KR101359350B1 - 높은 열전도율과 탄성회복률을 구비한 소재 및 이를 적용한 복합소재 - Google Patents

Abstract

본 발명은 열전도소재를 개시한다. 본 발명의 일 측면에 따르면, 실리콘 수지, 우레탄 수지, 아크릴 수지 또는 스타이렌 수지로 형성되는 탄성입자; 및 상기 탄성입자의 표면에 결합하는 열전도성 입자;를 포함하는 열전도 소재가 제공된다.

Description

높은 열전도율과 탄성회복률을 구비한 소재 및 이를 적용한 복합소재 {Material with high thermal conductivity and elastic recovery modulus and composite material using thereof}

본 발명은 열전도 소재에 관한 것으로, 보다 상세하게는 높은 열전도율과 탄성회복률을 구비한 소재 및 이를 적용한 복합소재에 관한 것이다.

일반적으로 열전도 소재에 요구되는 물성은 크게 높은 열전도도와 낮은 점도를 구비할 것이 요구된다. 이 중 높은 열전도도는 열을 잘 전달하기 위해 요구되는 기본특성이고, 낮은 점도는 열이 전달되어야 하는 두 물체 사이에서 최대한 접합 면적을 확보하기 위해 요구되는 특성이다.

현재, 기판과 기판 사이에 열전도를 위해 고열전도성 입자를 배치시키는 경우, 대부분의 고열전도성 입자는 높은 결정화도를 가지기 때문에 강직한 성질을 가져 매우 좁은 면적만이 접촉한다는 문제가 있다. 따라서, 상술한 기본적인 특성을 만족하도록 하기 위해 최근에 개발되고 있는 열전도성 소재의 경우, 대부분 저열전도성 수지에 고열전도성 입자를 분산한 형태를 기본으로 하고 있다. 예를 들어, 저열전도도를 갖는 고분자수지에 열전도성 입자로 알루미나, 보론 니트리드(boron nitride) 등 고열전도성 세라믹을 섞어 상기 고분자수지에 분산하도록 하여 사용하고 있다.

도 1에는 종래기술에 따른 열전도소재가 개시되어 있는 바 도면을 참고하면, 기판(12) 사이에 열전도를 행하기 위해 저열전도성 고분자수지(10) 내에 고열전도성 세라믹 입자(11)를 분산시킨 열전도소재가 개시된다. 그러나, 상술한 바와 같이, 고분자수지(10)에 섞인 세라믹 입자(11)들은 일정 분율이 증가하게 되면, 점차 고분자수지(10)의 점도가 증가하여 접합면적이 감소하게 된다는 문제가 있다. 또한, 고분자수지(10) 속에 분산된 고열전도도 입자인 세라믹 입자(11)들은 모두 저열전도도를 갖는 고분자수지(10) 속에 파묻히게 되어, 열전도도가 제한되게 된다는 문제가 있다. 따라서, 상술한 바와 같은 방법으로는 높은 열전도도와 낮은 점도를 구비하는 열전도소재를 구현하기는 상당히 어렵다는 문제가 있다.

본 발명의 실시예들은 상기와 같은 문제점을 해소하기 위한 것으로, 고분자수지 또는 연성 금속과 같은 탄성을 지닌 입자의 표면에 고열전도성 입자를 코팅한 높은 열전도율과 탄성회복률을 구비한 소재 및 이를 적용한 복합소재를 제공하고자 한다.

본 발명의 일 측면에 따르면, 실리콘 수지, 우레탄 수지, 아크릴 수지 또는 스타이렌 수지로 형성되는 탄성입자; 및 상기 탄성입자의 표면에 결합하는 열전도성 입자;를 포함하는 열전도 소재를 제공할 수 있다.

상기 탄성입자의 탄성률은 0.01GPa 내지 100GPa 사이이고, 상기 고열전도성 입자의 열전도율은 1.0W/mK 내지 2000W/mK 사이인 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 탄성입자의 크기는 1㎛ 내지 100mm 사이이고, 상기 고열전도성 입자의 크기는 1nm 내지 1mm 이하인 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 고열전도성 입자는 탄성입자의 표면에 결합하되, 상기 고열전도성 입자는 30% 이상 100% 이내의 면적분율을 갖도록 상기 탄성입자의 표면을 덮도록 형성할 수 있다.

또한, 상기 탄성입자의 표면에 결합하는 고열전도성 입자에 추가적인 표면처리를 행하여 코어쉘(core-shell) 형상으로 형성하는 것을 가능하도록 한다.

또한, 상술한 바와 같은 방법으로 제조된 높은 열전도율과 탄성회복률을 구비한 소재를 열전도체로 사용하여 복합소재를 제조하는 것도 가능하다.

본 발명의 실시예들은 열을 전도하는 포논(phonon)이 고분자수지 내에서 분산되지 않고 입자 표면을 따라 전도되기 때문에 높은 열전도 특성을 확보하는 것이 가능하다.

또한, 본 발명의 실시예들에 따른 소재를 사용하여 비등방성 필름을 제조하게 되면 프리 스탠딩 필름(free standing film)으로 작용하여 높은 열전도도를 확보할 수 있는 기술적 장점이 있다.

도 1은 종래기술에 따른 열전도 소재를 도시한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 열전도소재를 개시한다.
도 3a 내지 도 3c는 본 발명의 일 실시예에 따른 열전도소재의 제조방법을 도시한다.

이하, 도면을 참고하여 본 발명의 일 실시예에 따른 열전도소재의 구성에 대하여 설명한다.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 열전도소재를 도시하고, 도 3a 내지 도3c는 도 2에 도시된 열전도소재의 제조공정을 도시한다.

도 2를 참고하여 본 발명의 일 실시예에 따른 열전도소재를 설명하면, 탄성을 갖는 고분자수지로 형성되는 탄성입자(130)의 표면에 고열전도성 입자(110)를 표면코팅 처리하도록 한 기술을 특징으로 한다. 따라서, 본 발명의 일 실시예에 따른 열전도소재(100)는 코어에 해당하는 고분자수지로 형성되는 탄성입자(130)는 탄성을 갖도록 형성되고, 그 표면에 형성되는 고열전도성 입자(110)는 상기 탄성입자(130)의 표면에 집중되도록 형성하는 것에 의해, 열전도 경로를 상기 열전도소재(100)의 표면에 형성하여 열전도율을 높이도록 하는 것과 동시에, 탄성을 갖는 고분자수지로 형성되는 탄성입자(130)에 의해 탄성을 유지하도록 함으로써, 열전도소재(100)의 특성으로 요구되는 높은 열전도성과 낮은 점도를 확보할 수 있도록 한다.

한편, 상술한 바와 같은 본 발명의 일 실시예에 따른 열전도소재(100)의 제조공정을 도 3a 내지 도 3c를 참조하여 살펴보면 다음과 같다.

우선, 도 3a에 도시한 바와 같이, 고분자수지로 형성되는 탄성입자(130)를 준비한다. 이러한 탄성입자(130)는 1㎛ 내지 100mm 이하의 크기를 갖도록 형성되며, 보다 바람직하게는 5㎛ 내지 200㎛ 이하의 크기를 갖도록 형성하도록 한다.

더 나아가, 상기 탄성입자(130)의 크기 분산도는 입도 분포 곡선을 기준으로 할 때, D50을 중심으로 D10과 D90이 D50의 수치의 1/2과 2 이하로 형성하는 것이 바람직하다.

또한, 상기 탄성입자(130)의 탄성률(modulus of elasticity)은 0.01GPa 내지 100GPa 사이에 형성하도록 하는 것이 바람직하다. 또한, 상기 탄성입자(130)는 모든 종류의 고분자수지를 사용하여 제작하는 것이 가능하나, 특히 실리콘수지, 우레탄수지, 아크릴수지, 스타이렌수지 등을 사용하여 제작하는 것이 가능하다.

상술한 바와 같이 준비된 탄성입자(130)에 고속회전복합법(hybridization)을 적용하여, 상기 탄성입자(130) 표면에 고열전도성 입자(110)를 형성한다. 상기 고속회전복합법은 고속으로 회전하는 칼날을 가진 장치에 두 종류의 입자를 혼합하여 투입한 후, RPM, 시간 및 온도를 조절하여 상기 탄성입자(130)의 표면에만 고열전도성 입자(110)를 부착시킬 수 있도록 하는 방법이다.

한편, 상기 고열전도성 입자(110)의 열전도율은 1.0W/mK 내지 2000W/mK 사이의 것을 사용하는 것이 가능하다. 또한, 상기 고열전도성 입자(110)의 크기는 1nm 내지 1mm 이하의 것을 사용하는 것이 가능하다. 따라서, 상술한 바와 같이 형성되는 열전도소재(100)의 상기 고열전도성 입자(110)의 크기는 탄성입자(130)의 입자 크기의 1/100 내지 1/100,000,000 사이에 해당될 수 있다.

상술한 바와 같이 형성되는 열전도소재(100)는 그 자체로도 사용하는 것이 가능하나, 도 3c에 도시되어 있는 바와 같이 추가적인 표면처리(sol-gel process)를 통해서 코어쉘(core-shell) 입자를 제조하여 사용하는 것도 가능하다.

본 발명의 일 실시예에 따른 열전도소재(100)는 그 자체로도 사용이 가능하나, 일반적으로 사용되고 있는 고분자수지와 혼합하여 기존 열전도소재와 같은 방식으로 사용하는 것도 가능하다. 이 경우, 열전도성 입자의 부피 분율을 적게 사용하고도 보다 높은 열전도도를 확보할 수 있는 기술적 장점을 가질 수 있다. 이에 더 나아가, 비등방성 구조를 갖는 형태, 예를 들어 입자를 수평방향으로 배열하고 중심에 해당하는 부분만을 고분자수지로 경화시키도록 하여 상하부는 오픈되어 있는 형태를 갖는 열전도소재를 제조할 수 있는 바, 이와 같은 열전도소재의 경우 열전도소재에 요구되는 특성을 보다 강화할 수 있어, 높은 열전도도를 지니면서도 탄성회복이 가능한 프리 스탠딩 필름(free standing film)을 제조하는 것이 가능하다. 이 경우, 상기 고열전도성 입자(110)는 30% 이상 100% 이내의 면적분율을 갖도록 상기 탄성입자(130)의 표면을 덮도록 하는 것이 가능하다.

직경 20㎛의 지름을 갖는 폴리스타이렌 입자(제조원 : soken chemical)와 1600W/mK의 열전도도를 갖는 탄소나노튜브(carbon nano tube, 시그마알드리치)를 중량비 1:0.1의 비율로 혼합한다. 이후 상기 혼합물 10g을 고속회전복합장치에 투입하여 8000rpm에서 10분간 혼합회전시킨다. 이 후, 상기 혼합물을 고속회전복합장치에서 꺼내면 상기 폴리스타이렌 입자의 표면에 탄소나노튜브가 결합하여 높은 열전도도를 갖는 탄성입자가 제조된다.

직경 1mm의 지름을 갖는 폴리에틸렌 입자(제조원 : LG 화학)와 1300W/mK의 의 열전도도를 갖는 다이아몬드 5um 입자(제조권 : 일진다이아몬드)를 중량비 10:1로 혼합한다. 이후, 상기 혼합물 10g을 고속회전복합장치에 투입하여 6000rpm에서 10분간 혼합시킨다. 이 후, 상기 혼합물을 고속회전복합장치에서 꺼내면 상기 폴리에틸렌 입자의 표면에 다이아몬드 입자가 결합하여 높은 열전도도를 갖는 탄성입자가 제조된다.

실시예 2에서 제조된 탄성입자를 사용하여 비등방성 열전도필름을 제조한다. 구체적으로, 유리기판 위에 5um로 PMMA-톨루엔 용액을 코팅한 후, 이 위에 상기 실시예 2에서 제조된 탄성입자를 뿌려준다. 이 후 유리기판을 거꾸로 뒤집어 추가 코팅이 행해진 탄성입자를 제거한 후, 상기 PMMA 수지에 남아 있는 톨루엔을 80도로 경화하여 제거하도록 한다. 그리고, 단단히 고정되어 있는 PMMA 필름 위에 박혀있는 탄성입자 위에 실리콘 레진을 톨루엔에 희석하여 코팅을 행하도록 한다. 이후 상기 실리콘 레진을 온도상승을 통해 경화시키고 아세톤 용매로 하단의 PMMA 레진을 제거하도록 한다. 이를 통해, 중심부가 실리콘 수지로 바인딩되고, 상하부가 노출되는 비등방성 탄성열전도필름을 제조할 수 있다.

이상에서의 서술은 특정의 실시예와 관련한 것으로, 청구범위에 의해 나타난 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 한도 내에서 다양한 개조 및 변화가 가능하다는 것을 당 업계에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구나 쉽게 알 수 있을 것이다.

100: 연전도소재 110: 고열전도성 입자
120: 기판 130: 탄성입자

Claims (8)

1. 실리콘 수지, 우레탄 수지, 아크릴 수지 또는 스타이렌 수지로 형성되는 탄성입자; 및
   상기 탄성입자의 표면과 고속회전복합법을 통해 결합하는 열전도성 입자를 포함하는 열전도 소재.
   
2. 청구항 1에 있어서,
   상기 탄성입자의 탄성률은 0.01GPa 내지 100GPa 사이인 열전도 소재.
   
3. 청구항 1에 있어서,
   상기 열전도성 입자의 열전도율은 1.0W/mK 내지 2000W/mK 사이인 열전도 소재.
   
4. 청구항 1에 있어서,
   상기 탄성입자의 크기는 1㎛ 내지 100mm 사이인 열전도 소재.
   
5. 청구항 1에 있어서,
   상기 열전도성 입자의 크기는 1nm 내지 1mm 이하인 열전도 소재.
   
6. 청구항 1에 있어서,
   상기 열전도성 입자는 탄성입자의 표면에 결합하되, 상기 열전도성 입자는 30% 이상 100% 이내의 면적분율을 갖도록 상기 탄성입자의 표면을 덮는 열전도 소재.
   
7. 삭제
8. 청구항 1 내지 6항 중 어느 한 항으로 제조된 열전도 소재를 열전도체로 사용하는 복합소재.
   
   

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