트릭스 분산액과 1.0~3.5wt%의 탄소나노튜브 및 6~13wt%의 그래파이트(graphite)를 교반시켜 분산시키는 제 2 단계와, 교반된 혼합물을 라미네이팅하는 제 3 단계를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.

또한, 제 2 단계시 상기 그래파이트는 편상입자인 것을 특징으로 한다.

아울러, 제 2 단계시에 볼밀을 이용하여 볼이 없는 상태에서 1500~2500rpm으로 3~7시간 교반하는 것을 특징으로 한다.

또, 제 3 단계 라미네이팅시 불소 처리된 PET이형 필름을 합지시켜도 무방하다.

또한, 불소 처리된 PET이형 필름을 합지후에 형성된 고분자 매트릭스 상부에 엠보싱 처리된 이형 필름을 추가로 합지시켜도 무방하다.

상기와 같은 구성에 의한 본 발명의 열전도 후막시트 및 그 제조방법은 열전도특성이 우수한 탄소나노튜브의 균일한 분산을 통하여 고분자 매트릭스 내부에 탄소나노튜브를 균일하게 분포시킴으로써 고열전도도를 가지는 효과가 있다.

또한, 본 발명에 따른 열전도 후막시트 및 열전도 후막시트 제조방법은 탄소나노튜브의 직접 분산을 통해 분산에 소요되는 비용을 절감할 수 있는 효과가 있다.

도 1은 본 발명에 따른 열전도 후막시트 제조방법을 나타낸 순서도.
도 2는 볼밀(ball mill)로 교반한 상태를 나타낸 미세조직사진.
도 3은 본 발명에 의해 제조된 열전도 후막시트를 노트북(notebook) 기판에 부착후에 열화상카메라로 관찰한 상태를 나타낸 도면.

이하, 본 발명의 열전도 후막시트 및 그 제조방법을 도면을 참조하여 상세히 설명한다.

본 발명에 따른 열전도 후막시트는 85~92wt%의 고분자 매트릭스와, 상기 고분자 매트릭스 내부에 분산되는 1.0~3.5wt%의 탄소나노튜브 및 상기 탄소나노튜브 사이에 균일하게 분산되는 6~13wt%의 그래파이트(graphite)를 포함한다.

상기 탄소나노튜브는 방열 및 차폐특성을 가지며, 상기 그래파이트는 분산성 및 유동성을 향상시켜 탄소나노튜브가 고분자 매트릭스 내부에 고르게 분산되도록 하여 방열효과를 향상시키고 최종 제품 형성 시 균일한 열전도도 및 최적의 열전도도를 갖도록 한다.

이때, 탄소나노튜브의 입자크기는 지름 20nm이하이고, 길이는 10㎛이하이다. 상기 탄소나노튜브의 입자크기가 너무 크면 분산성 및 유동성이 저하되어 열전도특성이 저하되므로 적당한 크기를 갖도록 한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 열전도 후막시트 제조방법을 나타낸 순서도이다.

도 1에 도시한 바와 같이 본 발명에 따른 열전도 후막시트 제조방법은 고분자 매트릭스에 아크릴계 바인더를 투입하여 초음파로 1차 분쇄시키고 분쇄된 고분자 매트릭스에 경화제를 투입하여 경화시킨 후 2차 분쇄시켜 고분자 매트릭스 분산액을 제조하는 제 1 단계와, 제조된 85~92wt%의 고분자 메트릭스와 1.0~3.5wt%의 탄소나노튜브 및 6~13wt%의 그래파이트(graphite)를 교반시켜 페이스트(paste) 형상으로 분산시키는 제 2 단계와, 교반된 혼합물을 라미네이팅하는 제 3 단계를 포함하여 이루어진다.

이때, 상기 아크릴계 바인더는 고분자 매트릭스 형성 시 작업성 및 제품의 물성을 조절하기 위하여 아크릴계 바인더의 종류를 선택적으로 적용하는 것이 가능하다.

아울러, 상기 제 2 단계시에 볼밀을 이용하여 볼이 없는 상태에서 1500~2500rpm으로 3~7시간 교반하는 것이 바람직하다.

볼을 사용하거나, 빠른 속도로 교반하거나, 너무 오랜시간 교반하게 되면 탄소나노튜브 및 그래파이트의 형상이 변형되어 방열효과를 저하시키게 되며, 너무 느린 속도로 교반하거나, 짧은 시간 교반하게 되면 탄소나노튜브의 유동특성이 저하되므로 고르게 분산되지 않아 방열효과를 저하시키게 되므로 적당한 속도와 적당한 시간으로 교반하는 것이 바람직하다.

또한, 상기 제 3 단계 라미네이팅시에는 에어프레싱으로 실시하며 압력범위는 5~150kg/f이다. 압력이 너무 크면 탄소나노튜브의 형상파괴에 따른 열전도특성이 저하되거나, 압력이 너무 작으면 열전도후막시트의 접착력이 약하여 강도가 저하되므로 적당한 압력으로 라미네이팅한다.

도 2는 볼밀(ball mill)로 교반한 상태를 나타낸 미세조직사진을 나타낸다.

(a)는 일반적인 방법으로 교반한 것을 나타내며, (b)는 볼밀로 교반하되 볼이 없는 상태에서 교반한 것을 나타낸다.

일반적인 방법으로 교반한 것에 비해 볼밀로 볼이 없는 상태에서 교반한 것이 고분자 메트릭스에 탄소나노튜브 및 그래파이트(graphite)가 고르게 분산된 것을 알 수 있다.

도 3은 아크릴 바인더에 분산된 탄소나노튜브(CNT)함량별 미세조직사진을 나타낸다.

상기 탄소나노튜브의 함량이 많을수록 표면저항도가 낮아져 열전도특성이 향상되나 너무 많으면 탄소나노튜브의 분산성 및 유동성이 낮아져 열전도특성이 오히려 저하되므로 적당한 함량을 갖도록 한다.

아울러, 교반시의 온도는 20~30℃로 유지하며, 기포발생을 억제하기 위하여 76cmHg의 진공을 가하여 교반을 하도록 한다. 혼합물 내부에 기포가 존재할 경우 기포에 의한 열전도도가 감쇄되기 때문에 이를 방지하기 위함이다.

아울러, 압연시 불소 처리된 PET(Polyester)이형 필름을 합지시켜도 무방하다.

PET이형 필름이 합지된 열전도 후막시트는 에어 드라이어 챔버에 통과시켜 열경화되도록 한다.

또한, 불소 처리된 PET이형 필름을 합지후에 형성된 고분자 매트릭스 상부에 오염 또는 훼손을 방지하는 엠보싱 처리된 이형 필름을 추가로 합지시켜도 무방하다.

도 4는 본 발명에 의해 제조된 열전도 후막시트를 노트북(notebook) 기판에 부착후에 열화상카메라로 관찰한 상태를 나타낸 도면이다.

(a)는 열전도 후막시트를 부착하지 않은 상태이고 (b)는 열전도 후막시트를 부착한 상태를 나타낸다.

열전도 후막시트를 부착하지 않은 상태에서는 열이 가장 많이 발생하는 부위가 약 52~53℃의 온도 분포를 가지며, 열전도 후막시트를 부착한 상태에서는 열이 가장 많이 발생하는 부위가 45~47℃의 온도분포를 가져 방열효과가 향상됨을 알 수 있다.

도 5는 본 발명에 의해 제조된 열전도 후막시트를 LCD 모니터에 부착후에 열화상카메라로 관찰한 상태를 나타낸 도면이다.

(a)는 열전도 후막시트를 부착하지 않은 상태이고 (b)는 열전도 후막시트를 부착한 상태를 나타낸다.

열전도 후막시트를 부착하지 않은 상태보다 열전도 후막시트를 부착한 상태가 방열효과가 향상됨을 알 수 있다.

상기한 바와 같이 제조된 본 발명에 따른 열전도 후막시트는 열전도특성이 우수한 탄소나노튜브의 균일한 분산을 통하여 고분자 매트릭스 내부에 탄소나노튜브를 균일하게 분포시킴으로써 고열전도도를 가지는 효과가 있다.

또한, 본 발명에 따른 열전도 후막시트는 탄소나노튜브의 직접 분산을 통해 분산에 소요되는 비용을 절감할 수 있는 효과가 있다.

아울러, 페이스트 분산에 아크릴계 바인더의 종류를 선택적으로 적용함으로써 고분자 매트릭스의 형성 시 작업성 및 제품의 물성을 조절할 수 있는 효과가 있다.

본 발명의 상기한 실시예에 한정하여 기술적 사상을 해석해서는 안된다. 적용범위가 다양함은 물론이고, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당업자의 수준에서 다양한 변형 실시가 가능하다. 따라서 이러한 개량 및 변경은 당업자에게 자명한 것인 한 본 발명의 보호범위에 속하게 된다.

Claims (7)

1. 삭제
2. 삭제
3. 고분자 매트릭스에 아크릴계 바인더를 투입하여 초음파로 1차 분쇄시키고 분쇄된 고분자 매트릭스에 경화제를 투입하여 경화시킨 후 2차 분쇄시켜 고분자 매트릭스 분산액을 제조하는 제 1 단계와,
   제조된 85~92wt%의 고분자 메트릭스 분산액과 1.0~3.5wt%의 탄소나노튜브 및 6~13wt%의 그래파이트(graphite)를 교반시켜 분산시키는 제 2 단계와,
   교반된 혼합물을 압연하는 제 3 단계를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 열전도 후막시트 제조방법.
4. 제 3 항에 있어서,
   상기 제 2 단계시 상기 그래파이트는 편상입자인 것을 특징으로 하는 열전도 후막시트 제조방법.
5. 제 4 항에 있어서,
   상기 제 2 단계시에 볼밀을 이용하여 볼이 없는 상태에서 1500~2500rpm으로 3~7시간 교반하는 것을 특징으로 하는 열전도 후막시트 제조방법.
6. 제 5 항에 있어서,
   상기 제 3 단계 압연시 불소 처리된 PET이형 필름을 합지시켜는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 열전도 후막시트 제조방법.
7. 제 6 항에 있어서,
   불소 처리된 PET이형 필름을 합지후에 형성된 고분자 매트릭스 상부에 엠보싱 처리된 이형 필름을 추가로 합지시키는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 열전도 후막시트 제조방법.

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