KR101606450B1 - 조명led 적용을 위한 팽창그라파이트 함유 고열전도성 무기물-폴리머 복합조성물의 제조방법 - Google Patents
조명led 적용을 위한 팽창그라파이트 함유 고열전도성 무기물-폴리머 복합조성물의 제조방법 Download PDFInfo
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Abstract
본 발명은 조명LED 적용을 위한 팽창그라파이트를 함유한 고열전도성 무기물-폴리머 복합조성의 제조방법에 관한 것으로서, 구체적으로는 팽창그라파이트와 무기물을 나노 크기로 분쇄한 후 이들의 표면에 기능화기가 도입될 수 있도록 개질을 한 후 열전도성 합성수지에 분산 혼합하여 제조되는 조명 LED 적용을 위한 팽창그라파이트를 함유한 고열전도성 무기물-폴리머 복합조성물의 제조방법에 관한 것이다.
팽창그라파이트를 함유한 고열전도성 무기물-폴리머 복합조성물로 인해 탄소소재 제조 및 이에 대한 기능성 확보로서 전기, 전자부품관련 히트싱크 재료로 다양하게 적용이 가능하게 되며, 방열효율 향상으로 인한 조명 LED의 수명 및 에너지 효율을 향상시킬 수 있다.
팽창그라파이트를 함유한 고열전도성 무기물-폴리머 복합조성물로 인해 탄소소재 제조 및 이에 대한 기능성 확보로서 전기, 전자부품관련 히트싱크 재료로 다양하게 적용이 가능하게 되며, 방열효율 향상으로 인한 조명 LED의 수명 및 에너지 효율을 향상시킬 수 있다.
Description
본 발명은 조명LED 적용을 위한 팽창그라파이트를 함유한 고열전도성 무기물-폴리머 복합조성물의 제조방법에 관한 것으로서, 구체적으로는 팽창그라파이트와 무기물을 나노 크기로 분쇄한 후 이들의 표면에 기능화기가 도입될 수 있도록 개질을 한 후 열전도성 합성수지에 분산 혼합하여 제조되는 팽창그라파이트를 함유한 고열전도성 무기물-폴리머 복합조성물의 제조방법에 관한 것이다.
최근 전자기기가 경량화, 소형화, 슬림(slim)화되고 고속화를 위하여 고집적화됨에 따라 단위 체적당 발열량이 증가하면서 열 부하로 인하여 많은 문제점이 발생하고 있다.
기존의 조명용 LED 소켓용으로 많이 사용되어온 알루미늄 소재는 그 중량이 비교적 무거워 LED 조명기구와 같이 경량화를 지향하는 제품에 적절하지 않은 문제점을 갖는다. 이와 같은 문제점을 갖는 알루미늄 방열체를 대체하기 위해 중량이 상대적으로 가벼운 플라스틱 방열체가 개발되어 일부 사용되고 있지만, 기존의 플라스틱 방열체는 플라스틱에 고가의 특수 열전도성 필러를 삽입하여 전도성 플라스틱을 제작하기 때문에 알루미늄 방열체 대비 10~20 정도의 단가 상승 문제점이 있다.
LED는 p형과 n형 반도체의 접합으로 이루어져 있으며 전압을 가하면 전자와 정공의 결합으로 반도체의 밴드 갭(band gap)에 해당하는 에너지를 빛의 형태로 방출하는 일종의 광전자 소자이다. LED는 정보·통신 기기를 비롯한 전자 장치의 표시·화상용 광원으로 이용되어 왔으며, 1990년대 중반 이후에 청색 LED가 개발되면서 총천연색 디스플레이(display)가 가능하게 되었다. LED는 일반 조명등, 건물 장식등, 무드(mood)등, 차량등, 교통 신호등, 실내 및 실외 전광판, 유도등, 경고등, 각종 보안장비용 광원, 살균 또는 소독용 광원 등에 폭넓게 활용되고 있다.
이러한 LED 또한 반도체 소자로서 작동 과정에서 많은 양의 열이 발생하기 쉬우며, 과열될 경우 휘도 저하, 수명 단축 등 많은 부작용이 나타나게 된다.
LED의 효과적인 방열을 위해 여러 가지 구조를 갖는 방열핀이 포함된 히트싱크를 사용하고 있다. 이러한 히트싱크는 대부분 알루미늄과 같은 금속재질로 제조되어 LED램프의 후면에 장착된다. 그러나 금속재질은 비중이 커서 제품을 경량화 시키는데 한계가 있고, 단가가 높기 때문에 제조비용이 증대되는 문제점이 있다. 또한 금속재질은 상대적으로 가공성이 떨어지므로 특정 형상으로 가공하기 위해 많은 시간과 비용이 소요되는 문제점이 있다.
이러한 문제점들로 인해 최근에는 기존에 사용되어져 오던 소재를 대체할 수 있는 경량화·고방열 소재를 많이 개발하고 있는 추세이다.
한국등록특허 제10-1228858호는 그라파이트 페이퍼 방열구조를 갖는 직관형 LED 조명등에 관한 것으로, 기존의 금속 재질의 히트싱크 대신 그라파이트 페이퍼를 이용하여 방열구조를 형성함으로써 방열능력을 확보하면서도 중량을 획기적으로 절감하고 제조단가를 낮추며 종이재질로 인한 가공성을 극대화할 수 있고, 기존의 금속 재질 케이스를 폴리카보네이트 재질로 대체하여 제품의 중량과 가격을 절감하고, 폴리카보네이트 케이스의 내부에 가이드를 형성하여 LED 침이 장착된 인쇄회로기판을 슬라이드 방식으로 착탈 가능 하도록 구현함으로써 조립공정을 단순화시켜 제조공정을 간소화하며 유지 보수비용을 절감할 수 있는 그라파이트 페이퍼 방열구조를 갖는 직관형 LED 조명등에 대해 개시하고 있다.
한국등록특허 제10-1120637호는 플라스틱 수지에 금속을 일정 두께로 도금하여 열전도도를 향상시켜 경량의 조명용(예; LED 조명용) 방열체를 달성할 수 있도록 한 도금을 이용한 조명용 플라스틱 방열체 및 그 제조방법을 개시하고 있다.
한국등록특허 제10-1071903호는 상단지지부와 하단지지부를 갖도록 한 쌍의 상부 케이스를 성형하고, 폴딩 성형장치 또는 회전식 절곡기를 이용하여 절곡방열체를 제작한 후, 상부 케이스와 절곡 방열체가 형합되도록 체결할 때 복수의 비 접촉 면적 공간을 형성시켜서, LED 형광등의 경량화 및 구조적 안전성에 크게 기여할 수 있는 LED 형광등용 경량화 절곡방열체의 제조방법을 개시하고 있다.
본 발명은 조명LED 적용을 위한 팽창그라파이트를 함유한 고열전도성 무기물-폴리머 복합조성물의 제조방법에 관한 것으로서, 구체적으로는 팽창그라파이트와 무기물을 나노 크기로 분쇄한 후 이들의 표면에 기능화기가 도입될 수 있도록 개질을 한 후 열전도성 합성수지에 분산 혼합하여 제조되는 팽창그라파이트를 함유한 고열전도성 무기물-폴리머 복합조성물의 제조방법에 관한 것이다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 양태로서, 본 발명은 팽창그라파이트와 무기물 필러를 동시에 또는 별도로 나노 크기로 1회 이상 분쇄하는 나노분쇄단계; 나노 크기로 분쇄된 팽창그라파이트와 무기물 필러의 표면을 개질하여 안정적인 기능화기를 도입하도록 처리하는 표면개질단계; 및 표면개질된 나노 크기의 팽창그라파이트와 무기물 필러를 열전도성 합성수지에 분산시켜 혼합하여 무기물-폴리머 복합조성물을 제조하는 분산혼합단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
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또한, 상기 나노 크기로의 분쇄단계에서는 초음파 분쇄기를 이용해 팽창그라파이트와 무기물 필러를 분쇄하는 것을 특징으로 한다.
초음파 분쇄기를 이용해 팽창그라파이트와 무기물 필러를 분쇄함으로써 미립자를 균질화시켜 용매에 균일하게 분산시킬 수 있다.
또한, 상기 팽창그라파이트를 나노 크기로 분쇄하는 나노분쇄단계는 팽창그라파이트를 수분 상태에서 초음파 분쇄기를 통해 분쇄하는 습식나노분쇄단계; 수분이 함유된 나노 크기로 분쇄된 팽창그라파이트에서 수분을 제거하는 수분제거단계; 및 수분이 제거된 나노 크기의 팽창그라파이트 분말에 대해 파우더 분산 공정을 통해 균일하게 분산화시키는 파우더 분산단계;로 구성되는 것을 특징으로 한다.
팽창그라파이트를 나노 크기로 분쇄할 때의 입도는 0.1~1.0㎛의 크기로 분쇄할 수 있다. 팽창그라파이트를 나노 크기로 분쇄하는 것은 다양한 용매를 활용하여 균일하게 분산시켜 분산안정성을 도모하기 위함이다.
또한, 상기 표면개질단계에서 도입되는 기능화기는 카르복실기(-COOH), 하이드록실기(-OH), 에스테르기(-C=O) 중 어느 하나 이상인 것을 특징으로 한다.
카르복실기(-COOH), 하이드록실기(-OH), 에스테르기(-C=O)와 같은 기능화기들로 인해서 팽창그라파이트와 무기물 필러의 입자가 더욱 미립화될 수 있으며, 구조적 안정성을 나타낼 수 있다.
또한, 상기 팽창그라파이트와 무기물 필러의 표면개질은 질산이나 황산 등의 혼합산(Acid)에 의해 가공처리되는 것을 특징으로 한다.
탄소 소재가 충분히 성능을 발휘하기 위해 표면개질을 통해 고분산성을 보유하도록 복합 탄소 소재의 기능화를 원활하게 할 수 있다.
본 발명에 의한 팽창그라파이트를 함유한 고열전도성 무기물-폴리머 복합조성물로 인해 탄소 소재 제조 및 이에 대한 기능성 확보로서 전기, 전자부품 관련 히트싱크 재료로 다양하게 적용이 가능하다는 장점이 있다.
또한, 본 발명은 경제적인 측면으로서 수입 대체 효과 및 제조 원가를 절감할 수 있다는 다른 장점이 있다.
또한, 본 발명은 환경 개선적인 측면으로 방열효율 향상으로 인한 조명용 LED의 수명 및 이산화탄소 감소와 같은 에너지 효율향상 효과를 도모할 수 있는 또 다른 장점이 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시형태에 따른 나노 크기로 분쇄된 팽창그라파이트와 무기물 필러를 열전도성 합성수지에 분산혼합시켜 조명LED 적용을 위한 팽창그라파이트를 함유한 고열전도성 무기물-폴리머 복합 조성물의 제조단계를 개략적으로 나타내는 순서도이다.
이하, 본원의 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명의 실시형태를 들어 상세히 설명한다. 본 발명의 실시형태는 당업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 더욱 완전하게 설명하기 위해서 제공되는 것이다. 따라서, 본 발명의 실시형태는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 이하 설명하는 실시형태로 한정되는 것은 아니다.
도 1은 본 발명의 일 실시형태에 따른 나노 크기로 분쇄된 팽창그라파이트와 무기물 필러를 열전도성 합성수지에 분산혼합시켜 조명LED 적용을 위한 팽창그라파이트를 함유한 고열전도성 무기물-폴리머 복합 조성물의 제조단계를 개략적으로 나타내는 순서도이다.
우선, 팽창그라파이트와 무기물 필러를 분쇄하는 단계를 수행할 수 있다(S1).
팽창그라파이트와 무기물 필러는 초음파 분쇄기를 통해 분쇄하는 습식 나노 분쇄 단계를 1회 이상 수행한다. 또한 분쇄된 팽창그라파이트에서 수분을 제거하는 수분 제거단계, 수분이 제거된 나노 크기의 팽창그라파이트 분말에 대해 파우더 분산 공정을 통해 균일하게 분산화시키는 파우더 분산단계를 수행한다.
이때 사용되는 무기물 필러는 금, 은, 구리, 알루미늄, 은코팅구리, 은코팅니켈, 은코팅알루미늄, 산화알루미늄, 산화철, 산화마그네슘, 보놀나이트라이드, 실리콘나이트라이드, 티타늄나이트라이드 중 어느 하나 이상이 혼합될 수 있다.
다음으로, 나노 크기로 분쇄된 팽창그라파이트와 무기물 필러의 표면을 개질하여 안정적인 기능화기를 도입하도록 처리하는 표면개질단계를 수행할 수 있다(S2).
이때, 팽창그라파이트와 무기물 필러의 표면개질은 질산이나 황산 등의 혼합산(Acid)에 의해 가공처리할 수 있다.
표면개질을 통해 도입되는 기능화기는 카르복실기(-COOH), 하이드록실기(-OH), 에스테르기(-C=O) 중 어느 하나 이상일 수 있다.
다음으로, 표면개질된 나노 크기의 팽창그라파이트와 무기물 필러를 열전도성 합성수지에 분산시켜 혼합하여 무기물-폴리머 복합조성물을 제조하는 분산혼합단계를 수행할 수 있다(S3).
이때, 사용되는 열전도성 합성수지는 폴리페닐렌설파이드(PPS), 폴리부틸렌텔레프탈레이드(PBT), 폴리카보네이트(PC), 폴리아미드(PA), 폴리프로필렌(PP), 폴리에틸렌(PE), 폴리우레탄(PU), 리퀴드크리스탈수지(LCP), 에폭시수지(Epoxy), 실리콘수지(Silicone) 중 어느 하나를 사용할 수 있다.
[실시예]
1. 나노분쇄단계
팽창그라파이트와 구리와 알루미늄을 혼합한 무기물 필러를 동시에 나노 크기로 1회 이상 분쇄하는 과정을 수행할 수 있다.
나노 크기로 분쇄하기 위해서는 초음파 분쇄기를 이용해 분쇄한다.
팽창그라파이트를 나노 크기로 분쇄할 때에는 팽창그라파이트를 수분상태에서 초음파 분쇄기를 통해 분쇄한 후, 수분을 제거하였다.
수분이 제거된 나노 크기의 팽창그라파이트 분말에 대해서는 파우더 분산 공정을 통해 균일하게 분산화시켜 파우더로 제조하였다.
2. 표면개질단계
나노 크기로 분쇄된 팽창그라파이트와 무기물 필러의 표면을 개질하여 안정적인 기능화기를 도입하도록 처리하는 과정을 수행할 수 있다.
표면개질단계에서 도입되는 기능화기는 카르복실기(-COOH)가 될 수 있다. 또한 팽창그라파이트와 구리, 알루미늄을 혼합한 무기물 필러의 표면개질은 질산과 황산의 혼합산에 의해 가공처리 한다.
3. 분산혼합단계
표면개질된 나노 크기의 팽창그라파이트와 구리, 알루미늄을 혼합한 무기물 필러를 열전도성 합성수지에 분산시켜 혼합하는 과정을 수행할 수 있다.
팽창그라파이트 10g과 구리와 알루미늄을 혼합한 무기물 필러 10g를 폴리우레탄수지에 분산시켜 복합조성물 100g을 제조하였다.
4. 팽창그라파이트를 함유한 무기물-폴리머 복합조성물의 물성 시험
조명LED 적용을 위한 팽창그라파이트와 무기물-폴리머 복합조성물의 물성시험으로 열전도도, 충격강도, 내열성을 측정하였다.
열전도도의 측정방법은 ASTM E1461에 따라서 시행하였으며, 충격강도 및 내열성의 측정방법은 각각 ASTM D256, ASTM D1525에 따라서 시행하였다.
조명LED 적용을 위한 팽창그라파이트를 함유한 무기물-폴리머 복합조성물의 물성 시험결과는 아래의 표 1에 나타내었다.
| 성능지표 | 단위 | 시험결과 | 시험방법 |
| 열전도도 | W/mK | 7 | ASTM E1461 |
| 충격강도 | Kg.cm/cm | 10 | ASTM D256 |
| 내열성 | ℃ | 150 | ASTM D1525 |
상기 표 1은 조명LED 적용을 위한 팽창그라파이트를 함유한 무기물-폴리머 복합조성물의 물성 시험결과이다.
이상, 실시예를 들어 본 발명을 상세하게 설명하였으나, 본 발명은 상기 구현예들에 한정되지 않으며, 여러 가지 다양한 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 기술적 사상 내에서 당 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의하여 여러 가지 많은 변형이 가능함이 명백하다. 또한, 청구범위에 기재된 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 당 기술분야의 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 형태의 치환, 변형 및 변경이 가능할 것이며, 이 또한 본 발명의 범위에 속한다고 할 것이다.
Claims (9)
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- 팽창그라파이트와 무기물 필러를 동시에 또는 별도로 나노 크기로 1회 이상 분쇄하는 나노분쇄단계;
나노 크기로 분쇄된 팽창그라파이트와 무기물 필러의 표면을 개질하여 안정적인 기능화기를 도입하도록 처리하는 표면개질단계; 및
표면개질된 나노 크기의 팽창그라파이트와 무기물 필러를 열전도성 합성수지에 분산시켜 혼합하여 무기물-폴리머 복합조성물을 제조하는 분산혼합단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 조명LED 적용을 위한 팽창그라파이트를 함유한 고열전도성 무기물-폴리머 복합조성물의 제조방법
- 청구항 5에 있어서,
상기 나노 크기 분쇄단계에서는 초음파 분쇄기를 이용해 팽창그라파이트와 무기물 필러를 분쇄하는 것을 특징으로 하는 조명LED 적용을 위한 팽창그라파이트를 함유한 고열전도성 무기물-폴리머 복합조성물의 제조방법
- 청구항 5에 있어서,
상기 팽창그라파이트를 나노 크기로 분쇄하는 나노분쇄단계는,
팽창그라파이트를 수분 상태에서 초음파 분쇄기를 통해 분쇄하는 습식나노분쇄단계;
수분이 함유된 나노 크기로 분쇄된 팽창그라파이트에서 수분을 제거하는 수분제거단계; 및
수분이 제거된 나노 크기의 팽창그라파이트 분말에 대해 파우더 분산 공정을 통해 균일하게 분산화시키는 파우더분산단계;로 구성되는 것을 특징으로 하는 조명LED 적용을 위한 팽창그라파이트를 함유한 고열전도성 무기물-폴리머 복합조성물의 제조방법
- 청구항 5에 있어서,
상기 표면개질단계에서 도입되는 기능화기는 카르복실기(-COOH), 하이드록실기(-OH), 에스테르기(-C=O) 중 어느 하나 이상인 것을 특징으로 하는 조명LED 적용을 위한 팽창그라파이트를 함유한 고열전도성 무기물-폴리머 복합조성물의 제조방법
- 청구항 5에 있어서,
상기 팽창그라파이트와 무기물 필러의 표면개질은 질산이나 황산 등의 혼합산(Acid)에 의해 가공처리되는 것을 특징으로 하는 조명LED 적용을 위한 팽창그라파이트를 함유한 고열전도성 무기물-폴리머 복합조성물의 제조방법
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