KR101773589B1 - 방열 도료 조성물 및 방열 구조체 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 다양한 제품에 우수한 방열성과 함께, 뛰어난 내염수성, 막 강도, 부착성 또는 내스크래치성 등을 갖는 방열층의 형성을 가능케 하는 방열 도료 조성물 및 방열 구조체에 관한 것이다.
상기 방열 도료 조성물은 에폭시 수지; 경화제; 아민기, 아미드기, 카르복실기 및 히드록시기로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상을 포함한 관능기가 결합되어 있는 탄소계 필러; 및 용매를 포함하는 것이다.

Description

방열 도료 조성물 및 방열 구조체 {Heat Radiant Paint Composition and Heat Radiant Structure}
본 발명은 방열 도료 조성물 및 방열 구조체에 관한 것이다. 보다 구체적으로, 본 발명은 다양한 제품에 우수한 방열성과 함께, 뛰어난 내염수성, 막 강도, 부착성 또는 내스크래치성 등을 갖는 방열층의 형성을 가능케 하는 방열 도료 조성물 및 방열 구조체에 관한 것이다.
최근 들어, 자동차 등에 LED 헤드램프의 적용이 증가함에 따라 램프의 온도를 낮추고자 하는 기술적 노력이 선행되고 있다. 특히, LED 소자는 온도에 대하여 매우 민감한 반도체 소자로서, 구동시 온도 상승으로 인한 수명, 오작동의 문제가 심각하게 발생할 우려가 있다. 이로 인해, 상기 LED 헤드램프 등의 온도 상승을 억제하여 수명을 연장시키고, 오작동을 억제하는 것이 더욱 요구된다.
현재까지는 이러한 LED 헤드램프 등의 온도 상승을 억제하기 위해, 램프와 브래킷 사이의 팬을 통해 방열 특성을 구현한 경우가 대부분이었다. 그러나, 이러한 방열 구조에서는, 램프의 수명에 비하여 팬의 수명이 짧고, 소음, 먼지 발생 등의 문제와 잦은 고장의 원인이 되어, 고가의 LED 헤드램프를 교체해야 하는 등의 문제점이 발생하였다.
이에 팬 등의 기계적 구조물을 사용하지 않고, LED 헤드램프 등의 주위에서 발생하는 열을 적절히 방출시켜 그 온도 상승을 억제함으로서, 램프의 수명을 보다 길게 하는 기술의 개발이 계속적으로 요구되어 왔다.
최근에는, 상기 LED 헤드램프 등의 주위에 방열 도료 조성물을 사용하여 방열층 등을 방열 구조체를 형성함으로서, 상술한 효과를 얻고자 시도된 바 있다. 그러나, 이러한 효과를 바람직하게 구현할 수 있도록, 우수한 방열성과 함께, 뛰어난 내염수성, 막 강도, 부착성 또는 내스크래치성 등을 갖는 방열층의 형성을 가능케 하는 방열 도료 조성물은 아직까지 제대로 구현되지 않고 있다.
(특허문헌 1) 대한민국 등록특허공보 제10-0804934호 (공고일: 2008.02.20)
(특허문헌 2) 대한민국 공개특허공보 제10-2012-0013914호 (공개일: 2012.02.15)
이에 본 발명은 LED 헤드램프 등 다양한 제품에 우수한 방열성과 함께, 뛰어난 내염수성, 막 강도, 부착성 또는 내스크래치성 등을 갖는 방열층의 형성을 가능케 하는 방열 도료 조성물을 제공하는 것이다.
본 발명은 또한, 상기 방열 도료 조성물로부터 형성되어, 우수한 방열성과 함께, 뛰어난 내염수성, 막 강도, 부착성 또는 내스크래치성 등을 갖는 방열층 등 방열 구조체를 제공하는 것이다.
본 발명은 에폭시 수지; 경화제; 아민기, 아미드기, 카르복실기 및 히드록시기로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상을 포함한 관능기가 결합되어 있는 탄소계 필러; 및 용매를 포함하는 방열 도료 조성물을 제공한다.
본 발명은 또한, 에폭시기가 개환되어 가교 구조를 이루고 있는 에폭시 수지의 경화물; 및 아민기, 아미드기, 카르복실기 및 히드록시기로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상을 포함한 관능기가 결합되어 있는 탄소계 필러를 포함하는 방열 구조체를 제공한다.
이하 발명의 구현예에 따른 방열 도료 조성물 및 방열 구조체에 대해 설명하기로 한다.
발명의 일 구현예에 따르면, 에폭시 수지; 경화제; 아민기, 아미드기, 카르복실기 및 히드록시기로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상을 포함한 관능기가 결합되어 있는 탄소계 필러; 및 용매를 포함하는 방열 도료 조성물이 제공된다.
이러한 방열 도료 조성물은, 예를 들어, 말단 등에 하나 이상의 에폭시기를 갖는 에폭시 수지 및 경화제와 함께, 수소 결합 가능한 특정 관능기가 표면 결합되어 있는 탄소계 필러를 포함한다. 이러한 방열 도료 조성물을 LED 헤드램프 등 방열이 필요한 제품 주위에 도포하고, 경화를 진행하면, 하기 반응식 1과 같이 에폭시 수지 중의 에폭시기가 개환되어 경화제와의 상호 작용으로 에폭시기끼리 가교 구조를 이룰 수 있다. 이에 따라, 에폭시 수지의 경화물 및 이를 포함하는 방열층 등 방열 구조체가 형성될 수 있다:
[반응식 1]
Figure 112013086077152-pat00001
특히, 이러한 방열 구조체의 에폭시 수지 경화물 내에는, 상기 특정 관능기가 표면 결합되어 있는 탄소계 필러가 균일하게 분산될 수 있는데, 이러한 탄소계 필러의 특정 관능기와, 상기 가교 구조를 이루고 있는 에폭시기 유래 산소가 수소 결합을 형성할 수 있는 것으로 예측된다. 이렇게 수소 결합을 형성한 결합 형태의 개략적인 화학 구조는 하기 반응식 2에 나타난 바와 같다:
[반응식 2]
Figure 112013086077152-pat00002
이러한 수소 결합의 형성 등 탄소계 필러와, 에폭시 수지의 상호 작용으로 인해, 상기 방열층 등 방열 구조체 내에서, 상기 탄소계 필러는 에폭시 수지 및 이의 경화물과 보다 우수한 혼화성을 나타낼 수 있고, 이러한 탄소계 필러가 보다 균일하게 방열 구조체 내에 분산되어 이에 따른 보다 우수하고도 균일한 효과를 나타낼 수 있다.
그 결과, 상기 일 구현예의 방열 도료 조성물로부터 얻어진 방열 구조체는 상기 열전도성 및 방열성 소재인 탄소계 필러 등에 의한 보다 우수한 효과가 발현되어 뛰어난 방열 특성을 나타낼 수 있으며, 이러한 방열층 등 방열 구조체는 에폭시 수지와, 탄소계 필러 간의 우수한 혼화성 등으로 인해 우수한 내염수성, 막 강도, 기재 부착성, 내스크래치성 및 경도 등의 향상된 제반 물성을 나타낼 수 있다.
결국, 일 구현예의 방열 도료 조성물을 사용하여, LED 헤드램프의 주위에 팬 등의 기계적 방열 구조물을 형성하지 않고도, 이로부터 발생하는 열을 효과적으로 방출시켜 온도 상승을 억제할 수 있고, 그 결과 상기 LED 헤드램프의 수명을 보다 향상시킬 수 있다. 또한, 이러한 일 구현예의 방열 도료 조성물은 응축기, 증발기, 엔진, 히터, 보일러배관, 통신장비, 모터, 배터리, 하우징재료, 전극재료, 반도체, 게임기, OLED 소자 등의 디스플레이, 핸드폰, 가전제품, 자동차, 건축, 의료기기, 선박, 비행기, 우주항공기기, 군사시설 및 장비 또는 열교환기 등의 주위에 우수한 방열 특성 기타 제반 물성을 나타내는 방열층 등의 방열 구조체의 형성을 가능케 한다.
한편, 상술한 일 구현예의 방열 도료 조성물에서, 경화제로는 에폭시 수지를 경화시킬 수 있는 다양한 경화제 성분을 사용할 수 있으며, 예를 들어, 이미다졸계 경화제를 사용할 수 있다.
또한, 상기 방열 도료 조성물에서, 상기 탄소계 필러는 방열성 및 열 전도성 등을 나타내는 것으로 알려진 임의의 탄소계 필러, 예를 들어, 단일벽 탄소나노튜브, 이중벽 탄소나노튜브, 다중벽 탄소나노튜브, 그라펜, 그라펜 옥사이드, 그라펜 나노 플레이트, 그라파이트, 카본블랙 또는 탄소-금속 복합체 등으로 될 수 있다. 그리고, 이러한 탄소계 필러에 결합된 관능기는 아민기, 아미드기, 카르복실기 또는 히드록시기를 구조 중에 포함하는 임의의 관능기로 될 수 있는데, 이러한 관능기는 탄소계 필러의 표면에 직접 결합되어 있거나, 탄소수 1 내지 20의 알킬렌 등의 링커를 매개로 결합되어 있을 수도 있다.
이러한 관능기가 결합된 탄소계 필러는, 예를 들어, 하기 화학식 1로 표시되는 화학 구조를 가질 수 있다:
[화학식 1]
Figure 112013086077152-pat00003
상기 화학식 1에서, R1은 상기 탄소계 필러에 하나 이상 결합된 관능기로서, 서로 동일하거나 상이하고, -R2-NHR3, -R2-C(=O)-NHR3, -R2-C(=O)-OH, -R2-OH 및 -R2-NH-C(=O)R3로 이루어진 군에서 선택되며,
R2는 서로 동일하거나 상이하고, 단일 결합 또는 탄소수 1 내지 20의 알킬렌이고,
R3는 서로 동일하거나 상이하고, 수소 또는 탄소수 1 내지 20의 알킬이다.
상기 탄소계 필러가 이러한 구조를 가짐에 따라, 일 구현예의 방열 도료 조성물로부터 형성된 방열 구조체가 보다 우수한 방열 특성 및 혼화성을 나타내어, 그 물성이 더욱 향상될 수 있다.
한편, 상기 일 구현예의 방열 도료 조성물에서, 상기 용매로는 각 성분의 적절한 용해를 가능케 하는 임의의 용매를 사용할 수 있고, 예를 들어, 물 등의 수계 용매, 알코올계 용매, 케톤계 용매, 아민계 용매, 아민계 용매, 에스테르계 용매, 아미드계 용매, 할로겐화 탄화수소계 용매, 에테르계 용매 및 퓨란계 용매로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상을 사용할 수 있다.
또, 상기 방열 도료 조성물은 에폭시 수지의 5 내지 50 중량%; 경화제의 0.1 내지 20 중량%; 아민기, 아미드기, 카르복실기 및 히드록시기로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상을 포함한 관능기가 결합되어 있는 탄소계 필러의 0.05 내지 5 중량%; 및 잔량의 용매를 포함할 수 있으며, 이러한 함량 범위에 의해 상기 조성물의 도포성, 에폭시 수지와 탄소계 필러 간의 혼화성 및 탄소계 필러에 의한 방열 특성 등이 최적화되어, 상기 조성물로부터 형성된 방열 구조체가 더욱 우수한 특성을 나타낼 수 있다.
부가하여, 일 구현예의 조성물은 상술한 각 구성 성분 외에도, 통상적인 첨가제, 예를 들어, 분산제, 레벨링제, 분산안정제, pH 조절제, 침강 방지제, 계면 활성제, 습윤제 및 증점제로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상의 첨가제를 더 포함할 수 있다.
이러한 첨가제 중 분산제로는 이전부터 탄소계 필러 등을 포함하는 도료 조성물 또는 수지 조성물에 사용 가능한 것으로 알려진 임의의 분산제를 별다른 제한 없이 모두 사용할 수 있다. 이러한 분산제의 대표적인 예로는, 변성 아크릴레이트계 분산제; 변성 폴리우레탄 아크릴 코폴리머 분산제; 폴리아세탈계 분산제; 아크릴산, 메틸메타아크릴레이트, 알킬(C1~C10)아크릴레이트, 비닐 아크릴레이트, 또는 2-에틸헥실아크릴레이트 등의 아크릴계 분산제; 폴리카보네이트계 분산제; 스티렌 또는 알파메틸스티렌 등의 스티렌계 분산제; 폴리에스테르계 분산제;
폴리페닐렌에테르계 분산제; 폴리올레핀계 분산제; 아크릴로니트릴-부타디엔-스티렌 공중합체 분산제; 폴리아릴레이트계 분산제; 폴리아미드 계 분산제; 폴리아미드이미드계 분산제; 폴리아릴설폰계 분산제; 폴리에테르이미드계 분산제; 폴리에테르설폰계 분산제; 폴리페닐렌 설피드계 분산제; 폴리이미드계 분산제; 폴리에테르케톤계 분산제; 폴리벤족사졸계 분산제; 폴리옥사디아졸계 분산제; 폴리벤조티아졸계 분산제; 폴리벤즈이미다졸계 분산제; 폴리피리딘계 분산제; 폴리트리아졸계 분산제; 폴리피롤리딘계 분산제; 폴리디벤조퓨란계 분산제; 폴리설폰계 분산제; 폴리우레아계 분산제; 폴리우레탄계 분산제; 또는 폴리포스파젠계 분산제; 등을 들 수 있으며, 이들 중에 선택된 2종 이상의 혼합물 또는 공중합체를 사용할 수도 있다.
또한, 상기 레벨링제로는 제품명 BYK 계열 등으로 알려진 첨가제를 대표적으로 사용할 수 있고, 기타 다양한 레벨링제를 사용할 수 있다. 그리고, 상기 분산 안정제로는 음이온성 계면활성제, 양이온성 계면활성제, 비이온성 계면활성제, 습윤제 또는 젖음성 향상제 등을 사용할 수 있고, 기타 수지 조성물 또는 도료 조성물 중의 탄소계 필러 등의 분산성을 안정화시킬 수 있는 것으로 알려진 임의의 첨가제를 사용할 수 있다. 이러한 각 첨가제로는 당업계에서 알려지거나 상업적으로 입수 가능한 것을 모두 사용할 수 있다.
상술한 일 구현예의 조성물은 Al heat sink 등의 금속 기재나 플라스틱 기재 또는 섬유 기재 등 임의의 기재에 부착성 높게 적용될 수 있으며, 상술한 LED 헤드램프 등의 소자에 뿐만 아니라, 응축기, 증발기, 엔진, 히터, 보일러배관, 통신장비, 모터, 배터리, 하우징재료, 전극재료, 반도체, 게임기, OLED 소자 등의 디스플레이, 핸드폰, 가전제품, 자동차, 건축, 의료기기, 선박, 비행기, 우주항공기기, 군사시설 및 장비 또는 열교환기 등의 주위에 우수한 방열 특성 기타 제반 물성을 나타내는 방열층 등의 방열 구조체를 형성하기 위해 적용될 수 있다.
한편, 발명의 다른 구현예에 따라, 상술한 방열 도료 조성물로부터 형성된 방열 구조체가 제공된다. 이러한 방열 구조체는 에폭시기가 개환되어 가교 구조를 이루고 있는 에폭시 수지의 경화물; 및 아민기, 아미드기, 카르복실기 및 히드록시기로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상을 포함한 관능기가 결합되어 있는 탄소계 필러를 포함할 수 있다. 이러한 방열 구조체에서, 상기 탄소계 필러는 상기 에폭시 수지의 경화물 내에 균일하게 분산되어 있을 수 있으며, 특히, 에폭시 수지와의 경화물과의 우수한 혼화성으로 인해, 보다 균일하게 분산되어 우수한 특성을 나타낼 수 있다. 따라서, 상기 방열 구조체는 뛰어난 방열 특성뿐 아니라, 우수한 혼화성 등으로 인해 우수한 내염수성, 막 강도, 기재 부착성, 내스크래치성 및 경도 등의 향상된 제반 물성을 나타낼 수 있음은 이미 상술한 바와 같다. 이러한 뛰어난 특성은 상기 탄소계 필러에 결합된 관능기가, 상기 에폭시 수지의 경화물 중의 에폭시기 유래 산소와 수소 결합 등을 통해 상호 작용하고 있기 때문으로 예측될 수 있다.
이러한 방열 구조체는 상술한 LED 헤드램프 등의 소자에 뿐만 아니라, 응축기, 증발기, 엔진, 히터, 보일러배관, 통신장비, 모터, 배터리, 하우징재료, 전극재료, 반도체, 게임기, OLED 소자 등의 디스플레이, 핸드폰, 가전제품, 자동차, 건축, 의료기기, 선박, 비행기, 우주항공기기, 군사시설 및 장비 또는 열교환기 등의 다양한 제품에 적용될 수 있고, 우수한 방열 특성 기타 제반 물성을 나타낼 수 있으며, 상술한 일 구현예의 도료 조성물로부터 형성된 방열층 등의 형태를 가질 수 있다.
상술한 바와 같이 본 발명에 따르면, 뛰어난 방열 특성과 함께, 우수한 내염수성, 막 강도, 기재 부착성, 내스크래치성 및 경도 등의 향상된 제반 물성을 나타내는 방열 구조체의 제공을 가능케 하는 방열 도료 조성물이 제공된다.
따라서, 이러한 방열 도료 조성물을 사용하여, LED 헤드램프의 주위에 팬 등의 기계적 방열 구조물을 형성하지 않고도, 이로부터 발생하는 열을 효과적으로 방출시켜 온도 상승을 억제할 수 있고, 그 결과 상기 LED 헤드램프의 수명을 보다 향상시킬 수 있다.
또한, 본 발명의 방열 도료 조성물은 응축기, 증발기, 엔진, 히터, 보일러배관, 통신장비, 모터, 배터리, 하우징재료, 전극재료, 반도체, 게임기, OLED 소자 등의 디스플레이, 핸드폰, 가전제품, 자동차, 건축, 의료기기, 선박, 비행기, 우주항공기기, 군사시설 및 장비 또는 열교환기 등의 주위에 우수한 방열 특성 기타 제반 물성을 나타내는 방열층 등의 방열 구조체의 형성을 가능케 한다.
도 1은 실시예에서 방열 특성을 측정하기 위한 방법 및 장치 구성을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 2는 실시예 1 및 2의 방열 도료 조성물로 코팅된 Al 플레이트와, 코팅되지 않은 비교예 1의 Al 플레이트에서 방열 특성을 비교하여 나타낸 그래프이다.
도 3은 비교예 2의 방열 도료 조성물로 코팅할 경우, 도막 상태가 불량함을 나타내는 도면이다.
도 4는 실시예 1, 실시예 2 및 비교예 2의 방열 도료 조성물 코팅시, 도막의 표면 특성 및 내염수성 평가 결과를 각각 나타낸 도면이다.
도 5는 실시예 2, 비교예 3 및 4의 방열 도료 조성물 코팅시, 도막의 표면 특성 및 내염수성 평가 결과를 각각 나타낸 도면이다.
도 6은 실시예 2의 방열 도료 조성물을 사용하여, 다양한 히트싱크 구조에서 방열성능 확인시, 실제 적용한 히트싱크 구조(다양한 핀의 두께 및 피치 적용)를 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 7은 상기 도 6의 방열 성능 평가 결과를 나타낸 그래프이다.
이하, 발명의 이해를 돕기 위하여 바람직한 실시예를 제시하나, 하기 실시예 는 발명을 예시하는 것일 뿐 발명의 범위가 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다.
[제조예 1]
다중벽 CNT 10g을 증류수 990g과 혼합하여 CNT용액을 준비하였다. 상기 CNT용액을 30g/min유속으로 예열조에 투입하기 전, 이와 함께 245atm 내지 252atm으로 압축된 기상상태의 산소는 0.8g/min의 유속으로 CNT용액과 혼합되어 상기 혼합액은 200 내지 260℃로 예열된 예열조에 투입되었다.
상기 예열된 혼합액은 350℃의 온도 및 230atm 내지 250atm의 아임계수 상태의 표면처리반응기에 주입되어 표면처리되었다. 표면처리반응 중에 표면 처리 반응기의 입구를 기준으로 4/5 지점에서 230 내지 250atm의 압력과 300 내지 350℃의 온도로 암모니아수가 0.20g/min의 유속으로 고압주입되었다. 상기 표면처리된 생성물은 다시 200℃로 1차 냉각 후, 다시 약 25℃의 온도로 냉각한 후 연속적으로 표면처리된 9.8g의 생성물을 얻었다.
[제조예 2]
상기의 제조예 1과 동일한 방법으로 제조된 관능화된 CNT 30g과 변성 폴리아크릴레이트계 분산제 90g과 MEK(Methyl Ethyl Ketone)과 1-프로판올의 혼합 액 880g을 교반기를 통하여 혼합 및 분산하여 CNT 분산액을 제조하였다.
[제조예 3]
에폭시 수지(제조사: 국도화학, 제품명: YD 128) 46g과, 레벨링제 0.2g, MEK 11.6g, 1-프로판올 14.6g을 혼합한 후 10분간 혼합하였다. 혼합액에 제조예 2 의 CNT 분산액을 23g을 혼합하여 믹싱하였다. 이 후 2-ethyl-4-methylimidazole을 4.6g 혼합 후 다시 10분간 믹싱하여 방열도료 조성물을 제조하였다. 이렇게 제조된 방열 도료 조성물의 최종 조성은 하기 표 1에 나타난 바와 같았다.
제조예 3(실시예 1)의 조성(g)
고분자 수지 Bisphenol-A 형 에폭시 수지 46
분산액 아민화된 CNT 분산액(분산액 중 CNT 3 중량%) 23
경화제 아민계(이미다졸계) 열경화제 4.6
레벨링제 BYK346 0.2
용매 알코올 26.2
[실시예 1]
제조예 3의 방열 도료 조성물을 실시예 1의 조성물로 사용하고, 이를 가로*세로*두께 70*70*1의 두께를 갖는 표면처리가 되어 있지 않은 알루미늄 시편에 두께 10um로 스프레이 코팅하였다. 경화조건으로는 130℃, 30분간 오븐에서 진행하였다.
또한, CNT 방열 도료 조성물이 코팅된 알루미늄 시편을 이용하여 방열효과 측정을 위한 장치에 장착하였다. 이러한 장치의 개략화된 도면은 도 1에 나타난 바와 같으며, thermocouple을 LED PCB에 부착하여 온도 측정을 하였다. 전력(Watt)은 20W를 입력하고 온도 변화를 관찰 하였다.
[실시예 2]
상기의 제조예 2와 동일한 방법으로 분산액을 제조하되 분산보조제로서 변성 폴리아크릴레이트계 분산제 대신 변성 폴리우레탄계 분산제 90g을 추가하고, 제조예 3과 동일한 방법으로 실시예 2의 방열 도료 조성물을 제조하였다.
이러한 실시예 2의 방열 도료 조성물에 대해 실시예 1과 동일한 방법으로 온도 변화를 관찰하여 상기 방열 도료 조성물의 방열효과를 평가하였다.
[비교예 1]
코팅을 하지 않은 bare 알루미늄 시편을 사용한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 온도 변화를 측정하여 방열 효과를 평가하였다.
[비교예 2]
에폭시 46g과 레벨링제 0.2g, MEK 12.6g, 1-프로판올 15.9g을 혼합 후 10분간 교반하였다. 혼합액에 관능화 되어 있지 않은 CNT 분산액 23g을 혼합하여 믹싱 한 후 2-ethyl-4-methylimidazole을 2.3g 추가하여 다시 10분간 혼합하였다. 이 후 제조예 3과 동일한 방법으로 비교예 2의 방열 도료 조성물을 제조 하였다.
제조된 비교예 2의 방열 도료 조성물로부터 실시예 1과 동일한 방법으로 온도 변화를 측정하여 방열 도료 조성물의 방열 효과를 평가하였다.
[비교예 3]
상기의 제조예 1과 동일한 방법으로 제조된 관능화된 CNT 30g에, 변성 폴리아크릴레이트계 분산제 90g 및 분산안정제로써 비이온성불소계첨가제인 2,5,8,11 테트라메틸-6-도데신-5,8-디올이토실레이트(2,5,8,11-Tetramethyl-6-dodecyn-5,8-Diol Ethoxylate) 4g을 추가하여 증류수 876g과 혼합 후 분산액을 제조하였다.
상기 CNT 분산액 50.0g과 3-아미노프로필트리에톡시실란계(3-Aminopropyltriethoxysilane) 바인더 2.0g, 실란계 레벨링제 13.3g과 증류수 34.7g을 혼합하여 비교예 3의 방열 도료 조성물을 제조하였다.
이러한 비교예 3의 방열 도료 조성물에 대해, 실시예 1과 동일한 방법으로 온도변화를 측정하여 상기 방열 도료 조성물의 방열효과를 평가하였다.
[비교예 4]
상기 비교예 3의 CNT 분산액과 동일하게 제조 후 CNT 분산액 66g과 수계 변성 아크릴 우레탄계 바인더와 공중합 우레탄 바인더 혼합액 24g과 실리콘계 바인더 8g, 실란계 레벨링제 0.1g, 이소프로필 알코올 1.9g을 혼합하여 비교예 4의 방열도료 조성물을 제조하였다.
이러한 비교예 4의 방열 도료 조성물에 대해, 실시예 1과 동일한 방법으로 온도변화를 측정하여 상기 방열 도료 조성물의 방열효과를 평가하였다.
상기 실시예 1, 2 및 비교예 1에서 측정된 방열 특성에 관한 그래프는 도 2에 도시된 바와 같다. 도 2를 통해, 실시예의 방열 도료 조성물로부터 형성된 방열층을 부가하면, 우수한 방열 특성이 발현됨을 확인하였다. 그러나, 비교예 2는 도막 상태가 불량하고 스프레이 코팅 시 노즐이 막히는 현상이 자주 발생하였으므로 방열특성 평가 실시가 불가하였다. 도 3를 통해, 이러한 현상을 확인 할 수 있다.
한편, 실시예 1, 2, 비교예 1 및 2에서 얻어진 시편에서, 도막의 도료 안정성 및 표면 특성, 방열층의 부착성(JIS D0202; <M2.5), 내염수성 (240hr, 약 30℃, 5% 염수농도; ASTM B117), 연필 경도 및 내스크래치성(ASTM D 3363-92a)을 각각 평가하였다. 도 4에는 실시예 1, 2 및 비교예 2의 도막 표면 특성 및 내염수성 평가 결과를 비교하여 나타내었으며, 각 물성의 측정 결과는 하기 표 2 및 3에 함께 나타내었다.
하기 표 2 및 3에서, 표면 특성, 부착성 및 내염수성은 다음의 평가 기준에 따라 평가하여 나타내었다.
* 평가 기준:
표면 특성: 육안 평가 (도 4와 같은 사진으로 육안 평가하여 판별함).
부착성: ASTM D 3359에 따라, 부착성이 우수한 경우인 5B에서 부착성이 열악한 0B로 6단계로 나뉘며 정량적으로 판단 및 표 2 등에 표시함.
내염수성: ASTM 규격에 따라, 특정 시간에서 코팅표면이 염화되는 정도를 육안으로 평가 및 판단함 (도 4와 같은 사진으로 육안 평가하여 판별함.
비교평가항목 실시예1 실시예2 비교예1
[Natural Al plate]		 비교예2
도료안정성 1 day 1 month - 불량
(분산성 불량)
표면특성 우수 우수 - 불량
연필경도 2H 2H - HB
부착성 5B 5B - 1B
내염수성 240hr 240hr 1hr 6hr
실시예1 실시예2 비교예1 비교예2
Tmax.[℃]
(최고온도)		 87.4 87.3 105.5 -
△T[℃]
(Natural Al plate - CNT 코팅 방열도료)		 18.1 18.2 0 -
상기 표 2 및 3과, 도 4를 참고하면, 실시예의 시편에서는, 방열층의 우수한 경도, 내염수성, 부착성 및 표면 특성 등이 구현됨이 확인되었으며 도료의 분산안정성 역시 더욱 우수 한 것으로 확인 되었다.
한편, 실시예 2와 비교예 3 및 4에서 측정된 방열 특성에 관한 비교는 하기 표 4에 나타낸 바와 같다. 또, 도료 안정성 및 표면 특성, 방열층의 부착성(JIS D0202; <M2.5), 내염수성 (240hr, 약 30℃, 5% 염수농도; ASTM B117), 연필 경도 및 내스크래치성(ASTM D 3363-92a) 등에 대해서도 서로 비교하여 하기 표 4에 함께 나타내었으며, 도 5에는 실시예 2와, 비교예 3 및 4의 도막 표면 특성 및 내염수성 평가 결과를 비교하여 나타내었다.
실시예 2와 비교예 3 및 4는 비슷한 방열효과를 나타내지만 실시예 2만이 내염수성이 발현됨을 확인하였다.
비교 평가 항목 실시예 2 비교예 3 비교예 4
△T[℃]
(Natural Al plate - CNT 코팅 방열도료)		 18.2 17.2 17.0
도료안정성 1 month 1 day 1 month
표면특성 우수 우수 우수
연필경도 2H B HB
부착성 5B 1B 5B
내염수성 240hr 2hr 4hr
마지막으로, 실시예 2의 방열도료 조성물을 다양한 히트싱크 구조에 적용하여 방열성능을 확인 하였다. 보다 구체적으로, 도 6에 도시된 히트싱크 구조에서, 핀의 두께 및 피치를 다양하게 변경하면서 방열성능을 확인하였고, 그 확인 및 평가 결과는 하기 표 5 및 도 7에 정리하였다. 표 5 및 도 7을 참고하면, 실시예의 방열 도료 조성물을 사용하는 경우, 다양한 히트싱크 구조에서 우수한 방열 효과가 구현될 수 있고, 최적 설계로는 핀의 두께 1mm, 피치 6mm에서 가장 우수한 방열효과가 구현되는 것을 확인할 수있었다.
핀의두께
[mm]		 피치
(Pitch: 핀의 간격)
[mm]		 Area [㎡] Tmax(Al) [℃] Tmax(CNT) [℃] 방열효과
△T [℃]
1 0.5 3 697.5 111.7 102.3 9.4
2 0.5 6 443.7 108.8 99.5 9.3
3 0.5 9 359.1 107.8 97 10.8
4 1 3 702 111.7 103.5 8.2
5 1 6 446.4 109.3 96.6 12.7
6 1 9 361.2 108.7 101.2 7.5
7 1.5 3 706.5 121 103.1 17.9
8 1.5 6 449.1 108.7 98 10.7
9 1.5 9 363.3 107.1 100.3 6.8

Claims (13)

  1. 하나 이상의 에폭시기를 갖는 에폭시 수지;
    경화제;
    하기 화학식 1로 표시되고, 상기 에폭시 수지 중의 에폭시기가 개환되어 에폭시기끼리 가교 구조를 이루면 하기 반응식 2에 나타낸 대로 상기 에폭시기 유래 산소와 수소 결합을 형성하도록 아민기가 결합되어 있는 탄소계 필러; 및
    용매를 포함하며,
    탄소계 필러는 단일벽 탄소나노튜브, 이중벽 탄소나노튜브, 다중벽 탄소나노튜브, 그라펜, 그라펜 옥사이드, 그라펜 나노 플레이트, 그라파이트, 카본블랙 및 탄소-금속 복합체로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상을 포함하고,
    상기 탄소계 필러에 결합된 관능기는 상기 에폭시 수지의 에폭시기 산소와 수소 결합을 형성하고 있는 방열 도료 조성물:
    [화학식 1]
    Figure 112017069475575-pat00012

    상기 화학식 1에서, R1은 상기 탄소계 필러에 하나 이상 결합된 관능기로서, 아민기이고,
    [반응식 2]
    Figure 112017069475575-pat00013
    .
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 제 1 항에 있어서, 용매는 물, 알코올계 용매, 케톤계 용매, 아민계 용매, 아민계 용매, 에스테르계 용매, 아미드계 용매, 할로겐화 탄화수소계 용매, 에테르계 용매 및 퓨란계 용매로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상을 포함하는 방열 도료 조성물.
  6. 제 1 항에 있어서,
    에폭시 수지의 5 내지 50 중량%;
    경화제의 0.1 내지 20 중량%;
    상기 화학식 1로 표시되고, 상기 에폭시 수지 중의 에폭시기가 개환되어 에폭시기끼리 가교 구조를 이루면 상기 반응식 2에 나타낸 대로 상기 에폭시기 유래 산소와 수소 결합을 형성하도록 아민기가 결합되어 있는 탄소계 필러의 0.05 내지 5 중량%; 및
    잔량의 용매를 포함하는 방열 도료 조성물.
  7. 제 1 항에 있어서, 분산제, 레벨링제, 분산 보조제, pH 조절제, 침강 방지제, 계면 활성제, 습윤제 및 증점제로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상의 첨가제를 더 포함하는 방열 도료 조성물.
  8. 제 1 항에 있어서, 경화제는 폴리아마이드 및 아미드 아민, 변성 지방족 아민, 변성 지환족 아민 경화제, 변성 방향족 아민 형태의 이미다졸계 경화제를 포함하는 방열 도료 조성물.
  9. 에폭시기가 개환되어 가교 구조를 이루고 있는 에폭시 수지의 경화물; 및
    하기 화학식 1로 표시되고, 아민기가 결합되어 있는 탄소계 필러를 포함하며,
    탄소계 필러는 단일벽 탄소나노튜브, 이중벽 탄소나노튜브, 다중벽 탄소나노튜브, 그라펜, 그라펜 옥사이드, 그라펜 나노 플레이트, 그라파이트, 카본블랙 및 탄소-금속 복합체로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상을 포함하고,
    상기 탄소계 필러에 결합된 관능기는 하기 반응식 2에 나타낸 대로 상기 에폭시기 유래 산소와 수소 결합을 형성하고 있는 방열 구조체:
    [화학식 1]
    Figure 112017069475575-pat00014

    상기 화학식 1에서, R1은 상기 탄소계 필러에 하나 이상 결합된 관능기로서, 아민기이고,
    [반응식 2]
    Figure 112017069475575-pat00015
    .
  10. 제 9 항에 있어서, 상기 탄소계 필러는 상기 에폭시 수지의 경화물 내에 분산되어 있는 방열 구조체.
  11. 삭제
  12. 제 9 항에 있어서, 플라스틱 기재, 금속 기재 또는 섬유 기재 상에 형성되어 있는 방열 구조체.
  13. 제 9 항에 있어서, LED 램프, 응축기, 증발기, 엔진, 히터, 보일러배관, 통신장비, 모터, 배터리, 하우징재료, 전극재료, 반도체, 게임기, 디스플레이, 핸드폰, 가전제품, 자동차, 건축, 의료기기, 선박, 비행기, 우주항공기기, 군사시설 및 장비 또는 열교환기에 있어 방열층을 형성하기 위해 사용되는 방열 구조체.


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