KR101440212B1

KR101440212B1 - 열전달 페이스트 및 그 제조방법

Info

Publication number: KR101440212B1
Application number: KR1020130007263A
Authority: KR
Inventors: 송하경; 강성초; 강관호; 배성근
Original assignee: 주식회사모나미
Priority date: 2013-01-23
Filing date: 2013-01-23
Publication date: 2014-09-15
Also published as: KR20140094793A

Abstract

본 발명은 열전달 페이스트에 관한 것으로, 보다 상세하게는 그라파이트(graphite)에 은(Ag)을 그라프트 하여 Ag-graft-graphite 입자를 제조함으로써 그라파이트의 열전도도를 보완하여 우수한 열전도율을 가지는 동시에 낮은 열팽창율과 높은 내열충격성으로 방열효과를 현저히 향상시킬 수 있는 열전달 페이스트에 관한 것이다.

Description

열전달 페이스트 및 그 제조방법{Heat transfer paste and method for preparing thereof}

본 발명은 우수한 열전도율을 가지는 동시에 낮은 열팽창율과 높은 내열충격성으로 방열효과를 현저히 향상시킬 수 있는 열전달 페이스트에 관한 것이다.

전자회로 기판을 포함하는 컴퓨터 CPU의 동작 중에는 상당한 열이 발생하며, 이러한 발열은 전자 회로 동작 특성을 열화시킨다. 뿐만 아니라 최근 새로운 조명으로 각광받고 있는 LED 소자도 과다한 발열로 소자가 열화되므로 방열은 시급히 해결해야 할 문제로 떠오르고 있다. 그 외 레이저 다이오드 등도 발열로 인한 소자 특성열화를 막기 위해 방열 수단을 구비해야 한다.

이에 따라 여러 가지 방열 수단이 제시되어 오고 있으며, 금 또는 백금 등의 열 전도율이 좋은 물질로 된 방열 구조물을 설치하는 등의 수단이 강구되어 오고 있다.

일반적으로 컴퓨터 내에는 팬(fan)을 구비하여 동작 중 발생하는 열을 식혀주며, LED 나 레이저 다이오드 회로에는 열전도율이 좋은 물질로 된 방열 회로 구조물인 히트 싱크(Heat sink)를 설치한다.

또한, Ag 입자를 포함한 액상 방열재를 메니큐어 용기와 같은 형태의 용기에 넣어 유통시키는 경우도 있고, 방열재를 치약과 같은 정도의 점도를 갖게 하여 튜브에 넣어 유통시키는 경우도 있다. 이러한 형태의 방열재 제품은 사용처가 다양하나 대개 컴퓨터 조립 업자 또는 중고 컴퓨터를 수리 및 재활용 제작 업자들에 의해 구입된다.

또한, 국내등록특허 제10-0773792호에는 열전도성 물질로 질화붕소를 포함한 고무재료를 슬라이싱 하고 적층한 열전도성 시트를 개시하고 있다.

또한, 모찌다의 국내등록특허 제10-0812290호에는 열전도성 물질로 질화붕소, 산화아연, 탄화규소 등이 충진된 실리콘 기재와 양면에 서로 다른 접착제가 적층된 방열 시트를 개시하고 있다.

또한, 국내공개특허 제10-2005-0076147호는 금속 미립자, 탄소 미립자 등을 포함한 열전도성 폼(foam)을 방열재로 제시하고 있다.

상술한 많은 종래기술들은 방열성에 있어서 보다 개선될 수 있는 소지가 있으며, 이는 최근 최상의 방열 효과를 나타내는 신물질인 CNT(탄소나노튜브)의 활용을 고려해 볼 때 당연한 귀결이라 할 수 있다.

뿐만 아니라, 상술한 종래기술들은 방열 경로를 구체적으로 고려하지 않은 것으로 방열 경로를 고려한 방열재의 제공은 보다 나은 방열 효과를 제공할 수 있을 것이다.

또한, 방열재의 취급 및 사용의 용이성에 있어서도 좀 더 편리한 형태의 방열재를 제공함이 바람직하다.

한편, 그라파이트(graphite, 흑연) 재료는 여타 재료에서 얻을 수 없는 고온윤활, 내열, 내식, 전기전도, 정밀가공 등 매우 독특한 특성과 물성을 가지고 있어 고온내열재료와 구조재료, 특수기계부품 등으로 각 분야에서 광범위하게 이용되고 있다. 또한, 금, 은, 동, 알루미늄 등을 제외한 대부분의 금속에 비하여 열전도율이 높은 특징이 있다.

이와 같은 그라파이트는 열팽창율이 낮고 열전도율이 높아 급격한 온도변화에 견디는 내열 충격성이 우수하여 최근 각광을 받고 있으며, 그라파이트의 높은 열전도도를 열전달 페이스트에 응용하는 사례가 많이 있었다.

그러나, 상기 그라파이트는 금, 은, 동 등의 메탈에 비해 충진율은 높으나, 열전도도가 떨어지는 단점이 있었다.

따라서, 메탈 입자와의 그라프트를 통해 그라파이트의 열전도도를 보완한다면 메탈 입자를 이용한 여러 방열수지들의 대체가 가능하며, 비용측면에서도 유리할 것으로 판단하고 본 발명을 완성하였다.

국내등록특허 제10-0971780호 국내등록특허 제10-1169303호

상기와 같은 종래기술의 문제점을 해결하고자, 본 발명은 그라파이트의 열전도도를 보완하여 우수한 열전도율을 가지는 열전달 페이스트 및 그 제조방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

또한 본 발명은 우수한 열전도율을 가지는 동시에 낮은 열팽창율과 높은 내열충격성으로 방열효과를 현저히 향상시킬 수 있는 열전달 페이스트 및 그 제조방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

또한 본 발명은 열전도도의 보완으로 메탈 입자를 이용한 여러 방열수지들의 대체가 가능하고, 취급 및 사용이 용이하며, 비용측면에 있어 경제적인 열전달 페이스트 및 그 제조방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 은(Ag) 그라프트 그라파이트(graphite)(Ag-graft-graphite) 입자를 포함하는 것을 특징으로 하는 열전달 페이스트를 제공한다.

상기 은 그라프트 그라파이트(Ag-graft-graphite) 입자는 10 내지 50㎚의 은 나노입자가 그라파이트 전체 중량 대비 10 내지 30중량%로 그라프트된 것이 바람직하다.

특히, 상기 은 그라프트 그라파이트 입자는 10 내지 30㎛인 것이 바람직하다.

상기 은 그라프트 그라파이트 입자는

(S1) 증류수에 질화은(Silver nitrate, AgNO₃· 2H₂O)을 상온에서 1시간 동안 용해시키는 단계;

(S2) 상기 질화은이 용해된 증류수에 그라파이트를 용해하는 단계; 및

(S3) 상기 질화은과 그라파이트가 용해된 증류수를 80℃에서 하이드라이진(Hydrazine, N₂H₄)을 첨가하여 질화은을 은나노 입자로 환원화는 단계;

로 제조할 수 있다.

바람직하게, 상기 열전달 페이스트는

은 그라프트 그라파이트(Ag-graft-graphite) 입자 20 내지 70중량%;

수지 30 내지 80중량%; 및

첨가제 1 내지 5중량%를 포함한다.

또한 본 발명은 (S1) 전술한 방법에 따라 은 그라프트 그라파이트(Ag-graft-graphite) 입자를 제조하는 단계; (S2) 상기 제조한 은 그라프트 그라파이트(Ag-graft-graphite) 입자 및 필러를 수지에 배합하는 단계; (S3) 상기 배합물을 삼본롤밀에 분산하는 단계; 및 (S4) 상기 분산된 배합물을 열경화 또는 비경화하는 단계;를 포함하는 열전달 페이스트의 제조방법을 제공한다.

본 발명에 따른 열전달 페이스트는 그라파이트의 열전도도를 보완하여 우수한 열전도율을 가지는 동시에 낮은 열팽창율과 높은 내열충격성으로 방열효과를 현저히 향상시킬 수 있다. 뿐만 아니라, 본 발명의 열전달 페이스트는 열전도도의 보완으로 메탈 입자를 이용한 여러 방열수지들의 대체가 가능하고, 취급 및 사용이 용이하며, 비용측면에 있어 경제적인 장점이 있다.

도 1은 본 발명의 일실시예에 따라 제조한 은 그라프트 그라파이트(Ag-graft-graphite) 입자의 사진이다.

이하 본 발명을 상세히 설명한다.

본 발명자는 그라파이트(graphite)의 열전도도를 보완할 수 있는 방법에 대하여 다방면에 걸쳐 연구하던 중, 은(Ag) 입자를 그라파이트에 그라프트한 결과 기존 그라파이트의 열전도도를 보완하여 우수한 열전도율을 가짐을 확인하고, 이를 토대로 본 발명을 완성하게 되었다. 이러한 본 발명의 은 입자가 그라프트된 그라파이트 입자를 포함하는 열전달 페이스트는 메탈 입자를 이용한 종래의 방열수지들을 대체하여 사용할 수 있다.

본 발명의 열전달 페이스트는 은(Ag) 그라프트 그라파이트(graphite)(Ag-graft-graphite) 입자를 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기 은 그라프트 그라파이트(Ag-graft-graphite) 입자는 하기 반응식 1에 도시한 바와 같은 단계를 통하여 제조할 수 있다.

(반응식 1)

구체적으로, 상기 은 그라프트 그라파이트 입자는 (S1) 증류수에 질화은(Silver nitrate, AgNO₃· 2H₂O)을 상온에서 1시간 동안 용해시키는 단계; (S2) 상기 질화은이 용해된 증류수에 그라파이트를 용해하는 단계; 및 (S3) 상기 질화은과 그라파이트가 용해된 증류수를 80℃에서 하이드라이진(Hydrazine, N₂H₄)을 첨가하여 질화은을 은나노 입자로 환원화는 단계;로 제조할 수 있다.

먼저, 상기 은은 나노크기의 입자로서, 그 크기는 10 내지 50㎚인 것이 바람직하다. 그 크기가 10㎚ 미만일 경우에는 입자간의 넥킹이 불충분하여 충분한 열전도율을 기대 할 수 없고, 50㎚를 초과할 경우에는 전기절연성의 상승으로 도전체가 될 수 있다.

이러한 은 나노입자는 그라파이트 전체 중량 대비 10 내지 30중량%가 되도록 그라프트하는 것이 바람직하다. 그 함량이 10중량% 미만일 경우에는 충분한 전도성을 기대 할 수 없고, 30중량%를 초과할 경우에는 그라파이트에 그라프트가 안되고 석출되어 분리 될 수 있다.

이렇게 제조된 은 그라프트 그라파이트 입자는 입자크기가 10 내지 30㎛인 것이 바람직하다. 그 크기가 10㎛ 미만일 경우에는 페이스트 상태에서 건조 시 입자간의 넥킹이 안되어 열전도율이 떨어질 수 있고, 30㎛를 초과할 경우에는 수지에 충진하기 어려워진다.

상기와 같은 은 그라프트 그라파이트(Ag-graft-graphite) 입자는 본 발명의 열전달 페이스트에 포함되며, 상기 열전달 페이스트는 은 그라프트 그라파이트 입자 이외에 수지 및 첨가제를 더 포함할 수 있다.

상기 은 그라프트 그라파이트(Ag-graft-graphite) 입자는 전술한 바와 같으며, 열전달 페이스트에 20 내지 70중량%로 포함되는 것이 바람직하다. 그 함량이 20중량% 미만일 경우에는 열전도율을 기대할 수 없으며, 70중량%를 초과할 경우에는 수지에 배합이 어려워진다.

상기 수지는 당업계에서 사용되는 통상의 수지라면 그 종류가 제한없이 사용할 수 있으며, 예를 들어 변성 실리콘 오일, 변성 에폭시 수지, 용매인 톨루엔 등의 벤젠류, 프로필렌글리콜 모노에틸 에테르 등의 글리콜류, 이소플로필 알콜 등의 알콜류 등이 사용될 수 있다.

상기 수지는 열전달 페이스트에 대하여 30 내지 80중량%로 포함되는 것이 바람직하다. 그 함량이 30중량% 미만일 경우에는 입자의 충진이 어려워지고, 80중량%를 초과할 경우에는 충진 입자간의 넥킹이 불충분하여 높은 열전도율을 기대할 수 없다.

또한 상기 첨가제로는 분산제가 사용될 수 있으며, 상기 분산제로는 당업계에서 사용되는 통상의 것이라면 그 종류가 제한없이 사용될 수 있다. 구체적으로 시판되고 있는 TEGO 760, TEGO 610, TEGO 630, TEGO 650, TEGO 655, TEGO 700, GenSN 88, Borchi Gen 0451, Borchi Gen 0650, Borchi Gen DFN, Borchi Gen HE, Borchi Gen ND, Borchi Gen 95 등이 사용될 수 있다.

또한 본 발명은 열전달 페이스트의 제조방법을 제공하는 바, 본 발명의 열전달 페이스트는 전술한 방법에 따라 은 그라프트 그라파이트(Ag-graft-graphite) 입자를 제조하는 단계, 상기 제조한 은 그라프트 그라파이트 입자 및 필러를 수지에 배합하는 단계, 상기 배합물을 삼본롤밀에 분산하는 단계 및 상기 분산된 배합물을 열경화 또는 비경화 하는 단계를 포함하는 열전달 페이스트의 제조방법을 제공한다.

상기와 같이 제조한 본 발명의 열전달 페이스트는 그라파이트에 은 나노입자를 그라프트함으로써 그라파이트의 열전도도를 보완하여 우수한 열전도율을 가지는 동시에 낮은 열팽창율과 높은 내열충격성으로 방열효과를 현저히 향상시킬 수 있다. 뿐만 아니라, 본 발명의 열전달 페이스트는 기존 방열재와 비교하여 동등 수준 이상의 방열특성을 나타내면서 우수한 열전도율로 메탈 입자를 이용한 여러 방열수지들의 대체가 가능하다.

이하에서는 실시예를 들어 본 발명에 관하여 더욱 상세하게 설명할 것이나. 이들 실시예는 단지 설명의 목적을 위한 것으로 본 발명의 보호 범위를 제한하고자 하는 것은 아니다.

실시예 1. 은 그라프트 그라파이트(Ag-graft-graphite) 입자 제조

증류수 70중량부에 질화은(Silver nitrate, AgNO₃· 2H₂O) 10중량부를 상온에서 1시간 동안 용해시킨 후, 여기에 그라파이트 20중량부를 용해시켰다.

그 다음, 상기 질화은과 그라파이트가 용해된 증류수를 80℃에서 하이드라이진(Hydrazine, N₂H₄) 0.8중량부를 첨가하고 반응시켜 질화은을 은나노 입자로 환원하여, 입자크기가 30㎚인 은나노 입자가 그라프트 그라파이트(Ag-graft-graphite) 입자를 제조하였다.

이렇게 제조한 은 그라프트 그라파이트 입자의 SEM 사진을 도 1에 나타내었다.

실시예 2. 은 그라프트 그라파이트(Ag-graft-graphite) 입자 제조

상기 실시예 1에서 질화은을 30중량부로 달리한 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 실시하여 입자크기가 50㎚인 은나노입자가 그라프트 그라파이트(Ag-graft-graphite) 입자를 제조하였다.

실시예 3. 은 그라프트 그라파이트(Ag-graft-graphite) 입자 제조

상기 실시예 1에서 질화은을 40중량부로 달리한 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 실시하여 입자크기가 100㎚인 은나노입자가 그라프트 그라파이트(Ag-graft-graphite) 입자를 제조하였다.

실시예 4. 열전달 페이스트 제조

상기 실시예 1에서 제조한 은 그라프트 그라파이트(Ag-graft-graphite) 입자를 사용하여 다음과 같은 방법으로 열전달 페이스트를 제조하였다.

상기 실시예 1에서 제조한 (Ag-graft-graphite) 습윤 분말체 30 내지 60 중량부 및 필러 30 내지 60중량부를 에폭시 수지 바인더 40 내지 70중량부에 삼본롤밀에 분산시킨 후 열전달 페이스트를 제조하였다.

실시예 5. 열전달 페이스트 제조

상기 실시예 2에서 제조한 은 그라프트 그라파이트(Ag-graft-graphite) 입자를 사용한 것을 제외하고는 상기 실시예 4와 동일한 방법으로 실시하여 열전달 페이스트를 제조하였다.

실시예 6. 열전달 페이스트 제조

상기 실시예 3에서 제조한 은 그라프트 그라파이트(Ag-graft-graphite) 입자를 사용한 것을 제외하고는 상기 실시예 4와 동일한 방법으로 실시하여 열전달 페이스트를 제조하였다.

비교예 1

상기 실시예 4에서 은 그라프트 그라파이트 입자를 대신하여 질화알루미늄 입자(AIN, aluminum nitride, 입자크기 10㎛)를 사용한 것을 제외하고는 상기 실시예 4와 동일한 방법으로 실시하여 열전달 페이스트를 제조하였다.

비교예 2

상기 실시예 4에서 은 그라프트 그라파이트 입자를 대신하여 ZnO 입자(입자크기 80㎚)를 사용한 것을 제외하고는 상기 실시예 4와 동일한 방법으로 실시하여 열전달 페이스트를 제조하였다.

비교예 3

상기 실시예 4에서 은 그라프트 그라파이트 입자를 대신하여 알루미늄 입자(Al, 입자크기 15㎛)를 사용한 것을 제외하고는 상기 실시예 4와 동일한 방법으로 실시하여 열전달 페이스트를 제조하였다.

비교예 4

상기 실시예 4에서 은 그라프트 그라파이트 입자를 대신하여 그라파이트(입자크기 15㎛)를 사용한 것을 제외하고는 상기 실시예 4와 동일한 방법으로 실시하여 열전달 페이스트를 제조하였다.

상기 실시예 4 및 비교예 1 내지 4에서 제조한 열전달 페이스트를 사용하여 열전도도 및 절연내압을 각각 측정하고, 그 결과를 하기 표 1에 나타내었다.

구분	실시예 4	비교예 1	비교예 2	비교예 3	비교예 4
열전도도(W/mk)	13.2	5.42	2.05	2.55	7.54
절연내압(㎸/㎜)	2	5.1	13	3.1	2

상기 표 1에 나타낸 바와 같이, 본 발명에 따라 은 그라프트 그라파이트(Ag-graft-graphite) 입자를 사용하여 제조한 실시예 4의 열전달 페이스트는 비교예 1 내지 4와 비교하여 13.2라는 매우 높은 열전도도를 보임을 확인할 수 있었다.

비록 본 발명이 상기에 언급된 바람직한 실시예로서 설명되었으나, 발명의 요지와 범위로부터 벗어남이 없이 다양한 수정이나 변형을 하는 것이 가능하다. 또한 첨부된 청구 범위는 본 발명의 요지에 속하는 이러한 수정이나 변형을 포함한다.

Claims

은(Ag) 그라프트 그라파이트(graphite)(Ag-graft-graphite) 입자를 포함하고,
상기 은 그라프트 그라파이트(Ag-graft-graphite) 입자는 10 내지 50㎚의 은 나노입자가 그라파이트 전체 중량 대비 10 내지 30중량%로 그라프트된 것을 특징으로 하는 열전달 페이스트.
제1항에 있어서,
상기 은 그라프트 그라파이트 입자는 10 내지 30㎛인 것을 특징으로 하는 열전달 페이스트.
제1항에 있어서,
상기 은 그라프트 그라파이트 입자는
(S1) 증류수에 질화은(Silver nitrate, AgNO₃· 2H₂O)을 상온에서 1시간 동안 용해시키는 단계;
(S2) 상기 질화은이 용해된 증류수에 그라파이트를 용해하는 단계; 및
(S3) 상기 질화은과 그라파이트가 용해된 증류수를 80℃에서 하이드라이진(Hydrazine, N₂H₄)을 첨가하여 질화은을 은나노 입자로 환원화는 단계;
로 제조되는 것을 특징으로 하는 열전달 페이스트.
제1항에 있어서,
상기 열전달 페이스트는
은 그라프트 그라파이트(Ag-graft-graphite) 입자 20 내지 70중량%;
수지 30 내지 80중량%; 및
분산제 1 내지 5중량%;
를 포함하는 것을 특징으로 하는 열전달 페이스트.
제4항에 있어서,
상기 수지는 변성 실리콘 오일, 변성 에폭시 수지, 용매인 톨루엔, 프로필렌글리콜 모노에틸 에테르 및 이소플로필 알콜 중 선택된 어느 하나 이상인 것을 특징으로 하는 열전달 페이스트.
제1항에 있어서,
첨가제를 더 포함하되,
상기 첨가제는 시판 분산제 중 선택된 어느 하나 이상인 것을 특징으로 하는 열전달 페이스트.
(S1)제3항 기재의 방법에 따라 은 그라프트 그라파이트(Ag-graft-graphite) 입자를 제조하는 단계;
(S2) 상기 제조한 은 그라프트 그라파이트(Ag-graft-graphite) 입자 및 필러를 수지에 배합하는 단계;
(S3) 상기 배합물을 삼본롤밀에 분산하는 단계; 및
(S4) 상기 분산된 배합물을 열경화 또는 비경화하는 단계;
를 포함하는 것을 특징으로 하는 열전달 페이스트의 제조방법.
삭제