KR101581499B1 - 고분자 수지용 방열재, 방열 수지 조성물, 플라스틱 방열재료 및 그 제조방법 - Google Patents

고분자 수지용 방열재, 방열 수지 조성물, 플라스틱 방열재료 및 그 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 고분자 수지용 방열재 및 방열 수지 조성물에 관한 것으로, 평균 입경이 서로 다른 2종의 충전재로 이루어진 방열재를 제공함으로써 고분자 수지에 대하여 충전율을 개선시키고 열 경로를 확보하면서 전기절연성을 갖춘 플라스틱 방열재료를 제공할 수 있는 효과를 제공한다.

Description

고분자 수지용 방열재, 방열 수지 조성물, 플라스틱 방열재료 및 그 제조방법 {Heat radiating macromolecular resin material, heat radiating resin composition, plastic heat radiating material, and method for preparing thereof}
본 발명은 고분자 수지용 방열재, 방열 수지 조성물, 플라스틱 방열재료 및 그 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 방열재로서 최적화된 충전재 조합을 제공함으로써 고분자 수지에 대하여 충전율을 개선시키고 열 경로를 확보할 수 있는 고분자 수지용 방열재 및 이를 포함하는 방열 수지 조성물을 제공하고, 나아가 상기 방열 수지 조성물을 이용하여 열 경로를 확보하면서 전기절연성을 갖춘 플라스틱 방열재료를 제조하는 방법을 제공할 수 있는 고분자 수지용 방열재, 방열 수지 조성물, 플라스틱 방열재료 및 그 제조방법에 관한 것이다.
전자제품 기술의 발달로 전자제품의 소형화와 고집적화, 고성능화가 이루어지고 있으며, 이에 따라 전자제품 및 자동차 부품 내에서 발생하는 열을 효과적으로 제거하기 위한 열전도도가 높은 소재가 요구되고 있다.
참고로, 방열이 필요한 장치는 일례로 휴대 전자제품의 하우징, 디브이디(DVD) 드라이브 픽업용 부품, 자동차 라디에이터, 자동차 배터리 팩 하우징, 조명용 엘이디(LED) 하우징, 전기커넥터, 기판, CPU 등이 있으며, 이들 장치들로부터 발생하는 열을 제거하기 위하여 히트싱크(heatsink), 방열 핀 등의 방열재를 설치하고 있으며, 전자 제품의 하우징에 열전도성 소재의 적용예가 증가하고 있다.
상기 방열을 위해 열전도도 및 열확산 계수 등이 높아야 하며, 주로 열전도도가 상온에서 100 W/mK 이상인 알루미늄, 마그네슘, 구리 등의 금속을 방열재로 사용하였다. 상기 금속들은 전기저항이 낮으므로 전자부품의 외곽 케이스로 사용할 경우 방열뿐 아니라 전자파 장해 방지에도 탁월한 효과를 보이지만, 금속 자체의 특성상 성형성과 생산성 및 부품 디자인 측면에서 한계를 갖는다.
이에 금속을 충전재로 대체한 열전도성 수지를 제안하였으나, 열전도율과 비례하여 충전재가 과다 투입되면 점도가 상승하고 가공성이 저하되며 최종 제품의 외관 및 물성이 저하되는 단점을 나타내었다. 이에 충전재 함량을 최소화할 수 있는 방안이 제안되었으나, 이 또한 한계를 갖는다.
상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여, 본 발명은 방열재로서 최적화된 충전재 조합을 제공함으로써 고분자 수지에 대하여 충전율을 개선시키고 열 경로를 확보할 수 있는 고분자 수지용 방열재 및 이를 포함하는 방열 수지 조성물을 제공하는 것을 그 목적으로 한다.
또한, 본 발명은 상기 방열 수지 조성물로부터 열 경로를 확보하면서 전기절연성을 갖춘 플라스틱 방열재료 및 그 제조방법을 제공하는 것을 그 목적으로 한다.
본 발명에 따르면,
평균입경이 서로 다른 제1 충전재 및 제2 충전재로 구성된 고분자 수지용 방열재를 제공한다.
또한, 본 발명에 따르면,
고분자 수지와 방열재로 구성된 방열 수지 조성물에 있어서,
상기 방열재로서 상술한 고분자 수지용 방열재를 포함하는 것을 특징으로 하는 방열 수지 조성물을 제공한다.
나아가, 본 발명에 따르면,
방열 수지 조성물로 플라스틱 방열재료를 제조함에 있어서,
이축 압출 혼련기 내 메인 호퍼에는 상술한 방열 수지 조성물을 투입하고, 사이드 피더에는 상술한 방열재를 투입한 것을 특징으로 하는 플라스틱 방열재료의 제조방법을 제공한다.
이하, 본 발명에 대하여 보다 구체적으로 설명한다.
본 발명에서는 고분자 수지용 방열재로서 최적화된 충전재 조합을 제공하는데 기술적 특징을 갖는다.
본 발명에서 사용된 용어 “고분자 수지용 방열재”는 달리 언급되지 않는 한 고분자 수지에 적용되는 것을 의미한다.
상기 고분자 수지용 방열재는 평균입경이 서로 다른 제1 충전재 및 제2 충전재로 구성된 것을 특징으로 한다.
여기서 상기 제1 충전재는, 열전도성 향상을 목적으로 a)평균 입경이 5 내지 100 ㎛이고 판상 타입, 및 b)평균 입경이 1 내지 100 ㎛이고 구형 또는 각형 타입, 중에서 선택된 2종 이상으로 구성될 수 있다.
상기 a)평균 입경이 5 내지 100㎛인 판상형 충전재는 일례로 질화붕소 또는 질화붕소가 판상형 마이카 혹은 플레이트형 마이카의 표면에 처리된 질화붕소-마이카 혹은 이들의 혼합물일 수 있고, 또 다른 일례로 밀도가 1.5 내지 4.0 g/cm3범위 내인 질화붕소 또는 질화붕소-마이카일 수 있다.
상기 b)평균 입경이 1 내지 100 ㎛인 구형 또는 각형 충전재는 일례로 산화알루미늄(Al2O3), 보헤마이트(AlOOH), 산화마그네슘(MgO) 수산화마그네슘(MgOH) 및 질화알루미늄(AlN) 중에서 선택된 1종 이상일 수 있다.
본 발명에서 제1 충전재로서 상기 a)평균 입경이 5 내지 100㎛인 판상형 충전재, 와 b) 평균 입경이 1 내지 100 ㎛인 구형 또는 각형 충전재를 모두 사용할 경우 배합비는 일례로 1:1 내지 1:10 중량비일 수 있다.
나아가 고분자 수지 내에서 분산도를 증가시킬 목적으로 상기 제1 충전재는 표면에 반응성기가 물리적 또는 화학적으로 전처리한 것을 사용할 수 있다.
또한, 상기 제2 충전재는 고분자 수지에 배합시 고분자 수지 내 제1 충전재의 충전율을 증가시켜 열전도성을 증가시키고 기계적 물성 저하를 방지할 목적으로 최대 평균 입경이 50㎛인 것을 투입하는 것으로, 일례로 탄산칼슘, 탈크, 산화아연, 월라스토나이트, 휘스커, 마이카, 카올린, 황산칼슘, 황산마그네슘, 유리섬유, 밀드(milled) 유리섬유 및 유리비드 중에서 선택된 1종 이상일 수 있다. 참고로, 상기 제2 충전재는 평균 입경이 1 내지 50 ㎛이고 판상 타입인 것과, 평균 입경이 1 내지 50 ㎛이고 구형 및 섬유형 타입인 것 등으로 분류될 수 있으며, 일례로 상기 판상형 및 섬유형 타입의 종횡비는 5 내지 100 일 수 있다.
나아가 상기 제2 충전재의 분산도 증가를 목적으로, 상기 제2충전재는 표면에 반응성기가 물리적 또는 화학적으로 전처리한 것을 사용할 수 있다.
본 발명에서 방열재를 구성하는 상기 제1 충전재와 제2 충전재의 함량비는 일례로 1:1 내지 20:1의 중량비일 수 있다.
특히, 본 발명에서 제공되는 방열재는 평균 입경과 입자 형태가 서로 다른 2종 이상의 동종 충전재가 혼합되거나 혹은 평균 입경과 입자 형태가 서로 다른 2종 이상의 이종 충전재가 혼합된 것일 수 있다.
이같이 구성된 방열재는 고분자 수지와 함께 방열 수지 조성물을 구성할 수 있다.
일례로 상기 방열 수지 조성물은 고분자 수지 20 내지 80 중량% 및 방열재 80 내지 20 중량%를 포함하여 구성될 수 있고, 상기 방열재 함량은 제1 충전재 1 내지 70 중량%와 제2 충전재 1 내지 30 중량% 범위내에서 달성될 수 있다.
또 다른 일례로 상기 방열 수지 조성물은 고분자 수지 20 내지 40 중량% 및 방열재 80 내지 60 중량%를 포함하여 구성될 수 있고, 상기 방열재 함량은 제1 충전재 1 내지 70 중량%와 제2 충전재 1 내지 30 중량% 범위 내에서 달성될 수 있다.
상기 고분자 수지는 일례로 ASTM D 1238 규격에 의해 측정된 용융지수(MI)가 3~600인 열가소성 수지일 수 있다. 구체적인 예로, 폴리페닐렌설파이드, 폴리카보네이트, 폴리부틸렌테레프탈레이트, 폴리아마이드 및 폴리프로필렌 중에서 선택된 1종 이상을 들 수 있다.
다른 예로 상기 고분자 수지는 용융지수(MI)가 100 내지 600(315°C/5kg) 이고 융점이 270 내지 290 ℃인 선형 폴리페닐렌설파이드 및 용융지수(MI)가 3 내지 30(300°C/1.2kg)인 폴리카보네이트, 폴리부틸렌테레프탈레이트, 폴리아마이드(275°C/0.325kg, 235°C/10kg, 235°C/2.16kg, 235°C/5kg, 275°C/5kg) 및 폴리프로필렌(230°C/2.16kg) 중에서 선택된 1종 이상일 수 있다.
또 다른 일례로, 상기 고분자 수지는 중량평균 분자량(Mw)이 30,000 내지 60,000 g/mol이고 MI 100 내지 600(315°C/5kg)이고 융점이 270 내지 290℃인 선형 폴리페닐렌 설파이드일 수 있고, 혹은 MI가 3 내지 30(300°C/1.2kg)인 폴리카보네이트일 수 있다.
나아가 상기 방열 수지 조성물은 고분자 수지와 방열재간 결합력 증가를 목적으로 커플링제를 더 포함할 수 있다.
상기 커플링제는 방열 수지 조성물 총 100중량 기준으로 0.1 내지 3 중량부 범위 내로 포함할 수 있다.
상기 커플링제는 일례로 전이금속, 실란 또는 아민계 커플링제를 사용할 수 있으며, 구체적인 예는 티타네이트계, 지르코네이트계, 실란계 및 아민계 중에서 선택된 1종 이상일 수 있다.
나아가, 상기 방열 수지 조성물은 백도 증가를 목적으로 백색 무기물을 더 포함할 수 있다.
상기 백색 무기물은 방열 수지 조성물 총 100중량 기준으로 0.1 내지 10 중량부 범위 내로 포함할 수 있다.
상기 백색 무기물은 일례로 백도 증가 물질, 안료 및 안료의 마스터배치 중에서 선택된 백색 물질일 수 있고, 구체적인 예로는 산화티타늄(TiO2), 황산바륨(BaSO4), 산화실리콘(SiO2), 산화붕소(B2O3), 산화알루미늄(Al2O3)및 황화아연(ZnS) 중에서 선택된 1종 이상일 수 있다.
또한 상기 방열 수지 조성물은 열전도성 향상을 목적으로 무기 필러를 더 포함할 수 있다.
상기 무기 필러는 방열 수지 조성물 총 100중량 기준으로 0.1 내지 15 중량부 범위 내로 포함할 수 있다.
상기 무기 필러는 일례로 그라파이트, 탄소나노튜브 및 산화 금속으로 구성된 탄소계 및 금속계 중에서 선택된 1종 이상일 수 있다.
또한, 상기 방열 수지 조성물은 필요에 따라 산화방지제, 형광증백제, 광안정제, 윤활제, 안료, 염료, 이형제, 가교제, 내마찰 마모제, 반응형 화합물, 난연제, 금속 불활성제, 대전 방지제, 커플링제 등을 추가로 포함할 수 있다.
이같이 하여 구성된 방열 수지 조성물은 플라스틱 방열재료를 제조시 믹서에서 일차 혼합한 후 통상 사용하는 배합 가공기기(이축압출기, 일축압출기, 니더 또는 밴버리 믹서 등)을 이용하여 용융 혼련한 다음 펠렛타이저로 펠렛을 얻은 다음 제습 건조 또는 열풍 건조시키고, 사출 성형 또는 용융 압축할 수 있다.
일례로 이축 압출 혼련기를 사용시 상기 방열 수지 조성물은 이축 압출 혼련기 내 메인 호퍼에 투입되고, 사이드 피더에는 앞서 살펴본 방열재를 투입할 수 있다.
상기 압출 혼련은 일례로 배럴 온도 280 내지 340 ℃ 하에 수행될 수 있다. 또한 상기 사출 성형은 사출 온도 290 내지 330 ℃ 하에 수행될 수 있다.
상술한 방법에 의해 수득된, 플라스틱 방열재료는 전기절연성을 띠고 ASTM E1461 (Laser Flash Method)으로 측정한 열전도도가 5 W/mK 이상으로서 방열장치의 방열재 용도로 사용될 수 있다. 여기서 방열 장치란 이에 한정하는 것은 아니나, 전기, 전자, 자동차 부품의 히트싱크, 하우징 및 백커버 중에서 선택될 수 있다.
본 발명에 따르면, 평균 입경이 서로 다른 2종의 충전재로 이루어진 방열재를 제공함으로써 고분자 수지에 대하여 충전율을 개선시키고 열 경로를 확보하면서 전기절연성을 갖춘 플라스틱 방열재료를 제공할 수 있는 효과를 갖는다.
이하, 본 발명의 이해를 돕기 위하여 바람직한 실시예를 제시하나, 하기 실시예는 본 발명을 예시하는 것일 뿐 본 발명의 범주 및 기술사상 범위 내에서 다양한 변경 및 수정이 가능한 것이다.
실시예 1-4, 비교예 1-2
고분자 수지용 방열재로서 하기 표 1에 제시한 종류 및 함량에 따라 제1 충전재와 제2 충전재를 각각 준비한 다음 역시 표 1에 함께 제시한 열가소성 수지와 배합하여 방열 수지 조성물을 수득하였다.
상기 열가소성 수지는 이축 압출기의 메인 호퍼에 투입하고, 고분자 수지용 방열재는 이축 압출기의 사이드 피더에 투입한 다음 배럴 온도 280 내지 340 ℃ 하에 용융 혼련하여 펠렛타이져(pelletizer)로 펠렛(pellet)을 얻었다.
상기 펠렛을 열풍 건조기에서 건조시키고 용융 압축하여 필름으로 제조하였으며, 다음과 같은 방식으로 물성을 측정하였다.
[물성 측정]
*열전도도: 레이저 플래쉬법(ASTM E1461)에 의거하여 5개 이상의 시료를 측정한 후 평균값을 사용하였다.
*전기절연: 5개 이상의 시료에 대하여 4-point probe 측정법과 2-ring 측정법 등을 이용하여 저저항 및 고저항 범위의 표면저항을 측정한 후 평균값을 사용하였다.
*충전율: 수지 조성물의 밀도를 이용하여 이들 질량을 부피로 환산한 후 전체 부피 중 충전재가 차지하는 부피를 부피분율 충전율로 정의하여 사용하였다.
구분 실시예
1		 실시예
2		 실시예
3		 실시예
4		 비교예
1		 비교예
2
방
열

수
지

조
성
물		 고분자 수지 PPS* 40 40 35 50 50
PC** 35
고분자
수지용
방열재		 제1
충전재		 판상형 질화붕소 25 30 30 30 50
구형
또는
각형		 산화마그네슘 30 25 25
이산화규소/산화마그네슘 25
제2
충전재		 판상형,
구형,
섬유형,		 탈크 5 5 10 50
황산마그네슘 10
물성 열전도도
(W/mK)		 5.6 6.5 7.4 9.5 4.1 1.2
표면저항
(ohm/sq) 		>1014 >1014 >1014 >1014 >1014 >1014
충전율(v/v%) 43 45 49 42 39 32
* 중량평균 분자량(Mw)이 30000내지 60000 g/mol이고, 용융지수(MI)가 100 내지 600(315°C/5kg) 범위이며, 융점이 270내지 290℃의 선형 폴리페닐렌설파이드 수지.
** 용융지수(MI)가 3 내지 30(300°C/1.2kg) 범위 내인 폴리카보네이트 수지.
상기 표 1에서 보듯이, 제1충전재와 제2 충전재의 조합을 고분자 수지용 방열재로 사용한 실시예 1 내지 4의 경우에는 열전도도가 5 W/mK 이상이면서 표면 저항이 1014 ohm/sq 이상을 만족하는 것을 확인하였다. 이는 충전율의 개선에 기인한 것으로 판단된다.
한편, 제1 충전재만 사용한 비교예 1, 혹은 제2 충전재만 사용한 비교예 2의 경우에는 열전도 경로 형성 및 이에 따른 열전도도에 있어 불량한 효과를 규명하였다.

Claims (17)

  1. 평균입경이 서로 다른 제1 충전재 및 제2 충전재로 구성되고,
    상기 제2 충전재는 최대 평균 입경이 50㎛인 충진재로 탄산칼슘, 탈크, 월라스토나이트, 휘스커, 마이카, 카올린, 황산칼슘, 황산마그네슘, 유리섬유, 밀드(milled) 유리섬유 및 유리비드 중에서 선택된 1종 이상인 것을 특징으로 하는 고분자 수지용 방열재.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1 충전재는, 최대 평균입경이 100㎛인 것을 특징으로 하는 고분자 수지용 방열재.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 최대 평균입경이 100㎛인 충전재는 a)평균 입경이 5 내지 100 ㎛이고 판상 타입, 및 b)평균 입경이 1 내지 100 ㎛이고 구형 또는 각형 타입, 중에서 선택된 2종 이상인 것을 특징으로 하는 고분자 수지용 방열재.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 a)평균 입경이 5 내지 100㎛인 판상형 충전재는 질화붕소, 및 질화붕소가 판상형 마이카 혹은 플레이트형 마이카의 표면에 처리된 질화붕소-마이카 중에서 선택된 1종 이상인 것을 특징으로 하는 고분자 수지용 방열재.
  5. 제3항에 있어서,
    상기 b)평균 입경이 1 내지 100 ㎛인 구형 또는 각형 충전재는 질화알루미늄, 보헤마이트, 산화마그네슘, 수산화마그네슘 및 산화알루미늄 중에서 선택된 1종 이상인 것을 특징으로 하는 고분자 수지용 방열재.
  6. 삭제
  7. 삭제
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 제1 충전재와 제2 충전재는 1:1 내지 20:1의 중량비로 포함되는 것을 특징으로 하는 고분자 수지용 방열재.
  9. 고분자 수지와 방열재로 구성된 방열 수지 조성물에 있어서,
    상기 방열재로서 제1항 내지 제5항 또는 제8항 중 어느 한 항의 고분자 수지용 방열재를 포함하는 것을 특징으로 하는 방열 수지 조성물.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 방열 수지 조성물은 고분자 수지 20 내지 80 중량% 및 방열재 80 내지 20 중량%를 포함하고, 상기 방열재 함량은 제1 충전재 1 내지 70 중량%와 제2 충전재 1 내지 30 중량% 범위 내에서 구성된 것을 특징으로 하는 방열 수지 조성물.
  11. 제9항에 있어서,
    상기 방열 수지 조성물은 티타네이트계, 지르코네이트계, 실란 및 아민계 중에서 선택된 1종 이상의 커플링제를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방열 수지 조성물.
  12. 제9항에 있어서
    상기 방열 수지 조성물은 산화티타늄, 황산바륨, 산화실리콘, 산화붕소, 산화알루미늄 및 황화아연 중에서 선택된 1종 이상의 백색 무기물을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방열 수지 조성물.
  13. 제9항에 있어서
    상기 방열 수지 조성물은 그라파이트, 탄소나노튜브, 및 산화 금속으로 구성된 탄소계 및 금속계 중에서 선택된 1종 이상의 무기 필러를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방열 수지 조성물.
  14. 제9항에 있어서
    상기 고분자 수지는 ASTM D 1238 규격에 의해 측정된 용융지수(MI)가 3~600인 열가소성 수지인 것을 특징으로 하는 방열 수지 조성물.
  15. 제14항에 있어서
    상기 열가소성 수지는 폴리페닐렌설파이드, 폴리카보네이트, 폴리부틸렌테레프탈레이트, 폴리아마이드 및 폴리프로필렌 중에서 선택된 1종 이상인 것을 특징으로 하는 방열 수지 조성물.
  16. 방열 수지 조성물로 플라스틱 방열재료를 제조함에 있어서,
    이축 압출 혼련기 내 메인 호퍼에는 제9항의 고분자 수지를 투입하고, 사이드 피더에는 제9항의 방열재를 투입한 것을 특징으로 하는 플라스틱 방열재료의 제조방법.
  17. 제16항의 방법에 의해 수득된, 플라스틱 방열재료.
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