KR101668432B1 - 발열 특성 제어를 위한 방열복합소재 - Google Patents

발열 특성 제어를 위한 방열복합소재 Download PDF

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Abstract

본 발명의 일 실시예에 따른 방열복합소재 조성물은 매트릭스 수지; 상기 매트릭스 수지 내에 분산되고, 상기 매트릭스 수지에 대하여 1:1.5 내지 1:2의 중량비로 포함되는 열전도성 혼합 무기 충전재를 포함한다.

Description

발열 특성 제어를 위한 방열복합소재 {HEAT-DISSIPATION CONTROL IN THERMOPLASTIC MATRIX COMPOSITE}
본 기술은 충전기기에 적용 가능한 방열소재에 대한 발명이다.
차량용 무선 충전기 장착을 위해서는 사용자의 편의성과 안정성이 가장 중요한 변수가 될 것이다. 휴대기기의 종류 및 사용이 급증하면서 충전방식의 간편함과 복잡하게 뒤엉켜 있는 전원선 없이 동시에 많은 기기를 충전할 수 있도록 하기 위한 충전기기에 적용 가능한 방열소재에 대한 기술이 요구되고 있다.
충전을 위한 수신부와 송신부의 코일 영역은 충전의 효율을 극대화하여 최적화하도록 형성된다. 그러나, 이러한 코일 영역은 충전 기기 내에서도 가장 발열이 심한 영역으로서 이러한 발열로 인하여 주변 소자들의 손상뿐만 아니라 언도 상승에 의한 충전 효율이 감소된다. 일반적으로 휴대기기의 충전은 5W 전력을 송신하여 최대 70%의 충전효율을 나타내는 것이 일반적으로 최적화되어 있으며, 이때 1시간 지속 충전 시 기기의 온도변화가 10℃ 이내여야 한다. 기기의 온도 상승은 일정 온도 이상이 되면 배터리를 비롯하여 대부분의 전자장치들에 손상을 입힐 가능성이 높아진다.
따라서 발생되는 열을 방출하기 위하여 알루미늄이나 구리 등과 같은 열전도도가 우수한 금속으로서 하우징을 제조하는데, 이러한 하우징은 절연성이 떨어져 퓨즈 등과 같은 추가의 부품이 요구될 뿐만 아니라, 충전 기기의 무게를 증가시키는 단점이 있다.
본 발명의 실시예는 상기와 같은 종래기술의 문제점을 해결하기 위해 고안된 것으로서, 매트릭스 수지; 상기 매트릭스 수지 내에 분산되고, 상기 매트릭스 수지에 대하여 1:1.5 내지 1:2의 중량비로 포함되는 열전도성 혼합 무기 충전재를 포함하는 방열복합소재 조성물로부터 형성되는 방열복합소재를 수득함으로써, 전력 충전 기기의 생산 원가를 증가시키지 않으면서도 효율적으로 방열되는 하우징을 제공하는 것을 기술적 과제로 한다.
매트릭스 수지 내에 분산되고, 상기 매트릭스 수지에 대하여 1:1.5 내지 1:2의 중량비로 포함되는 열전도성 혼합 무기 충전재를 포함한다.
상기 매트릭스 수지는, 폴리페닐렌 설파이드(poly phenylene sulfide)계 또는 폴라아미드 (polyamide)계일 수 있다.
상기 열전도성 혼합 무기 충전재는, 질화 붕소(BN) 및 산화알루미늄(Al2O3)으로 이루어질 수 있고, 상기 질화 붕소(BN) 및 산화알루미늄(Al2O3)은, 5:1 내지 15:1의 중량비로 혼합될 수 있으며, 평균 입경이 3㎛ 내지 20㎛일 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 방열복합소재는 상술한 방열복합소재 조성물을 사출하여 수득된다.
상기 방열복합소재는, 미세구조에서 판상형 그레인(grain)이 적층되어 있는 형상으로 이루어져 있을 수 있고, 상기 판상형 그레인은, 가로 및 세로에 대한 높이의 비율이 2:1 내지 20:1일 수 있다.
본 발명의 또다른 실시예에 따른 방열 하우징은 상술한 방열복합소재로 이루어지고, 전력 충전 기기 내의 적어도 일 영역에 구비된다.
실시예에 따르면, 매트릭스 수지; 상기 매트릭스 수지 내에 분산되고, 상기 매트릭스 수지에 대하여 1:1.5 내지 1:2의 중량비로 포함되는 열전도성 혼합 무기 충전재를 포함하는 방열복합소재 조성물로부터 형성되는 방열복합소재를 수득함으로써, 전력 충전 기기의 생산 원가를 증가시키지 않으면서도 하우징 내부의 열을 효율적으로 외부로 방출하여 충전 효율을 저해하지 않는 전력 충전 기기를 구현할 수 있다.
도 1는 본 발명의 실시예에 따른 방열복합소재의 파단면의 대표적 미세구조를 관찰한 고분해능주사전자현미경(FE-SEM) 이미지이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 방열복합소재가 적용된 무선 충전기를 도시한 평면도 및 사시도이다.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 용이하게 실시할 수 있는 바람직한 실시예를 상세히 설명한다. 다만, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형 예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다. 또한, 본 발명의 바람직한 실시예에 대한 동작 원리를 상세하게 설명함에 있어 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략한다. 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서, 각 용어의 의미는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 해석되어야 할 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 방열복합소재 조성물은 매트릭스 수지; 상기 매트릭스 수지 내에 분산되고, 상기 매트릭스 수지에 대하여 1:1.5 내지 1:2의 중량비로 포함되는 열전도성 혼합 무기 충전재를 포함한다.
상기 매트릭스 수지는 열가소성 수지로, 폴리페닐렌 설파이드(poly phenylene sulfide)계 또는 폴라아미드(polyamide) 등의 엔지니어링 플라스틱 제조에 사용되는 수지를 사용할 수 있고, 특히 폴리아미드를 사용하는 것이 공정의 용이성, 비용 등을 고려하였을 때, 바람직하나 이에 한정되지 않는다. 요구되는 특성에 따라서는 2종 이상의 수지를 혼합하여 사용할 수도 있다. 상기 매트릭스 수지는 상기 열전도성 혼합 무기 충전재가 충분히 분산될 수 있도록 용매를 혼합하여 사용할 수 있다. 상기 매트릭스 수지는 성형온도 220~260℃, MI(Melt Index) 15~30 g/10 min인 열가소성 수지를 사용할 수 있다.
상기 혼합 무기 충전재는 열전도 특성을 갖는 무기재료 또는 세라믹 재료로서, 질화 붕소, 산화 실리콘, 산화 마그네슘, 산화 알루미늄, 질화 알루미늄, 질화 실리콘 등의 열전도 특성을 갖는 재료를 선택하여 사용할 수 있으나, 본 발명의 일 실시예에서는 질화 붕소 및 산화 알루미늄을 혼합하여, 혼합 무기 충전재로서 포함한다. 상기 혼합 무기 충전재는 상기 매트릭스 수지에 대하여 질량비 1:1.5 내지 1:2로 혼합된다. 상기 혼합 무기 충전재가 상기 매트릭스 수지에 비하여 비교적 많은 양이 첨가되는 것은, 복합소재의 열전도는 충전재의 네트워킹의 형성이 중요한 인자로 작용하기 때문이다. 따라서 열전도도가 낮은 고분자 수지 사이를 충진제들이 최대로 끊이지 않고 네트워크를 형성하여 열을 전달하게 된다. 무기 충전재의 비율에 따른 수지의 비율을 실험 결과 무기 충전재의 비가 1.5 내지 2배로 충전될수록 열전도의 특성이 우수하다. 또한, 상기 질화 붕소 및 상기 산화 알루미늄이 첨가되는 비율은 5:1 내지 15:1의 중량비일 수 있다. 상기 중량 비율이 5:1보다 높아지는 경우, 고가의 질화 붕소로 인하여 전체적인 비용이 증가하게 될 우려가 있다. 반면 상기 중량 비율이 15:1보다 높아지는 경우에는 충분한 방열 성능을 얻기 힘들게 된다.
또한, 상기 혼합 무기 충전재는 평균 입경이 3㎛ 내지 20㎛일 수 있다. 상기 혼합 무기 충전재의 평균 입경이 3㎛ 미만일 경우에는 상기 매트릭스 내에 충분히 분산되지 않고 뭉쳐지게 되어 요구되는 특성을 얻을 수 없게 된다. 반면, 상기 혼합 무기 충전재의 평균 입경이 20㎛를 초과하는 경우에는 상기 매트릭스 수지와의 젖음성이 낮아져 경화 후에 공극이 형성되거나, 질화 붕소 입자가 분리가 일어날 우려가 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 방열복합소재는 상술한 방열복합소재 조성물을 사출하여 수득된다.
상기 방열복합소재 조성물은 교반 또는 압출에 의하여 충분히 혼합된 후에 사출될 수 있다. 상기 방열복합소재는, 미세구조에서 판상형 그레인(grain)이 적층되어 있는 형상으로 이루어져 있을 수 있고, 상기 판상형 그레인은, 가로에 대한 높이의 비율 및 세로에 대한 높이의 비율이 각각 2:1 내지 20:1일 수 있다. 도 1은 본 발명의 실시예에 따른 방열복합소재의 파단면의 미세구조를 관찰한 고분해능주사전자현미경(FE-SEM) 이미지이다. 도 1을 참조하면, 방열복합소재의 파단면의 미세구조는 미세한 판상형태의 그레인(grain)이 적층되어 있는 것을 확인할 수 있다. 이때, 판상형은 상기 그레인을 직육면체로 간주하였을 때, 가로 및 세로의 길이는 높이의 길이와의 비율이 2:1 내지 20:1인 형태, 즉, 직육면체의 6면 중 대면하는 2면이 다른 4면에 비하여 평평하고 넓은 면적을 갖는 형태를 의미한다. 이러한 미세구조는 추후에 설명할 방열 하우징이 외부로 열을 방출하는 것을 더욱 용이하도록 해 준다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 방열복합소재가 적용된 무선 충전기를 도시한 평면도 및 사시도이다.
도 2를 참조하면 본 발명의 또다른 실시예에 따른 방열 하우징(110)은 상술한 방열복합소재로 이루어지고, 전력 충전 기기(100) 내의 적어도 일 영역에 구비된다. 전력 충전 기기(100)는 무선 충전 방식의 전력 충전 기기이고, 반드시 도 2와 같은 형태가 아니어도 무방하다. 방열 하우징(110)은 전력 충전 기기(100)에서 가장 열 발생이 많은 자성체로 이루어진 코일 영역(112)을 둘러싸도록 형성된다. 코일 영역(112)에서 열이 방출되지 않고 그 주변부에 계속 쌓이게 되면 코일 영역(112)뿐만 아니라 주변부에도 손상을 입힐 수 있으며, 충전 효율이 매우 감소하게 된다. 따라서 코일 영역(112)에서 발생된 열은 방열 하우징(110)에 의하여 외부로 배출되어 급격한 온도 상승을 예방할 수 있다.
이하, 실시예를 통해 본 발명을 보다 구체적으로 설명한다. 그러나 하기의 실시예는 본 발명의 이해를 돕기 위한 것일 뿐 어떠한 의미로든 본 발명의 범위가 이들 실시예로 한정되는 것은 아니다.
[ 실시예 ]
실시예 1
폴리아미드6 40중량%, 질화 붕소(일본산, 평균입경 10㎛) 55중량% 및 산화 알루미늄 5중량%를 이축압출기(Twin extruder)에 투입하여 혼합한 후, 수지와 무기 충전재가 포함된 방열복합소재를 수득하였다. 이후 사출공정을 통해 시험편을 제조하였다.
[ 비교예 ]
비교예 1 내지 비교예 5
조성물의 구성은 표 1과 같이 하여 실시예와 동일한 방법으로 시험편을 제작하였다.
구분 매트릭스 수지 무기 충전재 원료 입자 Size(㎛) - D50
실시예 1 PA6
40wt%		 BN (Japan) 55wt%
+ Al2O3 (KOREA)5wt%		 10
비교예 1 PA6
100wt%		 - -
비교예 2 PA6
40wt%		 BN (UK) 60wt% 3 ∼ 6
비교예 3 PA6
40wt%		 BN (KOREA) 60wt% 17
비교예 4 PA6
40wt%		 BN (Japan) 60wt% 10
비교예 5 PA6
40wt%		 Al2O3 (KOREA) 60wt% 4
[평가]
방열복합소재 제조 후 사출 시험편의 물성 측정
실시예에서 제조된 방열복합재료의 기계적 특성을 분석한 결과, 방열 복합소재의 기계적 물성은 필러의 종류에 차이를 나타내었다. 평가 항목 및 결과는 표 3에 나타내었다. 인장, 굴곡의 경우 강도와 모듈러스 측면에서 혼합 무기 충전재를 포함하는 복합소재의 모듈러스가 월등히 증가되었다. 질화 붕소와 산화 알루미늄를 비교할 때, 산화 알루미늄이 모든 물성에서 동등이상의 성능을 나타내었다. 비중 측면에서 산화 알루미늄 복합소재의 값이 높기는 하나, 충격 물성에서 30~40%의 높은 값을 나타내므로 산화 알루미늄 충전재의 입자 크기에 따른 변화를 더욱 고찰할 필요가 있다고 판단된다.
비중 IZOD Impact
(J/m)		 인장강도
(MPa)		 압축강도
(MPa)		 열전도도
(W/mK @ 50 ℃)
실시예 1 1.562 20.8 64.26 86.90 5.18
비교예 1 1.130 48.4 66.10 93.00 0.23
비교예 2 1.368 25.0 73.00 95.42 1.36
비교예 3 1.580 18.7 66.23 90.71 4.05
비교예 4 1.618 22.1 51.18 61.66 4.11
비교예 5 1.950 39.6 76.70 128.33 0.93
이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성을 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서 본 발명에 개시된 실시예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것으로서, 본 발명의 보호범위는 아래의 특허청구범위에 의하여 해석되어야 하며 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
100: 전력 충전 기기
110: 방열 하우징
112: 코일 영역

Claims (9)

  1. 방열복합소재 조성물을 사출하여 수득되는 방열복합소재에 있어서,
    상기 방열복합소재는 미세구조에서 판상형 그레인(grain)이 적층되어 있는 형상으로 이루지고,
    상기 판상형 그레인은 가로에 대한 높이의 비율 및 세로에 대한 높이의 비율이 각각 2:1 내지 20:1의 범위를 가지고,
    상기 방열복합소재 조성물은,
    매트릭스 수지;
    상기 매트릭스 수지 내에 분산되고, 상기 매트릭스 수지에 대하여 1:1.5 내지 1:2의 중량비로 포함되는 질화 붕소(BN) 및 산화알루미늄(Al2O3)를 포함하하고,
    상기 질화 붕소(BN) 대비 산화알루미늄(Al2O3)의 중량비는 5:1 내지 15:1인 것을 특징으로 하는 방열복합소재.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 매트릭스 수지는,
    폴리페닐렌 설파이드(poly phenylene sulfide)계 또는 폴라아미드(polyamide)계인 것을 특징으로 하는 방열복합소재.
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  4. 삭제
  5. 삭제
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  7. 삭제
  8. 삭제
  9. 삭제
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