KR101465580B1 - 방열시트 - Google Patents

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서윤희
정다우
박종호
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에스케이씨 주식회사
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Abstract

본 발명은 (i) 열전도성 입자와 층 형성 재료를 포함하는 제1층; (ii) 2종 이상의 열전도성 입자의 혼합물과 층 형성 재료를 포함하는 제2층; 및 (iii) 상기 제1층과 상기 제2층 사이에 위치하는 기재를 포함하는 방열시트를 제공한다. 본 발명에 따른 방열시트는 열전도성 입자를 포함하며, 특히 제2층에 2종 이상의 열전도성 입자의 혼합물을 포함하므로 표면적이 증가하여 외부로의 열확산 및 열방사 성능이 우수하다.

Description

방열시트{HEAT RADIATING SHEET}
본 발명은 방열시트에 관한 것으로서, 상세하게는 열확산 및 열방사 성능이 우수한 방열시트에 관한 것이다.
최근 전자소자는 경박단소 및 다기능화되면서 고집적화되고 있어 열밀도의 증가로 열의 방출 문제에 대한 대책이 요구되고 있다. 또한, 열의 방출이 디바이스의 신뢰성 및 수명과 밀접한 관련이 있어 중요하다. 이에 따라 다양한 방열 소재들이 개발되고 있으며, 방열패드, 방열시트, 방열도료 등의 형태로 시판되어 기존의 방열팬, 방열핀, 히트 파이프 등의 방열기구를 보조하거나 대체하고 있다.
이 중 방열시트는 그라파이트 압축시트, 고분자-세라믹 복합시트, 다층코팅 금속박막시트 등의 형태로 제작되고 있는데, 그라파이트 압축시트는 수평 열전도도가 우수하나 층간 박리가 잘 일어나 재작업성이 좋지 않고, 고분자-세라믹 복합시트는 열전도도에 한계가 있으며, 다층코팅 금속박막시트는 수평 열확산도 및 열방사 성능이 낮은 것이 문제가 되고 있다.
따라서, 열확산 및 열방사 성능이 우수한 방열시트를 필요로 한다.
따라서, 본 발명의 목적은 열확산 및 열방사 성능이 우수한 방열시트를 제공하는 것이다.
상기 목적에 따라, 본 발명은 (i) 열전도성 입자와 층 형성 재료를 포함하는 제1층; (ii) 2종 이상의 열전도성 입자의 혼합물과 층 형성 재료를 포함하는 제2층; 및 (iii) 상기 제1층과 상기 제2층 사이에 위치하는 기재를 포함하는 방열시트를 제공한다.
본 발명에 따른 방열시트는 열전도성 입자를 포함하며, 특히 제2층에 2종 이상의 열전도성 입자의 혼합물을 포함하므로 표면적이 증가하여 외부로의 열확산 및 열방사 성능이 우수하다.
도 1은 본 발명에 따른 방열시트의 구조를 모식적으로 나타낸 도면이다.
도 2는 본 발명에 따른 또 다른 방열시트의 구조를 모식적으로 나타낸 도면이다.
이하 본 발명을 더욱 상세히 설명한다.
본 발명의 방열시트는 (i) 열전도성 입자와 층 형성 재료를 포함하는 제1층; (ii) 2종 이상의 열전도성 입자의 혼합물과 층 형성 재료를 포함하는 제2층; 및 (iii) 상기 제1층과 상기 제2층 사이에 위치하는 기재를 포함하는 것을 특징으로 한다.
즉, 본 발명에 따른 방열시트는 면상의 필름 형태로 이루어질 수 있는 상기 기재의 일면에, 열전도성 입자와 층 형성 재료를 포함하는 제1층이 형성되고, 그 타면에 2종 이상의 열전도성 입자의 혼합물과 층 형성 재료를 포함하는 제2층이 형성되어 있는 형태일 수 있다.
상기 제1층은 열전도성 입자와 층 형성 재료를 포함하는데, 상기 층 형성 재료는 접착제 또는 점착층일 수 있고, 따라서, 상기 제1층은 접착제를 포함하는 접착층 또는 점착제를 포함하는 점착층일 수 있다.
상기 점착제 및 접착제는 점착 또는 접착 이후의 경화 여부에 따라 구별되는데 접착제는 경화가 일어나는 것이고 점착제는 경화가 일어나지 않는 것으로서, 그 바람직한 예로서는 아크릴계, 우레탄계, 에폭시계, 실리콘계 등의 접착제 또는 점착제를 들 수 있다.
상기 제2층은 2종 이상의 열전도성 입자와 층 형성 재료를 포함하는데, 상기 층 형성 재료는 수지일 수 있고, 따라서, 상기 제2층은 수지를 포함하는 도료층일 수 있다.
상기 도료층에 포함되는 수지의 예로서는 아크릴계, 우레탄계, 및 에폭시계 수지로 구성된 군 중에서 선택된 1종 이상의 수지를 들 수 있다.
상기 도료층은 상기 수지와 경화제를 포함할 수 있다. 상기 경화제로서는 유기과산화물계, 이소시아네이트계, 아조계, 아민계, 아미다졸계, 산무수물계, 루이스산계 및 포름알데히드계 화합물 등을 들 수 있으며, 당 분야에서 통상적으로 사용되는 것이라면 특별히 한정되지 않는다.
상기 제1층 및 제2층은 열전도성 입자를 포함하고 있으며, 상기 열전도성 입자는 열전도도가 1 W/mK 이상인 것으로서, 그 예로서는 카본블랙, 카본나노튜브, 카본나노화이버, 또는 그래핀을 들 수 있다. 상기 제1층에 포함되는 열전도성 입자와 상기 제2층에 포함되는 열전도성 입자는 동일할 수도 상이할 수도 있으나, 상기 제2층은 2종 이상의 열전도성 입자의 혼합물을 포함하며, 예컨대 카본나노튜브와 그래핀의 혼합물을 들 수 있다.
상기 열전도성 입자로서 카본나노튜브가 사용되는 경우 단일벽 또는 다중벽 구조의 카본나노튜브가 모두 사용될 수 있고, 바람직하게는 염산, 황산, 질산 등의 무기산이나 구연산, 숙신산, 아세트산 등의 유기산으로 표면 개질된 것이 사용될 수 있다.
상기 열전도성 입자는 제1층 또는 제2층에서 열전도 매개체로 작용하여 방열시트가 외부로의 열확산 및 열방사 성능을 갖도록 할 수 있다.
상기 열전도성 입자는 제1층 또는 제2층 각 100 중량부를 기준으로 하여 각각 5 내지 80 중량부 포함될 수 있다. 상기 제1층 및 제2층 각각에 있어서, 상기 열전도성 입자가 5 중량부보다 적게 포함되는 경우에는 원하는 열전도 효과가 발휘되지 않으므로 바람직하지 못하고, 80 중량부를 초과하여 포함되는 경우에는 방열시트의 유연성을 저하시켜 절곡시 파단이 발생하거나 부스러지는 현상이 일어나므로 바람직하지 못하다.
상기 제1층에 포함되는 열전도성 입자는 평균 입경 또는 평균 길이가 1 내지 30 μm일 수 있고, 바람직하게는 1 내지 10 μm일 수 있다.
상기 제2층에 포함되는 열전도성 입자의 혼합물은 평균 입경 또는 평균 길이가 각각 다른 열전도성 입자가 혼합되어 있는 혼합물일 수 있고, 바람직하게는 1 내지 10 μm인 것과 5 내지 20 μm인 것의 혼합물일 수 있다. 즉, 상기 제2층에 함유되는 열전도성 입자의 평균 입경 또는 길이는 서로 상이할 수 있다. 예컨대, 상기 제2층이 카본나노튜브와 그래핀의 혼합물을 포함하는 경우, 상기 카본나노튜브의 평균 길이가 상기 그래핀의 평균 입경에 비해 클 수 있다.
상기 열전도성 입자의 평균 입경 또는 평균 길이가 1 μm 미만인 경우 분산 및 열전도 특성이 낮아질 수 있기 때문에 바람직하지 못하고, 평균 입경 또는 평균 길이가 30 μm를 초과하는 경우 너무 큰 입경 또는 길이로 인해 불균일한 분산성을 나타낼 수 있어서 바람직하지 못하다.
상기 열전도성 입자를 층 형성 재료와 혼합한 조성물을 기재 상에 도포함으로써 제1층 또는 제2층을 형성할 수 있다.
상기 도포 방법의 예로는 다이 코팅, 그라비아 코팅, 마이크로 그라비아 코팅, 콤마 코팅, 롤 코팅, 딥 코팅, 또는 스프레이 코팅 등을 들 수 있고, 바람직하게는 그라비아 코팅 또는 콤마 코팅 등을 들 수 있다.
상기 제1층에는 열전도성 입자가 제1층 100 중량부를 기준으로 5 내지 80 중량부, 바람직하게는 8 내지 50 중량부 포함될 수 있으며, 상기 제2층에는 2종 이상의 열전도성 입자의 혼합물이 제2층 100 중량부를 기준으로 5 내지 80 중량부, 바람직하게는 8 내지 50 중량부 포함될 수 있다.
상기 제1층 및 제2층의 두께는 각각 5 내지 100 ㎛일 수 있고, 바람직하게는 5 내지 80 ㎛일 수 있으며, 더욱 바람직하게는 10 내지 25 ㎛일 수 있다.
상기 제1층의 타면에는 이형필름이 합지될 수 있으며, 상기 이형필름은 상기 제1층을 보호하는 기능을 수행할 수 있다. 상기 이형필름은 플라스틱 필름으로 이루어질 수 있으며, 상기 이형필름의 두께는 1 내지 200 ㎛일 수 있고, 바람직하게는 10 내지 100 ㎛일 수 있다.
상기 제2층의 타면에는 플라스틱 필름이 추가로 합지될 수 있으며, 이 경우 제2층을 형성하는 층 형성 재료는 수지를 포함하는 도료층이 아닌 점착제 또는 접착제일 수 있다. 상기 제2층의 타면에 플라스틱 필름이 추가로 합지되는 경우, 수평 방향의 열확산 기능 및 전기절연 기능을 더욱 부여할 수 있다.
상기 이형필름 및 플라스틱 필름의 재료는 각각 폴리에틸렌(PE), 폴리프로필렌(PP), 폴리스티렌(PS), 폴리카보네이트(PC), 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET), 폴리부틸렌테레프탈레이트(PBT), 폴리에틸렌나프탈레이트(PEN) 또는 폴리이미드(PI)일 수 있으며, 보다 바람직하게는 폴리프로필렌(PP), 폴리스티렌(PS), 또는 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET)일 수 있다.
상기 플라스틱 필름의 두께는 1 내지 200 ㎛일 수 있고, 바람직하게는 10 내지 100 ㎛일 수 있다.
상기 기재는 금속 박막, 금속 메쉬, 폴리머 메쉬 또는 섬유 메쉬일 수 있으며, 상기 금속 박막의 예로서는 알루미늄 박막, 구리 박막 또는 니켈 박막을 들 수 있고, 상기 금속 메쉬의 예로서는 알루미늄 메쉬, 구리 메쉬, 니켈 메쉬, 또는 철 메쉬를 들 수 있고, 상기 폴리머 메쉬로의 예로서는 폴리에스터 메쉬, 폴리프로필렌 메쉬, 또는 폴리우레탄 메쉬를 들 수 있으며, 상기 섬유 메쉬의 예로서는 유리섬유, 아크릴섬유, 또는 나일론섬유를 들 수 있다. 이 중 바람직하게는 알루미늄 박막, 구리 박막 또는 유리섬유 메쉬가 사용될 수 있다.
상기 기재의 두께는 5 내지 600 ㎛일 수 있고, 바람직하게는 5 내지 300 ㎛일 수 있다.
본 발명에 따른 방열시트는 박막시트의 형태를 이루면서 열전도성 입자를 열전도 매개체로 포함한 제1층 및 제2층을 포함하고, 특히 제2층은 2종 이상의 열전도성 입자의 혼합물을 포함하므로 표면적이 증가하여 외부로의 열확산 및 열방사 성능이 우수하다.
이하, 본 발명에 따른 바람직한 방열시트를 도면에 의거하여 상세하게 설명한다.
도 1에는 본 발명에 따른 방열시트의 바람직한 일례가 도시되어 있다. 도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 방열시트(100)는 열전도성 입자와 점착제를 포함하는 점착층인 제1층(110), 열전도성 입자와 수지를 포함하는 도료층인 제2층(120), 및 제1층(110)과 제2층(120) 사이에 위치하는 기재(130)로 구성되어 있다. 한편, 제1층(110)의 타면에는 이형필름(200)이 합지되어 있다.
또한, 도 2에는 본 발명에 따른 방열시트의 또 다른 바람직한 일례가 도시되어 있다. 도 2를 참조하면, 본 발명에 따른 방열시트(300)는 열전도성 입자와 접착제를 포함하는 접착층인 제1층(310), 열전도성 입자와 접착제를 포함하는 제2층(320), 제1층(310)과 제2층(320) 사이에 위치하는 기재(330), 및 제2층(320)의 타면에 합지되는 플라스틱 필름(340)으로 구성되어 있다. 한편, 제1층(310)의 타면에는 이형필름(200)이 합지되어 있다.
이와 같이 접착층으로 이루어지는 제2층에 플라스틱 필름을 합지하는 경우, 수평 방향의 열확산 기능을 더욱 부여할 수 있으므로 보다 바람직하다.
이하, 본 발명을 하기 실시예에 의하여 더욱 상세하게 설명한다. 단, 하기 실시예는 본 발명을 예시하기 위한 것일 뿐, 본 발명의 범위가 이들만으로 한정되는 것은 아니다.
실시예 1
열전도성 입자로서 길이 10 ㎛의 카본나노튜브 25 중량부, 아크릴계 점착제(WA770, 우인켐텍사제) 65 중량부, 및 에틸아세테이트 10 중량부를 혼합한 조성물을 두께 35 ㎛의 구리 박막의 한 면에 콤마 코팅 방법을 이용해서 도포하여 제1층을 형성하고, 그 위에 실리콘으로 이루어진 두께 12 ㎛의 이형필름(MR-G03, SYC사제)을 부착하였다. 그 다음, 상기 구리 박막의 다른 한 면에 길이 10 ㎛의 카본나노튜브와 입경 1 ㎛의 그래핀의 혼합물 15 중량부(카본나노튜브 : 그래핀 = 40:60 중량부), 아크릴계 수지(TT-1500, TTT 케미칼사제) 15 중량부, 및 에틸아세테이트 70 중량부를 혼합한 조성물을 콤마 코팅 방법을 이용해서 도포하여 제2층을 형성하여 방열시트를 제조하였다.
실시예 2
제2층의 형성과정에서 아크릴계 수지를 23 중량부, 에틸아세테이트를 62 중량부 사용한 것을 제외하고는, 실시예 1과 동일한 방법으로 방열시트를 제조하였다.
실시예 3
제2층의 형성과정에서 길이 10 ㎛의 카본나노튜브와 입경 1 ㎛의 그래핀의 혼합물을 12 중량부(카본나노튜브 : 그래핀 = 40:60 중량부), 아크릴계 수지를 28 중량부, 에틸아세테이트를 60 중량부 사용한 것을 제외하고는, 실시예 1과 동일한 방법으로 방열시트를 제조하였다.
비교예 1
제2층의 형성과정에서 입경 1 ㎛의 그래핀을 사용하지 않고, 길이 10 ㎛의 카본나노튜브를 25 중량부, 아크릴계 수지를 65 중량부, 에틸아세테이트를 10 중량부 사용한 것을 제외하고는, 실시예 1과 동일한 방법으로 방열시트를 제조하였다.
실험예
상기 실시예 1 내지 3 및 비교예 1에서 제조한 방열시트를 각각 100×100 mm2 크기로 자르고, 90 ℃의 열을 발생하는 열원을 부착한 뒤 30분 후 상기 열원의 온도를 온도센서(Thermocouple; DTM-305, TECPEL사제)를 이용하여 측정하였다. 동시에 방열시트 표면의 온도를 열화상 카메라(EasIR-4, Guide Infrared Co., Ltd)를 이용하여 측정하였다. 이상의 결과를 하기 표 1에 나타내었다.
열원온도 ( ℃ ) 방열시트 표면온도 ( ℃ )
초기 90 ㅡ
실시예 1 65.9 56.8
실시예 2 67.1 58.4
실시예 3 67.8 59.3
비교예 1 69.4 63.2
상기 표 1에서 열원의 온도 하강 폭이 클수록 방열시트의 열확산 및 열방사 성능이 우수함을 의미한다. 상기 표 1을 참조하면, 제2층의 열전도성 입자로 카본나노튜브만 사용한 비교예에 비해 카본나노튜브와 그래핀 혼합물을 함께 사용한 실시예 1 내지 3의 방열시트의 경우 열원과 방열시트 표면의 온도가 더욱 낮아졌음을 알 수 있으며, 특히 카본나노튜브와 그래핀 혼합물의 혼합 비율이 가장 큰 실시예 1에서 열원과 방열시트 표면온도가 가장 낮아져, 열확산 및 열방사 성능이 가장 우수함을 알 수 있었다.
100: 방열시트 110: 제1층
120: 제2층 130: 기재
200: 이형필름 300: 방열시트
310: 제1층 320: 제2층
330: 기재 340: 플라스틱 필름

Claims (12)

  1. (i) 열전도성 입자와 층 형성 재료를 포함하는 제1층;
    (ii) 2종의 열전도성 입자의 혼합물과 층 형성 재료를 포함하는 제2층; 및
    (iii) 상기 제1층과 상기 제2층 사이에 위치하는 기재를 포함하고,
    상기 제2층의 2종의 열전도성 입자가 서로 상이한 평균 입경 또는 평균 길이를 가지며, 각각 1 내지 10 μm 및 5 내지 20 μm의 평균 입경 또는 평균 길이를 갖는 방열시트.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 제1층의 층 형성 재료가 접착제를 포함하는 접착층 또는 점착제를 포함하는 점착층인 방열시트.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 제2층의 층 형성 재료가 수지를 포함하는 도료층인 방열시트.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 제1층의 타면에 합지되는 플라스틱 필름을 추가로 포함하고,
    상기 제2층의 층 형성 재료가 접착제를 포함하는 접착층 또는 점착제를 포함하는 점착층인 방열시트.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 제1층의 두께가 5 내지 100 ㎛이고, 상기 제2층의 두께가 5 내지 100 ㎛이며, 상기 기재의 두께가 5 내지 600 ㎛인 방열시트.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 열전도성 입자가 카본블랙, 카본나노튜브, 카본나노화이버, 또는 그래핀인 방열시트.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 제1층에 함유되는 열전도성 입자가 카본나노튜브이고, 상기 제2층에 함유되는 열전도성 입자가 카본나노튜브와 그래핀의 혼합물인 방열시트.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 제1층의 열전도성 입자를 제1층 100 중량부를 기준으로 하여 5 내지 80 중량부 포함하고, 상기 제2층의 열전도성 입자를 제2층 100 중량부를 기준으로 하여 5 내지 80 중량부 포함하는 방열시트.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 제1층에 포함되는 상기 열전도성 입자가 1 내지 30 μm의 평균 입경 또는 평균 길이를 갖는 방열시트.
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 기재가 금속 박막, 금속 메쉬, 폴리머 메쉬 또는 섬유 메쉬인 방열시트.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 금속 박막이 알루미늄 박막, 구리 박막 또는 니켈 박막이고, 상기 금속 메쉬가 알루미늄 메쉬, 구리 메쉬, 니켈 메쉬, 또는 철 메쉬이고, 상기 폴리머 메쉬가 폴리에스터 메쉬, 폴리프로필렌 메쉬, 또는 폴리우레탄 메쉬이며, 상기 섬유 메쉬가 유리섬유, 아크릴섬유, 또는 나일론섬유인 방열시트.
  12. 제 4 항에 있어서,
    상기 플라스틱 필름이 폴리에틸렌(PE), 폴리프로필렌(PP), 폴리스티렌(PS), 폴리카보네이트(PC), 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET), 폴리부틸렌테레프탈레이트(PBT), 폴리에틸렌나프탈레이트(PEN) 또는 폴리이미드(PI)로 이루어진 방열시트.
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