KR101755773B1 - 방열 코팅 조성물 및 그 제조방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 복수의 세라믹 물질을 화학결합시킨 세라믹 화합물을 이용하여 방열 특성이 향상된 방열 코팅 조성물 및 그 제조방법에 관한 것으로서, 본 발명의 일 실시예에 따른, 방열 코팅 조성물은 단일 조성을 갖는 복수의 세라믹 물질이 화학결합된 복합 세라믹 화합물; 및 수지 및 희석제를 함유한 바인더;를 포함한다.

Description

방열 코팅 조성물 및 그 제조방법{COATING COMPOSITE FOR HEAT DISSIPATION AND METHOD OF MANUFACTURING THE SAME}
본 발명은 금속 소재로 구성된 기계 및 전자 부품의 성능과 내구성을 확보하기 위해 금속 소재의 표면에 코팅되는 방열 코팅 조성물 및 제조방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 복수의 세라믹 물질을 화학결합시킨 세라믹 화합물을 이용하여 방열 특성이 향상된 방열 코팅 조성물 및 그 제조방법에 관한 것이다.
일반적으로 전 산업 분야에서 널리 사용되고 있는 각종 기계 및 전자 부품들은 장치의 구동에 따라 열이 발생되는데, 어느 임계 온도 이상으로 온도가 상승되는 경우 그 자신 혹은 주변 장치를 변형 또는 파손시키는 현상이 발생되어 성능이 저하되거나 수명이 줄어드는 현상이 자주 발생된다.
따라서, 주위에 비하여 높은 온도가 되는 부분의 열을 외부로 방출시키는 방열(Dissipation Heat)은 열이 발생하는 모든 전자 부품의 제품 설계 과정에서 고려되어야 할 중요한 요소이다.
이때, 각종 기계 및 부품 등의 온도가 발생되는 열로 인하여 일정수준 이상 상승되지 않도록 열을 방출시키기 위한 방열 수단은 히트 싱크, 방열판, 방열 패드, 방열 테이프, 그리고 방열 코팅 등이 있다.
특히, 방열 코팅은 열을 흡수하거나 발생시키는 소재(즉, 일반적으로 낮은 복사율을 갖는 금속 소재)의 표면에 일정 두께로 도포되어 열을 소재의 외부로 신속하게 발산시킴으로써 소재가 일정 온도 범위로 유지되도록 한다.
방열 코팅은 주로 소재의 표면에 도포되거나 또는 필름 형태로 소재의 표면에 적층된다.
일반적으로 이러한 방열 코팅재는 세라믹 물질과 수지 및 희석제를 혼합하여 제조되는데, 이때 사용되는 세라믹 물질은 고온에 노출되기 때문에 내열성, 열충격 및 기계적 강도가 우수하면서 고유 복사율이 우수한 소재를 사용하는 것이 바람직하다.
이러한 세라믹 물질로는 산화제일철(FeO), 산화제이철(Fe2O3), 산화구리(CuO), 탄화규소(SiC), 이산화규소(SiO2), 알루미나(Al2O3) 등이 있으며, 0.8 ~ 0.9의 복사율을 보인다.
종래, 방열 코팅재는 상기와 같이 방열량이 우수한 복수의 세라믹 물질 적정 비율로 단순 혼합한 혼합물에 수지 및 희석제를 첨가하여 제조되었다.
도 1은 단일 세라믹 물질별로 코팅 두께에 따른 방열량을 나타낸 그래프이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 단일 세라믹 물질로서 산화구리(CuO)과 산화제일철(FeO)이 다른 단일 세라믹 물질에 비하여 방열량 높게 형성되며, 코팅층의 두께는 200 ~ 300㎛인 경우 방열량이 가장 우수하다는 것을 알 수 있다.
도 2는 종래 단일 세라믹 물질을 단순 혼합한 혼합물질의 코팅두께에 따른 방열량을 비교한 그래프이다.
도 1 내지 도 2에 도시된 바와 같이, 단일 세라믹 물질을 단순 혼합하여 방열재를 제조한 경우, 방열량 향상에 전혀 영향을 주지 못하고, 단일 물질과 비슷하거나 감소되는 경향을 보이는 것을 알 수 있다.
종래 인상흑연 분말을 수직으로 배열시켜 열방사 효율을 향상시키는 기술에 대해서는 "방열 코팅 조성물, 이를 코팅시킨 방열판 및 그 제조방법 (공개특허 10-2013-0095936)" 등에서 구체적으로 공지되어 있다.
그러나, 종래 기술은 세라믹 물질의 배열을 변형함으로써 열방사 효율을 향상시킨 것으로, 이와 같이 세라믹 물질의 입자크기, 배열 및 단순 배합 등 물리적 방법으로는 세라믹 물질의 고유 복사율을 향상시킬 수 없어 방열량 향상에 한계가 있었다.
특허문헌 1 공개특허공보 KR 2013-0095936 A (2013. 08. 29.)
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해소하기 위한 것으로, 세라믹 물질들을 단순한 물리적 혼합이 아닌 화합물을 형성하여, 방열 특성이 향상된 방열 코팅 조성물 및 그 제조방법에 관한 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따른, 방열 코팅 조성물은 단일 조성을 갖는 복수의 세라믹 물질이 화학결합된 복합 세라믹 화합물; 및 수지 및 희석제를 함유한 바인더;를 포함한다.
상기 복합 세라믹 화합물은, FeO와 SiO2를 혼합하여 용융시킨 후 ??칭하여 제조된 FeO-SiO2 화합물인 것을 특징으로 할 수 있다.
상기 FeO-SiO2 화합물은, FeO와 SiO2는 1 : 1 ~ 4 중량비로 포함하는 것이 바람직하다.
본 발명의 일 실시예에 따른, 방열 코팅 조성물 제조방법은 복합 세라믹 화합물을 제조하는 준비 단계; 및 상기 복합 세라믹 화합물에 수지 및 희석제를 함유한 바인더를 첨가하여 방열 코팅 조성물을 제조하는 믹싱 단계;를 포함하며, 상기 복합 세라믹 화합물은 단일 조성을 갖는 복수의 세라믹 물질이 화학결합된 것을 특징으로 한다.
상기 준비 단계는, 상기 복수의 세라믹 물질을 혼합하는 세라믹 혼합물을 준비하는 배합과정; 상기 세라믹 혼합물을 볼 밀링(Milling)하여 분말화하여 혼합 세라믹 분말을 준비하는 분쇄과정; 상기 혼합 세라믹 분말을 가열하여 세라믹 용액을 제조하는 용융과정; 및 상기 세라믹 용액을 ??칭하여 응고시켜 복합 세라믹 화합물을 제조하는 냉각과정;을 포함할 수 있다.
상기 복수의 세라믹 물질은, FeO와 SiO2는 1 : 1 ~ 4 중량비로 포함하는 것이 바람직하다.
상기 분쇄과정은, 상기 세라믹 혼합물 입자의 직경이 45㎛ 이하(0 제외)가 되도록 볼 밀링하는 것이 바람직하다.
상기 용융과정은, 상기 세라믹 분말을 비활성 분위기에서 1400 ~ 1600 ℃의 온도로 용융시키는 것이 바람직하다.
본 발명의 실시예에 따르면, 복수의 단일 세라믹 물질을 화학결합시켜 복합 세라믹 화합물을 형성함으로써, 우수한 방열 특성을 갖는 방열 코팅 조성물을 제공함으로써, 종래 세라믹 혼합물질로 제조된 코팅 조성물 보다 방열 성능을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.
또한, 복합 세라믹 화합물 제조시, 가격이 저렴하면서 녹는점이 비교적 낮은 단일 세라믹 물질을 사용함으로써, 방열 성능을 향상시키면서도 제조비용을 절감할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 단일 세라믹 물질별로 코팅 두께에 따른 방열량을 나타낸 그래프이고,
도 2는 종래 단일 세라믹 물질을 단순 혼합한 혼합물질의의 코팅두께에 따른 방열량을 비교한 그래프이며,
도 3은 본 발명의 코팅두께에 따른 다양한 실시예에 따른 복합 세라믹 화합물의 복사열 유속(Radiant Heat Flux)을 도시한 그래프이고,
도 4는 본 발명의 다양한 실시예에 따른 방열 코팅 조성물의 두께에 따른 복사열 유속을 도시한 그래프이며,
도 5는 온도에 따른 SiO2의 상변태를 도시한 그래프이고,
도 6은 종래 세라믹 물질로 사용된 FeO와 SiO2의 혼합물과 본 발명의 실시예에 따른 복합 세라믹 화합물의 XRD 시험 결과를 도시한 그래프이며,
도 7은 종래 단일 세라믹 물질로 사용된 CuO와 본 발명의 실시예 4의 복사열 유속을 비교한 그래프이고,
도 8은 상온(22℃) 및 고온(70℃)에서 오디오 방열판에 대한 방열 성능을 시험한 결과를 나타낸 그래프이다.
이하 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세하게 설명하지만, 본 발명이 실시예에 의해 제한되거나 한정되는 것은 아니다. 참고로, 본 설명에서 동일한 번호는 실질적으로 동일한 요소를 지칭하며, 이러한 규칙 하에서 다른 도면에 기재된 내용을 인용하여 설명할 수 있고, 당업자에게 자명하다고 판단되거나 반복되는 내용은 생략될 수 있다.
본 발명은 방열 성능을 향상시키기 위해 종래 단일 세라믹 물질을 단순 혼합한 세라믹 혼합물이 아닌, 복수의 단일 세라믹 물질을 화학결합시켜 복합 세라믹 화합물을 형성시켜 방열 성능을 향상시키는 것을 주요 기술적 사상으로 한다.
본 발명의 일 실시예에 따른, 방열 코팅 조성물은 복합 세라믹 화합물과 수지 및 희석제가 함유된 바인더로 이루어진다. 이때, 복합 세라믹 화합물은 단일 조성을 갖는 복수의 세라믹 물질을 화학결합하여 제조된다.
종래, 일반적으로 금속 소재의 방열 코팅을 실시하기 위한 조성물 제조시 세라믹 물질로 산화구리(CuO), 산화제일철(FeO), 알루미나(Al2O3), 이산화규소(SiO2), 탄화규소(SiC) 등이 주로 사용되며, 이러한 세라믹 물질의 가격 및 녹는점(Melting point)은 아래 표 1에 나타내었다.
구 분 가격 (원/㎏) 녹는점 (℃)
산화구리(CuO) 16,500 1,326
산화제일철(FeO) 6,000 1,377
알루미나(Al2O3) 600 2,050
이산화규소(SiO2) 300 1,610
탄화규소(SiC) 1,000 2,700
표 1에 나타난 바와 같이, 세라믹 물질의 녹는점은 1,000℃를 상회하며, 높게는 2,000℃ 이상의 온도에서 용해 됨을 알 수 있다.
본 발명에서는 복수의 세라믹 물질을 용융시켜 복합 세라믹 화합물을 제조해야하기 때문에, 제조비용을 감소시키기 위해서는 녹는점이 비교적 낮은 세라믹 물질을 선택하는 것이 바람직하다.
즉, 본 발명의 복합 세라믹 화합물을 구성하는 세라믹 물질은 가격이 싸면서도 녹는점이 낮은 물질을 선택하는 것이 바람직하다.
이에, 본 발명의 일 실시예에 따른 복합 세라믹 화합물을 형성하기 위한 조건으로 단일 조성을 갖는 세라믹 물질의 녹는 점과 단위를 고려하되, 녹는점이 비교적 낮으면서도 가격이 낮은 FeO와 SiO2를 사용하였다.
표 1에 나타난 바와 같이, FeO의 녹는점은 1377℃이고 SiO2의 녹는점은 1610℃인데, 일반적으로 두 가지 이상의 화합물질이 용해되면 각 성분의 비율에 따라 물질 고유의 용해 온도보다 낮은 온도에서 용해되기 때문에, FeO와 SiO2가 화학 결합된 복합 세라믹 화합물 형성시, SiO2가 FeO 보다 상대적으로 고온의 세라믹 물질이지만 복합 세라믹 화합물을 형성함에 따라 그 용해 온도가 낮아져 약 1400℃에서 용해된다.
한편, 각각의 세라믹 물질은 고유의 복사율이 있는데 세라믹 물질의 색이 검은색에 가까울수록 고유 복사율이 높아지는 경향을 보인다. 실제로, Al2O3를 제외하고, 높은 고유 복사율을 갖는 세라믹 분말은 대체로 짙은 검은색을 띄고 있다.
따라서, 본 발명의 일 실시예에 따른 복합 세라믹 화합물 제조시, 그 색상이 짙은 검은색을 띄는 FeO를 선택하였다.
본 발명의 실싱예에 따른 복합 세라믹 화합물은 FeO와 SiO2를 배합하여 용해시킨 다음, ??칭(Quenching)하여 제조하며, 본 발명의 다양한 실시예에 따른 FeO와 SiO2를 배합비를 표 2에 나타내었다.
구분 FeO (wt%) SiO2 (wt%)
실시예 1 20 80
실시예 2 40 60
실시예 3 50 50
실시예 4 60 40
실시예 5 80 20
도 3은 본 발명의 코팅두께에 따른 다양한 실시예에 따른 복합 세라믹 화합물의 복사열 유속(Radiant Heat Flux)을 도시한 그래프이다.
표 2 및 도 3에 나타난 바와 같이, FeO와 SiO2를 배합하여 제조된 복합 세라믹 화합물의 복사열 유속은 모두 500 W/㎡으로 종래 단일 조성을 갖는 세라믹 물질에 비하여 우수하여 방열 성능이 향상된다는 것을 알 수 있다.
특히, FeO와 SiO2를 배합비가 1 : 1 ~ 1: 4의 중량비로 첨가되어 형성된 복합 세라믹 화합물의 복사열 유속은 600 W/㎡ 이상으로 나타나 방열 성능을 크게 향상됨을 알 수 있따.
따라서, 본 발명의 일 실시예에 따른 복합 세라믹 화합물은 FeO와 SiO2를 배합비는 1 : 1 ~ 4의 중량비로 포함되는 것이 바람직하다.
도 4는 본 발명의 다양한 실시예에 따른 방열 코팅 조성물의 두께에 따른 복사열 유속을 도시한 그래프이다.
도 4에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른, 방열 코팅 조성물은 300㎛의 두께로 코팅된 경우 가장 높은 방열 성능을 보임을 알 수 있다. 따라서, 본 발명의 실시예에 따른 코팅 조성물은 약 300㎛의 두께로 코팅되는 것이 바람직하다.
또한, SiO2의 비율이 증가될수록 방열 성능이 향상되는 것을 알 수 있는데 이는 SiO2가 크리스토발라이트(Cristobalite)로 상변태되고, FeO-SiO2계 화합물 형성으로 인하여 방열 특성이 향상되기 때문이며, 본 발명의 일 실시예에 따른 방열 코팅 조성물 제조방법에서 다시 설명하기로 한다.
본 발명의 일 실시예에 따른, 방열 코팅 조성물 제조방법은 복합 세라믹 화합물을 제조하는 준비 단계와 복합 세라믹 화합물과 수지 및 희석제를 혼합하여 방열 코팅 조성물을 제조하는 믹싱 단계를 포함한다.
본 발명의 일 실시에에 따른, 준비 단계는 복수의 단일 세라믹 물질을 배합하여 세라믹 혼합물을 준비하는 배합과정과 세라믹 혼합물을 분쇄하여 세라믹 분말을 제조하는 분쇄과정과 세라믹 분말을 용융시켜 세라믹 용액을 제조하는 용융과정 및 세라믹 용액을 응고시켜 복합 세라믹 화합물을 제조하는 냉각과정을 포함한다.
배합과정은 단일 세라믹 물질로 FeO와 SiO2를 사용하며, 그 배합비는 중량비로 1 : 1 ~ 4로 제한 하는 것이 바람직한데, 그 이유는 본 발명의 일 실시예에 따른 방열 코팅 조성물에서 설명한 바와 같다.
한편, 분쇄과정은 FeO와 SiO2가 일정 배합비로 혼합된 혼합 세라믹 혼합물을 약 24시간 정도 볼 밀링(Ball Milling)하여 분쇄한 세라믹 분말로 제조한다. 이때, 세라믹 분말은 입자의 직경이 45㎛ 이하(0 제외)인 것이 바람직하다.
그 이유는, 일반적으로 방열 코팅제에 사용되는 세라믹 물질은 그 입자의 직경이 미세할수록 코팅시 방열 성능이 향상되기 때문이다.
용융과정은 세라믹 분말을 가열하여 세라믹 용액을 제조하는데, 본 발명의 일 실시예에 따른 용융과정은 세라믹 분말을 비활성 분위기에서 약 1400 ~ 1600℃의 온도로 용융시키는 것이 바람직하다.
왜냐하면, FeO의 녹는점은 1377℃이고 SiO2의 녹는점은 1610℃이나, 앞에서 언급한 바와 같이 일반적으로 두 가지 이상의 화합물질이 용해되면 각 성분의 비율에 따라 물질 고유의 용해 온도보다 낮은 온도에서 용해가 이루어질 수 있기 때문이며, 반응에 참여하고 남은 잉여 SiO2는 1400 ~ 1600℃의 온도에서 Cubic 구조를 갖는 크리스토발라이트 상으로 형성되기 때문이다.
이에, 제조시 세라믹 분말 용융 비용을 절감시키면서, 복합 세라믹 화합물의 방사율을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.
도 5는 온도에 따른 SiO2의 상변태를 도시한 그래프이고, 도 6은 종래 세라믹 물질로 사용된 FeO와 SiO2의 혼합물과 본 발명의 실시예에 따른 복합 세라믹 화합물의 XRD 시험 결과를 도시한 그래프이다.
도 5 및 도 6에 도시된 바와 같이 1400 ~ 1700℃에서 SiO2는 HCP 구조에서 Cubic 구조로 상변태가 이루어지는데, SiO2의 이러한 상변화는 방사율과는 무관하나, Cubic 구조의 크리스토발라이트는 ??칭 효과가 있어, 본 발명의 실시예에 따라 제조된 복합 세라믹 화합물의 방사율을 향상시키는 효과가 있다.
한편, 도 6에서 FeO와 SiO2의 혼합물의 경우, XRD(X-ray Diffraction) 분석시 FeO 상과 SiO2 상이 동시에 나타나는 반면, 본 발명의 실시예 4의 경우 FeO와 SiO2이 화학 결합되어 새로운 상이 형성되었음을 알 수 있다.
이때, 본 발명의 실시예 4에서 크리스토발라이트가 관찰되는데, 이는 FeO와 반응하고 남은 SiO2가 형성된 것이다.
용융과정이 완료되면, 세라믹 용액은 워터 ??칭 등 냉각과정을 통해 응고되어 FeO-SiO2 화합물이 제조된다.
도 7은 종래 단일 세라믹 물질로 사용된 CuO와 본 발명의 실시예 4의 복사열 유속을 비교한 그래프이다.
도 7에 도시된 바와 같이, 볼 밀링을 실시한 CuO는 그렇지 않은 CuO에 비하여 ??열효과가 향상되는데, 본 발명의 실시예에 따르면 종래 복사열 유속이 우수한 CuO를 볼 밀링함으로써 방열 효과가 향상된 Milling CuO보다 방열 효과가 우수하다는 것을 알 수 있다.
도 8(a)는 상온(22℃)에서 오디오 방열판에 대한 방열 성능을 시험한 결과를 나타낸 그래프이고, 도 8(b)는 고온(70℃)에서 오디오 방열판에 대한 방열 성능을 시험한 결과를 나타낸 그래프이다.
도 8에 도시된 바와 같이, 오디오 방열판은 다이캐스팅 합금으로 코팅되지 않은 오디오 방열판은 출력시간 30분에 100.2℃이며, 종래의 단일 세라믹 물질인 CuO를 코팅한 오디오 방열판의 온도는 출력시간 30분에 98.8℃이고, 아노다이징한 상태의 오디오 방열판의 온도는 출력시간 30분에 94.9℃로 나타난 반면, 본 발명의 일 실시예에 따른 복합 세라믹 화합물인 FeO-SiO2계 화합물을 배합한 방열 코팅 조성물을 코팅한 오디오 방열판의 온도는 출력시간 30분에 88.9℃로 나타났다.
따라서, 본 발명의 실시예에 따른 방열 코팅 조성물을 배합한 코팅제는 종래에 비하여 방열 성능이 향상되었음 알 수 있다. 특히, 코팅되지 않은 오디오 방열판의 온도보다 11.3℃의 온도차를 보이고 있어 방열 성능이 우수함을 알 수 있다.
한편, 70℃의 오븐에서 코팅되지 않은 오디오 방열판은 출력시간 30분에 143.3℃이며, 종래의 단일 세라믹 물질인 CuO를 코팅한 오디오 방열판의 온도는 출력시간 30분에 137.5℃이고, 아노다이징한 상태의 오디오 방열판의 온도는 출력시간 30분에 137.2℃로 나타난 반면, 본 발명의 일 실시예에 따른 복합 세라믹 화합물인 FeO-SiO2계 화합물을 배합한 방열 코팅 조성물을 코팅한 오디오 방열판의 온도는 출력시간 30분에 132.3℃로 나타났다.
이처럼, 고온에서의 방열 성능 시험에서도 본 발명의 실시예에 따른 복합 세라믹 화합물을 배합한 방열 코팅 조성물이 도포된 오디오 방열판의 온도가 출력시간 30분에 다른 경우에 비해 온도가 낮게 측정됨으로써 방열 성능이 우수함으로 알 수 있으며, 특히 코팅되지 않은 오디오 방열판의 온도에 비하여 11.0℃의 낮은 온도를 보이고 있다.
상술한 바와 같이, 본 발명은 복합 세라믹 화합물은 복수의 세라믹 물질을 단순히 물리적 혼합한 것이 아닌 화합물로 형성하여 우수한 방열 특성을 가짐으로써, 방열 코팅 조성물의 방열 성능을 크게 증대시킨다는 것을 알 수 있다.
상술한 바와 같이, 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만 해당 기술분야의 숙련된 당업자라면 하기의 청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

Claims (8)

  1. FeO와 SiO2를 1: 1~5의 중량비로 혼합하여 용융시킨 후 퀀칭하여 제조되어 600W/m2 이상의 복사열 유속을 갖는 복합 세라믹 화합물; 및
    수지 및 희석제를 함유한 바인더;를 포함하는, 방열코팅 조성물.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. FeO와 SiO2를 혼합하여 세라믹 혼합물을 준비하는 배합과정과 상기 세라믹 혼합물을 볼 밀링(Milling)하여 분쇄하는 세라믹 분말을 마련하는 분쇄과정과 상기 세라믹 분말을 가열하여 용융물을 마련하는 용융과정 및 용융물을 냉각시켜 600W/m2 이상의 복사열 유속을 갖는 복합 세라믹 화합물을 마련하는 준비 단계; 및
    상기 복합 세라믹 화합물에 수지 및 희석제를 함유한 바인더를 첨가하여 방열 코팅 조성물을 제조하는 믹싱 단계;를 포함하는, 방열 코팅 조성물 제조방법.
  5. 삭제
  6. 삭제
  7. 청구항 4에 있어서,
    상기 분쇄과정은
    상기 세라믹 혼합물 입자의 직경이 0㎛초과 45㎛ 이하가 되도록 볼 밀링하는 것을 특징으로 하는, 방열 코팅 조성물 제조방법.
  8. 청구항 4에 있어서,
    상기 용융과정은,
    상기 세라믹 분말을 비활성 분위기에서 1400 ~ 1600 ℃의 온도로 용융시키는 것을 특징으로 하는, 방열 코팅 조성물 제조방법.
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