KR101378500B1 - 방열 플라스틱 조성물이 코팅된 히트싱크 장치 - Google Patents

방열 플라스틱 조성물이 코팅된 히트싱크 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 금속성 히트싱크 장치의 외표면에 일정한 두께로 코팅됨으로써 방열을 위한 반응 표면적을 향상시켜 금속성 히트싱크 장치로만 이루어진 기존의 히트싱크 장치보다 방열 성능을 향상시킬 수 있으며, 금속성 히트싱크 장치의 외표면에 액상의 상태로 코팅된 후 경화되어 히트싱크 장치 내부의 열을 외부로 방열시키기 위한 방열 플라스틱 조성물이 코팅된 히트싱크 장치에 관한 것이다. 이때 본 발명에서 코팅제로 사용되는 방열 플라스틱 조성물은 폴리실록산 13~17 중량%, 알코올 32.0~40.2 중량%, 물 18.5~20.7 중량%, 무기충진제 17.0~18.7 중량%, 무기안료 15.5~25.1 중량%를 포함하여 구성된다.

Description

방열 플라스틱 조성물이 코팅된 히트싱크 장치 {HEATSINK DEVICE COATED WITH RADIATING PLASTIC COMPOSITIONS}
본 발명은 금속성 히트싱크 장치의 외표면에 일정한 두께로 코팅되어 히트싱크 장치의 방열을 더욱 효과적으로 수행하는 방열 플라스틱 조성물에 관련된 것으로 특히 이러한 방열 플라스틱 조성물이 외표면에 코팅됨으로써 기존에 비해 방열 기능은 향상되고 무게는 가벼운 히트싱크 장치에 관한 것이다.
일반적으로 컴퓨터, 셋톱박스, SMPS 등의 기기에 장착되는 칩 프로세서 등의 전자부품에는 기기들을 구동시키기 위해 외부로부터 인가되는 전력으로 높은 열이 발생하게 된다. 이렇게 전자부품에서 발생하는 열을 외부로 방열하기 위해 전자부품에는 히트싱크 장치를 부착하게 된다.
여기서 기존의 히트싱크 장치는 비교적 열전도 효율이 양호한 알루미늄 또는 구리 등의 금속성 재질을 채용하였다. 그리고 기존의 히트싱크 장치는 외표면을 통해 외부로 방열되는 표면적을 가능한 넓게 할 수 있도록 그 구조를 다양하게 변형시키게 된다.
위와 같이 히트싱크 장치의 표면적으로 넓히기 위해 여러 가지 구조를 변형하는 과정에서 히트싱크 장치의 무게가 커지게 되며, 이로 인해 전자부품과 히트싱크 장치가 내장된 기기의 전체 무게가 증가하게 되는 단점이 있고, 히트싱크 장치의 원재료 단가가 상승하는 단점도 있다.
본 발명은 상기한 점을 감안하여 제안된 것으로 본 발명의 목적은 금속성 히트싱크 장치의 외표면에 일정한 두께로 코팅됨으로써 방열을 위한 반응 표면적을 향상시킬 수 있는 방열 플라스틱 조성물을 제공함에 있다.
본 발명의 목적은 기존의 금속성 히트싱크 장치보다 상대적으로 작은 무게를 갖도록 형성하고, 외표면에는 금속에 비해 상대적으로 작은 무게를 갖는 액상의 플라스틱 조성물을 코팅하여 기존에 비해 방열 성능은 향상됨과 동시에 전체적인 무게는 가벼운 히트싱크 장치를 제공함에 있다.
상기의 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 방열 플라스틱 조성물은 금속성 히트싱크 장치의 외표면에 액상의 상태로 코팅된 후, 경화되어 히트싱크 장치 내부의 열을 외부로 방열시키는 것으로, 폴리실록산 13~17 중량%, 알코올 32.0~40.2 중량%, 물 18.5~20.7 중량%, 무기충진제 17.0~18.7 중량%, 무기안료 15.5~25.1 중량%를 포함하여 구성된다.
알코올은 메틸알코올(CH30H) 6.3~9.2 중량%, 부틸셀로솔브(C4H9OCH2CH2OH) 0.2~0.5 중량%, 이소프로필알코올((CH3)2CHOH) 25.5~30.5 중량%를 포함하여 구성됨이 바람직하다.
이때, 무기충진제는 실리카(SiO2), 지르코니아(ZrO2), 알루미나(Al2O3), 카오린(SiO2) 중 적어도 하나 이상이 포함되어 구성되고, 무기안료는 구리산화물 또는 크롬산화물 중 적어도 하나 이상이 포함되어 구성됨이 바람직하다.
본 발명의 히트싱크 장치는 발열성 전자부품에 장착되며, 외표면에 상기의 방열 플라스틱 조성물이 코팅된 후 경화된 코팅막이 형성되어 전자부품으로부터 전도되는 열을 코팅막을 통해 외부로 방열시키게 된다.
본 발명의 히트싱크 장치는 플레이트 형태로 이루어지고 저면이 전자부품에 밀착 연결되는 베이스; 플레이트 형태로 이루어지고 베이스의 상면에 직각으로 세워져 연결되며, 복수 개가 일정 간격 떨어져 나란히 위치하는 방열핀;을 포함하여 구성되며, 방열 플라스틱 조성물에 의한 코팅막은 베이스와 방열핀의 외표면에 연속적으로 형성됨이 바람직하다.
본 발명의 방열 플라스틱 조성물이 코팅된 히트싱크 장치에 따르면,
첫째, 금속성 히트싱크 장치의 외표면에 코팅되는 방열 플라스틱 조성물은 금속성 히트싱크 장치의 외표면보다 열전도를 위한 반응성이 크기 때문에 금속성 히트싱크 장치의 반응 표면적을 넓히는 역할을 하고 결국 히트싱크 장치의 방열 성능을 향상시키게 된다.
둘째, 본 발명의 금속성 히트싱크 장치를 기존보다 상대적으로 작은 무게를 갖도록 형성하고, 금속성 히트싱크 장치의 외표면에 금속성 히트싱크 장치보다 단위부피당 무게가 상대적으로 작은 방열 플라스틱 조성물을 코팅함으로써 금속성 히트싱크 장치로만 이루어진 기존보다 방열 성능은 향상됨과 동시에 히트싱크 장치의 전체적인 무게는 가볍게 된다.
셋째, 금속성 히트싱크 장치를 기존보다 상대적으로 작고 가볍게 구성할 수 있으므로 원재료 단가를 낮출 수 있는 장점도 있다.
[도 1]은 일반적인 히트싱크 장치를 도시한 예시도.
[도 2]는 본 발명에 따른 방열 플라스틱 조성물의 구조식을 도시한 예시도.
[도 3]은 본 발명의 제 1 실시예에 따른 방열 플라스틱 조성물이 코팅된 히트싱크 장치를 도시한 예시도.
[도 4]는 본 발명의 제 2 실시예에 따른 방열 플라스틱 조성물이 코팅된 히트싱크 장치를 도시한 예시도.
먼저, [도 1]은 종래의 일반적인 히트싱크 장치를 도시한 예시도를 나타내며, [도 1]에서의 히트싱크 장치는 가로*세로*높이(mm3)가 40*40*21(mm3)의 규격으로 이루어져 있다.
[도 1]을 참조하면, 일반적인 히트싱크 장치(10)는 비교적 열전도 효율이 양호한 구리(Cu) 또는 알루미늄(Al)의 금속성 재질로 이루어지며, 플레이트 형태의 베이스(11) 상면에 복수 개의 방열핀(12)이 나란히 세워져 서로 연결되는 구조를 이룬다.
여기서, 베이스(11)의 하면은 열을 발생시키는 전자부품(발열성 전자부품)에 밀착되어 연결된다. 이와 같이 연결된 상태에서 외부로부터의 전력인가로 인해 전자부품으로부터 발생되는 열은 베이스(11)에 전도되고, 베이스(11)에 전도된 열은 일부가 방열핀(12)이 위치하지 않는 베이스(11)의 상면을 통해 외부로 방열되고 나머지 일부는 방열핀(12)으로 전도된 후, 방열핀(12)의 상면과 측면을 통해 외부로 방열된다.
즉, 히트싱크 장치(10)가 전자부품에서 발생되는 열을 효율적으로 방열하기 위해서는 히트싱크 장치(10)의 표면적이 넓게 형성될수록 유리하다는 것을 알 수 있다. 그러나 히트싱크 장치(10)는 전자부품에 체결되는 것이므로 전자부품의 규격이나 전자부품이 실장되는 기기의 하중을 고려할 때 히트싱크 장치(10)를 무한정 크게 제조할 수는 없는 제한이 있다.
위와 같은 점을 고려하여 본 발명은 히트싱크 장치(10)를 기존보다 상대적으로 작고 가볍게 구성하더라도 방열 성능은 오히려 종래보다 향상시킬 수 있도록 금속성 히트싱크 장치에 특정의 방열 플라스틱 조성물을 코팅한 상태에서 히트싱크 장치로부터 전도되는 열을 외부로 방열하는 방열 플라스틱 조성물과 이 조성물이 코팅된 히트싱크 장치를 채택하였다.
이하, 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다.
[도 2]는 본 발명에 따른 방열 플라스틱 조성물의 구조식을 도시한 예시도를 나타낸다. [도 2]를 참조하면 본 발명에 따른 조성물은 금속성 히트싱크 장치의 외표면에 액상의 상태로 코팅된 후, 경화되어 히트싱크 장치 내부의 열을 외부로 방열시키는 것으로, 폴리실록산 13~17 중량%, 알코올 32.0~40.2 중량%, 물 18.5~20.7 중량%, 무기충진제 17.0~18.7 중량%, 무기안료 15.5~25.1 중량%를 포함하여 구성된다.
폴리실록산(polysiloxane)은 무기충진제와 친화성을 높일 수 있어 금속성의 히트싱크 장치 표면을 산화시키는 경우에 그 산화된 히트싱크 장치의 표면과 배위결합을 형성하여 높은 방열특성 및 분산특성을 가질 수 있게 된다. 또한 폴리실록산은 유동성을 부여하는 것으로, 조성물의 총 중량에 대해 13 중량% 미만으로 사용하게 되는 경우에 당해 조성물이 코팅되는 막의 내구성이 떨어지게 되고, 17 중량%를 초과하여 사용되면 열전도율이 떨어져 방열 성능이 감소될 수 있다. 그러므로 폴리실록산은 조성물의 전체 중량에 대해 13~17 중량%의 범위 내에서 사용하는 것이 바람직하다.
알코올은 메틸알코올(CH30H) 6.3~9.2 중량%, 부틸셀로솔브(C4H9OCH2CH2OH) 0.2~0.5 중량%, 이소프로필알코올((CH3)2CHOH) 25.5~30.5 중량%를 포함하여 구성됨이 바람직하다.
무기충진제는 실리카(SiO2), 지르코니아(ZrO2), 알루미나(Al2O3), 카오린(SiO2) 중 적어도 하나 이상이 포함되어 구성됨이 바람직하다.
이때, 실리카(SiO2)와 카오린(SiO2)은 코팅막의 부착성, 경도향상, 공극제거, 열전도성, 절연성을 부여하기 위하여 첨가되는 것으로, 물 또는 유기용매를 분산매로 하며 나노 단위 입자로 구성됨이 바람직하다. 그리고 실리카(SiO2) 분말 또는 카오린(SiO2) 분말은 조성물의 총 중량에 대해 19 중량%을 초과하여 사용되면 기유에 의한 분말의 접착력이 저하되어 분말들이 코팅 위치로부터 이탈하게 되고, 이러한 이탈에 의한 공극이 생성되어 방열효과가 오히려 감소되며, 17 중량% 미만으로 사용되면 열전도성이 만족스럽지 못한 문제점이 있다.
무기충진제로서는 실리카(SiO2)와 카오린(SiO2) 중에서 하나 또는 둘을 병용하여 사용함이 바람직하다. 지르코니아(ZrO2)나 알루미나(Al2O3)의 경우에는 나노 사이즈 입자로 이루어진 제품이 고가이며, 액상의 조성물에 대한 가사시간(Pot life)이 짧아지는 단점이 있다.
무기안료는 구리산화물(oxide of Cu) 또는 크롬산화물(oxide of Cr) 중 적어도 하나 이상이 포함되어 구성됨이 바람직하며, 광범위하게 시판되고 있는 평균 입자경 0.1nm ~ 20μm의 루틸(Rutile)형이나 운모-산화티탄계 등의 무독성 펄안료가 사용될 수도 있으며, 보통 1종 또는 2종 이상을 사용한다.
나노(nano) ~ 마이크로(micro) 사이즈의 무기안료는 [도 2]에서 보는 바와 같이, 나노 사이즈의 실리카, 무기충진제와 상호 보완하여 코팅막 내부의 기포나 빈 공간을 최소화하여 조성물에 의해 형성되는 코팅막이 우수한 열전도성와 절연성을 구현하게 한다.
본 발명에 따른 방열 플라스틱 조성물은 실온에서 액상의 상태로 대략 1개월의 가사시간을 유지할 수 있으며, 5 ℃로 냉장 보관하는 경우에는 액상의 상태로 대략 2개월의 가사시간을 유지할 수 있다.
[도 3]은 본 발명의 제 1 실시예에 따른 방열 플라스틱 조성물이 코팅된 히트싱크 장치를 도시한 예시도를 나타낸다.
[도 3]을 참조하면, 본 발명에 따른 히트싱크 장치(10)는 발열성 전자부품에 장착되며, 외표면에 방열 플라스틱 조성물이 10~15μm의 두께로 코팅된 후 경화된 코팅막이 형성되어 전자부품으로부터 전도되는 열을 코팅막을 통해 외부로 방열시키게 된다. 여기서, 방열 플라스틱 조성물의 코팅 두께가 10μm 미만으로 이루어지는 경우에는 열전도성이 만족스럽지 못하게 되고, 15μm을 초과하는 경우에는 균열이 발생하게 되므로 방열 플라스틱 조성물의 코팅 두께는 10~15μm의 범위내에서 이루어짐이 바람직하다.
이상과 같이 조합된 방열 플라스틱 조성물에 따르면 각 구성의 입자 분말이 나도(nano) ~ 마이크로(micro) 사이즈로 이루어지므로 방열 플라스틱 조성물이 금속성 히트싱크 장치의 외표면에 코팅된 상태에서, 열전도를 위한 코팅막의 단위면적당 입자들의 전체 표면적은 금속성 히트싱크 장치 외표면의 단위면적당 금속 입자들의 전체 표면적보다 넓게 이루어지게 된다. 결국 본 발명에 따라 금속성 히트싱크 장치에 방열 플라스틱 조성물이 코팅됨으로써 히트싱크 장치의 방열 성능을 보다 향상시키게 된다.
[도 4]는 본 발명의 제 2 실시예에 따른 방열 플라스틱 조성물이 코팅된 히트싱크 장치를 도시한 예시도를 나타낸다.
[도 4]를 참조하면 본 발명에 따른 히트싱크 장치(10)는 바람직하게는 플레이트 형태로 이루어지고 당해 저면이 전자부품에 밀착 연결되는 베이스(11); 플레이트 형태로 이루어지고 베이스의 상면에 직각으로 세워져 연결되며, 복수 개가 일정 간격 떨어져 나란히 위치하는 방열핀(12);을 포함하여 구성된다. 이때, 코팅막은 바람직하게 10~15μm의 두께로 도포되고 베이스(11)와 방열핀(12)의 외표면에 연속적으로 형성된다.
[도 4]에서의 히트싱크 장치는 가로*세로*높이(mm3)가 35*35*20(mm3)의 규격으로 이루어져 있다. 그리고 베이스(11)의 상면에 나란히 일렬도 배치되는 방열핀(12)은 [도 1]에서의 방열핀(12)과 비교할 때 그 표면적을 작고 상대적으로 간단한 구조로 구성함에도 불구하고 히트싱크 장치(10)의 외표면에 코팅되는 방열 플라스틱 조성물의 향상된 열전도 효율로 인하여 복잡하고 규격이 상대적으로 큰 기존의 [도 1]과 같은 히트싱크 장치(10)보다 오히려 충분히 향상된 열전도 효율을 구현할 수 있게 된다.
아래 [표 1]은 [도 1],[도 3],[도 4]에 도시된 예들에 대해 열저항(Rth)을 비교한 실험 데이터를 나타낸다.
구분 비교예 제 1 실시예 제 2 실시예
전자부품 온도(T1) 68.9 ℃ 62.6 ℃ 67.6 ℃
히트싱크 장치 온도 54.2 ℃ 46.6 ℃ 47.7 ℃
주위 온도(T2) 27.9 ℃ 27.1 ℃ 30.1 ℃
인가전력(P) 5 W 5 W 5 W
열저항(Rth) 8.2 ℃／W 7.1 ℃／W 7.5 ℃／W
히트싱크 장치 크기 40*40*21 mm3 40*40*21 mm3 35*35*20 mm3
히트싱크 장치 무게 41 g 41 g 19 g
이때, 열저항(Rth)은 그 수치가 낮을수록 열전달에 대한 저항성이 작아 열전달 효율이 양호하게 됨을 나타내며, [표 1]의 열저항(Rth) 관계식은 [수학식 1]과 같이 나타낼 수 있다.
[수학식 1]
열저항 ( R th ) = 전자부품 온도( T 1 ) - 주위 온도( T 2 )] / 인가전력(W)
위 [수학식 1]을 참조하여, [도 1]에 대응하는 [표 1]의 비교예에서 열저항(Rth)을 살펴보면
열저항 ( R th ) = (68.9 ℃ - 27.9 ℃)/5W = 8.2 ℃/W
이고, [도 3]에 대응하는 [표 1]의 제 1 실시예에서
열저항 ( R th ) = (62.6 ℃ - 27.1 ℃)/5W = 7.1 ℃/W
이며, [도 4]에 대응하는 [표 1]의 제 2 실시예에서
열저항 ( R th ) = (67.6 ℃ - 30.1 ℃)/5W = 7.5 ℃/W
이다.
즉, 열저항(Rth)은 "제 1 실시예〈 제 2 실시예〈 비교예"의 순으로 비교예가 가장 크다는 것을 알 수 있다. 이때, 열저항이 크다는 것은 열전도성이 떨어지는 것을 의미한다. 따라서, 히트싱크 장치의 열전도성은 "비교예〈 제 2 실시예〈 제 1 실시예"의 순으로 됨을 알 수 있으며, 그에 따라 제 1 실시예의 열전도 효율이 가장 양호함을 알 수 있다.
여기서, [도 1]에 대응하는 비교예에서 히트싱크 장치(10)의 표면적은 [도 4]에 대응하는 제 2 실시예에서 히트싱크 장치(10) 자체의 표면적보다 더 크다는 것을 알 수 있다. 그럼에도 불구하고 [도 4]에 대응하는 제 2 실시예에서의 열저항은 [도 1]에 대응하는 비교예에서 열저항보다 상대적으로 작아 열전도 효율이 보다 향상되었음을 알 수 있다.
다시 말해 [도 4]와 같이 금속성 히트싱크 장치(10)를 [도 1]의 금속성 히트싱크 장치(10)보다 상대적으로 중량이 가볍고 간단한 구조를 갖도록 형성하고, 외표면에 금속성 히트싱크 장치보다 단위부피당 무게가 상대적으로 작은 방열 플라스틱 조성물을 코팅함으로써 [도 1]과 같이 금속성 히트싱크 장치(10)로만 이루어진 기존의 구성(비교예)보다 방열 성능은 향상됨과 동시에 히트싱크 장치의 전체적인 무게는 가볍게 된다.
한편, [표 1]에서 전자부품 온도(T1)는 전자부품 자체의 발열 온도를 측정한 것이고, 히트싱크 장치 온도는 히트싱크 장치의 위쪽으로 2.5cm 떨어진 지점에서 측정한 것이며, 주위 온도(T2)는 히트싱크 장치의 위쪽으로 충분히 떨어진 20cm 지점에서 측정한 것이다.
10 : 히트싱크 장치
11 : 베이스
12 : 방열핀

Claims (5)

  1. 외부의 발열성 전자부품에 장착되고, 특정의 외표면에 방열 플라스틱 조성물이 코팅된 후 경화된 코팅막이 형성되어 상기 발열성 전자부품으로부터 전도되는 열을 상기 코팅막을 통해 외부로 방열시키도록 구성된 방열 플라스틱 조성물이 코팅된 히트싱크 장치로서,
    상기 방열 플라스틱 조성물은 폴리실록산 13~17 중량%, 물 18.5~19.5 중량%, 무기충진제 17.0~18.5 중량%, 무기안료 15.5~19.5 중량%, 메틸알코올(CH30H) 6.3~7.5 중량%, 부틸셀로솔브(C4H9OCH2CH2OH) 0.2~0.4 중량%, 이소프로필알코올((CH3)2CHOH) 25.5~28.5 중량%를 포함하여 구성되는 방열 플라스틱 조성물이 코팅된 히트싱크 장치.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 히트싱크 장치는,
    플레이트 형태로 이루어지고 저면이 상기 발열성 전자부품에 밀착 연결되는 베이스(11);
    플레이트 형태로 이루어지고 상기 베이스의 상면에 직각으로 세워져 연결되며 복수 개가 일정 간격 떨어져 나란히 위치하는 방열핀(12);
    을 포함하여 구성되며,
    상기 코팅막은 상기 베이스와 상기 방열핀의 외표면에 연속적으로 형성되는 것을 특징으로 하는 방열 플라스틱 조성물이 코팅된 히트싱크 장치.
  3. 삭제
  4. 청구항 2에 있어서,
    상기 무기충진제는 실리카(SiO2), 지르코니아(ZrO2), 알루미나(Al2O3), 카오린(SiO2) 중 적어도 하나 이상을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 방열 플라스틱 조성물이 코팅된 히트싱크 장치.
  5. 청구항 4에 있어서,
    상기 무기안료는 구리산화물 또는 크롬산화물 중 적어도 하나 이상을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 방열 플라스틱 조성물이 코팅된 히트싱크 장치.
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