KR101704728B1

KR101704728B1 - 고방열 접착제 조성물

Info

Publication number: KR101704728B1
Application number: KR1020140194880A
Authority: KR
Inventors: 황인성; 최호상; 황인찬; 박미화; 박경희
Original assignee: 주식회사 대신테크젠
Priority date: 2014-12-31
Filing date: 2014-12-31
Publication date: 2017-02-08
Also published as: KR20160081287A

Abstract

본 발명은 고방열 입자 및 접착용 수지를 포함하는 접착제 조성물에 관한 것이다.
본 발명의 목적은 고전도성 물질인 팽창그라파이트를 이용한 고방열 접착제를 통해 LED패키지의 접합부 방열문제로 인한 LED조명 수명단축 및 에너지효율 저감을 방지하고자 고방열 접착제 조성물을 제공하는 것이다. 상기 목적을 달성하기 위해 본 발명의 고방열 접착제 조성물은 고방열 입자와 접착용 수지를 포함할 수 있다. 상기 고방열 입자는 팽창그라파이트(Expanded Graphite) 일 수 있으며, 팽창그라파이트는 초음파를 이용하여 개질된 것일 수 있다. 또한 상기 팽창그라파이트는 표면에 화학적 기능화기가 도입된 것일 수 있다. 본 발명에서, 상기 화학적 기능화기는 산소함유 기능기이다.

Description

고방열 접착제 조성물{The Composition of High Heat Dissipative Adhesives}

본 발명은 고방열 입자 및 접착용 수지를 포함하는 접착제 조성물에 관한 것이다.

백열등과 형광등과 같은 기존 조명은 수은 사용과 짧은 수명으로 환경오염의 원인이 되고, 소비전력이 연간 2조 1,000억 kWh로 전체 전력 사용량의 12~15% 차지하며, 연간 17억톤의 이산화탄소(CO2) 배출하는 등 저효율 전력소비와 환경오염을 일으키는 문제가 있었다.

전 세계적으로 환경규제가 강화되고 있어서 기존 조명(백열등, 형광등 등)이 LED로 대체되고 있는 추세이며, 녹색성장 구현을 위해 공공기관 LED 조명 보급을 주도(2009년 공공기관 백열전구 완전퇴출)하고 있으며 ‘LED조명 2060계획’(2020년까지 전체 조명의 60%를 LED조명으로 교체) 등을 비롯 다양한 LED조명 촉진정책을 추진중에 있다.

이러한 배경속에 기존 조명대비 고효율이면서 친환경적인 LED조명이 각광을 받고 있으나 LED광원이 에너지의 80%를 열로 방출하여 열에 취약하기 때문에 방열효율 향상이 시급히 해결되어야 한다.

LED패키지의 접합부 온도상승은 LED수명저하로 이어지며, 접합부 온도(Junction Temp.)가 10℃ 낮아지면 상대효율은 20% 가량 향상될 수 있다. 따라서 LED조명 패키지에서 발열문제의 해결은 제품의 신뢰성 제고를 위한 중요한 요소이다. 본 발명자는 이러한 LED패키지의 접합부 방열문제로 인한 LED조명 수명단축 및 에너지효율 저감 문제를 해결하고자 고전도성 물질인 팽창그라파이트를 이용한 방열 접착제 제조 기술을 개발하였다.

본 발명의 목적은 고전도성 물질인 팽창그라파이트를 이용한 고방열 접착제를 통해 LED패키지의 접합부 방열문제로 인한 LED조명 수명단축 및 에너지효율 저감을 방지하고자 고방열 접착제 조성물을 제공하는 것이다.

상기 목적을 달성하기 위해 본 발명의 고방열 접착제 조성물은 고방열 입자와 접착용 수지를 포함할 수 있다.

상기 고방열 입자는 팽창그라파이트(Expanded Graphite) 일 수 있으며, 팽창그라파이트는 초음파를 이용하여 개질된 것일 수 있다.

또한 상기 팽창그라파이트는 표면에 화학적 기능화기가 도입된 것일 수 있다. 본 발명에서, 상기 화학적 기능화기는 산소함유 기능기이다.

본 발명에서, 상기 고방열 입자는 상기 접착용 수지 100중량부에 대하여 0.1 중량부 내지 100중량부로 포함된다.

상기 접착용 수지는 에폭시계 수지, 아크릴계 수지, 실리콘 수지, 우레탄 수지 및 실리콘-우레탄 수지로 이루어진 군으로부터 선택되는 어느 하나일 수 있다. 본 발명의 고방열 접착제 조성물은 열전도성 필러가 선택적으로 첨가될 수 있다.

열전도성 필러는 산화 알루미늄(Al₂O₃), 산화 마그네슘(MgO), 산화 아연(ZnO), 산화 규소(SiO₂), 수산화 알루미늄(Al(OH)₃), 수산화 마그네슘(Mg(OH)₂), 탄화규소(SiC), 질화알루미늄(AlN), 질화붕소(BN), 질화규소(Si₃N₄) 및 이들의 혼합물로 이루어진 군으로부터 선택되는 어느 하나인 것이다.

본 발명에 따른 고방열 접착제 조성물을 적용할 경우 LED 조명 패키지의 에너지효율 향상과 제조원가 절감 수입의존도를 낮출 수 있는 장점이 있다.

도 1은 팽창그라파이트 형상을 나타낸 도면이다.
도 2는 팽창그라파이트를 초음파 분쇄 후 형상을 나타낸 도면이다.

본 발명은 다양한 변환을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예를 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변환, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.

본 발명에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 발명에서, 포함하다 또는 가지다 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.

본 발명의 일 실시예에 따른 고방열 접착제 조성물은, (a) 고방열 입자와 (b) 접착용 수지를 포함한다.

본 발명에서 방열이란, 열을 내보내거나 내뿜는 일, 또는 그 열을 의미하는 것으로 특히 기계 따위에서 발생한 열을 방산(放散)하는 일을 이른다. 전자제품의 방열체(heat sink)의 소재로 사용되기 위해서는 대략 1~30W/mK 값을 가져야 하고 방열 소재로는 금속, 세라믹, 카본 등의 열전도성 필러와 고분자로 이루어진 복합재료를 채택하여 사용하는 경우가 증가하고 있다.

본 발명의 고방열 접착제 조성물은 본 발명에 따른 고방열 입자를 포함하고, 상기 고방열 입자는 본 발명의 접착제 조성물 내에서 열전도성 필러 사이를 연결하는 열전도성 경로를 형성함으로써, 방열 효과를 더욱 향상시키는 역할을 수행할 수 있다.

본 발명에서 상기 고방열 입자는 팽창그라파이트(Expanded Graphite) 일 수 있다. 그라파이트는 우수한 열전도도, 저렴한 가격, 양호한 매트릭스 내에서의 분산성 때문에 최고의 필러로 인식되고 있다. 팽창그라파이트(Expanded Graphite)는 두께가 20~100 nm의 층으로 그라파이트가 박리된 상태를 말하며 고분자의 복합재료로 많이 사용되어 왔고, 복합재료의 열전도도는 팽창그라파이트가 박리된 정도, 분산상태, 종횡비에 따라 달라진다고 보고되고 있다.

본 발명에서 상기 팽창그라파이트는 초음파를 이용하여 개질된 것일 수 있다. 팽창그라파이트 필러를 초음파분쇄 및 화학적 처리를 통해 개질하여 고분자물질에 혼합함으로써 열전도도 특성이 우수한 방열접착제를 제조할 수 있다.

상기 팽창그라파이트를 개질하기 위해, 먼저 수용액상태에서 초음파 분쇄하고 강산, 고온상태에서 소결 후 세정하는 1차 분쇄과정을 거친다. 팽창그라파이트를 초음파 분쇄함으로써 미립자를 균질화시켜 용매에 균일하게 분산시킬 수 있다. 상기 팽창그라파이트의 분산시 초음파의 세기는 20 kHz 내지 40 kHz 일 수 있으며, 바람직하게는 30 kHz로 분쇄하는 것이다.

20 kHz 미만으로 분쇄할 경우, 미분쇄 물질이 발생할 수 있고 40 kHz초과로 분쇄할 경우, 불필요한 미분화가 진행될 수 있다는 점에서 바람직하지 않다. 초음파 분쇄를 한 뒤 강산으로는 질산 및 황산 등의 혼합산에 의해 가공 처리 될 수 있다. 산처리 시 질산 및 황산의 농도는 98% 이상인 것을 이용할 수 있다. 또한 1시간 내지 3시간 동안 산처리가 이루어지며, 1시간 미만 혹은 3시간 초과로 산처리할 경우, 물성의 균제도 달성면에서 바람직하지 않다.

그 후 소결과정을 거친 후 1차 분쇄된 팽창그라파이트를 수용액 상태에서 초음파 및 물리적 분쇄를 거쳐 더욱 미립화시키는 2차 분쇄과정을 거친다. 본 발명에서 팽창그라파이트를 물리적으로 분쇄하기 위해서3볼밀을 이용해서 분쇄할 수 있다. 상기 3볼밀을 이용하여, 1 내지 3시간 동안 반복 교반할 수 있다. 바람직하게는 2시간 동안 반복 교반하는 것이며, 1 시간 이하로 교반하는 것과 3 시간 이상으로 교반하는 것은 불균일한 분쇄가 발생할 수 있다는 점에서 바람직하지 않다.

본 발명에서 상기 팽창그라파이트는 표면에 화학적 기능화기가 도입된 것일 수 있다. 본 발명에서 상기 기능화기를 도입하기 위해 질산이나 황산 등의 혼합산(Acid)에 의해 가공처리 될 수 있으며, 화학적 산화를 통하여 오픈 팁(OPEN TIP)이 형성될 수 있다.

본 발명에서, 상기 화학적 기능화기는 산소함유 기능기이다. 상기 산소함유 기능기는 카르복실기(-COOH), 하이드록실기(-OH), 에스테르기(-C=O) 중 어느 하나 이상일 수 있다. 카르복실기(-COOH), 하이드록실기(-OH), 에스테르기(-C=O)와 같은 기능화기들로 인해서 팽창그라파이트가 더욱 미립화될 수 있으며, 구조적 안정성을 나타낼 수 있다.

본 발명에서, 상기 고방열 입자는 접착용 수지 100중량부에 대하여 0.1 중량부 내지 100중량부로 포함된다. 고방열 입자는 접착용 수지 100 중량부에 대하여, 0.1 중량부 내지 10 중량부, 바람직하게는 1 중량부 내지 5 중량부로 포함될 수 있다. 상기 고방열 입자의 함량이 0.1 중량부 미만이면, 열전도성 경로 역할을 충분히 수행하지 못하고, 이에 따라 방열 효과 향상이 미미할 수 있으며, 100 중량부를 초과하면, 접착제 조성물 내에서의 고방열 입자의 분산이 용이하지 않을 수 있으며, 균열 현상 등이 발생할 수 있다.

상기 접착용 수지는 에폭시계 수지, 아크릴계 수지, 실리콘 수지, 우레탄 수지 및 실리콘-우레탄 수지로 이루어진 군으로부터 선택되는 어느 하나일 수 있다.바람직하게는 에폭시계 수지를 들 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 본 발명에서, 상기 접착용 수지의 종류는 특별히 제한되지 않고, 접착성이 우수한 것이라면 이 분야에서 일반적으로 통용되는 것을 제한 없이 사용할 수 있다.

본 발명의 고방열 접착제 조성물은 열전도성 필러가 선택적으로 첨가될 수 있다.

본 발명에서 열전도성 필러의 종류는 특별히 제한되지 않고, 열전도성이 우수하면서도 절연성을 가지는 물질이라면 제한 없이 사용할 수 있다. 본 발명에서는 열전도성 필러의 예로서, 산화 알루미늄(Al₂O₃), 산화 마그네슘(MgO), 산화 아연(ZnO), 산화 규소(SiO₂), 수산화 알루미늄(Al(OH)₃), 수산화 마그네슘(Mg(OH)₂), 탄화규소(SiC), 질화알루미늄(AlN), 질화붕소(BN), 질화규소(Si₃N₄) 및 이들의 혼합물로 이루어진 군으로부터 선택되는 어느 하나를 들 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.

이하, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명의 실시예에 대하여 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.

[ 제조예 : 고방열 입자]

1차 분쇄

팽창그라파이트 0.5g을 증류수 100g에 넣어, 초음파 분쇄를 한다. 그 뒤, 황산과 질산의 혼합용액(황산:질산=3:1,부피비) 240g에 넣고, 60로 가열하면서 24시간 동안 교반하였다. 이어서 상기 강산 용액이 혼합된 팽창 그라파이트를 2차 증류수 500g에 넣어 희석시키고, 수 회에 걸쳐 3차 증류수를 이용하여 세척을 하였다.

2차 분쇄

3볼밀을 이용하여, 24시간 동안 반복 교반한 후 초음파 분쇄기를 이용해 분쇄했다. 팽창그라파이트를 수분상태에서 초음파 분쇄기를 통해 분쇄한 후, 수분을 제거하였다. 수분이 제거된 나노 크기의 팽창그라파이트 분말에 대해서는 파우더 분산 공정을 통해 균일하게 분산화시켜 파우더로 제조하였다.

화학적 기능화기 도입

나노 크기로 분쇄된 팽창그라파이트의 표면을 개질하기 위해, 황산과 질산의 혼합용액(황산:질산=3:1,부피비) 240g에 넣고, 60로 가열하면서 24시간 동안 교반하였다. 이어서 상기 강산 용액이 혼합된 팽창 그라파이트를 2차 증류수 500g에 넣어 희석시키고, 수 회에 걸쳐 3차 증류수를 이용하여 세척을 하였다.

( 실시예 1)

에폭시 수지 100 중량부에 대하여, 열전도성 필러인 산화 알루미늄(Aldrich사(제)) 50 중량부 및 상기 제조예에서 제조된 고방열 입자 1 중량부를 배합하여 고방열 접착제 조성물을 제조하였다.

( 비교예 1)

고방열 입자를 사용하지 않은 것을 제외하고는, 실시예 1과 동일한 방법으로 접착제 조성물을 제조하였다.

[ 실험예 : 접착제 조성물의 물리적 특성평가]

조명LED 적용을 위한 접착제 조성물의 물성실험으로 열전도도, 충격강도, 내열성을 측정하였다.

열전도도의 측정방법은 ASTM E1461에 따라서 시행하였으며, 충격강도 및 내열성의 측정방법은 각각 ASTM D256, ASTM D1525에 따라서 시행하였다.

조명LED 적용을 위한 접착제 조성물의 물성실험 결과는 아래의 표 1에 나타내었다.

성능지표	단위	실시예 1	비교예1	시험방법
열전도도	W/mK	2.2	2.0	ASTM E1461
충격강도	Kg.cm/cm	10	10	ASTM D256
내열성	℃	165	150	ASTM D1525

상기 표 1에서 알 수 있듯이 본 발명에 따르면 열전도도, 충격강도, 내열성이 향상된 접착제 조성물을 얻을 수 있다는 것을 알 수 있다.

Claims

팽창 그라파이트(Expanded Graphite)를 초음파 분쇄 후 황산과 질산의 혼합산으로 가공처리하는 1차 분쇄단계,
상기 1차 분쇄된 팽창 그라파이트를 3볼밀 분쇄 후 초음파 분쇄하는 2차 분쇄단계,
상기 2차 분쇄된 팽창 그라파이트를 황산과 질산의 혼합산으로 산처리하여 화학적 기능화기를 도입하는 고방열 입자의 제조단계, 그리고
상기 방법으로 제조된 고방열 입자와 접착용 수지를 배합하여 고방열 접착제 조성물을 제조하는 단계를 포함하며,
상기 접착용 수지는 에폭시계 수지, 실리콘 수지, 우레탄 수지 및 실리콘-우레탄 수지로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나이고,
상기 고방열 접착제 조성물은 상기 접착용 수지 100 중량부에 대하여 상기 고방열 입자를 1 내지 5 중량부로 포함하고,
상기 초음파 분쇄는 20 내지 40 kHz의 세기의 초음파를 이용하는 것이고,
상기 고방열 입자는 표면에 산소함유 기능기를 포함하는 것인
고방열 접착제 조성물의 제조방법.
삭제
삭제
제1항에 있어서,
상기 산소함유 기능기는 카르복실기(-COOH), 하이드록실기(-OH), 에스테르기(-C=O) 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나를 포함하는 것인 고방열 접착제 조성물의 제조방법.
삭제
삭제
제1항에 있어서,
상기 고방열 접착제 조성물을 제조하는 단계는 열전도성 필러를 더 첨가하는 것인 고방열 접착제 조성물의 제조방법.
제7항에 있어서,
상기 열전도성 필러는 산화 알루미늄(Al₂O₃), 산화 마그네슘(MgO), 산화 아연(ZnO), 산화 규소(SiO₂), 수산화 알루미늄(Al(OH)₃), 수산화 마그네슘(Mg(OH)₂), 탄화규소(SiC), 질화알루미늄(AlN), 질화붕소(BN), 질화규소(Si₃N₄) 및 이들의 혼합물로 이루어진 군으로부터 선택되는 어느 하나인 것인 고방열 접착제 조성물의 제조방법.