KR101789172B1 - 열전도성 물질로 코팅된 탄소나노소재를 이용한 방열성 페이스트 조성물과 이의 제조방법 - Google Patents

열전도성 물질로 코팅된 탄소나노소재를 이용한 방열성 페이스트 조성물과 이의 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 열전도성 물질로 코팅된 탄소나노소재를 이용한 방열성 페이스트 조성물과 이의 제조방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 탄소나노소재 표면을 열전도성 물질로 코팅하여 페이스트 형태의 매트릭스 물질 내에서 탄소나노소재의 분산성을 향상시키고 매트릭스 물질과 탄소나노소재 간의 계면열저항을 낮추어서 열전도율을 높여 고방열 특성을 갖는 페이스트 조성물과 이의 제조방법에 관한 것이다.
본 발명의 열전도성 물질로 코팅된 탄소나노소재를 이용한 방열성 페이스트 조성물은 액체 상태의 매트릭스 수지와, 매트릭스 수지에 분산되며, 조성물 전체 중량에서 0.01 내지 10중량%인 탄소계 필러를 함유하고, 상기 탄소계 필러는 탄소나노소재와, 상기 매트릭스 수지보다 열전도율이 높고 상기 탄소나노소재보다 열전도율이 낮은 열전도성 물질을 상기 탄소나노소재의 표면에 코팅하여 형성시킨 코팅층을 구비한다.

Description

열전도성 물질로 코팅된 탄소나노소재를 이용한 방열성 페이스트 조성물과 이의 제조방법{heat dissipation paste composition using thermal conductive material coated nano carbonaceous materials and manufacturing method thereof}
본 발명은 열전도성 물질로 코팅된 탄소나노소재를 이용한 방열성 페이스트 조성물과 이의 제조방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 탄소나노소재 표면을 열전도성 물질로 코팅하여 페이스트 형태의 매트릭스 물질 내에서 탄소나노소재의 분산성을 향상시키고 매트릭스 물질과 탄소나노소재 간의 계면열저항을 낮추어서 열전도율을 높여 고방열 특성을 갖는 페이스트 조성물과 이의 제조방법에 관한 것이다.
전기전자 산업의 발전과 더불어 전기전자소자의 소형 고집적화가 요구되고 따라서 소자 내부에서 발생하는 열의 체류 현상에 의해 열적 스트레스가 증가하여 전기전자소자의 신뢰성을 저하시키는 심각한 문제점이 대두되고 있다.
이를 해결하기 위하여 이전에는 히트 파이프 등과 같은 것을 이용하여 열을 방출하는 구조를 검토하였으나, 디스플레이 등의 슬림화에 기인하여 부피를 줄이기 위한 방법으로 고분자에 열전도성 입자를 분산시킨 방열성 페이스트를 이용하는 것이 더욱 효율적인 것으로 알려져 왔다. 소자로부터 발생한 열을 방출시키기 위해 고방열성 열계면물질(TIM;Thermal Interface Material)을 열이 발생하는 부분과 열을 배출하는 부분 사이에 적용하여 왔다.
특히, 반도체 칩을 기판에 부착시킬 때 적용하는 칩 접착제(die attach)는 물리적인 접착과 방열을 동시에 수행하므로 주로 방열성 페이스트를 적용하고 있다.
방열성 페이스트는 주로 열전도율이 높은 금속, 세라믹 입자를 필러(filler)로 적용하여 고분자 매트릭스(matrix,기재,모재)에 분산시켜 제조한다. 고방열성 페이스트의 경우, 일반적인 필러는 주로 20~90중량% 수준으로 고분자 수지에 혼입하여 0.1~40W/mK 수준의 열전도율을 구현하고 있다. 가장 일반적인 고방열성 페이스트는 다양한 형태와 크기를 갖는 은 입자를 20 ~ 90중량% 수준으로 고분자 수지에 혼입하여 10W/mK 이상의 열전도율을 구현하고 있다.
최근, 저렴하면서 전기전도율과 열전도율이 우수한 카본나노튜브(CNT), 그래핀(graphene), 그래핀나노플레이트(GNP), 흑연(graphite), 카본블랙(carbon black) 등과 같은 탄소나노소재를 고분자 수지에 혼입하여 전기전도성 고방열성 페이스트를 개발하는 경향이 있다. 이러한 일환으로 대한민국 공개특허 제10-2016-0001752호에는 방열 점착제가 개시되어 있다.
그러나, 탄소나노소재 표면의 소수성(hydrophobic) 특성과 매트릭스 수지 대비 탄소나노소재의 매우 낮은 비중 때문에 페이스트 제조 시 응집이 잘 되고 분산이 어려워서 제조가 까다롭고 예상된 열전도율이 구현되지 못하며, 매트릭스 물질과 탄소나노소재 간의 계면열저항이 높으므로 전체적으로 페이스트의 열저항이 높아져서 열전도율이 낮아지므로 예상된 열전도율을 구현하지 못하는 문제가 발생한다.
대한민국 공개특허 제10-2016-0001752호: 방열 점착제, 이를 이용한 방열시트 및 이를 구비한 전자기기
본 발명은 종래의 탄소나노소재를 필러로 하는 방열성 페이스트 제조 시 응집 문제와 실제 접착제로서 페이스트 적용 시 발생하는 계면열저항 증가에 따른 열전도율 감소 문제를 개선하기 위한 것으로서, 탄소나노소재 표면에 열전도율이 높은 결정성 고분자나 금속 입자를 코팅함으로써 매트릭스 수지 내에서 필러의 분산성을 향상시키고 계면열저항을 감소시켜 열전도율을 향상시키는 데에 그 목적이 있다.
상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명의 열전도성 물질로 코팅된 탄소나노소재를 이용한 방열성 페이스트 조성물은 액체 상태의 매트릭스 수지와; 상기 매트릭스 수지에 분산되며, 조성물 전체 중량에서 0.01 내지 10중량%인 탄소계 필러;를 함유하고, 상기 탄소계 필러는 탄소나노소재와, 상기 매트릭스 수지보다 열전도율이 높고 상기 탄소나노소재보다 열전도율이 낮은 열전도성 물질을 상기 탄소나노소재의 표면에 코팅하여 형성시킨 코팅층을 구비한다.
상기 매트릭스 수지는 열경화성 수지로서 에폭시 수지, 페놀 수지, 실리콘 수지, 멜라민 수지, 폴리이미드 수지, 아크릴 수지, 불포화 폴리에스테르 수지, 디알릴 프탈레이트 수지 및 이들의 변성품 중에서 선택된 적어도 어느 하나이다.
상기 에폭시 수지는 비스페놀 A형 에폭시수지, 비스페놀 F형 에폭시수지, 비스페놀 AD형 에폭시 수지, 방향족계의 글리시딜 아민형 에폭시 수지, 레조르시놀형 에폭시 수지 중에서 선택되는 적어도 어느 하나이다.
상기 탄소나노소재는 탄소나노튜브, 그래핀, 그래핀나노플레이트, 흑연, 카본블랙 중에서 선택된 적어도 어느 하나이다.
상기 열전도성 물질은 결정성 고분자인 것을 특징으로 한다.
상기 결정성 고분자는 액정 고분자, 고밀도폴리에틸렌, 폴리에테르에테르케톤, 신디오택틱 폴리스티렌, 결정성 에폭시 수지 중에서 선택되는 적어도 어느 하나이다.
상기 열전도성 물질은 금속 입자인 것을 특징으로 한다.
상기 금속입자는 금, 은, 구리, 알루미늄, 규소, 주석, 니켈 중에서 선택되는 적어도 어느 하나이다.
그리고 상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명의 열전도성 물질로 코팅된 탄소나노소재를 이용한 방열성 페이스트 조성물의 제조방법은 탄소나노소재의 표면에 열전도성 물질을 코팅하여 탄소계 필러를 형성시키는 코팅단계와; 상기 탄소계 필러를 액체 상태의 매트릭스 수지와 혼합시키는 혼합단계;를 포함하고, 상기 탄소계 필러는 조성물 전체 중량에서 0.01 내지 10중량%로 첨가되고, 상기 열전도성 물질은 상기 매트릭스 수지보다 열전도율이 높고 상기 탄소나노소재보다 열전도율이 낮은 결정성 고분자 또는 금속 입자이다.
상기 코팅단계는 상기 결정성 고분자에 용제 또는 희석제를 첨가하여 수득한 고분자 용액에 상기 탄소나노소재를 첨가한 다음 교반하여 상기 결정성 고분자를 상기 탄소나노소재의 표면에 코팅한다.
상기 코팅단계는 물, 알칼리, 산 중에서 선택된 어느 하나의 용매에 상기 탄소나노소재를 첨가하여 분산시킨 다음 금속염을 상기 용매에 용해시킨 후 환원제를 첨가하여 상기 금속염의 금속을 상기 탄소나노소재의 표면에 코팅한다.
본 발명의 열전도성 물질로 코팅된 탄소나노소재를 필러로 하는 고방열성 페이스트는 페이스트 제조 시 필러의 응집 문제와 접착제 적용 시 발생하는 계면열저항 증가에 따른 열전도율 감소 문제를 개선시켜 필러의 분산성이 우수하고 열전도율을 향상시켜서 전기전자 소자의 방열을 증진시켜서 신뢰성을 향상시킬 수 있다.
특히 방열이 필수적인 LED를 비롯한 고출력 전기전자 소자의 경우, 본 발명의 고방열성 페이스트를 칩 접착제로 활용하여 충분한 방열을 통한 장기 신뢰성 확보를 꾀할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 적용되는 코팅된 탄소계 필러의 분산상태를 코팅되지 않은 탄소계 필러와 비교한 모식도이고,
도 2은 본 발명의 다른 실시 예에 적용되는 코팅된 탄소계 필러의 분산상태를 코팅되지 않은 탄소계 필러와 비교한 모식도이고,
도 3은 본 발명의 다른 실시 예에 적용되는 코팅된 탄소계 필러들간의 접촉상태를 코팅되지 않은 탄소계 필러와 비교한 모식도이고,
도 4는 실시 예 2에 사용된 탄소계 필러와 코팅되지 않은 다중벽탄소나노튜브의 전자현미경 사진이고,
도 5는 실시예 1과 비교예의 방열성 페이스트 조성물의 경화 후 모습이고,
도 6은 실시예 1 및 3, 비교예의 방법으로 제조한 페이스트 조성물의 열전도율 측정결과를 나타낸 그래프이다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 열전도성 물질로 코팅된 탄소나노소재를 이용한 방열성 페이스트 조성물에 대하여 구체적으로 설명한다.
본 발명의 일 실시 예로 방열성 페이스트 조성물은 매트릭스 수지와, 매트릭스 수지에 분산된 탄소계 필러를 함유한다. 가령, 방열성 페이스트 조성물은 매트릭스 수지 90 내지 99.99중량%와, 탄소계 필러 0.01 내지 10중량%를 혼합하여 조성할 수 있다.
매트릭스 수지는 본 발명의 방열성 페이스트 조성물의 기재(matrix)를 이룬다.
매트릭스 수지로 열경화성 수지를 이용할 수 있다. 가령, 열경화성 수지로 에폭시 수지, 페놀 수지, 실리콘 수지, 멜라민 수지, 폴리이미드 수지, 아크릴 수지, 불포화 폴리에스테르 수지, 디알릴 프탈레이트 수지 및 이들의 변성품 중에서 선택된 적어도 어느 하나를 적용할 수 있다. 본 발명의 조성물이 페이스트 형태로 조성되기 위해서 열경화성 수지는 상온에서 액상인 것이 바람직하다. 특히 포트 라이프(pot life)나 경화 후의 다양한 특성을 얻기 위해, 비교적 조제가 용이한 에폭시 수지나 페놀 수지를 이용하는 것이 바람직하다. 나아가서는 방향족기를 가지는 에폭시 수지가 바람직하게 이용될 수 있다. 에폭시 수지로 비스페놀 A형 에폭시수지, 비스페놀 F형 에폭시수지, 비스페놀 AD형 에폭시 수지, 방향족계의 글리시딜 아민형 에폭시 수지, 레조르시놀형 에폭시 수지 중에서 선택되는 적어도 어느 하나일 수 있다.
본 발명에 이용되는 열경화성 수지에는 필요에 따라 경화제를 함께 사용될 수 있다. 예를 들면 에폭시 수지의 경우 페놀 노볼락 수지, 페놀 아랄킬 수지, 디시안디아미드, 이염기산디히드라지드 등의 경화제가 사용될 수 있다.
탄소계 필러는 매트릭스 수지에 분산된 형태로 매트릭스 수지 내에 분포한다.
본 발명에 적용된 탄소계 필러는 탄소나노소재의 표면에 열전도성 물질로 코팅된 구조를 갖는다. 즉, 탄소계 필러는 탄소나노소재와, 열전도성 물질을 탄소나노소재의 표면에 코팅하여 형성시킨 코팅층으로 구비된다. 열전도성 물질로 코팅한 코팅층에 의해 탄소나노소재의 분산성을 향상시키고 계면열저항을 감소시켜 열전도율을 향상시킨다.
탄소나노소재는 전기전도율과 열전도율이 우수한 탄소나노튜브(CNT), 그래핀(graphene), 그래핀나노플레이트(GNP), 흑연(graphite), 카본블랙(carbon black) 중에서 선택된 적어도 어느 하나일 수 있다.
상술한 탄소나노소재의 표면에 코팅되는 열전도성 물질로 매트릭스 수지보다 열전도율이 높고 탄소나노소재보다 열전도율이 낮은 물질을 이용한다. 본 발명의 페이스트 조성물의 열전달의 주된 흐름(main stream)은 매트릭스 수지이다. 열 전달경로 상에서 가장 열전도율이 낮은 부분은 매트릭스 수지이고 가장 높은 부분은 탄소나노소재이므로 열전도성 물질은 둘 사이의 열적 완충(buffer) 부분으로서 기능을 한다. 이러한 열전도성 물질은 열전도율이 0.3 내지 400W/mK가 적절하다.
상술한 열전도율 특성을 갖는 열전도성 물질로서 결정성 고분자 또는 금속 입자를 이용할 수 있다.
일반적으로 고분자는 결정성이 우수할수록 열전도율이 증가하는 특성을 가지므로 탄소계 필러의 코팅층을 형성할 고분자로 결정성 고분자를 이용한다.
결정성 고분자는 액정 고분자(Liquid Crystal Polymer,LCP), 고밀도폴리에틸렌(High density polyethylene, HDPE), 폴리에테르에테르케톤(Polyetheretherketones, PEEK), 신디오택틱 폴리스티렌(syndiotactic polystyrene, sPS), 결정성 에폭시 수지 중에서 선택되는 적어도 어느 하나이다. 액정 고분자는 폴리에스테르 계열인 것이 바람직하다.
그리고 금속입자로 열전도성이 우수하거나 열전도성이 비교적 우수하면서 융점이 낮은 금속을 이용한다. 가령, 금속입자로 금, 은, 구리, 알루미늄, 규소, 주석, 니켈 중에서 선택되는 적어도 어느 하나일 수 있다. 바람직하게 금속입자로 은, 구리, 알루미늄, 주석 중에서 어느 하나를 이용한다. 금속입자는 나노미터 크기의 나노입자일 수 있다.
상술한 열전도성 물질을 탄소나노소재의 표면에 코팅한 탄소계 필러는 본 발명의 페이스트 조성물 전체에 대하여 0.01 ~ 10중량% 수준으로 첨가될 수 있다. 탄소계 필러 함량이 0.01중량% 미만인 경우는 탄소계 필러 사이의 전기적, 열적 접촉이 불량해져 페이스트의 전기적, 열적 저항이 커진다. 그리고 함량이 10중량%를 넘어도 비용의 증가 및 분산성 저하로 인하여 전기적, 열적 저항 개선 효과는 미미하다.
도 1 및 도 2에 탄소나노소재의 표면에 열전도성 물질을 코팅한 탄소계의 필러의 모습을 나타내고 있다. 도 1은 탄소나노소재로서 탄소나노튜브(11)의 표면에 열전도성 물질(15)을 코팅한 탄소계 필러(10)와 코팅이 되지 않은 탄소나노튜브(1)의 모습을 비교하고 있다. 그리고 도 2는 탄소나노소재로서 그래핀나노플레이트(21)의 표면에 열전도성 물질(25)을 코팅한 탄소계 필러(20)와 코팅이 되지 않은 그래핀나노플레이트(2)의 모습을 비교하고 있다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 탄소나노소재의 표면이 결정성 고분자나 금속입자와 같은 열전도성 물질로 코팅된 경우 코팅 물질간의 척력으로 페이스트 내에서 응집형상보다는 분산현상이 용이하게 발생하여 필러의 엉김과 응집을 감소시킬 수 있어서 열전도율을 높일 수 있다. 또한, 필러를 매트릭스 수지 내에서 골고루 분산시키기가 매우 용이하여 작업성이 좋다. 반면에, 코팅이 되지 않은 필러의 경우 서로 응집하여 분산성이 매우 낮은 문제점이 있다.
그리고 도 3에 나타난 바와 같이 탄소나노소재(21)의 표면이 열전도성 물질(25)로 코팅된 필러(20)는 입자들 간에 접촉 시 접촉면적이 넓어 전기와 열의 전도가 용이하다. 하지만, 코팅이 되지 않은 필러의 경우 입자들 간에 접촉면적이 좁아 전기 및 열의 전도가 용이하지 않다.
한편, 본 발명은 다른 실시 예로 방열성 페이스트 조성물은 페이스트 상태의 매트릭스 수지와, 매트릭스 수지에 분산된 탄소계 필러와, 매트릭스 수지에 분산된 은 필러를 함유할 수 있다. 이 경우 페이스트 조성물은 탄소계 필러 0.01 내지 5중량%, 은 필러 50 내지 90중량%를 함유할 수 있다. 전기전도율과 열전도율이 우수한 은 필러로 서브마이크론 크기의 은 입자를 이용할 수 있다.
그리고 본 발명은 또 다른 실시 예로 경화촉진제, 희석제, 접착성 향상제, 젖음성 향상제, 소포제, 이온 트랩제 등의 각종 공지의 첨가제가 첨가될 수 있음은 물론이다.
가령, 경화촉진제로 유기 붕소염, 3급 아민류 및 그 염, 이미다졸류, 아세틸아세톤 금속염 등을 이용할 수 있다. 그리고 페이스트 조성물의 제조 및 사용 시의 작업성을 향상시키기 위해 필요에 따라 희석제를 첨가할 수 있고, 희석제로 부틸 셀로솔브, 카비톨, 초산 부틸 셀로솔브, 초산 카르비톨, 에틸렌글리콜디에틸에테르, 테르피네올 등의 비교적 비점이 높은 유기용제 및 1분자 중에 1~2개의 에폭시기를 갖는 반응성 희석제을 이용할 수 있다. 그리고 접착성 향상제로 실란커플링제, 티타늄커플링제 등을 이용할 수 있고, 젖음성 향상제로 비온계 계면활성제, 불소계 계면활성제 등을 이용할 수 있다. 그리고 소포제로 실리콘유, 이온 트랩제로 무기이온교환체 등을 이용할 수 있다.
상술한 바와 같이 본 발명의 방열성 페이스트 조성물은 열전도성 물질로 코팅된 탄소나노소재를 필러로 사용함으로써 페이스트 제조 시 필러의 응집 문제와 접착제 적용 시 발생하는 계면열저항 증가에 따른 열전도율 감소 문제를 개선시켜 필러의 분산성이 우수하고 열전도율을 향상시켜서 전기전자 소자의 방열을 증진시킬 수 있다.
본 발명의 방열성 페이스트 조성물은 바람직하게 액정 고분자(LCP)로 표면이 코팅된 그래핀나노플레이트 1중량%를 비스페놀 A형 에폭시 수지에 분산시킨 것이다.
또한, 본 발명의 방열성 페이스트 조성물은 바람직하게 나노입자 주석이 표면에 코팅된 다중벽탄소나노튜브 05중량%를 비스페놀 AD형 에폭시 수지에 분산시킨 것이다.
또한, 본 발명의 방열성 페이스트 조성물은 나노입자 은이 표면에 코팅된 단일벽탄소나노튜브 0.5중량%와 서브마이크론 크기의 은 입자 70중량%를 방향족계의 글리시딜 아민형 에폭시 수지에 분산시킨 것이다.
이하, 본 발명의 방열성 페이스트 조성물의 제조방법의 일 실시 예를 설명한다.
먼저, 탄소나노소재의 표면에 열전도성 물질을 코팅하여 탄소계 필러를 형성시키는 코팅단계를 수행한다.
탄소나노소재는 탄소나노튜브(CNT), 그래핀(graphene), 그래핀나노플레이트(GNP), 흑연(graphite), 카본블랙(carbon black) 중에서 선택된 적어도 어느 하나이다.
탄소나노소재에 표면에 코팅될 열전도성 물질은 결정성 고분자 또는 금속 입자를 이용할 수 있다.
액정 고분자, 고밀도폴리에틸렌, 폴리에테르에테르케톤, 신디오택틱 폴리스티렌, 결정성 에폭시 수지와 같은 결정성 고분자를 탄소나노소재의 표면에 코팅하는 방법의 일 예로 고분자 수지에 용제나 희석제를 가해 만든 고분자 용액에 표면을 세정한 탄소나노소재를 혼입한 후 일정시간 동안 교반한 다음 원심분리 방법으로 탄소나노소재를 고분자 용액으로부터 분리한다. 분리된 탄소나노소재는 표면에 고분자 수지가 코팅되어 있다.
금, 은, 구리, 알루미늄, 규소, 주석과 같은 금속입자를 탄소나노소재에 코팅하기 위해 다양한 방법을 적용할 수 있다. 가령, 화학적 환원 또는 열 환원에 의하여 탄소나노소재 표면에 금속을 코팅하거나, 금속 이온의 착물에서 금속 입자로 환원하는 과정에서 탄소나노소재를 첨가하여 탄소나노소재의 표면에 금속을 코팅하거나, 탄소나노소재 표면에 작용기를 부가하여 금속 이온 착물 중간체를 탄소나노소재 표면에 형성한 다음 이를 환원하는 방법으로 코팅할 수 있다.
일 예로 화학적 환원에 의한 코팅방법으로, 물, 알칼리, 산 중에서 선택된 어느 하나의 용매에 탄소나노소재를 첨가하여 분산시킨다. 그리고 금속염을 용매에 용해시킨 후 환원제를 첨가하여 금속염의 금속을 탄소나노소재의 표면에 코팅할 수 있다.
용매인 알칼리로 수산화나트륨(NaOH), 수산화칼륨(KOH) 등을 이용할 수 있다. 그리고 용매인 산으로 염산(HCl), 질산(HNO3), 황산(H2SO4) 등을 이용할 수 있다.
그리고 금속염으로 금, 은, 구리, 알루미늄, 규소, 주석과 같은 금속이 결합된 금속염을 이용한다. 이러한 금속염으로 금속-산염이나 금속할로겐염을 이용할 수 있다. 금속-산염으로 질산은(AgNO3), 황산구리(CuSO4) 등을 이용할 수 있고, 금속할로겐염으로 염화주석(SnCl2) 등을 들 수 있다. 그리고 환원제로 수소화붕소나트륨(NaBH4) 등을 이용할 수 있다.
또한, 금속입자로 형성된 코팅층은 산화되지 않은 금속입자와 산화된 금속산화물 입자가 혼재할 수 있다. 또한, 코팅층은 산화된 금속산화물층과 산화되지 않은 금속층이 적층되는 다층 구조일 수 있다. 이 경우 금속산화물층은 10nm 이하의 두께로 코팅될 수 있다.
탄소나노소재의 표면에 열전도성 물질을 코팅하여 탄소계 필러를 형성시킨 다음 탄소계 필러를 액체 상태의 매트릭스 수지와 혼합한다. 매트릭스 수지로 에폭시 수지, 페놀 수지, 실리콘 수지, 멜라민 수지, 폴리이미드 수지, 아크릴 수지, 불포화 폴리에스테르 수지, 디알릴 프탈레이트 수지 및 이들의 변성품 중에서 선택된 적어도 어느 하나의 열경화성 수지를 이용할 수 있다.
이하, 실시 예를 통하여 본 발명에 대해 설명하고자 한다. 다만, 하기의 실시 예는 본 발명을 구체적으로 설명하기 위한 것으로, 본 발명의 범위를 하기의 실시 예로 한정하는 것은 아니다.
(실시예 1)
폴리에스테르계 액정고분자(LCP) 1g을 톨루엔 100mL에 용해하여 매트릭스 수지를 준비하였다. 그리고 탄소나노소재로서 질산으로 질산으로 세정한 후 건조시킨 단일벽탄소나노튜브(SP95, 카본나노텍사)를 준비하였다.
단일벽탄소나노튜브 5g을 준비된 매트릭스 수지에 넣고 1시간 동안 교반 후 원심분리기를 이용하여 원심분리한 후 상온에서 건조하여 액정고분자가 코팅된 탄소계 필러를 수득하였다.
경화제가 혼입된 비스페놀 A형 에폭시 수지(YD-127, 국도화학)에 탄소계 필러를 0.5중량%로 칭량하여 혼입한 후 교반하여 방열성 페이스트 조성물을 제조하였다.
(실시예2)
그리고 탄소나노소재로서 질산으로 질산으로 세정한 후 건조시킨 다중벽탄소나노튜브(MR99, 카본나노텍사)를 준비하였다.
초순수 물 10mL에 염화주석(SnCl2ㆍ2H2O) 1g과 염산 0.7mL를 넣고 교반 후, 다중벽탄소나노튜브 0.002g을 넣고 초음파 인가 상태에서 1시간 교반한 다음 추가로 0.1M 수소화붕소나트륨(NaBH4) 용액 20ml를 넣어서 주석 나노입자를 환원시킨 후 원심분리기에서 원심분리 후 상온 건조하여 주석입자가 코팅된 탄소계 필러를 수득하였다.
경화제가 혼입된 비스페놀 A형 에폭시 수지(YD-127, 국도화학)에 탄소계 필러를 0.5 중량%로 칭량하여 혼입한 후 교반하여 방열성 페이스트 조성물을 제조하였다.
(실시예 3)
실시예 2와 동일한 방법으로 방열성 페이스트 조성물을 제조하되, 탄소나노소재로서 단일벽탄소나노튜브(SP95, 카본나노텍사)를 이용하였다.
(비교예)
경화제가 혼입된 비스페놀 A형 에폭시 수지(YD-127, 국도화학)에 필러로서 단일벽탄소나노튜브(SP95, 카본나노텍사)를 0.5 중량%로 칭량하여 혼입한 후 교반하여 방열성 페이스트 조성물을 제조하였다.
<실험예>
실시 예 2에 사용된 탄소계 필러와 코팅되지 않은 다중벽탄소나노튜브의 모습을 도 4에 도시하였다.
도 4를 참조하면, 약 20nm 직경의 다중벽탄소나노튜브 표면에 약 2~7nm의 주석입자가 코팅된 것으로 확인되었다. 그리고 주석입자들 중에는 소량의 산화주석 입자가 혼재되어 있었다.
그리고 실시예 1과 비교예의 방열성 페이스트 조성물을 작은 유리병에 각각 넣고 승온속도 5℃/min로 상온에서 150℃까지 승온시킨 다음 150℃에서 30분간 유지하여 경화시켰다. 경화시킨 모습을 도 5에 나타내었다.
도 5에서 우측은 코팅하지 않은 단일벽탄소나노튜브를 이용한 비교예의 페이스트 조성물의 모습이고, 좌측은 액정고분자로 코팅한 단일벽탄소나노튜브를 이용한 실시예 1의 페이스트 조성물의 모습이다.
도 5를 참조하면, 열전도물질인 결정성 고분자로 코팅한 탄소계 필러는 분산성이 우수한 반면에 코팅하지 않은 필러는 서로 응집하여 침강되어 있는 모습을 관찰할 수 있었다.
그리고 실시예 1 및 3, 비교예의 방법으로 제조한 페이스트 조성물을 대상으로 레이저플래시법으로 열전도율을 측정한 결과를 하기 표 1 및 도 6에 나타내었다. 필러의 첨가량을 0.1~2중량%로 달리하여 실험하였다.
구분
 필러 함량(wt%)
0 0.1 0.5 1.0 2.0
실시예 1 0.025W/mK 0.062W/mK 0.189W/mK 0.323W/mK 0.555W/mK
실시예 3 0.025W/mK 0.128W/mK 0.523W/mK 1.012W/mK 2.045W/mK
비교예 0.025W/mK 0.03W/mK 0.041W/mK 0.048W/mK 0.059W/mK
표 1 및 도 6을 참조하면, 코팅하지 않는 경우에 비하여 액정고분자 코팅, 주석입자 코팅 순으로 열전도율이 향상되는 것을 확인할 수 있었다. 특히, 주석입자로 코팅된 경우가 열전도율이 크게 향상되었다.
이상, 본 발명은 일 실시 예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 실시 예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 보호 범위는 첨부된 청구범위에 의해서만 정해져야 할 것이다.
10: 탄소계 필러 11: 탄소나노튜브
15: 열전도성 물질

Claims (11)

  1. 액체 상태의 매트릭스 수지와;
    상기 매트릭스 수지에 분산되며, 조성물 전체 중량에서 0.01 내지 10중량%인 탄소계 필러;를 함유하고,
    상기 탄소계 필러는 탄소나노소재와, 상기 매트릭스 수지보다 열전도율이 높고 상기 탄소나노소재보다 열전도율이 낮은 열전도성 물질을 상기 탄소나노소재의 표면에 코팅하여 형성시킨 코팅층을 구비하며,
    상기 매트릭스 수지는 열경화성 수지로서 비스페놀 A형 에폭시수지이며,
    상기 탄소나노소재는 탄소나노튜브이고,
    상기 열전도성 물질은 금속 입자이며,
    상기 금속입자는 주석인 것을 특징으로 하는 열전도성 물질로 코팅된 탄소나노소재를 이용한 방열성 페이스트 조성물.
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  6. 삭제
  7. 삭제
  8. 삭제
  9. 탄소나노소재의 표면에 열전도성 물질을 코팅하여 탄소계 필러를 형성시키는 코팅단계와;
    상기 탄소계 필러를 액체 상태의 매트릭스 수지와 혼합시키는 혼합단계;를 포함하고,
    상기 탄소계 필러는 조성물 전체 중량에서 0.01 내지 10중량%로 첨가되고,
    상기 탄소나노소재는 탄소나노튜브이고,
    상기 매트릭스 수지는 열경화성 수지로서 비스페놀 A형 에폭시수지이며,
    상기 열전도성 물질은 상기 매트릭스 수지보다 열전도율이 높고 상기 탄소나노소재보다 열전도율이 낮은 금속 입자이며,
    상기 코팅단계는 물에 염화주석과 염산을 넣고 교반 후, 탄소나노튜브를 넣고 초음파 인가 상태에서 1시간 교반한 다음 추가로 0.1M 수소화붕소나트륨(NaBH4) 용액을 넣어서 주석 나노입자를 환원시킨 후 원심분리기에서 원심분리한 다음 건조시켜 상기 금속 입자로서 주석을 상기 탄소나노소재의 표면에 코팅하는 것을 특징으로 하는 열전도성 물질로 코팅된 탄소나노소재를 이용한 방열성 페이스트 조성물의 제조방법.
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