KR101767716B1 - 방열 코팅 조성물 및 이를 이용하여 제조된 방열 기판 - Google Patents

방열 코팅 조성물 및 이를 이용하여 제조된 방열 기판 Download PDF

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Abstract

방열 코팅 조성물 및 이를 이용하여 제조된 방열 기판이 개시된다. 본 발명의 일 측면은, 극성 용매; 및 방열성 나노입자-수지 입자 복합체를 포함하고, 상기 방열성 나노입자-수지 입자 복합체는, 양으로 하전된 바인더 수지 입자와 상기 바인더 수지 입자의 표면에 다수의 음으로 하전된 방열성 나노입자가 정전기적으로 응집되어 있는 방열 코팅 조성물을 제공한다.

Description

방열 코팅 조성물 및 이를 이용하여 제조된 방열 기판{COATING COMPOSITION FOR DISSIPATING HEAT AND HEAT RADIATING SUSTRATE MANUFACTURED USING THE SAME}
본 발명은 방열 코팅 조성물 및 이를 이용하여 제조된 방열 기판에 관한 것이다.
최근 전자 산업의 발달과 함께, 각종 전자제품, 특히 반도체용 부품, 조명용 부품, 디스플레이용 부품 등이 점점 고집적화 및 소형화되면서 각각의 부품에서 발생하는 열을 효과적으로 방출시키는 것이 이들 제품의 성능 및 수명에 매우 중요한 영향을 미치는 요인으로 부각되고 있다.
특히, LED 조명, OLED 조명 등은 고효율의 새로운 광원으로 각광을 받고 있으나, 발열량이 상당히 높은 수준이기 때문에, 방열을 위한 별도의 수단이 마련되지 않을 경우, 수명이 급속히 저하되며 발광 효율이 급속히 저하되는 문제가 발생한다.
이로 인해, 일반적으로 LED 조명, OLED 조명에 적용되는 기판 및 봉지재에는 소자로부터 발생되는 열을 효과적으로 외부로 방출하기 위하여, 바인더 수지와 열전도성 입자, 예컨대, 금속 나노 입자, 그래핀 등으로 이루어지는 코팅층을 형성하여 방열성을 확보하고 있다.
그러나, 상기의 경우, 코팅층 내 열전도성 입자가 불규칙적으로 분산되어 있어 일정 수준 이상의 방열성 확보가 어려우며, 방열성을 향상시키기 위해 열전도성 입자를 과다하게 투입할 경우 가격 경쟁력이 낮아질 뿐만 아니라, 유연성, 내부식성 등이 저하되는 문제가 있었다.
본 발명의 일 측면은 방열 기판의 방열 효율을 향상시킬 수 있는 방열 코팅 조성물을 제공하고자 하는 것이다.
본 발명의 다른 일 측면은 방열성이 우수한 방열 기판을 제공하고자 하는 것이다.
그러나, 본 발명이 해결하고자 하는 과제는 이상에서 언급한 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 통상의 기술자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 발명의 일 측면은, 극성 용매; 및 방열성 나노입자-수지 입자 복합체를 포함하고, 상기 방열성 나노입자-수지 입자 복합체는, 양으로 하전된 바인더 수지 입자와 상기 바인더 수지 입자의 표면에 다수의 음으로 하전된 방열성 나노입자가 정전기적으로 응집되어 있는 방열 코팅 조성물을 제공한다.
또한, 본 발명의 다른 일 측면은, 베이스 기판; 및 상기 베이스 기판 상에 형성되고, 상기 방열 코팅 조성물의 경화물로 이루어진 코팅층을 포함한다.
본 발명에 따른 방열 기판은, 코팅층 내 방열성 나노입자가 네트워크(network) 형태로 분산되어 있어 적은 양의 열전도성 입자만으로도 우수한 방열성을 확보할 수 있는 장점이 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 방열 기판의 모식도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 방열성 평가 결과를 나타내는 그래프이다.
이하, 본 발명을 상세히 설명한다.
본 발명의 실시형태는 여러 가지의 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 이하 설명하는 실시형태로만 한정되는 것은 아니다. 명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
이하, 본 발명의 일 측면인 방열 코팅 조성물에 대하여 설명한다.
본 발명에 따른 방열 코팅 조성물은, 양으로 하전된 바인더 수지 입자(220)와 상기 바인더 수지 입자의 표면에 다수의 음으로 하전된 방열성 나노입자(210)가 정전기적으로 응집되어 있는 방열성 나노입자-수지 입자 복합체를 포함한다.
일반적으로 상기 방열성 나노입자(210)는 상기 바인더 수지 입자(220)에 비해 크기가 작으므로, 상기 방열성 나노입자(210)는 상기 바인더 수지 입자(220)의 표면에 1개의 층(가장 이상적으로) 또는 2개의 층을 이루며 균일한 분포로 응집되는 것이 바람직하다. 이러한 조건으로 응집시키기 위한 방열성 나노입자(210)와 바인더 수지 입자(220)의 비율은 흡착 등온선(adsorption isotherm) 실험에 의해 도출할 수 있다. 이와 같이 흡착 등온선 실험에 의해 상기 입자들간 최적의 비율을 정하는 것은 통상의 기술자에게 자명한 것으로, 이에 대한 자세한 설명은 생략하기로 한다.
본 발명의 일 구현예에 따르면, 상기 양으로 하전된 바인더 수지 입자(220)는 아크릴계 단량체와 양으로 하전된 단량체의 중합체일 수 있다.
이때, 상기 아크릴계 단량체는 부틸 아크릴레이트(Butyl acrylate), 부틸 메타크릴레이트(Butyl methacrylate), 에틸 아크릴레이트(Ethyl acrylate) 및 메틸 메타크릴레이트(Methyl methacrylate)로 이루어진 군에서 선택된 1종 또는 2종 이상일 수 있다. 또한, 상기 양으로 하전된 단량체는 1 이상의 아미노기를 포함하는 단량체 일 수 있으며, 보다 구체적으로는, 도데실트리메틸암모늄 브로마이드(Dodecyltrimethylammonium bromide), 비닐벤질아민 하이드로클로라이드(Vunylbenzylamine hydrochloride) 및 아미노에틸메타크릴레이트 하이드로클로라이드(Aminoethylmethacrylate hydrocholrede)로 이루어진 군에서 선택된 1종 또는 2종 이상일 수 있다.
한편, 상기 양으로 하전된 바인더 수지 입자(220)는 필요에 따라 아크릴계 단량체와 양으로 하전된 단량체 이외에 다른 공단량체를 더 포함하는 중합체일 수 있다. 또한, 상기 양으로 하전된 바인더 수지 입자는 아크릴계 단량체와 양으로 하전된 단량체 이외의 재료, 예를 들면 개시제, 계면활성제, 산화방지제, 라디칼 제거제, 자외선 안정제 등 중합체 제조시 일반적으로 첨가하는 첨가제를 더 포함하는 중합체일 수 있다.
본 발명에서는 아크릴계 단량체와 양으로 하전된 단량체를 중합하는 방법에 대해서는 특별히 한정하지 않으나, 예를 들면, 물을 연속상으로 하고, 양이온성 개시제에 의해 중합을 개시하는 유화중합 방법에 의할 수 있다. 이때, 상기 양이온성 개시제의 종류에 대해서는 특별히 한정하지 않으나, 예를 들면, 아조비스 아미디노프로판디하이드로클로라이드(AAPH, 2,2'-azobis(2-amidinopropane)dihydrochloride)일 수 있다. 또한, 유화중합 반응의 효율을 극대화하기 위하여 양이온성 계면활성제를 더 포함하여 중합반응을 일으킬 수 있으며, 이때, 상기 양이온성 계면활성제의 종류에 대해서는 특별히 한정하지 않으나, 예를 들면, 도데실트리메틸암모늄 클로라이드(Dodecyltrimethylammonium chloride), 메톡시 바이페닐옥시알킬피리디늄브로마이드(1-[ω-(4'-methoxy-4-biphenylyloxy)alkyl] pyridinium bromide)로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상일 수 있다.
본 발명의 일 구현예에 따르면, 상기 양으로 하전된 단량체는 상기 아크릴계 단량체의 중량 대비 0.5~5%일 수 있다. 만약, 상기 함량비가 0.5% 미만인 경우에는 복합체 표면의 (+) 전하가 충분치 못할 우려가 있으며, 반면, 5%를 초과하는 경우에는 유화중합되는 과정에서 과다한 수용성 고분자 전해질의 발생으로 복합체 입자간 응집이 일어날 우려가 있다.
본 발명의 일 구현예에 따르면, 상기 음으로 하전된 방열성 나노입자(210)는 금속 나노입자, 탄소계 나노입자 및 금속 나노입자-탄소계 나노입자 복합체로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상의 나노입자의 표면에 음으로 하전된 분산제 또는 음이온성 계면 활성제가 흡착된 것일 수 있다.
이때, 상기 금속 나노입자는, Ni 나노입자, Sn 나노입자 및 Cu 나노입자로 이루어진 군에서 선택된 1종 또는 2종 이상일 수 있으며, 상기 탄소계 나노입자는 탄소나노튜브 입자 및 그라파이트 나노입자로 이루어진 군에서 선택된 1종 또는 2종 이상일 수 있으며, 상기 금속 나노입자-탄소계 나노입자 복합체 중 금속 나노입자는 Ni 나노입자, Sn 나노입자 및 Cu 나노입자로 이루어진 군에서 선택된 1종 또는 2종 이상일 수 있으며, 상기 금속 나노입자-탄소계 나노입자 복합체 중 탄소계 나노입자는 탄소나노튜브 입자 및 그라파이트 나노입자로 이루어진 군에서 선택된 1종 또는 2종 이상일 수 있다. 또한, 음으로 하전된 분산제는 BASF사의 high-molecular-weight의 Efka? 4000 Series, low-molecular-weight의 Efka? 5000 과 Efka? 6000 Series, polyacrylate polymer dispersants의 Dispex?, Ultradispers? 로 이루어진 군에서 선택된 1종 또는 2종 이상일 수 있으며, 음이온성 계면 활성제는 소듐라우릴설페이트(Sodium lauryl sulfate), 암모니움라우릴설페이트(ammonium lauryl sulfate), 소듐라우릴에스터 설페이트(sodium lauryl ether sulfate), 소듐스테아레이트(sodium stearate)로 이루어진 군에서 선택된 1종 또는 2종 이상일 수 있다.
본 발명의 일 구현 예에 따르면, 상기 음으로 하전된 분산제 또는 음이온성 계면 활성제는 상기 나노입자 중량 대비 0.1~2%일 수 있다. 만약, 상기 함량비가 0.1% 미만인 경우에는 나노입자가 분산되지 않고 응자간 응집이 일어날 우려가 있으며, 반면, 상기 함량비가 2%를 초과하는 경우에는 분산제 또는 계면 활성제의 함량이 과다하여 그 중 일부가 나노입자로부터 해리되어 별도로 존재함으로써, 추후 불순물로 작용할 우려가 있다.
한편, 상기와 같은 방열성 나노입자-수지 입자 복합체를 제조하는 방법은 특별히 한정하지 않으나, 양으로 하전된 바인더 수지 입자(220)가 분산되어 있는 수용액에 음으로 하전된 방열성 나노입자(210)를 서서히 투입함으로써, 바인더 수지 입자(220)와 방열성 나노입자(210)가 정전기력에 의해 서로 응집되게 함으로써 제조할 수 있다.
본 발명의 방열 코팅 조성물 중 상기 방열성 나노입자-수지 입자 복합체 외 잔부는 극성 용매 및 기타 첨가제이다. 바람직하게는 상기 극성 용매는 물일 수 있다. 한편, 통상의 코팅 조성물 제조과정에서는 원료 또는 주위 환경으로부터 의도되지 않는 불순물들이 불가피하게 혼입될 수 있으므로, 이를 배제할 수는 없다.
후술할 코팅층 형성시, 상기 극성 용매는 증발에 의해 소실되어 코팅층 물성에 영향을 미치지 않으므로, 본 발명에서는 상기 방열성 나노입자-수지 입자 복합체와 극성 용매 간 중량비 등은 특별히 한정하지 않는다.
이하, 본 발명의 다른 일 측면인 방열 기판에 대하여 설명한다.
본 발명의 다른 일 측면인 방열 기판은, 베이스 기판(100); 및 상기 베이스 기판 상에 형성되고, 상기의 방열성 코팅 조성물의 경화물로 이루어진 코팅층(200)을 포함한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 방열 기판의 모식도이다. 도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 방열 기판은, 코팅층 내 방열성 나노입자가 네트워크(network) 형태로 분산되어 있어 적은 양의 열전도성 입자만으로도 우수한 방열성을 확보할 수 있음을 알 수 있다.
상기 베이스 기판(100)은 전자소자용 기판으로서 방열성이 문제되는 기판이라면 그 종류가 특별히 제한되지 않으며, 예를 들면, LED용 기판, OLED 조명용 기판, 디스플레이용 기판, 플렉서블 배터리용 기판일 수 있다.
상기와 같은 코팅층(200)을 형성하는 방법은 특별히 제한되지 않으며, 예를 들어, 상기 기판 상에 상기 코팅 조성물을 바-코터, 롤 코터, 커튼 코터 방법 등에 의하여, 도포한 후, 열풍 가열, 적외선 가열, 유도 가열방법에 의해 건조하여 코팅층을 형성할 수 있다.
상기 코팅층(200)의 두께는 0.5~3㎛일 수 있다. 상기 두께가 0.5㎛ 미만인 경우 방열 성능이 충분히 발휘되지 못할 우려가 있으며, 반면, 3㎛를 초과하는 경우 그 효과가 포화되며, 경제성이 저하될 우려가 있다.
이하, 실시예를 통하여 본 발명을 보다 구체적으로 설명하고자 한다. 다만, 하기의 실시예는 본 발명을 예시하여 보다 상세하게 설명하기 위한 것일 뿐, 본 발명의 권리범위를 한정하기 위한 것이 아니라는 점에 유의할 필요가 있다. 본 발명의 권리범위는 특허청구범위에 기재된 사항과 이로부터 합리적으로 유추되는 사항에 의해 결정되는 것이기 때문이다.
( 실시예 )
1. 양으로 하전된 바인더 수지 입자의 제조
초순수 500g에 부틸아크릴레이트(Butyl acrylate) 50g, 메틸메타크릴레이트(Methyl methacrylate) 50g 및 아미노에틸메타크릴레이트 하이드로클로라이드(Aminoethylmethacrylate hydrochloride) 1g을 투입한 후, 70℃로 승온하였다. 이후, 개시제인 2,2-azobis(2-amidinoropropane)dihydrochloride를 투입하여 중합반응을 개시하고, 약 6시간 동안 유화중합하여 양으로 하전된 바인더 수지 입자를 얻었다. 제조된 양으로 하전된 바인더 수지 입자의 평균 입도는 0.1~0.4㎛였다.
2. 음으로 하전된 방열성 나노입자의 제조
나노입자로는 평균 입도가 2~5㎛인 니켈과 그라파이트가 플라즈마로 융합된 그라파이트-니켈 나노 융합체(㈜나노캐스트테크 제품)를 사용하였으며, 초순수 100g에 상기 나노입자 5g 및 소듐라우릴설페이트(Sodium lauryl sulfate) 0.01g을 투입한 후, 비드 밀(bead mill)에 의해 분산시켜 음으로 하전된 방열성 나노입자를 얻었다.
3. 방열 코팅 조성물의 제조
상기 양으로 하전된 바인더 수지 입자가 분산되어 있는 수용액 500g에 상기 음으로 하전된 방열성 나노입자 분산용액 10g를 정량 펌프로 약 2시간 동안 서서히(약 1~3ml/min) 투입하여, 바인더 수지 입자와 방열성 나노입자가 정전기력에 의해 서로 응집되도록 함으로써, 방열성 나노입자-수지 입자 복합체를 얻었다.
4. 방열 기판의 제조
50㎛ 두께의 금속박(metal foil)을 준비한 후, 상기 금속박 상에 상기 방열 코팅 조성물을 슬롯 다이(slot die) 코팅기로 코팅한 후, NIR 건조기로 건조시켜 최종 두께 1.5㎛의 코팅층을 형성시켰다.
5. 방열성 평가
제조된 방열 기판의 방열성을 평가하기 위하여, 주위 온도를 40℃로 유지한 채, 80℃의 열원(지름 20mm)을 이용하여 열을 가한 후, 열원의 중앙으로부터 3cm 떨어진 위치의 온도 변화를 열전대(thermocouple)를 이용하여 측정하였으며, 그 결과(발명예 1)를 도 2에 나타내었다. 한편, 비교를 위해 코팅층 형성 전의 50㎛ 두께의 금속박(metal foil)에 대해서도 동일한 실험을 진행하였으며, 그 결과(종래예 1)를 도 2에 함께 나타내었다.
도 2를 통해 알 수 있듯이, 발명예 1은 종래예 1에 비해 온도가 약 2.5℃ 낮음을 알 수 있으며, 이는 발명예 1의 방열성이 우수함을 나타낸다.
100: 베이스 기판
200: 코팅층
210: 음으로 하전된 방열성 나노입자
220: 양으로 하전된 바인더 수지 입자

Claims (13)

  1. 물; 및 방열성 나노입자-수지 입자 복합체를 포함하고,
    상기 방열성 나노입자-수지 입자 복합체는, 양으로 하전된 바인더 수지 입자와 상기 바인더 수지 입자의 표면에 다수의 음으로 하전된 방열성 나노입자가 정전기적으로 응집되어 있으며,
    상기 양으로 하전된 바인더 수지 입자는 아크릴계 단량체와 1 이상의 아미노기를 포함하는 단량체의 중합체이고,
    상기 음으로 하전된 방열성 나노입자는 금속 나노입자, 탄소계 나노입자 및 금속 나노입자-탄소계 나노입자 복합체로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상의 나노입자의 표면에 음으로 하전된 분산제 또는 음이온성 계면 활성제가 흡착된 것인 방열 코팅 조성물.
  2. 삭제
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 아크릴계 단량체는 부틸 아크릴레이트(Butyl acrylate), 부틸 메타크릴레이트(Butyl methacrylate), 에틸 아크릴레이트(Ethyl acrylate) 및 메틸 메타크릴레이트(Methyl methacrylate)로 이루어진 군에서 선택된 1종 또는 2종 이상인 방열 코팅 조성물.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 1 이상의 아미노기를 포함하는 단량체는 도데실트리메틸암모늄 브로마이드(Dodecyltrimethylammonium bromide), 비닐벤질아민 하이드로클로라이드(Vunylbenzylamine hydrochloride) 및 아미노에틸메타크릴레이트 하이드로클로라이드(Aminoethylmethacrylate hydrocholrede)로 이루어진 군에서 선택된 1종 또는 2종 이상인 방열 코팅 조성물.
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 1 이상의 아미노기를 포함하는 단량체는 상기 중합체 중량 대비 0.5~5%인 방열 코팅 조성물.
  6. 삭제
  7. 제 1항에 있어서,
    상기 금속 나노입자는, Ni 나노입자, Sn 나노입자 및 Cu 나노입자로 이루어진 군에서 선택된 1종 또는 2종 이상인 방열 코팅 조성물.
  8. 제 1항에 있어서,
    상기 탄소계 나노입자는 탄소나노튜브 입자 및 그라파이트 나노입자로 이루어진 군에서 선택된 1종 또는 2종 이상인 방열 코팅 조성물.
  9. 제 1항에 있어서,
    상기 음이온성 계면 활성제는 소듐라우릴설페이트(Sodium lauryl sulfate), 암모니움라우릴설페이트(ammonium lauryl sulfate), 소듐라우릴에스터 설페이트(sodium lauryl ether sulfate), 소듐스테아레이트(sodium stearate)로 이루어진 군에서 선택된 1종 또는 2종 이상 방열 코팅 조성물.
  10. 제 1항에 있어서,
    상기 음으로 하전된 분산제 또는 음이온성 계면 활성제는 상기 나노입자 중량 대비 0.1~2%인 방열 코팅 조성물.
  11. 베이스 기판; 및
    상기 베이스 기판 상에 형성되고, 제 1항, 제 3항 내지 제 5항, 제 7항 내지 제 10항 중 어느 한 항의 코팅 조성물의 경화물로 이루어진 코팅층을 포함하는 방열 기판.
  12. 제 11항에 있어서,
    상기 베이스 기판은 LED용 기판, OLED 조명용 기판, 디스플레이용 기판, 플렉서블 배터리용 기판으로 이루어진 군에서 선택된 1종인 방열 기판.
  13. 제 11항에 있어서,
    상기 코팅층의 두께는 0.5~3㎛인 방열 기판.
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