KR101782231B1 - 방열특성 및 표면경도가 개선된 방열 코팅 조성물, 이의 제조방법 및 이를 포함한 방열 코팅막 - Google Patents

방열특성 및 표면경도가 개선된 방열 코팅 조성물, 이의 제조방법 및 이를 포함한 방열 코팅막 Download PDF

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Abstract

본 발명은 방열특성 및 표면경도가 개선된 방열 코팅 조성물, 이의 제조방법 및 이를 포함한 방열 코팅막에 관한 것으로, 본 발명에 따른 방열 코팅 조성물은 분산안정제의 종류를 선별적으로 사용함에 따라 방열 특성이 향상되는 효과가 있고, 또한 표면경도 향상을 위한 표면첨가제를 사용함에 따라 표면경도 향상뿐만 아니라 방열 특성도 향상되는 효과가 있으므로, 방열 코팅 조성물로 유용할 수 있다.

Description

방열특성 및 표면경도가 개선된 방열 코팅 조성물, 이의 제조방법 및 이를 포함한 방열 코팅막{Coating composition for radiant heat having improved heat radiation property and surface hardness, preparation method thereof, and heat radiating coating comprising the same}
본 발명은 방열특성 및 표면경도가 개선된 방열 코팅 조성물, 이의 제조방법 및 이를 포함한 방열 코팅막에 관한 것이다.
차세대 전자소자는 경박단소 및 다기능화하면서 고집적화하고 있어 열 밀도의 증가에 따른 열의 방출 문제에 대한 대책이 요구되고 있으며, 이러한 열의 방출은 디바이스의 신뢰성 및 수명과 밀접한 관련이 있다. 이러한 차세대 전자소자에 사용되는 절연 특성이 우수하면서도 높은 열전도도를 가지는 고방열 복합재료 개발은 방열 성능 향상에 있어 매우 중요하면서도 핵심적인 요소이므로 반드시 개발해야 할 필요가 있다.
고방열 절연시트의 소재 성분을 살펴보면 고열전도성 필러 소재와 고분자 소재가 혼합된 복합 소재가 대부분이다. 복합 소재를 사용하는 이유는 고분자 소재의 우수한 접착력과 무기 필러 소재의 높은 열전도도 특성을 혼합하여 각 소재의 장점을 살리고자 함이다. 이러한 절연특성이 우수하면서도 높은 열전도도를 가지는 고방열 복합재료에 관한 종래 기술은 하기와 같다.
한국등록특허 제1205503호에서는 구형 무기 충진재 및 판상형 무기 충진재 중 적어도 1종 이상을 포함하는 무기 충진재 혼합물; 질화알루미늄 및 질화붕소 중 적어도 1종 이상의 혼합물; 및 난연제를 포함하는 열전도성 방열시트용 수지 조성물이고, 상기 열전도성 방열시트용 수지 조성물이 평균 에폭시당량이 400~1000인 실리콘 변성 에폭시 수지 100중량부에 대하여, 2관능 이상의 다관능 에폭시 수지는 30~100중량부, 페녹시 수지는 30~100중량부, 부타디엔 아크릴로 니트릴 공중합 고무는 20~50중량부 및 폴리비닐부티랄 수지는 20~50중량부로 이루어진 수지 조성물을 포함하는 것을 특징으로 하는 열전도성 방열시트용 수지 조성물을 개시하고 있다.
한국등록특허 제1392880호에서는 인상흑연 분말; 및 고형분을 함유하지 않은 초화면 알키드 수지 및 희석제를 함유한 유기 바인더를 포함하며, 상기 인상흑연 분말과 상기 초화면 알키드 수지를 10~30:100 중량비를 포함하고 상기 인상흑연 분말은 평균입경 10~80 ㎛인 것을 특징으로 하는 방열 코팅 조성물을 개시하고 있다.
그러나, 이러한 종래기술에서 점도가 낮은 코팅 또는 필름제조용 복합조성물 용액을 제조하는데 있어 첨가물로 들어가는 무기물 입자들은 높은 자체 밀도와 용매에 대한 비용해 특성으로 인하여 혼합 및 분산을 위한 교반과정 동안 용액 중에 고르게 섞이는 듯 보이나, 혼합조성용액을 제조 후 보관하는 과정에서 짧게는 수 분 이내에서 길게는 수 시간 이내에 침전되어 상분리가 발생하며 이로 인해 복합조성물의 보관안정성이 매우 낮으며 최종제품의 방열 특성 저하 원인으로 작용한다.
또한, 방열 코팅막의 경우 높은 표면경도를 요구하는 경우가 있으나, 표면경도를 향상시키기 위한 표면첨가제를 첨가할 경우 표면경도는 향상되나 방열특성은 감소하는 문제가 있어왔다.
이에, 본 발명자들은 방열특성 및 표면경도가 모두 개선된 방열 코팅 조성물에 관하여 연구하던 중, 흑연 및 실란으로 표면 개질된 알루미나 분말의 크기, 분산안정제의 종류, 표면첨가제의 종류와 첨가량을 최적화할 경우, 목적의 방열특성 및 표면경도를 모두 만족하는 방열 코팅막을 얻을 수 있음을 확인하고 본 발명을 완성하였다.
한국등록특허 제1392880호
본 발명의 목적은 방열 특성 및 표면경도가 향상된 방열 코팅 조성물을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 상기 방열 코팅 조성물의 제조방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 상기 방열 코팅 조성물을 포함하는 방열 코팅막을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 상기 방열 코팅막을 포함하는 방열 구조물을 제공하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위하여,
본 발명은 에폭시 수지 8 중량부에 대해, 경화제 0.1-2.0 중량부; 흑연 분말 1.0-4.0 중량부; 실란으로 표면개질된 무기필러 30.5-37.0 중량부; 분산안정제 0.2-2.0 중량부; 및 용매 46.0-60.0 중량부;를 포함하는 방열 코팅 조성물을 제공한다. 상기 조성물에는 표면첨가제 0.01-0.5 중량부를 더 포함하는 것이 바람직하다.
또한, 본 발명은 흑연 분말과 실란으로 표면개질된 무기필러를 용매에 첨가하고 초음파 처리하는 단계(단계 1); 및 상기 단계 1의 혼합액에 에폭시 수지, 경화제, 분산안정제 및 표면첨가제를 추가로 첨가하고 초음파 처리하는 단계(단계 2);를 포함하는 방열 코팅 조성물의 제조방법을 제공한다.
나아가, 본 발명은 상기 방열 코팅 조성물을 기재 상에 도포하여 형성된 방열 코팅막을 제공한다.
또한, 본 발명은 상기 방열 코팅막을 포함하는 방열 구조물을 제공한다.
본 발명에 따른 방열 코팅 조성물은 분산안정제의 종류를 선별적으로 사용함에 따라 방열 특성이 향상되는 효과가 있고, 또한 표면경도 향상을 위한 표면첨가제를 사용함에 따라 표면경도 향상뿐만 아니라 방열 특성도 향상되는 효과가 있으므로, 방열 코팅 조성물로 유용할 수 있다.
도 1은 실시예 1 및 3-5에서 제조한 방열 코팅막의 표면 경도를 알아보기 위한, 표면 스크래치 평가 그래프이다(도 1에서 실시예1은 (1), 실시예3은 (2), 실시예4는 (3), 실시예5는 (4)로 표시함).
도 2는 본 발명의 실험예 4에서 코팅막에 대해 방열 온도를 측정하는 방법을 개략적으로 나타낸 도면이다(T2는 코팅 표면온도를 나타내고, T3는 방열온도를 나타낸다).
본 발명에서 사용되는 모든 기술용어는, 달리 정의되지 않는 이상, 하기의 정의를 가지며 본 발명의 관련 분야에서 통상의 당업자가 일반적으로 이해하는 바와 같은 의미에 부합된다. 또한, 본 명세서에는 바람직한 방법이나 시료가 기재되나, 이와 유사하거나 동등한 것들도 본 발명의 범주에 포함된다. 본 명세서에 참고문헌으로 기재되는 모든 간행물의 내용은 본 발명에 도입된다.
용어 "약"이라는 것은 참조 양, 수준, 값, 수, 빈도, 퍼센트, 치수, 크기, 양, 중량 또는 길이에 대해 30, 25, 20, 25, 10, 9, 8, 7, 6, 5, 4, 3, 2 또는 1% 정도로 변하는 양, 수준, 값, 수, 빈도, 퍼센트, 치수, 크기, 양, 중량 또는 길이를 의미한다.
본 명세서를 통해, 문맥에서 달리 필요하지 않으면, "포함하다" 및 "포함하는"이란 말은 제시된 단계 또는 구성요소, 또는 단계 또는 구성요소들의 군을 포함하나, 임의의 다른 단계 또는 구성요소, 또는 단계 또는 구성요소들의 군이 배제되지는 않음을 내포하는 것으로 이해하여야 한다.
이하, 본 발명을 상세히 설명한다.
본 발명은 에폭시 수지 8 중량부에 대해,
경화제 0.1-2.0 중량부;
흑연 분말 1.0-4.0 중량부;
실란으로 표면개질된 무기필러 30.5-37.0 중량부;
분산안정제 0.2-2.0 중량부; 및
용매 46.0-60.0 중량부;
를 포함하는 방열 코팅 조성물을 제공한다.
본 발명에 따른 방열 코팅조성물에는 방열특성 및 표면경도 향상의 관점에서 표면첨가제 0.01-1.0 중량부 더 포함하는 것이 바람직하다.
바람직하게는,
에폭시 수지 8 중량부에 대해,
경화제 0.75-1.25 중량부;
흑연 분말 2.0-2.5 중량부;
실란으로 표면개질된 무기필러 33.5-34.0 중량부;
분산안정제 0.75-1.25 중량부;
표면첨가제 0.03-0.6 중량부; 및
용매 52.0-55.0 중량부를 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 조성물에 있어서, 상기 에폭시 수지로는 비스페놀 A형 에폭시 수지, 비스페놀 F형 에폭시 수지, 비스페놀 S형 에폭시 수지, 페놀 노볼락형 에폭시 수지, 크레졸 노블락형 에폭시 수지, 알킬페놀 노볼락형 에폭시 수지, 비스페놀형 에폭시 수지, 나프탈렌형 에폭시 수지, 디사이클로펜타디엔형 에폭시 수지, 트리글리시딜 이소시아네이트 에폭시 수지, 비환식 에폭시 수지 등을 사용할 수 있고, 본 발명에서는 비스페놀 A형 수지로서 비스페놀 A 에피클로로히드린을 사용하였다.
본 발명에 따른 조성물에 있어서, 상기 경화제는 코팅 조성물의 신속한 경화를 돕는 역할을 하는 것으로서, 특별히 한정되지 않는다.
경화제의 예로는 아민계 경화제, 이미다졸계 경화제, 산무수물계 경화제 또는 이의 혼합물을 사용할 수 있다.
상기 아민계 경화제로는 선형아민, 지방족 아민, 변형된 지방족 아민, 방향족 아민, 제2급 아민 및 제3급 아민 등을 포함하는데, 예를 들어, 벤질디메틸아민, 트리에탄올아민, 트리에틸 테트라아민, 디에틸렌트리아민, 트리에틸렌아민, 디메틸아미노에탄올, 트리(디메틸아미노메틸)페놀 등이 해당한다.
상기 이미다졸계 경화제로는 이미다졸, 이소이미다졸, 2-메틸 이미다졸, 2-에틸-4-메틸이미다졸, 2,4-디메틸이미다졸, 부틸이미다졸, 2-헵타데센일-4-메틸이미다졸, 2-메틸이미다졸, 2-운데센일이미다졸, 1-비닐-2-메틸이미다졸,2-n-헵타데실이미다졸, 2-운데실이미다졸, 2-헵타데실이미다졸, 2-페닐이미다졸, 1-벤질-2-메틸이미다졸, 1-프로필-2-메틸이미다졸, 1-시아노에틸-2-메틸이미다졸, 1-시아노에틸-2-에틸-4-메틸이미다졸, 1-시아노에틸-2-운데실이미다졸, 1-시아노에틸 -2-페닐이미다졸, 1-구아나미노에틸-2-메틸이미다졸, 이미다졸과 메틸이미다졸의 부가생성물, 이미다졸과 트리멜리트산의 부가생성물, 2-n-헵타데실-4-메틸이미다졸, 페닐이미다졸, 벤질이미다졸, 2-메틸-4,5-디페닐이미다졸, 2,3,5-트리페닐이미다졸, 2-스티릴이미다졸, 1-(도데실 벤질)-2-메틸이미다졸, 2-(2-히드록실-4-t-부틸페닐)-4,5-디페닐이미다졸, 2-(2-메톡시페닐)-4,5-디페닐이미다졸, 2-(3-히드록시페닐)-4,5-디페닐이미다졸, 2-(p-디메틸-아미노페닐)-4,5-디페닐이미다졸, 2-(2-히드록시페닐)-4,5-디페닐이미다졸, 디(4,5-디페닐-2-이미다졸)-벤젠-1,4, 2-나프틸-4,5-디페닐이미다졸, 1-벤질-2-메틸이미다졸 및 2-p-메톡시스티릴이미다졸 등을 포함한다.
상기 산무수물계 경화제로는 프탈릭 무수물, 말레익 무수물, 트리멜리틱 무수물, 파이로멜리틱 무수물, 헥사하이드로프탈릭 무수물, 테트라하이드로프탈릭 무수물, 메틸나딕 무수물, 나딕 무수물, 또는 메틸헥사하이드로프탈릭 무수물 등을 포함하며, 상기 산무수물계 경화제는 단독으로 사용되기 보다는 상기 경화제들을 촉매로서 혼합하여 사용되는 것이 바람직하다.
본 발명에 따른 조성물에 있어서, 상기 흑연 분말로는 평균입도 크기가 3-30 ㎛, 바람직하게는 3-10 ㎛, 더욱 바람직하게는 4-8 ㎛인 천연 흑연 또는 팽창 흑연 분말을 사용할 수 있다.
본 발명에 따른 조성물에 있어서, 상기 실란으로 표면개질된 무기필러로는 알루미늄, 알루미나, 실리콘카바이드, 질화알루미늄, 질화붕소, 또는 이들의 혼합물로 이루어진 무기 필러의 표면에 이온성 또는 무극성 말단기를 갖는 실란기를 결합시켜 표면 개질시킨 무기 필러를 사용할 수 있다.
본 발명에 따른 조성물에 있어서, 상기 분산안정제로는 폴리에스테르 계열의 분산안정제를 사용하는 것이 바람직하고, 본 발명에서는 일례로 2-메톡시프로필 아세테이트 및 1-메톡시-2-프로필 아세테이트의 공중합체로 이루어진 폴리에스테르 계열의 분산안정제로서 TEGO-Disperse 670 (제조사: EVONIK)을 사용하였다.
본 발명에 따른 조성물에서, 상기 분산안정제는 0.2-2.0 중량부, 바람직하게는 0.75-1.25 중량부, 더욱 바람직하게는 0.9-1.1 중량부 포함하는 것이 바람직하다. 만약, 분산안정제를 0.2 중량부 미만으로 사용할 경우에는 고분자 수지에 흑연 분말 및 무기필러의 분산성이 향상되지 못하는 문제가 있을 수 있고, 2.0 중량부 초과로 사용할 경우에는 방열 특성(특히, 열전도도)이 저하되는 문제가 있을 수 있다.
특히, 본 발명의 조성물에서는 폴리에스테르 계열의 분산안정제를 선택적으로 사용함에 따라서, 종래의 비이온계 폴리옥시에틸렌 옥틸페닐에테르 (Triton X-100), 폴리옥시에틸렌 노닐페놀 에톡실레이트 (NP-10), 폴리옥시에틸렌 소르베이트 (Tween 20), 옥틸 페놀 에톡실레이트 (OP-10) 등과 같은 폴리에틸렌옥사이드 (PEO) 계열의 분산안정제를 사용하는 경우에 비하여, 방열 특성이 향상되는 효과뿐만 아니라 코팅 조성물 제조시에 거품이 발생하지 않는 장점이 있다(실험예 1-2 참조).
본 발명에 따른 조성물에 있어서, 상기 용매로는 메틸에틸케톤(MEK), 디메틸 포름 아마이드(DMF), 메틸셀로솔브(MCS), 카비톨아세테이트, 카비톨, PGMEA, PGME, 톨루엔, 자일렌, NMP, 2-메톡시 에탄올 등에서 선택된 하나 이상을 혼합하여 사용할 수 있다.
본 발명에 따른 조성물에 있어서, 상기 표면첨가제로는 폴리에테르 실록산 공중합체, 1-(2-메톡시메틸에톡시)프로판올, 2-(2-메톡시메틸에톡시)프로판올, 폴리에테르, 폴리실록산, 디프로필렌글리콜, 메틸에테르 등을 사용할 수 있고, 본 발명에서는 일례로 폴리에테르 실록산 공중합체로서 TEGO-Glide 406 (제조사: EVONIK)을 사용하였다.
본 발명에 따른 조성물에서, 상기 표면첨가제는 0.01-1.0 중량부, 바람직하게는 0.03-0.6 중량부, 더욱 바람직하게는 0.04-0.5 중량부 포함하는 것이 바람직하다. 만약, 상기 표면첨가제를 0.01 중량부 미만으로 사용할 경우에는 표면경도 향상의 정도가 미미하고, 또한 방열특성 개선의 정도도 미미한 문제가 있을 수 있고, 1.0 중량부를 초과하여 사용할 경우에는 표면경도 향상의 정도가 미미해지고, 방열특성이 저하되는 문제가 있을 수 있다.
특히, 본 발명의 조성물에서는 특정 표면첨가제를 사용함에 따라서, 표면경도 향상뿐만 아니라, 방열특성 역시 향상되는 효과가 있다(실험예 2 참조).
제조방법
본 발명은 하기 단계를 포함하는 방열 코팅 조성물의 제조방법을 제공한다.
흑연 분말과 실란으로 표면개질된 무기필러를 용매에 첨가하고 초음파 처리하는 단계(단계 1); 및
상기 단계 1의 혼합액에 에폭시 수지, 경화제, 분산안정제 및 표면첨가제를 추가로 첨가하고 초음파 처리하는 단계(단계 2).
본 발명에 따른 제조방법에 있어서, 상기 단계 1은 흑연 분말과 실란으로 표면개질된 무기필러를 용매에 첨가하고 초음파 처리하는 단계이다. 상기 단계 1의 초음파 처리는 흑연분말을 파쇄하는 역할을 하고, 1-3시간 실시할 수 있다.
본 발명에 따른 제조방법에 있어서, 상기 단계 2는 상기 단계 1의 혼합액에 에폭시 수지, 경화제, 분산안정제 및 표면첨가제를 추가로 첨가하고 초음파 처리하는 단계이다. 상기 단계 2의 초음파 처리는 고분자 수지에 다른 구성 성분들이 균일하게 분산시키는 역할을 하고, 1-3시간 실시할 수 있다.
본 발명은 상기 방열 코팅용 조성물을 기재 상에 도포하여 형성된 방열 코팅막을 제공한다. 상기 도포 방법으로는 스프레이 코팅, 스핀 코팅 등의 방법을 사용할 수 있으며, 이에 제한하지 않는다.
또한, 본 발명은 상기 방열 코팅막을 포함하는 방열 구조물을 제공한다. 상기 방열 구조물로는 방열판, 방열시트 등을 들 수 있다.
본 발명에 따른 방열 코팅 조성물은 분산안정제의 종류를 선별적으로 사용함에 따라 방열 특성이 향상되는 효과가 있고(실험예 1-2 참조), 또한 표면경도 향상을 위한 표면첨가제를 사용함에 따라 표면경도 향상뿐만 아니라 방열 특성도 향상되는 효과가 있으므로(실험예 2-4 참조), 방열 코팅 조성물로 유용할 수 있다.
이하, 본 발명을 하기의 실시예에 의하여 더욱 상세하게 설명한다. 단, 하기의 실시예는 본 발명을 예시하는 것일 뿐, 본 발명의 내용이 하기의 실시예에 의해 한정되는 것은 아니다.
< 제조예 1> 실란으로 표면 개질된 알루미나( Al2O3 ) 분말의 제조
알루미나 분말(평균입도크기 3, 5 및 45 ㎛)을 0.1M NaOH 수용액에서 1.5시간 동안 상온에서 교반한 후, NaOH 처리된 알루미나 분말을 걸러내어 오븐에서 건조시켰다.
다음으로, 상기 NaOH 처리된 알루미나 분말을 메탄올 용매 하에 트리메톡시실란과 함께 상온 조건에서 5.5 시간 동안 반응시킨 후, 약 85℃의 오븐에서 건조하여 실란으로 표면 개질된 알루미나 분말을 제조하였다.
< 실시예 및 비교예 > 방열 코팅 조성물의 제조
에폭시 수지와 경화제는 비스페놀 A와 에피클로히드린으로 이루어진 에폭시수지(MW ≥700 Struers Epofix) 1.8g과 경화제 트리에틸렌테트라아민 0.2g를 사용하였고, 흑연 분말은 평균입도크기 6 ㎛인 천연 흑연 분말(150~200W/m*K)을 사용하였으며, 무기 필러로서 상기 제조예에서 얻은 실란으로 표면 개질된 알루미나 분말을 사용하였으며, 분산안정제(습윤분산제)로서 TEGO-Disperse 670 (제조사: EVONIK)을 사용하였고, 표면첨가제로서 TEGO-Glide 406 (제조사: EVONIK)을 사용하였으며, 용매로서 메틸에틸케톤과 톨루엔을 1:1 부피비로 혼합한 혼합용액 50 ml를 사용하였다.
상기 용매에 흑연 및 실란으로 표면 개질된 알루미나를 혼합하고 초음파 분쇄기로 2시간 동안 분산시킨 다음, 에폭시 수지, 경화제, 분산안정제 및 표면첨가제를 모두 혼합하고, 초음파 분쇄기로 2시간 동안 분산시키며, 점도 조절을 위해 용매를 적정량 첨가하였다.
하기 표 1에 실시예 및 비교예에 따른 방열 코팅 조성물의 구성 및 함량을 나타내었다. 단, 용매는 총 함량에서 제외하였고, 모든 예에서 흑연과 알루미나는 5wt% 및 75 wt% 포함되도록 하였다.
각 구성 성분 및 함량(g)
에폭시수지 경화제 흑연 알루미나 분산안정제 표면첨가제
비교예1 8 1 2.25 pAO1
(33.75)		 TX
(1)		 -
비교예2 8 1 2.25 pAO1
(33.75)		 TX
(2)		 -
비교예3 8 1 2.25 pAO1
(33.75)		 TX
(4)		 -
비교예4 8 1 2.25 pAO2
(33.75)		 TX
(1)		 -
실시예1 8 1 2.25 pAO2
(33.75)		 670
(1)		 -
실시예2 8 1 2.25 pAO2
(33.75)		 670
(1)		 ST
0.1%
(0.046g)
실시예3 8 1 2.25 pAO2
(33.75)		 670
(1)		 ST
0.2%
(0.092g)
실시예4 8 1 2.25 pAO2
(33.75)		 670
(1)		 ST
0.5%
(0.23g)
실시예5 8 1 2.25 pAO2
(33.75)		 670
(1)		 ST
1.0%
(0.46g)
상기 표 1에서,
pAO1: 평균입도 45㎛ + 5㎛의 알루미나를 각각 6:4의 중량비로 혼합한 것으로, 실란으로 표면개질하였음.
pAO2: 평균입도 5㎛ + 3㎛의 알루미나를 각각 6:4의 중량비로 혼합한 것으로, 실란으로 표면개질하였음.
TX: 분산안정제로서 Triton-X100 (제조사: Sigma Aldrich)
670: 분산안정제로서 TEGO-Disperse 670 (제조사: EVONIK)
ST: 표면첨가제로서 TEGO-Glide 406 (제조사: EVONIK)
< 실험예 1> 분산안정제의 함량에 따른 방열 특성 평가
분산안정제의 함량이 방열 특성에 미치는 영향을 알아보기 위하여, 비교예 1-3과 같이 분산안정제의 함량만을 달리하였을 경우, 열확산도, 열전도도 등을 평가하여 하기 표 2에 나타내었다.
열확산도(mm2)
(through plane)		 비열(J/g*K) 밀도(g/cm3) 열전도도
(W/m*K)
비교예1 Gr/pAO1 TX(1g) 0.475 1.025 2.230 1.085
비교예2 Gr/pAO1 TX(2g) 0.427 1.025 2.210 0.967
비교예3 Gr/pAO1 TX(4g) 0.380 1.025 2.060 0.802
상기 표 2에 나타난 바와 같이, pAO1(45㎛+5㎛)을 사용한 조성물을 경우 입자가 상대적으로 큰 편이라 분산성에 있어 다소 많이 가라앉는 경향이 있는 것으로 나타났다. 상기 조성물에 분산안정제 TX의 첨가량이 증가할수록 열확산도 및 열전도도가 감소하는 경향을 나타내었다. 한편, 분산안정제로 사용한 TX의 경우 계면활성제 역할을 하여 거품이 생기는 문제점을 발견하였다.
본 실험결과를 토대로 알루미나 입자크기를 pAO2(5㎛+3㎛)으로 줄이고, 분산안정제를 670으로 교체하여 다음 실험예부터 사용하였다.
< 실험예 2> 분산안정제의 종류 및 표면첨가제의 첨가에 따른 방열 특성 평가
분산안정제의 종류 및 표면첨가제의 첨가에 따른 방열 특성을 알아보기 위하여, 비교예 4 및 실시예 1과 같이 분산안정제의 종류만을 달리하였을 경우, 그리고 실시예 2-5와 같이 표면첨가제를 함량을 달리하여 첨가하였을 경우, 열확산도, 열전도도 등을 평가하여 하기 표 3에 나타내었다.
열확산도(mm2) 비열(J/g*K) 밀도(g/cm3) 열전도도
(W/m*K)
through plane
비교예4 Gr/pAO2/
TX(1g)		 0.474 1.025 2.190 1.064
실시예1 Gr/pAO2/
670(1g)		 0.568 1.177 2.271 1.518
실시예2 Gr/pAO2/
670(1g)/
ST
0.1%(0.046g)		 0.601 1.025 2.202 1.356
실시예3 Gr/pAO2/
670(1g)/
ST
0.2%(0.092g)		 0.767 1.180 2.270 2.054
실시예4 Gr/pAO2/
670(1g)/
ST
0.5%(0.23g)		 0.760 1.185 2.145 1.931
실시예5 Gr/pAO2/
670(1g)/
ST
1.0%(0.46g)		 0.708 1.192 2.255 1.903
상기 표 3에 나타난 바와 같이, 먼저 분산안정제의 종류로는 비교예 4(TX)에 비하여 실시예 1(670)을 사용하였을 경우 열확산도 및 열전도도가 모두 향상되는 것으로 나타나, 분산안정제의 종류에 따라 방열 특성이 개선되는 것을 알 수 있었다. 또한, 알루미나의 입자크기를 pAO2로 줄이니 분산이 더 오래 유지되는 것을 관찰하였다. 나아가, 코팅막의 표면강도 향상을 목적으로 표면첨가제 ST를 함량별로(실시예 2-5) 첨가한 경우에도 열확산도 및 열전도도가 향상되는 것을 발견하였고, 특히 0.2-0.5 중량% 첨가할 경우(실시예 3-4) 열확산도 및 열전도도가 현저히 향상되고, 0.5 중량% 초과로 첨가할 경우에는 열확산도 및 열전도도에 큰 변화는 없는 것을 알 수 있었다.
< 실험예 3> 표면경도 평가
실시예 1 및 3-5에서 제조한 방열 코팅 조성물을 알루미늄 기판 상에 스프레이건으로 분사한 다음, 열경화하여 얻은 코팅막의 표면경도를 평가하였고, 그 결과를 도 1에 나타내었다. 시험시편의 크기는 2.5cm(가로)×3.5cm(세로)×2cm(높이), 측정장비는 알앤비(주)의 RB1007221을 사용하였으며, 측정방식은 Progressive load scratch(PLST)을 사용하였다.
구체적으로, 표면 크스래치 측정(ASTM C-1624 규격) 방법을 사용하였고, 시험방법으로는 시편의 표면에 다이아몬드 팁을 이용하여 수직하중(Nomal force)를 가한 상태에서 시편을 일정하게 움직이면 계면에 응력이 발생하고, 이 응력은 어느 일정 하중을 지나면 코팅층의 표면 손상을 야기한다. 단위는 힘은 N, 거리는 mm를 사용한다. 측정시 사용한 방식은 Progressive load scratch(PLST)이고, 이 방식은 다이아몬드 팁을 이용하여 표면에 점진적으로 하중을 가하면서(표준 조건 10N/min) 등속의 시편이동속도(표준 조건 10mm/min)로 스크래치 시험을 하는 방식이다.
도 1은 실시예 1 및 3-5에서 제조한 방열 코팅막의 표면 경도를 알아보기 위한, 표면 스크래치 평가 그래프이다(도 1에서 실시예1은 (1), 실시예3은 (2), 실시예4는 (3), 실시예5는 (4)로 표시함).
도 1에 나타난 바와 같이, 그래프 상에서 수직항력이 증가하다가 갑자기 수직항력의 크기가 감소하는 구간이 있는데 이 부분에서 표면에 균열(crack)이 발생한 것이다. 샘플들의 수직항력(Nomal force)의 크기를 비교하여 보면, 시편 표면에 균열이 일어나기까지의 수직항력의 크기는 실시예 1(1)이 가장 적었고, 그 다음은 실시예 3(2), 실시예 4(3), 실시예 5(4) 순으로 증가하였다. 즉, 표면첨가제의 함량이 늘어날수록 표면경도는 강해지는 것을 알 수 있었다.
또한, 하기 표 4에 샘플에 수직항력을 가하였을 시, 시편 표면의 파인 깊이인 수직변위와 표면 균열(crack)이 일어난 후 팁이 표면을 따라 긁고 지나간 거리인 수평변위를 변교하였다. 각 샘플들을 비교한 결과 (1), (2), (3), (4) 순으로 수직변위가 감소하는 양상을 보였다.
결과적으로, 표면첨가제를 첨가하면 코팅막의 표면경도가 향상되지만 0.5% 이상 첨가시 경도 향상에 큰 도움은 되지 않음을 알 수 있었다.
수직변위(mm) 수평변위(mm)
실시예1 (1) Gr/pAO2/670 1.764 5.0
실시예3 (2) Gr/pAO2/670/
ST(0.2%)		 1.735 5.0
실시예4 (3) Gr/pAO2/670/
ST(0.5%)		 1.505 5.0
실시예5 (4) Gr/pAO2/670/
ST(1.0%)		 1.482 5.0
< 실험예 4> 방열 온도 평가
본 발명의 방열 코팅 조성물에 대해 방열 코팅 용도로 사용시 계면에서의 방열 특성을 측정하기 위해, Al 플레이트(40mm×40mm, t=10mm)로 방열판의 소재로 사용되는 Al6061을 사용하였다. 상기 Al 플레이트에 실시예 1 및 4에서 제조된 방열 코팅 조성물을 고르게 도포하고 50℃에서 2시간 동안 경화 및 건조하여 코팅막을 준비하였다. 방열 코팅막의 방열 효과를 비교하기 위하여, 동일한 조건에서 표면을 코팅하지 않은 Al 플레이트에 대한 방열 온도측정을 동시에 실시하였고, 그 결과를 하기 표 5에 나타내었다.
구체적으로, 방열온도측정을 하는 과정에서 대류의 변화를 차단하기 위해 밀폐된 공간에서 진행 하였고, 밀폐된 공간의 공기 온도는 26 ℃이었다. 도 2에 방열 온도를 평가하는 방법을 나타낸 모식도를 나타내었다. 도 2에서 T2는 코팅 표면온도를 나타내고, T3는 방열온도를 나타낸다. 핫플레이트의 온도는 100℃로 설정하였다.
(1) (2) (3)
Al plate 실시예 1
Gr/pAO2/670		 실시예 4
Gr/pAO2/670/
ST 0.5%(0.23g)
1회 2회 1회 2회 1회 2회
공기 온도(℃) 26 26 26 26 26 26
Hot plate (℃) 100.3±0.2 100.3±0.2 100.4±0.1 100.3±0.2 100.2±0.2 100.3±0.2
T2 (℃) 97.9±0.2 97.8±0.3 96.9±0.1 96.8±0.3 96.4±0.3 96.6±0.1
T3 (℃) 46.7±0.1 44.7±0.1 48.1±0.2 46.8±0.1 48.3±0.1 46.7±0.1
표 5에 나타난 바와 같이, 표면 코팅으로 인해 열방사 속도가 빨라지므로, 실시예 1(2) 및 실시예 4(3)의 조성물로 제조한 코팅막의 표면온도(T2)는 코팅 처리하지 않은 (1)에 비해 감소하고 방열온도(T3)는 증가하는 것을 알 수 있었다. 특히, 실시예 1(2) 및 실시예 4(3)을 비교하였을 때, 실시예 4(3)의 표면온도(T2)가 더 낮고, 방열온도(T3)는 더 증가하는 것으로 나타나, 표면첨가제 첨가한 실시예 4가 실시예 1에 비해 더욱 우수한 방열 특성을 나타내는 것을 알 수 있었다.

Claims (14)

  1. 에폭시 수지 8 중량부에 대해,
    경화제 0.1-2.0 중량부;
    흑연 분말 1.0-4.0 중량부;
    실란으로 표면개질된 무기필러 30.5-37.0 중량부;
    분산안정제 0.2-2.0 중량부; 및
    용매 46.0-60.0 중량부;
    를 포함하고,
    상기 분산안정제는 2-메톡시프로필 아세테이트 및 1-메톡시-2-프로필 아세테이트의 공중합체인 것을 특징으로 하는 방열 코팅 조성물.
  2. 제1항에 있어서,
    표면첨가제 0.01-0.5 중량부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방열 코팅 조성물.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 흑연은 평균입도크기가 3-30㎛인 천연흑연 또는 팽창흑연(Expanded Graphite powder)인 것을 특징으로 하는 방열 코팅 조성물.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 실란으로 표면개질된 무기 필러는 알루미늄, 알루미나, 실리콘카바이드, 질화알루미늄, 질화붕소 및 이들의 혼합물로 이루어진 군으로부터 선택된 무기 필러의 표면에 실란기가 결합되어 표면개질된 것을 특징으로 하는 방열 코팅 조성물.
  5. 삭제
  6. 제1항에 있어서,
    상기 용매는 메틸에틸케톤(MEK), 디메틸 포름 아마이드(DMF), 메틸셀로솔브(MCS), 카비톨아세테이트, 카비톨, PGMEA, PGME, 톨루엔, 자일렌, NMP, 및 2-메톡시 에탄올로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1종 이상인 것을 특징으로 하는 방열 코팅 조성물.
  7. 삭제
  8. 삭제
  9. 제2항에 있어서,
    상기 표면첨가제는 폴리에테르 실록산 공중합체, 1-(2-메톡시메틸에톡시)프로판올, 2-(2-메톡시메틸에톡시)프로판올, 폴리에테르, 폴리실록산, 디프로필렌글리콜 및 메틸에테르로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1종인 것을 특징으로 하는 방열 코팅 조성물.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 경화제는 아민계 경화제, 이미다졸계 경화제 및 산무수물계 경화제로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상인 것을 특징으로 하는 방열 코팅 조성물.
  11. 흑연 분말과 실란으로 표면개질된 무기필러를 용매에 첨가하고 초음파 처리하는 단계(단계 1); 및
    상기 단계 1의 혼합액에 에폭시 수지, 경화제, 분산안정제 및 표면첨가제를 추가로 첨가하고 초음파 처리하는 단계(단계 2);
    를 포함하는 방열 코팅 조성물의 제조방법.
  12. 제11항에 있어서,
    용매를 추가로 첨가하여 점도를 조절하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 제조방법.
  13. 제1항의 방열 코팅 조성물을 기재 상에 도포하여 형성된 방열 코팅막.
  14. 제13항의 방열 코팅막을 포함하는 방열 구조물.
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