KR101673858B1 - 열 분산 시트 및 그 제조 방법 - Google Patents

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Abstract

알루미늄 시트의 표면상에 그래파이트 파우더를 코팅 또는 그래파이트 시트를 부착하여 저비용의 열 분산 시트를 마련하는 열 분산 시트 및 그 제조 방법에 관한 것으로, (a) 그래파이트(graphite) 용액을 마련하는 단계, (b) 알루미늄 시트의 표면상에 상기 그래파이트 용액을 분사하는 단계, (c) 상기 단계 (b)에서 그래파이트 용액이 분사된 알루미늄 시트 상에 자외선을 조사하는 단계, (d) 상기 단계 (c)에서 자외선이 조사된 시트를 건조하여 그래파이트 코팅층을 형성하는 단계를 포함하는 구성을 마련하여, 원가를 저감하며 국산화를 실현할 수 있다.

Description

열 분산 시트 및 그 제조 방법{Heat-radiation sheet and method of manufacturing thereof}
본 발명은 열 분산 시트 및 그 제조 방법에 관한 것으로, 특히 알루미늄 시트의 표면상에 그래파이트 파우더를 코팅 또는 그래파이트 시트를 부착하여 저비용의 열 분산 시트를 마련하는 열 분산 시트 및 그 제조 방법에 관한 것이다.
반도체, PCB, 디스플레이 장치 등의 각종 전자부품은 소재 자체의 특성과 각 부품의 연결부위에서 발생하는 전기적 저항으로 인하여 기기 작동시에 발열을 수반하게 된다. 이렇게 발생되는 열은 작동부품의 온도를 증가시킴으로써 전자기기의 내구연한을 단축시키는 원인으로 작용하며, 특히 중앙처리장치(CPU), 메모리(memory), 플라즈마 디스플레이 모니터 또는 액정 디스플레이 모니터의 회로나 램프 등의 각종 전자회로 소자는 일정 온도 이상에서 오작동을 일으키거나 해당 부품의 최대 성능을 발휘하기 어려운 경향이 있다.
이러한 전자소자에서 열이 발생되면, 예를 들어 이동 단말기의 사용자가 불쾌감을 느낄 수도 있다. 이와 같은 불쾌감은 발열하는 전자소자에 대응된 이동 단말기 상의 특정 지점의 온도가 다른 지점보다 현저히 높을 때 보다 크게 느껴질 수 있다. 예를 들어, 카메라를 사용하면 카메라 모듈에 내장된 전자소자에서 열이 발생할 수 있다. 발생된 열을 효과적으로 처리하지 못하면, 해당 부분의 온도가 상승하여 본체의 해당 부분이 뜨겁게 될 수 있다. 특정 전자소자에 대응된 특정 부분의 온도가 높아지면, 이동 단말기가 접촉된 사용자의 손 및/또는 얼굴을 통하여 온도 상승이 감지될 수 있다. 이를 위해 특정 전자소자에서 발생된 열로 인하여 이동 단말기의 특정 지점이 열점(hot spot)이 되지 않도록 효과적으로 열을 분산시키는 기술이 개발되고 있다.
이러한 기술의 일 예가 하기 문헌 1 및 2 등에 개시되어 있다.
예를 들어, 하기 특허문헌 1에는 도 1에 도시된 바와 같이, 배터리(250)를 보호하는 배터리커버(102), 리어 바디(103)와 프론트 바디(101)로 이루어진 바디(104), PCB(230), 복수의 레이어(layer)로 구성된 열 분산 시트(200)를 포함하고, 열 분산 시트(200)가 적어도 하나의 그래파이트 레이어(graphite layer)와, 적어도 하나의 에어 레이어(air layer) 중 적어도 하나를 포함하는 이동 단말기(100)에 대해 개시되어 있다.
또 하기 특허문헌 2에는 층간이 부풀어 있고, 공업용 합성 다이아몬드 제조시 산처리된 흑연 폐기물 입자를 준비하는 단계, 상기 흑연 폐기물 입자를 열처리하여 상기 흑연 폐기물 입자의 층간 박리(exfoliate)를 촉진시키는 단계, 상기 층간 박리된 흑연 폐기물 입자를 밀링하여 층간분리 및 입자크기를 조절하고 체질을 통하여 크기를 조절하는 단계, 상기 크기가 조절된 흑연 폐기물 입자를 고분자 수지와 혼합하는 단계 및 상기 크기가 조절된 흑연 폐기물입자가 혼합된 고분자 수지로 방열 시트를 형성하는 단계를 포함하는 그래파이트 방열 시트의 제조 방법에 대해 개시되어 있다.
대한민국 공개특허공보 제2013-0092739호(2013.08.21 공개) 대한민국 공개특허공보 제2015-0021460호(2015.03.02 공개)
그러나 상술한 바와 같은 종래의 기술에 의한 그래파이트 시트는 열 분산 효과는 좋으나 생산단가가 너무 고비용이며, 롤 타입으로 생산이 쉽지 않아 로스 비용, 가공 비용 등이 증가되는 문제가 있었다. 즉, 그래파이트 시트는 특허권 문제, 설비투자 문제로 99%가 해외에서 수입되어 사용되는 자재이며, 현재 국내에서 유통되는 구리 시트 역시 일본, 중국 등에서 수입, 가공 후 사용되고 있다.
또 구리 시트를 사용하는 경우, 구리 시트는 그래파이트 시트보다 열 분산 효과와 생산 비용면에서 상대적으로 낮지만 제조 비용이 높다는 문제가 있었다.
본 발명의 목적은 상술한 바와 같은 문제점을 해결하기 위해 이루어진 것으로서, 알루미늄 시트 상에 그래파이트 파우더를 도포하여 열 분산 시트의 생산 원가를 절감할 수 있는 열 분산 시트 및 그 제조 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 알루미늄 시트의 표면상에 그래파이트 용액을 분사하여 열 분산 시트를 대량으로 연속적으로 생산할 수 있는 열 분산 시트 및 그 제조 방법을 제공하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위해 본 발명에 따른 열 분산 시트의 제조 방법은 (a) 그래파이트(graphite) 용액을 마련하는 단계, (b) 알루미늄 시트의 표면상에 상기 그래파이트 용액을 분사하는 단계, (c) 상기 단계 (b)에서 그래파이트 용액이 분사된 알루미늄 시트 상에 자외선을 조사하는 단계, (d) 상기 단계 (c)에서 자외선이 조사된 시트를 건조하여 그래파이트 코팅층을 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또 본 발명에 따른 열 분산 시트의 제조 방법에서, 상기 그래파이트 용액은 그래파이트 파우더, 크실렌(Xylenes), 토루엔(Toluene), 사이클로헥사논(Cyclohexanone), 메틸에틸케톤(Methyl Ethyl Ketone), 폴리 이소시안산 에스터 레진(Poly-isocyanate resin) 및 n-부틸알코올(n-Butyl Acetate)을 포함하는 것을 특징으로 한다.
또 본 발명에 따른 열 분산 시트의 제조 방법에서, 상기 그래파이트 용액 100 중량부에 대해 그래파이트 파우더 30~45 중량부, 크실렌 10~15 중량부, 토루엔 10~15 중량부, 사이클로헥사논 13~18 중량부, 메틸에틸케톤 10~15 중량부, 폴리 이소시안산 에스터 레진 2~5 중량부 및 n-부틸알코올 1~3 중량부를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또 본 발명에 따른 열 분산 시트의 제조 방법에서, 상기 알루미늄 시트의 두께는 10㎛~100㎛이고, 상기 그래파이트 코팅층의 두께는 10㎛인 것을 특징으로 한다.
또 본 발명에 따른 열 분산 시트의 제조 방법에서, 상기 그래파이트 파우더의 입자크기는 1㎛~10㎛이고, 상기 알루미늄 시트의 표면에는 빗살무늬가 마련되고, 상기 그래파이트 용액은 헨셀 믹서(Hensxhel Mixer) 또는 제트 밀(jet mill)로 분쇄 교반하여 마련되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 목적을 달성하기 위해 본 발명에 따른 열 분산 시트는 상술한 바와 같은 열 분산 시트의 제조 방법에 의해 제조된 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 목적을 달성하기 위해 본 발명에 따른 열 분산 시트는 알루미늄 시트와 그래파이트 시트를 포함하고, 상기 알루미늄 시트와 상기 그래파이트 시트는 양면 접착테이프에 의해 일체로 마련되고, 상기 양면 접착테이프의 두께는 0.03mm이고, 상기 알루미늄 시트에 접착력은 4.1(N/Cm, 0.45Kg)으로 인가되는 것을 특징으로 한다.
상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 열 분산 시트 및 그 제조 방법에 의하면, 저렴한 알루미늄 시트를 적용하고, 고가의 그래파이트를 최소한으로 사용하여 제조 원가를 저감하며 국산화를 실현할 수 있다는 효과가 얻어진다.
또, 본 발명에 따른 열 분산 시트 및 그 제조 방법에 의하면, 알루미늄 시트의 표면상에 그래파이트 용액을 분사하여 열 분산 시트를 대량으로 연속적으로 생산하고, 스마트폰, 노트북, 휴대용 단말기, 테블릿 PC 등에 용이하게 적용할 수 있다는 효과도 얻어진다.
도 1은 종래 기술에 따른 이동 단말기의 분해 사시도,
도 2는 본 발명에 따른 열 분산 시트의 제조 장치의 일 예를 나타내는 도면,
도 3은 본 발명에 따른 열 분산 시트의 제조 방법을 설명하기 위한 공정도,
도 4는 본 발명의 일 실시 예에 따른 열 분산 시트의 단면도,
도 5는 본 발명의 다른 실시 예에 따른 열 분산 시트의 단면도,
도 6은 본 발명에 따른 열 분산 시트에서 열점(hot spot)의 분산 효과를 설명하기 위해 스마트폰에 장착된 시편을 나타내는 도면.
본 발명의 상기 및 그 밖의 목적과 새로운 특징은 본 명세서의 기술 및 첨부 도면에 의해 더욱 명확하게 될 것이다.
이하, 본 발명의 구성을 도면에 따라서 설명한다.
도 2는 본 발명에 따른 열 분산 시트의 제조 장치의 일 예를 나타내는 도면이고, 도 3은 본 발명에 따른 열 분산 시트의 제조 방법을 설명하기 위한 공정도이며, 도 4는 본 발명의 일 실시 예에 따른 열 분산 시트의 단면도이다.
먼저, 본 발명에 적용될 그래파이트(graphite) 용액을 마련한다(S10).
상기 그래파이트 용액은 그래파이트 파우더, 크실렌(Xylenes), 토루엔(Toluene), 사이클로헥사논(Cyclohexanone), 메틸에틸케톤(Methyl Ethyl Ketone), 폴리 이소시안산 에스터 레진(Poly-isocyanate resin) 및 n-부틸알코올(n-Butyl Acetate)를 헨셀 믹서(Hensxhel Mixer) 또는 제트 밀(jet mill)로 분쇄 교반하여 마련한다. 상기 그래파이트 파우더의 입자크기는 1㎛~10㎛인 것을 사용한다. 그래파이트 파우더의 입자크기가 1㎛ 미만이면 그래파이트의 주요 기능인 열확산력이 저하되고, 그래파이트 파우더의 입자크기가 10㎛를 초과하게 되면 코팅층의 표면이 거칠게 된다.
상기 그래파이트 용액은 구체적으로 그래파이트 용액 100 중량부에 대해 그래파이트 파우더 30~45 중량부, 크실렌 10~15 중량부, 토루엔 10~15 중량부, 사이클로헥사논 13~18 중량부, 메틸에틸케톤 10~15 중량부, 폴리 이소시안산 에스터 레진 2~5 중량부 및 n-부틸알코올 1~3 중량부를 마련한다.
본 발명에서는 예시적으로 입자크기 1㎛~10㎛의 파우더 형태의 그래파이트를 그래파이트 용액 1kg으로 만들기 위해서는 그래파이트 파우더를 380~400g, 크실렌 110g~170g, 토루엔 110~170g, 사이클로헥사논 130~190g, 메틸에틸케톤 110~170g, 폴리 이소시안산 에스터 레진 35~45g, n-부틸알코올 15~21g의 용액을 헨셀 믹서 또는 제트 밀로 분쇄 교반하여 용액으로 제조하였다.
또한, 본 발명에 적용될 알루미늄 시트(10)를 마련한다. 이 알루미늄 시트는 도 2에 도시된 바와 같이, 기재(11)인 알루미늄 시트가 권취된 시트 공급부에서 인출되어 한 쌍으로 이루어진 제1 이송 롤러(12)와 한 쌍으로 이루어진 제2 이송 롤러(13)를 통해 공급된다. 이와 같은 알루미늄 시트(10)에는 추후 도포될 그래파이트 용액의 밀착력을 향상시키기 위해 알루미늄 시트의 표면에 빗살무늬를 마련하는 것이 바람직하다.
이를 위해, 도 2에 도시된 바와 같이 한 쌍으로 이루어진 제1 이송 롤러(12)의 상부 롤러에 롤러의 길이 방향으로 다수의 돌기부를 마련하고, 한 쌍으로 이루어진 제2 이송 롤러(13)의 상부 롤러에 롤러의 폭 방향으로 다수의 돌기부를 마련하는 것에 의해 알루미늄 시트(10)에 빗살무늬가 형성된다. 따라서 이 빗살무늬의 오목 부분에서 그래파이트 용액의 밀착력을 증가시킬 수 있다.
상기 제2 이송 롤러(13)를 통과한 알루미늄 시트(10)의 표면상에 상기 단계 S10에서 마련된 그래파이트 용액을 분사한다(S20). 그래파이트 용액의 분사는 예를 들어 압축 분무기(14)에 의해 이송되는 알루미늄 시트(10)의 전체 표면상에 실행된다. 이와 같은 분사는 제어수단(미도시)에 의해 알루미늄 시트(10)의 이송 속도와 분무기(14)에서의 분무 속도 및 양을 제어하는 것에 의해 자동이며 연속적으로 일정 두께로 도포하여 코팅할 수 있다.
이어서, 상기 단계 S20에서 그래파이트 용액이 분사된 알루미늄 시트(10) 상에 자외선을 조사한다. 즉 도 2에 도시된 바와 같이 자외선 조사기(15)를 분무기(14)와 소정 거리 분리하여 마련하여 그래파이트 용액을 초 단위로 경화시킨다. 이와 같은 자외선 조사기(15)는 알루미늄 시트(10)의 전체 폭 방향을 향해 예를 들어 200~400㎚의 자외선을 조사하는 것에 의해 3~5초 내에 알루미늄 시트(10)에 그래파이트 용액을 경화시킨다.
또 상기 단계 30에서 자외선이 조사된 알루미늄 시트(10)를 온도 70~120도의 건조로(16)를 통과시키는 것에 의해 도 4에 도시된 바와 같이 그래파이트 코팅층(20)이 형성되고, 스마트폰, 노트북, 휴대용 단말기, 테블릿 PC 등의 사용에 적합한 크기로 절단(S50)하는 것에 의해 본 발명에 따른 열 분산 시트가 완성된다.
본 발명에서는 상기 알루미늄 시트(10)의 두께는 스마트폰, 노트북, 휴대용 단말기, 테블릿 PC 등에 적용하는 두께에 따라 10㎛~100㎛로 마련되고, 상기 그래파이트 코팅층(20)의 두께는 생산 원가 및 열 분산의 기능을 달성하기 위해 10㎛ 정도를 사용하는 것이 바람직하다.
한편, 도 2에서는 밀착력을 높이기 위해서는 알루미늄 시트(10)의 표면에 빗살무늬를 마련한 구조로 설명하였지만, 이에 한정되는 것은 아니고, 기재(11) 상에 그래파이트 용액을 분사하여 코팅층(20)을 형성하여도 좋다.
또한, 도 4의 구조에서는 알루미늄 시트(10) 상에 그래파이트 코팅층(20)을 마련한 구조로 설명하였지만, 이에 한정되는 것은 아니고, 도 5에 도시된 바와 같이, 양면 접착테이프를 사용하여 알루미늄 시트와 그래파이트 시트를 접착하는 구조를 채용할 수 있다.
도 5는 본 발명의 다른 실시 예에 따른 열 분산 시트의 단면도이다.
즉, 도 5에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 열 분산 시트는 알루미늄 시트(10)와 그래파이트 시트(30)가 양면 접착테이프(40)에 의해 일체로 마련되고, 양면 접착테이프(40)의 두께는 0.03mm이고, 알루미늄 시트(40)에서 접착력은 4.1(N/Cm, 0.45Kg)으로 인가되게 한다.
이와 같이, 양면 접착테이프(40)를 이용하는 경우, 알루미늄 시트(10)에서 접착력을 증가시키기 위해 도 2에 도시된 바와 같이, 빗살무늬를 마련하는 것이 바람직하지만, 이에 한정되는 것은 아니다.
다음에, 도 4 및 도 5에 도시된 본 발명에 따른 열 분산의 효과를 시험하였다.
도 6은 본 발명에 따른 열 분산 시트에서 열점(hot spot)의 분산 효과를 설명하기 위해 스마트폰에 장착된 시편을 나타내는 도면으로서, 도 6 (a)는 열 분산 시트의 장착 위치를 나타내고, 도 6 (b)는 스마트폰의 바깥면의 측정 위치를 나타낸다.
준비된 스마트폰의 온도를 측정한 후, 기존의 구리 시트(시편 1), 도 5에 도시된 양면 접착테이프(40)에 의해 알루미늄 시트(10)와 그래파이트 시트(40)가 접착된 열 분산 시트(시편 2), 도 4에 도시된 그래파이트 코팅층(20)이 마련된 열 분산 시트(시편 3)의 세 가지 열 분산 시트를 동일한 조건에서 비교 테스트하여 그 차이점을 확인한다.
상기 스마트폰의 모델은 삼성 SM-J5008을 사용하고, 측정장비는 FLUKE F59 레이저 온도측정기를 사용하였다.
측정방법은 모든 실험 조건을 동일하게 하였다.
즉, 스마트폰을 완전 충전한 상태에서 전원을 켠 후 10분간 방치 후 테스트 를 시작하였다. 테스트 조건은 동일한 게임 앱을 실행하고, 10분, 30분 뒤 지정된 도 6 (b)에 도시된 POINT를 측정하였다. 측정포인트는 뒷면기준으로 표면에서 10cm 이격하여 마련하였다. 즉, POINT 1은 좌측에서 15cm, 위에서 35cm에서 측정하고, POINT 2는 좌측에서 33cm, 위에서 40cm에서 측정하고, POINT 3은 우측에서 20cm, 아래서 65cm에서 측정하였다.
측정 결과는 표 1에 나타내었다.
Figure 112016011051931-pat00001
표 1에서 알 수 있는 바와 같이, 시편 1(구리 시트)과 대체 자재로 사용된 본 발명의 시편 2, 시편 3번의 시료 중 시편 2가 기존 제품보다 스마트폰의 온도를 더 떨어뜨리는 결과를 보여준다.
시편 3은 시편 1과 큰 차이를 보이지 않는다. 시편 2는 시편 1보다 제작비용이 상승하고 시편 3은 시편 1보다 제작비용이 인하되기에 본 발명에 따른 열 분산 시트의 대체자재로서 효과를 가져올 수 있다.
이상 본 발명자에 의해서 이루어진 발명을 상기 실시 예에 따라 구체적으로 설명하였지만, 본 발명은 상기 실시 예에 한정되는 것은 아니고 그 요지를 이탈하지 않는 범위에서 여러 가지로 변경 가능한 것은 물론이다.
본 발명에 따른 열 분산 시트 및 그 제조 방법을 사용하는 것에 의해 원가를 저감하며 국산화를 실현할 수 있다.
10 : 알루미늄 시트
12 : 제1 이송 롤러
13 : 제2 이송 롤러
14 : 분무기
15 : 자외선 조사기
16 : 건조로
20 :그래파이트 코팅층

Claims (7)

  1. (a) 그래파이트(graphite) 용액을 마련하는 단계,
    (b) 이송 롤러에 의해 연속적으로 공급되는 알루미늄 시트의 표면상에 상기 그래파이트 용액을 분사하는 단계,
    (c) 상기 단계 (b)에서 그래파이트 용액이 분사된 알루미늄 시트 상에 자외선 조사기로 200~400㎚의 자외선을 조사하여 3~5초 내에 상기 그래파이트 용액을 경화시키는 단계 및
    (d) 상기 단계 (c)에서 경화된 시트를 70~120도의 건조로를 통과시켜 건조하여 그래파이트 코팅층을 형성하는 단계를 포함하고,
    상기 단계 (a)에서 그래파이트 용액은 그래파이트 파우더 380~400g, 크실렌(Xylenes) 110g~170g, 토루엔(Toluene) 110~170g, 사이클로헥사논(Cyclohexanone) 130~190g, 메틸에틸케톤(Methyl Ethyl Ketone) 110~170g, 폴리 이소시안산에스터 레진(Poly-isocyanate resin) 35~45g 및 n-부틸알코올(n-Butyl Acetate) 15~21g의 용액을 헨셀 믹서(Hensxhel Mixer) 또는 제트 밀(jet mill)로 분쇄 교반하여 마련되는 것을 특징으로 하는 열 분산 시트의 제조 방법.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 제1항에서,
    상기 알루미늄 시트의 두께는 10㎛~100㎛이고, 상기 그래파이트 코팅층의 두께는 10㎛인 것을 특징으로 하는 열 분산 시트의 제조 방법.
  5. 제1항에서,
    상기 그래파이트 파우더의 입자크기는 1㎛~10㎛이고,
    상기 알루미늄 시트의 표면에는 빗살무늬가 마련되는 것을 특징으로 하는 열 분산 시트의 제조 방법.
  6. 청구항 제1항, 제4항, 제5항 중의 어느 한 항의 열 분산 시트의 제조 방법에 의해 제조된 것을 특징으로 하는 열 분산 시트.
  7. 삭제
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